CN112086519A - 一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片及其制备方法与应用 - Google Patents
一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片及其制备方法与应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112086519A CN112086519A CN201910508807.9A CN201910508807A CN112086519A CN 112086519 A CN112086519 A CN 112086519A CN 201910508807 A CN201910508807 A CN 201910508807A CN 112086519 A CN112086519 A CN 112086519A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- hydrogen ion
- ion concentration
- sno
- electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 63
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 141
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 29
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 claims description 19
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 10
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 claims description 6
- 239000012086 standard solution Substances 0.000 claims description 6
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims description 5
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 5
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 5
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 claims description 5
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 3
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 3
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 3
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N tantalum pentoxide Inorganic materials O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 18
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 10
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 11
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 238000000233 ultraviolet lithography Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000000835 electrochemical detection Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
- H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
- H01L29/7869—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film having a semiconductor body comprising an oxide semiconductor material, e.g. zinc oxide, copper aluminium oxide, cadmium stannate
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
- H01L29/66969—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies not comprising group 14 or group 13/15 materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片及其制备方法与应用，包括衬底、栅极、栅介质层、半导体层、源极、漏极、敏感层；衬底上生长有栅极、栅介质层，栅介质层上生长有半导体层、源极、漏极，半导体层、源极、漏极生长有敏感层。本发明基于双极性SnO的氢离子浓度检测传感器，除了可以像单一n或者p型的氢离子浓度检测传感器使用阈值电压进行检测，还可以使用直接通过测量沟道电流的方式来进行检测。大幅度减少了测试复杂度，且不再受能斯特定律限制。整个测试过程可以工作在低电压下，且具有较低的功耗，其可被广泛应用于柔性可穿戴电子中，解决了现有氢离子浓度传感器大电压，复杂度高等缺点，效果显著，适用于应用推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片及其制备方法与应用，属于电化学检测技术领域。
