本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體技術(shù)，特別涉及一種半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的制作和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體紫外光探測器具有響應(yīng)快、選擇性好、響應(yīng)率高、信噪比高等優(yōu)點，在安全通信、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。常見的半導(dǎo)體紫外光探測器大都基于寬帶隙半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)，利用紫外光照射半導(dǎo)體使位于價帶的電子躍遷至導(dǎo)帶形成非平衡載流子，顯著增加半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率，實現(xiàn)對紫外光信號的探測。各類智能化、集成化微納電子器件的高速發(fā)展，要求新型半導(dǎo)體紫外光探測器件具有尺寸小、靈敏度高、易集成等特點。半導(dǎo)體納米材料獨有的高比表面積、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等，使其成為紫外光探測領(lǐng)域最熱門的材料之一。新型半導(dǎo)體納米紫外光探測器主要由sic、zno、zns、znse、gan、aln、inn、algan等寬帶隙半導(dǎo)體納米材料制作而成[semicond.sci.technol.18(2003)r33-r51]。其中，二維結(jié)構(gòu)的zno納米片具有超大的比表面積和較高的電子遷移率，禁帶寬度達(dá)到3.37ev，激子結(jié)合能高達(dá)60mev，被認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力的紫外光探測材料之一。在實際應(yīng)用過程中，半導(dǎo)體納米紫外光探測器經(jīng)常暴露在大氣環(huán)境中，大量的水和氧氣分子會吸附在半導(dǎo)體功能層表面；此外，在化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，半導(dǎo)體納米紫外光探測器經(jīng)常暴露在各種各樣的環(huán)境氣氛中，大量有機(jī)物分子會吸附在半導(dǎo)體功能層表面。各種氣體分子的吸附會顯著地改變半導(dǎo)體納米紫外光探測器件性能，影響器件工作穩(wěn)定性[sensorsandactuatorsb235(2016)622-626]。然而，在現(xiàn)有器件的開發(fā)過程中較少考慮環(huán)境氣氛對半導(dǎo)體納米紫外光探測器件性能的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對環(huán)境會影響半導(dǎo)體納米紫外光探測器件工作穩(wěn)定性的問題，提出了一種半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的制作和應(yīng)用，由二維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體納米材料制作而成，既能在不同的環(huán)境氣氛條件下穩(wěn)定地探測紫外光信號，又可以在室溫條件下檢測不同有機(jī)物氣體分子。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的制作方法，具體包括如下步驟：

1）采用化學(xué)氣相沉積方法，在p型si/sio2絕緣襯底表面中間段合成二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米片；

2）利用電子束曝光方法、光刻以及鋁箔覆蓋方法制作做掩膜版，采用磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)方法，沿步驟1）合成后的zno納米片兩端鍍制對稱au/ti金屬電極，金屬電極一部分在sio2絕緣襯底上，一部分在zno納米片上；

3）采用涂覆導(dǎo)電銀膠、焊接方法，從金屬電極位置引出外接導(dǎo)線；

4）采用pdms、pmma、pvc中任意一種聚合物涂覆金屬電極層，聚合物厚度為100~2000nm；利用對紫外和可見光不透明的鋁箔遮擋除中間二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米片以外的其他部分，完成半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件制作。

所述p型si/sio2絕緣襯底的長度范圍為1mm~20mm，其寬度范圍為1mm~20mm，p型si襯底為單晶或多晶結(jié)構(gòu)，sio2層厚度為100~500nm，sio2層完全覆蓋si襯底；二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米片長寬比例范圍為100:1~2:1，厚度為1~100nm。

所述步驟2）中au/ti金屬電極厚度為10~200nm，具有相同寬度和長度，單側(cè)寬度小于同方向zno納米片寬度的20%。

一種半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的制作方法制成的半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件應(yīng)用，在不同環(huán)境氣氛條件下探測紫外光信號，并且在探測紫外光信號的同時在室溫條件下檢測有機(jī)物分子。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的制作和應(yīng)用，利用二維半導(dǎo)體納米材料具有較大比表面積以及對有機(jī)物氣體分子敏感的特點，無需其它任何復(fù)雜工藝和特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，制作半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件，實現(xiàn)對不同環(huán)境氣氛條件下紫外光信號的穩(wěn)定探測以及室溫條件下對有機(jī)物分子的檢測，解決半導(dǎo)體紫外光探測器在環(huán)境氣氛條件下性能不穩(wěn)定的難題。具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、靈敏度高、可在室溫下工作等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米片xrd圖；

圖2為本發(fā)明二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米片sem圖；

圖3為本發(fā)明對稱遮蓋結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件示意圖；

圖4為本發(fā)明對稱遮蓋結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件俯視圖；

圖5為本發(fā)明zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件測試系統(tǒng)示意圖；

圖6為本發(fā)明zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的伏安特性曲線圖；

圖7為本發(fā)明不同柵極電壓條件下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的電導(dǎo)率比值圖；

圖8為本發(fā)明不同丙酮濃度條件下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的電導(dǎo)率比值圖；

