Ein hochempfindlicher Feuchtigkeitssensor vom FET-Typ mit tintenstrahlgedruckten Pt-In2O3-Nanopartikeln bei Raumtemperatur

Einführung

Feuchtigkeitssensoren sind für die Feuchtigkeitserkennung und -kontrolle in verschiedenen Sektoren wie der Halbleiter- und Automobilindustrie, der Landwirtschaft und der Medizin gefragt [1, 2, 3, 4]. Sie können in kapazitive Typen [5,6,7], resistive Typen [8,9,10], Festelektrolyt-Typen [11], akustische Oberflächenwellen (SAW)-Typen [12], Quarzkristall-Mikrowaagen (QCM) [ 13] usw. in Abhängigkeit von ihren Betriebsmechanismen und Erfassungsansätzen. Unter ihnen haben Feuchtesensoren vom Widerstandstyp, die die Variation des spezifischen Widerstands der Sensormaterialien mit der Menge der adsorbierten Wassermoleküle erkennen, die Forscher insbesondere wegen ihrer einfachen Struktur, leichten Herstellung und bequemen Bedienung und Anwendung interessiert [14, 15] . Um einen zuverlässigen Feuchtesensor vom Widerstandstyp mit hoher Empfindlichkeit und kurzen Ansprech- und Erholungszeiten von Widerstandssensoren zu entwickeln, wurden zahlreiche neue Materialien untersucht [14, 15], und nanostrukturierte Metalloxide wurden unter Berücksichtigung von . als starke Kandidaten identifiziert ihre geringen Kosten, hohe Betriebsstabilität und gute Kompatibilität [15,16,17,18,19].

Kürzlich In₂ O₃ , als typische halbleitende Metalloxide vom n-Typ, hat aufgrund seiner vielversprechenden Sensoreigenschaften bei der Detektion verschiedener Zielgase viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen [20,21,22]. Es wurde festgestellt, dass die Impedanz von In₂ O₃ ist selbst bei Raumtemperatur feuchtigkeitsempfindlich, insbesondere solche, die mit Edelmetallen oder anderen Oxiden dotiert oder dekoriert sind [14, 23, 24, 25]. Diese Widerstands-Feuchtesensoren basierend auf In₂ O₃ werden meist durch AC-Erregerspannung ohne DC-Bias ausgewertet, um eine Polarisation der Sensoren zu vermeiden [23]. Als Ergebnis muss der gemessene Strom für die andere Skalierung oder Verarbeitung rehabilitiert und in ein DC-Signal gleichgerichtet werden [26], was die Komplexität der Messung erhöht und die Anwendung der Sensoren einschränkt. Darüber hinaus weisen die meisten von ihnen eine relativ schlechte Auflösung und Empfindlichkeit für die Erkennung geringer Luftfeuchtigkeit (weniger als 25 %) auf und müssen weiter verbessert werden [23, 27].

In dieser Arbeit wurde eine FET-Sensorplattform hergestellt, die ein Planer Floating Gate (FG) aufweist, das dem Control Gate (CG) horizontal zugewandt ist. Doted In₂ O₃ Nanopartikel mit Pt (Pt-In₂ O₃ ) wurden auf dem FET-Substrat abgeschieden, um als Sensormaterial mit Tintenstrahldruckverfahren für die Detektion der relativen Feuchtigkeit (RH) von weniger als 18% zu dienen. Der spezielle Aufbau der FET-Plattform macht die Abscheidung des Sensormaterials sehr einfach und vermeidet die Verschmutzung des Kanals des FET-Substrats. Noch wichtiger ist, dass die FET-Sensorplattform im Gegensatz zum Impedanzänderungsmechanismus des Widerstandssensors die Austrittsarbeitsänderungen des Sensormaterials widerspiegelt, was die Feuchtigkeitsleistung von In₂ . effektiv verbessert O₃ -basierte Sensoren. In diesem Artikel wird die RH-Messleistung des vorgeschlagenen FET-Typs Pt-In₂ O₃ Feuchtesensor wurde detailliert untersucht und mit einem Pt-In₂ . verglichen O₃ Widerstandssensor, der auf demselben Siliziumwafer hergestellt wurde. Die Experimente zeigen, dass die Oberflächenaustrittsarbeit von Pt-In₂ O₃ reagiert viel empfindlicher auf die Aufnahme von Wasserdampf als auf die Widerstandsänderung. Der Mechanismus hinter der Erfassungsleistung der beiden Sensoren und der Unterschied zwischen ihnen wurden anhand von Energiebanddiagrammen des Erfassungsmaterials diskutiert. Das Adsorptionsverhalten von Wasserdampf an Pt-In₂ O₃ und die Reaktionsabläufe wurden ebenfalls erklärt.

