CN107356649A - 多路生物传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路生物传感器及其制造方法，其中，多路生物传感器，包括衬底、电极系统、盖片板以及Ⅲ‑Ⅴ族氮化物的晶体管阵列；衬底包裹晶体管阵列；电极系统连接晶体管阵列；盖片板设置在衬底上方，盖片板中设有供口部和沟道；供口部设置在盖片板表面与沟道连接；晶体管阵列包括若干晶体管，每个晶体管的栅极表面具有经功能化处理得到的功能化层，源极和漏极之间裸露的栅极区域形成传感区域，传感区域与沟道重合；每个晶体管的功能化层与由供口部进入沟道内的待检测样品中的特定成分接触，对特定成分进行识别及浓度检测。本发明制作简单、检测灵敏度高、实现自动进行并行检测，不仅节省样品用量，而且提高检测效率，降低检测成本。

Description

多路生物传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种多路生物传感器及其制造方法。

背景技术

识别和检测特定的生物分子，如脱氧核糖核酸、蛋白质等，对于疾病诊断、基因测序、药物研发、环境检测等领域有着重要的意义。传统的检测方法包括荧光免疫测定、凝胶电泳、质谱分析等，但这些检测需要复杂的仪器和繁琐的操作步骤。因而，开发高灵敏度、特异性好、价格低廉、操作简单的生物分子传感器以及相应的制造方法，有着重要的科学意义和应用价值。基于晶体管的生物传感器，通过在表面功能化生物探针，吸附相应的生物标志物，并通过高精度电学测试(源漏电流，导通电阻，阈值电压等)感应电荷变化，从而检测特定的生物分子。这类传感器的一个主要优势就是生物分子的监测可以直接通过电导等电学参数的测量来表征，无需额外的荧光标记或者其他预处理步骤，因而操作简单，并且检测精度高。

现在，用作生物传感的晶体管一般有硅基、石墨烯、碳纳米管以及纳米线晶体管。但他们都存在一定的缺点，传统的硅基晶体管灵敏度不高，工作条件存在局限性；而石墨烯、碳纳米管以及纳米线等制作工艺复杂，无法与传统的工艺手段集成，等比例缩小较为困难，也只能做到对单一分子的检测。

综上所述，目前缺乏一种制作简单、检测灵敏度高、实现自动进行并行检测，不仅节省样品用量，而且提高检测效率，降低检测成本的多路生物传感器及其制造方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种多路生物传感器及其制造方法，制作简单、检测灵敏度高、实现自动进行并行检测，不仅节省样品用量，而且提高检测效率，降低检测成本。

本发明提供了一种多路生物传感器，包括：衬底、电极系统、盖片板以及Ⅲ-Ⅴ族氮化物的晶体管阵列；

所述衬底，包裹所述晶体管阵列；

所述电极系统，设置在所述衬底上，连接所述晶体管阵列；

所述盖片板，设置在所述衬底上方，所述盖片板中设有供口部和沟道；

所述供口部设置在所述盖片板表面，与所述沟道连接，用于将待检测样品导入所述沟道内；

所述晶体管阵列包括若干晶体管；所述晶体管分布于所述衬底内，每个所述晶体管的源极和漏极均设置在所述晶体管的顶层均与所述电极系统连接；每个所述晶体管的栅极表面具有经功能化处理得到的功能化层，所述源极和漏极之间裸露的栅极区域形成传感区域，所述传感区域与所述沟道重合；每个所述晶体管的所述功能化层与由所述供口部进入所述沟道内的待检测样品中的特定成分接触，对特定成分进行识别及浓度检测。

作为一种可实施方式，所述晶体管包括Ⅲ-Ⅴ族氮化物层、二维电子气、源极、漏极、势垒层、钝化层以及栅极；

所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层，位于所述衬底上方；

所述势垒层，位于所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层上，其含有多元Ⅲ-Ⅴ族氮化物或ZnO和/或本征材料；所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层和所述势垒层的极化效应，在所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层与所述势垒层的界面形成二维电子气；

所述源极和漏极，与所述二维电子气电连接，所述源极和漏极之间设有所述钝化层和栅极，其裸露的栅极区域形成传感区域；

所述栅极嵌入所述钝化层，并将钝化层分成两段，其表面还覆盖有功能化层。

作为一种可实施方式，所述晶体管还包括栅介质，所述栅介质位于所述栅极和所述势垒层之间。

作为一种可实施方式，所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层和/或势垒层中设有氟离子。

作为一种可实施方式，所述势垒层为AlGaN、InAlN、InGaN、InAlGaN以及AlN中的任意一种。

作为一种可实施方式，所述钝化层厚度范围为10nm～500nm。

作为一种可实施方式，所述衬底包括硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓、金刚石、绝缘体上硅(SOI)以及氮化铝中任意一种。

