CN107328838A - 一种基于双栅极单电子晶体管的电子生物传感器及制备方法 - Google Patents

一种基于双栅极单电子晶体管的电子生物传感器及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种双栅极单电子晶体管生物传感器，结构如下，包括SOI绝缘衬底（1）﹑衬底上为硅量子点层（2）﹑介质层（3）﹑源极（4）﹑漏极（5）﹑侧栅极（6）﹑顶栅（7），顶栅包括功能薄膜的样品容器（8）；绝缘衬底（1）上的顶层硅是经过处理减薄到80±20nm左右制备源极﹑漏极﹑侧栅极﹑顶栅；所述的硅量子点沟道层是刻蚀方式在衬底上；硅量子点层上的所述的源极﹑漏极﹑侧栅极通过微加工方法在顶层硅上刻蚀出丁字型且三个极均留有间隙；单电子晶体管上生长出一层Al2O3的高K介质层，所述的顶栅(7)是通过模板在高介质层上面制作一个顶栅。

Description

一种基于双栅极单电子晶体管的电子生物传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于双栅极单电子晶体管的应用于对溶液中化学和生物特征分子的电子生物传感器。
背景技术
近年来，从疾病分析到新药分子的发现，生命科学领域的化学和生物分子检测和量化分析技术，起着越来越重要的作用。人们需要将生物物质敏感的化学和物质浓度信号转变为电信号进行测量、标定、分析。而这是由类似于包括抗体﹑抗原﹑酶﹑微生物﹑细胞﹑组织等的生物识别元件与类似于压电传感器﹑光敏电阻管﹑场效应管等的理化参数转换器结合起来，构成生物传感器。在这些理化参数转换器中，顶栅电势变化敏感的场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)被视为其中带电物质检测的重要器件。但随着研究和生产技术的提升，对于检测的精度也越来越高，或者当所要检测的目标物在稀释状态下或者受到一些环境因素的干扰时候，就需要有更高精度检测器件来实现对目标物的检测和量化分析。这种基于双栅极单电子晶体管在未来的信息技术与生物技术的融合，食品药品分析﹑环境保护﹑临床诊断﹑生物智能芯片开发都有广阔的发展前景。
发明内容
本发明目的在于，对目前的化学生物分子检测的场效应晶体管方法，提供一种基于双栅极单电子晶体管(SET)的电子生物传感器。
本发明的技术方案是：一种双栅极单电子晶体管生物传感器，结构如下，包括SOI(绝缘衬底上的硅)绝缘衬底(1)上﹑绝缘衬底上为硅量子点沟道层(2)﹑介质层(3)﹑源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)﹑顶栅(7)，顶栅包括功能薄膜和样品容器(8)；绝缘衬底(1)上的顶层硅是经过处理减薄到80±20nm左右制备源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)﹑顶栅(7)；所述的硅量子点沟道层(2)是刻蚀方式在衬底上，量子点的直径大小在10nm以内；硅量子点沟道层(2)上的所述的源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)通过微加工方法在顶层硅上刻蚀出丁字型且三个极均留有间隙；所述的介质层(3)通过原子沉积的的技术在源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)构成的单电子晶体管上生长出一层Al2O3的高K介质层，厚度在10-40nm；所述的顶栅(7)是通过模板在高介质层上面制作一个顶栅。
双栅极电子晶体管生物传感器的制备方法，SOI是使用注氧隔离技术制备，SOI上部的顶层硅选取的是(100)的晶向；厚度约为400nm，SOI下部衬底为BOX(埋层氧化层)，埋层氧化层(BOX)厚度大约为380nm；然后在顶层硅使用P离子通过热扩散的方法进行掺杂,初始顶层硅的厚度是200nm，P表面注入浓度是1.6E14cm-2，52KEV，在1000℃氧化，时间控制在35分钟，使用HF漂去氧化硅，剩余顶层硅大概70-80nm，浓度在3E19cm-3，再进行紫外曝光，然后进行显影，把光刻胶作为掩膜，使用RIE反应离子刻蚀的方法制备出硅量子点沟道层(2)，硅量子点沟道层(2)上以相同的RIE反应离子刻蚀得到包含源极、漏极、侧栅极的整体台面；完成之后再次进行UV曝光、显影以及电子束热蒸发Ni/Au和剥离金属的标记图形制备源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)构成的单电子晶体管，金属对准标记图形是通过电子束曝光做成，考虑到能使用图形互补，光刻胶覆盖的区域就是单电子晶体管的图形，在此基础上再进行ICP刻蚀，刻蚀的深度控制在到达BOX(埋层氧化层)，再将SOI上的Ni/Au洗掉，在900±20摄氏度左右下，热干氧化，使得源电极和漏电极之间的通道氧化成隧穿势垒；最后进行曝光、显影在源漏电极硅层面上开窗口，电子束蒸发金属Ni/Au金属电极；
