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

El alcance de esta investigación es demostrar un método simple y rápido para fabricar un transistor de una pieza con compuerta de solución para detección de pH y biodetección altamente sensible. Para aumentar la sensibilidad de detección de los biosensores FET activados por solución, se han utilizado las tecnologías de miniaturización y menor dimensionamiento del material. Hemos descubierto que un FET activado por solución se puede fabricar fácilmente simplemente grabando una porción de película delgada de ITO conductora a un espesor que exhibe semiconductividad, proporcionando una tecnología all-by-ITO.

Con este método, se puede fabricar un FET activado por solución más fácilmente que con otros protocolos, y el dispositivo fabricado muestra una pendiente pronunciada por debajo del umbral, que está relacionada con la sensibilidad. El método propuesto proporciona una tecnología totalmente por ITO, líder en detección de pH y biodetección altamente sensible, porque la fuente, los electrodos de drenaje y el canal están completamente integrados sin interfaces. Para comenzar, lave el sustrato de vidrio sonicándolo en acetona, metanol y agua durante cinco minutos cada uno.

Con un soplador de gas nitrógeno, seque bien el sustrato y hornee en una placa caliente a 110 grados centígrados durante más de cinco minutos para asegurarse de que esté completamente seco. Aplique una capa de hilado al sustrato de vidrio seco con una capa de OFPR-800 a 500 RPM durante cinco segundos, seguido de 3.000 RPM durante 30 segundos. Hornee previamente el sustrato recubierto en una placa caliente a 110 grados centígrados durante cinco minutos.

Deje que el sustrato se enfríe a temperatura ambiente antes de continuar. Coloque la película de fotomáscara en el lado recubierto de fotorresistente del sustrato y use cinta adhesiva para fijarla de forma segura en su lugar. Luego exponga el sustrato a la luz ultravioleta con una máquina de fotolitografía durante 40 segundos.

Ahora, saque el sustrato de la máquina de fotolitografía y retire con cuidado la fotomáscara de la superficie. Para desarrollar la fotorresistencia, sumerja el sustrato en revelador NMD-3 durante un minuto y verifique que se forme un patrón nítido. Luego sumerja el sustrato en agua para lavar el revelador.

Después de secar el sustrato lavado soplando gas nitrógeno, hornee en una placa caliente a 110 grados centígrados durante cinco minutos. Para comenzar la deposición, fije el sustrato en un soporte de sustrato con cinta adhesiva e introdúzcalo en la cámara de vacío de una máquina de pulverización catódica. Bombee la presión de la cámara de pulverización catódica por debajo de 10 a la potencia de 3 pascales.

Luego deposite una capa de 100 nanómetros de espesor de óxido de indio y estaño a través de pulverización catódica por radiofrecuencia a cuatro nanómetros por minuto bajo argón sin calentamiento del sustrato. Para levantar la fotorresistencia, sonique el sustrato en acetona, metanol y luego agua durante cinco minutos. Luego seque el sustrato con un soplador de gas nitrógeno y hornee en una placa caliente a 110 grados centígrados hasta que esté completamente seco.

Para recubrir el sustrato limpio con SU-8 3005, centrifuga a 500 RPM durante cinco segundos, seguido de 6.000 RPM durante 30 segundos. Hornee previamente el sustrato recubierto de SU-8 en una placa caliente a 95 grados centígrados durante cinco minutos. A continuación, coloque la película de fotomáscara sobre el sustrato recubierto de fotorresistencia y asegúrela con cinta adhesiva para evitar cualquier movimiento durante la exposición.

Exponga el sustrato recubierto de SU-8 a la luz ultravioleta durante siete segundos con una máquina de fotolitografía. Luego retire el sustrato de la máquina y retire con cuidado la fotomáscara. Hornee después del sustrato expuesto primero a 65 grados centígrados durante dos minutos, luego a 95 grados centígrados y continúe horneando durante cinco minutos.

Sumerja el sustrato en revelador SU-8 durante tres minutos bajo una fuerte agitación para desarrollar la fotorresistencia. Enjuague el sustrato en 2-propanol durante un minuto y seque el sustrato revelado con un soplador de gas nitrógeno. Para comenzar a formar el canal semiconductor de óxido de indio y estaño, prepare una solución de ácido clorhídrico molar 0,1.

A continuación, conecte la fuente y los electrodos de drenaje a un analizador de parámetros de semiconductores. Encienda el dispositivo B1500A e inicie el software EasyEXPERT. A continuación, abra la interfaz del espacio de trabajo para comenzar la configuración.

