基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器及制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器及制备方法，其第二有机场效应管体键合固定在第一有机场效应管体的上方，第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间设置有单晶线体，且在键合固定后的第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间形成检测腔体；第一有机场效应管体内包括用于极性分子气体进入检测腔体的第一气孔，第二有机场效应管体内包括用于极性分子气体进入检测腔体的第二气孔，所述第一气孔、第二气孔均与检测腔体相连通。本发明结构紧凑，与CMOS工艺兼容，迁移率高，提高响应时间及恢复时间，信号强度高，提高测量精度，使用方便，安全可靠。
【专利说明】基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种极性分子气体传感器及制备方法，尤其是一种基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器及制备方法，属于半导体气体传感器的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]302402等极性分子气体是重要的大气污染源，对人类正常的生活产生了极为不利的影响；因此，对极性分子气体的监控势在必行。目前，市面上所应用的极性分子气体传感器多采用化学吸附测量的方式，由于化学反应中存在化学平衡，无论是气体的吸附和脱附都不彻底，不仅给测量结果带来了偏差，而且未能脱附的气体将使器件性能发生不可逆转的改变，从而严重影响了传感器的使用寿命；而且现有的传感器还存在反应时间、恢复时间过长的问题，难以实现对极性分子的气体浓度的实时测量。
[0003]目前，有机物场效应管(OFET)相关技术日臻完善，常用的有机物半导体一般由栅极、源极、漏极、有机物薄膜构成，导电沟道位于有机物薄膜上，其固有特性有利于对气体浓度的测量。但目前广泛使用的薄膜型有机物场效应管的有机薄膜中存在大量的晶格无序和晶界缺陷，使有机物半导体的本征特性不能表现出来，导致迁移率较低、传感器的阈值电压过大、响应信号过于微弱、响应时间和恢复时间过长等一系列问题。
[0004]在众多的有机物半导体材料中，金属肽箐化合物不仅具有较高的迁移率，而且在复杂气体条件下可以保持稳定的化学特性，但高能粒子束会损坏有机晶体的晶格，使半导体材料丧失其电学特性。另外，光照也会对有机物单晶材料的电学特性产生可逆的影响。
[0005]为解决上述存在的问题，许多研究机构采用有机物单晶材料作为导电层，与传统的薄膜有机物场效应管相比，单晶材料的缺陷和晶界减少了两个数量级，从而大大提高了有机物场效应管的电学特性。由于是使用有机物单晶材料气体电介质的有机物场效应管对气体吸附是一个物理过程，反应彻底无残留，有利于延长期间使用寿命，同时可以有效缩短响应时间和恢复时间。但是在用于对极性气体分子检测时，仍然存在检测精度低，与COMS工艺不够兼容，工艺复杂，难以满足生产使用的要求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于有机场效应管结构的极性气体分子气体传感器及制备方法，其结构紧凑，与CMOS工艺兼容，迁移率高，提高响应时间及恢复时间，信号强度高，提高测量精度，使用方便，安全可靠。
[0007]按照本发明提供的技术方案，所述基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，包括第一有机场效应管体及第二有机场效应管体；第一有机场效应管体包括第一有机场效应管漏电极与第一场效应管源电极，第二有机场效应管体包括第二有机场效应管漏电极及第二有机场效应管源电极；所述第二有机场效应管体键合固定在第一有机场效应管体的上方，第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间设置有单晶线体，且在键合固定后的第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间形成检测腔体；单晶线体横跨所述检测腔体，单晶线体的两端连接第一有机场效应管漏电极与第一有机场效应管源电极，以充当第一场效应管漏电极与第一场效应管源电极间的导电沟道，且单晶线体的两端同时连接第二有机场效应管漏电极与第二有机场效应管源电极，以充当第二场效应管漏电极与第二场效应管源电极间的导电沟道；第一有机场效应管体内包括用于极性分子气体进入检测腔体的第一气孔，第二有机场效应管体内包括用于极性分子气体进入检测腔体的第二气孔，所述第一气孔、第二气孔均与检测腔体相连通。
[0008]所述第一有机场效应管体包括第一衬底，第一场效应管漏电极包括第一漏极连接导体、第一场效应管源电极包括第一源极连接导体，第一漏极连接导体、第一源极连接导体贯穿设置在第一衬底内，且第一漏极连接导体、第一源极连接导体与第一衬底间绝缘隔离；第一衬底还设置有第一栅极连接导体，第一栅极连接导体位于第一漏极连接导体与第一源极连接导体间；第一衬底的上方设有第一栅电极层，第一栅电极层的上方设置第一支撑层，第一支撑层上设有第一场效应管第一电极材料层与第一场效应管第二电极材料层，第一场效应管第一电极材料层上设有第一功函数调制层，第一场效应管第二电极材料层上设有第二功函数调制层；单晶线体的两端支撑在第一功函数调制层及第二功函数调制层上，第一场效应管第一电极材料层与第一场效应管第二电极材料层间设置贯通第一支撑层的第一腔体，第一气孔贯通第一衬底，且第一气孔与第一腔体相连通；第一漏极连接导体与第一场效应管第一电极材料层电连接，第一源极连接导体与第一场效应管第二电极材料层电连接，第一栅极连接导体与第一栅电极层欧姆接触。
[0009]所述第一栅电极层与第一衬底间设置有第一互连导体层，所述第一互连导体层与第一漏极连接导体、第一源极连接导体相互绝缘，第一栅极连接导体与第一互连导体层电连接，且第一栅极连接导体通过第一互连导体层与第一栅电极层欧姆接触。
