CN108120752A - 一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生命科学半导体芯片的技术领域，更具体地，涉及一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片及制备方法。本发明集成了传感器、具有遮光效果的空气桥形式的参比电极。器件芯片能探测液体生物信号，操作方便，遮光的参比电极能避免半导体传感器由于光照产生光生载流子对器件产生干扰信号，且避免额外的遮光封装结构。本发明具有尺寸小、测试精度高、稳定性好、损耗低、重复性好等特点，能对需要稳定测量的环境进行离子及生物分子的测量，排除光照对器件和样品产生的影响，稳定参比电极对溶液的控制。
Description
技术领域
本发明涉及生命科学半导体芯片的技术领域，更具体地，涉及一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片及制备方法。
背景技术
近年来，传感器在生物医学、生命科学等领域深受重视。传感器的概念最先由Clark等人于1962年提出。1967年，Updike和HIcks根据Clark的设想，设计和制作了第一个酶电极(传感器)一一葡萄糖电极。生物体内除了酶以外，还有其他许多其他具有类似识别作用的物质，例如，抗体、抗原、激素等，若把类似的有识别作用的物质固定在膜上也能作传感器的敏感元件。人们把这类用固定化的生物体成分：抗原、抗体、激素作为敏感元件的传感器称为传感器或简称生物传感器。在最初的几年时间内、传感器主要以研制酶电极等电化学生物传感器为主。进入80年代后，由于生命医学、生命科学等得到人类极大重视，传感器的研究和开发呈现出突飞猛进的局面。
为了检测特定离子、生物分子的浓度，在离子敏场效应晶体管（ISFET）的基础上，将ISFET的传感区域覆盖敏感膜，即进行表面功能划修饰及表征。传感器的工作机理是利用表面处理技术使其敏感膜能够吸附特定的物质。这些物质改变了表面的电压降，从而改变沟道电阻，通过外电路检测沟道电阻的变化从而间接得到溶液中物质的浓度。
目前，传感器工作时需外置玻璃参比电极，这种电极制备工艺复杂，价格高，易碎，体积大且无法集成。由半导体制成的传感器受光照影响，产生光生载流子，光照的不稳定性导致测试过程中产生极大的噪声，参比电极无法良好地控制栅区，器件稳定性差，无法实现非实验环境的稳定精确测量。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片及制备方法，器件芯片能探测液体生物信号，操作方便，遮光的空气桥参比电极避免半导体传感器由于光照产生光生载流子对器件产生干扰信号，并且利用参比电极悬于有源区上方，对有源区进行增强控制，稳定测量信号。该芯片具有尺寸小、测试精度高、稳定性好、损耗低、重复性好等特点，能对需要稳定测量的环境进行离子及生物分子的测量，排除光照及外界干扰对器件产生的影响。
本发明的技术方案是：一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片，其中，由下往上依次包括衬底、成核层及应力缓冲层、GaN层、AlGaN层；所述至少GaN层以上形成凸台，GaN层和AlGaN层形成在凸台上，所述AlGaN层上形成有源电极金属和漏电极金属，所述凸台以下设有长引线及多个Pad，所述源电极金属、漏电极金属皆与对应的Pad区域电连接；所述源电极金属和漏电极金属之间的传感区域形成敏感材料层；所述凸台以下沉积绝缘材料台，所述绝缘材料台高度高于所述凸台；厚金属材料跨在绝缘材料台上形成空气桥参比电极；所述传感器被绝缘材料封装，露出溶液接触区及电接触区，溶液接触区覆盖部分参比电极及所有传感区域。所述的凸台下设有参比电极，参比电极材料可为惰性金属电极、不溶性盐电极，微型化传统参比电极等，且其与对应的Pad区域电连接。
所述的源电极金属和漏电极金属之间形成的敏感材料层，通过改变修饰及表征方式可得到不同的敏感材料层，得到对不同的离子和生物分子进行检测。
所述的刻蚀得到的凸台两端设有绝缘材料台以支撑空气桥参比电极，绝缘材料台高度高于凸台10nm~50μm，绝缘材料包括但不限于二氧化硅，氮化硅，树脂，硅胶等。
所述的空气桥参比电极悬于含有敏感材料层的传感区域上方，与敏感材料层之间由空气隔离绝缘，避免接触；所述的空气桥参比电极包含但不限于惰性金属。
