使用石墨烯的用于化學傳感的場效應晶體管、使用晶體管的化學傳感器和制造晶體管的方法
【專利摘要】用于化學傳感的場效應晶體管(20)，包括漏極(5)和源極(6)間延伸的導電和化學敏感溝道(2)。柵極(7)被縫隙(10)從溝道(2)分隔，待傳感的化學物能經(jīng)其到達溝道(2)，溝道包括布置在電絕緣的石墨烯層襯底(1)上的連續(xù)單晶石墨烯層(2a)。石墨烯層(2a)在源極(5)和漏極(6)之間延伸并電連接于源極和漏極。襯底支撐石墨烯層，允許其保持為2維且連續(xù)，使其能設置在明確界定表面上，且作為分離的部分生產(chǎn)且添加到晶體管。這對再現(xiàn)性有益且減少在生產(chǎn)期間和之后對石墨烯層損傷的風險。也使能了在單個晶體管之間具有低變化性的低探測極限。還提供了使用晶體管(20)的化學傳感器(30)和用于提供晶體管(20)的方法。
【專利說明】使用石墨烯的用于化學傳感的場效應晶體管、使用晶體管的化學傳感器和制造晶體管的方法
【技術(shù)領域】
[0001]本公開內(nèi)容大體上涉及使用場效應晶體管的化學傳感并且更具體地涉及使用具有涉及石墨烯的化學敏感的溝道的場效應晶體管的化學傳感。
技術(shù)背景
[0002]使用場效應晶體管(FET)的化學傳感，例如能夠探測氣體的FET，如在1975年文章 1.Lundstrom-, “A Hydrogen-Sensitive MOS Field-Effect Transistor，，AppliedPhysics Letters26, 55-57頁中以及在授予Svensson等人的美國專利4，058, 368中描述的。在上文提到的文章中，晶體管器件具有鈀柵，其具有氫解離性吸附和原子氫然后吸附到鈀柵中的催化活性。
[0003]在溝道和柵之間具有空氣縫隙的化學敏感的FET已經(jīng)在例如Janata的1985年美國專利4，514，263和4，411741中描述，它們描述了具有空氣縫隙的用于測量氣體或液體中的組分的化學敏感的場效應晶體管。這些FET相似于Lundstr6m MOSFET,因為它們二者都包括作為溝道起作用的摻雜的半導體襯底和形成源電極和漏電極的一對摻雜區(qū)，然而在Janata的器件中，金屬柵被懸掛在半導體襯底上方，界定空氣縫隙。電壓被施加于柵上并且當具有偶極矩的氣體或液體被引入空氣縫隙中時，它們被吸引于帶電荷的柵或吸引于半導體表面。
[0004]當化學敏感的FET被用于化學傳感應用時，即，當這樣的FET被用于/用作傳感器時，傳感器還包括用于電控制和/或偏置用于傳感的FET的裝置，使得化學物質(zhì)的探測將表現(xiàn)為電信號或表現(xiàn)在電信號中，電信號因此成為指示化學物質(zhì)的電信號。通過預確定被傳感的化學物質(zhì)(例如其的濃度)和所得到的指示化學物質(zhì)的電信號之間的關系，電信號可以被單獨地使用，不僅用于探測化學物質(zhì)的存在或不存在，而且用于確定化學物質(zhì)的量，典型為濃度。
[0005]在2004 年被 K.S.Novoselov 等人隔離石墨烯之后，“Electric Field Effect inAtomically Thin Carbon Films”Science, 306, 5696,666-669,其在各種應用領域的用途已經(jīng)被研究，包括用于化學傳感應用。低探測極限已經(jīng)成為可能，部分由于石墨烯晶體管的低噪聲并且還由于石墨烯中高的表面積和大的場效應，這使通過施加柵電壓在費米能級的大的遷移成為可能，從而精細調(diào)節(jié)用于傳感器應用的電子性質(zhì)。
[0006]十億分之一探測在2007 的文章 Schedin 等人，“Detection of individual gasmolecules adsorbed on graphene”，Nature Materials,6,9,652-655 中提出，并且不出了指示單獨的分子吸附和解吸事件的分級噪音。在上文提到的文章中，石墨烯為小的裂解薄片的形式。
[0007]在石墨烯傳感器的探測背后的詳細機理仍然是強烈爭論的話題，然而，沒有疑問的是，石墨烯可以在化學傳感應用中使用并且其使比在常規(guī)的化學傳感中低的探測極限成為可能。
[0008]在Ζ.Cheng等人，Nano LetterslO, 1864 (2010)中，公開了懸掛的石墨烯傳感器。其包括由支撐在硅/二氧化硅襯底上的機械剝落的石墨烯制成的石墨烯場效應晶體管(Gra-FET)0 Cr/Au的源-漏觸點被電子束平版印刷和后續(xù)的金屬化限定。聚二甲基硅氧烷(PDMS)室被包含在“Gra-FET”芯片上以約束電解質(zhì)溶液并且未泄漏的Ag/AgCl參考電極被用作電解質(zhì)柵。在石墨烯下方的氧化硅的蝕刻被原位地進行以實現(xiàn)懸掛并且使在具有懸掛和不具有懸掛的條件之間的比較是可能的，顯示出懸掛改善了傳感性質(zhì)。然而，傳感器是不可行的，通過原位蝕刻實現(xiàn)懸掛是繁瑣的并且易于導致單個傳感器之間的懸掛差異、在蝕刻期間對石墨烯層破壞的風險以及當襯底已經(jīng)在其下方被蝕刻時對石墨烯層破壞的風險。
