CN101048656A - 用于检测和/或测量环境中所含电荷浓度的传感器，对应的用途及其制造方法 - Google Patents

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CN101048656A CNA2005800297375A CN200580029737A CN101048656A CN 101048656 A CN101048656 A CN 101048656A CN A2005800297375 A CNA2005800297375 A CN A2005800297375A CN 200580029737 A CN200580029737 A CN 200580029737A CN 101048656 A CN101048656 A CN 101048656A
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塔耶伯·默哈迈德－布拉希姆
安妮－克莱尔·萨朗
弗朗斯·勒彼翰
希柴姆·科特伯
法瑞达·班德瑞尔
奥利弗·邦纳德
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Abstract

本发明涉及一种用于检测和/或测量环境中所含电荷的浓度的传感器。该传感器包括场效应晶体管结构，场效应晶体管结构包括形成栅极并悬在有源层(10)上方的桥(4)，有源层(10)位于漏极(6)与源极(7)之间。向桥施加具有特定值的栅极电压。在桥(4)与有源层(10)或沉积在所述有源层上的绝缘层(8)之间含有所谓的气隙区域(9)，气隙区域具有特定的高度。在气隙中创建被定义为栅极电压与气隙高度之比的电场(E)。本发明的特征在于，气隙中所产生的电场具有不小于特定阈值(50000V/cm，100000V/cm，优选地为200000V/cm)的值，其对于电场(E)非常重要，以便影响环境中所含的以及气隙中存在的电荷的分布，并且能够通过在有源层上积累电荷而获得高灵敏度的传感器。

Description

用于检测和/或测量环境中所含电荷浓度的传感器，对应的用途及其制造方法
技术领域
本发明的领域是能够用于气态或液态环境中的化学和生物传感器的领域。
更具体地，本发明涉及用于检测和/或测量存在于气态或液态环境中电荷的浓度的高灵敏度传感器。
本发明的传感器属于含有场效应晶体管结构的传感器范畴，场效应晶体管结构包括形成栅极并悬在位于漏极与源极区域之间的有源层上的桥。
本发明具有多种应用，例如，对于气态环境中的NH3、NO2、湿气或烟敏感的传感器，或者对液态环境中的溶液PH敏感的传感器。
更一般地，它能够用于含有电荷的任何气体或液态环境。但是，重要的提示是，本发明不应用于电中性环境。
背景技术
化学敏感的场效应晶体管(或FET)的历史开始于30年之前。其包括在气态环境中气体敏感的结构，以及在液态环境中离子敏感的结构。
通常，通过下面的栅极产生气体敏感的场效应晶体管(FET结构)：
-由钯或聚合物形成的可渗透的栅极，其放置在位于漏极与源极区域之间的有源层上，由此气体通过透过可渗透栅极的开口到达有源层；
-或悬挂的栅极(也称作“悬桥”)，其允许在被称作“气隙”的区域中存在气体，“气隙”区域包含在栅极与位于漏极和源极区域之间的有源层之间，或者在栅极与沉积在有源层上的绝缘层之间。
J.Janata在美国专利No.4,411,741(1993)和4,514,263(1985)中公开了悬挂的栅极FET结构。该结构使用传统的P型单晶硅FET晶体管，该晶体管具有形成桥的悬挂且被穿孔的栅极。灵敏参数是桥的功函数，其相对于液体中所含的偶极子的吸收而改变，同样也要求该结构的平带电压的改变。
另一个专利(S.C.Pyke的美国专利No.4,671,852(1987))公开了一种用于基于牺牲层的去除形成悬挂栅极、化学敏感的FET的方法。关于上述的专利，使用金属栅极作为悬桥。
