Fabricage van een oplossingsafhankelijke transistor op basis van indium-tinoxide uit één stuk die gevoelige biodetectie mogelijk maakt

Het doel van dit onderzoek is het demonstreren van een eenvoudige en snelle methode voor het fabriceren van een oplossingsafhankelijke transistor uit één stuk voor pH-detectie en zeer gevoelige biodetectie. Om de detectiegevoeligheid van oplossingsafhankelijke FET-biosensoren te verhogen, zijn de technologieën van miniaturisatie en lagere dimensionering van materiaal gebruikt. We hebben ontdekt dat een oplossingsafhankelijke FET gemakkelijk kan worden vervaardigd door simpelweg een deel van de geleidende ITO-dunne film te etsen tot een dikte die halfgeleidbaarheid vertoont, waardoor een alles-door-ITO-technologie wordt geboden.

Met deze methode kan een oplossingsafhankelijke FET gemakkelijker worden gefabriceerd dan met andere protocollen, en het gefabriceerde apparaat vertoont een steile helling onder de drempelwaarde, die verband houdt met gevoeligheid. De voorgestelde methode biedt een all-by-ITO-technologie, toonaangevende pH-detectie en zeer gevoelige biosensing, omdat de bron, afvoerelektroden en het kanaal volledig zijn geïntegreerd zonder interfaces. Was om te beginnen het glazen substraat door het elk vijf minuten in aceton, methanol en water te soniseren.

Droog het substraat met een stikstofgasblazer grondig en bak het langer dan vijf minuten op een hete plaat op 110 graden Celsius om ervoor te zorgen dat het helemaal droog is. Spin-coat het gedroogde glassubstraat met een OFPR-800-laag bij 500 RPM gedurende vijf seconden, gevolgd door 3.000 RPM gedurende 30 seconden. Bak het gecoate substraat vijf minuten voor op een hete plaat op 110 graden Celsius.

Laat het substraat afkoelen tot kamertemperatuur voordat je verder gaat. Plaats de fotomaskerfilm op de met fotoresist beklede kant van het substraat en gebruik tape om deze stevig op zijn plaats te bevestigen. Stel het substraat vervolgens gedurende 40 seconden bloot aan ultraviolet licht met behulp van een fotolithografiemachine.

Haal nu het substraat uit de fotolithografiemachine en verwijder het fotomasker voorzichtig van het oppervlak. Om de fotoresist te ontwikkelen, dompelt u het substraat één minuut onder in de NMD-3-ontwikkelaar en controleert u of er een scherp patroon wordt gevormd. Dompel het substraat vervolgens onder in water om de ontwikkelaar weg te spoelen.

Na het drogen van het gewassen substraat door stikstofgas te blazen, bak je het vijf minuten op een hete plaat op 110 graden Celsius. Om met het aanbrengen te beginnen, bevestigt u het substraat met tape op een substraathouder en brengt u het in de vacuümkamer van een sputtermachine. Pomp de druk van de sputterkamer terug tot onder de 10 tot de macht van 3 pascal.

Zet vervolgens via radiofrequent sputteren met vier nanometer per minuut een 100 nanometer dikke laag indiumtinoxide af onder argon zonder substraatverwarming. Om de fotoresist op te tillen, sonificeert u het substraat in aceton, methanol en vervolgens vijf minuten water. Blaas het substraat vervolgens droog met een stikstofgasblazer en bak het op een hete plaat op 110 graden Celsius tot het volledig droog is.

Om het schone substraat te spincoaten met SU-8 3005, centrifugeert u vijf seconden met 500 tpm, gevolgd door 6.000 tpm gedurende 30 seconden. Bak het SU-8-gecoate substraat vijf minuten voor op een hete plaat die is ingesteld op 95 graden Celsius. Plaats vervolgens de fotomaskerfilm op het met fotoresist gecoate substraat en zet deze vast met tape om beweging tijdens de belichting te voorkomen.

Stel het SU-8-gecoate substraat gedurende zeven seconden bloot aan ultraviolet licht met behulp van een fotolithografiemachine. Verwijder vervolgens het substraat van de machine en maak het fotomasker voorzichtig los. Bak het blootgestelde substraat eerst twee minuten op 65 graden Celsius, daarna op 95 graden Celsius en bak nog vijf minuten verder.

Dompel het substraat drie minuten onder sterke agitatie onder in de SU-8-ontwikkelaar om de fotoresist te ontwikkelen. Spoel het substraat gedurende één minuut af in 2-propanol en droog het ontwikkelde substraat met een stikstofgasblazer. Om te beginnen met het vormen van het halfgeleidende indiumtinoxidekanaal, bereidt u een 0,1 molaire zoutzuuroplossing voor.

