Hassas Biyoalgılamayı Mümkün Kılan Çözelti Kapılı İndiyum-Kalay-Oksit Bazlı Tek Parça Transistör İmalatı

Bu araştırmanın kapsamı, pH algılama ve son derece hassas biyoalgılama için çözelti kapılı tek parça bir transistör üretmek için basit ve hızlı bir yöntem göstermektir. Çözelti kapılı FET biyosensörlerinin algılama hassasiyetini artırmak için minyatürleştirme ve malzemenin daha düşük boyutlandırılması teknolojileri kullanılmıştır. Çözelti kapılı bir FET'in, iletken ITO ince filminin bir kısmının yarı iletkenlik sergileyen bir kalınlığa aşındırılmasıyla kolayca üretilebileceğini ve tamamen ITO teknolojisi sağladığını bulduk.

Bu yöntemi kullanarak, çözüm kapılı bir FET, diğer protokollere göre daha kolay üretilebilir ve üretilen cihaz, hassasiyetle ilgili dik bir eşik altı eğim gösterir. Önerilen yöntem, kaynak, drenaj elektrotları ve kanal herhangi bir arayüz olmadan tamamen entegre olduğundan, pH algılamaya ve son derece hassas biyoalgılamaya öncülük eden tamamen ITO teknolojisi sağlar. Başlamak için, cam alt tabakayı aseton, metanol ve su içinde her biri beş dakika boyunca sonikleştirerek yıkayın.

Bir nitrojen gazı üfleyici kullanarak alt tabakayı iyice kurulayın ve tamamen kuruduğundan emin olmak için 110 santigrat derecede sıcak bir plakada beş dakikadan fazla pişirin. Kurutulmuş cam alt tabakayı beş saniye boyunca 500 RPM'de bir OFPR-800 tabakası ile döndürün, ardından 30 saniye boyunca 3.000 RPM'de döndürün. Kaplanmış alt tabakayı sıcak bir plaka üzerinde 110 santigrat derecede beş dakika önceden pişirin.

Devam etmeden önce alt tabakanın oda sıcaklığına soğumasını bekleyin. Fotomask filmini alt tabakanın fotorezist kaplı tarafına yerleştirin ve yerine güvenli bir şekilde sabitlemek için bant kullanın. Daha sonra alt tabakayı bir fotolitografi makinesi kullanarak 40 saniye boyunca ultraviyole ışığa maruz bırakın.

Şimdi alt tabakayı fotolitografi makinesinden çıkarın ve fotomaskeyi yüzeyden dikkatlice çıkarın. Fotorezisti geliştirmek için, alt tabakayı bir dakika boyunca NMD-3 geliştiriciye daldırın ve keskin bir desen oluştuğunu doğrulayın. Ardından, geliştiriciyi yıkamak için alt tabakayı suya batırın.

Yıkanan alt tabakayı nitrojen gazı üfleyerek kuruttuktan sonra, sıcak bir tabakta 110 santigrat derecede beş dakika pişirin. Biriktirmeye başlamak için, alt tabakayı bant kullanarak bir alt tabaka tutucuya sabitleyin ve bir püskürtme makinesinin vakum odasına sokun. Püskürtme odası basıncını 10 paskal gücünde 3'un altına düşürün.

Daha sonra, substrat ısıtması olmadan argon altında dakikada dört nanometre hızla radyofrekans püskürtme yoluyla 100 nanometre kalınlığında bir indiyum kalay oksit tabakası biriktirin. Fotorezisti kaldırmak için, substratı aseton, metanol ve ardından beş dakika boyunca su içinde sonikleştirin. Daha sonra alt tabakayı bir nitrojen gazı üfleyici kullanarak kurutun ve tamamen kuruyana kadar 110 santigrat derecede sıcak bir plakada pişirin.

Temiz alt tabakayı SU-8 3005 ile döndürmek için, 500 RPM'de beş saniye, ardından 6.000 RPM'de 30 saniye döndürün. SU-8 kaplı alt tabakayı 95 santigrat dereceye ayarlanmış bir sıcak plaka üzerinde beş dakika önceden pişirin. Daha sonra fotomask filmini fotorezist kaplı alt tabakanın üzerine yerleştirin ve pozlama sırasında herhangi bir hareketi önlemek için bantla sabitleyin.

SU-8 kaplı alt tabakayı bir fotolitografi makinesi kullanarak yedi saniye boyunca ultraviyole ışığa maruz bırakın. Ardından alt tabakayı makineden çıkarın ve fotomaskeyi dikkatlice ayırın. Açıkta kalan alt tabakayı önce 65 santigrat derecede, ardından 95 santigrat derecede pişirin ve beş dakika pişirmeye devam edin.

Fotorezisti geliştirmek için substratı güçlü çalkalama altında üç dakika boyunca SU-8 geliştiriciye daldırın. Alt tabakayı 2-propanol içinde bir dakika durulayın ve geliştirilen alt tabakayı bir nitrojen gazı üfleyici kullanarak kurutun. Yarı iletken indiyum kalay oksit kanalını oluşturmaya başlamak için 0,1 molar hidroklorik asit çözeltisi hazırlayın.

