金属氧化物半导体MEMS气体传感器研究进展

随着物联网的快速发展,各领域对气体监测的需求越来越大,基于先进微机电系统(Micro-electro-mechanical systems, MEMS)技术的金属氧化物半导体(Metal oxide semiconductor, MOS)气体传感器在过去几十年里取得了很大发展。MEMS微热板的多样化设计、MOSs纳米结构的多样化以及机器学习算法的出现为MEMS的传感性能以及智能传感系统的构建提供了很大助力。本文从MEMS气体传感器的分类、制备和应用以及传感器阵列的构建等方面综述了金属氧化物半导体MEMS气体传感器的最新研究进展,并对MEMS基气体传感器的发展前景进行了总结和展望。

高迁移率金属氧化物半导体薄膜晶体管的研究进展

基于金属氧化物半导体(MOS)的薄膜晶体管(TFT)由于较高的场效应迁移率(μFE)、极低的关断漏电流和大面积电性均匀等特点,已成为助推平板显示或柔性显示产业发展的一项关键技术。经过30余年的研究,非晶铟镓锌氧化物(a-IGZO)率先替代非晶硅(a-Si)在TFT中得到推广应用。然而,为了同时满足显示产业对更高生产效益、更佳显示性能(如高分辨率、高刷新率等)和更低功耗等多元升级要求,需要迁移率更高的MOS TFTs技术。本文从固体物理学的角度,系统综述了MOS TFTs通过多元MOS材料实现高迁移率特性的研究进展,并讨论了迁移率与器件稳定性之间的关系。最后,总结展望了MOS TFTs的现状和发展趋势。

金属氧化物半导体气体传感器选择性改进研究进展

选择性较差一直是金属氧化物半导体(MOS)传感器难以攻破的主要技术瓶颈。本文基于单层结构和分层结构两种角度,对目前解决MOS传感器选择性问题的技术途径进行了综述。基于单层结构提出的技术途径,能够在一定程度上提升传感器的选择性,但在实际应用环境下的抗干扰能力等方面存在一定的未知性和局限性。基于分层结构提出的技术途径,在对气体的响应过程中产生的具有差异性的特征,可以为传感器对目标气体的准确识别提供可靠依据。但分层结构MOS传感器一致性较难控制、制备技术要求较高、使用寿命相对较短等问题仍需进一步改进和完善。

不同栅压下Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性仿真

为了实现半导体器件在电离辐射环境中电学特性的动态退化过程,本文基于总剂量效应中陷阱对载流子的俘获/发射过程,建立了Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性数值模型.仿真了不同栅极偏压下,器件电学特性随累积总剂量的上升而造成的器件退化效应,并提取了Si/SiO_(2)界面和栅氧化层中陷阱电荷的变化.仿真发现,随着累计总剂量的上升,两个位置处陷阱电荷的数量都趋向于饱和.当辐照中栅极偏压为正时,器件阈值电压的退化幅度显著高于辐照偏压为负时的退化幅度.无论是辐照过程中栅极加正偏压还是反偏压,都表现出阈值电压的退化幅度随着偏压幅值上升先上升再下降的趋势.栅极偏压对器件辐照后的退火效应也有一定的影响,在退火过程中如果栅极偏压不为零,器件退火后的电学特性恢复幅度比零偏压下的要低一些.

低维金属氧化物半导体纳米材料设计与气敏性能研究

低维纳米金属氧化物半导体因其独特的微观结构、表界面性质,拥有优异的电学、光学、催化、吸脱附等特性,广泛应用于化学传感及其他功能领域。金属氧化物半导体材料的化学组成与晶体结构、微观形貌与表界面特性等在很大程度上决定器件的气敏行为;合适的半导体材料体系设计以及独特的低维微纳结构的构筑是实现高性能气敏响应的重要途径。本文聚焦金属氧化物半导体纳米材料的制备及其气敏响应机制的最新研究进展,总结了低维纳米金属氧化物半导体材料的设计、制备、改性方法,以及气敏响应机理等新结果,为气敏等功能材料领域研究者进一步研发高性能金属氧化物基气敏传感材料提供了较系统理论与技术参考。

