ES2847890T3 - Sensor de RFID de ondas acústicas superficiales para la detección química y diagnósticos (bio)moleculares - Google Patents
Sensor de RFID de ondas acústicas superficiales para la detección química y diagnósticos (bio)moleculares Download PDFInfo
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Abstract
Chip sensor de identificación de radiofrecuencias (RFID) de onda acústica de superficie (SAW), que comprende: (a) un sustrato piezoeléctrico (103), en el que dicho sustrato comprende: una capa piezoeléctrica, y una estructura de heterounión multicapa realizada en capas semiconductoras monocristalinas o policristalinas de grupo III-V, depositadas sobre dicha capa piezoeléctrica y que comprende al menos una capa amortiguadora y al menos una capa de barrera, en el que dichas capas se encuentran apiladas alternadamente, (b) al menos un par de transductores interdigitados metálicos (IDT) (100) montados en dicho sustrato piezoeléctrico (103), para la recepción de una señal de entrada de radiofrecuencia (RF), la transducción de dicha señal de entrada a una onda acústica de superficie (SAW), la propagación de dicha onda acústica de superficie por una superficie de dicho sustrato piezoeléctrico (103) y la transducción de dicha onda acústica de superficie propagada a una señal RF de salida, (c) al menos una estructura bidimensional de gas de electrones (2DEG) o de gas de huecos (2DHG) de vaciamiento o de acumulación (101) depositada sobre dicho sustrato piezoeléctrico para la formación de un canal conductor de 2DEG o 2DHG de vaciamiento o de acumulación en dicha estructura de heterounión multicapa en la interfaz entre dicha capa amortiguadora y dicha capa de barrera, (d) por lo menos una estructura de gas bidimensional de electrones (2DEG) o de gas de huecos ( 2DHG) pseudoconductora (102) depositada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103) para la formación de un canal de 2DEG o 2DHG pseudoconductor en dicha estructura de heterounión en la interfaz entre dicha capa amortiguadora y dicha capa de barrera, (e) por lo menos una capa (bio)molecular (104) inmovilizada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103) dentro del camino de la SAW en propagación y capaz de unión o adsorción de compuestos químicos diana (analitos) o (bio)moléculas del medio, y (f) metalizaciones eléctricas acopladas capacitivamente con dichos IDT (100), a dichas estructuras de 2DEG o 2DHG de vaciamiento o de acumulación (101) y con dichas estructuras de 2DEG o 2DHG pseudoconductoras (102) para la inducción de corrientes de desplazamiento, creando de esta manera contactos no óhmicos de fuente y drenaje, para la conexión de dicho chip sensor con un circuito eléctrico, en el que: (i) dichos materiales semiconductores monocristalinos o policristalinos de grupo III-V son GaN/AlGaN, y (ii) dicha estructura de 2DEG o 2DHG pseudoconductora (102) es una estructura semiconductora formada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103) mediante rebajado o recrecimiento de una capa superior de dicha estructura de heterounión multicapa hasta un grosor de 5 a 9 nm con una rugosidad superficial de la capa superior rebajada o recrecida de 0,2 nm o inferior, formando de esta manera el canal de 2DEG o 2DHG pseudoconductor capaz de conducir corriente eléctrica en el rango de corriente entre los modos de funcionamiento de vaciamiento y de acumulación del canal, en el que: (a) dicha estructura contiene una capa amortiguadora de GaN en el fondo y una capa de barrera de AlGaN en la parte superior, dichas capas presentan polaridad de cara de N, formando de esta manera un canal conductor de gas bidimensional de huecos (2DHG) en la capa amortiguadora de GaN, próxima a la interfaz con dicha capa de barrera de AlGaN, presentando dicha capa de barrera de AlGaN (i) un grosor de 5 a 9 nanómetros (nm), correspondiente al rango de corriente pseudoconductor entre el modo de funcionamiento de vaciamiento y el modo de acumulación del canal de 2DEG formado, y (ii) rugosidad superficial de 0,2 nm o inferior, o (b) dicha estructura es de tipo sándwich que contiene una capa amortiguadora de GaN en la parte superior, una capa amortiguadora de GaN en el fondo y una capa de barrera de AlGaN entre ellas, dichas capas presentan polaridad de cara de N, formando de esta manera un canal conductor de gas bidimensional de electrones (2DEG) en la capa de GaN superior, próxima a la interfaz con dicha capa de barrera de AlGaN, en la que dicha capa amortiguadora de GaN superior presenta (i) un grosor de 5 a 9 nanómetros (nm) correspondiente al rango de corriente pseudoconductor entre el modo de funcionamiento de vaciamiento y de acumulación del canal de 2DEG formado, y (ii) rugosidad superficial de 0,2 nm o inferior, o (c) dicha estructura es de tipo sándwich que contiene una capa amortiguadora de GaN en la parte superior, una capa amortiguadora de GaN en el fondo y una capa de barrera de AlGaN entre ellas, en la que dichas capas presentan polaridad de cara de Ga, formando de esta manera un canal conductor de gas bidimensional de huecos (2DHG) en la capa superior de GaN, próxima a la interfaz con dicha capa de barrera de AlGaN, en el que dicha capa amortiguadora superior de GaN presenta (i) un grosor de 5 a 9 nanómetros (nm), que corresponde al rango de corriente pseudoconductor entre el modo de funcionamiento de vaciamiento y de acumulación del canal de 2DHG formado, y (ii) rugosidad superficial de 0,2 nm o inferior.
Description
DESCRIPCIÓN
Sensor de RFID de ondas acústicas superficiales para la detección química y diagnósticos (bio)moleculares
Campo técnico
En general, la presente solicitud se refiere al campo de los sensores electrónicos basados en transductores de onda acústica superficial (SAW, por sus siglas en inglés). En particular, la presente solicitud se refiere al sensor RFID SAW de potencia cero basado en GaN/AlGaN y a su utilización en la detección química y el diagnóstico (bio)molecular.
Antecedentes
La detección química es probablemente la modalidad sensorial más primordial que ha surgido durante la evolución de la vida. Sin detección química, la vida en la Tierra probablemente no existiría. Se utiliza para detectar nutrientes, evitar amenazas, encontrar pareja sexual y diversas formas de comunicación e interacción social entre animales.
La aparición de sensores artificiales ha creado una multitud de problemas en los ámbitos de la detección e identificación química con aplicaciones en calidad alimentaria y control de la contaminación, detección de amenazas químicas, monitorización de la salud, control robótico e incluso síntesis de aromas y sabores. Se requieren algoritmos eficientes para enfrentarse a muchos retos de detección química en dichos ámbitos, entre ellos (aunque sin limitación), niveles de sensibilidad, deriva de los sensores, invarianza de la concentración en la identificación de analitos y mezclas complejas.
A título de ejemplo, los patógenos biológicos, entre ellos los agentes de amenaza biológica, son organismos vivos que reproducen y sostienen una población, que se amplifican, crecen y reinfectan, provocando de esta manera una situación epidémica. Los patógenos biológicos representan un abanico extremadamente diverso de microorganismos, que aparentemente no presentan atributos comunes aparte de infectar las poblaciones humanas y animales. Por lo tanto, el problema es detectarlos e identificarlos en la etapa más temprana de la invasión y a la concentración más baja.
Antes de existir la secuenciación del ADN, las técnicas de resolución más alta proporcionaban únicamente estructuras al nivel de las proteínas y los péptidos como dianas de los análisis y ensayos. Muchos de los bien establecidos protocolos exigían el examen del tamaño y forma de los patógenos junto con el examen de las proteínas expresadas mediante ensayos bioquímicos e inmunoquímicos. Los avances en la tecnología de secuenciación del ADN han posibilitado que científicos de todo el mundo secuencian genomas microbianos completos rápida y eficientemente. El acceso a las secuencias de ADN de genomas microbianos completos recientemente ha ofrecido nuevas oportunidades de análisis y compresión de patógenos al nivel molecular. Las técnicas modernas de secuenciación del ADN permiten detectar patógenos en tejidos biológicos y estudiar la variación en la expresión génica en respuesta a la invasión patogénica. Estas respuestas ayudan en el diseño de nuevos enfoques de detección de patógenos microbianos y de desarrollo de fármacos. La identificación de determinados patógenos microbianos como agentes etiológicos responsables de enfermedades crónicas está conduciendo a nuevos tratamientos y estrategias de prevención para dichas enfermedades.
La mayoría de los sensores químicos modernos utilizados en la detección de patógenos se basan en el reconocimiento de secuencias de ADN, el reconocimiento estructural de patógenos o de biomarcadores de patógenos o la función basada en células. Sin embargo, la selección de los biomarcadores de patógeno añade un reto importante al desarrollo de los sensores para la detección de los patógenos biológicos. Ello se debe a que la mayoría de los biomarcadores de patógeno presentan una baja selectividad y pueden distinguir entre clases generales de microorganismos, aunque no son capaces de identificar la especie o cepa específica del organismo. Por ejemplo, el dipicolinato de calcio es un componente único de las endosporas. Por lo tanto, el ácido dipicolínico puede utilizarse para indicar la presencia de endosporas, aunque no puede distinguir entre las esporas de Bacillus anthracis, que son muy peligrosas, y otras esporas de Bacillus no tóxicas. La presencia del ADN como indicador adicional podrá determinar que el material desconocido es de naturaleza biológica, pero no podrá identificar su origen (a menos que se utilice un análisis basado en la secuenciación extensiva). Además, los metabolitos celulares son generalmente comunes a muchos tipos celulares diferentes y, por lo tanto, resultan extremadamente difíciles de utilizar en la discriminación entre microorganismos específicos. En vista de lo anteriormente expuesto, existe una necesidad desde hace mucho tiempo de nuevos métodos y dispositivos para detectar e identificar patógenos biológicos.
La utilización de los sensores microelectrónicos ultrasensibles y altamente selectivos para la detección de patógenos biológicos es un área que todavía no se ha desarrollado. Los motivos para ello son múltiples. Las matrices de sensores que detectan múltiples biomarcadores de patógeno producen un gran número de falsas alarmas debido a su baja selectividad. El concepto de matrices de sensores se ha utilizado con éxito en el campo del análisis de vapores, seguido de métodos estadísticos para identificar específicamente el vapor particular a partir de la huella digital de la repuesta generada en todos los sensores de la matriz. Sin embargo, debido a que cada especie de patógeno incluye una firma única de ADN o ARN que la diferencia de otros organismos, dicho enfoque no puede utilizarse eficazmente para la detección de patógenos. En otras palabras, cada sensor de la matriz responde a diferentes propiedades (biomarcadores) de un patógeno. Por lo tanto, dicho enfoque requeriría una señal de fondo bien caracterizada y ya identificada para determinar las huellas digitales que constituirían una señal positiva.
La solución ideal para la detección en tiempo real sería cualquier respuesta específica de un organismo biológico que resulta en una identificación instantánea, específica y repetible. Sin embargo, tal como se ha indicado anteriormente, existen considerables dificultades tecnológicas y prácticas en el desarrollo de sensores que proporcionen una respuesta en tiempo real para la totalidad de estos tres criterios. Las técnicas de inmunoensayo podrían proporcionar un análisis específico similar. Sin embargo, su desventaja, aparte del largo tiempo de respuesta, es la necesidad de consumibles químicos especiales que contribuyen considerablemente a la carga logística y costes. Dichos consumibles pueden incrementar los costes operativos en cientos de dólares la hora.
Las tecnologías ópticas intrínsecamente resultan en la detección (bio)química en tiempo real. Los sensores basados en estas tecnologías se han encontrado disponibles para la defensa militar y civil desde hace mucho tiempo. Sin embargo, la desventaja en común de los sensores ópticos es la baja especificidad. Los sensores principalmente ofrecen una capacidad de detección genérica como máximo, ya que la similitud óptica entre las partículas diana con fondos naturales benignos las hace difícil de distinguir. Son algunas de las estrategias de detección de agentes biológicas utilizadas actualmente. La mayoría representan un compromiso entre especificidad, velocidad y coste.
La reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (PCRq) es capaz de amplificar y detectar una muestra de ADN de una única célula de agente biológico en 30 minutos. El conocimiento de la secuencia de ácidos nucleicos del patógeno permite construir oligos para la detección de patógenos. Estos oligos son la base de muchas pruebas analíticas altamente específicas actualmente en el mercado.
La detección basada en micromatrices puede combinar potentes estrategias de amplificación de ácidos nucleicos con la capacidad de cribado masivo de la tecnología de micromatrices, dando como resultado un elevado nivel de sensibilidad, especificidad y rendimiento. Además de las salvedades anteriormente mencionadas, el coste y complejidad organizativa de realizar un gran número de reacciones de PCR para aplicaciones posteriores de micromatrices hacen que esta opción resulte viable, aunque nada atractiva. Esta limitación ha reducido severamente la utilidad de dicha técnica y ha impedido el desarrollo continuado de aplicaciones posteriores.
En resumen, el problema de la identificación exacta y fiable de agentes patogénicos y sus enfermedades correspondientes actualmente es el punto más débil en la capacidad de detección de agentes biológicos. Se ha llevado a cabo investigación intensa sobre nuevas tecnologías de detección molecular que podrían utilizarse para una detección muy exacta de patógenos que podrían constituir un problema para los primeros respondedores. Entre ellos se incluyen la necesidad de sensores ultrasensibles y altamente selectivos para la detección de patógenos biológicos en aplicaciones medioambientales, forenses y militares. Entre los beneficios de la detección específica (exacta) se incluyen el ahorro de millones de dólares cada año mediante la reducción de la disrupción de la fuerza laboral y la economía nacional y la mejora de la administración de contramedidas protectoras correctas.
Todo lo anteriormente indicado con respecto a la detección de patógenos biológicos se refiere además a la detección de otros compuestos químicos y biológicos, que pueden constituir una amenaza o presentar motivos médicos para ser detectados. Los ejemplos son muchos y entre ellos pueden incluirse explosivos, toxinas, ADN, proteínas, etc.
Los sensores de onda acústica superficial (SAW) desempeñan un papel importante en muchos campos de la detección química y biomolecular. En general, una onda acústica superficial es una onda acústica que se propaga por la superficie de un determinado material (piezoeléctrico). Se genera mediante electrodos transductores interdigitados (IDT, por sus siglas en inglés) (o “dedos”), que son barras metálicas periódicas especiales depositadas sobre un material piezoeléctrico. Al aplicar cualquier onda sinusoidal con un periodo igual al periodo de los electrodos IDT, se produce una vibración mecánica bajo los electrodos IDT, generando de esta manera una onda acústica, que es perpendicular a la geometría de las barras IDT. Esta onda acústica se propaga sobre la superficie del material piezoeléctrico alejándose de los electrodos IDT en ambas direcciones.
La onda acústica generada por los IDT está localizada en la región superficial y penetra en la masa del material piezoeléctrico sólo hasta una zona de profundidad la longitud de onda. Por ello, la SAW posee una densidad energética muy elevada en la superficie, dándole el nombre de “onda acústica superficial”. La SAW se propaga en un material piezoeléctrico aproximadamente 105 veces más lentamente que una onda electromagnética normal. En consecuencia, la longitud de onda de la SAW en el material piezoeléctrico es 105 veces menor que la longitud de onda de una onda electromagnética, haciendo que el sensor basado en SAW sea un dispositivo muy compacto.
La fabricación de los sensores de SAW requiere o bien la deposición o bien el grabado de los IDT metálicos sobre un material piezoeléctrico y utiliza la tecnología de procedimiento CMOS, que permite la fabricación a gran escala.
Entre los factores que afectan a la condición de la superficie del material piezoeléctrico se incluyen la presión, la temperatura, la humedad y la carga de masa. Por consiguiente, los sensores de SAW pueden utilizarse como sensores de presión, temperatura y humedad, y como sensores capaces de detectar cambios de masa o alteraciones del campo eléctrico en la superficie. La tecnología MEMS-CMOS facilita la integración de los sensores de SAW y sus circuitos de procesamiento de datos. En el caso de que se deposite una capa química o (bio)molecular que es sensible a una molécula diana química o biológica determinada en la zona de línea de retardo del sensor de SAW, permite que dicha molécula diana química o biológica específica reaccione con la capa sensible y, en consecuencia, quede unida a la zona de línea de retardo. Como resultado, normalmente se observa un cambio de masa y/o un cambio de campo
eléctrico y puede detectarse la densidad de la molécula química o biológica diana (analito) y correlacionarse adicionalmente con su concentración. De esta manera, los sensores de SAW pueden utilizarse como dispositivos sensores moleculares (bio)químicos, los cuales son el objeto de la presente solicitud.
También pueden utilizarse sensores de SAW diseñados especialmente en un modo pasivo sin necesidad de baterías. Puede añadirse una antena RFID al electrodo IDT de entrada y la señal recibida por la antena a continuación puede estimular la SAW utilizada para la detección tal como se ha mencionado anteriormente. Estos son los sensores de SAW de potencia cero que utilizan la etiqueta RFID. La sensibilidad ultraelevada, naturaleza compacta, facilidad de fabricación y funcionamiento inalámbrico hacen que estos sensores resulten muy atractivos para la detección (bio)química y el diagnóstico biomolecular.
Penza et al. (1998) (M. Penza, E. Milella, V.I. Anisimkin, “Monitoring of NH3 gas by LB polypyrrole-based SAW sensor”, Sensors and Actuators B: Chemical, 1998, 47(1-3), página 218) describen un sensor basado en SAW que muestra elevada sensibilidad y selectividad para gases, tales como NH3 , CO, CH4 , H2 y O2 , a temperatura ambiente mediante el depósito de películas de polipirrol sobre la superficie de SAW como capas absorbentes de gases.
