悬空石墨烯场效应管声学传感器的制作方法

本申请涉及感测领域，特别是涉及一种悬空石墨烯场效应管声学传感器。

背景技术：

现有技术中，悬空石墨烯场效应管声学传感器的驱动电路通常需要电信号产生电路、调制电路等复杂的电路，这都增加了产品的成本。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种悬空石墨烯场效应管声学传感器。

一种悬空石墨烯场效应管声学传感器，包括：

基底；

栅结构，设置于所述基底，所述栅结构的表面设置有凹槽；

源极层和漏极层，设置于所述基底，并分别位于所述栅结构的两侧；

石墨烯膜层，覆盖于所述凹槽的表面，所述石墨烯膜层和所述凹槽包围形成第一空腔，所述石墨烯膜层的两端分别与源极层和漏极层连接。

在一个实施例中，还包括保护层，设置于所述基底靠近所述石墨烯膜层的表面，所述保护层和所述基底包围形成第二空腔，所述源极层和所述漏极层位于所述第二空腔内，所述第一空腔和所述第二空腔均为真空状态。

在一个实施例中，还包括

栅极直流电源，与所述栅结构电连接；以及

漏极直流电源，与所述漏极层电连接。

在一个实施例中，还包括；

第一电极层，设置于所述基底靠近所述石墨烯膜层的表面，并位于所述保护层背离所述漏极层的一侧，所述第一电极层和所述漏极层电连接；

第二电极层，设置于所述基底靠近所述石墨烯膜层的表面，并位于所述保护层背离所述源极层的一侧，所述第二电极层和所述源极层电连接。

在一个实施例中，还包括导电层，设置于所述基底靠近所述漏极层的一侧，并与所述栅结构间隔设置，所述导电层分别与所述漏极层和所述第一电极层连接。

在一个实施例中，还包括第一低通滤波器，所述第一低通滤波器分别与所述栅极直流电源的负极和所述漏极直流电源的负极连接。

在一个实施例中，还包括第一高通滤波器，所述第一高通滤波器分别与所述源极层和所述栅结构连接；

第二低通滤波器，连接用于所述漏极层和接地极之间。

在一个实施例中，还包括第三低通滤波器，连接于所述第一高通滤波器和所述栅极直流电源的正极之间。

在一个实施例中，还包括带通滤波器、增益调整器和相位调整器，依次连接于所述第一高通滤波器和所述栅结构之间。

在一个实施例中，还包括第二高通滤波器，连接于所述相位调整器和所述栅结构之间。

本申请实施例提供的所述悬空石墨烯场效应管声学传感器，所述石墨烯膜层覆盖于所述栅结构的表面，并将所述凹槽覆盖。因此，所述凹槽和所述石墨烯膜层构成所述第一空腔。由于所述石墨烯膜层厚度较小，因此可以受到机械声波的冲击后会产生振动。尤其在所述第一空腔处的所述石墨烯膜层更容易产生振动。在所述凹槽处，所述石墨烯膜层悬空的部分在受到声波压力的激励时与所述基底之间的距离会发生相应变化。所述石墨烯膜层、所述基底可以等效为栅极电容cgate的两个电极，所述第一空腔的真空状态构成电容电介质。因此所述石墨烯膜层和所述基底之间的距离发生变化时，所述栅极电容cgate的电容值就会发生变化。进一步地，所述石墨烯膜层为半导体材料，因此可以转换电信号的功能。所以所述石墨烯膜层可以具有感知声波和转化电信号双重功能。因此所述悬空石墨烯场效应管声学传感器结构简单，降低了生产成本。进一步地，所述石墨烯膜层具相比其他声波敏感材料更宽的声学响应通频带。

附图说明

图1为本申请一个实施例提供的悬空石墨烯场效应管声学传感器截面图；

图2为本申请一个实施例提供的电路图；

图3为本申请一个实施例提供的栅极电压和电导率关系图；

图4为本申请一个实施例提供的电路图；

图5为本申请一个实施例提供的交流输出波形与时间关系图；

图6为本申请一个实施例提供的交流输出频率与栅极电压关系图；

图7为本申请一个实施例提供的电路图；

图8为本申请一个实施例提供的信号与频率关系图；

图9为本申请一个实施例提供的输出信号与频率关系图；

图10为本申请一个实施例提供的归一化灵敏度和频率关系图。

附图标记说明

悬空石墨烯场效应管声学传感器10

基底100

栅结构110

栅介质层112

栅电极层114

凹槽120

源极层130

漏极层140

石墨烯膜层150

第一空腔160

栅极直流电源170

漏极直流电源180

保护层190

第二空腔210

第一电极层220

第二电极层230

导电层240

第一低通滤波器250

第一高通滤波器260

第二低通滤波器270

第三低通滤波器280

带通滤波器290

增益调整器310

相位调整器320

第二高通滤波器330

声波发生器340

电流表350

接地极360

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的物件，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水准”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水准高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水准高度小于第二特征。