金属氧化物半导体一维材料H_(2)S传感器研究进展

金属氧化物半导体具有较好的气敏性,基于金属氧化物半导体H_(2)S气体传感特性得到了广泛研究.然而,随着气体检测精细程度的增加,需要设计具有更优性能的纳米材料,来实现气体传感器检测下限和灵敏度的提高.同其他维度纳米材料相比,一维结构纳米材料由于具有良好的结晶度、较大的比表面积和独特的电子输运特性,在H_(2)S气敏性能提升上有明显优势.因此,本文主要以H_(2)S气体为主体,综述了基于金属氧化物半导体不同一维结构纳米材料的特点和一维结构纳米材料H_(2)S气体传感器的研究进展.讨论了金属氧化物半导体基一维结构纳米材料对H_(2)S气体传感的影响和气敏机理.最后,对金属氧化物半导体基一维结构纳米材料H_(2)S气体传感器的性能改进和未来应用前景进行了展望.

基于金属氧化物半导体的瓦斯气体传感器研究现状及进展

瓦斯是我国煤矿以及相关金属矿山安全事故发生的主要诱因。甲烷是瓦斯的主要成分,利用高性能气体传感器对甲烷进行及时的监测预警,可有效保障矿山井下作业的安全。金属氧化物半导体型传感器相比电化学式、气相色谱式、接触燃烧式、光学式等气体传感器,具有成本低、体积小、稳定性好和响应快等优点,因此应用前景广泛。介绍了几种常见的金属氧化物半导体甲烷气敏材料,分析其用于甲烷气体传感的基本原理和优势,总结得出提升金属氧化物半导体材料气敏性能的3个主要方向为形貌调控、贵金属掺杂和构建异质结。目前需要进一步围绕表面电阻控制、化学敏化和电子敏化等3种气敏提升机制进行优化制备。总体而言,金属氧化物半导体气敏材料的研究为开发高性能瓦斯传感器奠定了基础,并将有助于矿山的安全和可持续生产。

金属氧化物半导体对庚烷的气固复相光催化反应

制备 Ti O2 ,Fe2 O3 ,Zn O超细粉 ,采用 XRD对制得的超细粉进行结构、粒径表征 .考察不同粒径的超细粉和普通商品 (体相 ) Fe2 O3 ,Ti O2 ,Zn O对庚烷的光催化反应 .结果表明 ,光催化活性大小的顺序为 Ti O2 (锐态矿型 ) >Zn O>Fe2 O3 ,锐钛矿型 Ti O2 光催化活性较金红石型 Ti O2 好 ,对于同一结构的粒子来说 ,粒径越小 。

高分辨紫外电子轰击互补金属氧化物半导体器件的实验研究

基于真空紫外光电阴极和背照式互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器研制了紫外光响应的电子轰击CMOS(EBCMOS)器件,实现了EBCMOS器件在40 mlx光照度环境下的高分辨探测,电子图像灰度随电子能量的变化呈现出极好的线性关系.对器件成像分辨率测试的结果表明,在电场强度为5000 V/mm时,器件的空间分辨率可以达到25 lp/mm,与国际相关报道水平相当.研制的EBCMOS器件可直接在紫外弱光探测领域应用,如天文观察、高能物理、遥感测绘等,同时也可为下一步研制可见光和近红外敏感的EBCMOS器件提供参考.

