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化学场效应管氨气传感器的制备及特性研究 |
| 摘 要： 采用化学氧化聚合法制备了3，4－聚乙撑二氧噻吩（简称PEDT），并运用SEM和红外吸收光谱对其薄膜进行表征；同时将其沉积在N沟道耗尽型无金属栅场效应管上，形成以PEDT膜取代MOSFET栅金属的化学场效应管（ChemFET）气体传感器，研究了其对氨气和温度的敏感特性。研究表明在氨气浓度低于54ppm的情况下，ChemFET的漏电流随着氨气浓度的增加而减小，其变化量（△IDS）随氨气浓度的变化呈线性关系；同时漏电流随着负的衬底电压的增加而减小,随着温度的升高而降低。 关键词: PEDT；化学场效应管；氨气传感器 一 引言  二、实 验  （2） 器件结构设计 采用半导体平面工艺技术在电阻率为14W×cm的（100）晶面p型硅基片制作了一个N沟道耗尽型无金属栅场效应管，沟道长为10μm，宽100μm。器件的基本结构如图2所示。根据文献[8]报道，栅绝缘层的质量和厚度直接影响器件的电流输入阻抗，栅绝缘层越薄，响应电流越大，因此结合实际工艺条件，制作的化学场效应管的绝缘层（SiO2层加Si3N4层的总厚度）厚度在50nm左右。 2、气体测试装置 化学场效应管气体传感器的敏感机理是利用气体分子对导电聚合物敏感膜的穿透或者吸附改变栅区敏感膜的功函数，从而影响栅极电压对沟道电流的调制作用，利用电流变化检测气体浓度[4－7]。实验中所采用的测试装置如图3所示，包括气瓶、测试室及Keithley 4200半导体测试仪等。 三 结果与讨论  （2）PEDT膜的红外吸收光谱分析 利用FTIR测定了导电聚合物PEDT膜的红外吸收光谱图，并对其主要的特征峰进行了归属，如图5所示：685cm-1为噻吩环的变形振动吸收峰，1509cm-1、1425cm-1为环的伸缩振动吸收峰，1090cm-1为噻吩环上亚乙二氧基的谜键吸收峰，1184cm-1为一些掺杂剂的吸收峰。在制备PEDT膜时使用的氧化剂三氯化铁同时作为掺杂剂，属于电子接受型的p-掺杂剂，从而使膜电导率提高。  2、 氨气的敏感特性 测试是在湿度为62%R.H.，温度为15°C的环境下进行的。固定漏源电压（VDS）为3V，衬底接地。研究发现：在氨气浓度从0增加到54ppm的过程中，场效应管漏电流逐渐减小。PEDT膜ChemFET漏电流变化量与氨气浓度的关系如图6所示，由图可见漏电流的变化随着氨气浓度的增加几乎呈线性变化。 为了研究衬底电压对漏电流的影响，在氨气浓度为36ppm的情况下，在场效应管的衬底上加不同的电压，ChemFET的输出特性曲线如图7所示。从图7可见PEDT膜场效应管对氨气的敏感特性与MOSFET对栅电压的特性十分类似，同时可以看出场效应管的漏电流随着负的衬底电压的增加而降低。  3、 温度特性 为了测试温度对传感器敏感特性的影响，固定漏源电压VDS为3V，源级和衬底接地，测试了ChemFET漏电流在不同温度下的漏电流变化，如图8所示。结果表明：当温度从-20°C逐渐递增到60°C时，漏电流逐渐下降。因此为了减少温度的干扰，需要设计温度补偿电路，目前此工作正在进行中。  四、 结论 |