CN105136893B - 一种薄膜晶体管生物传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜晶体管生物传感器及其制备方法，薄膜晶体管生物传感器结构包括：薄膜晶体管；生物敏感器；联结导体。该薄膜晶体管生物传感器结构的显著特征在于：薄膜晶体管与生物敏感器相分离。此分离式结构一方面避免了直接在晶体管上直接修饰生物分子，从而增加了晶体管的稳定性和使用寿命，另一方面此分离式结构可以将一个晶体管与多种生物敏感器联结，实现多功能探测以及制备成便携插卡式生物传感器。

Description

一种薄膜晶体管生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术及生物化学领域，尤其涉及一种薄膜晶体管生物传感器及其制备方法。

背景技术

生物传感器已经成为当前众多学科中最令人感兴趣的研究领域之一，广泛应用于环境监测、生物医药、生物技术、食品检测、制药工程、过程技术、安全检测和生化反应等领域。薄膜晶体管(Thin-film transistor,TFT)作为一类典型的场效应晶体管，是一种表面电荷测量器件，它借助电容实现电荷的检测，对栅绝缘体/电解液界面上或界面附近的各种电子之间的相互作用产生响应，具有较高的灵敏度。薄膜晶体管生物传感器由于其体积小、集成度高、免标记、简单快速、耗资少等诸多优点，近年来，薄膜晶体管生物传感器引起了人们的广泛关注。

例如，美国罗格斯大学Reyes等人发展了一种氧化锌(ZnO)沟道薄膜晶体管免疫传感器用于表皮生长因子受体分抗原的检测，最低检出限达10fM(ZnO thin filmtransistor immunosensor with high sensitivity and selectivity，AppliedPhysical Letters,29 April 2011)；湖南大学Guo等人构建了一种类似结构的全透明的氧化铟锡(ITO)沟道薄膜晶体管免疫传感器用于H5N1病毒的检测，最低检出限、达0.08ng/mL(Indium-tin-oxide thin film transistor biosensors for label-free detection ofavian influenza virus H5N1，22 Apr 2013)。

然而，正如上述两种传感器，目前半导体生物传感器普遍为直接在晶体管上修饰生物分子，这样每一个晶体管只能探测一种生物分子；另外在重复利用过程中需要对生物敏感区域进行反复清洗，这对晶体管这类电子元件的使用寿命是致命打击。

发明内容

本发明提供了一种薄膜晶体管生物传感器及其制备方法，该薄膜晶体管生物传感器的稳定性高、使用寿命更长，能够实现多功能探测，并且可以制备成便携插卡式生物探测器。

一种薄膜晶体管生物传感器，包括薄膜晶体管；

所述的薄膜晶体管包括栅电极、位于所述栅电极表面的栅介质层、并列设于所述栅介质层表面的源电极、漏电极和半导体沟道层、覆盖于所述源电极、漏电极和半导体沟道层表面的覆盖层以及位于覆盖层表面的第一导电薄膜，其中，所述的源电极和漏电极由所述的半导体沟道层隔开；所述的薄膜晶体管生物传感器还包括生物敏感器；

所述的薄膜晶体管和生物敏感器为分离式结构，并且所述的生物敏感器与所述的第一导电薄膜之间通过联接导体进行联接或者直接接触。

本发明中，通过将薄膜晶体管和生物敏感器设置成分离式结构，可以避免直接在晶体管上修饰生物分子，有利于增加晶体管的稳定性和使用寿命；而且分离式结构有利于将一个晶体管与多个生物敏感器相联结，实现多功能探测或者制备成便携插卡式生物探测器。其中，所述的生物敏感器与所述的第一导电薄膜之间可以通过联接导体进行联接，也可以做成插接式直接接触。

