碳基场效应晶体管传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及场效应管领域，公开一种碳基场效应晶体管传感器，包括：位于底层的栅极；位于栅极的一侧的第一介质层；位于所述第一介质层背离所述栅极一侧表面的碳纳米管层；位于所述碳纳米管层背离所述第一介质层一侧表面的第二介质层；位于所述第二介质层背离所述碳纳米管层一侧表面的铁电材料层、源极与漏极，所述铁电材料层设置在源极与漏极之间、并与源极与漏极分别电连接；以及位于铁电材料层背离第二介质层一侧表面的敏感层；其中，所述敏感层作为传感器探针，被设置成包括用于探测待测对象的敏感材料。本实用新型专利技术通过铁电层与碳纳米管的界面处累积的电荷所产生的电场对碳纳米管的沟道形成影响，提高传感器的响应灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
碳基场效应晶体管传感器
本技术涉及晶体管
，尤其是场效应管（FET，FieldEffectTransistor），具体而言涉及一种基于铁电极化效应的碳基场效应晶体管传感器（CNT-FET）。
技术介绍
碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET），是一种基于碳基场效应、并以碳纳米管构成沟道材料的新型晶体管，利用碳纳米管的小尺寸、高载流子迁移率、栅-沟道耦合效率高的特性，其对外界的电扰动非常敏感，基于这一特性，在栅极修饰敏感材料作为探针形成不同功能的半导体传感器，即碳基场效应晶体管传感器，如图1所示，具有极佳的栅调控能力，通过探针可以将待测对象的理化信息转换成电扰动信号，而CNT-FET的沟道材料——碳纳米管对外界电扰动十分敏感，表现为沟道载流子浓度变化（可近似为P掺杂或者N掺杂），最终反映为传感器的工作电流的变化，从而得到待测物的理化指标，如图2所示为现有碳基FET生物传感器响应信号示意图，随着待测物浓度的提升，器件在饱和区的工作电流逐渐增大，通过电信号可得到生物分子的浓度信息。结合图2所示，我们看到碳基FET生物传感器在饱和区工作，响应灵敏度远低于亚阈值区，而基于传统的FET器件结构，引起碳基FET生物传感器亚阈值区的电流变化的因素十分复杂，几乎无法通过电流变化获得响应信号。现有技术文献：专利文献1：CN109326714A碳纳米管场效应管的制备方法、制备装置及电子器件专利文献2：CN108023016A薄膜晶体管的制备方法专利文献3：CN111370578A放生晶体管结构及其特征时间的控制方法
技术实现思路
本技术目的在于提供一种基于铁电极化效应的碳基场效应晶体管传感器，通过铁电层与碳纳米管的界面处累积的电荷所产生的电场对碳纳米管的沟道形成影响，提高传感器的响应灵敏度。为实现上述目的，本技术的第一方面提出一种碳基场效应晶体管传感器，包括：位于底层的栅极；位于栅极的一侧的第一介质层；位于所述第一介质层背离所述栅极一侧表面的碳纳米管层；位于所述碳纳米管层背离所述第一介质层一侧表面的第二介质层；位于所述第二介质层背离所述碳纳米管层一侧表面的铁电材料层、源极与漏极，所述铁电材料层设置在源极与漏极之间、并与源极与漏极分别电连接；以及位于铁电材料层背离第二介质层一侧表面的敏感层；其中，所述敏感层作为传感器探针，被设置成包括用于探测待测对象的敏感材料。优选地，所述第一介质层和第二介质层作为栅极介质层，均采用高k介质层。其中，所述第一介质层和第二介质层均为薄膜介质层。优选地，所述铁电材料层的厚度为6nm-12nm。尤其优选地，所述铁电材料层的厚度为8nm-10nm。其中，所述铁电材料层被设置成工作在晶体极化饱和区间。优选地，所述源极与漏极对称地分布在铁电材料层两侧，并且分别位于第二介质层一侧表面的相对的位置。优选地，所述碳纳米管层包括网格状碳纳米管薄膜。根据本技术的第二方面还提出一种基于碳基场效应晶体管传感器的探测方法，其中在探测过程中，对铁电材料层施加外部电场使得铁电材料层工作在极化饱和区间，通过铁电材料层与碳纳米管的界面位置累积电荷产生的电场作用，使碳基场效应晶体管传感器的工作区被调整至从亚阈值区开始。应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的技术主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的技术主题的一部分。结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本技术教导的前述和其他方面、实施例和特征。本技术的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本技术教导的具体实施方式的实践中得知。附图说明附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本技术的各个方面的实施例，其中：图1是现有技术中碳纳米管场效应管的示意图。图2是碳纳米管场效应管传感器的响应信号示意图。图3是本技术示例性实施例的碳基场效应晶体管传感器的示意图。图4（a）-（b）是本技术示例性实施例的碳基场效应晶体管传感器中铁电材料层的PE-Loop曲线示意图，（a）表示PE-Loop（即电滞曲线），（b）表示PE-Loop与IV（电流电压）的示意。图5是本技术示例性实施例的碳基场效应晶体管传感器中铁电材料层的界面电荷累积示意图。图6是本技术示例性实施例的碳基场效应晶体管传感器的转移特性示意图。具体实施方式为了更了解本技术的
