Een zeer gevoelige FET-type vochtigheidssensor met inkjet-gedrukte Pt-In2O3-nanodeeltjes bij kamertemperatuur

Methoden

Vervaardiging van platforms

Om het detectieprincipe van de voorgestelde FET-vochtigheidssensor grondig te begrijpen, een apparaat van het resistieve type met dezelfde Pt-In₂ O₃ sensing materiaal werd ook onderzocht in dit artikel. Het resistieve type (Fig. 1a) en de FET-type sensorplatforms (Fig. 1b) werden gefabriceerd op dezelfde siliciumwafel voor een eerlijke vergelijking tussen hen. Figuur 1a toont het lege weerstandsplatform en de inzet zijn de vergrote elektroden na het vormen van de transparante Pt-In₂ O₃ laag. Figuur 1b toont het FET-platform dat is voorgesteld in ons vorige werk [28, 29]. Het heeft vier elektroden, waaronder CG, drain (D), source (S) en lichaamselektroden. Om het actieve gebied van het FET-platform te beschermen, zoals aangegeven in figuur 1a, werd een verlengde FG aangenomen, die in horizontale richting uitgelijnd was met de CG. Interdigitale structuren van de twee poorten werden gebruikt voor een goede capacitieve koppeling tussen hen. Bovendien werd ook een SU-8-passivering uitgevoerd om alleen het detectiegebied zoals aangegeven in Fig. 1b en de elektrodecontactkussens bloot te leggen. Figuur 1 c en d zijn de schematische dwarsdoorsneden langs en loodrecht op het kanaal van de FET, respectievelijk langs lijn A-A' en lijn B-B' in Fig. 1b. De kanaallengte en -breedte zijn respectievelijk 2 m en 2,4 m. De belangrijkste fabricagestappen werden als volgt beschreven. In dit werk, p MOSFET-platforms zijn voornamelijk gefabriceerd omdat ze minder 1/f-ruis hebben dan de n MOSFET's [30]. Ten eerste werd een 550 nm dik veldoxide gekweekt voor de isolatie van actieve gebieden door middel van een lokaal oxidatie van silicium (LOCOS) proces. Een begraven kanaal van de FET werd gevormd door ionenimplantatie en een 10 nm dik poortoxide werd gekweekt door middel van een droog oxidatieproces bij 800 ° C. Vervolgens werd een in situ gedoteerde n+ poly-Si-laag van 350 nm afgezet en van een patroon voorzien om als FG te dienen. De zwaar gedoteerde p+ source- en draingebieden werden gevormd door een ionenimplantatieproces. Om te voorkomen dat de FG en het kanaal ongewenste moleculen (bijvoorbeeld H₂ O) en ladingsvallen, een ONO-passiveringslaag bestaande uit SiO₂ (10 nm)/Si₃ N₄ (20 nm)/SiO₂ (10 nm) werd gevormd op de hele wafer. Na het definiëren van de contactgaten werden achtereenvolgens gestapelde lagen van Cr (30 nm) / Au (50 nm) afgezet en van een patroon voorzien om te dienen als de CG-, D-, S- en lichaamselektroden van FET. Merk op dat de elektroden van de resistieve sensoren ook gelijktijdig werden vervaardigd. Ten slotte werd een SU-8-passiveringslaag gevormd door spincoating op de platforms gepatroneerd door een lithografieproces om alleen het interdigitale FG-CG-gebied van het FET-platform (het detectiegebied in Fig. 1a), het interdigitale elektrodegebied bloot te leggen van het weerstandsplatform en alle pads voor de elektrodecontacten.

De gassensoren van het resistieve en FET-type met inkjet-geprinte Pt-In₂ O₃ nanodeeltjes. een SEM-afbeelding van het sensorplatform van het resistieve type. De inzet toont vergrote elektroden na het vormen van de Pt-In₂ O₃ voelende laag. b SEM-beeld van de FET-type sensor met een FG horizontaal uitgelijnd met een CG. c De schematische dwarsdoorsnede langs lijn A–A' in b . d De schematische dwarsdoorsnede langs lijn B–B' in b . De kanaallengte en -breedte zijn respectievelijk 2 m en 2,4  μm

Materialen

In₂ O₃ nanopoeders (≤ 100 nm in diameter), ethanol (99%), 8-Wt% H₂ PtCl₆ (in H₂ O) en gedeïoniseerd (DI) water werden gekocht bij Sigma-Aldrich (VS) voor de bereiding van het detectiemateriaal. Alle chemicaliën in dit papier zijn zonder verdere zuivering gebruikt.