Lim et al. (2011) (C. Lim, W. Wang, S. Yang, “Development of SAW-based multi-gas sensor for simultaneous detection of CO2 and NO2”, Sensors and Actuators B: Chemical, 2011, 154(1), página 9) dan a conocer un sensor de SAW de línea de retardo reflectante que puede medir CO2, NO2 y temperatura simultáneamente. Aprovechando una tecnología de potencia cero en el sensor de SAW, el sensor se opera sin una batería y la detección de NO2 , CO2 y temperatura puede llevarse a cabo simultáneamente.
Raj et al. (2013) (V.B. Raj, H. Singh, A.T. Nimal, “Oxide thin films (ZnO, TeO2 , SnO2 and T D 2) based Surface acoustic wave (SAW) E-nose for the detection of chemical warfare agents”, Sensors and Actuators B. Chemical, 2013, 178, página 636) han sugerido la detección de agentes de guerra química mediante la utilización de sensores basados en SAW con depósito de ZnO, TeO2 , SnO2 y TiO2 para la detección de metilfosfonato de dimetilo, sulfuro de dibutilo, fenilsulfuro de cloroetilo y clorofosfato de dietilo, respectivamente.
Cai et al. (2015) (H.L. Cai, Y. Yang, X. Chen, “A third-order mode high frequency biosensor with atomic resolution”, Biosensors and Bioelectronics, 2015, 71, página 261) describen el sensor basado en SAW utilizado para detectar secuencias de ADN y células. El ADN sonda y el ADN diana se unieron a la superficie y se midió el cambio resultante de frecuencia del resonador de SAW.
Zhang et al. (2015) (F. Zhang, S. Li, K. Cao, “A microfluidic low-wave biosensing device for PSA detection based on an aptamer beacon probe”, Sensors, 2015, 15(6), página 13839) describen un sensor del antígeno específico prostático (AEP). En este sensor, se recubrieron IDT de tantalato de litio (LiTaOa) con aluminio con una capa de guía de onda de sílice, seguido de la deposición de una capa sensora de oro para la unión del AEP. Seguidamente, se fabricó un canal de microfluidos utilizando PDMS para garantizar que los líquidos podían fluir entre los IDT.
Ryger et al. (2010) en: “HEMT-SAW structures for chemical gas sensors in harsh environment”, 8th International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems (ASDAM), IEEE, NJ, EE.UU., 2010, páginas 131 a 134, presentaron el diseño y fabricación de estructuras de SAW-HEMT basadas en AlGaN/GaN para la aplicación en sensores de gases químicos que operan en un medio riguroso.
Tsarik et al. (2015) en: “AlN Sensor Base don Surface Acoustic Wave with Signal Amplification by AlN/GaN HEMT”, 2015 International Conference on Control, Instrumentation, Communication and Computation Technologies (ICCICCT), IEEE, 2015, páginas 718 a 721, enseñan un sensor basado en un transistor de GaN de SAW fabricado sobre películas de AlN epitaxiales y aplicado en el chip sensor para el procesamiento de la señal de salida.
Grajal et al. (2004) en: “Voltage controlled SAW filters on 2DEG AlGaN/GaN heterostructures”, Microwave Symposium Digest, IEEE MTTS International Fort Worth, TX, EE.UU., IEEE, 2004, páginas 387 a 390, presentaron filtros controlados por tensión diseñados y fabricados utilizando tecnología de SAW sobre heteroestructuras 2DEG de AlGaN/GaN para la integración directa en circuitos MMIC a base de HEMT de AlGaN/GaN.
Xing et al. (2012) en: “A novel GaN-based monolithic SAW/HEMT oscillator on silicon”, 2012 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS) Proceedings, páginas 2006 a 2209, presentaron el oscilador de SAW totalmente integrado monolítico, que se basa en epiestructuras de AlGaN/GaN generadas sobre sustratos de Si y adecuadas para sistemas sensores en medios rigurosos.
El documento n° US 2007/139165 A1 describe un dispositivo de onda acústica y sistemas y métodos relacionados, con realizaciones que comprende un dispositivo con un sensor de onda acústica y un RFID de SAW. El dispositivo descrito se alimenta mediante la captura de energía del medio circundante sin necesidad de una señal RF de interrogación.
Pearton et al. (2004), en: “Topical Review: GaN-based diodes and transistors for chemical, gas, biological and pressure sensing”, Journal of Physics: Condensed Matter 16:29 (2004), páginas R961 a R994, describen la utilización de la estructura de AlGaN/GaN para implementar el sensor de SAW y demuestran que dicha heteroestructura muestra una fuerte dependencia de la corriente de fuente/drenador en canales 2DEG inducidos por polarización piezoeléctrica
respecto de las variaciones en las condiciones de límite electrostático de la superficie libre sobre el canal. Sin embargo, la estructura conocida a partir de dicha publicación carece de una capa piezoeléctrica adicional.
El documento n° CN 105424780 A de Beijing Delft Electronic Technology Co. da a conocer un sensor que comprende una heteroestructura que forma un canal 2DEG, en el que el grosor de la capa de barrera se fija flexiblemente a fin de mejorar el rango de detección del sensor. En particular, al utilizar AlN, se informa de que el grosor de la capa de barrera es de entre 2 y 8 nm. Sin embargo, dicha publicación no se refiere a la potenciación de la sensibilidad del sensor, que es el problema resuelto por la presente invención.
El documento n° US 2014/323895 describe sensores que comprenden un gas de electrones bidimensional (2DEG), y más particularmente a un sensor a base de 2DEG de AlGaN/GaN para detectar señales asociadas a electrocardiogramas y a métodos de utilización del mismo.
Offermans et al., “Suspended AlGaN/GaN membrane devices with recessed open gate areas for ultra-low-power air quality monitoring”, 2015 IEEE International electron device meeting, 7 de diciembre de 2015, XP 032865681, describen una plataforma sensora de gases para la monitorización de la calidad de aire de potencia ultrabaja basado en membranas de AlGaN/GaN en suspensión.
El documento n° US 2008/265258 describe dispositivos semiconductores de nitruro de grupo III en los que la corriente de fuga del electrodo Schottky puede reducirse.
Compendio
La presente solicitud describe realizaciones de un sensor microelectrónico o chip sensor basado en una combinación de una estructura conductora de gas de electrones bidimensional (2DEG) o de gas de huecos bidimensional (2DHG) y transductor de onda acústica superficial (SAW).
En un aspecto de la invención, se proporciona el chip sensor de identificación de radiofrecuencia (RFID, por sus siglas en inglés) de onda acústica superficial (SAW) según la reivindicación 1. En otro aspecto de la invención, se proporciona el método según la reivindicación 14.
Las realizaciones preferidas de la invención son la materia objeto de las reivindicaciones dependientes, cuyo contenido debe entenderse que forma parte integral de la presente descripción.
Los detalles de una o más realizaciones se explican en las figuras adjuntas y descripción, posteriormente. Otras características, objetivos y ventajas de las técnicas descritas resultarán evidentes a partir de la descripción y dibujos, y a partir de las reivindicaciones.
Breve descripción de los dibujos
Las realizaciones dadas a conocer se entenderán y apreciarán más completamente a partir de la descripción detallada siguiente considerada junto con las figuras adjuntas. Los dibujos incluidos y descritos en la presente memoria son esquemáticos y no son limitativos del alcance de la exposición. También se indica que, en los dibujos, el tamaño de algunos elementos puede ser exagerado y, por lo tanto, que no está dibujado a escala, con fines ilustrativos. Las dimensiones, y las dimensiones relativas no corresponden necesariamente a reducciones reales a la práctica de la exposición.
La fig. 1 muestra esquemáticamente el pozo cuántico bajo tres condiciones de polarización diferentes:
Fig. 1a: el potencial de puerta positivo (+Vg) es mucho más alto que la tensión umbral (Vt)
Fig. 1b: potencial de puerta de 0 V, y
Fig. 1c: el potencial de puerta negativo (-Vg) es inferior a la tensión umbral (Vt).
La fig. 2 muestra esquemáticamente la dependencia de la corriente de fuente-drenador (una densidad portadora de carga) inducida dentro del canal de 2DEG de un HEMT de GaN/AlGaN sobre el grosor de la capa de barrera de AlGaN rebajada en la zona de puerta abierta.
La fig. 3 ilustra la teoría detrás de la formación de 2DEG (neutralidad de carga en combinación con el nivel de energía más bajo) en la discontinuidad de la banda de conducción.
La fig. 4 muestra esquemáticamente la formación de los canales conductores de 2DEG y 2DHG en la estructura de PC-HEMT de tres capas de AlGaN/GaN de cara de Ga.
La fig. 5 muestra esquemáticamente la formación de los canales conductores de 2DEG y 2DHG en la estructura de PC-HEMT de AlGaN/GaN de tres capas de cara de N.
La fig. 6 muestra esquemáticamente la formación del canal conductor de 2DEG en la estructura de PC-HEMT de AlGaN/GaN de tres capas de cara de N con una capa de Al(GaN)N ultradelgada para un confinamiento mejorado.
La fig. 7a muestra esquemáticamente el dispositivo de SAW basado en un transductor interdigitado de entrada (IDT). La fig. 7b muestra esquemáticamente el IDT y sus parámetros característicos: longitud (L), anchura (A) y longitud de onda acústica (A).
La fig. 7c muestra la anchura de banda (B) de la SAW como función del número de IDT y la frecuencia (f), donde f0 es la frecuencia del centro.
La fig. 8 muestra esquemáticamente un sensor de RFID de SAW de una realización con IDT 2DEG sobre una heteroestructura de GaN/AlGaN.
La fig. 9 muestra esquemáticamente la topología básica del sensor de una realización, en donde las líneas (100) se asignan a estructuras metálicas, tales como IDT metálicos, las líneas (101) representan las estructuras de 2DEG/2DHG, las líneas (102) muestran las estructuras de tipo PC-HEMT, las bandas (104) muestran esquemáticamente las capas específicas (bio)moleculares para la detección y la zona (103) representa el sustrato de AlGaN/GaN.
La fig. 10 muestra esquemáticamente otra configuración básica de sensor 2DEG-SAW topográfico de una realización. Se introducen tiras metálicas (106) dentro del camino de propagación de la SAW en ambos lados (posiciones de carga de SAW positiva y negativa).
La fig. 11 muestra esquemáticamente una configuración adicional del sensor de una realización con los elementos atenuantes (y modulantes) reflectantes de SAW con una interacción diferente con las SAW y que proporciona un patrón de RFID de frecuencia codificada ortogonal especial. En esta configuración, se añaden varias capas (bio)moleculares idénticas o diferentes.
La fig. 12 muestra esquemáticamente la configuración de sensor de una realización con un IDT emisor/receptor en un lado del sensor (izquierda en la figura), que está parcialmente realizado a partir de la estructura de tipo PC-HEMT. La fig. 13 muestra esquemáticamente la configuración de sensor de una realización que presenta los electrodos IDT (dedos) de la parte de señal conectados eléctricamente con la estructura de tipo PC-HEMT grande mediante los contactos óhmicos.
La fig. 14 muestra esquemáticamente otra configuración básica de sensor de 2DEG-SAW topográfico de una realización. A la izquierda, la estructura de tipo PC-HEMT contiene una estructura de 2DEG pseudoconductora y una estructura de 2DEG no rebajada a fin de mantener una estabilidad mínima de S21 de SAW.
La fig. 15 muestra esquemáticamente todavía otra configuración del sensor 2DEG-SAW de una realización. En esta configuración, las partes de la antena meandro para la señal y la carga a tierra están separadas, protegiendo contra el cortocircuito entre ellas mediante la línea 2DEG parasitaria en la parte superior e inferior del diagrama mostrado. La fig. 16 muestra esquemáticamente una configuración todavía adicional del sensor 2DEG-SAW. En esta configuración, la más simple, la zona de 2DEG pseudoconductora cubre la totalidad de la zona de los IDT emisoresreceptores.
Las figs. 17a-17c muestran esquemáticamente una configuración de sensor de una realización con membranas independientes.
La fig. 18 muestra los diseños máscara fotolitográficos del resonador de SAW basado en 2DEG utilizando la configuración estándar con dos estructuras de IDT simétricas (dedos).
La fig. 19 muestra las imágenes de SEM de varios diseños de IDT diferentes de los resonadores de SAW fabricados mediante la técnica de formación de patrón de grabado iónico o de “lift-off” .
La fig. 20 muestra las imágenes de microscopía de los resonadores de SAW fabricados de las figs. 18 y 19 sobre las membranas de AlGaN/GaN independientes con 2DEG no estructurado con eliminación DRIE del sustrato de Si. La fig. 21 muestra el parámetro de transferencia de S21 experimental medido con el sensor de una realización utilizando el analizador de redes de vectores a la frecuencia resonante de SAW de 1280 MHz para el dedo IDT con una distancia de 700 nm.
La fig. 22 muestra el parámetro de transferencia S21 de la fig. 21 medido con el sensor resonante de SAW basado en 2DEG de una realización, que presenta una anchura de 700 nm del dedo IDT.
La fig. 23 muestra esquemáticamente el principio de diferenciación de las velocidades de los electrones en los diferentes canales de 2DEG bajo la interacción con los cambios de SAW y de resolución temporal en la densidad electrónica de 2DEG.
La fig. 24 muestra esquemáticamente muestra un sensor RFID de SAW de potencia cero de una realización para el diagnóstico molecular con una lectura remota.
La fig. 25 muestra esquemáticamente un sensor optoelectrónico de una realización para el diagnóstico molecular con una lectura remota.
Descripción detallada
En la descripción a continuación, se describen diversos aspectos de la presente solicitud. Para los fines de la explicación, se explican configuraciones y detalles específicos a fin de proporcionar una comprensión completa de la presente solicitud. Sin embargo, también resultará evidente para el experto en la materia que la presente solicitud puede ponerse en práctica sin los detalles específicos presentados en la presente memoria. Además, pueden omitirse o simplificarse características bien conocidas a fin de no complicar la comprensión de la presente solicitud.
La expresión “que comprende”, utilizada en las reivindicaciones, es “abierta” y se refiere a que los elementos citados, o sus equivalentes de estructura o función, más cualquier otro elemento o elementos que no se citan. Debería interpretarse como limitado a los medios listados posteriormente; no excluye otros elementos o etapas. Debe interpretarse como especificativo de la presencia de los elementos, números enteros, etapas o componentes indicados tal como se hace referencia a los mismos, aunque no excluye la presencia o adición de otro u otros elementos, números enteros, etapas o componentes, o grupos de los mismos. De esta manera, el alcance de la expresión “un dispositivo que comprende x y z” no debe considerarse limitada a los dispositivos que consisten únicamente los componentes x y z. Además, el alcance de la expresión “un método que comprende las etapas x y z” no debe considerarse limitado a los métodos que consisten únicamente en dichas etapas.
A menos que se indique específicamente, tal como se utiliza en la presente memoria, el término “aproximadamente” se entiende como dentro de un intervalo de tolerancia normal en la técnica, por ejemplo, a dos desviaciones estándares de la media. En una realización, el término “aproximadamente” significa a 10% del valor numérico informado del número con el que se está utilizando, preferiblemente a 5% del valor numérico informado. Por ejemplo, el término “aproximadamente” puede entenderse inmediatamente como a 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% o 0,01% del valor informado. En otras realizaciones, el término “aproximadamente” puede significar una tolerancia más elevada de la variación dependiente de, por ejemplo, la técnica experimental utilizada. El experto en la materia entiende dichas variaciones de un valor específico y se encuentran comprendidas dentro del contexto de la presente invención. A título ilustrativo, un intervalo numérico de “aproximadamente 1 a aproximadamente 5” debe interpretarse que incluye no sólo los valores citados explícitamente de aproximadamente 1 a aproximadamente 5, sino también los valores individuales y subintervalos dentro del intervalo indicado. De esta manera, se encuentran incluidos en dicho intervalo numérico, valores individuales tales como 2, 3 y 4 y subintervalos, por ejemplo, entre 1 y 3, entre 2 y 4, y entre 3 y 5, así como 1, 2, 3, 4, 5 o 6, individualmente. Este mismo principio se aplica a intervalos que citan únicamente un valor numérico como mínimo o máximo. A menos que el contexto indique claramente lo contrario, todos los valores numéricos proporcionados en la presente memoria están modificados por el término “aproximadamente”. Otros términos similares, tales como “sustancialmente”, “generalmente”, “hasta” y similares, deben interpretarse como modificadores de un término o valor, de manera que no es un absoluto. Dichos términos estarán definidos por las circunstancias y los términos que modifican, tal como entiende dichos términos el experto en la materia. Ello incluye, como mínimo, el grado de error experimental esperado, el error técnico y el error instrumental para el experimento, técnica o instrumento dado que se ha utilizado para medir un valor.
Tal como se utiliza en la presente memoria, el término “y/o” incluye todas y cada una de las combinaciones de uno o más de los ítems listados asociados. A menos que se defina lo contrario, todos los términos (incluyendo los términos técnicos y científicos) utilizados en la presente memoria presentan el significado entendido comúnmente por el experto ordinario en la materia a la que se refiere la presente invención. Se entenderá adicionalmente que los términos, tales como los definidos en los diccionarios utilizados habitualmente, debe interpretarse que presentan un significado que es consistente con su significado en el contexto de la especificación y la técnica relevante, y no deben interpretarse en un sentido idealizado o excesivamente formal, a menos que se definan expresamente de esta manera en la presente memoria. Las funciones o construcciones bien conocidas pueden no describirse en detalle en aras de la brevedad y/o claridad.
