CN109682863B - 基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及制备方法，该气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道；TMDCs与SFOI接触后，由于彼此间费米能级差异，电子从高费米能级一侧转移至低费米能级一侧，从而在异质结两侧产生空间电荷区，形成p‑n结；当待测气体分子吸附于TMDCs表面并与TMDCs之间发生电荷转移后，TMDCs内的载流子浓度发生变化，引起p‑n结势垒改变，导致SFOI中的空间电荷区宽度改变，最终导电沟道电阻改变从而对待测气体进行传感。本发明将气体敏感层同导电沟道分开，利用二维TMDCs对吸附气体分子的高灵敏度与成熟的传统半导体器件工艺，有助于实现高灵敏度，高可靠性，可直接集成在半导体芯片上的气体探测器。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及其制备方法，其中的异质结结构，即由二维过渡金属硫化物(TMDCs)与绝缘体上半导体薄膜(Semiconductor Films On Insulators,SFOI)形成的异质结。
背景技术
气体传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电、光、声等可以被设备直接读取、量化的信号，从而进行检测、监控、分析、报警等。近几十年来气体传感器在工业生产、环境监测、医药卫生等领域得到了广泛应用。依据检测原理气体传感器可分为电学类、光学类、电化学类、测热类等，其中以金属氧化物半导体SnO2、ZnO、V2O5、TiO2等为代表的电学类气体传感器因其灵敏度高、响应速度快、经济可靠、体积小等优点而得到迅猛发展，目前已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。但常温下金属氧化物与吸附气体间的氧化还原反应的反应活性低，通常需要附加的加热装置，将气体传感器加热至较高的工作温度，这样不仅增加了功耗，也限制了器件集成度的进一步提高。同时，长时间的高温环境不仅会降低器件的稳定性，还会带来安全隐患，特别是待测气体成分未知，可能存在易燃气体的情况下。
二维TMDCs由于其分子级的厚度和巨大的比表面积，其电学性能很容易受表面吸附气体分子影响，因而理论上讲，TMDCs气体传感器将具有很高的灵敏度。特别是，二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、二硒化钼(MoSe2)、二硒化钨(WSe2)这四种半导体型TMDCs，具有载流子迁移率高、机械强度高、化学稳定性和热稳定性好等优点，因而在气体传感器领域有广阔的应用前景。根据已有报道，MoS2、WS2等对NO2、NO、NH3等无机气体以及丙酮、三乙胺等有机挥发性气体，在常温下均表现出优异的敏感性。
二维TMDCs气体传感器对气体分子的探测包含两个过程：TMDCs材料表面没有悬挂键，气体分子首先以范德华力吸附于其表面，接着吸附的气体分子和TMDCs之间发生电荷转移，导致TMDCs材料中载流子浓度改变，TMDCs电阻随之改变。可见，和传统金属氧化物气体传感器不同，二维TMDCs对气体的探测不依赖于氧化还原反应，从而有利于降低传感器工作温度。由于不同气体分子吸附能的差异以及电荷转移能力的差异，TMDCs对气体分子的敏感性各不相同，因而具有选择性。此外，也正是因为TMDCs表面无悬挂键，呈化学惰性，原则上其耐腐蚀性也要远远优于传统金属氧化物半导体。
理论上，随着材料厚度减小，层间电荷屏蔽效应减弱，吸附分子对气体敏感材料电学性能的影响越大，因此，单层材料将拥有最高的敏感性。另一方面，传统体材料气体传感器导电沟道处于半导体内部，受表面散射影响较小，电流信号的改变只取决于材料的载流子浓度变化，即电荷转移数目。而对于二维TMDCs气体传感器，如果依旧采用与金属氧化物半导体相同的常规两端电阻型结构，即TMDCs薄膜既是气体敏感层又是导电沟道，随着二维TMDCs材料随着厚度减小，受表面散射的影响将会越来越大。TMDCs与吸附分子间的电荷转移不仅改变TMDCs中的载流子浓度，同时，吸附分子作为散射中心将显著降低载流子的迁移率，其结果是，电阻的改变难以真实反映待测气体浓度。特别是对吸附气体分子后TMDCs中载流子浓度增加，预期电流将会增大的情况。
以MoS2对NH3分子的探测为例，原则上，NH3吸附在MoS2表面后电子从NH3转移到MoS2，导致MoS2中电子浓度增加，并且电流信号的增加理应和吸附的NH3分子数目线性正相关，但由于表面散射作用，吸附NH3分子后MoS2中的载流子迁移率也显著退化，两种作用相互抵消，导致吸附NH3后电流信号的增加受到极大的抑制。这与实验报道的单层MoS2吸附气体后电流信号的稳定性明显低于多层MoS2器件一致。此外，TMDCs作为新兴材料其器件的制备还面临不少挑战，如大面积高均匀度薄膜的制备，稳定掺杂、器件欧姆接触的形成等。
发明内容
针对现有技术的以上缺点或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及制备方法，与现有技术相比能够有效解决TMDCs气体传感器受表面散射影响大，稳定性差、易受干扰等问题，本发明中的气体传感器是以TMDCs作为气体敏感层，SFOI作为导电沟道；TMDCs与SFOI接触后，由于彼此间费米能级的高低差异，电子从高费米能级一侧转移至低费米能级一侧，从而在异质结两侧产生空间电荷区，形成p-n结；当待测气体分子吸附于TMDCs表面并与TMDCs之间发生电荷转移后，TMDCs内的载流子浓度发生变化，引起p-n结势垒变化，导致SFOI中的空间电荷区宽度改变，最终导电沟道电阻改变，实现对气体分子的传感。本发明将气体敏感层同导电沟道分开，同时利用二维TMDCs对吸附气体分子的高灵敏度，与成熟的传统半导体器件工艺，有助于实现高灵敏度，高可靠性，可直接集成在半导体芯片上的气体探测器。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，该气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与所述绝缘体上半导体薄膜SFOI两者接触，并且由于两者之间费米能级的高低差异引起电荷转移形成异质p-n结，在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中产生空间电荷区；该气体传感器用于当待测气体分子吸附于所述二维过渡金属硫化物TMDCs表面并发生电荷转移时，所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的空间电荷区宽度改变，而空间电荷区宽度直接决定了绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道的电阻，从而利用传感器电阻的改变对待测气体进行传感。
