详情

原文传递基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及其制备方法

专利名称：	基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及其制备方法
摘要：	本发明提供一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及制备方法，该气体传感器是以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道；TMDCs与SFOI接触后，由于彼此间费米能级差异，电子从高费米能级一侧转移至低费米能级一侧，从而在异质结两侧产生空间电荷区，形成p‑n结；当待测气体分子吸附于TMDCs表面并与TMDCs之间发生电荷转移后，TMDCs内的载流子浓度发生变化，引起p‑n结势垒改变，导致SFOI中的空间电荷区宽度改变，最终导电沟道电阻改变从而对待测气体进行传感。本发明将气体敏感层同导电沟道分开，同时利用二维TMDCs对吸附气体分子的高灵敏度，与成熟的传统半导体器件工艺，有助于实现高灵敏度，高可靠性，可直接集成在半导体芯片上的气体探测器。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖北;42
申请人：	华中科技大学
发明人：	张有为;邓嘉男;马衎衎;张卜天;陈巧;王顺
专利状态：	有效
申请日期：	2018-12-10T00:00:00+0800
发布日期：	2019-04-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201811503769.X
公开号：	CN109682863A
代理机构：	华中科技大学专利中心
代理人：	许恒恒;李智
分类号：	G01N27/12(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
主权项：	1.一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，该气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与所述绝缘体上半导体薄膜SFOI两者接触，并且由于两者之间费米能级的高低差异引起电荷转移形成异质p-n结，在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中产生空间电荷区；该气体传感器用于当待测气体分子吸附于所述二维过渡金属硫化物TMDCs表面并发生电荷转移时，所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的空间电荷区宽度改变，而空间电荷区宽度直接决定了绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道的电阻，从而利用传感器电阻的改变对待测气体进行传感。 2.如权利要求1所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述气体分子具体是以范德华力吸附于所述气体敏感层的表面后发生电荷转移，使所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生改变。 3.如权利要求1所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器整体上呈现出金半场效应晶体管特性，其中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs作为肖特基接触中的金属栅极，所述导电沟道的两端分别作为源极和漏极，源漏输出电流由TMDCs－SFOI异质结在绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道中产生的空间电荷区宽度决定。 4.如权利要求1所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与绝缘体上半导体薄膜SFOI两者之间费米能级之差的绝对值不低于0.3eV；优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型MoS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Si半导体薄膜；或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型WS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Ge半导体薄膜；或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为p型WSe2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的n型Si半导体薄膜。 5.制备如权利要求1－4任意一项所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)提供绝缘体上半导体薄膜SFOI材料； (2)将所述SFOI形成图形结构，去除目标导电沟道区域外的半导体薄膜层，形成半导体薄膜图形结构，该半导体薄膜图形结构即导电沟道台面； (3)在所述半导体薄膜图形结构的表面形成电极层，从而形成分别与目标导电沟道区域两端相连的两个电极； (4)将二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜直接生长或者转移至所述半导体薄膜图形结构的表面，以覆盖部分所述半导体薄膜导电沟道区域，同时保证该TMDCs薄膜未与所述步骤(3)得到的两个电极直接接触； (5)在所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的表面形成钝化层，然后将所述钝化层图形化，以形成暴露部分二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的开口，以作为气体吸附及脱附的窗口。 6.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI材料的绝缘体衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构；所述步骤(1)中，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；所述步骤(1)中，所述半导体薄膜为本征半导体或掺杂浓度为1013-1017cm-3的轻掺杂半导体；该半导体薄膜的厚度为5-500nm，以便该半导体薄膜与二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种以及它们的合金中的任一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的厚度为0.6-100nm；所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的掺杂浓度要大于所述绝缘体上半导体薄膜的掺杂浓度，以便该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜与半导体薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；所述步骤(5)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。 7.一种基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器，其特征在于，该结型场效应晶体管气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与所述绝缘体上半导体薄膜SFOI两者接触，并且由于两者之间费米能级的高低差异引起电荷转移形成异质p-n结，在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中产生空间电荷区；在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的绝缘体背面具有背栅电极，该背栅电极用于调控所述绝缘体上半导体薄膜SFOI与所述二维过渡金属硫化物TMDCs中的载流子浓度以及相应的SFOI与TMDCs之间电荷转移形成的空间电荷区宽度；该结型场效应晶体管气体传感器用于当待测气体分子吸附于所述二维过渡金属硫化物TMDCs表面并发生电荷转移时，所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的空间电荷区宽度改变，而空间电荷区宽度直接决定了绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道的电阻，从而利用传感器电阻的改变对待测气体进行传感。 8.如权利要求7所述基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器，其特征在于，所述气体分子具体是以范德华力吸附于所述气体敏感层的表面后发生电荷转移，使所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生改变；所述二维过渡金属硫化物TMDCs与绝缘体上半导体薄膜SFOI两者之间费米能级之差的绝对值不低于0.3eV；优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型MoS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Si半导体薄膜；或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型WS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Ge半导体薄膜；或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为p型WSe2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的n型Si半导体薄膜。 9.制备如权利要求7或8所述基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)提供含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料； (2)将所述SFOI形成图形结构，去除目标导电沟道区域外的半导体薄膜层，形成半导体薄膜图形结构，该半导体薄膜图形结构即导电沟道台面； (3)在所述半导体薄膜图形结构的表面形成电极层，从而形成分别与目标导电沟道区域两端相连的两个电极； (4)将二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜直接生长或者转移至所述半导体薄膜图形结构的表面，以覆盖部分所述半导体薄膜导电沟道区域，同时保证该TMDCs薄膜未与所述步骤(3)得到的两个电极直接接触； (5)在所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的表面形成钝化层，然后将所述钝化层图形化，以形成暴露部分二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的开口，以作为气体吸附及脱附的窗口。 10.如权利要求9所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料优选以电阻率小于1Ωcm的低电阻晶圆片为衬底，该衬底同时也作为背栅电极；优选的，所述衬底为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、GaN、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的绝缘体层为SiO2、Al2O3、HfO2、AlN中的任意一种或者是它们中的两者及两者以上组成的化合物或叠层中的任一种，所述绝缘体层的厚度为5-500nm，该绝缘体层同时也作为背栅介质层；所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、GaN、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；所述步骤(1)中，所述含有背栅电极层的绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为本征半导体或掺杂浓度为1013-1017cm-3的轻掺杂半导体；该半导体薄膜的厚度为5-500nm；所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种以及它们的合金中的任一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的厚度为0.6-100nm；所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的掺杂浓度要大于所述绝缘体上半导体薄膜的掺杂浓度，以便该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜与半导体薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；所述步骤(5)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。
所属类别：	发明专利