CN105954322B - 一种基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器 - Google Patents

一种基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，包括由下而上依次层叠的衬底、第一栅电极、第一栅绝缘层、源/漏电极、有机半导体层、第二栅绝缘层、第二栅电极、敏感膜以及封装层，其中，第一栅电极、第一栅绝缘层、源/漏电极和有机半导体层构成置于底部的底栅晶体管，作为参考器件，源/漏电极、有机半导体层、第二栅绝缘层和第二栅电极构成置于顶部的顶栅晶体管，用作敏感器件，该顶栅晶体管与底栅晶体管构建成低电压双栅结构的有机薄膜晶体管，顶栅晶体管与底栅晶体管具有大差异的栅电容值，有机半导体层具有低的禁带缺陷密度。本发明具有工作电压低、灵敏度高、成本低、检测目标多样等优点，能够兼容大面积、快速的印刷/涂布制备工艺，可用于制造可穿戴或移动式传感器，在健康监测、保健医疗领域应用前景广阔。

Description

一种基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器
技术领域
本发明涉及一种有机电子器件，具体涉及一种基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，属于电子器件技术领域。
背景技术
离子敏感场效应管(Ion-sensitive field-effect transistor)基础是场效应晶体管(FET)，配合离子选择电极作为敏感膜组合而成，能够构建多样性的生物/化学传感器。它兼具电化学和晶体管双重特性，由离子敏感膜和电解质溶液共同形成器件栅极，利用溶液与敏感膜之间产生的随离子浓度变化的电化学势，使晶体管的阈值电压发生调制效应。该阈值电压调制效应与离子浓度之间具有类似于能斯特公式的关系，因此传感器的灵敏度不会超过理论极限值。
由于更优异的机械柔韧性以及更低廉的加工成本，有机薄膜晶体管(organicthin-film transistor)技术有望成为未来电子器件领域的重要组成部分。目前基于有机薄膜晶体管的离子敏感传感器也有诸多报道，然而它的性能仍有待提高，一方面跟传统离子敏感场效应管一样，灵敏度不会超过理论极限值，另一方面，有机薄膜晶体管的工作电压很高(一般为几十伏)，不利于实际传感器应用。为降低有机薄膜晶体管器件的工作电压，器件的电容却需要进一步增大，从而牺牲了器件的灵敏度的提升空间。因此有必要提出一种新的器件解决方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是，提供一种基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，采用有机薄膜晶体管构建离子敏感传感器，以实现能低电压工作且具有超高灵敏度的生物/化学传感器
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，包括由下而上依次层叠的衬底、第一栅电极、第一栅绝缘层、源/漏电极、有机半导体层、第二栅绝缘层、第二栅电极、敏感膜以及封装层，所述第一栅电极、第一栅绝缘层、源/漏电极和有机半导体层构成置于底部的底栅晶体管，作为参考器件，所述源/漏电极、有机半导体层、第二栅绝缘层和第二栅电极构成置于顶部的顶栅晶体管，用作敏感器件，该顶栅晶体管与底栅晶体管构建成低电压双栅结构的有机薄膜晶体管，所述顶栅晶体管与所述底栅晶体管具有大差异的栅电容值，所述有机半导体层具有低的禁带缺陷密度。
优选地，所述的有机半导体层的禁带缺陷密度小于1018eV-1·cm-3。
优选地，所述的顶栅晶体管的栅电容比所述底栅晶体管的栅电容大4倍以上。
优选地，所述的第一栅绝缘层的电容值小于20nF/cm2，亚阈值摆幅小于150mV/decade。
优选地，所述的第二栅绝缘层的电容值大于100nF/cm2，亚阈值摆幅小于150mV/decade。
优选地，所述的敏感膜具有特定选择性，修饰置于所述顶栅晶体管的第二栅电极上面，对相应的生物/化学物质产生响应，以检测生物分子或者化学离子。
优选地，所述的生物/化学传感器的器件工作电压低于5V,灵敏度超过能斯特公式定义的理论极限值4倍以上。
与现有技术相比，本发明克服了为降低顶部和底部两个有机晶体管的工作电压而同时增大的栅电容而不利于提高两者电容比值的缺陷，采用具有非常低的禁带缺陷密度(sub-gap density of states)的有机半导体层和两个具有很大电容值差异的栅绝缘层构建双栅结构的有机薄膜晶体管，其中，底栅晶体管具有较小的栅电容值(<20nF/cm2)，顶栅晶体管具有较大的栅电容值(>100nF/cm2)，由于有机半导体层的禁带缺陷密度非常低，因此在底栅晶体管的栅电容很低的情况下，器件依然具有很小的亚阈值摆幅(<150mV/decade)，因而使整体生物/化学传感器可以在低电压(低于5V)下工作；同时由于顶栅晶体管的栅电容比底栅晶体管的栅电容大数倍，从而可以通过双栅结构很容易提升了所述生物/化学传感器的灵敏度。本发明的另一个有益效果是，所述生物/化学传感器的结构能够兼容大面积、快速的印刷/涂布制备工艺，给制造低成本的可穿戴或移动式传感器创造了有利条件。
