Методическая статья

Изготовление цельного транзистора на основе литого раствора оксида индия-олова, обеспечивающего чувствительное биозондирование

DOI:

10.3791/68755

⸱

29 августа 2025 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

В настоящем протоколе описывается изготовление цельного ионно-чувствительного полевого транзистора (ISFET) на основе оксида индия-олова (ITO), который может быть сконструирован как датчик полевых транзисторов на основе раствора (например, датчик pH) с использованием короткого и простого процесса (примерно полдня). Этот цельный ITO-ISFET также может быть применен для биосенсорики.

Аннотация

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

В этом отчете представлен простой и быстрый метод изготовления цельного цельного транзистора (ISFET) (ITO-ISFET) на основе ионно-чувствительного полевого транзистора (ISFET) (ITO-ISFET) на основе раствора для биозондирования. Несмотря на то, что ITO является проводящим оксидом, он проявляет полупроводниковые свойства при толщине разрушающего слоя примерно 20 нм или менее, что делает его пригодным в качестве канала pH-чувствительного растворозависимого ИСПТ. В частности, путем травления средней части проводящей одинарной тонкой пленки ITO кислотным раствором для придания ей ультратонкости можно изготовить цельный ITO-ISFET с полупроводниковым каналом. Источник, дренажные электроды и канал полностью интегрированы без каких-либо интерфейсов. Затем поверхность канала ITO пропитывается растворами образца с помощью электрода сравнения, что позволяет ему функционировать в качестве ИСТФ, затворенного раствором. Таким образом, цельный ITO-ISFET может быть изготовлен просто и быстро с использованием только распыления с последующим травлением методом фотолитографии, при этом образец раствора удобно служит в качестве затвора.

Введение

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

Предложен ионочувствительный полевой транзистор (ИСПТ) с зависимостью от раствора для детектирования ионов в биологических средах1. В этом устройстве раствор электролита индуцирует межфазный потенциал между раствором и изолятором затвора вместо металлического затвора в транзисторе металл-оксид-полупроводник (МОП), хотя в растворе необходимо использовать электрод сравнения. Изолятор затвора в основном состоит из оксидных или нитридных мембран, таких как Ta2O5, Al2O3, SiO2 и Si3N4; Таким образом, гидроксильные группы на поверхности оксида или нитрида в растворе достигают равновесного состояния с ионами водорода за счет протонирования (−OH + H+figure-introduction-1−OH2+) и депротонирования (−OH figure-introduction-2−O- + H+), поскольку изменение pH обнаруживается по изменению поверхностного заряда на основе принципа полевого эффекта 2,3 (дополнительный рисунок 1). Вот почему оригинальный датчик ISFET до сих пор используется в качестве датчика pH. Такие датчики ISFET в основном имеют кремниевую подложку, но в последнее время к pH-чувствительным датчикам ISFET применяются различные полупроводниковые материалы, которые требуют, чтобы изолятор затвора или поверхность канала, контактирующая с раствором электролита, была покрыта функциональными группами, такими как гидроксигруппы, карбоксигруппы и аминогруппы 4,5,6,7,8,9.

Такой растворозависимый ИСПТ, изолятор затвора или поверхность канала которого модифицированы биологически или химически активными рецепторами, был применен к портативным биосенсорам, которые могут быть встроены в некоторые электронные устройства 10,11,12. Этот биологически связанный вентильный (канальный) FET, часто называемый био-FET, должен осуществлять количественное и селективное биосенсорное восприятие путем обнаружения зарядов биомолекул или ионов, содержащихся в жидкостях организма. Кроме того, для повышения чувствительности био-полевых транзисторов в последнее время используются различные низкоразмерные материалы, такие как MoS2, WSe213,14, графен15,16 и нанопроволоки Si17,18. Тем не менее, сложность, связанная со структурой и производственными процессами, препятствует широкому использованию малоразмерных био-полевых транзисторов, поскольку для них обычно требуются разрозненные материалы для канала, источника/дренажа электродов и изоляционной пленки для затвора.

