CN110073207A - 敏感场效应器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及敏感场效应器件(100)，包括：半导体沟道(110)；连接到所述半导体沟道(110)的源电极(120)；漏电极(130)，该漏电极连接到所述半导体沟道(110)，使得所述半导体沟道(110)置于所述源电极(120)与所述漏电极(130)之间；栅电极(140)；以及置于所述栅电极(140)与所述半导体沟道(110)之间的介电层(150)，其特征在于，所述半导体沟道(110)是层状的且由非晶氧化物制成，并且其中所述传感器装置(170、171、172、173、174、175、175)被配置成基于能够改变它们的电力状态的感测事件来改变所述栅电极(140)与所述源电极(120)之间的电压。本发明还涉及传感器和用于制造所述场效应器件(100)的方法。
Description
本发明涉及敏感(sensitive，灵敏)场效应器件及其制造方法。
更具体地，本发明涉及场效应晶体管，该场效应晶体管被设计成以低泄漏电流和高带宽为特征，以便在与根据现有技术的类似的传感器相比时是高度敏感的。它还特别适用于检测电路并且被设计成检测若干种物理量，诸如温度、机械应力、光、化学物质、电离辐射诸如X射线等，并且还适合于被布置成柔性基板阵列或矩阵。
在下文中，描述将针对适于感测若干种物理现象的场效应器件，该场效应器件在下文被更好地讨论，但是清楚的是该器件不应被认为是限制于这些特定的用途。
如所熟知的，目前工业和科研需要高敏感度的传感器，以便检测不同的物理现象。
例如，待连接到特定芯片探测器的、一般由晶体管制成、通常以CMOS技术实现的RFID接收器的扩散正在增加。
还已知的是，低成本RFID芯片呈现出用于传感器连接的辅助端子。RFID芯片探测所连接的传感器在高带宽(约100kHz)处的阻抗。大于20MΩ的阻抗Z引起状态0，相反，所述阻抗Z的值低于2MΩ引起状态1。
目前在本领域中所认为的技术问题是创建下述传感器，该传感器(i)在RFID的高带宽下运行，(ii)显示出由感测事件触发的、在给定范围内的数量级的阻抗变化响应，(iii)在感测事件发生之后也保持该阻抗变化，以及(iv)符合低成本批量生产技术。
现今，RFID芯片是基于CMOS技术的，然而，由于显著地增加单个场效应晶体管的功率消耗的电流泄露现象，该技术的特点对于完成以上目标存在一些限制。
为了加深能够克服可用的现有技术器件的技术缺点的器件的必要性，在下文概述了关于辐射检测和放射量测定(dosimetry，剂量测定)的具体技术问题的更多说明。
实际上熟知的是，目前辐射检测和放射量测定与下述方面有关：医学成像及放射疗法、在潜在地受污染的区域——诸如核反应堆、核废料沉积——中工作的人员的保护、行李安全检查以及在辐射恶劣环境诸如太空中的放射量测定。
在许多情况下需要可穿戴式检测器，其将低电压及低功率运行与高敏感度、低重量和柔性机械性质进行组合。
现有的用于电离辐射的放射量测定计可以被区别为两种不同的主要类别，该两种类别都显示出特定的缺点。
第一种类型的放射量测定计基于热发光的磷酸盐玻璃或gafchromic膜，并且可以实际上实现高敏感度。然而，作为缺点，这些放射量测定计不允许实时检测辐射，而是需要在通过光学技术暴露之后用专门的仪器读出。
第二种类型的放射量测定计采用了硅互补金属氧化物半导体电子部件并且提供了直接的电子读出，因此提供了关于辐射暴露的实时数据。这一技术方法的缺点是：由于吸收了仅一部分被暴露的电离粒子，所以敏感度减小；传感器的机械刚度减小；并且不可能处理在大面积的柔性基板上的器件。此外，作为另外的缺点，这些器件在机械上不是柔性的，并且因此被限制用于可穿戴式放射量测定计。
鉴于上述，本发明的目的是克服现有技术器件的缺点，以便实现高敏感度的一般性通用器件，其适合于检测各种物理现象。
本发明的另外的目的是提供特点为高敏感度的器件，以用于检测电离辐射，诸如X射线等。
本发明的又一目的是提供柔性器件，该柔性器件特点是实时电子读出辐射暴露。
本发明的另一目的是提供能够增加X射线光子吸收量且然后增加敏感度的器件配置。
