感应栅型非晶态金属氧化物TFT气体传感器

摘要

本发明提供了一种感应栅型TFT气体传感器，包括：衬底；源漏电极，形成在所述衬底上；TFT导电薄膜，形成在所述衬底以及所述信号检测电极上；栅绝缘介质层，形成在所述衬底以及所述TFT导电薄膜上；顶栅电极，形成在所述栅绝缘介质层上；其特征在于，所述TFT导电薄膜包括非晶态氧化物半导体，以及所述顶栅电极包括气敏金属氧化物半导体。依照本发明的气体传感器，由于采用了非晶态半导体作为TFT导电薄膜且使用了气敏金属氧化物半导体层作为顶部栅电极，结合非晶态氧化物TFT的优异均匀导电特性与高敏感金属氧化物的气体吸附与反应特性的各自优点，可以对环境气体实行高敏度监控并实现在线有源放大信号变化，由此形成高灵敏大面积低成本单片集成的气体传感器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体敏感器件，特别是涉及一种高效的低成本 大尺寸可集成的非晶态金属氧化物半导体的气体传感器。

背景技术

随着社会生活与工业技术的不断发展，气体敏感器在监控有毒有害 气体、工业废气、大气污染和提高食品与人居环境环保水平上有着越来 越重要的作用。主要的应用例子有对大气中NO_x、SO_x、CO₂等有害气体的监 控；对生活生产中CO的监控；对乙醇、甲醇的检测；对汽车尾气的检测 等。

自上世纪60年代以来，金属氧化物半导体气体传感器就以较高的灵 敏度、响应迅速等优点占据气体传感器的主要市场。最初的气体传感器 主要采用SnO₂、ZnO为气敏材料，近些年又研究开发了一些新型材料，除 了少量单一金属氧化物材料，如WO₃、In₂O₃、TiO₂、A1₂O₃等外，开发的热 点主要集中在复合金属氧化物和混合物金属氧化物如表1所示。

表1各类检测气体对应的金属氧化物敏感材料

金属氧化物半导体传感器从基本原理上来说可分为电阻式和非电阻 式两种。

SnO₂、ZnO等电阻式金属氧化物半导体传感器的基本原理是利用氧化 物半导体对外界气体的表面吸附和催化双重效应来改变材料的电阻特 性，从而达到监控目的，属于表面控制型，但该类半导体传感器的使用 温度较高，大约在200～500℃下才具备较高灵敏度。一些改进方法是向 基础材料中添加一些贵金属(如Ag、Au、Pb等)，激活剂及粘接剂A1₂O₃、 SiO₂、ZrO₂等来提高灵敏度、提高响应时间、降低工作温度、提高选择性 等。制备这些敏感材料的方法有烧结法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法 以及物理淀积法等。

非电阻式金属氧化物半导体气体传感器主要包括金属氧化物半导体 场效应管型气体传感器和二极管型气体传感器等。氢气敏Pd栅MOSEFT是 最早研制成的催化金属栅场效应气体传感器，当氢气与Pd发生作用时， FET的阈值电压将随氢气浓度而变化，以此来检测氢气。采用氧化钇稳定 氧化锆(YSZ)作MOSFET的栅极，Pt作金属栅可制成氧气敏FET型气体传 感器。将MOSFET的金属栅去掉，采用La_0.7Sr_0.3FeO₃纳米薄膜作栅制作了微 米尺寸、室温工作的氧化物半导体场效应管(OSFET)式气体传感器成功 实现了对乙醇气体的检测。