Methoden

Herstellung von Plattformen

Um das Sensorprinzip des vorgeschlagenen FET-Feuchtigkeitssensors, ein Widerstandsgerät mit dem gleichen Pt-In₂ ., gründlich zu verstehen O₃ Sensormaterial wurde in dieser Arbeit ebenfalls untersucht. Die Sensorplattformen des Widerstandstyps (Abb. 1a) und des FET-Typs (Abb. 1b) wurden für einen fairen Vergleich zwischen ihnen auf demselben Siliziumwafer hergestellt. Abbildung 1a zeigt die leere Widerstandsplattform, und der Einschub zeigt die vergrößerten Elektroden nach der Bildung des transparenten Pt-In₂ O₃ Schicht. Abbildung 1b zeigt die in unserer vorherigen Arbeit vorgeschlagene FET-Plattform [28, 29]. Es hat vier Elektroden, darunter CG-, Drain- (D), Source- (S) und Body-Elektroden. Um den aktiven Bereich der FET-Plattform zu schützen, wie in Fig. 1a markiert, wurde ein verlängerter FG verwendet, der in horizontaler Richtung mit dem CG ausgerichtet war. Ineinandergreifende Strukturen der beiden Gates wurden für eine gute kapazitive Kopplung zwischen ihnen verwendet. Außerdem wurde auch eine SU-8-Passivierung durchgeführt, um nur den Erfassungsbereich, wie in Fig. 1b markiert, und die Elektrodenkontaktpads freizulegen. Abbildung 1 c und d sind schematische Querschnittsansichten entlang und senkrecht zum Kanal des FET, die entlang der Linie A–A’ bzw. der Linie B–B’ in Fig. 1b verlaufen. Die Kanallänge und -breite betragen 2 µm bzw. 2,4 µm. Die wichtigsten Herstellungsschritte wurden wie folgt beschrieben. In dieser Arbeit p MOSFET-Plattformen wurden hauptsächlich hergestellt, da sie ein geringeres 1/f-Rauschen als die n . aufweisen MOSFETs [30]. Zunächst wurde ein 550 nm dickes Feldoxid zur Isolierung aktiver Gebiete durch lokale Oxidation von Silizium (LOCOS) gezüchtet. Ein vergrabener Kanal des FET wurde durch Ionenimplantation gebildet, und ein 10 nm dickes Gate-Oxid wurde durch einen Trockenoxidationsprozess bei 800 °C gezüchtet. Dann wurde eine 350-nm-in-situ-dotierte n+-Poly-Si-Schicht abgeschieden und strukturiert, um als FG zu dienen. Die stark dotierten p+ Source- und Drainbereiche wurden durch einen Ionenimplantationsprozess gebildet. Um zu verhindern, dass FG und Kanal unerwünschte Moleküle (z. B. H₂ .) O) und Ladungsfallen, eine ONO-Passivierungsschicht bestehend aus SiO₂ (10 nm)/Si₃ N₄ (20 nm)/SiO₂ (10 nm) wurde auf dem gesamten Wafer gebildet. Nach dem Definieren der Kontaktlöcher wurden nacheinander gestapelte Schichten aus Cr (30 nm)/Au (50 nm) abgeschieden und strukturiert, um als CG-, D-, S- und Körperelektroden des FET zu dienen. Beachten Sie, dass die Elektroden der Widerstandssensoren auch gleichzeitig hergestellt wurden. Schließlich wurde eine durch Schleuderbeschichtung gebildete SU-8-Passivierungsschicht auf den Plattformen durch einen Lithographieprozess strukturiert, um nur den ineinandergreifenden FG-CG-Bereich der FET-Plattform (den Erfassungsbereich in Fig. 1a), den ineinandergreifenden Elektrodenbereich, freizulegen der Widerstandsplattform und alle Pads für die Elektrodenkontakte.

