Fabricación de un transistor de una pieza basado en óxido de indio y estaño activado por solución que permite una biodetección sensible

Resumen

Este protocolo describe la fabricación de un transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) basado en óxido de indio y estaño (ITO) de una pieza, que se puede construir como un sensor FET activado por solución (por ejemplo, sensor de pH) utilizando un proceso corto y simple (aproximadamente medio día). Este ITO-ISFET de una sola pieza también se puede aplicar a la biodetección.

Resumen

En este informe se presenta un método simple y rápido para fabricar un transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) (ITO-ISFET) basado en óxido de indio y estaño (ITO) de una pieza activado por solución para biodetección. Aunque el ITO es un óxido conductor, exhibe propiedades semiconductoras con un espesor de capa de agotamiento de aproximadamente 20 nm o menos, lo que lo hace adecuado como canal de un ISFET activado por solución sensible al pH. Específicamente, al grabar la parte media de una película delgada simple de ITO conductora con una solución ácida para hacerla ultrafina, se puede fabricar un ITO-ISFET de una pieza con un canal semiconductor. La fuente, los electrodos de drenaje y el canal están completamente integrados sin interfaces. Luego, la superficie del canal ITO se sumerge en soluciones de muestra con un electrodo de referencia, lo que le permite funcionar como un ISFET activado por solución. Por lo tanto, el ITO-ISFET de una pieza se puede fabricar de manera simple y rápida utilizando solo pulverización catódica seguida de grabado a través de una técnica de fotolitografía, con la solución de muestra sirviendo convenientemente como puerta.

Introducción

Se propuso un transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) activado por solución para detectar iones en entornos biológicos¹. En este dispositivo, una solución de electrolito induce el potencial interfacial entre la solución y el aislante de la puerta en lugar de una puerta metálica en un transistor de semiconductor de óxido metálico (MOS), aunque es esencial utilizar un electrodo de referencia en la solución. Un aislante de compuerta se compone principalmente de membranas de óxido o nitruro como Ta₂O₅, Al₂O₃, SiO₂ y Si₃N₄; por lo tanto, los grupos hidroxilo en la superficie de óxido o nitruro en una solución alcanzan el estado de equilibrio con iones de hidrógeno a través de la protonación (−OH + H ⁺ −OH₂⁺) y la desprotonación (−OH −O^- + H ⁺) porque el cambio en el pH se detecta a partir del cambio en la carga superficial sobre la base del principio del efecto de campo ^2,3 (Figura complementaria 1). Esta es la razón por la que el sensor ISFET original todavía se utiliza como sensor de pH. Dichos sensores ISFET tienen principalmente un sustrato de silicio, pero recientemente se han aplicado varios materiales semiconductores a los sensores ISFET sensibles al pH, que requieren que el aislante de la puerta o la superficie del canal en contacto con la solución electrolítica esté cubierto por grupos funcionales como grupos hidroxi, grupos carboxi y grupos amino 4,5,6,7,8,9.

Este ISFET activado por solución, cuyo aislante de puerta o superficie de canal se modifica con receptores biológica o químicamente activos, se ha aplicado a biosensores portátiles, que pueden integrarse en algunos dispositivos electrónicos 10,11,12. Este FET de puerta (canal) biológicamente acoplado, a menudo llamado bio-FET, debe realizar biodetección cuantitativa y selectiva mediante la detección de cargas de biomoléculas o iones incluidos en los fluidos corporales. Además, recientemente se han utilizado varios materiales de baja dimensión para mejorar la sensibilidad de los bio-FET, como MoS₂, WSe₂^13,14, grafeno^15,16 y nanocables de Si^17,18. Sin embargo, la complejidad asociada con la estructura y los procesos de fabricación ha obstaculizado el uso generalizado de bio-FET de baja dimensión, ya que generalmente requieren materiales dispares para el canal, los electrodos de fuente / drenaje y la película aislante de la puerta.