金属氧化物半导体的气体敏感原理是依靠气体分子(原子)在氧化物 薄膜表面吸附过程中产生的物理、化学过程来感知气体，这种反应建立 在一定的表面状态之上。气体在半导体氧化物薄膜表面的吸附可分为负 离子吸附和正离子吸附：当吸附原子从半导体表面取得电子时产生负离 子吸附，当吸附原子向半导体表面供给电子时产生正离子吸附。无论是 电子从半导体向吸附原子迁移还是从外来原子向半导体迁移，都将引起 能带弯曲使功函数和电导率发生变化。气体敏感器一般工作在空气中，其 中含有大量氧气，属强氧化性气体。氧气极易在气敏材料表面进物理和 化学吸附，包含物理吸附与化学吸附两种，室温下这个过程进行得较慢， 若温度较高，O2-可以进一步转化为O-形式。O-的活性很高，可以与吸附在 气敏材料表面上的其它还原性气体离子基团迅速反应，如C2H5OH等，将 会发生式氧化还原的化学反应，反应过程产生的额外电子进入导带，引起 气敏材料电阻变化；除此以外，对于两性氧化物气敏材料，除了上述的氧 吸附外，还存在OH-吸附，有利于吸附物质在金属氧化物表面进行氧化还 原反应，其中释放的电子进入导带，引起气敏材料电阻变化以及表面能带 的弯曲。

监控气敏材料的阻值变化需要较高的反应量，需要提高气体吸附率、 表面反应率、总体表面积等来提高信号的灵敏度；然而利用气敏半导体 材料吸附气体反应后的电子交换来改变表面能级从而影响有源器件(场 效应晶体管)的电学特性可以更有效的监控信号变化，实现在线有源放 大信号变化。

发明内容

因此，本发明需要解决的技术问题就在于克服现有薄膜集成型气体 传感器中的工艺、成本、均匀性、响应效率、反应速度、工作温度和功 耗等一系列问题提供一种新型的高效低成本大面积均匀可集成的应用于 气体探测的非晶态氧化物半导体材料和器件结构。

本发明提供了一种感应栅型TFT气体传感器，包括：衬底；源漏 电极，形成在所述衬底上；TFT导电薄膜，形成在所述衬底以及所述 信号检测电极上；栅绝缘介质层，形成在所述衬底以及所述TFT导电 薄膜上；顶栅电极，形成在所述栅绝缘介质层上；其特征在于，所述 TFT导电薄膜包括非晶态氧化物半导体，以及所述顶栅电极包括气敏 金属氧化物半导体。

本发明还提供了一种感应栅型非晶态金属氧化物TFT气体传感 器，包括：衬底；背栅电极，形成在所述衬底上；栅绝缘介质层，形 成在所述衬底以及所述背栅电极上；TFT导电薄膜，形成在所述栅绝 缘介质层上；源漏电极，形成在所述衬底以及所述TFT导电薄膜上； 顶栅隔离层，形成在所述TFT导电薄膜以及所述源漏电极上；顶栅电 极，形成在所述顶栅隔离层上；其特征在于，所述TFT导电薄膜包括 非晶态氧化物半导体，以及所述顶栅电极包括气敏金属氧化物半导 体。

其中，所述非晶态氧化物半导体包括掺In的ZnO基半导体，所述 掺In的ZnO基半导体包括InGaZnO、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、 ZrInZnO、YInZnO、A1InZnO、SnInZnO。其中，所述掺In的ZnO基半导 体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％，[Zn]/ ([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。其中，各元素原子计数比 为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或 者1∶1∶1∶4。

