CN115096975A - 具有延栅结构的碳基fet型气体传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有延栅结构的碳基FET型气体传感器及其制备方法，其中具有延栅结构的碳基FET型气体传感器结构包括硅基衬底、第一介电层、第二介电层、沟道层、源极电极、漏极电极、第三介电层、第四介电层、栅极电极以及延栅结构。延栅结构所在的区域的栅极敏感材料层，被设置用于捕捉气体分子，延栅结构EG被设置为叉指电极形状，用于构成栅极敏感材料的附着区域。本发明将栅极引出并构成叉指结构，以扩大气体分子吸附表面积，增强气体传感器的痕量检测能力，同时，器件的整个制备流程与CMOS工艺相兼容，可以实现批量化制备芯片级气体传感器。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器技术领域，尤其是FET型气体传感器，具体而言涉及一种具有延栅结构的碳基FET型气体传感器及其制备方法。
背景技术
甲醛是一种高度危险的具有挥发性的有机化合物气体(VOCs)，因其毒性高，吸入高浓度甲醛可导致呼吸道激惹症状，打喷嚏、咳嗽并伴鼻和喉咙的烧灼感。世界卫生组织将甲醛列为已知的致癌物质之一，并规定了一系列的家装家居的最高甲醛含量(小于9mg/100g)以及室内空气中甲醛的最高含量(80ppb)。
而常规的利用光谱、质谱或气相色谱进行有害气体检测的方式仍面临着设备昂贵、体积庞大和操作不易等弊端。传统实现小型化的气体传感器主要有光学型、电化学型及电阻型三类，并不利于传感器的微型化和集成化的发展，例如，对于电阻型气体传感器，因其在痕量气体浓度下所吸附的气体分子较少，产生的电阻变化不大，故难以实现ppb级别的检测，且其制备工艺中涉及到的滴涂或刷涂等敏感层沉积技术与CMOS工艺不兼容，无法实现批量化的芯片级气体传感器制备。
随着集成电路工艺中场效应晶体管(FET)的发现，基于FET结构的气体传感器因其具有体积小、功耗低和制备流程与CMOS工艺相兼容的优点，使得批量化芯片级气体传感器设计和制造成为可能。在FET结构的气体传感器设计中，FET具有将微小栅极电压变化转换为较大漏源电流的能力，使得即使只有少量气体分子作用于栅极，也能够产生足够的响应，实现痕量气体检测。
现有技术中研究了以半导体型碳纳米管(Semiconducting carbon nanotubes，s-CNT)为沟道而构成的碳纳米管场效应管(CNTFET)，并基于此实现气体传感器的制备和测试，例如刘灿等人提出的栅极敏感型FET气体传感器阵列，用于甲醛气体的痕量检测，由于s-CNT所具有的超高载流子迁移率和饱和速度，使得对甲醛气体分子的检出下限以及相应特性得到大幅提成，同时基于FET结构实现的气体传感器的体积小，利于与芯片集成，实现芯片级气体传感器，从而实现工业化的批量生产。
但在FET结构的气体传感器的结构设计中，其特征尺寸(沟道长度)的不断缩小，已经达到了μm乃至nm级别，使得栅电极的表面积较小，导致敏感材料的沉积区域有限，这对于有效地吸附大量气体分子是不利的。
传统制备敏感材料沉积在有限的栅电极表面，通常使用微纳加工方式，例如磁控溅射、电子束蒸镀等，在制备特定的气体分子敏感层时，例如对甲醛(HCHO)敏感的CuO金属氧化物半导体(MOS)、对氨气(NH3)敏感的WO3等，对易挥发性液体甲苯(C7H8)敏感的Co3O4等，其制备工艺与CMOS工艺不兼容，且难以精确控制敏感层形貌，从而造成传感器性能不一致，批量化制备芯片级传感器成为难题。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有延栅结构的碳基FET型气体传感器及其制备方法，将栅极引出并构成叉指结构，以扩大气体分子吸附表面积，增强气体传感器的痕量检测能力，同时，器件的整个制备流程与CMOS工艺相兼容，可以实现批量化制备芯片级气体传感器。
