技术领域
[0001] 本
发明属于
半导体气体传感器技术领域，更具体地，涉及一种场效应晶体管气体传感器及其阵列制备方法，该气体传感器是以
量子点为栅极气敏材料的场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)气体传感器，是一种栅敏FET气体传感器。
背景技术
[0002] 气体传感器是实时、原位获取气体信息的最有效途径之一，在环境保护、安防报警等领域发挥着不可替代的重要作用。当前，气体传感器受限于灵敏度、集成度以及功耗，难以提高多组分复杂气氛环境适用性与可靠性。基于场效应晶体管(FET)的气体传感器可在小
电流、
低电压工作条件下运行，利于
硅基阵列集成化，成为了气体传感器领域研究热点之一。
[0003] FET气体传感器分为
沟道敏感型以及栅极敏感型两种结构。
专利CN104677966A公开了一种“二
氧化氮气体传感器及其制备和测试方法”，传感器为沟道敏感型FET结构，采用ZnO
纳米棒和P3HT
聚合物的
复合材料薄膜同时作为沟道有源层和气体敏感层，达到室温检测NO2的目标。显然，选取的有源层(敏感层)既要对目标气体敏感，即需要一定的
缺陷态(活性位点)供气体分子
吸附，同时也要满足晶体管的特殊需求如载流子迁移率高，缺陷浓度低；此外，传感器有源层(敏感层)需暴露在空气氛围中，一定影响了
电子沟道的
稳定性，这都给半导体有源层(敏感层)的选择带来了很大的挑战。栅极敏感型FET气体传感器通常由金属薄膜作为栅极，同时也作为气体敏感层(例如Pd栅MOSFET通常可用作氢气传感器)，而沟道有源层主要以高迁移率的半导体硅为主。因此，栅极敏感型FET气体传感器可充分发挥沟道有源层和气体敏感层的各自优势。
[0004] Pd栅MOSFET用于氢气检测的设想首先由瑞典Lundstorm等人提出，这种FET对氢气十分敏感，它具有吸附环境中氢气的功能，而对其他气体则表现为惰性，因此，Pd栅FET主要用于氢气的探测。专利CN2051351U公开了一种“高稳定半导体氢敏传感器”，主要由一个氢敏Pd栅MOS器件以及加热
电阻等元件进行硅基集成，实现高度稳定可靠的氢气检测性能，然而，该传感器需要加热辅助，无疑增大了器件功耗，限制了低功耗
物联网应用发展。加州大学伯克利分校Ali Javey等人利用不同的金属材料(Pd、Ni、Au)作为栅极构建FET阵列结构(Sci.Adv.2017,3(3),e1602557)，可以对不同气体进行选择性识别，实现了片上多气体传感单元集成；然而，传感器基线恢复需要热辅助手段，检测功耗依然较高，响应/恢复时间长达17/30秒，H2最低检测浓度为3000ppm，无法满足多组分气氛环境对超低浓度目标气体(如H2)快速监测。可见，目前栅极敏感型FET气体传感器大多用单一的金属Pd作为栅极，一般只用作氢气检测，然而，Pd金属容易受到空气环境(如CO)干扰，且在高浓度氢气中容易产生
相变，导致当前氢气传感器灵敏度、稳定性与功耗难以协同提升。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种场效应晶体管气体传感器及其阵列制备方法，其中通过对栅敏场效应晶体管(FET)其内部组成及结构、相应制备方法的整体工艺及各个步骤的参数进行改进，以量子点同时作为栅极和气体敏感层，利用量子点敏化FET栅
电极，进而利用量子点栅敏电极对不同气体的吸附特性来调控栅极
偏压以及沟道调制效应，能够得到高灵敏、低功耗和高选择性的室温气体传感器，达到检测低浓度目标气体(如H2)的效果；量子点具体可以以两种结构引入，一种是两层结构，即在金属薄膜表面沉积量子点；另一种
单层结构，即量子点与其他金属或类金属的复合材料。并且，以单一的气体传感器为
基础，可得到相应传感器阵列，制备方法便捷。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种场效应晶体管气体传感器，其特征在于，该场效应晶体管气体传感器为量子点修饰栅电极的栅敏FET气体传感器，
自下而上依次包括衬底(1)、半导体有源层(3)、栅极绝缘层(4)及栅敏电极层(5)，在所述衬底(1)上还设置有分立的漏电极(2)与源电极(6)，所述漏电极(2)与所述源电极(6)通过所述半导体有源层(3)相连；
[0007] 所述栅敏电极层(5)为两层复合结构或由复合材料构成的单层结构，其中，所述两层复合结构包括金属薄膜层和沉积在该金属薄膜层表面上的量子点层；所述由复合材料构成的单层结构具体是由量子点与类金属材料组合的复合材料构成的单层结构，或者是由量子点与金属材料组合的复合材料构成的单层结构；
[0008] 所述量子点具体为PbS胶体量子点、SnO2胶体量子点、WO3胶体量子点、ZnO胶体量子点、In2O3胶体量子点、NiO胶体量子点、Bi2S3胶体量子点、SnS胶体量子点或ZnS胶体量子点；
[0009] 所述金属薄膜层具体为Au、Pd、Pt、Ni中的任意一种构成的单一金属薄膜层，或者为任意两种单一金属薄膜层层叠构成的组
