CN113108813A - 纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，涉及生物传感器领域，包括GaNHEMT器件Q1、GaNHEMT器件Q2（氮化镓高电子迁移率晶体管）以及外围的功能电路，该传感器采用了第三代氮化镓基宽禁带半导体技术、差分技术、纳米图形化转移技术和柔性技术处理，使其可穿戴。采用氮化镓无栅器件具有天然高浓度二维电子气（2DEG）及强极化效应，感测灵敏度高、响应度高。使用差分技术使器件的感测精度大幅度提升，使其几乎不受环境影响。通过纳米图形化转移技术使器件与柔性衬底结合牢固。柔性技术使氮化镓器件的应用在柔性场合得到延伸，采用不同生物敏感识别物质便可通用于温度、葡萄糖、汗液、紫外、应变等多种类型传感器。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感器领域，具体涉及一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器。
背景技术
生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的传感器。最为常见的传统生物传感器，其理化换能器一般采用半导体材料，利用半导体材料的掺杂特性，通过改变半导体材料的掺杂浓度改变其导通特性，器件一般做成两电极器件或三电极器件，也即阻性器件和场效应晶体管器件。阻性器件结构、工艺简单，易于制作，但是没有放大功能，其探测灵敏度相对较低。
在半导体材料方面，氮化镓（ GaN ）基材料具备化学性能更稳定、无毒性、可降低吸附生物物质的退化等优点。 GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）结构简单，无须掺杂，无栅的HEMT器件的结构和工艺更为简单，是生物传感器目前最为理想的选择。
然而，传统的生物传感器和新发展出来的GaN HEMT无栅生物传感器都存在一个致命的缺陷，那就是受环境影响较大，环境因素包括环境温度、环境光照强度、施加的偏置电压大小和导通电流大小等。传统的GaN HEMT器件采用硅、碳化硅或蓝宝石衬底，其衬底厚度高达数微米，而且GaN本身特性如蓝宝石一样坚硬、易碎。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，该传感器采用了第三代氮化镓基宽禁带半导体技术、差分技术、纳米图形化转移技术和柔性技术处理，使其可穿戴。采用氮化镓无栅器件具有天然高浓度二维电子气及强极化效应，感测灵敏度高、响应度高。使用差分技术使器件的感测精度大幅度提升，使其几乎不受环境影响。通过纳米图形化转移技术使器件与柔性衬底结合牢固。柔性技术使氮化镓器件的应用在柔性场合得到延伸，采用不同生物敏感识别物质便可通用于温度、葡萄糖、汗液、紫外、应变等多种类型传感器。
一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，包括GaNHEMT器件Q1、GaNHEMT器件Q2以及外围的功能电路，所述GaNHEMT器件Q1与GaNHEMT器件Q2工作于线性状态，其漏极相连，GaNHEMT器件Q1与GaNHEMT器件Q2的栅极分别对应信号输入1和信号输入2，GaNHEMT器件Q1和GaNHEMT器件Q2的源极分别连接在功能电路中电流探测器S1和电流探测器S2的一侧，且电流探测器S1和电流探测器S2的另一侧相连并接地，电流探测器S1和电流探测器S2还分别与运算放大器IC1的正端和负端相连；
所述GaNHEMT器件Q1和GaNHEMT器件Q2为采用第三代宽禁带半导体氮化镓材料制备的差分式无栅高电子迁移率晶体管器件，将初步制成的差分式无栅GaNHEMT器件的衬底剥离后，再通过柔性蛇形互联工艺将GaNHEMT器件进行柔性化处理，然后通过纳米图形化及转移工艺使GaNHEMT器件能够与柔性衬底牢固地结合在一起。
优选的，将单个生物传感器再通过器件柔性阵列化制成面探测器。
优选的，所述纳米图形化及转移工艺是通过对GaNHEMT器件的表面处理，借助PDMS的粘黏性，将PDMS填充到纳米坑中，使GaN HEMT器件能够与柔性衬底牢固地结合在一起。
优选的，所述GaNHEMT器件的柔性衬底能够是PDMS材料。
优选的，初步制成的差分式无栅GaNHEMT器件的衬底是蓝宝石或硅，衬底上是缓冲与牺牲层，包含1-3nmAlN层或图形化GaN层，缓冲与牺牲层上是GaN缓冲层， GaN缓冲层上是本征GaN层，本征GaN层上是AlGaN势垒层，AlXGaN1-X势垒层上是p型GaN盖帽层。