Наша предыдущая работа показала, что цельный лист оксида индия и олова (ITO) может работать как двумерный (2D)-подобный био-FET на основании того факта, что ITO, который является проводящим оксидом, становится полупроводниковым при его толщине ~20 нм 19,20,21,22. Путем травления средней части проводящей одинарной тонкой пленки ITO кислотным раствором для придания ей ультратонкости, что позволяет изготовить цельный ITO с полупроводниковым каналом, исходный и дренажный электроды и канал без каких-либо интерфейсов могут быть полностью интегрированы21,22. Затем поверхность канала ITO пропитывается растворами образца с помощью электрода сравнения, таким образом функционализируясь как растворозависимый ITO-ISFET. Цельный ИСПТ ITO-ISFET с литниковым стробированием имеет более крутой подпороговый наклон (SS), что в основном объясняется прямым контактом поверхности канала ITO с образцом раствора, по сравнению с обычным литейным ИСТФ на основе кремния (дополнительный рисунок 1B). Это означает, что относительно большая электрическая двухслойная емкость на границе канал/решение ITO выступает в качестве доминирующего фактора, определяющего SS 19,20,21,22. Кроме того, цельный ITO-ISFET, забитый в раствор, проявляет чувствительность к pH в соответствии с химической термодинамической зависимостью (т.е. уравнением Нернста)4,19,21. Поверхность канала ITO, которая находится в контакте с водным раствором, удобно имеет гидроксильные группы, которые поддерживают равновесное состояние с ионами водорода с положительными зарядами, зависящими от pH, так же, как и другие оксидные или нитридные мембраны 2,3. Кроме того, функционализируя цельный ITO-ISFET, основанный на зависании от раствора, стало возможным обнаруживать биомолекулы, такие как вирусы и молекулы ДНК20,22.

В этой статье описан простой и быстрый способ изготовления цельного ITO-ISFET с конструированием раствора для биозондирования. В частности, для изготовления просто используются процессы фотолитографии и травления, а затем на поверхность канала ITO с помощью электрода сравнения добавляется раствор электролита; То есть раствор образца служит растворным затворным электродом. Таким образом, цельный ITO-ISFET с вентиляцией раствора работает как датчик pH, полученный в процессе изготовления, который занимает всего полдня.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

Реагенты и оборудование, использованные в данном исследовании, перечислены в Таблице материалов.

1. Изготовление цельного ITO-ISFET (рисунок 1A)

