CN104865305B - 三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器及其制备方法，涉及半导体器件的制作方法技术领域。所述传感器包括金刚石基片，所述金刚石基片的上、下表面形成有氢端基金刚石层，每层氢端基金刚石层上形成有漏电极和源电极，所述漏电极和源电极之间的氢端基金刚石层上形成有捕获层，所述捕获层上形成有栅电极。所述传感器具有高效率、高灵敏度、分析速度快、体积小、试样用量少，成本低、易于大批量制备的优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的制作方法技术领域，尤其涉及一种三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器及其制备方法。
背景技术
金刚石作为一种由C元素组成的半导体材料，其具有天然的生物兼容性，当其粘结DNA等生命物质时，与Au和Si相比可最大限度的保持该物质的基本生物特性不发生改变。这一特点对于开发多阵列式的生物传感器尤为重要。因为其可以实现长期稳定的大批量测试，所以可以使测试成本大大降低。
氢端基金刚石薄膜具有良好的导电性，是一种良好的生物传感器基底电极。具有优秀的电化学性能：电化学势窗较宽、背景电流低、物理化学稳定性好以及较强的抗污染特性等，与通常用的玻碳电极、石墨电极等相比具有极大的优越性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器及其制备方法，所述传感器具有高效率、高灵敏度、分析速度快、体积小、试样用量少，成本低、易于大批量制备的优点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述传感器包括金刚石基片，所述金刚石基片的上、下表面形成有氢端基金刚石层，每层氢端基金刚石层上形成有漏电极和源电极，所述漏电极和源电极之间的氢端基金刚石层上形成有捕获层，所述捕获层上形成有栅电极。
进一步的技术方案在于：所述漏电极和源电极的制作材料为Au、Ti、Pt、Ag、Cr、Cu中的一种或几种。
进一步的技术方案在于：所述捕获层的制作材料为金属、金属的氧化物或金属的氮化物。
进一步的技术方案在于：所述捕获层的制作材料为Au，Ti，Pt，Ag，Cr，Cu中的一种或几种。
进一步的技术方案在于：所述捕获层的制作材料为Al2O3，NiOx，SnOx，TiOx、W2O5、ZrO或ZnOLangmuir-Blodegett 膜。
进一步的技术方案在于：所述栅电极的制作材料为Al，Ni，Sn，Ti，W，Ag中的一种或几种。
本发明还公开了一种三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1）在金刚石基片的上下表面制备氢端基金刚石层；
2）分别在氢端基金刚石层表面制作源电极和漏电极；
3）在源电极与漏电极间的氢端基金刚石层上沉积捕获层；
4）在捕获层上制作栅电极。
进一步的技术方案在于：所述步骤1）中通过氢等离子体处理、直流电弧、高温退火或高温高压方法在金刚石表面制作氢端基金刚石层。
进一步的技术方案在于：所述漏电极和源电极的制作材料为Au、Ti、Pt、Ag、Cr、Cu中的一种或几种；所述栅电极的制作材料为Al，Ni，Sn，Ti，W，Ag中的一种或几种。
进一步的技术方案在于：所述捕获层的制作材料为金属、金属的氧化物或金属的氮化物。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述传感器具有高效率、高灵敏度、分析速度快、体积小、试样用量少，成本低、易于大批量制备的优点。
附图说明
图1是本发明所述传感器的结构示意图；
图2是本发明所述传感器的使用状态结构示意图；
其中：1、金刚石基片 2、氢端基金刚石层 3、漏电极 4、源电极 5、捕获层 6、栅电极。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明公开了一种三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器，所述传感器包括金刚石基片1，所述金刚石基片1的上、下表面形成有氢端基金刚石层2，每层氢端基金刚石层2上形成有漏电极3和源电极4，所述漏电极3和源电极4之间的氢端基金刚石层2上形成有捕获层5，所述捕获层5上形成有栅电极6。
