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CN107203803A - 带电粒子计数装置及其制造方法 - Google Patents

带电粒子计数装置及其制造方法 Download PDF

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CN107203803A CN201710399348.6A CN201710399348A CN107203803A CN 107203803 A CN107203803 A CN 107203803A CN 201710399348 A CN201710399348 A CN 201710399348A CN 107203803 A CN107203803 A CN 107203803A
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Abstract

本发明公开了一种带电粒子计数装置及其制造方法，属于带电粒子测量领域。包括：碳纳米管晶体管、磁电感应线圈和模拟数字转换器；碳纳米管晶体管的栅极与磁电感应线圈的一端电连接，磁电感应线圈的另一端接地，碳纳米管晶体管的第一极与模拟数字转换器电连接，碳纳米管晶体管的第二极用于加载供电电压，当带正电的带电粒子流通过磁电感应线圈，且磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道；当带负电的带电粒子流通过磁电感应线圈，且磁电感应线圈产生的第二感生电压小于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道。本发明解决了带电粒子计数装置功能单一的问题。本发明用于带电粒子的计数。

Description

带电粒子计数装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及带电粒子测量领域，特别涉及一种带电粒子计数装置及其制造方法。
背景技术
在很多物理或化学实验中，常常需要对带电粒子进行计数，例如对溶液中的阴离子或阳离子进行计数以计算溶液的浓度，以及探测真空中的带电粒子数等。
相关技术中，带电粒子计数装置一般包括磁电感应线圈、场效应管和模拟数字转换器，场效应管分为N型场效应管或P型场效应管，N型场效应管或P型场效应管与磁电感应线圈电连接。以探测真空中的带电粒子数为例，当真空中的粒子带负电时，可以利用连接有P型场效应管的磁电感应线圈进行计数，具体过程包括：当带电粒子通过磁电感应线圈时，模拟数字转换器监测P型场效应管中的电流大小，并根据电流大小计算带负电的粒子数量；当真空中的粒子带正电时，可以利用连接有N型场效应管的磁电感应线圈进行计数，具体过程包括：当带电粒子通过磁电感应线圈时，模拟数字转换器监测N型场效应管中的电流大小，并根据电流大小计算带正电的粒子数量。
但是，相关技术中的带电粒子计数装置，在场效应管为N型场效应管的情况下，该装置用于对带正电的粒子进行计数；在场效应管为P型场效应管的情况下，该装置用于对带负电的粒子进行计数，所以该装置只能对带正电的粒子进行计数或者对带负电的粒子进行计数，功能比较单一。
发明内容
为了解决相关技术中带电粒子计数装置的功能比较单一的问题，本发明实施例提供了一种带电粒子计数装置及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种带电粒子计数装置，所述装置包括：
碳纳米管晶体管、磁电感应线圈和模拟数字转换器；
其中，所述碳纳米管晶体管的栅极与所述磁电感应线圈的一端电连接，所述磁电感应线圈的另一端接地，所述碳纳米管晶体管的第一极与所述模拟数字转换器电连接，所述碳纳米管晶体管的第二极用于加载供电电压，所述第一极和所述第二极分别为源极和漏极中的一个，
当带正电的带电粒子流通过所述磁电感应线圈，且所述磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值时，所述碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，且所述N型沟道处于打开状态；当带负电的带电粒子流通过所述磁电感应线圈，且所述磁电感应线圈产生的第二感生电压小于预设电压阈值时，所述碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，且所述P型沟道处于打开状态。
可选的，所述碳纳米管晶体管包括：
衬底基板，以及依次设置在所述衬底基板上的栅极图形、绝缘层、碳纳米管薄膜图形、电子阻挡层、源漏极金属图形、保护层和氧化铟锡电极层，所述源漏极金属图形包括所述源极和所述漏极。
可选的，所述源漏极金属图形为厚度为300纳米的铜金属图形。
可选的，所述保护层为厚度为100纳米的氧化铝层。