背景技术
目前，基于氧化物的氢离子浓度检测，大多是通过检测单一n型或者p型TFT器件阈值的方式来进行表征。一般的测量器件阈值进而表征氢离子浓度，是通过保持漏极电流恒定，通过测量栅极电压获得器件对离子变化的响应，以“差分对管”形式为代表。以上检测电路，存在电路规模大、不便携的缺点。这样的检测方式同样受限于能斯特(Nernst)上限，即溶液每变化一个pH值所能引起的器件阈值电压的改变不会超过59.2mV，这样也就限制其灵敏度。因此，之前的相关研究内容大多使用高k栅介质来提升敏感层介质与底栅介质的单位电容比，来提升传感器的灵敏度，但是，这样导致检测电路比较复杂，且需要额外的数据处理单元。因此，此类的检测方式整体电路的工作电压以及功耗普遍偏大，而随着柔性可穿戴设备、物联网技术对低电压低功耗的要求，则需要检测方式尽可能简单、低电压以及低功耗。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片；
本发明还提供了氢离子浓度传感器芯片的制备方法及应用；
本发明使用双极性SnO构成的氢离子浓度检测传感器，采用电流检测的方式替代原有的阈值电压检测方式，使得检测电路更简单，实现了一种可以在低电压下工作的低功耗氢离子浓度传感器。
本发明的技术方案为：
一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，包括衬底、栅极、栅介质层、半导体层、源极、漏极、敏感层；所述衬底上生长有所述栅极、栅介质层，所述栅介质层上生长有所述半导体层、源极、漏极，所述半导体层、源极、漏极上生长有所述敏感层。
根据本发明优选的，所述衬底为柔性衬底或刚性绝缘衬底；所述栅极、源极和漏极为单层或双层的金属层；所述栅介质层、敏感层为绝缘薄膜。
进一步优选的，所述柔性衬底的材质包括聚酰亚胺，所述刚性绝缘衬底的材质包括绝缘硅片、玻璃；所述金属层的材质包括Ti、Au、Al；所述绝缘薄膜的材质包括Al2O3、SiO2、HfO2、Ta2O5，所述半导体层的材质为SnO。
根据本发明优选的，所述栅极包括双层的Ti金属层、Au金属层；所述Ti金属层的厚度为3-10nm，所述Au金属层的厚度10—50nm；
进一步优选的，所述Ti金属层的厚度为5nm，所述Au金属层的厚度30nm。
根据本发明优选的，所述栅介质层的厚度大于5nm；
所述源极及所述漏极的厚度均大于10nm；
所述半导体层的厚度为10-25nm；
所述敏感层的厚度小于所述栅介质层的厚度。
进一步优选的，所述栅介质层的厚度为30nm；
所述源极及所述漏极的厚度均为20nm；
所述半导体层的厚度为20nm；
所述敏感层的厚度为15nm。
栅介质层与敏感层在厚度选取上，遵循了敏感层单位面积电容要大于栅介质层单位面积电容，在使用同样的材料(Al2O3)前提下，通过减少敏感层材料的厚度来提升单位面积电容值，此处选取2：1是为了同时保证阈值检测的灵敏度。
半导体层选取20nm，经过实验发现此厚度下的传感器拥有最佳的性能。
源极及漏极的厚度的选取，可以保证测试设备可以与传感器进行有效且牢固稳定的连接，厚度选取20nm，在效果最优的基础上保证了成本最低。
上述基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片的制备方法，包括步骤如下：
a、制备所述栅极：使用诸如紫外光刻、激光直写、掩膜版、电子束曝光的图形化工艺方法在所述衬底上定义所述栅极的图形，采用诸如电子束蒸发、热蒸发的真空镀膜方法在所述衬底表面进行沉积，进行剥离，形成栅极；
b、制备所述栅介质层：采用原子层沉积方法在所述栅极的表面进行沉积，沉积一层氧化铝Al2O3薄膜，形成栅介质层；
c、制备所述半导体层：采用光刻法或图形化工艺方法定义所述半导体层的图形，采用反应磁控溅射生长半导体薄膜，进行剥离，形成所述半导体层；
d、退火处理：将器件加热至200—250℃，并保持1—3h，冷却；
e、制备所述源极、漏极：使用图形化工艺方法定义所述源极、漏极的图形，采用电子束蒸发沉积金属薄膜，进行剥离，形成所述源极、漏极；
f、制备敏感层：采用原子层沉积方法在所述半导体层的表面沉积一层薄膜，形成敏感层，即得。
根据本发明优选的，所述步骤a中，使用激光直写的图形化工艺方法在所述衬底上定义所述栅极的图形，采用电子束蒸发的真空镀膜方法在所述衬底表面进行沉积，进行剥离，形成栅极；
选用无掩模版光刻机(激光直写)，相比其它工艺更能灵活的控制图形，缩短研发周期。镀膜设备选用的是电子束蒸发，相比热蒸发，可以精确的控制金属电极厚度。
根据本发明优选的，所述步骤c，制备半导体层，包括：采用反应磁控溅射生长SnO薄膜，进行剥离，形成所述半导体层。
基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片测量氢离子浓度的方法，包括步骤如下：
(1)将pH值为4-10标准溶液缓冲液设置在所述敏感层上，将参比电极设置在标准溶液缓冲液中；
(2)所述栅极、源极及参比电极均接地，所述漏极串联电流表，进行两点、三点或者多点校正，得到电流IDS与待测物质或溶液的pH值的线性关系式，如式(Ⅰ)所示：
IDS＝a*pH+b (Ⅰ)；
式(Ⅰ)中，a与b的取值与VDS电压相关，a取值范围为-1.0E-8～-9.0*E-8，b的取值范围为1.0E-7～5.0E-6；
(3)将待测物质或液体设置在所述敏感层上，将参比电极设置在待测物质或液体中；
(4)采集电流表的电流值，将得到的电流值代入式(Ⅰ)中的IDS，得到待测物质或液体的pH值。
通过此类测量方式，相比于传统的阈值类氢离子浓度检测可以有效减小电路的复杂度以及降低成本。
本发明的有益效果为：
本发明基于双极性SnO的氢离子浓度检测传感器，除了可以像单一n或者p型的氢离子浓度检测传感器使用阈值电压进行检测，还可以使用直接通过测量沟道电流的方式来进行检测。这样大幅度减少了测试复杂度，且不再受能斯特定律限制。通过实际测试，可以发现其沟道电流随着氢离子浓度的增加而增加。这样使得整个测试过程可以工作在低电压下，且具有较低的功耗，使得其可被广泛应用于柔性可穿戴电子中，解决了现有氢离子浓度传感器大电压，复杂度高等缺点，效果显著，适用于应用推广。