  1. Структурирование ОФПР-800
    1. Стеклянную подложку (12 мм × 24 мм) промыть ультразвуком в ацетоне, метаноле и воде в течение 5 минут. Затем высушите основание с помощью газовой воздуходувки N2 и затем запекайте при температуре 110 °C на горячей плите дольше 5 минут, чтобы полностью высушить основание.
    2. Покрыть стеклянную подложку слоем OFPR-800 при 500 об/мин в течение 5 с и 3000 об/мин в течение 30 с. Проверьте однородность покрытия.
    3. Предварительно выпекать основание при температуре 110 °C на горячей плите в течение 5 минут. Затем охладите субстрат до комнатной температуры.
    4. Наденьте пленку фотошаблона на сторону подложки, покрытую фоторезистом, и зафиксируйте ее скотчем (дополнительный рисунок 2A).
    5. Подвергайте подложку воздействию ультрафиолета (200 Вт) в течение 40 с в фотолитографической машине.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Время экспозиции зависит от используемого оборудования и основано на необходимой дозе фоторезиста.
    6. Извлеките подложку из фотолитографа и снимите фотошаблон.
    7. Проявите фоторезист в NMD-3 в течение 1 минуты и убедитесь, что фоторезист образует резкий рисунок. Затем промойте субстрат, опустив его в воду.
    8. Высушите субстрат, продув N2 газом. Затем выпекайте основание на конфорке при температуре 110 °C в течение 5 минут.
  2. Депонирование ITO
    1. Закрепите подложку на держателе подложки с помощью ленты и введите ее в вакуумную камеру распылительной машины.
    2. Откачайте камеру распыления ниже 10-3 Па.
    3. Нанесение ITO (In2O3 90 мас.% и SnO2 10 мас.%) до толщины ~100 нм путем радиочастотного распыления со скоростью 4 нм/мин под действием газа Ar (0,2 Па) без нагрева.
  3. Шаблон Су-8 (Рисунок 1B)
    1. Снимите фоторезист с помощью ультразвука в ацетоне, метаноле и воде в течение 5 минут каждый. Следите за тем, чтобы на подложках не оставалось мелких фрагментов ITO. Если загрязнение кажется серьезным, протрите чистым салфеткой, а затем снова очистите основание ультразвуком.
    2. Продуйте субстрат с помощью газовой воздуходувки N2 . Затем запекайте основание при температуре 110 °C на горячей плите, чтобы полностью высушить основание.
    3. Полимеризуйте стеклянную подложку слоем SU-8 3005 при 500 об/мин в течение 5 с и 6000 об/мин в течение 30 с. Проверьте однородность покрытия.
    4. Предварительно запекайте основание при температуре 95 °C на горячей плите в течение 5 минут, а затем охладите основание до комнатной температуры.
    5. Наложите пленку фотошаблона на подложку, покрытую фоторезистом, и зафиксируйте ее скотчем (дополнительный рисунок 2Б).
    6. Подвергайте подложку воздействию ультрафиолета (200 Вт) в течение 7 с. Затем извлеките подложку из фотолитографа и снимите фотошаблон.
    7. Выпекать основание при температуре 65 °C в течение 2 минут и при 95 °C в течение 5 минут.
    8. Проявите фоторезист в проявителе СУ-8 в течение 3 мин при сильном перемешивании. Затем промойте основание в 2-пропаноле в течение 1 минуты. Убедитесь, что фоторезист полностью проявился.
    9. Высушите субстрат, продув N2 газом.
  4. Формирование полупроводникового канала ITO методом травления (рис. 1В)
    1. Готовят 0,1 М соляной кислоты (HCl).
    2. Подсоедините исходный и дренажный электроды, как показано на рисунке 1B, к анализатору параметров полупроводника.
    3. Выберите вкладку «Классический тест», а затем выберите «Выборка ввода/напряжения».
    4. Установите интервал выборки равным 0,5 с.
    5. Подайте напряжение 1 В между источником и дренажным электродами и определите начальный ток (IDS0).
    6. Капните каплю приготовленного раствора HCl (30 μл) на открытую область канала ITO. Убедитесь, что капля полностью покрывает область канала.
    7. Контролируйте изменение проводимости, контролируя ток между источником и дренажными электродами. Продолжайте травление до тех пор, пока ток не уменьшится до 10% от исходного IDS0.
    8. Немедленно промойте канал ITO деионизированной водой, чтобы остановить травление, как только коэффициент тока травления достигнет 10% от начального IDS0 для контроля толщины канала ITO (~10-20 нм). Он рассматривается как цельный транзистор без интерфейсов между источником, каналом и дренажными электродами.
    9. Осторожно продуйте газ N2 , чтобы высушить цельный транзистор с помощью газовой воздуходувки N2 .
    10. Храните устройства в вакуумном эксикаторе до измерения.

2. Электрические измерения цельного ITO-ISFET

  1. Настройка электрической измерительной системы
    1. Подключите исходный и дренажный электроды цельного транзистора к анализатору параметров полупроводника с помощью испытательного приспособления.
    2. Поместите силиконовое уплотнительное кольцо вокруг поверхности канала ITO в качестве углубления, в которое помещается образец.
    3. Осторожно добавьте 30 мкл фосфатного буфера (PB, pH 7,41) или других стандартных буферных растворов pH (pH 4,01, 6,86, 7,41 и 9,18) в силиконовое уплотнительное кольцо, чтобы обеспечить прямой контакт между раствором и поверхностью канала ITO. Этот раствор служит затворным электролитом.
    4. Вставьте электрод сравнения Ag/AgCl в насыщенный раствор KCl, который соединен с электролитом затвора с помощью солевого моста.
    5. Подключите электрод сравнения Ag/AgCl к полупроводниковому анализатору параметров, который работает как затворный электрод.
    6. Включите B1500A и запустите программное обеспечение EasyEXPART , затем откройте Workspace.
  2. Характеристики передачи IDS-V GS
    1. Выберите вкладку Classic Test (Классический тест), а затем выберите I/V Sweep (Развертка по ВВ).
    2. Подсоедините электрод-источник к земле.
    3. Установите параметр для приложения постоянного напряжения стока (VDS) 1 В.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Потенциал каждого электрода должен составлять от -1 В до 1 В, чтобы избежать электролиза воды.
    4. Установите диапазон развертки напряжения затвора (ВGS) в диапазоне от -0,8 В до +0,8 В и скорость развертки примерно 50 мВ/с.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость развертки можно контролировать, установив «количество шагов» на 141 и «задержку» на 10 мс, а также «аналого-цифровой преобразователь» в АЦП HR в режиме ПЛК (Коэффициент: 2).
    5. Установите количество итераций равным 10 циклам и используйте для анализа данные, полученные из последнего цикла. Одновременно получается ток утечки между электродами источника и затвора (IGS).
    6. Начать измерение.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Все данные измерений автоматически сохраняются во вкладке «Результаты».
  3. Передаточные характеристики IDS-V DS
    1. Выберите категорию CMOS на вкладке Тест приложения, затем выберите режим Id-Vd
    2. Настройте VGS на последовательное изменение напряжения от 0 В до 0.8 В с интервалом 0.1 В.
    3. Установите VDS для каждого VGS на развертку от 0 В до 1 В с интервалом 0,01 В.
    4. Начать измерение.
  4. Последующие действия
    1. Снимите уплотнительное кольцо и промойте поверхность канала деионизированной водой. Затем высушите цельное устройство ITO, продув газ N2 .
    2. Храните устройство в вакуумном эксикаторе.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

