本發(fā)明涉及顯示技術(shù)領域，尤其涉及一種半導體氫氣傳感器及其制作方法。

背景技術(shù)：

半導體氣體傳感器是氣體檢測設備中應用范圍最廣、普及程度最高，最具實用性的氣體傳感器，主要包電阻式和非電阻式兩類。電阻式氣體傳感器中的敏感材料易與氣體發(fā)生電子的相互轉(zhuǎn)移，導致材料原子價態(tài)發(fā)生改變，并最終根據(jù)半導體電阻的不同，來識別不同氣體及其濃度。此類傳感器具有靈敏度高、操作方便、體積小、成本低廉、響應時間和恢復時間短等優(yōu)點，但是由于金屬氧化物對還原性氣體具有普遍的響應，對氫氣無特殊響應性，所以半導體氫氣傳感器的選擇性較差。A.Katsuki和K.Fukui等人對氣敏材料的表面進行改性，采用化學氣相沉積法在二氧化錫表面沉積分子篩形式的致密層，該致密層能夠防止氫氣以外的其它氣體的擴散，但致密的分子篩層會導致氧氣不能擴散到內(nèi)部二氧化錫層。二氧化錫逐漸被氫氣還原后，傳感器的輸出信號就會快速衰減，氫敏性大幅降低，導致傳感器壽命縮短，成本提高。所以，探索制備優(yōu)良氫氣分子高透過率，使用壽命長，靈敏度高的半導體氣體傳感器結(jié)構(gòu)，能夠提升測試精密度，擴大適用營范圍，降低器件成本，為產(chǎn)品的市場拓展提供有利的先天條件。

目前可利用石墨烯和二氧化錫的納米復合物作為氣敏薄膜，電阻測量中也會包含石墨烯的部分。這類氣敏材料能夠一定程度上提升傳感器性能，但依然存在選擇性差，精度較低的缺陷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種半導體氫氣傳感器及其制作方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中致密層能夠防止氫氣以外的其它氣體的擴散，但致密的分子篩層會導致氧氣不能擴散到內(nèi)部二氧化錫層，以及現(xiàn)有氣敏材料存在選擇性差，精度較低的問題。

第一方面，本發(fā)明提供了一種半導體氫氣傳感器，包括：

基板、形成在所述基板一側(cè)且在平行于所述基板的方向上交替設置的氣敏材料層和金屬電極層、以及形成在所述氣敏材料層及所述金屬電極層背離所述基板一側(cè)的單層或多層二維材料過濾層；

其中，所述氣敏材料層與所述金屬電極層同層設置。

優(yōu)選地，所述二維材料過濾層為氧化二維材料過濾層。

優(yōu)選地，所述二維材料過濾層采用氧化石墨烯、氧化硅烯、氧化磷烯、氧化錫烯或者過渡金屬硫化物中的一種材料制成。

優(yōu)選地，所述氣敏材料層采用氧化錫SnO₂、三氧化鎢WO₃、三氧化鉬MoO₃、鈣鈦礦型ABO₃和K₂NiF₄(A₂BO₄)的復合半導體材料、酞菁、卟啉、卟吩或者摻入貴金屬的SnO₂中的一種材料制成。