其中，所述非晶态氧化物半导体包括In₂O₃、ZTO、ITO、ZnO、SnO_x。

其中，所述非晶态氧化物半导体厚度为1至10000nm。

其中，所述衬底包括表面为绝缘层的硅片、玻璃、石英、塑料或 背部镂空的硅片基底。

其中，所述源漏电极和/或所述背栅电极的材料包括Mo、Pt、Al、 Ti、Co、Au、Cu、多晶硅、TiN、TaN及其组合。

其中，所述栅绝缘介质层和/或所述顶栅隔离层的材料包括二氧化 硅、氮化硅、氮氧化硅、高k材料及其组合。

其中，所述气敏金属氧化物半导体为所述非晶态氧化物半导体。 其中，所述气敏金属氧化物半导体为多晶态、单晶态、微晶态或颗粒 状的混合物。其中，所述混合物为一元金属氧化物和/或二元金属氧 化物组成的混合物。其中，所述一元金属氧化物包括SnO_x(x＝1～2)、 ZnO、Fe₂O₃、La₂O₃、In₂O₃、Al₂O₃、WO₃、MoO₃、TiO₂、V₂O₅、Co₃O₄、Ga₂O₃、 CuO、NiO及其组合。如权利要求13所述的感应栅型非晶态金属氧化物 TFT气体传感器，其中，所述二元金属氧化物包括通式为ABO₃和A₂BO₄的二元金属氧化物，其中所述通式中A金属选自Y、La、Zn、Cd、Co、 Mg及其组合，B金属选自Fe、Sn、Ti、In及其组合。其中，所述气敏 金属氧化物半导体还含有掺杂金属，所述掺杂金属包括Ag、Au、Pb、 Pt及其组合。

依照本发明的气体传感器，由于采用了非晶态半导体作为TFT导 电薄膜且使用了气敏金属氧化物半导体层作为顶部栅电极，结合非晶 态氧化物TFT的优异均匀导电特性与高敏感金属氧化物的气体吸附与 反应特性的各自优点，可以对环境气体实行高敏度监控并实现在线有 源放大信号变化，由此形成高灵敏大面积低成本单片集成的气体传感 器。

本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权 利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中， 具体特征限定在其从属权利要求中。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1A是依照本发明的感应栅型TFT气体传感器的剖面示意图；

图1B是依照本发明的感应栅型TFT气体传感器的顶视图；

图2A是依照本发明的感应栅型TFT气体传感器的剖面示意图；以 及

图2B是依照本发明的感应栅型TFT气体传感器的顶视图。

附图标记

1、衬底

2/2A/2B、源漏电极

3、TFT导电薄膜

4、栅绝缘介质层

5、顶栅电极

6、背栅电极

7、顶栅隔离层

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方 案的特征及其技术效果，公开了感应栅TFT气体传感器。需要指出的 是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、 “第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构。这些修饰 除非特别说明并非暗示所修饰器件结构的空间、次序或层级关系。

实施例1

如图1A所示，为依照本发明的一种感应栅TFT气体传感器的示意 图，包括衬底1、源漏电极2、TFT导电薄膜3、栅绝缘介质层4、顶栅 电极5。其中，衬底1为绝缘衬底并提供支撑，其材质例如为表面为绝 缘层的硅片(优选为绝缘体上硅SOI，也可以在体硅衬底上沉积或热 氧化制成二氧化硅的衬垫层，还可以在体硅上形成氮化硅或氮氧化硅 的绝缘层)、玻璃(可以掺杂为常用的硼磷硅玻璃BPSG，也可以是旋 涂玻璃SOG，玻璃衬底1优选具有矩形形状以适于切割和大面积制造)、 石英、塑料(优选为具有较高熔点和硬度以及良好绝缘性的组合物) 以及背部镂空的硅片基底等。衬底1基本为平板状，包括一对主表面， 也即下表面和上表面，还包括位于上下主表面之间的侧表面。衬底1 的上表面可以具有粗糙结构、周期性凹凸结构，以便增强接合强度， 例如通过稀HF酸湿法刻蚀或等离子体刻蚀等常用技术来实现，还可以 形成缓冲层以减缓应力或粘合层以增强接合强度(缓冲层或粘合层未 示出)。

在衬底1的上表面上形成源漏电极2，优选采用溅射淀积的方式， 其材质例如为Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu等，此外还可以是具有导 电功能的其他材料，例如掺杂多晶硅，例如TiN、TaN等金属氮化物等 等。制备时可以先均匀溅射淀积一层电极层材料，然后依据电极版图 进行蚀刻移除不需要的部分。蚀刻之后留下一对相对设置的电极2A与 2B，构成源漏电极。如图1B所示，源漏电极2A与2B相对设置，优选形 成为交错的一对电极用于偏压和引出，构成TFT器件结构的源漏区接 触电极。源漏电极2A与2B的形状不限于图中所示，还可以是平行或不 平行的直线、折线或曲线，具体的布线依据信号检测器件结构所需的 电学特性需要而设定。两个电极的末端各自形成有接触焊垫，用于与 外部电路连接。电极2A/2B的宽度和厚度依据测量器件结构的电学性 能以及加热需要而设定，不限于图1B中的宽度和厚度均相等，但是出 于便于溅射工艺控制的考虑，优选为厚度相同而宽度可调。