Depositie van detectiemateriaal

De Pt-In₂ O₃ sensing materiaal werd gevormd door inkjet printproces. Ten eerste, In₂ O₃ nanopoeders werden opgelost in ethanol en grondig geroerd om een ​​uniforme oplossing te verkrijgen. De 8-Wt% H₂ PtCl₆ (in H₂ O)-oplossing werd verder verdund met DI-water tot de gewenste concentratie en vervolgens gemengd met de In₂ O₃ oplossing samen om als voorloperinkt te dienen. De voorbereide inkt werd op beide soorten platforms geprint met behulp van een inkjetprinter (Omni Jet 100), gevolgd door een gloeiproces van 2 uur bij 300 ° C in lucht om het oplosmiddel volledig uit de geprinte detectielaag te verdampen. Het gew.% van Pt in de detectielaag was zojuist ingesteld op 10 gew.% om zich voornamelijk te concentreren op de analyse van waterdampadsorptie-effecten.

Meetinstellingen

Figuur 2 toont de meetopstellingen die in dit werk zijn gebruikt. In Fig. 2 werden vochtige gasmonsters gemaakt door droge lucht en natte lucht te mengen die was bereid door droge lucht door een bubbler in de mengkamer te injecteren. De totale stroomsnelheid van het vochtige luchtmonster werd vastgesteld op 400 sccm en de relatieve vochtigheid werd bepaald door de stroomsnelheden van droge en natte lucht in evenwicht te brengen door een meerkanaals massastroomprogrammeur en gekalibreerd door een vochtigheidskalibrator. Er werd ook een referentiegas (droge lucht) met een stroomsnelheid van 400 sccm gebruikt. Tijdens de dynamische vochtigheidsdetectietest werden afwisselend de droge referentielucht en het vochtige luchtmonster naar de sensoren geblazen. Alle detectiekenmerken van sensoren zijn getest bij 25°C (kamertemperatuur). Elektrische metingen werden uitgevoerd met behulp van een Agilent B1500A.

Meetopstellingen. Alle kenmerken van sensoren zijn getest bij 25 °C (kamertemperatuur)

Resultaten en discussie

Ten eerste de basis IV-kenmerken van de Pt-In₂ O₃ sensoren van het resistieve type en het FET-type werden gemeten en uitgezet in respectievelijk Fig. 3 a en b. Dubbele sweep IV-curve van de weerstand getoond in Fig. 3a geeft een ohms contactgedrag van de Pt-In₂ aan O₃ film naar de elektroden in zowel resistieve als FET-type sensoren. In Fig. 3b werden dubbele zwaai DC I-V en gepulseerde I-V (PIV) van de FET-type sensor van positief naar negatief en terug ter vergelijking samen uitgezet. De inzet is het pulsschema dat wordt gebruikt voor PIV-meting. In DC IV-resultaten kan hysterese worden waargenomen, die wordt veroorzaakt door ladingsvangst in het detectiemateriaal en op het grensvlak tussen het detectiemateriaal en de ONO-passiveringsstapels. In de traditionele werkomgeving van sensoren van het FET-type worden typisch DC-voorspanningen toegepast op de elektroden voor het traceren van het stroomdetectiesignaal. Vanwege de genoemde ladingsvangst in het apparaat kan de stroom van de FET-sensor echter in de loop van de tijd aanzienlijk afdrijven, wat de huidige basislijn verstoort en de nauwkeurigheid verslechtert. In PIV van de voorgestelde FET-vochtigheidssensor daarentegen werd de hysterese beperkt door gebruik te maken van pulsed gate-bias. Op basis van die resultaten werd, om betrouwbare en stabiele detectiesignalen te verkrijgen bij het meten van de transiënte detectie-eigenschappen van de FET-type sensor, een gepulseerde meetmethode toegepast [29, 31] die wordt geïllustreerd in Fig. 4a.

