一种薄膜晶体管气体传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于气体传感器领域，更具体地，涉及一种薄膜晶体管气体传感器及其制备方法。

背景技术

气体传感器是指能感受气体(组分、浓度)并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，是各类易燃易爆、毒害气体实时监测与灾害预警的最有效工具，在环境保护、工业生产、航空航天、公共安全等诸多领域有着重大需求。

当前，气体传感器受限于灵敏度、集成度以及功耗等原因，难以提高气体识别的准确性与可靠性。相较于传统的二端电阻型气体传感器，基于晶体管型气体传感器灵敏度高、特异性强并可在小电压、低电流工作条件下运行，在气体传感器领域越来越受到关注。其中，沟道敏感型场效应晶体管气体传感器具有CMOS工艺兼容性好的特点。

申请号201810174504.3的中国专利申请公开了一种薄膜场效应晶体管型气体传感器及其制备方法，以量子点薄膜作为沟道有源层，利用栅极电压的调控综合多参数的气体响应，制备出高灵敏、低功耗和高选择性气体传感器，达到检测低浓度目标气体的效果。申请号为202111267826.0的中国专利申请公开了一种二维薄层材料气体传感器、其制备方法及应用，采用机械剥离方式制备的二维材料如硫化钼作为沟道有源层，同时，利用单原子的高效活性开发出了具有高性能的挥发性有机化合物气体传感器。

上述结构中，场效应晶体管的沟道有源层薄膜既是气体敏感层也是沟道传输层，由于沟道传输层需暴露在环境气氛中，影响长期稳定性。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种薄膜晶体管气体传感器及其制备方法，沟道有源层采用双层薄膜异质复合结构，上层为气体敏感层，表面具有对气体分子的吸附和反应活性，下层为一维或二维半导体传输层，具有较高的迁移率。通过对沟道有源层的气体敏感层与沟道传输层的材料及其界面能带结构进行设计，使得气固界面电荷转移通过异质结界面能带结构的改变实现对沟道导电能力的调控，进而转换为晶体管输出特性改变，结合栅极电压的改变可实现多参数的传感器响应特征提取，制备出高灵敏、低功耗和高选择性气体传感器，并且利于晶圆级制造。

为实现上述目的，本发明提供了一种薄膜晶体管气体传感器，其包括衬底、栅极绝缘层、沟道传输层、气体敏感层、源电极、漏电极和栅电极。其中，衬底上制备有栅极绝缘层并引出有栅电极，栅极绝缘层上为沟道传输层，上方为气体敏感层，沟道两侧分别制备有源电极和漏电极，沟道传输层具有较高的迁移率，迁移率高于1cm

进一步的，沟道传输层为一维或二维半导体材料，气体敏感层为金属氧化物、硫化物半导体、有机半导体、金属有机框架材料、二维过渡金属碳氮化物或/和共价有机骨架等。

进一步的，一维或二维半导体材料具体可为碳纳米管等一维半导体材料，二硫化钼、黑磷、石墨烯等二维半导体材料。

进一步的，源电极和漏电极分别位于栅极绝缘层所在平面的两侧，沟道有源层的双层复合异质结构位于源电极和漏电极之间以将源电极和漏电极连通。

进一步的，源电极和漏电极分别位于栅极绝缘层所在平面的两侧，沟道有源层同时覆盖源电极、漏电极和栅极绝缘层，以使源电极和漏电极位于沟道有源层下方。

进一步的，在气体敏感层(以p型材料为例)与沟道传输层(以n型材料为例)接触之后，两者的界面处存在电荷转移，导致气体敏感层界面电子累积而沟道传输层界面空穴累积。在气体敏感层接触目标气体后，气体敏感层量子点薄膜表面发生电荷转移并且表面势发生改变，进而引起气体敏感层与沟道传输层界面势垒发生变化，使得由沟道传输层主导的导电沟道导电能力发生改变，最终使薄膜晶体管型气体传感器产生气敏响应。

