CN110320237A - 一种基于ⅲ-ⅴ族半导体的气体传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Ⅲ‑Ⅴ族半导体的气体传感器及其制备方法，该气体传感器及其制备方法利用Ⅲ‑Ⅴ族半导体材料具有较高的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性，通过采用Ⅲ‑Ⅴ族半导体作为基板的材料，使得所述基板能在各种恶劣的环境下稳定地工作。而且还利用Ⅲ‑Ⅴ族半导体的光学性能和电学性能，使得上述气体传感器可采用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺将具有高结晶度的金属氧化物沉积到基板上以形成气敏层，进而提高所述气体传感器的灵敏度。

Description

一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及气体传感器领域，尤其是一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器及其制备方法。

背景技术

气体传感器用于感测多种气体的成分或浓度，应用领域相当广泛，例如应用于空气质量的监测和控制、有毒有害气体的检测、生化武器的检测和测定汽车发动机引擎的最佳燃烧效率等方面。气体检测已经成为各个领域的重要关键技术之一。由于气体传感器常常需要在恶劣的环境下工作，因此，具备高灵敏度和耐高温的气体传感器备受人们关注。

在目前的半导体气体传感器中，常常采用硅或氧化铝作为气敏膜的基板，尤其是多孔硅材料制成的基板是当前应用较多的基板。但是，硅基板的热稳定性和化学稳定性较差，难以在恶劣在环境下正常工作，增大了其实现大规模应用的难度，而氧化铝制成的基板的稳定性较好，但是其在常温状态下不导电，无法使用电化学沉积和光电化学沉积等一类可沉积高度结晶的气敏层的方法来制备气敏层，气敏层的灵敏度相对较低，不利于半导体气体传感器的生产。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器及其制备方法，来解决上述问题。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明首先提供了一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器，包括基板、气敏层、第一电极和第二电极，其中，所述基板由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制成，所述气敏层形成在所述基板上，所述第一电极连接在所述气敏层上，所述第二电极连接在所述基板或气敏层上。

优选地，所述基板的表面形成多个孔洞，所述气敏层填充各个所述孔洞。

优选地，所述孔洞的开口呈圆形，所述孔洞的开口的孔径为2nm～500μm。

优选地，所以气体传感器还包括加热部，所述加热部用于加热所述气敏层。

优选地，所述加热部设置于所述基板上与所述气敏层相对的一侧，所述气体传感器还包括支撑层，所述支撑层设置于所述基板和所述加热部之间。

优选地，所述第一电极包括第一电极垫片和第一导线，所述第一导线通过所述第一电极垫片连接在所述气敏层上；所述第二电极包括第二电极垫片和第二导线，所述第二导线通过所述第二电极垫片连接在所述基板或气敏层上。

优选地，所述气敏层为金属氧化物制成的半导体气敏膜。

本发明还提供了一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器的制备方法，包括步骤：S1、提供一个基板，所述基板由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制成；S2、应用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺在所述基板上沉积气敏层；S3、在所述气敏层上制作第一电极；S4、在所述基板或气敏层上制作第二电极。

优选地，所述步骤S2中，先对所述基板进行处理，使所述基板的表面形成多个孔洞。

优选地，所述气体传感器的制备方法还包括步骤S5：在所述基板的与所述气敏层相对的一侧上设置加热部。

本发明提供的一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器及其制备方法，一方面利用Ⅲ-Ⅴ族半导体材料具有较高的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性，采用Ⅲ-Ⅴ族半导体作为基板的材料，使得所述基板能在各种恶劣的环境下稳定地工作。另一方面利用Ⅲ-Ⅴ族半导体独特的光学性能和电学性能，使得所述气体传感器可采用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺将具有高结晶度的金属氧化物沉积到基板上，以形成气敏层，进而提高所述气体传感器的测量灵敏度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的气体传感器的一种实施方式对应的结构示意图；

