CN112881477A - 基于场效应晶体管的气体传感器及其制备方法 - Google Patents

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李向光
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Abstract

本发明公开了一种基于场效应晶体管的气体传感器及其制备方法，气体传感器包括衬底、绝缘层、有源层、源极和漏极，所述绝缘层设置在所述衬底和有源层之间，所述源极和漏极分别间隔设置在所述有源层远离所述绝缘层的一侧，所述有源层的材料为二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维，易于和VOC气体发生化学反应，增强了气体检测反应速度和灵敏度，且比表面积大，增加了感应面积，可在相同的反应速度级别和灵敏度精度下将传感器尺寸做的更小，而且二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维通过静电纺丝技术制备，制备方法简单，静电纺丝装置工艺简单、生产效率高，有利于气体传感器在消费电子中的应用，以及在更多应用场景中的普及。

Description

基于场效应晶体管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，具体涉及一种基于场效应晶体管的气体传感器及其制备方法。
背景技术
工业革命推动了社会的快速发展，但同时也造成了大气环境的污染。随着人们生活水平的提高，对空气质量要求也越来越高，并且气体检测也关乎着人们在特殊工作环境中的安全，而VOC(volatile organic compounds，挥发性有机化合物)是影响人们健康的主要污染气体，因此迫切需要相关的VOC检测气体传感器。目前大多数用于检测VOC的气体传感器采用薄膜作为检测的感应部分，但是薄膜的比表面积小，造成了产品检测精度低，反应速度慢。同时，用薄膜作为感应部分，为了提高反应灵敏度和准确度，需增大薄膜的面积，以提高检测精度和速度，但这无疑造成了器件面积的增加，对于集成度越来越高、尺寸越来越小的消费电子产品的应用是不利的。还有一些气体传感器采用刻蚀法增加感应部分与检测气体的接触面积，但这就增加了工艺的复杂性和制造成本，不利于产品在消费电子中的应用。因此，检测精度低、反应速度慢、器件尺寸大和工艺复杂是传统的气体传感器存在的致命缺点。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于场效应晶体管的气体传感器及其制备方法，旨在解决现有用于检测VOC的气体传感器存在检测精度低、反应速度慢、器件尺寸大以及工艺复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种基于场效应晶体管的气体传感器，包括衬底、绝缘层、有源层、源极和漏极，所述绝缘层设置在所述衬底和有源层之间，所述源极和漏极分别间隔设置在所述有源层远离所述绝缘层的一侧，所述有源层的材料为二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维。
优选地，所述衬底的材料为重掺杂p型硅。
优选地，所述绝缘层的材料为二氧化硅、氧化锆、氧化铪、氧化铝或氧化钇中的任意一种，所述漏极和源极的材料为金或铝。
优选地，所述衬底的厚度为0.2～1mm，所述绝缘层的厚度为60～300nm，所述有源层的厚度为20～80nm，所述源极和漏极的厚度分别为70～500nm。
优选地，所述二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维的直径为30～150nm，比表面积为107～108m2/m3。
优选地，所述气体传感器为底栅顶接触式结构。
此外，本发明还提供了一种用于制备上述所述基于场效应晶体管的气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
在所述衬底上制备得到所述绝缘层；
将钛盐或锌盐用溶剂溶解得到金属盐溶液，将金属盐溶液与聚合物混合形成静电纺丝前驱体溶液，通过静电纺丝装置在所述绝缘层上制备得到复合纳米纤维，经退火处理后，得到二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维形成的所述有源层；
在所述有源层上沉积所述源极和漏极。
优选地，所述钛盐为四氯化钛，所述锌盐为氯化锌，所述溶剂为二甲基甲酰胺或乙二醇甲醚，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯吡咯烷酮，所述钛盐或锌盐与所述溶剂的摩尔比为1:100～16:100，所述聚合物与所述金属盐溶液的摩尔比为1:20～1:3。
