CN108152336B - 一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器 - Google Patents

一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器。现有产品在传感器与IC的互连中，易产生寄生效应，对传感信号产生影响。本发明包括两个用二维材料WS2制作的晶体管，其中M1当作气体传感器，M1的漏极接电源电压，栅极接基准电压，使M1工作在饱和区，M1的源极接M2的漏极，M2的栅极接基准电压，使第二NMOS管M2工作在饱和区，M2的源极接地，M2的漏极接输出，将第二NMOS管M2用绝缘材料覆盖住。本发明采用的是二维材料WS2制成的晶体管，将传感器与信号处理电路集成在一个晶圆上的器件结构，将气体传感器和信号处理电路设计在同一块Wafer上，不仅使器件结构更紧凑，也大大提高了传感性能。

Description

一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器
技术领域
本发明属于电子器件与气体传感领域，具体涉及一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器。
背景技术
在传统的集成电路制造工艺中，通常采用硅及掺杂硅等材料来制造晶体管，相关工艺比较成熟，但是硅材料晶体管的电学性能远比不上用二维材料(例如石墨烯或过渡金属二硫化物(TMD))制作的晶体管，目前，这种基于二维材料的晶体管由于材料的难获取、制备难度高等原因，未能实现复杂集成电路系统。
对于现有的气体传感器来说，大部分的半导体气体传感器采用的半导体材料多是硅以及III-V族和II-VI族元素化合物，其吸附气体的性能与采用二维材料的半导体气体传感器有一定差异。由于二维材料有独特的网络结构，和较大的表体积比，它对气体的吸附更加灵敏。例如石墨烯制备的气体传感器，它能探测出浓度低于10ppb的NO2(二氧化氮)及NH3(氨气)，而且灵敏度比传统硅材料高十几倍。
对于现有的传感模块来说，都是传感器芯片与信号处理的集成电路模块分开的，传感器芯片先在单独的Wafer上制作完成，然后通过Wire Bonding将芯片与信号处理IC连接在一起，IC的制造为传统的硅半导体工艺。传感器芯片与IC要单独设计加工，在传感器与IC的互连中，容易产生不必要的寄生效应，例如寄生电阻、寄生电容等，对传感信号产生影响。而且，从传感器得出的信号没有很好地优化，这就加大了外围电路对传感器信号处理的难度。
对于现有的IC设计，从传感器获得的电信号需要经过放大器的放大才能得到我们想要的信号以驱动负载。在一定范围的电源电压下，要获得高的电压增益，负载阻抗必须尽可能大，若要让信号损失小到可以忽略不计，就需要在放大器前端加一个缓冲器，源跟随器就起到了电压缓冲的作用。源跟随器也可以作为各级之间的缓冲器，作用为减少信号在各级传输中的消耗，避免信号消耗在负载阻抗低的放大器上。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺点，提供了一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器。
传统的大部分半导体气体传感器采用电阻式的，采用的是硅材料，本发明采用的是二维材料WS2制成的晶体管。本发明将传感器与信号处理电路集成在一个晶圆上的器件结构，将气体传感器和信号处理电路设计在同一块Wafer上，使用二维材料，例如石墨烯或过渡金属二硫化物(TMD)，这不仅提高了结构的优化，也增加了性能的优化。具体是设计一种具有传感功能的二维材料源跟随器，将电路中的部分晶体管作为气体传感器，这样的一个或几个晶体管即气体传感器，成为电路系统中的一个可变单元，从而实现传感识别功能。
本发明包括两个用二维材料WS2制作的晶体管，其中第一NMOS管M1当作气体传感器；第一NMOS管M1的漏极接电源电压VDD，第一NMOS管M1的栅极接基准电压Vb，使第一NMOS管M1工作在饱和区，第一NMOS管M1的源极接第二NMOS管M2的漏极，第二NMOS管M2的栅极接基准电压Vb，使第二NMOS管M2工作在饱和区，第二NMOS管M2的源极接地，第二NMOS管M2的漏极接输出Vout。将第二NMOS管M2用绝缘材料覆盖住。电路工作时，M2的漏极为M1提高稳定的电流源，输出端为与基准电压相同的电压，由于二维材料WS2对气体的物理或者化学吸附作用，使第一NMOS管M1的跨导发生改变，从而导致输出电压的变化，即实现检测气体的类型或含量。
