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TWI740325B - 氣體感測器及其製備方法 - Google Patents

氣體感測器及其製備方法 Download PDF

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TWI740325B
TWI740325B TW108147700A TW108147700A TWI740325B TW I740325 B TWI740325 B TW I740325B TW 108147700 A TW108147700 A TW 108147700A TW 108147700 A TW108147700 A TW 108147700A TW I740325 B TWI740325 B TW I740325B
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張煒熾
林欣樺
施博理
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鴻海精密工業股份有限公司
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Abstract

一種氣體感測器，其包括：基板；底閘極，位於基板的一表面；絕緣層，其位於基板上且完全覆蓋底閘極；半導體層，其位於絕緣層遠離所述基板的一側；相互間隔的源極和汲極，均與半導體層連接；鈍化層，覆蓋半導體層；以及頂閘極，其位於鈍化層遠離基板的表面且與源極和汲極均間隔設置，頂閘極的材質為導電的氣體敏感材料。本發明還提供氣體感測器的製備方法。所述氣體感測器利用吸附氣體改變頂閘極的電勢，從而影響所述汲極的電流，進而可以根據汲極的電流變化偵測氣體，所述氣體感測器具有較快的感測速度且感測更加精準。

Description

氣體感測器及其製備方法
本發明涉及一種氣體感測器及該氣體感測器的製備方法。
習知的一種氣體感測器300，如圖1所示，其包括基板101以及位於所述基板上的薄膜電晶體(TFT)。所述薄膜電晶體包括依次層疊在所述基板101上的閘極103、半導體層105、以及源極102和汲極104，其中所述閘極103和所述半導體層105之間還設置有絕緣層107以使二者相互隔離。所述源極102和所述汲極104分別連接於所述半導體層105的相對兩側。所述氣體感測器的外表面，本實施例中，所述半導體層105遠離所述閘極103的表面塗有分析物層109。某種氣體可能會與分析物層109中的物質發生反應而形成特定的產物，並且產物可能會逐漸擴散到閘極和絕緣體之間的介面中，從而使TFT中的電極電壓發生變化，進而可以檢測出氣體。但是，產物擴散到TFT中可能要花費較長的時間，導致氣體感測速度慢。
本發明一方面提供一種氣體感測器，其包括：基板；底閘極，其位於在基板的一表面； 絕緣層，其位於在所述基板具有所述底閘極的表面上且完全覆蓋所述底閘極；半導體層，其位於所述絕緣層遠離所述基板的一側；相互間隔的源極和汲極，均與半導體層連接；鈍化層，其覆蓋所述半導體層；以及頂閘極，其位於所述鈍化層遠離所述基板的表面且與所述源極和汲極均間隔設置，所述頂閘極的材質為導電的氣體敏感材料。
本發明另一方面提供一種氣體感測器的製備方法，其包括：提供一基板並在所述基板的一表面上形成底閘極；在所述基板上沉積一絕緣層完全覆蓋所述底閘極；在所述絕緣層遠離所述基板的一側形成一半導體層；在所述半導體層遠離所述基板的一側形成鈍化層，在所述鈍化層中開設相互間隔的兩個通孔使所述半導體層局部露出；在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成間隔設置的源極和汲極，所述源極和所述汲極還分別延伸到一通孔內以連接所述半導體層；以及在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成一頂閘極，所述頂閘極的材質為導電的氣體敏感材料。
本發明另一方面還提供一種氣體感測器的製備方法，其包括：提供一基板並在所述基板的一表面上形成底閘極；在所述基板上沉積一絕緣層完全覆蓋所述底閘極；在所述絕緣層遠離所述基板的一側形成一半導體層；在所述半導體層遠離所述基板的一側形成相互間隔的源極和汲極連接所述半導體層； 在所述半導體層上形成完全覆蓋所述源極和汲極以及所述半導體層的鈍化層；以及在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成一頂閘極。
本發明的氣體感測器不需要設置分析物層在其外表面，可有效避免氣體與分析物層反應的產物影響所述氣體感測器的性能；同時所述氣體感測器利用吸附氣體改變頂閘極的電勢，從而影響所述汲極的電流，進而可以根據汲極的電流變化偵測氣體，所述氣體感測器具有較快的感測速度且感測更加精準。
