CN116429841A - 多栅结构场效应晶体管pH传感器及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多栅结构场效应晶体管pH传感器及制造方法，包括：基板、第一栅极、第一介电层、漏极、沟道层、源极、第三栅极、第二介电层和第二栅极；第二栅极为储液槽中的溶液和参比电极构成的液接式栅极；其中，基板的顶面设置有第一栅极；第一栅极的顶面设置有第一介电层；第一介电层的顶面设置有漏极、沟道层、源极；漏极、沟道层和源极的顶面设置有第二介电层；第二介电层的顶面设置有第二栅极；第一介电层的顶面还设置有第三栅极；本发明在第二介电层的顶面设置有储液槽，通过增加一个与沟道层处于同一平面的栅极，突破了传统的双栅结构，增强了晶体管的电容耦合的效果并提升了对pH值检测的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种多栅结构场效应晶体管pH传感器及制造方法。
背景技术
pH是衡量溶液酸碱程度的指标，在化学、农业、食品加工、制药、环境科学和生物医学工程等广泛领域都处于中心地位。其中，应用于生物医学、食品加工、制药等领域的微容量水环境的pH检测经常被人们忽视。如今市面上大多数pH传感器尺寸较大且灵敏度不高，适用于水污染监测及工业生产领域，在自来水管网等特殊水环境中无法做到精准检测。离子敏场效应晶体管pH传感器由于其易于制造、成本低以及与柔性基底的兼容性，被广泛应用于化学和生物传感领域。
现有的pH传感器往往采用双栅场效应晶体管，可以通过上栅和下栅氧化物电容之间的电容耦合而超过其灵敏度极限，为了进一步地提高测量灵敏度，现有技术中的基于ZnO双栅场效应晶体管的传感器、基于铟镓锌氧化物(InGaZnO)纳米光纤通道双栅场效应晶体管的高灵敏度化学传感器，基于横向协同双电层调制的感器，等方案虽然实现了提高灵敏度的效果，但是仍然是在双栅结构的基础上，从材料或结构角度去改变栅介质的电容，从而提升双栅型离子敏场效应晶体管pH传感器的灵敏度，但是都并没有突破双栅结构。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多栅结构场效应晶体管pH传感器，其中，包括：基板、第一栅极、第一介电层、漏极、沟道层、源极、第三栅极、第二介电层和第二栅极；第二栅极为储液槽中的溶液和参比电极构成的液接式栅极；其中，基板的顶面设置有第一栅极；第一栅极的顶面设置有第一介电层；第一介电层的顶面设置有漏极、沟道层和源极；漏极、沟道层和源极的顶面设置有第二介电层；第二介电层的顶面设置有第二栅极；第一介电层的顶面还设置有第三栅极，其中，第三栅极与漏极、沟道层、源极均处于同一平面；第二介电层的顶面设置有储液槽，储液槽用于盛装待测液体；储液槽中还设置有参比电极，用于稳定电位。
进一步地，其中，基板的材质为半导体Si。
进一步地，其中，第一栅极、第三栅极、源极和漏极的材质均为金属Al。
进一步地，其中，第三栅极、源极和漏极的金属Al表面镀有金属Au。
进一步地，其中，第一介电层的材质为SiO2。
进一步地，其中，沟道层的材质为铟镓锌氧化物。
进一步地，铟镓锌氧化物的摩尔组分构成为In2O3:Ga2O3:ZnO＝2:1:2。
进一步地，其中，第二介电层的材质为TiO2。
进一步地，其中，参比电极的材质为金属Ag和AgCl。
第二方面，本发明实施例还提供了一种多栅结构场效应晶体管pH传感器的制造方法，其中，该方法包括：将硅片置于清洗液中进行清洗，以获得基板；在基板的顶面采用电子束蒸发工艺制备一层金属Al薄膜作为第一栅极；在第一栅极的顶面用等离子体增强化学气相沉积在第一栅极的顶面沉积一层SiO2薄膜作为第一介电层；制备铟镓锌氧化物薄膜，并利用射频磁控溅射法将铟镓锌氧化物薄膜沉积在第一介电层的顶面，并通过光刻将铟镓锌氧化物薄膜图形化，用稀氢氟酸进行湿法刻蚀到预设形状后，再在氧气氛围中350℃退火1小时，以得到沟道层；在第一介电层的顶面分别采用电子束蒸发工艺制备金属Al薄膜作为源极、漏极以及第三栅极的材料，并在金属Al薄膜表面溅射一层金属Au，通过金属剥离工艺将金属Al/Au图案化在沟道层形成对应的沟道；在沟道层的顶面通过原子层沉积的方法沉积一层TiO2薄膜作为第二介电层的材料，并通过光刻刻蚀工艺将TiO2薄膜图案化，将制作完的TiO2薄膜在真空氛围300℃退火30min，以得到第二介电层；使用涂胶机将光刻胶均匀涂在第二介电层顶面上，再通过光刻显影得到预设图案后去胶，制备出预设尺寸的储液槽。