ייצור טרנזיסטור מקשה אחת מבוסס תחמוצת אינדיום-בדיל, המאפשר חישה ביולוגית רגישה

היקף מחקר זה הוא להדגים שיטה פשוטה ומהירה לייצור טרנזיסטור מקשה אחת מגודר בתמיסה לחישת pH וחישה ביולוגית רגישה ביותר. כדי להגביר את רגישות הזיהוי של חיישני FET ביולוגיים מגודרים בתמיסה, נעשה שימוש בטכנולוגיות של מזעור וממדים נמוכים יותר של חומר. מצאנו שניתן לייצר FET מגודר בקלות על ידי חריטה פשוטה של חלק מסרט דק ITO מוליך לעובי המציג מוליכות למחצה, ומספק טכנולוגיית All-by-ITO.

באמצעות שיטה זו, ניתן לייצר FET מגודר תמיסה ביתר קלות מאשר עם פרוטוקולים אחרים, וההתקן המיוצר מראה שיפוע תת-סף תלול, הקשור לרגישות. השיטה המוצעת מספקת טכנולוגיית All-by-ITO, חישת pH מובילה וביו-חישה רגישה ביותר, מכיוון שהמקור, אלקטרודות הניקוז והתעלה משולבים במלואם ללא ממשקים. כדי להתחיל, שטפו את מצע הזכוכית על ידי סוניקציה שלו באצטון, מתנול ומים למשך חמש דקות כל אחד.

בעזרת מפוח גז חנקן מייבשים היטב את המצע ואופים אותו על פלטה חמה בחום של 110 מעלות צלזיוס במשך יותר מחמש דקות כדי להבטיח שהוא יבש לחלוטין. מצפים את מצע הזכוכית המיובשת בשכבת OFPR-800 ב-500 סל"ד למשך חמש שניות, ולאחר מכן 3,000 סל"ד למשך 30 שניות. אופים מראש את המצע המצופה על פלטה חמה בחום של 110 מעלות צלזיוס למשך חמש דקות.

הניחו למצע להתקרר לטמפרטורת החדר לפני שתמשיכו. מקם את סרט מסכת הצילום בצד המצופה באור של המצע והשתמש בסרט כדי לקבע אותו היטב במקומו. לאחר מכן חשוף את המצע לאור אולטרה סגול באמצעות מכונת פוטוליתוגרפיה למשך 40 שניות.

כעת, הוציאו את המצע ממכונת הפוטוליתוגרפיה והסירו בזהירות את מסכת הפוטו מהמשטח. כדי לפתח את הפוטו-רזיסט, טבלו את המצע במפתח NMD-3 למשך דקה אחת וודאו שנוצר דפוס חד. לאחר מכן טבלו את המצע במים כדי לשטוף את היזם.

לאחר ייבוש המצע השטוף על ידי ניפוח גז חנקן, אופים אותו על פלטה חמה בחום של 110 מעלות צלזיוס למשך חמש דקות. כדי להתחיל בתצהיר, קבע את המצע על מחזיק מצע באמצעות סרט והכניס אותו לתא הוואקום של מכונת מקרטעת. שאבו את לחץ תא המקרטע מתחת ל-10 בחזקת 3 פסקל.

לאחר מכן הפקידו שכבה בעובי 100 ננומטר של תחמוצת בדיל אינדיום באמצעות תדר רדיו המתיז במהירות של ארבעה ננומטר לדקה מתחת לארגון ללא חימום מצע. כדי להרים את הפוטו-רזיסט, סוניקציה של המצע באצטון, מתנול ולאחר מכן מים למשך חמש דקות. לאחר מכן נשפו את המצע יבש בעזרת מפוח גז חנקן, ואפו אותו על פלטה חמה בחום של 110 מעלות צלזיוס עד לייבוש מלא.

כדי לסובב את המצע הנקי עם SU-8 3005, סובב ב-500 סל"ד למשך חמש שניות, ולאחר מכן 6,000 סל"ד למשך 30 שניות. אופים מראש את המצע המצופה SU-8 על פלטה חמה המוגדרת ל-95 מעלות צלזיוס למשך חמש דקות. לאחר מכן הנח את סרט הצילום על המצע המצופה באור התנגדות ואבטח אותו עם סרט כדי למנוע כל תזוזה במהלך החשיפה.

חשוף את המצע המצופה SU-8 לאור אולטרה סגול למשך שבע שניות באמצעות מכונת פוטוליתוגרפיה. לאחר מכן הסר את המצע מהמכונה ונתק בזהירות את מסכת הצילום. לאחר האפייה של המצע החשוף תחילה בחום של 65 מעלות צלזיוס למשך שתי דקות, לאחר מכן בחום של 95 מעלות צלזיוס, והמשיכו לאפות במשך חמש דקות.

טבלו את המצע במפתח SU-8 למשך שלוש דקות תחת תסיסה חזקה כדי לפתח את הפוטו-רזיסט. שוטפים את המצע ב-2-פרופנול למשך דקה אחת, ומייבשים את המצע המפותח באמצעות מפוח גז חנקן. כדי להתחיל ליצור את תעלת תחמוצת הפח אינדיום מוליכה למחצה, הכינו תמיסת חומצה הידרוכלורית 0.1 מולארית.