所述的空气桥参比电极不仅对器件的传感区域进行遮光，并且对待测溶液的电位进行稳定；当检测溶液时，由待测溶液连接敏感材料层及其上方的参比电极；通过空气桥遮挡外界对敏感材料层的光照，避免光生载流子的产生以及光照对溶液的干扰，并增强对栅区的控制。
所述的绝缘封装材料覆盖除参比电极以外的所有电传感区，封装材料包括但不限于树脂。
具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1. 在衬底上依次生长成核层及应力缓冲层、GaN层、AlGaN层，制备出传感器的外延结构；
S2. 选择性刻蚀AlGaN层及一定厚度的GaN层、应力缓冲层及成核层；
S3. 分别蒸镀源电极金属、漏电极金属；
S4. 蒸镀长引线及Pad区域；
S5. 沉积绝缘材料，绝缘材料沉积厚度高于台面刻蚀深度10nm~50μm，并刻蚀形成绝缘材料台；
S6. 在芯片表面光刻并蒸镀，运用光刻胶分隔即将形成空气桥的金属与下方的半导体材料；
S7. 加厚参比电极，剥离溶解光刻胶，形成空气桥参比电极；
S8. 对传感器传感区域进行表面功能化修饰及表征,形成敏感材料层；
S9. 涂覆绝缘材料形成封装层；
通过上述S1至S9步骤制成具有遮光封装结构的传感器芯片。
所述的源电极金属、漏电极金属通过金属长引线与Pad区域形成电连接，所述参比电极直接拉长引出形成电连接。
该芯片可植入生物体内、对生物组织的损伤较小，参比电极架起空气桥，减小光照对器件性能的影响，并且空气桥参比电极悬于器件上方，对有源区的控制增强，可对各类离子、小型生物分子进行精确的测量。
所述的S2中涉及刻蚀方法为干法刻蚀，刻蚀气体环境为Cl2、BCl3的任一种或组合；
所述的S5中涉及沉积绝缘材料方法包含旋涂，等离子体气相沉积，原子层沉积法或磁控溅射的任一种或组合；
所述的S7中涉及的沉积厚金属的方法包含旋涂、蒸镀、电镀、物理气相沉积法、化学气相沉积法或磁控溅射法的任一种或组合。
所述的S9中涉及的涂覆绝缘封装材料的方法包含旋涂、等离子气相沉积、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法的任一种或组合。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供了一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片，本发明集成了传感器及具有遮光结构的空气桥参比电极，芯片能探测液体生物信号，操作方便。本发明具有尺寸小、测试精度高、稳定性好、损耗低、重复性好等特点。参比电极架起空气桥，减小光照对器件性能的影响，并且空气桥参比电极悬于器件上方，对有源区的控制增强，可对各类离子、小型生物分子进行精确的测量。
附图说明
图1为实施例1立体结构拆分示意图。
图2为实施例1传感器部分剖面结构示意图。
图3为实施例1传感器侧视图。
图4-8为实施例1对应制作步骤S4-S7，S9立体示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1-8所示，一种具有遮光封装结构的传感器芯片，其中，由下往上依次包括衬底1、成核层及应力缓冲层2、GaN层3、AlGaN层4。至少GaN层3以上形成凸台，GaN层和AlGaN层形成在凸台上，AlGaN层上形成有源电极金属和漏电极金属5，凸台以下设有长引线6及多个Pad7，源电极金属、漏电极金属5皆与对应的Pad区域7电连接。源电极金属和漏电极金属5之间的传感区域形成敏感材料层8。凸台以下沉积绝缘材料台10，绝缘材料台高度高于所述凸台。厚金属材料跨在绝缘材料台上形成空气桥参比电极9。传感器被绝缘材料11封装，露出溶液接触区及电接触区，溶液接触区覆盖部分参比电极9及所有传感区域。
实施例2
本实施例与实施例1类似，区别在于，如图1所示的传感器源漏电极之间没有沉积的生物分子膜或离子敏感，即没有进行该区域的表面功能化修饰及表征。该芯片源漏电极之间即为传感区域可进行溶液pH测量。
实施例3