圖9為本發(fā)明不同丙酮濃度條件下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的on-off電導(dǎo)率比值圖；

圖10為本發(fā)明不同有機(jī)氣體分子條件下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的電導(dǎo)率比值圖；

圖11為本發(fā)明不同有機(jī)氣體分子條件下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的on-off電導(dǎo)率比值圖。

具體實施方式

所述半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件，利用二維半導(dǎo)體納米材料具有較大比表面積和對有機(jī)物氣體分子敏感的特點，無需其他任何復(fù)雜工藝和特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)不同環(huán)境氣氛條件下對紫外光信號的穩(wěn)定探測以及室溫條件下對有機(jī)物分子的檢測。

一種半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的制作及測試應(yīng)用，具體實施步驟如下：

（1）采用化學(xué)氣相沉積方法，在p型si/sio2絕緣襯底表面中間段合成所述二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米片；p型si/sio2絕緣襯底的長度為1mm~20mm，寬度為1mm~20mm，p型si襯底為單晶或多晶結(jié)構(gòu)，sio2層厚度為100~500nm，sio2層完全覆蓋si襯底；二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米片長寬比例為100:1~2:1，厚度為1~100nm；圖1和圖2分別為p型si/sio2絕緣襯底表面生長的二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米片xrd圖和sem圖；

（2）利用電子束曝光方法、光刻以及鋁箔覆蓋等方法制作做掩膜版，采用磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)方法，沿步驟（1）合成后的zno納米片兩端鍍制對稱au/ti金屬電極，金屬電極一部分在sio2絕緣襯底上，一部分在zno納米片上；au/ti電極厚度為10~200nm，具有相同寬度和長度，單側(cè)寬度小于同方向zno納米片寬度的20%；

（3）采用涂覆導(dǎo)電銀膠、焊接等方法，從所述au/ti金屬電極位置引出外接導(dǎo)線；

（4）采用pdms、pmma、pvc中任意一種聚合物涂覆電極層，聚合物厚度為100~2000nm；利用對紫外和可見光不透明的鋁箔遮擋除中間二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米片以外的其他部分；圖3為對稱遮蓋結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件示意圖，圖4為對稱遮蓋結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件俯視圖；

（5）采用金屬、聚合物、玻璃等制作密閉裝置，密閉裝置長度為1~100cm，寬度為1~100cm，高度為1~100cm；密閉裝置側(cè)壁預(yù)留導(dǎo)線孔、紫外光照射孔、有機(jī)物液體滴加孔以及抽氣孔；

（6）將所述zno半導(dǎo)體納米片器件置于密閉系統(tǒng)中間樣品臺，從密閉裝置側(cè)壁導(dǎo)線孔處引出導(dǎo)線；將加熱臺置于密閉裝置中，從密閉裝置側(cè)壁導(dǎo)線孔處引出加熱臺導(dǎo)線，密封全部導(dǎo)線孔；

（7）將紫外光束從預(yù)留的紫外光照射孔引入密閉裝置，照射zno納米片，測試zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的基本電學(xué)性能，紫外光波長小于365nm；圖5所示為zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件測試系統(tǒng)示意圖；圖6所示為zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的伏安特性曲線；

（8）調(diào)節(jié)柵極電壓，測試所述zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的電導(dǎo)率隨時間變化曲線；圖7所示為不同柵極電壓下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的電導(dǎo)率比值，g為有紫外光照射時的電導(dǎo)率，g0為無紫外光照射時的電導(dǎo)率；

（9）利用真空泵從預(yù)留抽氣孔抽出空氣；從密閉系統(tǒng)側(cè)壁的有機(jī)物液體滴加孔，通入不同有機(jī)物液體到加熱臺，控制加熱臺升溫速率和溫度，加熱溫度為25~300℃，升溫速率為1~50℃/分鐘，測試在紫外光照射和氣體分子作用下所述器件的電導(dǎo)率隨時間變化曲線；

（10）控制滴加有機(jī)物液體體積，改變氣體分子濃度，測試所述zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的電導(dǎo)率隨時間變化曲線，有機(jī)物液體體積為1μl~100ml；圖8所示為不同丙酮濃度條件下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的電導(dǎo)率比值；圖9所示為不同丙酮濃度條件下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的on-off電導(dǎo)率比值；

（11）改變氣體分子類型、紫外光照射強(qiáng)度等，測試所述的半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的電導(dǎo)率隨時間變化曲線，獲得所述半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的應(yīng)用方法；圖10所示為不同有機(jī)氣體分子條件下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的電導(dǎo)率比值；圖11不同有機(jī)氣體分子條件下zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件的on-off電導(dǎo)率比值；

所述二維結(jié)構(gòu)zno半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件可以在不同環(huán)境氣氛條件下穩(wěn)定探測紫外光信號，同時能在室溫條件下檢測有機(jī)物分子。所述半導(dǎo)體納米紫外光探測及氣體傳感集成器件具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、靈敏度高、可在室溫下工作等特點，可以解決半導(dǎo)體紫外光探測器在環(huán)境氣氛條件下性能不穩(wěn)定的難題。