合金属薄膜层；
[0010] 对于所述由复合材料构成的单层结构，其中的金属材料或者类金属材料是以掺杂或者表面修饰的方式与量子点进行复合的；所述金属材料具体为Au、Pd、Pt、Ni或Ag；所述类金属材料具体为
石墨烯、氧化
石墨烯GO、还原氧化石墨烯RGO、金属有机
框架材料MOF或
碳纳米管CNT；
[0011] 所述漏电极(2)与所述源电极(6)独立的选自：由Ti层和Au层层叠形成的Ti/Au层，或由Cr层和Au层层叠形成的Cr/Au层，或由Ni层和Au层层叠形成的Ni/Au层；其中，Ti层、Cr层、Ni层均作为粘附层，厚度均满足5～20nm；Au层的厚度均满足50～100nm。
[0012] 作为本发明的进一步优选，所述量子点为PbS胶体量子点、或SnO2胶体量子点；
[0013] 所述量子点的粒径为1-10nm；
[0014] 优选的，所述两层复合结构中，量子点层为厚度满足2～100nm的薄膜量子点层，金属薄膜层为厚度满足5～100nm的金属薄膜层。
[0015] 作为本发明的进一步优选，所述半导体有源层(3)能够由栅极偏压控制诱导形成积累层作为电子沟道，该半导体有源层(3)采用硅或铟镓锌氧化物(IGZO)或III-V族化合物；其中，所述III-V族化合物优选为GaN化合物或GaAs化合物；当所述半导体有源层(3)采用硅时，硅优选为利用
离子注入或者热扩散得到的掺杂浓度不低于1017/cm3的重掺杂硅；当所述半导体有源层(3)采用铟镓锌氧化物(IGZO)时，铟镓锌氧化物优选为利用磁控
溅射法得到的铟镓锌氧化物；当所述半导体有源层(3)采用III-V族化合物时，III-V族化合物优选为利用
气相外延生长法得到的III-V族化合物；
[0016] 所述衬底(1)为玻璃、
硅片或柔性衬底；
[0017] 当所述衬底(1)为玻璃或硅片时，所述栅极绝缘层(4)的厚度为10～300nm，采用SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、ZrO2中的任意一种或两种，或者是采用柔性高分子有机聚合物；优选的，所述柔性高分子有机聚合物为离子凝胶(Ion-Gel)、或聚偏氟乙烯(PVDF)；
[0018] 当所述衬底(1)为柔性衬底时，所述栅极绝缘层(4)采用高分子有机聚合物；所述柔性衬底选自以下材料中的至少一种：聚酰亚胺(PI)、聚对苯二
甲酸乙二醇酯(PET)、以及
萘二酸乙二醇酯(PEN)；所述高分子有机聚合物选自以下材料中的至少一种：离子凝胶(Ion-Gel)、或聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基
丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯醇(PVA)、以及聚乙烯吡咯烷
酮(PVP)。
[0019] 按照本发明的另一方面，本发明提供了制备上述场效应晶体管气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0020] (1)采用硅基微纳制造工艺，在单晶Si衬底或
单晶硅表面被SiO2
覆盖的Si/SiO2衬底或单晶硅表面被Si3N4覆盖的Si/Si3N4衬底上，通过
光刻掩膜工艺处理形成微纳电极图案，然后通过物理法沉积金属形成源电极与漏电极；其中，所述物理法优选为
电子束蒸发、热蒸发、或
磁控溅射；
[0021] (2)通过磁控溅射法沉积IGZO，作为半导体沟道有源层；
[0022] (3)通过磁控溅射或
脉冲激光沉积(PLD)或
原子层沉积(ALD)或
等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)生长一层或两层栅极绝缘层，或者通过溶液法沉积一层柔性高分子有机聚合物作为栅极绝缘层；
[0023] (4)通过光刻或者物理掩膜工艺在所述栅极绝缘层上方沉积栅敏电极层，从而最终得到量子点修饰栅电极的栅敏FET气体传感器；所述沉积栅敏电极层具体为沉积两层复合结构、或者为沉积由复合材料构成的单层结构，其中，
[0024] 所述沉积两层复合结构具体是在所述栅极绝缘层上方先沉积金属薄膜，再在20℃～50℃下采用点胶、
喷涂、
旋涂或电喷印工艺将量子点溶液沉积在所述金属薄膜表面进行敏化处理，由此得到两层复合结构；
[0025] 所述沉积由复合材料构成的单层结构具体是先将量子点与类金属材料进行复合，然后再沉积至所述栅极绝缘层上作为敏化栅电极，由此得到由复合材料构成的单层结构；或者是先将量子点与金属材料进行复合，然后再沉积至所述栅极绝缘层上作为敏化栅电极，由此得到由复合材料构成的单层结构。
[0026] 按照本发明的再一方面，本发明提供了一种场效应晶体管气体传感器阵列的制备方法，该阵列中的任意一个场效应晶体管气体传感器为上述场效应晶体管气体传感器，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