所述生物/化学传感器在保证器件低电压(低于5V)工作的同时，极大地提高了传感器的灵敏度(超过能斯特公式定义的理论极限值4倍以上)。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
为更好地理解本发明中的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细的描述。由于所述实施例为较佳实施方式，下面的描述是以说明本发明的一般原则为目的，而不是限定本发明的范围。
参照图1所示，在本发明的一个实施例中，所述基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器由下而上依次包括：衬底101、第一栅电极102、第一栅绝缘层103、源/漏电极104、有机半导体层105、第二栅绝缘层106、第二栅电极107、敏感膜108以及封装层109。
进一步参照图1，第一栅电极102、第一栅绝缘层103、源/漏电极104和有机半导体层105构成置于底部的底栅晶体管。
进一步参照图1，源/漏电极104、有机半导体层105、第二栅绝缘层106和第二栅电极107构成置于顶部的顶栅晶体管。
进一步参照图1，第一栅绝缘层103和第二栅绝缘层106均具有较大的厚度(>200nm)。
进一步参照图1，第一栅绝缘层103具有较小的电容值(<20nF/cm2)，因此该层优选地采用较低介电常数的材料(k<10)。
进一步参照图1，第二栅绝缘层106具有较大的电容值(>100nF/cm2)，因此该层优选地采用较高介电常数的材料(k>10)。
进一步参照图1，顶栅晶体管的栅电容比底栅晶体管的栅电容大4倍以上。
进一步参照图1，有机半导体层105具有非常低的禁带缺陷密度(<1018eV-1·cm-3)，因此优选地采用单晶材料、半导体/绝缘层共混体系或者具有高度结晶性的有机半导体材料。
进一步参照图1，所述生物/化学传感器中的底栅底接触型晶体管作为参考器件，所述顶栅晶体管用作传感器件，所述结构的中的顶栅晶体管的第二栅电极107被具有特定选择性的敏感膜108修饰，从而对相应的生物/化学物质产生响应，以检测生物分子或者化学离子。
本发明所述的基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器的工作电压低于5V,而且具有超高的灵敏度(超过能斯特公式定义的理论极限值4倍以上)。
本发明具有工作电压低、灵敏度高、成本低、检测目标多样等优点，能够兼容大面积、快速的印刷/涂布加工工艺，可用于制造可穿戴或移动式传感器，在健康监测、保健医疗等领域具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，其特征在于，包括由下而上依次层叠的衬底、第一栅电极、第一栅绝缘层、源/漏电极、有机半导体层、第二栅绝缘层、第二栅电极、敏感膜以及封装层，所述第一栅电极、第一栅绝缘层、源/漏电极和有机半导体层构成置于底部的底栅晶体管，作为参考器件，所述源/漏电极、有机半导体层、第二栅绝缘层和第二栅电极构成置于顶部的顶栅晶体管，用作敏感器件，该顶栅晶体管与底栅晶体管构建成低电压双栅结构的有机薄膜晶体管，所述顶栅晶体管与所述底栅晶体管具有大差异的栅电容值，该顶栅晶体管的栅电容比所述底栅晶体管的栅电容大4倍以上，所述有机半导体层具有低的禁带缺陷密度。
2.根据权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，其特征在于，所述的有机半导体层的禁带缺陷密度小于1018eV-1·cm-3。
3.根据权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，其特征在于，所述的第一栅绝缘层的电容值小于20nF/cm2，亚阈值摆幅小于150mV/decade。
4.根据权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，其特征在于，所述的第二栅绝缘层的电容值大于100nF/cm2，亚阈值摆幅小于150mV/decade。
5.根据权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，其特征在于，所述的敏感膜具有特定选择性，修饰置于所述顶栅晶体管的第二栅电极上面，对相应的生物/化学物质产生响应，以检测生物分子或者化学离子。
6.根据权利要求1所述的基于有机薄膜晶体管的生物/化学传感器，其特征在于，所述的生物/化学传感器的器件工作电压低于5V，灵敏度超过能斯特公式定义的理论极限值4倍以上。
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