Sluit vervolgens de bron- en afvoerelektroden aan op een halfgeleiderparameteranalysator. Schakel het B1500A-apparaat in en start de EasyEXPERT-software. Open vervolgens de werkruimte-interface om de installatie te starten.

Selecteer in de interface van de analysator het tabblad Klassieke test en kies vervolgens de optie IVT-bemonstering. Stel het bemonsteringsinterval in op 0,5 seconde. Pas een spanning van één volt toe tussen de bron- en afvoerelektroden en registreer de beginstroom.

Breng met behulp van een micropipet een druppel van 30 microliter van de bereide zoutzuuroplossing rechtstreeks op het blootgestelde indiumtinoxidekanaal aan. Bewaak continu de stroom tussen de bron- en afvoerelektroden en observeer de geleidbaarheidsverandering tijdens het etsen. Ga door met het proces totdat de stroom daalt tot 10% van de beginwaarde.

Spoel vervolgens het geëtste indiumtinoxidekanaal onmiddellijk af met gedeïoniseerd water om het etsen te stoppen zodra de stroom 10% van de oorspronkelijke stroom bereikt. Droog de transistor uit één stuk door voorzichtig stikstofgas over het gespoelde substraat te blazen met behulp van een stikstofgasblazer. Sluit met behulp van een testopstelling de bron- en afvoerelektroden van de transistor uit één stuk aan op de halfgeleiderparameteranalysator.

Plaats een siliconen O-ring rond het oppervlak van het indiumtinoxidekanaal om een vloeistofput te vormen. Voeg 30 microliter fosfaatbuffer of een andere standaard pH-bufferoplossing toe aan de siliconen O-ring terwijl u volledig contact maakt met het oppervlak van het indiumtinoxidekanaal. Steek vervolgens een referentie-elektrode van zilver of zilverchloride in een verzadigde kaliumchloride-oplossing, die via een zoutbrug met de poortelektrolyt is verbonden.

Sluit de zilver- of zilverchloride-referentie-elektrode aan op de halfgeleiderparameteranalysator, zodat deze functioneert als de poortelektrode. Selecteer op de halfgeleiderparameteranalysator het tabblad Klassieke test en kies vervolgens de I/V Sweep-modus. Sluit de bronelektrode aan op aarde om een referentiepotentiaal vast te stellen.

Stel de toegepaste afvoerspanning in op een constante waarde van één volt. Stel het bereik van poortspanningen in van min 0.8 volt tot plus 0.8 volt en pas de vertraging, integratietijd en het meetinterval aan. Stel vervolgens het aantal iteraties in op 10 cycli en gebruik de gegevens van de uiteindelijke cyclus voor analyse.

Zorg er tegelijkertijd voor dat de lekstroom tussen de bron- en poortelektroden wordt geregistreerd en start de meting. Selecteer op de halfgeleiderparameteranalysator de CMOS-categorie op het tabblad Toepassingstest en kies vervolgens de Id-Vd-modus. Stel de poortspanning in om achtereenvolgens te stijgen van nul volt naar 0.8 volt met intervallen van 0.1 volt.

Stel voor elke poortspanningswaarde de afvoerspanning in op nul volt naar één volt in intervallen van 0.01 volt en start de meting. Verwijder nu de siliconen O-ring rond het kanaaloppervlak. Spoel vervolgens het kanaalgebied grondig af met gedeïoniseerd water.

Droog het indiumtinoxide-apparaat uit één stuk met behulp van een stikstofgasblazer. De indiumtinoxide-iongevoelige veldeffecttransistor vertoonde een steile helling onder de drempel van ongeveer 81 millivolt per decennium, wat wijst op een bijna ideaal schakelgedrag bij 25 graden Celsius. De lekstroom van de poort bleef vier ordes van grootte lager dan de afvoerstroom, zelfs wanneer het kanaal direct werd blootgesteld aan de elektrolytoplossing.

De afvoerstroom nam toe met de afvoerspanning en vertoonde verzadigingsgedrag bij elke poortspanning, wat een goede transistorkarakteristiek met veldeffect bevestigt. De aan/uit-stroomverhouding bedroeg meer dan 10.000 voor kanaaldiktes van minder dan 20 nanometer, maar daalde drastisch bij grotere diktes. De indiumtinoxide-iongevoelige veldeffecttransistor uit één stuk reageerde lineair op pH-veranderingen en vertoonde een spanningsverschuiving van ongeveer 51 millivolt per pH-eenheid.

De pH-gevoeligheid nam licht toe na vijf dagen natte opslag, tot het naderen van de ideale Nernstiaanse limiet, en bleef zelfs na 16 dagen behouden.