另一方面，提供了一种带电粒子计数装置的制造方法，所述方法包括：
形成碳纳米管晶体管；
将所述碳纳米管晶体管的栅极与磁电感应线圈的一端电连接，所述磁电感应线圈的另一端接地；
将所述碳纳米管晶体管的第一极与模拟数字转换器电连接；
给所述碳纳米管晶体管的第二极加载供电电压，所述第一极和所述第二极分别为源极和漏极中的一个。
可选的，所述形成碳纳米管晶体管，包括：
在衬底基板上依次形成栅极图形、绝缘层、碳纳米管薄膜图形、电子阻挡层、源漏极金属图形、保护层和氧化铟锡电极层，所述源漏极金属图形包括源极和漏极。
可选的，在所述衬底基板上形成所述碳纳米管薄膜图形，包括：
采用提拉法在所述绝缘层上形成碳纳米管薄膜层；
对所述碳纳米管薄膜层进行一次构图工艺，形成所述碳纳米管薄膜图形。
可选的，所述源漏极金属图形为厚度为300纳米的铜金属图形。
可选的，采用原子层沉积的方式形成所述保护层。
可选的，所述保护层为厚度为100纳米的氧化铝层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
提供了带电粒子计数装置及其制造方法，当磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压大于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，可用于对带正电的粒子进行计数；当磁电感应线圈产生的第二感生电压小于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压小于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，可用于对带负电的粒子进行计数，因此该带电粒子计数装置既可用于带正电的带电粒子的计数，也可用于带负电的带电粒子的计数，丰富了带电粒子计数装置的功能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种带电粒子计数装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种碳纳米管晶体管的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种碳纳米管晶体管的双开关特性示意图；
图4-1是本发明实施例提供的一种碳纳米管晶体管的电路原理图；
图4-2是本发明实施例提供的另一种碳纳米管晶体管的电路原理图；
图5是本发明实施例提供的一种带电粒子计数装置的制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种带电粒子计数装置，如图1所示，该装置包括：
碳纳米管晶体管10、磁电感应线圈20和模拟数字转换器30。
其中，碳纳米管晶体管10的栅极101与磁电感应线圈20的一端电连接，磁电感应线圈20的另一端接地，碳纳米管晶体管10的第一极102与模拟数字转换器30电连接，碳纳米管晶体管10的第二极103用于加载供电电压，第一极和第二极分别为源极和漏极中的一个。也即是，第一极为源极，第二极为漏极。或者，第一极为漏极，第二极为源极。
在本发明实施例中，以第一极为漏极，第二极为源极为例进行说明。
当带正电的带电粒子流γ1通过磁电感应线圈20，且磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，且该N型沟道处于打开状态；当带负电的带电粒子流γ2通过磁电感应线圈20，且磁电感应线圈产生的第二感生电压小于预设电压阈值时，该碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，且该P型沟道处于打开状态。
综上所述，本发明实施例提供的带电粒子计数装置，当磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压大于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，可用于对带正电的粒子进行计数，当磁电感应线圈产生的第二感生电压小于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压小于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，可用于对带负电的粒子进行计数，因此该带电粒子计数装置既可用于带正电的带电粒子的计数，也可用于带负电的带电粒子的计数，丰富了带电粒子计数装置的功能。
需要说明的是，碳纳米管的本征载流子为电子，理论上而言，将碳纳米管作为薄膜晶体管的沟道材料时，碳纳米管晶体管(以碳纳米管为沟道材料的薄膜晶体管称为碳纳米管晶体管)应为N型晶体管，但由于碳纳米管表面容易吸附空气中的水氧空穴(例如羟基、环氧基等基团)，实际在未封装的情况下，碳纳米管晶体管为P型晶体管。在利用封装材料将碳纳米管晶体管封装后，封装材料将空气中的水氧空穴隔绝，平衡了碳纳米管中的空穴和电子载流子，因此碳纳米管晶体管能够显示出双极性，也即是在一定条件下，碳纳米管晶体管的沟道可以为N型沟道，或者碳纳米管晶体管的沟道可以为P型沟道。