作为一种可实施方式，所述电极系统包括若干对彼此间隔的工作电极和对电极以及掩片；

所述工作电极，设在所述衬底表面，通过所述掩片连接所述源极；

所述对电极，设在所述衬底表面，通过所述掩片连接所述漏极。

作为一种可实施方式，所述盖片板由有机高分子材料构建，所述盖片板中的所述沟道宽度范围为10nm～1000um。

作为一种可实施方式，所述功能化层为功能化探针，所述功能化探针包括DNA探针、RNA探针、离子探针、酶探针、蛋白质探针以及核苷酸探针的任意一种或多种。

作为一种可实施方式，所述功能化层为功能化选择膜，所述功能化选择膜包括DNA选择膜、RNA选择膜、离子选择膜、酶选择膜、蛋白质选择膜以及核苷酸选择膜的任意一种或多种。

本发明还提供一种多路生物传感器的制造方法，包括，

提供具有源极、漏极、钝化层以及栅极的器件结构；

基于前述器件结构，在衬底内进行阵列处理，得到阵列结构；

基于前述阵列处理形成的阵列结构，对每个阵列中的所述器件结构进行功能化处理，在所述栅极表面形成功能化层，得到Ⅲ-Ⅴ族氮化物的晶体管阵列；

基于Ⅲ-Ⅴ族氮化物的晶体管阵列、有机高分子材料构建的盖片板以及电极系统，采用键合处理，得到沟道与源极和漏极之间的传感区域重合和电极系统与源极与漏极连接的键合结构；

基于所述键合结构，进行金属互通绝缘或封装处理，得到所述多路生物传感器。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：

本发明提供一种多路生物传感器及其制造方法，通过在衬底内设置多个晶体管，并对晶体管的栅极表面功能化处理得到的功能化层；对衬底上的盖片板开设用于将待检测样品导入沟道内的供口部和沟道；最后将晶体管阵列、盖片板以及电极系统采用键合处理使得每个晶体管分别与沟道、电极系统连接。本发明制作简单、检测灵敏度高、实现自动进行并行检测，不仅节省样品用量，而且提高检测效率，降低检测成本。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的多路生物传感器剖面结构示意图；

图2为图1中A-A的剖视图；

图3为图1中晶体管的剖面结构示意图；

图中：1、盖片板；21、工作电极；22、对电极；23、掩片；3、沟道；4、供口部；51、衬底；52、Ⅲ-Ⅴ族氮化物层；53、二维电子气；54、源极；55、漏极；56、势垒层；57、钝化层；58、栅极。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

请参阅图1和图2，本发明实施例一提供的多路生物传感器，包括：衬底51、电极系统、盖片板1以及Ⅲ-Ⅴ族氮化物的晶体管阵列；衬底51包裹晶体管阵列；电极系统设置在衬底51上，连接晶体管阵列；盖片板1设置在衬底51上方，盖片板1中设有供口部4和沟道3；供口部4设置在盖片板1表面，与沟道3连接，用于将待检测样品导入沟道3内；晶体管阵列包括若干晶体管；晶体管分布于衬底51内，每个晶体管的源极54和漏极55均设置在晶体管的顶层均与电极系统连接；每个晶体管的栅极58表面具有经功能化处理得到的功能化层，源极54和漏极55之间裸露的栅极58区域形成传感区域，传感区域与沟道3重合；每个晶体管的功能化层与由供口部4进入沟道3内的待检测样品中的特定成分接触，对特定成分进行识别及浓度检测。

在沟道3的两端分别设有供口部4，作为流体接口与外部导管等设施相连，当然供口部4也可以设置多个；晶体管阵列包括若干晶体管；晶体管分布于衬底51内；对于晶体管的分布方式并不做限定，但是优选的分布方式为均匀分布于衬底51内，这样的分布方式便于最终的扫描读取。