随后在衬底1的上表面以及源漏电极2A与2B上形成有TFT导电薄 膜3以用作TFT器件结构的有源区，形成TFT导电薄膜3的区域依据待测 气体的暴露窗口而定，例如图1B矩形区域所示，但是也可以是其他几 何形状，例如三角形、平行四边形、梯形、正多边形、圆形等等。TFT 导电薄膜3由非晶态氧化物半导体构成，可依据探测气体类型不同而 从表1中选择相应的氧化物半导体，特别是宽带隙(＞＝2.0eV)非晶 态氧化物半导体。依照本发明的可集成的非晶态MOS气体传感器，其 非晶态氧化物半导体选用材质为掺In的ZnO基半导体或其它二元非晶 态氧化物半导体，掺In的ZnO基半导体例如为GafnZnO(IGZO)、InZnO、 HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其它二 元或多元非晶态氧化物半导体例如为In₂O₃、ZTO、ITO、ZnO、SnO_x(x＝1～ 2)等。其中，掺In的ZnO系半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原 子计数比为35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。 优选的各元素原子计数比为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或 者1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4等。材料中In原子外层电子是主 要导电电子源，通过相邻氧空位导电，Zn原子起到稳定微晶胞结构的 作用，而其他Ga、Hf、Ta、Zr、Y、Al、Sn等等第三掺杂剂起控制氧 空位的产生率从而改变半导体的导电率。常见的制作方法为磁控溅射 法(Sputter)、化学气相沉积法(CVD)、金属有机物化学气相沉积法 (MOCVD)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶-凝胶 法(SOL-GEL)、水热法等，在本发明中优选使用磁控溅射法。控制其 制造工艺的参数来控制所形成的掺In的ZnO基半导体的材质特性，例 如选择合适的Ar/O₂比例、溅射气压、溅射功率、衬底温度、退火时间 及温度等等。优选条件：Ar/O₂＝100∶x，x：0～50；气压10～1000mtorr； 功率50～500W；溅射衬底温度室温到400℃；退火100～450℃，10min～ 10hr。可依据器件电学性能需要和对于待测气体的敏感度需要选择形 成的TFT导电薄膜3的厚度为1至10000nm，优选为20至2000nm，尤其是 40至200nm，特别是60nm。对于其他二元或多元非晶态氧化物半导体， 可以通过合理调整原子计数比以及溅射工艺参数来控制成膜状态，与 掺In的ZnO基非晶态氧化物类似，可例如通过添加第三金属或者调整 成膜厚度来得到所需的非晶态氧化物半导体，这些技术对本领域技术 人员而言是公知常用的。

接着在衬底1以及TFT导电薄膜3上形成栅绝缘介质层4，例如通过 低温CVD的方法来沉积二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或例如为氧化铪、 氧化钽等高k材料，也可以是这些材料的组合，组合方式可以是混杂 或层叠。

最后在栅绝缘介质层4上形成气敏金属氧化物半导体层以用作 TFT器件的顶栅电极5，例如通过溅射淀积。顶栅电极5的材料可以是 与上述TFT导电薄膜3相同的材料，也即为非晶态氧化物半导体，具体 地为掺In的ZnO基半导体或其它二元非晶态氧化物半导体，掺In的ZnO 基半导体例如为GaInZnO(IGZO)、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、ZrInZnO、 YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其它二元或多元非晶态氧化物半导体 例如为In₂O₃、ZTO、ITO、ZnO、SnO_x(x＝1～2)等。其中，掺In的ZnO 系半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为35％～80％， [Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。优选的各元素原子计 数比为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者1∶1∶1∶2或者 2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4等。