可选的，本发明实施例中，封装结构包括衬底基板和保护层。示例的，碳纳米管晶体管10的结构可以如图2所示，碳纳米管晶体管10可以包括：
衬底基板104，以及依次设置在衬底基板104上的栅极图形101、绝缘层105、碳纳米管薄膜图形106、电子阻挡层107、源漏极金属图形、保护层108和氧化铟锡电极层109，其中，源漏极金属图形可以包括源极103和漏极102。
其中，源漏极金属图形可以为厚度为300纳米的铜金属图形。由于铜是常见的非贵金属中与碳纳米管的功函数相对比较接近的金属，碳纳米管的功函数为4.4电子伏(简称：eV)，铜的功函数为4.65eV，因此当铜金属图形与碳纳米管薄膜图形接触时，铜金属图形与碳纳米管薄膜图形之间的功函数差相对较小，能够降低铜金属图形与碳纳米管薄膜图形的接触面势垒，易于形成欧姆接触，也即是可以尽量减少电子传输过程中的损耗，提高碳纳米管晶体管的灵敏度。
可选的，保护层可以为厚度为100纳米的氧化铝层。由于氧化铝层的致密性高，可以有效地隔绝空气中的水氧，保证了碳纳米管晶体管的双极性特性。保护层的材质还可以为氧化硅和/或氮化硅，本发明实施例对保护层的材质不做限定。
可选的，衬底基板可以为玻璃基板，也可以为硅片或者柔性聚酰亚胺(英文：Polyimide；简称：PI)衬底，本发明实施例对衬底基板的材质不做限定。
图3示出了本发明实施例提供的碳纳米管晶体管的双开关特性的示意图，图中横坐标代表栅极电压Vg的大小，单位为伏特(简称：V)，纵坐标代表漏极电流I0的大小，单位为安培(简称：A)，其中，预设电压阈值为V0，源极上加载的供电电压可以为-5.1V。实际应用中，源极上加载的供电电压可以由碳纳米管晶体管的输出功率来确定，本发明实施例对源极上加载的供电电压的大小不做限定。
如图3所示，栅极电压Vg的大小从10V到-10V的变化过程中，当磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值，也即是Vg大于V0时，碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，碳纳米管晶体管的电路原理图可以参见图4-1，G为栅极，D为漏极，S为源极，随着栅极电压Vg的增大，漏极电流I0也增大。当Vg小于V0时，G为栅极，D为漏极，S为源极，碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，碳纳米管晶体管的电路原理图可以参见图4-2，随着栅极电压Vg的减小，漏极电流I0增大。从图3中可以看出，预设电压阈值V0的值可以为负值，实际应用中可以在栅极加载补偿电压，将预设电压阈值设置为0。
示例的，本发明实施例提供的带电粒子计数装置可以对真空中或者溶液中的带电粒子进行计数，以对溶液中的带电粒子进行计数为例说明，计数过程可以为：
将磁电感应线圈放入未知电性的待测溶液中，当溶液中大多数粒子带正电时，带电粒子通过磁电感应线圈的通道，磁电感应线圈能够产生感生电压，由于磁电感应线圈的一端与碳纳米管晶体管的栅极电连接，另一端接地，磁电感应线圈根据带电粒子的运动产生感生电压，碳纳米管晶体管的栅极电压等于感生电压，由于带正电的粒子通过磁电感应线圈的通道时，磁电感应线圈产生的感生电压为正，因此碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，随着感生电压的增大，漏极电流也增大，与碳纳米管晶体管的漏极电连接的模拟数字转换器可以根据漏极电流计算溶液中带正电的带电粒子的数量，具体过程可以参考相关技术；同理，当溶液中大多数粒子带负电时，由于带负电的粒子通过磁电感应线圈的通道时，磁电感应线圈产生的感生电压为负，因此碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，随着感生电压的减小，漏极电流增大，与碳纳米管晶体管的漏极电连接的模拟数字转换器可以根据漏极电流计算溶液中带负电的带电粒子的数量，具体过程可以参考相关技术。因此。本发明实施例提供的带电粒子计数装置既可用于带正电的带电粒子的计数，也可用于带负电的带电粒子的计数，实现了利用单一器件测量多种电性的带电粒子的功能。
需要说明的是，本发明实施例提供的带电粒子计数装置还可以用于其他带电测试，例如用于测试电池电解质溶液中正负离子团的移动。
此外，由于碳纳米管晶体管具有双极性特性，可以在单一器件中实现双开关特性，能够极大地简化需要具备双开关特性的器件的制备过程，并降低器件的待机功耗，因此碳纳米管晶体管适用于温控、压控等多种回馈电路中，本发明实施例在此不做赘述。