请参见图1和图2，本申请实施例提供一种悬空石墨烯场效应管声学传感器10。所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10可以为石墨烯场效应管感应器。所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10包括基底100、栅结构110、源极层130、漏极层140和石墨烯膜层150。所述栅结构110设置于所述基底100。所述栅结构110的表面设置有凹槽120。所述源极层130和所述漏极层140间隔设置于所述基底100的表面，并位于所述栅结构110的两侧。所述石墨烯膜层150设置于所述栅结构110靠近所述凹槽120的表面。所述石墨烯膜层150分别与所述源极层130和所述漏极层140电连接。所述石墨烯膜层150和所述凹槽120包围形成第一空腔160。所述石墨烯膜层150可以构成石墨烯沟道层。所述凹槽120可以为多个，多个所述凹槽120可以呈阵列设置于所述栅结构110的表面。

在一个实施例中，所述石墨烯膜层150为单层石墨烯薄膜。因此可以减小所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10的体积，并可以提高所述石墨烯膜层150对于声波振动的灵敏度。所述单层石墨烯薄膜的厚度可以为0.3纳米到0.4纳米。在一个实施例中所述石墨烯薄膜的厚度为0.33纳米。

在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括所述保护层190。所述保护层190设置于所述基底100靠近所述石墨烯膜层150的表面。所述保护层190和所述基底100包围形成第二空腔210。所述源极层130和所述漏极层140位于所述第二空腔210内。可以理解，所述第二空腔210内可以为真空状态。因此所述第一空腔160内也可以为真空状态，可以提高所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10的灵敏度。所述源极层130和所述漏极层140位于所述第二空腔210内。所述第一空腔160和所述第二空腔210均为真空状态。

在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括栅极直流电源170和漏极直流电源180。所述栅极直流电源170与所述栅结构110连接。所述漏极直流电源180与所述漏极层140电连接。

所述基底100可以为硅基底100或者由其他材料(例如锗)形成的半导体基底100。所述基底100可以为掺杂半导体基底100。所述掺杂半导体基底100可以为n型掺杂半导体基底100，也可为p型掺杂半导体基底100。p型硅典型掺杂浓度为10¹⁶cm^-3水平。通过光刻和局域化离子注入操作形成互补n+型重掺杂栅结构110和漏极层140区域。在一个实施例中，所述基底100110为p型掺杂硅基底100。当p型硅基底100电位保持为接地(0v)时，正的栅结构110电压(vgs>0，最大不超过8v以防击穿)和正的漏极层140电压(vds>0，一般很低，10mv即可)可以通过pn结反偏原理实现可靠的电气隔离。

所述凹槽120的形状不限，可以是任意形状的凹槽120，例如可以是圆柱形、长方体、正方体、球形、锥形等。但所述凹槽120的形状、尺寸以及多个凹槽120之间的间距影响石墨烯场效应管的载流子迁移率。

在一个实施例中，所述凹槽120为圆柱形，所述凹槽120的直径可以为500nm。所述凹槽120可以呈正方形阵列排布。在每一行和每一列，相邻的所述凹槽120的中心间距为1μm。

在一个实施例中，所述圆柱形凹槽120的直径为400nm至600nm，所述圆柱形凹槽120的深度为50nm至150nm。相邻凹槽120圆心之间的间距为0.5μm～2μm。相邻凹槽120之间的间距相同。

在一个实施例中，每相邻的四个所述凹槽120呈正方形排布。为了获得更优的载流子迁移率，所述凹槽120的总面积占所述石墨烯导电沟道层面积的比值大于等于π/16。

在一个实施例中，所述石墨烯膜层150可以为单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯中的至少一种。在一个实施例中，所述石墨烯膜层150可以设置于所述栅结构110的垂直上方。在一个实施例中，所述石墨烯膜层150尺寸设定为40μm×40μm。