根据本发明目的第一方面提出一种具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，包括：
硅基衬底，限定了第一表面和相对的第二表面；
位于硅基衬底第一表面的第一介电层；
位于第一介电层上方的、由s-CNT构成的沟道层；
位于沟道层上方两侧、并间隔开的源极电极以及漏极电极；
位于沟道层上方、并形成于源极电极与漏极电极之间的空间范围内的第二介电层；
位于源极电极与漏极电极上方的第三介电层；
位于第一介电层上方、并避开沟道层、源极电极与漏极电极所在区域的第四介电层；
位于源极电极与漏极电极之间的空间范围、并设置在第二介电层上方的栅极电极；以及
位于所述第四介电层上方、并与所述栅极电极连接的延栅结构EG(ExtendedGate,EG)；以及
位于所述延栅结构EG所在的区域的栅极敏感材料层，被设置用于捕捉气体分子；
其中，所述延栅结构EG被设置为叉指电极形状，用于构成栅极敏感材料的附着区域。
作为可选的实施例，第一介电层、第二介电层、第三介电层与第四介电层均为高k介电层。
作为可选的实施例，所述第一介电层为二氧化硅介电层。
作为可选的实施例，所述第二介电层、第三介电层与第四介电层为厚度相同的氧化钇介电层。
作为可选的实施例，所述栅极敏感材料层为采用喷墨打印技术沉积在所述延栅结构EG表面的薄膜层，所述薄膜层用于检测甲醛、氨气、甲苯中的一种。
根据本发明目的第二方面还提出一种具有延栅结构的碳基FET型气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在硅基衬底上沉积一定厚度的二氧化硅，作为第一介电层，形成Si/SiO2结构；
步骤2、在第一介电层的上表面沉积s-CNT薄膜；
步骤3、通过匀胶机对沉积有s-CNT薄膜的Si/SiO2结构结构表面进行匀胶，利用光刻工艺曝光相应的源漏区域图形，再利用电子束蒸发沉积金属形成源极电极和漏极电极；
步骤4、再次进行匀胶、曝光，对源极电极和漏极电极之间的s-CNT薄膜进行刻蚀，获得s-CNT沟道层；
步骤5、再次进行匀胶、曝光，通过电子束蒸发沉积一定厚度的钇，并在空气中氧化，形成氧化钇层，所述氧化钇层包括位于沟道层上方并形成于源极电极与漏极电极之间的空间范围内的第二介电层、位于源极电极与漏极电极上方的第三介电层，以及位于第一介电层上方、并避开沟道层、源极电极与漏极电极所在区域的第四介电层；
步骤6、再次进行匀胶、曝光，在沟道层上通过电子束蒸发沉积金属形成栅极电极，以及在所述第四介电层上通过电子束蒸发沉积金属形成延栅结构EG，作为敏感材料的沉积区域，栅极电极与延栅结构EG连接；
步骤7、将由敏感材料配制的墨水通过喷墨打印技术沉积在延栅结构EG上，并经过干燥、退火后，获得作为气体检测敏感层的薄膜。
根据本发明目的第三方面还提出一种根据前述方法制备的用于检测甲醛的气体传感器，其中敏感材料形成的薄膜为CuO金属氧化物半导体薄膜。
根据本发明目的第四方面还提出一种根据前述方法制备的用于检测氨气的气体传感器，其中敏感材料形成的薄膜为WO3薄膜。
根据本发明目的第五方面还提出一种根据前述方法制备的用于检测甲苯的气体传感器，其中敏感材料形成的薄膜为Co3O4薄膜。
由以上本发明的技术方案，本发明提出的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，能同时结合叉指电极大吸附面积和FET强放大作用优势，增强气体传感器的痕量检测能力，同时气体的检测下限可达到10～20ppb，并保持长期稳定和检测的一致性，适于工业化的批量生产和使用；
同时，本发明采用喷墨打印进行敏感材料沉积，可获得连续或离散的敏感材料薄膜，其表面平整度较佳，可减少表面不平整导致气体吸附的失效，并且与延栅结构的大吸附面积的叉指电极结合，扩大气体分子吸附表面积，提高对气体分子的捕获能力和捕获效率，提高检测的灵敏度以及一致性；同时整个制备流程与CMOS工艺兼容，为高性能芯片级痕量有害气体传感器的设计提供一种新的解决思路和解决方案。