Elektrische basiseigenschappen van het resistieve en FET-type Pt-In₂ O₃ sensoren bij T =25°C. een Dubbele sweep IV-curve van de resistieve sensor. De resultaten van voorwaartse en achterwaartse spanningszwaaien overlappen elkaar. b Dubbele sweep DC en gepulseerde I-V (PIV) curven van de FET-type sensor. De inzet geeft het pulsschema aan dat wordt gebruikt voor PIV-meting

Detectieprestaties van twee soorten sensoren voor 9,4% RV. een Schema van de FET-type sensor en het pulsschema gebruikt voor de meting van de FET-type sensor in dit werk. b |Ik _D | van FET-type sensor gebaseerd op p De MOSFET nam duidelijk af naarmate de RV toenam van 3,3 naar 9,4%. De sensor werd gedurende 100 s met vochtige lucht geblazen van ongeveer 70 tot 170 s. c DC-transiëntmeting van de resistieve sensor en er werd geen reactie waargenomen van de resistieve sensor voor 9,4% RH

Figuur 4a toont het pulsschema en de implementatiestrategie van de gepulseerde meetmethode voor de vochtigheidssensor van het FET-type. De linkerkant van figuur 4a is het schema van de FET-type sensor, en gepulseerde vooroordelen werden toegepast op de CG- en D-elektroden door twee golfvormgeneratoren van Agilent B1500A. De aan-tijd (pulsbreedte) t _aan en vrije tijd t _uit in één pulsperiode werden respectievelijk vastgesteld op 20 s en 1 s. Tijdens de vrije tijd t _uit , alle CG-, D- en S-elektroden van de FET waren geaard en er was geen afvoerstroom (I _D ) werd voorgelezen. Tijdens de op tijd t _aan , geschikte CG- en D-leesspanningen (V _rCG en V _rDS ) werden synchroon toegepast om I . te verzamelen _D monsters. Figuur 4 b en c tonen het detectiegedrag van respectievelijk de FET-type en resistieve-type sensoren bij blootstelling aan 9,4% relatieve vochtigheid (RH) gedurende 100 s. Merk op dat voor de sensor van het resistieve type alleen constante gelijkspanningen werden gebruikt. De Pt-In₂ O₃ sensor van het resistieve type, die weerstandsveranderingen van het meetmateriaal weerspiegelt, was niet gevoelig voor de toename van de RV van 3,3% (droge lucht) tot 9,4%. Echter, de absolute afvoerstroom |I _D | van de p De MOSFET-sensor nam aanzienlijk af met de toename van de RV en keerde terug naar de oorspronkelijke basislijn binnen ongeveer 400 s tijdens de herstelperiode van de sensor. Aangezien het detectiemechanisme van de FET-type sensor de verandering in werkfunctie van Pt-In₂ is O₃ veroorzaakt door de adsorptie van watermoleculen, geven de meetresultaten aan dat de werkfunctie van het meetmateriaal gevoeliger is voor RV-verandering in vergelijking met de weerstand. Gedetailleerde verklaringen van dit detectiegedrag en de reden voor het verschil in vochtigheidsgevoeligheid tussen de twee platforms werden later in dit artikel besproken.

Vervolgens werd de dynamische respons van de FET-type sensor op verschillende RH-niveaus (7,6%, 9,4%, 11,4%, 13,4%, 15,5% en 17,8%) gemeten en weergegeven in Fig. 5a. De respons van de FET-type sensor aangeduid als S _RH werd uitgedrukt door Vgl. (1) [32], waarbij I _{D_D} en ik _{D_H} zijn respectievelijk de oorspronkelijke afvoerstroom in droge lucht en de stroom in een vochtige omgeving op een bepaald RV-niveau.

$$ {S}_{\mathrm{RH}}=\left[\left(\left|{I}_{\mathrm{D}\_\mathrm{D}}\right|-\left|{I }_{\mathrm{D}\_\mathrm{H}}\right|\right)/\left|{I}_{\mathrm{D}\_\mathrm{D}}\right|\right] \times 100\% $$ (1)

Vochtigheidsdetectie met behulp van de voorgestelde FET-type sensor. een Tijdelijke vochtigheidsmeting bij T =25°C. RV =3,3%, 7,6%, 9,4%, 11,4%, 13,4%, 15,5% en 17,8%. b S _RH als parameter van RH in een bereik van 3,3 tot 17,8%. c Variaties van t _res en t _rec van de FET-type sensor met RV-niveaus