[0010]所述第一场效应管漏电极还包括第二漏极连接导体、第三漏极连接导体及第四漏极连接导体，第二漏极连接导体贯通设置在第一互连导体层内，第三漏极连接导体贯通设置在第一栅电极层内，第四漏极连接导体贯通设置在第一支撑层内；第一漏极连接导体通过第二漏极连接导体、第三漏极连接导体及第四漏极连接导体与第一场效应管第一电极材料层电连接，第一场效应管漏电极与第一互连导体层、第一栅电极层相互绝缘隔离；
第一场效应管源电极还包括第二源极连接导体、第三源极连接导体及第四源极连接导体，第二源极连接导体贯通设置在第一互连导体层内，第三源极连接导体贯通设置在第一栅电极层内，第四漏极连接导体贯通设置在第一支撑层内，第一源极连接导体通过第二源极连接导体、第三源极连接导体及第四源极连接导体与第一场效应管第二电极材料层电连接，第一场效应管源电极与第一互连导体层、第一栅电极层相互绝缘隔离。
[0011]所述第一支撑层上设有第一键合环，第一键合环位于第一场效应管第一电极材料层与第一场效应管第二电极材料层的外圈；第二场效应管体上设置有第二键合环，第二场效应管体通过第二键合环与第一键合环键合固定后设置在第一场效应管体的上方。
[0012]所述第二键合环设置在第二场效应管体的第二支撑层上，第二键合环的内圈设置有第二场效应管第一电极材料层及第二场效应管第二电极材料层,第二场效应管第一电极材料层通过第三功函数调制层与单晶线体相接触，第二场效应管第二电极材料层通过第四功函数调制层与单晶线体相接触；第二场效应管第一电极材料层与第二场效应管第二电极材料层间设有贯通第二支撑层的第二腔体，第二腔体与第一腔体相连通后形成检测腔体；第二支撑层上设有第二栅电极层，第二栅电极层上设有第二衬底；第二场效应管漏电极包括第五漏极连接导体，第二场效应管源电极包括第五源极连接导体，第五漏极连接导体与第五源极连接导体均贯通设置在第二衬底内，第二衬底内还设置有第二栅极连接导体，所述第二栅极连接导体与第二栅电极层欧姆接触，第五漏极连接导体与第二场效应管第一电极材料层电连接，第五源极连接导体与第二场效应管第二电极材料层电连接；第二衬底内设置贯通所述第二衬底的第二气孔，所述第二气孔与第二腔体相连通。
[0013]所述第一气孔与第二气孔分别位于单晶线体的两侧。所述进入检测腔体检测的极性分子气体包括SO2气体或NO2气体。
[0014]所述第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间采用低温激光键合、低温焊料键合或共晶键合中的一种。所述检测腔体的横向宽度为SynTlOiim，纵向厚度为200?300nmo
[0015]一种基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器制备方法，所述极性分子气体传感器的制备方法包括如下步骤:
a、提供第一衬底，并在第一衬底内设置绝缘隔离的第一漏极连接导体、第一栅极连接导体与第一源极连接导体，第一栅极连接导体位于第一漏极连接导体与第一源极连接导体间，且第一漏极连接导体、第一栅极连接导体与第一源极连接导体均贯通设置在第一衬底内；
b、在上述第一衬底上方设置第一栅电极层，并在第一栅电极层内设置绝缘隔离的第三漏极连接导体及第三源极连接导体；第三漏极连接导体位于第一漏极连接导体的正上方，并与第一漏极连接导体电连接；第三源极连接导体位于第一源极连接导体的正上方，并与第一源极连接导体电连接，第一栅电极层与第一栅极连接导体欧姆接触；
C、在上述第一栅电极层上设置第一支撑层，并在第一支撑层内设置第四漏极连接导体及第四源极连接导体，第四漏极连接导体位于第三漏极连接导体的正上方，并与第三漏极连接导体电连接；第四源极连接导体位于第三源极连接导体的正上方，并与第三源极连接导体电连接；
d、在上述第一支撑层上设置所需的第一场效应管第一电极材料层与第一场效应管第二电极材料层，第一场效应管第一电极材料层与第四漏极连接导体电连接，第一场效应管第二电极材料层与第四源极连接导体电连接；
e、在上述第一场效应管第一电极材料层上设置第一功函数调制层，在第一场效应管第二电极材料层上设置第二功函数调制层；
f、对第一支撑层进行刻蚀，以形成贯通所述第一支撑层的第一腔体，第一场效应管第一电极材料层、第一场效应管第二电极材料层分别位于第一腔体的两侧；
g、对上述第一栅电极层、第一衬底进行刻蚀，得到第一气孔，所述第一气孔与第一腔体相连通，以形成所需的第一有机场效应管体；
h、提供第二衬底，利用上述步骤形成所需的第二有机场效应管体；第二有机场效应管体包括第二腔体、第二气孔、第三功函数调制层、第二场效应管第一电极材料层、第四功函数调制层及第二场效应管第二电极材料层；
1、在上述第一腔体上设置若干横跨的单晶线体，所述单晶线体的两端分别与第一功函数调制层及第二功函数调制层连接； j、将上述包含第二衬底的第二有机场效应管体键合固定在第一有机场效应管体上，第二腔体与第一腔体共同形成检测腔体；单晶线体同时横跨在第二腔体上，单晶线体的一端通过第三功函数调制层与第二场效应管第一电极材料层连接，单晶线体的另一端通过第四功函数调制层与第二场效应管第二电极材料层连接。
[0016]所述步骤d中，第一有机场效应管第一电极材料层与第一有机场效应管第二电极材料层为同一制造层，第一有机场效应管第一电极材料层与第一有机场效应管第二电极材料层通过溅射或蒸镀电极材料形成；所述步骤e中，第一功函数调制层与第二功函数调制层为同一制造层，第一功函数调制层与第二功函数调制层通过溅射或滴注调制层材料形成。
[0017]所述形成第一有机场效应管第一电极材料层与第一有机场效应管第二电极材料层的电极材料包括Al、Cu或Ag ;电极材料选用Al时,通过石墨烯或派射MoO3形成第一功函数调制层及第二功函数调制层；电极材料选用Cu时，调制层材料包括CuxO、TCNQ或石墨烯；电极材料选用Ag时，调制层材料包括TCNQ或石墨烯。所述单晶线体包括酞菁铜、酞菁铁或酞菁钴。