与现有技术相比，本发明的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器及其制备工艺的显著优点在于：
(1)随着CMOS工艺中场效应晶体管(FET)的沟道长度逐渐缩小，已经达到了μm乃至nm级别，这使得栅电极的表面积较小，敏感材料沉积区域有限，不利于吸附大量气体分子。本发明提出的延栅是将栅极引出并构成叉指结构，结合在其表面通过喷墨打印获得的平整、表面粗糙度理想的敏感薄膜，可扩大气体分子吸附表面积，增强气体传感器的痕量检测能力；
(2)传统顶栅结构的FET气体传感器常使用贵金属作为栅极，并利用贵金属的催化作用增强气体传感器的性能。本发明提出的延栅结构的气体传感器，能够扩展顶栅结构FET气体传感器的敏感材料选择范围，为以往所研发的气敏材料提供一个有效沉积表面，并利用FET的放大作用增强其气敏性能。
(3)本发明利用喷墨打印技术沉积用于气体传感器的敏感材料，例如对甲醛敏感的CuO薄膜制备在延栅表面，在175℃加热的条件下获得了低至20ppb的检测下限，符合世界卫生组织所规定的甲醛安全标准80ppb；在20～1000ppb甲醛浓度下的响应值线性度好，便于后端电路数据处理；在长达20天的长期稳定性测试中，体现了良好的响应一致性。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
图1是本发明示例性实施例的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器的示意图。
图2是本发明图1实施例的气体传感器的制备流程示意图，其中图(a)、(b)、(c)、(d)依次表示在不同制备工序下的示意图。
图3是本发明图1实施例的甲醛气体传感器的转移特性曲线图。
图4是本发明图1实施例的甲醛气体传感器的输出特性曲线图。
图5是本发明图1实施例的甲醛气体传感器的通入甲醛气体前后的转移特性曲线变化图。
图6a、6b分别是本发明实施例的甲醛气体传感器在低甲醛气体浓度(10～80ppb)和高甲醛气体浓度(100～1ppm)下的瞬态响应图。
图7a、7b分别是本发明实施例的甲醛气体传感器在低甲醛气体浓度(10～80ppb)和高甲醛气体浓度(100～1ppm)下的瞬态响应线性拟合图。
图8是本发明实施例的甲醛气体传感器的长期稳定性测试图。
图9是本发明实施例的甲醛气体传感器的选择性测试图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
具有延栅结构的碳基FET型气体传感器
结合图1、2所示示例的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，包括硅基衬底1、第一介电层2、第二介电层3、沟道层4、源极电极5、漏极电极6、第三介电层7、第四介电层8、栅极电极9以及延栅结构EG。
如图1、2所示，硅基衬底1限定了第一表面和相对的第二表面，结合图1所示，为了便于说明，以第一表面作为后续制备的生长表面。
可选地，硅基衬底1可采用电阻率在0.001～0.005Ω·cm的P型硅衬底。
结合图1和图2(a)的示例，第一介电层2位于硅基衬底1的第一表面。
作为可选的示例，第一介电层2采用二氧化硅介电层，其厚度在100～300nm。二氧化硅介电层一方面作为s-CNT薄膜的沉积基底，另一方面实现s-CNT薄膜与硅基衬底1之间的电性绝缘。
结合图1和图2(a)的示例，源极电极5与漏极电极6位于沟道层远离第一介电层2的一侧表面。
结合图1和图2(a)，在沟道层上方的两侧，以间隔开的方式设置有源极电极5以及漏极电极6。源极电极5与漏极电极6相对地设置并隔开布置，位于该二者之间沉积有s-CNT薄膜，经过刻蚀后形成沟道层4。
