基于电荷流动晶体管的新型气敏传感器
2018-03-22 20:41:29
荷流动晶体管（CFT）是一种栅区开槽分成两部分，并将有机膜覆盖于间隙上的特殊金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。CFT器件最早由Senturia提出。当对CFT器件加一大于阈值电压的栅压Vg时，由于有机材料一般电阻率很高，因而有机膜充电完成，电压达到Vgs需要一段时间，因此漏电流出现延迟现象。这种延迟的快慢可由周围的气体环境及不同的气体浓度来改变，因而CFT器件可以用做气体探测器。在气敏传感器的制作中，通常采用平面叉指电极结构，但由于高阻有机膜的影响，电流太小（nA-pA），不易测量，同时需要良好的屏蔽以避免噪声的干扰。利用场效应管将信号检出，可在一定程度上克服上述困难，但基于CFT的传感器还未见有文章报道。将CFT用于传感器方面的主要优点是电流可与通常的MOSFET相比俨A-mA），测量较方便，并且极大地减小了噪声的影响。
基于CFT器件的气敏传感器还可以明显减小器件尺寸，并可利用IC工艺将传感器集成到探测电路中，便于向微型化集成化方向发展。
Langmuir-Blodgett（LB）膜作为有机分子高度有序排列的超薄分子膜，具有无序排列所不具备的特殊功能。近年来，随着LB技术的发展，它在气体传感器方面的应用引起了人们的极大关注。由于LB膜层薄且分子排列的高度有序性，使得用LB膜制作的气敏元件，吸附气体的速度快，选择性强，能在常温下工作，且元件的重复一致性好。由于酞菁是一类对气体具有敏感特性的有机半导体材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性，酞菁LB膜在高灵敏度气体探测方面有着极好的应用前景。
本文以三明治型稀土金属元素镨双酞菁配合物料，基于CFT原理，设计了一种新型的N2气敏传3的配比与十八烷醇（0A）混合的LB多层膜（Pr（Pc）2-OA）取代CFT的金属栅极中的间隙部位。利用栅区部位的LB膜与N2间的化学反应原理来改变敏感膜的电阻，从而改变敏感膜充电所需的时间，以实现对不同浓度NO2气体的检测。
CFT气敏传感器的结构与工作原CFT气敏传感器是在MOSFET的基础上，将金属栅极的一部分用敏感材料代替，其剖面结构如所示。为P沟CFT器件的正面示意图。
CFT的工作原理可用如所示的电荷流动电容器充电过程的简化模型来描述。硅基片和金属电极之间为绝缘Si2氧化层，气敏材料填充在栅电极的间隙中。当所加栅源电压（Vgs）大于FET的阈值电压（Vth）时，电荷流动电容器开始充电，可分两步。
首先栅极的金属部分迅速充电达到Vgs（（a））；随后电荷将在高阻敏感膜中流动（（b）），直到敏感膜部分的电荷均匀分布，充电达到Vgs（（c））。由于敏感膜电阻很高，在膜完全充电之前存在一个延迟，因而只有通过整个膜的电压达到Vgs时，完全Vgs和漏源电流（Ids）达到饱和之间存在一个时间弛豫，这就是CFT器件的开启响应（或延迟效应）。
整个充电过程所需时间与敏感膜电阻栅极间隙宽3.这种器件的基本结构如所示，源漏沟道长为10（1，宽为noom，栅氧厚度为90nm，栅金属是漉射的50nm的Cr膜和100nm的Au膜。