优选的，所述AlXGaN1-X势垒层中，X是AlXGaN1-X中GaN的组份，其数值为0.15-0.38。
优选的，所述GaNHEMT器件Q1、GaNHEMT器件Q2、电流探测器S1、电流探测器S2和运算放大器IC1集成在一块PCB板上并置于生物传感器外壳内。
本发明的优点在于：
1、采用第三代宽禁带半导体氮化镓（ GaN ）材料制备差分式无栅高电子迁移率晶体管（HEMT）器件，具有天然高浓度二维电子气及强极化效应，感测灵敏度高、响应度高。
2、使用差分技术，相比于单一的器件，结构上相当于采用了2个并联的完全相同的GaNHEMT器件，其中1个GaNHEMT器件用以探测环境变量和被测变量，另1个GaNHEMT器件只探测环境变量（包括温度、光照、器件底噪等），然后通过差分放大器将这2个GaNHEMT器件的差值提出并放大，即得到纯被测变量的放大信号，其测量精度可显著提高。
3、通过将衬底剥离后可将其厚度下降，再通过柔性技术处理，把GaN HEMT器件做到柔性化，再通过纳米图形化转移技术对器件的GaN表面进行处理，借助PDMS的粘黏性，将PDMS填充到纳米坑中，使GaN HEMT器件能够与柔性衬底牢固地结合在一起。
4、GaNHEMT器件、电流检测与差分放大电路集成式设计，有效减小单个生物传感器的尺寸，以利于阵列化的设计。
5、阵列化设计能够将生物传感器的单点探测扩展到面探测，有效提升器件的探测功能。
附图说明
图1为本发明的电路原理示意图；
图2为常规无栅GaNHEMT器件的结构示意图；
图3为本发明中差分式无栅GaNHEMT器件的结构示意图；
图4为差分式无栅GaNHEMT器件制备工艺流程图；
图5为纳米图形化及转移工艺过程图；
图6为柔性蛇形互联制备工艺过程图；
图7为器件柔性阵列化制备过程；
图8为面探测器的结构示意图；
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1至图7所示，一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，包括GaNHEMT器件Q1、GaNHEMT器件Q2以及外围的功能电路，所述GaNHEMT器件Q1与GaNHEMT器件Q2工作于线性状态，其漏极相连，GaNHEMT器件Q1与GaNHEMT器件Q2的栅极分别对应信号输入1和信号输入2，GaNHEMT器件Q1和GaNHEMT器件Q2的源极分别连接在功能电路中电流探测器S1和电流探测器S2的一侧，且电流探测器S1和电流探测器S2的另一侧相连并接地，电流探测器S1和电流探测器S2还分别与运算放大器IC1的正端和负端相连；使用差分技术，相比于单一的器件，结构上相当于采用了2个并联的完全相同的GaNHEMT器件，其中1个GaNHEMT器件用以探测环境变量和被测变量，另1个GaNHEMT器件只探测环境变量（包括温度、光照、器件底噪等），然后通过差分放大器将这2个GaNHEMT器件的差值提出并放大，即得到纯被测变量的放大信号，其测量精度可显著提高。
所述GaNHEMT器件Q1和GaNHEMT器件Q2为采用第三代宽禁带半导体氮化镓材料制备的差分式无栅高电子迁移率晶体管器件，将初步制成的差分式无栅GaNHEMT器件的衬底剥离后，再通过柔性蛇形互联工艺将GaNHEMT器件进行柔性化处理，然后通过纳米图形化及转移工艺使GaNHEMT器件能够与柔性衬底牢固地结合在一起。采用第三代宽禁带半导体氮化镓（ GaN ）材料制备差分式无栅高电子迁移率晶体管（HEMT）器件，具有天然高浓度二维电子气及强极化效应，感测灵敏度高、响应度高。
将单个生物传感器再通过器件柔性阵列化制成面探测器。阵列化设计能够将生物传感器的单点探测扩展到面探测，有效提升器件的探测功能。
所述纳米图形化及转移工艺是通过对GaNHEMT器件的表面处理，借助PDMS的粘黏性，将PDMS填充到纳米坑中，使GaN HEMT器件能够与柔性衬底牢固地结合在一起。
所述GaNHEMT器件的柔性衬底能够是PDMS材料。
初步制成的差分式无栅GaNHEMT器件的衬底是蓝宝石或硅，衬底上是缓冲与牺牲层，包含1-3nmAlN层或图形化GaN层，缓冲与牺牲层上是GaN缓冲层， GaN缓冲层上是本征GaN层，本征GaN层上是AlGaN势垒层，AlXGaN1-X势垒层上是p型GaN盖帽层。通过将衬底剥离后可将其厚度下降，再通过柔性技术处理，把GaN HEMT器件做到柔性化，再通过纳米图形化转移技术对器件的GaN表面进行处理，借助PDMS的粘黏性，将PDMS填充到纳米坑中，使GaNHEMT器件能够与柔性衬底牢固地结合在一起。