B.Flietner，T.Doll，J.Lechner，M.Leu和I.Eisele(Sensor andActuators B，18-19(1994)pp.632-636)提出了一种混合的悬挂栅极FET(HSGFET)，其能够容易地在晶体管的栅极与沟道之间(即，在晶体管的栅极与有源层之间)沉积敏感层。在此方法中，单独地形成栅极，然后固定在前面形成的无栅极的FET上。
在这些专利之后，提出了大量的出版物和专利，用于优化气体敏感的悬挂栅极FET结构。这些著作主要处理用于生产其上出现吸收现象的敏感层的材料优化。
通过暴露在气体下的敏感层的功函数的改变，来解释这些已知的FET结构的气体灵敏度，敏感层暴露在气体下产生阈值电压的偏移。换言之，敏感参数是功函数，其相对于通过敏感层吸收在桥与有源层之间所含的区域(所谓的气隙)中的分子(例如偶极子)而改变(更精确地，在桥与敏感层之间存在吸收的情况下)。
应当提及，传统上为了获得气隙中存在的预期分子数量的指示，测量漏极与源极区域之间的电流(流进有源层的电流IDS)，并确定测量的电流如何改变。使用上述的目前的技术，其基于吸收现象，通过敏感层吸收分子而导致所测量的电流的变化。例如，如在前述美国专利No.4514263中所述，在桥上存在正电荷的情况下，由沉积在有源层上的敏感层所吸收的偶极子的数量越大，电流IDS越强。事实上，在此情况下，吸收的偶极子自己对准，每个吸收的偶极子的正端朝向有源层，导致被吸引的电子的数量增加，因此流入有源层的电流IDS增加。
液态环境(或溶液)中离子敏感的结构被称作Bergveld’s离子敏感FET(ISFET)。一方面这是包括覆盖了沟道绝缘体的敏感层的无栅极结构，另一方面，参考电极浸入溶液并固定了栅极偏置。
尽管关于该结构的第一出版物是P.Bergveld的“Development ofan ionsensitive solid-state device for neuro-physiologicalmeasurements”，IEEE Trans.Biomed.Eng.17(1970)pp.70-71，但是最早的专利属于C.C.Johnson，S.D.Moss，J.A.Janata的“Selective chemical sensitive FET transducers”，美国专利4020830(1977)。
从该专利以后，已经有超过500份出版物和150份专利是关于ISFET的。所论述的主要问题涉及提高其上出现吸收现象的敏感层的灵敏度和选择性(美国专利5319226/5350701/5387328)，漂移的研究以及温度的影响和参考FET结构的使用(J.M.Chovelon，Sensors andActuators B8(1992)pp.221-225)。
对于气体敏感的FET结构，通过由平带电压VFB中的变化引起的阈值电压的变化来解释ISFET的灵敏度。换言之，在已知的ISFET中只使用吸收现象的影响。
将VFB表示为：VFB＝Vref-Ψ0-χsol-Φs/q
其中Vref是参考电极的贡献，χsol是溶液的表面偶极子电势，Ψ0是在绝缘体与溶液之间界面处的表面电势，Φs是半导体功函数。
只有Ψ0是对pH值敏感的。通过下面的等式(R.E.G.van Hal，J.C.T.Eijkel，P.Berveld，“A general model to describe the electrostaticpotential at electrolyte/oxide interfaces”，Adv.Colloid.Interface Sci.69(1966)pp.31-62)给出相互关系Ψ0-pH：
∂ Ψ 0 ∂ pH Bulk = - 2.3 kT q α