Se entenderá que, al hacer referencia a un elemento como “sobre”, “unido a”, “conectado con”, “acoplado con”, “en contacto con”, etc., otro elemento, respecto al que puede encontrarse directamente sobre, unido, conectado, acoplado o en contacto, el otro elemento o elementos intermedios también pueden encontrarse presentes. En contraste, en el caso de que se haga referencia a un elemento como, por ejemplo, “directamente sobre”, “directamente unido a”, “directamente conectado con”, “directamente acoplado” con o “directamente en contacto” con otro elemento, no hay elementos intermedios. El experto en la materia también apreciará que las referencias a una estructura o elemento que está dispuesto “contiguamente” a otro elemento puede presentar partes que se solapan o subyacen al elemento contiguo.
El transistor de polarización dopado de alta movilidad de electrones (HEMT, por sus siglas en inglés) es un transistor de efecto campo (FET, por sus siglas en inglés) en el que dos capas de diferente brecha energética y campo de polarización se hacen crecer uno sobre otro formando la estructura de heterounión. En un aspecto, el sensor de la
presente solicitud contiene un sustrato piezoeléctrico que comprende la estructura de heterounión multicapa de tipo HEMT. Esta estructura se basa esencialmente en por lo menos dos capas de materiales semiconductores III-V, tales como nitruro de galio (GaN) y nitruro de aluminio-galio (AlGaN). Como consecuencia de la discontinuidad del campo de polarización, se crean cargas de superficie en la interfaz entre las capas de la estructura de heterounión. En el caso de que la carga de superficie inducida sea positiva, los electrones tienden a compensar la carga inducida, dando como resultado la formación del canal. Debido a que los electrones del canal están confinados en un pozo cuántico en una región espacial infinitamente estrecha en la interfaz entre las capas, se hace referencia a dichos electrones como gas de electrones bidimensional (2DEG). Este confinamiento especial de los electrones del canal en el pocillo cuántico de hecho les concede elementos bidimensionales, que fuertemente potencian su movilidad, sobrepasando la movilidad en masa del material en el que están fluyendo los electrones.
Las figs. 1 a-1 c muestran esquemáticamente el pocillo cuántico en tres condiciones de polarización diferentes partiendo del potencial de puerta positiva (Vg), mucho más elevada que la tensión umbral (Vt) y bajando hasta el potencial de puerta 0 V y además a los valores negativos inferiores a la tensión umbral. La Vt se define como la tensión que resulta necesaria para llenar de electrones la interfaz entre la capa de GaN y las capas de AlGaN, creando de esta manera conductividad en el canal de 2DEG. Debido a que los electrones del canal de 2DEG ocupan niveles de energía inferiores al nivel de Fermi, el nivel de Fermi en un pozo cuántico se encuentra situado sobre varios niveles de energía cuando Vg >> Vt (fig. 1 a). Ello permite un número elevado de electrones en el canal y, en consecuencia, una elevada conductividad. El canal de 2DEG se encuentra activado en este caso. Sin embargo, al reducirse Vg a 0 V (fig. 1b), el nivel de Fermi también cae con respecto al pozo cuántico. Como resultado, se llenan muchos menos niveles de energía de electrones y la cantidad de electrones del canal de 2DEG se reduce significativamente. En el caso de que VG sea muy inferior a Vt (fig. 1c), todos los niveles de energía de los electrones se encuentran sobre el nivel de Fermi y no hay electrones de 2DEG bajo la puerta. Esta situación se denomina “vaciamiento del canal” y el canal se encuentra desactivado.
Muchos HEMT disponibles comercialmente basados en las capas de materiales semiconductores III-V presentan un valor negativo de Vt, dando como resultado un modo de funcionamiento de vaciamiento (”normally on”) a un potencial de puerta de 0 V. Se denominan transistores semiconductores “de vaciamiento” y se utilizan en diversas aplicaciones de conmutación de alimentación cuando la tensión negativa debe aplicarse en la puerta a fin de bloquear la corriente. Sin embargo, para el funcionamiento seguro a alta tensión o a alta densidad de potencia, a fin de reducir la complejidad del circuito y eliminar el consumo de energía en espera, resultan preferibles los transistores con características de acumulación (“normally off”). Las elevadas tensiones y elevadas velocidades de conmutación permiten la fabricación de dispositivos más eficientes, de menor tamaño, tales como aparatos electrodomésticos, dispositivos de comunicación y automóviles. Para controlar la densidad de electrones en el canal de 2DEG y para conmutar e1HEMT a activación y desactivación, la tensión en la puerta del transistor está normalmente regulada.
Se ha informado de varias técnicas de fabricación de las estructuras de semiconductor normalmente desactivadas. Burnham et al. (2010) han propuesto estructuras normalmente desactivadas del tipo puerta rebajada. En esta estructura, la capa de barrera de AlGaN está grabada y la puerta se lleva a la proximidad de la interfaz entre la capa de barrera de AlGaN y la capa amortiguadora de GaN. A medida que la puerta se aproxima a la interfaz entre las capas, se incrementa la Vt . De esta manera, el funcionamiento normalmente desactivado del canal conductor de 2DEG se consigue una vez la región de agotamiento alcanza la interfaz y agota el canal de 2DEG a la tensión de puerta cero. Las principales ventajas de dichas estructuras son un consumo de energía relativamente más bajo, menos ruido y circuitos de control más simples. Se utilizan actualmente en, por ejemplo, comunicaciones de microondas y ondas milimétricas, obtención de imágenes y radares.
Chang et al. (2009) han propuesto, en lugar de grabar la capa de barrera relativamente gruesa para aproximarse a la interfaz de AlGaN/GaN, la utilización de una barrera de AlGaN muy delgada. Esta estructura también consigue el funcionamiento de acumulación del canal de 2DEG mediante la aproximación de la puerta hacia la interfaz de AlGaN/GaN. Chen et al. (2010) han propuesto utilizar el método de tratamiento de plasma a base de flúor. Aunque muchas publicaciones han adoptado diversos métodos para conseguir dispositivos de acumulación con un impacto mínimo sobre la corriente de drenador, desafortunadamente han sacrificado el rendimiento de activación del dispositivo.
La fig. 2 muestra la dependencia de la corriente de fuente-drenador (densidad de portadores de carga) sobre el grosor de la capa de barrera rebajada. Tal como se observa en el gráfico, las estructuras que presentan un grosor de la capa de barrera superior a 9 nm forman canales de 2DEG de vaciamiento. En dichas estructuras, debido a los efectos de polarización inherentes a los materiales de los grupos III-V, se induce una lámina delgada de cargas sobre y bajo las interfaces de la capa de barrera. Como resultado, se induce un campo eléctrico elevado en la capa de barrera, y los estados donantes de superficie en la interfaz superior empiezan a donar electrones, formando el canal de 2DEG en proximidad a la interfaz de heterounión sin la aplicación de una polarización en la puerta. Por lo tanto, estas estructuras constituyen dispositivos de vaciamiento. Por otra parte, las estructuras que presentan un grosor de la capa de barrera inferior a aproximadamente 5 nm constituyen dispositivos de acumulación.
La presente solicitud describe realizaciones de un sensor microelectrónico o chip sensor basado en una combinación de una estructura de gas de electrones bidimensional (2DEG) o un gas de huecos bidimensional (2DHG) y transductor de onda acústica de superficie (SAW). En algunas realizaciones, el sensor de las realizaciones contiene un sustrato
piezoeléctrico, sobre el que se deposita la estructura de heterounión multicapa. Esta estructura de heterounión comprende por lo menos dos capas: una capa amortiguadora y una capa de barrera, en donde ambas capas se generan a partir de los materiales semiconductores monocristalinos o policristalinos de grupos III-V anteriormente mencionados. Se instalan transductores interdigitados (IDT) que transducen ondas acústicas de superficie sobre la capa de barrera.
En algunas realizaciones, la estructura de heterounión multicapa de la presente solicitud puede generarse a partir de cualesquiera materiales semiconductores monocristalinos o policristalinos de grupos III-V disponibles, tales como GaN/AlGaN, GaN/AlN, GaN/InN, GaN/InAlN, InN/InAlN, GaN/InAlGaN, GaAs/AlGaAs y LaAlO3/SrTiO3. En un caso específico de sustrato generado a partir de GaN/AlGaN, se ha encontrado experimentalmente que la sensibilidad máxima del sensor se consigue en el caso de que el grosor de la capa rebajada superior (capa amortiguadora de GaN o capa de barrera de AlGaN) en la zona de puerta abierta entre los contactos de fuente y drenador sea de 5 a 9 nm, preferiblemente de 6 a 7 nm, más preferiblemente de 6,2 a 6,4 nm. Además, también se ha encontrado que el sensor muestra su sensibilidad máxima en el caso de que la rugosidad superficial de la capa rebajada superior sea de aproximadamente 0,2 nm o inferior, preferiblemente de 0,1 nm o inferior, más preferiblemente de 0,05 nm.
De esta manera, la capa superior rebajada o generada en la zona de puerta abierta hasta 5 a 9 nm debe optimizarse para potenciar significativamente la sensibilidad del sensor. Este grosor específico de la capa de barrera se ha encontrado inesperadamente que corresponde al intervalo de corriente “pseudoconductor” entre los modos de funcionamiento de vaciamiento y de acumulación del canal de 2DEG y requiere explicación adicional.
El intervalo de corriente “pseudoconductor” (para distinguirlo de la conducción normal) del canal de 2DEG se define como un intervalo de funcionamiento del canal entre sus modos de funcionamiento de vaciamiento y de acumulación. Los “estados trampa” son los estados en la brecha energética de un semiconductor que atrapan un portador hasta que se recombina. Los “estados de superficie” son estados causados por la reconstrucción de la superficie del cristal local debido a la tensión superficial causada por algunos defectos del cristal, dislocaciones o la presencia de impurezas. Dicha reconstrucción de la superficie con frecuencia crea “estados de trampa superficial” correspondientes a una velocidad de recombinación superficial.
La clasificación de los estados de trampa superficial depende de la posición relativa de su nivel de energía dentro de la brecha energética. Los estados de trampa superficial con energía superior al nivel de Fermi son de tipo aceptor, alcanzaron una carga negativa al ocuparlos. Sin embargo, los estados de trampa superficial con energía inferior al nivel de Fermi son de tipo donante, cargados positivamente cuando están vacíos y neutros cuando están ocupados. Estos estados de trampa superficial de tipo donante se consideran que son la fuente de electrones en la formación del canal de 2DEG. Pueden poseer una amplia distribución de energías de ionización dentro de la brecha energética y están causados por reacciones redox, enlaces colgantes y vacantes en la capa de superficie. En todo momento existe un equilibrio entre la densidad del canal de 2DEG y el número de donantes de superficie ionizados que está gobernado por la neutralidad y continuidad de carga del campo eléctrico en las interfaces.
De esta manera, las trampas de superficie de tipo donante en la superficie de la capa de barrera son una de las fuentes más importantes del 2DEG en el canal. Sin embargo, lo anterior sólo se aplica a un grosor específico de la capa de barrera. En una capa de barrera relativamente delgada, el estado de trampa superficial es inferior al nivel de Fermi. Sin embargo, a medida que se incrementa el grosor de la capa de barrera, la energía del estado de trampa superficial se aproxima a la energía de Fermi hasta que coincide con la misma. El grosor de la capa de barrera correspondiente a esta situación se define como “crítico”. En este punto, los electrones que llenan el estado de trampa superficial son atraídos al canal por el fuerte campo eléctrico inducido por polarización que se encuentra en la barrera, formando el 2DEG instantáneamente.
En el caso de que los estados de trampa superficial estén completamente vacíos, un incremento adicional del grosor de la capa de barrera no incrementará la densidad del 2DEG. De hecho, en el caso de que la capa del canal de 2DEG no consiga estirar la capa de barrera, esta última simplemente se relajará. Con la relajación de la capa de barrera, se crean muchos defectos en el cristal en las interfaces entre las capas amortiguadora y de barrera, y la polarización piezoeléctrica desaparece instantáneamente, causando el deterioro de la densidad del 2DEG.
Con el fin de ilustrar el fenómeno anteriormente indicado de la corriente pseudoconductora, a continuación, se hace referencia a las figs. 2 y 3. Tal como se ha indicado anteriormente, la fig. 2 muestra la dependencia de la corriente de fuente-drenador (densidad de portadores de carga) sobre el grosor de la capa de barrera de AlGaN rebajada. El equilibrio de energía entre los estados de trampa superficial donante y la barrera de túnel de AlGaN conduce a la formación del 2DEG (neutralidad de carga combinada con el nivel de energía más bajo) en la discontinuidad de la banda de conducción. Tal como se ha explicado anteriormente, la reducción del grosor de la capa de barrera resulta en un incremento de la barrera de energía. Como resultado, los estados de trampa superficial de tipo donante ionizables, que son responsables de la tunelización de electrones de la superficie al 2DEG, flotan bajo el nivel de Fermi, minimizando de esta manera el suministro de electrones al canal de 2DEG. Esta situación teórica se ilustra adicionalmente en la fig. 3. Por lo tanto, el rebajado de la capa de AlGaN de 9 nm a 5 nm conduce a una enorme caída de conductividad del gas de electrones bidimensional, de seis órdenes de magnitud.
De esta manera, el mecanismo de vaciamiento del 2DEG basado en el rebajado de la capa de barrera es fuertemente dependiente de los estados de trampa superficial de tipo donante (o carga superficial total). A medida que se reduce el grosor de la capa de barrera, se requiere menos carga externa adicional para la aplicación en la superficie de la capa de barrera a fin de vaciar el canal de 2DEG. Existe un grosor de barrera crítico (mínimo), al vaciar en su mayor parte el canal de 2DEG, aunque altamente conductor, debido a una combinación de barrera de energía y la energía de los estados de trampa superficial donante. En este grosor crítico, incluso el desplazamiento de energía mínimo en la superficie mediante cualquier influencia externa, por ejemplo, una onda acústica que se propaga por la superficie, conduce inmediatamente a un vaciamiento muy fuerte del 2DEG. Como resultado, la superficie de la capa de barrera en este grosor crítico resulta extremadamente sensible a cualquier cambio mínimo en el campo eléctrico del medio circundante.
De esta manera, el rebajado de la capa de barrera de 9 nm a 5 nm redujo significativamente la densidad del 2DEG, llevó el sensor al funcionamiento de “prácticamente umbral” y resultó en una sensibilidad de carga superficial altamente incrementada. El grosor específico de 5 a 9 nm de la capa de barrera responsable del comportamiento pseudoconductor del canal de 2DEG proporciona al sensor una sensibilidad incrementada.
Además del grosor de la capa de barrera superior rebajado o crecido, el grosor de la superficie de la capa de barrera es otro parámetro muy importante que no se ha descrito anteriormente. Inesperadamente se ha encontrado que la rugosidad de la superficie de la capa de barrera de AlGaN inferior a 0,2 nm evita la dispersión de los estados de trampa superficial de tipo donante.
De esta manera, la combinación de dichos dos elementos: grosor de 5 a 9 nm de la capa de barrera de AlGaN y rugosidad fuertemente reducida de su superficie, hacen que el sensor resulte increíblemente sensible.
En un aspecto adicional, la estructura de heterounión puede ser una estructura de tres capas que consiste en dos capas amortiguadoras y una capa de barrera apretada entre dichas capas amortiguadoras en forma de sándwich, en el que la capa superior es una capa amortiguadora. Esto puede conducir a la formación del gas de huecos bidimensional (2DHG) en la capa amortiguadora superior sobre la capa de barrera, resultando en la reversión de la polaridad del transistor en relación a la estructura de dos capas comentada anteriormente.
En general, la polaridad de los materiales semiconductores de nitruro de grupos III-V afecta fuertemente al rendimiento de los transistores basados en estos semiconductores. La calidad de los materiales de wurtzita GaN puede variar según su polaridad, debido a que, tanto la incorporación de impurezas como la formación de defectos, están relacionados con el mecanismo de crecimiento, que a su vez depende de la polaridad de la superficie. La ocurrencia del 2DEG/2DHG y las propiedades ópticas de las estructuras de heterounión de los materiales a base de nitruro están influidas por los efectos de campo interno causados por polarizaciones espontáneas y piezoeléctricas. Se fabrican dispositivos en todos los materiales de nitruro de grupos III-V sobre las superficies polares {0001}. En consecuencia, sus características dependen de si las capas de GaN muestran una polaridad positiva de cara de Ga o una polaridad negativa de cara de N. En otras palabras, como resultado de la polaridad de los materiales de wurtzita GaN, cualquier capa de GaN presenta dos superficies de diferente polaridad. Una superficie polar de Ga y una superficie polar de N. En la presente memoria se define una superficie polar de Ga como una superficie que termina sobre una capa de átomos de Ga, cada uno de los cuales presenta un enlace desocupado perpendicular a la superficie. Cada átomo superficial de Ga está unido a tres átomos de N en dirección de alejamiento respecto de la superficie. En contraste, se define una superficie polar de N como una superficie que termina sobre una capa de átomos de N, cada uno de los cuales presenta un enlace desocupado perpendicular a la superficie. Cada átomo superficial de N también está unido a tres átomos de Ga en la dirección de alejamiento respecto de la superficie. De esta manera, las estructuras de polaridad de cara de N presentan la polaridad inversa a la de las estructuras de polaridad de cara de G.
Tal como se ha indicado anteriormente para la estructura de heterounión de dos capas, la capa de barrera siempre se deposita sobre la capa amortiguadora. La capa que, por lo tanto, está rebajada es la capa de barrera, específicamente la capa de AlGaN. Como resultado, debido a que se utiliza el 2DEG como el canal conductor y este canal conductor está situado ligeramente por debajo de la capa de barrera (en una región más gruesa de la capa amortiguadora de GaN), la estructura de heterounión se hace crecer a lo largo de la dirección {0001} o, en otras palabras, con la polaridad de la cara de Ga. Sin embargo, tal como se ha explicado anteriormente, el mecanismo físico que conduce a la formación del 2DEG es una discontinuidad de polarización en la interfaz de AlGaN/GaN, reflejada en la formación de las cargas fijas de interfaz inducidas por polarización que atraen portadores libres para formar un gas portador bidimensional. Es una carga de polarización positiva en la interfaz de AlGaN/GaN que atrae electrones para formar 2DEG en la capa de GaN ligeramente bajo dicha interfaz.
