CN108414603B - 一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法。该湿度传感器包括：衬底；半导体层，形成于所述衬底上；源电极和漏电极，形成于半导体层的上方或下方，分别对应顶栅顶接触和顶栅底接触结构；栅介质层，形成于源电极、漏电极和半导体层上；以及栅电极，形成于所述栅介质层上；所述栅介质层采用湿度敏感型介电材料。本发明采用顶栅结构，用湿度敏感型栅介质代替传统绝缘栅介质；利用栅介质与空气中水分相互作用所导致的其中质子浓度变化，通过在栅电极施加电压后，半导体与栅介质界面处发生载流子‑离子耦合，形成双电层；可有效控制半导体沟道内的载流子浓度，并使源‑漏电极间的电阻与水分子浓度相关联，实现对环境湿度的有效检测。

Description

一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于敏感电子器件中的湿度传感器领域，具体涉及一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法。
背景技术
湿度传感器在气象、农业、工业控制、医疗器械等许多领域有着广泛需求。目前研究和应用最为广泛的湿度传感器有电阻型、电容型和光学型(A.Tripathy,et.al,Sensors,14,2014,16343)。前两者分别通过测量电阻和电容值来传感湿度，常见的结构为薄膜电阻和平行板电容。用来感应的材料可分为带孔陶瓷、聚合物以及电解质等类型。形貌方面除了多孔材料，近年来也有例如纳米颗粒、纳米线等纳米材料的报道(Yeow,She,Nanotechnology,17,2006,544)。光学湿度传感器伴随着光纤和光集成技术一同发展。光学湿度传感器通常由光源、光探测器和湿敏薄膜等构成，利用湿度环境下湿敏薄膜光学性质的变化，进而引起光传播性质(如反射系数、频率或相位)的变化来测得湿度。
双电层薄膜晶体管(TFTs)又被称为电解质栅或离子栅薄膜晶体管，其工作原理是基于栅介质中的离子与半导体沟道中的载流子在外电场作用下发生界面静电耦合，产生双电层电容效应来对沟道内载流子浓度进行调控。目前，对双电层TFTs的离子栅介质研究已广泛展开，但大量工作尚处在晶体管的制备和基本性能表征阶段。应用方面大多关注其在电路中的开关功能，而在传感方面的研究多集中于对溶液中离子的感应，尚未有专门使用其对空气中湿度进行传感的报道。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法，利用双电层薄膜晶体管中的湿度敏感型介电材料能够吸收或释放水分子，并产生相应含量的质子，在栅电压的控制下实现基于双电层薄膜晶体管沟道控制机理的新型湿度传感。并利用晶体管自身的信号放大机制来增强传感灵敏度，且采用顶栅结构，将半导体埋于栅介质下方，从而避免了水气与半导体的直接作用，排除干扰。本发明拓展了该类器件的一个新的应用研究领域，对相关产业和已经开展的双电层薄膜晶体管研究具有重要意义。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器，包括：衬底；半导体层，形成于所述衬底上；源电极和漏电极，形成于半导体层上方或下方，分别对应顶栅顶接触和顶栅底接触结构；栅介质层，形成于源电极、漏电极和半导体层上；以及栅电极，形成于所述栅介质层上；所述栅介质层为湿度敏感型栅介质层，采用湿度敏感型介电材料。
优选的，所述湿度敏感型介电材料选自氧化物纳米颗粒、氧化石墨烯、有机合成高分子聚合物、天然来源高分子聚合物中的一种或多种。
优选的，所述氧化物纳米颗粒选自二氧化硅、三氧化二铝、二氧化钛、三氧化钨、二氧化锆、二氧化铪中的一种或多种。
优选的，所述有机合成高分子聚合物选自聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯中的任意一种。
优选的，所述天然来源高分子聚合物选自纳米纤维素、淀粉、壳聚糖、海藻酸钠或蛋白质中的任意一种。
优选的，所述半导体层的材料选自硅、金属氧化物、有机半导体、过渡金属二硫化物、石墨烯、碳纳米管或氮化镓中的一种，所述半导体层的厚度为0.1～80nm。
优选的，所述栅电极、源电极和漏电极的材料选自金属、导电氧化物、导电聚合物、石墨烯、碳纳米管、金属纳米颗粒中的一种或多种。
优选的，所述衬底的材料为玻璃、陶瓷、硅或塑料中的任意一种。
一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)先利用洗涤剂、丙酮、去离子水或异丙醇中的一种或多种对衬底进行清洗，清洗后干燥；
(2)在衬底的表面制备半导体层阵列；
(3)在半导体层上制备源电极和漏电级；
(4)在源电极、漏电极和半导体层上制备栅介质层；
(5)然后在栅介质层表面上制备栅电极；
(6)将步骤(5)制得后的薄膜晶体管阵列进行分割及封装。
优选的，所述步骤(4)中，栅介质层是通过磁控溅射、等离子体增强化学气相沉积、丝网印刷、喷墨打印、电流体动力喷射打印或旋涂中的任一种方法制备。
本发明提供了一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器，区别于传统的薄膜晶体管湿度传感器，本发明用湿度敏感型栅介质代替传统绝缘栅介质，利用栅介质与空气中水分的相互作用所导致的其中质子浓度变化，通过在栅电极施加电压后半导体与栅介质的界面处发生载流子-离子耦合，形成双电层；可以有效控制半导体沟道内的载流子浓度，并使源-漏电极间电阻与水分子浓度相关联，从实现对空气中湿度的有效检测。
与现有技术相比，本发明提供的基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器，具有以下优点：
(1)在原理和结构上不同于传统电阻型或电容型薄膜晶体管湿度传感器，而可以认为是两者的结合，先由空气中湿度作用于界面双电层电容值，再由双电层电容来控制源-漏电极间的电阻值；因此，既具有与电容型相似的湿度敏感作用机理，又具有电阻型的信号易读性；
(2)在原理和结构上也区别于已有的场效应晶体管或附加有湿度敏感层的场效应晶体管湿度传感器，本发明中的湿度敏感型栅介质被直接用于替代传统场效应晶体管中的绝缘栅介质层，并且传感信号的产生是直接由栅极电压作用下的敏感栅介质内双电层效应引起的；因此与传统场效应晶体管相比，具有低工作电压的优点；
(3)利用了晶体管的信号放大机制来增强传感灵敏度；
(4)相对于现有的电容型传感器，将电容或阻抗测试过程简化为电阻测量，有利于简化信号读取电路，并降低最终的产品成本；
(5)采用顶栅结构，将半导体埋于栅介质下方，从而避免了水气与半导体的直接作用，排除干扰。
附图说明
图1为本发明基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器示意图；
图2为室温下晶体管在不同湿度中的转移特性曲线；
图3为在方波脉冲栅电压激发下测得的传感响应曲线；
图4为从脉冲测试中提取得到的湿度传感响应曲线；
其中，1-栅电极；2-栅介质层；3-源电极；4-漏电极；5-半导体层；6-衬底。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征，目的和效果有更加清楚的理解，下面结合说明书附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例1
如图1所示，基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器，包括衬底6；半导体层5，形成于所述衬底6上；源电极3和漏电极4，形成于半导体层5上方或下方，分别对应顶栅顶接触和顶栅底接触结构；栅介质层2，形成于源电极3、漏电极4和半导体层上5；以及栅电极1，形成于所述栅介质层2上；所述栅介质层2采用湿度敏感型介电材料；
其中，所述栅电极1采用金纳米颗粒层；
所述栅介质层2采用纳米三氧化二铝层；
所述源电极3、漏电极4采用金电极；
所述半导体层5采用铟镓锌氧(IGZO)氧化物半导体材料；
所述衬底6采用表面带有氧化绝缘层的硅片。
上述基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)用乙醇、丙酮和去离子水依次清洗硅片；
(2)用旋涂机将光刻胶涂到硅片表面，通过光刻曝光和显影处理获得阵列窗口；
(3)用磁控溅射在衬底表面制备40nm厚的铟镓锌氧，再用丙酮洗去光刻胶，获得铟镓锌氧阵列；
(4)再次旋涂光刻胶，光刻获得源、漏电极窗口图形；
(5)蒸镀100nm厚金，并洗去光刻胶获得源、漏电极阵列，得到的沟道长度约20μm，宽度约200μm；
(6)运用电子材料喷墨打印机将三氧化二铝纳米颗粒溶液打印到铟镓锌氧半导体表面，并覆盖部分源、漏电极；
(7)在200℃对三氧化二铝纳米颗粒进行固化处理，处理后三氧化二铝纳米颗粒层厚度约500nm。
(8)运用电子材料喷墨打印机将导电金纳米颗粒墨水打印到沟道上方的栅介质层上，并在200℃退火处理后得到纳米金栅电极。
对器件的湿度敏感性进行测试。室温下晶体管转移特性曲线受湿度的影响如图2所示，在很小的栅电压VG范围内(-1～2V)，源漏电流IDS表现出了明显的随湿度升高而上升的趋势。图3所示为在方波脉冲栅电压激发下测得的IDS作为传感响应信号，可以看到，受脉冲栅电压激发下的IDS同样随湿度升高而呈上升趋势。将脉冲测试中得到的IDS信号提取，并以受激发次数为x轴作于图4，获得的对所测湿度响应超过了一个数量级。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求为保护范围。

