[发明专利]低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及二维材料和电化学传感器件制造技术领域，特别涉及微波退火工艺。

背景技术

过去的几十年里，基于场效应晶体管的生物传感器，将化学信号转换为电信号测量，具有非标记，快速响应，低功耗，便携，利用微电子制造工艺实现低成本、大规模集成等优点，在生物，医学，工业制造，环境检测等领域得到了广泛的研究和应用。场效应晶体管的沟道材料通常有三维的体硅，二维的石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷，一维纳米结构的碳纳米管，硅基纳米线等。其中二维材料相比三维材料，由于平面结构有优异的静电特性，又比一维材料更加稳定，易于制造，特别是二硫化钼纳米片，开关电流比远高于石墨烯，禁带宽度可调，生物兼容，是理想的基于场效应晶体管的生物传感器沟道材料。二硫化钼薄膜可以达到原子层厚度，因此沟道载流子的输入特征对气体吸附十分敏感，产生电荷的转移，适合用于气体传感器。而在二硫化钼表面生长敏感介质层并功能化敏感膜表面可以进行不同的传感器检测应用。

随着纳米科学的进步，纳米材料也被广泛应用于生物或环境检测的传感器中。纳米材料具有优异的结构、催化和电化学特性，将纳米尺寸的金属、金属氧化物以及碳材料等与不同形貌的纳米材料如上述提到的一维、二维材料等组成纳米结构作为传感界面，可以显著提高电化学传感器的性能。例如，在二硫化钼表面修饰纳米金颗粒可以用于气体检测可以提高导电电流；在金电极上修饰二硫化钼/金纳米颗粒杂化结构，葡萄糖氧化酶在其上完成自组装可以实现葡萄糖检测；纳米金颗粒与寡核苷酸可以用于传感器的功能化，实现DNA测序等。上述检测手段有用纳米结构修饰电极，测量电流或阻抗的方式，也有用薄膜晶体管测量电流等方式。对于薄膜晶体管，由于上述基于场效应晶体管的生物传感器优势，操作更加灵活方便，测试手段更加丰富，更加具有应用前景。将薄膜晶体管与纳米修饰材料结合，这样的纳米结构具有高灵敏度，高电子输运速度，低背景电流的特点，并且可以功能化敏感表面，实现传感测量需求，同时也使得测量过程更加简单、便捷。

合成纳米结构的方法通常过程复杂，不易控制。例如电化学刻蚀或金属颗粒的电沉积形成金属纳米颗粒，然而电化学方法制备纳米结构需要专业设备，操作复杂，成本高昂；金属颗粒的电沉积难于形成均匀覆盖纳米颗粒的表面，限制了传感过程中扩散或使得纳米颗粒间的扩散层重叠，影响输运。同样的，一些金属氧化物纳米结构例如氧化锌纳米颗粒，通常用粉末固体与分散液混合滴涂与器件表面形成功能化界面，然而器件的性能很难保证均匀一致。另外，也有物理工艺常采用热蒸发形成薄膜，随后高温热退火使得薄膜团聚形成纳米颗粒。这种物理工艺简单易行，但考虑到集成电路中的热预算，以及生物传感应用常用到塑料、环氧树脂等不耐高温的柔性材料，需要找到一种低温，有效地制备传感器并合成功能化纳米结构的方法。

发明内容

本发明提供一种低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法，实现柔性衬底上制备功能化纳米结构，并提升器件传感检测性能，使得制备过程简单，降低制造成本。

本发明提供的低温制备二维柔性离子敏场效应晶体管的方法，具体步骤为：

提供非柔性衬底，在所述非柔性衬底上涂覆柔性材料前躯体，固化后形成器件柔性衬底；

在所述柔性衬底上形成图形化金属层一；

在所述图形化金属层一上方形成绝缘介质层；

在所述绝缘介质层上方转移二维半导体薄膜作为器件的导电沟道；

在所述二维半导体薄膜上方形成图形化金属层二；

在所述二维半导体薄膜及图形化金属层二上方沉积修饰层材料；

采用微波退火工艺对器件进行低温退火处理；

将器件从所述非柔性衬底上分离开，得到柔性衬底上具有特定传感功能的器件。

本发明采用微波退火工艺低温进行处理，使功能层表面发生团聚，在传感界面形成功能化纳米结构，同时退火工艺也可以改善各层结构之间的界面特性。

可选的，所述非柔性衬底为单晶硅或玻璃等。

可选的，所述柔性材料为对温度有一定承受能力的有机物。例如，聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或环氧树脂。

可选的，所述绝缘介质层材质可以为一下任意一种：

氧化硅（SiO₂）、氧化铝（Al₂O₃）以及高介电常数（high-k）栅介质等。

可选的，所述图形化金属层一、所述图形化金属层二的材质可以为金（Au）、铝（Al）等金属。

可选的，所述图形化金属层一的形成步骤包括：

在所述柔性衬底上形成金属层；