其中α是无量纲参数，范围在0到1之间。当α等于1时，达到59mV/pH的最大灵敏度，也称作Nerstian灵敏度。
先前的专利或公开的著作没有阐述在不使用放大电路的情况下的较高的灵敏度。
包括场效应晶体管结构的已知的传感器的一个缺点在于，他们具有有限的灵敏度。典型地，在液态环境的情况下，该灵敏度限于59mV/pH。
发明内容
发明目的
特别地，本发明的目的是减少现有技术的各种缺点。
更精确地，在至少一个实施例中，本发明的一个目的是提供一种包括场效应晶体管并比已知的传感器具有更高灵敏度的传感器。
此外，在至少一个实施例中，本发明的目的是提供一种例如能够用于气态环境中的传感器。
在至少一个实施例中，本发明的另一个目的是提供一种例如能够用于液态环境中的传感器。
在至少一个实施例中，本发明其它的目的是提供一种例如便于制造并且廉价的传感器。
在至少一个实施例中，本发明的另一个目的是提供一种传感器，例如其能够解除对用于敏感层(其上出现吸收现象)材料的选择的限制。
本发明的基本特点
借助于用于检测和/或测量环境中所含电荷的浓度的传感器，能够获得按照本发明的这些各种目的以及将随后变得显而易见的其它目的，所述传感器包括场效应晶体管结构，场效应晶体管结构包括形成栅极并重叠在有源层上的桥，有源层位于漏极与源极区域之间。向桥施加具有特定值的栅极电压。在桥与有源层或沉积在所述有源层上的绝缘层之间含有所谓的气隙区域，气隙区域具有特定的高度。在气隙中形成被定义为栅极电压与气隙高度之比的电场E。按照本发明，气隙中所创建的电场E具有大于或等于特定阈值的值，其对于电场E足够大，以便影响环境中所含的以及气隙中存在的电荷的分布，并且能够通过在有源层上积累电荷而获得高的传感器灵敏度。
无论后者被用于气态环境还是液态环境，本发明基本的原理包括在气隙中创建强电场，使得能够将电荷推向有源层，以及提高传感器的灵敏度。因此，本发明不用于电中性的环境，电中性环境中没有气隙中所创建的电场所能作用的电荷。
重要的是，注意本发明依赖于由于施加强电场导致气隙中电荷的新的分布所产生的作用，而不依赖于吸收现象。在已知的基于吸收现象的传感器中，由于施加在气隙中的电场非常弱，所以不存在本发明所依赖的作用。事实上，发明人采用了下面的位置：本发明所依赖的作用只存在于施加在气隙中的电场是否是强电场，是否大于或等于50000V/cm。事实既然如此，在已知的传感器中，施加在气隙中的电场通常远大于1000V/cm。
还应当注意，本领域技术人员的假定一直产生了下面的信念，气隙中所创建的电场的值不必增加的太大，以便不使通过气隙表面的吸收饱和。
因此本发明的传感器的两种实施方式是可能的：
-在第一实施方式中，传感器只使用本发明的作用特性(由于施加了强电场导致气隙中电荷的新的分布)，因此不使用吸收现象。在此情况下，敏感层不是必要的，因此本发明能够解除对用于敏感层(其上出现吸收现象)材料的选择的限制。
-在第二实施方式中，传感器组合了本发明的作用特性(由于施加了强电场导致气隙中电荷的新的分布)以及吸收作用。在此情况下，敏感层对于吸收是必要的。
本发明涉及任何几何结构，其中由于施加在悬桥上的电压导致场效应足够高，以便影响环境中存在的电荷的分布。应当提及，漏极与源极区域之间的电流的调制主要是由于在桥与有源层之间(或者在桥与沉积在有源层上的绝缘层之间)的气隙中所存在的电荷分布的变化导致的。
优选地，气隙中所创建的电场具有大于或等于100000/cm的值。
甚至更优选地，气隙中所创建的电场具有大于或等于200000/cm的值。
有利地，气隙的高度小于1μm。
优选地，气隙的高度小于0.5μm。
应当理解，通过降低气隙的高度能够施加强的电场，而不增加施加到桥上的栅极电压VGS，或者通过较弱的栅极电压VGS施加相同的电场。
在本发明的一个特定实施例中，通过绝缘材料覆盖该结构的至少一部分、包括漏极和源极区域、悬桥和有源层，使得传感器能被浸入到液态环境中。