短。由于酞菁类物质是一种p型有机半导体，当吸附了氧化性气体后，被吸附的气体分子接受酞菁环上的n电子，两者之间发生如下的电荷转移过程：PcPc++e-，N2+e-NO-使得LB膜内形成电子空穴对。栅区部位的Pr（Pc）2~OALB膜吸附了NO2气体而引起空穴浓度的增加，在膜层内形成电偶极子，同时由于LB膜的高度有序性而使电偶极子排列的有序程度增加，这必将导致栅区部位敏感膜电阻的减小和流动电荷的增（d）W=3尹m使用WM-1型LB拉膜仪制备Pr（Pc）2~A复合型LB多层膜，在表面张力为32.水温度为25C，pH= LB膜以Y型方式转移到CFT器件的金属栅极间的间隙部位，形成具有CFT结构的LB膜化学场效应器件。
加，电荷流动电容器充电加速，从而导致漏源沟道导通，漏电流产生的时间缩短。当气体浓度和栅区间隙宽度变化时，栅区部位的电荷积累将产生不同的变化，即漏源输出电流将发生相应的改变，因而可以由此检测其气敏特性。这种CFT气敏传感器可探测的N2最低浓度为5ppm.多次实验证明，漏源电流（/DS）随时间的变化对同一种膜而言，具有较好的重4结果与讨论Pr（Pc）2-A复合LB膜CFT器件的气敏特性是在常温下测量的，给出了60层LB膜CFT气敏传感器（W=35m）在不同NO2气体浓度下的开启响应（由于是P沟FET，因而所加偏压和漏源电流都为负）。基线响应为通入NO2气体前，在纯氮中测得的。随着气体浓度的增加，漏源电流（/DS）的开启速率也增加，这主要是由于栅极中的敏感膜在实验还发现，该器件具有较好的恢复特性，对于W=35m的CFT器件，在初始的40min里恢复程度达90%，但完全恢复还需要近lh的时间。在恢复的初期，吸附在敏感膜表面上的NO2气体分子将发生较快的脱附；而在随后直至完全恢复的这段较长的时间里，扩散进敏感膜体内的NO2分子将发生非常复杂的脱附过程。当然，以有机半导体材料做敏感膜，其完全恢复时间较长，这与材料本身的特性及器件制备工艺条件等因素有关。
通过对开启响应曲线中最陡直线部分的斜率进行计算，获得了该器件对NO2气体的敏感性（见图NO2-气本-2中其电导增加而导致电荷充电寸间的缩MSh7随着sNOhl体浓度的！加，漏电流的增加速率基本成线性关系。
对W=2m和W=1少m的CFT器件在不同NO2气体浓度下的气敏响应特性也进行了测试，实验表明W= 2少m的CFT器件探测阈值可达5ppm，同时由于金属对Pr（Pc）2-OA复合LB膜的比例较W= 35"m大，因而最快的响应时间缩短了将近5min.然而，对于W=15m的CFT器件对NO2的探测灵敏度却极大地降低，50min以后对20ppm的NO2气体才有响应。这可能是由于栅极间隙宽度的减小使得敏感膜的有效面积减小（即填充的敏感材料减少），导致气体能够吸附的敏感位减少，因此对NO2气体的敏感程度相对降低，响应特性变差。可见，在设计参数范围内，栅极间隙越宽，器件的探测灵敏度越好。
基于CFT器件的气敏传感器，其灵敏度、响应-恢复特性及稳定性与所用敏感膜材料（如材料的电导率敏感特性等）、器件结构的优化设计（如沟道长宽、栅极间隙宽度等）以及器件加工工艺条件（如绝缘层厚度的控制）等因素有关。要提高器件的敏感特性，实现传感器的实用化，必须从上述等几方面来力口以改善。
