基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及制备方法，该气体传感器是以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道；TMDCs与SFOI接触后，由于彼此间费米能级差异，电子从高费米能级一侧转移至低费米能级一侧，从而在异质结两侧产生空间电荷区，形成p‑n结；当待测气体分子吸附于TMDCs表面并与TMDCs之间发生电荷转移后，TMDCs内的载流子浓度发生变化，引起p‑n结势垒改变，导致SFOI中的空间电荷区宽度改变，最终导电沟道电阻改变从而对待测气体进行传感。本发明专利技术将气体敏感层同导电沟道分开，同时利用二维TMDCs对吸附气体分子的高灵敏度，与成熟的传统半导体器件工艺，有助于实现高灵敏度，高可靠性，可直接集成在半导体芯片上的气体探测器。

Gas sensor based on TMDCs-SFOI heterojunction and its preparation method

The invention provides a gas sensor based on TMDCs-SFOI heterojunction and a preparation method. The gas sensor uses two-dimensional transition metal sulfide TMDCs as a gas sensing layer and insulator superconductor film SFOI as a conductive channel. After TMDCs contacts with SFOI, electrons transfer from the high Fermi level side to the low Fermi level side due to the difference of Fermi level between them. The space charge region is formed on both sides of the heterojunction, and the p_n junction is formed. When the gas molecule is adsorbed on the surface of TMDCs and the charge transfer occurs between TMDCs, the carrier concentration in TMDCs changes, resulting in the change of the p_n junction barrier, the change of the space charge region width in SFOI, and finally the change of the conductive channel resistance, so that the gas can be sensed. The invention separates the gas sensitive layer from the conductive channel, utilizes the high sensitivity of two-dimensional TMDCs for adsorbing gas molecules and the mature traditional semiconductor device technology, which is helpful to realize high sensitivity, high reliability and can be directly integrated into the gas detector on the semiconductor chip.