本发明的具体目的因此是高敏感且高带宽的场效应晶体管，其允许检测物理现象的甚至小的变化。
本发明的又一具体目的是柔性电离敏感场效应晶体管(FISFET)，其允许检测和监测电离辐射(例如X射线、伽马射线、中子阿尔法射线、贝塔射线)。
本发明的目的因此是敏感场效应器件，包括：半导体沟道；源电极，该源电极连接到所述半导体沟道；漏电极，该漏电极连接到所述半导体沟道，使得所述半导体沟道置于所述源电极与所述漏电极之间；栅电极；以及介电层，该介电层置于所述栅电极与所述半导体沟道之间，其特征在于，所述半导体沟道是层状并且由非晶氧化物制成，并且其中，所述传感器装置被配置成基于能够改变它们的电力状态的感测事件来改变所述栅电极与所述源电极之间的电压。
总是根据本发明，所述非晶氧化物可以是高迁移率的非晶氧化物类型，并且该非晶氧化物选自包括下述的组：铟镓锌氧化物(IGZO)和/或铟铪锌氧化物(IHZO)和/或锌锡氧化物(ZTO)和/或镓锌锡氧化物(GZTO)。
仍然根据本发明，所述感测装置包括电容器，该电容器连接到所述栅电极和所述源电极。
又根据本发明，所述感测装置可以包括：介电层，该介电层被布置成能暴露于电离辐射，诸如X射线等，该介电层又包括至少一个主层，该主层由具有至少一种正离子元素的至少一种材料制成，该正离子元素具有的原子序数被选择以便增加对待被感测的入射的所述电离辐射的吸收。
优选地根据本发明，所述介电层的所述至少一种材料可以具有高的原子序数Z，所述原子序数Z大于36(Z>36)。
总是根据本发明，所述介电层的所述至少一个主层可以由氧化钇(Y2O3)和/或氧化锆(ZrO2)和/或氧化铪(HfO2)和/或五氧化二钽(Ta2O5)和/或氧化铋(Bi2O3)制成。
仍然根据本发明，所述感测装置可以包括用于检测电磁辐射的光电二极管，该光电二极管连接到所述栅电极和所述源电极。
又根据本发明，所述感测装置可以包括与压电传感器串联连接的整流二极管，所述感测装置与所述栅电极和所述源电极并联连接。
有利地根据本发明，所述感测装置可以包括能够感测环境温度的热电传感器，所述热电传感器连接到所述栅电极和所述源电极。
优选地根据本发明，所述感测装置可以包括化学传感器，该化学传感器连接到所述栅电极和所述源电极。
总是根据本发明，所述介电层可以与所述源电极和所述漏电极电接触。
仍然根据本发明，所述介电层具有大于或等于150nm的厚度。
又根据本发明，所述介电层可以是多层的，包括一个或多个绝缘层，该绝缘层具有的原子序数小于所述主层的原子序数。
有利地根据本发明，所述介电层的所述一个或多个绝缘层可以由二氧化硅(SiO2)和/或氧化铝(Al2O3)制成。
优选地根据本发明，所述介电层可以包括：具有较小原子序数的原子的所述绝缘层与所述主层的组合，该组合重复二至十次；以及具有较小原子序数的原子的所述绝缘层的顶层。
总是根据本发明，所述器件可以包括至少一个基板，所述栅电极和所述介电层沉积在所述基板上。
仍然根据本发明，所述至少一个基板可以是柔性的。
有利地根据本发明，所述至少一个基板可以由聚萘二甲酸乙二醇酯制成。
又根据本发明，所述栅电极、源电极和漏电极可以由下述制成：导电材料，诸如钼(Mo)、铜(Cu)、铝(Al)、金(Au)和/或银(Ag)；和/或导电氧化物，诸如掺镓的锌氧化物(GZO)或铟锌氧化物(IZO)；和/或导电聚合物，诸如聚对苯乙烯磺酸。
本发明的另外的目的是检测传感器，包括：基板；以及布置在所述基板上的多个如上文所描述的敏感场效应器件，所述电离敏感场效应器件与至少另一敏感场效应器件连接。
总是根据本发明，所述基板可以是柔性的并且该基板可以优选地由聚萘二甲酸乙二醇酯制成。
仍然根据本发明，所述场效应器件被布置成阵列或矩阵。
又根据本发明，所述传感器可以包括至少一个RFID发射器，该RFID发射器具有连接到相关场效应器件的源电极和栅电极的一对电极，该RFID发射器被配置成能连接到RFID接收器。
有利地，所述RFID发射器可以包括RFID芯片和天线。
优选地根据本发明，所述传感器可以包括多个RFID发射器，每个RFID发射器可操作地连接到相关场效应器件。
