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

Цель данного исследования состоит в том, чтобы продемонстрировать простой и быстрый метод изготовления цельноразъемного транзистора с литейным стробированием для измерения pH и высокочувствительного биосенсорного контроля. Для повышения чувствительности детектирования растворозависимых биосенсоров полевых транзисторов применены технологии миниатюризации и уменьшения размерности материала. Мы обнаружили, что полевой транзистор с затвором раствора может быть легко изготовлен путем простого травления части проводящей тонкой пленки ITO до толщины, которая проявляет полупроводимость, обеспечивая технологию all-by-ITO.

Используя этот метод, можно изготовить полевой транзистор на основе раствора проще, чем при использовании других протоколов, а изготовленное устройство имеет крутой подпороговый наклон, который связан с чувствительностью. Предложенный метод обеспечивает технологию all-by-ITO, ведущую в измерении pH и высокочувствительную биосенсорику, поскольку источник, дренажные электроды и канал полностью интегрированы без каких-либо интерфейсов. Для начала промойте стеклянную подложку, обработав ее ультразвуком в ацетоне, метаноле и воде в течение пяти минут каждая.

С помощью воздуходувки с газообразным азотом тщательно высушите основание и запекайте его на горячей плите при температуре 110 градусов Цельсия более пяти минут, чтобы убедиться, что он полностью высох. Покройте высушенную стеклянную подложку слоем OFPR-800 при 500 об/мин в течение пяти секунд, а затем 3 000 об/мин в течение 30 секунд. Предварительно запекайте покрытую покрытием основу на горячей плите при температуре 110 градусов Цельсия в течение пяти минут.

Дайте субстрату остыть до комнатной температуры, прежде чем продолжить. Расположите пленку фотошаблона на стороне подложки, покрытой фоторезистом, и с помощью ленты надежно закрепите ее на месте. Затем подвергните подложку воздействию ультрафиолетового света с помощью фотолитографа в течение 40 секунд.

Теперь извлеките подложку из фотолитографа и осторожно снимите фотошаблон с поверхности. Чтобы проявить фоторезист, погрузите подложку в проявитель NMD-3 на одну минуту и убедитесь, что образуется резкий рисунок. Затем опустите субстрат в воду, чтобы смыть проявитель.

После высыхания промытого основания путем обдува газообразным азотом, запекайте его на горячей плите при температуре 110 градусов Цельсия в течение пяти минут. Чтобы начать осаждение, закрепите подложку на держателе подложки с помощью ленты и введите ее в вакуумную камеру распылительной машины. Снизьте давление в камере распыления ниже 10 в степени 3 паскаля.

Затем нанесите слой оксида индия и олова толщиной 100 нанометров с помощью радиочастотного распыления со скоростью четыре нанометра в минуту под аргоном без нагрева подложки. Чтобы оторвать фоторезист, обработайте подложку ультразвуком в ацетоне, метаноле, а затем воде в течение пяти минут. Затем выдуйте основание насухо с помощью воздуходувки с газообразным азотом и запекайте его на горячей плите при температуре 110 градусов Цельсия до полного высыхания.

Чтобы покрыть чистую подложку методом отжима с помощью SU-8 3005, вращайте со скоростью 500 об/мин в течение пяти секунд, а затем 6 000 об/мин в течение 30 секунд. Предварительно запекайте основание с покрытием SU-8 на горячей плите, установленной при температуре 95 градусов Цельсия, в течение пяти минут. Затем поместите фотошаблонную пленку на подложку с фоторезистным покрытием и закрепите ее скотчем, чтобы предотвратить любое движение во время экспонирования.

Подложка с покрытием SU-8 подвергается воздействию ультрафиолетового света в течение семи секунд с помощью фотолитографической машины. Затем снимите подложку с машины и аккуратно отсоедините фотошаблон. Выпекайте обнаженную основу сначала при температуре 65 градусов Цельсия в течение двух минут, затем при 95 градусах Цельсия и продолжайте запекание в течение пяти минут.

Погрузите подложку в проявитель СУ-8 на три минуты при сильном перемешивании для проявления фоторезиста. Промойте субстрат в 2-пропаноле в течение одной минуты, а полученный субстрат высушите с помощью газообразной воздуходувки. Чтобы начать формирование полупроводникового канала из оксида индия-олова, приготовьте 0,1 молярного раствора соляной кислоты.