在一个实施例中，可以采用化学气相沉积方法形成石墨烯薄膜，然后将所述石墨烯薄膜转移至栅结构110上形成所述石墨烯膜层150。

所述源极层130和所述漏极层140可以由任何适宜的材料形成。例如，所述源极层130和所述漏极层140的材料可以包括ti、pt、cr、au、al、ni、cu、ag和ito等中的至少一种。所述源极层130和所述漏极层140的材料可以相同。所述源极层130和所述漏极层140可以在同一工序中同时形成。

所述栅结构110可以由任何适宜的材料形成。在一个实施例中，所述栅结构110可以包括金属材料。所述栅结构110与所述基底100之间还可以形成有绝缘层(例如sio2绝缘层)。所述金属材料可以是ti、pt、cr、au、al、ni、cu和ag等中的至少一种。在一个实施例中，所述基底100为掺杂半导体基底100，可以直接对所述掺杂半导体基底100进行局部互补掺杂以形成所述栅结构110。例如，可以对p型掺杂硅基底100进行局部的n型重掺杂，以形成所述栅结构110中导电的部分。

在一个实施例中，所述石墨烯膜层150可以分别与所述源极层130和所述漏极层140接触达到电连接的目的。所述栅极直流电源170可以为所述栅结构110提供直流电压。所述漏极直流电源180可以为所述漏极层140提供直流电压。

所述保护层190的材料为绝缘材料，在一个实施例中，所述保护层190为氧化硅。所述保护层190的设置可以避免石墨烯受到外部污染影响其载流子迁移率的稳定性。进一步地，所述第二空腔210内可以为真空状态，因此可以避免所述石墨烯膜层150振动时受到空气阻尼影响，提高谐振的效果。可以理解，所述源极层130和所述漏极层140可以与所述第二空腔210的内壁接触。

可以理解，所述石墨烯膜层150覆盖于所述栅结构110的表面，并将所述凹槽120覆盖。因此，所述凹槽120和所述石墨烯膜层150构成所述第一空腔160。由于所述石墨烯膜层150厚度较小，因此可以受到机械声波的冲击后会产生振动。尤其在所述第一空腔160处的所述石墨烯膜层150更容易产生振动。在所述凹槽120处，所述石墨烯膜层150悬空的部分在受到声波压力的激励时与所述基底100之间的距离会发生相应变化。所述石墨烯膜层150、所述基底100可以等效为栅极电容cgate的两个电极，所述第一空腔160的真空状态构成电容电介质。因此所述石墨烯膜层150和所述基底100之间的距离发生变化时，所述栅极电容cgate的电容值就会发生变化。进一步地，所述石墨烯膜层150为半导体材料，因此可以转换电信号的功能。所以所述石墨烯膜层150可以具有感知声波和转化电信号双重功能。因此所述悬空石墨烯场效应管声学传感器结构简单，降低了生产成本。进一步地，所述石墨烯膜层150具相比其他声波敏感材料更宽的声学响应通频带。

所述栅极电容cgate即是受到所述石墨烯膜层150振动影响的可变电容。所述石墨烯膜层150的电气约束关系可以通过电荷守恒定律表示为：vchcc-vgs[cgatecq/(cgate+cq)]＝qn，式中，n表示石墨烯内部载流子密度；q表示单位电荷量；vch表示石墨烯的化学势(即电位)，且所述石墨烯膜层150作为零带隙半导体，其特殊能带结构有近似关系vchcq≈2qn。据此，前述电荷守恒方程可以近似简化为：vgscgate≈qn，这恰恰符合场效应管器件电气特性的通用描述。因此，有声波激励导致的所述栅极电容变化δcgate与所述石墨烯膜层150的载流子密度变化相关，进而产生的场效应管电信号响应根据drude模型(σ＝μqn，σ为半导体电导率；μ为载流子迁移率)可表示为：即当载流子迁移率μ很高且变化不大的条件下，声波激励产生电信号响应是近似线性变化的器件电导率(正比于漏极电流)，且灵敏度很高。即能直接测量的所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10的输出电信号是流过漏极的电流ids，它与电导率σ有正比关系：