100、200、300:氣體感測器
103:閘極
109:分析物層
10、101:基板
20:底閘極
30、107:絕緣層
40、105:半導體層
50:鈍化層
61、102:源極
63、104:汲極
70:頂閘極
圖1是習知技術的氣體感測器的剖面示意圖。
圖2是本發明第一實施例的氣體感測器的剖面示意圖。
圖3是本發明第二實施例的氣體感測器的剖面示意圖。
圖4A和圖4B為圖2所示的氣體感測器的電學性能圖表。
圖5為是本發明第一實施例的氣體感測器的製備流程圖。
圖6為是本發明第二實施例的氣體感測器的製備流程圖。
附圖中示出了本發明的實施例，本發明可以藉由多種不同形式實現，而並不應解釋為僅局限於這裡所闡述的實施例。相反，提供這些實施例是為了使本發明更為全面和完整的公開，並使本領域的技術人員更充分地瞭解本發明的範圍。為了清晰可見，在圖中，層和區域的尺寸被放大了。
請參閱圖2，本發明第一實施方式的氣體感測器100包括依次層疊設置的基板10、底閘極20、絕緣層30、半導體層40、鈍化層50、源極61和 汲極63。所述底閘極20局部覆蓋所述基板10的一表面。所述絕緣層30形成在所述基板10具有所述底閘極20的表面上且完全覆蓋所述底閘極20。所述半導體層40覆蓋所述絕緣層30遠離所述基板10的一側。所述鈍化層50位於所述絕緣層30上且完全覆蓋所述半導體層40。所述源極61和所述汲極63分別從所述鈍化層50遠離所述基板10的一側延伸並貫穿所述鈍化層50從而與所述半導體層40直接接觸。所述源極61和所述汲極63位於所述半導體層40遠離所述基板10的表面，且相互間隔設置。所述源極61和所述汲極63位於所述半導體層40的相對兩端。所述氣體感測器100還包括頂閘極70，所述頂閘極70位於所述鈍化層50遠離所述基板10的表面。所述頂閘極70與所述源極61和汲極63均間隔設置。沿所述氣體感測器100的厚度方向所述半導體層40在所述基板10上的投影與所述底閘極20在所述基板10上的投影為重疊的，所述頂閘極70在所述基板10上的投影與所述底閘極20在所述基板10上的投影至少為部分重疊的。
請參閱圖3，本發明第二實施方式的氣體感測器200包括依次層疊設置的基板10、底閘極20、絕緣層30、半導體層40、源極61和汲極63、鈍化層50、以及頂閘極70。所述底閘極20局部覆蓋所述基板10的一表面。所述絕緣層30形成在所述基板10具有所述底閘極20的表面上且完全覆蓋所述底閘極20。所述半導體層40局部覆蓋所述絕緣層30遠離所述基板10的一側。所述源極61和所述汲極63位於所述半導體層40遠離所述基板10的表面，且相互間隔設置。所述源極61和所述汲極63位於所述半導體層40的相對兩端。所述鈍化層50位於所述絕緣層30上且完全覆蓋所述半導體層40、所述源極61和所述汲極63。所述頂閘極70位於所述鈍化層50遠離所述基板10的表面。所述頂閘極70與所述源極61和汲極63均間隔設置。沿所述氣體感測器200的厚度方向，所述半導體層40在所述基板10上的投影與所述底閘 極20在所述基板10上的投影為重疊的；所述頂閘極70在所述基板10上的投影與所述底閘極20在所述基板10上的投影至少為部分重疊的。
上述兩個實施例中，所述頂閘極70為直接接觸待測氣體的，因此所述頂閘極70需保證為外露的，以可以與待檢測的氣體直接接觸。所述頂閘極70的表面不需要設置任何的分析物層。所述頂閘極70的材質為導電的氣體敏感材料。所述氣體敏感材料是指接觸某種或某類氣體其物理、化學性能發生改變的材料。本實施例中，所述頂閘極70的材質為能夠吸附氣體從而改變其電勢，例如奈米金和奈米鉑。
所述基板10採用本領域常規使用的各種電性絕緣材料，例如玻璃、石英和塑膠。在一些實施例中，基板10可以是陶瓷和/或矽材料。
所述半導體層40的材質本領域常規使用的各種半導體材料，例如矽、銦鎵鋅氧化物、銦鋅錫氧化物、銦鎵錫氧化物、銦鋁鋅氧化物等。
所述絕緣層30和所述鈍化層50採用本領域常規使用的各種電性絕緣材料，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧化釔、氧化鉿、氧化鋯、氮化鋁、氮氧化鋁、氧化鈦、鈦酸鋇、鈦酸鉛，或上述物質的組合。所述源極61和汲極63以及底閘極20為本領域常規使用的各種導電材料，例如鋁、銀、金、鈷、鉻、銅、銦、錳、鉬、鎳、釹、鈀、鉑、鈦、鎢、鋅，以及上述物質的混合物/合金。為了實現更高的光學效率，在一些實施例中，導電材料可選自諸如氧化銦錫、氧化銦鋅、鋁摻雜氧化鋅的透明導電材料或上述物質的組合。
