方法文章

基于溶液门控氧化铟锡一体化晶体管的制备及其在高灵敏生物传感中的应用

DOI：

10.3791/68755

⸱

2025年8月29日

 , 
1Department of Materials Engineering, School of Engineering, The University of Tokyo

本文内容

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本方案描述了一种基于氧化铟锡（ITO）的一体式离子敏感场效应晶体管（ISFET）的制备方法，该器件可通过简短且简单的工艺（约半天时间）构建为溶液门控场效应晶体管传感器（例如pH传感器）。这种一体式ITO-ISFET也可应用于生物传感。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本报告介绍了一种简单且快速制备基于溶液门控一体化氧化铟锡（ITO）的离子敏感场效应晶体管（ISFET）（ITO-ISFET）用于生物传感的方法。尽管ITO是一种导电氧化物，但在耗尽层厚度约为20 nm或更小时，其表现出半导体特性，因此适合作为对pH敏感的溶液门控ISFET的沟道材料。具体而言，通过酸性溶液刻蚀导电ITO单层薄膜的中部区域，使其变为超薄结构，即可制备出具有半导体沟道的一体化ITO-ISFET。源极、漏极电极与沟道完全集成，无任何界面。随后将ITO沟道表面浸入含有参比电极的样品溶液中，使其发挥溶液门控ISFET的功能。因此，该一体化ITO-ISFET仅需通过溅射沉积结合光刻技术进行刻蚀即可简单快速地制备完成，且样品溶液可直接作为门电极，操作便捷。

引言

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提出了一种溶液门控离子敏感场效应晶体管（ISFET），用于检测生物环境中的离子1。在该器件中，电解质溶液在溶液与栅极绝缘层界面处诱导产生界面电势，取代了金属-氧化物-半导体（MOS）晶体管中的金属栅极，尽管在溶液中仍需使用参比电极。栅极绝缘层主要由氧化物或氮化物膜组成，例如 Ta2O5、Al2O3、SiO2 和 Si3N4；因此，溶液中氧化物或氮化物表面的羟基会通过质子化（−OH + H+化学平衡方程式，可逆反应符号（⇌），用于教学的示意图。−OH2+）和去质子化（−OH 化学平衡方程式，可逆反应符号（⇌），用于教学的示意图。−O- + H+）与氢离子达到平衡状态，因为根据场效应原理，pH 值的变化可通过表面电荷的变化来检测2,3（补充图 1）。正因如此，原始的 ISFET 传感器至今仍被用作 pH 传感器。这类 ISFET 传感器大多采用硅基底，但近年来已有多种半导体材料被应用于 pH 敏感型 ISFET 传感器，这些材料要求与电解质溶液接触的栅极绝缘层或沟道表面被羟基、羧基和氨基等功能基团所覆盖4,5,6,7,8,9。

这种溶液门控的ISFET通过在栅极绝缘层或沟道表面修饰具有生物或化学活性的受体，已被应用于便携式生物传感器，可集成于某些电子设备中10,11,12。这种与生物系统耦合的栅极（或沟道）场效应晶体管，通常称为生物场效应晶体管（bio-FET），必须能够通过检测体液中生物分子或离子所带电荷，实现定量且选择性的生物传感。此外，近年来已采用多种低维材料以提高bio-FET的灵敏度，例如MoS2、WSe213,14、石墨烯15,16以及硅纳米线17,18。然而，由于低维bio-FET通常需要为沟道、源/漏电极和栅极绝缘膜分别使用不同的材料，其结构和制备工艺的复杂性限制了此类器件的广泛应用。