附图说明
图1为本发明双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片的结构示意图；
图2为本发明双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片的应用示意图；
图3为本发明双极性SnO薄膜晶体管的在空气中的不同源漏电压下的特性曲线图；
图4为本发明双极性SnO的氢离子浓度传感器在源漏电压为-1.0V下的不同pH浓度下的特性曲线图；
图5为本发明双极性SnO的氢离子浓度传感器在源漏电压为-3.0V下的不同pH浓度下的特性曲线图；
图6为本发明双极性SnO的氢离子浓度传感器阈值随不同浓度变化曲线图；
图7为本发明双极性SnO的氢离子浓度传感器在特定栅电压下沟道电流随不同浓度变化曲线图；
图8为本发明双极性SnO的氢离子浓度传感器在不同栅电压下沟道电流随不同浓度变化曲线图；
图9为本发明双极性SnO的氢离子浓度传感器在特定栅电压下沟道电流随不同浓度的稳定性曲线；
1、衬底，2、栅极，3、栅介质层，4、半导体层，5、源极，6、漏极，7、敏感层，8、待测物质或溶液，9、参比电极。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，如图1所示，包括衬底1、栅极2、栅介质层3、半导体层4、源极5、漏极6、敏感层7；衬底1上生长有栅极2、栅介质层3，栅介质层3上生长有半导体层4、源极5、漏极6，半导体层4、源极5、漏极6上生长有敏感层7。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其区别在于：
衬底1为柔性衬底或刚性绝缘衬底；栅极2、源极5和漏极6为单层或双层的金属层；栅介质层3、敏感层7为绝缘薄膜。
柔性衬底的材质包括聚酰亚胺，刚性绝缘衬底的材质包括绝缘硅片、玻璃；金属层的材质包括Ti、Au、Al；绝缘薄膜的材质包括Al2O3、SiO2、HfO2、Ta2O5，半导体层4的材质为SnO。
实施例3
根据实施例1所述的一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其区别在于：
栅极2包括双层的Ti金属层、Au金属层；Ti金属层的厚度为3-10nm，Au金属层的厚度10—50nm；栅介质层3的厚度大于5nm；源极5及漏极6的厚度均大于10nm；半导体层4的厚度为10-25nm；敏感层7的厚度小于栅介质层3的厚度。
实施例4
根据实施例1所述的一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其区别在于：
Ti金属层的厚度为5nm，Au金属层的厚度30nm。栅介质层3的厚度为30nm；源极5及漏极6的厚度均为20nm；半导体层4的厚度为20nm；敏感层7的厚度为15nm。
栅介质层3与敏感层7在厚度选取上，遵循了敏感层7单位面积电容要大于栅介质层3单位面积电容，在使用同样的材料(Al2O3)前提下，通过减少敏感层7材料的厚度来提升单位面积电容值，此处选取2：1是为了同时保证阈值检测的灵敏度。
半导体层4选取20nm，经过实验发现此厚度下的传感器拥有最佳的性能。
源极5及漏极6的厚度的选取，可以保证测试设备可以与传感器进行有效且牢固稳定的连接，厚度选取20nm，在效果最优的基础上保证了成本最低。
实施例5
根据实施例1-4任一所述的基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片的制备方法，包括步骤如下：
a、制备栅极2：使用诸如紫外光刻、激光直写、掩膜版、电子束曝光的图形化工艺方法在衬底1上定义栅极2的图形，采用诸如电子束蒸发、热蒸发的真空镀膜方法在衬底1表面进行沉积，进行剥离，形成栅极2；选用无掩模版光刻机(激光直写)，相比其它工艺更能灵活的控制图形，缩短研发周期。镀膜设备选用的是电子束蒸发，相比热蒸发，可以精确的控制金属电极厚度。
b、制备栅介质层3：采用原子层沉积方法在栅极2的表面进行沉积，沉积一层氧化铝Al2O3薄膜，形成栅介质层3；
c、制备半导体层4：采用光刻法或图形化工艺方法定义半导体层4的图形，采用反应磁控溅射生长半导体薄膜，进行剥离，形成半导体层4；
d、退火处理：将器件加热至200—250℃，并保持1—3h，冷却；
e、制备源极5、漏极6：使用图形化工艺方法定义源极5、漏极6的图形，采用电子束蒸发沉积金属薄膜，进行剥离，形成源极5、漏极6；
f、制备敏感层7：采用原子层沉积方法在半导体层4的表面沉积一层薄膜，形成敏感层7，即得。
实施例6
根据实施例1-4任一所述的基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片测量氢离子浓度的方法，如图2所示，包括步骤如下：
(1)将pH值为4-10标准溶液缓冲液设置在敏感层7上，将参比电极9设置在标准溶液缓冲液中；
(2)栅极5、源极6及参比电极9均接地，漏极6串联电流表，进行两点、三点或者多点校正，得到电流IDS与待测物质或溶液8的pH值的线性关系式，如式(Ⅰ)所示：
IDS＝a*pH+b (Ⅰ)；
当VDS取值在-1.0V与-3.0V时，a取值分别为-3.00*E-8与-7.97*E-8，b的取值分别为4.70E-7与1.48E-6。
(3)将待测物质或液体8设置在敏感层7上，将参比电极9设置在待测物质或液体8中；
(4)采集电流表的电流值，将得到的电流值代入式(Ⅰ)中的IDS，得到待测物质或液体8的pH值。
为了测试式(I)的正确性，选取两种未知溶液进行测试，当VDS为-1.0V时测得其电流分别为2.49*E-7以及2.66*E-7，代入式(I)中可得pH值为7.37以及6.81。采用标准pH计测量位置溶液的pH值分别为7.40以及6.80，由此可证明公式(Ⅰ)的正确性。
通过此类测量方式，相比于传统的阈值类氢离子浓度检测可以有效减小电路的复杂度以及降低成本。
如图3所示，给出了在空气环境下，双极性SnO薄膜晶体管在VDS分别为-1.0以及-3.0电压下的特性曲线图，横坐标VGS为栅极2、源极5之间的电压，纵坐标IDS为漏极6与源极5之间的电流，双极性SnO薄膜晶体管的宽度与长度的比值W/L＝2。可以看出本发明中的SnO呈现明显的双极性，其中的电子迁移率为1.37cm2V-1s-1，空穴迁移率为0.44cm2V-1s-1。
