Wytwarzanie jednoczęściowego tranzystora na bazie tlenku indu i cyny z bramką rozpuszczającą, umożliwiającego czułą biodetekcję

Zakres tych badań polega na zademonstrowaniu prostej i szybkiej metody wytwarzania jednoczęściowego tranzystora bramkowanego roztworem do pomiaru pH i bardzo czułej biodetekcji. Aby zwiększyć czułość detekcji biosensorów FET bramkowanych roztworem, zastosowano technologie miniaturyzacji i niższego wymiarowania materiału. Odkryliśmy, że tranzystor FET bramkowany roztworem można łatwo wytworzyć, po prostu wytrawiając część cienkiej warstwy przewodzącej ITO do grubości wykazującej półprzewodność, zapewniając technologię all-by-ITO.

Korzystając z tej metody, tranzystor FET bramkowany roztworem można wytworzyć łatwiej niż w przypadku innych protokołów, a wyprodukowane urządzenie wykazuje strome nachylenie podprogowe, co jest związane z czułością. Proponowana metoda zapewnia technologię all-by-ITO, wiodące wykrywanie pH i bardzo czułe biowykrywanie, ponieważ źródło, elektrody drenujące i kanał są w pełni zintegrowane bez żadnych interfejsów. Na początek umyj szklane podłoże, sonikując je w acetonie, metanolu i wodzie przez pięć minut każdy.

Za pomocą dmuchawy gazowej azotu dokładnie wysusz podłoże i piecz je na gorącej płycie w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez ponad pięć minut, aby upewnić się, że jest całkowicie suche. Wirowanie wysuszonego podłoża szklanego warstwą OFPR-800 przy 500 obr./min przez pięć sekund, a następnie 3 000 obr./min przez 30 sekund. Wstępnie upiecz pokryte podłoże na gorącej płycie w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez pięć minut.

Przed kontynuowaniem poczekaj, aż podłoże ostygnie do temperatury pokojowej. Umieść folię fotomaskującą po stronie podłoża pokrytej fotorezystem i użyj taśmy, aby bezpiecznie ją przymocować. Następnie wystaw podłoże na działanie światła ultrafioletowego za pomocą maszyny fotolitograficznej przez 40 sekund.

Teraz wyjmij podłoże z maszyny fotolitograficznej i ostrożnie usuń fotomaskę z powierzchni. Aby wywołać fotorezyst, zanurz podłoże w wywoływaczu NMD-3 na jedną minutę i sprawdź, czy powstał ostry wzór. Następnie zanurz podłoże w wodzie, aby zmyć wywoływacz.

Po wysuszeniu umytego podłoża poprzez wdmuchiwanie azotu pieczemy je na gorącej płycie w temperaturze 110 stopni Celsjusza przez pięć minut. Aby rozpocząć osadzanie, przymocuj podłoże do uchwytu podłoża za pomocą taśmy i wprowadź je do komory próżniowej maszyny do napylania. Obniż ciśnienie w komorze rozpylania poniżej 10 do potęgi 3 paskalów.

Następnie umieść warstwę tlenku indu i cyny o grubości 100 nanometrów za pomocą rozpylania falami radiowymi z prędkością czterech nanometrów na minutę pod argonem bez ogrzewania substratu. Aby zdjąć fotorezyst, należy poddać podłoże sonikacji w acetonie, metanolu, a następnie wodzie przez pięć minut. Następnie wydmuchaj podłoże do sucha za pomocą dmuchawy gazowej azotu i upiecz je na gorącej płycie w temperaturze 110 stopni Celsjusza do całkowitego wyschnięcia.

Aby pokryć czyste podłoże SU-8 3005, wiruj z prędkością 500 obr./min przez pięć sekund, a następnie 6 000 obr./min przez 30 sekund. Wstępnie upiecz podłoże pokryte SU-8 na płycie grzejnej ustawionej na 95 stopni Celsjusza przez pięć minut. Następnie umieść film fotomaski na podłożu pokrytym fotorezystem i zabezpiecz go taśmą, aby zapobiec wszelkim ruchom podczas naświetlania.

Wystaw podłoże pokryte powłoką SU-8 na działanie światła ultrafioletowego przez siedem sekund za pomocą maszyny fotolitograficznej. Następnie usuń podłoże z maszyny i ostrożnie zdejmij fotomaskę. Upiecz odsłonięte podłoże najpierw w temperaturze 65 stopni Celsjusza przez dwie minuty, a następnie w 95 stopniach Celsjusza i kontynuuj pieczenie przez pięć minut.

Zanurz podłoże w wywoływaczu SU-8 na trzy minuty pod silnym mieszaniem, aby wywołać fotorezystor. Płukać podłoże w 2-propanolu przez minutę i wysuszyć powstałe podłoże za pomocą dmuchawy gazowej azotu. Aby rozpocząć tworzenie półprzewodnikowego kanału tlenku indu i cyny, przygotuj 0,1 molowy roztwór kwasu solnego.