[0009]使用該器件的一個一般問題，并且經(jīng)常是使用在本發(fā)明的日期或目前涉及石墨烯的許多公開的器件的一個一般問題，是它們主要被設計用于實驗目的并且不可實現(xiàn)為用于實際使用的商業(yè)產(chǎn)品。它們因此經(jīng)常具有在諸如可靠性、再現(xiàn)性、個體的變化性、生產(chǎn)率以及成本效率方面的問題。例如，當尋求低探測極限時，無關緊要的是個別的傳感器可以被做得非常敏感，如果其是不可重復的話，使得在原理上具有同等的敏感性和低探測極限的許多傳感器可以被制造，或如果傳感器在使用或制造期間可能或過于容易地可能使其敏感性被消極地影響的話。對石墨烯層的破壞可以破壞或至少損害化學傳感能力。因為破壞的程度和影響通常或多或少在本質(zhì)上是隨機的，此外小的破壞可以導致在具有相同的類型和構(gòu)造的傳感器之間的非期望的個體變化性，對于具有低探測極限的傳感器，這可能是特定的問題，如被石墨烯導致的。因此期望的是，把對石墨烯層破壞的風險減少至可能的最大程度。
[0010]針對涉及石墨烯的實際的氣體傳感的步驟記載在2011年文章G Lu等人，“Toward practical gas sensing with highly reduced graphene oxide:A new signalprocessing method to circumvent run-to-run and device-to-device variations，，,ACSNano中，印刷/在線出版。文章討論了使用背柵FET平臺(使用用化學方法減少的石墨烯氧化物作為導電溝道)的氣體傳感器的制造和特征，以及解決器件之間的變化的信號處理方法。柵是硅晶片并且在柵的頂部具有二氧化硅層，Cr/Au電極使用電子束平版印刷被制造至二氧化硅層上。幾滴被還原的石墨烯氧化物懸浮液被澆鑄至所制造的電極上以實現(xiàn)在溶劑蒸發(fā)之后留在電極上的懸掛的被還原的石墨烯氧化物薄片的網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡用作漏電極和源電極之間的導電溝道。然而，所提供的溶液導致在具有被還原的石墨烯氧化物薄片的放置和厚度的不確定性的單個器件之間的傳感器響應的顯著差異。此外，石墨烯的柔性本質(zhì)使整個薄片的懸浮不太可能并且因此來自SiO2襯底的貢獻是高度可能的。
[0011]發(fā)明概沭
[0012]考慮到上文，本公開內(nèi)容的目的是提出克服或至少減輕現(xiàn)有技術(shù)中的問題的解決方案或至少提出可選擇的解決方案。一個更具體的目的是提供使用石墨烯作為化學敏感的材料的用于化學傳感的場效應晶體管，由此使能當晶體管被用作化學傳感器或在化學傳感器中使用時的低探測極限，并且同時使能關于可靠性、再現(xiàn)性和/或個體變化性的改進。本發(fā)明被所附的獨立權(quán)利要求限定。
[0013]因此，根據(jù)第一方面，提供用于化學傳感的場效應晶體管，包括柵電極、漏電極、源電極和在所述漏電極和所述源電極之間延伸并且被電連接于所述漏電極和所述源電極的導電的并且化學敏感的溝道，所述柵電極被布置在距所述化學敏感的溝道一距離處并且與所述化學敏感的溝道相對，使得所述柵電極和所述化學敏感的導電溝道被縫隙隔開，待被傳感的化學物質(zhì)能夠經(jīng)過該縫隙到達所述化學敏感的溝道。所述化學敏感的溝道包括被布置在電絕緣的石墨烯層襯底上的連續(xù)的單晶石墨烯層，所述石墨烯層在所述源電極和所述漏電極之間延伸并且被電連接于所述源電極和所述漏電極。所述襯底使所述石墨烯層能夠被設置在明確界定的表面上并且作為分離的部分生產(chǎn)和添加到所述晶體管中。所述襯底還支撐所述石墨烯層并且允許其保持為2維的、連續(xù)的并且保持在預期的位置中。這增加再現(xiàn)性并且減少在生產(chǎn)期間和之后對石墨烯層損傷的風險。與據(jù)此的單晶的連續(xù)的石墨烯層組合，這還使能在單個晶體管之間具有低的變化性的低探測極限。
[0014]所述石墨烯層可以具有均一的厚度，優(yōu)選一個或多個單層石墨烯的預確定的厚度。因為厚度影響電學性質(zhì)，例如帶隙、載流子濃度等等，所以均一的并且優(yōu)選預確定的厚度提供對傳感性質(zhì)的控制并且使能在單個傳感器之間具有低的變化性的可再現(xiàn)的器件形成。
[0015]所述石墨烯層可以是外延層并且所述石墨烯層襯底可以是所述石墨烯層在其上外延地生長的襯底。通過使所述石墨烯層保持在生長襯底上，沒有必要操縱典型的納米薄的石墨烯層和結(jié)構(gòu)。此外，當所述石墨烯層能夠保持在所述襯底上時，在所述晶體管的制造期間損傷所述薄的石墨烯層的風險被減少。
[0016]所述石墨烯層襯底可以是碳化硅襯底并且所述石墨烯層可能已經(jīng)通過硅從所述碳化硅襯底的升華在所述碳化硅襯底上外延地生長。
[0017]所述石墨烯層可能已經(jīng)為了化學選擇性被表面處理，使得僅選定類型的化學物質(zhì)被所述石墨烯層探測到和/或使得某些類型的化學物質(zhì)被阻止到達所述化學敏感的溝道。所述表面處理可以包括金屬顆粒和/或聚合物的沉積。