本发明的实施例中，沟道层4采用网状结构的半导体性碳纳米管，其厚度为1～2nm，沟道宽度为80～100μm，沟道长度为30～50μm。
如图2(c)、2(d)的示例，氧化钇介电层覆盖在沟道层4的上方、覆盖在源极电极5与漏极电极6的上方，以及覆盖于第一介电层2的上表面并且避开所在区域，其中位于沟道层4上方、并形成于源极电极与漏极电极之间的空间范围内的氧化钇介电层作为第二介电层3，位于源极电极与漏极电极上方的氧化钇介电层作为第三介电层7，位于第一介电层2的上方、并避开沟道层、源极电极与漏极电极所在区域的氧化钇介电层作为第四介电层8。
由此，氧化钇介电层沉积覆盖在器件表面，在沟道层4上的第二介电层3作为栅电容，在其他区域上的第三介电层7和第四介电层8作为钝化层，用以保护器件。
如图2(d)的器件顶面图的示例，在沟道层4上通过电子束蒸发沉积金属形成栅极电极9，以及在第四介电层8上通过电子束蒸发沉积金属形成延栅结构EG，作为敏感材料的沉积区域。
如图1、2所示，延栅结构EG向外延出，被设置为叉指电极形状，用于构成栅极敏感材料的附着区域。栅极敏感材料层附着于延栅结构EG所在的区域，用于捕捉气体分子。
作为优选的实施例，第一介电层2、第二介电层3、第三介电层7与第四介电层8均为高k介电层。
作为可选的实施例，第二介电层3、第三介电层7与第四介电层8为厚度相同的氧化钇介电层，其厚度在5～15nm。
作为可选的实施例，延栅结构EG、源极电极5与漏极电极6的厚度相同。
作为可选的实施例，源极电极、漏极电极与栅极电极为Ti/Pd/Au层，厚度均为30～80nm。
在本发明的实施例中，栅极敏感材料层为采用喷墨打印技术沉积在延栅结构EG表面的薄膜层，薄膜层为用于检测甲醛(HCHO)的CuO薄膜、用于检测氨气(NH3)的WO3薄膜、用于检测甲苯(C7H8)的Co3O4薄膜中的一种。
由此，根据本发明的一个实施例的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，构造为用于检测甲醛的气体传感器，其中敏感材料形成的薄膜为CuO金属氧化物半导体薄膜。
根据本发明的一个实施例的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，构造为用于检测氨气的气体传感器，其中敏感材料形成的薄膜为WO3薄膜。
根据本发明的一个实施例的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，构造为用于检测甲苯的气体传感器，其中敏感材料形成的薄膜为Co3O4薄膜。
作为可选的实施例，本发明的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，在具体检测过程中，施加的栅极电压为-1.5～0.5V，栅极电压采用从起点到终点的扫描方式。源漏极电极施加读出电压为1V。
制备方法
根据本发明实施例的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在硅基衬底1上沉积一定厚度的SiO2，作为第一介电层2，形成Si/SiO2结构；
步骤2、在第一介电层2的上表面沉积s-CNT薄膜；
步骤3、通过匀胶机对沉积有s-CNT薄膜的Si/SiO2结构表面进行匀胶，利用光刻工艺曝光相应的源漏区域图形，再利用电子束蒸发沉积金属形成源极电极5和漏极电极6；
步骤4、再次进行匀胶、曝光，对源极电极5和漏极电极6之间的s-CNT薄膜进行刻蚀，获得s-CNT沟道层4；
步骤5、再次进行匀胶、曝光，通过电子束蒸发沉积一定厚度的钇，并在空气中氧化，形成氧化钇层，氧化钇层包括位于沟道层4上方并形成于源极电极5与漏极电极6之间的空间范围内的第二介电层3、位于源极电极5与漏极电极6上方的第三介电层7，以及位于第一介电层2上方、并避开沟道层4、源极电极5与漏极电极6所在区域的第四介电层8；