[0027] (1)采用光刻工艺，在
晶圆级单晶Si衬底或单晶硅表面被SiO2覆盖的晶圆级Si/SiO2衬底或单晶硅表面被Si3N4覆盖的晶圆级Si/Si3N4衬底上，设计微纳源漏电极阵列图案，然后通过物理法沉积金属形成源电极与漏电极；其中，所述物理法优选为
电子束蒸发、热蒸发、或磁控溅射；
[0028] (2)通过磁控溅射法沉积IGZO，作为半导体沟道有源层；
[0029] (3)通过磁控溅射或脉冲激光沉积(PLD)或原子层沉积(ALD)或等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)生长一层或两层栅极绝缘层，或者通过溶液法沉积一层柔性高分子有机聚合物作为栅极绝缘层；
[0030] (4)将所述栅极绝缘层上方作为栅极待沉积区，通过光刻技术将晶圆级衬底上的栅极待沉积区
图案化，然后沉积栅敏电极，从而最终得到量子点修饰栅电极的栅敏FET气体传感器阵列；所述沉积栅敏电极具体为沉积两层复合结构的阵列、或者为沉积由复合材料构成的单层结构的阵列，其中，
[0031] 所述沉积两层复合结构的阵列具体是在所述栅极绝缘层上方先沉积金属薄膜，再在20℃～50℃下采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印工艺将量子点溶液沉积在所述金属薄膜表面进行晶圆级敏化处理，由此得到两层复合结构阵列；
[0032] 所述沉积由复合材料构成的单层结构的阵列具体是先将量子点与类金属材料进行复合，然后再沉积至所述栅极绝缘层上作为敏化栅电极，由此得到由复合材料构成的单层结构阵列；或者是先将量子点与金属材料进行复合，然后再沉积至所述栅极绝缘层上作为敏化栅电极，由此得到由复合材料构成的单层结构阵列。
[0033] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中，所述步骤(4)中，所述金属薄膜是采用Au、Pd、Pt、Ni中的任意一种构成的单一金属薄膜层，或者为任意两种单一金属薄膜层层叠构成的组合金属薄膜层；20℃～50℃优选为20℃～25℃；所述金属材料为Au、Pd、Pt、Ni或Ag；所述类金属材料为石墨烯、氧化石墨烯GO、还原氧化石墨烯RGO、金属有机框架材料MOF或
碳纳米管CNT。
[0034] 按照本发明的又一方面，本发明提供了制备上述场效应晶体管气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0035] (1)采用硅基集成
电路微纳制造工艺，在硅基衬底上制备出具有沟道调制效应的FET，或者在GaN基衬底或GaAs基衬底上制备出高电子迁移率晶体管HEMT，所述FET或所述HEMT均具有
栅极金属层；
[0036] (2)在20℃～50℃下采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印工艺将量子点溶液沉积在所述栅极金属层的表面进行敏化处理，或者将量子点与类金属材料进行复合然后再沉积在所述栅极金属层的表面作为敏化层，或者将量子点与金属材料进行复合然后再沉积在所述栅极金属层的表面作为敏化层；由此最终得到量子点修饰栅电极的栅敏FET气体传感器。
[0037] 按照本发明的又一方面，本发明提供了一种场效应晶体管气体传感器阵列的制备方法，该阵列中的任意一个场效应晶体管气体传感器为上述场效应晶体管气体传感器，其特征在于，包括以下步骤：
[0038] (1)采用硅基集成电路微纳制造工艺，在晶圆级硅基衬底上制备出具有沟道调制效应的FET阵列，或者在晶圆级GaN基衬底或晶圆级GaAs基衬底上制备出高电子迁移率晶体管HEMT阵列，所述FET或所述HEMT均具有栅极金属层；
[0039] (2)在20℃～50℃下采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印工艺将量子点溶液沉积在所述栅极金属层的表面进行敏化处理，或者将量子点与类金属材料进行复合然后再沉积在所述栅极金属层的表面作为敏化层，或者将量子点与金属材料进行复合然后再沉积在所述栅极金属层的表面作为敏化层；由此最终得到量子点修饰栅电极的栅敏FET气体传感器阵列。
[0040] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述具有沟道调制效应的FET或HEMT中，所采用的半导体沟道有源层为硅或III-V族化合物；其中，所述III-V族化合物优选为GaN化合物或GaAs化合物；
[0041] 当半导体沟道有源层为硅时，硅具体通过离子注入或者热扩散得到；
[0042] 当半导体沟道有源层为III-V族化合物时，III-V族化合物具体通过气相
外延生长法得到；
[0043] 所述步骤(2)中，所述20℃～50℃优选为20℃～25℃；所述金属材料为Au、Pd、Pt、Ni或Ag；所述类金属材料为石墨烯、氧化石墨烯GO、还原氧化石墨烯RGO、金属有机框架材料MOF或碳纳米管CNT。