優(yōu)選地，所述氣敏材料層為氣敏材料薄膜、氣敏材料納米線或者氣敏材料納米顆粒。

優(yōu)選地，所述金屬電極層采用Pd、Cu或者Al/Mo合金制成。

優(yōu)選地，所述半導體氫氣傳感器還包括：

形成在所述金屬電極層及所述二維材料過濾層之間的絕緣層。

優(yōu)選地，所述半導體氫氣傳感器還包括：

形成在所述單層或多層二維材料過濾層背離所述金屬電極層的一側(cè)的封裝層；

所述封裝層與所述金屬電極層對應設置。

第二方面，本發(fā)明提供了一種半導體氫氣傳感器的制作方法，包括：

在基板的一側(cè)形成在平行于所述基板的方向上交替排布的氣敏材料層和金屬電極層；

在所述氣敏材料層及所述金屬電極層背離所述基板一側(cè)形成單層或多層二維材料過濾層；

其中，所述氣敏材料層與所述金屬電極層同層設置。

優(yōu)選地，所述二維材料過濾層為氧化二維材料過濾層。

優(yōu)選地，所述在基板的一側(cè)形成在平行于所述基板的方向上交替排布的氣敏材料層和金屬電極層，包括：

在所述基板的一側(cè)沉積氣敏材料薄膜層；

對所述氣敏材料薄膜層進行刻蝕，在所述氣敏薄膜層上形成多個間隔排布的溝槽；所述溝槽的底部與所述基板接觸；

采用磁控濺射工藝，在所述多個溝槽內(nèi)沉積金屬電極層，使得所述氣敏材料層和所述金屬電極層間隔交替排布。

優(yōu)選地，所述在基板的一側(cè)形成在平行于所述基板的方向上交替排布的氣敏材料層和金屬電極層之后，所述方法還包括：

在所述金屬電極層上對應形成絕緣層。

優(yōu)選地，所述方法還包括：

所述單層或多層氧化二維材料過濾層背離所述金屬電極層的一側(cè)形成封裝層；

所述封裝層與所述金屬電極層對應設置。

優(yōu)選地，所述形成封裝層，包括：

采用熱蒸鍍工藝，在所述單層或多層氧化二維材料過濾層背離所述金屬電極層的一側(cè)形成薄膜封裝層；

采用精密金屬掩膜fine metal mask對所述薄膜封裝層進行刻蝕，形成所述封裝層的圖形。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供一種半導體氫氣傳感器及其制作方法，該半導體氫氣傳感器包括基板、形成在所述基板一側(cè)且在平行于所述基板的方向上交替設置的氣敏材料層和金屬電極層、以及形成在所述氣敏材料層及所述金屬電極層背離所述基板一側(cè)的單層或多層二維材料過濾層。由此可見，本發(fā)明將二維材料作為半導體氫氣傳感器中氣敏材料層表面的過濾層，而二維材料具有致密的六角結(jié)構(gòu)，能夠阻擋多數(shù)大分子通過，對于常見的還原性氣體來說，僅氫氣分子具有較高的穿透率，從而使得氣敏材料只與氫氣反應，具有極強的選擇性，提高了傳感器的選擇性和靈敏度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的局部剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明另一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的制作方法的流程示意圖；

圖4是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的制作方法中形成氣敏材料薄膜層的示意圖；

圖5是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的制作方法中形成氣敏材料層的示意圖；

圖6是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的制作方法中形成金屬電極層的示意圖；

圖7是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的制作方法中形成絕緣層的示意圖；

圖8是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的制作方法中形成二維材料過濾層的示意圖；

圖9是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的制作方法中形成封裝層的示意圖；

圖10是本發(fā)明另一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的制作方法的流程示意圖；

圖1～圖2、圖4～圖9中標記說明：1-基板；2-氣敏材料層；3-金屬電極層；4-二維材料過濾層；5-絕緣層；6-封裝層。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的局部剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明一實施例提供的一種半導體氫氣傳感器的側(cè)視示意圖。如圖1及圖2所示，本實施例中的半導體氫氣傳感器包括：基板1、形成在所述基板1一側(cè)且在平行于所述基板1的方向上交替設置的氣敏材料層2和金屬電極層3、以及形成在所述氣敏材料層2及所述金屬電極層3背離所述基板1一側(cè)的單層或多層二維材料過濾層4(圖1中僅示出了單層的二維材料過濾層4)；其中，所述氣敏材料層與所述金屬電極層同層設置。