基于4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器总剂量辐射效应研究

对基于4晶体管像素结构互补金属氧化物半导体图像传感器的电离总剂量效应进行了研究,着重分析了器件的满阱容量和暗电流随总剂量退化的物理机理.实验的总剂量为200 krad(Si),测试点分别为30 krad(Si),100 krad(Si),150 krad(Si)和200 krad(Si),剂量率为50 rad(Si)/s.实验结果发现随着辐照总剂量的增加,器件的满阱容量下降并且暗电流显著增加.其中辐照使得传输门沟道掺杂分布发生改变是满阱容量下降的主要原因,而暗电流退化则主要来自于浅槽隔离界面缺陷产生电流和传输门-光电二极管交叠区产生电流.实验还表明样品器件的转换增益在辐照前后未发生明显变化,并且与3晶体管像素结构不同,4晶体管像素结构的互补金属氧化物半导体图像传感器没有显著的总剂量辐照偏置效应.

超深亚微米互补金属氧化物半导体器件的剂量率效应

对0.18μm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的N型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)及静态随机存储器(SRAM)开展了不同剂量率下的电离总剂量辐照试验研究.结果表明:在相同累积剂量,SRAM的低剂量率辐照损伤要略大于高剂量率辐照的损伤,并且低剂量率辐照损伤要远大于高剂量率辐照加与低剂量率辐照时间相同的室温退火后的损伤.虽然NMOSFET低剂量率辐照损伤略小于高剂量率辐照损伤,但室温退火后,高剂量率辐照损伤同样要远小于低剂量率辐照损伤.研究结果表明0.18μm CMOS工艺器件的辐射损伤不是时间相关效应.利用数值模拟的方法提出了解释CMOS器件剂量率效应的理论模型.

40nm金属氧化物半导体场效应晶体管感应栅极噪声及互相关噪声频率与偏置依赖性建模

用于低功耗、混合信号及高频领域的CMOS技术的缩比进展,表明其最佳的高频性能已从低中反区转移至弱反区.高频噪声模型是射频与毫米波电路设计的先决条件,是纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)噪声分析的重要基础.本文基于40 nm MOSFET的器件物理结构,并结合漂移-扩散方程和电荷守恒定律,提出了基于物理的高频感应栅极电流噪声模型及其与漏极电流噪声的互相关噪声模型,以此来统一表征噪声从弱反区到强反区的频率与偏置依赖性.本文通过将有效栅极过载引入高频噪声模型中,使得统一模型具有良好的准确性、连续性和平滑性.最后,通过所建模型的仿真结果与实验结果的数据比较,验证了本文所建模型的准确性及其对长沟道器件在强反区的适用性.

金属氧化物半导体气敏机理探析

讨论了金属氧化物半导体表面的气 -气、气 -固反应及其相应的电子过程 ,建立了分析气敏作用机理的理论模型 ,并提出了改进传感器性能的指导性意见。

金属氧化物半导体气敏传感器稳定性研究进展

金属氧化物半导体(MOS)气敏传感器的稳定性是气敏器件实用化进程中最具有挑战性的因素。影响器件稳定性的主要因素包括颗粒尺寸、颈部宽度、微裂纹、电极、湿度和温度的变化。颗粒的长大和颗粒间颈部尺寸的变化降低了耗尽层对总电阻变化的贡献;微裂纹的加剧使器件的电阻发生漂移,并且为水蒸气、氧气和待测气体扩散到敏感膜内部提供便捷的通道;电极的退化影响电极与气敏材料之间的接触电阻Rc;温度和湿度的改变使气体的吸附、脱附、反应活性和电子迁移率等都发生变化,因而器件的稳定性得不到保证。在机理分析的基础上,分别介绍了提高器件稳定性的方法。

金属氧化物半导体纳米晶液相法控制合成研究进展

对金属氧化物纳米晶的晶型、形貌及晶粒大小调控方法进行了综述,重点介绍了液相合成体系中表面活性剂、溶剂、杂质离子等因素对纳米晶形貌、晶型的调控作用以及各种方法的特点,提出发展绿色、高选择性合成方法制备单分散结构可控的金属氧化物半导体纳米晶仍是今后重要的研究方向之一。

