민감한 바이오센싱을 가능하게 하는 용액 개폐 인듐-주석-산화물 기반 일체형 트랜지스터 제작

이 연구의 범위는 pH 감지 및 고감도 바이오 감지를 위한 용액 게이트 일체형 트랜지스터를 제조하는 간단하고 신속한 방법을 입증하는 것입니다. 용액 게이트 FET 바이오센서의 검출 감도를 높이기 위해 재료의 소형화 및 저치수화 기술이 사용되었습니다. 우리는 전도성 ITO 박막의 일부를 반전도성을 나타내는 두께로 에칭하기만 하면 용액 게이트 FET를 쉽게 제작할 수 있다는 것을 발견했으며, 올 바이 ITO 기술을 제공합니다.

이 방법을 사용하면 솔루션 게이트 FET를 다른 프로토콜보다 더 쉽게 제작할 수 있으며, 제작된 장치는 감도와 관련된 가파른 임계값 이하 기울기를 보여줍니다. 제안된 방법은 소스, 드레인 전극 및 채널이 인터페이스 없이 완전히 통합되기 때문에 최고의 pH 감지 및 고감도 바이오 감지를 제공하는 all-by-ITO 기술을 제공합니다. 시작하려면 유리 기판을 아세톤, 메탄올 및 물에 각각 5분 동안 초음파 처리하여 세척합니다.

질소 가스 송풍기를 사용하여 기판을 완전히 건조시킨 후 섭씨 110도의 핫플레이트에서 5분 이상 구워 완전히 건조되도록 합니다. 건조된 유리 기판을 500 RPM에서 5 초 동안 OFPR-800 층으로 스핀 코팅 한 다음 3, 000 RPM에서 30 초 동안 스핀 코팅합니다. 코팅된 기판을 섭씨 110도의 핫 플레이트에서 5분 동안 미리 굽습니다.

계속하기 전에 기판을 실온으로 식히십시오. 포토 마스크 필름을 기판의 포토 esist 코팅 면에 배치하고 테이프를 사용하여 제자리에 단단히 고정합니다. 그런 다음 포토리소그래피 기계를 사용하여 기판을 자외선에 40초 동안 노출시킵니다.

이제 포토리소그래피 기계에서 기판을 꺼내 표면에서 포토마스크를 조심스럽게 제거합니다. 포토레지스트를 개발하려면 기판을 NMD-3 현상액에 1분 동안 담그고 날카로운 패턴이 형성되는지 확인합니다. 그런 다음 기판을 물에 담가 현상액을 씻어냅니다.

질소 가스를 불어 세척한 기질을 건조시킨 후 섭씨 110도의 핫 플레이트에서 5분간 굽습니다. 증착을 시작하려면 테이프를 사용하여 기판을 기판 홀더에 고정하고 스퍼터링 기계의 진공 챔버에 도입합니다. 스퍼터링 챔버 압력을 10 미만으로 펌핑하여 3파스칼의 거듭제곱으로 낮춥니다.

그런 다음 기판 가열 없이 아르곤 아래에서 분당 4나노미터의 고주파 스퍼터링을 통해 100나노미터 두께의 인듐 주석 산화물 층을 증착합니다. 포토레지스트를 들어 올리려면 아세톤, 메탄올, 그리고 5분 동안 물에 기판을 초음파 처리합니다. 그런 다음 질소 가스 송풍기를 사용하여 기판을 불어 건조시키고 완전히 마를 때까지 섭씨 110도의 핫 플레이트에서 굽습니다.

SU-8 3005로 깨끗한 기판을 스핀 코팅하려면 500RPM에서 5초 동안 회전한 다음 6, 000RPM에서 30초 동안 회전합니다. SU-8 코팅 기판을 섭씨 95도로 설정된 핫 플레이트에서 5분 동안 미리 굽습니다. 그런 다음 포토 마스크 필름 (photomask film) 을 포토 esist 코팅 기판에 놓고 테이프로 고정하여 노출 중 움직임을 방지합니다.

SU-8 코팅 기판을 포토리소그래피 기계를 사용하여 7초 동안 자외선에 노출시킵니다. 그런 다음 기계에서 기판을 제거하고 포토마스크를 조심스럽게 분리합니다. 노출된 기판을 먼저 섭씨 65도에서 2분 동안 굽은 다음 섭씨 95도에서 굽고 5분 동안 계속 굽습니다.

포토레지스트를 현상시키기 위해 강한 교반 하에서 기판을 SU-8 현상액에 3분 동안 담급니다. 기판을 2-프로판올로 1분 동안 헹구고 질소 가스 송풍기를 사용하여 현상된 기판을 건조시킵니다. 반도체 인듐 주석 산화물 채널 형성을 시작하려면 0.1몰 염산 용액을 준비하십시오.