由此可見，本實施例中，將二維材料作為半導體氫氣傳感器中氣敏材料層2表面的過濾層，而如圖2所示，二維材料具有致密的六角結(jié)構(gòu)，則二維材料過濾層4能夠阻擋多數(shù)大分子通過，而對于常見的還原性氣體來說，僅氫氣分子具有較高的穿透率，如當氫氣H₂、CO以及NO等還原氣體，水氣等較大分子，遇到二維分子材料層4時，只有氫氣分子能夠順利穿過，到達氣敏材料層2表明并發(fā)生還原反應。從而使得氣敏材料層2只與透過二維材料過濾層2的氫氣反應，則二維材料過濾層2具有極強的選擇性，提高了半導體氫氣傳感器的選擇性和靈敏度。

在本發(fā)明的一個可選實施例中，如圖2所示，所述二維材料過濾層4為氧化二維材料過濾層。

本實施例中，如圖2所示，將氧化二維材料作為半導體氫氣傳感器中氣敏材料層2表面的過濾層。氧化二維材料如氧化石墨烯等，具有致密的六角結(jié)構(gòu)，能夠阻擋多數(shù)大分子通過，對于常見的還原性氣體來說，僅氫氣分子具有較高的穿透率，從而使得氣敏材料只與氫氣反應，具有極強的選擇性，提高了傳感器的選擇性和靈敏度；同時，如圖2所示，氧化二維材料富含大量的含氧官能團，含氧官能團能夠使被還原的氣敏材料層中的氣敏材料，重新被氧化，恢復氣敏功能性，極大地延長了半導體氫氣傳感器的使用壽命和精密度。

舉例來說，上述實施例中二維材料過濾層4可采用如氧化石墨烯、氧化硅烯、氧化磷烯、氧化錫烯等氧化二維材料，或者過渡金屬硫化物等材料中的一種材料制成。

舉例來說，上述實施例中的氣敏材料層2可采用氧化錫SnO₂、三氧化鎢WO₃、三氧化鉬MoO₃、鈣鈦礦型ABO₃和K₂NiF₄(A₂BO₄)的復合半導體材料、酞菁、卟啉、卟吩和它們(酞菁、卟啉及卟吩)的衍射物等高分子材料、或者摻入貴金屬(如Ru、Pd、Ag等)的SnO₂等材料中的一種材料制成。

舉例來說，所述氣敏材料層2可為氣敏材料薄膜、氣敏材料納米線或者氣敏材料納米顆粒。本實施例對此不加以限制。

舉例來說，所述金屬電極層3采用Pd、Cu或者Al/Mo合金等材料制成。

具體來說，金屬電極層3用于輸入測量電壓和測量輸出電流的變化，因此采用可導電的上述金屬材料。

在本發(fā)明的一個可選實施例中，如圖8所示，本實施例的半導體氫氣傳感器除了包括上述實施例中的基板1、氣敏材料層2、金屬電極層3及單層或多層二維材料過濾層4之外，所述半導體氫氣傳感器還包括：形成在所述金屬電極層3及所述二維材料過濾層4之間的絕緣層5。

需要說明的是，本實施例中的絕緣層5與所述金屬電極層3對應設置，且絕緣層5與金屬電極層3的形狀一致。該絕緣層5設置于金屬電極層3與二維材料過濾層4之間，由于二維過濾材料層4具有一定的導電性，因此需要絕緣層5用于隔離金屬電極層3與二維材料過濾層4。

進一步地，在本發(fā)明的一個可選實施例中，本實施例的半導體氫氣傳感器除了包括上述實施例中的基板1、氣敏材料層2、金屬電極層3及單層或多層二維材料過濾層4之外，所述半導體氫氣傳感器還包括：形成在所述單層或多層二維材料過濾層背離所述金屬電極層的一側(cè)的封裝層。

