本发明涉及一种fet氢气传感器及其制备方法，属于氢气检测设备。
背景技术：
1、随着氢能源的不断发展，燃料电池技术成为清洁能源的重要组成部分，在化工、制药、电子等行业中准确监测氢气浓度对生产过程的安全性至关重要。氢气传感器的应用可以及时检测潜在的泄漏风险，有效预防事故发生，因此工业生产对氢气传感器的需求在不断扩大，倾向于采用高性能的氢气传感器来监测氢气的浓度，确保燃料电池系统的安全运行。
2、目前，氢气传感器的研究集中在提高安全性和性能方面，传统的电容薄膜和热导原理传感器存在集成难度和功耗较高的问题。室温高灵敏传感器通过钯掺杂的三氧化钨和石墨烯实现了对低浓度氢气的敏感检测，但仍需改进恢复速度和基础稳定性。
3、氧化锡基传感器具有制造简单、生产成本低、灵敏度高等特点具有广泛的应用前景，应用中更多使用金属氧化物纳米材料做fet（场效应管）的栅极进而实现氢气传感器的小型化、集成化。fet传感器以硅平面工艺制作，适用于低浓度气体探测，但存在响应时间长、低灵敏度、高浓度检测分辨率低、成本高、选择性不足等挑战。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种fet氢气传感器及其制备方法，可提供多种氢气检测方案，从而有效实现低浓度氢气的高分辨率检测。
2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
3、一方面，本发明提供一种fet氢气传感器，其从下到上依次包括衬底、沟道层、栅介质层、fet电极、隔离层、缓冲层、氢气感应层和叉指电极；
4、所述衬底设置于所述fet氢气传感器最底层；
5、所述沟道层包括p型外延层和三个n掺杂区，所述p型外延层设于衬底上，所述n掺杂区设于p型外延层表面，其从左到右依次为n掺杂a区、n掺杂b区和n掺杂c区，所述n掺杂a区与n掺杂b区之间设有第一沟道，所述n掺杂b区和n掺杂c区之间设有第二沟道；
6、所述栅介质层设于沟道层上方且覆盖沟道层；
7、所述fet电极包括从左到右依次设置的源电极、第一栅电极、第二栅电极和漏电极，且所述源电极、第一栅电极、第二栅电极和漏电极均从下到上依次由主体部分和外延部分组成；
8、所述隔离层设置于所述栅介质层上方并包覆fet电极的主体部分与栅介质层。
9、所述缓冲层设置于所述隔离层上方且覆盖隔离层；
10、所述氢气感应层设置于隔离层上方，其包括对称分布的氢气敏感区和半导体电阻区；
11、所述叉指电极分布于氢气感应层表面，包括第一叉指电极、第二叉指电极、第三叉指电极和第四叉指电极，所述第一叉指电极和第四叉指电极设于氢气敏感区上方，所述第二叉指电极和第三叉指电极设于半导体电阻区上方，所述第一叉指电极与第二叉指电极串联，且所述第一叉指电极和第二叉指电极的连接点为第一分压点，所述第一分压点覆盖第一栅电极的外延部分延伸出氢气感应层表面的部分，所述第三叉指电极和第四叉指电极串联，且所述第三叉指电极和第四叉指电极的连接点为第二分压点，所述第二分压点覆盖第二栅电极的外延部分延伸出氢气感应层表面的部分，通过串联相应叉指电极能够将半导体电阻区与氢气敏感区相连，形成由氢气敏感电阻与半导体电阻串联的工作点控制电路。
12、优选的，所述衬底为氧化铝、硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝中的一种。
13、优选的，所述p型外延层采用p型掺杂半导体薄膜，所述p型掺杂半导体薄膜的材质为硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓中的一种，且掺杂浓度为1×1015cm-3～5×1016cm-3，厚度为0.5～2μm；
14、所述n掺杂区的长度均为2~25μm，掺杂浓度均为5×1018cm-3～5×1019cm-3，所述沟道层的栅宽为10~100μm；
