تصنيع ترانزستور من قطعة واحدة قائم على أكسيد الإنديوم والقصدير بمحلول يتيح الاستشعار الحيوي الحساس

يتمثل نطاق هذا البحث في إظهار طريقة بسيطة وسريعة لتصنيع ترانزستور من قطعة واحدة بوابات محلول لاستشعار الأس الهيدروجيني والاستشعار الحيوي شديد الحساسية. لزيادة حساسية الكشف عن أجهزة الاستشعار الحيوية FET ذات المحلول ، تم استخدام تقنيات التصغير وتقليل أبعاد المواد. لقد وجدنا أنه يمكن تصنيع FET ببوابات المحلول بسهولة عن طريق حفر جزء من الأغشية الرقيقة ITO الموصلة بسماكة تظهر شبه الموصلية ، مما يوفر تقنية كل ITO.

باستخدام هذه الطريقة ، يمكن تصنيع FET بوابات المحلول بسهولة أكبر من البروتوكولات الأخرى ، ويظهر الجهاز المصنع منحدرا حادا للعتبة الفرعية ، والذي يرتبط بالحساسية. توفر الطريقة المقترحة تقنية الكل بواسطة ITO ، مما يؤدي إلى استشعار الأس الهيدروجيني والاستشعار الحيوي عالي الحساسية ، لأن المصدر وأقطاب التصريف والقناة متكاملة تماما دون أي واجهات. للبدء ، اغسل الركيزة الزجاجية عن طريق صوتنة الأسيتون والميثانول والماء لمدة خمس دقائق لكل منهما.

باستخدام منفاخ غاز النيتروجين ، جفف الركيزة جيدا واخبزها على طبق ساخن على حرارة 110 درجة مئوية لأكثر من خمس دقائق للتأكد من جفافها تماما. قم بتغطية الركيزة الزجاجية المجففة بطبقة OFPR-800 عند 500 دورة في الدقيقة لمدة خمس ثوان ، متبوعة ب 3,000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. تخبز الركيزة المطلية مسبقا على طبق ساخن على حرارة 110 درجة مئوية لمدة خمس دقائق.

اترك الركيزة لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة قبل المتابعة. ضع فيلم القناع الضوئي على الجانب المطلي بمقاومة الضوء من الركيزة واستخدم شريطا لتثبيته بإحكام في مكانه. ثم قم بتعريض الركيزة للأشعة فوق البنفسجية باستخدام آلة الطباعة الحجرية الضوئية لمدة 40 ثانية.

الآن ، أخرج الركيزة من آلة الطباعة الحجرية الضوئية وقم بإزالة القناع الضوئي بعناية من السطح. لتطوير مقاومة الضوء ، اغمر الركيزة في مطور NMD-3 لمدة دقيقة واحدة وتحقق من تكوين نمط حاد. ثم اغمس الركيزة في الماء لغسل المطور.

بعد تجفيف الركيزة المغسولة عن طريق نفخ غاز النيتروجين ، اخبزها على طبق ساخن على حرارة 110 درجة مئوية لمدة خمس دقائق. لبدء الترسيب ، قم بتثبيت الركيزة على حامل الركيزة باستخدام الشريط وأدخلها في غرفة التفريغ لآلة الاخرق. قم بضخ ضغط غرفة الاخرق إلى أقل من 10 إلى قوة 3 باسكال.

ثم قم بإيداع طبقة بسمك 100 نانومتر من أكسيد القصدير الإنديوم عبر الاخرق بالترددات الراديوية بمعدل أربعة نانومتر في الدقيقة تحت الأرجون دون تسخين الركيزة. لرفع مقاومة الضوء ، قم بصوتنة الركيزة في الأسيتون والميثانول ثم الماء لمدة خمس دقائق. ثم جفف الركيزة باستخدام منفاخ غاز النيتروجين ، واخبزها على طبق ساخن على حرارة 110 درجة مئوية حتى تجف تماما.

لتغطية الركيزة النظيفة ب SU-8 3005 ، قم بالدوران بسرعة 500 دورة في الدقيقة لمدة خمس ثوان ، متبوعا ب 6،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. اخبز الركيزة المطلية ب SU-8 مسبقا على لوح ساخن على 95 درجة مئوية لمدة خمس دقائق. ثم ضع فيلم القناع الضوئي على الركيزة المطلية بمقاومة الضوء وقم بتثبيته بشريط لاصق لمنع أي حركة أثناء التعرض.

قم بتعريض الركيزة المطلية ب SU-8 للأشعة فوق البنفسجية لمدة سبع ثوان باستخدام آلة الطباعة الحجرية الضوئية. ثم قم بإزالة الركيزة من الجهاز وافصل القناع الضوئي بعناية. بعد خبز الركيزة المكشوفة أولا على حرارة 65 درجة مئوية لمدة دقيقتين ، ثم على 95 درجة مئوية ، واستمر في الخبز لمدة خمس دقائق.

اغمر الركيزة في مطور SU-8 لمدة ثلاث دقائق تحت التحريض القوي لتطوير مقاومة الضوء. اشطف الركيزة في 2-بروبانول لمدة دقيقة واحدة ، وجفف الركيزة المطورة باستخدام منفاخ غاز النيتروجين. لبدء تكوين قناة أكسيد القصدير شبه الموصلة ، قم بإعداد محلول حمض الهيدروكلوريك 0.1 مولار.