Tal como se ha indicado anteriormente, la polaridad de la interfaz cambia dependiendo de la orientación de la red cristalina de la estructura de heterounión, es decir, polaridad de cara de Ga versus polaridad de cara de N, y la posición de la interfaz de AlGaN/GaN respectiva en la estructura de heterounión (sobre o bajo la interfaz). Por lo tanto, pueden encontrarse presentes diferentes tipos de portadores acumulados en la estructura de heterounión de las realizaciones.
En el caso de la estructura de heterounión de tres capas, existen cuatro configuraciones posibles:
Polaridad de cara de Ga
1) La polaridad de cara de Ga se caracteriza por la formación de 2DEG en la capa de GaN bajo la capa de barrera de AlGaN. De hecho, ésta es la misma configuración de dos capas indicada anteriormente, aunque con adición de la capa superior de GaN. En esta configuración, la capa de barrera de AlGaN y las dos capas amortiguadoras de GaN deben encontrarse nominalmente no dopadas o dopadas de tipo n.
2) En otra configuración de cara de Ga mostrada en la fig. 4, con el fin de formar el canal conductor que comprende un gas de huecos bidimensional (2DHG) en la capa superior de GaN sobre la capa de barrera de AlGaN en la configuración, la capa de barrera de AlGaN debe ser dopada de tipo n (por ejemplo, con Mg o Be como un aceptor) y la capa amortiguadora de GaN también debería ser dopada de tipo p con Mg, Be o intrínseca.
Polaridad de cara de N
3) La polaridad de cara de N se caracteriza por la formación de 2DEG en la capa superior de GaN sobre la capa de barrera de AlGaN, tal como se muestra en la fig. 5. En este caso, la capa de barrera de AlGaN y las dos capas amortiguadoras de GaN deben encontrarse nominalmente no dopadas o dopadas de tipo n.
4) La última configuración asume que el canal conductor de 2DHG está formado en la capa amortiguadora de GaN bajo la capa de barrera de AlGaN. La capa superior de GaN puede encontrarse presente (estructura de tres capas) o no (estructura de dos capas) en este caso. La capa de barrera de AlGaN debe ser dopada de tipo p (por ejemplo, con Mg o Be como un aceptor) y la capa inferior de GaN también debería ser dopada de tipo p con Mg, Be o intrínseca.
De esta manera, existen cuatro estructuras de tres capas de heterounión implementadas en el transistor de las realizaciones, basadas en las configuraciones anteriormente indicadas:
A. Cara de Ga. Heteroestructura de GaN/AlGaN/GaN con el 2DEG formado en la capa amortiguadora de GaN bajo la capa de barrera de AlGaN.
Para la estructura de tres capas, la capa superior de GaN debe encontrarse rebajada a 1 a 9 nm de grosor en la zona de puerta abierta o hacerse crecer con este grosor reducido, con una rugosidad inferior a 0,2 nm, y el grosor de la barrera de AlGaN puede ajustarse apropiadamente durante el crecimiento.
B. Cara de Ga. Heteroestructura de GaN/AlGaN/GaN con el canal conductor de 2DHG formado en la capa superior de GaN sobre la capa de barrera de AlGaN. La capa superior de GaN debe encontrarse rebajada a un grosor de 5 a 9 nm en la zona de puerta abierta con una rugosidad inferior a 0,2 nm, y el grosor de la capa de barrera de AlGaN puede ajustarse apropiadamente. Las concentraciones de dopado de tipo p de la capa de GaN y de la barrera de AlGaN deben ajustarse; el 2DHG debe encontrarse en contacto (en el caso ideal, mediante contactos óhmicos).
C. Cara de N. Heteroestructura de GaN/AlGaN/GaN con el 2DEG en la capa superior de GaN sobre la capa de barrera de AlGaN. La capa superior de GaN debe encontrarse rebajada a un grosor de 5 a 9 nm en la zona de puerta abierta con una rugosidad inferior a 0,2 nm. El grosor de la barrera de AlGaN puede ajustarse durante el crecimiento. Los niveles de dopado de tipo n de la capa amortiguadora de GaN y de la capa de barrera de AlGaN deben ajustarse; el 2DEG debe encontrarse en contacto (en el caso ideal, mediante contactos óhmicos).
D. Cara de N. Heteroestructura de GaN/AlGaN/GaN con el 2DHG en la capa amortiguadora de GaN bajo la capa de barrera de AlGaN. En este caso, la capa superior de GaN puede omitirse para obtener la estructura de dos capas. En ambas configuraciones, de dos capas y de tres capas, la capa superior de GaN debe encontrarse rebajada a un grosor de 1 a 9 nm en la zona de puerta abierta con una rugosidad inferior a 0,2 nm, y el grosor de la barrera de AlGaN puede ajustarse apropiadamente.
En la totalidad de las estructuras anteriormente indicadas, la deposición de una capa dieléctrica en la parte superior podría resultar beneficiosa o incluso necesaria para obtener un mejor confinamiento (tal como en el caso de las estructuras de cara de N). Tal como se muestra en la fig. 6, para la estructura “C” anteriormente indicada, puede resultar incluso más beneficioso incluir una capa de barrera de AlN o de AlGaN ultradelgada (de aproximadamente 1 nm) con un contenido elevado de Al sobre el canal de 2DEG a fin de mejorar el confinamiento.
Las estructuras preferibles de las realizaciones son las estructuras “B” y “C”. En la estructura “B”, el canal conductor de 2DHG formado en la capa superior de GaN, que presenta una estabilidad química superior (particularmente frente a la oxidación superficial) a la de la capa de AlGaN. Respecto a la estructura “C”, el canal conductor de 2DEG podría encontrarse más próximo a la superficie. Por lo tanto, la movilidad de los electrones podría ser más baja que en la estructura de 2DEG con la polaridad de cara de Ga. En general, la polaridad de la heteroestructura puede ajustarse mediante la elección del sustrato (p.ej., SiC de la cara C) o mediante las condiciones de crecimiento.
Otra característica importante del sensor de la presente solicitud es que se realiza una conexión eléctrica de la estructura de heterounión al canal de 2DEG o 2DHG mediante acoplamiento capacitivo con las metalizaciones eléctricas mediante un contacto de barrera de Schottky. Se define “acoplamiento capacitivo” como una transferencia de energía dentro del mismo circuito eléctrico o entre diferentes circuitos eléctricos mediante corrientes de
desplazamiento inducidas por campos eléctricos existentes entre nodos del circuito(s). En general, los contactos óhmicos son los contactos que siguen la ley de Ohm, es decir, la corriente que fluye a través de ellos es directamente proporcional a la tensión. Sin embargo, los contactos no óhmicos no siguen la misma relación lineal de la ley de Ohm. En otras palabras, la corriente eléctrica que pasa por contactos no óhmicos no es directamente proporcional a la tensión. Por el contrario, proporciona una curva de pendiente acusada con un gradiente creciente, debido a que la resistencia en este caso se incrementa a medida que se incrementa la corriente eléctrica, resultando en el incremento de la tensión en los contactos no óhmicos. Esto se debe a que los electrones portan más energía y al colisionar con átomos en el canal conductor, transfieren más energía, creando nuevos estados de vibración de alta energía, incrementando de esta manera la resistencia y la temperatura.
Al depositar metalizaciones eléctricas sobre un material semiconductor monocristalino o policristalino, ocurre el “contacto de Schottky” o “contacto de barrera de Schottky” entre el metal y el semiconductor. La energía de este contacto está cubierta por la regla de Schottky-Mott, que predice que la barrera energética entre un metal y un semiconductor será proporcional a la diferencia entre la función de trabajo del metal-vacío y la afinidad electrónica del semiconductor-vacío. Sin embargo, éste es un comportamiento teórico ideal, mientras que en la realidad la mayoría de interfaces entre un metal y un semiconductor siguen esta regla sólo en cierta medida. El límite de un cristal semiconductor interrumpido por un metal crea nuevos estados electrónicos dentro de su brecha energética. Estos nuevos estados electrónicos inducidos por un metal y su ocupación empujan el centro de la brecha electrónica hacia el nivel de Fermi. Este fenómeno de desplazamiento del centro de la brecha energética al nivel de Fermi como resultado de un contacto metal-semiconductor se define como “fijación del nivel de Fermi”, que difiere de un semiconductor a otro. En el caso de que el nivel de Fermi se encuentre energéticamente lejos del borde de la banda, preferiblemente se formaría el contacto de Schottky. Sin embargo, en el caso de que el nivel de Fermi se encuentre próximo al borde de la banda, preferiblemente se formaría un contacto óhmico. El contacto de barrera de Schottky es un contacto no óhmico rectificador, que en realidad es prácticamente independiente de las funciones de trabajo del semiconductor o metal.
De esta manera, un contacto no óhmico permite el flujo de corriente eléctrica únicamente en una dirección con una curva de corriente-tensión no lineal con la apariencia de la curva de un diodo. Por el contrario, un contacto óhmico permite el flujo de la corriente eléctrica en ambas direcciones de manera aproximadamente equivalente dentro del rango operativo normal del dispositivo, con una relación corriente-tensión prácticamente lineal que se aproxima a la de una resistencia (por lo tanto, “óhmico”).
Debido a que los contactos fuente y drenador son no óhmicos (es decir, acoplados capacitivamente), no puede llevarse a cabo la lectura de DC. Para contactar eléctricamente el canal de 2DEG/2DHG en la parte inferior, aproximadamente 5 a 20 nm bajo las metalizaciones, debe utilizarse el régimen de frecuencia AC. En otras palabras, en este caso particular debería llevarse a cabo la lectura de AC o mediciones de impedancia de la corriente eléctrica que fluye por el canal de 2DEG/2DHG. El acoplamiento capacitivo de los contactos metálicos no óhmicos con el canal de 2DEG/2DHG se vuelve posible sólo si se aplica a las metalizaciones una frecuencia AC suficientemente elevada, superior a 30 kHz. En resumen, las metalizaciones eléctricas, que se acoplan capacitivamente con el canal de 2DEG/2DHG, utilizan el fenómeno conocido de la transferencia de energía por corrientes de desplazamiento. Estas corrientes de desplazamiento son inducidas por campos eléctricos existentes entre las metalizaciones eléctricas y el canal conductor de 2DEG/2DHG que funcionan en el modo de frecuencia AC por el contacto de Schottky tal como se ha explicado anteriormente.
Los resonadores de onda acústica superficial (SAW) son una clase de MEMS basada en la modulación de las ondas acústicas de superficie. El mecanismo de detección para los resonadores de SAW utiliza cambios en la amplitud, velocidad o fase de una SAW que se propaga por el sustrato debido a cambios en las características del camino de propagación. En general, la energía de la SAW normalmente se concentra en una región superficial con un grosor inferior a 1,5 veces su longitud de onda. Por lo tanto, el resonador de SAW resulta extremadamente sensible a su entorno.
En general, los sensores moleculares, biomoleculares y de gases basados en SAW para la detección de productos gaseosos industriales, agentes de guerra química, gases nerviosos y otros agentes tóxicos resultan de gran interés para la industria convencional, industria de defensa, seguridad y control medioambiental. El microequilibrio piezoeléctrico o los resonadores de SAW pueden utilizarse, por ejemplo, para sensores de aire en “narices químicas” electrónicas. Puede incorporarse un enfoque de reconocimiento de patrones de tipo red neurológica en el diseño a fin de proporcionar sistemas sensores moleculares, biomoleculares y de gases de alerta temprana que pueden integrarse en vehículos automóviles, dispositivos móviles y elementos transportables (“wearables”) para detectar un abanico de sustancias químicas y bioquímicas en medio líquido y en el aire externo.
Tal como se ha indicado anteriormente, los resonadores de SAW ya se han utilizado con éxito como sensores de gases, temperatura, humedad, viscosidad y presión. Mediante la utilización de recubrimientos químicos y bioquímicos especiales sobre la superficie de un resonador de SAW, pueden detectarse diversas sustancias químicas, gases y biomateriales.
Debido a la utilización de la tecnología bien establecida de los dispositivos basados en GaN, tales como LED y HEMT, combinados con una secuencia de proceso corta (en comparación con los MEMS basados en silicio habituales), los
sensores de SAW no sólo son relativamente económicos, sensibles y fiables, sino que también no requieren un suministro de energía DC para determinadas operaciones, los que los hace ideales para las aplicaciones autónomas.
El principio del sensor de SAW basado en transductores interdigitados (IDT) se muestra en las figs. 7a-7c. La fabricación de los sensores de SAW comprende la selección de material, la formación de patrón, el troceado, la funcionalización y el empaquetamiento final. Los sensores de SAW se fabrican a partir de materiales piezoeléctricos, típicamente cuarzo. Se basan en dos IDT, uno para lanzar y el otro para detectar una onda que viaja de un extremo del sustrato piezoeléctrico hasta el otro extremo. Una pareja de IDT, fabricada en el sustrato GaN/AlGaN, sirve como puertos de entrada y salida de las señales. Cada transductor está compuesto de muchas parejas de dedos definidos fotolitográficamente, y cada dedo presenta una anchura de tan sólo unos cuantos micrómetros.
La SAW es extremadamente sensible a cambios minúsculos de la masa y es capaz de detectar una cantidad de tan solo 100 picogramos/cm2 de analito, que corresponde a la sensibilidad de menos de 0,01 monocapas de carbono. La velocidad y la atenuación de las ondas acústicas resulta de los cambios en la masa superficial en los dispositivos de SAW. La medición de estas dos propiedades ayuda a determinar simultáneamente la naturaleza y la causa de la respuesta del sensor. En general, los sensores de SAW se diseñan mediante la selección de la frecuencia y anchura de banda deseados de funcionamiento.
La SAW puede expresar como un valor complejo y = a ifi, en donde la constante de atenuación a dada o calculada y la constante de propagación = 2n / A son importantes parámetros de diseño del sensor de SAW (A es la longitud de onda acústica). Otro parámetro de diseño importante es el coeficiente de acoplamiento electromecánico K2, que es una medida de la eficiencia de conversión de una señal de microondas aplicada en energía mecánica. Estos parámetros determinarán la magnitud de los cambios observados en la velocidad de fase de la SAW y en la atenuación de la intensidad de la SAW.
Tal como se muestra en las figs. 7b-7c, la frecuencia de operación del sensor de SAW, fo, puede seleccionarse mediante la selección apropiada del espaciado de dedos interdigitales, d, de manera que fo = v / d, donde v es la propagación de la onda en el sustrato específico. En consecuencia, las dimensiones del sensor de SAW diseñado dependen de la frecuencia operativa seleccionada, que puede variar entre un micrómetro, para 1 a 10 GHz, y milímetros para la operación a kHz/MHz. Los sensores de SAW que operan en el rango de GHz pueden diseñarse fácilmente e integrarse fácilmente con las RF, los diversos MMIC, y los circuitos ‘microstrip’ para la teledetección inalámbrica de baja potencia. La anchura de banda de la onda acústica viene dada por B = v / 2Nd, donde N es el número de dedos interdigitales, tal como se muestra en la fig. 7b.
Los sistemas basados en GaN/AlGaN anteriormente mencionados son materiales prácticamente ideales para los sensores de SAW debido a su elevada velocidad de propagación de SAW, de aproximadamente 4000 m/s, elevados coeficientes de acoplamiento electromecánico y su compatibilidad con la integración electrónica de RF. Estos materiales muestran además excelente resistencia a la humedad y al ataque químico. Las heteroestructuras de GaN/AlGaN indicadas anteriormente muestran un fuerte efecto piezoeléctrico y se han utilizado para fabricar los microequilibrios de SAW ultrasensibles, aprovechando la influencia de la acumulación de masa sobre la propagación de las SAW. Los elevados coeficientes de acoplamiento electromecánico del sustrato de GaN/AlGaN (K2ef=0,001 a 0,002), en combinación con la baja pérdida acústica y la elevada velocidad de SAW, permiten su utilización a altas frecuencias y en diversas aplicaciones de RF de pérdida reducida. Por lo tanto, pueden diseñarse resonadores de SAW basados en GaN/AlGaN y sensores que operan hasta el rango de 10 GHz e integrarse con cualesquiera aplicaciones de teledetección inalámbrica.
De esta manera, la utilización de la heteroestructura de GaN/AlGaN como el sustrato piezoeléctrico para los sensores de SAW resultará en una mejora considerable del límite de detección y en una elevada selectividad. Esto es el resultado de la sensibilidad de 2DEG/2DHG a cualquier carga de superficie proximal y una elevada sensibilidad másica, tal como se ha explicado anteriormente. De esta manera, las heteroestructuras de GaN/AlGaN y diodos de Schottky pueden integrarse con un sensor de SAW para crear un dispositivo de ajuste de SAW resonante único con baja pérdida acústica, rendimiento de RF de pérdida baja y elevada frecuencia. El 2DEG/2DHG en una estructura de GaN/AlGaN y en un camino de propagación de SAW interactúa con el campo eléctrico lateral, dando como resultado la pérdida óhmica, que atenúa y enlentece la SAW. Este mecanismo puede utilizarse para ajustar la velocidad de propagación de la SAW.