作为本发明的进一步优选，所述气体分子具体是以范德华力吸附于所述气体敏感层的表面后发生电荷转移，使所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生改变。
作为本发明的进一步优选，所述气体传感器整体上呈现出金半场效应晶体管特性，其中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs作为肖特基接触中的金属栅极，所述导电沟道的两端分别作为源极和漏极，源漏输出电流由TMDCs－SFOI异质结在绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道中产生的空间电荷区宽度决定。
作为本发明的进一步优选，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与绝缘体上半导体薄膜SFOI两者之间费米能级之差的绝对值不低于0.3eV；
优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型MoS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Si半导体薄膜；
或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型WS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Ge半导体薄膜；
或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为p型WSe2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的n型Si半导体薄膜。
按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供绝缘体上半导体薄膜SFOI材料；
(2)将所述SFOI形成图形结构，去除目标导电沟道区域外的半导体薄膜层，形成半导体薄膜图形结构，该半导体薄膜图形结构即导电沟道台面；
(3)在所述半导体薄膜图形结构的表面形成电极层，从而形成分别与目标导电沟道区域两端相连的两个电极；
(4)将二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜直接生长或者转移至所述半导体薄膜图形结构的表面，以覆盖部分所述半导体薄膜导电沟道区域，同时保证该TMDCs薄膜未与所述步骤(3)得到的两个电极直接接触；
(5)在所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的表面形成钝化层，然后将所述钝化层图形化，以形成暴露部分二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的开口，以作为气体吸附及脱附的窗口。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI材料的绝缘体衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构；
所述步骤(1)中，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；
所述步骤(1)中，所述半导体薄膜为本征半导体或掺杂浓度为1013-1017cm-3的轻掺杂半导体；该半导体薄膜的厚度为5-500nm，以便该半导体薄膜与二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；
所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种以及它们的合金中的任一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的厚度为0.6-100nm；
所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的掺杂浓度要大于所述绝缘体上半导体薄膜的掺杂浓度，以便该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜与半导体薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；
所述步骤(5)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。
按照本发明的又一方面，本发明提供了一种基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器，其特征在于，该结型场效应晶体管气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与所述绝缘体上半导体薄膜SFOI两者接触，并且由于两者之间费米能级的高低差异引起电荷转移形成异质p-n结，在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中产生空间电荷区；在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的绝缘体背面具有背栅电极，该背栅电极用于调控所述绝缘体上半导体薄膜SFOI与所述二维过渡金属硫化物TMDCs中的载流子浓度以及相应的SFOI与TMDCs之间电荷转移形成的空间电荷区宽度；该结型场效应晶体管气体传感器用于当待测气体分子吸附于所述二维过渡金属硫化物TMDCs表面并发生电荷转移时，所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的空间电荷区宽度改变，而空间电荷区宽度直接决定了绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道的电阻，从而利用传感器电阻的改变对待测气体进行传感。