在专用于液态环境的该实施例中，按照本发明的传感器与已知的ISFET结构(参见上面的说明)的不同之处在于，栅极(悬桥)用作参考电极，以及适当地选择气隙的高度和施加到桥的栅极电压，使得在此气隙中存在强电场，由此能够将电荷推向有源层。
本发明还涉及前述传感器(按照本发明)的用途，用于检测和/或测量环境中所含电荷的浓度。
含有电荷的环境有利地属于包括气态环境和液态环境的组。
在本发明传感器的第一有利的用途中，电荷是气态环境中所含的NH3分子。
在本发明传感器的第二有利的用途中，电荷是气态环境中所含的NO2分子。
应当注意，NH3和NO2分子是偶极分子，并且在这些基础上能够被限制为本发明意义上的电荷。事实上，在气隙中创建的电场影响该气隙中所存在的偶极分子的移动(即使这些偶极分子整体上是电中性的)。
在本发明传感器的第三有利的用途中，电荷是液态环境中所含的H+离子。
在第四有利的用途中，按照本发明的传感器通过检测和/或测量气态环境中所含的OH-离子的浓度，检测和/或测量所述气态环境中的湿度比。
在第五有利的用途中，按照本发明的传感器通过检测和/或测量烟中所含的以及气态环境中所含的电荷，检测和/或测量所述气态环境中烟的浓度。
在第六有利的用途中，按照本发明的传感器通过测量空气中所含的负电荷的量，用于测量空气质量。
在第七有利的用途中，按照本发明的传感器通过检测和/或测量没有从气态环境中消除的电荷，检测和/或测量所述气态环境中的空隙组分。
事实上，当建立真空时，消除了空气以及由此该环境所含的电荷。
在第八有利的用途中，按照本发明的传感器通过测量液态环境中所含的H+离子的浓度，用于测量所述液态环境的pH。
pH灵敏度取决于经过气隙厚度的场效应。当气隙厚度增加时pH灵敏度降低。
在第九有利的用途中，按照本发明的传感器用于测量所述环境中所含的充电的生物实体。
术语“生物实体”应理解为是指，特别但不排它的，DNA细胞或分支。
应当清楚，能够构思多种其它的应用，而没有超出本发明的范围。
本发明还涉及用于制造例如前述的(按照本发明的)传感器的方法。在该方法中，使用表面超微技术工艺生产悬桥场效应晶体管结构。
使用表面超微技术工艺的优点在于，其能够容易地获得本发明所推荐的具有小高度的气隙(高度有利地小于或等于0.5μm，优选地小于或等于1μm)。
附图说明
在参照附图阅读出于非限制性和示意性给出的本发明下面描述的优选实施例之后，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：
图1a和1b每个显示了一个示意图，分别是适用于气态环境的按照本发明第一特定实施例的传感器的剖面图和透视图；
图1c是按照本发明的传感器的电子显微镜视图，该传感器是图1a和1b中示意性显示的类型；
图1d是图1c的一部分的放大视图，特别显示了气隙；
图2a显示了按照本发明的相同特定实施例的传感器的两个传输特性(漏极-源极电流IDS-栅极电压VGS)，一个是当传感器被放置在干燥空气中时获得的，另一个是在该环境中引入100ppm的NH3之后获得的；
图2b显示了按照本发明的相同特定实施例的传感器的两个传输特性(漏极-源极电流IDS-栅极电压VGS)，分别是把传感器放置在具有10％的相对湿度比的空气中，在引入2ppm的NO2之前和之后获得的；
图2c显示了按照本发明的相同特定实施例的传感器的多个传输特性(漏极-源极电流IDS-栅极电压VGS)，是在把烟引入该环境之后的各连续时刻获得的；
图2d通过显示阈值电压关于从引入烟开始所过时间的变化曲线，完善了图2c；
图2e显示了按照本发明的相同特定实施例的传感器的多个传输特性(漏极-源极电流IDS-栅极电压VGS)的线性标图(没有按照与其它图一样的对数刻度)，是在把烟引入该环境之后的各连续时刻获得的；