本实施例与实施例1类似，区别在于，把实施例1中的的空气桥参比电极方向改变，横跨整个半导体凸台区，悬于源电极，漏电极及整个敏感层区，对器件进行完全覆盖。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片，其特征在于，由下往上依次包括衬底（1）、成核层及应力缓冲层（2）、GaN层（3）、AlGaN层（4）；所述至少GaN层（3）以上形成凸台，GaN层和AlGaN层形成在凸台上，所述AlGaN层上形成有源电极金属和漏电极金属（5），所述凸台以下设有长引线（6）及多个Pad(7)，所述源电极金属、漏电极金属（5）皆与对应的Pad区域（7）电连接；所述源电极金属和漏电极金属（5）之间的传感区域形成敏感材料层（8）；所述凸台以下沉积绝缘材料台（10），所述绝缘材料台高度高于所述凸台；厚金属材料跨在绝缘材料台上形成空气桥参比电极（9）；所述传感器被绝缘材料（11）封装，露出溶液接触区及电接触区，溶液接触区覆盖部分参比电极（9）及所有传感区域。
2.根据权利要求1所述的一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片，其特征在于：所述的源电极金属和漏电极金属（5）之间形成的敏感材料层（8），通过改变修饰及表征方式可得到不同的敏感材料层，得到对不同的离子和生物分子进行检测。
3.根据权利要求1所述的一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片，其特征在于：所述的刻蚀得到的凸台两端设有绝缘材料台（10）以支撑空气桥参比电极（9），绝缘材料台（10）高度高于凸台10nm~50μm，绝缘材料包括但不限于二氧化硅，氮化硅，树脂，硅胶等。
4.根据权利要求1所述的一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片，其特征在于：所述的空气桥参比电极（9）悬于含有敏感材料层（8）的传感区域上方，与敏感材料层（8）之间由空气隔离绝缘，避免接触；所述的空气桥参比电极（9）包含但不限于惰性金属。
5.根据权利要求1所述的一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片，其特征在于：所述的空气桥参比电极（9）不仅对器件的传感区域进行遮光，并且对待测溶液的电位进行稳定；当检测溶液时，由待测溶液连接敏感材料层及其上方的参比电极；通过空气桥遮挡外界对敏感材料层的光照，避免光生载流子的产生以及光照对溶液的干扰，并增强对栅区的控制。
6.根据权利要求1所述的一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片，其特征在于：所述的绝缘封装材料（11）覆盖除参比电极以外的所有电传感区，封装材料包括但不限于树脂。
7.权利要求1所述的具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 在衬底（1）上依次生长成核层及应力缓冲层（2）、GaN层（3）、AlGaN层（4），制备出传感器的外延结构；
S2. 选择性刻蚀AlGaN层（4）及一定厚度的GaN层（3）、应力缓冲层及成核层（2）；
S3. 分别蒸镀源电极金属、漏电极金属（5）；
S4. 蒸镀长引线（6）及Pad区域(7)；
S5. 沉积绝缘材料，绝缘材料沉积厚度高于台面刻蚀深度10nm~50μm，并刻蚀形成绝缘材料台（10）；
S6. 在芯片表面光刻并蒸镀，运用光刻胶分隔即将形成空气桥的金属与下方的半导体材料；
S7. 加厚参比电极，剥离溶解光刻胶，形成空气桥参比电极（9）；
S8. 对传感器传感区域进行表面功能化修饰及表征,形成敏感材料层（8）；
S9. 涂覆绝缘材料形成封装层（11）；
通过上述S1至S9步骤制成具有遮光封装结构的传感器芯片。
8.根据权利要求7所述的一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述的源电极金属、漏电极金属（5）通过金属长引线（6）与Pad区域（7）形成电连接，所述参比电极（9）直接拉长引出形成电连接。
9.根据权利要求7所述的一种具有空气桥参比电极遮光结构的传感器芯片的制备方法，其特征在于：该芯片可植入生物体内、对生物组织的损伤较小，参比电极架起空气桥，减小光照对器件性能的影响，并且空气桥参比（9）电极悬于器件上方，对有源区的控制增强，可对各类离子、小型生物分子进行精确的测量。
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