顶栅电极5的材料也可以与TFT导电薄膜3不同，例如为多晶态、 单晶态、微晶态或颗粒状的混合物，可包括SnO_x(x＝1～2)、ZnO、Fe₂O₃、 La₂O₃、In₂O₃、Al₂O₃、WO₃、MoO₃、TiO₂、V₂O₅、Co₃O₄、Ga₂O₃、CuO、NiO 等一元金属氧化物，以及通式为ABO₃(例如YFeO₃、LaFeO₃、ZnSnO₃、 CdSnO₃、Co₂TiO₃)和A₂BO₄(例如MgFe₂O₄、CdFe₂O₄、CdIn₂O₄)等的二元金 属氧化物，其中所述通式中A金属选自Y、La、Zn、Cd、Co、Mg等，B 金属选自Fe、Sn、Ti、In等。还可包括上述这些材料与掺杂金属的混 合物，所述掺杂金属选自Ag、Au、Pb、Pt等。

在该器件中，底部是源漏堆叠型非晶态氧化物TFT的源漏电极(也 即信号检测电极2A与2B)与有源区部分(也即TFT导电薄膜3)，提供 给传感器的信号检测与预放大等电路功能。其上是高度敏感的气敏感 应栅结构(也即气敏金属氧化物半导体层5)，作为TFT的顶部栅电极 结构。基本原理是利用金属氧化物对气体分子(离子)的吸附产生电 子交换并引起该材料表面能级的弯曲与变化，从而导致TFT栅电极的 功函数变化，并改变TFT的阈值电压与亚阈值导电特性，使得TFT信号 得到急剧改变，从而有效监控环境气体的灵敏变化。

在上述结构中，相比多晶、晶态与微晶半导体，非晶态半导体表 现出短程有序，各向同性，制作I艺简单，易做成大面积导电薄膜， 十分有利于基础TFT的有源区制作。以典型材料IGZO为例，三元混合 型非晶态氧化物金属半导体IGZO由In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO构成，禁带宽度 在3.4eV左右，是一种离子性非晶态N型半导体材料。In₂O₃中的In³⁺可 以形成5S电子轨道，有利于载流子的高速传输；Ga₂O₃有很强的离子键， 可以抑制O空位的产生；ZnO中的Zn²⁺可以形成稳定四面体结构，理论 上可以使金属氧化物IGZO形成稳定较高导电的非晶结构。非晶态氧化 物半导体属于离子性的非晶态半导体，导电通过大半径的原子外层电 子云相互交叠而实现载流子输运，因而迁移率较大(10～100cm2/V· s)。同时该材料的热导率在1.4W/cm·K左右，热容为10J/mol·K左右， 十分接近用作普通加热电极的多晶硅材料的热学参数(热导率在 1.48W/cm·K左右，热容为20.8J/mol·K左右)，因而导电的非晶态氧 化物TFT可以有效加热顶栅的气敏材料使之反应灵敏度提高，并在检 测反应后有效还原气敏材料。

此外，本发明所使用的掺In的ZnO基半导体薄膜材料还可以用于 其他领域，例如紫外光探测等等，依照本发明的气体探测器还可以与 这些其他半导体器件集成制造，进一步减少成本提高了效率。