图4、图5依次给出了不同氢离子浓度的溶液环境中双极性SnO氢离子浓度传感器在VDS分别为-1.0以及-3.0电压下的特性曲线图。可以看出，随着氢离子浓度的减小，阈值电压呈现减小趋势，且当VGS大于-2.0V时IDS源漏电流也呈现减小趋势。
图6给出了双极性SnO氢离子浓度传感器，在不同氢离子浓度的溶液环境下，利用阈值VTH表征的数据曲线以及线性拟合数据，可以看出，在VDS为-1.0以及-3.0下，阈值变化灵敏度分别为62.88mV/pH与64.61mV/pH，线性度分别是0.9962与0.9933。由此可知，双极性SnO氢离子浓度传感器可以有效的利用阈值表征的方式进行氢离子浓度检测。
图7给出了双极性SnO氢离子浓度传感器，在不同氢离子浓度的溶液环境下，利用沟道电流IDS表征的数据曲线以及线性拟合数据，可以看出，在VDS为-1.0以及-3.0下，沟道电流变化灵敏度分别为30.61nA/pH与80.59nA/pH，线性度分别是0.9938与0.9935。由此可知，双极性SnO氢离子浓度传感器也可以有效的利用沟道电流表征的方式进行氢离子浓度检测，且灵敏度较好，并且灵敏度随着VDS的增加而增大，据此可以根据实际使用环境选择合适的VDS电压进行测量，最终实现功耗与灵敏度的优化。
图8为在不同栅电压下的，采用电流测量的双极性SnO氢离子浓度传感器的特性曲线以及线性拟合数据。由此可知，当栅电压VGS大于-2.0V时，沟道电流IDS均与氢离子浓度呈现线性变化，根据此现象，可以将VGS设置为0.0V，进一步减少整体电路的功耗以及复杂度。
图9为电流表征的双极性SnO氢离子浓度传感器的漂移测试，选用7-10-7-4-10的循环，单一循环时间为5分钟，整个循环为25分钟，整个循环结束只有3.05nA的漂移，证明其有较好的稳定性以及均一性。
Claims (10)
1.一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其特征在于，包括衬底、栅极、栅介质层、半导体层、源极、漏极、敏感层；所述衬底上生长有所述栅极、栅介质层，所述栅介质层上生长有所述半导体层、源极、漏极，所述半导体层、源极、漏极上生长有所述敏感层。
2.根据权利要求1所述的一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其特征在于，所述衬底为柔性衬底或刚性绝缘衬底；所述栅极、源极和漏极为单层或双层的金属层；所述栅介质层、敏感层为绝缘薄膜。
3.根据权利要求2所述的一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其特征在于，所述柔性衬底的材质包括聚酰亚胺，所述刚性绝缘衬底的材质包括绝缘硅片、玻璃；所述金属层的材质包括Ti、Au、Al；所述绝缘薄膜的材质包括Al2O3、SiO2、HfO2、Ta2O5，所述半导体层的材质为SnO。
4.根据权利要求1所述的一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其特征在于，所述栅极包括双层的Ti金属层、Au金属层；所述Ti金属层的厚度为3-10nm，所述Au金属层的厚度10—50nm。
5.根据权利要求4所述的一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其特征在于，所述Ti金属层的厚度为5nm，所述Au金属层的厚度30nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其特征在于，所述栅介质层的厚度大于5nm；
所述源极及所述漏极的厚度均大于10nm；
所述半导体层的厚度为10-25nm；
所述敏感层的厚度小于所述栅介质层的厚度。
7.根据权利要求1所述的一种基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片，其特征在于，所述栅介质层的厚度为30nm；
所述源极及所述漏极的厚度均为20nm；
所述半导体层的厚度为20nm；
所述敏感层的厚度为15nm。
8.权利要求1-7任一所述基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
a、制备所述栅极：使用图形化工艺方法在所述衬底上定义所述栅极的图形，采用真空镀膜方法在所述衬底表面进行沉积，进行剥离，形成栅极；
b、制备所述栅介质层：在所述栅极的表面进行沉积，形成栅介质层；
c、制备所述半导体层：采用光刻法或图形化工艺方法定义所述半导体层的图形，采用反应磁控溅射生长半导体薄膜，进行剥离，形成所述半导体层；
d、退火处理：将器件加热至200—250℃，并保持1—3h，冷却；
e、制备所述源极、漏极：使用图形化工艺方法定义所述源极、漏极的图形，采用电子束蒸发沉积金属薄膜，进行剥离，形成所述源极、漏极；
f、制备敏感层：采用原子层沉积方法在所述半导体层的表面沉积一层薄膜，形成敏感层，即得。
9.根据权利要求8所述基于双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，使用激光直写的图形化工艺方法在所述衬底上定义所述栅极的图形，采用电子束蒸发的真空镀膜方法在所述衬底表面进行沉积，进行剥离，形成栅极；
所述步骤c，制备半导体层，包括：采用反应磁控溅射生长SnO薄膜，进行剥离，形成所述半导体层。
10.一种基于权利要求1-9任一所述的双极性SnO的氢离子浓度传感器芯片测量氢离子浓度的方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)将pH值为4-10标准溶液缓冲液设置在所述敏感层上，将参比电极设置在标准溶液缓冲液中；
(2)所述栅极、源极及参比电极均接地，所述漏极串联电流表，进行两点、三点或者多点校正，得到电流IDS与待测物质或溶液的pH值的线性关系式，如式(Ⅰ)所示：
pH＝a*IDS+b (Ⅰ)；
(3)将待测物质或液体设置在所述敏感层上，将参比电极设置在待测物质或液体中；
