[發明專利]基于負電容效應的碳基場效應晶體管傳感器

有效

• 申請號: 202011447171.0
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112697843B
• 公開（公告）日: 2023-10-03
• 發明（設計）人: 劉逸為;曹覺先;張志勇;趙為
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;B82Y15/00
• 代理公司: 南京行高知識產權代理有限公司 32404
• 代理人: 王培松;王菊花

本發明提供一種基于負電容效應的碳基場效應晶體管傳感器，包括：位于底層的柵極；位于柵極的一側的底柵介質層；位于底柵介質層背離柵極一側表面的碳納米管溝道層；位于碳納米管溝道層背離底柵介質層一側表面的頂柵介質層；位于頂柵介質層背離碳納米管溝道層一側表面的鐵電材料層、源極與漏極，鐵電材料層設置在源極與漏極之間、并與源極與漏極分別電連接；以及位于鐵電材料層背離頂柵介質層一側表面的敏感層，敏感層作為傳感器探針，被設置成包括用于探測待測對象的敏感材料；其中，鐵電材料層被設置成通過底層的柵極施加外部電場至鐵電材料的矯頑電壓區間，使得鐵電材料工作在負電容效應區間，提高低濃度檢測的靈敏度。

技術領域

本發明涉及晶體管技術領域，尤其是場效應管(FET，Field Effect Transistor)，具體而言涉及一種基于負電容效應的碳基場效應晶體管傳感器。

背景技術

碳納米管場效應晶體管(CNT-FET)，是一種基于碳基場效應、并以碳納米管構成溝道材料的新型晶體管，利用碳納米管的小尺寸、高載流子遷移率、柵-溝道耦合效率高的特性，其對外界的電擾動非常敏感，基于這一特性，在柵極修飾敏感材料作為探針形成不同功能的半導體傳感器，即碳基場效應晶體管傳感器，如圖1所示，具有極佳的柵調控能力，通過探針可以將待測對象的理化信息轉換成電擾動信號，而CNT-FET的溝道材料——碳納米管對外界電擾動十分敏感，表現為溝道載流子濃度變化(可近似為P摻雜或者N摻雜)，最終反映為傳感器的工作電流的變化，從而得到待測物的理化指標，如圖2所示為現有碳基FET生物傳感器響應信號示意圖，隨著待測物濃度的提升，器件在飽和區的工作電流逐漸增大，通過電信號可得到生物分子的濃度信息。

結合圖2所示，我們看到碳基FET生物傳感器在飽和區工作，響應靈敏度遠低于亞閾值區，而基于傳統的FET器件結構，引起碳基FET生物傳感器亞閾值區的電流變化的因素十分復雜，幾乎無法通過電流變化獲得響應信號。

現有技術文獻：

專利文獻1：CN109742235A一種柔性鐵電場效應管及其制備方法

專利文獻2：CN110034181A一種鐵_壓電場效應管及其的制備方法

專利文獻3：CN111312829A一種高靈敏的負電容場效應管光電探測器及制備方法

發明內容

本發明目的在于提供一種基于負電容效應的碳基場效應晶體管傳感器，利于鐵電材料的負電容效應提升碳基場效應晶體管傳感器檢測靈敏度。

根據本發明的改進，提出一種基于負電容效應的碳基場效應晶體管傳感器，包括：

位于底層的柵極；

位于柵極的一側的底柵介質層；

位于所述底柵介質層背離所述柵極一側表面的碳納米管溝道層；

位于所述碳納米管溝道層背離所述底柵介質層一側表面的頂柵介質層；

位于所述頂柵介質層背離所述碳納米管溝道層一側表面的鐵電材料層、源極與漏極，所述鐵電材料層設置在源極與漏極之間、并與源極與漏極分別電連接；以及

位于鐵電材料層背離頂柵介質層一側表面的敏感層，所述敏感層作為傳感器探針，被設置成包括用于探測待測對象的敏感材料；

其中，所述鐵電材料層被設置成通過底層的柵極施加外部電場至鐵電材料的矯頑電壓區間，使得鐵電材料工作在負電容效應區間。

優選地，所述底柵介質層和頂柵介質層均采用高k薄膜介質層。

其中，所述鐵電材料層的厚度為6nm-12nm。優選地，所述鐵電材料層的厚度為8nm-10nm。