[0044] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述栅极金属层是采用Au、Pd、Pt、Ni中的任意一种构成的单一金属薄膜层，或者为若干种单一金属薄膜层层叠构成的组合金属薄膜层，该栅极金属层利用物理法沉积得到；所述物理法优选为电子束蒸发、热蒸发、或磁控溅射。
[0045] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于沉积量子点材料形成量子点栅敏电极层作为气体敏感层，可将检测到气体量转换成可用输出电
信号的传感器，除了具备现有技术中基于栅敏FET的气体传感器阵列所具备的优点外，还具有以下有益效果：
[0046] (1)针对沟道敏感型FET气体传感器以及传统Pd栅极FET气体传感器存在的缺陷，本发明创新性地提出构建量子点栅敏FET气体传感器及其阵列。本发明中的气体传感器利用FET独特的半导体电学优势，综合量子点材料优良的气体吸附能
力以及可室温探测气体的能力，提出将量子点敏化FET栅极作为气体敏感层，实现对低浓度气体的高灵敏室温检测，可以协同提升传感器灵敏度、功耗及稳定性，便于进一步硅基集成化，符合当前传感器往物联网应用的发展趋势。
[0047] 对于本发明中的量子点栅敏FET气体传感器及其阵列，可以利用半导体材料作为电子沟道，还可兼容其他具有高迁移率的硅基FET(半导体Si为电子沟道)、GaN基HEMT、GaAs基HEMT，易于硅基CMOS集成化设计。
[0048] (2)得益于量子点可溶液加工优势，可直接通过室温点胶、喷涂、旋涂或电喷印等工艺方法沉积量子点栅敏层，使之具备了与各种刚性、柔性衬底以及微机械系统的兼容性；另外，量子点栅敏层无需经过传统的气敏陶瓷浆料高温
烧结过程，生产成本低、制作工艺简单，可在真实器件中保持量子点晶粒尺寸及形貌，有助于真正发挥出
纳米材料的优势而获得性能优良的室温气敏性能；此外，可进行晶圆级衬底(如2英寸及以上)制备具有多种类型的量子点栅敏FET阵列，实现片上多气体传感单元集成化设计及制备，拓展多气体探测功能的同时提高器件的稳定性，在多组分复杂气氛环境中提高对目标气体的选择性、稳定性以及准确性；结合PMMA等柔性可拉伸有机物材料作为栅极绝缘层及衬底，在新一代柔性、可穿戴、阵列化气体传感器研究中显得相得益彰，具有广阔的应用场景。
[0049] 本发明利用适于气体传感的量子点材料(如PbS、SnO2、WO3、In2O3、ZnO、NiO、Bi2S3、SnS、ZnS量子点)，综合栅极敏感型FET气体传感器的优势，可制备得到一种全新的基于量子点栅敏电极的FET气体传感器阵列，一方面实现气体传感器的高灵敏、低功耗及微型化，另一方面可促进气体传感器的硅基集成化发展。
[0050] 本发明栅敏FET气体传感器能够探测不同的气体，气体例如包括NOx(x＝1、2)、H2S、H2、SO2、
乙醇、VOC、NH3中的至少一种；例如，当量子点为PbS量子点时，可检测的气体为NO2；当量子点为SnO2量子点时，可检测的气体为H2S；当量子点为SnO2量子点且栅极金属薄膜为Pd或Au时，可检测的气体为H2。另外，金属薄膜层可以是单一金属薄膜层或组合金属薄膜层(如两种金属的组合层)；以Pd-Au组合层为例，可以先沉积Au，再沉积Pd，共同作为金属薄膜层。以底层金属薄膜为Au或Pd或Au-Pd，上层为SnO2胶体量子点为例(即，量子点为SnO2胶体量子点，栅敏电极层为两层复合结构，包括金属薄膜层和沉积在该金属薄膜层表面上的量子点层，其中的金属薄膜层为Au单一金属薄膜层、Pd单一金属薄膜层、或Au-Pd组合金属薄膜层)，可检测的气体为H2；以底层金属薄膜为Au或Pd或Au-Pd，上层为PbS胶体量子点为例，可检测的气体为NOx。
[0051] 一般来说，气敏用量子点具有较多的缺陷用于提高气敏活性，而缺陷
密度越高，则对场效应晶体管电学特性如载流子传输影响就越大，会使得其沟道调制效应减弱甚至消失，因此国内外其他研究团队很少从这一方面着手开展工作；而本发明利用量子点的气体吸附功能，电学功能则优选依靠成熟稳定的半导体材料(如半导体硅)作为沟道有源层，可以解决沟道电学特性与气敏活性之间的矛盾，充分发挥沟道有源层和气体敏感层的协同作用。本发明利用特定结构设计的场效应晶体管配合量子点进行栅极敏化，可实现具有良好气体传感技术效果的场效应晶体管气体传感器。
[0052] 本发明中的场效应晶体管气体传感器，能够利用量子点材料优良的气体吸附能力，同时利用FET气体传感器的沟道调制效应，可室温高灵敏检测，且可提取各种半导体电学参数可提高气体选择性，能够产生协同作用效果，具体分析如下：