优选地，所述静电纺丝装置的收集基板与针头之间的距离为1～20cm，加直流电压为1～20KV，静电纺丝的温度为10～40℃。
优选地，所述退火处理的温度为330～500℃，时间为0.1～2h。
本发明技术方案中，基于场效应晶体管的气体传感器包括衬底、绝缘层、有源层、源极和漏极，绝缘层设置在衬底和有源层之间，源极和漏极分别间隔设置在有源层远离绝缘层的一侧，其中，有源层的材料为二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维，易于和VOC气体发生化学反应，增强了气体检测反应速度和灵敏度，且比表面积大，增加了感应面积，可在相同的反应速度级别和灵敏度精度下将传感器尺寸做的更小，更有利于器件的集成，与当今小尺寸、高度集成的电子器件发展方向相吻合。而且二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维通过静电纺丝技术制备，制备方法简单，静电纺丝装置工艺简单、生产效率高，有利于气体传感器在消费电子中的应用，以及在更多应用场景中的普及。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的基于场效应晶体管的气体传感器的示意图；
图2为本发明实施例1的气体传感器有源层的电镜(SEM)图；
图3为本发明实施例1的气体传感器转移特性曲线图。
附图标号说明：
1 衬底 2 绝缘层
3 有源层 4 源极
5 漏极
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于场效应晶体管的气体传感器，如图1所示，包括衬底1、绝缘层2、有源层3、源极4和漏极5，绝缘层2设置在衬底1和有源层3之间，源极4和漏极5分别间隔设置在有源层3远离绝缘层2的一侧，有源层3的材料为二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维。
场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)，简称场效应管，是通过控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件。场效应晶体管包括结型场效应管和金属-氧化物半导体场效应管。场效应晶体管由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。属于电压控制型半导体器件。具有输入电阻高(107～1015Ω)、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。
本发明的气体传感器采用二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维作为有源层3，相比传统的薄膜，其比表面积大，可以增加感应材料与检测气体的接触面积，并且其纳米级的尺寸，传输性能和机械柔性好。而且二氧化钛或氧化锌遇到VOC气体后易于发生化学反应，使二氧化钛或氧化锌导电性发生变化，在晶体管中体现出来，当遇到VOC气体后相同电压下源漏电流发生变化，则说明空气中存在VOC气体。本发明用一维二氧化钛或氧化锌代替薄膜作为气体感应材料，增大了感应面积，极大增强了气体检测反应速度和灵敏度；可以在相同的反应速度级别和灵敏度精度下将产品尺寸做的更小，更有利器件集成，与现今小尺寸、高度集成的电子器件发展方向相吻合；整个产品的制备过程非常简单，静电纺丝设备工艺简单、生产效率高，有利于气体传感器在消费电子中的应用，以及在更多应用场景中的普及。
具体地，二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维的直径为30～150nm，长度较长，晶粒尺寸为4～18nm，比表面积为107～108m2/m3，与检测气体的接触面积大，且晶粒尺寸小，传输性能和机械柔性好。
其中，衬底1的材料为重掺杂p型硅，“p型硅”是在硅晶体中掺杂了三价杂质，例如硼元素，使硅材料呈现出p型半导体特性，“重掺杂”指的是掺入半导体材料中的杂质量比较多，因此“重掺杂p型硅”即为掺入三价杂质比较多的硅晶体，不仅能耐高温，且使得衬底1具有良好的导电性能，能够直接作为栅极，即本实施例的衬底1、绝缘层2和有源层3依次层叠，避免在衬底1上再制备一层栅极，不仅使得气体传感器的制备更简单，提高生产效率，而且减小了气体传感器的尺寸。本实施例的气体传感器优选为底栅顶接触式结构，相对于顶栅底接触式的结构制备工艺更简单。