[0018]本发明的优点:第一有机场效应管体与第二有机场效应管间键合固定，且多条单晶线体设置在第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间，以充当第一场效应管漏电极与第一场效应管源电极间的导电沟道，且充当第二场效应管漏电极与第二场效应管源电极间的导电沟道；结构紧凑，与CMOS工艺兼容，迁移率高，提高响应时间及恢复时间，信号强度高，提高测量精度，使用方便，安全可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图广图12为本发明的具体实施工艺步骤的剖视图，其中 图1为本发明第一衬底的结构示意图。
[0020]图2为本发明在第一衬底内设置第一漏极连接导体、第一栅极连接导体及第一源极连接导体后的剖视图。
[0021]图3为本发明在第一衬底上设置第一互连导体层后的剖视图。
[0022]图4为本发明设置第一栅极电极层并在第一栅极电极层内设置第三漏极连接导体与第三源极连接导体后的剖视图。
[0023]图5为本发明设置第一支撑层并在第一支撑层内设置第四漏极连接导体与第四源极连接导体后的剖视图。
[0024]图6为本发明在第一支撑层上设置第一键合环后的剖视图。
[0025]图7为本发明在第一支撑层上设置第一功函数调制层与第二功函数调制层后的首1J视图。
[0026]图8为本发明得到贯通第一支撑层的第一腔体后的剖视图。
[0027]图9为图8的俯视图。
[0028]图10为本发明得到第一气孔后的剖视图。
[0029]图11为图10的俯视图。
[0030]图12为本发明将第二有机场效应管体键合固定在第一有机场效应管体上后的剖视图。[0031]图13为本发明单晶线体支撑在第一功函数调制层、第二功函数调制层上的俯视图。
[0032]图14为本发明第二气孔分布在第二衬底上的示意图。
[0033]附图标记说明:1_第一衬底、2-第一漏极连接导体、3-第一栅极连接导体、4-第一源极连接导体、5-第一互连导体层、6-第一栅电极层、7-第一支撑层、8-第一键合环、9-第一有机场效应管第一电极材料层、10-第一功函数调制层、11-第一空腔、12-第一气孔、13-单晶线体、14-第二漏极连接导体、15-第二源极连接导体、16-第三漏极连接导体、17-第三源极连接导体、18-第四漏极连接导体、19-第四源极连接导体、20-第一有机场效应管第二电极材料层、21-第二衬底、22-第五漏极连接导体、23-第二栅极连接导体、24-第五源极连接导体、25-第二互连导体层、26-第二栅电极层、27-第二支撑层、28-第二键合环、29-第二有机场效应管第一电极材料层、30-第三功函数调制层、31-第二空腔、32-第二气孔、33-第六漏极连接导体、34-第六源极连接导体、35-第七漏极连接导体、36-第七源极连接导体、37-第八漏极连接导体、38-第八源极连接导体、39-第二功函数调制层、40-第二有机场效应管第二电极材料层及41-第四功函数调制层。
【具体实施方式】
[0034]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0035]如图12所示:为了能提高够迁移率、响应时间、恢复时间、信号强度及测量精度，本发明包括第一有机场效应管体及第二有机场效应管体；第一有机场效应管体包括第一有机场效应管漏电极与第一场效应管源电极，第二有机场效应管体包括第二有机场效应管漏电极及第二有机场效应管源电极；所述第二有机场效应管体键合固定在第一有机场效应管体的上方，第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间设置有单晶线体13，且在键合固定后的第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间形成检测腔体；单晶线体13横跨所述检测腔体，单晶线体13的两端连接第一有机场效应管漏电极与第一有机场效应管源电极，以充当第一场效应管漏电极与第一场效应管源电极间的导电沟道，且单晶线体13的两端同时连接第二有机场效应管漏电极与第二有机场效应管源电极，以充当第二场效应管漏电极与第二场效应管源电极间的导电沟道；第一有机场效应管体内包括用于极性分子气体进入检测腔体的第一气孔12，第二有机场效应管体内包括用于极性分子气体进入检测腔体的第二气孔32，所述第一气孔12、第二气孔32均与检测腔体相连通。
[0036]具体地，第一有机场效应管体通过单晶线体13形成顶栅底接触型的有机物场效应管，第二有机场效应管体通过单晶线体13形成顶栅顶接触型的有机物场效应管，本发明实施例中，通过第一有机场效应管体与第二有机场效应管体的协同工作，能够提高响应时间、恢复时间、信号强度及测量精度。所述第一气孔12与第二气孔32分别位于单晶线体13的两侧，即第一气孔12与第二气孔32交错分布，如图13和图14所示，第一气孔12与第二气孔32交错分布后，能够使得进入检测腔体的极性分子气体均能通过单晶线体13，提高检测的接触面积与检测精度。
[0037]所述进入检测腔体检测的极性分子气体包括SO2气体或NO2气体。所述第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间采用低温激光键合、低温焊料键合或共晶键合中的一种。所述检测腔体的横向宽度为3 ii nTlO ii m,纵向厚度为20(T300nm。[0038]进一步地，所述第一有机场效应管体包括第一衬底I，第一场效应管漏电极包括第一漏极连接导体2、第一场效应管源电极包括第一源极连接导体4，第一漏极连接导体2、第一源极连接导体4贯穿设置在第一衬底I内，且第一漏极连接导体2、第一源极连接导体4与第一衬底I间绝缘隔离；第一衬底I还设置有第一栅极连接导体3，第一栅极连接导体3位于第一漏极连接导体2与第一源极连接导体4间；第一衬底I的上方设有第一栅电极层6，第一栅电极层6的上方设置第一支撑层7，第一支撑层7上设有第一场效应管第一电极材料层9与第一场效应管第二电极材料层20,第一场效应管第一电极材料层9上设有第一功函数调制层10，第一场效应管第二电极材料层20上设有第二功函数调制层39 ;单晶线体13的两端支撑在第一功函数调制层10及第二功函数调制层39上，第一场效应管第一电极材料层9与第一场效应管第二电极材料层20间设置贯通第一支撑层7的第一腔体11，第一气孔12贯通第一衬底1，且第一气孔12与第一腔体11相连通；第一漏极连接导体2与第一场效应管第一电极材料层9电连接,第一源极连接导体4与第一场效应管第二电极材料层20电连接，第一栅极连接导体3与第一栅电极层6欧姆接触。