步骤6、再次进行匀胶、曝光，在第二介电层3上通过电子束蒸发沉积金属形成栅极电极9，以及在第四介电层8上通过电子束蒸发沉积金属形成延栅结构EG，作为敏感材料的沉积区域；栅极电极9与延栅结构EG连接；
步骤7、将敏感材料配置的墨水通过喷墨打印技术沉积在延栅结构EG上，并经过干燥、退火后，获得作为气体检测敏感层的薄膜。
其中，敏感材料为用于检测甲醛气体HCHO的CuO、用于检测氨气NH3的WO3、用于检测甲苯C7H8的Co3O4中的一种。
其中，源极电极5、漏极电极6、栅极电极9与延栅结构EG均由Ti/Pd/Au制成。
甲醛气体传感器
作为一个示例，我们在下述示例中以用于检测甲醛的甲醛气体传感器为例，更加具体的描述上述制备过程。
作为可选示例的具有延栅结构的碳基FET型甲醛气体传感器的制备过程，包括以下步骤：
步骤1、在硅基衬底上沉积一定厚度的SiO2，作为介电层，形成Si/SiO2结构；
步骤2、在介电层的上表面沉积s-CNT薄膜；
步骤3、通过匀胶机对沉积有s-CNT薄膜的Si/SiO2结构表面进行匀胶，利用光刻工艺曝光相应的源漏区域图形，再利用电子束蒸发沉积金属Ti/Pd/Au形成源漏电极；
步骤4、再次进行匀胶、曝光，并对s-CNT薄膜进行刻蚀，获得s-CNT的沟道层；
步骤5、再次进行匀胶、曝光，通过电子束蒸发沉积两层厚为3nm的钇；每层钇分别在空气中以270℃加热半小时进行氧化，形成大约6nm的氧化钇层，从而最终共形成大约12nm的氧化钇介质层；如图2所示的示例中，氧化钇介质层包括前述的第二介电层3、第三介电层7与第四介电层8；
步骤6、再次进行匀胶、曝光，并通过电子束蒸发沉积金属Ti/Pd/Au，在第四介电层8表面形成表面积大约7.5mm2的延栅结构EG，作为敏感材料的沉积区域；以及在沟道层4表面形成栅极电极层9，与延栅结构EG连接在一起；
步骤7、将准备好的Cu(NO3)2墨水通过喷墨打印技术沉积在延栅结构EG上，并在干燥箱中以60℃干燥5分钟，再在加热台上以220℃退火30分钟，制备获得CuO薄膜作为敏感层。
至此，完成整个甲醛传感器的制备。
作为一个具体的示例，图2所示例性地表示了具有延栅结构的碳基FET型甲醛气体传感器的一个具体制备过程，包括：
首先如图2(a)所示，使用光刻胶在匀胶机上对沉积有s-CNT薄膜的Si/SiO2二层结构的表面进行匀胶，然后通过激光直写暴露出源漏电极区域，最后利用电子束蒸发沉积金属Ti/Pd/Au作为源漏电极；
然后如图2(b)所示，再次进行匀胶、曝光，对s-CNT薄膜进行刻蚀。只保留沟道区域的s-CNT薄膜，构成有源层；
然后如图2(c)所示，再次进行匀胶、曝光，通过电子束蒸发在器件表面沉积两层厚为3nm的钇，每层钇分别在空气中以270℃加热半小时进行氧化，形成大约6nm的氧化钇层，最终共形成大约12nm的栅介质层；
然后如图2(d)器件顶视图所示，再次进行匀胶、曝光，并通过电子束蒸发沉积金属Ti/Pd/Au形成衍生结构EG作为敏感材料的沉积区域，以及形成栅极电极，与延栅结构EG连接；
最后，将准备好的Cu(NO3)2墨水通过喷墨打印技术沉积在延栅结构EG上，并在干燥箱中以60℃干燥5分钟，再在加热台上以220℃退火30分钟，从而获得CuO薄膜作为敏感层，至此制备出具有延栅结构的碳基FET型甲醛气体传感器器件。
其中的SiO2层的沉积以及s-CNT的沉积，可采用现有的半导体微纳工艺制备。
优选地，s-CNT薄膜，其纯度优选达到99.99％以上的网状结构的半导体性碳纳米管。
源极电极、漏极电极为Ti/Pd/Au金属电极，厚度在30～80nm。
本发明的实施例中，以图2所示示例的方法制备的具有延栅结构的碳基FET型甲醛气体传感器，设计尺寸如下：
源极电极：长800μm、宽50μm、厚度60nm；
漏极电极：长800μm、宽50μm、厚度60nm；
