[发明专利]一种基于单晶硅纳米薄膜光电器件的气体与化学物质传感系统的制备方法

摘要

本发明属于柔性光电子传感技术领域，具体为一种基于高灵敏单晶硅纳米薄膜光电子器件的气体与化学物质探测传感系统的制备方法。本发明首先采用整体转移的工艺，将单晶硅纳米薄膜光电三极管转移到柔性的聚酰亚胺衬底上实现高灵敏的柔性光电子器件。以此器件为平台，在器件表面修饰在特定气体或化学物质作用下能发生光学参数变化的敏感材料，通过分析系统吸附化学物质后光电信号的变化，实现气体与化学物质的探测传感。本发明作为传统传感器的有力补充，为未来可集成于芯片上的非接触式气体与化学物质的传感探测系统的研制奠定了基础。

主权项

1.一种基于单晶硅纳米薄膜光电器件的气体与化学物质传感系统的制备方法，所述气体与化学物质传感系统由柔性光电探测器和敏感材料膜层组成，即在高灵敏柔性光电探测器上表面修饰有敏感材料膜层，其工作原理在于敏感材料膜层吸附特定气体或化学物质后光学参数发生相应变化，影响柔性光电探测器的光电响应及电信号输出，进而实现对目标化学物质的探测与传感；所述柔性光电探测器为硅纳米薄膜功能层，其结构为沟道背面带有栅电极的n+‑p‑n+结构光电三极管，所述n+‑p‑n+结构光电三极管的正面包覆有热氧化二氧化硅密封层，n+‑p‑n+结构光电三极管的沟道背面为有铬/金金属电极，其余部分为栅氧化层介质层，所述n+‑p‑n+结构光电三极管的背面放置于衬底上，所述n+‑p‑n+结构光电三极管与衬底之间设有聚酰亚胺应力缓冲层；所述气体与化学物质传感系统的制备方法，具体步骤如下：（1）以绝缘层上单晶硅(SOI)晶圆为原材料，通过机械研磨的方式，将其背面硅衬底厚度减薄到200 μm以下；通常SOI顶层硅纳米薄膜功能层厚度为340 nm；（2）在SOI晶圆上通过标准的光刻、掺杂、刻蚀和薄膜淀积工艺，制成沟道背面带有栅电极的n+‑p‑n+结构光电三极管，掺杂区掺杂浓度为1018 cm‑3，沟道背面带有栅电极的n+‑p‑n+结构光电三极管沟道宽度为400 μm，长度为20 μm；带有栅氧化层介质层使用PECVD生长的二氧化硅，厚度为80 nm；金属电极使用电子束沉积的铬/金金属电极，厚度为5/100 nm；（3）对SOI晶圆正面有器件的功能层进行紫外臭氧清洗，旋涂聚酰亚胺树脂（PI）应力缓冲层并完成热固化，使用PI牌号为PI 2000，典型旋涂工艺为 500 rpm 10s, 4000 rpm 30 s，重复一次；固化参数为 160 oC, 10 min; 250 oC, 1 hour；（4）在PI涂层表面旋涂聚二甲基硅氧烷（PDMS）粘附层，通过层压键合的将SOI旋涂树脂的一面粘合到用作衬底的聚酰亚胺薄膜上，并在真空烘箱中完成PDMS固化，PDMS 旋涂工艺为 500 rpm 10s, 3000 rpm 30 s；固化参数为 110 oC真空固化 1 hour；（5）将完成固化的样品贴合到临时玻璃衬底上面，SOI晶圆背面向上，四周使用耐高温胶带保护，并对SOI晶圆背面进行清理，清理所用的缓冲氧化物为：刻蚀溶液+丙酮+酒精+紫外臭氧，以清除表面的有机污物残余；（6）使用感应耦合等离子体刻蚀（ICP‑RIE）工艺，刻蚀SOI晶圆背面的硅衬底至刚好呈现透明状态，此时SOI背面硅材料恰好被刻蚀干净；SOI结构中原先的氧化物埋层（BOX）得以暴露，成为器件的热氧化二氧化硅密封层；（7）借助光刻与反应离子刻蚀工艺（RIE）、湿法化学腐蚀工艺，将器件金属电极区域上方的热氧化二氧化硅密封层选择性地清除；（8）将减薄后的样品从临时玻璃衬底上剥下，获取柔性器件与电路；（9）通过电子束沉积工艺或旋涂工艺将特定敏感材料薄膜沉积到柔性薄膜上，随后贴合到部分光电三极管的光敏功能区上表面。