15、所述第一沟道和第二沟道的长度均为2～15μm。
16、优选的，所述栅介质层材质为氧化硅、氮化硅、氧化镓中的一种，其中，氧化硅的厚度为5~20nm，氮化硅的厚度为5~20nm，氧化镓的厚度为6~25nm，根据不同栅介质层材质设置栅介质层厚度使得栅介质层的最高击穿电压大于50 v。
17、优选的，所述fet电极材质为镍、铂、铝、铜、金、银中的一种；
18、所述源电极、漏电极的主体部分分别设置于n掺杂a区、n掺杂c区相远离的两侧上方，且穿过栅介质层分别与下方的n掺杂a区、n掺杂c区进行欧姆接触；所述第一栅电极、第二栅电极的主体部分分别设于位于第一沟道、第二沟道上方的栅介质层上；
19、所述外延部分设于主体部分的中心，外延部分上部穿过隔离层、缓冲层至氢气感应层表面与外界连通。
20、优选的，所述源电极、漏电极的主体部分的宽度分别与n掺杂a区、n掺杂c区的宽度相同，所述源电极、漏电极的主体部分的长度分别小于n掺杂a区、n掺杂c区的长度，且均为1～15μm；
21、所述第一栅电极的长度、宽度与第一沟道相同，所述第二栅电极的长度、宽度与第二沟道相同；
22、所述外延部分的长度和主体部分相同，且宽度为5~15μm，所述主体部分的厚度为50~500nm。
23、优选的，所述隔离层的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种，且厚度为1~2μm，设置隔离层以防止工作点控制电路影响fet电极的工作，提高传感器工作时的信噪比，同时保护fet电极。
24、优选的，所述缓冲层的材质为氮化镓、氧化铝中的一种，且厚度为50~200nm。 设置缓冲层可以提高薄膜质量，进而提高传感器对氢气的响应度，信噪比等各项性能。
25、优选的，所述氢气敏感区包括由下到上依次设置的氧化镓薄膜、氧化锡薄膜、氢气催化剂纳米团簇；
26、所述氧化镓薄膜的厚度为50~100nm；氧化镓薄膜选用氧化镓纳米带薄膜或β相氧化镓薄膜。
27、优选的，所述氧化锡薄膜为氧化锡量子点薄膜，所述量子点直径为1~20nm；用氧化锡薄膜包裹所述氧化镓薄膜，可以进一步提高室温下所述氧化锡薄膜的氢气响应度，减少材料对氢气的响应与恢复时间，提高对氢气的分辨率，进一步实现对氢气的高效监测。
28、优选的，氢气催化剂纳米团簇的材质为铂、钯、镍中的一种或多种。纳米团簇直径大小为1～10nm，纳米团簇含量不超过总面积的5%。氢气催化剂纳米团簇对氢气具有选择性催化的作用，优先催化裂解氢气为氢原子，使其具备更强的反应活性，以提高传感器对氢气的选择性与灵敏度。催化剂的选用满足对氢气具有良好的催化特性与选择性即可，因此不仅局限于常见的氢气催化剂，其余满足条件的各种化合物催化剂也适用于本发明。
29、优选的，所述半导体电阻区的材质为多晶硅，其厚度为60~130nm。
30、优选的，所述氢气敏感电阻分别由氢气敏感区内的第一叉指电极及其叉指电极间隙内区域和第四叉指电极及其叉指电极间隙内区域构成，所述半导体电阻由半导体电阻区内的第二叉指电极及其叉指电极间隙内区域和第三叉指电极及其叉指电极间隙内区域构成，所述氢气敏感区、半导体电阻区以及叉指电极所组成的整体上表面积大于沟道层所占的面积，所述氢气敏感区、半导体电阻区以及叉指电极所组成的整体上表面积范围为150μm×150μm～500μm×500μm。
31、优选的，叉指电极的材质为镍、铂、钯、铝、铜、金、银中的一种，进一步优选的，叉指电极的材质为镍、铂、钯，利用对氢气具有催化效果的贵金属制成叉指电极可以进一步提高该传感器对氢气的选择性与分辨率，减短传感器响应时间。
32、另一方面，本发明提供一种fet氢气传感器的制备方法，所述方法用于制备上述任一项所述的fet氢气传感器，其包括：
33、制备沟道层：在衬底上设置p型掺杂半导体薄膜，得到p型外延衬底；