于本实施例中，晶体管的源极54和漏极55均伸出半导体材料层，栅极58裸露在源极54和漏极55之间，源极54和漏极55之间的栅极58区域即为传感区域，栅极58表面具有经功能化处理得到的功能化层。源极54、漏极55之间的电流则通过二维电子气53传导，二维电子气53源于两种不同的Ⅲ-Ⅴ族氮化物堆叠形成的极化效应。传感功能通过源极54和漏极55间裸露的栅极58实现，当处于栅极58区域的功能化层与由供口部4进入沟道3内的待检测样品中的特定成分反应，源极54、漏极55之间电流会发生明显改变。电极系统与每个晶体管的源极54、漏极55连接，再与外部检测电路连接，能够通过检测电极系统的电流变化，实现同时检测晶体管阵列中的每个晶体管的电流变化，达到并行检测的目的。

本发明提供一种多路生物传感器，通过在衬底51内设置多个晶体管，并对晶体管的栅极58表面功能化处理得到的功能化层；对衬底51上的盖片板1开设用于将待检测样品导入沟道3内的供口部4和沟道3；最后将晶体管阵列、盖片板1以及电极系统采用键合处理使得每个晶体管分别与沟道3、电极系统连接。本发明制作简单、检测灵敏度高、实现自动进行并行检测，不仅节省样品用量，而且提高检测效率，降低检测成本。

于本实施例中，电极系统包括若干对彼此间隔的工作电极21和对电极22以及掩片23；工作电极21设在衬底51表面，通过掩片23连接源极54；对电极22设在衬底51表面，通过掩片23连接漏极55。掩片23热粘接源极54和漏极55，并遮掩在衬底51中；需要说明的是，对于工作电极21和对电极22，在聚酰亚胺膜一侧的面进行铂的溅射，在另一侧的面涂布热粘材料，将所得物品细切成带状，使用该带状物。通过将该带状物热粘接在电气绝缘衬底51上来形成工作电极21和对电极22。

盖片板1由有机高分子材料构建，优选的PDMS构建的盖片板1，具有良好的粘附性和良好的化学惰性以及生物兼容性等特点，盖片板1中的沟道3宽度范围为10nm～1000um，使得沟道3尺寸小能达到自动并行检测的需求，降低样品的使用量。

如图3所示，为晶体管的剖面结构示意图，下面对其结构进行详细说明：

晶体管包括Ⅲ-Ⅴ族氮化物层52、二维电子气53、源极54、漏极55、势垒层56、钝化层57以及栅极58；

Ⅲ-Ⅴ族氮化物层52位于衬底上方；

势垒层56位于Ⅲ-Ⅴ族氮化物层52上，其含有多元Ⅲ-Ⅴ族氮化物或ZnO和/或本征材料；Ⅲ-Ⅴ族氮化物层52和势垒层56的极化效应，在Ⅲ-Ⅴ族氮化物层52与势垒层56的界面形成二维电子气53；

源极54和漏极55与二维电子气53电连接，源极和漏极之间设有钝化层57和栅极58，其裸露的栅极58区域形成传感区域；

栅极58嵌入钝化层57，并将钝化层57分成两段，其表面还覆盖有功能化层。

进一步的，晶体管还包括栅介质，栅介质位于栅极58和势垒层56之间；比如，包括有栅介质的器件为MIS-HEMT；而不包括栅介质的器件为HEMT；这两种器件都能用于实现生物传感和检测。

于本实施例中，衬底包括硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓、金刚石、绝缘体上硅(SOI)以及氮化铝中任意一种。衬底包括同质或异质等多种材料，只要是能实现在其上进行III-V族氮化物外延生长，即Ⅲ-Ⅴ族氮化物外延生长在相应衬底上。于其他实施例中，衬底与其延伸结构也可以成为独立个体存在，然后将这些独立个体阵列组合形成晶体管阵列，更方便对晶体管阵列内的晶体管数量可以任意设置。

于本实施例中，Ⅲ-Ⅴ族氮化物层52位于衬底的上方，包括电流通道(电流沟道)层、III-V族氮化物缓冲层以及成核层；电流通道层用作电流通道，其成分为GaN。在Ⅲ-Ⅴ族氮化物层52上方为势垒层56，而势垒层56为AlGaN、InAlN、InGaN、InAlGaN以及AlN中的任意一种。可以是在Ⅲ-Ⅴ族氮化物层52和势垒层56中设有氟离子，也可以是在Ⅲ-Ⅴ族氮化物层52和势垒层56中设有氟离子；都能对二维电子气53的电子起始浓度进行修饰，增强检测灵敏度；于其他实施例中，还可以通过控制刻蚀处理的工艺调节势垒层56厚度，也可以通过纳米压印处理或者电子束光刻处理在势垒层56表面引入纳米级图案或者沟槽，达到对二维电子气53的电子起始浓度进行修饰的目的。

