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 场效应管（FET）是利用电场来控制固体材料导电性能的有源器件，具有体积小、重量轻、节能、热稳定性好等优点,广泛应用于电路方面〔1〕，而场效应管应用于气体传感器从Lundstrom首次报道后才引起了广大研究者的兴趣[2]。 场效应管气体传感器是近年来随着微电子IC技术和MEMS的发展而产生的。它是将场效应管的栅极金属替换成敏感膜，当吸附气体时气体分子与薄膜交换电子使薄膜表面发生极化时，将改变栅极下半导体表面电位，引起表面反型，源漏电流导通，通过检测源漏电流变化即可得到敏感信号[3]。目前对ChemFET气体传感器敏感材料的研究大多集中在导电聚合物方面。它们具有易于沉积和多种聚合体结构，便于修饰，可以按功能所需进行分子设计和合成等优点而备受关注。 3，4－聚乙撑二氧噻吩（简称PEDT）是一种颇具前途的导电聚合物，已被广泛应用于电子等领域，但在化学传感器方面应用却很少。本文采用化学氧化聚合法合成PEDT，并将其作为敏感材料制备了N沟道耗尽型ChemFET气体传感器，对传感器的氨气敏感特性和温度特性作了相关测试。 二、实 验 1、 PEDT薄膜制备及器件结构设计（1） PEDT薄膜制备 PEDT是由EDT单体聚合而来的，其聚合反应如图1所示。 PEDT膜的制备采用化学氧化聚合法，先把丙酮和异丙醇按比例混合作为反应溶剂，然后依比例加入聚合单体EDT和氧化剂，在5°C下反应数分钟完成。将处理好的ChemFET浸入到反应液中，静置15min后取出，室温条件下成膜。 （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 1、PEDT的表征（1）扫描电子显微镜（SEM）分析 为了观察PEDT的表面形貌，我们将其沉积在处理过的石英基片上，用日本日立公司的S－450型扫描电子显微镜进行分析。在成膜过程中，我们研究了制备工艺条件对所成膜的表面形貌的影响，图4是在不同条件下所成的PEDT膜在扫描电子显微镜下观察到的表面形貌。从A、B、C、D的对比很容易看出，随着氧化剂用量的增加，膜的表面形貌趋于平整均匀，膜中网孔的数量在快速增加，但孔的尺寸却在不断减小，膜的这种网状结构的变化改善了膜的导电性能，提高了PEDT膜的电导率。 （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 采用化学氧化聚合法制备PEDT，对其薄膜进行了分析和表征；结果表明薄膜呈网状结构，细密均匀，成膜较好；以PEDT为敏感材料制备了化学场效应管氨气传感器，并对其气敏特性进行了测试，发现ChemFET的漏电流随着氨气浓度的升高而减小，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降低,同时温度对传感器性能有一定的影响。 该研究结果对化学场效应管传感器的研究有一定的参考价值。 参考文献 [1] 周桂江，叶成.有机/聚合物场效应管[J]，化学通报：2002,（4）：227－233 [2] J.A.Covington, J.W.Gardner, D.Briard, N.F.de Rooij, A polymer gate FET sensor array for detecting organic Vapours[J], Sensors and actuators B, 2001（77）:155～162 [3] Hodge-Miller A, Perkins F.K., Peckerar M., et al. Gateless Depletion Mode Field Effect Transistor For Macromolecule Sensing[A]. Proceedings of the 2003 International Symposium- Circuits and Systems, 2003,ISCAS ‘03[C], 2003. 918 -921 [4] Burgmair M., Eisels I. Contribution of the gate insulator surface to work function measurements with a gas sensitive FET[A].Proceedings of IEEE- Sensors[C], 2002. 439-442 [5] McKennoch S., Wilson D.M. Electronic interface modules for solid-state chemical sensors. Proceedings of IEEE- Sensors[C], 2002. 344-349 [6] Vamsi Krishna T, Jessing J.R., Russell D.D., et al. Modeling and design of polythiophene gate electrode ChemFETs for environmental pollutant sensing[A]. Proceedings of the 15th Biennial-University /Government /Industry Microelectronics Symposium [C], 2003: 271-274 [7] ChangZhi Gu, Liangyan Sun, Tong Zhang, et al, The design and characteristics of a porphyrin LB film ChemFET gas sensor[J], Thin Solid Film, 1996,284-285:863-865 [8] Andersson M, Holmberg M., Lundström I., et al. Development of a ChemFET sensor with molecular films of porphyrins as sensitive layer[J], Sensors and Actuators: B, 2001,（77）:567-571