图2f显示了按照本发明的相同特定实施例的传感器的多个传输特性(漏极-源极电流IDS-栅极电压VGS)，是在该环境中的各种相对湿度获得的；
图2g通过显示阈值电压关于湿度比的变化曲线，完善了图2f；
图2h显示了按照本发明的相同特定实施例的传感器的多个传输特性(漏极-源极电流IDS-栅极电压VGS)，是在10％和20％的相对湿度，把烟引入该环境之前和之后获得的；
图3显示了按照本发明的第二特定实施例的传感器的剖面示意图，该传感器适用于液态环境；
图4a显示了对于100μA的源极-漏极电流和0.5μm的气隙厚度的与pH相关的栅极电极的各种曲线；
图4b显示了对于400μA的源极-漏极电流和0.8μm的气隙厚度的与pH相关的栅极电极的各种曲线；
图5显示了按照本发明的相同特定实施例的传感器的多个传输特性(漏极-源极电流IDS-栅极电压VGS)，是在把传感器浸入去离子水、KOH溶液、KCl溶液和NaCl溶液等的各种液态环境之后获得的。
具体实施方式
本发明由此涉及用于检测和测量环境中所含的电荷浓度的高灵敏度的传感器。通过(以较小的高度)悬在源极和漏极区域之间所含的电阻区域(有源层)上的桥引入的场效应，导致了灵敏度放大效应。对漏极和源极区域之间所测电流(“漏极-源极”电流IDS)的调制，主要是由于对存在于桥与有源层(或桥与沉积在有源层上的绝缘层之间)之间的气隙中的电荷的分布的调制所产生的。
下面将参照图1a、1b、1c和1d说明适用于气态环境的按照本发明第一特定实施例的传感器。
在第一实施例中，本发明的传感器包括典型的场效应晶体管结构3，其沉积在玻璃衬底上覆盖有氮化硅膜2。
场效应晶体管结构3包括由高掺杂的多晶硅制成的用作栅极(G)的悬桥4。
在此示例中，场效应晶体管实际上是薄膜晶体管(TFT)。通过使用表面超微技术工艺产生多晶硅桥。因此使用表面超微技术工艺制成的结构例如被称作“悬浮栅极薄膜晶体管”(SGTFT)。
但是，应当清楚，本发明涉及其中电场足够强以至于影响存在于该环境中的电荷分布的所有的场效应晶体管结构。
场效应晶体管结构3包括无意掺杂的多晶硅膜(有源层)10，其沉积在玻璃衬底1上，覆盖有氮化硅层2。也能够使用任何其它的绝缘衬底或覆盖有任何电绝缘物的衬底。例如，非晶地沉积多晶硅层，然后进行结晶。也能够直接以晶体状态沉积。也能够使用任何其它的未掺杂或轻掺杂的半导体。
然后沉积第二多晶硅层5，此次是原位轻掺杂的，并且蚀刻第二多晶硅层5以形成源极(S)7和漏极(d)6区域。也能够非晶地沉积，然后进行结晶，或者直接以晶体状态沉积。此外，也能够是通过任何掺杂方法二次掺杂(post doped)的。也能够使用任何其它的高导电材料。
任意地，然后沉积二氧化硅/氮化硅双层或单独的氮化硅层8，以便覆盖源极和漏极区域之间的表面。也能够使用任何类型的电绝缘层。
然后沉积锗层(没有显示)，并将其用作牺牲层。也能够使用SiO2层或与该结构中存在的其他层兼容的任何其他的材料作为牺牲层。牺牲层的厚度h提供了气隙9(桥下的间隔)的高度的最终值。
应当记得，气隙中所建的电场E被定义为栅极电压VGS与气隙的高度之比。按照本发明，气隙中所建的电场具有大于或等于特定阈值(50000V/cm，优选地为100000V/cm，甚至是200000V/cm)的值。选择气隙的高度h和栅极电压VGS，使得满足与电场E相关的条件。
该气隙高度h较小，对于给定的栅极电压VGS，使得气隙中所建的电场较强，因此使得场效应将对灵敏度产生主要影响。换句话说，该高度h必须足够小，使得施加到桥上的栅极电压VGS产生足够强的电场E，以影响环境中所含的以及气隙中存在的电荷分布。按照本发明，该高度小于或等于1μm，优选地为小于或等于0.5μm。
因此，对于等于0.5μm的气隙高度h，根据栅极电压VGS是至少等于2.5V、5V还是10V，电场E至少分别等于50000V/cm、100000V/cm或200000V/cm。