На рисунке 2А показано изменение тока (IDS0), измеренное во время травления. IDS0 оставался практически неизменным около 800 с после начала травления. При дальнейшем травлении IDS0 стал быстро уменьшаться. Это свидетельствует о том, что толщина пленки ITO уменьшилась, что приближалось к толщине обедненного слоя в пленке ITO19; Таким образом, электроны как носители стали подвергаться воздействию поверхностного...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

В соответствии с вышеуказанным протоколом, цельный ITO-ISFET может быть изготовлен в виде датчика полевых транзисторов с зависимостью раствора (например, датчик pH) с помощью короткого и простого процесса (примерно за полдня). ITO проявляет полупроводниковые свойства при толщине обедненного слоя примерно 20 нм или менее, что делает его пригодным в качестве канала pH-чувствительного ИСПТ, зависимого от раствора.

Путем травления средней части проводящей одиночно...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы не имеют никаких конфликтов интересов, о которых можно было бы заявить.

Благодарности

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

Это исследование было поддержано MERIT, программой WINGS и Токийским университетом.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
1М HClFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.083-01095
2-пропанолFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.166-04831
АцетонFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.019-00353
Сельскохозяйственная проволокаКорпорация NilacoАГ-401385
АгарFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.010-15815
Стандартный буферный раствор (Phosphate pH Standard Equimolal Solution) pH6,86 (25 градусов Цельсия)FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.025-03195
Стандартный буферный раствор (стандартный раствор фталата pH) pH4,01 (25 градусов С)FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.028-03185
Стандартный буферный раствор (стандартный раствор тетрабората pH) pH9,18 (25 градусов Цельсия)FUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.028-03205
Углеродная лентаНиссин-ЭМ7321
Электрохимический анализаторИнструмент BAS618 Э
Пленочная маскаУнноГикен Ко., Лтд.заказной
КонфоркаКак единая корпорация.НД-1
МетанолFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.137-01823
Микрозащитное стеклоМацунами Гласс Инд., Лтд12&раз; 24 No5для стеклянной подложки
МикропипеткаЭппендорф SE3123000055
НМД-3Токио Ока Когё Ко., Лтд.НМД-3
ОФПР-800Токио Ока Когё Ко., Лтд.ОФПР-800
Стандартный раствор фосфата pHFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.166-17445
Фотолитографическая машинаНейтроникс КвинтелPhL Q-2001CT
Хролид поттазияFUJIFILM Wako Pure Chemicals Corp.163-03545
Анализатор параметров полупроводниковых приборовСистема KeysightВ1500АВерсия софтвера: Rev 5 и 6
Анализатор параметров полупроводниковых приборов Источник измерительных единицСистема KeysightВ1517Адля источника, дренажа и затвора   
Испытательное приспособление для анализатора параметров полупроводниковых приборовСистема KeysightB1500A Опция A5F
Силиконовое уплотнительное кольцоМасуокаTokyo Co., Ltd.-5
Прядильный аппарат для нанесения покрытийООО «МИКАСА»МС-А100
Распылительная машинаАО «УЛВАК»заказной
СУ-8 3005Ниппон Каяку Ко., Лтд.СУ8-3005
Разработчик СУ-8Ниппон Каяку Ко., Лтд.Разработчик СУ-8
Ультразвуковая ваннаSND Co., Ltd.УС-102
Интерферометр белого светаКЕЙЕНС Корп.ВК-Х3000