第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的结构相同，均采用顶栅结构，最下层为250～300nm厚的SiO2衬底，在SiO2衬底上面用化学气相沉积技术长一层0.6～0.7nm厚的WS 2层，WS 2层上设置NMOS管的漏极和源极，漏极和源极为40～60nm厚的Au电极，漏极和源极对称设置在WS 2层上，漏极和源极之间的距离为120～160nm；WS 2层上除漏极和源极位置外覆盖绝缘层，绝缘层为20～40nm厚的HFO2层；绝缘层上设置有栅极，栅极为40～60nm厚的TiN电极，栅极位于源极与漏极中心连线的中间。
本发明由于采用了二维材料WS2，这种二维材料在电学性能上远超过传统的硅材料，它具有确切的能带，以及很高的传导率。这使它的信号处理速度有了大幅度的提高。
本发明将传统的电阻做负载的结构改为用晶体管做电流源负载的结构，工作在饱和区的晶体管M1做为电流源负载，有效抑制了体效应带来的输出的非线性变化,它的非线性变化体现在，晶体管的漏电流受输入直流电平的强烈影响，当输入电压升高时，例如，输入电压升高0.5V，漏电流会增大1倍，VGS-VTH会增大原来的
Figure BDA0001504836400000031
倍，从而导致输出电压与输入电压不成线性关系。而用电流源代替电阻负载时，漏电流不受直流电平的影响，而是从电流源中吸取电流，从而使输入输出特性成较好的线性关系。
本发明采用化学气相沉积技术，制作TMD材料WS2作为Mos管的沟道材料，提高了晶体管性能。在SiO2衬底上长一层单层的WS2层。二维材料与传统硅材料相比，具有高对称的晶元结构，更高的载流子传递速率，也有良好的能带宽度，这就使其电学特性远远高于硅材料，用这种材料作为晶体管的沟道层，就使其导通特性，传输速率有了很大的提高，并且也有良好的开关比，所以这种材料很适合做晶体管的沟道材料。
由于二维材料有独特网络空隙状结构，较大的表体面积比以及很高的表面活性，使其有很好的气体吸附性能。当气体分子被吸附后，材料表面的每个费米能级的态密度发生改变，其电子数目及载流子数目也因此发生改变，从而影响自身电导率。电导率发生变化时，导致输出端的电压随之变化。通过检测输出电压的变化，就可以探测出气体类型或者含量。
与现有技术相比，本发明的优点在于，采用了二维材料WS2制备的晶体管，其性能远远高于传统的硅晶体管，并将气体传感器作为源跟随器电路的一部分，使传感器与信号处理电路集成在一起形成一个系统。
附图说明
图1是本发明的源跟随器电路示意图；
图2是本发明中跟随器的layout示意结构图；
图3是WS2晶体管结构示意图；
图4是二维材料吸附气体示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明为了实现传感器与电路一体的系统结构，采用了如图1所示的源跟随器的电路结构，图2所示为跟随器的layout结构图。
如图1和2，源跟随器的电路包括两个用二维材料WS2制作的晶体管。第一NMOS管M1当作气体传感器；第一NMOS管M1的漏极1接电源电压VDD，第一NMOS管M1的栅极2接基准电压Vb，使第一NMOS管M1工作在饱和区，第一NMOS管M1的源极3接第二NMOS管M2的漏极4，第二NMOS管M2的栅极5接基准电压Vb，使第二NMOS管M2工作在饱和区，第二NMOS管M2的源极6接地，第二NMOS管M2的漏极4接输出Vout。将第二NMOS管M2用绝缘材料覆盖住。电路工作时，M2的漏极为M1提高稳定的电流源，输出端为与基准电压相同的电压，由于二维材料WS2对气体的物理或者化学吸附作用，使第一NMOS管M1的跨导发生改变，从而导致输出电压的变化，即实现检测气体的类型或含量。
为了实现高性能的晶体管，采用化学气相沉积技术，制作TMD(二维金属硫化物)材料WS2作为Mos管的沟道材料，二维材料与传统硅材料相比，具有高对称的晶元结构，更高的载流子传递速率，也有良好的能带宽度。