[0053] (1)如背景技术所述，现有技术中单纯的栅敏FET气体传感器只是利用贵金属(如Pd)对某种气体(如H2)的催化效果，使得半导体电学特性发生变化，从而达到检测气体浓度目的，但是Pd金属容易受到空气环境(如CO)干扰，且在高浓度H2中容易产生相变，导致其灵敏度、稳定性与功耗难以协同提升；此外，当前栅敏FET气体传感器除了Pd对H2有特定的催化作用以外，对其他气体并没有明显作用。
[0054] (2)量子点已被证实是优良的气敏材料，得益于量子尺寸/表面效应，其
比表面积大，具有丰富的气体吸附位点，可室温成膜可兼容各种刚性、柔性衬底(工艺兼容性强)，对目标气体(不同种类量子点可针对不同目标气体)灵敏度高、选择性好、且可室温探测(即功耗很低)。然而，当前量子点的气敏优势只体现在两端电阻型器件中，而本发明中的量子点栅敏场效应晶体管气体传感器的工作尚属首次。本发明中的场效应晶体管气体传感器属于栅极敏感型场效应晶体管，也是本领域首次提出利用量子点敏化栅极的栅极敏感型场效应晶体管，不同于现有技术中沟道敏感型的量子点场效应晶体管器件(这些沟道敏感型的量子点场效应晶体管器件多用于研究量子点的半导体电学特性)，该栅极敏感型场效应晶体管能够作为气体传感器检测多种目标气体。
[0055] (3)本发明可以采用硅基衬底，相应得到的硅基FET气体传感器具有沟道调制效应、多半导体电学参量提取、室温检测特点，可应用于低功耗传感器，且便于硅基集成化设计。本发明中量子点栅敏场效应晶体管气体传感器及其阵列，对于当前传感器往低功耗、多功能集成物联网发展具有广泛的应用价值。
附图说明
[0056] 图1是量子点栅敏场效应晶体管气体传感器的结构示意图。
[0057] 图2是量子点栅敏场效应晶体管气体传感器阵列的结构示意图。
[0058] 图中各附图标记的含义如下：1为衬底，2为漏电极，3为半导体有源层，4为栅极绝缘层，5为栅敏电极层，6为源电极。
具体实施方式
[0059] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0060] 总体说来，本发明中栅敏场效应晶体管(FET)气体传感器及其阵列，包括：衬底、源漏电极、半导体有源层、栅极绝缘层、栅敏电极层；其中，栅敏电极层有两种结构，一种是两层结构，即在金属薄膜表面沉积量子点；另一种单层结构，即量子点与其他金属或类金属的复合材料，量子点具体为PbS或SnO2或WO3或ZnO或In2O3或NiO或Bi2S3或SnS或ZnS的胶体量子点。
[0061] 相应的，栅极表面敏化处理分两种，一种是指在金属栅极上沉积一层量子点材料，另一种是量子点与金属材料(如Au、Pd、Pt、Ni或Ag)或类金属材料(石墨烯、GO、RGO、MOF、CNT)复合形成的复合材料(其中，金属材料或者类金属材料的摩尔比或者
质量比可以为0.1％～10％)；以由量子点与金属材料组合的复合材料构成的单层结构为例，可以是金属掺杂或表面修饰的量子点材料，金属掺杂或表面修饰可在量子点材料合成过程中实现，即以金属掺杂或化学修饰的方法实现金属材料与量子点复合。
[0062] 栅敏FET气体传感器制备方法可采用如下步骤：采用胶体法制备量子点材料并分散在液相中形成胶体量子点；采用硅基集成电路微纳制造工艺，在Si或Si/SiO2或Si/Si3N4商用衬底上通过光刻掩膜等工艺步骤形成微纳电极图案，然后通过电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法沉积Ti/Au组合层或Cr/Au组合层或Ni/Au组合层形成源、漏电极(漏电极与源电极两者的组成材料可以相同，例如可以都为Ti/Au层，此时可以通过一次光刻掩模、物理法沉积所得的源漏电极；当然也可以互不相同，此时，需要经过两次的光刻掩模、物理法沉积)；可以通过磁控溅射法沉积IGZO，作为半导体有源层；通过磁控溅射或脉冲激光沉积(PLD)或原子层沉积(ALD)或等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)沉积栅极绝缘层材料如SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、ZrO2或溶液法沉积柔性高分子有机聚合物作为栅极绝缘层；通过光刻掩膜或者物理掩膜工艺得到栅极沉积区域，在此区域先采用电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法沉积金属薄膜(包括Au、Pd、Pt、Ni等或是这些金属中某一种或任意两种的组合)；采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印等工艺将量子点溶液(如浓度为5mg/ml-100mg/ml的量子点溶液)沉积在上述金属薄膜表面进行敏化处理；或者量子点与其他金属(如Au、Pd、Pt、Ni、Ag)或其他类金属材料(如石墨烯、GO、RGO、MOF、CNT)进行复合作为敏化电极，得到量子点栅敏FET气体传感器。