[0018]所述縫隙可以被布置為直接毗鄰于所述化學敏感的溝道并且與周圍環(huán)境連接，使得所述待被傳感的化學物質(zhì)能夠從所述周圍環(huán)境到達所述縫隙，其中所述周圍環(huán)境可以是氣態(tài)周圍環(huán)境，例如空氣環(huán)境，或液態(tài)周圍環(huán)境。
[0019]所述柵電極和所述化學敏感的溝道可以僅被所述縫隙分隔。
[0020]所述柵電極可以由金屬制成，例如金或鉬。所述柵電極可以被布置在柵襯底的電絕緣表面上。
[0021]所述化學敏感的溝道和所述石墨烯層襯底可以屬于第一部分，該第一部分被分離地安裝于包括被布置在柵襯底的絕緣表面上的至少所述柵電極的第二部分。所述第二部分可以還包括被布置在所述柵襯底的所述絕緣表面上的所述漏電極和所述源電極，并且所述漏電極和所述源電極通過所述安裝已經(jīng)與所述第一部分物理接觸，由此建立在所述石墨烯層與所述源電極和所述漏電極之間的電連接。
[0022]以這種方式，可以避免所述漏電極和所述源電極分開沉積或附接到所述化學敏感的溝道的所述石墨烯層上。這是有利的，因為已知結(jié)合于石墨烯是困難的并且工藝例如平版印刷具有對所述石墨烯層(溝道)損傷的風險。代替地，當所述部分被分開地安裝時，所述電極可以緊貼所述化學敏感的溝道被壓制并且與所述化學敏感的溝道接觸，例如通過把所述部分夾持于彼此。這還使所述漏電極和所述源電極的尺寸能夠被用于控制所述縫隙的高度，當所述部分被安裝于彼此時，該高度可以通過所述漏電極和所述源電極(優(yōu)選在厚度上相等)的厚度減去所述柵電極的厚度決定。
[0023]根據(jù)第二方面，提供包括所述場效應晶體管并且包括被布置為電偏置所述場效應晶體管使得與所述化學敏感的溝道接觸的待被傳感的化學物質(zhì)導致電信號的改變的電路的化學傳感器，其中所述改變指示所述化學物質(zhì)被傳感到。所謂“化學傳感器”，其意指具有傳感化學物質(zhì)的用途的器件，即，被特別地配置為這樣做并且被配置為提供指示所述化學物質(zhì)被傳感到的響應的器件。
[0024]在一個實施方案中，所述化學傳感器的電路可以包括被布置為使恒定電流在所述源電極和所述漏電極之間流動的電流源并且通過包括電壓源被布置為把恒定電壓供應至所述柵電極，其中指示所述被傳感的化學物質(zhì)的所述電信號是在所述源電極和所述漏電極之間的電壓。
[0025]在另一個實施方案中，所述化學傳感器的電路可以包括被布置為在所述源電極和所述漏電極之間施加恒定電壓的電壓源，其中指示所述被傳感的化學物質(zhì)的電信號是為了保持所述源電極和所述漏電極之間的恒定電流所需要的柵電極電壓。
[0026]根據(jù)第三方面，提供了所述場效應晶體管的用于化學傳感的用途。所述用途中的化學傳感可以包括把待被傳感的化學物質(zhì)從周圍環(huán)境引導至所述縫隙。
[0027]根據(jù)第四方面，提供了用于提供所述場效應晶體管的方法，其中所述方法包括以下步驟:提供包括在碳化硅晶圓襯底上的外延石墨烯層的晶圓；以及從所述外延石墨烯層形成所述場效應晶體管的連續(xù)的單晶石墨烯層。
[0028]提供所述晶圓的步驟可以包括:提供碳化硅晶圓襯底；以及通過硅從所述碳化硅晶圓襯底的升華在所述碳化硅晶圓襯底上生長所述外延石墨烯層。
[0029]形成所述連續(xù)的單晶石墨烯層的步驟可以包括:切割所述晶圓，使得被布置在所述石墨烯層絕緣襯底上的所述連續(xù)的單晶石墨烯層由具有下層部分的碳化硅晶圓襯底的外延石墨烯層的切割塊形成。
[0030]所述方法可以還包括以下步驟:提供被布置在所述石墨烯層襯底上的所述連續(xù)的單晶石墨烯層作為第一分離的部分；提供包括被布置在柵襯底的絕緣表面上的所述柵電極的第二分離的部分；以及通過把所述第一分離的部分和所述第二分離的部分安裝于彼此形成所述用于化學傳感的場效應晶體管。所述第二分離的部分可以還包括被布置在所述柵襯底的絕緣表面上的所述漏電極和所述源電極。
[0031]作為分離的部分安裝減少了在制造期間損傷所述石墨烯層的風險?？赡苡泻τ谒鍪拥墓に嚴缙桨嬗∷⒖梢杂纱嗽谒鍪拥拇嬖谙卤苊?。代替地，所述第二部分的處理可以在隔離中進行并且具有所述石墨烯層的第一部分的安裝可以在制造期間在隨后的或最后的步驟中進行。
[0032]附圖簡沭
[0033]本發(fā)明的上述以及其他的方面、目的和優(yōu)點參照所附的示意性附圖通過以下例證性的并且非限制性的詳細描述將被更好地理解。
[0034]圖1a示意性地示出了根據(jù)第一實施方案的用于化學傳感的場效應晶體管的側(cè)視圖并且具有偏置晶體管以用作化學傳感器的示意性電路。
[0035]圖1b示意性地示出了在圖1a中示出的用于化學傳感的場效應晶體管的仰視圖。
[0036]圖2a示意性地示出了具有示例性的第一類型的表面處理的場效應晶體管化學敏感溝道的側(cè)視圖。
[0037]圖2b示意性地示出了具有示例性的第二類型的表面處理的場效應晶體管化學敏感溝道的側(cè)視圖。
[0038]圖3是示意性地示出了在提供用于化學傳感的場效應晶體管的方法中的步驟的框圖。