绝缘层2的材料为二氧化硅、氧化锆、氧化铪、氧化铝或氧化钇中的任意一种，漏极5和源极4的材料为金或铝。其中，优选二氧化硅作为绝缘层2，可直接在衬底1上高温、氧气氛围下生长一层二氧化硅，工艺成熟且二氧化硅的性能稳定。漏极5和源极4位于同一层，可同时在有源层3上通过磁控溅射沉积源极4和漏极5，也可以分开沉积。
衬底1的厚度为0.2～1mm，绝缘层2的厚度为60～300nm，有源层3的厚度为20～80nm，源极4和漏极5的厚度分别为70～500nm，每一层的厚度都很薄，且无需再单独制备一层栅极，降低了整体厚度，缩小了气体传感器的尺寸。
此外，本发明还提供了一种用于制备上述基于场效应晶体管的气体传感器的制备方法，包括以下步骤：在衬底1上制备得到绝缘层2；将钛盐或锌盐用溶剂溶解得到金属盐溶液，将金属盐溶液与聚合物混合形成静电纺丝前驱体溶液，通过静电纺丝装置在绝缘层2上制备得到复合纳米纤维，经退火处理后，得到二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维形成的有源层3；在有源层3上沉积源极4和漏极5。
上述钛盐为四氯化钛(TiCl4)，锌盐为氯化锌(ZnCl2)，溶剂为二甲基甲酰胺(DMF)或乙二醇甲醚，聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，聚甲基丙烯酸甲酯便宜易得，聚乙烯吡咯烷酮所需煅烧温度高，制备得到的纳米纤维性能更稳定，本实施例气体传感器的衬底1是硅，可以耐高温，所以采用聚乙烯吡咯烷酮制备得到的纳米纤维性能最好。钛盐或锌盐与溶剂的摩尔比为1:100～16:100，聚合物与金属盐溶液的摩尔比为1:3～1:20。静电纺丝装置的收集基板(即接收端)与针头之间的距离为1～20cm，加直流电压为1～20KV，静电纺丝的温度为10～40℃；退火处理的温度为330～500℃，时间为0.1～2h。
具体的步骤包括：将重掺杂p型硅分别用酒精、丙酮和去离子水擦拭干净作为衬底1，然后在衬底1上高温、氧气氛围下生长一层二氧化硅，或者沉积如氧化锆、氧化铪、氧化铝、氧化钇等作为场效应晶体管的绝缘层2，用四氯化钛或氯化锌与二甲基甲酰胺或乙二醇甲醚按摩尔比为1:100～16:100混合搅拌均匀后，加入聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯吡咯烷酮作为纺丝聚合物，混合搅拌3～24h，得到粘性静电纺丝前驱体溶液，将静电纺丝前驱体溶液装在静电纺丝装置的针头中，并将表面有绝缘层2的衬底1放在静电纺丝装置的收集基板上，推进泵按恒定的速度(0.1ml/h～0.8ml/h)推出纺丝溶液，整个过程温度控制为10～40℃，在表面张力、库伦力以及电场力的共同作用下，最终在接收端得到四氯化钛或氯化锌与聚合物的复合纳米纤维。经过330～500℃，时间为0.1～2h的高温煅烧，退火处理，将复合纳米纤维氧化为二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维。最后在纳米纤维上用磁控溅射沉积一层金或铝，作为源极4和漏极5，从而制备得到底栅顶接触式结构的场效应晶体管气体传感器，此晶体管可在180～270℃与VOC反应，反应后纳米纤维电导性增加，在加相同栅压时，通过源漏电流的变化判断气体变化，从而实现气体检测。
实施例1
本实施例的基于场效应晶体管的气体传感器包括依次层叠设置的衬底1、绝缘层2和有源层3，有源层3远离绝缘层2的一侧间隔设置有源极4和漏极5，衬底1为重掺杂p型硅，绝缘层2的材料为二氧化硅，有源层3的材料为二氧化钛纳米纤维，源极4和漏极5的材料均为金。如图2所示，本实施例的有源层3为纳米纤维结构，其比表面积大，可以增加感应材料与检测气体的接触面积，并且具有纳米级的尺寸，传输性能和机械柔性好。
本实施例的气体传感器的制备方法包括以下步骤：将重掺杂p型硅分别用酒精、丙酮和去离子水擦拭干净作为衬底1，然后在衬底1上高温、氧气氛围下生长一层二氧化硅，作为场效应晶体管的绝缘层2，将5mol四氯化钛与100mol的二甲基己酰胺按混合搅拌均匀后，加入10mol聚乙烯吡咯烷酮作为纺丝聚合物，混合搅拌10h后得到粘性静电纺丝前驱体溶液，将静电纺丝前驱体溶液装在静电纺丝装置的针头中，并将表面有绝缘层2的衬底1放在静电纺丝装置的接收端，推进泵按0.4ml/h的速度推出纺丝溶液，静电纺丝装置的接收端与针头之间的距离为5cm，加直流电压为10KV，静电纺丝的温度为30℃，在表面张力、库伦力以及电场力的共同作用下，最终在接收端得到四氯化钛与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维。经过400℃、1h的退火处理，将复合纳米纤维氧化为二氧化钛纳米纤维。最后在二氧化钛纳米纤维上用磁控溅射沉积一层金，作为源极4和漏极5。本实施例的二氧化钛纳米纤维气体传感器的工作温度相对较低，检测气体时电阻变化范围较大，如图3所示，二氧化钛纳米纤维气体传感器表现出了n型半导体的响应，当传感器接触VOC气体时阻值迅速减小，源漏电流急剧增大，器件表现出了较快的反应速度和较大的响应幅度。