[0063] 栅敏FET气体传感器制备方法可采用如下步骤：采用胶体法制备量子点材料并分散在液相中形成胶体量子点；采用硅基集成电路微纳制造工艺，制备出具有沟道调制效应的FET、或者在GaN基衬底或GaAs基衬底上制备出HEMT(即，高电子迁移率晶体管，High Electron Mobility Transistor)；通过光刻掩膜或者物理掩膜工艺得到栅极沉积区域，利用电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法在上述FET、HEMT栅极区域上方沉积金属薄膜(包括Au、Pd、Pt、Ni等)，然后采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印等工艺将一定浓度的量子点溶液沉积在上述栅极表面进行敏化处理；或者量子点与其他金属(如Au、Pd、Pt、Ni、Ag)或其他类金属材料(如石墨烯、GO、RGO、MOF、CNT)进行复合作为敏化电极，得到量子点栅敏FET气体传感器。
[0064] 栅敏FET气体传感器阵列制备方法可采用如下步骤：采用胶体法制备量子点材料并分散在液相中形成胶体量子点；采用硅基集成电路微纳制造工艺，在Si或Si/SiO2或Si/Si3N4商用晶圆级衬底(2英寸及以上)通过光刻掩膜等工艺步骤形成微纳电极阵列图案，然后通过电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法沉积Ti/Au或Cr/Au或Ni/Au形成源、漏电极；通过磁控溅射法沉积IGZO，作为半导体有源层；通过磁控溅射或脉冲激光沉积(PLD)或原子层沉积(ALD)或等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)沉积栅极绝缘层材料如SiO2、Si3N4、Al2O3、HfO2、ZrO2或溶液法沉积柔性高分子有机聚合物作为栅极绝缘层；通过光刻掩膜或者物理掩膜工艺硅基晶圆栅极待沉积区图案化，然后在此区域先采用电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法沉积金属薄膜(包括Au、Pd、Pt、Ni等或是这些金属中某一种或任意两种的组合)；采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印等工艺将一定浓度、不同种类的量子点溶液沉积在上述金属薄膜表面进行敏化处理；或者量子点与其他金属(如Au、Pd、Pt、Ni、Ag)或其他类金属材料(如石墨烯、GO、RGO、MOF、CNT)进行复合作为敏化电极，得到量子点栅敏FET气体传感器阵列。
[0065] 栅敏FET气体传感器阵列制备方法更优选采用如下步骤：采用胶体法制备量子点材料并分散在液相中形成胶体量子点；在晶圆级硅基或者GaN基或者GaAs基衬底(2英寸及以上)制备出具有明显沟道调制效应的FET(电子沟道为半导体Si)、HEMT(电子沟道为半导体GaN或GaAs)阵列；通过光刻掩膜或者物理掩膜工艺得到栅极沉积区域，利用电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法在上述FET、HEMT栅极区域上方沉积金属薄膜(包括Au、Pd、Pt、Ni等)，然后采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印等工艺将一定浓度、不同种类的量子点溶液沉积在上述栅极表面进行敏化处理；或者量子点与其他金属(如Au、Pd、Pt、Ni、Ag)或其他类金属材料(如石墨烯、GO、RGO、MOF、CNT)进行复合作为敏化电极，得到量子点栅敏FET气体传感器阵列。
[0066] 本发明中量子点可以以两种结构引入：第一种是两层结构，即在金属薄膜表面沉积量子点，金属薄膜厚度可以是1～10nm，量子点可以为薄膜形式，厚度可以是2～100nm；第二种结构是单层结构，即量子点与其他金属或类金属的复合材料，厚度可以是2～100nm。
[0067] 下面以第一种结构为例，具体实施例如下：
[0068] 实施例1
[0069] 该实施例包括以下步骤：
[0070] (1)制备PbS胶体量子点溶液。可以用PbO作为铅源，六甲基二硅硫烷(TMS)作为硫源，采用胶体化学法反应生成。
[0071] 具体地，可以在氮气环境下将0.9g PbO溶解到5ml油酸(OA)及20ml十八烯(ODE)中并加热至90℃制备油酸铅的前驱物，作为铅源。抽
真空达到8小时后，将该前驱物
温度升至120℃。将280μl TMS溶解到10ml ODE中，作为硫源。在120℃下迅速将硫源注入铅源中，待反应体系
颜色完全变黑后(大约15秒)将溶液放入冷
水中使温度快速降至室温。向冷却后的溶液中加入适量丙酮，离心搅拌后去除上清液，继而经过
甲苯分散、丙酮离心多次循环直至上清液纯清。将最终所得产物烘干成粉末并分散在正辛烷中得到浓度为50mg/ml的PbS胶体量子点溶液。
