一种基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器及其制作方法，属于压电传感器领域，包括P型硅片、二氧化硅薄膜、三氧化二铝薄膜、两个金属电极、InSe纳米薄膜和氧化锌薄膜，P型硅片的一侧上表面依次设置二氧化硅薄膜、三氧化二铝薄膜和InSe纳米薄膜，InSe纳米薄膜上设置有PMMA层，两个金属电极固定于InSe纳米薄膜上，P型硅片的另一侧上表面设有氧化锌薄膜氧化锌薄膜上下表面均设有一层Au，Au与金属电极之间相连。本发明专利技术选择具有高灵敏、高迁移率的二维硒化铟材料和具有优异压电特性的氧化锌薄膜来提供信号，使用晶体管的本征放大作用，放大由氧化锌提供的压力信号，大大提高压力传感器的检测精度以及灵敏度。

Zinc oxide piezoelectric sensor based on indium selenide transistor and its fabrication method

The present invention relates to a zinc oxide piezoelectric sensor based on indium selenide transistor and its fabrication method, belonging to the field of piezoelectric sensors, including P-type silicon wafer, silicon dioxide film, aluminium oxide film, two metal electrodes, InSe nano-film and zinc oxide film. On one side of P-type silicon wafer, silicon dioxide film, aluminium oxide film and InSe nano-film are arranged successively on the upper surface. PMMA layer is arranged on InSe nano-film, two metal electrodes are fixed on InSe nano-film, zinc oxide film is arranged on the other side of P-type silicon wafer, and a layer of Au is arranged on the upper and lower surfaces of zinc oxide film. Au is connected with metal electrodes. The present invention chooses two-dimensional indium selenide material with high sensitivity and mobility and zinc oxide film with excellent piezoelectric characteristics to provide signal, uses the intrinsic amplification of transistors to amplify the pressure signal provided by zinc oxide, and greatly improves the detection accuracy and sensitivity of the pressure sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器及其制作方法
本专利技术涉及一种基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器及其制作方法，属于压电传感器

技术介绍
近年来，压电传感器设备已经在广泛地应用在诸多
，如显示器，机器人，能量采集器等。在生物医药领域，高灵敏、集成化的压力传感器的发展受到众多科学家的关注，在触诊和机器人手术中，直接接触物理对象的高灵敏触觉传感器是迫切需要的，而选择合适的压电材料以及传感器的结构是目前压电领域研究的热点。步入21世纪以来，纳米材料与技术的研究领域和应用前景迅速拓展到信息、能源、材料、生物、医学等方面。纳米材料由于其种类繁多，且表现出了优异的各项性能，被广泛的用于组装各种纳米电子器件，并日益影响着人类日常的生活。二维层状半导体材料表现出不同于块体材料的物理和化学性质，在纳米电子器件和纳米光电子器件中展现了巨大的应用前景，因此成为材料和电子领域研究的热点。其中典型的为石墨烯和二硫化钼，石墨烯虽具有优良的性质，其零带隙的能带结构使得基于石墨烯的场效应晶体管具有极低的电流开关比、光电探测器具有极低的光电探测信噪比，大大限制了石墨烯在高性能微电子和光电子领域的应用。