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管上，形成以PEDT膜取代MOSFET柵金屬的化學場效應管（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。 關鍵詞: PEDT；化學場效應管；氨氣傳感器 一 引言 場效應管（FET）是利用電場來控制固體材料導電性能的有源器件，具有體積小、重量輕、節能、熱穩定性好等優點,廣泛應用于電路方面〔1〕，而場效應管應用于氣體傳感器從Lundstrom首次報道后才引起了廣大研究者的興趣[2]。 場效應管氣體傳感器是近年來隨著微電子IC技術和MEMS的發展而產生的。它是將場效應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生極化時，將改變柵極下半導體表面電位，引起表面反型，源漏電流導通，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電聚合物方面。它們具有易于沉積和多種聚合體結構，便于修飾，可以按功能所需進行分子設計和合成等優點而備受關注。 3，4－聚乙撐二氧噻吩（簡稱PEDT）是一種頗具前途的導電聚合物，已被廣泛應用于電子等領域，但在化學傳感器方面應用卻很少。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測試。 二、實 驗 1、 PEDT薄膜制備及器件結構設計 （1） PEDT薄膜制備 PEDT是由EDT單體聚合而來的，其聚合反應如圖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溶劑，然后依比例加入聚合單體EDT和氧化劑，在5°C下反應數分鐘完成。將處理好的ChemFET浸入到反應液中，靜置15min后取出，室溫條件下成膜。 （2） 器件結構設計 采用半導體平面工藝技術在電阻率為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管，溝道長為10μm，寬100μm。器件的基本結構如圖2所示。根據文獻[8]報道，柵絕緣層的質量和厚度直接影響器件的電流輸入阻抗，柵絕緣層越薄，響應電流越大，因此結合實際工藝條件，制作的化學場效應管的絕緣層（SiO2層加Si3N4層的總厚度）厚度在50nm左右。 2、氣體測試裝置 化學場效應管氣體傳感器的敏感機理是利用氣體分子對導電聚合物敏感膜的穿透或者吸附改變柵區敏感膜的功函數，從而影響柵極電壓對溝道電流的調制作用，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半導體測試儀等。 三 結果與討論 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，膜中網孔的數量在快速增加，但孔的尺寸卻在不斷減小，膜的這種網狀結構的變化改善了膜的導電性能，提高了PEDT膜的電導率。 （2）PEDT膜的紅外吸收光譜分析 利用FTIR測定了導電聚合物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為噻吩環的變形振動吸收峰，1509cm-1、1425cm-1為環的伸縮振動吸收峰，1090cm-1為噻吩環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的環境下進行的。固定漏源電壓（VDS）為3V，襯底接地。研究發現：在氨氣濃度從0增加到54ppm的過程中，場效應管漏電流逐漸減小。PEDT膜ChemFET漏電流變化量與氨氣濃度的關系如圖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，需要設計溫度補償電路，目前此工作正在進行中。 四、 結論 采用化學氧化聚合法制備PEDT，對其薄膜進行了分析和表征；結果表明薄膜呈網狀結構，細密均勻，成膜較好；以PEDT為敏感材料制備了化學場效應管氨氣傳感器，并對其氣敏特性進行了測試，發現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。 該研究結果對化學場效應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