[0039]本发明实施例中，第一场效应管第一电极材料层9通过第一功函数调制层10与单晶线体13的一端连接，第一场效应管第二电极材料层20通过第二功函数调制层39与单晶线体13的另一端连接，通过第一功函数调制层10及第二功函数调制层39能使得第一场效应管第一电极材料层9及第一场效应管第二电极材料层20与单晶线体13的功函数匹配，确保不会导致迁移率在界面处产生不必要的损失。
[0040]一般来说，采用金属材料的第一场效应管第一电极材料层9及第一场效应管第二电极材料层20的功函数大于单晶线体13的功函数，通过第一功函数调制层10及第二功函数调制层39的调制作用，从而实现无肖特基势垒注入载流子到位于单晶线体13中的导电沟道中。第一功函数调制层10与第二功函数调制层39并不是真正的电极，只需要有合适的功函数，对导电要求不高，可以采用半导体，第一功函数调制层10与第二功函数调制层39的厚度一般在50A100A之间，以避免导致第一场效应管第一电极材料层9及第一场效应管第二电极材料层20的导电功能下降。
[0041 ] 所述第一栅电极层6与第一衬底I间设置有第一互连导体层5，所述第一互连导体层5与第一漏极连接导体2、第一源极连接导体4相互绝缘，第一栅极连接导体3与第一互连导体层5电连接，且第一栅极连接导体3通过第一互连导体层5与第一栅电极层6欧姆接触。本发明实施例中，在第一栅电极层6与第一衬底I间设置第一互连导体层5也是为了匹配第一栅极连接导体3与第一栅电极层6之间的功函数，第一栅电极层6采用导电多晶娃。第一互连导体层5的材料可以为T1、Al、Mg、Cu或Au中的任意一种。
[0042]当第一栅电极层6与第一衬底I间设置第一互连导体层5后，所述第一场效应管漏电极还包括第二漏极连接导体14、第三漏极连接导体16及第四漏极连接导体18，第二漏极连接导体14贯通设置在第一互连导体层5内，第三漏极连接导体16贯通设置在第一栅电极层6内，第四漏极连接导体18贯通设置在第一支撑层7内；第一漏极连接导体2通过第二漏极连接导体14、第三漏极连接导体16及第四漏极连接导体18与第一场效应管第一电极材料层9电连接,第一场效应管漏电极与第一互连导体层5、第一栅电极层6相互绝缘隔离；
所述第一场效应管漏电极与第一互连导体层5、第一栅电极层6相互绝缘隔离是指需要通过第二漏极连接导体14与第一互连导体层5间绝缘隔离，第三漏极连接导体16与第一栅电极层6间绝缘隔离，从而能够实现上述绝缘隔离要求。
[0043]第一场效应管源电极还包括第二源极连接导体15、第三源极连接导体17及第四源极连接导体19，第二源极连接导体15贯通设置在第一互连导体层5内，第三源极连接导体17贯通设置在第一栅电极层6内，第四漏极连接导体19贯通设置在第一支撑层7内，第一源极连接导体4通过第二源极连接导体15、第三源极连接导体17及第四源极连接导体
19与第一场效应管第二电极材料层20电连接，第一场效应管源电极与第一互连导体层5、第一栅电极层6相互绝缘隔离。
[0044]所述第一场效应管源电极与第一互连导体层5、第一栅电极层6相互绝缘隔离是指需要第二源极连接导体15与第一互连导体层5间绝缘隔离，第三源极连接导体17与第一栅电极层6间绝缘隔离，以实现数序的绝缘隔离要求。
[0045]所述第一支撑层7上设有第一键合环8，第一键合环8位于第一场效应管第一电极材料层9与第一场效应管第二电极材料层20的外圈；第二场效应管体上设置有第二键合环28，第二场效应管体通过第二键合环28与第一键合环8键合固定后设置在第一场效应管体的上方。本发明实施例中，通过第一键合环8与第二键合环28键合能实现低温激光键合、低温焊料键合或共晶键合的一种，低温激光键合、低温焊料键合或共晶键合为通用常规键合方式，具体过程不再赘述。第一场效应管体与第二场效应管体还可以采用对准键合或其他键合方式，此处不再赘述。
[0046]所述第二键合环28设置在第二场效应管体的第二支撑层27上，第二键合环28的内圈设置有第二场效应管第一电极材料层29及第二场效应管第二电极材料层40，第二场效应管第一电极材料层29通过第三功函数调制层30与单晶线体13相接触，第二场效应管第二电极材料层40通过第四功函数调制层41与单晶线体13相接触；第二场效应管第一电极材料层29与第二场效应管第二电极材料层40间设有贯通第二支撑层27的第二腔体31，第二腔体31与第一腔体31相连通后形成检测腔体；第二支撑层27上设有第二栅电极层26，第二栅电极层26上设有第二衬底21 ;第二场效应管漏电极包括第五漏极连接导体22，第二场效应管源电极包括第五源极连接导体24，第五漏极连接导体22与第五源极连接导体24均贯通设置在第二衬底21内，第二衬底21内还设置有第二栅极连接导体23，所述第二栅极连接导体23与第二栅电极层26欧姆接触，第五漏极连接导体22与第二场效应管第一电极材料层29电连接,第五源极连接导体24与第二场效应管第二电极材料层40电连接；第二衬底21内设置贯通所述第二衬底21的第二气孔32，所述第二气孔32与第二腔体31相连通。
[0047]本发明实施例中，第二有机场效应管体与第一有机场效应管体的结构相同，第二有机场效应管体与第一有机场效应管体的不同之处位于第二气孔32与第一气孔31的交错分布。具体地，第二栅电极层26与第二衬底21间设有第二互连导体层25，第二互连导体层25内设置与所述互连导体层25绝缘隔离的第六漏极连接导体33及第六源极连接导体34，第六漏极连接导体33位于第五漏极连接导体22的正上方，且第六漏极连接导体33与第五漏极连接导体22电连接，第六源极连接导体34位于第五源极连接导体24的正下方，第六源极连接导体34与第五源极连接导体24电连接。
[0048]第二栅电极层26内设有第七漏极连接导体35及第七源极连接导体36，第七漏极连接导体35位于第六漏极连接导体33的正下方，第七源极连接导体35位于第六源极连接导体34的正下方，第七漏极连接导体35与第六漏极连接导体33电连接，第七源极连接导体36与第六源极连接导体34电连接，且第七漏极连接导体35与第七源极连接导体36均与第二栅电极层26绝缘隔离，第二栅电极层26也为多晶硅。
