CN108847424B - 薄膜晶体管、传感器、生物检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种薄膜晶体管、传感器、生物检测装置和方法，涉及传感器技术领域。该薄膜晶体管包括：衬底；在该衬底上的第一栅极；在该衬底上覆盖该第一栅极的第一电介质层；在该第一电介质层的背离第一栅极的一侧的源极、漏极和半导体层，该源极和该漏极分别与该半导体层连接；覆盖该半导体层的第二电介质层，该第二电介质层的材料为固态电解质材料；以及在该第二电介质层的背离半导体层的一侧的第二栅极。本公开的薄膜晶体管具有高的检测灵敏度。
Description
技术领域
本公开涉及传感器技术领域，特别涉及一种薄膜晶体管、传感器、生物检测装置和方法。
背景技术
相关技术中，电解质栅介质已经逐渐引起了广泛的关注。电解质栅介质内部的可移动离子可以在较小的栅压下，在电解质和有源层的界面形成双电层，从而产生巨大的电容。因此，以电解质作为栅介质的TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)和传统TFT相比，前者对栅极施压更加敏感。但是，由于电解质多为液态，很难与固态器件相匹配且稳定性较差，而且制备工艺无法和量产技术匹配，因此电解质器件并没有得到广泛的应用和量产。随着技术的发展，固态电解质材料逐渐被开发出来。但是，基于固态电解质传感器的器件结构还没有实现量产和应用。
发明内容
本公开的实施例解决的一个技术问题是：提供一种基于固态电解质材料的薄膜晶体管。
根据本公开实施例的一个方面，提供了一种薄膜晶体管，包括：衬底；在所述衬底上的第一栅极；在所述衬底上覆盖所述第一栅极的第一电介质层；在所述第一电介质层的背离所述第一栅极的一侧的源极、漏极和半导体层，所述源极和所述漏极分别与所述半导体层连接；覆盖所述半导体层的第二电介质层，所述第二电介质层的材料为固态电解质材料；以及在所述第二电介质层的背离所述半导体层的一侧的第二栅极。
可选地，所述薄膜晶体管还包括：第一端口层，在所述衬底的上方，所述第一端口层与所述第一栅极间隔开；和第二端口层，与所述第二栅极连接，所述第二端口层在所述第一电介质层的背离所述第一端口层的一侧。
可选地，所述薄膜晶体管还包括：覆盖所述第二栅极和所述第二端口层的覆盖层。
可选地，所述固态电解质材料包括有机聚合电解质材料和无机电解质材料的至少一种。
可选地，所述半导体层覆盖所述源极和所述漏极；或者，所述源极和所述漏极覆盖所述半导体层。
根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种传感器，包括：如前所述的薄膜晶体管。
可选地，所述传感器还包括：探测单元，所述探测单元包括：与所述薄膜晶体管的第一端口层电连接的第一探测部；和与所述薄膜晶体管的第二端口层电连接的第二探测部。
可选地，所述传感器还包括：与所述薄膜晶体管的衬底相对设置的且位于所述第二栅极上方的盖板；和在所述盖板与所述衬底之间的封装部；其中，所述盖板、所述封装部和所述薄膜晶体管围成流道，所述薄膜晶体管的第一端口层和第二端口层分别与所述流道邻接。
根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种生物检测装置，包括：如前所述的薄膜晶体管或者如前所述的传感器。
根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种薄膜晶体管的制造方法，包括：在衬底上形成第一栅极；在所述衬底上形成覆盖所述第一栅极的第一电介质层；在所述第一电介质层的背离所述第一栅极的一侧形成源极、漏极和半导体层，所述源极和所述漏极分别与所述半导体层连接；形成覆盖所述半导体层的第二电介质层，所述第二电介质层的材料为固态电解质材料；以及在所述第二电介质层的背离所述半导体层的一侧形成第二栅极。
可选地，所述制造方法还包括：在形成第一栅极的过程中，还在所述衬底上形成第一端口层，所述第一端口层与所述第一栅极间隔开；和在形成第二栅极的过程中，还形成与所述第二栅极连接的第二端口层，其中，所述第二端口层在所述第一电介质层的背离所述第一端口层的一侧。
可选地，所述制造方法还包括：形成覆盖所述第二栅极和所述第二端口层的覆盖层。
可选地，形成所述源极、所述漏极和所述半导体层的步骤包括：在所述第一电介质层的背离所述第一栅极的一侧形成源极和漏极；和形成覆盖所述源极和所述漏极的半导体层。
可选地，形成所述源极、所述漏极和所述半导体层的步骤包括：在所述第一电介质层的背离所述第一栅极的一侧形成半导体层；和形成覆盖所述半导体层的源极和漏极。