作为优选，所述的生物敏感器包括固相载体、覆盖于固相载体表面的第二导电薄膜以及修饰于所述第二导电薄膜表面的生物分子；

所述的联接导体联接在所述第一导电薄膜与第二导电薄膜之间。

作为进一步优选，所述的第一导电薄膜为Au膜，所述的第二导电薄膜为Ti/Au膜或者Ni/Au膜；

所述的第一导电薄膜和第二导电薄膜的厚度为70～100nm。此时，所述的薄膜晶体管生物传感器检测灵敏度和准确度高。

作为优选，所述的联接导体为铂丝。

作为优选，所述薄膜晶体管为双栅结构。

作为优选，所述的栅电极为硅层，所述的栅介质为热氧化硅层。

作为优选，所述薄膜晶体管的覆盖层的材质为介电材料。所述薄膜晶体管覆盖层表面的导电薄膜处于半导体沟道正上方。

作为优选，所述的生物分子在探测时为荷电分子，比如抗原、抗体、DNA等。

作为优选，所述的固相载体为热氧化硅片、硅片、玻璃片或柔性衬底。

本发明还提供了一种所述的薄膜晶体管生物传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)薄膜晶体管的制备：

(1.1)以热氧化硅片作为衬底，在衬底表面沉积半导体沟道层；

(1.2)在所述半导体沟道层部分表面沉积源电极和漏电极；

(1.3)在所述半导体沟道层表面上，源电极和漏电极之间沉积覆盖层；

(1.4)在所述源电极、漏电极和覆盖层表面沉积第一导电薄膜，然后进行退火处理得到所述的薄膜晶体管；

(2)在固相载体表面沉积第二导电薄膜，然后在第二导电薄膜表面修饰生物分子得到所述的生物敏感器；

(3)用联结导线将所述第一导电薄膜与所述第二导电薄膜进行联接，得到所述的薄膜晶体管生物传感器。

步骤(1)中，所述的导体沟道层采用磁控溅射沉积方法进行制备，所述的源电极、漏电极、覆盖层和第一导电薄膜采用电子束蒸发镀膜设备进行制备。

步骤(2)中，所述的第二导电薄膜通过电子束蒸发镀膜设备进行制备。

相对于传统的半导体生物传感器，本发明提供的薄膜晶体管与生物探测区域分离结构的传感器，一方面避免了直接在晶体管上直接修饰生物分子，从而增加了晶体管的稳定性和使用寿命，另一方面此分离式结构可以将一个晶体管与多种生物敏感器联结，实现多功能探测或者制备成便携插卡式生物传感器。

附图说明

图1为传统的薄膜晶体管生物传感器的结构示意图；

图2为本发明的薄膜晶体管生物传感器的结构示意图；

图3为本发明的薄膜晶体管生物传感器制备方法流程图；其中，(a)为薄膜晶体管的制备流程；(b)为生物敏感器的制备流程；(c)为薄膜晶体管生物传感器成型；

图4为实施例1中制备的IGZO薄膜晶体管生物传感器工作时的转移曲线；

图5为实施例2中制备的IGZO薄膜晶体管生物传感器工作时的转移曲线。

具体实施方式

为使本发明技术方案更加清楚，以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图2为本发明的薄膜晶体管生物传感器一个具体实施方式的结构示意图，该薄膜晶体管生物传感器，包括薄膜晶体管和生物敏感器，其中，薄膜晶体管包括：栅电极1、位于栅电极1表面的栅介质层2、位于栅介质层2表面的半导体沟道层3、位于半导体沟道层3表面的源电极4和漏电极5、以及覆盖于源电极4、漏电极5和半导体沟道层3表面的覆盖层6，位于覆盖层表面的第一导电薄膜7。生物敏感器包括固相载体8、覆盖于固相载体8表面的第二导电薄膜9，以及修饰于导电薄膜9表面的生物分子。第一导电薄膜7和第二导电薄膜9之间连有联接导体11。

相较于传统结构的薄膜晶体管生物传感器(参见图1)，本发明提供的薄膜晶体管与生物探测器分离结构的传感器，一方面避免了在晶体管上直接修饰生物分子，从而增加了晶体管的稳定性和使用寿命，另一方面此分离式结构可以将一个晶体管与多种生物敏感器联结，实现多功能探测以及制备成便携插卡式生物传感器。