Sin embargo, para combinar el 2DEG/2DHG con la SAW y conseguir una eficacia sensorial máxima, deben considerarse algunos aspectos físicos. La combinación funcional real del 2DEG/2DHG con la SAW requiere una eliminación completa o parcial, vaciamiento o formación de un patrón apropiado del 2DEG/2DHG en el canal de pozo cuántico en la región de propagación de la onda acústica. La conductividad de carga elevada en el canal de 2DEG/2DHG conductor puede cribar el campo eléctrico y reducir las transducciones acústico-eléctricas en los IDT.
Estos IDT metálicos introducen efectos de carga de masa inherentes e interferencia de triple tránsito (ITT), reduciendo la relación de señal a ruido. En los sensores de SAW convencionales, la velocidad media de propagación de la SAW bajo los IDT metálicos se reducirá respecto al valor de la superficie libre y resultará en una reducción de su frecuencia central, con una amplitud y fase incrementadas que se propagarán atravesando la brecha energética debido a la reflexión de la señal desde los IDT metálicos.
Los problemas anteriormente mencionados pueden superarse mediante la utilización de los dedos IDT basados en las estructuras de tipo PC-HEMT, incrementando además la sensibilidad del sensor. En ese caso, las características de RF del dispositivo de SAW con IDT de 2DEG/2DHG planas son prácticamente iguales a las que utilizan IDT metálicos con un contacto de Schottky. Además, los efectos de carga de masa resultantes y la ITT se suprimen al utilizar los transductores basados en 2DEG/2DHG en lugar de los IDT metálicos. Además, la zona de detección del sensor o resonador de SAW puede encontrarse directamente sobre los IDT de 2DEG/2DHG planos en lugar de una zona separada de propagación de SAW entre los IDT. La fig. 8 muestra esquemáticamente un sensor con dichos IDT de 2DEG/2DHG sobre una heteroestructura de GaN/AlGaN.
En general, al depositar los IDT metálicos sobre un material semiconductor, se forma un contacto de Schottky entre el metal y el semiconductor, tal como se ha explicado anteriormente (con respecto a los contactos no óhmicos). Considerando el mecanismo de sensibilidad de carga en los dispositivos SAW basados en 2DEG/2DHG, pueden añadirse otras zonas de 2DEG/2DHG sensibles a la carga que operan en la frecuencia central resonante o en otros modos resonantes. Estas zonas de 2DEG/2DHG con patrón adicionales potenciarán adicionalmente los cambios resonantes en el sensor de SAW principal a través de su conmutación de carga. Mediante el estudio de las diferentes formas de la señal para los diferentes modos resonantes, puede introducirse una detección selectiva.
Aparte de los IDT de 2DEG/2DHG sensibles a la carga, otros elementos funcionales basados en el canal conductor de 2DEG/2DHG, tal como un diodo Schottky de 2DEG/2DHG y un diodo no simétrico plano de 2DEG/2DHG, pueden introducirse nanoalambres y transistores de elevada movilidad de electrones y conectarse con los IDT de entrada y salida que operan en un modo de filtro resonante, tal como se muestra en la fig. 8. Las características eléctricas de dichos elementos funcionales se modulan debido a la transducción acústico-eléctrica, que está correlacionada con el tiempo (sincronizada con los IDT). Esto resulta en una pérdida eléctrica mínima y en una forma de señal especificada para la resonancia de la SAW. Mediante la conmutación de campo electrostático, por ejemplo, mediante procesos redox que se producen sobre la superficie, dicho modo resonante de filtro de SAW resulta fácilmente afectado (frecuencia, amplitud).
De esta manera, debido a su naturaleza piezoeléctrica, la estructura de heterounión de AlGaN/GaN puede utilizarse como sensores de SAW en la membrana de AlGaN/GaN independiente. Es conocido que los sensores de SAW son muy sensibles a las cargas de superficie en el camino de propagación de SAW entre electrodos dedo emisores y receptores o IDT. Además, los sensores de SAW presentan un factor Q muy elevado a la frecuencia resonante. Además, los sensores de SAW pueden alimentarse fácilmente con un campo de RF con la frecuencia correspondiente mediante disposición de una antena basada en meandros apropiada. El sensor de SAW ofrece la integración de RFID intrínseca mediante la utilización de frecuencias ortogonales codificadas. Por otra parte, los sensores basados en 2DEG/2DHG incrementan el efecto acústico-eléctrico de campo próximo evanescente mediante la responsividad a la densidad de carga de 2DEG/2DHG tras el incremento drástico de la sensibilidad a cargas eléctricas próximas.
La topología básica funcional del sensor de una realización se muestra esquemáticamente en la fig. 9. El objetivo de la topología del sensor SAW de 2DEG/2DHG es conseguir la mayor influencia del parámetro de transferencia S21 del transductor SAW sin sacrificar la estabilidad del sensor. Las líneas (100) en la fig. 9 se asignan a estructuras metálicas de IDT (100), la banda (101) muestra una estructura de tipo HEMT de vaciamiento o de acumulación; la banda (102) muestra una estructura de tipo PC-HEMT (102) que realmente es una estructura de 2DEG/2DHG rebajada hasta un grosor de 5 a 9 nm con el fin de conseguir el efecto pseudoconductor; la zona (103) representa el sustrato piezoeléctrico de GaN/AlGaN y las bandas (104) muestran esquemáticamente las capas específicas (bio)moleculares para la detección.
De esta manera, en un aspecto, el chip sensor de RFID SAW de la presente solicitud comprende:
un sustrato piezoeléctrico (103), en el que dicho sustrato comprende una capa piezoeléctrica y una estructura de heterounión multicapa, en el que dicha estructura está constituida de capas de semiconductor monocristalino o policristalino de grupo III-V, depositado sobre dicha capa piezoeléctrica y que comprende por lo menos una capa amortiguadora y por lo menos una capa de barrera, en el que dichas capas se apilan alternadamente,
al menos una pareja de transductores interdigitados metálicos (IDT) (100) montada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103), para la recepción de una señal de entrada de radiofrecuencia (RF), la transducción de dicha señal de entrada en una onda acústica de superficie (SAW), la propagación de dicha onda acústica de superficie por una superficie de dicho sustrato piezoeléctrico (103) y la transducción de dicha onda acústica de superficie propagada en una señal RF de salida,
al menos una estructura de tipo HEMT de vaciamiento o de acumulación (101) depositada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103) para la formación de un canal conductor de 2DEG o 2DHG de vaciamiento o de acumulación en dicha estructura de heterounión en la interfaz entre dicha capa amortiguadora y dicha capa de barrera,
al menos una estructura de tipo PC-HEMT (102) depositada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103) para la formación del canal de 2DEG o 2DHG pseudoconductor en dicha estructura de heterounión en la interfaz entre dicha capa amortiguadora y dicha capa de barrera,
al menos una capa (bio)molecular (104) inmovilizada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103) dentro del camino de la SAW en propagación para la detección de compuestos químicos o (bio)moléculas diana (analitos), y
metalizaciones eléctricas (no mostradas en la figura) acopladas capacitivamente con dichos IDT (100) y con dicha estructura de tipo HEMT (101) y/o estructura de tipo PC-HEMT (102) para la inducción de corrientes de desplazamiento, creando de esta manera contactos no óhmicos de fuente y drenaje, para la conexión de dicho chip sensor a un circuito eléctrico.
Las capas específicas (bio)moleculares (104) permiten, por ejemplo, que se unan o adsorban moléculas de gas, y entonces se detecten. Esta capa (bio)molecular puede incrementar adicionalmente la sensibilidad y selectividad del sensor basado en PC-HEMT. La capa (bio)molecular puede estar constituida en polímeros, moléculas redox activas, tales como ftalocianinas, marcos metaloorgánicos, tales como porfirinas metálicas, por ejemplo, hemina, biomoléculas, por ejemplo, receptores, anticuerpos, ADN, aptámeros o proteínas, moléculas e agua, por ejemplo que forman una capa de vapor de agua, tal como una capa de agua superficial de límite, óxidos, capa semiconductora o capa metálica catalítica. La capa (bio)molecular (104) puede inmovilizarse en una parte de la superficie de la estructura de 2DEG/2DHG o sustancialmente sobre toda la superficie de la zona de 2DEG/2DHG o de tipo PC-HEMT a fin de mejorar adicionalmente la sensibilidad del sensor para la detección de la molécula diana o analito.
En general, la capa específica (bio)química (104) puede ser cualquier recubrimiento que adsorbe compuestos químicos seleccionados presentes en el medio ambiente. A medida que la SAW se propaga por el sustrato piezoeléctrico de un electrodo IDT a otro, la presencia de moléculas adsorbidas sobre el recubrimiento modifica la velocidad y atenuación de la SAW. Pueden utilizarse las mediciones de estos cambios para indicar la identidad y concentración de compuestos químicos específicos en el medio ambiente. Mediante la utilización de recubrimientos con propiedades de adsorción selectivas, pueden desarrollarse sensores que pueden detectar especies (bio)químicas específicas para medios tanto en fase gaseosa como en fase líquida. Típicamente, se utilizan recubrimientos duraderos basados en óxidos que se modifican químicamente para proporcionar las características de adsorción requeridas. Estos recubrimientos pueden adsorber selectivamente especies iónicas en la solución para la utilización en aplicaciones tales como la monitorización de procedimientos de galvanizado o corrientes de residuos para metales tóxicos, tales como cromo, cadmio o plomo.
Los recubrimientos de polímero que adsorben una amplia diversidad de compuestos químicos resultan idóneos para la monitorización de los fuertemente regulados hidrocarburos clorados destructores de la capa de ozono. La medición simultánea de la velocidad y atenuación de las ondas puede utilizarse para identificar compuestos químicos y su concentración. Una de las aplicaciones de los sensores de SAW de una realización es la detección selectiva de organofosfatos, que son una clase común de agente de guerra química. La detección de estos compuestos químicos es realizada por la capa química activa (104) compuesta de películas delgadas de monocapas autoensambladas. La sensibilidad de dichas películas sobre el sustrato piezoeléctrico del sensor dota al sensor de inmunidad frente a la interferencia del vapor de agua y los solventes orgánicos comunes, proporcionando simultáneamente sensibilidad de concentraciones del orden de partes por mil millones de organofosfatos. Como resultado, pueden utilizarse matrices de dichos sensores con recubrimientos apropiados para detectar la producción de armas químicas.
Otra aplicación de los sensores de una realización es la detección química y análisis de compuestos medioambientalmente tóxicos y toxinas, tales como toxinas alimentarias, por ejemplo, aflatoxina, compuestos neurotóxicos, por ejemplo, plomo, metanol, glutamato de manganeso, óxido de nitrix, Botox, toxina tetánica o tetrodotoxina, toxinas de envenenamiento por moluscos, por ejemplo, saxitoxina o microcistina, bisfenol-A, oxibenzona e hidroxianisol butilado. En general, la detección química y análisis de compuestos tóxicos puede estar destinada a determinar el nivel o actividad de dichos compuestos en la muestra de emisión (en la que se incorpora el compuesto tóxico en ruta a la exposición humana, por ejemplo, en efluentes industriales), en el medio de transporte (por ejemplo, aire, aguas residuales, suelo, piel, sangre u orina) y en el punto de exposición humana, por ejemplo, en agua potable. La detección de la muestra de emisión, el medio de transporte y el punto de exposición humana pueden resultar necesarios para un plan integral diseñado para detectar compuestos tóxicos, analizarlos y ejercer un control sobre la emisión de los compuestos tóxicos a fin de conseguir una reducción de los riesgos. Para un analito tóxico dado, los sensores químicos de una realización diferirán en sensibilidad, selectividad u otras características, que pueden resultar necesarias para monitorizar la muestra de emisión, el medio de transporte y la exposición individual. La concentración del compuesto tóxico típicamente es mayor en la muestra de emisión que después de la dispersión en el medio de transporte, y puede variar ampliamente. Las propiedades físicas y químicas del analito y su medio inmediato (vapor transportado por el aire, contenido en un aerosol sólido o líquido, química o fotoquímicamente reactivo y en descomposición en compuestos de diferente toxicidad, radioactivos, iónicos, ácidos o lipofílicos) también influyen sobre el diseño de una configuración adecuada para el sensor de una realización.
Todavía otra aplicación de los sensores de una realización es la detección química de explosivos. En general, puede detectarse un amplio abanico de explosivos con el sensor de una realización. Se hace una distinción entre los explosivos a granel y las trazas de explosivos. En el caso de las trazas de explosivos, el sensor es capaz de detectar vapores de los compuestos químicos explosivos, detectando de esta manera las cantidades traza emitidas por los materiales explosivos directamente al medio o en forma de partículas de materiales explosivos que se han recogido y después vaporizado en el laboratorio dentro del instrumento analítico. El sensor de una realización puede operarse
tanto mediante muestreo directo del aire que contiene los vapores de explosivos traza, como mediante la vaporización de una muestra que ha sido recogida de una superficie contaminada con partículas de explosivo.
Aparte de poder simplemente detectar materiales explosivos, el sensor de una realización es capaz de identificar y cuantificar los explosivos. En general, el sensor que se utiliza como medida de seguridad en aeropuertos presentará otros requisitos diferentes de los requeridos en el campo durante las misiones militares. Por lo tanto, la configuración del sensor puede variar dependiendo de la aplicación particular. Hay diferentes requisitos para la salida obtenida y, debido a los elevados niveles de fondo en entornos militares, el rango dinámico. Además, el sensor militar para la detección y análisis de explosivos debería ser portátil, en comparación con los sensores fijos en laboratorios o aeropuertos. Otra consideración es la diferencia entre detección e identificación. En algunos casos, se utiliza un dispositivo para detectar si se encuentra presente un material explosivo determinado, mientras que, en otros, también resulta necesario determinar qué compuesto explosivo es. Además, puede resultar importante considerar cuántos compuestos diferentes, o grupos de compuestos, debe poder detectar o identificar el dispositivo. Las diferentes configuraciones de sensor descritas posteriormente cumplen los requisitos anteriores para diferentes tipos de sensores.
En lugar de detectar los compuestos explosivos mismos, el sensor de una realización también puede utilizarse para detectar otros materiales que podrían indicar la presencia de un material explosivo. Estos “otros” materiales de hecho son compuestos asociados que tienden a encontrarse presentes en el caso de que se encuentren presentes explosivos, tales como gases de descomposición o incluso marcadores, materiales que han sido añadidos durante la producción del explosivo para facilitar la detección. Una ventaja de este enfoque es que los marcadores y algunos compuestos asociados presentan una presión de vapor más elevada que el compuesto explosivo mismo, y resultan de esta manera más fáciles de detectar. Además de la sensibilidad, también debería considerarse la selectividad del sensor. La selectividad de los sensores de una realización a vapores de los explosivos traza puede incrementarse mediante su utilización en una matriz. Mediante la utilización de los sensores en una matriz resulta posible obtener una señal similar a un sistema olfativo artificial de una nariz al combinar las respuestas de varios sensores para proporcionar una señal de tipo huella digital. En este caso, los métodos de reconocimiento de patrón, tales como gráficos de radar de múltiples ejes, pueden utilizarse para analizar la señal, relacionarla con respuestas conocidas de una base de datos y, de esta manera, identificar el explosivo.
Son ejemplos de los materiales explosivos detectados por el sensor de una realización en medio acuoso, picratos, nitratos, derivados trinitro, tales como 2,4,6-trinitrotolueno (TNT), 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazinano (RDX), N-metil-N-(2,4,6-trinitrofenil)nitramida (nitramina o tetrilo), tetranitrato de pentaeritritol (PETN), trinitroglicerina, ésteres nítricos, derivados de ácidos clóricos y perclóricos, azidas y otros compuestos diversos que pueden producir una explosión, tales como fulminatos, acetiluros y compuestos ricos en nitrógeno, tales como tetraceno, octahidro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocina (HMX), peróxidos (tales como trióxido de triacetona), explosivos plásticos C4 y ozonidas. Además de los explosivos, se han sometido a ensayo 2,4-dinitrotolueno, nitrobenceno y varios otros compuestos orgánicos, al ser compuestos químicos concomitantes de TNT o algunos, contaminantes comunes del agua. La capa biomolecular (104) puede ser, por ejemplo, una capa de los anticuerpos inmovilizados frente a un compuesto explosivo específico. Alternativamente, la capa molecular (104) puede ser un sistema de ftalocianina con sustituyentes 2,2,3,3-tetrafluoropropiloxi o ciclodextrina como materiales sensibles para la detección de diferentes explosivos en medios acuosos, en particular compuestos orgánicos que contienen nitro.
Tal como se ha mencionado anteriormente, puede depositarse una capa biomolecular (104) sensible a una determinada biomolécula diana, tal como un patógeno específico, sobre el sustrato piezoeléctrico dentro del camino de propagación de la SAW. Como resultado, con la unión del patógeno específico, normalmente se observa un cambio de masa y/o un cambio de campo eléctrico y puede detectarse la densidad de las (bio)moléculas diana y correlacionarse adicionalmente con su concentración. En otras palabras, el sensor de una realización actúa como una balanza analítica en miniatura, que pesa los patógenos biológicos que se unen a su superficie. Por ejemplo, pueden capturarse patógenos biológicos muy selectivamente con la capa biomolecular (104) que consiste en moléculas específicas de receptor biológico, tales como anticuerpos, cadenas peptídicas cortas o moléculas de ADN de cadena sencilla, que son capaces de distinguir entre patógenos estrechamente relacionados. De hecho, el sensor de una realización puede considerarse un muelle con un pequeño peso que bota en un extremo. A medida que la (bio)molécula se adhiere al sensor, se incrementa el peso sobre el muelle, que causa que la velocidad de oscilación del muelle se reduzca significativamente. Mediante la medición de la velocidad de oscilación o, equivalentemente, el desplazamiento de la fase de oscilación, puede determinarse cuánto de (bio)molécula se ha capturado.