如图1所示，本发明还公开了一种三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器制作方法，包括如下步骤：
1）在金刚石基片1的上下表面制备氢端基金刚石层2；
2）分别在氢端基金刚石层2表面制作源电极4和漏电极3；
3）在源电极4与漏电极3间的氢端基金刚石层2上沉积捕获层5；
4）在捕获层5上制作栅电极6。
氢端基金刚石层可以通过氢等离子体处理、直流电弧、高温退火或高温高压等任意方法在金刚石表面制作氢端基金刚石层。
源、漏电极可选用Au，Ti，Pt，Ag，Cr，Cu以及其他可以和金刚石沟道形成欧姆接触的任何一种金属。
捕获层可选用金属层如Au，Ti，Pt，Ag，Cr，Cu等任何一种金属或金属的氧化物、氮化物，例如：Al2O3，NiOx，SnOx，TiOx、W2O5、ZrO、ZnO等或Langmuir-Blodegett (LB)膜等有机物组成的分子膜等任意有助于固定生物探针的沉积物或薄膜，本步骤亦可以省略。
栅金属可以为Al，Ni，Sn，Ti，W，Ag等可以和金刚石沟道形成肖特基接触的任何一种金属。
发明原理：
金刚石价带失去电子，转移进入电解质。对于这种转变，电解质的化学势能必须低于价带顶能级。氢终端金刚石表面的C-H键属于极化共价键，-C的电负性为2.5eV，H的电负性为2.1eV。所以在金刚石表面形成一个密布的偶极子层，该偶极的能量为1.6 eV，将金刚石的能级提高1.6eV，并将金刚石导带底能级提到电解质真空能级的0.3eV之上；而氢终端金刚石的导带底高于真空能级1.3eV。同样，这是金刚石价带高于电解质的化学电位，电子从价带隧穿进入电解质的真空能级，直至热力平衡，即金刚石费米能级等同于电解质化学电位。基于这种特性，制作此项金刚石基生物传感器。将场效应管的栅极区固定一条含有十几到上千个DNA片段，当待测物分子与栅作用时，发生电荷转移，系统的功函数会发生变化，表现为电压改变，保持ID恒定，监控VD的变化（其中ID为源漏间电流，VD为源漏间电压），可反监测系统的生物化学反应。
实例一的具体实施流程如下：
传感器制作：
①将清洗后的多晶金刚石基片放入MPCVD设备反应室内利用氢等离子体对其进行处理，获得具有p型导电特性的氢端基金刚石；
②采用丙酮，三氯乙烷，异丙醇等有机溶剂对氢端基金刚石进行清洗；
③利用Au在氢端基金刚石表面制作源电极、漏电极；
④利用ALD原子沉积设备在氢端基金刚石表面蒸发ZrO作为捕获层；
⑤在捕获层上以Ag条作为栅电极。
样品测试：
①将传感器一侧浸入在Tri-HCl缓冲溶液中，吸附单链NA(ssDNA)5'-P04-GAGCGGCGCAACATTTCAGGTCGA-3'制作修饰电极1；
②将传感器的另一侧浸入PBS缓释溶液中固定PNA，制作修饰电极2；
③将制作好双面修饰电极的传感器置于目标探测溶液中以亚甲基蓝为氧化还原媒介；
④将源电极、漏电极和栅电极与外侧信号检测装置相连接，以源漏电流恒定模式，进行测试，分别读取源漏电压完成测试。
实例二的具体实施流程如下：
传感器制作：
①将清洗后的多晶金刚石基片放入MPCVD设备反应室内利用氢等离子体对其进行处理，获得具有p型导电特性的氢端基金刚石；
②采用丙酮，三氯乙烷，异丙醇等有机溶剂对氢端基金刚石进行清洗；
③利用Pt在氢端基金刚石表面制作源漏电极；
④利用ALD原子沉积设备在氢端基金刚石上下表面蒸发ZnO作为捕获层；
⑤在捕获层上以Ag条作为栅电极；
样品测试：
①将传感器一侧浸入在Tri-HCl缓冲溶液中，吸附单链DNA(ssDNA)5'-P04-GAGCGGCGCAACATTTCAGGTCGA-3'制作修饰电极1；
②将传感器的另一侧浸入PBS缓释溶液中固定PNA，制作修饰电极2;
③将制作好双面修饰电极的探测器置于目标探测溶液中以亚甲基蓝为氧化还原媒介；
④将源漏电极与栅电极与外侧信号检测装置相连接，以源漏电流恒定模式，进行测试，分别读取源漏电压完成测试。
实例三的具体实施流程如下：
传感器制作：
①将清洗后的多晶金刚石基片放入MPCVD设备反应室内在氢气气氛下对其进行高温退火处理，获得具有p型导电特性的氢端基金刚石；
②采用丙酮，三氯乙烷，异丙醇等有机溶剂对氢端基金刚石进行清洗；
