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CN116936640A - 离子敏感薄膜晶体管及生物传感芯片 - Google Patents

离子敏感薄膜晶体管及生物传感芯片 Download PDF

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CN116936640A CN202310821343.3A CN202310821343A CN116936640A CN 116936640 A CN116936640 A CN 116936640A CN 202310821343 A CN202310821343 A CN 202310821343A CN 116936640 A CN116936640 A CN 116936640A
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唐伟
郭小军
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Shanghai Jiao Tong University
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Abstract

本发明提供一种离子敏感薄膜晶体管及生物传感芯片，晶体管由下而上依次包括：衬底；第一栅电极；第一栅绝缘层；半导体层；第二栅绝缘层；源漏极，第二栅电极；第二栅极接触电极；第一栅电极、第一栅绝缘层、源漏电极和半导体层构成底栅晶体管，作为开关器件；源漏电极、半导体层、第二栅绝缘层、第二栅电极和第二栅极接触电极构成顶栅晶体管，作为离子敏感元件，第二栅绝缘层采用刻蚀阻挡层；顶栅晶体管和底栅晶体管构成双栅结构的离子敏感薄膜晶体管。本发明能够提高顶栅/底栅电容耦合比，显著提高离子敏感场效应晶体管对离子响应的灵敏度，实现对低浓度目标核酸序列的快速分析。