Figuur 5b plot de S _RH als functie van RV variërend van 3,3 (droge lucht) tot ongeveer 18%. De S _RH neigt evenredig te zijn met de RV in dit bereik. Let op de dynamische respons van resistieve Pt-In₂ O₃ sensor naar RV werd ook gemeten, maar er werd geen weerstandsverandering van het meetmateriaal waargenomen (van 3,3 naar 18% RV). De reactietijd t _res en hersteltijd t _rec worden gedefinieerd als de tijd die nodig is om de stroom te laten veranderen naar 90% van de uiteindelijke waarde [33]. Figuur 5c toont de variaties van t _res en t _rec van de FET-type sensor met een RV van 3,3-18%. De t _res iets verminderd met de toename van de RV, en alles t _res s die overeenkomen met verschillende RH-waarden zijn minder dan 60 s. Daarentegen heeft de toename in RH het tegenovergestelde effect op de t _rec van de sensor. Volgens de resultaten heeft de voorgestelde vochtigheidssensor van het FET-type zeer snelle en hoge reacties op lage RV-niveaus bij kamertemperatuur.

Om het vochtigheidsdetectiemechanisme van de Pt-In₂ . uit te leggen O₃ FET-type sensor onderzocht in dit artikel hieronder ongeveer 18% RH, de schematische watermolecuuladsorptie en gerelateerde energiebanddiagrammen nabij het grensvlak tussen ONO-staak en detectiemateriaal werden geconstrueerd zoals getoond in Fig. 6. Figuur 6a illustreert verschillende soorten adsorptie van watermoleculen op het oppervlak van Pt-In₂ O₃ deeltjes. Met de katalytische werking van Pt worden watermoleculen gestimuleerd om te reageren met vooraf geadsorbeerde zuurstofsoorten (\( {\mathrm{O}}_{\mathrm{ad}}^{-} \)) waarbij hydroxylgroepen (–OH) ontstaan ) op het oppervlak van In₂ O₃ zoals weergegeven in vgl. (2) [34].

$$ {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{In}+{\mathrm{O}}_{\mathrm{ad}}^{-}\longleftrightarrow 2\left(\mathrm {In}-\mathrm{OH}\right)+{\mathrm{e}}^{-} $$ (2)

Schematische watermolecuuladsorptie en gerelateerde energiebanddiagrammen. een Chemisorptie- en fysisorptielagen van watermoleculen op Pt-In₂ O₃ tast materiaal. b Het energiebanddiagram nabij de interface tussen de ONO-stack en de detectielaag vóór RH-detectie. Er werd aangenomen dat het in een vlakke band staat. c Het energiebanddiagram na RV-detectie. Dipolen op het grensvlak verminderen de werkfunctie van het meetmateriaal

Die hydroxylen blijven op het oppervlak van het meetmateriaal achter en vormen de eerste chemisorptielaag omdat het moeilijk is om sterk geabsorbeerde ionen bij kamertemperatuur te desorberen [35]. Vervolgens, tijdens detectietests, met de toename van het RH-niveau, beginnen meer watermoleculen te adsorberen op de hydroxylen door dubbele waterstofbindingen en vormen de tweede adsorptielaag, de eerste fysisorptielaag met nauwelijks beweegbare ionen erin. Wanneer het RH-niveau verder toeneemt, hopen zich meer lagen op nadat de eerste fysisorptielaag is gevuld op het oppervlak van detectiemateriaal, zoals weergegeven in figuur 6a, d.w.z. de multi-fysisorptielagen. Volgens de literatuur [23] is de impedantie van In₂ O₃ begint af te nemen totdat de RV hoger wordt dan ongeveer 54%. Bij lage RV-niveaus wordt alleen de eerste fysisorptielaag gevormd, waar geen beweegbare protonen zijn die bijdragen aan de elektrische geleiding. Daarna worden multi-fysisorptielagen gevormd door enkelvoudige waterstofbinding, waarbij beweegbare protonen (H ⁺ ) wordt gegenereerd door de ionisatie onder een elektrisch veld. Die protonen springen tussen de geadsorbeerde watermoleculen en veroorzaken een hogere geleidbaarheid van het meetmateriaal, d.w.z. het Grotthuss-mechanisme [27, 36,37,38]. In dit artikel geen huidige wijziging van de Pt-In₂ O₃ Er werd een sensor van het resistieve type waargenomen, wat aantoont dat -OH-groepen het oppervlak van het meetmateriaal hebben bedekt en dat alleen fysieke adsorptie van watermoleculen plaatsvond wanneer de RH tijdens de metingen werd verhoogd. Bijgevolg is de Pt-In₂ O₃ sensor van het resistieve type vertoonde een slechte gevoeligheid voor RV-stappen van minder dan 18%.