式中，l是石墨烯导电沟道的长度，w是石墨烯导电沟道的宽度(定义为长宽比，如果石墨烯导电沟道是正方形则没有此项出现)；vds是漏极电压，漏极电压可以是一个10mv或几十毫伏的较小的直流电压。因此，通过所述漏极的电流ids可以得到所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10的输出电信号。实验证明，所述石墨烯膜层150在1–210khz范围内响应增益几乎是平坦的，覆盖声波和低频超声波频带。且由所述石墨烯膜层150发出的载波具有一定的可调性。

通过所述栅极直流电源170给所述栅结构110施加一个正的栅极电压vgs，另外通过所述漏极直流电源180给所述漏极层140施加一个较小的漏极电压vds。在一个实施例中，所述漏极电压vds可以为10mv。然后通过电流表350测量器件的漏极电流输出。进而通过所述漏极电流获取电导率输出信号。由于所述石墨烯膜层150在所述凹槽120处具有悬空部位，在施加正的所述栅极电压vgs时，所述石墨烯膜层150必定会因电场效应使得电子密度的上升，或者为或空穴密度的降低。这样所述栅极层和所述石墨烯膜层150之间的库仑力就会使悬空部位的所述石墨烯膜层150产生拉力形变(等效距离变小)，所述栅极电容cgate就会变大。所述库仑力的作用类似于声音信号产生的压力作用。因此，通过不断调整直流栅极电压vgs即可验证力的作用可以使悬空石墨烯场效应管产生电导率变化。

请参见图3，当声波压力施加到所述石墨烯膜层150上导致所述石墨烯膜层150形变时，所述石墨烯膜层150的载流子密度和电导率也应该发生类似变化，从而产生输出电信号。

在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括第一电极层220和第二电极层230。所述第一电极层220设置于所述基底100靠近所述石墨烯膜层150的表面，并位于所述保护层190背离所述源极层130的一侧。所述第一电极层220和所述漏极层140电连接。所述第二电极层230设置于所述基底100靠近所述石墨烯膜层150的表面，并位于所述第二空腔210的外侧。所述第二电极层230和所述源极层130电连接。因此，所述漏极层140可以通过第一电极层220与外界电路连接，所述源极层130可以通过所述第二电极层230与外界电路连接。在一个实施例中，所述源极层130可以通过所述基底100与所述第一电极连接。

在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括导电层240。所述导电层240设置于所述基底100靠近所述漏极层140的一侧。所述导电层240与所述栅结构110间隔设置。所述导电层240分别与所述漏极层140和所述第一电极层220连接。所述导电层240可以为所述基底100中的n+型重掺杂漏极区域。所述漏极层140通过所述导电层240与所述第一电极层220电连接。

在一个实施例中，所述栅结构110包括层叠设置的栅介质层112和栅电极层114，所述栅介质层112靠近所述石墨烯膜层150设置。所述栅介质层112可以为在n+型重掺杂栅极区域上方通过光刻和局域化原子层蒸镀沉积的高介电常数固态电介质薄层。在一个实施例中所述高介电常数固态电介质薄层可以为hfo2、zro2、和al2o3中的至少一种。在一实施例中，所述栅介质层112124的材料是铝氧铪复合物(hfxalyo2，由hfo2与al2o3复合形成)。所述栅介质层112124的厚度可以为1nm至100nm。优选地，所述栅介质层112124的厚度为10nm至15nm，该厚度范围不会引发针孔击穿风险。所述栅介质层112124可以采用原子层蒸镀沉积制备，该方法制得的栅介质层112均匀性和覆盖性更优。在一个实施例中可以采用干氧氧化法(使用o3前驱物)，避免水汽氧化法的针孔击穿风险。所述栅介质可以作为器件的栅极电容层。

所述栅电极层114可以由任何适宜的材料形成。在一个实施例中，所述栅电极层114可以由金属材料形成。所述栅电极层114与所述基底100之间还可以形成有绝缘层(例如sio2绝缘层)。所述金属材料可以是ti、pt、cr、au、al、ni、cu和ag等中的至少一种。在一个实施例中，所述基底100110为掺杂半导体基底100，可以直接对所述掺杂半导体基底100进行局部互补掺杂以形成栅电极层114。例如，可以对p型掺杂硅基底100进行局部的n型重掺杂，以形成导电的所述栅电极层114。