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的一种多栅结构场效应晶体管pH传感器，其中，包括：基板、第一栅极、第一介电层、漏极、沟道层、源极、第三栅极、第二介电层和第二栅极；第二栅极为储液槽中的溶液和参比电极构成的液接式栅极；其中，基板的顶面设置有第一栅极；第一栅极的顶面设置有第一介电层；第一介电层的顶面设置有漏极、沟道层和源极；漏极、沟道层和源极的顶面设置有第二介电层；第一介电层的顶面还设置有第三栅极，其中，第三栅极与漏极、沟道层、源极均处于同一平面；第二介电层的顶面设置有储液槽，储液槽用于盛装待测液体；储液槽中还设置有参比电极，用于稳定电位。在本发明较佳的实施例中，上述发明内容基于双栅型离子敏场效应晶体管的结构特点，在双栅型器件的基础上增加一个与沟道层处于同一平面的栅极，突破了传统的双栅结构，并根据电容耦合的原理，通过底栅电容的串联将底栅电容值减小，并增大顶栅电容和底栅电容的比值，从而增强电容耦合的效果并提升了对pH值检测的灵敏度。
本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多栅结构场效应晶体管pH传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多栅结构场效应晶体管pH传感器的等效电路图；
图3为本发明实施例提供的一种多栅结构场效应晶体管pH传感器的工作电路图；
图4为本发明实施例提供的一种多栅结构场效应晶体管制造方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的一种多栅结构场效应晶体管pH传感器的制备流程图。
图标：01-基板；02-第一栅极；03-第一介电层；41-漏极；42-沟道层；43-源极；05-第二介电层；06-第三栅极；07-储液槽；71-参比电极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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做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。
目前，使用双栅场效应晶体管测试溶液pH值时，可通过测试底栅阈值电压的变化量得到传感器的灵敏度，因此可以通过改变双栅场效应晶体管顶栅和底栅的电容值来放大灵敏度，可以通过上栅和下栅氧化物电容之间的电容耦合而超过其灵敏度极限，为了进一步地提高测量灵敏度，现有技术中的基于ZnO双栅场效应晶体管的传感器、基于铟镓锌氧化物(InGaZnO)纳米光纤通道双栅场效应晶体管的高灵敏度化学传感器，基于横向协同双电层调制的感器，等方案虽然实现了提高灵敏度的效果，但是仍然是在双栅结构的基础上，从材料或结构角度去改变栅介质的电容，从而提升双栅型离子敏场效应晶体管pH传感器的灵敏度，但是都并没有突破双栅结构。
基于此，本发明实施例提供的一种多栅结构场效应晶体管pH传感器及制造方法，可以在双栅型器件的基础上增加一个与沟道层处于同一平面的栅极，突破了传统的双栅结构，并根据电容耦合的原理，通过底栅电容的串联将底栅电容值减小，并增大顶栅电容和底栅电容的比值，从而增强电容耦合的效果并提升了对pH值检测的灵敏度。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种多栅结构场效应晶体管pH传感器进行详细介绍。