作为本发明的进一步优选，所述气体分子具体是以范德华力吸附于所述气体敏感层的表面后发生电荷转移，使所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生改变；
所述二维过渡金属硫化物TMDCs与绝缘体上半导体薄膜SFOI两者之间费米能级之差的绝对值不低于0.3eV；
优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型MoS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Si半导体薄膜；
或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型WS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Ge半导体薄膜；
或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为p型WSe2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的n型Si半导体薄膜。
按照本发明的再一方面，本发明提供了制备上述基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料；
(2)将所述SFOI形成图形结构，去除目标导电沟道区域外的半导体薄膜层，形成半导体薄膜图形结构，该半导体薄膜图形结构即导电沟道台面；
(3)在所述半导体薄膜图形结构的表面形成电极层，从而形成分别与目标导电沟道区域两端相连的两个电极；
(4)将二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜直接生长或者转移至所述半导体薄膜图形结构的表面，以覆盖部分所述半导体薄膜导电沟道区域，同时保证该TMDCs薄膜未与所述步骤(3)得到的两个电极直接接触；
(5)在所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的表面形成钝化层，然后将所述钝化层图形化，以形成暴露部分二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的开口，以作为气体吸附及脱附的窗口。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料优选以电阻率小于1Ωcm的低电阻晶圆片为衬底，该衬底同时也作为背栅电极；优选的，所述衬底为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、GaN、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；
所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的绝缘体层为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中的任意一种或者是它们中的两者及两者以上组成的化合物或叠层中的任一种，所述绝缘体层的厚度为5-500nm，该绝缘体层同时也作为背栅介质层；
所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、GaN、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；
所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为本征半导体或掺杂浓度为1013-1017cm-3的轻掺杂半导体；该半导体薄膜的厚度为5-500nm；
所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种以及它们的合金中的任一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的厚度为0.6-100nm；
所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的掺杂浓度要大于所述绝缘体上半导体薄膜的掺杂浓度，以便该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜与半导体薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；
所述步骤(5)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，设计了基于二维过渡金属硫化物TMDCs－绝缘体上半导体薄膜SFOI异质结的气体传感器，其中，二维TMDCs是气体敏感层，而SFOI是导电沟道，当TMDCs与SFOI接触时，由于彼此间费米能级，电子从高费米能级一侧转移至低费米能级一侧，从而产生空间电荷区并在异质结两侧形成p-n结，直至费米能级最终平衡；而当待测气体分子吸附于TMDCs表面后，气体分子与TMDCs之间发生电荷转移，进而改变TMDCs内的载流子浓度，引起p-n结势垒变化，SFOI中的空间电荷区宽度改变，相应地，导电沟道电阻改变(导电沟道的电阻由SFOI中的空间电荷区宽度决定)，实现对待测气体的传感。本发明将气体敏感层同导电沟道分开，同时利用二维TMDCs对吸附气体分子的高灵敏度，与成熟的传统半导体器件工艺，有助于实现高灵敏度，高可靠性，可直接集成在半导体芯片上的气体探测器。