根据本公开实施例的另一个方面，提供了一种利用如前所述的薄膜晶体管检测样品的方法，包括：对第一栅极施加调试电压使得所述薄膜晶体管处于敏感工作区间；将第一端口层和第二端口层分别与待检测的样品连接；对所述第一端口层施加检测电压；以及从所述源极或所述漏极获取输出电流，并根据所述输出电流获得所述样品的检测结果。
可选地，在对第一栅极施加调试电压之前，所述方法还包括：获得所述薄膜晶体管的敏感工作区间。
可选地，获得所述敏感工作区间的步骤包括：对第二栅极施加扫描电压VG；从所述源极或所述漏极获取电流ID以获得所述电流ID与所述扫描电压VG的ID-VG特性曲线；以及从所述ID-VG特性曲线中找到曲线斜率最大的电压区间即为所述薄膜晶体管的敏感工作区间。
在上述薄膜晶体管中，该薄膜晶体管的第二电介质层采用固态电解质材料。这样在微弱的栅极电压(即施加在第二栅极上的电压)下，可以在第二电介质层和半导体层中形成双电层，产生巨大电容，影响薄膜晶体管的输出电流。因此该薄膜晶体管对栅极电压非常敏感，具有高的检测灵敏度。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
图1A是示意性地示出根据本公开一些实施例的薄膜晶体管的截面图；
图1B是示意性地示出根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的截面图；
图2A是示意性地示出根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的截面图；
图2B是示意性地示出根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的截面图；
图3是示意性地示出利用本公开一些实施例的薄膜晶体管检测待检测样品的连接图；
图4是示意性地示出根据本公开一些实施例的传感器的截面图；
图5是示意性地示出根据本公开另一些实施例的传感器的截面图；
图6是示出根据本公开一些实施例的薄膜晶体管的制造方法的流程图；
图7A至图7E是示意性地示出根据本公开一些实施例的薄膜晶体管的制造过程中若干阶段的结构的截面图；
图8A至图8F是示意性地示出根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的制造过程中若干阶段的结构的截面图；
图9是示出利用本公开一些实施例的薄膜晶体管检测样品的方法的流程图。
应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
图1A是示意性地示出根据本公开一些实施例的薄膜晶体管的截面图。
如图1A所示，该薄膜晶体管可以包括衬底101和在该衬底101上的第一栅极111。该第一栅极111的材料可以包括导电材料，例如金属等。
如图1A所示，该薄膜晶体管还可以包括在该衬底101上覆盖该第一栅极111的第一电介质层121。例如，该第一电介质层121的材料可以包括SiO2、Al2O3、SiN等绝缘材料。或者，该第一电介质层121的材料可以包括HfO2、Ta2O5等高介电常数材料。或者，该第一电介质层121的材料可以包括PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)或光刻胶等有机绝缘材料。
如图1A所示，该薄膜晶体管还可以包括在第一电介质层121的背离该第一栅极111的一侧的源极102、漏极103和半导体层104。该源极102和该漏极103分别与该半导体层104连接。该源极102和该漏极103间隔开。例如，该源极102和该漏极103位于第一电介质层121的表面上。该半导体层104可以覆盖该源极102和该漏极103。
该源极102和该漏极104的材料可以为导电材料。例如，该导电材料可以包括：金属材料、导电氧化物材料(例如，ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)、IZO(Indium ZincOxide，氧化铟锌)或AZO(Aluminum Zinc Oxide，氧化锌铝)等)或导电非金属材料(例如，石墨、石墨烯、碳纳米管、有机导电材料等)等。
该半导体层104也可以称为有源层，用于形成沟道区域。该半导体层104的材料可以为有机材料或无机材料。