实施例2

如图2A所示，为依照本发明的一种感应栅TFT气体传感器的剖面 示意图，包括。其中，在如表面为绝缘层的硅片、背部镂空的硅片基 底、玻璃、石英、塑料等的衬底1上首先溅射淀积形成有背栅电极6， 其材质例如为Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu等，此外还可以是具有导 电功能的其他材料，例如掺杂多晶硅，例如TiN、TaN等金属氮化物等 等。随后在衬底1以及背栅电极6上形成有栅绝缘介质层4，例如通过 低温CVD的方法来沉积二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或例如为氧化铪、 氧化钽等高k材料，也可以是这些材料的组合，组合方式可以是混杂 或层叠。在栅绝缘介质层4上采用溅射形成TFT导电薄膜3以用作TFT器 件结构的有源区，形成TFT导电薄膜3的区域依据待测气体的暴露窗口 而定，例如图2B矩形区域所示，但是也可以是其他几何形状，例如三 角形、平行四边形、梯形、正多边形、圆形等等。TFT导电薄膜3由非 晶态氧化物半导体构成，可依据探测气体类型不同而从表1中选择相 应的氧化物半导体，特别是宽带隙(＞＝2.0eV)非晶态氧化物半导体。 依照本发明的可集成的非晶态MOS气体传感器，其非晶态氧化物半导 体选用材质为掺In的ZnO基半导体或其它二元非晶态氧化物半导体， 掺In的ZnO基半导体例如为GaInZnO(IGZO)、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、 ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其它二元或多元非晶态氧化 物半导体例如为In₂O₃、ZTO、ITO、ZnO、SnO_x(x＝1～2)等。其中， 掺In的ZnO系半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为 35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。优选的各 元素原子计数比为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者 1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4等。

在TFT导电薄膜3上再次通过溅射形成源漏电极2，优选采用溅射 淀积的方式，其材质例如为Mo、Pt、Al、Ti、Co、Au、Cu等，此外还 可以是具有导电功能的其他材料，例如掺杂多晶硅，例如TiN、TaN等 金属氮化物等等。制备时可以先均匀溅射淀积一层电极层材料，然后 依据电极版图进行蚀刻移除不需要的部分。蚀刻之后留下一对相对设 置的电极2A与2B，构成源漏电极。如图2B所示，源漏电极2A与2B相对 设置，优选形成为交错的一对电极用于偏压和引出，构成TFT器件结 构的源漏区接触电极。其中，背栅电极6与源漏电极2A/2B一般是平行 走向的，虽然图2B中所示的背栅电极6宽度较小且间距较大而不与源 漏电极有重叠部分，但是也可以参照普通MOSFETs的器件设置而使得 背栅电极6部分覆盖源漏电极2A/2B，从而形成栅-源、栅-漏覆盖区(图 2B中未示出)。源漏电极2A与2B的形状不限于图中所示，还可以是平 行或不平行的直线、折线或曲线，具体的布线依据信号检测器件结构 所需的电学特性需要而设定。两个电极的末端各自形成有接触焊垫， 用于与外部电路连接。电极2A/2B的宽度和厚度依据测量器件结构的 电学性能以及加热需要而设定，不限于图2B中的宽度和厚度均相等， 但是出于便于溅射工艺控制的考虑，优选为厚度相同而宽度可调。

在TFT导电薄膜3以及源漏电极2上形成有顶栅隔离层7，其材质与 栅绝缘介质层4类似，例如通过低温CVD的方法来沉积二氧化硅、氮化 硅、氮氧化硅或例如为氧化铪、氧化钽等高k材料，也可以是这些材 料的组合，组合方式可以是混杂或层叠。

最后，在顶栅隔离层7上形成有气敏金属氧化物半导体层以用作 TFT器件的顶栅电极，此顶栅电极作为TFT的浮栅，用于感应控制TFT 背部沟道的导电电势。例如通过溅射淀积来形成。顶栅电极的材料可 以是与上述TFT导电薄膜3相同的材料，也即为非晶态氧化物半导体， 具体地为掺In的ZnO基半导体或其它二元非晶态氧化物半导体，掺In 的ZnO基半导体例如为GaInZnO(IGZO)、InZnO、HfInZnO、TaInZnO、 ZrInZnO、YInZnO、AlInZnO、SnInZnO，其它二元或多元非晶态氧化 物半导体例如为In₂O₃、ZTO、ITO、ZnO、SnO_x(x＝1～2)等。其中， 掺In的ZnO系半导体中[In]/([In]+[第三金属])的原子计数比为 35％～80％，[Zn]/([In]+[Zn])的原子计数比为40％～85％。优选的各 元素原子计数比为[In]∶[第三金属]∶[Zn]∶[O]＝1∶1∶1∶1或者 1∶1∶1∶2或者2∶2∶2∶1或者1∶1∶1∶4等。