[0039]在附圖中，相同的參考數(shù)字可以被用于相同的、相似的或相應的特征，甚至當參考數(shù)字指代不同實施方案中的特征時。
[0040]詳細描沭
[0041]圖1a示意性地示出了根據(jù)第一實施方案的用于化學傳感的場效應晶體管20的側(cè)視圖并且具有偏置晶體管以用作化學傳感器30的示意性電路。圖1b示意性地示出了在圖1a中示出的場效應晶體管20的仰視圖。所述圖顯示了空氣縫隙場效應氣體傳感器的設計實施例，其具有石墨烯層支撐襯底1、導電的并且化學敏感的溝道2 (在此通過連續(xù)的單晶石墨烯層2a形成)、焊墊形式的源電極5、焊墊形式的漏電極6、焊墊形式的柵電極7、電絕緣柵襯底層8、柵基部襯底9和縫隙10?；瘜W敏感的導電溝道2在漏電極6和源電極5之間延伸并且被電連接于漏電極6和源電極5。柵電極7被布置在距所述化學敏感的溝道2某距離處并且與所述化學敏感的溝道2相對，使得縫隙10在柵電極7和化學敏感的導電溝道2之間形成。柵電極7因此懸掛在化學敏感的溝道2上方與溝道2距離縫隙10，通過縫隙10，待被傳感的化學物質(zhì)可以，到達化學敏感的溝道2。
[0042]石墨烯層支撐襯底I可以包含可以支撐石墨烯層2a并且向化學敏感的導電溝道2賦予電學性質(zhì)的任何絕緣的或半絕緣的材料，該電學性質(zhì)對于特定應用的要求是可接受的。石墨烯層襯底I優(yōu)選是碳化硅(SiC)襯底，其可以影響溝道2的電子性質(zhì)，但是不至于傳感被損害并且不能夠通過施加柵場實現(xiàn)電中性的足夠大的程度。雖然過度的電荷供給是非期望的，但是某些電荷供給將典型地不具有消極的影響。當在氧氣環(huán)境例如空氣環(huán)境中使用時，少量的負電荷供給，如來自SiC，可以是有益的，因為大氣中的氧氣摻雜溝道并且來自襯底的某些負電荷供給抵消這種影響。
[0043]其他可能的石墨烯層襯底材料包括例如A1203、AIN、MgO和GaN中的任何一個。
[0044]連續(xù)的單晶石墨烯層2a已經(jīng)優(yōu)選在石墨烯層支撐襯底I上外延地生長，但是也可以通過其他的手段被沉積至石墨烯層支撐襯底I上或被分開地附接于石墨烯層支撐襯底1，例如已經(jīng)被附接于其的剝落的石墨烯。這可以包括把晶圓大小的外延石墨烯轉(zhuǎn)移至除了生長襯底的襯底。石墨烯層2a用作場效應晶體管20的導電溝道。待被傳感的化學物質(zhì)，例如被包含在目標氣體中的，將吸附至化學敏感的溝道2的石墨烯層2a上，由此通過來自石墨烯的電子供給或抽出影響電流流動。石墨烯層2a優(yōu)選具有均一的厚度，并且可以是單層、二層或多層的石墨烯。
[0045]在SiC上生長外延石墨烯的最近進步已經(jīng)使得在整個晶圓上具有受控的電子性質(zhì)例如載流子濃度的高品質(zhì)的單層的石墨烯等成為可能(見例如Yakimova等人，“Analysis of the Formation Conditions for Large Area Epitaxial Graphene onSiC Substrates”,Materials Science Forum, 645-648, 565-568, 2010)。由于其的二維性，石墨烯被襯底高度地影響，其中SiC把電子供給石墨烯，以N型摻雜石墨烯，并且誘導帶隙(見F.Varchon,等人.“Structure of epitaxial graphene layers on SiC: effect of thesubstrate”，Phys.Rev.Lett.99, 2007,126805 頁和 S.Y.Zhou 等人，uSubstrate-1nducedbandgap opening in epitaxial graphene，，，Nat.Mater.6, 2007, 770-775 頁X
[0046]石墨烯層2a優(yōu)選由已經(jīng)通過娃從碳化娃襯底的升華被外延地生長的石墨烯形成，優(yōu)選如在待審的 PCT 申請 PCT/SE2011/050328, “Process for growth of graphene”，
R.Yakimova, T.1akimov, M.Syvajarvi中公開的。具有這樣的石墨烯的晶圓也可以從瑞典
的Linkiiping University獲得。以這種方式生產(chǎn)的石墨烯可以被制成具有均一的厚度在
晶圓規(guī)模是連續(xù)的并且具有單層厚度精確性。這使其用作化學敏感的導電溝道2的石墨烯層2a以及在尋求低探測極限和/或期望能夠控制和調(diào)節(jié)化學敏感的溝道的化學敏感性質(zhì)的化學傳感應用中是特別有利的。
[0047]仍然參照圖la-b，源電極、漏電極和柵電極5、6、7可以為焊墊的形式，但是也可能是其他類型的電極或多部分電極，例如由觸點和焊墊的組合形成的單獨的電極，例如被附接于或沉積至石墨烯層上的單獨的源觸點和漏觸點，相應的焊墊然后被附接于其。柵電極7優(yōu)選由金屬制造，包括金屬合金，可以具有任何常規(guī)的懸掛的FET柵材料，例如金或鉬電極。源電極和漏電極5、6中的每個也優(yōu)選由金屬制造，包括金屬合金，并且可以具有任何常規(guī)的懸掛的FET漏/源材料，例如Ti/Au或Cu/Au。柵電極7可以被直接結(jié)合于或可以具有另外的柵觸點和柵焊墊(在圖中未示出)。
