CN1147636A

CN1147636A - 用于检测二氧化氮的气体传感器及其制作工艺

Info

Publication number: CN1147636A
Application number: CN 96102646
Authority: CN
Inventors: 顾长志; 孙良彦; 张彤; 曹锡章
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 1996-02-02
Filing date: 1996-02-02
Publication date: 1997-04-16
Anticipated expiration: 2016-02-02
Also published as: CN1069134C

Abstract

本发明涉及一种检测NO₂的LB膜修饰的悬栅场效应型气体传感器及制作方法。其结构为在悬栅场效应晶体管的包括栅区的整个表面拉制6～60nm厚的钴卟啉季胺盐或硫化酞菁铜或它们的衍生物的LB膜。制备过程为将悬栅场效应管的芯片在漂有LB膜的液体中拉过，使LB膜附于芯片表面，再在真空中干燥；反复拉膜干燥使LB膜达合适厚度，切割成单个芯片引AL电极。本发明的气体传感器灵敏度高、选择性好、响应迅速、一致性好，工艺简单，适合批量生产。

Description

用于检测二氧化氮的气体传感器及其制作工艺

本发明属一种气体传感器，特别涉及一种有机单分子膜修饰的悬栅场效应型气体传感器及其制作工艺。

悬栅场效应(SGFET)型气体传感器是一种用气敏材料修饰于场效应晶体管的栅区，利用气敏材料吸附某一种气体后形成的电荷分布变化来改变栅区半导体的表面势，从而引起场效应晶体管栅电压的变化，导致检测的漏电流改变的一种气体传感器。

与本发明最为接近的现有技术为一篇文献所公开，文献题目是“识别H₂和NH₃的悬栅场效应晶体管(Recognition of the Hydrogenand Ammonia by Modified Gate Metallijation of the Suspended-gate FET)，载《Sensorsand Actuators》1990，(B₁)：21。所制得的气体传感器是在传统的n沟增强型场效应晶体管上完成的，除了栅区无金属层和栅电极外，其它结构与场效应晶体管一致，然后使气敏材料SnO₂只沉积在场效应晶体管的栅区。我们称栅区位置不蒸镀金属层，且不引出栅电极的场效应晶体管为悬栅场效应晶体管。现有技术的悬栅场效应型的气体传感器结构由图1给出。在P型Si衬底上两处扩散一定浓度的n型载流子，形成漏源区域，在n区各引出源电极s和漏电极D，即AL电极，构成悬栅场效应晶体管。在两个n区之间的栅区表面沉积有SnO₂层。制作这种气体传感器的工艺过程大致为，首先利用常规的制作半导体器件的方法制作增强型悬栅场效应晶体管管芯的芯片，划界切割。所述的划界切割就是在芯片上按管芯位置划界，分割一个个管芯，但又不使管芯分离，各个管芯仍连在一起，芯片仍为一个整体，以便沉积气敏材料。然后，使用特殊的工艺技术同时在各管芯栅区表面蒸镀气敏性的过渡金属或陶瓷材料(如SnO₂)。最后，将芯片分割成单个的管芯，每个管芯都引出源电极S和漏电极D。

这种SnO₂-SGFET结构的气体传感器由于不加栅偏压而功耗低，变化信号便于检测，器件易于实现集成化，而且一致性较好。但是，由于气敏性过渡金属或陶瓷材料一般需要在高的温度下才具有较强的吸附气体的能力，故在常温下该传感器灵敏度较低；由于过渡金属或陶瓷气敏材料对多种气体均敏感，故选择性较差造成检测不准确；由于采用增强型场效应晶体管，一般要在较高的气体浓度下才能引起明显的漏电流变化，因而不利检测低浓度的气体。而其制作工艺中只在栅区表面沉积(蒸镀)气敏材料，因而制作比较麻烦、困难。

本发明设计了一种用有机单分子膜修饰的悬栅场效应型气体传感器，有机单分子膜修饰于整个管芯，而达到气体传感器常温下工作，灵敏度较高、选择性好、可以检测较低浓度的气体，且工艺较简单的目的。

本发明的有机单分子膜修饰的场效应型气体传感器，有机单分子膜(亦称LB膜)采用钴卟啉季胺盐及其衍生物或硫化酞菁铜及其衍生物为原料制备的有机单分子膜，这两种原料LB膜修饰于场效应晶体管制得的气体传感器用于检测NO₂气体。该气体传感器可称为LB-SGFET结构的气体传感器。

本发明的具体结构参见图2。在栅区无金属层和栅电极的场效应晶体管(即悬栅场效应晶体管)的栅区表面拉制有钴卟啉季胺盐或硫化酞菁铜或它们的衍生物的有机单分子膜。图2中悬栅场效应晶体管即在P型Si衬底上扩散有两个n型载流子的n区，在包括栅区在内的整个表面附有有机单分子膜，两个n区分别引出源电极S和漏电极D。