Nuestro trabajo anterior reveló que una hoja de una sola pieza de óxido de indio y estaño (ITO) puede funcionar como un bio-FET bidimensional (2D) sobre la base del hecho de que ITO, que es un óxido conductor, se vuelve semiconductor cuando su espesor es tan pequeño como ~ 20 nm 19,20,21,22. Al grabar la parte media de una película delgada simple de ITO conductora con una solución ácida para hacerla ultradelgada, lo que permite la fabricación de la ITO de una sola pieza con un canal semiconductor, los electrodos de fuente y drenaje y el canal sin interfaces pueden integrarse completamente^21,22. Luego, la superficie del canal ITO se empapa en soluciones de muestra con un electrodo de referencia, funcionalizando así como un ITO-ISFET dependiente de solución. El ITO-ISFET de una pieza activado por solución muestra una pendiente subumbral (SS) más pronunciada, que se atribuye principalmente al contacto directo de la superficie del canal ITO con una solución de muestra, en comparación con un ISFET convencional basado en silicio activado por solución (Figura complementaria 1B). Esto significa que una capacitancia eléctrica de doble capa relativamente grande en la interfaz de canal/solución ITO actúa como un factor dominante que determina SS 19,20,21,22. Además, el ITO-ISFET de una pieza activado por solución muestra una capacidad de respuesta al pH de acuerdo con una relación química termodinámica (es decir, la ecuación de Nernst)^4,19,21. La superficie del canal ITO, que está en contacto con una solución acuosa, tiene convenientemente grupos hidroxi que mantienen un estado de equilibrio con iones de hidrógeno con cargas positivas, dependiendo del pH, de la misma manera que otras membranas de óxido o nitruro ^2,3. Además, al funcionalizar el ITO-ISFET de una pieza activado por solución, fue posible detectar biomoléculas como virus y moléculas de ADN^20,22.

Este artículo describe una forma simple y rápida de fabricar un ITO-ISFET de una pieza con solución para biodetección. En particular, simplemente se utilizan procesos de fotolitografía y grabado para la fabricación, y luego se agrega una solución de electrolito a la superficie del canal ITO con un electrodo de referencia; es decir, una solución de muestra sirve como electrodo de puerta de solución. Por lo tanto, el ITO-ISFET de una pieza activado por solución funciona como un sensor de pH obtenido por el proceso de fabricación que toma solo medio día.

Protocolo

Los reactivos y el equipo utilizado en este estudio se enumeran en la Tabla de Materiales.