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sakata, T. Biologically coupled gate field-effect transistors meet in vitro diagnostics. ACS Omega. 4 (7), 11852-11862 (2019).
  2. Matsuo, T., Wise, K. D. An integrated field-effect electrode for biopotential recording. IEEE Trans Biomed Eng. BME-21 (6), 485-487 (1974).
  3. Esashi, M., Matsuo, T. Integrated micro-multi-ion sensor using field effect of semiconductor. IEEE Trans Biomed Eng. BME-25 (2), 184-192 (1978).
  4. Zaifuddin, N. M., et al. pH sensor based on chemical-vapor-deposition-synthesized graphene transistor array. Jpn J Appl Phys. 52, 06GK04(2013).
  5. Gou, P., et al. Carbon nanotube chemiresistor for wireless pH sensing. Sci Rep. 4, 4468(2015).
  6. Kajisa, T., Yanagimoto, Y., Saito, A., Sakata, T. Biocompatible poly(catecholamine)-film electrode for potentiometric cell sensing. ACS Sens. 3 (2), 476-483 (2018).
  7. Sakata, T., et al. Ion-sensitive transparent-gate transistor for visible cell sensing. Anal Chem. 89 (7), 3901-3908 (2017).
  8. Satake, H., Sakata, T. Electropolymerized poly(toluidine blue O) film electrode for potentiometric biosensing. Sens Mater. 30 (10), 2333-2341 (2018).
  9. Minamiki, T., Sekine, T., Aiko, M., Su, S., Minami, T. An organic FET with an aluminum oxide extended gate for pH sensing. Sens Mater. 31 (1), 99-106 (2019).
  10. Nishida, H., et al. Self-oriented immobilization of DNA polymerase tagged by titanium-binding peptide motif. Langmuir. 31 (2), 732-740 (2015).
  11. Sakata, T., Nishitani, S., Kajisa, T. Molecularly imprinted polymer-based bioelectrical interfaces with intrinsic molecular charges. RSC Adv. 10, 16999-17013 (2020).
  12. Sakata, T. Signal transduction interfaces for field-effect transistor-based biosensors. Commun Chem. 7, 1-14 (2024).
  13. Sarkar, D., et al. MoS2 field-effect transistor for next-generation label-free biosensors. ACS Nano. 8 (4), 3992-4003 (2014).
  14. Nam, H., et al. Fabrication and comparison of MoS2 and WSe2 field-effect transistor biosensors. J Vac Sci Technol B. 33 (6), 06FG01(2015).
  15. Jafari, B. Highly sensitive label-free biosensor: Graphene/CaF2 multilayer for gas, cancer, virus, and diabetes detection with enhanced quality factor and figure of merit. Sci Rep. 13 (1), 16184(2023).
  16. Senguptaa, J., Hussain, C. M. Graphene-based field-effect transistor biosensors for the rapid detection and analysis of viruses: A perspective in view of COVID-19. Carbon Trends. 2, 100011(2021).
  17. Zhao, W. Si nanowire Bio-FET for electrical and label-free detection of cancer cell-derived exosomes. Microsyst Nanoeng. 8, 57(2022).
  18. Zhang, H., et al. Design and fabrication of silicon nanowire-based biosensors with integration of critical factors: Toward ultrasensitive specific detection of biomolecules. ACS Appl Mater Interfaces. 12 (46), 51808-51819 (2020).
  19. Sakata, T., Nishitani, S., Saito, A., Fukasawa, Y. Solution-gated ultrathin channel indium tin oxide-based field-effect transistor fabricated by a one-step procedure that enables high-performance ion sensing and biosensing. ACS Appl Mater Interfaces. 13 (32), 38569-38578 (2021).
  20. Katayama, R., Sakata, T. Effect of surface modification on the fundamental electrical characteristics of solution-gated indium tin oxide-based thin-film transistor fabricated by one-step sputtering. Langmuir. 39 (12), 4282-4290 (2023).
  21. Katayama, R., Sakata, T. Simple fabrication method for solution-gated one-piece transistors for biosensing applications. ECS Trans. 111 (3), 37-43 (2023).
  22. Katayama, R., Dong, X., Sakata, T. Steep subthreshold slope in solution-gated indium-tin-oxide-based one-piece thin-film transistor enables highly sensitive biosensing. ACS Appl Electron Mater. 7 (5), 1862-1870 (2025).
  23. Nishimura, A., Katayama, R., Sakata, T. Effects of surface oxygen vacancies and hydroxy groups on electrical characteristics in solution-gated one-piece indium-tin-oxide-based field-effect transistors. Langmuir. 41 (1), 607-613 (2025).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

pH

Похожие статьи