二硫化钼虽然有随层数可控的禁带宽度，然而由于材料自身性质的限制，缺少高电子输运性能和高的光电探测性能。目前高灵敏的压电传感器在人工智能，生物医药等众多前沿交叉的领域发挥着必不可少的作用，虽然目前国际上在这方面进行了很深入科学研究，不过目前超精密的设备对于压力传感器的灵敏度以及精度提出了更高的要求。目前市面上常规的的压力传感器的检测精度以及灵敏度都较低，并且一般体积较大，不能满足日益发展的科技水平。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器及其制作方法，选择具有高灵敏、高迁移率的二维硒化铟材料和具有优异压电特性的氧化锌薄膜来提供信号，使用晶体管的本征放大作用，放大由氧化锌提供的压力信号，大大提高压力传感器的检测精度以及灵敏度。术语解释：PMMA：聚甲基丙烯酸甲酯，以丙烯酸及其酯类聚合所得到的聚合物统称丙烯酸类树酯，相应的塑料统称聚丙烯酸类塑料，其中以聚甲基丙烯酸甲酯应用最广泛，聚甲基丙烯酸甲酯缩写代号为PMMA，俗称有机玻璃。PI胶带：全名为聚酰亚胺胶带，最重要的一个特性就是耐高温。本专利技术的％均为质量百分比。本专利技术采用以下技术方案：一方面，本专利技术提供一种基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器，包括P型硅片、二氧化硅薄膜、三氧化二铝薄膜、两个金属电极、InSe纳米薄膜和氧化锌(ZnO)薄膜，所述P型硅片的一侧上表面依次设置所述二氧化硅薄膜、三氧化二铝薄膜和InSe纳米薄膜，所述InSe纳米薄膜上还设置有PMMA层，两个金属电极固定于InSe纳米薄膜上，所述P型硅片的另一侧上表面设置有所述氧化锌薄膜，所述氧化锌薄膜为水热法生长而成，所述氧化锌薄膜上下表面均设有一层Au，所述Au与金属电极之间相连。本专利技术采用ZnO作为一种直接带隙n型半导体，具有优异的光学、电学、力学等特点，特别是压电和半导体耦合特性在材料领域受到广泛关注，它是利用应变产生的压电极化电荷调制能带结构并进而有效的控制载流子在界面的传输行为。通常，硅片分为四类，轻掺杂，重掺杂，p型，n型排列组合，本专利技术采用重掺杂的P型硅片，所述三氧化二铝薄膜的厚度为10～15nm。优选的，所述PMMA层的厚度为200～250nm，所述硒化铟纳米薄膜厚度为20～50nm。优选的，所述二氧化硅薄膜为热氧化的且厚度为80～120nm的二氧化硅薄膜。优选的，所述Au的厚度为50～100nm。优选的，所述金属电极为Ti/Au电极，其中，Ti的厚度为5～15nm，Au的厚度为50～100nm。另一方面，本专利技术还提供一种基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器的制作方法，包括以下步骤：(1)准备热氧化了二氧化硅的P型硅片，进行清洗；(2)清洗完毕，使用原子层沉积(ALD)技术在100～200℃下沉积三氧化二铝，使得三氧化二铝薄膜的厚度为10～15nm，三氧化二铝薄膜可以屏蔽界面的库伦杂质散射；(3)在生长有二氧化硅薄膜和三氧化二铝薄膜的P型硅片上制备InSe纳米薄膜；(4)利用光学显微镜定位多层InSe纳米薄膜，用金属掩膜版(shadowmask)定义电极位置，放置在电子束蒸发沉积系统中，蒸镀金属电极，得到器件一；(5)采用PI胶带遮住器件一的一侧，将器件一旋涂PMMA，并在110～170℃的条件下烘烤30～90min，将器件一未覆盖的一侧进行封装；(6)将PI胶带撕下，并将胶带覆盖的一侧区域置于5～15％浓度的氢氟酸中20～30min，刻蚀掉PI胶带覆盖的一侧的二氧化硅以及三氧化二铝；(7)使用光学掩膜版遮住器件一侧，磁控溅射在氢氟酸刻蚀掉的区域上沉积50～100nm的金，得到镀金后的基底；(8)水热法生长氧化锌薄膜：用等离子清洗机(如海宝氧气plasma，参数为25Pa，功率20W，处理时间5min)清洗镀金后的基底表面，使其表面亲水化，用大于基底的铝箔将基底的整个底面及顶面的四边包起，基底镀金面朝上置于23～27mmol/L的六水合硝酸锌和23～27mmol/L的六亚甲基四胺按1:1混合溶液中，根据电化学反应，在80～90℃水浴条件下反应1.5～2.5h，得到整齐的纳米棒阵列，即氧化锌薄膜；(9)使用光学掩膜版，磁控溅射在氧化锌生长的区域沉积50～100nm的金，在测试中将氧化锌薄膜上部的Au与金属电极之间相连。优选的，所述步骤(1)中，清洗的过程为：a、采用氮气枪预吹扫P型硅片；b、采用浓度为3～10％的迪康Decon90碱性清洗液，超声5～10min后，用大量去离子水(DIwater)冲洗；c、用大量去离子水冲洗后，放入一个装有去离子水的烧杯中超声5～10min；d、再放入另一个装有去离子水的烧杯中超声5～10min后取出，立即用氮气枪吹干；e、在丙酮中超声5～10min后取出，立即放入装有乙醇的烧杯，并在装有乙醇的烧杯超声5～10min后取出，立即用氮气枪吹干。