Затем подключите исходный и дренажный электроды к полупроводниковому анализатору параметров. Включите устройство B1500A и запустите программное обеспечение EasyEXPERT. Затем откройте интерфейс рабочего пространства, чтобы начать настройку.

В интерфейсе анализатора выберите вкладку «Классический тест», затем выберите параметр «Выборка IVT». Установите Интервал выборки равным 0,5 секунды. Подайте напряжение в один вольт между источником и дренажным электродами и запишите начальный ток.

С помощью микропипетки поместите каплю объемом 30 микролитров приготовленного раствора соляной кислоты непосредственно на обнаженную область канала оксида индия и олова. Непрерывно контролируйте ток между источником и дренажным электродами и наблюдайте за изменением проводимости во время травления. Продолжайте процесс до тех пор, пока текущее значение не упадет до 10% от начального значения.

Затем немедленно промойте травленый канал с оксидом индия и олова деионизированной водой, чтобы остановить травление, как только ток достигнет 10% от начального тока. Высушите цельный транзистор, осторожно обдувая промытую подложку газообразным азотом с помощью воздуходувки с газообразным азотом. С помощью испытательного приспособления подсоедините электроды источника и стока цельного транзистора к анализатору параметров полупроводника.

Поместите силиконовое уплотнительное кольцо вокруг поверхности канала оксида индия и олова, чтобы образовалась жидкая лунка. Добавьте 30 микролитров фосфатного буфера или другого стандартного буферного раствора pH в силиконовую уплотнительную лунку, полностью соприкасаясь с поверхностью канала оксида индия-олова. Затем вставьте электрод сравнения из хлорида серебра или серебра в насыщенный раствор хлорида калия, который соединен с электролитом затвора солевым мостиком.

Подключите электрод сравнения из серебра или хлорида серебра к полупроводниковому анализатору параметров, чтобы он функционировал как электрод затвора. На анализаторе параметров полупроводников перейдите на вкладку «Классический тест», а затем выберите режим «Развертка по вольтпланам». Подсоедините исходный электрод к земле, чтобы установить опорный потенциал.

Установите подаваемое напряжение стока на постоянное значение одного вольта. Установите диапазон развертки напряжения затвора от минус 0,8 В до плюс 0,8 В, а также отрегулируйте задержку, время интегрирования и интервал измерения. Затем установите количество итераций равным 10 циклам и используйте данные из последнего цикла для анализа.

Одновременно убедитесь, что ток утечки между источником и электродами затвора зарегистрирован, и начните измерение. На анализаторе параметров полупроводников выберите категорию CMOS на вкладке «Тест приложений», затем выберите режим Id-Vd. Установите последовательное увеличение напряжения затвора от нуля вольт до 0,8 вольт с интервалом 0,1 вольта.

Для каждого значения напряжения затвора установите напряжение стока в диапазоне от нуля вольт до одного вольта с интервалом 0,01 вольта и начните измерение. Теперь снимите силиконовое уплотнительное кольцо вокруг поверхности канала. Затем тщательно промойте область канала деионизированной водой.

Высушите цельное устройство для производства оксида индия и олова с помощью воздуходувки с газообразным азотом. Ионочувствительный полевой транзистор на основе оксида индия-олова продемонстрировал крутой подпороговый наклон примерно в 81 милливольт за десятилетие, что указывает на почти идеальное переключение при температуре 25 градусов Цельсия. Ток утечки затвора оставался на четыре порядка ниже тока стока, даже когда канал подвергался прямому воздействию раствора электролита.

Ток стока увеличивался с напряжением стока и демонстрировал поведение насыщения при каждом напряжении затвора, что подтверждает хорошие характеристики полевого транзистора. Коэффициент тока включения/выключения превышал 10 000 для каналов толщиной менее 20 нанометров, но резко падал при больших толщинах. Цельный ионочувствительный полевой транзистор на основе оксида индия-олова линейно реагировал на изменения pH, демонстрируя сдвиг напряжения примерно 51 милливольт на единицу pH.

Чувствительность к pH немного увеличивалась после пяти дней влажного хранения, приближаясь к идеальному нернстианскому пределу, и сохранялась даже после 16 дней.