CN217466777U

CN217466777U - 一种硅基横向氧化锌电导型气体传感器

Info

Publication number: CN217466777U
Application number: CN202220067968.6U
Authority: CN
Inventors: 马刘红; 屈锡淳; 胡梦文; 李梦珂; 段智勇
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2022-01-12
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2032-01-12

Abstract

本实用新型属于气体传感器领域，具体公开了一种硅基横向氧化锌电导型气体传感器，依赖于横向氧化锌纳米线大规模制备工艺以及硅‑金属层‑氧化锌三明治结构欧姆桥接的形成。本实用新型以SOI为基底，用光学光刻、电子束光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀、Ag纳米粒子填充烧结、水热生长等步骤，构筑了具有微纳结构的横向氧化锌纳米线阵列，其拥有优异的气敏性能，可进一步构建应用于相对恶劣环境中的新型气敏传感器。传感过程完全依赖氧化锌纳米线自身的电阻变化产生感应信号，灵敏度高。通过综合运用射频磁控溅射沉积法和水热法制备传感材料，合成方法简单，成本低廉，且该实用新型气体传感器结构与硅平面工艺兼容，易于集成，体积小。

Description

一种硅基横向氧化锌电导型气体传感器

技术领域

本实用新型涉及气体传感器技术领域，具体为一种硅基横向氧化锌电导型气体传感器。

背景技术

随着工业生产的进步，特别是石油、化工、煤炭、汽车等行业的迅速发展，在提高人们生活水平的同时，也对社会环境产生了一些负面的影响。如化工生产中排放的有毒有害气体、煤矿开采过程中井下瓦斯的泄漏以及汽车尾气排放所造成的大气污染等。由于人类的感知和承受能力有限，所以针对各种有毒有害气体的检测方法和测试仪器应运而生。常用的气体检测方法有：利用半导体气敏器件检测的电阻电容法，利用电极和电解液检测的电化学法，以及利用气体对光的折射或吸收等特性检测的光学法等。但是，在相对恶劣的环境中，当被测气体成分复杂而且浓度较低时，常规测试方法的精度很难满足使用者的要求。因此，探索和开发新的气敏材料及检测手段是当前科研工作者的重要任务。

众所周知，氧化锌(ZnO)是一种重要的直接带隙半导体金属氧化物气敏材料，与其它金属氧化物(TiO₂、SnO₂、WO₃)相比具有高激子束缚能、宽禁带、原料无毒、易得等优点，可广泛应用于太阳能电池、场效应晶体管、发光二极管以及气体传感器等器件。最早Seiyama等发现ZnO材料的电导率会随着气体的吸附和脱附而发生显著的变化，ZnO作为电阻性半导体气敏材料引起了人们的广泛关注。近年来，低维结构的ZnO纳米材料尤其是纳米线由于具有高比表面积和一些特殊的物理和化学特性，在有毒有害气体检测方面具有独特的优势，被认为是制造超灵敏气体传感器的理想候选。

目前商业化的ZnO气敏传感器普遍采用陶瓷管和平板电极基底，体积相对较大。受到其核心气体传感器件在体积、功耗等方面的诸多限制，传统非集成式气体检测识别系统在应用推广遇到了很大困难。此外，通过涂覆粉末在陶瓷衬底，会破坏材料的本征特性；而采用平板电极生长垂直纳米线结构，难以与当前集成电路平面工艺兼容。这些因素不利于气敏传感器小型化以及多功能的发展趋势。毕竟硅作为集成电路最主要材料的地位不可替代，且硅工艺容易制备信号放大电路，容易实现痕量气体检测小信号的放大，提升灵敏度。与垂直纳米线相比，横向ZnO纳米线结构更易于实现复杂逻辑布线。因此，将横向ZnO纳米线集成到大面积的硅衬底上制备气体传感器，并实现与硅工艺兼容，对于制造低成本、低功耗、高性能的气体传感器具有重要意义。