(4)采集电流表的电流值，将得到的电流值代入式(Ⅰ)中的IDS，得到待测物质或液体的pH值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910508807.9A CN112086519B (zh) | 2019-06-13 | 2019-06-13 | 一种氢离子浓度传感器芯片及其制备方法与应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910508807.9A CN112086519B (zh) | 2019-06-13 | 2019-06-13 | 一种氢离子浓度传感器芯片及其制备方法与应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112086519A true CN112086519A (zh) | 2020-12-15 |
| CN112086519B CN112086519B (zh) | 2021-10-26 |
Family
ID=73733444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910508807.9A Active CN112086519B (zh) | 2019-06-13 | 2019-06-13 | 一种氢离子浓度传感器芯片及其制备方法与应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112086519B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113097231A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-07-09 | 电子科技大学 | 一种基于锡氧化物的pn结及其制备方法 |
| CN113406161A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-09-17 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种氢气传感器芯体及其制备方法和氢气传感器 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040180463A1 (en) * | 2002-05-20 | 2004-09-16 | National Yunlin University Of Science And Technology | SnO2 ISFET device, manufacturing method, and methods and apparatus for use thereof |
| CN104124281A (zh) * | 2014-08-01 | 2014-10-29 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 双极性薄膜晶体管及其制备方法 |
| CN104950023A (zh) * | 2014-03-28 | 2015-09-30 | Nlt科技股份有限公司 | Tft离子传感器、使用该tft离子传感器的tft离子传感器装置 |
| CN109524401A (zh) * | 2018-10-08 | 2019-03-26 | 山东大学 | 一种基于氧化物半导体的高性能静态随机读取存储器及其制备方法 |
-
2019
- 2019-06-13 CN CN201910508807.9A patent/CN112086519B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040180463A1 (en) * | 2002-05-20 | 2004-09-16 | National Yunlin University Of Science And Technology | SnO2 ISFET device, manufacturing method, and methods and apparatus for use thereof |
| CN104950023A (zh) * | 2014-03-28 | 2015-09-30 | Nlt科技股份有限公司 | Tft离子传感器、使用该tft离子传感器的tft离子传感器装置 |
| CN104124281A (zh) * | 2014-08-01 | 2014-10-29 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 双极性薄膜晶体管及其制备方法 |
| CN109524401A (zh) * | 2018-10-08 | 2019-03-26 | 山东大学 | 一种基于氧化物半导体的高性能静态随机读取存储器及其制备方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113097231A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-07-09 | 电子科技大学 | 一种基于锡氧化物的pn结及其制备方法 |
| CN113406161A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-09-17 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种氢气传感器芯体及其制备方法和氢气传感器 |
| CN113406161B (zh) * | 2021-06-03 | 2024-04-02 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | 一种氢气传感器芯体及其制备方法和氢气传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112086519B (zh) | 2021-10-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tarasov et al. | Signal-to-noise ratio in dual-gated silicon nanoribbon field-effect sensors | |