圖2和圖3所示的氣體感測器100，200的主要結構均為具有兩個閘極的TFT。如圖4A和圖4B所示的曲線圖為對圖2或圖3所示的具有雙閘極的TFT進行的電壓和電流測試。圖4A中橫坐標代表底閘極的電壓(Vg)，縱坐標代表汲極的電流(Id)的對數(log2)。圖4B中橫坐標代表底柵電極的 電壓(Vg)，縱坐標代表汲極的電流(Id)的平方根。圖4A和圖4B分別示出了多條Id-Vg曲線，其中每一條曲線對應的是頂閘極的電壓保持恒定不變，隨著底閘極的電壓變化，汲極的電流的變化，其中沿著橫坐標的方向從左至右的曲線分別對應頂閘極的電壓為20V、15V、10V、5V、0V、-5V、-10V、-15V、以及-20V。即圖4A和圖4B分別示出隨著頂閘極的電壓、底閘極的電壓與汲極的電流三者之間的關係。研究人員發現，Id-Vg曲線是隨著頂閘極電壓的變化而變化。
本發明實施例的氣體感測器100,200，正是利用隨著頂閘極70的電壓的變化，底閘極20的電壓與汲極63的電流之間的關係進行偵測氣體的。使用所述氣體感測器100,200進行氣體偵測時，所述底閘極20被施加一恒定的工作電壓(不等於零)且所述源極61被施加一電壓信號，而所述頂閘極70未施加電壓(零電勢)，此時所述半導體層40將由半導體性能轉化為導體性能，而所述源極61和所述汲極63電性導通，因此電流依次從所述源極61、半導體層40、所述汲極63流過。如果氣體分子被吸附在所述頂閘極70，則所述頂閘極70的電勢將發生變化不再等於零，而所述底閘極的電壓保持不變，則所述汲極的電流將根據圖4A和圖4B中的Id-Vg曲線變化。由此，可以根據漏電極的電流變化來檢測氣體。
公式I-ratio=Id/Id-0，其中Id-0代表頂閘極電勢為零時汲極的電流；Id代表當所述氣體感測器被放置在一檢測氣體環境下的汲極的電流。
本發明的氣體感測器不需要設置分析物層在其外表面，可有效避免氣體與分析物層反應產物影響所述氣體感測器的性能；同時所述氣體感測器利用吸附氣體改變頂閘極的電勢，從而影響所述汲極的電流，進而可以根據汲極的電流變化偵測氣體，所述氣體感測器具有較快的感測速度且感測更加精準。
請參閱圖5，本發明實施例一的氣體感測器的製備方法包括如下步驟。
步驟S1：提供一基板並在所述基板的一表面上形成底閘極。
步驟S2：在所述基板上沉積一絕緣層完全覆蓋所述底閘極。
步驟S3：在所述絕緣層遠離所述基板的一側形成一半導體層。
步驟S4-1：在所述半導體層遠離所述基板的一側形成鈍化層，並在所述鈍化層中開設兩個相互間隔的通孔使所述半導體層局部露出。
步驟S5-1：在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成間隔設置的源極和汲極，所述源極和所述汲極還分別延伸到一通孔內以連接所述半導體層。
步驟S6：在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成一頂閘極。
請參閱圖6，本發明實施例二的氣體感測器的製備方法包括如下步驟。
步驟S1：提供一基板並在所述基板的一表面上形成底閘極。
步驟S2：在所述基板上沉積一絕緣層完全覆蓋所述底閘極。
步驟S3：在所述絕緣層遠離所述基板的一側形成一半導體層。
步驟S4-2：在所述半導體層遠離所述基板的一側形成相互間隔的源極和汲極以連接所述半導體層。
步驟S5-2：在所述半導體層上形成完全覆蓋所述源極、所述汲極以及所述半導體層的鈍化層。
步驟S6：在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成一頂閘極。
步驟S1具體可包括：在所述基板的一表面形成一導電層，對所述導電層進行圖案化以形成局部覆蓋所述基板的表面的底閘極。
步驟S3具體可包括：在所述述絕緣層遠離所述基板的表面形成一半導體材料層，對所述半導體材料層進行圖案化以形成局部覆蓋所述絕緣層的半導體層。
步驟S4-2具體可包括：在所述半導體層遠離所述基板的一側形成一導電層，對所述導電層進行圖案化以形成相互間隔設置的源極和汲極。
步驟S6具體可包括：在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成一導電層，對所述導電層進行圖案化以形成頂閘極，所述頂閘極的材質為導電的氣體敏感材料。所述氣體敏感材料是指接觸某種或某類氣體其物理、化學性能發生改變的材料。本實施例中，所述頂閘極70的材質為能夠吸附氣體從而改變其電勢，例如奈米金和奈米鉑。
以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，圖示中出現的上、下、左及右方向僅為了方便理解，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，所屬技術領域的普通人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
100:氣體感測器
10:基板
20:底閘極
30:絕緣層
40:半導體層
50:鈍化層
61:源極
63:汲極
70:頂閘極

