基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器
阅读说明：本技术 基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器 (Carbon-based field effect transistor sensor based on negative capacitance effect ) 是由 刘逸为 曹觉先 张志勇 赵为 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器,包括：位于底层的栅极；位于栅极的一侧的底栅介质层；位于底栅介质层背离栅极一侧表面的碳纳米管沟道层；位于碳纳米管沟道层背离底栅介质层一侧表面的顶栅介质层；位于顶栅介质层背离碳纳米管沟道层一侧表面的铁电材料层、源极与漏极,铁电材料层设置在源极与漏极之间、并与源极与漏极分别电连接；以及位于铁电材料层背离顶栅介质层一侧表面的敏感层,敏感层作为传感器探针,被设置成包括用于探测待测对象的敏感材料；其中,铁电材料层被设置成通过底层的栅极施加外部电场至铁电材料的矫顽电压区间,使得铁电材料工作在负电容效应区间,提高低浓度检测的灵敏度。(The invention provides a carbon-based field effect transistor sensor based on a negative capacitance effect, which comprises: a gate electrode on the bottom layer; the bottom gate dielectric layer is positioned on one side of the gate; the carbon nano tube channel layer is positioned on the surface of one side, away from the grid, of the bottom grid dielectric layer; the top gate dielectric layer is positioned on the surface of one side, away from the bottom gate dielectric layer, of the carbon nano tube channel layer; the ferroelectric material layer is arranged between the source electrode and the drain electrode and is respectively and electrically connected with the source electrode and the drain electrode; the sensitive layer is positioned on the surface of one side, away from the top gate dielectric layer, of the ferroelectric material layer, serves as a sensor probe and is arranged to comprise a sensitive material for detecting an object to be detected; the ferroelectric material layer is set to apply an external electric field to a coercive voltage interval of the ferroelectric material through a grid electrode of the bottom layer, so that the ferroelectric material works in a negative capacitance effect interval, and the sensitivity of low-concentration detection is improved.)
技术领域
本发明涉及晶体管技术领域，尤其是场效应管(FET，Field Effect Transistor)，具体而言涉及一种基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器。
背景技术
碳纳米管场效应晶体管(CNT-FET)，是一种基于碳基场效应、并以碳纳米管构成沟道材料的新型晶体管，利用碳纳米管的小尺寸、高载流子迁移率、栅-沟道耦合效率高的特性，其对外界的电扰动非常敏感，基于这一特性，在栅极修饰敏感材料作为探针形成不同功能的半导体传感器，即碳基场效应晶体管传感器，如图1所示，具有极佳的栅调控能力，通过探针可以将待测对象的理化信息转换成电扰动信号，而CNT-FET的沟道材料——碳纳米管对外界电扰动十分敏感，表现为沟道载流子浓度变化(可近似为P掺杂或者N掺杂)，最终反映为传感器的工作电流的变化，从而得到待测物的理化指标，如图2所示为现有碳基FET生物传感器响应信号示意图，随着待测物浓度的提升，器件在饱和区的工作电流逐渐增大，通过电信号可得到生物分子的浓度信息。
