Fabbricazione di un transistor monopezzo a base di ossido di indio-stagno solution-gated che consente il biorilevamento sensibile

Lo scopo di questa ricerca è quello di dimostrare un metodo semplice e rapido per la fabbricazione di un transistor monopezzo solution-gated per il rilevamento del pH e il biorilevamento altamente sensibile. Per aumentare la sensibilità di rivelazione dei biosensori FET solution-gated, sono state utilizzate le tecnologie di miniaturizzazione e dimensionamento inferiore del materiale. Abbiamo scoperto che un FET solution-gated può essere facilmente fabbricato semplicemente incidendo una porzione di film sottile ITO conduttivo a uno spessore che mostra semiconduttività, fornendo una tecnologia all-by-ITO.

Utilizzando questo metodo, un FET solution-gated può essere fabbricato più facilmente rispetto ad altri protocolli e il dispositivo fabbricato mostra una forte pendenza sottosoglia, che è correlata alla sensibilità. Il metodo proposto fornisce una tecnologia completamente basata su ITO, leader nel rilevamento del pH e nel biorilevamento altamente sensibile, perché la sorgente, gli elettrodi di drenaggio e il canale sono completamente integrati senza interfacce. Per iniziare, lavare il substrato di vetro facendolo sonicare in acetone, metanolo e acqua per cinque minuti ciascuno.

Utilizzando un soffiatore di azoto, asciugare accuratamente il substrato e cuocerlo su una piastra calda a 110 gradi Celsius per più di cinque minuti per assicurarsi che sia completamente asciutto. Centrifugare il substrato di vetro essiccato con uno strato di OFPR-800 a 500 giri/min per cinque secondi, seguito da 3.000 giri/min per 30 secondi. Pre-cuocere il substrato rivestito su una piastra calda a 110 gradi Celsius per cinque minuti.

Lasciare raffreddare il substrato a temperatura ambiente prima di procedere. Posizionare la pellicola della fotomaschera sul lato rivestito di fotoresist del substrato e utilizzare del nastro adesivo per fissarla saldamente in posizione. Quindi esporre il substrato alla luce ultravioletta utilizzando una macchina fotolitografica per 40 secondi.

Ora, estrarre il substrato dalla macchina fotolitografica e rimuovere con cura la fotomaschera dalla superficie. Per sviluppare il fotoresist, immergere il substrato nello sviluppatore NMD-3 per un minuto e verificare che si formi un motivo nitido. Quindi immergere il substrato in acqua per lavare via lo sviluppatore.

Dopo aver asciugato il substrato lavato soffiando azoto gassoso, cuocerlo su una piastra calda a 110 gradi Celsius per cinque minuti. Per iniziare la deposizione, fissare il substrato su un supporto del substrato utilizzando del nastro adesivo e introdurlo nella camera a vuoto di una macchina sputtering. Pompare la pressione della camera di sputtering al di sotto di 10 alla potenza di 3 pascal.

Quindi depositare uno strato di ossido di indio-stagno spesso 100 nanometri tramite sputtering a radiofrequenza a quattro nanometri al minuto sotto argon senza riscaldamento del substrato. Per sollevare il fotoresist, sonicare il substrato in acetone, metanolo e quindi acqua per cinque minuti. Quindi asciugare il substrato con un soffiatore di azoto e cuocerlo su una piastra calda a 110 gradi Celsius fino a completa asciugatura.

Per centrifugare il substrato pulito con SU-8 3005, centrifugare a 500 giri/min per cinque secondi, seguiti da 6.000 giri/min per 30 secondi. Pre-cuocere il substrato rivestito in SU-8 su una piastra riscaldante impostata a 95 gradi Celsius per cinque minuti. Quindi posizionare la pellicola della fotomaschera sul substrato rivestito di fotoresist e fissarla con del nastro adesivo per evitare qualsiasi movimento durante l'esposizione.

Esporre il substrato rivestito in SU-8 alla luce ultravioletta per sette secondi utilizzando una macchina per fotolitografia. Quindi rimuovere il substrato dalla macchina e staccare con cura la fotomaschera. Post-cuocere il substrato esposto prima a 65 gradi Celsius per due minuti, poi a 95 gradi Celsius e continuare la cottura per cinque minuti.

Immergere il substrato nello sviluppatore SU-8 per tre minuti sotto forte agitazione per sviluppare il fotoresist. Sciacquare il substrato in 2-propanolo per un minuto e asciugare il substrato sviluppato utilizzando un soffiatore di azoto. Per iniziare a formare il canale semiconduttivo dell'ossido di indio-stagno, preparare una soluzione di acido cloridrico 0,1 molare.