[0048]在圖1a中，柵電極7被示出為布置在，優(yōu)選沉積在，電絕緣的柵襯底層8的表面8a上，例如借助于蒸發(fā)或濺射(例如熱蒸發(fā)、射頻濺射或直流濺射)，表面8a進而被布置在，優(yōu)選被沉積在，柵基部襯底9上。電絕緣的柵襯底層8優(yōu)選是氧化物層，例如SiO2,或任何其他的電絕緣的材料。在所示出的實施方案中，電絕緣的柵襯底層8和柵基部襯底9共同地形成用于柵電極7的柵襯底。如果柵基部襯底9是電絕緣的，那么電絕緣的柵襯底層8可以被省去，并且因此，在這樣的實施方案中，柵電極7可以被直接布置在柵基部襯底9的(因此電絕緣的)表面上。源電極和漏電極5、6優(yōu)選與柵電極7被布置在相同的絕緣表面8a上，例如借助于蒸發(fā)或濺射(例如熱蒸發(fā)、射頻濺射或直流濺射)被沉積。
[0049]例如氣體可以從周圍環(huán)境流經(jīng)縫隙10以吸附在石墨烯層2a表面上，縫隙10優(yōu)選被設計作為流經(jīng)溝道，如在圖1示出的實施方案中示出的，被圖1b中的箭頭4指示。此外，縫隙10到周圍環(huán)境的其他連接是可能的。例如，可以具有在待被傳感的化學物質(zhì)被預期所在之處的到周圍環(huán)境的多于兩個流經(jīng)開口。開口不需要被定位成彼此相對。也可能的是，雖然通常不是有利的，具有僅一個開口。縫隙，如示出的，優(yōu)選被布置為直接毗鄰于化學敏感的溝道2。周圍環(huán)境可以是氣態(tài)的周圍環(huán)境，例如空氣環(huán)境，或液態(tài)的周圍環(huán)境。通常優(yōu)選的是柵電極7和化學敏感的溝道2僅被所述縫隙10分隔。然而，只要縫隙中的電場在某個應用中關于待被傳感的化學物質(zhì)和其的量不被過于有害地影響，并且關心的化學物質(zhì)能夠到達化學敏感的溝道2，那么縫隙10可以被某些材料整個地或部分地占據(jù)。
[0050]在圖1示出的實施方案中，化學敏感的溝道2的石墨烯層2a的長度，S卩，在連接于其的源電極和漏電極5、6之間的距離，大于其橫向?qū)挾?。這樣的關系是優(yōu)選的，因為其在兩個維度中把電子約束在導電溝道中，這可以使對電學性質(zhì)例如石墨烯溝道的帶隙的進一步控制成為可能；然而，也可能的是具有大于該長度的寬度。長度和寬度可以在大小上具有近似相同的數(shù)量級。在用于評價目的的一個實施方案中，長度是約5mm并且寬度是約2mm。然而，尺寸可以具有小于此的大小。典型地，尺寸在毫米或微米的域中。下極限可以被生產(chǎn)器件的容易性決定。縫隙10的高度，即柵電極7和化學敏感的溝道2之間的距離，優(yōu)選低于約Ιμπι。下極限可以由待被傳感的化學物質(zhì)向縫隙中的擴散速度決定。
[0051]當場效應晶體管被用于化學傳感時，例如當是化學傳感器的一部分時，化學傳感器典型地被配置為電偏置場效應晶體管，使得與化學敏感的溝道接觸的待被傳感的化學物質(zhì)導致電信號的改變，其中改變指示所述化學物質(zhì)被傳感到。如技術(shù)人員應當意識到的，用于氣體傳感的場效應晶體管可以以不同的方式被偏置和控制，這可以提供不同的指示化學物質(zhì)的信號。參照圖1的實施方案，改變施加于柵電極7的電壓將影響流經(jīng)導電的并且化學敏感的溝道2的電流并且石墨烯層2a的電子性質(zhì)可以被電壓調(diào)制。從空氣縫隙20吸附到石墨烯的化學物質(zhì)可以向石墨烯溝道供給電子或從其抽出電子并且可以還影響石墨烯溝道中的遷移率，導致石墨烯溝道的電阻改變。
[0052]圖1a示意性地示出了包括被連接于示例性的電路的場效應晶體管20的化學傳感器30的實施方案。電流源22被連接于源電極和漏電極5、6并且在源電極和漏電極5、6之間并且被布置為施加恒定的電流。傳感器30的電壓源21被連接于柵電極7并且被布置為設置柵電壓，該柵電壓優(yōu)選給予石墨烯電阻在需要氣體濃度傳感的范圍內(nèi)的最大改變。到石墨烯上的化學吸附可以然后通過測量為了保持恒定電流所需要的在源極和漏極之間的電壓改變被傳感。
[0053]在另一個實施方案中，電壓源可以被布置為在源電極和漏電極5、6之間施加恒定的電壓并且電流表可以被布置為測量在源電極和漏電極5、6之間的電流。另一個電壓源可以被連接于柵電極7并且被布置為設置柵電壓以保持在源電極和漏電極5、6之間的恒定電流。到石墨烯上的化學吸附可以然后通過監(jiān)視施加的為了保持電流恒定所需要的柵電勢的改變被傳感。另一個選擇是施加恒定的柵電壓并且使用電流表探測電流流動的任何改變，電流的改變因此指示被傳感的化學物質(zhì)。
[0054]不管什么確切的信號指示使用場效應晶體管用于化學傳感的傳感器中的被傳感的化學物質(zhì)，信號可以被用于例如計算被吸附在溝道上的化學物質(zhì)的濃度，其進而是在例如周圍氣體或液體環(huán)境中的化學物質(zhì)的濃度的測量。