本发明实施例提供了一种多栅结构场效应晶体管pH传感器，图1示出了一种多栅结构场效应晶体管pH传感器的结构示意图，如图1所示，包括：基板01、第一栅极02、第一介电层03、漏极41、沟道层42和源极43、第二介电层05、第三栅极06、储液槽07和参比电极71；第二栅极包括：储液槽07和参比电极71；
其中，基板的顶面设置有第一栅极；第一栅极的顶面设置有第一介电层；第一介电层的顶面设置有漏极、沟道层和源极；漏极、沟道层和源极的顶面设置有第二介电层；第二介电层的顶面设置有第二栅极；第二栅极由储液槽中的溶液和参比电极组成；第一介电层的顶面还设置有第三栅极，其中，第三栅极与漏极、沟道层、源极均处于同一平面；第二介电层的顶面设置有储液槽，储液槽用于盛装待测液体；储液槽中还设置有参比电极71，用于稳定电位。
具体地，在实际应用中，基板的材质为半导体Si。
第一栅极、第三栅极、源极和漏极的材质均为金属Al。
第三栅极、源极和漏极的金属Al表面镀有金属Au。
第一介电层的材质为SiO2。
沟道层的材质为铟镓锌氧化物。
铟镓锌氧化物的摩尔组分构成为In2O3:Ga2O3:ZnO＝2:1:2。
第二介电层的材质为TiO2。
参比电极的材质为金属Ag和AgCl。
对于上述材料的选择，由于TiO2薄膜与H+离子的结合能力强，在pH检测中具有非常高的灵敏度，在溶液中的电位响应最高可达到Nernst极限的59.16mV/pH，常常作为电位式pH传感器的工作电极，另外TiO2薄膜具有很高的介电常数，可以提供一个较大的顶栅电容，所以TiO2薄膜非常适合做本发明实施例中的第二介电层的材料。
铟镓锌氧化物薄膜(InGaZnO)由于在室温下沉积时具有高的电子迁移率和在可见光波段的高透明度等特性常被作为离子敏场效应晶体管的沟道层材料。
金属Al材料具有导电性强、成本低、易与有缘层材料(InGaZnO)结合的优点，适合作为源级、漏极、第一栅极、第三栅极的材料。但金属Al也有一些缺点，例如金属Al较为活泼，长期暴露在空气中，容易被氧化，放置在酸性或碱性溶液中，容易被反应或腐蚀，由于本发明应用于pH溶液的检测且平面栅暴露在空气中，所以源级和漏极也容易与不慎滴落的酸性或碱性溶液发生接触，需要在源极、漏极、第三栅极的金属Al表面镀一层Au作为保护。
本申请实施例所提供的多栅结构场效应晶体管pH传感器可以利用铟镓锌氧化物薄膜(InGaZnO)在室温下沉积时具有高的电子迁移率的特性，将其作为沟道层沉积在第一介电层(SiO2)上，在与铟镓锌氧化物薄膜(InGaZnO)同一平面上用导电金属材料Al来做第三栅极，TiO2薄膜作为第二介电层材料沉积在铟镓锌氧化物薄膜(InGaZnO)半导体上具有很高的介电常数和灵敏度，用镀有金属Au的金属Al作源极和漏极材料连接在铟镓锌氧化物(InGaZnO)半导体两侧，第一介电层(SiO2)沉积在Si基板上，TiO2薄膜顶部是一个用于存放液体的储液槽，储液槽顶部留出一个窗口使溶液能与TiO2薄膜接触，在储液槽中放置参比电极用于稳定电位。
上述多栅结构场效应晶体管pH传感器的等效电路图如图2所示，其中C1为第二栅极和沟道层之间的电容，C2为沟道层和第一栅极之间的电容，C3为第三栅极和第一栅极之间的电容。器件的第一栅极电容由C2和C3串联而成来增强电容耦合的效果。这种器件结构有效地增强了电容耦合的效果并提升了灵敏度，第三栅级阈值电压变化量和表面电位的变化量关系公式由下式表示：
其中，
为第三栅级的阈值电压变化量，/>
为第二栅级的阈值电压变化量，C1为第二栅极和沟道层之间的电容值，C2为沟道层和底栅之间的电容，C3为第三栅极和第一栅极之间的电容。
根据上述器件的检测原理，pH引起顶栅敏感膜表面电位变化，表面电位的变化量与第三栅阈值电压变化量
成正比，比例大小与第二介电层电容和第一介电层电容的比值有关。器件通过测试不同第三栅极电压(VIn-plane gate)下不同pH溶液所引起的漏电流变化曲线得到不同pH值对应的阈值电压变化量/>
通过线性分析就可以的到传感器的分辨率。