于本实施例中，钝化层57厚度范围为10nm～500nm。

于本实施例中，功能化层为功能化探针，功能化探针包括DNA探针、RNA探针、离子探针、酶探针、蛋白质探针以及核苷酸探针的任意一种或多种。功能化探针必须能够检测样品中的目标分析物，目标分析物经过每个晶体管的传感器时，每个晶体管的功能化探针只对某些特定的分析物起作用，对其他分析物无效；当功能化探针包括DNA探针、RNA探针、离子探针、酶探针、蛋白质探针以及核苷酸探针的任意多种时，也就是说，于本实施例中，总共集成4种功能化探针，每个晶体管上的功能化探针是不同的，可以同时检测4种生物分子；换言之，在一次样品的检测中，实现并行检测多种生物分子的目的，不仅提高检测效率，更能节约样品的使用量，降低检测成本。于其他实施例中，对功能化探针的选择并不做限定。于其他实施例中，功能化层为功能化选择膜，功能化选择膜包括DNA选择膜、RNA选择膜、离子选择膜、酶选择膜、蛋白质选择膜以及核苷酸选择膜的任意一种或多种。功能化选择膜能过滤特定成分，实现对特定成分反应进行识别及浓度检测。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种多路生物传感器的制造方法，关于制备得到的传感器的构造及性能，可参见前述相关说明，重复之处不再冗述，包括以下步骤：

步骤1、提供具有源极、漏极、钝化层以及栅极的器件结构；需要说明的是，只需要得到具有源极、漏极、钝化层以及栅极的器件结构，对于此器件结构的制造方法并不进行限定。

步骤2、基于前述器件结构，在衬底内进行阵列处理，得到阵列结构；

步骤3、基于前述阵列处理形成的阵列结构，对每个阵列中的器件结构进行功能化处理，在栅极表面形成功能化层，得到Ⅲ-Ⅴ族氮化物的晶体管阵列；不同的功能化处理能得到不同的功能化层，用于与不同的特定成分接触，对特定成分进行识别及浓度检测。功能化层为功能化探针或功能化选择膜。

步骤4、基于Ⅲ-Ⅴ族氮化物的晶体管阵列、有机高分子材料构建的盖片板以及电极系统，采用键合处理，得到沟道与源极和漏极之间的传感区域重合和电极系统与源极与漏极连接的键合结构；

电极系统包括工作电极、对电极以及掩片；工作电极设在衬底表面，通过掩片连接源极；对电极设在衬底表面，通过掩片连接漏极。掩片热粘接源极和漏极，并遮掩在衬底中；对于工作电极和对电极，可以是通过wire bonding引线键合工艺，使得工作电极与源极连接，对电极与源极连接。

步骤5、基于键合结构，进行金属互通绝缘或封装处理，得到多路生物传感器。

举例对步骤1提供具有源极、漏极、钝化层以及栅极的器件结构进行详细说明，包括以下步骤：

提供衬底；需要说明的是，衬底上形成的器件结构可以是一个，也可以是多个一起形成；

采用等离子刻蚀的方法，在衬底上形成分离的器件结构；其中，衬底，包括：Ⅲ-Ⅴ族氮化物外延生长在相应的非本征半导体衬底上；典型的外延结构包括自下向上依次叠置的Ⅲ-Ⅴ族氮化物层、二维电子气以及势垒层，该器件结构用于后续传感器主体部分的设置；

基于器件结构，依次进行台面刻蚀或离子注入电学隔离处理、电子束蒸发或溅射处理、以及高温退火处理，在器件结构顶部形成源极与漏极欧姆接触；

基于顶部形成有源极与漏极的器件结构，进行沉积处理，在器件结构顶部的源极与漏极之间沉积钝化层；这里的沉积处理包括原子层沉积处理、化学气相沉积处理、溅射处理、分子束沉积处理以及外延处理中的一种或多种。

基于器件结构顶部的源极与漏极之间沉积钝化层，进行干法刻蚀或湿法腐蚀处理，在钝化层中形成栅极，并对栅极进行开孔处理，淀积栅极、源极、漏极互联金属，得到具有源极、漏极、钝化层以及栅极的器件结构。

本发明提供的一种多路生物传感器及其制造方法，通过在衬底内设置多个晶体管，并对晶体管的栅极表面功能化处理得到的功能化层；对衬底上的盖片板开设用于将待检测样品导入沟道内的供口部和沟道；最后将晶体管阵列、盖片板以及电极系统采用键合处理使得每个晶体管分别与沟道、电极系统连接。本发明制作简单、检测灵敏度高、实现自动进行并行检测，不仅节省样品用量，而且提高检测效率，降低检测成本。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.一种多路生物传感器，其特征在于，包括：衬底、电极系统、盖片板以及Ⅲ-Ⅴ族氮化物的晶体管阵列；

