Herstellung eines lösungsgesteuerten einteiligen Transistors auf Indium-Zinnoxid-Basis, der eine empfindliche Biosensorik ermöglicht

Ziel dieser Forschung ist es, ein einfaches und schnelles Verfahren zur Herstellung eines lösungsgesteuerten einteiligen Transistors für die pH-Messung und die hochempfindliche Biosensorik zu demonstrieren. Um die Detektionsempfindlichkeit von lösungsgesteuerten FET-Biosensoren zu erhöhen, wurden die Technologien der Miniaturisierung und der geringeren Dimensionierung des Materials verwendet. Wir haben festgestellt, dass ein lösungsgesteuerter FET leicht hergestellt werden kann, indem einfach ein Teil der leitfähigen ITO-Dünnschicht auf eine Dicke geätzt wird, die eine Halbleitfähigkeit aufweist, was eine All-by-ITO-Technologie bietet.

Mit dieser Methode kann ein lösungsgesteuerter FET leichter hergestellt werden als mit anderen Protokollen, und das hergestellte Gerät zeigt eine steile unterschwellige Steigung, die mit der Empfindlichkeit zusammenhängt. Die vorgeschlagene Methode bietet eine All-by-ITO-Technologie, die führend in der pH-Messung und hochempfindlichen Biosensorik ist, da die Quelle, die Drain-Elektroden und der Kanal vollständig und ohne Schnittstellen integriert sind. Waschen Sie zunächst das Glassubstrat, indem Sie es jeweils fünf Minuten lang mit Aceton, Methanol und Wasser beschallen.

Trocknen Sie das Substrat mit einem Stickstoffgebläse gründlich ab und backen Sie es auf einer heißen Platte bei 110 Grad Celsius länger als fünf Minuten, damit es vollständig trocken ist. Das getrocknete Glassubstrat wird fünf Sekunden lang mit einer OFPR-800-Schicht bei 500 U/min geschleudert, gefolgt von 3.000 U/min für 30 Sekunden. Das beschichtete Substrat auf einer heißen Platte bei 110 Grad Celsius fünf Minuten vorbacken.

Lassen Sie das Substrat auf Raumtemperatur abkühlen, bevor Sie fortfahren. Positionieren Sie die Fotomaskenfolie auf der mit Fotolack beschichteten Seite des Substrats und befestigen Sie sie mit Klebeband. Setzen Sie dann das Substrat mit einem Fotolithografiegerät 40 Sekunden lang ultraviolettem Licht aus.

Nehmen Sie nun das Substrat aus dem Fotolithografiegerät und entfernen Sie vorsichtig die Fotomaske von der Oberfläche. Um den Fotolack zu entwickeln, tauchen Sie das Substrat eine Minute lang in den NMD-3-Entwickler und überprüfen Sie, ob ein scharfes Muster gebildet wird. Tauchen Sie dann das Substrat in Wasser, um den Entwickler abzuwaschen.

Nachdem Sie das gewaschene Substrat durch Einblasen von Stickstoffgas getrocknet haben, backen Sie es auf einer heißen Platte bei 110 Grad Celsius fünf Minuten lang. Um mit der Abscheidung zu beginnen, fixieren Sie das Substrat mit Klebeband auf einem Substrathalter und führen Sie es in die Vakuumkammer einer Sputtermaschine ein. Pumpen Sie den Druck der Sputterkammer auf unter 10 hoch 3 Pascal herunter.

Anschließend scheiden Sie eine 100 Nanometer dicke Schicht aus Indiumzinnoxid durch Radiofrequenz-Sputtern mit vier Nanometern pro Minute unter Argon ohne Substraterhitzung ab. Um den Fotolack abzuheben, beschallen Sie das Substrat mit Aceton, Methanol und dann fünf Minuten lang mit Wasser. Anschließend pusten Sie das Substrat mit einem Stickstoffgebläse trocken und backen es auf einer heißen Platte bei 110 Grad Celsius, bis es vollständig trocken ist.

Um das saubere Substrat mit SU-8 3005 zu beschichten, schleudern Sie fünf Sekunden lang mit 500 U/min, gefolgt von 6.000 U/min für 30 Sekunden. Backen Sie das SU-8-beschichtete Substrat auf einer auf 95 Grad Celsius eingestellten Kochplatte fünf Minuten lang vor. Legen Sie dann die Fotomaskenfolie auf das mit Fotolack beschichtete Substrat und befestigen Sie sie mit Klebeband, um Bewegungen während der Belichtung zu verhindern.

Setzen Sie das SU-8-beschichtete Substrat mit einem Fotolithographiegerät sieben Sekunden lang ultraviolettem Licht aus. Entfernen Sie dann das Substrat von der Maschine und lösen Sie vorsichtig die Fotomaske. Das freiliegende Substrat zuerst bei 65 Grad Celsius, dann bei 95 Grad Celsius nachbacken und fünf Minuten weiterbacken.

Tauchen Sie das Substrat drei Minuten lang unter starkem Rühren in den SU-8-Entwickler, um den Fotolack zu entwickeln. Spülen Sie das Substrat eine Minute lang mit 2-Propanol ab und trocknen Sie das entwickelte Substrat mit einem Stickstoffgasgebläse. Um mit der Bildung des halbleitenden Indiumzinnoxidkanals zu beginnen, bereiten Sie 0,1 molare Salzsäurelösung vor.