本发明的又一目的是用于制造上文所描述的场效应器件的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：(A)在所述柔性基板上沉积所述栅电极，并且对所述栅电极上实施光刻和蚀刻工艺或剥离工艺；(B)沉积所述介电层并且对所述介电层实施光刻和蚀刻工艺或剥离工艺；(C)沉积所述半导体沟道并且对所述半导体沟道实施光刻和蚀刻工艺或剥离工艺；(D)对所述半导体沟道实施光刻工艺，并且沉积所述源电极和所述漏电极；以及(E)通过剥离工艺对所述源电极和所述漏电极进行图案化。
总是根据本发明，所述步骤(B)可以通过从包含所述介电质的所述绝缘层的所述绝缘材料和所述介电质的所述主层的所述材料的两种单独的靶材并行执行RF溅射来实施，和/或经由基于包含所述介电质的所述绝缘层的所述材料和所述介电质的所述主层的所述材料的溶液的工艺来实施，以便通过依次沉积下述来创建多层结构的所述介电层：仅一绝缘层诸如二氧化硅(SiO2)和/或氧化铝(Al2O3)的沉积；以及绝缘材料诸如二氧化硅(SiO2)和/或氧化铝(Al2O3)与所述介电质的所述主层的所述材料的共沉积。
现在将根据本发明的优选实施方式，特别地参考所附附图的图画，出于例示性但非限制性目的来描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明的单个电离敏感场效应器件的构造的立体图；
图2示出了布置在柔性基板上的根据图1的电离敏感场效应器件的阵列；
图3a、图3b和图3c示出了简化模型，用于解释在图2的电离敏感场效应器件中的电离破坏效应和相关的载流子积聚；
图4示出了在X射线辐射暴露之前和之后的转移特性的曲线图；
图5a和图5b示出了在暴露于X射线之前和暴露于X射线1秒之后电离敏感场效应器件的阈值电压Vt的曲线图；
图6a和图6b示出了在X射线暴露之后电离敏感场效应器件的阈值电压恢复的动态；
图7示出了根据本发明的场效应器件与RFID发射器的一般电连接；
图8示出了根据本发明的场效应器件与RFID发射器的电连接的示意图；
图9示出了随栅-源电压变化以及随RFID逻辑状态变化的漏-源阻抗Z的特征曲线；
图10a和图10b示出了根据本发明的场效应器件的转移特征及其频率响应；
图11示出了根据本发明的适于检测电离辐射、连接到RFID发射器的场效应器件的电路图；
图12示出了参考图11的随栅-源电压变化以及随RFID逻辑状态变化的漏-源阻抗Z的特征曲线；
图13示出了根据本发明的适于检测光辐射的场效应器件的电路图；
图14示出了图13的电路图，其中，根据本发明的场效应器件连接到RFID发射器；
图15示出了根据本发明的场效应器件的漏-源阻抗Z的特征曲线是随时间以及RFID逻辑状态变化的；
图16a和图16b示出了根据本发明的适于检测机械应力的场效应器件的电路图的实施；
图17a和图17b示出了根据本发明的适于检测温度变化的场效应器件的电路图；以及
图18a和图18b示出了根据本发明的适于检测化学物质的场效应器件的电路图。
在各附图中，类似的部件将由相同的附图标记来表示。
参考图1，示出了根据本发明的场效应器件100的第一实施方式，其中，也具体说明了器件构造的细节，用于检测电磁辐射且特别是电离辐射，诸如X射线等。
器件100主要包括：源电极、漏电极和栅电极，分别用附图标记120、130和140表示；布置在介电层150上的半导体沟道层110；以及基板160。
所述源电极120、所述漏电极130和所述栅电极140由下述制成：导电材料，诸如钼(Mo)、铜(Cu)、铝(Al)、金(Au)或银(Ag)；或者甚至是导电氧化物，诸如镓锌氧化物、铟锌氧化物。
所述介电层150具有大于150nm的厚度，以便防止隧道(tunneling，穿遂)效应和相关的泄露电流。这也允许减少可能由于其他现象造成的整体泄露电流效应。
半导体沟道层110被布置在所述源电极120与所述漏电极130之间并且与所述源电极和所述漏电极电接触。所述半导体沟道层110由高迁移率的非晶氧化物制成。特别地，所述半导体沟道层110可以由铟镓锌氧化物(IGZO)、铟铪锌氧化物(IHZO)、锌锡氧化物(ZTO)或镓锌锡氧化物(GZTO)制成。
