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

摘要

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

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

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⁺−OH₂⁺）和去质子化（−OH

方案

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，....

结果

图2A展示了刻蚀过程中测得的电流（I_DS0）变化。I_DS0在刻蚀开始后约800秒时几乎保持恒定。随着进一步刻蚀，I_DS0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.......

讨论

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.......

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-EM	7321
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., Ltd	12×24 期 5 号	用于玻璃基底
微量移液器	Eppendorf SE	3123000055
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 Quintel	PhL 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	Keysight	B1500A	软件版本：rev 5 和 6
半导体器件参数分析仪 源测量单元	Keysight	B1517A	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