Verbinden Sie dann die Source- und Drain-Elektroden mit einem Halbleiter-Parameteranalysator. Schalten Sie das Gerät B1500A ein und starten Sie die EasyEXPERT-Software. Öffnen Sie dann die Arbeitsbereichsoberfläche, um mit der Einrichtung zu beginnen.

Wählen Sie auf der Benutzeroberfläche des Analysegeräts die Registerkarte Klassischer Test und dann die Option IVT Sampling aus. Legen Sie das Sampling-Intervall auf 0,5 Sekunden fest. Legen Sie eine Spannung von einem Volt zwischen der Quell- und der Drain-Elektrode an und zeichnen Sie den Anfangsstrom auf.

Geben Sie mit einer Mikropipette einen 30-Mikroliter-Tropfen der vorbereiteten Salzsäurelösung direkt auf den freiliegenden Bereich des Indiumzinnoxidkanals. Überwachen Sie kontinuierlich den Strom zwischen der Quell- und der Drain-Elektrode und beobachten Sie die Leitfähigkeitsänderung während des Ätzens. Setzen Sie den Vorgang fort, bis der Stromwert auf 10 % des Anfangswerts fällt.

Spülen Sie dann sofort den geätzten Indiumzinnoxidkanal mit entionisiertem Wasser, um das Ätzen zu stoppen, sobald der Strom 10 % des ursprünglichen Stroms erreicht. Trocknen Sie den einteiligen Transistor, indem Sie mit einem Stickstoffgasgebläse vorsichtig Stickstoffgas über das gespülte Substrat blasen. Verbinden Sie mit einer Prüfvorrichtung die Source- und Drain-Elektroden des einteiligen Transistors mit dem Halbleiterparameter-Analysator.

Legen Sie einen Silikon-O-Ring um die Oberfläche des Indiumzinnoxidkanals, um eine Flüssigkeitsvertiefung zu bilden. Geben Sie 30 Mikroliter Phosphatpuffer oder eine andere Standard-pH-Pufferlösung in die Silikon-O-Ring-Vertiefung, während Sie vollen Kontakt mit der Oberfläche des Indiumzinnoxidkanals herstellen. Führen Sie dann eine Silber- oder Silberchlorid-Referenzelektrode in eine gesättigte Kaliumchloridlösung ein, die über eine Salzbrücke mit dem Gate-Elektrolyten verbunden ist.

Verbinden Sie die Silber- oder Silberchlorid-Referenzelektrode mit dem Halbleiterparameteranalysator, so dass sie als Gate-Elektrode fungiert. Wählen Sie auf dem Halbleiterparameteranalysator die Registerkarte Klassischer Test und dann den I/V-Sweep-Modus aus. Verbinden Sie die Quellenelektrode mit der Masse, um ein Referenzpotential festzulegen.

Stellen Sie die angelegte Drain-Spannung auf einen konstanten Wert von einem Volt ein. Stellen Sie den Sweep-Bereich der Gate-Spannungen von minus 0,8 Volt bis plus 0,8 Volt ein und passen Sie die Verzögerung, die Integrationszeit und das Messintervall an. Legen Sie dann die Anzahl der Iterationen auf 10 Zyklen fest und verwenden Sie die Daten aus dem letzten Zyklus für die Analyse.

Stellen Sie gleichzeitig sicher, dass der Leckstrom zwischen der Quell- und der Gate-Elektrode aufgezeichnet wird, und starten Sie die Messung. Wählen Sie auf dem Halbleiterparameteranalysator auf der Registerkarte Anwendungstest die Kategorie CMOS und dann den Id-VD-Modus aus. Stellen Sie die Gate-Spannung so ein, dass sie sequenziell von null Volt auf 0,8 Volt in 0,1-Volt-Intervallen ansteigt.

Stellen Sie für jeden Gate-Spannungswert die Drain-Spannung so ein, dass sie in Intervallen von 0,01 Volt von null Volt auf ein Volt geht, und starten Sie die Messung. Entfernen Sie nun den Silikon-O-Ring um die Kanaloberfläche. Spülen Sie dann den Kanalbereich gründlich mit entionisiertem Wasser ab.

Trocknen Sie das einteilige Indiumzinnoxid-Gerät mit einem Stickstoffgasgebläse. Der ionenempfindliche Feldeffekttransistor von Indiumzinnoxid zeigte eine steile Steigung von etwa 81 Millivolt pro Dekade, was auf ein nahezu ideales Schaltverhalten bei 25 Grad Celsius hinweist. Der Gate-Leckstrom blieb vier Größenordnungen niedriger als der Drain-Strom, selbst wenn der Kanal direkt der Elektrolytlösung ausgesetzt war.

Der Drain-Strom stieg mit der Drain-Spannung an und zeigte bei jeder Gate-Spannung ein Sättigungsverhalten, was die guten Eigenschaften von Feldeffekttransistoren bestätigt. Das Ein/Aus-Stromverhältnis lag bei über 10.000 für Kanaldicken unter 20 Nanometern, sank aber bei größeren Dicken drastisch ab. Der einteilige ionenempfindliche Feldeffekttransistor aus Indiumzinnoxid reagierte linear auf pH-Änderungen und wies eine Spannungsverschiebung von etwa 51 Millivolt pro pH-Einheit auf.

Die pH-Empfindlichkeit stieg nach fünf Tagen Nasslagerung leicht an, näherte sich dem idealen Nernstschen Grenzwert und blieb auch nach 16 Tagen erhalten.