לאחר מכן חבר את אלקטרודות המקור והניקוז למנתח פרמטרים של מוליכים למחצה. הפעל את מכשיר B1500A והפעל את תוכנת EasyEXPERT. לאחר מכן פתח את ממשק סביבת העבודה כדי להתחיל בהגדרה.

בממשק המנתח, בחר בכרטיסייה בדיקה קלאסית ולאחר מכן בחר באפשרות דגימת IVT. הגדר את מרווח הדגימה ל-0.5 שניות. הפעל מתח של וולט אחד בין אלקטרודות המקור לניקוז, ורשום את הזרם ההתחלתי.

בעזרת מיקרופיפטה, הניחו טיפה של 30 מיקרוליטר מתמיסת החומצה ההידרוכלורית המוכנה ישירות על אזור תעלת תחמוצת הפח החשופה. עקוב אחר הזרם בין אלקטרודות המקור והניקוז ברציפות, והתבונן בשינוי המוליכות במהלך התחריט. המשך בתהליך עד שהזרם יורד ל-10% מהערך ההתחלתי.

לאחר מכן שטפו מיד את תעלת תחמוצת הפח האינדיום החרוטה במים נטולי יונים כדי לעצור את התחריט ברגע שהזרם יגיע ל-10% מהזרם הראשוני. יבש את הטרנזיסטור מקשה אחת על ידי ניפוח עדין של גז חנקן על המצע השטוף באמצעות מפוח גז חנקן. בעזרת מתקן בדיקה, חבר את אלקטרודות המקור והניקוז של הטרנזיסטור מקשה אחת למנתח הפרמטרים של המוליכים למחצה.

הנח טבעת O מסיליקון סביב פני תעלת תחמוצת הפח של האינדיום ליצירת באר נוזלית. הוסף 30 מיקרוליטר של מאגר פוספט או תמיסת חיץ pH סטנדרטית אחרת לבאר טבעת ה-O מסיליקון תוך יצירת מגע מלא עם פני תעלת תחמוצת הפח של האינדיום. לאחר מכן הכנס אלקטרודת ייחוס של כסף או כסף כלוריד לתמיסת אשלגן כלורי רוויה, המחוברת לאלקטרוליט השער באמצעות גשר מלח.

חבר את אלקטרודת הייחוס של כסף או כסף כלוריד למנתח הפרמטרים של המוליכים למחצה, כך שהיא תתפקד כאלקטרודת השער. במנתח הפרמטרים של מוליכים למחצה, בחר את הכרטיסיה בדיקה קלאסית ולאחר מכן בחר במצב ניקוי I/V. חבר את אלקטרודת המקור לאדמה כדי ליצור פוטנציאל ייחוס.

הגדר את מתח הניקוז המופעל לערך קבוע של וולט אחד. הגדר את תחום הטאטא של מתחי השער ממינוס 0.8 וולט לפלוס 0.8 וולט והתאם את ההשהיה, זמן האינטגרציה ומרווח המדידה. לאחר מכן הגדר את מספר האיטרציות ל-10 מחזורים והשתמש בנתונים מהמחזור הסופי לניתוח.

במקביל, ודא שזרם הדליפה בין אלקטרודות המקור לשער נרשם והתחל במדידה. במנתח הפרמטרים של מוליכים למחצה, בחר את הקטגוריה CMOS בכרטיסיה בדיקת יישום ולאחר מכן בחר במצב Id-Vd. הגדר את מתח השער כך שיגדל ברצף מאפס וולט ל-0.8 וולט במרווחים של 0.1 וולט.

עבור כל ערך מתח שער, הגדר את מתח הניקוז לטאטא מאפס וולט לוולט אחד במרווחים של 0.01 וולט והתחל במדידה. כעת, הסר את טבעת ה-O מסיליקון מסביב לפני התעלה. לאחר מכן יש לשטוף היטב את אזור התעלה במים נטולי יונים.

יבש את מכשיר תחמוצת פח האינדיום מקשה אחת באמצעות מפוח גז חנקן. טרנזיסטור אפקט השדה הרגיש ליונים של תחמוצת פח אינדיום הדגים שיפוע תת-סף תלול של כ-81 מילי-וולט לעשור, מה שמצביע על התנהגות מיתוג כמעט אידיאלית ב-25 מעלות צלזיוס. זרם דליפת השער נשאר נמוך בארבעה סדרי גודל מזרם הניקוז, גם כאשר התעלה הייתה חשופה ישירות לתמיסת האלקטרוליטים.

זרם הניקוז גדל עם מתח הניקוז והראה התנהגות רוויה בכל מתח שער, מה שמאשר מאפייני טרנזיסטור אפקט שדה טובים. יחס זרם ההפעלה/כיבוי עלה על 10,000 עבור עובי תעלה מתחת ל-20 ננומטר, אך ירד באופן דרסטי בעוביים גדולים יותר. טרנזיסטור אפקט השדה הרגיש ליונים של תחמוצת בדיל אינדיום מקשה אחת הגיב באופן ליניארי לשינויי pH, והציג הסטת מתח של כ-51 מילי-וולט ליחידת pH.

רגישות ה-pH עלתה מעט לאחר חמישה ימים של אחסון רטוב, והתקרבה לגבול האידיאלי של נרנסטיאן, ונשמרה גם לאחר 16 יום.