En la interfaz del analizador, seleccione la pestaña Prueba clásica y, a continuación, elija la opción Muestreo IVT. Establezca el intervalo de muestreo en 0,5 segundos. Aplique un voltaje de un voltio entre la fuente y los electrodos de drenaje, y registre la corriente inicial.

Con una micropipeta, coloque una gota de 30 microlitros de la solución de ácido clorhídrico preparada directamente sobre el área expuesta del canal de óxido de indio y estaño. Monitoree la corriente entre la fuente y los electrodos de drenaje continuamente, y observe el cambio de conductividad durante el grabado. Continúe el proceso hasta que la corriente caiga al 10% del valor inicial.

Luego, enjuague inmediatamente el canal de óxido de indio y estaño grabado con agua desionizada para detener el grabado una vez que la corriente alcance el 10% de la corriente inicial. Seque el transistor de una pieza soplando suavemente gas nitrógeno sobre el sustrato enjuagado con un soplador de gas nitrógeno. Con un dispositivo de prueba, conecte los electrodos de fuente y drenaje del transistor de una pieza al analizador de parámetros de semiconductores.

Coloque una junta tórica de silicona alrededor de la superficie del canal de óxido de indio y estaño para formar un pozo líquido. Agregue 30 microlitros de tampón de fosfato u otra solución tampón de pH estándar en el pozo de la junta tórica de silicona mientras hace contacto completo con la superficie del canal de óxido de indio y estaño. Luego inserte un electrodo de referencia de plata o cloruro de plata en una solución saturada de cloruro de potasio, que está conectada al electrolito de puerta por un puente de sal.

Conecte el electrodo de referencia de plata o cloruro de plata al analizador de parámetros de semiconductores, para que funcione como electrodo de puerta. En el analizador de parámetros de semiconductores, seleccione la pestaña Prueba clásica y, a continuación, elija el modo de barrido de I/V. Conecte el electrodo fuente a tierra para establecer un potencial de referencia.

Establezca el voltaje de drenaje aplicado en un valor constante de un voltio. Establezca el rango de barrido de los voltajes de puerta de menos 0,8 voltios a más 0,8 voltios y ajuste el retardo, el tiempo de integración y el intervalo de medición. A continuación, establezca el número de iteraciones en 10 ciclos y utilice los datos del ciclo final para el análisis.

Al mismo tiempo, asegúrese de que se registre la corriente de fuga entre la fuente y los electrodos de la puerta e inicie la medición. En el analizador de parámetros de semiconductores, seleccione la categoría CMOS en la pestaña Prueba de aplicación y, a continuación, elija el modo Id-Vd. Configure el voltaje de la puerta para que aumente secuencialmente de cero voltios a 0,8 voltios en intervalos de 0,1 voltios.

Para cada valor de voltaje de puerta, configure el voltaje de drenaje para que pase de cero voltios a un voltio en intervalos de 0,01 voltios e inicie la medición. Ahora, retire la junta tórica de silicona alrededor de la superficie del canal. Luego enjuague bien el área del canal con agua desionizada.

Seque el dispositivo de óxido de indio y estaño de una pieza con un soplador de gas nitrógeno. El transistor de efecto de campo sensible a los iones de óxido de indio y estaño demostró una pendiente pronunciada por debajo del umbral de aproximadamente 81 milivoltios por década, lo que indica un comportamiento de conmutación casi ideal a 25 grados Celsius. La corriente de fuga de la compuerta permaneció cuatro órdenes de magnitud más baja que la corriente de drenaje, incluso cuando el canal estuvo expuesto directamente a la solución electrolítica.

La corriente de drenaje aumentó con el voltaje de drenaje y mostró un comportamiento de saturación en cada voltaje de puerta, lo que confirma buenas características del transistor de efecto de campo. La relación de corriente de encendido / apagado superó los 10.000 para espesores de canal inferiores a 20 nanómetros, pero disminuyó drásticamente a espesores mayores. El transistor de efecto de campo sensible a iones de óxido de indio y estaño de una pieza respondió linealmente a los cambios de pH, exhibiendo un cambio de voltaje de aproximadamente 51 milivoltios por unidad de pH.

La sensibilidad al pH aumentó ligeramente después de cinco días de almacenamiento húmedo, acercándose al límite ideal de Nernstian, y se mantuvo incluso después de 16 días.