CN103760206A - 基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片，包括衬底，其特征是：在所述衬底的上表面生长形成U型氮化镓层，U型氮化镓层上表面生长形成铝镓氮层，铝镓氮层上表面生长U型氮化镓披覆层；所述U型氮化镓披覆层上设有源极和漏极，源极和漏极与U型氮化镓披覆层形成欧姆接触；所述源极和漏极相互分离，源极和漏极之间的间隙处为栅极，源极和漏极上分别沉积有源极打线电极和漏极打线电极；在所述芯片上表面覆盖绝缘层，绝缘层覆盖住芯片上表面除源极打线电极、漏极打线电极和栅极以外的区域；在所述栅极的表面涂布生物酶。本发明利用高电子迁移率晶体管（HEMT）的放大效应，更精确地探测葡萄糖反应时产生的电子的多少，进而得到人体血糖浓度。

Description

基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片
技术领域
本发明涉及一种人体血糖测试芯片，尤其是一种基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片，属于电子技术领域。
背景技术
人体血糖值是一种常用且重要的人体健康指标，尤其是近年来随着人们生活水平的提高，罹患糖尿病的人们越来越多，血糖监测的家庭化和常规化也显得越来越重要。由于人体血糖主要指葡萄糖，所以人体血糖的检测即是指检测人体血液中所含葡萄糖的浓度。目前市面上常见的人体血糖测试仪器主要是通过葡萄糖在生物酶的作用下发生得失电子的反应，所产生的电子被导电介质转移给电极，在一定电压作用下，流过电极的电流将发生变化，通过一种三电极体系检测电流变化与葡萄糖浓度的线性关系达到检测血糖浓度的目的。但此过程中产生的微电流极小，需要用12位AD转换器探测，这对其测量精度和准确度都有不小的影响。
众所周知，高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种对栅极电压极其敏感的电子器件。栅极电压Vg可控制下方异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-DEG（二维电子气）的面密度，从而控制着器件的工作电流。
人体血液中的葡萄糖在生物酶的作用下会发生氧化反应，形成葡萄糖脂和双氧水（H2O2），过程中会释放出电子。这种电子在HEMT器件的栅极处累积会形成一个电场，这个电场会叠加在栅极电压产生的电场之上，共同影响下方异质结势阱的深度，从而造成器件工作电流的变化。在这种体系下，HEMT器件工作电流与葡萄糖浓度呈线性关系，所以我们通过测量HEMT器件工作电流的变化即可测得人体血液中葡萄糖的浓度。而异质结中电子的迁移率、构成异质结的材料的厚度、HEMT器件的设计等都会直接影响到工作电流对于电场变化的响应，器件的灵敏度和准确度就是基于这些因素的。通过优化这些参数，我们可以得到相对于三电极体系更高灵敏度和准确度的检测结果。这要归功于HEMT器件沟道中的高迁移率载流子对于栅极电场变化的高度敏感性，从而可以更灵敏的探测出葡萄糖反应中所释放出的电子。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片，利用高电子迁移率晶体管（HEMT）的放大效应，更精确地探测葡萄糖反应时产生的电子的多少，进而得到人体血糖浓度。
按照本发明提供的技术方案，所述基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片，包括衬底，其特征是：在所述衬底的上表面生长形成U型氮化镓层，U型氮化镓层上表面生长形成铝镓氮层，铝镓氮层上表面生长U型氮化镓披覆层；所述U型氮化镓披覆层上设有源极和漏极，源极和漏极与U型氮化镓披覆层形成欧姆接触；所述源极和漏极相互分离，源极和漏极之间的间隙处为栅极，源极和漏极上分别沉积有源极打线电极和漏极打线电极；在所述芯片上表面覆盖绝缘层，绝缘层覆盖住芯片上表面除源极打线电极、漏极打线电极和栅极以外的区域；在所述栅极的表面涂布生物酶。
在一个具体实施方式中，在所述芯片的上表面，源极、漏极和栅极区域以外的部分形成刻蚀沟槽，刻蚀沟槽由U型氮化镓披覆层的上表面延伸至U型氮化镓层。
在一个具体实施方式中，所述衬底采用蓝宝石基板、硅基板、氮化镓基板或者碳化硅基板中的一种。
在一个具体实施方式中，所述铝镓氮层的厚度≤100nm。
在一个具体实施方式中，所述U型氮化镓披覆层的厚度≤50nm。
本发明具有以下优点：本发明利用HEMT器件沟道中的电流对栅极电场的敏感特性，可以得到其电流随栅极电场变化的线性关系；而栅极电场的变化正比于葡萄糖反应中所产生的电子，反应产生的电子又正比于葡萄糖的浓度，从而可以利用HEMT器件的电流变化来读取葡萄糖的浓度；通过HEMT器件中栅极长度、宽度和外延结构中各层厚度的调整，可以改变器件的电流变化值，使得在相同的葡萄糖浓度下，HEMT电流变化达到几十微安的量级，从而大大增加读取数据的可行性和准确度，不必使用高精度的电子芯片读取极小的电流，降低了芯片制造成本，提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明所述人体血糖测试芯片的一种实施方式的结构示意图。
图2为本发明所述人体血糖测试芯片的另一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
如图1～图2所示：所述基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片包括衬底1、U型氮化镓层2、铝镓氮层3、U型氮化镓披覆层4、源极5、漏极6、源极打线电极7、漏极打线电极8、栅极9、绝缘层10、生物酶涂层11等。
实施例一：
如图1所示，本发明包括衬底1，衬底1采用蓝宝石基板、硅基板、氮化镓基板或者碳化硅基板中的一种，衬底1的上表面通过外延生长形成U型氮化镓层2，U型氮化镓层2上表面生长形成N型或者U型铝镓氮层3，铝镓氮层3上表面生长有一薄层U型氮化镓披覆层4；所述U型氮化镓披覆层4上设有源极5和漏极6，源极5和漏极6覆盖于U型氮化镓披覆层4上，并与U型氮化镓披覆层4形成欧姆接触；所述源极5和漏极6相互分离，源极5和漏极6之间的间隙处为栅极9；所述源极5和漏极6上分别沉积有源极打线电极7和漏极打线电极8，作为以后的封装打线盘；除所述源极打线电极7、漏极打线电极8和栅极9之外的部分覆盖绝缘层10，栅极9的表面涂布有能催化葡萄糖反应的生物酶11；
所述铝镓氮层3的厚度≤100nm；所述U型氮化镓披覆层4的厚度≤50nm；
所述绝缘层10的材料为氧化硅、氮化硅或树脂类聚合物等，以保证在溶液中源漏两极无法连通；
所述源极5和漏极6的材料为Ti/Al或者含有Ti/Al组分的合金；所述生物酶11为葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶等可以使葡萄糖发生得失电子反应的催化酶。
实施例二：
为了能够进一步地提高芯片对于葡萄糖浓度的响应，减少背景噪音，可以通过等离子蚀刻（ICP）的方法去掉除源极5、栅极9和漏极6处以外的GaN层，去除深度需到达U型氮化镓层2，这样做可以使载流子只能通过栅极下面的沟道形成回路，而无法通过边缘绕行，因为栅极下面的沟道是受到栅极电场调制的，因此能更灵敏和准确的反应栅极电场的变化，从而测得葡萄糖的浓度。
如图2所示：所述基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片包括衬底1，衬底1采用蓝宝石基板、硅基板、氮化镓基板或者碳化硅基板其中的一种，衬底1上表面通过外延生长形成U型氮化镓层2，U型氮化镓层2上表面生长形成N型或者U型铝镓氮层3，铝镓氮层3上表面生长有一薄层U型氮化镓披覆层4；所述U型氮化镓披覆层4上表面设有源极5和漏极6，源极5和漏极6覆盖于U型氮化镓披覆层4上，并与U型氮化镓披覆层4形成欧姆接触，源极5和漏极6相互分离，源极5和漏极6之间的间隙为栅极9；通过等离子刻蚀（ICP）方法将所述源极5、漏极6和栅极9区域以外的部分蚀刻掉，直至到达U型氮化镓层2；在所源极5和漏极6上分别沉积有源极打线电极7和漏极打线电极8，作为以后的封装打线盘；除所述源极打线电极7、漏极打线电极8和栅极9以外的部分覆盖有绝缘层10，栅极9的表面涂布有能催化葡萄糖反应的生物酶11；
所述铝镓氮层3的厚度≤100nm；所述U型氮化镓披覆层4的厚度≤50nm；
所述绝缘层10的材料为氧化硅、氮化硅或树脂类聚合物等，以保证在溶液中源漏两极无法连通；
所述源极5和漏极6的材料为Ti/Al或者含有Ti/Al组分的合金；所述生物酶11为葡萄糖氧化酶或者葡萄糖脱氢酶等可以使葡萄糖发生得失电子反应的催化酶。
相较于市面上已有的血糖测试仪器，本发明所述人体血糖测试芯片更加灵敏和准确，其结构简单紧凑，测试灵敏准确，对于后台电路的要求更低，从而有着更低廉的成本，稳定可靠。