[0049]第二支撑层7内设置有第八漏极连接导体37及第八源极连接导体38，第八漏极连接导体37位于第七漏极连接导体35的正上方，第八源极连接导体38位于第七源极连接导体36的正下方，第八漏极连接导体37与第七漏极连接导体35电连接，第八源极连接导体38与第七源极连接导体36电连接。
[0050]如图f图12所示，上述结构的极性分子气体传感器可以通过下述工艺步骤制备得到，所述极性分子气体传感器的制备方法包括如下步骤:
a、提供第一衬底1，并在第一衬底I内设置绝缘隔离的第一漏极连接导体2、第一栅极连接导体3与第一源极连接导体4，第一栅极连接导体3位于第一漏极连接导体2与第一源极连接导体4间，且第一漏极连接导体2、第一栅极连接导体3与第一源极连接导体4均贯通设置在第一衬底I内；
如图1和图2所示:第一衬底I采用SOI (Silicon-On-1nsulator)或娃；为了在第一衬底I内制备得到第一漏极连接导体2、第一栅极连接导体3及第一源极连接导体4，需要选择性地掩蔽和刻蚀第一衬底1，以在第一衬底I内得到通孔，通过在通孔内设置绝缘层，粘附层，并在通孔内填充金属，得到贯通第一衬底I的第一漏极连接导体2、第一栅极连接导体3及第一源极连接导体4。
[0051]b、在上述第一衬底I上方设置第一栅电极层6，并在第一栅电极层6内设置绝缘隔离的第三漏极连接导体16及第三源极连接导体17 ;第三漏极连接导体16位于第一漏极连接导体2的正上方，并与第一漏极连接导体2电连接；第三源极连接导体17位于第一源极连接导体4的正上方，并与第一源极连接导体4电连接，第一栅电极层6与第一栅极连接导体3欧姆接触；
如图3所示，为了能够使得第一栅极连接导体3与第一栅电极层6之间功函数的匹配，需要在第一栅电极层6与第一衬底I内设置第一互连导体层5，第一互连导体层5通过蒸镀或溅射的方法设置在第一衬底I上，第一互连导体层5的材料为T1、Al、Mg、Cu或Au中的一种。在得到第一互连导电层5上，将第一漏极连接导体2及第一源极连接导体4正上方的第一互连导体层5刻蚀掉，形成贯通第一互连导体层5的通孔，通过在通孔内设置绝缘层，粘附层后，通过金属填充得到第二漏极连接导体14及第二源极连接导体15，本发明实施例中，第二漏极连接导体14及第二源极连接导体15为同一工艺制造层。当金属填充后，在设置第一栅电极层6前需要第一互连导体层5间的填充金属去除，此处为常规的工艺步骤，此处不再赘述。
[0052]如图4所示，为了能够得到第三漏极连接导体16及第三源极连接导体17，需要对第一栅电极层6进行刻蚀，以得到贯通第一栅电极层6的通孔，通过在通孔内制造绝缘层，粘附层等后，进行金属填充，金属填充后得到第一漏极连接导体16与第三源极连接导体17，第三漏极连接导体16与第三源极连接导体17为同一工艺制造层。
[0053]C、在上述第一栅电极层6上设置第一支撑层7，并在第一支撑层7内设置第四漏极连接导体18及第四源极连接导体19，第四漏极连接导体18位于第三漏极连接导体16的正上方，并与第三漏极连接导体16电连接；第四源极连接导体19位于第三源极连接导体17的正上方，并与第三源极连接导体17电连接；
如图5所示,第一支撑层7通过CVD (Chemical Vapor Deposition)设置在第一栅电极层6上，第一支撑层7可以为生长的氧化硅、氮化硅或旋涂烘干的PMMA等光刻胶形成，通过在第一支撑层7刻蚀形成通孔，通过对通孔内填充金属得到第四漏极连接导体18及第四源极连接导体19。本发明实施例中，形成通孔以及在通孔内填充金属的过程为现有常用的技术手段。第四漏极连接导体18、第四源极连接导体19为同一工艺制造层。
[0054]d、在上述第一支撑层7上设置所需的第一场效应管第一电极材料层9与第一场效应管第二电极材料层20,第一场效应管第一电极材料层9与第四漏极连接导体18电连接，第一场效应管第二电极材料层20与第四源极连接导体19电连接；
如图6所示:具体实施时，先在第一支撑层7上设置第一键合环8，在具有第一键合环8的第一支撑层7上设置第一场效应管第一电极材料层9及第一场效应管第二电极材料层
20;第一有机场效应管第一电极材料层9与第一有机场效应管第二电极材料层20为同一制造层，第一有机场效应管第一电极材料层9与第一有机场效应管第二电极材料层20通过派射或蒸镀电极材料形成；
e、在上述第一场效应管第一电极材料层9上设置第一功函数调制层10,在第一场效应管第二电极材料层20上设置第二功函数调制层39 ；
如图7所示，第一功函数调制层10与第二功函数调制层39为同一制造层，第一功函数调制层10与第二功函数调制层39通过溅射或滴注调制层材料形成。
[0055]所述形成第一有机场效应管第一电极材料层9与第一有机场效应管第二电极材料层20的电极材料包括Al、Cu或Ag ;电极材料选用Al时,通过石墨烯或派射MoO3形成第一功函数调制层10及第二功函数调制层39 ;电极材料选用Cu时，调制层材料包括CuxO(CuxO为氧化某铜，亦即铜的氧化物)、TCNQ (TCNQ是一种有机半导体，是一种络合盐)或石墨烯；电极材料选用Ag时,调制层材料包括TCNQ或石墨烯。当采用石墨烯时,需要在其他衬底上先做好后揭下来用机械探针覆盖到第一场效应管第一电极材料层9及第一场效应管第二电极材料层20上。
[0056]f、对第一支撑层7进行刻蚀，以形成贯通所述第一支撑层7的第一腔体11，第一场效应管第一电极材料层9、第一场效应管第二电极材料层20分别位于第一腔体11的两侧；
如图8和图9所示，通过对第一支撑层7进行刻蚀，得到第一腔体11，第一腔体11的底部为第一栅电极层6，第一腔体11沿第一支撑层7的宽度进行刻蚀。
[0057]g、对上述第一栅电极层6、第一衬底I进行刻蚀，得到第一气孔12，所述第一气孔12与第一腔体11相连通，以形成所需的第一有机场效应管体；
如图10和图11所示，通过对第一栅电极层6及第一衬底I的刻蚀，得到第一气孔12，第一气孔12位于第一腔体11的一端，第一气孔12贯通第一栅电极层6及第一衬底1，通过上述设置后能形成第一有机场效应管体。
