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

本研究的目的是展示一种简单且快速的方法，用于制备可用于pH检测和高灵敏度生物检测的溶液门控一体化晶体管。为了提高溶液门控场效应晶体管生物传感器的检测灵敏度，已采用材料微型化和低维化技术。我们发现，通过简单地将部分导电性氧化铟锡（ITO）薄膜刻蚀至呈现半导体特性的厚度，即可轻松制备溶液门控场效应晶体管，从而实现完全基于ITO材料的技术方案。

采用该方法，溶液门控场效应晶体管的制备比其他方案更为简便，且所制备的器件表现出陡峭的亚阈值斜率，这与灵敏度相关。该方法实现了全透明氧化铟锡（ITO）技术，适用于pH传感和高灵敏度生物传感，因为源极、漏极电极与沟道完全集成，无任何界面存在。首先，将玻璃基底分别在丙酮、甲醇和水中超声清洗各五分钟。

使用氮气吹扫装置彻底干燥基底，并在加热板上以110摄氏度烘烤超过五分钟，以确保其完全干燥。将干燥的玻璃基底进行旋涂，先以500 RPM转速旋涂OFPR-800材料5秒，随后以3,000 RPM转速旋涂30秒。将涂覆后的基底置于加热板上，于110摄氏度预烘5分钟。

继续操作前，让基底冷却至室温。将光刻掩模膜放置在涂有光刻胶的基底一侧，并用胶带将其牢固固定。然后使用光刻机对基底进行40秒的紫外光曝光。

现在，将基底从光刻机中取出，并小心地从表面移除光掩模。为了显影光刻胶，将基底浸入 NMD-3 显影液中一分钟，并确认是否形成清晰的图案。然后将基底浸入水中，以冲洗掉显影液。

用氮气吹干清洗后的基底后，将其置于加热板上，在 110 摄氏度下烘烤 5 分钟。开始沉积前，用胶带将基底固定在样品台支架上，并将其放入溅射设备的真空腔室中。将溅射腔室的压强抽至低于 10⁻³ 帕斯卡。

然后在无衬底加热的条件下，以每分钟4纳米的速率，在氩气环境中通过射频溅射沉积一层100纳米厚的氧化铟锡薄膜。为去除光刻胶，将衬底依次在丙酮、甲醇和水中各超声处理5分钟。随后使用氮气吹干衬底，并在热板上于110摄氏度烘烤至完全干燥。

使用SU-8 3005对洁净基底进行旋涂时，先以500 RPM转速旋转5秒，随后以6,000 RPM转速旋转30秒。将涂有SU-8的基底置于设定为95°C的热板上预烘5分钟。然后将光掩膜片放置在涂有光刻胶的基底上，并用胶带固定，以防止曝光过程中发生移动。

使用光刻机将涂有SU-8的基底暴露于紫外光下照射7秒。随后将基底从机器中取出，并小心剥离光掩模。将曝光后的基底先在65°C下后烘2分钟，然后在95°C下继续烘烤5分钟。

将基底浸入SU-8显影液中，在强烈搅拌条件下显影三分钟。随后将基底在2-丙醇中冲洗一分钟，并使用氮气吹干显影后的基底。为开始形成半导体氧化铟锡沟道，配制0.1摩尔的盐酸溶液。

然后将源极和漏极电极连接到半导体参数分析仪。打开 B1500A 设备，并启动 EasyEXPERT 软件。接着打开工作区界面以开始设置。

在分析仪界面上，选择经典测试选项卡，然后选择IVT采样选项。将采样间隔设置为0.5秒。在源极和漏极电极之间施加1伏电压，并记录初始电流。

使用微量移液器，将30微升已配制的盐酸溶液直接滴加到暴露的氧化铟锡通道区域。持续监测源极与漏极电极之间的电流，并观察刻蚀过程中的电导率变化。待电流降至初始值的10%时，停止操作。

当电流降至初始电流的10%时，立即用去离子水冲洗蚀刻后的氧化铟锡通道，以终止蚀刻过程。使用氮气吹扫装置，将氮气轻轻吹过冲洗后的基底，使单片晶体管干燥。使用测试夹具，将单片晶体管的源极和漏极电极连接到半导体参数分析仪。

在氧化铟锡通道表面放置一个硅胶O型圈，以形成液体储液池。将30微升磷酸盐缓冲液或其它标准pH缓冲溶液加入硅胶O型圈形成的储液池中，确保与氧化铟锡通道表面充分接触。然后将银或氯化银参比电极插入饱和氯化钾溶液中，并通过盐桥与栅极电解质相连。

将银或氯化银参比电极连接到半导体参数分析仪，使其作为栅极电极使用。在半导体参数分析仪上，选择“经典测试”选项卡，然后选择I/V扫描模式。将源极电极接地，以建立参考电位。

将施加的漏极电压设定为恒定的1伏特。设置栅极电压的扫描范围从负0.8伏特到正0.8伏特，并调节延迟时间、积分时间和测量间隔。然后将循环次数设为10个周期，分析时采用最后一个周期的数据。

同时，确保记录源极与栅极电极之间的漏电流，并开始测量。在半导体参数分析仪上，选择“应用测试”选项卡中的 CMOS 类别，然后选择 Id-Vd 模式。将栅极电压设置为从 0 伏特开始，以 0.1 伏特为间隔逐步增加至 0.8 伏特。

对于每个栅极电压值，将漏极电压设置为从0伏特开始，以0.01伏特为间隔扫描至1伏特，并开始测量。随后，将通道表面周围的硅胶O型圈移除，再用去离子水彻底冲洗通道区域。

使用氮气吹扫枪干燥一体化的氧化铟锡器件。该氧化铟锡离子敏感场效应晶体管在25摄氏度下表现出约81毫伏/十倍频的陡峭亚阈值斜率，表明其具有接近理想的开关特性。即使在沟道直接暴露于电解液溶液的情况下，栅极漏电流仍比漏极电流低四个数量级。

漏极电流随漏极电压的增加而增大，并在每个栅极电压下均表现出饱和特性，证实了良好的场效应晶体管性能。当沟道厚度小于20纳米时，开关电流比超过10,000，但在更大厚度下急剧下降。一体式氧化铟锡离子敏感场效应晶体管对pH值变化呈现线性响应，每pH单位的电压漂移约为51毫伏。

经过五天的湿法保存后，pH敏感性略有提高，接近理想的能斯特响应极限，并且在16天后仍保持稳定。