然后沉积并蚀刻高度原位掺杂的多晶硅层4，以便形成用作栅极(G)的桥。也能够使用任何其他的高导电材料，其与该结构中存在的其他层兼容，并具有用于保持桥的足够的机械强度属性。
然后能够沉积并蚀刻金属层(没有显示)以形成电的源极、漏极和桥(用作栅极)接触。也能够在没有金属层的情况下产生场效应晶体管结构3。
根据所使用的各种材料之间兼容性，在沉积金属层之前或之后蚀刻牺牲层以便释放位于桥4下面的间隔(气隙)9。以此方式，气态环境能够占据间隔9。
上述的本发明第一实施例的传感器对于各种气体敏感。已经显示了对于各种环境的敏感性。该结构对于电中性环境不敏感。晶体管特性例如与真空、O2环境、或N2环境下的特性类似。在所有这些环境中，阈值电压非常高。该高的阈值电压值通常认为是正常的MOS理论表达式，其中介电常数为1，并且栅极绝缘体具有大于或等于0.5μm的厚度。晶体管特性在充电环境中改变。
现在将为本发明的作用特性(由于施加了强电场，导致气隙中电荷的新的分布)以及其与吸收作用的可能结合给出理论解释。
此处的上下文涉及本发明的传感器的情况，其中晶体管的阈值电压的偏移是由于：
-场效应(本发明的作用特性)：在气隙区域中创建了强电场，其在气隙中产生了新的电荷分布；以及
-在沉积在晶体管有源层上的敏感层表面上的吸收作用(已知的效应)。但是，如上所示，应当清楚，本发明也用于只使用场效应的情况(而没有与吸收作用组合)。
在此情况下，传感器的阈值电压VTH(即，漏极-源极电流IDS饱和时栅极电压VGS的值)被写为：
Figure A20058002973700141
其中ΦMS是栅极的功函数与半导体的功函数之间的差，F是与禁带中间相关的费米能级的位置，QSC是半导体中的空间电荷，C是在桥与半导体之间每个表面单位的总电容，eox是绝缘体的总厚度(气隙高度与绝缘层8的厚度之和，绝缘层8例如二氧化硅(SiO2)/氮化硅(Si3N4)双层或单独的氮化硅(Si3N4))，ρ(x)是与桥距离x处的绝缘体中的电荷。
气隙中环境的任何变化产生绝缘体中总电荷的改变及其分布的可能改变。而且，可能出现在气隙内表面上的化学反应(吸收现象)，由此导致参数ΦMS的改变。
在现有技术的情况下，只考虑与吸收现象相关的后面的变化。
但是，作为本发明的目的，当气隙中存在强电场时，气隙中的电荷分布改变，其使得ρ(x)变化。而且，该强电场通过将电荷推到敏感层的表面上能够影响吸收。
所有这些效应导致ΦMS的改变，也导致上述表达式(1)的最后一项改变。因此，按照本发明，如果考虑强电场的影响，则阈值电压VTH的改变可能非常大。
现在将参照图2a至2h给出使用本发明第一实施例的传感器的几个示例。在这些示例中，晶体管是具有N型多晶硅悬浮栅极的薄膜晶体管。气隙具有0.5μm的高度。应当清楚，能够想到许多其它的使用，而不超出本发明的范围。
图2a和2b显示了在NH3环境(图2a)或在NO2环境(图2b)中，该结构具有显著的灵敏度。由于它们对晶体管特性的相反作用，因此选择NO2和NH3作为测试气体。图2a显示了当引入NH3时，曲线IDS(VGS)朝着最弱的电压偏移(阈值电压负的偏移)。图2b显示了NO2的引入具有相反的效果。因此，通过100ppm的气体NH3或者2ppm的气体NO2获得了6V的阈值电压偏移。
在图2a和2b中还能看到，通过按照本发明的传感器示例，为了可能的检测，电压必须大于10V，因此电场必须大于200000V/cm(＝10V/0.5μm)。
图2c和2d显示了，当引入烟时，阈值电压和阈值下的斜率急剧下降，传输特性饱和。这可在图2e的线性图中特别明显。
以相同的方式，图2f和2g显示了，当引入湿气时，阈值电压和阈值下的斜率急剧下降，传输特性饱和。因此，当湿度比从25％偏移到70％时，阈值电压的变化大于18V。
图2h显示了该结构的灵敏度对于烟且对于低的相对湿度比(例如，当湿度比保持不变或低于25％时)是可选的。