再使用原子束沉积技术(ALD)，在单电子晶体管SET上覆盖一层大约40nm Al2O3的高K介质层；在高K介质层上，进行曝光﹑显影，使用PECVD技术生长氧化硅，采用lift-off技术获得测量窗口和容器结构；在窗口上附着相应的功能薄膜，从而得到顶栅的功能薄膜以及连接容器。lift-off指涂胶后曝光显影，使其产生一个稍微内倾的光刻胶剖面。在窗口上附着相应的功能薄膜，从而得到顶栅的功能薄膜以及连接容器。
SOI衬底是采用(100)硅单晶片通过商用注氧隔离技术制备获得，顶层硅厚度约为400nm，埋层氧化层(BOX)厚度大约为380nm。然后将顶层硅通过热扩散的方法进行N型重掺杂。
再使用原子束沉积技术(ALD)，在单电子晶体管上覆盖一层大约40nm Al2O3的高K介质层。在高K介质层上，进行曝光﹑显影，如图2所示。
这种单电子晶体管，源漏电极之间是通过沟道中的量子点通过隧穿势垒进行耦合，对外界的电势变化响应比普通的场效应管的灵敏度大幅提升，从而对化学和生物分子的测量精度得到很大提高。
有益效果：所提出的双栅结构，通过顶栅的表面的功能薄膜(附着检测目标对应的抗体，当检测目标时候进行检测；同时，侧栅实现对器件电学特征状态进行调控，处于单电子库仑阻塞区域，使得检测灵敏度和精度得到优化。可通过微加工技术在衬底的顶层硅上刻蚀出如图1所示的各部分布局结构。这种电子晶体管源漏电极间通过量子点的隧穿势垒进行耦合，对栅极电势的变化具有极高的检测精度。当顶栅表面功能薄膜对目标物进行检测时，可以通过侧栅调整源漏电流库仑振荡位置，使得检测的性能和精度保持在最优化的测试范围。
附图说明
图1所示的通过微加工技术在衬底的顶层硅上刻蚀出各部分布局结构。
图2是图1的俯视图。
具体实施方式
单电子晶体管的基本工作原理是基于库仑阻塞效应，源漏间的沟道电流以一个一个电子隧穿越过量子点。当量子点尺寸在几纳米时，耦合电容非常小，可以形成很高的库仑阻塞能，实现在室温下的操作。与此同时，当外界与量子点的耦合感生电势有极小改变时，单电子晶体管的工作状态将发生显著变化，从而实现超高灵敏检测。对化学和生物分子检测原理，单电子晶体管与常规场效应晶体管相似，都是通过检测目标附着于顶栅的电荷量的变化，从而影响沟道电势达到对工作状态的改变。单电子晶体管的检测灵敏度要远远高于常规场效应晶体管。但是，各种外场感生电势的干扰，使电子晶体管的工作状态不稳定，飘离最佳工作区域。
所发明的单电子晶体管结构设计上有两个栅极，即一个顶栅和一个侧栅。顶栅的表面经过处理后，附着与检测目标作用的抗体的功能薄膜，测量目标(抗原)与抗体相互作用，使得载有抗体的检测薄膜表面电荷量发生变化，进而顶栅的感生电荷乃至量子点的耦合感生电势也随之变化，从而改变工作状态即电压——电流特征曲线。但在实际测量时，由于来自于检测目标或者周围环境的其他因素的干扰，导致量子点的感生电势不处于最灵敏状态，此时通过侧栅电压的调控，抵消受其它影响产生的电势变化，并使得测量点调控在最佳位置，进而保证处于相同的工作状态并使得测量精度得到进一步提高。
具体实施方式
本发明的优选制备实施例详述如下：
图中，1-SOI衬底 2-硅量子点层 3-介电层 4源极 5-漏极 6-侧栅 7-顶栅表面的功能薄膜 8-顶栅的样品容器。
SOI是采用在硅(100)单晶片注氧隔离技术获得的(商用材料)，顶层硅厚度约为400nm，埋层氧化层(BOX)厚度大约为380nm。然后将顶层硅通过热扩散工艺进行N型重掺杂。
顶层硅通过湿法刻蚀的工艺进行减薄，减薄至80nm左右，进行紫外曝光、显影、光刻胶作为掩膜，使用RIE反应离子刻蚀，进而得到如图2所示顶层硅上包含源极、漏极、侧栅极的整体台面。
之后再次进行UV曝光、显影及电子束热蒸发Ni/Au和剥离，金属对准标记图形是通过电子束曝光做成，考虑到可以使用图形互补，光刻胶覆盖的区域就是单电子晶体管的图形，在此基础上再进行ICP刻蚀，刻蚀的深度控制在到达BOX(埋层氧化层)，再将SOI上的Ni/Au洗掉，在900℃左右下，热干氧化，使得源电极和漏电极之间的通道氧化成隧穿势垒。最后进行曝光、显影在源漏电极硅层面上开窗口，电子束蒸发金属Ni/Au金属电极。
再使用原子束沉积技术(ALD)，在覆盖一层大约40nm Al2O3的高K介质层。在高K介质层上，进行曝光﹑显影，如图2所示，使用PECVD技术淀积氮化硅，采用lift-off技术获得测量窗口和容器结构。在窗口上附着相应的功能薄膜，从而得到顶栅的功能薄膜以及连接容器。
本发明的优选使用实施例详述如下：对于PH值在8.0-8.2的链霉亲和素溶液的检测，溶液中的链霉亲和素与接触发生作用，使硅烷化，进而改变顶栅极的电荷分布情况，改变了对应的顶栅极电势Vg(top)，产生与对于浓度检测相对应的源漏电流Ids。此时可以通过调控侧栅的电压Vg(side)在(-10～10V)范围内，可以对Ids进行调控使Ids/Vg(top)值最大，对于检测的精度可以得到提高。