Ardından kaynak ve drenaj elektrotlarını bir yarı iletken parametre analizörüne bağlayın. B1500A cihazını açın ve EasyEXPERT yazılımını başlatın. Ardından kuruluma başlamak için çalışma alanı arayüzünü açın.

Çözümleyici arabiriminde Klasik Test Sekmesini ve ardından IVT Örnekleme seçeneğini belirleyin. Örnekleme Aralığını 0,5 saniye olarak ayarlayın. Kaynak ve drenaj elektrotları arasına bir voltluk bir voltaj uygulayın ve başlangıç akımını kaydedin.

Bir mikropipet kullanarak, hazırlanan hidroklorik asit çözeltisinden 30 mikrolitrelik bir damlayı doğrudan açıkta kalan indiyum kalay oksit kanalı alanına yerleştirin. Kaynak ve drenaj elektrotları arasındaki akımı sürekli olarak izleyin ve aşındırma sırasında iletkenlik değişimini gözlemleyin. Akım başlangıç değerinin %10'una düşene kadar işleme devam edin.

Ardından, akım başlangıç akımının %10'una ulaştığında aşındırmayı durdurmak için kazınmış indiyum kalay oksit kanalını hemen deiyonize suyla durulayın. Bir nitrojen gazı üfleyici kullanarak durulanan alt tabakanın üzerine nitrojen gazını hafifçe üfleyerek tek parça transistörü kurutun. Bir test fikstürü kullanarak, tek parça transistörün kaynak ve drenaj elektrotlarını yarı iletken parametre analizörüne bağlayın.

Sıvı bir kuyu oluşturmak için indiyum kalay oksit kanalının yüzeyinin etrafına bir silikon O-halkası yerleştirin. İndiyum kalay oksit kanal yüzeyi ile tam temas halindeyken silikon O-ring kuyusuna 30 mikrolitre fosfat tamponu veya başka bir standart pH tampon çözeltisi ekleyin. Ardından, kapı elektrolitine tuz köprüsü ile bağlanan doymuş bir potasyum klorür çözeltisine bir gümüş veya gümüş klorür referans elektrodu yerleştirin.

Gümüş veya gümüş klorür referans elektrodunu, kapı elektrodu olarak işlev görmesi için yarı iletken parametre analizörüne bağlayın. Yarı iletken parametre analizöründe Klasik Test sekmesini ve ardından I/V Süpürme modunu seçin. Bir referans potansiyeli oluşturmak için kaynak elektrodu toprağa bağlayın.

Uygulanan boşaltma voltajını bir voltluk sabit bir değere ayarlayın. Kapı voltajlarının tarama aralığını eksi 0.8 volttan artı 0.8 volta ayarlayın ve gecikmeyi, entegrasyon süresini ve ölçüm aralığını ayarlayın. Ardından yineleme sayısını 10 döngüye ayarlayın ve analiz için son döngüdeki verileri kullanın.

Eş zamanlı olarak kaynak ve kapı elektrotları arasındaki kaçak akımın kaydedildiğinden emin olun ve ölçümü başlatın. Yarı iletken parametre analizöründe, Uygulama Testi sekmesinde CMOS kategorisini seçin, ardından Id-Vd modunu seçin. Kapı voltajını, 0.8 volt aralıklarla sırayla sıfır volttan 0.1 volta yükselecek şekilde ayarlayın.

Her kapı voltajı değeri için, boşaltma voltajını 0.01 volt aralıklarla sıfır volttan bir volta süpürecek şekilde ayarlayın ve ölçümü başlatın. Şimdi, silikon O-ringi kanal yüzeyinin çevresinden çıkarın. Ardından kanal alanını deiyonize su ile iyice durulayın.

Tek parça indiyum kalay oksit cihazını bir nitrojen gazı üfleyici kullanarak kurutun. İndiyum kalay oksit iyonuna duyarlı alan etkili transistör, on yılda yaklaşık 81 milivoltluk dik bir eşik altı eğim gösterdi ve bu da 25 santigrat derecede ideale yakın anahtarlama davranışına işaret etti. Kanal doğrudan elektrolit çözeltisine maruz kaldığında bile, kapı kaçak akımı drenaj akımından dört kat daha düşük kaldı.

Drenaj akımı, drenaj voltajıyla birlikte arttı ve her kapı voltajında doyma davranışı göstererek iyi alan etkili transistör özelliklerini doğruladı. Açma/kapama akımı oranı, 20 nanometrenin altındaki kanal kalınlıkları için 10.000'i aştı, ancak daha büyük kalınlıklarda büyük ölçüde düştü. Tek parça indiyum kalay oksit iyonuna duyarlı alan etkili transistör, pH değişikliklerine doğrusal olarak yanıt verdi ve pH birimi başına yaklaşık 51 milivoltluk bir voltaj kayması sergiledi.

pH duyarlılığı, beş günlük ıslak depolamadan sonra hafifçe artarak ideal Nernstian sınırına yaklaştı ve 16 gün sonra bile korundu.