图2是图1中的气体传感器的剖视图；

图3是本发明实施例提供的气体传感器的另一种实施方式对应的结构示意图；

图4是图3中的气体传感器的剖视图；

图5是本发明实施例提供的气体传感器的基板的局部俯视图；

图6是本发明实施例提供的一种气体传感器的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了关系不大的其他细节。

参阅图1-图5所示，本实施例提供了一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器，包括基板1、气敏层2、第一电极3和第二电极4。其中，所述基板1由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制成，所述气敏层2形成在所述基板1上，所述第一电极3连接在所述气敏层2上，所述第二电极4连接在所述基板1或气敏层2上。

由于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料具有较高的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性，其可应用于在光电子器件、光电集成、超高速微电子器件、超高频微波器件及电路等领域上。本实施例提供的气体传感器，通过采用Ⅲ-Ⅴ族半导体作为基板的材料，使得所述基板1能在各种恶劣的环境下稳定地工作，而且利用Ⅲ-Ⅴ族半导体独特的光学性能和电学性能，使得可采用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺将具有高结晶度的金属氧化物沉积到以Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制成的基板1上，以形成气敏层2，而高结晶度的金属氧化物形成的气敏层2有着感测气体的多个感测面，其有助于提高气体传感器的灵敏度。因此，相较于现有技术中采用硅或氧化铝制作基板1的方案，本实施例提供的气体传感器有着众多优势之处。

在本实施例中，所述基板1的表面形成多个孔洞11，形成多孔结构，所述气敏层2覆盖于所述多孔结构上，所述气敏层2填充各个所述孔洞11。所述气敏层2与各个所述孔洞11的孔壁之间形成异质结，所述基板1的表面形成的孔洞11增加了所述基板1和所述气敏层2之间的接触面积，能提高所述气体传感器的灵敏度，并且能使所述基板1和所述气敏层2之间的连接更为稳固。

如图5所示，具体地，所述孔洞11的开口呈圆形，所述孔洞11的开口的孔径为2nm～500μm。

结合图1-图4所示，进一步地，所述气体传感器还包括用于加热所述气敏层2的加热部5，所述加热部5通过所述基板1加热所述气敏层2和四周待测的目标气体，所述加热部5设置在所述基板1上与所述气敏层2相对的一侧。

在本实施例中，所述加热部5充当所述气体传感器的快速加热装置，所述加热部5上焊接电极为其接电供能，通过所述加热部5可以快速提升所述基板1、气敏层2和气体传感器周围待测气体的温度，使所述气体传感器可以快速达到正常稳定工作所需的温度，有利于提升所述气体传感器的测量灵敏度。

更进一步地，所述气体传感器还包括支撑层6，所述支撑层6设置于所述基板1和所述加热部5之间，所述支撑层6用于将所述加热部5固定在所述基板1上。

具体地，所述第一电极3包括第一电极垫片31和第一导线32，所述第一导线32通过所述第一电极垫片31连接在所述气敏层2上。所述第二电极4包括第二电极垫片41和第二导线42，所述第二导线42通过所述第二电极垫片41连接在所述基板1或气敏层2上。

如图1和图2所示，作为本实施例的一种实施方式，当所述第二电极4连接在所述基板1上时，所述气体传感器形成侧电极气体传感器。在所述侧电极气体传感器中，所述基板1与所述气敏层2之间形成异质结结构，相比于下述顶电极气体传感器，有利于提高气体传感器的气敏性能。

如图3和图4所示，作为本实施例的另一种实施方式，当所述第二电极4连接在所述气敏层2上时，所述气体传感器形成顶电极气体传感器。在所述顶电极气体传感器中，所述第一电极3和第二电极4之间的气敏层2形成异质结结构。

在本实施例中，所述气敏层2为金属氧化物制成的半导体气敏膜。由此，所述金属氧化物制成的半导体气敏膜能通过电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺制成。

参阅图6所示，本实施例还提供了一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器的制备方法，包括步骤：

S1、提供一个基板1，所述基板1由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制成；

S2、应用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺在所述基板1上沉积气敏层2；

具体地，所述步骤S2中，先对所述基板1进行处理，使所述基板1的表面形成多个孔洞11，然后应用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺在所述基板1的表面上沉积气敏层2，使所述气敏层2填充各个所述孔洞11。