结合图2所示，我们看到碳基FET生物传感器在饱和区工作，响应灵敏度远低于亚阈值区，而基于传统的FET器件结构，引起碳基FET生物传感器亚阈值区的电流变化的因素十分复杂，几乎无法通过电流变化获得响应信号。
现有技术文献：
专利文献1：CN109742235A一种柔性铁电场效应管及其制备方法
专利文献2：CN110034181A一种铁_压电场效应管及其的制备方法
专利文献3：CN111312829A一种高灵敏的负电容场效应管光电探测器及制备方法
发明内容
本发明目的在于提供一种基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器，利于铁电材料的负电容效应提升碳基场效应晶体管传感器检测灵敏度。
根据本发明的改进，提出一种基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器，包括：
位于底层的栅极；
位于栅极的一侧的底栅介质层；
位于所述底栅介质层背离所述栅极一侧表面的碳纳米管沟道层；
位于所述碳纳米管沟道层背离所述底栅介质层一侧表面的顶栅介质层；
位于所述顶栅介质层背离所述碳纳米管沟道层一侧表面的铁电材料层、源极与漏极，所述铁电材料层设置在源极与漏极之间、并与源极与漏极分别电连接；以及
位于铁电材料层背离顶栅介质层一侧表面的敏感层，所述敏感层作为传感器探针，被设置成包括用于探测待测对象的敏感材料；
其中，所述铁电材料层被设置成通过底层的栅极施加外部电场至铁电材料的矫顽电压区间，使得铁电材料工作在负电容效应区间。
优选地，所述底栅介质层和顶栅介质层均采用高k薄膜介质层。
其中，所述铁电材料层的厚度为6nm-12nm。优选地，所述铁电材料层的厚度为8nm-10nm。
其中，所述源极与漏极对称地分布在铁电材料层两侧，并且分别位于顶栅介质层一侧表面的相对的位置,所示铁电材料层与顶栅介质层叠加地夹在源极与漏极之间。
其中，所述碳基场效应晶体管传感器在使用过程中，通过栅极电压施加到矫顽电压区间，使得碳基场效应晶体管的体因子小于1，并且碳纳米管沟道层的表面电势大于栅极电压。
优选地，所述敏感层在探测过程中，在铁电材料层工作在负电容效应区间时，捕获目标物所引入的电扰动获得放大。
如此，本发明的碳基场效应晶体管传感器，通过在碳纳米管沟道层上沉积一层铁电材料层，通过底栅电极，将施加于铁电材料上的电压调整至矫顽电压区间，随着栅压的继续增大，铁电材料出现负电容效应，此时顶栅探针捕获目标物所引入的电扰动将得到放大，使得传感器能够在更小检测物浓度的条件下产生响应，检测灵敏度得到相应提升。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的
具体实施方式
的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是现有技术中碳纳米管场效应管的示意图。
图2是碳纳米管场效应管传感器的响应信号示意图。
图3是本发明示例性实施例的基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器的示意图。
图4(a)-4(b)是本发明示例性实施例的基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器中铁电材料层的PE-Loop曲线示意图，(a)表示PE-Loop(即电滞曲线)，(b)表示PE-Loop与IV(电流电压)的示意。
图5是本发明示例性实施例的铁电材料负电容效应的energy landscape描述示意图。
图6是本发明示例性实施例的铁电材料电压、电荷随时间变化关系示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
根据本发明的改进，提出一种基于负电容效应的碳基场效应晶体管(CNT-FET)传感器，利用敏感层探针探测目标对象形成电扰动信号，利用CNT-FET的沟道材料——碳纳米管对外界电扰动十分敏感的特性，表现为沟道载流子浓度变化，最终反映为传感器的工作电流的变化，从而得到待测物的理化指标。在此基础上，我们通过潜心研究，提出一种基于铁电材料负电容效应的碳基场效应晶体管传感器，在碳纳米管沟道层(CNT)上增加铁电材料层，通过施加外加电场到矫顽电压区间，使得铁电材料工作在负电容效应区间，利用其负电容效应，实现栅极电压放大功能，将探针处的电扰动进行放大，达到提升传感器响应灵敏度的效果。
基于此目的，本发明提出以基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器，包括：
位于底层的栅极G；