[0058]h、提供第二衬底21，利用上述步骤形成所需的第二有机场效应管体；第二有机场效应管体包括第二腔体31、第二气孔32、第三功函数调制层30、第二场效应管第一电极材料层29、第四功函数调制层41及第二场效应管第二电极材料层40 ；
通过上述说明可知，第二有机场效应管体的结构与第一有机场效应管体的结构基板类同，为了得到第二有机场效应管体可以采用上述步骤制备；
1、在上述第一腔体11上设置若干横跨的单晶线体13，所述单晶线体13的两端分别与第一功函数调制层10及第二功函数调制层20连接；
所述单晶线体13包括酞菁铜、酞菁铁或酞菁钴。通过单晶线体13来充当第一有机场效应管体及第二有机场效应管体的导电沟道。在具体实施时，可以通过设置多条单晶线体13来增大响应电流。
[0059]j、将上述包含第二衬底21的第二有机场效应管体键合固定在第一有机场效应管体上，第二腔体31与第一腔体11共同形成检测腔体；单晶线体13同时横跨在第二腔体31上，单晶线体13的一端通过第三功函数调制层30与第二场效应管第一电极材料层29连接，单晶线体13的另一端通过第四功函数调制层41与第二场效应管第二电极材料层40连接。
[0060]如图12所示，通过键合后得到所需的极性分子气体传感器，本发明实施例中，第一有机场效应管体与第二有机场效应管体通过第一键合环8及第二键合环28键合固定。
[0061]对于第一有机场效应管体中，第一栅电极层6、第一互连导体层5及第一栅极连接导体3形成第一有机场效应管栅电极,第一有机场效应管第一电极材料层9、第一功函数调制层10、第一漏极连接导体2、第二漏极连接导体14、第三漏极连接导体16及第四漏极连接导体18形成第一有机场效应管漏电极，第一有机场效应管第二电极材料层20、第二功函数调制层39、第一源极连接导体4、第二源极连接导体15、第三源极连接导体17及第四源极连接导体19形成第二有机场效应管源电极。
[0062]对于第二有机场效应管体中，第二栅电极层26、第二互连导体层25及第二栅电极连接导体23形成第二有机场效应管栅电极,第二有机场效应管第一电极材料层29、第三功函数调制层30、第五漏极连接导体22、第六漏极连接导体33、第七漏极连接导体35及第八漏极连接导体37形成第二有机场效应管漏电极，第二有机场效应管第二电极材料层40、第四功函数调制层41、第五源极连接导体24、第六源极连接导体34、第七源极连接导体36及第八源极连接导体38形成第二有机场效应管源电极。
[0063]本发明采用了双空腔电介质结构，通过单晶线体13、第一有机场效应管体及第二有机场效应管体的配合，具有如下特点:
I)、第二有机场效应管体的第二有机场效应管栅电极工作模式:第二有机场效应管栅电极加偏置电压而第一有机场效应管栅电极不加偏置电压时，整个传感器工作在积累区，辅以所需的源漏电压(同时在第一有机场效应管源电极、第一有机场效应管漏电极上加偏置电压，第二有机场效应管源电极的电压与第一有机场效应管源电极电压相同，第二有机场效应管漏电极与第一有机场效应管漏电极的电压相同)，将有电流流过充当导电沟道的单晶线体13的上表面，但如无待测极性分子气体存在时，由于位于单晶线体13的上表面(气体电介质界面处)大量的载流子浅势阱对载流子的俘获效应，使电流信号极其微弱。如存在待测极性分子气体SO2或NO2与位于单晶线体13上表面的浅势阱相互作用，可以使单晶线体13的迁移率大大增加，表现为使电流信号显著增加。在这种工作模式下，第一有机场效应管体与第二有机场效应管体同时向有单晶线体13中注入载流子，充当输出响应的源漏电流信号明显高于单管注入载流子时的情况，同时达到缩短响应时间的目的。
[0064]2)、第一有机场效应管栅电极工作模式:第一有机场效应管栅电极加电压偏置而第二有机场效应管栅电极不加偏置电压时，整个传感器也工作在积累区，施加与第二有机场效应管栅电极工作时相同的源漏电压，将有电流流过充当导电沟道的单晶线体13的下表面，但如无待测极性分子气体存在时，由于位于单晶线体13的下表面(气体电介质界面处)的大量的载流子浅势阱对载流子的俘获效应，使电流信号极其微弱。如存在待测极性分子气体SO2或NO2与位于单晶线体13下表面的浅势阱相互作用，可以使单晶线体13的迁移率大大增加，表现为使电流信号显著增加。在这种工作模式下，第一有机场效应管体与第二有机场效应管体同时向单晶线体13中注入载流子，充当输出响应的源漏电流信号明显高于单管注入载流子时的情况。第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间采用N条单晶线体13同时工作，进一步增大了信号。
[0065]每个栅电极工作时都有两个有机物场效应管同时工作，从而增大了响应信号。通过界面(所述界面是指第一功函数调制层10、第二功函数调制层39与单晶线体13形成接触的部分)适当的粗糙化处理(高能Ar粒子束轰击)，增大了界面与单晶线体13的接触面积，增大了迁移率，从而达到缩短响应时间的目的。
[0066]在源漏电压恒定的前提下，通过对第二有机场效应管栅电极工作模式和第一有机场效应管栅电极工作模式的交替使用来实现对单晶线体13上下两个表面的时分复用，从而有效地达到缩短恢复时间的目的。
[0067]本发明第一有机场效应管体与第二有机场效应管间键合固定，且多条单晶线体13设置在第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间，以充当第一场效应管漏电极与第一场效应管源电极间的导电沟道，且充当第二场效应管漏电极与第二场效应管源电极间的导电沟道；结构紧凑，与CMOS工艺兼容，迁移率高，提高响应时间及恢复时间，信号强度高，提高测量精度，使用方便，安全可靠。
【权利要求】