在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括第一低通滤波器250。所述第一低通滤波器250分别与所述栅极直流电源170的负极和所述漏极直流电源180的负极连接。通过所述第一低通滤波器250可以防止所述栅极直流电源170和所述漏极直流电源180相互干扰。在一个实施例中，所述第一低通滤波器250可以为隔离磁珠。

请参见图4，在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括第一高通滤波器260和第二低通滤波器270。所述第一高通滤波器260分别与所述源极层130和所述栅结构110连接。所述第二低通滤波器270连接用于所述漏极层140和接地极360之间。因此，所述源极层130、所述第一高通滤波器260和所述栅结构110构成高通网络，输出交流电。所述源极层130、所述第二低通滤波器270和接地极360构成低通网络，输出直流电。可以理解，所述第一高通滤波器260可以为电容。所述第二低通滤波器270可以为隔离磁珠。

在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括第三低通滤波器280。所述第三低通滤波器280连接于所述第一高通滤波器260和所述栅极直流电源170的正极之间。所述第三低通滤波器280可以为隔离磁珠。通过所述第三低通滤波器280可以起到格力直流的作用。避免所述栅极直流电源170对所述高通网络形成的回路产生干扰。

在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括依次连接的带通滤波器290、增益调整器310和相位调整器320。其中，所述带通滤波器290与所述第一高通滤波器260连接。所述相位调整器320与所述栅结构110连接。

在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括第二高通滤波器330。所述第二高通滤波器330连接于所述相位调整器320和所述栅结构110之间。通过所述第二高通滤波器330可以进一步减少直流对所述高通网络形成的回路的影响。

其中，所述低通网络输出电流与上述实施例相同，这里不再赘述。

对于所述高通网络，当温度高于绝对零度时，任何器件都是存在热噪声的，因此输出信号必然含有微小的交流纹波成份。通过所述高通网络形成的反馈回路，可以将该交流电部分反馈回所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10的栅结构110。所述交流电部分与所述栅极电压vgs叠加可能产生自激、形成高频振荡的载波。

请参见图5，因此，当将所述栅极电压vgs锁定在不同的直流电压值时，可以经过所述高通网络的闭环正反馈，能产生频率在数十兆赫兹水平的高频谐振信号，波形与正弦波非常接近，显示出很高的品质因数(q值)。高频谐振频率fosc与直流栅极电压vgs显示出一定的正相关关系。

如图6所示，当栅极电压vgs＝1.5v时，谐振频率大约在38mhz。所述栅极电压vgs增加到4v时，谐振频率升高到43mhz左右。这一现象可以是因直流的所述栅极电压vgs产生的静态库仑力拉力不同导致的。静态库仑力拉力改变会导致所述石墨烯膜层150应力性能发送变化。由于数十兆赫兹水平的高频谐振波形已经可以直接用作载波对基带信号进行调制，从而实现电信号的无线通信，因此本申请实施例提供的所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10不需要额外设计高频振荡电路，具有实用更加简捷的优势。可调的高频载波也有利于通过选择合适的所述栅极电压vgs选取不同的载波频率，从而在多个器件一起使用时实现无线电信号的频分复用。

请参见图7，在一个实施例中，所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10还包括声波发生器340。所述声波发生器用于向所述石墨烯膜层150发出声波。所述声波发生器340可以为可编程声波发生器340。声波发生器340发射的声波信号作为已知的激励信号。声波激励产生的基带信号会对所述高通网络形成的高频载波形成调制作用，产生常规调幅(amplitudemodulation,am)信号。由于所述载波频率是可测的，可以使用相干解调方法将所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10的基带响应信号提取出来，并通过比较已知的声波激励信号与石墨烯基带响应信号分析所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10的传感性能。

请参见图8，发射的声波信号最高频率为210khz，这一频谱完全覆盖人类的听阈(20khz以下)，进入了超声波范围。

请参见图9，而通过解调，可以获取所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10对该声波的响应信号频谱，

请参见图10，对比图8和图9，可知，当声波频率低于210khz时，传感器件的响应基本与激励信号强度成正比，因此所述悬空石墨烯场效应管声学传感器10对很宽的声波频带内(<210khz)都是平坦的。因此所述墨烯场效应管悬空石墨烯场效应管声学传感器具有较大的检测范围。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

本发明受到以下研究支持：中国国家自然科学基金(61901300),天津市自然科学基金(18jcybjc86000),天津市教委科研计划(2018kj153)。