我们之前的研究表明，一块完整的氧化铟锡（ITO）薄膜可作为一种类似二维（2D）的生物场效应晶体管（bio-FET），其原理在于：ITO作为一种导电氧化物，当其厚度减小至约20 nm时会转变为半导体性质19,20,21,22。通过酸性溶液蚀刻导电ITO单层薄膜的中部区域，使其变为超薄结构，从而制备出具有半导体沟道的一体化ITO器件，实现了源极、漏极电极与沟道的完全集成，且无任何界面存在21,22。随后，将ITO沟道表面浸入含有参比电极的样品溶液中，实现功能化，形成溶液门控ITO-ISFET。与传统的溶液门控硅基ISFET相比（补充图1B），这种溶液门控的一体化ITO-ISFET表现出更陡峭的亚阈值斜率（SS），这主要归因于ITO沟道表面与样品溶液的直接接触。这意味着，在ITO沟道/溶液界面处较大的双电层电容是决定SS的主要因素19,20,21,22。此外，溶液门控的一体化ITO-ISFET的pH响应性符合化学热力学关系（即能斯特方程）4,19,21。ITO沟道表面与水溶液接触时，自然形成羟基基团，这些基团可根据溶液pH值与带正电荷的氢离子维持平衡状态，这一行为与其他氧化物或氮化物膜类似2,3。进一步地，通过对溶液门控的一体化ITO-ISFET进行功能化修饰，已成功实现对病毒和DNA分子等生物分子的检测20,22。

本文介绍了一种简单且快速制备用于生物传感的溶液门控一体化ITO-ISFET的方法。具体而言，该制备过程仅需使用简单的光刻和刻蚀工艺，随后在ITO沟道表面加入电解质溶液并配合参比电极使用；即待测样品溶液充当溶液门电极。因此，这种溶液门控一体化ITO-ISFET可通过仅需半天时间的制备工艺获得，并可用作pH传感器。

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方案

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本研究中使用的试剂和设备列于材料表中。

1. 一体式ITO-ISFET的制备（ 图1A）

  1. OFPR-800 的图案化
    1. 清洗玻璃基底（12 mm × 24 通过超声处理，在丙酮、甲醇和水中各清洗5分钟，使基底达到微米级清洁（mm）。然后用氮气吹干基底，并在热板上于110 °C加热超过5分钟，以彻底干燥基底。
    2. 以500 rpm转速在玻璃基底上旋涂OFPR-800层5秒，再以3000 rpm转速旋涂30秒。检查涂层的均匀性。
    3. 在热板上将基底于 110 °C 预烘 5 分钟，然后将基底冷却至室温。
    4. 将光刻掩模膜置于基底的光刻胶涂层一侧，并用胶带固定（补充图 2A).
    5. 在光刻机中用紫外光（200 W）照射基底40秒。
      注意：曝光时间取决于所用设备，并基于光刻胶所需的剂量。
    6. 从光刻机中取出基底，并移除光掩模。
    7. 使用 NMD-3 显影液显影 1 分钟，确保光刻胶形成清晰的图形。随后将基底浸入水中清洗。
    8. 通过吹入 N₂ 干燥基底2 气体。然后，在热板上于 110 °C 下对基底后烘烤 5 分钟。
  2. ITO的沉积
    1. 用胶带将基底固定在基底托架上，并将其放入溅射设备的真空腔室中。
    2. 将溅射腔室抽真空至低于 10-3 Pa.
    3. 沉积 ITO（氧化铟锡）2O3 90 wt% 和 SnO2 通过射频溅射在无加热条件下以4 nm/min的速率在Ar气（0.2 Pa）中沉积厚度约为100 nm的10 wt%薄膜。
  3. SU-8 图案化图1B)
    1. 在丙酮、甲醇和水中依次超声剥离光刻胶，每种溶剂各5分钟。确保基底上无任何氧化铟锡（ITO）微小碎片残留。若污染较严重，先用洁净擦拭布擦拭，再重新进行超声清洗。
    2. 用氮气吹扫底物2 气体吹风机。然后将基底置于加热板上，在110 °C下烘烤，以彻底干燥基底。
    3. 以500 rpm转速旋涂玻璃基底5秒，再以6000 rpm转速旋涂30秒，使用SU-8 3005材料。检查涂层均匀性。
    4. 在热板上将基底于95 °C预烘5分钟，随后将基底冷却至室温。
    5. 将光掩模薄膜置于涂有光刻胶的基底上，并用胶带固定（补充图 2B).
    6. 将基底暴露于紫外光（200 W）下照射7秒。随后，将基底从光刻机中取出，并移除光掩模。
    7. 在65 °C下后烘基底2分钟，然后在95 °C下后烘5分钟。
    8. 在强搅拌条件下，将光刻胶置于SU-8显影液中显影3分钟。随后，将基底在2-丙醇中清洗1分钟。确保光刻胶完全显影。
    9. 通过吹入 N₂ 干燥基底2 气体
  4. 通过刻蚀形成半导体 ITO 通道（图1C)
    1. 配制 0.1 M 盐酸（HCl）。
    2. 如图所示，连接源极和漏极电极 图1B，连接至半导体参数分析仪。
    3. 选择 经典测试 选项卡，然后选择 I/V-t 采样.
    4. 设置采样间隔为 0.5 s。
    5. 在源极和漏极电极之间施加 1 V 的电压，并测定初始电流（我DS0).
    6. 在暴露的ITO通道区域上滴加一滴制备好的HCl溶液（30 µL），确保液滴完全覆盖通道区域。
    7. 通过监测源极和漏极电极之间的电流来监测电导率的变化。继续蚀刻直至电流降至初始值的10% 初始 我DS0.
    8. 立即用去离子水冲洗ITO通道，以在蚀刻电流比达到10%时迅速终止蚀刻反应。 初始 我DS0 通过控制ITO沟道厚度（约10–20 nm）来实现。该器件被视为一体式晶体管，源极、沟道和漏极电极之间无界面。
    9. 轻轻吹入 N2 使用氮气干燥一体化晶体管2 气体吹风机
    10. 将装置存放在真空干燥器中，直至进行测量。

