一种场效应管型气体传感器及其制备方法与应用

本发明属于微电子器件。更具体地，涉及一种场效应管型气体传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着物联网技术的不断进步，气体传感器在环境监测、智能家居等领域的应用日趋广泛。不仅对气体传感器的性能要求越来越高，而且需要气体传感器具有较强的微型化集成能力。目前气体传感器使用较多的敏感材料主要是金属氧化物半导体或者有机半导体材料。传统厚膜金属氧化物半导体传感器在室温下与待检气体的反应进行得非常慢，通常需要在较高温度下预热和工作。如中国专利申请cn111656172a公开了一种nox感测器件，包括衬底、位于衬底上的电介质层、位于电介质层内的加热器，其中气敏材料为氧化铝(al2o3)掺杂的导电金属氧化物，感测器件具有比现有技术感测器件低的功耗和更高的效率，这种低工作温度还减少了器件中硅氧烷的存在，并且因此减少了感测器件被硅氧烷毒化的可能性，但该感测器仍然需要在200℃下工作。另一方面传统厚膜金属氧化物半导体气体传感器的制造工艺在兼容性基础上实现进一步的微型化存在一定困难，使得制造成本上升。

2、石墨烯由于具有巨大的比表面积、极高的载流子迁移率、较小的本征噪声，且易于被化学修饰、柔性且便于集成等特征，在高性能室温气体传感器研制领域具有良好的应用前景。然而石墨烯基气体传感器对氨气的响应一般较弱，经研究可以采用对本征石墨烯薄膜表面进行臭氧处理；或者通过化学方法在石墨烯薄膜表面引入含氧基团；或者对石墨烯薄膜进行图形化加工以引入缺陷化边沿而增加气体吸附的活性位置等方法来提高石墨烯基气体传感器对氨气的响应强度。并且这些方法往往具有降低石墨烯膜的载流子迁移率、增大噪声、增加制造成本等缺点。采用具有催化作用的材料对石墨烯表面的修饰而提高石墨烯对特定气体的响应强度也是一种方法。但一般采用单一的催化材料，而且通常采用化学方法进行制备，需经过多道氧化还原反应，涉及溶胶凝胶法、水热法等，制作过程复杂；另一方面，石墨烯基气体传感器在获得较高响应强度的同时，往往需要较长的时间恢复，有的甚至需要采用高温或者紫外光照射来辅助其恢复，使得传感器的使用受到限制。

3、因此，如何兼顾提高响应性能和缩短恢复时间成为石墨烯基气体传感器研制的重点和难点。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是克服现有石墨烯基气体传感器难以兼顾提高响应性能和缩短恢复时间的缺陷和不足，提供一种场效应管型气体传感器。

2、本发明的另一目的是提供所述场效应管型气体传感器的制备方法。

3、本发明另一目的是提供所述场效应管型气体传感器的应用。

4、本发明上述目的通过以下技术方案实现：

5、本发明还保护一种场效应管型气体传感器，所述场效应管型气体传感器包括敏感材料；

6、其中，所述敏感材料由石墨烯膜和沉积在其上面的金属薄膜组成；

7、优选地，所述金属薄膜为金、铂、钯、银中的任意两种或多种组合。

8、更优选地，所述金属薄膜为金和铂组合。

9、优选地，所述金属薄膜为根据金属的熔融温度从低到高的顺序进行沉积。

10、优选地，所述金属薄膜层中每种金属薄膜层的厚度为0.5～1nm。金属薄膜层的厚度不宜过厚，每层的厚度不宜超过1nm，否则器件性能将大幅度衰减。

11、具体地，场效应管型气体传感器的组成自下而上包括掺杂的半导体衬底、绝缘层、背栅电极、石墨烯膜、源极、漏极和金属薄膜；

12、所述绝缘层设置在掺杂的半导体衬底表面；

13、所述背栅电极设置在绝缘层表面，其底部与掺杂的半导体接触；

14、所述石墨烯膜设置在绝缘层表面，与背栅电极间隔开来；

15、所述源极和漏极分别设置在石墨烯膜两端；

16、所述金属薄膜设置在源极和漏极之间形成的石墨烯膜区域。

17、本发明还提供所述场效应管型气体传感器的制备方法，包括如下步骤：

18、s1、采用掺杂的半导体衬底，衬底表面带有绝缘层，去除部分绝缘层并在去除绝缘层的衬底上制作背栅电极，使背栅电极底部通过去除的绝缘层区域与掺杂的半导体衬底接触；其中，所述去除部分绝缘层的区域根据本领域技术人员的公知常识可确定。