所述衬底，包裹所述晶体管阵列；

所述电极系统，设置在所述衬底上，连接所述晶体管阵列；

所述盖片板，设置在所述衬底上方，所述盖片板中设有供口部和沟道；

所述供口部设置在所述盖片板表面，与所述沟道连接，用于将待检测样品导入所述沟道内；

所述晶体管阵列包括若干晶体管；所述晶体管分布于所述衬底内，每个所述晶体管的源极和漏极均设置在所述晶体管的顶层均与所述电极系统连接；每个所述晶体管的栅极表面具有经功能化处理得到的功能化层，所述源极和漏极之间裸露的栅极区域形成传感区域，所述传感区域与所述沟道重合；每个所述晶体管的所述功能化层与由所述供口部进入所述沟道内的待检测样品中的特定成分接触，对特定成分进行识别及浓度检测。

2.如权利要求1所述的多路生物传感器，其特征在于，所述晶体管包括Ⅲ-Ⅴ族氮化物层、二维电子气、源极、漏极、势垒层、钝化层以及栅极；

所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层，位于所述衬底上方；

所述势垒层，位于所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层上，其含有多元Ⅲ-Ⅴ族氮化物或ZnO和/或本征材料；所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层和所述势垒层的极化效应，在所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层与所述势垒层的界面形成二维电子气；

所述源极和漏极，与所述二维电子气电连接，所述源极和漏极之间设有所述钝化层和栅极，其裸露的栅极区域形成传感区域；

所述栅极嵌入所述钝化层，并将钝化层分成两段，其表面还覆盖有功能化层。

3.如权利要求2所述的多路生物传感器，其特征在于，所述晶体管还包括栅介质，所述栅介质位于所述栅极和所述势垒层之间。

4.如权利要求2所述的多路生物传感器，其特征在于，所述Ⅲ-Ⅴ族氮化物层和/或势垒层中设有氟离子。

5.如权利要求2或4所述的多路生物传感器，其特征在于，所述势垒层为AlGaN、InAlN、InGaN、InAlGaN以及AlN中的任意一种。

6.如权利要求2所述的多路生物传感器，其特征在于，所述钝化层厚度范围为10nm～500nm。

7.如权利要求1所述的多路生物传感器，其特征在于，所述衬底包括硅、碳化硅、蓝宝石、氮化镓、金刚石、绝缘体上硅(SOI)以及氮化铝中任意一种。

8.如权利要求1所述的多路生物传感器，其特征在于，所述电极系统包括若干对彼此间隔的工作电极和对电极以及掩片；

所述工作电极，设在所述衬底表面，通过所述掩片连接所述源极；

所述对电极，设在所述衬底表面，通过所述掩片连接所述漏极。

9.如权利要求1所述的多路生物传感器，其特征在于，所述盖片板由有机高分子材料构建，所述盖片板中的所述沟道宽度范围为10nm～1000um。

10.如权利要求1或2所述的多路生物传感器，其特征在于，所述功能化层为功能化探针，所述功能化探针包括DNA探针、RNA探针、离子探针、酶探针、蛋白质探针以及核苷酸探针的任意一种或多种。

11.如权利要求1或2所述的多路生物传感器，其特征在于，所述功能化层为功能化选择膜，所述功能化选择膜包括DNA选择膜、RNA选择膜、离子选择膜、酶选择膜、蛋白质选择膜以及核苷酸选择膜的任意一种或多种。

12.一种多路生物传感器的制造方法，其特征在于，包括：

提供具有源极、漏极、钝化层以及栅极的器件结构；

基于前述器件结构，在衬底内进行阵列处理，得到阵列结构；

基于前述阵列处理形成的阵列结构，对每个阵列中的所述器件结构进行功能化处理，在所述栅极表面形成功能化层，得到Ⅲ-Ⅴ族氮化物的晶体管阵列；

基于Ⅲ-Ⅴ族氮化物的晶体管阵列、有机高分子材料构建的盖片板以及电极系统，采用键合处理，得到沟道与源极和漏极之间的传感区域重合和电极系统与源极与漏极连接的键合结构；

基于所述键合结构，进行金属互通绝缘或封装处理，得到所述多路生物传感器。