如图1A所示，该薄膜晶体管还可以包括覆盖该半导体层104的第二电介质层122。该第二电介质层122的材料为固态电解质材料。该固态电解质材料可以包括有机聚合电解质材料和无机电解质材料中的至少一种。例如，该有机聚合电解质材料可以包括聚乙烯醇+氟化钾(PVA+KF)、聚环氧乙烷+六氟磷酸锂(PEO+LiPF6)、聚氧化乙烯(PEO)/LiClO4、聚(苯乙烯磺酸)(PSSH)、聚(偏氟乙烯-co-乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))等。例如，该无机电解质材料可以包括多孔SiO2、多孔Al2O3、多孔SiO2+CaCl2、多孔SiO2+LiCl、SiO2纳米颗粒、Al2O3纳米颗粒、沸石、褐藻酸钠、磷硅玻璃等。
如图1A所示，该薄膜晶体管还可以包括在第二电介质层122的背离该半导体层104的一侧的第二栅极112。该第二栅极112位于该第二电介质层122上。该第二栅极112的材料可以包括导电材料，例如金属等。
在上述实施例中，提供了一种具有双栅极的薄膜晶体管。该薄膜晶体管的第二电介质层采用固态电解质材料。这样在微弱的栅极电压(即施加在第二栅极上的电压)下，可以在第二电介质层和半导体层中形成双电层(在第二电介质层中为离子层，在半导体层中为载流子层)，产生巨大电容，影响薄膜晶体管的输出电流。因此该薄膜晶体管对栅极电压非常敏感，具有高的检测灵敏度。
例如，对于薄膜晶体管，1V之内的栅极电压波动就可以引起源漏电流4到5个数量级大小的变化。因此，该薄膜晶体管对1V以下的弱电信号仍然具有很高的敏感度。
在上述实施例中的薄膜晶体管中，第一栅极111可以起到调节TFT阈值电压(Vth)的作用。通过向第一栅极施加一个适当的电压，可以将该薄膜晶体管的输出电流(即源极和漏极之间电流)，调整到对第二栅极的电压信号敏感的工作区间，起到了提高薄膜晶体管的敏感程度的作用。这里，敏感工作区间是指使得该薄膜晶体管的输出电流对作用在第二栅极上的电压敏感的电压区间。
例如，对于一些实施例的薄膜晶体管，该敏感工作区间指的是从源极或漏极输出的电流ID与第二栅极的栅极电压VG这二者形成的ID-VG特性曲线中曲线斜率最大的电压区间，也即TFT转移特性曲线中亚阈值摆幅(subthreshold swing，简称为S.S.)取值最小的电压区间。例如，该电压区间可以是[-5V，5V]。当然，本领域技术人员应该明白，不同的薄膜晶体管的敏感工作区间可能不同，因此，本公开实施例的范围并不仅限于这里所举例描述的敏感工作区间。
在一些实施例中，对于一些本身就处在敏感工作区间的薄膜晶体管，第一栅极111可以不加电压或者省去。例如，可以调节第一电介质层和半导体层的厚度以及半导体层的掺杂浓度，从而使得该薄膜晶体管的敏感工作区间处在第一栅极电压为0V的附近。这样，薄膜晶体管在工作时就可以不对第一栅极111施加电压，或者在制造过程中省去该第一栅极。
图1B是示意性地示出根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的截面图。在图1A所示的实施例的基础上，图1B所示薄膜晶体管中的半导体层104与源极102/漏极103的位置可以互换。即，在图1B所示的薄膜晶体管中，源极102和漏极103覆盖半导体层104。例如，如图1B所示，半导体层104在第一电介质层121的表面上，源极102和漏极103在该半导体层104上。第二电介质层122可以覆盖该源极102、该漏极103和该半导体层104。这实现了另一些实施例的薄膜晶体管的结构。该薄膜晶体管具有高的检测灵敏度。
图2A是示意性地示出根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的截面图。与图1A所示的薄膜晶体管相比，图2A所示的薄膜晶体管具有相同或相似的结构。这些相同或相似的结构将不再赘述。
在一些实施例中，如图2A所示，该薄膜晶体管还可以包括第一端口层201。该第一端口层201在衬底101的上方。该第一端口层201与第一栅极111间隔开。在一些实施例中，该第一端口层201与第一栅极111可以位于相同层，如图2A所示。在另一些实施例中，该第一端口层201与第一栅极111可以位于不同层。例如，第一端口层可以位于第一栅极的上方，并且该第一端口层与该第一栅极之间被电介质层间隔开。该第一端口层201的材料可以包括导电材料，例如金属等。在一些实施例中，该第一端口层201的材料可以与第一栅极111的材料相同。例如，可以利用同一构图工艺形成该第一端口层和该第一栅极，这样方便制造。在另一些实施例中，该第一端口层201的材料可以与第一栅极111的材料不同。