本实用新型采用集成电路兼容的微加工手段制备硅基横向ZnO纳米线电导型气体传感器，以期解决传感器件在体积、成本、功耗等方面的诸多限制。将横向纳米线阵列以SOI为基底的形式应用于气敏传感器的表面，这是一种通传感器器件结构来提升传感器性能的新思路。此外，相对于常规的将特定敏感材料直接纳米化的方法，本实用新型综合运用射频磁控溅射沉积法和水热法制备传感材料，合成方法简单，成本低廉。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种构建硅基横向氧化锌纳米线电导型传感器及其制备方法，实现气敏传感器对待检测气体的电指示。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种硅基横向氧化锌电导型气体传感器，包括SOI基片，所述SOI基片包括硅衬底、氧化物绝缘层以及SOI顶层硅，制作于所述SOI基片的导电台面和硅叉指电极，以及导电台面上方的介质包裹层和介质包裹层上方的源电极和漏电极，所述氧化物绝缘层为SOI埋氧层SiO₂，所述硅叉指电极的侧壁包裹有银金属层，所述银金属层的外侧横向生长有氧化锌纳米线阵列，所述氧化锌纳米线阵列桥接于硅叉指电极侧壁之间，作为气敏区域，所述源电极与漏电极形成于导电台面上，并作为气敏信号的输出端。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种硅基横向氧化锌电导型气体传感器，具备以下有益效果：

1、该硅基横向氧化锌电导型气体传感器，可与硅平面工艺兼容，且可与信号放大电路集成实现测试信号的放大，容易实现传感器件的小型化、集成化，相对于常规的将特定敏感材料直接纳米化的方法，通过综合运用射频磁控溅射沉积法和水热法制备传感材料，合成方法简单，成本低廉；

2、该硅基横向氧化锌电导型气体传感器，以SOI为基底，用光学光刻、电子束光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀、Ag纳米粒子填充烧结、水热生长等步骤，构筑了具有微纳结构的横向氧化锌纳米线阵列，其拥有优异的气敏性能，可进一步构建应用于相对恶劣环境中的新型气敏传感器，测试气体信号的过程中，传感过程完全依赖氧化锌纳米线自身的电阻变化产生感应信号。

附图说明

图1为本实用新型依照实施例的制备方法流程图；

图2为实施例步骤1制备结果结构示意图；

图3为实施例步骤2制备结果结构示意图；

图4为实施例步骤3与步骤4制备结果结构示意图；

图5为实施例步骤5制备结果结构示意图；

图6为实施例步骤6制备结果结构示意图；

图7为实施例步骤7制备结果结构示意图；

图8为实施例步骤8制备结果结构示意图；

图9为实施例步骤9制备结果结构示意图。

图中：100、硅衬底；101、SOI埋氧层SiO2；102、SOI顶层硅；103、SiO2 薄膜层；104、光刻胶；105、沟槽；106、硅夹层；107、银金属层；108、SiO2 掩膜层；109、氧化锌种子层；110、氧化锌纳米线阵列；111、漏电极。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参阅图1至图9，本实用新型提供一种技术方案：一种硅基横向氧化锌电导型气体传感器，包括SOI基片，SOI基片包括硅衬底100、氧化物绝缘层以及SOI顶层硅102，制作于SOI基片的导电台面和硅叉指电极，以及导电台面上方的介质包裹层和介质包裹层上方的源电极和漏电极111，氧化物绝缘层为SOI埋氧层SiO₂101，硅叉指电极的侧壁包裹有银金属层107，银金属层107 的外侧横向生长有氧化锌纳米线阵列110，氧化锌纳米线阵列110桥接于硅叉指电极侧壁之间，作为气敏区域，源电极与漏电极111形成于导电台面上，并作为气敏信号的输出端。

如图1所示，是依照本实用新型实施例的制备硅基于横向氧化锌的高灵敏度气敏传感器的方法流程图，该方法包括：

步骤1：选取SOI基片，SOI顶层硅102进行离子注入形成N型重掺杂，之后在SOI顶层硅102上方生长SiO₂薄膜层103，并在上方旋涂光刻胶104，光刻实现图形化，通过光刻加刻蚀的方法进行图形转移，使图形转移到SiO₂薄膜层103之上，如图2所示；