【技术实现步骤摘要】
基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及其制备方法
本专利技术属于气体传感器
，更具体地，涉及一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及其制备方法，其中的异质结结构，即由二维过渡金属硫化物(TMDCs)与绝缘体上半导体薄膜(SemiconductorFilmsOnInsulators,SFOI)形成的异质结。
技术介绍
气体传感器是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电、光、声等可以被设备直接读取、量化的信号，从而进行检测、监控、分析、报警等。近几十年来气体传感器在工业生产、环境监测、医药卫生等领域得到了广泛应用。依据检测原理气体传感器可分为电学类、光学类、电化学类、测热类等，其中以金属氧化物半导体SnO2、ZnO、V2O5、TiO2等为代表的电学类气体传感器因其灵敏度高、响应速度快、经济可靠、体积小等优点而得到迅猛发展，目前已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。但常温下金属氧化物与吸附气体间的氧化还原反应的反应活性低，通常需要附加的加热装置，将气体传感器加热至较高的工作温度，这样不仅增加了功耗，也限制了器件集成度的进一步提高。同时，长时间的高温环境不仅会降低器件的稳定性，还会带来安全隐患，特别是待测气体成分未知，可能存在易燃气体的情况下。二维TMDCs由于其分子级的厚度和巨大的比表面积，其电学性能很容易受表面吸附气体分子影响，因而理论上讲，TMDCs气体传感器将具有很高的灵敏度。特别是，二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)、二硒化钼(MoSe2)、二硒化钨(WSe2)这四种半导体型TMDCs，具有载流子迁移率高、机械强度高、化学稳定性和热稳定性好等优点，因而在气体传感器领域有广阔的应用前景。根据已有报道，MoS2、WS2等对NO2、NO、NH3等无机气体以及丙酮、三乙胺等有机挥发性气体，在常温下均表现出优异的敏感性。二维TMDCs气体传感器对气体分子的探测包含两个过程：TMDCs材料表面没有悬挂键，气体分子首先以范德华力吸附于其表面，接着吸附的气体分子和TMDCs之间发生电荷转移，导致TMDCs材料中载流子浓度改变，TMDCs电阻随之改变。可见，和传统金属氧化物气体传感器不同，二维TMDCs对气体的探测不依赖于氧化还原反应，从而有利于降低传感器工作温度。由于不同气体分子吸附能的差异以及电荷转移能力的差异，TMDCs对气体分子的敏感性各不相同，因而具有选择性。此外，也正是因为TMDCs表面无悬挂键，呈化学惰性，原则上其耐腐蚀性也要远远优于传统金属氧化物半导体。理论上，随着材料厚度减小，层间电荷屏蔽效应减弱，吸附分子对气体敏感材料电学性能的影响越大，因此，单层材料将拥有最高的敏感性。另一方面，传统体材料气体传感器导电沟道处于半导体内部，受表面散射影响较小，电流信号的改变只取决于材料的载流子浓度变化，即电荷转移数目。而对于二维TMDCs气体传感器，如果依旧采用与金属氧化物半导体相同的常规两端电阻型结构，即TMDCs薄膜既是气体敏感层又是导电沟道，随着二维TMDCs材料随着厚度减小，受表面散射的影响将会越来越大。TMDCs与吸附分子间的电荷转移不仅改变TMDCs中的载流子浓度，同时，吸附分子作为散射中心将显著降低载流子的迁移率，其结果是，电阻的改变难以真实反映待测气体浓度。特别是对吸附气体分子后TMDCs中载流子浓度增加，预期电流将会增大的情况。以MoS2对NH3分子的探测为例，原则上，NH3吸附在MoS2表面后电子从NH3转移到MoS2，导致MoS2中电子浓度增加，并且电流信号的增加理应和吸附的NH3分子数目线性正相关，但由于表面散射作用，吸附NH3分子后MoS2中的载流子迁移率也显著退化，两种作用相互抵消，导致吸附NH3后电流信号的增加受到极大的抑制。这与实验报道的单层MoS2吸附气体后电流信号的稳定性明显低于多层MoS2器件一致。此外，TMDCs作为新兴材料其器件的制备还面临不少挑战，如大面积高均匀度薄膜的制备，稳定掺杂、器件欧姆接触的形成等。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺点或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器及制备方法，与现有技术相比能够有效解决TMDCs气体传感器受表面散射影响大，稳定性差、易受干扰等问题，本专利技术中的气体传感器是以TMDCs作为气体敏感层，SFOI作为导电沟道；TMDCs与SFOI接触后，由于彼此间费米能级的高低差异，电子从高费米能级一侧转移至低费米能级一侧，从而在异质结两侧产生空间电荷区，形成p-n结；当待测气体分子吸附于TMDCs表面并与TMDCs之间发生电荷转移后，TMDCs内的载流子浓度发生变化，引起p-n结势垒变化，导致SFOI中的空间电荷区宽度改变，最终导电沟道电阻改变，实现对气体分子的传感。本专利技术将气体敏感层同导电沟道分开，同时利用二维TMDCs对吸附气体分子的高灵敏度，与成熟的传统半导体器件工艺，有助于实现高灵敏度，高可靠性，可直接集成在半导体芯片上的气体探测器。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，该气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与所述绝缘体上半导体薄膜SFOI两者接触，并且由于两者之间费米能级的高低差异引起电荷转移形成异质p-n结，在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中产生空间电荷区；该气体传感器用于当待测气体分子吸附于所述二维过渡金属硫化物TMDCs表面并发生电荷转移时，所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的空间电荷区宽度改变，而空间电荷区宽度直接决定了绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道的电阻，从而利用传感器电阻的改变对待测气体进行传感。作为本专利技术的进一步优选，所述气体分子具体是以范德华力吸附于所述气体敏感层的表面后发生电荷转移，使所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生改变。作为本专利技术的进一步优选，所述气体传感器整体上呈现出金半场效应晶体管特性，其中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs作为肖特基接触中的金属栅极，所述导电沟道的两端分别作为源极和漏极，源漏输出电流由TMDCs－SFOI异质结在绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道中产生的空间电荷区宽度决定。作为本专利技术的进一步优选，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与绝缘体上半导体薄膜SFOI两者之间费米能级之差的绝对值不低于0.3eV；优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型MoS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Si半导体薄膜；或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型WS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Ge半导体薄膜；或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为p型WSe2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的n型Si半导体薄膜。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了制备上述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)提供绝缘体上半导体薄膜SFOI材料；(2)将所述SF本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，该气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与所述绝缘体上半导体薄膜SFOI两者接触，并且由于两者之间费米能级的高低差异引起电荷转移形成异质p‑n结，在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中产生空间电荷区；该气体传感器用于当待测气体分子吸附于所述二维过渡金属硫化物TMDCs表面并发生电荷转移时，所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的空间电荷区宽度改变，而空间电荷区宽度直接决定了绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道的电阻，从而利用传感器电阻的改变对待测气体进行传感。