在一些实施例中，如图2A所示，该薄膜晶体管还可以包括第二端口层202。该第二端口层202与第二栅极112连接。该第二端口层202在第一电介质层121的背离第一端口层201的一侧。即，第一电介质层121将该第一端口层201和该第二端口层202隔离开。在一些实施例中，该第二端口层202与第二栅极112可以位于相同层。在另一些实施例中，该第二端口层202与第二栅极112可以位于不同层。例如，第二端口层可以位于第二栅极的上方，并且该第二端口层与该第二栅极可以通过金属连接件连接。该第二端口层202的材料可以包括导电材料，例如金属等。在一些实施例中，该第二端口层202的材料可以与第二栅极112的材料相同。例如，可以利用同一构图工艺形成该第二端口层和该第二栅极，这样方便制造。在另一些实施例中，该第二端口层202的材料可以与第二栅极112的材料不同。
在上述实施例中，该薄膜晶体管集成了第一端口层和第二端口层。这可以使得该薄膜晶体管可以应用于检测样品的浓度或成分等。利用第一端口层向待检测样品发出电压信号，利用第二端口层从待检测样品接收电压信号，从而使得薄膜晶体管根据接收的电压信号输出电流并根据该电流实现对待检测样品的浓度或成分等进行检测。因此，在集成了第一端口层和第二端口层后，该薄膜晶体管更加适于实际的应用。这里将第一端口层和第二端口层集成在器件中，提高了器件的集成度，使得器件可以独立完成传感功能，而且可以满足量产的需求。
在该薄膜晶体管中，第一电介质层既起到作为第一栅极的电介质层的作用，也充当了第一端口层和第二端口层之间的电介质层。因此有利于薄膜晶体管的集成。这样既集成简化了器件结构，又可以减少量产工艺步骤。
在一些实施例中，如图2A所示，该薄膜晶体管还可以包括覆盖第二栅极112和第二端口层202的覆盖层210。该覆盖层可以将电解质材料与外界环境隔绝，起到了对电解质区域的保护作用，提高器件的稳定性。
图2B是示意性地示出根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的截面图。与图2A所示的薄膜晶体管相比，在图2A所示的实施例的基础上，图2B所示薄膜晶体管中的半导体层104与源极102/漏极103的位置可以互换。即，在图2B所示的薄膜晶体管中，源极102和漏极103覆盖半导体层104。例如，如图2B所示，半导体层104在第一电介质层121的表面上，源极102和漏极103在该半导体层104上。第二电介质层122可以覆盖该源极102、该漏极103和该半导体层104。这实现了另一些实施例的薄膜晶体管的结构。该薄膜晶体管具有高的检测灵敏度。
图3是示意性地示出利用本公开一些实施例的薄膜晶体管检测待检测样品的连接图。例如，该待检测样品可以是液体样品(例如生物化学样品)。例如，该薄膜晶体管可以用于检测待检测样品的浓度、生物化学成分等。另外，图3中示出了在第二电介质层122内的离子360和在半导体层104内的载流子(例如电子或空穴)370。在薄膜晶体管的工作过程中，这些离子360和载流子370在电场作用下形成双电层。
如图3所示，该薄膜晶体管可以直接接触待检测样品330进行测试。例如，可以在薄膜晶体管的端口层侧设置用于容纳待检测样品的容器，或者将薄膜晶体管的两个端口层置于待检测样品中。又例如，可以形成穿过第一端口层和第二端口层的通孔，在该通孔内可以容纳待检测样品，从而实现第一端口层和第二端口层分别与待检测样品直接接触。
下面结合图3详细描述利用本公开一些实施例的薄膜晶体管检测待检测样品的过程。
在检测过程中，可以对薄膜晶体管的第一栅极111施加一个调试电压VTu，从而使得该薄膜晶体管工作在敏感工作区间。例如该调试电压VTu的范围可以是-70V≤VTu≤70V。例如该调试电压VTu可以是-30V、10、20V等。对第一端口层201施加检测电压信号VSe。该第一端口层201可以用于输出该检测电压信号。该检测电压信号经过第一端口层传输到待检测样品330。由于待检测样品具有电阻，因此该待检测样品会对电压信号起到分压的作用。该第二端口层202可以用于接收经过待检测样品分压后的检测电压信号，并传递到第二栅极。这里，该被待检测样品分压后的检测电压可以称为待测电压信号。该待测电压信号被传递到第二栅极112，可以使得薄膜晶体管开启，从而产生源漏电流。从源极102或漏极103获取输出电流，即源漏电流。可以根据该输出电流获得样品的检测结果，例如样品浓度(或PH值)等。
研究证明，本公开一些实施例的薄膜晶体管可以具备感应微弱电信号、化学信号(例如PH值等)和生物信号(例如抗体、DNA等)的功能。下面将举例详细说明。