1.一种基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，包括第一有机场效应管体及第二有机场效应管体；第一有机场效应管体包括第一有机场效应管漏电极与第一场效应管源电极，第二有机场效应管体包括第二有机场效应管漏电极及第二有机场效应管源电极；其特征是:所述第二有机场效应管体键合固定在第一有机场效应管体的上方，第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间设置有单晶线体(13)，且在键合固定后的第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间形成检测腔体；单晶线体(13)横跨所述检测腔体，单晶线体(13)的两端连接第一有机场效应管漏电极与第一有机场效应管源电极，以充当第一场效应管漏电极与第一场效应管源电极间的导电沟道，且单晶线体(13)的两端同时连接第二有机场效应管漏电极与第二有机场效应管源电极，以充当第二场效应管漏电极与第二场效应管源电极间的导电沟道；第一有机场效应管体内包括用于极性分子气体进入检测腔体的第一气孔(12)，第二有机场效应管体内包括用于极性分子气体进入检测腔体的第二气孔(32)，所述第一气孔(12)、第二气孔(32)均与检测腔体相连通。
2.根据权利要求1所述的基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，其特征是:所述第一有机场效应管体包括第一衬底(I )，第一场效应管漏电极包括第一漏极连接导体(2)、第一场效应管源电极包括第一源极连接导体(4)，第一漏极连接导体(2)、第一源极连接导体(4)贯穿设置在第一衬底(I)内，且第一漏极连接导体(2)、第一源极连接导体(4)与第一衬底(I)间绝缘隔离；第一衬底(I)还设置有第一栅极连接导体(3)，第一栅极连接导体(3)位于第一漏极连接导体(2)与第一源极连接导体(4)间；第一衬底(I)的上方设有第一栅电极层(6)，第一栅电极层(6)的上方设置第一支撑层(7)，第一支撑层(7)上设有第一场效 应管第一电极材料层(9)与第一场效应管第二电极材料层(20)，第一场效应管第一电极材料层(9)上设有第一功函数调制层(10)，第一场效应管第二电极材料层(20)上设有第二功函数调制层(39);单晶线体(13)的两端支撑在第一功函数调制层(10)及第二功函数调制层(39)上,第一场效应管第一电极材料层(9)与第一场效应管第二电极材料层(20)间设置贯通第一支撑层(7 )的第一腔体(11 )，第一气孔(12 )贯通第一衬底(I )，且第一气孔(12)与第一腔体(11)相连通；第一漏极连接导体(2)与第一场效应管第一电极材料层(9)电连接，第一源极连接导体(4)与第一场效应管第二电极材料层(20)电连接，第一栅极连接导体(3)与第一栅电极层(6)欧姆接触。
3.根据权利要求2所述的基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，其特征是:所述第一栅电极层(6 )与第一衬底(I)间设置有第一互连导体层(5 )，所述第一互连导体层(5)与第一漏极连接导体(2)、第一源极连接导体(4)相互绝缘，第一栅极连接导体(3)与第一互连导体层(5 )电连接，且第一栅极连接导体(3 )通过第一互连导体层(5 )与第一栅电极层(6)欧姆接触。
4.根据权利要求3所述的基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，其特征是:所述第一场效应管漏电极还包括第二漏极连接导体(14)、第三漏极连接导体(16)及第四漏极连接导体(18)，第二漏极连接导体(14)贯通设置在第一互连导体层(5)内，第三漏极连接导体(16 )贯通设置在第一栅电极层(6 )内，第四漏极连接导体(18 )贯通设置在第一支撑层(7)内；第一漏极连接导体(2)通过第二漏极连接导体(14)、第三漏极连接导体(16)及第四漏极连接导体(18)与第一场效应管第一电极材料层(9)电连接,第一场效应管漏电极与第一互连导体层(5)、第一栅电极层(6)相互绝缘隔离；第一场效应管源电极还包括第二源极连接导体(15)、第三源极连接导体(17)及第四源极连接导体(19)，第二源极连接导体(15)贯通设置在第一互连导体层(5)内，第三源极连接导体(17)贯通设置在第一栅电极层(6)内，第四漏极连接导体(19)贯通设置在第一支撑层(7)内，第一源极连接导体(4)通过第二源极连接导体(15)、第三源极连接导体(17)及第四源极连接导体(19)与第一场效应管第二电极材料层(20)电连接，第一场效应管源电极与第一互连导体层(5)、第一栅电极层(6)相互绝缘隔离。
5.根据权利要求2所述的基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，其特征是:所述第一支撑层(7)上设有第一键合环(8)，第一键合环(8)位于第一场效应管第一电极材料层(9 )与第一场效应管第二电极材料层(20 )的外圈；第二场效应管体上设置有第二键合环(28)，第二场效应管体通过第二键合环(28)与第一键合环(8)键合固定后设置在第一场效应管体的上方。
6.根据权利要求5所述的基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，其特征是:所述第二键合环(28 )设置在第二场效应管体的第二支撑层(27 )上，第二键合环(28 )的内圈设置有第二场效应管第一电极材料层(29)及第二场效应管第二电极材料层(40)，第二场效应管第一电极材料层(29)通过第三功函数调制层(30)与单晶线体(13)相接触，第二场效应管第二电极材料层(40)通过第四功函数调制层(41)与单晶线体(13)相接触；第二场效应管第一电极材料层(29)与第二场效应管第二电极材料层(40)间设有贯通第二支撑层(27)的第二腔体(31)，第二腔体(31)与第一腔体(31)相连通后形成检测腔体；第二支撑层(27)上 设有第二栅电极层(26)，第二栅电极层(26)上设有第二衬底(21);第二场效应管漏电极包括第五漏极连接导体(22)，第二场效应管源电极包括第五源极连接导体(24)，第五漏极连接导体(22)与第五源极连接导体(24)均贯通设置在第二衬底(21)内，第二衬底(21)内还设置有第二栅极连接导体(23)，所述第二栅极连接导体(23)与第二栅电极层(26)欧姆接触，第五漏极连接导体(22)与第二场效应管第一电极材料层(29)电连接，第五源极连接导体(24)与第二场效应管第二电极材料层(40)电连接；第二衬底(21)内设置贯通所述第二衬底(21)的第二气孔(32)，所述第二气孔(32)与第二腔体(31)相连通。
