方法論記事

高感度バイオセンシングを可能にする溶液依存性インジウム-スズ-酸化物ベースのワンピーストランジスタの作製

DOI：

10.3791/68755

⸱

2025年8月29日

 , 
1Department of Materials Engineering, School of Engineering, The University of Tokyo

この記事について

サマリー

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

このプロトコルは、短くて簡単なプロセス(約半日)を使用して溶液依存性FETセンサー(pHセンサーなど)として構築できる、ワンピースのインジウム-スズ-酸化物(ITO)ベースのイオン感受性電界効果トランジスタ(ISFET)の製造を記述しています。この一体型ITO-ISFETは、バイオセンシングにも応用できます。

要約

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

このレポートでは、バイオセンシング用の溶液依存性一体型インジウム-スズ酸化物(ITO)ベースのイオン感受性電界効果トランジスタ(ISFET)(ITO-ISFET)を簡単かつ迅速に製造する方法を紹介します。ITOは導電性酸化物ですが、空乏層厚約20nm以下で半導体特性を示すため、pH感受性溶液依存性ISFETのチャネルとして適しています。具体的には、導電性ITO単膜の中間部分を酸性溶液でエッチングして超薄型にすることで、半導体チャネルを持つ一体型ITO-ISFETを作製できます。ソース、ドレイン電極、およびチャネルは、インターフェイスなしで完全に統合されています。次に、ITOチャネル表面を参照電極でサンプル溶液に浸し、溶液ゲートISFETとして機能させます。したがって、ワンピースITO-ISFETは、スパッタリングとフォトリソグラフィ技術によるエッチングのみを使用して簡単かつ迅速に製造でき、サンプル溶液をゲートとして便利に機能します。

概要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

溶液依存性イオン感受性電界効果トランジスタ(ISFET)は、生物学的環境1のイオンを検出するために提案されました。このデバイスでは、溶液に参照電極を使用することが不可欠ですが、金属酸化膜半導体(MOS)トランジスタの金属ゲートの代わりに、電解質溶液が溶液とゲート絶縁体の間の界面電位を誘導します。ゲート絶縁体は、主に Ta2O5、Al2O3、SiO2、Si3N4 などの酸化物または窒化物膜で構成されています。したがって、溶液中の酸化物または窒化物表面のヒドロキシル基は、pHの変化が電界効果の原理に基づいて表面電荷の変化から検出されるため、プロトン化(−OH + H + figure-introduction-1 −OH2+)および脱プロトン化(−OH figure-introduction-2−O- + H +)を介して水素イオンと平衡状態に達します(補足図1).これが、オリジナルのISFETセンサーがpHセンサーとして利用されている理由です。このようなISFETセンサーは、ほとんどがシリコン基板を持っていますが、最近では、電解液と接触するゲート絶縁体またはチャネル面をヒドロキシ基、カルボキシ基、アミノ基4、5、6、7、8、9などの官能基で覆う必要がある、pH感受性ISFETセンサーにさまざまな半導体材料が適用されています。

このような溶液依存性ISFETは、ゲート絶縁体またはチャネル表面が生物学的または化学的に活性な受容体で修飾されており、一部の電子デバイスに組み込むことができるポータブルバイオセンサーに適用されています10、11、12。この生物学的に結合したゲート(チャネル)FETは、しばしばバイオFETと呼ばれ、体液に含まれる生体分子またはイオンの電荷を検出することにより、定量的および選択的なバイオセンシングを実現する必要があります。さらに、最近では、MoS2、WSe213,14、グラフェン15,16、Si ナノワイヤ17,18 など、さまざまな低次元材料がバイオ FET の感度を高めるために利用されています。しかし、構造と製造プロセスに関連する複雑さにより、低次元バイオFETは通常、チャネル、ソース/ドレイン電極、ゲート絶縁フィルムに異種の材料を必要とするため、広く使用されていません。