例如，可以利用该薄膜晶体管监测样品浓度的变化。可以在对第一端口层施加的检测电压不变的情况下，当样品浓度减小时，该样品的电阻增大，则样品所分的电压增大。因此，传递到第二栅极上的电压减小，从源极或漏极获取的输出电流减小，从而检测出样品浓度减小的结果。
又例如，可以利用该薄膜晶体管检测样品所含有的生物化学成分。可以在对第一端口层施加的检测电压不变的情况下，在第一端口层和第二端口层上附加生物化学试剂，该生物化学试剂具有一定的电阻。当将待检测的生物化学样品与该生物化学试剂接触后，如果生物化学样品含有某种生物化学成分(例如某种抗体)，而且该生物化学成分可以与该生物化学试剂反应，则会引起生物化学试剂的电阻发生变化。这样利用图3所示的薄膜晶体管进行检测的过程中，会导致输出电流发生变化。通过检测到输出电流发生变化从而探测到待检测的生物化学样品所含有的生物化学成分。另外，还可以根据输出电流变化的程度检测所含生物化学成分(例如抗体)的含量等。
在本公开的一些实施例中，还可以提供一种传感器。该传感器可以包括如前所述的薄膜晶体管，例如图1A或图2A所示的薄膜晶体管。
图4是示意性地示出根据本公开一些实施例的传感器的截面图。如图4所示，该传感器除了包括与图2A所示的薄膜晶体管相同或相似的结构之外，该传感器还可以包括探测单元420。另外，图4中还示出了待检测的样品430。
如图4所示，该探测单元420可以包括第一探测部421和第二探测部422。该第一探测部421与薄膜晶体管的第一端口层201电连接。第二探测部422与薄膜晶体管的第二端口层202电连接。例如，第一探测部421和第二探测部422可以均为探针。可选地，该探测单元420还可以包括固定部423。该固定部423用于将第一探测部421和第二探测部422组合在一起。例如，该固定部的材料可以包括绝缘材料，例如氮化硅等。在该实施例中，在传感器中增加了与第一端口层和第二端口层分别连接的探测单元。在进行样品检测时，可以将探测单元与待检测样品接触，更加方便检测。
在一些实施例中，该探测单元可以是可拆卸的探测单元。这样在检测样品时可以使用一次性的探测单元，防止不同样品之间的干扰，提高检测的精确度。在另一些实施例中，该探测单元也可以采用反复使用的探测单元，可以节约资源和成本。
如图4所示，在该传感器工作的过程中，可以将探测单元420与待检测的样品430接触。在对第一端口层201施加检测电压信号VSe后，该检测电压信号VSe由第一端口层201输出，并经过第一探测部421到达样品430。经过样品430分压后的检测电压(即待测电压信号)经过第二探测部422后，由第二端口层202接收并传递到第二栅极112。然后通过从源极102或漏极103获取输出电流来获得检测结果，例如样品浓度等。例如，如前所述，可以通过输出电流的波动来监测样品浓度的变化。又例如，如前所述，可以在探测单元上附加生物化学试剂来探测生物化学成分等。
图5是示意性地示出根据本公开另一些实施例的传感器的截面图。
如图5所示，该传感器除了包括与图2A所示的薄膜晶体管相同或相似的结构之外，该传感器还可以包括盖板541和封装部542。该盖板541与薄膜晶体管的衬底101相对设置，并且位于第二栅极112上方。例如，该盖板541位于覆盖层210上。该封装部542在该盖板541与该衬底101之间。该盖板541、该封装部542和薄膜晶体管围成流道543。例如，该流道543可以由该盖板541、该封装部542与该薄膜晶体管的衬底101、第一端口层201、第一电介质层121、第二端口层202、覆盖层210所围成。该流道543是中空结构。该薄膜晶体管的第一端口层201和第二端口层202分别与该流道543邻接。例如，如图5所示，待检测的样品(例如液体样品)530可以在流道543中沿着垂直于纸面的方向流动，从而可以利用该传感器检测该样品的特性。
在该实施例中，通过将流道集成到传感器中，既提高了器件的集成度，也更加方便检测样品。
在本公开的一些实施例中，还提供了一种生物检测装置。该生物检测装置可以包括：如前所述的薄膜晶体管(例如图1A或图2A所示的薄膜晶体管)或者如前所述的传感器(例如图4或图5所示的传感器)。例如，该生物检测装置可以是生物化学芯片(例如微流控芯片)或者包含生物化学芯片的设备等。
图6是示出根据本公开一些实施例的薄膜晶体管的制造方法的流程图。图7A至图7E是示意性地示出根据本公开一些实施例的薄膜晶体管的制造过程中若干阶段的结构的截面图。下面结合图6、图7A至图7E以及图1A详细描述根据本公开一些实施例的薄膜晶体管的制造过程。
如图6所示，在步骤S602，在衬底上形成第一栅极。