本发明提出将二维TMDCs的高敏感性和传统半导体器件稳定、可靠、工艺成熟的优点结合一起，制备基于二维TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其中二维TMDCs是气体敏感层，而SFOI是导电沟道。本发明利用二维TMDCs薄膜与SFOI半导体薄膜之间存在较大的费米能级差异(例如n型MoS2与p型Si)，以便产生明显的电荷转移，从而在SFOI中产生显著的空间电荷区。具体地，当TMDCs与SFOI接触时，彼此间费米能级的差异将引起电荷转移，进而在结两侧的TMDCs与SFOI中分别产生空间电荷区，最终形成p-n结。因为空间电荷区内载流子耗尽，所以SFOI中空间电荷区的宽度变化将直接改变其电阻。当待测气体分子吸附于TMDCs表面并发生电荷转移后，TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致p-n结两侧原有的费米能级平衡被打破，引发TMDCs与SFOI之间的电荷再平衡过程。即，当待测气体分子吸附于TMDCs表面并发生电荷转移后，TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致SFOI中空间电荷区宽度改变，电阻改变。
从器件结构上，本发明中的气体传感器整体上呈现出金半场效应晶体管特性，本发明中TMDCs与SFOI之间电荷转移形成异质结，从而在SFOI中产生空间电荷区，其中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs作为肖特基接触中的金属栅极，所述导电沟道的两端分别作为源极和漏极，源漏输出电流由TMDCs－SFOI异质结在SFOI沟道中产生的空间电荷区宽度决定，因而该气体传感器呈现出类似金半场效应晶体管的特性。利用金半场效应晶体管自身的信号放大作用，所述异质结气体传感器电阻同吸附分子数目之间不再是线性比例关系，因此能够放大信号，改善传感器信噪比，提高探测灵敏度。可见，本发明所述异质结气体传感器是通过气体吸附后TMDCs内载流子浓度的改变，间接调控SFOI两端电阻。这显然与传统的电阻型气体传感器中电阻本身就是气体敏感材料，电阻大小是由吸附气体引入的附加载流子数目直接决定不同。此外，本发明所述基于异质结的气体传感器是利用常规半导体衬底与工艺，因此易于集成到成熟半导体基芯片上，这也符合气体传感器小型化、便携化、智能化的发展趋势。
更进一步，该二维TMDCs－SFOI异质结的气体传感器只需要优选采用低电阻晶圆片作为衬底就可以得到结型场效应晶体管气体传感器。利用背栅电场对SFOI、二维TMDCs中载流子浓度的调控作用，改变TMDCs－SFOI异质结处空间电荷区分布，从而实现对气体传感器底电流、噪声、功耗、灵敏度、气体饱和浓度等的可控调制，拓展其应用范围。
如上所述，本发明的基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及制备方法，具有下列有益效果。本发明提出利用二维TMDCs巨大比表面积、对吸附气体高敏感性、高化学稳定性，耐腐蚀，吸附/脱附温度低等优势，将其作为气体敏感层。同时利用传统半导体器件稳定、可靠、工艺成熟、接触电阻小、载流子迁移率高等优点，以SFOI是导电沟道，制备基于二维TMDCs－SFOI异质结的气体传感器。巧妙解决了吸附气体分子的表面散射作用对传感器输出信号的干扰，避免了高性能二维TMDCs器件制备所需要解决的材料制备、掺杂、欧姆接触形成等工艺问题。再加上结型器件特有的信号放大作用，本发明的TMDCs－SFOI异质结的气体传感器不仅灵敏度和稳定性、耐腐蚀性有了较大提高，同时也大大降低了工作温度，并且易于集成到成熟半导体基芯片上，这也符合气体传感器小型化、便携化、智能化的发展趋势。此外，基于上述相同的原理，本发明还设计得到了结型场效应晶体管气体传感器。利用背栅电场对SFOI、二维TMDCs中载流子浓度的调控作用，改变TMDCs－SFOI异质结处空间电荷区分布，从而实现对气体传感器底电流、噪声、功耗、灵敏度、气体饱和浓度等的可控调制，拓展其应用范围。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的结构示意图。
图2为本发明提供的一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的制备方法的流程示意图。
图3为本发明提供的一种基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器的结构示意图。
图4为本发明提供的一种基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器的制备方法的流程示意图。
图中各附图标记的含义如下：
101 SFOI材料
101-1 背栅电极层
101-2 绝缘层
101-3 半导体薄膜层
201 金属电极层
301 二维TMDCs层
401 钝化层
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1本发明提供的一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的结构示意图，具体制备方法流程如图2所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施是的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例皆可改变，且组件的布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施方式的基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的至少包括：绝缘层101-2，同时作为衬底；半导体薄膜层101-3，作为导电沟道；金属电极层201；二维TMDCs层301，作为气体敏感层；钝化层401。
如图2所示，本实施方式的基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的制备方法至少包括：
步骤S1，提供一SFOI材料101。所述SFOI材料101可由绝缘层101-2与半导体薄膜层101-3共同构成；
绝缘层101-2为玻璃、石英、陶瓷、蓝宝石等中的任意一种或者它们组成的复合结构，同时也作为衬底；
半导体薄膜层101-3为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP等的其中一种以及它们的二元及二元以上合金中的任一种；
本实施例中，提供的SFOI材料以石英衬底为绝缘层101-2，顶层硅为半导体薄膜层101-3，顶层硅厚度30nm，为p型，掺杂浓度1015cm-3。
步骤S2，将顶层硅101-3形成图形结构，去除沟道区域外的顶层硅101-3，形成导电沟道台面，具体方法为：
