摘 要： 采用化學氧化聚合法制備了3，4－聚乙撐二氧噻吩（簡稱PEDT），并運用SEM和紅外吸收光譜對其薄膜進行表征；同時將其沉積在N溝道耗盡型無金屬柵場效應(yīng)管上，形成以PEDT膜取代MOSFET柵金屬的化學場效應(yīng)管（ChemFET）氣體傳感器，研究了其對氨氣和溫度的敏感特性。研究表明在氨氣濃度低于54ppm的情況下，ChemFET的漏電流隨著氨氣濃度的增加而減小，其變化量（△IDS）隨氨氣濃度的變化呈線性關(guān)系；同時漏電流隨著負的襯底電壓的增加而減小,隨著溫度的升高而降低。 關(guān)鍵詞: PEDT；化學場效應(yīng)管；氨氣傳感器 一 引言 場效應(yīng)管（FET）是利用電場來控制固體材料導(dǎo)電性能的有源器件，具有體積小、重量輕、節(jié)能、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于電路方面〔1〕，而場效應(yīng)管應(yīng)用于氣體傳感器從Lundstrom首次報道后才引起了廣大研究者的興趣[2]。 場效應(yīng)管氣體傳感器是近年來隨著微電子IC技術(shù)和MEMS的發(fā)展而產(chǎn)生的。它是將場效應(yīng)管的柵極金屬替換成敏感膜，當吸附氣體時氣體分子與薄膜交換電子使薄膜表面發(fā)生極化時，將改變柵極下半導(dǎo)體表面電位，引起表面反型，源漏電流導(dǎo)通，通過檢測源漏電流變化即可得到敏感信號[3]。目前對ChemFET氣體傳感器敏感材料的研究大多集中在導(dǎo)電聚合物方面。它們具有易于沉積和多種聚合體結(jié)構(gòu)，便于修飾，可以按功能所需進行分子設(shè)計和合成等優(yōu)點而備受關(guān)注。 3，4－聚乙撐二氧噻吩（簡稱PEDT）是一種頗具前途的導(dǎo)電聚合物，已被廣泛應(yīng)用于電子等領(lǐng)域，但在化學傳感器方面應(yīng)用卻很少。本文采用化學氧化聚合法合成PEDT，并將其作為敏感材料制備了N溝道耗盡型ChemFET氣體傳感器，對傳感器的氨氣敏感特性和溫度特性作了相關(guān)測試。 二、實 驗 1、 PEDT薄膜制備及器件結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1） PEDT薄膜制備 PEDT是由EDT單體聚合而來的，其聚合反應(yīng)如圖1所示。 PEDT膜的制備采用化學氧化聚合法，先把丙酮和異丙醇按比例混合作為反應(yīng)溶劑，然后依比例加入聚合單體EDT和氧化劑，在5°C下反應(yīng)數(shù)分鐘完成。將處理好的ChemFET浸入到反應(yīng)液中，靜置15min后取出，室溫條件下成膜。 （2） 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計 采用半導(dǎo)體平面工藝技術(shù)在電阻率為14W×cm的（100）晶面p型硅基片制作了一個N溝道耗盡型無金屬柵場效應(yīng)管，溝道長為10μm，寬100μm。器件的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)文獻[8]報道，柵絕緣層的質(zhì)量和厚度直接影響器件的電流輸入阻抗，柵絕緣層越薄，響應(yīng)電流越大，因此結(jié)合實際工藝條件，制作的化學場效應(yīng)管的絕緣層（SiO2層加Si3N4層的總厚度）厚度在50nm左右。 2、氣體測試裝置 化學場效應(yīng)管氣體傳感器的敏感機理是利用氣體分子對導(dǎo)電聚合物敏感膜的穿透或者吸附改變柵區(qū)敏感膜的功函數(shù)，從而影響柵極電壓對溝道電流的調(diào)制作用，利用電流變化檢測氣體濃度[4－7]。實驗中所采用的測試裝置如圖3所示，包括氣瓶、測試室及Keithley 4200半導(dǎo)體測試儀等。 三 結(jié)果與討論 1、PEDT的表征 （1）掃描電子顯微鏡（SEM）分析 為了觀察PEDT的表面形貌，我們將其沉積在處理過的石英基片上，用日本日立公司的S－450型掃描電子顯微鏡進行分析。在成膜過程中，我們研究了制備工藝條件對所成膜的表面形貌的影響，圖4是在不同條件下所成的PEDT膜在掃描電子顯微鏡下觀察到的表面形貌。從A、B、C、D的對比很容易看出，隨著氧化劑用量的增加，膜的表面形貌趨于平整均勻，膜中網(wǎng)孔的數(shù)量在快速增加，但孔的尺寸卻在不斷減小，膜的這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的變化改善了膜的導(dǎo)電性能，提高了PEDT膜的電導(dǎo)率。 （2）PEDT膜的紅外吸收光譜分析 利用FTIR測定了導(dǎo)電聚合物PEDT膜的紅外吸收光譜圖，并對其主要的特征峰進行了歸屬，如圖5所示：685cm-1為噻吩環(huán)的變形振動吸收峰，1509cm-1、1425cm-1為環(huán)的伸縮振動吸收峰，1090cm-1為噻吩環(huán)上亞乙二氧基的謎鍵吸收峰，1184cm-1為一些摻雜劑的吸收峰。