图7A是示意性地示出在步骤S602的结构的截面图。如图7A所示，在衬底101上形成第一栅极111。例如，可以提供衬底111。该衬底的材料为绝缘材料，例如玻璃、PI(Polyimide，聚酰亚胺)等。然后对衬底进行清洗。接下来，利用例如溅射、蒸镀或PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)等工艺在衬底上沉积第一导电材料层，并对该第一导电材料层进行图案化以形成第一栅极。例如，该图案化的工艺可以采用光刻、干法刻蚀、湿法刻蚀、剥离工艺(lift-off)、电子束曝光等多种方式实现。
回到图6，在步骤S604，在衬底上形成覆盖第一栅极的第一电介质层。
图7B是示意性地示出在步骤S604的结构的截面图。如图7B所示，例如通过沉积工艺在衬底101上形成覆盖第一栅极111的第一电介质层121。例如，该第一电介质层的材料可以是无机绝缘材料或有机绝缘材料。对于无机绝缘材料，沉积方式可以是溅射或PECVD等。对于有机绝缘材料，沉积方式可以是涂布或溶液制成(例如溶胶凝胶法)等方式。
回到图6，在步骤S606，在第一电介质层的背离第一栅极的一侧形成源极、漏极和半导体层，该源极和该漏极分别与该半导体层连接。
图7C和图7D是分别示意性地示出在步骤S606的两个阶段的结构的截面图。可选地，该步骤S606可以包括：如图7C所示，在第一电介质层121的背离第一栅极111的一侧形成源极102和漏极103。例如可以先在第一电介质层121上沉积第二导电材料层，然后对该第二导电材料层进行图案化以形成源极102和漏极103。例如，沉积工艺可以包括溅射、蒸镀、PECVD或转移等工艺。图案化工艺可以包括光刻、电子束刻蚀、干法刻蚀、湿法刻蚀或剥离等工艺。
接下来，可选地，该步骤S606还可以包括：如图7D所示，形成覆盖源极102和漏极103的半导体层104。例如，可以利用沉积工艺形成覆盖源极102和漏极103的半导体材料层。该半导体材料可以包括有机材料或无机材料。对于有机材料，沉积工艺可以包括涂布或蒸镀等工艺。对于无机材料，沉积工艺可以包括溅射、PECVD或转移等工艺。然后，(例如通过干法刻蚀或湿法刻蚀等工艺)刻蚀该半导体材料层从而形成所期望的半导体层104，即形成沟道区域。经过刻蚀，该半导体层104露出了第一电介质层121的一部分。
回到图6，在步骤S608，形成覆盖半导体层的第二电介质层，该第二电介质层的材料为固态电解质材料。
图7E是示意性地示出在步骤S608的结构的截面图。如图7E所示，例如可以利用沉积和图案化工艺在第一电介质层121上形成覆盖半导体层104的第二电介质层122。该第二电介质层122的材料为固态电解质材料。该固态电解质材料可以包括有机多聚物材料或无机多孔材料等。对于有机材料，沉积工艺可以采用涂布、蒸镀或溶胶凝胶法等工艺。对于无机材料，沉积工艺可以包括溅射、PECVD等工艺。图案化工艺可以包括干法刻蚀、湿法刻蚀或剥离等工艺。经过图案化，该第二电介质层122可以露出第一电介质层121的一部分。
回到图6，在步骤S610，在第二电介质层的背离半导体层的一侧形成第二栅极。
图1A是示意性地示出在步骤S610的结构的截面图。如图1A所示，例如可以通过沉积和刻蚀工艺在第二电介质层122的背离半导体层104的一侧形成第二栅极112。
至此，提供了根据本公开一些实施例的薄膜晶体管的制造方法。该制造方法易于实施，方便量产。通过该制造方法形成了基于固态电解质材料的双栅薄膜晶体管，该器件的检测灵敏度高。
在另一些实施例中，图6中的步骤S606可以包括：在第一电介质层的背离第一栅极的一侧形成半导体层。例如利用沉积工艺在第一电介质层的表面上形成半导体层。该步骤S606还可以包括：形成覆盖该半导体层的源极和漏极。例如，利用沉积和图案化工艺在该半导体层上形成源极和漏极。这样经过后续步骤后，可以形成例如图1B所示的薄膜晶体管。
图8A至图8F是示意性地示出根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的制造过程中若干阶段的结构的截面图。下面结合图8A至图8F以及图2A详细描述根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的制造过程。
首先，如图8A所示，在衬底101上形成第一栅极111。在形成该第一栅极111的过程中，还可以在该衬底101上形成第一端口层201。该第一端口层201与该第一栅极111间隔开。