Die Widerstands- und FET-Gassensoren mit tintenstrahlgedrucktem Pt-In₂ O₃ Nanopartikel. a SEM-Bild der resistiven Sensorplattform. Der Einschub zeigt vergrößerte Elektroden nach der Bildung des Pt-In₂ O₃ Sensorschicht. b SEM-Bild des FET-Sensors mit einem FG, das horizontal mit einem CG ausgerichtet ist. c Die schematische Querschnittsansicht entlang der Linie A–A’ in b . d Die schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B–B’ in b . Die Kanallänge und -breite beträgt 2 μm bzw. 2,4 μm

Materialien

In₂ O₃ Nanopulver (≤ 100 nm Durchmesser), Ethanol (99%), 8-Gew.-% H₂ PtCl₆ (in H₂ O) und entionisiertes (DI) Wasser wurden von Sigma-Aldrich (USA) zur Herstellung des Sensormaterials bezogen. Alle Chemikalien in diesem Artikel wurden ohne weitere Reinigung verwendet.

Ablagerung von Sensormaterial

Der Pt-In₂ O₃ Sensormaterial wurde durch Tintenstrahldruckverfahren gebildet. Erstens, In₂ O₃ Nanopulver wurden in Ethanol gelöst und gründlich gerührt, um eine einheitliche Lösung zu erhalten. Die 8 Gew.-% H₂ PtCl₆ (in H₂ O)-Lösung wurde mit DI-Wasser weiter auf die gewünschte Konzentration verdünnt und dann mit dem In₂ . vermischt O₃ Lösung zusammen, um als Vorläufertinte zu dienen. Die vorbereitete Tinte wurde auf beiden Arten von Plattformen mit einem Tintenstrahldrucker (Omni Jet 100) gedruckt, gefolgt von einem 2-stündigen Temperprozess bei 300 °C in Luft, um das Lösungsmittel vollständig von der gedruckten Sensorschicht zu verdampfen. Der Gewichtsprozentsatz von Pt in der Sensorschicht wurde gerade auf 10 Gewichtsprozent festgelegt, um sich hauptsächlich auf die Analyse von Wasserdampfadsorptionseffekten zu konzentrieren.

Messeinstellungen

Abbildung 2 zeigt die in dieser Arbeit verwendeten Messaufbauten. In Fig. 2 wurden Feuchtgasproben durch Mischen von trockener Luft und nasser Luft hergestellt, die durch Injizieren trockener Luft durch einen Bubbler in die Mischkammer hergestellt wurde. Die Gesamtströmungsrate der feuchten Luftprobe wurde auf 400 sccm festgelegt und die relative Luftfeuchtigkeit wurde durch Ausgleichen der Strömungsraten von trockener und nasser Luft durch einen Mehrkanal-Massendurchflussprogrammierer bestimmt und durch einen Feuchtigkeitskalibrator kalibriert. Ein Referenzgas (trockene Luft) mit einer Durchflussrate von 400 sccm wurde ebenfalls verwendet. Während des dynamischen Feuchtesensortests wurden abwechselnd die trockene Referenzluft und die Feuchtluftprobe zu den Sensoren geblasen. Alle Erfassungseigenschaften der Sensoren wurden bei 25 °C (Raumtemperatur) getestet. Elektrische Messungen wurden mit einem Agilent B1500A durchgeführt.