于所述SFOI表面形成光刻胶，藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影，图形化所述光刻胶；
以所述图形化光刻胶作为掩模，采用干法刻蚀或者湿法腐蚀，去除未被光刻胶保护的半导体薄膜层，形成暴露绝缘体层的开口
去除所述图形化后的光刻胶，以得到SFOI图形结构，作为导电沟道台面。
例如，具体可以为：
步骤S201，清洗SFOI材料并烘干；
步骤S202，旋涂HMDS(六甲基二硅胺)作为粘附层，先500转/分钟5s，接着4000转/分钟旋涂60s；
步骤S203，旋涂PMMA950光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约400nm厚光刻胶膜层，之后180℃烘干2min；
步骤S204，旋涂AZ5214光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约1500nm厚光刻胶膜层，之后100℃烘干2min；
步骤S205，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量60mJ/cm2，显影50s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S206，采用反应离子刻蚀(RE)处理光刻胶图形结构，O2流量20sccm，压强4Pa，功率50W，刻蚀10min；
步骤S207，后烘坚膜，180℃烘干1min；
步骤S208，4％体积浓度HF溶液中漂洗10s后用去离子水清洗；
步骤S209，在20ml TMAH(四甲基氢氧化铵)+50ml去离子水溶液中刻蚀顶层硅101-3，4min；
步骤S210，丙酮中去胶，形成顶层硅101-3图形结构。
步骤S3，于所述顶层硅101-3图形结构表面形成电极层201，具体方法为：
于所述半导体薄膜图形结构表面形成光刻胶，藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影，图形化所述光刻胶；
以所述图形化光刻胶作为掩模，采用物理气相沉积方法沉积金属，之后去除光刻胶，形成金属电极；
所述金属电极材料为Au、Pt、Ni、Ti、Cr等单质金属以及导电性硅化物、氮化物、碳化物等中的一种或两种及两种以上的合金或叠层中的任意一种，电极材料厚度为20-1000nm。
本实施例中，选用Cr/Au金属叠层作为电极层201；
步骤S301，顶层硅101-3图形结构表面旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S302，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S303，样品放入热蒸发镀膜机中抽真空，之后沉积10nm Cr与60nm Au叠层；
步骤S304，丙酮中去胶，形成电极层201；
步骤S305，采用快速热退火炉(RTP)在高纯度N2气氛中，500℃退火45min，顶层硅101-3与电极层201之间形成欧姆接触。
步骤S4，将二维TMDCs薄膜301直接生长或者转移至所述顶层硅101-3图形结构表面，以覆盖部分所述顶层硅101-3导电沟道，作为气体敏感层，具体方法为：
采用化学气相沉积、原子层沉积等方法直接在SFOI导电沟道表面形成二维TMDCs薄膜；
另一方面，以PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等聚合物材料为媒介，将生长好的二维TMDCs薄膜转移至SFOI导电沟道表面；
所述二维TMDCs薄膜为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种以及它们的合金中的任一种，二维TMDCs薄膜厚度0.6-100nm。
本实施例中，选用少层(1-10层)MoS2薄膜作为气体敏感层301，因为MoS2薄膜301是天然n型中度掺杂，以便和p型轻掺杂顶层硅101-3之间构成p-n结，从而产生在顶层硅101-3中形成显著空间电荷区；
步骤S401，将PDMS膜粘附在透明载玻片上，之后采用微机械剥离法将MoS2薄膜301转移至PDMS表面，形成MoS2/PDMS/载玻片叠层结构；
步骤S402，在显微镜下将MoS2/PDMS/载玻片叠层结构中MoS2薄膜301一面对准顶层硅101-3导电沟道中间，压实使之贴紧；
步骤S403，将转移台面加热至70℃，PDMS膜自动脱落，MoS2薄膜301转移至顶层硅101-3导电沟道中间，形成气体敏感层。
步骤S5，于所述MoS2薄膜301表面形成钝化层401，将所述钝化层401图形化，形成暴露部分二维TMDCs薄膜301的开口，以作为气体吸附/脱附的窗口，具体方法为：
所述钝化层为SiO2、Al2O3、HfO2等无机或者有机绝缘材料，可采用物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂等方法制备。钝化层厚度可以为20-2000nm。
于所述钝化层表面形成光刻胶，藉由一预设有版图的光掩膜对所述光刻胶层曝光，之后显影，图形化所述光刻胶；
以所述图形化光刻胶作为掩模，采用干法刻蚀或者湿法腐蚀，去除未被光刻胶保护的钝化层薄膜，形成暴露部分二维TMDCs薄膜的开口，以作为气体吸附/脱附的窗口。
本实施例中，选用原子层沉积工艺制备的Al2O3薄膜作为钝化层401；
步骤S501，将样品放入原子层沉积设备反应腔，以H2O和TMA(三甲基铝)作为反应源，在200℃沉积30nm Al2O3薄膜，作为钝化层401；
步骤S502，旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S503，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S504，在10％体积浓度HCl溶液中漂洗60s，刻蚀未被光刻胶层保护的Al2O3薄膜401，然后用去离子水清洗；
步骤S505，丙酮中去胶，形成暴露部分MoS2薄膜301的开口，以作为气体吸附/脱附的窗口，同时形成暴露部分电极层201的开口，方便后续电学测量。