综上所述，本发明实施例提供的带电粒子计数装置，当磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压大于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，可用于对带正电的粒子进行计数，当磁电感应线圈产生的第二感生电压小于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压小于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，可用于对带负电的粒子进行计数，因此该带电粒子计数装置既可用于带正电的带电粒子的计数，也可用于带负电的带电粒子的计数，丰富了带电粒子计数装置的功能。
本发明实施例提供了一种带电粒子计数装置的制造方法，如图5所示，该方法可以包括：
步骤501、形成碳纳米管晶体管。
步骤502、将碳纳米管晶体管的栅极与磁电感应线圈的一端电连接，该磁电感应线圈的另一端接地。
步骤503、将碳纳米管晶体管的第一极与模拟数字转换器电连接。
步骤504、给碳纳米管晶体管的第二极加载供电电压，第一极和第二极分别为源极和漏极中的一个。
综上所述，本发明实施例提供的带电粒子计数装置的制造方法，将碳纳米管晶体管的栅极与磁电感应线圈的一端电连接，将碳纳米管晶体管的源极或漏极与模拟数字转换器连接，当磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压大于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，可用于对带正电的粒子进行计数，当磁电感应线圈产生的第二感生电压小于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压小于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，可用于对带负电的粒子进行计数，因此该带电粒子计数装置既可用于带正电的带电粒子的计数，也可用于带负电的带电粒子的计数，丰富了带电粒子计数装置的功能。
在本发明实施例中，以第一极为漏极，第二极为源极为例进行说明。源极上加载的供电电压的大小可以为-5.1V，由于源极上加载的供电电压的大小取决于碳纳米管晶体管的输出功率，本发明实施例对源极上加载的供电电压的大小不做限定。
可选的，碳纳米管晶体管的栅极与磁电感应线圈的一端可以采用键合(英文：bonding)的方式连接。
其中，形成碳纳米管晶体管的过程，可以包括：
在衬底基板上依次形成栅极图形、绝缘层、碳纳米管薄膜图形、电子阻挡层、源漏极金属图形、保护层和氧化铟锡电极层，所述源漏极金属图形包括源极和漏极。
可选的，源漏极金属图形可以为厚度为300纳米的铜金属图形。由于铜是常见的非贵金属中与碳纳米管的功函数相对比较接近的金属，碳纳米管的功函数为4.4eV，铜的功函数为4.65eV，因此当铜金属图形与碳纳米管薄膜图形接触时，铜金属图形与碳纳米管薄膜图形之间的功函数差相对较小，能够降低铜金属图形与碳纳米管薄膜图形的接触面势垒，易于形成欧姆接触，也即是可以尽量减少电子传输过程中的损耗，提高碳纳米管晶体管的灵敏度。
可选的，保护层可以为厚度为100纳米的氧化铝层。由于氧化铝层的致密性高，可以有效地隔绝空气中的水氧，保证了碳纳米管晶体管的双极性特性。保护层的材质还可以为氧化硅和/或氮化硅，本发明实施例对保护层的材质不做限定。
可选的，衬底基板可以为玻璃基板，也可以为硅片或者PI衬底，本发明实施例对衬底基板的材质不做限定。
示例的，碳纳米管晶体管的结构可以参考图2，具体形成过程可以包括：
S1、采用标准方式清洗衬底基板104，采用溅射金属钼的方法在衬底基板104上形成厚度为220纳米的栅极层，通过构图工艺形成栅极图形101。
S2、利用等离子体增强化学气相沉积法(英文：Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition；简称：PECVD)在形成有栅极图形101的衬底基板104上沉积氧化硅和氮化硅混合物，形成厚度为100纳米的绝缘层105，并通过干刻的方式在绝缘层105上形成与栅极图形101连接的接触孔。
S3、采用提拉法在绝缘层105上形成厚度为15纳米的碳纳米管薄膜层，对碳纳米管薄膜层进行一次构图工艺，形成碳纳米管薄膜图形106。
其中，一次构图工艺可以包括：光刻胶涂覆、曝光、显影、刻蚀和光刻胶剥离。
S4、在碳纳米管薄膜图形106上溅射沉积氧化钼，通过构图工艺形成电子阻挡层107。
S5、在形成有电子阻挡层107的衬底基板104上溅射沉积厚度为300纳米的铜金属层，通过构图工艺形成源漏极金属图形，该源漏极金属图形包括源极103和漏极102。
S6、利用原子层沉积的方式源漏极金属图形沉积氧化铝，形成厚度为100纳米的保护层108。