Messaufbauten. Alle Eigenschaften der Sensoren wurden bei 25°C (Raumtemperatur) getestet

Ergebnisse und Diskussion

Zuerst die grundlegenden I-V-Eigenschaften des Pt-In₂ O₃ Sensoren vom Widerstandstyp und vom FET-Typ wurden gemessen und in Fig. 3 a bzw. b aufgetragen. Die Doppel-Sweep-I-V-Kurve des in Abb. 3a gezeigten Widerstands zeigt ein ohmsches Kontaktverhalten des Pt-In₂ O₃ Film auf die Elektroden sowohl in Widerstands- als auch in FET-Sensoren. In Fig. 3b wurden Doppel-Sweep-DC I-V und gepulster I-V (PIV) des Sensors vom FET-Typ von positiv nach negativ und zurück zum Vergleich zusammen aufgetragen. Der Einschub ist das Pulsschema, das für die PIV-Messung verwendet wird. In DC I-V-Ergebnissen kann eine Hysterese beobachtet werden, die durch Ladungseinfang im Sensormaterial und an der Grenzfläche zwischen dem Sensormaterial und den ONO-Passivierungsstapeln induziert wird. In der herkömmlichen Arbeitsumgebung von Sensoren vom FET-Typ werden typischerweise Gleichstromvorspannungen an die Elektroden angelegt, um das Stromerfassungssignal zu verfolgen. Aufgrund des erwähnten Ladungseinfangs innerhalb des Geräts kann der Strom des FET-Sensors jedoch im Laufe der Zeit erheblich driften, was die Strombasislinie stört und die Genauigkeit verschlechtert. Im Gegensatz dazu wurde beim PIV des vorgeschlagenen FET-Feuchtesensors die Hysterese durch die Verwendung einer gepulsten Gate-Vorspannung eingeschränkt. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurde ein gepulstes Messverfahren angewendet [29, 31], das in 4a dargestellt ist, um zuverlässige und stabile Erfassungssignale zu erhalten, wenn die transienten Erfassungseigenschaften des Sensors vom FET-Typ gemessen werden

Grundlegende elektrische Eigenschaften des Widerstandstyps und des FET-Typs Pt-In₂ O₃ Sensoren bei T =25°C. a Doppel-Sweep-I-V-Kurve des Widerstandssensors. Die Ergebnisse von Vorwärts- und Rückwärtsspannungs-Sweeps überlappen einander. b Doppel-Sweep-DC- und gepulste I-V (PIV)-Kurven des FET-Sensors. Der Einschub zeigt das Pulsschema an, das für die PIV-Messung verwendet wird

Erfassungsleistung von zwei Arten von Sensoren für 9,4 % RH. a Schema des Sensors vom FET-Typ und das Pulsschema, das für die Messung des Sensors vom FET-Typ in dieser Arbeit verwendet wird. b |Ich _D | eines FET-Sensors basierend auf p MOSFET nahm offensichtlich ab, als die relative Luftfeuchtigkeit von 3,3 auf 9,4 % zunahm. Der Sensor wurde 100 Sekunden lang von etwa 70 bis 170 Sekunden mit feuchter Luft geblasen. c DC-Transientenmessung des Widerstandssensors und keine Reaktion des Widerstandssensors für 9,4 % RH