源极电极PAD：长200μm、宽200μm、厚度60nm；
漏极电极PAD：长200μm、宽200μm、厚度60nm；
沟道区域：沟道长为40μm、宽90μm；
延栅电极：整体尺寸为3000μm*2500μm、厚度为60nm，由多对叉指电极构成、线宽为30μm、间距为100μm。
结合图1、2所示，标号41表示延栅结构EG的引出PAD，标号51表示源极电极5的引出PAD，标号61表示漏极电极的引出PAD。
作为可选的实施例，制备CuO薄膜的工艺包括：
首先，取3.799g CuO纳米颗粒(粒径小于100nm)溶于20ml 0.1mol/L稀硝酸溶液中，并使用磁力搅拌器在室温下搅拌6h生成蓝色透明的前驱体溶液；随后，取1ml上层溶液加入3ml乙二醇丙醚；最后，在室温下磁力搅拌2h得到硝酸铜(Cu(NO3)2)墨水，粘度：2.6mPa·s，表面张力：53mN/m。
然后，墨水被灌装到喷墨打印配置的墨盒里，并利用喷墨打印机(例如DMP2850)在叉指电极位置打印CuO薄膜，打印工艺为：叉指电极衬底温度：50℃，喷嘴直径：21μm，墨滴体积：10pL，打印次数：2。
其中，在延栅结构的叉指电极区域每打印一次形成Cu(NO3)2薄膜，均将覆盖有Cu(NO3)2薄膜的叉指电极置于干燥箱中以60℃干燥5分钟，再在加热台上以220℃退火30分钟，然后再进行另一层Cu(NO3)2薄膜的打印以及干燥退火处理，由此，经过2次打印和干燥退火处理，最终获得CuO薄膜作为敏感层。
在另外的实施例中，在制备用于检测氨气的气体传感器的过程中，则采用WO3作为敏感材料。
作为可选的实施例，其打印过程包括：
首先，取1.3g WO3纳米颗粒(粒径小于200nm)溶于20ml混合溶液(10ml乙二醇丙醚、10ml异丙醇溶液)中，随后滴入1ml BYK-190和1ml BYK-346并使用磁力搅拌器在室温下搅拌24h生成WO3墨水；
然后，墨水被灌装到喷墨打印配置的墨盒里，并利用喷墨打印机(例如DMP2850)在叉指电极区域打印，打印工艺为：叉指电极衬底温度：50℃，喷嘴直径：21μm，墨滴体积：10pL，打印次数：3。
每打印一层，均将叉指电极放入60℃干燥箱干燥5min，随后在200℃加热台上退火30min，重复三次完成WO3敏感材料层的制备。
在另外的实施例中，在制备用于检测甲苯的气体传感器的过程中，则采用Co3O4作为敏感材料。
作为可选的实施例，其打印过程包括：
首先，取1.2g Co3O4纳米颗粒(粒径小于90nm)溶于20ml混合溶液(10ml乙二醇丙醚、10ml异丙醇溶液)中，随后滴入1ml BYK-190和1ml BYK-346并使用磁力搅拌器在室温下搅拌6h生成氧化钴(Co3O4)墨水；
然后，取2ml墨水灌装到喷墨打印配置的墨盒里，并利用喷墨打印机(例如DMP2850)在叉指电极区域打印一层，打印工艺为：叉指电极衬底温度：50℃，喷嘴直径：21μm，墨滴体积：10pL，打印次数：1次。
由此，形成连续的Co3O4薄膜。随后在220℃加热台上退火30min，最终完成Co3O4敏感材料层的制备。
传感器电学性能测试
以前述实施例制备的具有延栅结构的碳基FET型甲醛气体传感器进行电学测试与分析。
图3展示了制作在同一衬底上的5个传感器的转移特性曲线图。在保持Vds＝-0.1V的条件下，Vgs从-1.5V以步进0.05V上升至0.5V，并同时测量对应的Ids。
图4展示了传感器的输出特性曲线图。在不同的Vgs下施加从-2V以步进0.05V上升至0V的Vds，并同时测量对应的Ids，Vgs的变化规律为从0V以步进-0.1V下降至-1.5V。
图3中转移特性曲线的高重合度，表明批量化制备的器件电学参数一致性好，能够为获得具有稳定的气体传感性能提供可靠支撑。从图4中可以看到，因为采用了顶栅结构，饱和电压(小于-2V)相较背栅结构饱和电压(大约30V)有显著下降，有利于低功耗气体传感器应用。