그런 다음 소스 및 드레인 전극을 반도체 매개변수 분석기에 연결합니다. B1500A 장치를 켜고 EasyEXPERT 소프트웨어를 시작합니다. 그런 다음 작업 공간 인터페이스를 열어 설정을 시작합니다.

분석기 인터페이스에서 클래식 테스트 탭을 선택한 다음 IVT 샘플링 옵션을 선택합니다. 샘플링 간격을 0.5초로 설정합니다. 소스 전극과 드레인 전극 사이에 1볼트의 전압을 적용하고 초기 전류를 기록합니다.

마이크로피펫을 사용하여 준비된 염산 용액 30마이크로리터 방울을 노출된 인듐 주석 산화물 채널 영역에 직접 떨어뜨립니다. 소스 전극과 드레인 전극 사이의 전류를 지속적으로 모니터링하고 에칭 중 전도도 변화를 관찰합니다. 전류가 초기 값의 10%로 떨어질 때까지 프로세스를 계속합니다.

그런 다음 즉시 에칭된 인듐 주석 산화물 채널을 탈이온수로 헹구어 전류가 초기 전류의 10%에 도달하면 에칭을 중지합니다. 질소 가스 송풍기를 사용하여 헹군 기판 위에 질소 가스를 부드럽게 불어 일체형 트랜지스터를 건조시킵니다. 테스트 픽스처를 사용하여 일체형 트랜지스터의 소스 및 드레인 전극을 반도체 매개변수 분석기에 연결합니다.

인듐 주석 산화물 채널의 표면 주위에 실리콘 O-링을 놓아 액체 우물을 형성합니다. 인듐 주석 산화물 채널 표면과 완전히 접촉하면서 30마이크로리터의 인산염 완충액 또는 다른 표준 pH 완충액을 실리콘 O-링 웰에 첨가합니다. 그런 다음 염교에 의해 게이트 전해질에 연결된 포화 염화칼륨 용액에 은 또는 염화은 기준 전극을 삽입합니다.

은 또는 염화은 기준 전극을 반도체 매개변수 분석기에 연결하여 게이트 전극 역할을 합니다. 반도체 파라미터 분석기에서 클래식 테스트 탭을 선택한 다음 I/V 스윕 모드를 선택합니다. 소스 전극을 접지에 연결하여 기준 전위를 설정합니다.

적용된 드레인 전압을 1볼트의 일정한 값으로 설정합니다. 게이트 전압의 스윕 범위를 마이너스 0.8볼트에서 플러스 0.8볼트로 설정하고 지연, 적분 시간 및 측정 간격을 조정합니다. 그런 다음 반복 횟수를 10주기로 설정하고 최종 주기의 데이터를 분석에 사용합니다.

동시에 소스 전극과 게이트 전극 사이의 누설 전류가 기록되었는지 확인하고 측정을 시작합니다. 반도체 파라미터 분석기의 애플리케이션 테스트 탭에서 CMOS 카테고리를 선택한 다음 Id-Vd 모드를 선택합니다. 게이트 전압을 설정하여 0.8볼트에서 0.8볼트 간격으로 순차적으로 증가합니다.

각 게이트 전압 값에 대해 드레인 전압을 0.01볼트 간격으로 0볼트에서 1볼트로 스윕하도록 설정하고 측정을 시작합니다. 이제 채널 표면 주변에서 실리콘 O-링을 제거합니다. 그런 다음 탈이온수로 채널 영역을 철저히 헹굽니다.

질소 가스 송풍기를 사용하여 일체형 인듐 주석 산화물 장치를 건조시킵니다. 인듐 주석 산화물 이온 민감성 전계 효과 트랜지스터는 10년당 약 81밀리볼트의 가파른 임계값 이하 기울기를 보여 섭씨 25도에서 거의 이상적인 스위칭 동작을 나타냅니다. 게이트 누설 전류는 채널이 전해질 용액에 직접 노출된 경우에도 드레인 전류보다 4배 낮게 유지되었습니다.

드레인 전류는 드레인 전압에 따라 증가하고 각 게이트 전압에서 포화 거동을 보여 우수한 전계 효과 트랜지스터 특성을 확인했습니다. 온/오프 전류 비율은 20나노미터 미만의 채널 두께에 대해 10, 000을 초과했지만 더 큰 두께에서는 급격히 떨어졌습니다. 일체형 인듐 주석 산화물 이온 민감성 전계 효과 트랜지스터는 pH 변화에 선형적으로 반응하여 pH 단위당 약 51밀리볼트의 전압 이동을 나타냈습니다.

pH 민감도는 습식 보관 5일 후 약간 증가하여 이상적인 Nernstian 한계에 근접했으며 16일 후에도 유지되었습니다.