| Lu et al. | High-performance double-gate $\alpha $-InGaZnO ISFET pH sensor using a HfO2 gate dielectric | |
| Chou et al. | Preparation and study on the drift and hysteresis properties of the tin oxide gate ISFET by the sol–gel method | |
| CN108414603B (zh) | 一种基于双电层薄膜晶体管的湿度传感器及其制备方法 | |
| US7981264B2 (en) | Drift calibration method and device for the potentiometric sensor | |
| US9267913B2 (en) | PH sensor, pH measurement method, ion sensor, and ion concentration measurement method | |
| CN112086519B (zh) | 一种氢离子浓度传感器芯片及其制备方法与应用 | |
| US6771092B1 (en) | Non-contact mobile charge measurement with leakage band-bending and dipole correction | |
| Nguyen et al. | Organic field-effect transistor with extended indium tin oxide gate structure for selective pH sensing | |
| CN106093150A (zh) | 一种自组装石墨烯场效应管型生化传感器制造方法 | |
| Chiang et al. | Hydrogen ion sensors based on indium tin oxide thin film using radio frequency sputtering system | |
| JP5541530B2 (ja) | イオンセンサおよびイオン濃度測定方法 | |
| Shin et al. | An accurate and stable humidity sensing characteristic of Si FET-type humidity sensor with MoS2 as a sensing layer by pulse measurement | |
| Lu et al. | Non-ideal effects improvement of SF6 plasma treated hafnium oxide film based on electrolyte–insulator–semiconductor structure for pH-sensor application | |
| CN104937402A (zh) | 包括原位校准装置的pH值测量设备 | |
| Kao et al. | Effects of Ti addition and annealing on high-k Gd2O3 sensing membranes on polycrystalline silicon for extended-gate field-effect transistor applications | |
| Cho et al. | Effect of forming gas annealing on SnO2 sensing membranes in high-performance silicon-on-insulator extended-gate field-effect transistors | |
| Rezek et al. | Ion-sensitive field effect transistor on hydrogenated diamond | |
| Chiang et al. | Simulation and experimental study of the pH-sensing property for AlN thin films | |
| Kumar et al. | Low temperature annealed amorphous indium gallium zinc oxide (a-IGZO) as a pH sensitive layer for applications in field effect based sensors | |
| JP3390756B2 (ja) | 電界効果トランジスタ | |
| Zhao et al. | Fabrication and characteristics of magnetic field sensors based on nano-polysilicon thin-film transistors | |
| Yusof et al. | pH sensing characteristics of silicon nitride thin film and silicon nitride-based ISFET sensor | |
| Yang et al. | Hydrogen ion sensing characteristics of IGZO/Si electrode in EGFET | |
| Hong et al. | Semiconducting single-walled carbon nanotube network-based double-gate thin-film transistors for high-performance aqueous chemical sensor applications |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |