[發明專利]基于高性能電極的硅納米線陣列基氣體傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 201810991929.3
• 申請日: 2018-08-29
• 公開（公告）號: CN110873733A
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發明（設計）人: 秦玉香;趙黎明;白憶楠;王霄飛
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

本發明公開基于高性能電極的硅納米線陣列基氣體傳感器及其制備方法，通過刻蝕法在硅片表面制備垂直于硅片表面的硅納米線陣列，在硅納米線陣列頂端設置旋涂層，并在旋涂層上設置歐姆接觸的電極，旋涂層為氧化亞銅層。在有序硅納米線陣列頂端形成Cu₂O涂層互聯結構，與在旋涂層上設置歐姆接觸的電極，共同構成硅納米線陣列傳感器的頂端電極，通過Cu₂O涂層互聯結構引出所有硅納米線的氣敏響應信號。本發明的涂層電極結構在保證氣體向納米線陣列內部擴散的同時，可以有效引出幾乎所有硅納米線的氣敏響應信號，顯著提升傳感器的響應靈敏度。

技術領域

本發明屬于納米氣體傳感器領域，更加具體地說，涉及基于高性能電極的硅納米線陣列基氣體傳感器及其制備方法，該電極制備方法操作簡單，基于該發明公開的方法形成的電極結構可顯著提升有序硅納米線陣列傳感器的響應靈敏度，同時形成的硅納米線陣列氣體傳感器可在室溫下表現出極佳的性能穩定性。

背景技術

當下，環境污染問題日益突出，工業化的快速發展伴生了大量有毒有害氣體(如NO₂、NO、H₂S、CO、SO₂等等)的產生和排放，不僅嚴重污染了環境，而且對人類健康造成明顯威脅。例如，由燃燒和汽車尾氣排放等產生的NO_x類有毒氣體可形成酸雨腐蝕建筑物和皮膚，而且可形成化學煙霧，引發人體呼吸道疾病。對各類毒性危險性微量氣體的高靈敏探測依賴于具有高靈敏度高穩定性高可靠性的各類氣體傳感器的研究與發展。近年來，隨著納米技術的發展和向傳感領域的滲透，一維半導體納米線在氣體傳感器中的應用備受關注，其作為傳感器敏感元在獲得高的靈敏度和好的動態性能方面極具優勢。在各類半導體納米線中，硅基納米線尤其引人注意?；诨瘜W刻蝕單晶硅基片形成的有序硅納米線陣列應用于氣體傳感器具有硅納米線的刻蝕制備工藝與現有的半導體加工技術高度兼容的突出優點，同時，基于化學刻蝕形成的硅納米線陣列基氣體傳感器可與各種硅基CMOS器件和電路形成硅基同質集成。基于有序硅納米線陣列結構的傳感器件的制作的主要工藝難點在于電極結構的合理設計和工藝實現。如何在有序硅納米線頂端形成一種電極結構，在不影響氣體向納米線陣列內部擴散的前提下，保證器件電學響應信號的穩定、有效引出是傳感器獲得高的靈敏度和穩定性的關鍵。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供基于高性能電極的硅納米線陣列基氣體傳感器及其制備方法，利用該方法可在硅納米線頂端形成一種基于Cu₂O“焊接”互聯(即涂層互聯)的新型電極結構，進一步制作鉑引出電極后形成的新穎的電極結構具有極高的結構穩定性并能與納米線直接保持可靠地電學接觸穩定性，使形成的傳感器具有高的性能穩定性，可有效抵抗環境氣氛、濕度變化、甚至機械振動對傳感器輸出信號的穩定性的影響；同時該種“焊接”互聯電極結構在保證氣體向納米線陣列內部擴散的同時，可以有效引出幾乎所有硅納米線的氣敏響應信號，顯著提升傳感器的響應靈敏度。

本發明的技術目的通過下述技術方案予以實現。

基于高性能電極的硅納米線陣列基氣體傳感器，包括硅片、硅納米線陣列以及電極，以硅片為基底，通過刻蝕法在硅片表面制備垂直于硅片表面的硅納米線陣列，在硅納米線陣列頂端設置旋涂層，并在旋涂層上設置歐姆接觸的電極，旋涂層為氧化亞銅層。

在上述技術方案中，將旋涂溶液滴加到帶有硅納米線陣列的硅片表面上，利用勻膠機的旋轉以在硅納米線陣列表面形成旋涂層，旋涂溶液為硫酸銅和氫氟酸的水溶液中，氫氟酸濃度為1-3M，硫酸銅濃度為0.004-0.02M，優選氫氟酸濃度為1-3M，硫酸銅濃度為0.006-0.012M。

在上述技術方案中，在有序硅納米線陣列頂端形成Cu₂O涂層互聯結構，與在旋涂層上設置歐姆接觸的電極，共同構成硅納米線陣列傳感器的頂端電極，通過Cu₂O涂層互聯結構引出所有硅納米線的氣敏響應信號。

上述氣體傳感器的制備方法，按照下述步驟進行：