私たちの以前の研究では、導電性酸化物であるITOが厚さ~20 nm19,20,21,22と小さくなると半導体になるという事実に基づいて、酸化インジウムスズ(ITO)の一体シートが2次元(2D)のようなバイオFETとして機能することを明らかにしました。導電性ITO単膜の中間部分を酸性溶液でエッチングして超薄型にすることで、半導体チャネルを備えた一体型ITOの作製が可能になり、ソース電極とドレイン電極、および界面のないチャネルを完全に統合することができます21,22。次に、ITOチャネル表面を参照電極でサンプル溶液に浸し、溶液依存性ITO-ISFETとして機能化します。溶液依存性ワンピース ITO-ISFET は、従来の溶液依存性シリコンベースの ISFET と比較して、主に ITO チャネル表面がサンプル溶液と直接接触することに起因する急なサブスレッショルド勾配 (SS) を示します (補足図 1B)。これは、ITOチャネル/溶液界面における比較的大きな電気二重層静電容量が、SS19、20、21、22を決定する支配的な要因として機能することを意味します。さらに、溶液依存性ワンピースITO-ISFETは、化学熱力学的関係(すなわち、ネルンスト方程式)4,19,21に従ってpH応答性を示します。水溶液と接触しているITOチャネル表面は、他の酸化物または窒化物膜と同じように、pHに応じて正電荷を持つ水素イオンとの平衡状態を維持するヒドロキシ基を都合よく持っています2,3。さらに、溶液依存性一体型ITO-ISFETを官能基化することで、ウイルスやDNA分子などの生体分子を検出することができました20,22。

この記事では、バイオセンシング用のソリューションゲート一体型ITO-ISFETを簡単かつ迅速に製造する方法について説明します。特に、製造のためのフォトリソグラフィーおよびエッチングプロセスは単純に使用され、次に電解質溶液が参照電極でITOチャネル表面に添加される。つまり、サンプル溶液は溶液ゲート電極として機能します。そのため、ソリューションゲートの一体型ITO-ISFETは、わずか半日の製造工程で得られるpHセンサーとして機能します。

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プロトコル

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この研究で使用された試薬と機器は、 材料表に記載されています。

1. 一体型ITO-ISFETの製作(図1A)

  1. OFPR-800のパターニング
    1. ガラス基板(12 mm×24 mm)をアセトン、メタノール、および水でそれぞれ5分間超音波処理して洗浄します。次に、N2ガスブロワーで基材を乾燥させ、その後、ホットプレートで110°Cで5分以上焼き上げて基材を完全に乾燥させる。
    2. ガラス基板にOFPR-800層を500rpmで5秒間、3000rpmで30秒間スピンコートします。コーティングの均一性を確認します。
    3. 基板をホットプレート上で110°Cで5分間予焼します。次に、基板を室温まで冷却します。
    4. フォトマスクフィルムを基板のフォトレジストでコーティングされた面に置き、テープで固定します(補足図2A)。
    5. フォトリソグラフィ装置で基板をUV(200W)に40秒間露光します。
      注:露光時間は使用する機器によって異なり、必要なフォトレジストの用量に基づいています。
    6. フォトリソグラフィ機から基板を取り出し、フォトマスクを取り外します。
    7. フォトレジストをNMD-3で1分間現像し、フォトレジストがシャープなパターンを形成することを確認します。次に、基材を水に浸して洗浄します。
    8. N2 ガスを吹き付けて基板を乾燥させます。次に、基板をホットプレート上で110°Cで5分間ポストベークします。
  2. 伊藤の証言録取
    1. 基板ホルダーにテープで基板を固定し、スパッタリング装置の真空チャンバーに導入します。
    2. スパッタリングチャンバーを10-3 Pa以下にポンプダウンします。
    3. 加熱せずにArガス(0.2 Pa)下で4 nm/minの高周波スパッタリングにより、ITO(In 2O3 90 wt%およびSnO2 10 wt%)を~100 nmの厚さに堆積させます。
  3. SU-8のパターニング(図1B)
    1. フォトレジストをアセトン、メタノール、および水中でそれぞれ5分間超音波処理して持ち上げます。ITOの小さな破片が基板に残らないようにしてください。汚染がひどいと思われる場合は、清潔なワイパーで拭いてから、超音波処理によって基材を再度洗浄します。
    2. N2 ガスブロワーで基板を吹き付けます。次に、基板をホットプレートで110°Cで焼き、基板を完全に乾燥させます。
    3. SU-8 3005層でガラス基板を500 rpmで5秒間、6000 rpmで30秒間スピンコートします。コーティングの均一性を確認します。
    4. 基板をホットプレート上で95°Cで5分間予焼し、その後基板を室温まで冷却します。
    5. フォトレジストでコーティングされた基板にフォトマスクフィルムを貼り、テープで固定します(補足図2B)。
    6. 基板をUV(200W)に7秒間さらします。次に、フォトリソグラフィ機から基板を取り出し、フォトマスクを取り外します。
    7. 基板を65°Cで2分間、95°Cで5分間ポストベークします。
    8. フォトレジストをSU-8現像液で3分間、強く撹拌して現像します。次に、基質を2-プロパノールで1分間洗浄します。フォトレジストが完全に現像されていることを確認してください。
    9. N2 ガスを吹き付けて基板を乾燥させます。
  4. エッチングによる半導体ITOチャネルの形成(図1C)
    1. 0.1 M塩酸(HCl)を調製します。
    2. 図1Bに示すように、ソース電極とドレイン電極を半導体パラメータアナライザに接続します。
    3. [クラシック テスト] タブを選択し、[I/V-t サンプリング] を選択します。
    4. サンプリング間隔を0.5秒に設定します。
    5. ソース電極とドレイン電極の間に1Vの電圧を印加し、初期電流(IDS0)を決定します。
    6. 調製したHCl溶液(30 μL)を露出したITOチャネル領域に一滴置きます。ドロップがチャネル領域を完全に覆うことを確認します。
    7. ソース電極とドレイン電極の間の電流を監視することにより、導電率の変化を監視します。電流が初期IDS0の10%に減少するまでエッチングを続けます。
    8. ITOチャネルの厚さ(~10-20 nm)を制御するために、エッチング電流比が初期IDS0 の10%に達したらすぐにITOチャネルを脱イオン水ですすぎ、エッチングを停止します。これは、ソース、チャネル、およびドレイン電極の間にインターフェースのない一体型トランジスタと見なされます。
    9. N2 ガスブロワーを使用して、N2 ガスをそっと吹き付けて一体型トランジスタを乾燥させます。
    10. 測定まで真空デシケーターに保管してください。