[0072] (2)采用硅基微纳制造工艺，在Si衬底(或Si/SiO2或Si/Si3N4商用衬底)上通过光刻掩膜工艺处理形成微纳电极图案，然后通过物理法沉积金属形成源电极与漏电极；其中，所述物理法例如可以为电子束蒸发、热蒸发、或磁控溅射；
[0073] (3)通过磁控溅射法沉积IGZO，作为半导体沟道有源层；
[0074] (4)通过磁控溅射或脉冲激光沉积(PLD)或原子层沉积(ALD)或等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)生长一层或两层栅极绝缘层或者通过溶液法沉积一层柔性高分子有机聚合物作为栅极绝缘层；
[0075] (5)通过光刻技术把栅极绝缘层上方的栅极待沉积区域图案化；
[0076] (6)通过物理法在栅极区域沉积金属薄膜层；
[0077] (7)室温下采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印等工艺将一定浓度的量子点溶液沉积在上述栅极金属薄膜层区域，得到量子点栅敏FET气体传感器。
[0078] 实施例2
[0079] (1)制备SnO2胶体量子点溶液。可以用SnCl4·5H2O作为
锡源，油酸和油胺长链有机配体作为包裹剂，采用
溶剂热法反应生成。
[0080] 具体地，可以将0.6g SnCl4·5H2O、20ml油酸和2.5ml油胺加热至100℃并真空干燥反应至澄清，冷却至60℃取出10ml乙醇混合均匀后加入不锈
钢高压釜，放入180℃烘箱内反应3小时。反应完成后取出，冷却至室温时将高压釜内溶液取出同乙醇混合沉淀离心，随后将沉淀产物分散于溶剂中并再次进行乙醇离心洗涤。干燥后按浓度20mg/ml分散于甲苯中即可得到SnO2胶体量子点溶液。
[0081] (2)将得到的SnO2胶体量子点溶液按照上述实施例1的制备流程得到SnO2量子点栅敏FET气体传感器。
[0082] 实施例3
[0083] (1)制备PbS或者SnO2胶体量子点溶液，制备流程可参考实例1或2。
[0084] (2)采用硅基集成电路微纳制造工艺，在硅基衬底上制备出具有明显沟道调制效应的FET(电子沟道为半导体Si)或者GaN基或者GaAs基衬底制备出HEMT(电子沟道为半导体GaN或者GaAs)，其中栅极金属层(包括Au、Pd、Pt、Ni等)由电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法制备所得；
[0085] (3)室温下采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印等工艺将一定浓度量子点溶液沉积在上述栅极金属层表面进行敏化处理；或者量子点与其他金属材料如Au、Pd、Pt、Ni、Ag或者类金属材料如石墨烯、GO、RGO、MOF、CNT进行复合作为栅敏化层，得到量子点栅敏FET气体传感器。
[0086] 实施例4
[0087] (1)制备PbS或者SnO2胶体量子点溶液，制备流程可参考实例1或2。
[0088] (2)采用光刻工艺，在晶圆级Si(或晶圆级的Si/SiO2商用衬底或晶圆级的Si/Si3N4商用衬底)上设计微纳源漏电极阵列图案，然后通过电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等物理法沉积金属形成源、漏电极；
[0089] (3)通过磁控溅射法沉积IGZO，作为半导体沟道有源层；
[0090] (4)通过磁控溅射或脉冲激光沉积(PLD)或原子层沉积(ALD)或等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)生长一层或两层栅极绝缘层或者通过溶液法沉积一层柔性材料作为栅极绝缘层；
[0091] (5)将所述栅极绝缘层上方作为栅极待沉积区，通过光刻技术将晶圆级衬底上的栅极待沉积区图案化，通过物理法在栅极区域沉积金属薄膜层(包括Au、Pd、Pt、Ni等)；
[0092] (6)室温下采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印等工艺将一定浓度、相同或不同种类量子点溶液沉积在上述栅极表面进行晶圆级敏化处理；或者用量子点与其他金属材料如Au、Pd、Pt、Ni、Ag或者类金属材料如石墨烯、GO、RGO、MOF、CNT进行复合作为栅敏化层，得到量子点栅敏FET气体传感器阵列。
[0093] 上述步骤(6)中，可以是整个阵列中的全部器件都是用同一种量子点进行敏化(此时是针对一种目标气体)，也可以采用不同种类量子点溶液，使阵列中一些器件单元对应其中一种量子点，另外一些器件单元对应其中另一种量子点(如可以同时使用SnO2量子点、PbS量子点等，阵列中的A器件单元对应SnO2量子点，B器件单元对应PbS量子点)。
[0094] 实施例5
[0095] (1)制备PbS或者SnO2胶体量子点溶液，制备流程参考实施例1或2。