[0055]當場效應晶體管例如在圖1中示出的場效應晶體管20被用于化學傳感時，這典型地涉及從待被傳感的化學物質(zhì)被預期所在之處的周圍環(huán)境到縫隙10的某些引導。如技術(shù)人員意識到的，這可以通過多個不同的方式實現(xiàn)，例如如在常規(guī)的傳感器中的。在一個簡單的變化形式中，上文討論的流經(jīng)溝道的開口可以直接連接于周圍環(huán)境，但是典型地具有所涉及的至少某些預過濾，使得污染物、污垢或其他非期望的或大的顆粒不被允許阻塞縫隙或?qū)е缕渌钠茐?，其例如可以減少傳感器的壽命。在圖1中示出的實施方案中，化學敏感的溝道2僅由石墨烯層2a形成。然而，石墨烯層2a可以為了化學選擇性被表面處理，使得僅選定的類型的化學物質(zhì)被石墨烯層2a探測到和/或使得某些類型的化學物質(zhì)被阻止到達石墨烯層2a。化學敏感的溝道可以例如是純的石墨烯、表面摻雜的石墨烯或表面改性的石墨烯，以增強對通常不能被探測到的某些氣體的敏感性，或改善一個氣體物種或一組氣體物種相對于另一個的選擇性。氣體敏感溝道可以通過金屬納米顆粒和/或聚合物的沉積被改性以引入對不同氣體的選擇性。圖2a示意性地示出了已經(jīng)被在石墨烯層2a上形成聚合物覆層2b的聚合物表面處理的化學敏感的溝道2的側(cè)視圖。圖2b示意性地示出了已經(jīng)被金屬納米顆粒2c表面處理的化學敏感的溝道2的側(cè)視圖。金屬納米顆粒和聚合物在基于碳的傳感器上的沉積是已開發(fā)的領域。例如，在文章“Gas Sensor Array Based onMetal-Decorated Carbon Nanotubes，，, Star 等人，Journal of Chemical Physics B2006,110(42),21014-21020頁中，比較了金屬顆粒的通過蒸發(fā)和電化學沉積的沉積，并且綜述了其他的方法。此外，在文章“Toward Large Arrays of Multiplex Functionalized CarbonNanotube Sensors for Highly Sensitive and Selective Molecular Detection”,Qi 等人，Nano Letters2003第3卷,第3號,347-351頁中，描述了使用聚合物覆層聚乙烯亞胺(PEI)和全氟磺酸增加選擇性。通過將PEI浸沒在甲醇溶液中及隨后進行烘烤來涂覆器件。全氟磺酸覆層通過在傳感器表面上干燥水溶液中的1%全氟磺酸來實現(xiàn)。因此，具有化學選擇性的覆層可以被施加到石墨烯層2a以增強氣體之間的選擇性。石墨烯層2a也可以被催化性的金屬或聚合物改性以引入對不進行電供給或抽出的氣體的敏感性或以增強非吸附的氣體的吸附或以增加對一個氣體相對于另一個的敏感性。上文提到的增強也可以通過石墨烯層2a的代替摻雜或邊緣摻雜被實現(xiàn)，代替摻雜或邊緣摻雜也可以改善器件的穩(wěn)定性。
[0056]再次參照圖1的實施方案，所提出的器件可以包括被安裝在一起的兩個分離的部分:作為第一部分11的被石墨烯層襯底I支撐的化學敏感的溝道2和作為第二部分12的布置在柵襯底8、9的絕緣表面8a上的柵電極7。此外，被布置在柵襯底8、9的絕緣表面8a上的漏電極6和源電極5優(yōu)選屬于第二部分12。安裝把漏電極6和源電極5與第一部分11物理接觸，由此建立在石墨烯層2a與源電極5和漏電極6之間的電連接。第一部分和第二部分之間的附接可以例如涉及倒裝焊接、粘合劑技術(shù)或夾持。第一部分和第二部分因此可以被分開生產(chǎn)，并且涉及石墨烯層的存在的器件準備和處理步驟可以是最小的，從而避免對石墨烯層的破壞。源電極和漏電極的大小可以被用于控制縫隙10的大小，特別是高度。
[0057]在一個實施方案中，源觸點和漏觸點可以被沉積至石墨烯層2a上并且因此屬于第一部分，其中到源焊墊和漏焊墊的觸點屬于第二部分，使用例如倒裝焊接或粘合劑技術(shù)被制造。在另一個實施方案中，源觸點和漏觸點可以被沉積在第二部分的源/漏焊墊的頂部并且石墨烯溝道和石墨烯層襯底I可以通過夾持被保持在適當?shù)奈恢谩?br> [0058]圖3是示意性地示出了生產(chǎn)用于化學傳感的場效應晶體管(例如在圖1中示出的場效應晶體管20)的方法的步驟的框圖。在第一步驟110中，提供碳化硅晶圓襯底，然后在步驟120中，通過在晶圓襯底上生長外延石墨烯層形成晶圓，優(yōu)選通過硅從碳化硅襯底的升華形成晶圓。第一和第二步驟優(yōu)選根據(jù)上文提到的待審的PCT申請PCT/SE2011/050328進行。在其后，在步驟130中，晶圓被切割，使得被布置在石墨烯層襯底上的連續(xù)的單晶石墨烯層由具有其下層部分的碳化硅晶圓襯底的外延石墨烯層的切割塊形成。切割塊可以形成第一部分，例如圖1a中和上文討論的第一部分11。在另一個實施方案中，生長的外延石墨烯層被從生長襯底移除并且轉(zhuǎn)移至另一個晶圓襯底以形成然后被切割的晶圓。在步驟140中，第二部分，例如圖1a中和上文討論的第二部分12，被單獨提供并且包括被布置在柵襯底的絕緣表面上的至少柵電極。優(yōu)選地，第二部分還包括被布置在柵襯底的絕緣表面上的漏電極和源電極。在步驟150中，場效應晶體管，例如圖1中和上文討論的場效應晶體管20，通過把分開的第一部分和第二部分安裝于彼此被形成。通過該安裝，第一部分和第二部分優(yōu)選通過源電極和漏電極被物理地連接并且第一部分和第二部分之間的附接可以例如涉及倒裝焊接、粘合劑技術(shù)或夾持。[0059]附圖中以及上文的描述中的任何圖示和描述將被認為是示例性的并且不是限制性的。本發(fā)明不限于所公開的實施方案。