实施例2
本实施例的基于场效应晶体管的气体传感器包括依次层叠设置的衬底1、绝缘层2和有源层3，有源层3远离绝缘层2的一侧间隔设置有源极4和漏极5，衬底1为重掺杂p型硅，绝缘层2的材料为二氧化硅，有源层3的材料为氧化锌纳米纤维，源极4和漏极5的材料均为铝。
本实施例的气体传感器的制备方法包括以下步骤：将重掺杂p型硅分别用酒精、丙酮和去离子水擦拭干净作为衬底1，然后在衬底1上高温、氧气氛围下生长一层二氧化硅，作为场效应晶体管的绝缘层2，将10mol氯化锌与100mol的乙二醇甲醚混合搅拌均匀后，加入15mol聚乙烯吡咯烷酮作为纺丝聚合物，混合搅拌10h后得到粘性静电纺丝前驱体溶液，将静电纺丝前驱体溶液装在静电纺丝装置的针头中，并将表面有绝缘层2的衬底1放在静电纺丝装置的接收端，推进泵按0.8ml/h的速度推出纺丝溶液，静电纺丝装置的接收端与针头之间的距离为10cm，加直流电压为15KV，静电纺丝的温度为25℃，在表面张力、库伦力以及电场力的共同作用下，最终在接收端得到氯化锌与聚乙烯吡咯烷酮的复合纳米纤维。经过500℃、2h的退火处理，将复合纳米纤维氧化为氧化锌纳米纤维。最后在氧化锌纳米纤维上用磁控溅射沉积一层铝，作为源极4和漏极5。由于实施例2与实施例1的电镜图和转移特性曲线图差异不大，因此此处省略实施例2的氧化锌纳米纤维的电镜图，以及气体传感器的转移特性曲线图。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于场效应晶体管的气体传感器，其特征在于，包括衬底、绝缘层、有源层、源极和漏极，所述绝缘层设置在所述衬底和有源层之间，所述源极和漏极分别间隔设置在所述有源层远离所述绝缘层的一侧，所述有源层的材料为二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维。
2.如权利要求1所述的基于场效应晶体管的气体传感器，其特征在于，所述衬底的材料为重掺杂p型硅。
3.如权利要求1所述的基于场效应晶体管的气体传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为二氧化硅、氧化锆、氧化铪、氧化铝或氧化钇中的任意一种，所述漏极和源极的材料为金或铝。
4.如权利要求1所述的基于场效应晶体管的气体传感器，其特征在于，所述衬底的厚度为0.2～1mm，所述绝缘层的厚度为60～300nm，所述有源层的厚度为20～80nm，所述源极和漏极的厚度分别为70～500nm。
5.如权利要求1所述的基于场效应晶体管的气体传感器，其特征在于，所述二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维的直径为30～150nm，比表面积为107～108m2/m3。
6.如权利要求1～5中任一项所述的基于场效应晶体管的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器为底栅顶接触式结构。
7.一种用于制备如权利要求1～6中任一项所述基于场效应晶体管的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述衬底上制备得到所述绝缘层；
将钛盐或锌盐用溶剂溶解得到金属盐溶液，将金属盐溶液与聚合物混合形成静电纺丝前驱体溶液，通过静电纺丝装置在所述绝缘层上制备得到复合纳米纤维，经退火处理后，得到二氧化钛纳米纤维或氧化锌纳米纤维形成的所述有源层；
在所述有源层上沉积所述源极和漏极。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述钛盐为四氯化钛，所述锌盐为氯化锌，所述溶剂为二甲基甲酰胺或乙二醇甲醚，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙烯吡咯烷酮，所述钛盐或锌盐与所述溶剂的摩尔比为1:100～16:100，所述聚合物与所述金属盐溶液的摩尔比为1:20～1:3。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝装置的收集基板与针头之间的距离为1～20cm，加直流电压为1～20KV，静电纺丝的温度为10～40℃。
10.如权利要求7～9中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为330～500℃，时间为0.1～2h。
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