用于所述半导体沟道层110的高迁移率的非晶氧化物通过光刻工艺制造。他们的特点是带宽高、寄生电容低且栅电流最小，如从图2可以理解的，并且因此符合低电压运行，特别是在RFID电路情况下的低电压运行。
所述场效应器件100还包括传感器装置，使得基于感测和待检测事件，半导体沟道层110的阻抗——通常用字母Z指代——改变一数量级以上，从而允许例如RFID发射器的连接，如下文更好地解释的。
在本实施方式中，除了上述之外，半导体沟道层110暴露于待检测的辐射。
设置在根据本实施方式的场效应器件100中的感测装置包括多层介电氧化物结构介电层150，该介电层包括主层，该主层与具有较小原子序数的原子的一个或多个另外的层组合。
所述主层是高Z层，这意味着原子序数大于36。特别地，所述主层由以下材料中的至少一种制成：
-氧化钇(Y2O3)；
-氧化锆(ZrO2)；
-氧化铪(HfO2)；
-五氧化二钽(Ta2O5)；
-氧化铋(Bi2O3)。
所述具有较小原子序数的原子的一个或多个另外的层是绝缘层，该绝缘层可以是例如SiO2或Al2O3。
多组成的介电质的底层是具有较小原子序数的原子的所述绝缘层，接着是主层。这一结构然后重复二至十次，接着是具有较小原子序数的原子的所述绝缘层的顶层。
介电层150沉积在所述柔性基板160上诸如聚萘二甲酸乙二醇酯，以实现柔性敏感场效应器件100。更具体地，在图2中，示出了在聚合物基板/塑料基板上图案化的阵列，该阵列包括多个电离敏感场效应器件100。
除了上述之外，还看到栅电极140被布置在所述柔性基板160与所述介电层150之间。
器件100的以在多层介电氧化物结构150中由于如上所述的X射线辐射引起的电离电荷的积聚为基础的运行如下。
在图3a至图3c中，示意性地描绘了器件如何运行的基本过程。
通过吸收高能量的光子或光电子200开始形成电离电荷(参见图3a)，在介电层150中生成电子空穴对310。
以快速过程即比相应的空穴聚集过程快的过程将电子311(参见图3b)聚集在栅电极140处。
剩余的空穴电荷312在热激活跳跃过程中如所述的缓慢移动到与半导体沟道110的界面(参见图3c)。
因此，作为X射线暴露的结果，引起了较大的漏电流以及阈值电压至负值的漂移(shift，偏移)。
作为示例，图4示出了在暴露于60mGy(在空气中；Gy是戈瑞单位度量)的总放射剂量之前和之后在饱和情况下测量的示例性电离敏感场效应器件100转移曲线，该总放射剂量由以60mGy/s的放射剂量率运行的、作为X射线源的钼(Mo)管发射。
转移特征示出了在X射线暴露之后(参考图3a状态)的0.326V至更大的负栅电势的漂移。其他的晶体管参数诸如亚阈值斜率或迁移率没有受到暴露的影响。
漂移是在介电层150与半导体沟道110之间的界面处的正载流子积聚的结果(参见图3c)。正载流子积聚影响所述源电极120与所述栅电极130之间的处于固定电流通量的电压。通过测量栅电势的变化，可以推断器件100所暴露至的X射线放射剂量的量。
器件100对电离的敏感度关键地取决于高Z介电多层150的组成和厚度。
在这一层中由于高原子序数(例如使用钽氧化物)实现了低X射线衰减长度(λ<60μm)，而氧化物层(例如SiO2)用于保持良好的隔离性质和界面性质。增加多层介电氧化物结构150的厚度允许进一步改进X射线响应，如图5a中所证明的。该图示出了如何通过将介电层150的厚度从114nm增加至381nm来将阈值漂移也增加6倍。
此外，根据本发明的电离敏感场效应器件100允许通过监测阈值中的变化来执行定量放射量测定，因为其针对保持低于100mGy的总放射剂量提供暴露放射剂量与阈值漂移之间的线性相关性。
这一发现示出在图5b中，该图示出了因在1秒的时间段内暴露于放射剂量率变化的X射线200引起的阈值电压的变化。该插图示出了阈值电压的随放射剂量变化的结果的漂移。线性拟合结果是5.5mV/mGy的敏感度。
器件100作为集成的放射量测定计运行并且在X射线暴露事件之后维持阈值电压。
图6a和图6b显示了恢复测量，在该恢复测量中，在暴露于21Gy的放射剂量之后阈值电压被监测22小时。曲线遵从具有数小时的特征时间尺度的拉伸指数。
根据这些数据可以计算必须实施器件100的读出所在的时间，以使由于恢复漂移造成的误差保持低于10％。由于拉伸指数行为，这一时间间隔取决于在较低放射剂量下所观察的具有较长保留(retention，停留)时间的所检测放射剂量。根据这些数据，可以限定被绘制在图6b中的随辐射放射剂量变化的最大读出时间。
最大读出时间间隔在这里被限定为在X射线暴露事件之后阈值电压中的漂移保持低于10％所在的时间。
在器件100示出线性响应的范围内，最大读出时间超过300秒。这一长的保留时间使得甚至能实行大的检测器阵列的相继读出。
电离敏感场效应器件100的制造包括以下主要步骤。
使用经由物理途径或化学途径诸如基于溶液的过程诸如丝网印刷、溶胶凝胶等的材料处理来将栅电极140沉积在柔性基板160上，该物理途径诸如是溅射，该化学途径诸如是基于溶液的过程诸如丝网印刷、溶胶凝胶等。利用光刻和蚀刻工艺或剥离工艺来执行栅电极140的图案化。
可以使用不同的技术诸如RF溅射从包含介电质150的SiO2和Ta2O5的两种单独的靶材或者经由基于包含上述元素的溶液的工艺来沉积介电层150。两个过程可以并行地进行。对于溅射情况，使用了机械遮挡件，以便通过依次沉积下述来创建多层结构的介电层150：仅一SiO2的沉积；以及SiO2与Ta2O5的共沉积。对于溶液途径方法，由深度步骤(例如溶胶凝胶深度涂层)的数目或者由遍布表面的材料的量(例如丝网印刷)来确定厚度。利用光刻和蚀刻工艺或剥离工艺来执行介电层150的图案化。
随后的步骤是使用经由物理途径或化学途径的材料处理在介电层150上沉积高迁移率的非晶氧化物半导体沟道110，该物理途径诸如是溅射，该化学途径诸如是基于溶液的过程(例如丝网印刷、溶胶凝胶等)。利用光刻和蚀刻工艺或剥离工艺来执行氧化物半导体沟道110的图案化。
最后，在光刻工艺之后，使用经由物理途径或化学途径的材料处理来沉积所述源电极120和所述漏电极130，该物理途径诸如是溅射，该化学途径诸如是基于溶液的过程，诸如丝网印刷、溶胶凝胶等。使用剥离工艺来对所述源电极120和所述漏电极130进行图案化。
场效应器件100也可以连接到RFID发射器。特别地，参考图7，看到根据本发明的场效应器件100与RFID发射器400的一般性电连接，该RFID发射器与所述器件100适当地集成在一起。
所述RFID发射器400包括：RFID芯片401，该芯片连接到源电极120和漏电极130，即该芯片与半导体沟道层110并联连接；以及天线402，该天线又连接到所述RFID芯片400。在该附图中，也示出了确定逻辑状态的阻抗Z的典型等级。
此外，图8示出了场效应器件100与RFID发射器400之间的连接，该RFID发射器的RFID芯片401连接在场效应器件100的源120与漏130之间，其中，RFID发射器400通过天线402远程地连接到RFID接收器RFID-R。
基于感测事件，栅端子140与源端子120之间的电势VGS经受变化。然后，半导体沟道层110的阻抗Z根据如图9中所绘制的特征曲线进行变化。
RFID发射器状态然后从高阻抗(0逻辑状态)切换到低阻抗(1逻辑状态)，如所述图9中所示出的。
如可以看到的，如果测量场效应器件100的源电极120与漏电极130之间的电压，那么基于感测事件，半导体沟道层110阻抗Z大幅降低，以允许逻辑状态变化。
图10a和图10b示出了场效应器件100的转移特征及其频率响应。特别地，在所述图10a和图10b中，分别绘制了：在不同的漏电压下随栅-源电压变化的漏电流和栅电流，以及在不同的频率下随栅-源电压VGS变化的栅容量(皮可法拉)CG。
基于感测事件，在栅电极140处的电压保持恒定，因此使得由RFID芯片401探测到的阻抗Z不变。以这一方式，感测事件的发生在无源存储状态储存，如下文更好地解释的，其中，场效应器件100的一些应用被检查，特别是针对RFID器件的应用，对于该应用，如所熟知的，需要高敏感器件以改进检测敏感度。
实际上，在许多应用中，有必要保证环境条件保持在一定的容许区间内以避免可能的健康风险或损害，该环境条件例如是在工作场所中、在储存室中、在技术引擎(电机、计算机)中或者在包裹中。
对于下文所描述的应用，以下参数是相关的：
-与典型的RFID芯片401的阻抗要求匹配的足够高的开/关比；
-确定过渡区的宽度的陡峭的亚阈值斜率，在该过渡区中，传感器状态未被良好地限定；
-低寄生电容，以在高的运行频率下同样实现高阻抗状态；
-低泄露电流(<10nA/cm2)，以实现稳定的电荷储存；以及
-高截止频率(>30kHz)，以在RFID芯片401频率下实现低阻抗状态。
从极化观点来看，明显的是，器件100在靠近阈值处运行，因此即使是通常在栅电极140与源电极120之间的小的电压变化也引起半导体沟道110阻抗的大的变化，所述阻抗的变化由RFID传感器400端子直接检测。
图11示出了根据第一实施方式的场效应器件100，其中，RFID发射器400连接在源电极120与漏电极130之间，然后平行于半导体沟道层110。源电极120也与栅电极140连接。电离辐射束——附图中的X射线——照射在半导体沟道层110上，由于半导体沟道层110的阻抗增加而引起如图12中所示出的逻辑状态切换。
这一逻辑切换配置由RFID发射器400读出，该RFID发射器通过相关的天线402向RFID接收器RFID-R发射。
参考图13至图15，示出了场效应器件100的第二实施方式，其中，感测装置包括光电二极管170和电容器171，两者均与所述栅电极140和所述源电极120并联连接。
当具有在可见波段内或在可见波段附近(例如UV或IR波段)的波长的光束到达所述光电二极管170时，该光电二极管导通，使得栅电极140与源电极120之间的电势发生变化。图15示出了随时间变化的半导体沟道层110的阻抗以及随之发生的RFID芯片401逻辑状态切换的变化。
图16a和图16b示出了本发明的第三实施方式，其中，根据本发明的所述场效应器件100的感测装置包括：电容171，该电容连接在所述栅电极140与所述源电极120之间；以及整流二极管172，该整流二极管与压电传感器173串联连接且连接到所述栅电极140并且连接到所述源电极120。
在机械应力被施加到压电传感器173的情况下，栅-源电势改变，引起半导体沟道层110的阻抗的变化，因此允许逻辑关断场效应器件100。
现在参考图17a和图17b，示出了本发明的第四实施方式，其中，感测装置包括电容器171和热电传感器174，能够感测环境温度。电容器171和所述热电传感器174串联连接。
所述感测装置连接在栅电极140与源电极120之间，如上文所描述的其他实施方式。
这一实施方式的运行与其他实施方式类似。栅-源电势VGS的变化引起半导体沟道层110的阻抗Z的变化。
参考图18a和图18b，示出了本发明的第四实施方式，其中，传感器装置现在包括电容器171和化学传感器175。所述化学传感器175和所述电容器171的连接与上文所描述的第三实施方式相同。
电力运行同样与图17a和图17b中所示出的第三实施方式相同，其中，明显的不同之处在于，在该情况下，在感测事件时，是化学物质检测改变了传感器的电力状态并且然后改变了栅-源电压，以便改变所述源电极120与所述漏电极130之间的阻抗。
如可以看到的，在所有上文所描述的实施方式中，RFID芯片401可以连接在所述源电极120与所述漏电极130之间，以便在将状态改变——即检测到电离辐射、光、机械应力、温度变化以及检测到化学物质——发射到RFID接收器RFID-R时，检测所述电极之间的电势的变化。
可以看出，即使是上文所提到的无源部件，如电容器171，以及不同的传感器可以集成在单个器件中。
此外，若干上文所提到的感测装置可以彼此组合。
根据本发明的场效应器件的优点在于，能够创建低成本的RFID传感器，该RFID传感器能够监测某些环境条件(电离辐射、光、温度、化学物质、机械力)是否超过限定的阈值。一旦条件超过阈值，则RFID传感器状态改变并且可以在稍后的时间使用无线RFID读出系统追踪事件。
根据本发明的器件的另外的优点在于引入了创造性的纳米结构材料，允许组合独特的电子传感器性能，可以在大面积上和在柔性塑料基板上以微结构阵列沉积传感器。
根据本发明的优选实施方式，出于例示性而非限制性目的，已经对本发明进行了描述，但是应当理解，在不背离如所附权利要求中所限定的相关范围的情况下，本领域技术人员可以引入修改和/或改变。
Claims (27)
1.一种敏感场效应器件(100)，包括：
半导体沟道(110)，
源电极(120)，所述源电极连接到所述半导体沟道(110)，
漏电极(130)，所述漏电极连接到所述半导体沟道(110)，使得所述半导体沟道(110)置于所述源电极(120)与所述漏电极(130)之间，
栅电极(140)，以及
介电层(150)，所述介电层置于所述栅电极(140)与所述半导体沟道(110)之间，
其特征在于，
所述半导体沟道(110)是层状的并且由非晶氧化物制成，并且
其中，所述传感器装置(170、171、172、173、174、175、175)被配置成基于能够改变它们的电力状态的感测事件来改变所述栅电极(140)与所述源电极(120)之间的电压。
2.根据权利要求1所述的器件(100)，其特征在于，所述非晶氧化物是高迁移率的非晶氧化物类型，并且所述非晶氧化物选自包括下述的组：铟镓锌氧化物(IGZO)和/或铟铪锌氧化物(IHZO)和/或锌锡氧化物(ZTO)和/或镓锌锡氧化物(GZTO)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述感测装置包括电容器(171)，所述电容器连接到所述栅电极(140)和所述源电极(120)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述感测装置包括：
介电层(150)，所述介电层被布置成能暴露于电离辐射，诸如X射线等，所述介电层自身又包括至少一个主层，所述主层由具有至少一种正离子元素的至少一种材料制成，所述正离子元素具有的原子序数被选择以增加对待被感测的入射的所述电离辐射的吸收。
5.根据权利要求4所述的器件(100)，其特征在于，所述介电层(150)的所述至少一种材料具有高的原子序数Z，所述原子序数Z大于36(Z>36)。
6.根据权利要求4或5中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述介电层(150)的所述至少一个主层由氧化钇(Y2O3)和/或氧化锆(ZrO2)和/或氧化铪(HfO2)和/或五氧化二钽(Ta2O5)和/或氧化铋(Bi2O3)制成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述感测装置包括用于检测电磁辐射的光电二极管(170)，所述光电二极管连接到所述栅电极(140)和所述源电极(120)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述感测装置包括与压电传感器(173)串联连接的整流二极管(172)，所述感测装置与所述栅电极(140)和所述源电极(120)并联连接。
9.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述感测装置包括能够感测环境温度的热电传感器(174)，所述热电传感器(174)连接到所述栅电极(140)和所述源电极(120)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述感测装置包括化学传感器(175)，所述化学传感器连接到所述栅电极(140)和所述源电极(120)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述介电层(150)与所述源电极(120)和所述漏电极(130)电接触。
12.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述介电层具有大于或等于150nm的厚度。
13.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述介电层(150)是多层的，包括一个或多个绝缘层，所述绝缘层具有的原子序数小于所述主层的原子序数。
14.根据权利要求13所述的器件(100)，其特征在于，所述介电层(150)的所述一个或多个绝缘层由二氧化硅(SiO2)和/或氧化铝(Al2O3)制成。
15.根据权利要求13或14中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述介电层(150)包括：