传感器气敏性能测试
以前述实施例制备的具有延栅结构的碳基FET型甲醛气体传感器为基础进行气敏测试与分析。
图5为通入1ppm甲醛前后的传感器转移特性曲线。从图中可以看到明显的曲线右移(也就是阈值电压偏移)，证明了所制备的传感器对于甲醛的敏感性。
如图6a所示，为了评估传感器的痕量甲醛检测能力，测试了低浓度下(10～80ppb)关于Ids的瞬态响应恢复曲线。整个测试过程中，通入甲醛和空气的时间均为20min。可以看到在175℃下，检测限为20ppb，满足对痕量甲醛的检测需求。
如图6b所示，甲醛和空气的通入时间均为40min，175℃下可检测到1ppm的甲醛气体。对于气体传感器而言，在不损失痕量浓度灵敏度的同时还能测得更高的气体浓度是相当有意义的。
图7a和图7b分别展示了图6a和图6b的线性拟合曲线，可以看到线性相关系数分别为0.99和0.98，各个浓度下的响应体现了良好的线性递增。
图8展示了在长达20天的长期稳定性测试中，具有良好的响应一致性，证明所制备的传感器具有长期稳定工作的能力。
图9展示了传感器对1ppm室内常见有害气体的响应，可以看到，传感器对甲醛的响应最大，具有良好的选择性。
由此可见，基于本发明的示例实施例的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，一方面将传统叉指电极与碳基FET器件的栅极相连，构成延栅结构，解决了FET栅电极的表面积较小，敏感材料沉积区域有限，不利于吸附大量气体分子的问题，并利用了FET的放大作用，提升了传感器的痕量检测能力；另一方面，使用了喷墨打印技术进行敏感材料薄膜的沉积，该技术与CMOS工艺相兼容，能够精确控制敏感层形貌，从而获得一致的传感器性能，为批量化制备芯片级传感器奠定了基础。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (14)
1.一种具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，其特征在于，包括：
硅基衬底(1)，限定了第一表面和相对的第二表面；
位于硅基衬底第一表面的第一介电层(2)；
位于第一介电层(2)上方的、由半导体性碳纳米管构成的沟道层(4)；
位于沟道层上方两侧、并间隔开的源极电极(5)以及漏极电极(6)；
位于沟道层(4)上方、并形成于源极电极(5)与漏极电极(6)之间的空间范围内的第二介电层(3)；
位于源极电极(5)与漏极电极(6)上方的第三介电层(7)；
位于第一介电层(2)上方、并避开沟道层(4)、源极电极(5)与漏极电极(6)所在区域的第四介电层(8)；
位于源极电极(5)与漏极电极(6)之间的空间范围、并设置在第二介电层(3)上方的栅极电极(9)；以及
位于所述第四介电层(8)上方、并与所述栅极电极(9)连接的延栅结构(EG)；以及
位于所述延栅结构(EG)所在的区域的栅极敏感材料层，被设置用于捕捉气体分子；
其中，所述延栅结构(EG)被设置为叉指电极形状，用于构成栅极敏感材料的附着区域。
2.根据权利要求1所述的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，其特征在于，所述硅基衬底(1)为电阻率在0.001～0.005Ω·cm的P型硅衬底。
3.根据权利要求1所述的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，其特征在于，所述第一介电层(2)、第二介电层(3)、第三介电层(7)与第四介电层(8)均为高k介电层。
4.根据权利要求1所述的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，其特征在于，所述第一介电层(2)为二氧化硅介电层，其厚度在100～300nm。