Una aplicación todavía adicional de los sensores de una realización es un diagnóstico biomolecular que incluye la detección de ADN y proteínas. En ese caso, la capa específica biomolecular (104) permite que las proteínas y moléculas de ADN se unan o se adsorban y entonces se detecten. Esta capa biomolecular incrementa adicionalmente la sensibilidad y selectividad del sensor de una realización. La capa biomolecular puede estar constituida por diversas moléculas de captura, tales como anticuerpos primarios, secundarios o fragmentos de los mismos contra determinadas proteínas que deben detectarse, o sus antígenos correspondientes, enzimas o sus sustratos, secuencias de ADN específicas complementarias del ADN que debe detectarse, aptámeros, proteínas receptoras o polímeros de impresión molecular. La capa biomolecular (104) puede inmovilizarse sobre la superficie de una parte de la estructura de 2DEG/2DHG rebajada o en la superficie completa de la zona de tipo PC-HEMT a fin de mejorar adicionalmente la sensibilidad del sensor para la detección de una proteína o moléculas de ADN específicas.
Las estructuras de IDT (100) reciben la señal RF de aproximadamente 0,5 a 2,5 GHz y muestran el efecto piezoeléctrico creando ondas acústicas por la superficie del resonador. Estas ondas acústicas de superficie se propagan por el sustrato con interferencia constructiva de los IDT tanto de entrada como de salida. Las estructuras de 2DEG/2DHG (101) y estructuras de tipo PCT-HEMT (102) se depositan y se estampan (conectan) de manera que cortocircuitan eléctricamente las cargas eléctricas positivas y negativas en la generación de la SAW y de esta manera cambian o minimizan considerablemente la amplitud de la señal recibida en ambos IDT por el efecto piezoeléctrico directo.
Tanto las estructuras de 2DEG/2DHG (101) como las estructuras de tipo PC-HEMT (102) se introducen en el camino de propagación bidireccional de las SAW. Las SAW se generan mediante una antena de meandros de potencia cero (no mostrada en la presente memoria) conectada con ambos IDT (100). En el caso de que se encuentren presentes moléculas diana (analitos) en la muestra obtenida para el análisis, se adsorberán o adherirán a las capas (bio)moleculares (104), creando de esta manera un determinado efecto de carga de masa, que alteraría la amplitud y fase de las SAW. De esta manera, las SAW que se propagan por esta zona de 2DEG/2DHG se atenúan, cambiando su amplitud y fase como resultado de las interacciones moleculares en la capa (bio)molecular. Este efecto es fuertemente dependiente de las interacciones acústico-eléctricas entre la carga eléctrica de la capa (bio)molecular y el vaciamiento del canal de 2DEG/2DHG. Por lo tanto, sobre la superficie o en las zonas de las estructuras de tipo PC-HEMT (102), el efecto de acumulación de carga conducirá a un cambio significativo de la densidad del canal de 2DEG/2DHG que presenta una combinación única de masa-acumulación de carga. Sin embargo, sobre la superficie o en las zonas de las estructuras de 2DEG/2DHG (no rebajadas) regulares (101), el efecto de masa-acumulación de carga será diferente, lo que posibilita la identificación selectiva de dianas (bio)moleculares o analitos químicos.
De esta manera, lo que convierte al sensor de una realización en un dispositivo sensor particularmente útil y único es la utilización combinada de las SAW y estructuras de tipo PC-HEMT depositadas sobre el mismo sustrato piezoeléctrico.
La fig. 10 muestra otra configuración topográfica de sensor de 2DEG/2DHG-SAW. Se introducen tiras metálicas (106) en el camino de propagación de SAW en ambos lados (posiciones de carga de SAW positiva y negativa), cortocircuitando y atenuando de esta manera la SAW mediante el canal de 2DEG/2DHG pseudoconductor de la estructura de tipo PC-HEMT (102) que presenta contactos (105) con las tiras metálicas (106). La capa (bio)molecular (104) controla la estructura de tipo PC-HEMT (102). Con la adsorción de las moléculas diana procedentes del medio circundante, el efecto de carga de dicha capa específica (puerta) puede causar el vaciamiento del canal de 2DEG/2DHG, reduciendo de esta manera el efecto de atenuación de la SAW en propagación, que se basa en el cortocircuitado eléctrico.
La capa (bio)molecular (104) puede depositarse no sólo en la zona de puerta abierta de la estructura de tipo PC-HEMT (102), sino también sobre el sustrato piezoeléctrico (103) dentro del camino de propagación de la SAW para la información del efecto de carga de masa. La combinación de ambos efectos (acumulación de carga en el canal de 2DEG pseudoconductor y carga de masa en el sustrato piezoeléctrico) puede incrementar drásticamente la selectividad del sensor.
La fig. 11 muestra otra configuración del chip sensor de una realización que es similar a la configuración de la fig. 10, aunque difiere en los elementos atenuantes (y modulantes) de SAW reflectante con una interacción diferente con la SAW y proporcionando un patrón RFID de frecuencias ortogonales codificadas especiales. En esta configuración, puede añadirse una o más capas (bio)moleculares iguales o diferentes, proporcionando una selectividad excelente del sensor.
La fig. 12 muestra esquemáticamente la configuración del chip sensor de una realización que presenta un IDT emisor/receptor (110) en un lado (izquierda en la figura) del sensor parcialmente constituido de la estructura de 2DEG/2DHG pseudoconductora (102). Este IDT híbrido (110) es de hecho un monopolo conectado con el contacto (105) . La capa (bio)molecular (104) muestra una fuerte modulación/acumulación de carga en la estructura de tipo PCT-HEMT (102) y cambia fuertemente el factor Q del resonador de SAW. De esta manera, en combinación con el efecto de carga de masa, dicha configuración puede proporcionar una selectividad elevada.
En una configuración todavía adicional, mostrada esquemáticamente en la fig. 13, la parte de señal de los electrodos IDT (dedos) (101) está eléctricamente conectada con la estructura de tipo PC-HEMT grande (102) mediante los contactos (105). Esto puede causar una atenuación de SAW muy fuerte. Mediante la interacción de acumulación de carga de las capas (bio)moleculares (104), que controlan el canal de 2DEG/2DHG pseudoconductor de la estructura de tipo PC-HEMT (102), el sensor puede volverse muy sensible y muy selectivo.
La configuración del chip sensor mostrada esquemáticamente en la fig. 14 es otra configuración topográfica básica de 2DEG/2DHG-SAW. A la izquierda, la estructura de tipo PC-HEMT con contactos (105) contiene una estructura de 2DEG/2DHG pseudoconductora (2) junto con una parte de 2DEG/2DHG no rebajada (101) para mantener una estabilidad S21 de SAW mínima. En esta configuración, se consigue la sensibilidad máxima con la máxima influencia sobre el parámetro de transferencia S21 mediante la capa (bio)molecular (104) depositada en la zona de puerta de la estructura de 2DEG/2DHG pseudoconductora (102). La capa (bio)molecular (104) también puede depositarse dentro del camino de la SAW para un efecto de carga de masa adicional con el fin de incrementar la selectividad.
La fig. 15 muestra todavía otra configuración del chip sensor de 2DEG-2DHG-SAW de una realización de la presente solicitud. En esta configuración, las partes de la antena meandro para la señal y carga de tierra están separadas protegiendo contra el cortocircuito entre ellas mediante la línea 2DEG parasitaria (111) en la parte superior e inferior del diagrama mostrado. Esta línea está conectada a las zonas de 2DEG/2DHG rebajadas (pseudoconductoras) (102) por las capas (bio)moleculares (104). Durante esta conexión, las líneas de 2DEG/2DHG parasitarias (101) están interrumpidas, permitiendo un gran incremento del parámetro de transferencia S21. La dinámica de conexión representa directamente la dinámica de la amplitud S21 final y se refiere al diagnóstico molecular. La capa (bio)molecular (104) también se encuentra dentro del camino de SAW para un efecto adicional de carga de masa a fin de incrementar la selectividad.
La última configuración topológica de una realización se muestra en la fig. 16. En esta configuración más simple, la zona de 2DEG/2DHG pseudoconductora (102) con contactos (105) puede cubrir enteramente toda la zona de IDT emisor-receptor. Una o más capas (bio)moleculares (104) pueden depositarse dentro del camino de SAW para un efecto adicional de carga de masa con el fin de incrementar la selectividad. A continuación, la carga de una capa (bio)molecular (104) puede vaciar la zona de 2DEG/2DHG pseudoconductora (102), que está situada bajo las superficies metálicas de Shottky, minimizando de esta manera el efecto de cortocircuitado parasitario e incrementando enormemente la influencia sobre el parámetro de transferencia S21.
En todas las configuraciones anteriormente indicadas, el sustrato piezoeléctrico (103) comprende un material adecuado para formar la capa de barrera y está compuesto de, por ejemplo, zafiro, silicio, carburo de silicio, nitruro de galio o nitruro de aluminio. La estructura de heterounión realizada en AlGaN/GaN se deposita sobre dicha capa de sustrato piezoeléctrico, por ejemplo, mediante un método de deposición de vapor químico metaloorgánico (MOCVD, por sus siglas en inglés). Las estructuras de 2DEG/2DHG no rebajadas normalmente conductoras (101) se crean en estrecha proximidad a la interfaz entre la capa amortiguadora de GaN y la capa de barrera de AlGaN. El grosor específico de la capa de barrera de AlGaN en la zona de puerta abierta puede conseguir mediante grabado en seco del material semiconductor de la capa, es decir, la capa rebajada, en la zona de puerta abierta con una tasa de grabado de 1 nm cada 1 -2 min en un procedimiento controlable, o mediante recubrimiento de la capa amortiguadora de AlGaN con una capa ultradelgada adicional del material de AlGaN. Para incrementar la sensibilidad de carga del sensor, la superficie de la capa de AlGaN ultradelgada rebajada puede tratarse posteriormente mediante un procedimiento de grabado epi con plasma (cloro). En consecuencia, se activa la superficie nativamente pasivada mediante el grado con plasma, creando enlaces o estados de energía superficie no compensada (es decir, ionizada), que se neutralizan después del crecimiento mediante MOCVD.
A continuación, la capa de barrera puede rebajarse o recrecerse en forma de una capa delgada para obtener la estructura de 2DEG pseudoconductora rebajada (102) que es en realidad una estructura de tipo PC-HEMT. De esta manera, el canal conductor de 2DEG/2DHG formado en la interfaz entre la capa amortiguadora de GaN y la capa de barrera de AlGaN sirve como elemento sensible principal del sensor, que reacciona a una carga y potencial superficiales. El canal conductor de 2DEG/2DHG puede configurarse para interactuar con variaciones muy pequeñas de carga superficial o proximal, o cambios de campo eléctrico como resultado de que la SAW genera un efecto piezoeléctrico y, de esta manera, interactúa con los estados trampa superficiales de tipo donante de la capa de barrera de AlGaN.
Las figs. 17a-17c muestran esquemáticamente una configuración de sensor de una realización con membranas independientes. En esta configuración, el sustrato piezoeléctrico (103) crece sobre membranas independientes (107). La capa (bio)molecular (104) se inmoviliza sobre la estructura de 2DEG/2DHG pseudoconductora (102) dentro del camino de la SAW entre los dedos IDT (100) para un efecto de carga de masa. La utilización de dicha configuración permite incrementar la selectividad del sensor mediante la adición de tensión mecánica (efecto de carga de masa) de la capa (bio)molecular como parámetro adicional del sensor. Las membranas de tipo columna de sustrato independientes muy flexibles (107) pueden estar hechas del mismo material que la capa de sustrato piezoeléctrico (103) en todas las configuraciones del sensor. En una realización particular, las membranas de sustrato independiente (107) están compuestas de, por ejemplo, zafiro, silicio, carburo de silicio, nitruro de galio o nitruro de aluminio, preferentemente de nitruro de galio (GaN), con un grosor de entre 0,5 y 2 pm. Las membranas de sustrato independientes son muy sensibles a cualesquiera cambios de tensión por tracción/compresiva/mecánica en la capa (bio)química durante la quimiosorción de moléculas de gas o aire en la superficie de la estructura de heterounión multicapa. Lo anterior resulta en un efecto de carga de masa, que se comenta posteriormente.
En general, los sensores mecánicos, al igual que los sensores de presión, están basados en la medición de la deformación inducida externamente en las heteroestructuras. Las propiedades piroeléctricas de los nitruros de grupo III, tales como nitruro de galio (GaN), permiten dos mecanismos de transducción de deformaciones: piezoeléctrica y piezorresistiva. El efecto piezoeléctrico directo se utiliza para la detección dinámica de la presión. Para las mediciones estáticas de la presión, dichos sensores no resultan adecuados debido a fugas de carga eléctrica bajo las condiciones constantes. Para el funcionamiento estático, resulta más preferible la transducción piezorresistiva.
Se han utilizado anteriormente sensores piezorresistivos utilizando materiales de banda ancha utilizando materiales a granel de carburo de silicio hexagonal para el funcionamiento a alta temperatura. La piezorresistividad de las estructuras de GaN y AlGaN es comparable a la del carburo de silicio. Sin embargo, la piezorresistividad puede amplificarse adicionalmente mediante cualquier estructura de HEMT, tal como enseñan Eickhoff et al. (2001) en:
“Piezoresistivity of AlxGal-xN layers and AlxGal-xN/GaN heterostructures”, Journal of Applied Physics, 2001, 90(7), 3383-3386. Para la detección de deformaciones piezorresistivas a presiones (o diferencias de presión) relativamente más bajas, debería utilizarse un diafragma o membranas, donde la presión externa se transfiere en una deformación interna modificada causada por flexión, tal como se muestra en la fig. 17c. El cambio resultante de polarización altera la corriente del canal de 2DEG/2DHG que se mide.
Eickhoff et al. (2001) llevaron a cabo los primeros experimentos con heteroestructuras de AlGaN/GaN en las que el canal de 2DEG se confinaba entre la capa superior de GaN y la capa de barrera de AlGaN y demostraron la dependencia lineal de la resistividad del canal de 2DEG respecto de la deformación aplicada. Además, una comparación directa entre SiC cúbico y una única capa de AlGaN demostró claramente las superiores propiedades piezorresistivas de esta última. A partir de estos resultados, resulta evidente que la interacción entre las propiedades piezoeléctricas y piezorresistivas mejora la sensibilidad de los sensores de presión mediante la utilización de heteroestructuras de GaN/AlGaN confinadas con el canal de 2DEG.
La configuración de sensor mostrada en las figs. 17a-17b implica membranas de GaN independientes sensibles a carga y masa piezoeléctricamente acopladas, que se preparan, por ejemplo, según la patente US n° 8.313.968 y ofrecen una solución elegante y eficaz para conseguir tanto la reducción de escala como una detección-accionamiento de baja potencia totalmente eléctrica integrada. Tal como se ha mencionado anteriormente, GaN muestra propiedades tanto piezoeléctricas como piroeléctricas, que pueden combinarse funcionalmente. Mientras que la piezoelectricidad permite realizar un mecanismo de acoplamiento integrado, el 2DEG/2DHG proporciona adicionalmente una sensibilidad acusada a la deformación mecánica y la carga, lo que permite que el sensor utilice los efectos piroeléctricos. El cambio dinámico en la conductividad de 2DEG/2DHG también está causado por un cambio en la polarización piezoeléctrica.
La fig. 18 muestra las máscaras de diseño fotolitográficas del resonador de SAW a base de 2DEG utilizando la configuración estándar con dos estructuras de IDT simétricas (dedos). Los dedos IDT pueden estar hechos en aleaciones metálicas de Cr10/60Au y presentan una anchura preferible de 200, 300, 400, 500 o 700 nm. Se fabrican en una etapa de haz de electrones en forma de una pila de sistema de resistencia bicapa “lift-off” o una resistencia negativa y haz iónico. El 2DEG/2DHG puede no estar estructurado en ese caso y podría interactuar con el medio circundante. La zona más oscura (601) en la parte intermedia representa una zona independiente (601), donde el sustrato (silicona) se elimina mediante el procedimiento de ataque profundo por iones reactivos (DRIE).
La fig. 19 muestra las imágenes de SEM del resonador de SAW de una realización tal como se muestra en la fig. 18. Este resonador de SAW se fabrica mediante la técnica de lift-off/o formación de patrón con haz iónico. La fig. 20 muestra imágenes de microscopía de estos resonadores de SAW en las membranas de GaN/AlGaN independientes con la zona de 2DEG/2DHG no estructurada con el sustrato de silicio eliminado mediante el procedimiento DRIE. Los IDT de SAW mostrados en la presente memoria presentan diferentes periodos de IDT, comprendidos entre 200 nm y 700 nm y, por lo tanto, reflejan la luz de manera diferente. En general, se utilizan frecuentemente ondas de fuga en estos tipos de sustrato por su coeficiente de acoplamiento electromecánico relativamente elevado, que les permite formar un paso de banda relativamente ancho necesario para transmitir y recibir señales de dispositivo móvil. Por ejemplo, en el presente resonador de SAW con una frecuencia de trabajo de 2 GHz, se calcula la longitud de onda A a partir de A x 2 x 109=4000 m/s, resultando en A=2 pm. Esta longitud de onda calculada debería ser igual a la longitud, doble del paso del electrodo para la excitación y, suponiendo que los espacios entre los electrodos son iguales a la anchura del electrodo, se estima que la anchura del electrodo es de 0,5 pm. Los espacios reales entre los electrodos son de aproximadamente 0,7 pm, tal como se observa en la fig. 19.