1. Fabricación de ITO-ISFET de una pieza (Figura 1A)

1. Patrón de OFPR-800
   1. Lavar el sustrato de vidrio (12 mm × 24 mm) por sonicación en acetona, metanol y agua durante 5 min cada uno. A continuación, secar el sustrato con un soplador de gas N2 y posteriormente hornearlo a 110 °C en una placa caliente durante más de 5 min para secar completamente el sustrato.
   2. Aplique una capa de hilado al sustrato de vidrio con una capa de OFPR-800 a 500 rpm durante 5 s y a 3000 rpm durante 30 s. Verifique la uniformidad del recubrimiento.
   3. Prehornear el sustrato a 110 °C en una placa caliente durante 5 min. Luego, enfríe el sustrato a temperatura ambiente.
   4. Coloque la película de fotomáscara en el lado recubierto de fotorresistencia del sustrato y fíjela con cinta adhesiva (Figura complementaria 2A).
   5. Exponga el sustrato a los rayos UV (200 W) durante 40 s en una máquina de fotolitografía.
      NOTA: El tiempo de exposición depende del equipo utilizado y se basa en la dosis requerida de fotorresistencia.
   6. Saque el sustrato de la máquina de fotolitografía y retire la fotomáscara.
   7. Revele la fotorresistencia en NMD-3 durante 1 minuto y asegúrese de que la fotorresistencia forme un patrón nítido. Luego, lave el sustrato sumergiéndolo en agua.
   8. Seque el sustrato soplando gas N₂ . A continuación, hornear el sustrato en una plancha a 110 °C durante 5 min.
2. Deposición de ITO
   1. Fije el sustrato en un soporte de sustrato con cinta adhesiva e introdúzcalo en la cámara de vacío de una máquina de pulverización catódica.
   2. Bombee la cámara de pulverización catódica por debajo ^{de 10-3} Pa.
   3. Deposite ITO (en₂O₃ 90 % en peso y SnO₂ 10 en peso) a un espesor de ~ 100 nm por pulverización catódica de radiofrecuencia a 4 nm / min bajo gas Ar (0,2 Pa) sin calentar.
3. Patrón de SU-8 (Figura 1B)
   1. Levante la fotorresistencia por sonicación en acetona, metanol y agua durante 5 minutos cada uno. Asegúrese de que no queden pequeños fragmentos de ITO en los sustratos. Si la contaminación parece grave, limpie con un limpiador limpio y luego limpie el sustrato mediante sonicación nuevamente.
   2. Sople el sustrato con un soplador de gas N₂ . A continuación, hornear el sustrato a 110 °C en una placa caliente para secar completamente el sustrato.
   3. Aplique una capa de recubrimiento giratorio al sustrato de vidrio con una capa SU-8 3005 a 500 rpm durante 5 s y a 6000 rpm durante 30 s. Verifique la uniformidad del recubrimiento.
   4. Prehornee el sustrato a 95 °C en una placa caliente durante 5 min y luego enfríe el sustrato a temperatura ambiente.
   5. Coloque la película de fotomáscara sobre el sustrato recubierto de fotorresistencia y fíjela con cinta adhesiva (Figura complementaria 2B).
   6. Exponga el sustrato a los rayos UV (200 W) durante 7 s. Luego, saque el sustrato de la máquina de fotolitografía y retire la fotomáscara.
   7. Posthornear el sustrato a 65 °C durante 2 min y 95 °C durante 5 min.
   8. Revele la fotorresistencia en el revelador SU-8 durante 3 min bajo agitación fuerte. Luego, lave el sustrato en 2-propanol durante 1 min. Asegúrese de que la fotorresistencia esté completamente desarrollada.
   9. Seque el sustrato soplando gas N₂ .
4. Formación de canal ITO semiconductor por grabado (Figura 1C)
   1. Preparar ácido clorhídrico 0,1 M (HCl).
   2. Conecte los electrodos de fuente y drenaje, como se muestra en la Figura 1B, a un analizador de parámetros de semiconductores.
   3. Seleccione la pestaña Prueba clásica y, a continuación, seleccione Muestreo I/V-t.
   4. Establezca un intervalo de muestreo en 0,5 s.
   5. Aplique un voltaje de 1 V entre la fuente y los electrodos de drenaje y determine la corriente inicial (I_DS0).
   6. Coloque una gota de la solución de HCl preparada (30 μL) en el área del canal ITO expuesta. Asegúrese de que la gota cubra completamente el área del canal.
   7. Monitoree el cambio en la conductividad monitoreando la corriente entre la fuente y los electrodos de drenaje. Continúe el grabado hasta que la corriente disminuya al 10% del I_DS0 inicial.
   8. Enjuague inmediatamente el canal ITO con agua desionizada para detener el grabado tan pronto como la relación de corriente de grabado alcance el 10% del I_DS0 inicial para controlar el espesor del canal ITO (~ 10-20 nm). Esto se considera un transistor de una sola pieza sin interfaces entre la fuente, el canal y los electrodos de drenaje.
   9. Sople suavemente gas N₂ para secar el transistor de una pieza con un soplador de gas N₂ .
   10. Guarde los dispositivos en un desecador de vacío hasta la medición.

2. Mediciones eléctricas de ITO-ISFET de una pieza

1. Configuración del sistema de medición eléctrica
   1. Conecte la fuente y los electrodos de drenaje del transistor de una pieza al analizador de parámetros de semiconductores a través de un dispositivo de prueba.
   2. Coloque una junta tórica de silicona alrededor de la superficie del canal ITO como un pozo en el que se coloca una muestra.
   3. Agregue 30 μL de tampón de fosfato (PB, pH 7,41) u otras soluciones tampón de pH estándar (pH 4,01, 6,86, 7,41 y 9,18) con cuidado en la junta tórica de silicona para garantizar el contacto directo entre la solución y la superficie del canal ITO. Esta solución sirve como electrolito de puerta.
   4. Inserte un electrodo de referencia de Ag/AgCl en una solución saturada de KCl, que está conectada al electrolito de compuerta mediante un puente de sal.
   5. Conecte el electrodo de referencia Ag/AgCl al analizador de parámetros de semiconductores, que funciona como electrodo de puerta.
   6. Encienda el B1500A e inicie el software EasyEXPART , luego abra Workspace.
2. I Características de transferencia_{DS-V GS}
   1. Seleccione la ficha Prueba clásica y, a continuación, seleccione Barrido de E/V.
   2. Conecte el electrodo fuente a tierra.
   3. Ajuste el parámetro para aplicar una tensión de drenaje constante (V_DS) de 1 V.
      NOTA: El potencial de cada electrodo debe ser de -1 V - 1 V para evitar la electrólisis del agua.
   4. Establezca el rango de barrido de los voltajes de puerta (V_GS) en -0,8 V - +0,8 V y la velocidad de barrido en aproximadamente 50 mV / s.
      NOTA: La velocidad de barrido se puede controlar ajustando el "número de pasos" a 141 y el "retardo" a 10 ms, y el "convertidor A/D" a HR ADC en el modo PLC (Factor: 2).
   5. Establezca el número de iteraciones en 10 ciclos y utilice los datos obtenidos del último ciclo para el análisis. Simultáneamente, se obtiene la corriente de fuga entre la fuente y los electrodos de puerta (I_GS).
   6. Iniciar medición.
      NOTA: Todos los datos de medición se guardan automáticamente en la pestaña "Resultados".
3. I Características de transferencia_{DS-V DS}
   1. Seleccione la categoría CMOS en la pestaña Prueba de aplicación y, a continuación, seleccione el modo Id-Vd
   2. Ajuste V_GS para que cambie secuencialmente de 0 V a 0,8 V a intervalos de 0,1 V.
   3. Ajuste V_DS para cada V_GS para barrer de 0 V a 1 V a intervalos de 0,01 V.
   4. Iniciar medición.
4. Pasos de seguimiento
   1. Retire la junta tórica y enjuague la superficie del canal con agua desionizada. Luego, seque el dispositivo ITO de una pieza soplando gas N₂ .
   2. Guarde el dispositivo en un desecador al vacío.