Abbildung 4a zeigt das Pulsschema und die Implementierungsstrategie des gepulsten Messverfahrens für den Feuchtesensor vom FET-Typ. Die linke Seite von Fig. 4a ist das Schema des Sensors vom FET-Typ, und gepulste Vorspannungen wurden an seine CG- und D-Elektroden durch zwei Wellenformgeneratoren von Agilent B1500A angelegt. Die Einschaltzeit (Pulsbreite) t _an und Auszeit t _aus in einer Pulsperiode wurden auf 20 µs bzw. 1 µs festgelegt. In der Freizeit t _aus , alle CG-, D- und S-Elektroden des FET waren geerdet und kein Drainstrom (I _D ) wurde ausgelesen. Während der Pünktlichkeit t _an , geeignete CG- und D-Lesespannungen (V _rCG und V _rDS ) wurden synchron angewendet, um I . zu sammeln _D Proben. Abbildung 4 b und c zeigen das Erfassungsverhalten der Sensoren vom FET-Typ bzw. vom Widerstandstyp bei einer Exposition gegenüber 9,4 % relativer Luftfeuchtigkeit (RH) für 100  s. Beachten Sie, dass für den Widerstandssensor nur konstante Gleichspannungen verwendet wurden. Der Pt-In₂ O₃ Sensor vom Widerstandstyp, der Widerstandsänderungen des Sensormaterials widerspiegelt, war gegenüber dem Anstieg der RH von 3,3% (trockene Luft) auf 9,4% nicht empfindlich. Der absolute Drainstrom |I _D | der p Der MOSFET-Sensor nahm mit dem Anstieg der relativen Luftfeuchtigkeit deutlich ab und kehrte während der Erholungsphase des Sensors innerhalb von etwa 400 s auf die ursprüngliche Basislinie zurück. Da der Sensormechanismus des FET-Typ-Sensors die Änderung der Austrittsarbeit von Pt-In₂ . ist O₃ verursacht durch die Adsorption von Wassermolekülen, zeigen die Messergebnisse, dass die Austrittsarbeit des Sensormaterials im Vergleich zum Widerstand empfindlicher auf RH-Änderungen reagiert. Detaillierte Erklärungen dieses Sensorverhaltens und der Grund für den Unterschied in der Feuchtigkeitsempfindlichkeit zwischen den beiden Plattformen werden später in diesem Artikel behandelt.

Als nächstes wurde die dynamische Reaktion des Sensors vom FET-Typ auf verschiedene RH-Pegel (7,6%, 9,4%, 11,4%, 13,4%, 15,5% und 17,8%) gemessen und ist in Fig. 5a dargestellt. Die Reaktion des Sensors vom FET-Typ wird als S . bezeichnet _RH wurde durch Gl. (1) [32], wobei ich _{D_D} und ich _{D_H} sind der ursprüngliche Drainstrom in trockener Luft bzw. der Strom in einer feuchten Umgebung bei einem bestimmten RH-Wert.

Feuchtigkeitserkennung unter Verwendung des vorgeschlagenen Sensors vom FET-Typ. a Messung der transienten Feuchtigkeit bei T =25°C. RH =3,3 %, 7,6 %, 9,4 %, 11,4 %, 13,4 %, 15,5 % und 17,8 %. b S _RH als Parameter der RH in einem Bereich von 3,3 bis 17,8%. c Variationen von t _res und t _Aufnahme des FET-Typ-Sensors mit RH-Pegel

Abbildung 5b zeigt das S _RH als Funktion der RH im Bereich von 3,3 (trockene Luft) bis etwa 18%. Das S _RH neigt dazu, in diesem Bereich proportional zur RH zu sein. Beachten Sie die dynamische Reaktion von resistivem Pt-In₂ O₃ Sensor zu RH wurde ebenfalls gemessen, aber es wurde keine Widerstandsänderung des Sensormaterials beobachtet (von 3,3 auf 18% RH). Die Reaktionszeit t _res und Erholungszeit t _Aufnahme sind definiert als die Zeit, die der Strom benötigt, um sich auf 90 % seines Endwertes zu ändern [33]. Abbildung 5c ​​zeigt die Variationen von t _res und t _Aufnahme des Sensors vom FET-Typ mit einer relativen Luftfeuchtigkeit von 3,3–18%. Die t _res mit zunehmender RH leicht reduziert, und alle t _res s, die unterschiedlichen RH-Werten entsprechen, sind kleiner als 60 s. Im Gegensatz dazu hat die Zunahme der RH den gegenteiligen Effekt auf die t _Aufnahme des Sensors. Den Ergebnissen zufolge reagiert der vorgeschlagene Feuchtigkeitssensor vom FET-Typ sehr schnell und schnell auf niedrige RH-Werte bei Raumtemperatur.