In het geval van sensoren van het FET-type is het detectiemechanisme de veranderingen in de werkfunctie van detectiemateriaal, dat verschilt van sensoren van het resistieve type. Volgens de resultaten van de sensor van het resistieve type is er onder de omstandigheden van de RH-niveaus gemeten in dit artikel geen elektronenoverdracht tussen het meetmateriaal en de watermoleculen in fysisorptielagen. Die geadsorbeerde watermoleculen kunnen echter dipolen vormen aan het oppervlak van In₂ O₃ deeltjes die van het meetmateriaal af wijzen (Fig. 6a). Figuur 6 b en c tonen het energiebanddiagram van de In₂ O₃ nabij het grensvlak tussen de detectielaag en de ONO-stack voor en na vochtdetectie, die het effect van de dipolen illustreren. Vanuit het perspectief van energiebanden bestonden de chemisch gesorbeerde hydroxylen al op het oppervlak van de In₂ O₃ vóór de test, en we nemen voor het gemak aan dat het zich in een vlakke bandtoestand bevindt vóór vochtdetectie (Fig. 6b). De E _VAC , E _C , E _F , en E _V in de diagrammen geven respectievelijk de energie van vacuüm, geleidingsband, valentieband en Fermi-niveau aan. Het verschil tussen de E _VAC en E _F vóór het waarnemen van tests, d.w.z. de werkfunctie, van In₂ O₃ op de interface tussen de detectielaag en de ONO-stack, wordt gedefinieerd als Φ _S1 . Na de fysisorptie van watermoleculen, verminderen dipolen gevormd aan het grensvlak de elektronenaffiniteit en resulteren in de uniforme afname van de werkfunctie van Φ _S1 naar Φ _S2 . Het verschil tussen Φ _S1 en Φ _S2 wordt aangeduid als ΔΦ zoals getoond in Fig. 6c. Er is nauwelijks elektronoverdracht van gefysisorbeerde watermoleculen naar In₂ O₃ . Echter, de ΔΦ kan elektronenaccumulatie genereren in het lichaam van FET nabij het grensvlak tussen poortoxide en lichaam, dus de |I _D | van p MOSFET neemt af. Met andere woorden, ook al is er geen verandering in de weerstand van Pt-In₂ O₃ laag, kunnen de dipolen gevormd door geadsorbeerde watermoleculen in de fysisorptielagen de werkfunctie van het detectiemateriaal afstemmen en uiteindelijk de afvoerstroomveranderingen van de FET-type sensor induceren.

Conclusies

Samenvattend, een FET-type sensor met inkjet bedrukte Pt-In₂ O₃ nanodeeltjes werden onderzocht op lage RH-detectie variërend van 3,3 tot 18% bij kamertemperatuur. De Pt-In₂ O₃ sensor van het resistieve type gefabriceerd op dezelfde siliciumwafel was niet gevoelig voor vochtigheidsveranderingen bij lage RH-niveaus. Daarentegen vertoonde de FET-type sensor een snelle en uitstekende vochtigheidsrespons. Het principe achter dit fenomeen werd verklaard door de energiebandtheorie en het adsorptiegedrag van watermoleculen op het meetmateriaal. Omdat alleen fysisorptielagen werden gegenereerd, vond er geen elektronenoverdracht plaats om bij te dragen aan de vermindering van de weerstand van de sensor van het resistieve type, terwijl de gefysisorbeerde watermoleculen dipolen vormden die de elektronenaffiniteit kunnen veranderen en resulteren in een toename van de werkfunctie van het sensormateriaal . Daarom is het voorgestelde FET-type Pt-In₂ O₃ vochtigheidssensor is veelbelovend in de toepassingen van detecties van lage vochtigheidsniveaus.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die tijdens het huidige onderzoek zijn gebruikt en/of geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.

Afkortingen

Pt-In₂ O₃ :

Pt-gedoteerde In₂ O₃ nanodeeltjes

FET:

Veldeffecttransistor

RH:

Relatieve vochtigheid

ZAAG:

Akoestische oppervlaktegolven

QCM:

Kwartskristal microbalans

AC:

Wisselstroom

DC:

Gelijkstroom

FG:

Drijvende poort

CG:

Besturingspoort

SU-8:

Sukhoi Su-8

MOSFET:

Metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistor

LOCOS:

Lokale oxidatie van silicium

ONO:

Oxide-nitride-oxide stack

D:

Afvoer

S:

Bron

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

PIV:

Puls I-V