7.根据权利要求6所述的基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，其特征是:所述第一气孔(12)与第二气孔(32)分别位于单晶线体(13)的两侧。
8.根据权利要求1所述的基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，其特征是:所述进入检测腔体检测的极性分子气体包括SO2气体或NO2气体。
9.根据权利要求1所述的基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，其特征是:所述第一有机场效应管体与第二有机场效应管体间采用低温激光键合、低温焊料键合或共晶键合中的一种。
10.根据权利要求1所述的基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器，其特征是:所述检测腔体的横向宽度为3 μ m-10 μ m，纵向厚度为20(T300nm。
11.一种基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器制备方法，其特征是，所述极性分子气体传感器的制备方法包括如下步骤: (a)、提供第一衬底(1)，并在第一衬底(I)内设置绝缘隔离的第一漏极连接导体(2)、第一栅极连接导体(3)与第一源极连接导体(4)，第一栅极连接导体(3)位于第一漏极连接导体(2)与第一源极连接导体(4)间，且第一漏极连接导体(2)、第一栅极连接导体(3)与第一源极连接导体(4)均贯通设置在第一衬底(I)内； (b)、在上述第一衬底(1)上方设置第一栅电极层(6),并在第一栅电极层(6)内设置绝缘隔离的第三漏极连接导体(16)及第三源极连接导体(17);第三漏极连接导体(16)位于第一漏极连接导体(2)的正上方，并与第一漏极连接导体(2)电连接；第三源极连接导体(17)位于第一源极连接导体(4)的正上方，并与第一源极连接导体(4)电连接，第一栅电极层(6)与第一栅极连接导体(3)欧姆接触； (C)、在上述第一栅电极层(6)上设置第一支撑层(7)，并在第一支撑层(7)内设置第四漏极连接导体(18)及第四源极连接导体(19)，第四漏极连接导体(18)位于第三漏极连接导体(16)的正上方，并与第三漏极连接导体(16)电连接；第四源极连接导体(19)位于第三源极连接导体(17)的正上方，并与第三源极连接导体(17)电连接； (d)、在上述第一支撑层(7)上设置所需的第一场效应管第一电极材料层(9)与第一场效应管第二电极材料层(20)，第一场效应管第一电极材料层(9)与第四漏极连接导体(18)电连接，第一场效应管第二电极材料层(20)与第四源极连接导体(19)电连接； (e)、在上述第一场效应管第一电极材料层(9)上设置第一功函数调制层(10)，在第一场效应管第二电极材料层(20)上设置第二功函数调制层(39)；(f)、对第一支撑层(7)进行刻蚀，以形成贯通所述第一支撑层(7)的第一腔体(11)，第一场效应管第一电极材料层(9)、第一场效应管第二电极材料层(20)分别位于第一腔体(11)的两侧； (g)、对上述第一栅电极层(6)、第一衬底(I)进行刻蚀，得到第一气孔(12)，所述第一气孔(12)与第一腔体(11)相连通，以形成所需的第一有机场效应管体； (h)、提供第二衬底(21)，利用上述步骤形成所需的第二有机场效应管体；第二有机场效应管体包括第二腔体(31)、第二气孔(32)、第三功函数调制层(30)、第二场效应管第一电极材料层(29)、第四功函数调制层(41)及第二场效应管第二电极材料层(40); (i)、在上述第一腔体(11)上设置若干横跨的单晶线体(13)，所述单晶线体(13)的两端分别与第一功函数调制层(10)及第二功函数调制层(20)连接； (j)、将上述包含第二衬底(21)的第二有机场效应管体键合固定在第一有机场效应管体上，第二腔体(31)与第一腔体(11)共同形成检测腔体；单晶线体(13)同时横跨在第二腔体(31)上，单晶线体(13)的一端通过第三功函数调制层(30)与第二场效应管第一电极材料层(29)连接，单晶线体(13)的另一端通过第四功函数调制层(41)与第二场效应管第二电极材料层(40)连接。
12.根据权利要求11所述基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器制备方法，其特征是，所述步骤(d)中，第一有机场效应管第一电极材料层(9)与第一有机场效应管第二电极材料层(20)为同一制造层,第一有机场效应管第一电极材料层(9)与第一有机场效应管第二电极材料层(20)通过溅射或蒸镀电极材料形成；所述步骤(e)中，第一功函数调制层(10)与第二功函数调制层(39)为同一制造层，第一功函数调制层(10)与第二功函数调制层(39)通过溅射或滴注调制层材料形成。
13.根据权利要求12所述基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器制备方法，其特征是，所述形成第一有机场效应管第一电极材料层(9)与第一有机场效应管第二电极材料层(20 )的电极材料包括Al、Cu或Ag ;电极材料选用Al时,通过石墨烯或派射MoO3形成第一功函数调制层(10)及第二功函数调制层(39);电极材料选用Cu时，调制层材料包括CuxO, TCNQ或石墨烯；电极材料选用Ag时，调制层材料包括TCNQ或石墨烯。
14.根据权利要求11所述基于有机场效应管结构的极性分子气体传感器制备方法，其特征是，所述单晶线体 (13)包括酞菁铜、酞菁铁或酞菁钴。
【文档编号】G01N27/414GK103760207SQ201410038167
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】张宇, 欧文, 明安杰, 张文博, 张乐, 任耀辉 申请人:江苏物联网研究发展中心