2. 一体型ITO-ISFETの電気的測定

  1. 電気測定システムのセットアップ
    1. 一体型トランジスタのソース電極とドレイン電極をテスト治具 を介して 半導体パラメータアナライザに接続します。
    2. サンプルが配置されるウェルとして、ITOチャネル表面の周りにシリコンOリングを配置します。
    3. 30 μLのリン酸緩衝液(PB、pH 7.41)またはその他の標準pH緩衝液(pHs 4.01、6.86、7.41、および9.18)をシリコンOリングに慎重に加え、溶液とITOチャネル表面が直接接触するようにします。この溶液はゲート電解質として機能します。
    4. 塩橋によってゲート電解質に接続された飽和KCl溶液にAg/AgCl参照電極を挿入します。
    5. Ag/AgCl参照電極を、ゲート電極として機能する半導体パラメータアナライザーに接続します。
    6. B1500Aの電源を入れ、 EasyEXPART ソフトウェアを起動し、 Workspaceを開きます。
  2. IDS-V GS の転送特性
    1. 「クラシック・テスト」タブを選択し、「I/V スイープ」を選択します。
    2. ソース電極をアースに接続します。
    3. 1Vの定ドレイン電圧(VDS)を印加するようにパラメータを設定します。
      注:水の電気分解を避けるために、各電極の電位は-1 V〜1 Vである必要があります。
    4. ゲート電圧のスイープ範囲(VGS)を-0.8V〜+0.8Vに、スイープレートを約50mV/sに設定します。
      注:スイープレートは、PLCモードで「ステップ数」を141に、「遅延」を10msに設定し、「A / Dコンバーター」をHR ADCに設定することで制御できます(係数:2)。
    5. 反復回数を10サイクルに設定し、前回のサイクルで得られたデータを解析に使用します。同時に、ソース電極とゲート電極(IGS)間のリーク電流が得られます。
    6. 測定を開始します。
      注:すべての測定データは「結果」タブに自動的に保存されます。
  3. IDS-V DS の転送特性
    1. [アプリケーションテスト]タブで[CMOS]カテゴリを選択し、[Id-Vdモード]を選択します
    2. VGSは、0.1V間隔で0Vから0.8Vに順次変化するように設定します。
    3. 各VGSのVDSを設定して、0.01V間隔で0Vから1Vまでスイープします。
    4. 測定を開始します。
  4. フォローアップ手順
    1. Oリングを取り外し、チャネル表面を脱イオン水ですすいでください。次に、N2 ガスを吹き付けて一体型ITO装置を乾燥させます。
    2. デバイスを真空デシケーターに保管してください。