[0096] (2)采用硅基集成电路微纳制造工艺，在晶圆级硅基衬底上制备出具有沟道调制效应的FET阵列，或者在晶圆级GaN基衬底或晶圆级GaAs基衬底上制备出高电子迁移率晶体管HEMT阵列，其中栅极金属层(包括Au、Pd、Pt、Ni等)由电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射等真空物理法制备所得；
[0097] (3)室温下采用点胶、喷涂、旋涂或电喷印等工艺将一定浓度、不同种类量子点溶液沉积在上述栅极金属层表面进行敏化处理；或者量子点与其他金属材料如Au、Pd、Pt、Ni、Ag或者类金属材料如石墨烯、GO、RGO、MOF、CNT进行复合作为栅敏化层，得到量子点栅敏FET气体传感器阵列。
[0098] 本发明栅敏FET气体传感器能够探测不同的气体，气体例如包括NOx(x＝1、2)、H2S、H2、SO2、乙醇、VOC、NH3中的至少一种；例如，当量子点为PbS量子点时，可检测的气体为NO2；当量子点为SnO2量子点时，可检测的气体为H2S；当量子点为SnO2量子点且栅极金属薄膜为Pd或Au时，可检测的气体为H2。另外，金属薄膜层可以是单一金属薄膜层或组合金属薄膜层(如两种金属的组合层)；以Pd-Au组合层为例，可以先沉积Au，再沉积Pd，共同作为金属薄膜层。以底层金属薄膜为Au或Pd或Au-Pd，上层为SnO2胶体量子点为例(即，量子点为SnO2胶体量子点，栅敏电极层为两层复合结构，包括金属薄膜层和沉积在该金属薄膜层表面上的量子点层，其中的金属薄膜层为Au单一金属薄膜层、Pd单一金属薄膜层、或Au-Pd组合金属薄膜层)，可检测的气体为H2；以底层金属薄膜为Au或Pd或Au-Pd，上层为PbS胶体量子点为例，可检测的气体为NOx。
[0099] 本发明的栅敏FET气体传感器及其阵列制备方法并不局限于上述实施例，具体地，图1的栅敏电极层5或图2的栅敏电极层5并不限于金属层/PbS胶体量子点或金属层/SnO2胶体量子点，也可以是其它半导体胶体量子点如ZnO，WO3，In2O3，NiO，Bi2S3，SnS，ZnS；制备方法中的胶体量子点溶液并不限于PbS胶体量子点溶液或SnO2胶体量子点溶液，也可以是其它胶体量子点如ZnO，WO3等；衬底1并不局限于硅基衬底，也可以是GaN基或者GaAs基衬底、玻璃以及其他柔性衬底如PI、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(萘二酸乙二醇酯)等；栅极绝缘层4并不局限于SiO2，也可以是Al2O3、Si3N4、HfO2、ZrO2或其他有柔性有机聚合物材料如离子凝胶(Ion-Gel)、或聚偏氟乙烯(PVDF)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PVA(聚乙烯醇)、PVP(聚乙烯吡咯烷酮)等；图2传感器阵列数量并不局限于12个，也可以是4～100个。除了上述实施例中的具体参数设置外，本发明量子点可以为薄膜形式，厚度可以为2～100nm中的某个具体值，厚度值(d)的大小会影响初始电阻值的大小，如，R＝ρL/S＝ρL/(W·d)，可根据需求调整；栅极绝缘层厚度可以为10～300nm中的某个具体值，栅极绝缘层厚度的大小会影响电容值(Ci)的大小，进而影响器件
开关比(即Ion/Ioff，与IDS相关)，如，IDS＝(W/2L)·μ·Ci·(VG-VT)·VDS，可根据需求调整；光刻掩膜版上图案的沟道宽长比(W/L)，可根据需要设计为10～500，沟道宽长比(W/L)会影响器件开关比(即Ion/Ioff，与IDS相关)，如，IDS＝(W/2L)·μ·Ci·(VG-VT)·VDS，可根据需求调整。
[0100] 除上述实施例外，适用于本发明的电子沟道材料总体来说可分为以下几类：(1)半导体Si；(2)半导体IGZO(铟镓锌氧化物)；(3)半导体GaN或GaAs。
[0101] 本发明中出现的室温(即20℃～25℃)，除了室温环境外，也可采用如20℃～50℃的其他温度条件来替代，量子点成膜工艺可在标准大气环境条件下进行。
[0102] 本发明中的重掺杂硅，掺杂浓度不低于1017/cm3，其中n型重掺杂硅的主要杂质为五价元素N、P、As、Sb；p型重掺杂硅的主要杂质为三价元素B、Al、Ga、In。
[0103] 本发明所用的真空物理法，如电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射，均可参照现有技术来进行，当然也可以采用其他
物理气相沉积方法。与现有技术一致，本发明中利用光刻技术图形化或图案化是指将设计好的图形从光刻板转印到衬底(如硅基晶圆)表面上。晶圆级Si基衬底可以是市售的单晶硅表面被SiO2或Si3N4覆盖的Si/SiO2衬底或Si/Si3N4衬底，或者直接采用Si衬底(如商用硅衬底)，另外晶圆级满足本发明的常规定义，即直径在2英寸以上。
[0104] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
