[發(fā)明專利]低溫制備二維柔性離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710440266.1
• 申請(qǐng)日: 2017-06-13
• 公開（公告）號(hào): CN107238648A
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾瑞雪;仇志軍;吳東平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N27/414
• 分類號(hào): G01N27/414;B82Y40/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,陸尤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及二維材料和電化學(xué)傳感器件制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微波退火工藝。

背景技術(shù)

過(guò)去的幾十年里，基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的生物傳感器，將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)測(cè)量，具有非標(biāo)記，快速響應(yīng)，低功耗，便攜，利用微電子制造工藝實(shí)現(xiàn)低成本、大規(guī)模集成等優(yōu)點(diǎn)，在生物，醫(yī)學(xué)，工業(yè)制造，環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道材料通常有三維的體硅，二維的石墨烯、過(guò)渡金屬硫化物、黑磷，一維納米結(jié)構(gòu)的碳納米管，硅基納米線等。其中二維材料相比三維材料，由于平面結(jié)構(gòu)有優(yōu)異的靜電特性，又比一維材料更加穩(wěn)定，易于制造，特別是二硫化鉬納米片，開關(guān)電流比遠(yuǎn)高于石墨烯，禁帶寬度可調(diào)，生物兼容，是理想的基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的生物傳感器溝道材料。二硫化鉬薄膜可以達(dá)到原子層厚度，因此溝道載流子的輸入特征對(duì)氣體吸附十分敏感，產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移，適合用于氣體傳感器。而在二硫化鉬表面生長(zhǎng)敏感介質(zhì)層并功能化敏感膜表面可以進(jìn)行不同的傳感器檢測(cè)應(yīng)用。

隨著納米科學(xué)的進(jìn)步，納米材料也被廣泛應(yīng)用于生物或環(huán)境檢測(cè)的傳感器中。納米材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)、催化和電化學(xué)特性，將納米尺寸的金屬、金屬氧化物以及碳材料等與不同形貌的納米材料如上述提到的一維、二維材料等組成納米結(jié)構(gòu)作為傳感界面，可以顯著提高電化學(xué)傳感器的性能。例如，在二硫化鉬表面修飾納米金顆粒可以用于氣體檢測(cè)可以提高導(dǎo)電電流；在金電極上修飾二硫化鉬/金納米顆粒雜化結(jié)構(gòu)，葡萄糖氧化酶在其上完成自組裝可以實(shí)現(xiàn)葡萄糖檢測(cè)；納米金顆粒與寡核苷酸可以用于傳感器的功能化，實(shí)現(xiàn)DNA測(cè)序等。上述檢測(cè)手段有用納米結(jié)構(gòu)修飾電極，測(cè)量電流或阻抗的方式，也有用薄膜晶體管測(cè)量電流等方式。對(duì)于薄膜晶體管，由于上述基于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的生物傳感器優(yōu)勢(shì)，操作更加靈活方便，測(cè)試手段更加豐富，更加具有應(yīng)用前景。將薄膜晶體管與納米修飾材料結(jié)合，這樣的納米結(jié)構(gòu)具有高靈敏度，高電子輸運(yùn)速度，低背景電流的特點(diǎn)，并且可以功能化敏感表面，實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)量需求，同時(shí)也使得測(cè)量過(guò)程更加簡(jiǎn)單、便捷。

合成納米結(jié)構(gòu)的方法通常過(guò)程復(fù)雜，不易控制。例如電化學(xué)刻蝕或金屬顆粒的電沉積形成金屬納米顆粒，然而電化學(xué)方法制備納米結(jié)構(gòu)需要專業(yè)設(shè)備，操作復(fù)雜，成本高昂；金屬顆粒的電沉積難于形成均勻覆蓋納米顆粒的表面，限制了傳感過(guò)程中擴(kuò)散或使得納米顆粒間的擴(kuò)散層重疊，影響輸運(yùn)。同樣的，一些金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)例如氧化鋅納米顆粒，通常用粉末固體與分散液混合滴涂與器件表面形成功能化界面，然而器件的性能很難保證均勻一致。另外，也有物理工藝常采用熱蒸發(fā)形成薄膜，隨后高溫?zé)嵬嘶鹗沟帽∧F(tuán)聚形成納米顆粒。這種物理工藝簡(jiǎn)單易行，但考慮到集成電路中的熱預(yù)算，以及生物傳感應(yīng)用常用到塑料、環(huán)氧樹脂等不耐高溫的柔性材料，需要找到一種低溫，有效地制備傳感器并合成功能化納米結(jié)構(gòu)的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種低溫制備二維柔性離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，實(shí)現(xiàn)柔性襯底上制備功能化納米結(jié)構(gòu)，并提升器件傳感檢測(cè)性能，使得制備過(guò)程簡(jiǎn)單，降低制造成本。

本發(fā)明提供的低溫制備二維柔性離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，具體步驟為：

提供非柔性襯底，在所述非柔性襯底上涂覆柔性材料前軀體，固化后形成器件柔性襯底；

在所述柔性襯底上形成圖形化金屬層一；

在所述圖形化金屬層一上方形成絕緣介質(zhì)層；

在所述絕緣介質(zhì)層上方轉(zhuǎn)移二維半導(dǎo)體薄膜作為器件的導(dǎo)電溝道；

在所述二維半導(dǎo)體薄膜上方形成圖形化金屬層二；

在所述二維半導(dǎo)體薄膜及圖形化金屬層二上方沉積修飾層材料；

采用微波退火工藝對(duì)器件進(jìn)行低溫退火處理；

將器件從所述非柔性襯底上分離開，得到柔性襯底上具有特定傳感功能的器件。

本發(fā)明采用微波退火工藝低溫進(jìn)行處理，使功能層表面發(fā)生團(tuán)聚，在傳感界面形成功能化納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)退火工藝也可以改善各層結(jié)構(gòu)之間的界面特性。

可選的，所述非柔性襯底為單晶硅或玻璃等。

可選的，所述柔性材料為對(duì)溫度有一定承受能力的有機(jī)物。例如，聚酰亞胺（PI）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）或環(huán)氧樹脂。

可選的，所述絕緣介質(zhì)層材質(zhì)可以為一下任意一種：

氧化硅（SiO₂）、氧化鋁（Al₂O₃）以及高介電常數(shù)（high-k）柵介質(zhì)等。

可選的，所述圖形化金屬層一、所述圖形化金屬層二的材質(zhì)可以為金（Au）、鋁（Al）等金屬。

可選的，所述圖形化金屬層一的形成步驟包括：

在所述柔性襯底上形成金屬層；