Claims (5)

1.一种基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片，包括衬底（1），其特征是：在所述衬底（1）的上表面生长形成U型氮化镓层（2），U型氮化镓层（2）上表面生长形成铝镓氮层（3），铝镓氮层（3）上表面生长U型氮化镓披覆层（4）；所述U型氮化镓披覆层（4）上设有源极（5）和漏极（6），源极（5）和漏极（6）与U型氮化镓披覆层（4）形成欧姆接触；所述源极（5）和漏极（6）相互分离，源极（5）和漏极（6）之间的间隙处为栅极（9），源极（5）和漏极（6）上分别沉积有源极打线电极（7）和漏极打线电极（8）；在所述芯片上表面覆盖绝缘层（10），绝缘层（10）覆盖住芯片上表面除源极打线电极（7）、漏极打线电极（8）和栅极（9）以外的区域；在所述栅极（9）的表面涂布生物酶（11）。
2.如权利要求1所述的基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片，其特征是：在所述芯片的上表面，源极（5）、漏极（6）和栅极（9）区域以外的部分形成刻蚀沟槽，刻蚀沟槽由U型氮化镓披覆层（4）的上表面延伸至U型氮化镓层（2）。
3.如权利要求1或2所述的基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片，其特征是：所述衬底（1）采用蓝宝石基板、硅基板、氮化镓基板或者碳化硅基板中的一种。
4.如权利要求1或2所述的基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片，其特征是：所述铝镓氮层（3）的厚度≤100nm。
5.如权利要求1或2所述的基于氮化镓材料的人体血糖测试芯片，其特征是：所述U型氮化镓披覆层（4）的厚度≤50nm。
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