[0060]本發(fā)明被權(quán)利要求限定并且所公開的實施方案的變化形式可以被本領域的技術(shù)人員在實踐要求保護的發(fā)明時理解和實現(xiàn)，例如通過研究附圖、本公開內(nèi)容和權(quán)利要求。詞語“包括”在權(quán)利要求中的使用不排除其他的元件或步驟，并且冠詞“一(a)”或“一(an)”的使用不排除復數(shù)。不同的從屬權(quán)利要求中出現(xiàn)的特征本身不排除這些特征的組合。任何方法權(quán)利要求不應僅因為步驟的表象順序而被視為限制。任何方法權(quán)利要求的獨立的步驟之間的任何可能的組合應當被視為在范圍內(nèi)，雖然獨立的步驟根據(jù)必要性必須以某個順序發(fā)生。權(quán)利要求中的任何參考符號用于增加可理解性并且不應當被視為限制權(quán)利要求的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于化學傳感的場效應晶體管(20 ),包括柵電極(7 )、漏電極(6 )、源電極(5 )和在所述漏電極(6)和所述源電極(5)之間延伸并且被電連接于所述漏電極(6)和所述源電極(5)的導電的并且化學敏感的溝道(2)，所述柵電極(7)被布置在距所述化學敏感的溝道(2 ) 一距離處并且與所述化學敏感的溝道(2 )相對，使得所述柵電極(7 )和所述化學敏感的導電溝道(2)被縫隙(10)分隔，待被傳感的化學物質(zhì)經(jīng)過所述縫隙(10)可被引入以到達所述化學敏感的溝道(2)，其中所述化學敏感的溝道(2)包括被布置在電絕緣的石墨烯層襯底(I)上的連續(xù)的單晶石墨烯層(2a)，所述石墨烯層(2a)在所述源電極(5)和所述漏電極(6)之間延伸并且被電連接于所述源電極(5)和所述漏電極(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場效應晶體管(20)，其中所述石墨烯層(2a)具有均一的厚度，優(yōu)選為一個或多個單層石墨烯的預確定的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的場效應晶體管(20)，其中所述石墨烯層(2a)是外延層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的場效應晶體管(20)，其中所述石墨烯層襯底(I)是所述石墨烯層(2a)在其上外延地生長的襯底。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的場效應晶體管(20)，其中所述石墨烯層襯底(I)是碳化娃襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的場效應晶體管(20)，其中所述石墨烯層(2a)通過硅從所述碳化硅襯底的升華而在所述碳化硅襯底上外延地生長。
7.根據(jù)前述權(quán)利要 求中任一項所述的場效應晶體管(20)，其中所述石墨烯層(2a)已經(jīng)為了化學選擇性被表面處理，使得僅選定類型的化學物質(zhì)被所述石墨烯層(2a)探測到和/或使得某些類型的化學物質(zhì)被阻止到達所述化學敏感的溝道。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的場效應晶體管(20)，其中所述表面處理包括沉積金屬顆粒(2c)和/或聚合物(2b)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的場效應晶體管(20)，其中所述縫隙(10)被布置為直接毗鄰于所述化學敏感的溝道(2)并且與周圍環(huán)境連接，使得所述待被傳感的化學物質(zhì)能夠從所述周圍環(huán)境到達所述縫隙(10),其中所述周圍環(huán)境是氣態(tài)周圍環(huán)境或液態(tài)周圍環(huán)境，所述氣態(tài)周圍環(huán)境例如為空氣環(huán)境。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的場效應晶體管(20)，其中所述柵電極(7)和所述化學敏感的溝道(2)僅被所述縫隙(10)分隔。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的場效應晶體管(20)，其中所述柵電極(7)由金屬制成，例如由金或鉬制成。