图3本发明提供的一种基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器的结构示意图，具体制备方法流程如图4所示。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施是的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例皆可改变，且组件的布局型态也可能更为复杂。
如图3所示，本实施方式的基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器的至少包括：背栅电极层101-1，同时作为衬底；绝缘层101-2；半导体薄膜层101-3，作为导电沟道；金属电极层201；二维TMDCs层301，作为气体敏感层；钝化层401。
如图4所示，本实施方式的基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器的制备方法至少包括：
步骤S1，提供一SFOI材料101。所述SFOI材料101由背栅电极层101-1、绝缘层101-2与半导体薄膜层101-3共同构成；
背栅电极层101-1优选为低电阻的晶圆片，可以是元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP等的其中一种以及它们的二元及二元以上合金中的任一种，同时也作为衬底；
绝缘层101-2为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN等中的任意一种以及它们的二元及二元以上化合物或叠层中的任一种，同时也作为背栅介质；
半导体薄膜层101-3为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP等的其中一种以及它们的二元及二元以上合金中的任一种。
本实施例中，提供的SFOI材料优选以电阻率0.001Ωcm的p型电阻硅晶圆作为衬底即背栅电极层101-1，100nm热氧化SiO2作为绝缘层101-2，50nm厚度p型单晶硅薄膜为半导体薄膜层101-3，其中顶层硅厚度掺杂浓度1015cm-3。
步骤S2，将顶层硅101-3形成图形结构，去除沟道区域外的顶层硅101-3，形成导电沟道台面，具体为：
步骤S201，清洗SFOI材料并烘干；
步骤S202，旋涂HMDS(六甲基二硅胺)作为粘附层，先500转/分钟5s，接着4000转/分钟旋涂60s；
步骤S203，旋涂PMMA950光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约400nm厚光刻胶膜层，之后180℃烘干2min；
步骤S204，旋涂AZ5214光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约1500nm厚光刻胶膜层，之后100℃烘干2min；
步骤S205，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量60mJ/cm2，显影50s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S206，采用反应离子刻蚀(RE)处理光刻胶图形结构，O2流量20sccm，压强4Pa，功率50W，刻蚀10min；
步骤S207，后烘坚膜，180℃烘干2min；
步骤S208，4％体积浓度HF溶液中漂洗3s后用去离子水清洗；
步骤S209，在20ml TMAH(四甲基氢氧化铵)+50ml去离子水溶液中刻蚀顶层硅101-3，6min；
步骤S210，丙酮中去胶，形成顶层硅101-3图形结构。
步骤S3，于所述顶层硅101-3图形结构表面形成电极层201，具体为：
所述金属电极材料为Au、Pt、Ni、Ti、Cr等单质金属以及导电性硅化物、氮化物、碳化物等中的一种或两种及两种以上的合金或叠层中的任意一种；
本实施例中，选用Cr/Au金属叠层作为电极层201；
步骤S301，顶层硅101-3图形结构表面旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S302，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S303，样品放入热蒸发镀膜机中抽真空，之后沉积10nm Cr与60nm Au叠层；
步骤S304，丙酮中去胶，形成电极层201；
步骤S305，采用快速热退火炉(RTP)在高纯度N2气氛中，500℃退火45min，顶层硅101-3与电极层201之间形成欧姆接触。
步骤S4，将二维TMDCs薄膜301转移至所述顶层硅101-3图形结构表面，以覆盖部分所述顶层硅101-3导电沟道，作为气体敏感层，具体为：
所述二维TMDCs薄膜为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种以及它们的合金中的任一种；
本实施例中，选用少层(1-10层)MoS2薄膜作为气体敏感层301，因为MoS2薄膜301是天然n型中度掺杂，以便和p型轻掺杂顶层硅101-3之间构成p-n结，从而产生在顶层硅101-3中形成显著空间电荷区；
步骤S401，将PDMS膜粘附在透明载玻片上，之后采用微机械剥离法将MoS2薄膜301转移至PDMS表面，形成MoS2/PDMS/载玻片叠层结构；
步骤S402，在显微镜下将MoS2/PDMS/载玻片叠层结构中MoS2薄膜301一面对准顶层硅101-3导电沟道中间，压实使之贴紧；
步骤S403，将转移台面加热至70℃，PDMS膜自动脱落，MoS2薄膜301转移至顶层硅101-3导电沟道中间，形成气体敏感层。
步骤S5，于所述MoS2薄膜301表面形成钝化层401，将所述钝化层401图形化，形成暴露部分二维TMDCs薄膜301的开口，以作为气体吸附/脱附的窗口，具体为：
所述钝化层为SiO2、Al2O3、HfO2等无机或者有机绝缘材料，可采用物理气相沉积、化学气相沉积、旋涂等方法制备；
本实施例中，选用原子层沉积工艺制备的Al2O3薄膜作为钝化层401；
步骤S501，将样品放入原子层沉积设备反应腔，以H2O和TMA(三甲基铝)作为反应源，在200℃沉积30nm Al2O3薄膜，作为钝化层401；
步骤S502，旋涂S1805光刻胶，先500转/分钟匀胶5s，接着4000转/分钟旋涂60s，形成约500nm厚光刻胶膜层，之后110℃烘干3min；
步骤S503，光刻，藉由一预设有版图的光掩膜对光刻胶曝光，曝光剂量40mJ/cm2，显影20s后立即在大量去离子水中定影，从而在光刻胶上形成图形结构；