5结论设计研制了一种新型的基于电荷流动晶体管的LB膜化学场效应气敏传感器，并在不同NO2气体浓度的情况下，对不同栅区间隙宽度的Pr（Pc）2-OALB膜CFT器件的气敏特性进行了研究。Pr（Pc）2~OA/Si混合LB多层膜CFT器件很容易探测到几ppm到几十ppm量级的NO2气体浓度的变化。该器件在常温下可检测到5ppm的NO2气体，因而利用这种CFT器件的开启响应可对低浓度气体进行监测。该CFT器件具有较好的恢复特性，初始恢复迅速（40min恢复90%），完全恢复将近100min.漏源电流（Ids）随时间的变化对同一种膜具有较好的重复性。这种基于CFT的化学场效应气敏传感器输出电流信号较强，在测量上解决了电阻元件测量困难的问题，为进一步提高探测灵敏度提供了可能性。同时，还可结合微电子制备工艺，实现具有不同有机敏感材料的FET器件的微型化、集成化和阵列化，为各种微结构传感器的实现提供了可行性。
基于CFT器件的气敏传感器还可以明显减小器件尺寸，并可利用IC工艺将传感器集成到探测电路中，便于向微型化集成化方向发展。
Langmuir-Blodgett（LB）膜作为有机分子高度有序排列的超薄分子膜，具有无序排列所不具备的特殊功能。近年来，随着LB技术的发展，它在气体传感器方面的应用引起了人们的极大关注。由于LB膜层薄且分子排列的高度有序性，使得用LB膜制作的气敏元件，吸附气体的速度快，选择性强，能在常温下工作，且元件的重复一致性好。由于酞菁是一类对气体具有敏感特性的有机半导体材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性，酞菁LB膜在高灵敏度气体探测方面有着极好的应用前景。
本文以三明治型稀土金属元素镨双酞菁配合物料，基于CFT原理，设计了一种新型的N2气敏传3的配比与十八烷醇（0A）混合的LB多层膜（Pr（Pc）2-OA）取代CFT的金属栅极中的间隙部位。利用栅区部位的LB膜与N2间的化学反应原理来改变敏感膜的电阻，从而改变敏感膜充电所需的时间，以实现对不同浓度NO2气体的检测。
CFT气敏传感器的结构与工作原CFT气敏传感器是在MOSFET的基础上，将金属栅极的一部分用敏感材料代替，其剖面结构如所示。为P沟CFT器件的正面示意图。
CFT的工作原理可用如所示的电荷流动电容器充电过程的简化模型来描述。硅基片和金属电极之间为绝缘Si2氧化层，气敏材料填充在栅电极的间隙中。当所加栅源电压（Vgs）大于FET的阈值电压（Vth）时，电荷流动电容器开始充电，可分两步。
首先栅极的金属部分迅速充电达到Vgs（（a））；随后电荷将在高阻敏感膜中流动（（b）），直到敏感膜部分的电荷均匀分布，充电达到Vgs（（c））。由于敏感膜电阻很高，在膜完全充电之前存在一个延迟，因而只有通过整个膜的电压达到Vgs时，完全Vgs和漏源电流（Ids）达到饱和之间存在一个时间弛豫，这就是CFT器件的开启响应（或延迟效应）。
整个充电过程所需时间与敏感膜电阻栅极间隙宽3.这种器件的基本结构如所示，源漏沟道长为10（1，宽为noom，栅氧厚度为90nm，栅金属是漉射的50nm的Cr膜和100nm的Au膜。
短。由于酞菁类物质是一种p型有机半导体，当吸附了氧化性气体后，被吸附的气体分子接受酞菁环上的n电子，两者之间发生如下的电荷转移过程：PcPc++e-，N2+e-NO-使得LB膜内形成电子空穴对。栅区部位的Pr（Pc）2~OALB膜吸附了NO2气体而引起空穴浓度的增加，在膜层内形成电偶极子，同时由于LB膜的高度有序性而使电偶极子排列的有序程度增加，这必将导致栅区部位敏感膜电阻的减小和流动电荷的增（d）W=3尹m使用WM-1型LB拉膜仪制备Pr（Pc）2~A复合型LB多层膜，在表面张力为32.水温度为25C，pH= LB膜以Y型方式转移到CFT器件的金属栅极间的间隙部位，形成具有CFT结构的LB膜化学场效应器件。