Następnie podłącz elektrody źródłowe i drenujące do analizatora parametrów półprzewodników. Włącz urządzenie B1500A i uruchom oprogramowanie EasyEXPERT. Następnie otwórz interfejs przestrzeni roboczej, aby rozpocząć konfigurację.

W interfejsie analizatora wybierz kartę Test klasyczny, a następnie wybierz opcję Próbkowanie IVT. Ustaw interwał próbkowania na 0,5 sekundy. Przyłóż napięcie jednego wolta między elektrodą źródła a drenu i zapisz prąd początkowy.

Za pomocą mikropipety umieść 30 mikrolitrów kropli przygotowanego roztworu kwasu solnego bezpośrednio na odsłoniętym obszarze kanału tlenku indu i cyny. Stale monitoruj prąd między elektrodami źródłowymi a drenującymi i obserwuj zmianę przewodności podczas trawienia. Kontynuuj proces, aż prąd spadnie do 10% wartości początkowej.

Następnie natychmiast przepłucz wytrawiony kanał tlenku indu i cyny wodą dejonizowaną, aby zatrzymać trawienie, gdy prąd osiągnie 10% prądu początkowego. Osuszyć jednoczęściowy tranzystor, delikatnie wdmuchując gazowy azot na wypłukane podłoże za pomocą dmuchawy gazowej azotu. Za pomocą przyrządu testowego podłącz elektrody źródłowe i drenujące jednoczęściowego tranzystora do analizatora parametrów półprzewodnikowych.

Umieść silikonowy O-ring wokół powierzchni kanału tlenku indu i cyny, aby dobrze utworzyć płyn. Dodaj 30 mikrolitrów buforu fosforanowego lub innego standardowego roztworu buforowego pH do studzienki silikonowego O-ringu, zachowując pełny kontakt z powierzchnią kanału tlenku indu i cyny. Następnie włóż elektrodę referencyjną ze srebra lub chlorku srebra do nasyconego roztworu chlorku potasu, który jest połączony z elektrolitem bramki za pomocą mostka solnego.

Podłącz elektrodę referencyjną srebra lub chlorku srebra do analizatora parametrów półprzewodników, tak aby działała jako elektroda bramkowa. W analizatorze parametrów półprzewodników wybierz kartę Test klasyczny, a następnie wybierz tryb przemiatania I/V. Podłącz elektrodę źródłową do masy, aby ustalić potencjał odniesienia.

Ustaw przyłożone napięcie drenu na stałą wartość jednego wolta. Ustaw zakres przemiatania napięć bramki od minus 0,8 V do plus 0,8 V i dostosuj opóźnienie, czas integracji i interwał pomiaru. Następnie ustaw liczbę iteracji na 10 cykli i wykorzystaj dane z ostatniego cyklu do analizy.

Jednocześnie upewnij się, że prąd upływowy między elektrodą źródła a bramką jest zarejestrowany i rozpocznij pomiar. W analizatorze parametrów półprzewodników wybierz kategorię CMOS na karcie Test aplikacji, a następnie wybierz tryb Id-Vd. Ustaw napięcie bramki tak, aby wzrastało sekwencyjnie od zera woltów do 0,8 wolta w odstępach 0,1 wolta.

Dla każdej wartości napięcia bramki ustaw napięcie drenu tak, aby przechodziło od zera woltów do jednego wolta w odstępach 0,01 V i rozpocznij pomiar. Teraz usuń silikonowy O-ring z okolic powierzchni kanału. Następnie dokładnie spłucz obszar kanału wodą dejonizowaną.

Wysuszyć jednoczęściowe urządzenie z tlenkiem indu i cyny za pomocą dmuchawy gazowej azotu. Wrażliwy na jony tlenku indu indu tranzystor polowy wykazywał strome nachylenie podprogowe wynoszące około 81 miliwoltów na dekadę, co wskazuje na bliskie ideału zachowanie przełączania w temperaturze 25 stopni Celsjusza. Prąd upływowy bramki pozostawał o cztery rzędy wielkości niższy niż prąd drenu, nawet gdy kanał był bezpośrednio wystawiony na działanie roztworu elektrolitu.

Prąd drenu wzrastał wraz z napięciem drenu i wykazywał zachowanie nasycenia przy każdym napięciu bramki, co potwierdza dobrą charakterystykę tranzystora polowego. Współczynnik prądu włączania / wyłączania przekraczał 10 000 dla grubości kanałów poniżej 20 nanometrów, ale drastycznie spadał przy większych grubościach. Jednoczęściowy tranzystor polowy z tlenkiem indu i cyny reagował liniowo na zmiany pH, wykazując przesunięcie napięcia o około 51 miliwoltów na jednostkę pH.

Czułość pH nieznacznie wzrosła po pięciu dniach mokrego przechowywania, zbliżając się do idealnego limitu Nernstiana, i utrzymywała się nawet po 16 dniach.