一体化 ITO-ISFET 的电学测量

  1. 电学测量系统的搭建
    1. 将一体化晶体管的源极和漏极电极连接到半导体参数分析仪 通过 测试夹具
    2. 在 ITO 通道表面周围放置一个硅胶 O 形圈，作为盛放样品的储液池。
    3. 小心地将30 µL磷酸盐缓冲液（PB，pH 7.41）或其他标准pH缓冲液（pH值分别为4.01、6.86、7.41和9.18）加入硅胶O形环中，确保溶液与ITO通道表面直接接触。该溶液作为门控电解质。
    4. 将一根Ag/AgCl参比电极插入饱和KCl溶液中，该溶液通过盐桥与栅极电解质相连。
    5. 将Ag/AgCl参比电极连接到半导体参数分析仪，后者作为栅极电极使用。
    6. 打开 B1500A 并启动 EasyEXPART 软件，然后打开 工作区.
  2. 我DS- VGS 转移特性
    1. 选择 经典测试 选项卡，然后选择 电流/电压扫描.
    2. 将源电极连接到地线。
    3. 设置参数以施加恒定的漏极电压（VDS1 V 的电压。
      注意：每个电极的电位应保持在 -1 V 至 1 V 之间，以避免水的电解。
    4. 设置栅极电压的扫描范围（VGS从 -0.8 V 扫描至 +0.8 V，扫描速率约为 50 mV/s。
      注意：可通过设置扫频速率来控制 "步骤数量" 至141和 "延迟" 至10毫秒，以及 "模数转换器" 在PLC模式下转换为高分辨率ADC（因子：2）。
    5. 将迭代次数设置为10个循环，并使用最后一个循环获得的数据进行分析。同时，测量源极与栅极电极之间的漏电流（我GS获得。
    6. 开始测量。
      注意：所有测量数据将自动保存在 "结果" 表。
  3. 我DS- VDS 转移特性
    1. 选择 CMOS 分类在 的 应用测试 标签，然后选择 Id-Vd 模式
    2. 设置 VGS 以 0.1 V 为间隔，从 0 V 逐步变化至 0.8 V。
    3. 设置 VDS 每个 VGS 以 0.01 V 为间隔，从 0 V 扫描至 1 V。
    4. 开始测量。
  4. 后续步骤
    1. 取下 O 型圈，并用去离子水冲洗通道表面。然后，用氮气吹干一体化 ITO 装置2 气体
    2. 将设备存放在真空干燥器中。