La fig. 21 muestra el parámetro de transferencia S21 experimental medido con el sensor de una realización utilizando el analizador de red de vectores a la frecuencia resonante de SAW de 1280 MHz para un dedo IDT que presenta una distancia de 700 nm. Durante las mediciones del parámetro de transferencia S21, el sensor de una realización se expuso a aire adicionalmente humidificado con una HR incrementada de 20% (línea inferior). El parámetro de transferencia S21 mostró un cambio instantáneo de amplitud, frecuencia y fase durante una exposición de 5 segundos de duración a aire humidificado.
La fig. 22 muestra el parámetro de transferencia S21 (línea superior) de la fig. 19 medido con un sensor resonante de SAW basado en 2DEG de una realización, que presentaba una anchura de dedo IDT de 700 nm. Durante las mediciones del parámetro de transferencia S21, el sensor se expuso a aire humidificado (HR 20%) (línea inferior) y después a 10% (vapor de isopropanol, línea amarillo oscuro) y viceversa durante 5 segundos. El sensor mostró claramente una respuesta instantánea con cambios visiblemente grandes de amplitud, frecuencia y fase de S21. T ras la exposición de 5 segundos, el parámetro S21 del sensor mostró una recuperación inmediata (línea negra superior).
La fig. 23 muestra esquemáticamente el principio de diferenciación de la velocidad de los electrones en los diferentes canales de 2DEG/2DHG bajo la interacción con los cambios de SAW y resolución temporal en la densidad electrónica de 2DEG/2DHG. La configuración mostrada en dicha figura realmente ilustra las diferencias de velocidad entre el flujo de electrones en el canal de 2DEG/2DHG pseudoconductor y la propagación de SAW. Los electrones de 2DEG/2DHG dentro del canal de 2DEG/2DHG presentan una velocidad lateral comparado con la velocidad de propagación de SAW. Además, se produce un efecto de atrapamiento (captura) de electrones dentro del efecto de SAW. De hecho, la SAW
captura electrones dentro de cargas piezoeléctricas positivas y negativas en movimiento creadas por la SAW en propagación.
En la configuración anterior (fig. 23), hay varios canales de 2DEG/2DHG entre los IDT y conducen una corriente eléctrica. Estos canales pseudoconductores presentan diferentes capas (bio)moleculares. Dependiendo de la acumulación de carga y parcialmente también de la carga de masa, la velocidad de los electrones en los diferentes canales de 2DEG/2DHG será diferente, causando las diferencias de tiempo en el transporte de cargas asistido por SAW. De esta manera, dependiendo del nivel de vaciamiento del canal de 2DEG/2DHG como resultado de las interacciones (bio)moleculares de las moléculas diana (o analito) con la capa (bio)molecular en el medio circundante, cada canal de 2DEG/2DHG pseudoconductor puede presentar una velocidad diferente de los electrones, que resultará reconocida y detectada por la SAW que se propaga por la capa (bio)molecular.
Además, en el caso de que se excite con luz UV-VIS, el efecto de transporte de carga del sensor puede incrementarse drásticamente, dando como resultado una selectividad incrementada. De hecho, la luz potencia este efecto incrementando muchas veces la cantidad de estados de trampa superficial, tal como se ha explicado anteriormente.
La fig. 24 muestra esquemáticamente un dispositivo sensor de una realización, para la detección química y el diagnóstico (bio)molecular, con visualización remota, que comprende los componentes siguientes:
• chip sensor de SAW (120) de la aplicación con una capa (bio)molecular (129) inmovilizada sobre su superficie dentro del camino de la SAW en propagación y conectado mediante contactos (123) a un circuito eléctrico (122), • uno o dos antenas fractales de potencia cero de entrada-salida de SAW-RFID (130), cada una conectada con dichos contactos (123) mediante el circuito eléctrico (122) para la recepción o transmisión de una señal,
• una separación de salida-entrada mediante transductor de línea de retardo de SAW (118),
• un circuito integrado (112) para almacenar y procesar dicha señal, y para modular y demodular una señal de radiofrecuencia (RF), en el que dicho circuito comprende:
a) una fuente de tensión (114) que suministra una corriente eléctrica a dicho chip sensor de SAW (120) y a dicha una o dos antenas (130),
b) un amplificado integrado o de corriente CMOS (115) para la amplificación de una corriente eléctrica obtenida de dicho chip sensor de SAW (120),
c) un conversor analógico-digital (ADC) con módulos de entrada/salida inalámbrica (116) conectados a dicho amplificador de corriente (115) para la salida inalámbrica de la señal convertida a una interfaz de usuario o memoria externa,
d) una unidad de microcontrolador (UMC) (113) para procesar y convertir la señal recibida en datos legibles en dicha interfaz de usuario o memoria externa, y
e) un módulo de conexión inalámbrica (117) para la conexión inalámbrica de dicho sensor a dicha interfaz de usuario o memoria externa.
La fuente de tensión (114) puede ser cualquier batería adecuada y disponible comercialmente del tipo ion de Li, cualquier colector de energía con conversores AC-DC o DC-DC o elemento fotovoltaico. La tarjeta ADC (116) es cualquier tarjeta registradora de datos de conversor analógico-digital adecuado que puede adquirirse, por ejemplo, de National Instruments® o LabJack®. El amplificador de corriente (115) está conectado en línea y puede ser cualquier amplificador de femtoamperios disponible comercialmente, por ejemplo, SRS® SR570, DLPVA-100-F-S, un amplificador de corriente FEMTO® DDPCA-300 o Texas Instruments® INA826EVM. Opcionalmente, puede operarse un amplificador de corriente directamente con corriente que fluye mediante el canal de 2DEG/2DHG de las estructuras de 2DEG/2DHG en el amplificador con una resistencia de entrada pequeña, de 1 MQ a una ganancia superior a 104 y de sólo 1 Q a ganancias inferiores a 200. Esta configuración puede amplificar directamente la modulación de la corriente eléctrica en el canal de 2DEG que se origina a partir de cargas externas al cuerpo. Todos los componentes de visualización están alimentados por batería para evitar corrientes parasitarias de bucle de tierra.
En una realización específica, el módulo de conexión inalámbrica (117) puede ser de Bluetooth® de alcance corto o NFC que proporcione comunicación inalámbrica entre el dispositivo vestible o “gadget” y un teléfono inteligente hasta 20 m. En el caso de que este módulo sea de Wi-Fi, la conexión puede establecerse con una red de hasta 200 nm, mientras que el GSM permite la comunicación a escala mundial en la nube. La memoria externa puede ser un dispositivo móvil (tal como un teléfono inteligente), ordenador de sobremesa, servidor, almacenamiento remoto, almacenamiento en internet o nube de diagnóstico (bio)molecular.
Tal como se muestra en la presente solicitud, los sensores de la presente solicitud se utilizan para la detección química y diagnóstico (bio)molecular. En algunas realizaciones, los sensores de la presente solicitud pueden utilizarse para una solución portátil de largo tiempo de funcionamiento dentro de un diagnóstico remoto basado en la nube. El sensor portátil de una realización debería presentar un consumo de energía muy pequeño, ahorrando en vida de batería, para un uso prolongado. En este caso, los contactos altamente resistivos no óhmicos que conectan el sensor con un circuito eléctrico resultan preferibles. Los contactos no óhmicos realmente limitan la corriente eléctrica que fluye por el canal
de 2DEG/2DHG al presentar una resistencia eléctrica 3 a 4 veces más elevada que la resistencia del canal de 2DEG/2DHG, reduciendo de esta manera el consumo de energía eléctrica sin sacrificar la sensibilidad y funcionalidad del sensor. De esta manera, la utilización de contactos no óhmicos en algunas realizaciones del sensor de la presente solicitud es una solución de hardware que permite minimizar el consumo de energía del dispositivo. En otra realización, puede minimizarse el consumo de energía del dispositivo utilizando un algoritmo de software que gestiona el tiempo de grabación necesario del sensor y un modo de ahorro de batería, que limita los datos de fondo y conmuta a la conexión inalámbrica únicamente cuando resulta necesaria.
Alternativamente, el sensor de una realización puede estar basado en un transductor de cristal electroóptico (CEO) piezoeléctrico combinado con la estructura de tipo PC-HEMT (estructura a base de 2DEG/2DHG rebajado) para el diagnóstico (bio)molecular. El sensor basado en el sustrato piezoeléctrico CEO muestra el acoplamiento más elevado entre energía eléctrica y mecánica, en comparación con todas las demás variedades de sustrato. Adicionalmente, dicho sustrato también presenta las ventajas de presentar un elevado coeficiente de cambio de velocidad y un coeficiente muy elevado de acoplamiento electromecánico, K2, que rinde una mayor sensibilidad de masa en comparación con el mismo dispositivo de SAW habitual ene cualesquiera otros sustratos piezoeléctricos. El CEO puede ser cualquier material cristalino electroóptico adecuado, tal como LiNbO3 , que se pone en contacto físico con un único punto en el cuerpo del usuario. A continuación, el CEO se ilumina con una luz polarizada.
En el caso del material cristalino de LiNbO3 , la longitud de onda de la luz polarizada es de aproximadamente 400 a 600 nm. La luz modulada procedente de la fuente de luz ilumina el CEO, y después incide sobre la estructura basada en 2DEG/2DHG. La estructura basada en 2DEG/2DHG es ultrasensible a la luz incidente, creando los pares p-n en la capa de barrera de AlGaN y, en consecuencia, afectando fuertemente a la conductividad de 2DEG/2DHG. En general, la radiación de la estructura basada en 2DEG/2DHG con luz conmuta el canal de 2DEG/2DHG de acumulación a un estado pseudoconductor o de vaciamiento. Por lo tanto, mediante el contacto con un cuerpo, el CEO es capaz de modificar su absorbancia de luz, afectando fuertemente al flujo de corriente eléctrica en el canal de 2DEG/2DHG, resolviendo de esta manera cualesquiera cambios mínimos de intensidad de luz procedentes del CEO transductor. Dependiendo de la longitud de onda de la luz de excitación, puede cambiarse la posición del sensor respecto del haz de luz incidente. Por ejemplo, en el caso de la luz IR (700 a 1500 nm), el sensor debería situarse perpendicularmente al haz de luz para conseguir la máxima sensibilidad. La carga parasitaria del CEO se compensa mediante los electrodos unidos al cristal. Además, puede utilizarse una variedad de filtros de luz delante del sensor.
En todavía otra realización, la fig. 25 muestra esquemáticamente un dispositivo sensor optoelectrónico de una realización, para la detección química y el diagnóstico (bio)molecular, con una visualización remota que comprende los componentes siguientes:
• el chip sensor de SAW (120) de las realizaciones con una capa (bio)molecular (129) inmovilizada sobre su superficie dentro del camino de la SAW en propagación y conectado a un circuito eléctrico,
• una fuente de luz modulada (125), tal como un diodo emisor de luz-dispositivo montado en superficie (LED-SMD) o diodo láser de UV-VIS-IR, para irradiar la superficie de capa de barrera de AlGaN de la estructura de 2DEG/2DHG pseudoconductora (126) sobre el chip sensor,
• conmutadores optoacopladores (124) para acoplar dicha fuente de luz modulada (125) con dicha estructura de 2DEG/2DHG pseudoconductora (125) sobre el chip sensor,
• una fuente de tensión (104) conectada con dicho circuito eléctrico para suministra corriente eléctrica a dicho chip sensor de SAW (120),
• un amplificador de bloqueo (119) conectado con dicha fuente de tensión (104) para la amplificación de una señal con una onda portadora conocida obtenida de dicho chip sensor de SAW e incrementando la relación de señal a ruido, y
• un conversor analógico-digital (CAD) con una tarjeta de entrada/salida digital integrada (106) conectada con dicho amplificador de bloqueo (119) para dar salida de la señal convertida a una interfaz de usuario o memoria externa.
De esta manera, la utilización de la configuración de CEO-SAW hace posible incrementar drásticamente la sensibilidad del sensor a una carga eléctrica, para descargar el CEO mediante el transporte de carga basado en la SAW a lo largo de la superficie del cristal, modulando eficientemente la luz polarizada procedente de la fuente de luz y controlando el efecto de línea de retardo de la SAW con la señal de velocidad de fase. Los conmutadores optoacopladores (124) son capaces de acoplar la estructura basada en 2DEG/2DHG pseudoconductora (126) con el CEO-SAW de manera que las señales de accionamiento de SAW iniciales en los electrodos IDT emisores (izquierda) estén sincronizadas con la fuente de luz modulada (125) y con la Vds en la estructura basada en 2DEG/2DHG pseudoconductora. Una señal en los electrodos IDT receptores (derecha) se acopla de retorno con la Vds mediante el optoacoplador (125), que se lleva a entrar en resonancia con las señales iniciales y con la modulación de la fuente de luz (125). Debido a la conexión galvánica física del CEO-SAW con el punto único del cuerpo mediante electrodos con patrón espacial, el CEO cambia sus propiedades de absorción y de modulación de la luz. Esto afecta fuertemente al modo resonante de las cinco fuentes de señal iniciales (Vds, IDT emisor, fuente de luz, IDT receptor y fuente de luz de SAW modulada). De esta manera, debido a la interacción basada en la fuente de luz, el sistema resonante se vuelve muy estable y también muy sensible a los cambios externos.
En algunas realizaciones, un método para la detección química y diagnóstico (bio)molecular comprende las etapas siguientes:
1) someter una muestra que debe someterse a ensayo al dispositivo sensor de las realizaciones,
2) registrar las señales recibidas de la muestra en forma de una dinámica de parámetro de transferencia S21 del dispositivo durante el tiempo (definido como dinámica de transferencia de S21) con dicho dispositivo,
3) transmitir las señales registradas de dicho dispositivo a una memoria externa para el procesamiento ulterior, y
4) convertir las señales transmitidas en señales digitales y procesar las señales digitales en la memoria externa, correlacionando dicha dinámica de transferencia de S21 con formas de onda de S21 químicas o (bio)moleculares precalibradas que están almacenadas en la memoria externa, y extraer la información química o (bio)molecular de dichas formas de onda en una forma de datos legibles, detectando y/o identificando de esta manera el compuesto químico o biológico particular (analito) en la muestra y/o midiendo su concentración.
En resumen, lo que convierte al sensor de las presentes realizaciones en un dispositivo sensor particularmente útil y único es la combinación de las SAW y estructuras de tipo PC-HEMT en el mismo sustrato piezoeléctrico. Las estructuras de 2DEG/2DHG no rebajadas (10) y las estructuras de tipo PC-HEMT (102) se encuentran ambas en el camino de propagación bidireccional de SAW. La SAW se genera mediante la antena meandro de potencia cero conectada con los IDT (100). Las (bio)moléculas adsorbidas sobre las capas (bio)moleculares (104) crean el efecto de carga de m asa, alterando de esta manera la amplitud y fase de la SAW en propagación. De esta manera, la SAW que se propaga por la zona de 2DEG/2DHG se atenúa, cambiando su amplitud y fase como consecuencia de las interacciones moleculares de las dianas (bio)químicas o analitos adsorbidos en la capa (bio)molecular. Este efecto es fuertemente dependiente de las interacciones acústico-eléctricas entre la carga eléctrica de la capa (bio)molecular y el estado de agotamiento del canal de 2DEG/2DHG. Por lo tanto, sobre la superficie o en las zonas de las estructuras de tipo PC-HEMT (102), el efecto de acumulación de carga conducirá a un cambio muy fuerte de densidad de 2DEG/2DHG, presentando una combinación única de masa-acumulación de carga. Sin embargo, sobre la superficie o en las zonas de las estructuras de 2DEG/2DHG normales (no rebajadas o no rebajadas hasta el grosor de 5 a 9 nm) (101), el efecto de masa-acumulación de carga será diferente, permitiendo la identificación selectiva de dianas químicas y biológicas (compuestos, analitos) y la detección de diferencias de masa minúsculas.
Referencias
S. D. Burnham, K. Boutros, P. Hashimoto, C. Butler, D. W. S. Wong, M. Hu y M. Micovic, "Gate-recessed normally-off GaN-on-Si HEMT using a new O.sub.2-BCl.sub.3 digital etching technique", Phys. Status Solidi C, vol. 7, n° 7-8, páginas 2010-2012, 2010.
C. Y. Chang, S. J. Pearton, C. F. Lo, F. Ren, I. I. Kravchenko, A. M. Dabiran, A. M. Wowchak, B. Cui y P. P. Chow, "Development of enhancement mode AlN/GaN high electron mobility transistors", Appl. Phys. Lett., vol. 94, n° 26, página 263505, 2009.
H. Chen, M. Wang y K. J. Chen, "Self-aligned enhancement-mode AlGaN/GaN HEMTs using 25 keV fluorine ion implantation", in Device Research Conference (DRC), 2010, páginas 137-138.
M. Eickhoff, O. Ambacher, "Piezoresistivity of Al.sub.xGa.sub.1-xN layers and Al.sub.xGa.sub.1-xN/GaN heterostructures", Journal of Applied Physics 90, 3383 (2001).