所述AlXGaN1-X势垒层中，X是AlXGaN1-X中GaN的组份，其数值为0.15-0.38。
所述GaNHEMT器件Q1、GaNHEMT器件Q2、电流探测器S1、电流探测器S2和运算放大器IC1集成在一块PCB板上并置于生物传感器外壳内。
具体实施方式及原理：
器件结构如图3所示。衬底是蓝宝石或硅。衬底上是缓冲与牺牲层，包含1-3nmAlN层或图形化GaN层。缓冲与牺牲层上是GaN缓冲层，其厚度为200nm-1.5um。 GaN缓冲层上是本征GaN层，其厚度为100nm-500nm。本征GaN层上是AlXGaN1-X势垒层， x是AlXGaN1-X中GaN的组份，其数值为0.15-0.38 ，其厚度为10nm-30nm 。 AlXGaN1-X势垒层上是p型GaN盖帽层，其厚度为5nm-30nm，p型掺杂浓度为1*1017/cm3 -*1019/cm3。
器件工艺如图4所示，工艺分六大步。
第一步是采用对器件表面进行清洗。清洗方法是先依次采用丙酮、 酒精、去离子水各超声5分钟，去除部分油脂；然后采用1号液APM：NH4OH:H2O2:DI=1:5:30 ，超声10分钟，去除粒子、有机物和部分金属；然后用2号液HPM：HCl:H2O2:DI=1:4:20，超声10分钟，去除氧化物并降低氧元素的残余量；然后再次依次采用丙酮、 酒精、去离子水各超声5分钟，最后氮气吹干后立即在110℃热台上烘烤5分钟备用。
第二步是在器件上使用物理气相淀积（ PVD ）蒸镀电极，电极材料可以是Ti/Al/Ni/Au或Ti/Al/Ni/Al/Au。
第三步是台面刻蚀或离子注入。先做光刻（光刻胶厚度应达到3μm以上），然后RIE去残胶；然后采用ICP刻蚀，刻蚀时间20秒，刻蚀厚度100- 300nm；然后RIE去残胶，再用盐酸（30% HCl：去离子水=1:5）对表面进行处理1分钟，再氮气吹干后立刻在110 ℃热台上烘烤5分钟。如果采用硼离子注入，则不需要做台面刻蚀，可减少器件的表面损伤。
第四步是隔离刻蚀。该步骤与第三步的刻蚀相同，只是在第三步之后再刻蚀一定的深度，确保2个器件不会产生相互影响，其刻蚀厚度在50-200nm。 第五步是钝化开窗，目的是将有源区露出，将器件有源区以外区域由钝化保护起来。使用PECVD进行Si3N4钝化，钝化厚度约为30-200 nm。
第六步是保护钝化，目的是将有源区以下区域全部由钝化保护起来。使用PECVD进行Si3N4钝化，钝化厚度约为100-300 nm，该厚度与第三步的台面刻蚀厚度相同。
纳米图形化及转移工艺如附图5所示，工艺分六大步。第一步是先对器件衬底进行清洗，清洗方法与附图三工艺中的清洗方法相同。第二步是使用物理气相淀积（ PVD ）蒸镀金属镍（Ni），厚度50-150nm。第三步是进行高温退火，退火环境是纯氮气，退火温度是400-500℃，退火时间10-20分钟。退火后形成的金属Ni球颗粒尺寸约100nm。第四步是以第三步形成的金属Ni球颗粒作为纳米掩膜，然后采用ICP刻蚀，刻蚀时间20秒，刻蚀厚度200-500nm；然后RIE去残胶，再用盐酸（30% HCl：去离子水=1:5）对表面进行处理1分钟，再氮气吹干后立刻在110 ℃热台上烘烤5分钟。第五步是采用配比盐酸去除纳米Ni球掩膜。第六步是涂覆PDMS粘连剂，目的是使器件衬底具有足够强度的粘连性。PDMS为基本组分与固化剂按1:10比例完全混合，经冰箱中冷置2小时后取出，用滴管吸取滴至器件上，然后采用500转每分钟（rpm）转速旋涂1分钟，将其均匀填充在纳米图形化衬底上。再次用滴管吸取PDMS滴至器件上，使PDMS溢出器件衬底外，保证足够的PDMS剂量。
柔性蛇形互联工艺如附图6所示，工艺分六大步。第一步是先用去酒精、离子水清洗玻璃，用氮气吹干后备用。第二步是采用1:10配比的PDMS，采用匀胶法将其均匀涂覆在玻璃上，匀胶条件为2000rpm/30秒，然后在100℃热板上烘烤10分钟。第三步是使用物理气相淀积（ PVD ）蒸镀金属铜（Cu）第四步是采用光刻胶制作图形第五步是采用Cu刻蚀液湿法刻蚀15分钟，制备出图形化的金属互联第六步是采用聚酰亚胺（ PI ）进行钝化。
器件柔性阵列化如附图六所示，工艺分三大步。
第一步，将附图四制备好的器件置于附图五制备好的柔性互联中央，由于纳米图形化，器件通过涂覆的PDMS胶与柔性衬底牢牢沾合。
第二步，器件阵列化及键合互联。
第三步，器件钝化，钝化材料采用PI。