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的場效應晶體管(20)，其中所述柵電極(7)被布置在柵襯底(8、9)的電絕緣表面(8a)上。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的場效應晶體管(20)，其中所述化學敏感的溝道(2 )和所述石墨烯層襯底(I)屬于第一部分(11 )，所述第一部分(11)被分離地安裝于第二部分(12)，所述第二部分(12)至少包括被布置在柵襯底(8、9)的絕緣表面(8a)上的所述柵電極(7)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的場效應晶體管(20)，其中所述第二部分(12)還包括被布置在所述柵襯底(8、9)的絕緣表面(8a)上的所述漏電極(6)和所述源電極(5)，并且所述漏電極(6 )和所述源電極(5 )通過所述安裝與所述第一部分(11)物理接觸，由此建立在所述石墨烯層(2a)與所述源電極(5 )和所述漏電極(6 )之間的電連接。
15.一種化學傳感器(30)，包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的場效應晶體管(20)，其中所述化學傳感器(30)包括電路，該電路被布置為電偏置所述場效應晶體管(20)，使得與所述化學敏感的溝道接觸的待被傳感的化學物質(zhì)導致電信號的改變，其中所述改變指示所述化學物質(zhì)被傳感到。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的化學傳感器(30)，其中所述電路包括被布置為使恒定電流在所述源電極(5)和所述漏電極(6)之間流動的電流源(22)，并且通過包括電壓源(21)被布置為把恒定電壓供應至所述柵電極(7)，其中指示所述被傳感的化學物質(zhì)的所述電信號是在所述源電極(5 )和所述漏電極(6 )之間的電壓。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的化學傳感器(30)，其中所述電路包括被布置為把恒定電壓施加在所述源電極(5)和所述漏電極(6)之間的電壓源，其中指示所述被傳感的化學物質(zhì)的所述電信號是為了保持在所述源電極(5)和所述漏電極(6)之間的恒定電流所需要的柵電極電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項所述的場效應晶體管(20)用于化學傳感的用途。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的用途，其中所述化學傳感包括把待被傳感的化學物質(zhì)從周圍環(huán)境引導至所述縫隙(10)。
20.—種用于生產(chǎn)根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項所述的場效應晶體管(20)的方法,其中所述方法包括以下步驟: -提供(110、120 )包括在碳化硅晶圓襯底上的外延石墨烯層的晶圓(3 );以及 -從所述外延石墨烯層形成(130)所述場效應晶體管的連續(xù)的單晶石墨烯層(2a)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中提供所述晶圓(3)的步驟包括: -提供(110 )碳化硅晶圓襯底；以及 -通過硅從所述碳化硅晶圓襯底的升華而在所述碳化硅晶圓襯底上生長(120)所述外延石墨烯層。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的方法，其中形成所述連續(xù)的單晶石墨烯層的步驟(130)包括: -切割所述晶圓(3)，使得被布置在所述石墨烯層絕緣襯底(I)上的所述連續(xù)的單晶石墨烯層(2a)由具有下層部分的所述碳化硅晶圓襯底的所述外延石墨烯層的切割塊形成。
23.根據(jù)權(quán)利要求20-22中任一項所述的方法，其中所述方法還包括以下步驟: -提供(110、120、130)被布置在所述石墨烯層襯底(I)上的所述連續(xù)的單晶石墨烯層(2a)作為第一分離的部分(11); -提供(140)包括被布置在柵襯底(8、9)的絕緣表面(8a)上的所述柵電極(7)的第二分尚的部分(12) -通過把所述第一分離的部分(11)和所述第二分離的部分(12)安裝于彼此形成(150)用于化學傳感的所述場效應晶體管(20)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述第二分離的部分還包括被布置在所述柵襯底(8、9)的所述絕緣表面(8a)上的所述漏電極(6)和所述源電極(5)。
【文檔編號】G01N27/414GK103649739SQ201180072103
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月5日
【發(fā)明者】M·安德森, 拉斯·哈爾特曼, 阿尼塔·勞埃德斯佩茲, 魯思·皮爾斯, 羅西察·雅基莫娃 申請人:森西克有限公司