技术实现思路
，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。在本公开中参照附图来描述本技术的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本技术的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本技术所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本技术公开的一些方面可以单独使用，或者与本技术公开的其他方面的任何适当组合来使用。根据本技术公开的实施例的碳基场效应晶体管传感器，针对现有技术中碳纳米管场效应管生物传感器在器件在饱和区工作，响应灵敏度远低于亚阈值区，而在亚阈值区的电流变化的影响因素复杂，难以通过电流的变化来获得响应信号，因此有鉴于此，申请人经过潜心研究，提出一种基于铁电效应的碳基场效应晶体管传感器，在碳纳米管层（CNT）上增加铁电材料层，利用其铁电极化效应，通过施加外加电场使传感器的工作区间由截止区直接调整转移到从亚阈值区开始，提高传感器的响应灵敏度。基于此，本技术示例性的实施例提出一种碳基场效应晶体管传感器，包括：位于底层的栅极；位于栅极的一侧的第一介质层；位于所述第一介质层背离所述栅极一侧表面的碳纳米管层；位于所述碳纳米管层背离所述第一介质层一侧表面的第二介质层；位于所述第二介质层背离所述碳纳米管层一侧表面的铁电材料层、源极与漏极，所述铁电材料层设置在源极与漏极之间、并与源极与漏极分别电连接；以及位于铁电材料层背离第二介质层一侧表面的敏感层；其中，所述敏感层作为传感器探针，被设置成包括用于探测待测对象的敏感材料。如此，通过敏感材料接触到被探测对象，将待测对象的属性信息转换成电扰动信号，作为沟道的半导体材料碳纳米管对这样电扰动的敏感响应，使得沟道载流子浓度变化，体现出传感器的工作电流的变化，从而得到待测物的属性，实现检测过程。结合图4（a）、（4b），铁电材料中存在多个区域单元（domain），每个区域单元具备一定的自发极化方向，这种自发极化方向在受到外加电场的影响，表现为极化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳基场效应晶体管传感器，其特征在于，包括：/n位于底层的栅极；/n位于栅极的一侧的第一介质层；/n位于所述第一介质层背离所述栅极一侧表面的碳纳米管层；/n位于所述碳纳米管层背离所述第一介质层一侧表面的第二介质层；/n位于所述第二介质层背离所述碳纳米管层一侧表面的铁电材料层、源极与漏极，所述铁电材料层设置在源极与漏极之间、并与源极与漏极分别电连接；以及/n位于铁电材料层背离第二介质层一侧表面的敏感层；/n其中，所述敏感层作为传感器探针，被设置成包括用于探测待测对象的敏感材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳基场效应晶体管传感器，其特征在于，包括：
位于底层的栅极；
位于栅极的一侧的第一介质层；
位于所述第一介质层背离所述栅极一侧表面的碳纳米管层；
位于所述碳纳米管层背离所述第一介质层一侧表面的第二介质层；
位于所述第二介质层背离所述碳纳米管层一侧表面的铁电材料层、源极与漏极，所述铁电材料层设置在源极与漏极之间、并与源极与漏极分别电连接；以及
位于铁电材料层背离第二介质层一侧表面的敏感层；
其中，所述敏感层作为传感器探针，被设置成包括用于探测待测对象的敏感材料。


2.根据权利要求1所述的碳基场效应晶体管传感器，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层均采用高k介质层。


3.根据权利要求2所述的碳基场效应晶体管传感器，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层均为薄膜介质层。


4...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹觉先，刘逸为，张志勇，赵为，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：新型
国别省市：湖南;43