在制備PEDT膜時使用的氧化劑三氯化鐵同時作為摻雜劑，屬于電子接受型的p-摻雜劑，從而使膜電導(dǎo)率提高。 2、 氨氣的敏感特性 測試是在濕度為62%R.H.，溫度為15°C的環(huán)境下進行的。固定漏源電壓（VDS）為3V，襯底接地。研究發(fā)現(xiàn)：在氨氣濃度從0增加到54ppm的過程中，場效應(yīng)管漏電流逐漸減小。PEDT膜ChemFET漏電流變化量與氨氣濃度的關(guān)系如圖6所示，由圖可見漏電流的變化隨著氨氣濃度的增加幾乎呈線性變化。 為了研究襯底電壓對漏電流的影響，在氨氣濃度為36ppm的情況下，在場效應(yīng)管的襯底上加不同的電壓，ChemFET的輸出特性曲線如圖7所示。從圖7可見PEDT膜場效應(yīng)管對氨氣的敏感特性與MOSFET對柵電壓的特性十分類似，同時可以看出場效應(yīng)管的漏電流隨著負的襯底電壓的增加而降低。 3、 溫度特性 為了測試溫度對傳感器敏感特性的影響，固定漏源電壓VDS為3V，源級和襯底接地，測試了ChemFET漏電流在不同溫度下的漏電流變化，如圖8所示。結(jié)果表明：當溫度從-20°C逐漸遞增到60°C時，漏電流逐漸下降。因此為了減少溫度的干擾，需要設(shè)計溫度補償電路，目前此工作正在進行中。 四、 結(jié)論 采用化學氧化聚合法制備PEDT，對其薄膜進行了分析和表征；結(jié)果表明薄膜呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，細密均勻，成膜較好；以PEDT為敏感材料制備了化學場效應(yīng)管氨氣傳感器，并對其氣敏特性進行了測試，發(fā)現(xiàn)ChemFET的漏電流隨著氨氣濃度的升高而減小，其變化量（△IDS）隨氨氣濃度的變化呈線性關(guān)系；同時漏電流隨著負的襯底電壓的增加而降低,同時溫度對傳感器性能有一定的影響。 該研究結(jié)果對化學場效應(yīng)管傳感器的研究有一定的參考價值。 參考文獻 [1] 周桂江，葉成.有機/聚合物場效應(yīng)管[J]，化學通報：2002,（4）：227－233 [2] J.A.Covington, J.W.Gardner, D.Briard, N.F.de Rooij, A polymer gate FET sensor array for detecting organic Vapours[J], Sensors and actuators B, 2001（77）:155～162 [3] Hodge-Miller A, Perkins F.K., Peckerar M., et al. Gateless Depletion Mode Field Effect Transistor For Macromolecule Sensing[A]. Proceedings of the 2003 International Symposium- Circuits and Systems, 2003,ISCAS ‘03[C], 2003. 918 -921 [4] Burgmair M., Eisels I. Contribution of the gate insulator surface to work function measurements with a gas sensitive FET[A].Proceedings of IEEE- Sensors[C], 2002. 439-442 [5] McKennoch S., Wilson D.M. Electronic interface modules for solid-state chemical sensors. Proceedings of IEEE- Sensors[C], 2002. 344-349 [6] Vamsi Krishna T, Jessing J.R., Russell D.D., et al. Modeling and design of polythiophene gate electrode ChemFETs for environmental pollutant sensing[A]. Proceedings of the 15th Biennial-University /Government /Industry Microelectronics Symposium [C], 2003: 271-274 [7] ChangZhi Gu, Liangyan Sun, Tong Zhang, et al, The design and characteristics of a porphyrin LB film ChemFET gas sensor[J], Thin Solid Film, 1996,284-285:863-865 [8] Andersson M, Holmberg M., Lundström I., et al. Development of a ChemFET sensor with molecular films of porphyrins as sensitive layer[J], Sensors and Actuators: B, 2001,（77）:567-571