③利用Au在氢端基金刚石表面制作源漏电极；
④利用ALD原子沉积设备在氢端基金刚石上下表面蒸发ZnO作为捕获层；
⑤在捕获层上以Al条作为栅电极；
样品测试：
①将传感器一侧浸入在Tri-HCl缓冲溶液中，吸附单链DNA(ssDNA)5'-P04-GAGCGGCGCAACATTTCAGGTCGA-3'制作修饰电极1；
②将传感器的另一侧浸入PBS缓释溶液中固定PNA，制作修饰电极2；
③将制作好双面修饰电极的探测器之余目标探测溶液中以亚甲基蓝为氧化还原媒介；
④将源漏电极与栅电极与外侧信号检测装置相连接，以源漏电流恒定模式，进行测试，分别读取源漏电压完成测试。
以上实例仅举例说明一个传感器单元情况，将该传感器摆列成阵列模式，并联或者串联可以根据测试需要实现多个样品同时测试，此阵列模式仍在本专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述传感器包括金刚石基片（1），所述金刚石基片（1）的上、下表面形成有氢端基金刚石层（2），每层氢端基金刚石层（2）上形成有漏电极（3）和源电极（4），所述漏电极（3）和源电极（4）之间的氢端基金刚石层（2）上形成有捕获层（5），所述捕获层（5）上形成有栅电极（6）；所述传感器的使用方法如下：将传感器一侧浸入在Tri-HCl缓冲溶液中，吸附单链DNA制作第一修饰电极；将传感器的另一侧浸入PBS缓释溶液中固定PNA，制作第二修饰电极；将制作好双面修饰电极的传感器置于目标探测溶液中以亚甲基蓝为氧化还原媒介；将源电极、漏电极和栅电极与外侧信号检测装置相连接，以源漏电流恒定模式，进行测试，分别读取源漏电压完成测试。
2.根据权利要求1所述的三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述漏电极（3）和源电极（4）的制作材料为Au、Ti、Pt、Ag、Cr、Cu中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述捕获层（5）的制作材料为金属、金属的氧化物或金属的氮化物。
4.根据权利要求1所述的三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述捕获层（5）的制作材料为Au，Ti，Pt，Ag，Cr，Cu中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述捕获层（5）的制作材料为Al2O3，NiOx，SnOx，TiOx、W2O5、ZrO或ZnOLangmuir-Blodegett 膜。
6.根据权利要求1所述的三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述栅电极（6）的制作材料为Al，Ni，Sn，Ti，W，Ag中的一种或几种。
7.一种三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器制作方法，其特征在于包括如下步骤：
1）在金刚石基片（1）的上下表面制备氢端基金刚石层（2）；
2）分别在氢端基金刚石层（2）表面制作源电极（4）和漏电极（3）；
3）在源电极（4）与漏电极（3）间的氢端基金刚石层（2）上沉积捕获层（5）；
4）在捕获层（5）上制作栅电极（6）。
8.根据权利要求7所述的三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器制作方法，其特征在于：所述步骤1）中通过氢等离子体处理、直流电弧、高温退火或高温高压方法在金刚石表面制作氢端基金刚石层（2）。
9.根据权利要求7所述的三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器制作方法，其特征在于：所述漏电极（3）和源电极（4）的制作材料为Au、Ti、Pt、Ag、Cr、Cu中的一种或几种；所述栅电极的制作材料为Al，Ni，Sn，Ti，W，Ag中的一种或几种。
10.根据权利要求7所述的三维结构的氢终端金刚石场效应晶体管生物传感器制作方法，其特征在于：所述捕获层（5）的制作材料为金属、金属的氧化物或金属的氮化物。
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