其中，所述封裝層與所述金屬電極層對應設置，且該封裝層與金屬電極層形狀一致。

舉例來說，如圖9所示的一種半導體氫氣傳感器，該半導體氫氣傳感器包括：基板1、氣敏材料層2、金屬電極層3、二維材料過濾層4、絕緣層5及封裝層6。

本實施例中，由于二維材料過濾層4較薄，則封裝層6用于固定二維材料過濾層4，以防止二維材料過濾層4脫落，并保護邊緣的氣密性。

圖3是本發(fā)明一實施例中的一種半導體氫氣傳感器的制作方法的流程示意圖，如圖3所示，該方法包括如下步驟：

S1：在基板的一側(cè)形成在平行于所述基板的方向上交替排布的氣敏材料層和金屬電極層。

S2：在所述氣敏材料層及所述金屬電極層背離所述基板一側(cè)形成單層或多層二維材料過濾層；

其中，所述氣敏材料層與所述金屬電極層同層設置。

由此可見，本實施例中，將二維材料作為半導體氫氣傳感器中氣敏材料層表面的過濾層，而二維材料具有致密的六角結(jié)構(gòu)，則二維材料過濾層能夠阻擋多數(shù)大分子通過，而對于常見的還原性氣體來說，僅氫氣分子具有較高的穿透率，如當氫氣H2、CO以及NO等還原氣體，水氣等較大分子，遇到二維分子材料層時，只有氫氣分子能夠順利穿過，到達氣敏材料層表明并發(fā)生還原反應。從而使得氣敏材料層只與透過二維材料過濾層的氫氣反應，則二維材料過濾層具有極強的選擇性，提高了半導體氫氣傳感器的選擇性和靈敏度。

在本發(fā)明的一個可選實施例中，所述二維材料過濾層為氧化二維材料過濾層。

本實施例中，將氧化二維材料作為半導體氫氣傳感器中氣敏材料層表面的過濾層。氧化二維材料如氧化石墨烯等，具有致密的六角結(jié)構(gòu)，能夠阻擋多數(shù)大分子通過，對于常見的還原性氣體來說，僅氫氣分子具有較高的穿透率，從而使得氣敏材料只與氫氣反應，具有極強的選擇性，提高了傳感器的選擇性和靈敏度；同時，氧化二維材料富含大量的含氧官能團，含氧官能團能夠使被還原的氣敏材料層中的氣敏材料，重新被氧化，恢復氣敏功能性，極大地延長了半導體氫氣傳感器的使用壽命和精密度。

在本發(fā)明的一個可選實施例中，上述步驟S1，具體包括如下子步驟：

S11：在所述基板的一側(cè)沉積氣敏材料薄膜層；

S12：對所述氣敏材料薄膜層進行刻蝕，在所述氣敏薄膜層上形成多個間隔排布的溝槽；所述溝槽的底部與所述基板接觸；

S13：采用磁控濺射工藝，在所述多個溝槽內(nèi)沉積金屬電極層，使得所述氣敏材料層和所述金屬電極層間隔交替排布。

進一步地，在本發(fā)明的一個可選實施例中，步驟S1之后及步驟S2之前，所述方法還包括如下步驟：

在所述金屬電極層上對應形成絕緣層。

本實施例中，所述絕緣層與所述金屬電極層對應設置，且絕緣層與金屬電極層的形狀一致。如此，該絕緣層設置于金屬電極層與二維材料過濾層之間，由于二維過濾材料層具有一定的導電性，因此需要絕緣層用于隔離金屬電極層與二維材料過濾層。

進一步地，在本發(fā)明的一個可選實施例中，步驟S2之后，所述方法還包括如下步驟：

S3：所述單層或多層氧化二維材料過濾層背離所述金屬電極層的一側(cè)形成封裝層。

本實施例中，所述封裝層與所述金屬電極層對應設置，且該封裝層與金屬電極層形狀一致。由于二維材料過濾層較薄，則封裝層用于固定二維材料過濾層，以防止二維材料過濾層脫落，并保護邊緣的氣密性。