制备有机单分子膜的原料最好是四对二甲胺基钴卟啉季胺盐或其衍生物或四-4-(2 ，4-二特戊基苯硫基)酞菁铜或其衍生物。它们对NO₂气体更为敏感，因而可以提高气体传感器的灵敏度和选择性。

制备的气体传感器上有机单分子膜的厚度应当合适。对NO₂气体的传感器，LB膜厚度可为6～60nm，最好为15～45nm。用前述的钴卟啉季胺盐、硫化酞菁铜或它们的衍生物制备LB膜时，控制悬栅场效应晶体管上的层数大约为4～40层，可以做到LB膜总厚度为6～60nm。层数过少不利于获得较高的灵敏度，层数过多不利于快速的响应和稳定性。

这种LB膜修饰的场效应型气体传感器可以采用增强型悬栅场效应晶体管，也可以采用耗尽型悬栅场效应晶体管。它们检测的的范围有所不同，耗尽型的可以检测更低浓度的NO₂气体，即具有较高的灵敏度；增强型的具有较好的稳定性。实际检测中可以根据不同环境使用这两种气体传感器。

本发明的LB膜修饰的悬栅场效应型气体传感器是这样制作的：

首先，按常规的制作方法制作悬栅场效应晶体管的管芯芯片，用划片机按单个管芯进行划界切割，对芯片进行亲水处理；按常规制作方法制备钴卟啉季胺盐或其衍生物或硫化酞菁铜或其衍生物的有机单分子膜，之后，

A.将芯片放在漂有有机单分子膜的液体中，在(20±2)℃条件下，将有机单分子膜拉制到芯片的栅区表面上；

B.将芯片置于10^-2Torr的真空度下干燥，再放进漂有有机单分子膜的液体中，拉制第二层有机单分子膜；

C.按上述A、B的过程反复，使芯片上栅区表面的多层有机单分子膜的厚度达到6～60nm，再干燥。

最后，将芯片分割成单个的管芯，用静电压焊方法，在悬栅场效应晶体管的漏源区域(两个n区)形成AL引线。

前述的按常规方法制备有机单分子膜，即是现有的制备LB膜的方法。一般是将原料的微粉(如钴卟啉季胺盐)溶于有机熔剂如氯坊中，用点滴方式滴在液体表面上，比如滴在水面上，再推制成膜。

本发明的LB-SGFET结构的气体传感器由于LB膜的有序性，其吸附气体分子并与之交换电子后，膜内形成偶极层，从而在栅区产生附加电场，引起漏电流的变化。正由于LB膜的有序性，使气体传感器有高灵敏度；特别是采用耗尽型场效应管时，在较低的气体浓度引起的非常小的栅电压变化，也会从漏电流变化中反应出来，使检测的气体浓度达到PPb级。由于本发明的特有的制备LB膜的材料又吸附NO₂气体分子并与之交换电子，从而具有极高的选择性。由于LB膜的超薄特性，对气体的响应与恢复迅速，因而LB膜的气体传感器具有快速响应和快速恢复的特点。由于LB膜直接拉制在悬栅场效应晶体管的芯片上，不需选择性地沉积在栅区，使工艺变得简单，器件的制作也可实现集成化，具有良好的一致性，因而便于大批量生产。

附图说明：

图1是识别氢气和氨气的悬栅场效应晶体管结构示意图。

图2是本发明的检测二氧化氮的气体传感器结构示意图。

Claims

1.一种用于检测NO₂的气体传感器，其结构包括在栅区无金属层和栅电极的场效应晶体管(即悬栅场效应晶体管)，本发明的特征在于，在栅区的表面拉制有钴卟啉季胺盐或硫化酞菁铜或它们的衍生物的有机单分子膜。

2.按照权利要求1所述的用于检测NO₂的气体传感器，其特征在于所说的有机单分子膜是四对二甲胺基钴卟啉季胺盐或其衍生物或四-4-(2，4-二特戊基苯硫基)酞菁铜或其衍生物的单分子膜，其厚度为6～60nm。

3.按照权利要求1或2所述的用于检测NO₂的气体传感器，其特征在于所说的悬栅场效应晶体管是耗尽型的场效应晶体管。

4.一种用于检测NO₂的气体传感器的制作工艺。首先按常规的方法制作悬栅场效应晶体管的管芯芯片，用划片机按单个管芯进行划界切割，对芯片进行亲水处理；按常规制作方法制备钴卟啉季胺盐或其衍生物或硫化酞菁铜或其衍生物的有机单分子膜，最后，将芯片分割成单个的管芯，用静电压焊方法，在悬栅场效应晶体管的漏源区域形成AL引线，本发明的特征在于对亲水处理后的悬栅场效应晶体管的栅区表面拉制有机单分子膜，其过程分为，

A.将芯片放在漂有有机单分子膜的液体中，在(20±2)℃条件下，将有机单分子膜拉制在芯片的栅区表面上；

B.将芯片置于10^-2Torr的真空度下干燥，再拉制第二层有机单分子膜；

C.按A、B的过程反复，使芯片上栅区表面的多层有机单分子膜的厚度达到6～60nm，干燥后分割成单个管芯装AL引线。