第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的具体结构如图3，采用顶栅结构，最下层为250～300nm厚的SiO2衬底11，在SiO2衬底11上面用化学气相沉积技术长一层0.6～0.7nm厚的WS 2层12，WS 2层12上设置NMOS管的漏极13和源极14，漏极13和源极14为40～60nm厚的Au电极，漏极13和源极14对称设置在WS 2层12上，漏极13和源极14之间的距离为120～160nm；WS 2层12上除漏极13和源极14位置外覆盖绝缘层15，绝缘层15为20～40nm厚的HFO2层；绝缘层上15设置有栅极16，栅极16为40～60nm厚的TiN电极，栅极16位于源极13和漏极14中心连线的中间。
作为一个具体实施例，SiO2衬底11的厚度为270nm，WS 2层12的厚度为0.65nm，绝缘层15的厚度为30nm，漏极13、源极14和栅极16的厚度为50nm，漏极13和源极14之间的距离为150nm。
为了实现气体传感器的结构，如图2，虚线区域7为覆盖区域，将源随器的第二NMOS管M2用绝缘材料盖住，第一NMOS管M1露在外面，以便于WS2材料对气体的物理吸附或者化学吸附，例如CO、NO、NH3、CO2等等，如图4所示。气体吸附后，改变其材料表面的每个费米能级的态密度，从而影响自身电导率，导致输出端的电压变化，就可以探测出气体类型或者含量。
本发明通过上述的方案，实现了一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器，这是传感系统的一个新的性能提高。特点在于，包括二维材料晶体管电路，二维材料晶体管气体传感器。而且不仅限于气体传感器，其它类型的传感器也能与信号处理电路共存于一个衬底上，并将其设计在电气性能卓越的二维材料上。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述的系统结构，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的任何变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器，包括两个用二维材料WS2制作的晶体管，分别是第一NMOS管M1和第二NMOS管M2，其中第一NMOS管M1当作气体传感器，其特征在于：所述的第一NMOS管M1的漏极接电源电压VDD，第一NMOS管M1的栅极接基准电压Vb，使第一NMOS管M1工作在饱和区，第一NMOS管M1的源极接第二NMOS管M2的漏极，第二NMOS管M2的栅极接基准电压Vb，使第二NMOS管M2工作在饱和区，第二NMOS管M2的源极接地，第二NMOS管M2的漏极接输出Vout；
所述的第一NMOS管M1和第二NMOS管M2的结构相同，均采用顶栅结构，最下层为SiO2衬底，在SiO2衬底上面用化学气相沉积技术长一层WS 2层，WS 2层上设置NMOS管的漏极和源极，漏极和源极对称设置在WS 2层上；WS 2层上除漏极和源极位置外覆盖绝缘层；绝缘层上设置有栅极，栅极位于源极与漏极中心连线的中间。
2.如权利要求1所述的一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器，其特征在于：所述的SiO2衬底的厚度为250～300nm。
3.如权利要求1所述的一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器，其特征在于：所述的WS 2层的厚度为0.6～0.7nm。
4.如权利要求1所述的一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器，其特征在于：所述的绝缘层为20～40nm厚的HFO2层。
5.如权利要求1所述的一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器，其特征在于：所述的漏极和源极为40～60nm厚的Au电极，漏极和源极之间的距离为120～160nm。
6.如权利要求1所述的一种具有气体传感功能的二维材料源跟随器，其特征在于：所述的栅极为40～60nm厚的TiN电极。
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