具体地，上述多栅结构场效应晶体管pH传感器的工作电路图如图3所示，当上述多栅结构场效应晶体管pH传感器用于检测pH时，需要测得器件的转移特性曲线，再找到对应的阈值电压。因此要得到第三栅极阈值电压与pH的变化关系，需施加恒定的漏源电压，将顶部参比电极接地，并对第三栅极进行电压扫描，测得器件的转移特性曲线并得到阈值电压值，最终得到第三栅极阈值电压与pH的变化关系。
本发明实施例还提供了一种多栅结构场效应晶体管pH传感器的制造方法，图4示出了一种多栅结构场效应晶体管制造方法的流程图，如图4所示，该方法包括：
步骤S401，将硅片置于清洗液中进行清洗，以获得基板；
具体地，本发明提供的多栅结构场效应晶体管pH传感器的制备流程如图5所示。
受限是对硅基板的预处理，可以预先选取4英寸厚度为400μm的硅片，将硅片置于标准清洗液中清洗，参见图5中的步骤5-1。
步骤S402，在基板的顶面采用电子束蒸发工艺制备一层金属Al薄膜作为第一栅极；
具体地，此步骤是对位于底部的第一栅极的制备，可以取出上述清洗好的硅片，在Si基板采用电子束蒸发工艺制备一层100nm厚度的Al膜作为底部的第一栅极材料，参见图中的步骤5-2。
步骤S403，在第一栅极的顶面用等离子体增强化学气相沉积在第一栅极的顶面沉积一层SiO2薄膜作为第一介电层；
具体地，此步骤是对位于第一栅极顶部的第一介电层的制备，可以用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在金属Al上沉积200nm厚的SiO2薄膜作为第一介电层，参见图5中的步骤5-3。
步骤S404，制备铟镓锌氧化物薄膜，并利用射频磁控溅射法将铟镓锌氧化物薄膜沉积在第一介电层的顶面，并通过光刻将铟镓锌氧化物薄膜图形化，用稀氢氟酸进行湿法刻蚀到预设形状后，再在氧气氛围中350℃退火1小时，以得到沟道层；
具体地，此步骤是对沟道层的制备，可以制备摩尔组分构成为铟镓锌氧化物薄膜(In2O3:Ga2O3:ZnO＝2:1:2)，并采用射频磁控溅射法，控制Ar/O2比为20/0.6sccm，气压控制在5×10-3mbar，沉积30nm的铟镓锌氧化物沉积在SiO2薄膜上，通过光刻将铟镓锌氧化物薄膜(InGaZnO)图形化，然后用稀氢氟酸(H2O/HF＝300/1)进行湿法刻蚀到相应形状，将制备好的铟镓锌氧化物薄膜在氧气氛围中350℃退火1h，以得到沟道层，参见图5中的步骤5-4。
步骤S405，在第一介电层的顶面分别采用电子束蒸发工艺制备金属Al薄膜作为源极、漏极以及第三栅极的材料，并在金属Al薄膜表面溅射一层金属Au，通过金属剥离工艺将金属Al/Au图案化在沟道层上形成对应的沟道；
具体地，此步骤是对源级、漏极、第三栅极的制备，可以采用电子束蒸发工艺制备100nm厚度的铝膜作为源极、漏极以及第三栅极材料，并在Al膜表面溅射一层30nm厚的Au以防止暴露于空气的金属Al被氧化或腐蚀，通过金属剥离工艺(lift-off)将金属Al/Au图案化，形成宽长比为750μm/250μm的铟镓锌氧化物(InGaZnO)沟道，参见图5中的步骤5-5。
步骤S406，在沟道层的顶面通过原子层沉积的方法沉积一层TiO2薄膜作为第二介电层的材料，并通过光刻刻蚀工艺将TiO2薄膜图案化，将制作完的TiO2薄膜在真空氛围300℃退火30min，以得到第二介电层；
具体地，此步骤是对位于顶部的第二介电层的制备，可以通过原子层沉积(ALD)在铟镓锌氧化物薄膜沉积一层30nm的TiO2薄膜作为顶栅介质，并通过光刻刻蚀工艺将其图案化，将制作完的TiO2薄膜在真空氛围300℃退火30min，以得到第二介电层，参见图5中的步骤5-6。
步骤S407，使用涂胶机将光刻胶均匀涂在所述第二介电层顶面上，再通过光刻显影得到预设图案后去胶，制备出预设尺寸的储液槽。
具体地此步骤是对储液槽的制备，可以在上述位于顶部的第二介电层上制备一个储液槽防止溶液发生泄露，对检测信号产生影响。使用涂胶机将光刻胶均匀涂在表面，在通过光刻显影得到相应的图案后去胶，制备出一个开口尺寸为2×2mm2，容积为20μL的储液槽，参见图5中的步骤5-7。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种多栅结构场效应晶体管pH传感器，其特征在于，包括：基板、第一栅极、漏极、沟道层、源极、第三栅极、第二介电层和第二栅极；第二栅极为储液槽中的溶液和参比电极构成的液接式栅极；