构成顶栅电极5的气敏金属氧化物半导体层的材料也可以与TFT 导电薄膜3不同，例如为多晶态、单晶态、微晶态或颗粒状的混合物， 可包括SnO_x(x＝1～2)、ZnO、Fe₂O₃、La₂O₃、In₂O₃、Al₂O₃、WO₃、MoO₃、 TiO₂、V₂O₅、Co₃O₄、Ga₂O₃、CuO、NiO等一元金属氧化物，以及通式为 ABO₃(例如YFeO₃、LaFeO₃、ZnSnO₃、CdSnO₃、Co₂TiO₃)和A₂BO₄(例如MgFe₂O₄、 CdFe₂O₄、CdIn₂O₄)等的二元金属氧化物，其中所述通式中A金属选自Y、 La、Zn、Cd、Co、Mg等，B金属选自Fe、Sn、Ti、In等。还可包括上 述这些材料与掺杂金属的混合物，所述掺杂金属选自Ag、Au、Pb、Pt 等。

在该器件中，底部是常规倒栅堆叠型非晶态氧化物TFT结构包括 背栅电极、源漏电极与有源区部分，提供给传感器的信号检测与预放 大等电路功能。其上是高度敏感的气敏感应栅结构，作为TFT顶部的 浮空栅电极结构。该器件为双栅器件结构，主控栅电极是倒栅，顶栅 被用来改变TFT背部沟道的导电电势。基本原理是利用金属氧化物对 气体分子(离子)的吸附产生电子交换并引起顶栅气敏材料表面能级 的弯曲与变化，从而导致TFT顶栅电极的功函数变化，并由此改变TFT 的阈值电压与亚阈值导电特性，使得TFT信号得到急剧改变，从而有 效监控环境气体的灵敏变化。

在上述结构中，相比多晶、晶态与微晶半导体，非晶态半导体表 现出短程有序，各向同性，制作工艺简单，易做成大面积导电薄膜， 十分有利于基础TFT的有源区制作。以典型材料IGZO为例，三元混合 型非晶态氧化物金属半导体IGZO由In₂O₃、Ga₂O₃和ZnO构成，禁带宽度 在3.4eV左右，是一种离子性非晶态N型半导体材料。In₂O₃中的In³⁺可 以形成5S电子轨道，有利于载流子的高速传输；Ga₂O₃有很强的离子 键，可以抑制O空位的产生；ZnO中的Zn²⁺可以形成稳定四面体结构， 理论上可以使金属氧化物IGZO形成稳定较高导电的非晶结构。非晶态 氧化物半导体属于离子性的非晶态半导体，导电通过大半径的原子外 层电子云相互交叠而实现载流子输运，因而迁移率较大(10～ 100cm2/V*s)。同时该材料的热导率在1.4W/cm*K左右，热容为 10J/mol*K左右，十分接近用作普通加热电极的多晶硅材料的热学参 数(热导率在1.48W/cm*K左右，热容为20.8J/mol*K左右)，因而导电 的非晶态氧化物TFT可以有效加热顶栅的气敏材料使之反应灵敏度提 高，并在检测反应后有效还原气敏材料。

依照本发明的气体传感器，由于采用了非晶态半导体作为TFT导 电薄膜且使用了气敏金属氧化物半导体层作为顶部栅电极，结合非晶 态氧化物TFT的优异均匀导电特性与高敏感金属氧化物的气体吸附与 反应特性的各自优点，可以对环境气体实行高敏度监控并实现在线有 源放大信号变化，由此形成高灵敏大面积低成本单片集成的气体传感 器。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人 员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构做出各种合适的改变 和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或 材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在 作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开 的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。