图3为本发明的薄膜晶体管生物传感器制备方法流程图，如图3所示，该制备方法包括：

步骤S1：薄膜晶体管的制备

选择n型热氧化硅片作为衬底；

采用磁控溅射沉积方法，在所述衬底表面沉积半导体沟道层3；

采用电子束蒸发镀膜设备，在所述半导体沟道层表面沉积源电极4和漏电极5；

采用电子束蒸发镀膜设备，在所述源电极4、漏电极5表面以及半导体沟道层3表面沉积覆盖层6；

采用电子束蒸发镀膜设备，在所述覆盖层表面沉积第一导电薄膜7；然后进行退火处理。

步骤S2：生物敏感器的制备

选择衬底并清洗作为固相载体8；

采用电子束蒸发镀膜设备，在所述衬底表面沉积第二导电薄膜9；

在第二导电薄膜9表面修饰生物分子10。

步骤S3:薄膜晶体管生物传感器成型

用联结导体11将第一导电薄膜7与第二导电薄膜9联结。

以下以具体的实施例及相应的对比例，以及数据图对本发明的薄膜晶体管生物传感器制备方法做更进一步的详细说明。

实施例1

(1)制备IGZO薄膜晶体管：

(1.1)选择100晶向的n型重掺杂热氧化硅片(热氧化层厚度约为112nm)作为衬底，并进行清洗烘干。

(1.2)采用磁控溅射沉积方法，在热氧化层表面沉积IGZO薄膜作为半导体沟道层。其中，采用的工作气体为氩气和氧气的混合气体(Ar:O₂＝14:3)；溅射功率为100W；气体压强为0.9Pa；沉积温度为室温。最终制备的IGZO膜的厚度为48nm，长和宽分别为400μm和800μm。

(1.3)采用电子束蒸发镀膜设备和颗粒状金属Ti、Au蒸发镀膜料，用掩膜板法，制备Ti/Au源、漏电极。本实施例制备的源电极、漏电极厚度为Ti/Au＝50nm:30nm。

(1.4)采用电子束蒸发镀膜镀膜设备和颗粒状金属氧化物Al₂O₃蒸发镀膜料，用掩膜板法，制备Al₂O₃覆盖层。在本实施例中，制备的Al₂O₃薄膜的厚度为80nm。

(1.5)采用电子束蒸发镀膜镀膜设备和颗粒状金属Au蒸发镀膜料，用掩膜板法，制备Au膜作为顶栅电极(即第一导电薄膜7)。其中，顶栅电极Au膜只沉积在覆盖层Al₂O₃表面。在本实施例中，沉积的顶栅电极Au膜厚度为70nm。沉积完Au膜后，将制备的整个薄膜晶体管器件进行退火处理。退火温度为300℃，退火时间为1小时，退火气氛为空气。

(2)制备生物敏感器：

(2.1)选择100晶向的n型重掺杂热氧化硅片作为固相载体，分别用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗5min，并用氮气吹干。

(2.2)采用电子束蒸发镀膜设备和颗粒状金属Ti/Au蒸发镀膜料，制备Ti/Au膜。在本实施例中，沉积的膜厚度为Ti/Au＝10:70nm。

(2.3)用共价键方法在Au膜表面修饰羊抗小鼠IgG生物分子。在Au膜表面滴加10mMAET(2-氨乙基异硫脲氢溴酸盐)溶液，表面巯基化(10h)，之后用去离子水清洗，氮气吹干，表面经过巯基化的区域为传感区域。在传感区域表面滴加GTDA(戊二醛，5％，v/v)溶液，进行醛化(2h)，之后用去离子水清洗，氮气吹干。在传感区域表面滴加10ug/ml的羊抗小鼠IgG,密封放置在室温下培养(4h)。在传感区域表面滴加硼氢化钠(NaBH₄,0.5％，wt/v)溶液，(0.5h)。采用牛血清蛋白的PBS溶液(BSA/PBS，1mg/ml)封闭活性位点(2h)。

(3)IGZO薄膜晶体管生物传感器成型：用金属铂丝与金属锡将所述薄膜晶体管与所述生物敏感器联结，薄膜晶体管生物传感器成型。

IGZO薄膜晶体管生物传感器性能测试：用半导体参数仪对IGZO薄膜晶体管生物传感器进行测试，联结之前分别测试一次，结果如图4所示。联结敏感器后的转移曲线相对于联结敏感器前的转移曲线电流信号变小。说明修饰羊抗小鼠IgG的敏感器对沟道中的载流子密度减少。

实施例2

(1)制备IGZO薄膜晶体管：如实施例1。

(2)制备生物敏感器：

(2.1)选择100晶向的n型硅片作为固相载体，分别用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗5min，并用氮气吹干。

