[发明专利]一种半导体多孔晶体薄膜传感器及制备方法

说明书

本发明涉及一种半导体多孔晶体薄膜传感器及制备方法，包括衬底和设置在衬底上的致密多孔晶体薄膜，所述致密多孔晶体薄膜是由尖锥状凸起交联组成的多孔网格结构，所述尖锥状凸起的侧壁之间构成倒尖锥形状的倒尖锥孔。本申请的致密多孔晶体薄膜是一次性生长而成，具有制备工艺简单、比表面积大、且表面活性高等优势；致密多孔晶体薄膜，是由倒尖锥状的孔构成，有利于待测样品进出小孔、并具有大的比表面积；其孔壁为尖锥状结构，更为结实稳定；选用的氮化物半导体材料属于第三代半导体材料，具有优异的化学稳定性，如耐酸碱腐蚀，更适用于高可靠性的半导体传感器。

技术领域

本发明涉及一种半导体传感器，尤其涉及一种半导体多孔晶体薄膜传感器及制备方法。

背景技术

半导体传感器被广泛用于检测液体或气体样品的成份，即检测液体或气体样品中微量物质含量，其工作原理是：待测物(如离子或分子)与半导体表面接触、并在表面发生化学反应，从而改变半导体材料的电阻或产生反应电流。

为了提高传感器的检测灵敏度，需要提高敏感材料的比表面积，比如采用纳米颗粒、纳米线或多孔薄膜作为敏感材料。对于纳米颗粒传感器，需要组装和固定颗粒，同时不能遮挡和覆盖颗粒表面，因此传感器的制备工艺复杂，且稳定性和可靠性不佳。对于纳米线传感器，由于纳米线的结构纤细，在外力作用下，特别是气流或水流冲击下易于晃动，稳定性欠佳。对于薄膜材料，由于可以紧贴在衬底表面或在衬底表面生长而成，稳定性最好，但是，制备多孔薄膜，目前通常采用电化学刻蚀或网格状晶体生长工艺，工艺复杂，更重要的是，上述工艺所制备的多孔薄膜，其孔径通常大于几十纳米，约为20nm～200nm，不易制备更小的孔，因此材料的比表面积受限。

作为电阻型GaN薄膜传感器，目前通常采用GaN晶体管结构如场效应晶体管，当待测物吸附在晶体管栅极时，会引起晶体管的沟道电阻发生变化；作为GaN薄膜电化学传感器，目前通常采用电化学腐蚀制备“多孔单晶薄膜”或生长“网格状单晶薄膜”作为电极材料，其孔径较大(比表面积较低)、且单晶薄膜的氮空位少(表面活性低)，因此传感器灵敏度较低(Talanta,2017,165,540-544；Sensors and Actuators B,2011,155,699-708；Sensors and Actuators A,2014,209,52-56)；对于通常的多孔材料，由于其孔隙为细长条状，待测物扩散进入或排出小孔缓慢，因此小孔内部无法充分接触待测物，传感器的响应速度慢、灵敏度受限；而且对于通常的多孔材料，其结构疏松脆弱，孔壁很薄。

综上所述，如何简便、快捷的制备多孔半导体薄膜，并具有大比表面积和高表面活性，是现有技术中急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种半导体多孔晶体薄膜传感器及制备方法，本发明采取的技术方案为：

一种半导体多孔晶体薄膜传感器，包括衬底和设置在衬底上的致密多孔晶体薄膜，所述致密多孔晶体薄膜是由尖锥状凸起交联组成的多孔网格结构，所述尖锥状凸起的侧壁之间构成倒尖锥形状的倒尖锥孔。

其中，所述尖锥状凸起的侧壁为半导体晶面，尖锥夹角处于30°～120°之间。

其中，所述倒尖锥孔的孔径分布从纳米量级至微米量级。

其中，所述致密多孔晶体薄膜的材料为元素半导体、化合物半导体和金属氧化物半导体中的一种。

其中，所述致密多孔晶体薄膜的材料为氮化物。

其中，所述致密多孔晶体薄膜表面设置有其他材质的半导体晶体薄膜。

其中，所述半导体晶体薄膜优选氧化物半导体薄膜。

其中，所述致密多孔晶体薄膜表面设置有金属膜，在金属膜表面修饰有羧基、羧基或巯基。

其中，所述致密多孔晶体薄膜经过部分或全部氧化。