步骤S504，在10％体积浓度HCl溶液中漂洗60s，刻蚀未被光刻胶层保护的Al2O3薄膜401，然后用去离子水清洗；
步骤S505，丙酮中去胶，形成暴露部分MoS2薄膜301的开口，以作为气体吸附/脱附的窗口，同时形成暴露部分电极层201的开口，方便后续电学测量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，该气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与所述绝缘体上半导体薄膜SFOI两者接触，并且由于两者之间费米能级的高低差异引起电荷转移形成异质p-n结，在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中产生空间电荷区；该气体传感器用于当待测气体分子吸附于所述二维过渡金属硫化物TMDCs表面并发生电荷转移时，所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的空间电荷区宽度改变，而空间电荷区宽度直接决定了绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道的电阻，从而利用传感器电阻的改变对待测气体进行传感。
2.如权利要求1所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述气体分子具体是以范德华力吸附于所述气体敏感层的表面后发生电荷转移，使所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生改变。
3.如权利要求1所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器整体上呈现出金半场效应晶体管特性，其中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs作为肖特基接触中的金属栅极，所述导电沟道的两端分别作为源极和漏极，源漏输出电流由TMDCs－SFOI异质结在绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道中产生的空间电荷区宽度决定。
4.如权利要求1所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与绝缘体上半导体薄膜SFOI两者之间费米能级之差的绝对值不低于0.3eV。
5.如权利要求4所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型MoS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Si半导体薄膜；
或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型WS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Ge半导体薄膜；
或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为p型WSe2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的n型Si半导体薄膜。
6.制备如权利要求1－5任意一项所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供绝缘体上半导体薄膜SFOI材料；
(2)将所述SFOI形成图形结构，去除目标导电沟道区域外的半导体薄膜层，形成半导体薄膜图形结构，该半导体薄膜图形结构即导电沟道台面；
(3)在所述半导体薄膜图形结构的表面形成电极层，从而形成分别与目标导电沟道区域两端相连的两个电极；
(4)将二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜直接生长或者转移至所述半导体薄膜图形结构的表面，以覆盖部分所述半导体薄膜导电沟道区域，同时保证该TMDCs薄膜未与所述步骤(3)得到的两个电极直接接触；
(5)在所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的表面形成钝化层，然后将所述钝化层图形化，以形成暴露部分二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的开口，以作为气体吸附及脱附的窗口。
7.如权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI材料的绝缘体衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构；
所述步骤(1)中，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种；
所述步骤(1)中，所述半导体薄膜为本征半导体或掺杂浓度为1013-1017cm-3的轻掺杂半导体；该半导体薄膜的厚度为5-500nm，以便该半导体薄膜与二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；
所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的厚度为0.6-100nm；
所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的掺杂浓度要大于所述绝缘体上半导体薄膜的掺杂浓度，以便该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜与半导体薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；
所述步骤(5)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备。
8.如权利要求7所述制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。