Claims (9)

  1. 一種氣體感測器，其改良在於，包括：基板；底閘極，位於基板的一表面；絕緣層，位於所述基板具有所述底閘極的表面上且完全覆蓋所述底閘極；半導體層，位於所述絕緣層遠離所述基板的一側；相互間隔的源極和汲極，均位於所述半導體層遠離所述基板的一側與所述半導體層連接；鈍化層，覆蓋所述半導體層；以及頂閘極，位於所述鈍化層遠離所述基板的表面且與所述源極和汲極均間隔設置，所述頂閘極的材質為導電的氣體敏感材料。
  2. 如請求項1所述的氣體感測器，其中，所述頂閘極的材質為奈米金或奈米鉑。
  3. 如請求項1所述的氣體感測器，其中，所述源極和所述汲極分別從所述鈍化層遠離所述基板的一側延伸並貫穿所述鈍化層從而與所述半導體層接觸連接。
  4. 如請求項1所述的氣體感測器，其中，所述鈍化層位於所述絕緣層上且完全覆蓋所述半導體層、所述源極和所述汲極。
  5. 如請求項1所述的氣體感測器，其中，沿所述氣體感測器的厚度方向，所述半導體層在所述基板上的投影與所述底閘極在所述基板上的投影為重 疊的，所述頂閘極在所述基板上的投影與所述底閘極在所述基板上的投影至少為部分重疊的。
  6. 一種氣體感測器的製備方法，其中，包括：提供一基板並在所述基板的一表面上形成底閘極；在所述基板上沉積一絕緣層完全覆蓋所述底閘極；在所述絕緣層遠離所述基板的一側形成一半導體層；在所述半導體層遠離所述基板的一側形成鈍化層，在所述鈍化層中開設相互間隔的兩個通孔使所述半導體層局部露出；在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成間隔設置的源極和汲極，所述源極和所述汲極還分別延伸到一通孔內以連接所述半導體層；以及在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成一頂閘極，所述頂閘極的材質為導電的氣體敏感材料。
  7. 如請求項6所述的氣體感測器的製備方法，其中，在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成頂閘極包括在所述鈍化層上形成材質為奈米金或奈米鉑的頂閘極。
  8. 一種氣體感測器的製備方法，其中，包括：提供一基板並在所述基板的一表面上形成底閘極；在所述基板上沉積一絕緣層完全覆蓋所述底閘極；在所述絕緣層遠離所述基板的一側形成一半導體層；在所述半導體層遠離所述基板的一側形成相互間隔的源極和汲極連接所述半導體層； 在所述半導體層上形成完全覆蓋所述源極和汲極以及所述半導體層的鈍化層；以及在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成一頂閘極，所述頂閘極的材質為導電的氣體敏感材料。
  9. 如請求項8所述的氣體感測器的製備方法，其中在所述鈍化層遠離所述基板的一側形成頂閘極包括在所述鈍化層上形成材質為奈米金或奈米鉑的頂閘極。
TW108147700A 2018-12-28 2019-12-25 氣體感測器及其製備方法 TWI740325B (zh)

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TW202028735A TW202028735A (zh) 2020-08-01
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TW108147700A TWI740325B (zh) 2018-12-28 2019-12-25 氣體感測器及其製備方法

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