[发明专利]气敏型场效应晶体管装置和气敏型场效应晶体管装置阵列

说明书

本申请提供了气敏型场效应晶体管装置、气敏型场效应晶体管装置阵列及其制备方法。气敏型场效应晶体管装置可包括栅极、位于栅极上且具有一个或多个通孔的钝化层、浮置电极、感应材料层以及控制部件，其中浮置电极与栅极电学连接，并设置在钝化层中且浮置电极的至少一部分通过通孔暴露，感应材料层直接位于浮置电极的至少一部分上，控制部件被配置为控制浮置电极控制部件的工作点。根据本申请提供的气敏型场效应晶体管装置阵列能够控制工作点，并具有动态亚阈值电流读出能力，从而能够显著降低阵列的功耗，并能够提高室温下的灵敏度。

技术领域

本申请涉及气敏型传感器领域，更具体地涉及气敏型场效应晶体管装置、气敏型场效应晶体管装置阵列、包括其的CMOS气体传感器及制备方法。

背景技术

已知多种金属氧化物纳米材料可作为气体感应材料，并且这些感应材料通常用作沉积在电极上的化敏电阻器来制备传感器。但是制备出的传感器需要较高的工作温度。因此提出了可在较低的温度下工作的基于场效应晶体管(FET)的气体传感器。通常，基于FET的气体传感器通过使用特殊的栅极材料或结构来制备，例如通过使用多孔Pd栅极或悬浮式栅极来实现，使得制备工艺复杂。

另外，使用标准CMOS工艺制造气体传感器可实现小型化并且以低成本和工业标准批量制造气体传感器系统。但是，现有的标准CMOS实施方案仅限于电阻式气体传感器，但其灵敏度低并且需要在传感材料与顶部铝金属之间存在良好的欧姆接触。

因此，当前迫切需要一种能够在标准CMOS工艺中实现基于FET的气体感应的解决方案。

发明内容

本申请提供了一种能够克服或部分克服现有技术的至少一个缺陷的解决方案。

根据本申请的一个方面，提供了一种气敏型场效应晶体管装置，其包括：栅极；钝化层，位于栅极上且具有一个或多个通孔；浮置电极，与栅极电学连接，浮置电极被设置在钝化层中并且浮置电极的至少一部分通过通孔暴露；感应材料层，直接位于浮置电极的至少一部分上；以及控制部件，控制部件被配置为控制浮置电极的工作点。

根据本申请的另一方面，提供了一种气敏型场效应晶体管装置阵列，其包括多个如上限定的气敏型场效应晶体管装置。

根据本申请的又一方面，提供了一种CMOS气体传感器，其包括气敏型场效应晶体管装置阵列，阵列包括多个如上限定的气敏型场效应晶体管装置。

根据本申请的再一方面，提供了一种制备气敏型场效应晶体管装置的方法，其包括：提供衬底并在衬底上形成栅极；在栅极上形成钝化层，其中钝化层中具有一个或多个通孔；将浮置电极电学连接至栅极，并且将浮置电极设置在钝化层中并将浮置电极的至少一部分通过通孔暴露；在浮置电极的至少一部分上直接形成感应材料层；以及提供控制部件，控制部件配置为控制浮置电极的工作点。

本申请提供的气敏型FET装置可直接在标准的CMOS工艺中实现，减少了对欧姆接触的需求，从而能够制造出与相应电路完全集成的具有高性能且高密度的气体传感器阵列。通过在标准CMOS工艺中实施气敏型FET装置，可以开发大型传感器阵列，以在小范围内获得用于气体分类任务的大型气体响应模式。

根据本申请的技术方案，在标准CMOS工艺中制作的气敏型FET装置阵列具有很小的面积，并且可以在同一芯片上集成处理电路形成超大阵列，从而能够利用大阵列的数据进行机器学习来提高气体传感器识别不同气体的能力。

此外，根据本申请提供的气敏型场效应晶体管装置阵列能够控制工作点，并具有动态亚阈值电流读出能力，从而能够显著降低阵列的功耗，并能够提高室温下的灵敏度。

本申请在同一芯片上集成了8x8的气敏型FET装置阵列和相应处理电路，实现在小尺寸CMOS芯片上大规模集成气体传感器。基于在亚阈值工作区电流与悬浮栅极电位的指数关系，这些传感器的工作区域在重置工作点时被设置为亚阈值区，在气体感应时，这些亚阈值电流被动态读出，从而实现了高灵敏度与低功耗。