S7、采用沉积的方式在保护层108上形成氧化铟锡电极层109。
需要说明的是，本发明实施例提供的带电粒子计数装置的制造方法步骤的先后顺序可以进行适当调整，步骤也可以根据情况进行相应增减，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化的方法，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的带电粒子计数装置的制造方法，将碳纳米管晶体管的栅极与磁电感应线圈的一端电连接，将碳纳米管晶体管的源极或漏极与模拟数字转换器连接，当磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压大于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，可用于对带正电的粒子进行计数，当磁电感应线圈产生的第二感生电压小于预设电压阈值时，也即是加载在碳纳米管晶体管的栅极上的电压小于预设电压阈值时，碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，可用于对带负电的粒子进行计数，因此该带电粒子计数装置既可用于带正电的带电粒子的计数，也可用于带负电的带电粒子的计数，丰富了带电粒子计数装置的功能。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述方法实施例中的过程，可以参考前述装置方法实施例中单元的具体工作过程，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带电粒子计数装置，其特征在于，所述装置包括：
碳纳米管晶体管、磁电感应线圈和模拟数字转换器；
其中，所述碳纳米管晶体管的栅极与所述磁电感应线圈的一端电连接，所述磁电感应线圈的另一端接地，所述碳纳米管晶体管的第一极与所述模拟数字转换器电连接，所述碳纳米管晶体管的第二极用于加载供电电压，所述第一极和所述第二极分别为源极和漏极中的一个，
当带正电的带电粒子流通过所述磁电感应线圈，且所述磁电感应线圈产生的第一感生电压大于预设电压阈值时，所述碳纳米管晶体管的沟道为N型沟道，且所述N型沟道处于打开状态；当带负电的带电粒子流通过所述磁电感应线圈，且所述磁电感应线圈产生的第二感生电压小于预设电压阈值时，所述碳纳米管晶体管的沟道为P型沟道，且所述P型沟道处于打开状态。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述碳纳米管晶体管包括：
衬底基板，以及依次设置在所述衬底基板上的栅极图形、绝缘层、碳纳米管薄膜图形、电子阻挡层、源漏极金属图形、保护层和氧化铟锡电极层，所述源漏极金属图形包括所述源极和所述漏极。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述源漏极金属图形为厚度为300纳米的铜金属图形。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述保护层为厚度为100纳米的氧化铝层。
5.一种带电粒子计数装置的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
形成碳纳米管晶体管；
将所述碳纳米管晶体管的栅极与磁电感应线圈的一端电连接，所述磁电感应线圈的另一端接地；
将所述碳纳米管晶体管的第一极与模拟数字转换器电连接；
给所述碳纳米管晶体管的第二极加载供电电压，所述第一极和所述第二极分别为源极和漏极中的一个。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述形成碳纳米管晶体管，包括：
在衬底基板上依次形成栅极图形、绝缘层、碳纳米管薄膜图形、电子阻挡层、源漏极金属图形、保护层和氧化铟锡电极层，所述源漏极金属图形包括源极和漏极。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述衬底基板上形成所述碳纳米管薄膜图形，包括：
采用提拉法在所述绝缘层上形成碳纳米管薄膜层；
对所述碳纳米管薄膜层进行一次构图工艺，形成所述碳纳米管薄膜图形。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述源漏极金属图形为厚度为300纳米的铜金属图形。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
采用原子层沉积的方式形成所述保护层。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述保护层为厚度为100纳米的氧化铝层。
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