半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的制作和应用的制作方法

本发明涉及一种半导体技术，特别涉及一种半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的制作和应用。

背景技术：

半导体紫外光探测器具有响应快、选择性好、响应率高、信噪比高等优点，在安全通信、化学分析、环境监测等领域有着广泛应用。常见的半导体紫外光探测器大都基于宽带隙半导体的光电导效应，利用紫外光照射半导体使位于价带的电子跃迁至导带形成非平衡载流子，显著增加半导体材料的电导率，实现对紫外光信号的探测。各类智能化、集成化微纳电子器件的高速发展，要求新型半导体紫外光探测器件具有尺寸小、灵敏度高、易集成等特点。半导体纳米材料独有的高比表面积、量子尺寸效应、量子隧道效应等，使其成为紫外光探测领域最热门的材料之一。新型半导体纳米紫外光探测器主要由sic、zno、zns、znse、gan、aln、inn、algan等宽带隙半导体纳米材料制作而成[semicond.sci.technol.18(2003)r33-r51]。其中，二维结构的zno纳米片具有超大的比表面积和较高的电子迁移率，禁带宽度达到3.37ev，激子结合能高达60mev，被认为是最具应用潜力的紫外光探测材料之一。在实际应用过程中，半导体纳米紫外光探测器经常暴露在大气环境中，大量的水和氧气分子会吸附在半导体功能层表面；此外，在化学分析、环境监测等领域，半导体纳米紫外光探测器经常暴露在各种各样的环境气氛中，大量有机物分子会吸附在半导体功能层表面。各种气体分子的吸附会显著地改变半导体纳米紫外光探测器件性能，影响器件工作稳定性[sensorsandactuatorsb235(2016)622-626]。然而，在现有器件的开发过程中较少考虑环境气氛对半导体纳米紫外光探测器件性能的影响。

技术实现要素：

本发明是针对环境会影响半导体纳米紫外光探测器件工作稳定性的问题，提出了一种半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的制作和应用，由二维结构半导体纳米材料制作而成，既能在不同的环境气氛条件下稳定地探测紫外光信号，又可以在室温条件下检测不同有机物气体分子。

本发明的技术方案为：一种半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的制作方法，具体包括如下步骤：

1）采用化学气相沉积方法，在p型si/sio2绝缘衬底表面中间段合成二维结构zno半导体纳米片；

2）利用电子束曝光方法、光刻以及铝箔覆盖方法制作做掩膜版，采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发方法，沿步骤1）合成后的zno纳米片两端镀制对称au/ti金属电极，金属电极一部分在sio2绝缘衬底上，一部分在zno纳米片上；

3）采用涂覆导电银胶、焊接方法，从金属电极位置引出外接导线；

4）采用pdms、pmma、pvc中任意一种聚合物涂覆金属电极层，聚合物厚度为100~2000nm；利用对紫外和可见光不透明的铝箔遮挡除中间二维结构zno半导体纳米片以外的其他部分，完成半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件制作。

所述p型si/sio2绝缘衬底的长度范围为1mm~20mm，其宽度范围为1mm~20mm，p型si衬底为单晶或多晶结构，sio2层厚度为100~500nm，sio2层完全覆盖si衬底；二维结构zno半导体纳米片长宽比例范围为100:1~2:1，厚度为1~100nm。

所述步骤2）中au/ti金属电极厚度为10~200nm，具有相同宽度和长度，单侧宽度小于同方向zno纳米片宽度的20%。

一种半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的制作方法制成的半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件应用，在不同环境气氛条件下探测紫外光信号，并且在探测紫外光信号的同时在室温条件下检测有机物分子。

本发明的有益效果在于：本发明半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的制作和应用，利用二维半导体纳米材料具有较大比表面积以及对有机物气体分子敏感的特点，无需其它任何复杂工艺和特殊结构设计，制作半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件，实现对不同环境气氛条件下紫外光信号的稳定探测以及室温条件下对有机物分子的检测，解决半导体紫外光探测器在环境气氛条件下性能不稳定的难题。具有结构简单、响应快、灵敏度高、可在室温下工作等优点。