将参照图3给出按照本发明第二特定实施例的适用于液态环境的传感器。
该结构与图1a(适用于气态环境的第一实施例)的结构不同之处在于，氮化硅层30沉积在其表面(由此特别地在漏极6和源极5区域、有源层10以及悬桥4的表面)。能够将由此修改的结构浸入液体中，并能够在液体中原位测量。也能够使用可以使该结构与溶液隔离的任何其它的材料。此外，通过树脂或任何其它的电绝缘体覆盖接触区域。
例如，使用该结构测量液体中所含的电荷量。例如，其被称作“离子敏感型薄膜晶体管”(ISTFT)。
图4a显示了通过具有高度等于0.5μm的气隙所获得的285mV/pH的pH灵敏度。通过这样的气隙高度，大约在6.5V与9V之间的栅极电压变化，对应于大约在130000V/cm与180000V/cm之间的电场变化(在气隙中)。图4b显示了对于高度等于0.8μm的气隙，灵敏度下降至90mV/pH。通过这样的气隙高度，大约在6.25V与7.25V之间的栅极电压变化，对应于大约在62500V/cm与72500V/cm之间的电场变化(在气隙中)。与图4a的情况相比，该灵敏度的降低显示了场效应在获得高灵敏度中起主要作用。换言之，在液体中，本发明修改的结构提供了高的pH灵敏度，比普通的ISFET结构强大约2到6倍，该灵敏度取决于气隙的厚度
通常，按照与公式(1)相关的描述，通过强的场效应来解释本发明传感器对充电环境的高灵敏度，强的场效应特别是由于具有小的厚度h(例如，如果VGS≥10V则h≤1μm，或者如果VGS≥5V则h≤0.5μm，以便获得大于或等于100000V/cm的电场E)的气隙而创建的(即，在气隙中创建强的电场，大于或等于50000V/cm，甚至是200000V/cm)。当气隙的厚度较大，且气隙中的电场E小于50000V/cm时(其中E远小于1000V/cm的现有技术的情况)，场效应不充分，并且气隙中的电荷分布是均匀的。当电场E变强(大于或等于50000V/cm)时，特别是由于气隙的厚度下降(按照本发明的技术的情况)，分布不再均匀。由于在气隙的一个表面上积累了大量的电荷(不像电荷分布均匀的现有技术的情况)，所以提高了按照本发明的传感器的灵敏度。当栅极-源极电压以及由此的场效应增加时，该积累逐步变大。当由于场效应导致电荷积累时，通过气隙表面的饱和来解释传输特性的饱和。当环境中所含的电荷量增加时，对于较低的栅极-源极电压(较弱的场效应)出现该饱和。最后，由于气隙厚度增加时pH灵敏度下降(参见图4a和4b的上述讨论)，所以清楚地显示了场效应的强度。
将通过示例的方式并关于图5来给出本发明的场效应特性(由于施加了强电场，导致气隙中电荷的新的分布)及其与吸收作用的可能结合。
通过精确相同的浓度制备KCl和NaCl的盐溶液以及KOH的碱溶液。
当使用例如KCl和NaCl的盐溶液时，pH不变。因此，当跟踪放置在这些溶液中的本发明传感器的传输特性时，只观察到电场对电荷分布的影响。
另一方面，在存在KOH时，pH改变，因此不仅观察到电荷新的分布的作用(在电场的影响下)，而且也观察到吸收作用。
图5显示了按照本发明的相同特定实施例的传感器的传输特性(漏极-源极电流IDS-栅极电压VGS)，是在把传感器浸入下列的液态环境：去离子水(“DI Water”)以及具有相同浓度的KOH溶液、KCl溶液和NaCl溶液之后获得的。
在存在具有相同浓度的KCl或NaCl的情况下，与通过去离子水获得的传输特性相比，在传输特性中观察到相同的偏移。该偏移只是由于气隙中电荷新的分布导致的，电荷新的分布是由于施加了强电场产生的。通过上述等式(1)中最后一项的改变，在阈值电压VTH中产生了偏移。电荷的相同分布产生了相同的偏移。通过具有相同浓度的KOH溶液，观察到了额外的偏移。这是由于KOH的pH引起的，以及是由于由此在由氮化硅Si3N4构成的绝缘层(在图3中表示为30)的表面吸收的电荷引起的(上述等式(1)中第一项)。应当注意，在此示例中，绝缘层也用作吸收处理的敏感层。因此，在存在KOH的情况下，传输特性的偏移一方面是由于电荷新的分布(在电场的影响下)，另一方面是由于吸收的电荷引起的。因此，两种作用组合并对本发明此实施例的传感器的良好的pH灵敏度作出贡献。