优选的，所述步骤(1)中，P型硅片的尺寸为长3～5cm，宽1～2cm；所述步骤(4)中的金属电极为的Ti/Au电极，Ti的厚度为5～15nm，Au的厚度为50～100nm。优选的，所述步骤(3)中，制备InSe纳米薄膜的过程为：使用纯度为99％的InSe材料，取一小块InSe放置在Scotch胶带上，然后反复黏撕胶带，重复多次后将胶带黏在生长有二氧化硅薄膜和三氧化二铝薄膜的P型硅片上，撕去胶带得到多层的InSe纳米薄膜。本专利技术的有益效果为：1)本专利技术采用ZnO作为一种直接带隙n型半导体，具有优异的光学、电学、力学等特点，特别是压电和半导体耦合特性在材料领域受到广泛关注，它是利用应变产生的压电极化电荷调制能带结构并进而有效的控制载流子在界面的传输行为。2)本专利技术使用二维场效应晶体管与压电材料结合集成于一个电路芯片上，选择二维材料中具有高迁移率、高灵敏度的硒化铟材料作为晶体管的沟道材料，使用水热法生长的ZnO作为压电材料，通过栅极调制发挥晶体管放大器的作用，将电压信号转换为高灵敏的电流信号。3)本专利技术选择的新型二维硒化铟材料，具有较小的电子有效质量、高的电子迁移率、高的光吸收系数和小的直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器，其特征在于，包括P型硅片、二氧化硅薄膜、三氧化二铝薄膜、两个金属电极、InSe纳米薄膜和氧化锌薄膜，所述P型硅片的一侧上表面依次设置所述二氧化硅薄膜、三氧化二铝薄膜和InSe纳米薄膜，所述InSe纳米薄膜上还设置有PMMA层，两个金属电极固定于InSe纳米薄膜上，所述P型硅片的另一侧上表面设置有所述氧化锌薄膜，所述氧化锌薄膜为水热法生长而成，所述氧化锌薄膜上下表面均设有一层Au，所述Au与金属电极之间相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器，其特征在于，包括P型硅片、二氧化硅薄膜、三氧化二铝薄膜、两个金属电极、InSe纳米薄膜和氧化锌薄膜，所述P型硅片的一侧上表面依次设置所述二氧化硅薄膜、三氧化二铝薄膜和InSe纳米薄膜，所述InSe纳米薄膜上还设置有PMMA层，两个金属电极固定于InSe纳米薄膜上，所述P型硅片的另一侧上表面设置有所述氧化锌薄膜，所述氧化锌薄膜为水热法生长而成，所述氧化锌薄膜上下表面均设有一层Au，所述Au与金属电极之间相连。2.根据权利要求1所述的基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器，其特征在于，所述P型硅片为重掺杂的P型硅片，所述三氧化二铝薄膜的厚度为10～15nm。3.根据权利要求1所述的基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器，其特征在于，所述PMMA层的厚度为200～250nm，所述硒化铟纳米薄膜厚度为20～50nm。4.根据权利要求3所述的基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器，其特征在于，所述二氧化硅薄膜为热氧化的且厚度为80～120nm的二氧化硅薄膜。5.根据权利要求4所述的基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器，其特征在于，所述Au的厚度为50～100nm。6.根据权利要求5所述的基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器，其特征在于，所述金属电极为Ti/Au电极，其中，Ti的厚度为5～15nm，Au的厚度为50～100nm。7.一种权利要求1所述的基于硒化铟晶体管的氧化锌压电传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)准备热氧化了二氧化硅的P型硅片，进行清洗；(2)清洗完毕，使用原子层沉积技术在100～200℃下沉积三氧化二铝，使得三氧化二铝薄膜的厚度为10～15nm；(3)在生长有二氧化硅薄膜和三氧化二铝薄膜的P型硅片上制备InSe纳米薄膜；(4)利用光学显微镜定位多层InSe纳米薄膜，用金属掩膜版定义电极位置，放置在电子束蒸发沉积系统中，蒸镀金属电极，得到器件一；(5)采用PI胶带遮住器件一的一侧，将器件一旋涂PMMA，并在110～170℃的条件下烘烤30～90min，将器件一未覆盖的一侧进行封装；(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩琳，姜建峰，桑元华，王孚雷，张宇，刘宏，
申请(专利权)人：山东大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44