34、利用离子注入工艺在p型掺杂半导体薄膜上进行n掺杂a区、n掺杂b区和n掺杂c区掺杂；
35、制备栅介质层：采用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemicalvapor deposition，pecvd)、低压力化学气相沉积(low pressure chemical vapordeposition，lpcvd)、原子层沉积(atomiclayer deposition，ald)、磁控溅射中的一种在沟道层上方制备栅介质层；
36、制备fet电极：利用光刻工艺去除n掺杂a区和n掺杂c区上方的栅介质层，直至完全暴露形成源电极、漏电极电极窗口，在源电极、漏电极电极窗口上使用真空蒸镀、磁控溅射、电子束蒸发工艺中的一种分别制备源电极、漏电极，并在第一沟道、第二沟道上方分别制备第一栅电极、第二栅电极；
37、制备隔离层：通过pecvd、lpcvd、磁控溅射技术中的一种在栅介质层上方沉积隔离层，使得隔离层覆盖fet电极以及栅介质层；
38、制备缓冲层：通过pecvd、lpcvd、ald、mocvd（metal-organic chemical vapordeposition ，金属有机化合物化学气相沉淀）技术中的一种，在隔离层上方沉积缓冲层；
39、制备氢气感应层：使用pecvd、lpcvd、mocvd、磁控溅射、机械转移技术中的一种在缓冲层上方制备一层β相氧化镓薄膜或使用热蒸发法在缓冲层上方制备一层氧化镓纳米带薄膜。使用点胶、喷涂、旋涂、电喷印工艺技术中的一种在β相氧化镓薄膜或氧化镓纳米带薄膜上方制备一层氧化锡薄膜。使用ald技术在氧化锡表面制备氢气催化剂纳米团簇形成氢气敏感区；
40、将氢气敏感区分为两半，在其中一半部分利用光刻工艺刻蚀直至缓冲层完全暴露，在暴露的缓冲层上使用pecvd、lpcvd、mocvd等技术中的一种制备多晶硅，采用离子注入工艺与快速退火工艺调整多晶硅的晶粒尺寸与晶界数量，形成半导体电阻区；
41、外延出fet电极：利用光刻工艺去除fet电极上覆盖的部分隔离层、缓冲层以及氢气感应层，暴露出部分fet电极形成电极窗口，在电极窗口使用真空蒸镀、磁控溅射或者电子束蒸发工艺中的一种沉积金属制备外延电极；
42、制备叉指电极：使用磁控溅射在氢气感应层上制备叉指电极，完成fet氢气传感器制备。
43、进一步的，离子注入的n型离子为磷、砷、锑中的一种，n型离子的能量范围是15～120 kev，在半导体电阻区的形成过程中通过控制离子注入的能量与快速退火的时间温度调整多晶硅电阻阻值。
44、进一步的，快速退火温度为800～1000℃，时间为20～30s，对多晶硅退火时可以使晶粒尺寸变大，晶界数量减少进而形成多晶硅电阻，与此同时退火工艺可以使源电极与漏电极与半导体沟道层形成良好的欧姆接触。
45、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
46、本发明将双栅型fet结构、氢气敏感栅极结构、工作点控制电路结合。
47、fet结构设置有双重栅电极，具有工作稳定、抗干扰能力强、低功耗、高增益且增益可控、易于集成等特点，可将化学信号转换的电信号充分可靠放大；
48、氢气敏感栅极结构为表面分散有氢气催化剂纳米团簇并包裹氧化锡薄膜的氧化镓的复合层，其中氧化镓薄膜由氧化锡量子点薄膜包裹，氧化锡量子点薄膜比表面积大，表面活性高，能给气体分子提供更多的吸附位点，可实现室温下对低浓度氢气的高灵敏探测；氧化锡量子点表面分布的氢气催化剂纳米团簇优先催化裂解氢气为氢原子，使其具备更强的反应活性，对氢气具有优良的选择性。同时，氧化锡量子点与氢气催化剂纳米团簇的颗粒尺寸均为纳米级别，表面活性高，能够降低气敏材料的工作温度，进一步提高该传感器在室温下对低浓度气体的高灵敏探测，具有广阔的应用场景。
