[发明专利]一种基于埋栅结构的改进型石墨烯气体传感器

说明书

本发明属于气体传感技术领域，具体提供一种基于埋栅结构的改进型石墨烯气体传感器，用以解决传统背栅结构石墨烯气体传感器存在的栅控能力差的问题。本发明提出埋栅结构，将栅极金属层埋嵌设置于硅衬底层的矩形凹槽内，同时引入三氧化二铝作为栅极电介质，能够大幅减小栅极电介质的厚度并增大栅极电介质的相对介电常数，从而提高器件的栅控能力；并且，埋栅结构实现栅极金属层的图形化，保证栅极金属与漏、源极金属在垂直方向上无重叠部分，有效提高气体传感器的可靠性；另外，埋栅结构能够保证石墨烯层的反应面积，保证器件响应度好，且具有面积小、可微型化集成为传感器阵列的优点。

技术领域

本发明属于气体传感技术领域，具体提供一种基于埋栅结构的改进型石墨烯气体传感器。

背景技术

随着社会的高速发展以及人类生产活动的日益扩大，大气污染作为发展带来的主要污染源受到广泛关注，因此，研究高性能气体传感器用来监控大气环境成为学术界和工业界的研究热点。气体传感器常常需要集成到广泛应用的电子系统中，使得气体传感器模块正朝着微型化、集成化、阵列化的方向发展；在未来万物互联的时代，集成化的气体传感器作为电子系统感知外界环境的器官，具有广阔的应用前景。

气体传感器是一种能够将气体的种类、浓度等信息转换成电信号被处理以及利用的装置，石墨烯作为一种新兴的材料，被证明对气体分子具有最高的敏感性，而且比表面积大、表面活性高，因此作为气敏材料被广泛研究。场效应晶体管是集成电路中的基本器件，能够进行大规模集成，将场效应晶体管中的导电沟道替换为石墨烯，则可以制作石墨烯场效应晶体管(GFET)。基于GFET制作的气体传感器通过检测电流的变化达到检测气体的目的，当被测气体与导电沟道处的石墨烯接触时，会发生表面吸附或者其它的化学吸附作用，引起石墨烯的载流子浓度以及掺杂浓度发生变化，进一步改变电流的大小以及造成狄拉克点的移动，依据电信号的变化量就能够获得被测气体的种类及浓度等相关信息。

目前，常见的GFET可以分为背栅结构与顶栅结构两种，传统的顶栅结构石墨烯气体传感器如图1所示，该结构中栅极位于气敏材料(石墨烯层)的上方，会遮挡住部分气敏材料，极大地影响传感器的气敏性能；因此，在气体传感领域，常采用背栅结构的GFET。传统的背栅结构石墨烯气体传感器如图2所示，包括：从下往上依次为栅极金属1、硅衬底层2、二氧化硅层3、石墨烯层4、源极金属5与漏极金属6；当背栅结构石墨烯气体传感器置于气体环境中时，气敏材料石墨烯表面吸附气体分子后，其电流会发生变化，因此可以通过源极和漏极输出与气体浓度相关的电信号；但是，该结构中硅衬底层与二氧化硅层共同构成栅极介质层，由于硅衬底的存在，不可避免的导致栅介质层厚度增加，进而导致栅极电容变小，所以栅控能力差；为了保证传感器检测性能，则要求器件的栅极调控电压很高，从而导致高功耗以及人员安全威胁。

发明内容

本发明的目的在于针对传统背栅结构石墨烯气体传感器存在的栅控能力差的问题，提供一种基于埋栅结构的改进型石墨烯气体传感器。本发明采用埋栅结构，将栅极金属层埋嵌设置于硅衬底层的矩形凹槽内，同时引入三氧化二铝作为栅极电介质，能够大幅减小栅极电介质的厚度并增大栅极电介质的相对介电常数，从而提高器件的栅控能力；并且，埋栅结构通过实现栅极金属层的图形化，保证栅极金属与漏、源极金属在垂直方向上无重叠部分，有效提高气体传感器的可靠性；另外，埋栅结构能够保证石墨烯层的反应面积，保证器件响应度好，且具有面积小、可微型化集成为传感器阵列的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于埋栅结构的改进型石墨烯气体传感器，包括：栅极金属层1、硅衬底层2、二氧化硅层3、石墨烯层4、源极金属层5与漏极金属层6；其特征在于，所述石墨烯气体传感器还包括：三氧化二铝层7，所述二氧化硅层设置于硅衬底层上表面，所述二氧化硅层上表面的中间位置开设矩形凹槽，所述栅极金属层埋嵌设置于矩形凹槽内，所述三氧化二铝层设置于二氧化硅层与栅极金属层上表面，所述石墨烯层设置于三氧化二铝层上表面的中间位置，三氧化二铝层与石墨烯层上设置所述源极金属层与漏极金属层，源极金属层与漏极金属层分别位于栅极金属层的两侧、且三者在垂直方向上无交叠。