步骤2：以图形化的SiO₂薄膜层103作为掩膜，湿法腐蚀SOI顶层硅102，获得硅叉指电极以及硅夹层106，硅叉指电极露出光滑晶面，其中腐蚀液为体积比为TMAH:H₂O:IPA＝5:15:2的溶液，在80℃的温水中水浴，腐蚀时间根据SOI顶层硅102的厚度而定，由于TMAH腐蚀液是各向异性腐蚀液，硅叉指电极露出光滑晶面上腐蚀速率最低，而且TMAH不腐蚀SiO₂，故在时间控制合理的情况下可以得到硅垂面晶面，如图3所示；

步骤3：去除SiO₂薄膜层103；

步骤4：在沟槽105中填充银纳米粒子，并掺入一定比例的镍金属纳米粒子，200℃烧结形成银金属层107，如图4所示；

步骤5：顶层沉积SiO2，通过光刻加干法刻蚀工艺，去除沟槽105位置的SiO₂，使硅叉指电极分离，并在叉指结构和银金属层上方制备SiO₂掩膜层 108，如图5所示；

步骤6：通过射频磁控溅射制作氧化锌种子层109，通过金属氧化物化学气相沉积技术在多根硅纳米线的侧壁硅晶面上横向生长出多根III-V族纳米线，并实现异质桥接，如图6所示

步骤7：通过5％HF漂洗去除顶层SiO₂掩膜层108以及SOI埋氧层SiO₂101 上方的种子层，种子层只保留银金属层107侧壁，如图7所示；

步骤8：使用水热法生长氧化锌纳米线阵列110，实现银金属层107两侧的桥接，之后使用快速退火，形成银金属线107与硅叉指电极及氧化锌纳米线阵列110的欧姆接触，如图8所示，

具体的，将50mmol·L^-1的醋酸锌溶液和适量的氨水溶液混合之后，转移到反应釜中，然后将涂覆有氧化锌种子层109的硅片垂直浸人溶液中，反应温度为80℃，反应时间以氧化锌纳米线在银金属层之间实现桥接为准；反应完成之后，将硅片取出，用大量去离子水反复清洗之后，放人洁净烘箱中在 60℃下干燥30min，随后在450℃下热退火2h，即得到排列有序的氧化锌纳米线阵列110；

步骤9：在两个硅叉指电极电导台面上制备的测试电极所对应的介质包裹层上、漏区电导台面所对应的介质包裹层上和压电栅条上分别制备源电极与漏电极111，完成硅基横向氧化锌纳米线电导型气体传感器的制备，如图9所示，

具体的，先在硅叉指电极的电导台面上方旋涂一层光刻胶，采用剥离工艺点击一层金属镍，快速热退火形成镍硅合金，然后镍硅合金位置对应正上方淀积金属铝，厚度为100～300nm。

综上，本实用新型可与硅平面工艺兼容，且可与信号放大电路集成实现测试信号的放大，容易实现传感器件的小型化、集成化，相对于常规的将特定敏感材料直接纳米化的方法，通过综合运用射频磁控溅射沉积法和水热法制备传感材料，合成方法简单，成本低廉，以SOI为基底，用光学光刻、电子束光刻、干法刻蚀、湿法腐蚀、Ag纳米粒子填充烧结、水热生长等步骤，构筑了具有微纳结构的横向氧化锌纳米线阵列，其拥有优异的气敏性能，可进一步构建应用于相对恶劣环境中的新型气敏传感器，测试气体信号的过程中，传感过程完全依赖氧化锌纳米线自身的电阻变化产生感应信号。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种硅基横向氧化锌电导型气体传感器，包括SOI基片，其特征在于：所述SOI基片包括硅衬底(100)、氧化物绝缘层以及SOI顶层硅(102)，制作于所述SOI基片的导电台面和硅叉指电极，以及导电台面上方的介质包裹层和介质包裹层上方的源电极和漏电极(111)，所述氧化物绝缘层为SOI埋氧层SiO₂(101)，所述硅叉指电极的侧壁包裹有银金属层(107)，所述银金属层(107)的外侧横向生长有氧化锌纳米线阵列(110)，所述氧化锌纳米线阵列(110)桥接于硅叉指电极侧壁之间，作为气敏区域，所述源电极与漏电极(111)形成于导电台面上，并作为气敏信号的输出端。