ثم قم بتوصيل أقطاب المصدر والتصريف بمحلل معلمات أشباه الموصلات. قم بتشغيل جهاز B1500A ، وابدأ تشغيل برنامج EasyEXPERT. ثم افتح واجهة مساحة العمل لبدء الإعداد.

على واجهة المحلل، حدد علامة التبويب الاختبار الكلاسيكية، ثم اختر خيار أخذ عينات IVT. اضبط الفاصل الزمني لأخذ العينات على 0.5 ثانية. قم بتطبيق جهد فولت واحد بين أقطاب المصدر والتصريف ، وسجل التيار الأولي.

باستخدام الماصة الدقيقة ، ضع قطرة 30 ميكرولتر من محلول حمض الهيدروكلوريك المحضر مباشرة على منطقة قناة أكسيد القصدير الإنديوم المكشوفة. راقب التيار بين أقطاب المصدر والتصريف باستمرار ، ولاحظ تغير الموصلية أثناء النقش. تابع العملية حتى ينخفض التيار إلى 10٪ من القيمة الأولية.

ثم اشطف على الفور قناة أكسيد القصدير الإنديوم المحفورة بالماء منزوع الأيونات لإيقاف النقش بمجرد وصول التيار إلى 10٪ من التيار الأولي. جفف الترانزستور المكون من قطعة واحدة عن طريق نفخ غاز النيتروجين برفق فوق الركيزة المغسولة باستخدام منفاخ غاز النيتروجين. باستخدام تركيبات الاختبار ، قم بتوصيل أقطاب المصدر والتصريف الخاصة بالترانزستور المكون من قطعة واحدة بمحلل معلمات أشباه الموصلات.

ضع حلقة سيليكون O حول سطح قناة أكسيد القصدير الإنديوم لتشكيل بئر سائل. أضف 30 ميكرولتر من الفوسفات المؤقت أو أي محلول عازل قياسي آخر للأس الهيدروجيني إلى حلقة السيليكون O جيدا أثناء التلامس الكامل مع سطح قناة أكسيد القصدير الإنديوم. ثم أدخل قطبا مرجعيا لكلوريد الفضة أو الفضة في محلول كلوريد البوتاسيوم المشبع ، والذي يتم توصيله بإلكتروليت البوابة بواسطة جسر ملحي.

قم بتوصيل القطب المرجعي لكلوريد الفضة أو الفضة بمحلل معلمات أشباه الموصلات ، بحيث يعمل كقطب كهربائي للبوابة. في محلل معلمات أشباه الموصلات، حدد علامة التبويب اختبار كلاسيكي، ثم اختر وضع مسح الإدخال/المرشد. قم بتوصيل القطب المصدر بالأرض لإنشاء جهد مرجعي.

اضبط جهد التصريف المطبق على قيمة ثابتة تبلغ فولت واحد. اضبط نطاق المسح لجهد البوابة من 0.8 فولت ناقص إلى زائد 0.8 فولت واضبط التأخير ووقت التكامل والفاصل الزمني للقياس. ثم اضبط عدد التكرارات على 10 دورات واستخدم البيانات من الدورة النهائية للتحليل.

في الوقت نفسه ، تأكد من تسجيل تيار التسرب بين أقطاب المصدر والبوابة وابدأ القياس. في محلل معلمات أشباه الموصلات، حدد فئة CMOS في علامة التبويب اختبار التطبيق، ثم اختر وضع Id-Vd. اضبط جهد البوابة على الزيادة بالتتابع من صفر فولت إلى 0.8 فولت على فترات 0.1 فولت.

لكل قيمة جهد بوابة ، اضبط جهد التصريف للاكتساح من صفر فولت إلى فولت واحد على فترات 0.01 فولت وابدأ القياس. الآن ، قم بإزالة حلقة السيليكون O من حول سطح القناة. ثم اشطف منطقة القناة جيدا بالماء منزوع الأيونات.

جفف جهاز أكسيد القصدير الإنديوم المكون من قطعة واحدة باستخدام منفاخ غاز النيتروجين. أظهر ترانزستور تأثير المجال الحساس لأيونات أكسيد القصدير الإنديوم منحدرا حادا للعتبة الفرعية يبلغ حوالي 81 مللي فولت في العقد ، مما يشير إلى سلوك التبديل المثالي عند 25 درجة مئوية. ظل تيار تسرب البوابة أقل بأربع أوامر من حيث الحجم من تيار التصريف ، حتى عندما تتعرض القناة مباشرة لمحلول المنحل بالكهرباء.

زاد تيار التصريف مع جهد التصريف وأظهر سلوك التشبع عند كل جهد بوابة ، مما يؤكد خصائص الترانزستور ذات التأثير الميداني الجيد. تجاوزت نسبة التشغيل / الإيقاف الحالية 10،000 لسماكة القناة التي تقل عن 20 نانومتر ، لكنها انخفضت بشكل كبير عند سمك أكبر. استجاب ترانزستور تأثير المجال الحساس لأيونات أكسيد القصدير الإنديوم المكون من قطعة واحدة خطيا لتغيرات الأس الهيدروجيني ، مما أظهر تحولا في الجهد يبلغ حوالي 51 مللي فولت لكل وحدة درجة حموضة.

زادت حساسية الأس الهيدروجيني قليلا بعد خمسة أيام من التخزين الرطب ، واقتربت من الحد المثالي للنرنستيان ، وتم الاحتفاظ بها حتى بعد 16 يوما.