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结果

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图2A展示了刻蚀过程中测得的电流（IDS0）变化。IDS0在刻蚀开始后约800秒时几乎保持恒定。随着进一步刻蚀，IDS0开始迅速下降。这表明ITO薄膜的厚度减小，已接近ITO薄膜中耗尽层的厚度19；因此，作为载流子的电子开始受到表面电势在沟道中的影响，导致电导率下降。

蚀刻时间被控制以获得 我DS0 约为初始值的3%至90% 我DS0；即通过控制减小速率来改变ITO通道的厚度 我DS0所有器件的晶体管特性均在室温下的磷酸盐缓冲液（PB）中进行测量。其中，例如通过调控制备的溶液门控一体化ITO-ISFET， 我DS0 初始值的10% 我DS0，即使用白光干涉仪测量...

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讨论

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

根据上述方案，ITO-ISFET一体化器件可通过一个简短且简单的工艺（约半天时间）制备成溶液门控场效应管传感器（例如pH传感器）。当ITO的耗尽层厚度约为20 nm或更小时，表现出半导体特性，因此适合作为对pH敏感的溶液门控ISFET的沟道材料。

通过使用酸性溶液蚀刻导电氧化铟锡（ITO）单层薄膜的中部，使其变为超薄结构，可制备出具有半导体沟道的一体式ITO-ISFET，其中源极、漏极电极与沟道完全集成，无任何界面。随后将ITO沟道表面浸入含有参比电极的样品溶液中，使其能够作为溶液门控ISFET工作。

然而，刻蚀时间无法精确固定，因为它可能受到初始厚度、刻蚀剂流速以及ITO薄膜结晶度等微小差异因素的影响。因此，控制刻蚀电流下降速率被认为是确定半导体沟道合适刻蚀时间的最有效方法。

所制备的一体化ITO-ISFET在源极、沟道和漏极电极之间不存在界面，而这些界面可能会影响传感器性能。当样品溶液（如生物流体）与参比电极结合时，可在晶体管结构中充当栅极电极。ITO沟道/溶液界面处...

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披露

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

作者声明无任何利益冲突。

致谢

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究由 MERIT、WINGS 项目以及东京大学资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1 M HCl富士胶片和光纯药株式会社083-01095
2-丙醇富士胶片和光纯药株式会社166-04831
丙酮富士胶片和光纯药株式会社019-00353
银线Nilaco 公司AG-401385
琼脂富士胶片和光纯药株式会社010-15815
缓冲溶液标准品（磷酸盐 pH 标准等摩尔溶液）pH6.86（25 摄氏度）富士胶片和光纯药株式会社025-03195
缓冲液标准品（邻苯二甲酸盐pH标准溶液）pH 4.01（25摄氏度）富士胶片和光纯药株式会社028-03185
缓冲溶液标准品（四硼酸盐 pH 标准溶液）pH 9.18（25 摄氏度）FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.028-03205
碳导电胶带Nisshin-EM7321
电化学分析仪BAS 仪器618 E
薄膜掩模UnnoGiken Co., Ltd.定制
加热板As One Corp.ND-1
甲醇富士胶片和光纯药株式会社137-01823
微型盖玻片Matsunami Glass Ind., Ltd12×24 期 5 号用于玻璃基底
微量移液器Eppendorf SE3123000055
NMD-3东京应化工业株式会社NMD-3
OFPR-800东京应化工业株式会社OFPR-800
磷酸盐pH标准溶液富士胶片和光纯药株式会社166-17445
光刻机Neutronix QuintelPhL Q-2001CT
氯化钾富士胶片和光纯药株式会社163-03545
半导体器件参数分析仪KeysightB1500A软件版本：rev 5 和 6
半导体器件参数分析仪 源测量单元KeysightB1517A源极、漏极和栅极  
半导体器件参数分析仪测试夹具是德科技B1500A 选件 A5F
硅胶O型圈MasuokaTokyo有限公司P-5
旋涂仪MIKASA 公司MS-A100
溅射仪ULVAC 公司定制的
SU-8 3005日本化药株式会社SU8-3005
SU-8 显影液日本化药株式会社SU-8 显影液
超声波清洗机SND Co., Ltd.US-102
白光干涉仪KEYENCE 公司VK-X3000

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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