Claims (5)

1.一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器，其特征在于，包括：
衬底；
半导体层，形成于所述衬底上；
源电极和漏电极，形成于半导体层的上方或下方，分别对应顶栅顶接触和顶栅底接触结构；
栅介质层，形成于源电极、漏电极和半导体层上；
以及栅电极，形成于所述栅介质层上；
所述栅介质层为湿度敏感型栅介质层，采用湿度敏感型介电材料纳米三氧化二铝。
2.根据权利要求 1 所述的基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器，其特征在于，所述半导体层的材料为金属氧化物，所述半导体层的厚度为 0.1～80 nm。
3.根据权利要求 1 所述的基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器，其特征在于，所述栅电极、源电极和漏电极的材料为金属或金属纳米颗粒中的一种或多种。
4.权利要求 1 所述的基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）先利用洗涤剂、丙酮、去离子水或异丙醇中的一种或多种对衬底进行清洗， 清洗后干燥；
（2）在衬底的表面制备半导体层阵列；
（3）在半导体层上制备源电极和漏电级；
（4）在源电极、漏电极和半导体层上制备栅介质层；
（5）然后在栅介质层表面上制备栅电极；
（6）将步骤（5）制得后的薄膜晶体管阵列进行分割及封装。
5.根据权利要求4 所述的基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，栅介质层是通过磁控溅射、等离子体增强的化学气相沉积、丝网印刷、喷墨打印、电流体动力喷射打印或旋涂中的任一种方法制备。
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