具體來說，步驟S3中所述形成封裝層，具體可通過如下步驟實現(xiàn)：

S31：采用熱蒸鍍工藝，在所述單層或多層氧化二維材料過濾層背離所述金屬電極層的一側(cè)形成薄膜封裝層；

S32：采用精密金屬掩膜fine metal mask對所述薄膜封裝層進行刻蝕，形成所述封裝層的圖形。

為了更清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合各步驟形成的器件結(jié)構(gòu)的側(cè)視示意圖說明本發(fā)明的一個具體實施例，該實施例中，如圖9所示出的最后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)所示，該半導體氫氣傳感器包括：基板1、氣敏材料層2、金屬電極層3、二維材料過濾層4、絕緣層5及封裝層6，當然，半導體氫氣傳感器還可以包括其他結(jié)構(gòu)，在此不再贅述。應該理解，這里示出的結(jié)構(gòu)是示例性的，根據(jù)本發(fā)明權(quán)利要求限定的范圍和精神，還可以具有其他結(jié)構(gòu)形式。

如圖10所示，該實施例中半導體氫氣傳感器的制作方法可具體包括如下步驟：

S1001：對基板1進行清洗。

其中，該基板1可為透明玻璃基板或者Si基板等，本實施例對此不加以限制。具體來說，對基板1采用現(xiàn)有的標準方法進行清洗，在此不再贅述。

S1002：在所述基板1上沉積氣敏材料薄膜層，如圖4所示。

舉例來說，若將SnO2作為氣敏材料，則準備氯化亞錫(SnCl2)作為Sn原料，采用氬氣(Ar)攜帶氧氣(O2)進入反應腔體作為O源。進一步地，采用等離子體增強化學氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，簡稱PECVD)沉積SnO2薄膜，電源頻率40.68MHz，功率200W，電壓600V，工作氣強200Pa，沉積時間20min，襯底加熱溫度150℃。

進一步地，還包括退火步驟。例如在空氣中后退火40分鐘，退火溫度400℃，厚度為200nm。

S1003：對所述氣敏材料薄膜層進行刻蝕，形成多個間隔排布的溝槽，以形成氣敏材料層2，如圖5所示。

舉例來說，光刻出電極圖形，采用干法刻蝕形成氣敏材料層2(如SnO2)。其中，電極圖形對應氣敏薄膜層2上形成多個間隔排布的溝槽。

S1004：采用磁控濺射工藝，在所述多個溝槽內(nèi)沉積金屬電極層3，如圖6所示。

舉例來說，具體可采用Sputter磁控濺射方法在150℃下沉積金屬電極Mo/Al 200nm，以形成金屬電極層3。

S1005：在所述金屬電極層3上對應形成絕緣層5，如圖7所示。

其中，絕緣層5與金屬電極層3對應設置，且絕緣層5與金屬電極層3形狀一致。

舉例來說，在金屬電極層3上采用化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)制備SiO2絕緣層，約100～300nm。

S1006：在所述絕緣層5及所述氣敏材料層3上形成二維材料過濾層4，如圖8所示。

舉例來說，可采用改進的Hummers法對天然鱗片石墨進行氧化，超聲90min制備氧化石墨烯分散液；將氧化石墨烯分散液旋涂在氧化錫基板上，80℃烤干固化，從而形成氧化石墨烯作為二維材料過濾層4。

其中，改進的Hummers法具體包括：將濃H₂SO₄冷卻至0℃與石墨攪拌后，依次加入NaNO₃及KMnO₄，在4℃下進行第一次反應且持續(xù)90min，在36℃下進行第二次反應且持續(xù)30min，在85℃下進行第三次反應且持續(xù)30min；進一步地，離心機凈化至無硫酸基團，45℃烘干，從而形成氧化石墨烯。

S1007：在二維材料過濾層4背離所述絕緣層5的一側(cè)形成封裝層6，如圖9所示。

其中，所述封裝層6與所述金屬電極層3或者絕緣層5對應設置，且該封裝層6與金屬電極層3或者絕緣層5的形狀一致。

舉例來說，熱蒸鍍薄膜封裝(TFE)層，并利用精密金屬掩膜(fine metal mask)形成封裝層6的圖形，以進一步固定二維材料層4，并保護邊緣的氣密性，形成半導體氫氣傳感器元件結(jié)構(gòu)。

進一步地，還包括對形成的半導體氫氣傳感器進行測試分析的步驟，在此不再贅述。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“上”、“下”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。