具有较小原子序数的原子的所述绝缘层与所述主层的组合，所述组合重复二至十次，以及
具有较小原子序数的原子的所述绝缘层的顶层。
16.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述器件包括至少一个基板(160)，所述栅电极(140)和所述介电层(150)沉积在所述基板上。
17.根据权利要求16所述的器件(100)，其特征在于，所述至少一个基板(160)是柔性的。
18.根据权利要求16或17中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述至少一个基板(160)由聚萘二甲酸乙二醇酯制成。
19.根据前述权利要求中任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述栅电极(140)、源电极(120)和漏电极(130)由下述制成：导电材料，诸如钼(Mo)、铜(Cu)、铝(Al)、金(Au)和/或银(Ag)；和/或导电氧化物，诸如掺镓的锌氧化物(GZO)或铟锌氧化物(IZO)；和/或导电聚合物，诸如聚对苯乙烯磺酸。
20.一种检测传感器，包括：
基板(160)，以及
布置在所述基板(160)上的多个根据前述权利要求中任一项所述的敏感场效应器件(100)，所述电离敏感场效应器件(100)与至少另一敏感场效应器件(100)连接。
21.根据权利要求20所述的传感器，其特征在于，所述基板是柔性的，并且所述基板优选地由聚萘二甲酸乙二醇酯制成。
22.根据权利要求20或21中任一项所述的传感器，其特征在于，所述场效应器件(100)被布置成阵列或矩阵。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括至少一个RFID发射器(400)，所述RFID发射器具有连接到相关场效应器件(100)的源电极(120)和栅电极(140)的一对电极，所述RFID发射器被配置成能连接到RFID接收器(RFID-R)。
24.根据权利要求23所述的传感器，其特征在于，所述RFID发射器(400)包括RFID芯片(401)和天线(402)。
25.根据权利要求23或24中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括多个RFID发射器(400)，每个RFID发射器可操作地连接到相关场效应器件(100)。
26.一种用于制造根据权利要求1至19中任一项所述的场效应器件(100)的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
(A)在所述柔性基板(160)上沉积所述栅电极(140)，并且对所述栅电极(140)实施光刻和蚀刻工艺或剥离工艺；
(B)沉积所述介电层(150)并且对所述介电层(150)实施光刻和蚀刻工艺或剥离工艺；
(C)沉积所述半导体沟道(110)，并且对所述半导体沟道(110)实施光刻和蚀刻工艺或剥离工艺；
(D)对所述半导体沟道(110)实施光刻工艺，并且沉积所述源电极(120)和所述漏电极(130)；以及
(E)通过剥离工艺对所述源电极(120)和所述漏电极(130)进行图案化。
27.根据权利要求26所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(B)通过从包含所述介电质(150)的所述绝缘层的所述绝缘材料和所述介电质的所述主层的所述材料的两种单独的靶材并行执行RF溅射来实施，和/或经由基于包含所述介电质(150)的所述绝缘层的所述材料和所述介电质的所述主层的所述材料的溶液的工艺来实施，以便通过依次沉积下述来创建多层结构的所述介电层(150)：仅一绝缘层诸如二氧化硅(SiO2)和/或氧化铝(Al2O3)的沉积；以及绝缘材料诸如二氧化硅(SiO2)和/或氧化铝(Al2O3)与所述介电质(150)的所述主层的所述材料的共沉积。
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