9.一种基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器，其特征在于，该结型场效应晶体管气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与所述绝缘体上半导体薄膜SFOI两者接触，并且由于两者之间费米能级的高低差异引起电荷转移形成异质p-n结，在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中产生空间电荷区；在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的绝缘体背面具有背栅电极，该背栅电极用于调控所述绝缘体上半导体薄膜SFOI与所述二维过渡金属硫化物TMDCs中的载流子浓度以及相应的SFOI与TMDCs之间电荷转移形成的空间电荷区宽度；该结型场效应晶体管气体传感器用于当待测气体分子吸附于所述二维过渡金属硫化物TMDCs表面并发生电荷转移时，所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的空间电荷区宽度改变，而空间电荷区宽度直接决定了绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道的电阻，从而利用传感器电阻的改变对待测气体进行传感。
10.如权利要求9所述基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器，其特征在于，所述气体分子具体是以范德华力吸附于所述气体敏感层的表面后发生电荷转移，使所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生改变；
所述二维过渡金属硫化物TMDCs与绝缘体上半导体薄膜SFOI两者之间费米能级之差的绝对值不低于0.3eV。
11.如权利要求10所述基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器，其特征在于，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型MoS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Si半导体薄膜；
或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型WS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Ge半导体薄膜；
或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为p型WSe2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的n型Si半导体薄膜。
12.制备如权利要求9－11任意一项所述基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料；
(2)将所述SFOI形成图形结构，去除目标导电沟道区域外的半导体薄膜层，形成半导体薄膜图形结构，该半导体薄膜图形结构即导电沟道台面；
(3)在所述半导体薄膜图形结构的表面形成电极层，从而形成分别与目标导电沟道区域两端相连的两个电极；
(4)将二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜直接生长或者转移至所述半导体薄膜图形结构的表面，以覆盖部分所述半导体薄膜导电沟道区域，同时保证该TMDCs薄膜未与所述步骤(3)得到的两个电极直接接触；
(5)在所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的表面形成钝化层，然后将所述钝化层图形化，以形成暴露部分二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的开口，以作为气体吸附及脱附的窗口。
13.如权利要求12所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料以电阻率小于1Ωcm的低电阻晶圆片为衬底，该衬底同时也作为背栅电极；
所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的绝缘体层为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中的任意一种或者是它们中的两者以上组成的化合物或叠层中的任一种，所述绝缘体层的厚度为5-500nm，该绝缘体层同时也作为背栅介质层；
所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、GaN、InP中的其中一种；
所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为本征半导体或掺杂浓度为1013-1017cm-3的轻掺杂半导体；该半导体薄膜的厚度为5-500nm；
所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的厚度为0.6-100nm；
所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的掺杂浓度要大于所述绝缘体上半导体薄膜的掺杂浓度，以便该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜与半导体薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；
所述步骤(5)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备。
14.如权利要求13所述制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。
15.如权利要求13所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述衬底为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、GaN、InP中的其中一种。
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