Resultados

La Figura 2A muestra el cambio en la corriente (I_DS0) medido durante el grabado. I_DS0 se mantuvo casi constante alrededor de 800 s después del inicio del grabado. Con un mayor grabado, I_DS0 comenzó a disminuir rápidamente. Esto indica que el espesor de la película ITO disminuyó, lo que se acercaba al espesor de la capa de agotamiento en la película ITO¹⁹; De este modo, los electrones como portadores comenzaro...

Discusión

De acuerdo con el protocolo anterior, el ITO-ISFET de una pieza se puede fabricar como un sensor FET activado por solución (por ejemplo, sensor de pH) a través de un proceso corto y simple (aproximadamente medio día). ITO exhibe propiedades semiconductoras con un espesor de capa de agotamiento de aproximadamente 20 nm o menos, lo que lo hace adecuado como canal de un ISFET dependiente de solución sensible al pH.

Al grabar la parte media de una película delgada...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
HCl de 1M	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	083-01095
2-propanol	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	166-04831
Acetona	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	019-00353
Alambre Ag	La Corporación Nilaco Corp.	AG-401385
Agar-agar	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	010-15815
Solución tampón estándar (solución equimolal estándar de pH fosfato) pH 6.86 (25 grados C)	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	025-03195
Solución tampón estándar (solución estándar de pH de ftalatos) pH 4.01 (25 grados C)	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	028-03185
Solución tampón estándar (solución estándar de pH de tetraborato) pH 9.18 (25 grados C)	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	028-03205
Cinta de carbono	Nisshin-EM	7321
Analizador electroquímico	Instrumento BAS	618 E
Mascarilla de película	UnnoGiken Co., Ltd.		Hecho a medida
Placa calefactora	Como una corporación.	ND-1
Metanol	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	137-01823
Micro cubierta de vidrio	Matsunami Glass Ind., Ltd	12&veces; 24 No.5	para sustrato de vidrio
Micropipeta	Eppendorf SE	3123000055
NMD-3	Tokio Ohka Kogyo Co., Ltd.	NMD-3
OFPR-800	Tokio Ohka Kogyo Co., Ltd.	OFPR-800
Solución estándar de pH de fosfato	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	166-17445
Máquina de fotolitografía	Neutronix Quintel	PhL Q-2001CT
Clotio de potasio	FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.	163-03545
Analizador de parámetros de dispositivos semiconductores	Visión clave	B1500A	Softwere Verion: Rev 5 y 6
Analizador de parámetros de dispositivos semiconductores Unidades de medida de fuente	Visión clave	B1517A	para fuente, drenaje y compuerta
Dispositivo de prueba de analizador de parámetros de dispositivos semiconductores	Visión clave	B1500A Opt A5F
Junta tórica de Siliconce	MasuokaTokyo Co., Ltd.	P-5
Recubrimiento por centrifugación	MIKASA Co., Ltd	MS-A100
Máquina de pulverización catódica	ULVAC Inc.		Hecho a medida
SU-8 3005	Nippon Kayaku Co., Ltd.	SU8-3005
Desarrollador SU-8	Nippon Kayaku Co., Ltd.	Desarrollador SU-8
Baño de ultrasonidos	SND Co., Ltd.	US-102
Interferómetro de luz blanca	KEYENCE Corp.	VK-X3000