其中，所述基板的顶面设置有所述第一栅极；所述第一栅极的顶面设置有第一介电层；所述第一介电层的顶面设置有所述漏极、所述沟道层和所述源极；所述漏极、所述沟道层和所述源极的顶面设置有所述第二介电层；所述第二介电层的顶面设置有所述第二栅极；所述第二栅极为储液槽中的溶液和参比电极构成的液接式栅极；所述第一介电层的顶面还设置有所述第三栅极，其中，所述第三栅极与所述漏极、所述沟道层和所述源极均处于同一平面；所述第二栅极的顶面设置有所述储液槽，所述储液槽用于盛装待测液体；所述储液槽中还设置有参比电极，用于稳定电位。
2.根据权利要求1所述的多栅结构场效应晶体管pH传感器，其特征在于，所述基板的材质为半导体Si。
3.根据权利要求1所述的多栅结构场效应晶体管pH传感器，其特征在于，所述第一栅极、所述第三栅极、所述源极和所述漏极的材质均为金属Al。
4.根据权利要求3所述的多栅结构场效应晶体管pH传感器，其特征在于，所述第三栅极、所述源极和所述漏极的金属Al表面镀有金属Au。
5.根据权利要求1所述的多栅结构场效应晶体管pH传感器，其特征在于，所述第一介电层的材质为SiO2。
6.根据权利要求1所述的多栅结构场效应晶体管pH传感器，其特征在于，所述沟道层的材质为铟镓锌氧化物。
7.根据权利要求6所述的多栅结构场效应晶体管pH传感器，其特征在于，所述铟镓锌氧化物的摩尔组分构成为In2O3:Ga2O3:ZnO＝2:1:2。
8.根据权利要求1所述的多栅结构场效应晶体管pH传感器，其特征在于，所述第二介电层的材质为TiO2。
9.根据权利要求1所述的多栅结构场效应晶体管pH传感器，其特征在于，所述参比电极的材质为金属Ag和AgCl。
10.一种多栅结构场效应晶体管pH传感器的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
将硅片置于清洗液中进行清洗，以获得基板；
在所述基板的顶面采用电子束蒸发工艺制备一层金属Al薄膜作为第一栅极；
在所述第一栅极的顶面用等离子体增强化学气相沉积在所述第一栅极的顶面沉积一层SiO2薄膜作为第一介电层；
制备铟镓锌氧化物薄膜，并利用射频磁控溅射法将所述铟镓锌氧化物薄膜沉积在所述第一介电层的顶面，并通过光刻将所述铟镓锌氧化物薄膜图形化，用稀氢氟酸进行湿法刻蚀到预设形状后，再在氧气氛围中350℃退火1小时，以得到沟道层；
在所述第一介电层的顶面分别采用电子束蒸发工艺制备金属Al薄膜作为源极、漏极以及第三栅极的材料，并在所述金属Al薄膜表面溅射一层金属Au，通过金属剥离工艺将金属Al/Au图案化所述沟道层形成对应的沟道；
在所述沟道层的顶面通过原子层沉积的方法沉积一层TiO2薄膜作为第二介电层的材料，并通过光刻刻蚀工艺将TiO2薄膜图案化，将制作完的TiO2薄膜在真空氛围300℃退火30min，以得到第二栅极；
使用涂胶机将光刻胶均匀涂在所述第二栅极的顶面上，再通过光刻显影得到预设图案后去胶，制备出预设尺寸的储液槽。
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| CN202310353803.4A CN116429841A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 多栅结构场效应晶体管pH传感器及制造方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| CN116908244B (zh) * | 2023-09-13 | 2023-12-22 | 四川省林业和草原调查规划院 | 一种林业生态保护用采样装置 |
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