位于栅极的一侧的底栅介质层High-K-1；
位于底栅介质层背离栅极一侧表面的碳纳米管沟道层CNT；
位于碳纳米管沟道层背离底栅介质层一侧表面的顶栅介质层High-K-2；
位于顶栅介质层背离碳纳米管沟道层一侧表面的铁电材料层FE-Layer、源极S与漏极D，铁电材料层设置在源极与漏极之间、并与源极与漏极分别电连接；以及
位于铁电材料层背离顶栅介质层一侧表面的敏感层PROBE，敏感层作为传感器探针，被设置成包括用于探测待测对象的敏感材料；
其中，铁电材料层被设置成通过底层的栅极施加外部电场至铁电材料的矫顽电压区间，使得铁电材料工作在负电容效应区间。
如此，通过敏感材料接触到被探测对象，将待测对象的属性信息转换成电扰动信号，作为沟道的碳纳米管沟道层对这样电扰动的敏感响应，使得沟道载流子浓度变化，体现出传感器的工作电流的变化，从而得到待测物的属性，实现检测过程。在此过程中，如果待测对象为气体，本发明的传感器为气体传感器，在气体浓度比较低的情况下，工作电流的变化可能会比较小或者基本上体现不出变化，将会检测失败或者不准。因此如何解决低浓度情况下的检测，实现一种高灵敏度的传感器是本发明要解决的关键。
为此，本发明在此基础上，提出基于负电容效应的碳基场效应晶体管传感器，在碳纳米管沟道层上设置铁电材料层(中间设置有顶栅介质层，以利于沉积)，通过底栅电极，将施加于铁电材料上的电压调整至矫顽电压附近，随着栅压的继续增大，铁电材料出现负电容效应，此时顶栅探针捕获目标物所引入的电扰动将得到放大，传感器能够在更小检测物浓度的条件下产生响应，检测灵敏度得到相应提升。
结合图4(a)，铁电材料中存在多个区域单元(domain)，每个区域单元具备一定的自发极化方向，这种自发极化方向在受到外加电场的影响，表现为极化强度沿着平行于电场的方向增强，沿着反向平行电场的方向减弱。极化强度P与外部施加电场E之间形成PE-loop曲线，极化强度P之后于电场强度。典型的电滞曲线(PE-Loop曲线)中随着外加电场的增加，极化强度P随着E的增加沿着OAB曲线上升，升到B点后P随着E的变化呈现出线性特性(BC段)，E下降后，P不沿着原曲线下降，而是沿着CBD下降。当E为零时，极化强度不等于零，而等于Pr，即剩余极化强度。当外加电场继续减弱铁电体极化强度持续降低，即DF段，当铁电体极化强度为0，此时的电压称之为矫顽电压(对应点F)。在矫顽电压处，铁电体的极化方向出现反转，如图5所示。
在反转瞬间铁电材料的电容出现负值，在其表面有大量的电荷积累，如图4(b)中虚线所示，电流达到最大值，如果从电压V以及电荷Q随时间的关系曲线中看，如图6，我们发现随着电压的降低，电荷量却出现增加，将其称之为负电容效应。
在晶体管中，基于正反馈机制，介质层电容的表达式为：
晶体管的体因子(栅压与沟道电势之比)为：
当出现负电容效应时，体因子将小于1，此时CNT沟道材料的表面电势将大于栅极电压，由此表面通过负电容效应可实现栅压放大器的功能。当铁电材料工作在负电容效应区间时，此时敏感层捕获目标物所引入的电扰动将得到放大，使得传感器能够在更小检测物浓度的条件下产生响应，从而提升检测的灵敏度。
优选地，底栅介质层和顶栅介质层作为栅极介质层，均采用高k介质层(即高介电常数材料形成的介质层)，以维持驱动电流、减小漏电流密度。可选地，高k介质层选用金属氧化物(例如La2O3、HfO2、Al2O3、Y2O3等)或者氮化物。优选地，底栅介质层和顶栅介质层均为薄膜介质层，其厚度小于10nm。
底栅介质层用来隔绝栅极与沟道(即碳纳米管沟道层)，顶栅介质层用来隔开碳纳米管沟道层与铁电材料层，并且利于在碳纳米管沟道层上通过介质层作用后再制备铁电材料层，而避免在碳纳米管沟道层上直接制备FE层。
选地，铁电材料层的厚度为6nm-12nm。尤其优选地，铁电材料层的厚度为8nm-10nm。其中，铁电材料层被设置成工作在晶体极化饱和区间。
其中，铁电材料层采用Y：HfO2(即Y掺杂的HfO2)、Si：HfO2或者Zr：HfO2材料。在可选的实施例中，采用Y：HfO2材料层，通过磁控溅射方式制备。
如图3，源极与漏极对称地分布在铁电材料层的两侧，并且分别位于顶栅介质层一侧表面的相对的位置，形成对称结构。
应当理解，在本发明中，对应描述的源极、漏极以及栅极，均指可以导电的电极。源极和漏极对应地可以采用高功率函数的金属或者低功率因数的金属制作，从而制备P型或者N型场效应管传感器。
优选地，碳纳米管沟道层包括网格状碳纳米管薄膜，网格状碳纳米管薄膜可以通过现有的方式制备或者通过市场途径购买，尤其是获得99.99％纯度的碳纳米管，以提高载流子迁移。
作为可选的示例，在实际制备过程中，可以采用半导体器件制备工艺来制备本发明提出的碳基场效应管传感器，例如基于ALD、PLD或者MBE方式制备，在另外的实施例中，其中部分层结构还可以通过蒸镀的方式制备。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
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