Um den Feuchtigkeitssensormechanismus des Pt-In₂ . zu erklären O₃ In diesem Artikel untersuchte FET-Sensoren unterhalb von etwa 18 % RH, die schematische Wassermoleküladsorption und zugehörige Energiebanddiagramme in der Nähe der Grenzfläche zwischen ONO-Pfahl und Sensormaterial wurden wie in Abbildung 6 gezeigt konstruiert. Abbildung 6a veranschaulicht verschiedene Arten von Adsorptionen von Wassermoleküle auf der Oberfläche von Pt-In₂ O₃ Partikel. Durch die katalytische Wirkung von Pt werden Wassermoleküle dazu angeregt, mit voradsorbierten Sauerstoffspezies (\( {\mathrm{O}}_{\mathrm{ad}}^{-} \)) zu reagieren und Hydroxylgruppen (–OH ) auf der Oberfläche von In₂ O₃ wie in Gl. (2) [34].

Schematische Wassermoleküladsorption und zugehörige Energiebanddiagramme. a Chemisorptions- und Physisorptionsschichten von Wassermolekülen auf Pt-In₂ O₃ sensorisches Material. b Das Energiebanddiagramm in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem ONO-Stack und der Sensorschicht vor der RH-Detektion. Es wurde angenommen, dass es sich in einem flachen Bandzustand befindet. c Das Energiebanddiagramm nach der RH-Erkennung. Dipole an der Grenzfläche verringern die Austrittsarbeit des Sensormaterials

Diese Hydroxyle hinterlassen auf der Oberfläche des Sensormaterials und bilden die erste Chemisorptionsschicht, da es schwierig ist, stark chemisorbierte Ionen bei Raumtemperatur zu desorbieren [35]. Dann beginnen während der Sensortests mit dem Anstieg des RH-Wertes mehr Wassermoleküle an den Hydroxylen durch doppelte Wasserstoffbrückenbindungen zu adsorbieren und bilden die zweite Adsorptionsschicht, die die erste Physisorptionsschicht ist, die kaum bewegliche Ionen im Inneren hat. Wenn das RH-Niveau weiter ansteigt, sammeln sich mehr Schichten an, nachdem die erste Physisorptionsschicht auf die Oberfläche des Sensormaterials gefüllt wurde, wie in Fig. 6a gezeigt, d. h. die Multi-Physisorptionsschichten. Laut Literatur [23] beträgt die Impedanz von In₂ O₃ beginnt zu sinken, bis die RH mehr als etwa 54% erreicht. Bei niedrigen RH-Werten wird nur die erste Physisorptionsschicht gebildet, in der keine beweglichen Protonen zur elektrischen Leitung beitragen. Danach werden Multi-Physisorptionsschichten durch einzelne Wasserstoffbrücken gebildet, in denen bewegliche Protonen (H ⁺ ) wird durch die Ionisation unter einem elektrischen Feld erzeugt. Diese Protonen hüpfen zwischen den adsorbierten Wassermolekülen und bewirken eine höhere Leitfähigkeit des Sensormaterials, d. h. den Grotthuss-Mechanismus [27, 36, 37, 38]. In diesem Papier keine aktuelle Änderung des Pt-In₂ O₃ Widerstandssensor wurde beobachtet, der zeigt, dass –OH-Gruppen die Oberfläche des Sensormaterials bedeckt haben und nur physikalische Adsorptionen von Wassermolekülen auftraten, wenn die RH während der Messungen erhöht wurde. Folglich ist der Pt-In₂ O₃ Widerstandssensor zeigte eine schlechte Empfindlichkeit gegenüber RH-Inkrementen unter 18 %.