按照本发明的第二个方面，在气体敏感层为量子点材料，沟道传输层为二维材料时，如上所述的薄膜晶体管气体传感器的方法，其包括如下步骤：

S1：将二维半导体材料定向转移至硅衬底的栅极绝缘层上，制备得到二维半导体薄膜晶体管，

S2：采用旋涂法均匀旋涂量子点至二维半导体薄膜晶体管上，制备量子点薄膜与二维半导体薄膜的双层异质结薄膜晶体管，

源电极、漏电极和栅电极的制备在步骤S1之前或者在步骤S2之后。

进一步的，步骤S1中，采用机械剥离或者干法转移方式将二维半导体材料定向转移至硅衬底的栅极绝缘层上，步骤S2中，采用旋涂法均匀旋涂量子点至二维半导体材料表面。

本发明提供的一种薄膜晶体管气体传感器中，该薄膜晶体管气体传感器为底栅顶接触式结构的薄膜晶体管。其中，沟道有源层采用双层薄膜异质复合结构，上层为气体敏感层，表面具有对气体分子的吸附和反应活性，下层为一维或二维半导体传输层，具有较高的迁移率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

有益效果：

(1)本发明提供的薄膜晶体管气体传感器可以充分兼顾气体敏感层对气体分子较高的吸附、反应活性与沟道传输层电导率、迁移率较高的优势，从而实现气体传感器的气敏响应提高。

(2)本发明提供的薄膜晶体管气体传感器具有灵敏度高、空气中电阻低的特点，对目标气体的响应值会得到明显提升，在使用中，结合栅极电压的控制提取传感器气敏响应的多个特征参数，有助于提高选择性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于底栅结构的量子点薄膜/二维半导体双层异质结薄膜晶体管气体传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种薄膜晶体管气体传感器，具体为一种气体敏感层与沟道气体传输层双层异质结薄膜晶体管气体传感器，其中，该传感器为底栅顶接触式结构。该晶体管包括衬底1、栅极绝缘层2、沟道传输层4、气体敏感层5、源电极3、漏电极6和栅电极7，其中，衬底1上制备有栅极绝缘层2层并引出有栅电极7，栅极绝缘层2上为沟道传输层4，上方为气体敏感层5，沟道两侧分别制备有源电极3和漏电极6。

本发明通过对双层异质结薄膜晶体管气体传感器沟道材料进行结构和材料搭配上的设计，沟道有源层采用双层薄膜异质复合结构，上层为气体敏感层，表面具有对气体分子的吸附和反应活性，下层为一维或二维半导体沟道传输层，具有较高的迁移率。气体敏感层气固界面的电荷转移对沟道异质结界面能带结构具有调控作用，可引起沟道导电能力改变并转换为晶体管输出特性改变，结合栅极电压的控制可提取传感器气敏响应的多个特征参数，有助于提高选择性。本发明的气体传感器中，利用栅极电压的调控综合多参数的气体响应，制备出高灵敏、低功耗和高选择性气体传感器，本发明的气体传感器能检测低浓度目标气体如NO

图1是本发明实施例提供的基于PbS/MoS

在本发明的一个实施例中，气体敏感层采用量子点薄膜材料如PbS量子点，沟道传输层采用二维半导体材料如MoS

本发明中，二维半导体是指具有原子级别厚度且电子被限制在二维平面内运动的材料。

为了更详细的说明本发明方法，进一步结合具体的实施例说明如下。

实施例1：

制备一种基于PbS/MoS

基于一种PbS/MoS

S1：采用机械剥离将少量MoS

S2：采用旋涂法均匀旋涂PbS量子点制备PbS/MoS

实施例2：

实施例2与实施例1相同，不同的是，步骤S1中，采用干法转移方式将少量MoS

实施例3：

制备一种基于底栅顶接触式结构的量子点薄膜/一维单壁碳纳米管双层异质结薄膜晶体管气体传感器，实施例3与实施例1类似，不同的是，步骤S1中，制备得到直径分布在约1～2nm的单壁碳纳米管分散剂，接着将器件置于单壁碳纳米管分散剂中，并在单壁碳纳米管分散剂表面滴入适量2-丁烯-1，4二醇(C

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。