使GaNHEMT器件Q1和Q2工作于线性状态，其漏极相连。 Q1和Q2的栅极分别对应信号输入1和信号输入2，其中信号输入1包含被测信号和环境信号，而信号输入2只包含环境信号。 Q1和Q2的源极分别连接2个电流探测器（S1和S2）的一侧，该电流探测器可以是电阻、霍尔传感器、电流互感器或巨磁传感器等，S1和S2的另一侧相连并接地。 S1和S2检测到的电流信号（I1和I2）分别对应器件Q1和Q2的导通电流，分别正比于信号输入1和信号输入2。 I1和I2分别送给运算放大器IC1的正端和负端，IC1的输出电压Ve则正比于I1和I2两者之间的误差。因此，Ve正比于信号输入1和信号输入2两者之间的误差，而信号输入1和信号输入2两者之间的误差反映的是纯被测信号的量，环境信号的量已被剥离。
基于上述，本发明该传感器采用了第三代氮化镓基宽禁带半导体技术、差分技术、纳米图形化转移技术和柔性技术处理，使其可穿戴。采用氮化镓无栅器件具有天然高浓度二维电子气及强极化效应，感测灵敏度高、响应度高。使用差分技术使器件的感测精度大幅度提升，使其几乎不受环境影响。通过纳米图形化转移技术使器件与柔性衬底结合牢固。柔性技术使氮化镓器件的应用在柔性场合得到延伸，采用不同生物敏感识别物质便可通用于温度、葡萄糖、汗液、紫外、应变等多种类型传感器。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (7)
1.一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，其特征在于，包括GaNHEMT器件Q1、GaNHEMT器件Q2以及外围的功能电路，所述GaNHEMT器件Q1与GaNHEMT器件Q2工作于线性状态，其漏极相连，GaNHEMT器件Q1与GaNHEMT器件Q2的栅极分别对应信号输入1和信号输入2，GaNHEMT器件Q1和GaNHEMT器件Q2的源极分别连接在功能电路中电流探测器S1和电流探测器S2的一侧，且电流探测器S1和电流探测器S2的另一侧相连并接地，电流探测器S1和电流探测器S2还分别与运算放大器IC1的正端和负端相连；
所述GaNHEMT器件Q1和GaNHEMT器件Q2为采用第三代宽禁带半导体氮化镓材料制备的差分式无栅高电子迁移率晶体管器件，将初步制成的差分式无栅GaNHEMT器件的衬底剥离后，再通过柔性蛇形互联工艺将GaNHEMT器件进行柔性化处理，然后通过纳米图形化及转移工艺使GaNHEMT器件能够与柔性衬底牢固地结合在一起。
2.根据权利要求1所述的一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，其特征在于：将单个生物传感器再通过器件柔性阵列化制成面探测器。
3. 根据权利要求1所述的一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，其特征在于：所述纳米图形化及转移工艺是通过对GaNHEMT器件的表面处理，借助PDMS的粘黏性，将PDMS填充到纳米坑中，使GaN HEMT器件能够与柔性衬底牢固地结合在一起。
4.根据权利要求1所述的一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，其特征在于：所述GaNHEMT器件的柔性衬底能够是PDMS材料。
5. 根据权利要求1所述的一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，其特征在于：初步制成的差分式无栅GaNHEMT器件的衬底是蓝宝石或硅，衬底上是缓冲与牺牲层，包含1-3nmAlN层或图形化GaN层，缓冲与牺牲层上是GaN缓冲层， GaN缓冲层上是本征GaN层，本征GaN层上是AlXGaN1-X势垒层，AlXGaN1-X势垒层上是p型GaN盖帽层。
6.根据权利要求5所述的一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，其特征在于：所述AlXGaN1-X势垒层中，X是AlXGaN1-X中GaN的组份，其数值为0.15-0.38。
7.根据权利要求1所述的一种纳米图形化转移的氮化镓基柔性差分式无栅生物传感器，其特征在于：所述GaNHEMT器件Q1、GaNHEMT器件Q2、电流探测器S1、电流探测器S2和运算放大器IC1集成在一块PCB板上并置于生物传感器外壳内。
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