在一些实施例中，第一端口层201的材料与该第一栅极111的材料可以相同。在这样的情况下，可以利用同一构图工艺形成第一栅极111和第一端口层201。这里，同一构图工艺是指采用同一成膜工艺形成用于形成特定图形的膜层，然后利用同一掩模板通过一次构图工艺形成层结构。需要说明的是，根据特定图形的不同，一次构图工艺可能包括多次曝光、显影或刻蚀工艺，而形成的层结构中的特定图形可以是连续的也可以是不连续的，这些特定图形还可能处于不同的高度或者具有不同的厚度。例如，在该实施例中，可以在衬底上先形成第一导电材料层，然后对该第一导电材料层进行图案化从而形成第一栅极111和第一端口层201。这样可以方便制造，利于量产。
在另一些实施例中，第一端口层201的材料与该第一栅极111的材料可以不同。在这样的情况下，可以在衬底101上分别形成第一栅极111和第一端口层201。
接下来，如图8B所示，例如通过沉积工艺在衬底101上形成覆盖第一栅极111和第一端口层201的第一电介质层121。
接下来，如图8C所示，例如通过沉积和图案化工艺在第一电介质层121的背离第一栅极111的一侧形成源极102和漏极103。
接下来，如图8D所示，例如通过沉积和刻蚀工艺在第一电介质层121上形成覆盖源极102和漏极103的半导体层104。
在另一些实施例中，可以先在第一电介质层的背离第一栅极的一侧形成半导体层；然后在该半导体层上形成源极和漏极。
接下来，如图8E所示，例如可以利用沉积和图案化工艺在第一电介质层121上形成覆盖半导体层104的第二电介质层122。该第二电介质层122的材料为固态电解质材料。经过图案化，该第二电介质层122可以露出第一电介质层121的一部分。
接下来，如图8F所示，在第二电介质层122的背离半导体层104的一侧形成第二栅极112。在形成该第二栅极112的过程中，还可以形成与该第二栅极112连接的第二端口层202。该第二端口层202在第一电介质层121的背离第一端口层201的一侧。
在一些实施例中，第二端口层202的材料与该第二栅极112的材料相同。在这样的情况下，可以利用同一构图工艺形成第二栅极112和第二端口层202。例如，可以在第一电介质层121的被露出部分和第二电介质层122上沉积第三导电材料层。该第三导电材料层的材料即为该第二栅极和该第二端口层的材料。然后，对该第三导电材料层图案化以形成第二栅极112和第二端口层202。这样，第二栅极112和第二端口层202一起形成，可以方便制造，利于量产。
在另一些实施例中，第二端口层202的材料与该第二栅极112的材料不同。在这样的情况下，可以分别形成第二栅极112和第二端口层202。
接下来，如图2A所示，例如通过沉积工艺形成覆盖第二栅极112和第二端口层202的覆盖层210。该覆盖层210的材料可以包括有机绝缘材料或无机绝缘材料。
至此，提供了根据本公开另一些实施例的薄膜晶体管的制造方法。在该制造方法中，将第一端口层和第二端口层也集成到薄膜晶体管中，提高了器件的集成度，而且方便量产。另外，通过在该制造方法中形成覆盖层，可以起到提高器件信赖性和稳定性的作用。
图9是示出利用本公开一些实施例的薄膜晶体管检测样品的方法的流程图。
在步骤S902，对第一栅极施加调试电压使得薄膜晶体管处于敏感工作区间。该敏感工作区间为使得薄膜晶体管的输出电流对作用在第二栅极上的电压敏感的电压区间。相比其他电压区间，在该电压区间内输出电流对作用在第二栅极上的电压更加敏感。
在步骤S904，将第一端口层和第二端口层分别与待检测的样品连接。例如图3所示，可以将第一端口层和第二端口层分别与待检测的样品直接接触。又例如，如图4所示，可以利用与薄膜晶体管连接的探测单元与待检测的样品接触，以使得第一端口层和第二端口层分别与样品连接。
在步骤S906，对第一端口层施加检测电压。该检测电压通过第一端口层和第一探测部(如果有的话)而作用在样品上。然后第二端口层通过第二探测部(如果有的话)接收被样品分压后的检测电压(即待测电压信号)，并将其传递到第二栅极。这样可以使得源极和漏极之间产生电流。
在步骤S908，从源极或漏极获取输出电流，并根据该输出电流获得样品的检测结果。例如，可以根据该输出电流(即源漏电流)检测样品浓度。又例如，可以利用该薄膜晶体管(或包括该薄膜晶体管的传感器)进行样品浓度的实时监测，或者检测样品的生物化学成分等。
在该实施例的方法中，对第一栅极施加调试电压使得薄膜晶体管处于敏感工作区间。然后将第一端口层和第二端口层分别与待检测的样品连接。在对第一端口层施加检测电压后，从源极或漏极获取输出电流，并根据该输出电流获得样品的检测结果。该方法可以提高样品检测的灵敏度。
在一些实施例中，在步骤S902之前，所述方法还可以包括：获得薄膜晶体管的敏感工作区间。