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結果

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図2Aは、エッチング中に測定された電流の変化(IDS0)を示しています。IDS0 は、エッチング開始後約 800 秒でほぼ一定のままでした。さらにエッチングを進めると、I DS0は急速に減少し始めました。これは、ITO膜の厚さが減少し、ITO膜19の空乏層の厚さに近づいていたことを示している。これにより、キャリアとしての電子は表面電位によってチャネル内で影響を受け始め、導電率は低下しました。

エッチング時間は、最初のIDS0の約3%〜90%であるIDS0を得るために制御されました。つまり、IDS0の減少率を制御することによって、ITOチャネルの厚さが変更されました。すべてのデバイスについて、トランジスタ特性は室温でPBで測定されました。その...

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ディスカッション

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

上記のプロトコルによれば、一体型ITO-ISFETは、短くて簡単なプロセス(約半日)でソリューションゲートFETセンサー(pHセンサーなど)として製造できます。ITOは、空乏層の厚さが約20nm以下で半導体特性を示すため、pH感受性溶液依存性ISFETのチャネルとして適しています。

導電性ITO単膜の中間部を酸性溶液でエッチングして超薄型にすることで、ソース、ドレイン電極、チャネルがインターフェースなしで完全に一体化した半導体チャネルを備えた一体型ITO-ISFETを作製できます。次に、ITOチャネル表面を参照電極でサンプル溶液に浸し、溶液ゲートISFETとして機能させます。

ただし、エッチング時間は、初期厚さ、エッチング液の流量、ITO 膜の結晶化度などの要因のわずかな変動に依存する可能性があるため、正確に固定することはできません。したがって、エッチング電流の減少速度を制御することは、半導体チャネルの適切なエッチング時間を決定するための最も効果的な方法と考え...

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開示事項

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

著者には宣言すべき利益相反はありません。

謝辞

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本研究は、MERIT、WINGSプログラム、東京大学の支援を受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
1M HCl富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社083-01095
2-プロパノール富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社166-04831
アセトン富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社019-00353
Agワイヤーニラコ社AG-401385
寒天富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社010-15815
緩衝液標準(リン酸塩pH標準等モル溶液)pH6.86(25°C)富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社025-03195
緩衝液標準液(フタル酸エステルpH標準溶液)pH4.01(25°C)富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社028-03185
緩衝液標準液(四ホウ酸塩pH標準溶液)pH9.18(25°C)富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社028-03205
カーボンテープ日清EM7321
電気化学分析装置BAS機器618 E
フィルムマスクうの技研株式会社オーダーメイド
ホットプレートアズ・ワン・コーポレーションND-1
メタノール富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社137-01823
マイクロカバーガラス松波硝子工業株式会社12&回;24 No.5ガラス基板用
マイクロピペットエッペンドルフ SE3123000055
NMD-3東京大華工業株式会社NMD-3
OFPR-800型東京大華工業株式会社OFPR-800型
リン酸塩pH標準溶液富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社166-17445
フォトリソグラフィ機ニュートロニクス・クインテルPhL Q-2001CT
ポタシウムクロライド富士フイルム和光ピュアケミカルズ株式会社163-03545
半導体デバイスパラメータアナライザキーサイトB1500A型ソフトウェアバージョン:リビジョン5および6
半導体デバイスパラメータアナライザソース測定ユニットキーサイトB1517A型ソース、ドレイン、ゲート用  
半導体デバイスパラメータアナライザテストフィクスチャキーサイトB1500A オプション A5F
シリコンOリングMasuokaTokyo Co., Ltd.P-5
スピンコーターミカサ株式会社MS-A100
スパッタリング装置アルバック株式会社オーダーメイド
SU-8 3005型日本化薬株式会社SU8-3005
SU-8 現像液日本化薬株式会社SU-8 現像液
超音波浴株式会社SNDUS-102
白色光干渉計キーエンス株式会社VK-X3000

参考文献

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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FET pH

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