49、结合工作点控制电路可提供多种氢气检测方案，传感器工作时流过半导体电阻与氢气敏感电阻的电流微弱，fet处于亚阈值区，使得氢气传感器或氢气传感阵列整体功耗低。同时，通过调整不同的电极电压设定，能够实现对传感器氢气分辨率的控制，可极大的扩展本发明的应用情景，如：将fet通过并联方式制备集成阵列，在传感器阵列外接积分电路存储感应信号，使用adc电路进行信号采集，连接计算机运算分析数据，对阵列中传感器统一进行偏压，利用fet的放大作用与并联各fet漏源电流相加的特性充分放大电信号，通过统一调整第二栅电极的偏压实现增益控制，改变电流达饱和时氢气浓度，扩大氢气测量范围，改变传感器的分辨率，并且集成后传感器可调增益范围扩大，可以应对不同情况下氢气检测需求；也可以统一进行偏压，使fet处于亚阈值区或强反型区，一旦暴露于氢气中，电路在极低的氢气浓度范围内实现增益遍历，实现低浓度氢气的高分辨率检测。
50、本发明建立在现有fet制造工艺上，可大大降低生产成本。根据应用需求，设计传感器矩阵，调整沟道长度、栅介质层厚度、叉指电极大小，设定合适的栅极、漏极、源极偏压等综合参数，可设计制备高性能的氢气传感器，以应对不同氢气浓度下高分辨率、低功耗、高效的氢气检测。
1.一种fet氢气传感器，其特征在于，从下到上依次包括衬底、沟道层、栅介质层、fet电极、隔离层、缓冲层、氢气感应层和叉指电极；
2.根据权利要求1所述的fet氢气传感器，其特征在于，所述p型外延层采用p型掺杂半导体薄膜，所述p型掺杂半导体薄膜的材质为硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓中的一种，其掺杂浓度为1×1015 cm-3～5×1016cm-3，厚度为0.5～2μm；
3.根据权利要求1所述的fet氢气传感器，其特征在于，所述栅介质层材质为氧化硅、氮化硅、氧化镓中的一种，其中，氧化硅的厚度为5~20nm，氮化硅的厚度为5~20nm，氧化镓的厚度为6~25nm。
4.根据权利要求1所述的fet氢气传感器，其特征在于，所述fet电极材质为镍、铂、铝、铜、金、银中的一种；
5.根据权利要求1所述的fet氢气传感器，其特征在于，所述衬底为氧化铝、硅、碳化硅、氮化镓、氮化铝中的一种；
6.根据权利要求1所述的fet氢气传感器，其特征在于，所述氢气敏感区包括由下到上依次设置的氧化镓薄膜、氧化锡薄膜、氢气催化剂纳米团簇；所述氧化镓薄膜的厚度为50~100nm；所述氧化锡薄膜为氧化锡量子点薄膜，且量子点直径为1~20nm；所述氢气催化剂纳米团簇分散于氧化锡薄膜表面，且氢气催化剂纳米团簇面积不超过氧化锡薄膜表面总面积的5%，所述氢气催化剂纳米团簇的材质为铂、钯、镍中的一种或多种，且直径为1~10nm；
7.根据权利要求1所述的fet氢气传感器，其特征在于，所述氢气敏感区、半导体电阻区以及叉指电极所组成的整体上表面积大于沟道层所占的面积，所述氢气敏感区、半导体电阻区以及叉指电极所组成的整体上表面积范围为150μm×150μm～500μm×500μm；
8.根据权利要求1所述的fet氢气传感器，其特征在于，所述叉指电极的材质为镍、铂、钯、铝、铜、金、银中的一种，其叉指间距为3～8μm，对数为15～25对，长度为30～80μm，厚度为50～150nm。
9.一种fet氢气传感器的制备方法，其特征在于，所述方法用于制备权利要求1~8任一项所述的fet氢气传感器，其包括：
10.根据权利要求9所述的fet氢气传感器的制备方法，其特征在于，在制备多晶硅的过程中，通过控制离子注入能量和退火的时间温度调整多晶硅的电阻阻值，所述离子为磷、砷、锑中的一种，其能量范围为15~120kev，退火温度为800~1000℃，退火时间为20~30s。