可选地，获得该敏感工作区间的步骤可以包括对第二栅极施加扫描电压VG。例如，(例如可以通过第二探测部，如果有的话)对第二端口层施加扫描电压VG，该扫描电压VG经过第二端口层作用在第二栅极上。可选地，该步骤还可以包括：从源极或漏极获取电流ID以获得该电流ID与该扫描电压VG的ID-VG特性曲线(即电流-电压特性曲线)。可选地，该步骤还可以包括：从该ID-VG特性曲线中找到曲线斜率最大(即TFT转移特性曲线中亚阈值摆幅最小)的电压区间即为薄膜晶体管的敏感工作区间。该实施例实现了获得薄膜晶体管的敏感工作区间的效果。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (12)
1.一种薄膜晶体管，包括：
衬底；
在所述衬底上的第一栅极；
在所述衬底上覆盖所述第一栅极的第一电介质层；
在所述第一电介质层的背离所述第一栅极的一侧的源极、漏极和半导体层，所述源极和所述漏极分别与所述半导体层连接；
覆盖所述半导体层的第二电介质层，所述第二电介质层的材料为固态电解质材料；
在所述第二电介质层的背离所述半导体层的一侧的第二栅极；
第一端口层，在所述衬底的上方，所述第一端口层与所述第一栅极间隔开；
第二端口层，与所述第二栅极连接，所述第二端口层在所述第一电介质层的背离所述第一端口层的一侧；以及
覆盖所述第二栅极和所述第二端口层的覆盖层。
2.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，
所述固态电解质材料包括有机聚合电解质材料和无机电解质材料的至少一种。
3.根据权利要求1所述的薄膜晶体管，其中，
所述半导体层覆盖所述源极和所述漏极；
或者，
所述源极和所述漏极覆盖所述半导体层。
4.一种传感器，包括：如权利要求1至3任意一项所述的薄膜晶体管。
5.根据权利要求4所述的传感器，还包括：探测单元，所述探测单元包括：
与所述薄膜晶体管的第一端口层电连接的第一探测部；和
与所述薄膜晶体管的第二端口层电连接的第二探测部。
6.根据权利要求4所述的传感器，还包括：
与所述薄膜晶体管的衬底相对设置的且位于所述第二栅极上方的盖板；和
在所述盖板与所述衬底之间的封装部；
其中，所述盖板、所述封装部和所述薄膜晶体管围成流道，所述薄膜晶体管的第一端口层和第二端口层分别与所述流道邻接。
7.一种生物检测装置，包括：如权利要求1至3任意一项所述的薄膜晶体管或者如权利要求4至6任意一项所述的传感器。
8.一种薄膜晶体管的制造方法，包括：
在衬底上形成第一栅极和第一端口层，所述第一端口层与所述第一栅极间隔开；
在所述衬底上形成覆盖所述第一栅极的第一电介质层；
在所述第一电介质层的背离所述第一栅极的一侧形成源极、漏极和半导体层，所述源极和所述漏极分别与所述半导体层连接；
形成覆盖所述半导体层的第二电介质层，所述第二电介质层的材料为固态电解质材料；
在所述第二电介质层的背离所述半导体层的一侧形成第二栅极，并形成与所述第二栅极连接的第二端口层，其中，所述第二端口层在所述第一电介质层的背离所述第一端口层的一侧；以及
形成覆盖所述第二栅极和所述第二端口层的覆盖层。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其中，形成所述源极、所述漏极和所述半导体层的步骤包括：
在所述第一电介质层的背离所述第一栅极的一侧形成源极和漏极；和形成覆盖所述源极和所述漏极的半导体层；
或者，
在所述第一电介质层的背离所述第一栅极的一侧形成半导体层；和形成覆盖所述半导体层的源极和漏极。
10.一种利用如权利要求1所述的薄膜晶体管检测样品的方法，包括：
对第一栅极施加调试电压使得所述薄膜晶体管处于敏感工作区间；
将第一端口层和第二端口层分别与待检测的样品连接；
对所述第一端口层施加检测电压；以及
从所述源极或所述漏极获取输出电流，并根据所述输出电流获得所述样品的检测结果。
11.根据权利要求10所述的方法，在对第一栅极施加调试电压之前，所述方法还包括：
获得所述薄膜晶体管的敏感工作区间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，获得所述敏感工作区间的步骤包括：
对所述第二栅极施加扫描电压VG；
从所述源极或所述漏极获取电流ID以获得所述电流ID与所述扫描电压VG的ID-VG特性曲线；以及
从所述ID-VG特性曲线中找到曲线斜率最大的电压区间即为所述薄膜晶体管的敏感工作区间。
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