Claims (2)

1.一种双栅极单电子晶体管生物传感器，其特征在于结构如下，包括SOI(绝缘衬底上的硅)绝缘衬底(1)，绝缘衬底上为硅量子点沟道层(2)﹑介质层(3)﹑源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)﹑顶栅(7)，顶栅包括功能薄膜的样品容器(8)；绝缘衬底(1)上的顶层硅是经过处理减薄到80±20nm左右制备源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)﹑顶栅(7)；所述的硅量子点沟道层(2)是刻蚀方式在衬底上，量子点的直径大小在10nm以内；硅量子点沟道层(2)上的所述的源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)通过微加工方法在顶层硅上刻蚀出丁字型且三个极均留有间隙；所述的介质层(3)通过原子沉积的的技术在源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)构成的单电子晶体管上生长出一层Al2O3的高K介质层，厚度在10-40nm；所述的顶栅(7)是通过模板在高介质层上面制作一个顶栅。
2.根据权利要求1所述的双栅极电子晶体管生物传感器的制备方法，其特征在于SOI是使用注氧隔离技术制备，SOI上部的顶层硅选取的是(100)的晶向；厚度约为400nm，SOI下部衬底为BOX(埋层氧化层)，埋层氧化层(BOX)厚度大约为380nm；然后在顶层硅使用P离子通过热扩散的方法进行掺杂,初始顶层硅的厚度是200nm，P表面注入浓度是1.6E14cm-2，52KEV，在1000℃氧化，时间控制在35分钟，使用HF漂去氧化硅，剩余顶层硅大概70nm，浓度在3E19cm-3，再进行紫外曝光，然后进行显影，把光刻胶作为掩膜，使用RIE反应离子刻蚀的方法制备出硅量子点沟道层(2)，硅量子点沟道层(2)上以相同的RIE反应离子刻蚀得到包含源极、漏极、侧栅极的整体台面；完成之后再次进行UV曝光、显影以及电子束热蒸发Ni/Au和剥离金属的标记图形制备源极(4)﹑漏极(5)﹑侧栅极(6)构成的单电子晶体管，金属对准标记图形是通过电子束曝光做成，考虑到能使用图形互补，光刻胶覆盖的区域就是单电子晶体管的图形，在此基础上再进行ICP刻蚀，刻蚀的深度控制在到达BOX(埋层氧化层)，再将SOI上的Ni/Au洗掉，在900±20摄氏度左右下，热干氧化，使得源电极和漏电极之间的通道氧化成隧穿势垒；最后进行曝光、显影在源漏电极硅层面上开窗口，电子束蒸发金属Ni/Au金属电极；
再使用原子束沉积技术(ALD)，在单电子晶体管SET上覆盖一层大约40nm Al2O3的高K介质层；在高K介质层上，进行曝光﹑显影，使用PECVD技术生长氧化硅，剥离；使用PECVD技术淀积氮化硅，采用lift-off技术获得测量窗口和容器结构；在窗口上附着相应的功能薄膜，从而得到顶栅的功能薄膜以及连接容器。lift-off指涂胶后曝光显影，使其产生一个稍微内倾的光刻胶剖面。
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