示例性地，通过刻蚀工艺对所述基板1进行处理，使所述基板1的表面形成具有多个凹陷的孔洞11的多孔结构，然后采用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺在所述基板1的表面上沉积气敏层2，使所述气敏层2覆盖所述多孔结构，并填充各个所述孔洞11。

在本实施例中，通过控制沉积的电化学参数和沉积时间，所述气敏层2的厚度能制备为从单层分子层的厚度到微米级的厚度。

S3、在所述气敏层2上制作第一电极3；

具体地，所述步骤S3中，通过在所述气敏层2上采用丝网印刷工艺印刷或涂覆工艺设置第一电极垫片31，并在所述第一电极垫片31上焊接第一导线32，制成所述第一电极4。

S4、在所述基板1或气敏层2上制作第二电极4。

具体地，所述步骤S4中，通过在所述基板1或气敏层2上采用丝网印刷工艺或涂覆工艺设置第二电极垫片41，并在所述第二电极垫片41上焊接第二导线42，制成所述第二电极5。

进一步地，所述气体传感器的制备方法还包括步骤S5：在所述基板1的与所述气敏层2相对的一侧上设置加热部5。

焊接所述加热部5后，可在所述加热部5上制作电极为其供电，至此完成所述气体传感器的核心部件的制作，再为上述气体传感器安装外壳以进行封装即可。

综上所述，本发明提供的一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器及其制备方法，利用具有较高的化学稳定性、热稳定性和机械稳定性的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料作为基板1的材料，使得制成的所述基板1能在各种恶劣的环境下稳定地工作，另一方面利用Ⅲ-Ⅴ族半导体材料独特的光学性能和电学性能，从而可采用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺将具有高结晶度的金属氧化物沉积到基板1上，形成气敏层2，以提高所述气体传感器的灵敏度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器，其特征在于，包括：

基板(1)，所述基板(1)由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制成；

气敏层(2)，所述气敏层(2)形成在所述基板(1)上；

第一电极(3)，所述第一电极(3)连接在所述气敏层(2)上；

第二电极(4)，所述第二电极(4)连接在所述基板(1)或气敏层(2)上。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述基板(1)的表面形成多个孔洞(11)，所述气敏层(2)填充各个所述孔洞(11)。

3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，所述孔洞(11)的开口呈圆形，所述孔洞(11)的开口的孔径为2nm～500μm。

4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所以气体传感器还包括加热部(5)，所述加热部(5)用于加热所述气敏层(2)。

5.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，所述加热部(5)设置于所述基板(1)上与所述气敏层(2)相对的一侧，所述气体传感器还包括支撑层(6)，所述支撑层(6)设置于所述基板(1)和所述加热部(5)之间。

6.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述第一电极(3)包括第一电极垫片(31)和第一导线(32)，所述第一导线(32)通过所述第一电极垫片(31)连接在所述气敏层(2)上；所述第二电极(4)包括第二电极垫片(41)和第二导线(42)，所述第二导线(42)通过所述第二电极垫片(41)连接在所述基板(1)或气敏层(2)上。

7.根据权利要求1-6任一所述的气体传感器，其特征在于，所述气敏层(2)为金属氧化物制成的半导体气敏膜。

8.一种基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：

S1、提供一个基板(1)，所述基板(1)由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料制成；

S2、应用电化学沉积工艺或光电化学沉积工艺在所述基板(1)上沉积气敏层(2)；

S3、在所述气敏层(2)上制作第一电极(3)；

S4、在所述基板(1)或气敏层(2)上制作第二电极(4)。

9.根据权利要求8所述的气体传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，先对所述基板(1)进行处理，使所述基板(1)的表面形成多个孔洞(11)。

10.根据权利要求8所述的气体传感器的制备方法，其特征在于，所述气体传感器的制备方法还包括步骤S5：在所述基板(1)的与所述气敏层(2)相对的一侧上设置加热部(5)。