5.根据权利要求1所述的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，其特征在于，所述第二介电层(3)、第三介电层(7)与第四介电层(8)为厚度相同的氧化钇介电层，其厚度在5～15nm。
6.根据权利要求1所述的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，其特征在于，所述沟道层(4)采用网状结构的半导体性碳纳米管，其厚度为1～2nm，沟道宽度为80～100μm，沟道长度为30～50μm。
7.根据权利要求1所述的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，其特征在于，所述延栅结构(EG)、源极电极(5)与漏极电极(6)的厚度相同。
8.根据权利要求1所述的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器，其特征在于，所述栅极敏感材料层为采用喷墨打印技术沉积在所述延栅结构(EG)表面的薄膜层，所述薄膜层为用于检测甲醛(HCHO)的CuO薄膜、用于检测氨气(NH3)的WO3薄膜、用于检测甲苯(C7H8)的Co3O4薄膜中的一种。
9.一种具有延栅结构的碳基FET型气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在硅基衬底(1)上沉积一定厚度的SiO2，作为第一介电层(2)，形成Si/SiO2结构；
步骤2、在第一介电层(2)的上表面沉积s-CNT薄膜；
步骤3、通过匀胶机对沉积有s-CNT薄膜的Si/SiO2结构表面进行匀胶，利用光刻工艺曝光相应的源漏区域图形，再利用电子束蒸发沉积金属形成源极电极(5)和漏极电极(6)；
步骤4、再次进行匀胶、曝光，对源极电极(5)和漏极电极(6)之间的s-CNT薄膜进行刻蚀，获得s-CNT沟道层(4)；
步骤5、再次进行匀胶、曝光，通过电子束蒸发沉积一定厚度的钇，并在空气中氧化，形成氧化钇层，所述氧化钇层包括位于沟道层(4)上方并形成于源极电极(5)与漏极电极(6)之间的空间范围内的第二介电层(3)、位于源极电极(5)与漏极电极(6)上方的第三介电层(7)，以及位于第一介电层(2)上方、并避开沟道层(4)、源极电极(5)与漏极电极(6)所在区域的第四介电层(8)；
步骤6、再次进行匀胶、曝光，在所述沟道层(4)上通过电子束蒸发沉积金属形成栅极电极(9)，以及在所述第四介电层(8)上通过电子束蒸发沉积金属形成延栅结构(EG)，作为敏感材料的沉积区域；栅极电极(9)与延栅结构(EG)连接；
步骤7、将敏感材料配置的墨水通过喷墨打印技术沉积在延栅结构(EG)上，并经过干燥、退火后，获得作为气体检测敏感层的薄膜。
10.根据权利要求9所述的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器的制备方法，其特征在于，所述敏感材料为用于检测甲醛(HCHO)的CuO、用于检测氨气(NH3)的WO3、用于检测甲苯(C7H8)的Co3O4中的一种。
11.根据权利要求9所述的具有延栅结构的碳基FET型气体传感器的制备方法，其特征在于，所述源极电极(5)、漏极电极(6)、栅极电极(9)与延栅结构(EG)均采用Ti/Pd/Au制备。
12.一种根据所述权利要求9的方法制备的用于检测甲醛的气体传感器，其特征正在于，其中敏感材料形成的薄膜为CuO金属氧化物半导体薄膜。
13.根据所述权利要求9的方法制备的用于检测氨气的气体传感器，其特征正在于，其中敏感材料形成的薄膜为WO3薄膜。
14.根据所述权利要求9的方法制备的用于检测甲苯的气体传感器，其特征正在于，其中敏感材料形成的薄膜为Co3O4薄膜。
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