Im Fall von Sensoren vom FET-Typ ist der Erfassungsmechanismus die Änderung der Austrittsarbeit des Erfassungsmaterials, die sich von Sensoren des Widerstandstyps unterscheidet. Gemäß den Ergebnissen des Widerstandssensors findet unter den in dieser Veröffentlichung gemessenen RH-Werten kein Elektronentransfer zwischen dem Sensormaterial und den Wassermolekülen in den Physisorptionsschichten statt. Diese adsorbierten Wassermoleküle können jedoch Dipole an der Oberfläche von In₂ . erzeugen O₃ Partikel, die vom Sensormaterial wegzeigen (Abb. 6a). Abbildung 6 b und c zeigen das Energiebanddiagramm des In₂ O₃ nahe der Grenzfläche zwischen der Sensorschicht und dem ONO-Stapel vor und nach der Feuchtigkeitsdetektion, die die Wirkung der Dipole veranschaulichen. Aus Sicht der Energiebänder existierten die chemisorbierten Hydroxyle bereits auf der Oberfläche des In₂ O₃ vor dem Test, und wir nehmen der Einfachheit halber an, dass es sich vor der Feuchtigkeitserkennung im flachen Bandzustand befindet (Abb. 6b). Das E _VAC , E _C , E _F , und E _V in den Diagrammen bezeichnen die Energie des Vakuums, des Leitungsbandes, des Valenzbandes bzw. des Fermi-Niveaus. Der Unterschied zwischen dem E _VAC und E _F vor Sensortests, d. h. der Austrittsarbeit, von In₂ O₃ an der Schnittstelle zwischen der Sensorschicht und dem ONO-Stack, ist definiert als Φ _S1 . Nach der Physisorption von Wassermolekülen reduzieren an der Grenzfläche gebildete Dipole die Elektronenaffinität und führen zu einer gleichmäßigen Abnahme der Austrittsarbeit von Φ _S1 zu Φ _S2 . Der Unterschied zwischen Φ _S1 und Φ _S2 wird als ΔΦ . bezeichnet wie in Abb. 6c gezeigt. Es findet kaum ein Elektronentransfer von physisorbierten Wassermolekülen auf In₂ . statt O₃ . Die ΔΦ kann eine Elektronenansammlung im Körper des FET nahe der Grenzfläche zwischen Gate-Oxid und Körper erzeugen, so dass |I _D | von p MOSFET nimmt ab. Mit anderen Worten, obwohl sich der Widerstand von Pt-In₂ . nicht ändert O₃ Schicht können die Dipole, die durch adsorbierte Wassermoleküle in den Physisorptionsschichten gebildet werden, die Austrittsarbeit des Sensormaterials einstellen und schließlich die Drainstromänderungen des FET-Sensors induzieren.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Sensor vom FET-Typ mit tintenstrahlgedrucktem Pt-In₂ O₃ Nanopartikel wurde auf eine Detektion niedriger RH im Bereich von 3,3 bis 18% bei Raumtemperatur untersucht. Der Pt-In₂ O₃ Sensor vom Widerstandstyp, der auf demselben Siliziumwafer hergestellt wurde, war gegenüber Feuchtigkeitsänderungen bei niedrigen RH-Werten nicht empfindlich. Im Gegensatz dazu zeigte der Sensor vom FET-Typ ein schnelles und ausgezeichnetes Feuchtigkeitsverhalten. Das Prinzip hinter diesem Phänomen wurde durch die Energiebandtheorie und das Adsorptionsverhalten von Wassermolekülen auf dem Sensormaterial erklärt. Da nur Physisorptionsschichten erzeugt wurden, trat kein Elektronentransfer auf, der zur Verringerung des Widerstands des Sensors vom Widerstandstyp beitrug, während die physisorbierten Wassermoleküle Dipole bildeten, die die Elektronenaffinität ändern können und zu einer Erhöhung der Austrittsarbeit des Sensormaterials führten . Daher ist das vorgeschlagene Pt-In₂ . vom FET-Typ O₃ Feuchtigkeitssensor ist vielversprechend bei Anwendungen zur Erkennung niedriger Feuchtigkeitsniveaus.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die in der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

Pt-In₂ O₃ :

Pt-dotiertes In₂ O₃ Nanopartikel

FET:

Feldeffekttransistor

RH:

Relative Luftfeuchtigkeit

SAW:

Oberflächenwellen

QCM:

Quarzkristall-Mikrowaage

AC:

Wechselstrom

DC:

Gleichstrom

FG:

Schwimmendes Tor

CG:

Kontrolltor

SU-8:

Suchoi Su-8

MOSFET:

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor

LOCOS:

Lokale Oxidation von Silizium

ONO:

Oxid-Nitrid-Oxid-Stapel

D:

Ablassen

S:

Quelle

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

PIV:

Puls I-V