尽管已经关于有限数量的实施例说明了本发明，但是本领域技术人员在阅读该说明时应当理解，在不超出本发明范围的情况下，能够设想其它的实施例。因此，本发明的范围只由后附的权利要求限定。

Claims (19)

1.一种用于检测和/或测量环境中所含电荷的浓度的传感器，所述传感器包括场效应晶体管结构，场效应晶体管结构包括形成栅极并悬在有源层(10)上方的桥(4)，有源层(10)位于漏极(6)与源极(7)区域之间，向桥施加具有特定值的栅极电压，在桥(4)与有源层(10)或沉积在所述有源层上的绝缘层(8)之间含有所谓的气隙区域(9)，气隙区域具有特定的高度，在气隙中形成被定义为栅极电压与气隙高度之比的电场E，其特征在于，气隙中所创建的电场具有大于或等于特定阈值的值，其对于电场E足够大，以便影响环境中所含的以及气隙中存在的电荷的分布，并且能够通过在有源层上积累电荷而获得高的传感器灵敏度。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于气隙中所创建的电场具有大于或等于50000/cm的值。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于气隙中所创建的电场具有大于或等于100000/cm的值。
4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于气隙中所创建的电场具有大于或等于200000/cm的值。
5.如权利要求1至4的任一项所述的传感器，其特征在于气隙的高度小于1μm。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于气隙的高度小于0.5μm。
7.如权利要求1至6的任一项所述的传感器，其特征在于通过绝缘材料(30)覆盖该结构的至少一部分表面，包括漏极和源极区域、悬桥和有源层，使得能够将传感器浸入液态环境中。
8.如权利要求1至7的任一项所述的传感器的用途，用于检测和/或测量环境中所含电荷的浓度。
9.如权利要求8所述的用途，其特征在于含有电荷的环境属于包括气态和液态环境的组。
10.如权利要求9所述的用途，其特征在于电荷是气态环境中所含的NH3分子。
11.如权利要求9所述的用途，其特征在于电荷是气态环境中所含的NO2分子。
12.如权利要求9所述的用途，其特征在于电荷是液态环境中所含的H+离子。
13.如权利要求1至7的任一项所述的传感器的用途，通过检测和/或测量气态环境中所含的OH-离子的浓度，检测和/或测量所述气态环境中的湿度比。
14.如权利要求1至6的任一项所述的传感器的用途，通过检测和/或测量烟中所含的以及气态环境中所含的电荷，检测和/或测量所述气态环境中烟的浓度。
15.如权利要求1至6的任一项所述的传感器的用途，通过测量空气中所含的负电荷的量，用于测量空气质量。
16.如权利要求1至6的任一项所述的传感器的用途，通过检测和/或测量没有从气态环境中消除的电荷，检测和/或测量所述气态环境中的空隙组分。
17.如权利要求1至7的任一项所述的传感器的用途，通过测量液态环境中所含的H+离子的浓度，测量所述液态环境的pH。
18.如权利要求1至7的任一项所述的传感器的用途，用于测量所述环境中所含的充电的生物实体。
19.用于制造如权利要求1至7的任一项所述的传感器的方法，其特征在于使用表面超微技术工艺生产悬桥场效应晶体管结构。
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