Quindi collegare gli elettrodi di sorgente e di scarico a un analizzatore di parametri a semiconduttore. Accendere il dispositivo B1500A e avviare il software EasyEXPERT. Quindi apri l'interfaccia dell'area di lavoro per iniziare la configurazione.

Nell'interfaccia dell'analizzatore, selezionare la scheda Test classico, quindi scegliere l'opzione Campionamento IVT. Impostare l'intervallo di campionamento su 0,5 secondi. Applicare una tensione di un volt tra la sorgente e l'elettrodo di scarico e registrare la corrente iniziale.

Utilizzando una micropipetta, posizionare una goccia da 30 microlitri della soluzione di acido cloridrico preparata direttamente sull'area esposta del canale dell'ossido di indio e stagno. Monitorare continuamente la corrente tra gli elettrodi sorgente e drain e osservare la variazione di conducibilità durante l'incisione. Continuare il processo fino a quando la corrente scende al 10% del valore iniziale.

Quindi sciacquare immediatamente il canale dell'ossido di indio e stagno inciso con acqua deionizzata per interrompere l'incisione una volta che la corrente raggiunge il 10% della corrente iniziale. Asciugare il transistor monopezzo soffiando delicatamente azoto gassoso sul substrato risciacquato utilizzando un soffiatore di azoto gassoso. Utilizzando un dispositivo di prova, collegare gli elettrodi di sorgente e di scarico del transistor monopezzo all'analizzatore di parametri a semiconduttore.

Posizionare un O-ring in silicone attorno alla superficie del canale dell'ossido di indio e stagno per formare un pozzetto liquido. Aggiungere 30 microlitri di tampone fosfato o un'altra soluzione tampone pH standard nel pozzetto dell'O-ring in silicone, a pieno contatto con la superficie del canale dell'ossido di indio e stagno. Quindi inserire un elettrodo di riferimento in argento o cloruro d'argento in una soluzione satura di cloruro di potassio, che è collegata all'elettrolita di gate tramite ponte salino.

Collegare l'elettrodo di riferimento in argento o cloruro d'argento all'analizzatore dei parametri dei semiconduttori, in modo che funzioni come elettrodo di gate. Nell'analizzatore dei parametri dei semiconduttori, selezionare la scheda Test classico, quindi scegliere la modalità I/V Sweep. Collegare l'elettrodo sorgente a terra per stabilire un potenziale di riferimento.

Impostare la tensione di drain applicata su un valore costante di un volt. Impostare l'intervallo di scansione delle tensioni di gate da meno 0,8 V a più 0,8 V e regolare il ritardo, il tempo di integrazione e l'intervallo di misurazione. Quindi impostare il numero di iterazioni su 10 cicli e utilizzare i dati del ciclo finale per l'analisi.

Allo stesso tempo, assicurarsi che la corrente di dispersione tra la sorgente e gli elettrodi di gate sia registrata e avviare la misurazione. Nell'analizzatore dei parametri dei semiconduttori, selezionare la categoria CMOS nella scheda Application Test, quindi scegliere la modalità Id-Vd. Impostare la tensione di gate in modo che aumenti sequenzialmente da zero volt a 0,8 volt a intervalli di 0,1 volt.

Per ogni valore di tensione di gate, impostare la tensione di drain in modo che passi da zero volt a un volt a intervalli di 0,01 volt e avviare la misurazione. Ora, rimuovi l'O-ring in silicone attorno alla superficie del canale. Quindi sciacquare accuratamente l'area del canale con acqua deionizzata.

Asciugare il dispositivo monopezzo all'ossido di indio-stagno utilizzando un soffiatore di azoto gassoso. Il transistor a effetto di campo sensibile agli ioni di ossido di indio e stagno ha dimostrato una ripida pendenza sottosoglia di circa 81 millivolt per decennio, indicando un comportamento di commutazione quasi ideale a 25 gradi Celsius. La corrente di dispersione del gate è rimasta di quattro ordini di grandezza inferiore alla corrente di drenaggio, anche quando il canale è stato esposto direttamente alla soluzione elettrolitica.

La corrente di drain aumentava con la tensione di drain e mostrava un comportamento di saturazione ad ogni tensione di gate, confermando le buone caratteristiche del transistor ad effetto di campo. Il rapporto corrente on/off superava i 10.000 per spessori di canale inferiori a 20 nanometri, ma diminuiva drasticamente a spessori maggiori. Il transistor monopezzo a effetto di campo sensibile agli ioni di ossido di indio e stagno ha risposto linearmente alle variazioni di pH, esibendo uno spostamento di tensione di circa 51 millivolt per unità di pH.

La sensibilità al pH è leggermente aumentata dopo cinque giorni di conservazione umida, avvicinandosi al limite ideale di Nerstiano, ed è stata mantenuta anche dopo 16 giorni.