Claims (15)
1. Chip sensor de identificación de radiofrecuencias (RFID) de onda acústica de superficie (SAW), que comprende:
(a) un sustrato piezoeléctrico (103), en el que dicho sustrato comprende:
una capa piezoeléctrica, y
una estructura de heterounión multicapa realizada en capas semiconductoras monocristalinas o policristalinas de grupo III-V, depositadas sobre dicha capa piezoeléctrica y que comprende al menos una capa amortiguadora y al menos una capa de barrera, en el que dichas capas se encuentran apiladas alternadamente,
(b) al menos un par de transductores interdigitados metálicos (IDT) (100) montados en dicho sustrato piezoeléctrico (103), para la recepción de una señal de entrada de radiofrecuencia (RF), la transducción de dicha señal de entrada a una onda acústica de superficie (SAW), la propagación de dicha onda acústica de superficie por una superficie de dicho sustrato piezoeléctrico (103) y la transducción de dicha onda acústica de superficie propagada a una señal RF de salida,
(c) al menos una estructura bidimensional de gas de electrones (2DEG) o de gas de huecos (2DHG) de vaciamiento o de acumulación (101) depositada sobre dicho sustrato piezoeléctrico para la formación de un canal conductor de 2DEG o 2DHG de vaciamiento o de acumulación en dicha estructura de heterounión multicapa en la interfaz entre dicha capa amortiguadora y dicha capa de barrera,
(d) por lo menos una estructura de gas bidimensional de electrones (2DEG) o de gas de huecos ( 2DHG) pseudoconductora (102) depositada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103) para la formación de un canal de 2DEG o 2DHG pseudoconductor en dicha estructura de heterounión en la interfaz entre dicha capa amortiguadora y dicha capa de barrera,
(e) por lo menos una capa (bio)molecular (104) inmovilizada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103) dentro del camino de la SAW en propagación y capaz de unión o adsorción de compuestos químicos diana (analitos) o (bio)moléculas del medio, y
(f) metalizaciones eléctricas acopladas capacitivamente con dichos IDT (100), a dichas estructuras de 2DEG o 2DHG de vaciamiento o de acumulación (101) y con dichas estructuras de 2DEG o 2DHG pseudoconductoras (102) para la inducción de corrientes de desplazamiento, creando de esta manera contactos no óhmicos de fuente y drenaje, para la conexión de dicho chip sensor con un circuito eléctrico,
en el que:
(i) dichos materiales semiconductores monocristalinos o policristalinos de grupo III-V son GaN/AlGaN, y
(ii) dicha estructura de 2DEG o 2DHG pseudoconductora (102) es una estructura semiconductora formada sobre dicho sustrato piezoeléctrico (103) mediante rebajado o recrecimiento de una capa superior de dicha estructura de heterounión multicapa hasta un grosor de 5 a 9 nm con una rugosidad superficial de la capa superior rebajada o recrecida de 0,2 nm o inferior, formando de esta manera el canal de 2DEG o 2DHG pseudoconductor capaz de conducir corriente eléctrica en el rango de corriente entre los modos de funcionamiento de vaciamiento y de acumulación del canal, en el que:
(a) dicha estructura contiene una capa amortiguadora de GaN en el fondo y una capa de barrera de AlGaN en la parte superior, dichas capas presentan polaridad de cara de N, formando de esta manera un canal conductor de gas bidimensional de huecos (2DHG) en la capa amortiguadora de GaN, próxima a la interfaz con dicha capa de barrera de AlGaN, presentando dicha capa de barrera de AlGaN (i) un grosor de 5 a 9 nanómetros (nm), correspondiente al rango de corriente pseudoconductor entre el modo de funcionamiento de vaciamiento y el modo de acumulación del canal de 2DEG formado, y (ii) rugosidad superficial de 0,2 nm o inferior, o
(b) dicha estructura es de tipo sándwich que contiene una capa amortiguadora de GaN en la parte superior, una capa amortiguadora de GaN en el fondo y una capa de barrera de AlGaN entre ellas, dichas capas presentan polaridad de cara de N, formando de esta manera un canal conductor de gas bidimensional de electrones (2DEG) en la capa de GaN superior, próxima a la interfaz con dicha capa de barrera de AlGaN, en la que dicha capa amortiguadora de GaN superior presenta (i) un grosor de 5 a 9 nanómetros (nm) correspondiente al rango de corriente pseudoconductor entre el modo de funcionamiento de vaciamiento y de acumulación del canal de 2DEG formado, y (ii) rugosidad superficial de 0,2 nm o inferior, o
(c) dicha estructura es de tipo sándwich que contiene una capa amortiguadora de GaN en la parte superior, una capa amortiguadora de GaN en el fondo y una capa de barrera de AlGaN entre ellas, en la que dichas capas presentan polaridad de cara de Ga, formando de esta manera un canal conductor de gas bidimensional de huecos (2DHG) en la capa superior de GaN, próxima a la interfaz con dicha capa de barrera de AlGaN, en el que dicha capa amortiguadora superior de GaN presenta (i) un grosor de 5 a 9 nanómetros (nm), que corresponde al rango de corriente pseudoconductor entre el modo de funcionamiento de vaciamiento y de acumulación del canal de 2DHG formado, y (ii) rugosidad superficial de 0,2 nm o inferior.
2. El chip sensor RFID de SAW según la reivindicación 1, en donde el grosor de la capa superior de dicha estructura de heterounión multicapa es de 6 a 7 nm, preferiblemente de 6,2 a 6,4 nm.
3. El chip sensor RFID de SAW según la reivindicación 1 o 2, en donde dicha capa superior de dicha estructura de heterounión multicapa presenta una rugosidad superficial de 0,1 nm o inferior, preferiblemente de 0,05 nm o inferior.
4. El chip sensor RFID de SAW según la reivindicación 1, en donde dichos IDT metálicos (100) son capaces de recibir la señal RF de 0,5 a 2,5 GHz y mostrar el efecto piezoeléctrico mediante la generación de ondas acústicas sobre la superficie de dicho sustrato piezoeléctrico (103).
5. El chip sensor RFID de SAW según la reivindicación 1, que comprende además por lo menos una capa (bio)molecular (104) inmovilizada dentro de la zona de puerta abierta de dichas estructuras de 2DEG o 2DHG pseudoconductoras (102) y capaz de unión o adsorción de compuestos químicos diana (analitos) o (bio)moléculas del medio.
6. El chip sensor RFID de SAW según la reivindicación 1 o 5, en donde dicha capa (bio)molecular (104) es una ciclodextrina, ftalocianina sustituida con 2,2,3,3-tetrafluoropropiloxi o sus derivados, o dicha capa (bio)molecular (104) comprende la captura de moléculas biológicas, tales como anticuerpos primarios o secundarios, o fragmentos de los mismos, contra determinadas proteínas que se detectarán, o sus antígenos correspondientes, enzimas o sus sustratos, péptidos cortos, secuencias de ADN específicas, que son complementarias al ADN que se detectará, aptámeros, proteínas receptoras o polímeros impresos molecularmente.
7. El chip sensor RFID de SAW según la reivindicación 1, en donde dicho sustrato piezoeléctrico (103) se deposita sobre una membrana independiente (107).
8. El chip sensor RFID de SAW según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende además una fuente de luz de excitación para radiar dicho sustrato piezoeléctrico (103), induciendo de esta manera una corriente eléctrica en dicho canal de 2DEG o 2DHG.
9. El chip sensor RFID de SAW según la reivindicación 8, en donde dicha fuente de luz de excitación es un diodo emisor de luz-dispositivo montado en superficie (LED-SMD) o diodo láser de UV-VIS-IR.
10. Un dispositivo sensor, con una visualización remota, para la detección química y diagnóstico (bio)molecular, que comprende:
el chip sensor RFID de SAW según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, insertado en un marco de dispositivo sensor y conectado a un circuito eléctrico (122),
al menos una antena fractal de RFID-SAW de salida-entrada (130) conectada a dicho circuito eléctrico (122), para la recepción o transmisión de una señal,
una separación de salida-entrada mediante transductor de SAW de línea de retardo (118), y
un circuito integrado remoto (112) para el almacenamiento y procesamiento de dicha señal, y para la modulación y demodulación de una señal de radiofrecuencia (RF), en donde dicho circuito integrado remoto (112) comprende:
a) una fuente de tensión (114) para suministrar corriente eléctrica a dicho sensor RFID de SAW y a dicha antena o antenas fractales de RFID-SAW de salida-entrada (130),
b) un amplificador de corriente integrado o CMOS (115) para la amplificación de una corriente eléctrica obtenida de dicho chip sensor de RFID SAW,
c) un conversor analógico-digital con módulos inalámbricos de entrada/salida (116) conectado a dicho amplificador de corriente (115) para dar salida inalámbrica a la señal convertida a una interfaz de usuario o memoria externa,
d) una unidad de microcontrolador (UMC) (113) para el procesamiento y conversión de la señal recibida en datos legibles en dicha interfaz de usuario o memoria externa, y
e) un módulo de conexión inalámbrica (117) para la conexión inalámbrica de dicho dispositivo sensor a dicha interfaz de usuario o memoria externa.
11. Un dispositivo sensor, con una visualización remota, para la detección química y diagnóstico (bio)molecular, que comprende:
el chip sensor de RFID SAW según la reivindicación 8 o 9, insertado en un marco de dispositivo sensor y conectado a un circuito eléctrico,
una fuente de luz modulada (125) para radiar la superficie de las estructuras de 2DEG o 2DHG pseudoconductoras (126) de dicho chip sensor de RFID SAW,
conmutadores optoacopladores (124) para el acoplamiento de dicha fuente de luz modulada (125) con dichas estructuras de 2DEG o 2DHG pseudoconductoras (126) del chip sensor de RFID SAW,
una fuente de tensión (104) conectada a dicho circuito eléctrico para suministrar corriente eléctrica a dicho chip sensor de RFID SAW,
un amplificador de bloqueo (119) conectado a dicha fuente de tensión (104) para la amplificación de una señal con una onda portadora conocida que se ha obtenido de dicho chip sensor de RFID SAW y para incrementar la relación de señal a ruido, y
un conversor analógico-digital (CAD) con tarjeta de entrada/salida digital integrada (106) conectada a dicho amplificador de bloqueo (119) para la visualización de la señal convertida en una interfaz de usuario o memoria externa.
12. El dispositivo sensor según la reivindicación 10 o 11, en donde (i) dicha memoria externa es un dispositivo móvil, ordenador de sobremesa, servidor, almacenamiento remoto, almacenamiento en internet o nube de diagnóstico de material, o (ii) dicha fuente de tensión es una batería de tipo de ion de Li o recolector de energía con conversores AC-DC o DC-DC.
13. El dispositivo sensor según la reivindicación 10, en donde dicho módulo de conexión inalámbrica es un módulo Bluetooth® de rango corto o módulo NFC que proporciona comunicación inalámbrica entre dicho dispositivo sensor y la interfaz de usuario, dispositivo móvil u ordenador de sobremesa, o un módulo de Wi-Fi que proporciona comunicación inalámbrica entre dicho dispositivo sensor y la interfaz de usuario, un dispositivo móvil, ordenador de sobremesa o servidor, o un módulo GSM que proporciona una comunicación inalámbrica a escala mundial entre dicho dispositivo sensor y un servidor, almacenamiento remoto, almacenamiento en internet o nube de diagnóstico químico/(bio)molecular.
14. Un método para la detección química y el diagnóstico (bio)molecular, que comprende:
1) someter una muestra que se analizará al dispositivo sensor según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13,
2) registrar las señales recibidas de la muestra en forma de dinámica del parámetro de transferencia S21 del dispositivo sensor durante el tiempo con dicho dispositivo sensor,
3) transmitir las señales registradas procedentes de dicho dispositivo sensor a una memoria externa para el procesamiento ulterior, y
4) convertir las señales transmitidas en señales digitales, procesar las señales digitales en la memoria externa, correlacionar dicha dinámica de transferencia de S21 con formas de onda de transferencia de S21 químicas o (bio)moleculares precalibradas en la memoria externa, y extraer la información química o (bio)molecular a partir de dichas formas de onda en una forma de datos legibles, detectando y/o identificando de esta manera un compuesto químico o biológico particular (diana, analito) en la muestra y midiendo su concentración.
15. El método según la reivindicación 14, en donde (i) dicha muestra se encuentra en una fase gaseosa o en una fase líquida, o (ii) dicho compuesto químico es un metal tóxico, tal como cromo, cadmio o plomo, o un hidrocarburo clorado destructor de ozono regulado, o una toxina alimentaria, tal como aflatoxina, o toxina de envenenamiento por moluscos, tal como saxitoxina o microcistina, o un compuesto neurotóxico, tal como metanol, glutamato de manganeso, óxido de nitrix, Botox, toxina tetánica o tetrodotoxina, oxibenzona, bisfenol-A, o hidroxianisol butilado, o un explosivo o compuesto asociado, tal como un gas de descomposición o marcador, tal como picratos, nitratos, derivados trinitro, tales como 2,4,6-trinitrotolueno (TNT), 1,3,5-trinitro-1,3,5-triazinano (RDX), trinitroglicerina, N-metil-N-(2,4,6-ttrinitrofenil)nitramida (nitramina o tetrilo), tetranitrato de pentaeritritol (PETN), ésteres nítricos, azidas, derivados de ácidos clóricos y perclóricos, fulminatos, acetiluros y compuestos ricos en nitrógeno, tales como tetraceno, octahidro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocina (HMX), peróxidos, tales como trióxido de triacetona, explosivos plásticos C4 y ozonidas, o (iii) dicho compuesto biológico es un patógeno biológico, tal como un patógeno respiratorio vírico o bacteriano, un patógeno aéreo, un patógeno vegetal, un patógeno procedente de animales infectados o un patógeno vírico humano.
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018063305A1 (en) * | 2016-09-30 | 2018-04-05 | Intel Corporation | Film bulk acoustic resonator (fbar) rf filter having epitaxial layers |
| US11699749B2 (en) * | 2018-07-12 | 2023-07-11 | Namlab Ggmbh | Heterostructure of an electronic circuit having a semiconductor device |
| US11309450B2 (en) | 2018-12-20 | 2022-04-19 | Analog Devices, Inc. | Hybrid semiconductor photodetector assembly |
| US11302835B2 (en) | 2019-01-08 | 2022-04-12 | Analog Devices, Inc. | Semiconductor photodetector assembly |
| WO2021021723A1 (en) | 2019-07-31 | 2021-02-04 | QXONIX Inc. | Acoustic device structures, devices and systems |
| TWI749369B (zh) * | 2019-09-12 | 2021-12-11 | 黃知澍 | N-face III族/氮化物磊晶結構及其主動元件與其閘極保護元件 |
| CN111323458A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-06-23 | 中国科学技术大学 | 一种基于hemt气体传感器的气体检测装置和方法 |
| CN111570208B (zh) * | 2020-05-11 | 2021-08-06 | 浙江大学 | 表面波时频调控的局域化异质形复合材料制备装置及方法 |
| BR102020010345A2 (pt) * | 2020-05-22 | 2021-12-07 | Fundação Universidade Federal De São Carlos | Leitor e sensor de microrganismos baseados em alterações de propriedades eletromagnéticas de etiqueta rfid |
| US11898987B2 (en) * | 2020-09-10 | 2024-02-13 | Raytheon Company | SAW-based hydrogel testing for detecting viruses or other antigens |
| CN112366228B (zh) * | 2020-10-26 | 2024-02-20 | 苏州科技大学 | 一种自激励电阻计时器及其制备方法 |
| IT202100000293A1 (it) * | 2021-01-08 | 2022-07-08 | St Microelectronics Srl | Dispositivo e metodo di rilevamento di una variazione di ambiente operativo per un apparecchio elettronico |
| CN112881485B (zh) * | 2021-01-14 | 2021-12-17 | 西安电子科技大学 | 一种用于检测次氯酸根的GaN传感器及检测方法 |
| CN112668209B (zh) * | 2021-01-29 | 2024-02-02 | 沈阳理工大学 | 一种基于电荷传递模型的聚吡咯执行器力学仿真方法 |
| US20240165604A1 (en) * | 2021-03-19 | 2024-05-23 | Kyocera Corporation | Measurement system, analysis program and measurement method |
| US11874189B2 (en) * | 2021-07-02 | 2024-01-16 | Applied Materials, Inc. | MEMS resonator sensor substrate for plasma, temperature, stress, or deposition sensing |
| CN113663646A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-11-19 | 中国计量大学 | 一种宽谱特异性抗体修饰的磁性金属有机骨架材料的制备方法与应用 |
| US12062529B2 (en) * | 2021-08-05 | 2024-08-13 | Applied Materials, Inc. | Microwave resonator array for plasma diagnostics |
| US12003045B2 (en) | 2021-10-20 | 2024-06-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Wireless interconnect for high rate data transfer |
| CN118243761B (zh) * | 2024-05-28 | 2024-07-30 | 星云基因科技有限公司 | 一种利用生物传感器进行生物信息识别的方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006295126A (ja) * | 2005-03-15 | 2006-10-26 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Ｉｉｉ族窒化物半導体素子およびエピタキシャル基板 |
| US20070139165A1 (en) * | 2005-12-19 | 2007-06-21 | Honeywell International, Inc. | Acoustic wave device used as RFID and as sensor |
| US8313968B2 (en) | 2007-08-21 | 2012-11-20 | Amal Elgawadi | Fabrication of GaN and III-nitride alloys freestanding epilayers membranes using a nonbonding laser |
| US8222041B2 (en) * | 2008-05-09 | 2012-07-17 | University Of Florida Research Foundation, Inc. | Oxygen and carbon dioxide sensing |
| EP2799852A1 (en) * | 2013-04-29 | 2014-11-05 | Stichting IMEC Nederland | 2DEG-based sensor and device for ECG sensing |
| CN105322005B (zh) * | 2015-04-17 | 2018-07-06 | 苏州捷芯威半导体有限公司 | 一种半导体器件及其制作方法 |
| CN105424780B (zh) * | 2015-11-26 | 2018-06-22 | 深圳代尔夫特电子科技有限公司 | 一种氮化镓传感器、制备方法和多传感器系统 |
| US10305443B2 (en) * | 2016-01-22 | 2019-05-28 | Qorvo Us, Inc. | Mixed domain guided wave devices utilizing embedded electrodes |
-
2017
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| WO2017153909A1 (en) | Microelectronic sensor for air quality monitoring | |
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| Nb et al. | List of Acronyms |