(2.2)采用电子束蒸发镀膜设备和颗粒状金属Ni/Au蒸发镀膜料，制备Ni/Au膜。在本实施例中，沉积的膜厚度为Ni/Au＝50:20nm。

(2.3)用共价键方法在Au膜表面修饰羊抗小鼠IgG生物分子。将传感区域浸入16mMAET溶液，表面巯基化(5h)，之后用去离子水清洗。将传感区域浸入GTDA(5％，v/v)溶液，进行醛化(2h)，之后用去离子水清洗。在传感区域表面滴加10ug/ml的羊抗小鼠IgG,密封放置在4℃冰箱培养(10h)。之后在传感区域滴加小鼠IgG,在37℃湿盒中孵育(3h)。

(3)IGZO薄膜晶体管生物传感器成型：用金属铂丝铜导电胶带将所述薄膜晶体管与所述生物敏感器联结。

IGZO薄膜晶体管生物传感器性能测试：用半导体参数仪对IGZO薄膜晶体管生物传感器进行性能测试。测试结果如图5所示。在敏感器上修饰羊抗小鼠IgG，薄膜晶体管生物传感器的转移曲线向右移动，滴加小鼠IgG后，薄膜晶体管生物传感器的转移曲线继续向右移动，如图5所示。这说明抗原抗体所带的电荷正负性相同，且都会使半导体沟道中的载流子密度减小。与实施例1中的测试结果相一致。

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

Claims (10)

1.一种薄膜晶体管生物传感器，包括薄膜晶体管；

所述的薄膜晶体管包括栅电极、位于所述栅电极表面的栅介质层、并列设于所述栅介质层表面的源电极、漏电极和半导体沟道层、覆盖于所述源电极、漏电极和半导体沟道层表面的覆盖层以及位于覆盖层表面的第一导电薄膜，其中，所述的源电极和漏电极由所述的半导体沟道层隔开；其特征在于，所述的薄膜晶体管生物传感器还包括生物敏感器；

所述的薄膜晶体管和生物敏感器为分离式结构，并且所述的生物敏感器与所述的第一导电薄膜之间通过联接导体进行联接或者直接接触。

2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管生物传感器，其特征在于，所述的生物敏感器包括固相载体、覆盖于固相载体表面的第二导电薄膜以及修饰于所述第二导电薄膜表面的生物分子；

所述的联接导体联接在所述第一导电薄膜与第二导电薄膜之间。

3.根据权利要求2所述的薄膜晶体管生物传感器，其特征在于，所述的第一导电薄膜为Au膜，所述的第二导电薄膜为Ti/Au膜或者Ni/Au膜；

所述的第一导电薄膜和第二导电薄膜的厚度为70～100nm。

4.根据权利要求1所述的薄膜晶体管生物传感器，其特征在于，所述的联接导体为铂丝。

5.根据权利要求1所述的薄膜晶体管生物传感器，其特征在于，所述薄膜晶体管为双栅结构。

6.根据权利要求1所述的薄膜晶体管生物传感器，其特征在于，所述的栅电极为硅层，所述的栅介质层为热氧化硅层。

7.根据权利要求1所述的薄膜晶体管生物传感器，其特征在于，所述薄膜晶体管的覆盖层的材质为介电材料。

8.根据权利要求2所述的薄膜晶体管生物传感器，其特征在于，所述的生物分子为抗原、抗体或DNA。

9.根据权利要求2所述的薄膜晶体管生物传感器，其特征在于，所述的固相载体为热氧化硅片、硅片、玻璃片或柔性衬底。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的薄膜晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)薄膜晶体管的制备：

(1.1)以热氧化硅片作为衬底，在衬底表面沉积半导体沟道层；

(1.2)在所述半导体沟道层部分表面沉积源电极和漏电极；

(1.3)在所述半导体沟道层表面上，源电极和漏电极之间沉积覆盖层；

(1.4)在所述源电极、漏电极和覆盖层表面沉积第一导电薄膜，然后进行退火处理得到所述的薄膜晶体管；

(2)在固相载体表面沉积第二导电薄膜，然后在第二导电薄膜表面修饰生物分子得到所述的生物敏感器；

(3)用联结导线将所述第一导电薄膜与所述第二导电薄膜进行联接，得到所述的薄膜晶体管生物传感器。