【技术特征摘要】
1.一种基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，该气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDCs作为气体敏感层，绝缘体上半导体薄膜SFOI作为导电沟道，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与所述绝缘体上半导体薄膜SFOI两者接触，并且由于两者之间费米能级的高低差异引起电荷转移形成异质p-n结，在所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中产生空间电荷区；该气体传感器用于当待测气体分子吸附于所述二维过渡金属硫化物TMDCs表面并发生电荷转移时，所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生变化，进而导致所述绝缘体上半导体薄膜SFOI中的空间电荷区宽度改变，而空间电荷区宽度直接决定了绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道的电阻，从而利用传感器电阻的改变对待测气体进行传感。2.如权利要求1所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述气体分子具体是以范德华力吸附于所述气体敏感层的表面后发生电荷转移，使所述二维过渡金属硫化物TMDCs内的载流子浓度发生改变。3.如权利要求1所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器整体上呈现出金半场效应晶体管特性，其中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs作为肖特基接触中的金属栅极，所述导电沟道的两端分别作为源极和漏极，源漏输出电流由TMDCs－SFOI异质结在绝缘体上半导体薄膜SFOI导电沟道中产生的空间电荷区宽度决定。4.如权利要求1所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器，其特征在于，所述二维过渡金属硫化物TMDCs与绝缘体上半导体薄膜SFOI两者之间费米能级之差的绝对值不低于0.3eV；优选的，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型MoS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Si半导体薄膜；或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为n型WS2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的p型Ge半导体薄膜；或者，所述二维过渡金属硫化物TMDCs为p型WSe2，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI为位于绝缘体上的n型Si半导体薄膜。5.制备如权利要求1－4任意一项所述基于TMDCs－SFOI异质结的气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)提供绝缘体上半导体薄膜SFOI材料；(2)将所述SFOI形成图形结构，去除目标导电沟道区域外的半导体薄膜层，形成半导体薄膜图形结构，该半导体薄膜图形结构即导电沟道台面；(3)在所述半导体薄膜图形结构的表面形成电极层，从而形成分别与目标导电沟道区域两端相连的两个电极；(4)将二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜直接生长或者转移至所述半导体薄膜图形结构的表面，以覆盖部分所述半导体薄膜导电沟道区域，同时保证该TMDCs薄膜未与所述步骤(3)得到的两个电极直接接触；(5)在所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的表面形成钝化层，然后将所述钝化层图形化，以形成暴露部分二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的开口，以作为气体吸附及脱附的窗口。6.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI材料的绝缘体衬底为玻璃、石英、陶瓷以及蓝宝石中的任意一种或者它们组成的复合结构；所述步骤(1)中，所述绝缘体上半导体薄膜SFOI材料中的半导体薄膜为元素半导体Si、Ge，以及化合物半导体GaAs、InP中的其中一种或者它们中的两者及两者以上组成的合金中的任意一种；所述步骤(1)中，所述半导体薄膜为本征半导体或掺杂浓度为1013-1017cm-3的轻掺杂半导体；该半导体薄膜的厚度为5-500nm，以便该半导体薄膜与二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜为MoS2、MoSe2、WS2、WSe2中的其中一种以及它们的合金中的任一种，该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的厚度为0.6-100nm；所述步骤(4)中，所述二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜的掺杂浓度要大于所述绝缘体上半导体薄膜的掺杂浓度，以便该二维过渡金属硫化物TMDCs薄膜与半导体薄膜接触后能够在该绝缘体上半导体薄膜SFOI中形成显著的空间电荷区；所述步骤(5)中，所述钝化层采用无机绝缘材料或者有机绝缘材料，其中所述无机绝缘材料优选为SiO2、Al2O3或HfO2；该钝化层采用物理气相沉积、化学气相沉积或旋涂方法制备；优选的，所述钝化层具体为采用原子层沉积工艺沉积得到的厚度为20-2000nm的Al2O3钝化层。7.一种基于TMDCs－SFOI异质结的结型场效应晶体管气体传感器，其特征在于，该结型场效应晶体管气体传感器以二维过渡金属硫化物TMDC...

【专利技术属性】
技术研发人员：张有为，邓嘉男，马衎衎，张卜天，陈巧，王顺，
申请(专利权)人：华中科技大学，深圳华中科技大学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42