单轴应变Si n型金属氧化物半导体场效应晶体管源漏电流特性模型

本文在建立单轴应变Si n型金属氧化物半导体场效应晶体管迁移率模型和阈值电压模型的基础上,基于器件不同的工作区域,从基本的漂移扩散方程出发,分别建立了单轴应变Si NMOSFET源漏电流模型.其中将应力的影响显式地体现在迁移率和阈值电压模型中,使得所建立的模型能直观地反映出源漏电流特性与应力强度的关系.并且对于亚阈区电流模型,基于亚阈区反型电荷,而不是采用常用的有效沟道厚度近似的概念,从而提高了模型的精度.同时将所建模型的仿真结果与实验结果进行了比较,验证了模型的可行性.该模型已经被嵌入进电路仿真器中,实现了对单轴应变Si MOSFET器件和电路的模拟仿真.

金属氧化物半导体酒敏材料研究现状

概述了SnO_2、ZnO、Fe_2O_3和复合金属氧化物酒敏材料的研究现状,阐述了掺杂、材料粒径纳米化对酒敏性能的影响。介绍了In_2O_3酒敏材料的新进展:采用微乳液的方法制备出粗径8 nm的In_2O_3纳米材料,掺入少量的Pt、La_2O_3制得功耗低(<150 mW)、灵敏度高、选择性和稳定性好的乙醇气体传感器,响应时间7 s,恢复时间30 s;并对酒敏机理进行了浅析。

金属氧化物半导体SO2气体传感器的研究现状

介绍了气敏机理,总结了近年来国内外基于金属氧化物半导体的SO2气敏材料的研究现状,指出了基于金属氧化物半导体SO2气体传感器的不足之处,提出设计复合材料、优化合成方法是提高SO2气敏材料敏感特性的研究方向。

基于互补金属氧化物半导体的高精度地沟油检测计

利用地沟油与正常食用油的导电率不同导致单位体积电阻不同,提出一种基于互补金属氧化物半导体工艺(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)的线性检测模块。由于使用直接选择与短接到地的方法实现电阻串分压,使得分压线性度更高。在脉冲计数的作用下,电阻分压通过与参考电压相比较可以得到不同的高电平数,不仅可以区分地沟油与正常食用油,还可以得出正常油掺入地沟油的质量分数。在检测计核心电路设计方面,由于采用CMOS工艺设计,所以可以实现低面积和低功耗的检测。

金属氧化物半导体材料催化高氯酸铵热分解的研究进展

金属氧化物是由金属阳离子和氧阴离子通过离子键合排布成不同晶体结构的一类离子型化合物。部分金属氧化物的d壳没有被完全填充,使它们具有各种独特的性能,如宽的能带间隙、高的介电常数、活跃的电子转移能力以及优异的导电性等,因此在催化领域得到了广泛应用。本文介绍了单一金属氧化物、复合金属氧化物、掺杂金属氧化物和负载型金属氧化物四类半导体材料催化高氯酸铵热分解的研究现状,探讨了催化机理和影响催化效果的因素,分析得出P型金属氧化物半导体材料的禁带宽度越小,费米能级降低,逸出能越大,催化作用明显;对于N型来说,禁带宽度越大,费米能级升高,逸出能越小,催化效果越好。为了充分利用金属氧化物的优点克服其缺陷,常在金属氧化物中引入杂元素形成离子晶格缺陷和制造新的局部杂质能级以改变电子的跃迁,从而提高金属氧化物的催化性能。不论是复合金属氧化物,还是负载型金属氧化物,均存在对高氯酸铵的正协同催化效应。开发禁带宽度小的多孔纳米管P型金属氧化物、掺杂型金属氧化物和负载型金属氧化物材料仍是人们关注的重点。探索以高氯酸铵为基的核壳型复合材料、P-N结金属氧化物半导体催化材料以及探究载流子在两种半导体P-N界面间的迁移规律,有望成为提高催化效率的新途径。