加，电荷流动电容器充电加速，从而导致漏源沟道导通，漏电流产生的时间缩短。当气体浓度和栅区间隙宽度变化时，栅区部位的电荷积累将产生不同的变化，即漏源输出电流将发生相应的改变，因而可以由此检测其气敏特性。这种CFT气敏传感器可探测的N2最低浓度为5ppm.多次实验证明，漏源电流（/DS）随时间的变化对同一种膜而言，具有较好的重4结果与讨论Pr（Pc）2-A复合LB膜CFT器件的气敏特性是在常温下测量的，给出了60层LB膜CFT气敏传感器（W=35m）在不同NO2气体浓度下的开启响应（由于是P沟FET，因而所加偏压和漏源电流都为负）。基线响应为通入NO2气体前，在纯氮中测得的。随着气体浓度的增加，漏源电流（/DS）的开启速率也增加，这主要是由于栅极中的敏感膜在实验还发现，该器件具有较好的恢复特性，对于W=35m的CFT器件，在初始的40min里恢复程度达90%，但完全恢复还需要近lh的时间。在恢复的初期，吸附在敏感膜表面上的NO2气体分子将发生较快的脱附；而在随后直至完全恢复的这段较长的时间里，扩散进敏感膜体内的NO2分子将发生非常复杂的脱附过程。当然，以有机半导体材料做敏感膜，其完全恢复时间较长，这与材料本身的特性及器件制备工艺条件等因素有关。
通过对开启响应曲线中最陡直线部分的斜率进行计算，获得了该器件对NO2气体的敏感性（见图NO2-气本-2中其电导增加而导致电荷充电寸间的缩MSh7随着sNOhl体浓度的！加，漏电流的增加速率基本成线性关系。
对W=2m和W=1少m的CFT器件在不同NO2气体浓度下的气敏响应特性也进行了测试，实验表明W= 2少m的CFT器件探测阈值可达5ppm，同时由于金属对Pr（Pc）2-OA复合LB膜的比例较W= 35"m大，因而最快的响应时间缩短了将近5min.然而，对于W=15m的CFT器件对NO2的探测灵敏度却极大地降低，50min以后对20ppm的NO2气体才有响应。这可能是由于栅极间隙宽度的减小使得敏感膜的有效面积减小（即填充的敏感材料减少），导致气体能够吸附的敏感位减少，因此对NO2气体的敏感程度相对降低，响应特性变差。可见，在设计参数范围内，栅极间隙越宽，器件的探测灵敏度越好。
基于CFT器件的气敏传感器，其灵敏度、响应-恢复特性及稳定性与所用敏感膜材料（如材料的电导率敏感特性等）、器件结构的优化设计（如沟道长宽、栅极间隙宽度等）以及器件加工工艺条件（如绝缘层厚度的控制）等因素有关。要提高器件的敏感特性，实现传感器的实用化，必须从上述等几方面来力口以改善。
5结论设计研制了一种新型的基于电荷流动晶体管的LB膜化学场效应气敏传感器，并在不同NO2气体浓度的情况下，对不同栅区间隙宽度的Pr（Pc）2-OALB膜CFT器件的气敏特性进行了研究。Pr（Pc）2~OA/Si混合LB多层膜CFT器件很容易探测到几ppm到几十ppm量级的NO2气体浓度的变化。该器件在常温下可检测到5ppm的NO2气体，因而利用这种CFT器件的开启响应可对低浓度气体进行监测。该CFT器件具有较好的恢复特性，初始恢复迅速（40min恢复90%），完全恢复将近100min.漏源电流（Ids）随时间的变化对同一种膜具有较好的重复性。这种基于CFT的化学场效应气敏传感器输出电流信号较强，在测量上解决了电阻元件测量困难的问题，为进一步提高探测灵敏度提供了可能性。同时，还可结合微电子制备工艺，实现具有不同有机敏感材料的FET器件的微型化、集成化和阵列化，为各种微结构传感器的实现提供了可行性。