19、s2、将石墨烯膜转移或沉积至绝缘层表面，与背栅电极间隔开来；背栅电极也可以采用环绕形背栅，环绕形背栅有利于加强背栅的调控能力，有利于石墨烯膜区域电势的均匀分布，使调制的程度更加统一；

20、s3、图形化处理石墨烯膜，去除多余部分的石墨烯膜，保留源极和漏极及两者之间区域的石墨烯膜；

21、s4、在步骤s3所得石墨烯膜表面两端分别制备源极和漏极；

22、s5、在源极和漏极之间的石墨烯膜表面依次沉积金属，清洁表面，所得即为场效应管型气体传感器。

23、进一步地，步骤s1中，所述掺杂的半导体的电阻率为(1～5)×10-3ω.cm。优选地，所述半导体为硅、碳化硅、蓝宝石或氮化硅。

24、优选地，所述绝缘层为sio2、al2o3或hao2。选择不同的绝缘层材料，可以根据绝缘层的性能设置不同的厚度。一般来说，具有更大介电常数的材料作为绝缘层，在保证良好绝缘性的基础上可以采用更薄的厚度，一方面可以增强背栅的调控能力，另一方面可以在更低的背栅压下也具有较好的响应性能，并且更低的背栅压可以减小系统功耗。

25、优选地，所述石墨烯膜由化学气相沉积法制备得到。与氧化还原等化学制备方法相比，由化学气相沉积法制备的石墨烯导电性更好；与机械剥离制备方法相比，化学气相沉积法制备效率高、成本低，且易于与半导体器件制备工艺兼容，有利于器件集成。

26、优选地，所述沉积金属为采用电子束蒸发的方法沉积得到。

27、进一步地，所述电子束蒸发的设备的沉积腔室的真空度达到10-7torr量级后才开始沉积金属；所述沉积金属的速率为与磁控溅射方法相比，采用电子束蒸发的方法沉积金属对石墨烯表面的损伤更少，有利于保持石墨烯的高迁移率；与化学方法相比，其对石墨烯表面引入的污染更少，有利于器件性能的稳定性。

28、本发明还提供所述场效应管型气体传感器在气体检测中的应用。

29、更优选地，所述气体为氨气、硫化氢或一氧化碳。

30、最优选地，所述气体为氨气。

31、本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种场效应管型气体传感器，所述场效应管型气体传感器中的敏感材料采用石墨烯和沉积在其表面的金属超薄制成，器件设计为具有背栅电极的场效应管结构，不仅能够同时增强器件对气体的响应性能和恢复速度，还具备人为调控能力，拓宽了传感器的应用场景，拓宽了传感器的应用场景

技术特征：

1.一种场效应管型气体传感器，其特征在于，所述场效应管型气体传感器包括敏感材料；

2.根据权利要求1所述场效应管型气体传感器，其特征在于，所述金属薄膜为金、铂、钯、银中的任意两种或多种组合。

3.根据权利要求2所述场效应管型气体传感器，其特征在于，所述金属薄膜为金和铂组合。

4.根据权利要求1所述场效应管型气体传感器，其特征在于，所述金属薄膜根据金属的熔融温度从低到高的顺序进行沉积。

5.根据权利要求1所述场效应管型气体传感器，其特征在于，所述金属薄膜层中每种金属薄膜层的厚度为0.5～1nm。

6.权利要求1～5任一所述场效应管型气体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述半导体为硅、碳化硅、蓝宝石或氮化硅。

8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述绝缘层为sio2、al2o3或hao2。

9.权利要求1～5任一所述场效应管型气体传感器在气体检测中的应用。

10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，所述气体为氨气、硫化氢或一氧化碳。

技术总结
本发明属于微电子材料技术领域，具体涉及一种场效应管型气体传感器及其制备方法与应用。所述场效应管型气体传感器中的敏感材料采用石墨烯和沉积在其表面的多元金属超薄层制成，器件设计为具有背栅电极的场效应管结构，不仅能够同时增强器件对气体的响应性能和恢复速度，还具备更灵活的人为调控能力，拓宽了传感器的应用场景。

技术研发人员：赵珉,刘桂英,黄晓桃
受保护的技术使用者：岭南师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15