附图说明

图1为本发明二维结构zno半导体纳米片xrd图；

图2为本发明二维结构zno半导体纳米片sem图；

图3为本发明对称遮盖结构zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件示意图；

图4为本发明对称遮盖结构zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件俯视图；

图5为本发明zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件测试系统示意图；

图6为本发明zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的伏安特性曲线图；

图7为本发明不同栅极电压条件下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的电导率比值图；

图8为本发明不同丙酮浓度条件下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的电导率比值图；

图9为本发明不同丙酮浓度条件下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的on-off电导率比值图；

图10为本发明不同有机气体分子条件下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的电导率比值图；

图11为本发明不同有机气体分子条件下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的on-off电导率比值图。

具体实施方式

所述半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件，利用二维半导体纳米材料具有较大比表面积和对有机物气体分子敏感的特点，无需其他任何复杂工艺和特殊结构设计，实现不同环境气氛条件下对紫外光信号的稳定探测以及室温条件下对有机物分子的检测。

一种半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的制作及测试应用，具体实施步骤如下：

（1）采用化学气相沉积方法，在p型si/sio2绝缘衬底表面中间段合成所述二维结构zno半导体纳米片；p型si/sio2绝缘衬底的长度为1mm~20mm，宽度为1mm~20mm，p型si衬底为单晶或多晶结构，sio2层厚度为100~500nm，sio2层完全覆盖si衬底；二维结构zno半导体纳米片长宽比例为100:1~2:1，厚度为1~100nm；图1和图2分别为p型si/sio2绝缘衬底表面生长的二维结构zno半导体纳米片xrd图和sem图；

（2）利用电子束曝光方法、光刻以及铝箔覆盖等方法制作做掩膜版，采用磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发方法，沿步骤（1）合成后的zno纳米片两端镀制对称au/ti金属电极，金属电极一部分在sio2绝缘衬底上，一部分在zno纳米片上；au/ti电极厚度为10~200nm，具有相同宽度和长度，单侧宽度小于同方向zno纳米片宽度的20%；

（3）采用涂覆导电银胶、焊接等方法，从所述au/ti金属电极位置引出外接导线；

（4）采用pdms、pmma、pvc中任意一种聚合物涂覆电极层，聚合物厚度为100~2000nm；利用对紫外和可见光不透明的铝箔遮挡除中间二维结构zno半导体纳米片以外的其他部分；图3为对称遮盖结构zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件示意图，图4为对称遮盖结构zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件俯视图；

（5）采用金属、聚合物、玻璃等制作密闭装置，密闭装置长度为1~100cm，宽度为1~100cm，高度为1~100cm；密闭装置侧壁预留导线孔、紫外光照射孔、有机物液体滴加孔以及抽气孔；

（6）将所述zno半导体纳米片器件置于密闭系统中间样品台，从密闭装置侧壁导线孔处引出导线；将加热台置于密闭装置中，从密闭装置侧壁导线孔处引出加热台导线，密封全部导线孔；

（7）将紫外光束从预留的紫外光照射孔引入密闭装置，照射zno纳米片，测试zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的基本电学性能，紫外光波长小于365nm；图5所示为zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件测试系统示意图；图6所示为zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的伏安特性曲线；

（8）调节栅极电压，测试所述zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的电导率随时间变化曲线；图7所示为不同栅极电压下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的电导率比值，g为有紫外光照射时的电导率，g0为无紫外光照射时的电导率；

（9）利用真空泵从预留抽气孔抽出空气；从密闭系统侧壁的有机物液体滴加孔，通入不同有机物液体到加热台，控制加热台升温速率和温度，加热温度为25~300℃，升温速率为1~50℃/分钟，测试在紫外光照射和气体分子作用下所述器件的电导率随时间变化曲线；

（10）控制滴加有机物液体体积，改变气体分子浓度，测试所述zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的电导率随时间变化曲线，有机物液体体积为1μl~100ml；图8所示为不同丙酮浓度条件下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的电导率比值；图9所示为不同丙酮浓度条件下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的on-off电导率比值；

（11）改变气体分子类型、紫外光照射强度等，测试所述的半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的电导率随时间变化曲线，获得所述半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的应用方法；图10所示为不同有机气体分子条件下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的电导率比值；图11不同有机气体分子条件下zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件的on-off电导率比值；

所述二维结构zno半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件可以在不同环境气氛条件下稳定探测紫外光信号，同时能在室温条件下检测有机物分子。所述半导体纳米紫外光探测及气体传感集成器件具有结构简单、响应快、灵敏度高、可在室温下工作等特点，可以解决半导体紫外光探测器在环境气氛条件下性能不稳定的难题。