Description

离子敏感薄膜晶体管及生物传感芯片
技术领域
本发明涉及电子器件技术领域，具体地，涉及一种离子敏感薄膜晶体管及生物传感芯片。
背景技术
离子敏感场效应晶体管(ISFET)作为一种传统的场效应晶体管(FET)，具有一层离子敏感膜覆盖在介电层表面。ISFET的敏感膜与电解液接触，对溶液的离子浓度高度敏感。基于ISFET的生物传感器对半导体-介电层界面积聚的电荷量敏感，使晶体管的阈值电压发生调制效应。这种离子敏感性允许ISFET将电解质中的生化反应产生的pH值变化转导为电信号并放大。基于IGZO(In-Ga-Zn-O)薄膜晶体管(TFT)的场效应传感器的发展引起了人们的关注，因为它易于制造和与柔性衬底兼容，有望成为传统硅基ISFET的替代品。
由于反应过程引起溶液环境pH变化的性质，环介导等温扩增(LAMP)技术已被用于构建基于ISFET的生物传感平台。基于传感器对pH值的高灵敏度，可以间接检测目标核酸序列。检测的特异性是由LAMP对目标序列的特异性扩增决定的。基于晶体管的生物传感器中的非固定化方法简化了生物功能化过程，降低了成本，提供了无标记和实时监测生化反应的能力，有望成为生物传感的通用平台。
现有的薄膜晶体管的结构如图1所示，虽然利用ISFET的pH传感器已经在市场上存在很长时间，然而这种结构的生物传感器的商业化受到较低的pH灵敏度的限制，其最大的pH值为59mV/pH(Nernst极限)。由于LAMP反应引起的pH变化很小，较低的pH值敏感性阻碍了生物传感器对快速、低浓度样本检测的需求。因此有必要提出一种新的器件解决方案。传统显示面板使用的IGZO TFT可以被设计为双栅结构器件，利用刻蚀阻挡层/钝化层(ESL/PA)作为顶栅绝缘层，但是其电容小于底栅器件，因而降低了灵敏度。而且钝化层(PA)置于较厚的源漏电极上方，其局部形成的微结构中包含陡峭的侧壁，当与测试溶液接触时易引发溶液泄露从而引起器件失效。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种离子敏感薄膜晶体管及生物传感芯片，以解决上述问题中的至少之一。
根据本发明的一个方面，提供一种离子敏感薄膜晶体管，包括：
衬底；
第一栅电极，设于所述衬底上；
第一栅绝缘层，设于所述第一栅电极和所述衬底之上；
半导体层，设于正对所述第一栅电极的所述第一栅绝缘层上；
第二栅绝缘层，设于所述半导体层上，且长度小于所述半导体层，所述第二栅绝缘层在两侧各缩进一部分以暴露电极接触区域；
源漏电极，设于所述半导体层两侧，所述源漏电极分别与所述第一栅绝缘层、所述半导体层以及所述第二栅绝缘层接触；
第二栅电极，设于所述第二栅绝缘层上方，并与两侧的所述源漏电极保持距离；
第二栅极接触电极，与所述第二栅电极的上表面连接；
所述第一栅电极、所述第一栅绝缘层、所述源漏电极和所述半导体层构成置于底部的底栅晶体管，作为开关器件；
所述源漏电极、所述半导体层、所述第二栅绝缘层、所述第二栅电极和所述第二栅极接触电极构成置于顶部的顶栅晶体管，作为离子敏感元件，所述第二栅绝缘层采用刻蚀阻挡层；
所述顶栅晶体管和所述底栅晶体管构成双栅结构的离子敏感薄膜晶体管。
可选的，所述顶栅晶体管的栅电容大于所述底栅晶体管的栅电容。
可选的，所述晶体管还包括钝化层，所述钝化层设于所述晶体管的上方，所述钝化层在与所述第二栅极接触电极对应区域设有第一通孔。
可选的，所述晶体管还包括层间介质层，所述层间介质层设于所述钝化层上方；所述第二栅极接触电极在所述层间介质层上的部分为离子敏感电极；
所述层间介质层在所述第一通孔正对的区域设有第二通孔，所述第二栅极接触电极通过所述第二通孔与所述第二栅电极的上表面连接。
可选的，所述晶体管还包括参比电极，所述参比电极设于所述离子敏感电极同一层。
可选的，所述晶体管还包括封装层，所述封装层设于所述晶体管的上方。
可选的，所述封装层在与所述离子敏感电极对应区域设有工作电极通孔，所述封装层在与所述参比电极对应区域设有参比电极通孔；所述工作电极通孔和所述参比电极通孔用于与微流控通道中的溶液直接接触。
可选的，所述第二栅极接触电极采用锡铟氧化物电极。
可选的，所述第二栅绝缘层的材料为SiO2。
根据本发明的另一方面，提供一种生物传感芯片，所述芯片包括：
上述的离子敏感薄膜晶体管，作为所述芯片的离子敏感元件；
微流控通道，位于所述离子敏感薄膜晶体管正上方，所述微流控通道作为所述芯片的环介导等温扩增反应池。
与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：
1、本发明通过第一栅电极、第一栅绝缘层、源漏电极和半导体层构成置于底部的底栅晶体管，作为参考器件；通过源漏电极、半导体层、第二栅绝缘层、第二栅电极和第二栅极接触电极构成置于顶部的顶栅晶体管，用作敏感器件；底栅晶体管与顶栅晶体管构建成低电压双栅结构的ISFET；顶栅晶体管与底栅晶体管具有大差异的栅电容值，使用刻蚀阻挡层(ESL)代替ESL/PA作为顶栅介质，能够提高顶栅/底栅电容耦合比，显著提高离子敏感场效应晶体管对离子响应的灵敏度。
2、本发明提供的生物芯片包括晶体管芯片和微流控通道；微流控通道用作环介导等温扩增反应池；本发明解决了传统ISFET低灵敏度的问题，实现对环介导等温扩增过程产生的pH变化的实时、高灵敏在线监测，从而实现对低浓度目标核酸序列快速、高灵敏度分析。本发明的生物芯片具有工作电压低、灵敏度高、成本低、检测目标多样性等优点，有望成为兼容多种生物检测的通用传感平台。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术中晶体管的结构示意图；
图中：101为衬底，102为第一栅电极，103为第一栅绝缘层，104为半导体层，105为第二栅绝缘层，106为源漏电极，107为钝化层，108为层间介质，109为第二栅极接触电极，110为封装层；
图2为本发明一实施例中离子敏感薄膜晶体管的结构示意图；
图中：101为衬底，102为第一栅电极，103为第一栅绝缘层，104为半导体层，105为第二栅绝缘层，106为源漏电极，107为钝化层，108为层间介质层，109为第二栅极接触电极，110为封装层，111为第二栅电极，112为参比电极，113为参比电极通孔，114为工作电极通孔，122为第一通孔，223为第二通孔；
图3为本发明一实施例中利用生物传感芯片进行核酸检测的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。
本发明一实施例提供一种离子敏感薄膜晶体管，参照图2，该晶体管由下而上依次包括衬底101、第一栅电极102、第一栅绝缘层(第一栅介质)103、半导体层104、第二栅绝缘层(第二栅介质)105、第二栅电极111、置于第二栅电极111两侧的源漏电极106、钝化层107、层间介质层108、第二栅极接触电极109、参比电极112、封装层110、参比电极通孔113和工作电极通孔114，晶体管结构设置于衬底101之上，其中：第一栅电极102设于衬底101上；第一栅绝缘层103设于第一栅电极102和衬底101之上；半导体层104设于正对第一栅电极102的第一栅绝缘层103上，第二栅绝缘层105设于半导体层104上，且长度小于半导体层104，在两侧各缩进一部分以暴露电极接触区域；源漏电极106置于半导体层104两侧，分别与第一栅绝缘层103、半导体层104以及第二栅绝缘层105接触；第二栅电极111设于第二栅绝缘层105上方，并与两侧的源漏电极106保持一定距离；钝化层107设于整个晶体管部件上方，并在与第二栅极接触电极109对应区域设置第一通孔122；层间介质层108设于钝化层107上方，并在第一通孔122正对的区域设置第二通孔223；第二栅极接触电极109通过第二通孔223与第二栅电极111的上表面连接，第二栅极接触电极109在层间介质层108上的部分为离子敏感电极，可以作为工作电极；参比电极112设于离子敏感电极同一层；封装层110设于整个部件上方，并在离子敏感电极处设置工作电极通孔114，在参比电极112处设置参比电极通孔113；第一栅电极102、第一栅绝缘层103、源漏电极106和半导体层104构成置于底部的底栅晶体管，作为开关器件；源漏电极106、半导体层104、第二栅绝缘层105、第二栅电极111和第二栅极接触电极109构成置于顶部的顶栅晶体管，作为离子敏感元件；由于第二栅极接触电极109具有离子敏感性，从而对溶液pH变化产生灵敏响应；第二栅绝缘层105采用刻蚀阻挡层；顶栅晶体管和底栅晶体管构成双栅结构的离子敏感薄膜晶体管。
本发明实施例中，顶栅结构晶体管与底栅结构晶体管构成双栅晶体管结构，底栅结构晶体管作为开关器件，顶栅结构晶体管作为离子敏感元件；使用刻蚀阻挡层作为顶栅介质，代替传统技术中刻蚀阻挡层/层间介质层构成的顶栅介质，能够提高顶栅/底栅电容耦合比，显著提高离子敏感场效应晶体管对离子响应的灵敏度。
本发明实施例中，半导体层104、第二栅绝缘层105、源漏电极106、第二栅电极111所构成的晶体管结构，为一种新型的兼容晶体管量产工艺的结构，顶栅晶体管采用第二栅绝缘层105作为栅绝缘层，比传统的栅绝缘层和钝化层所构成的绝缘层更薄，由于采用更薄的顶栅介质，底栅晶体管的栅电容大于底栅晶体管的栅电容，电容比高于1，从而实现电容耦合放大作用，利用电容耦合效应形成放大效果提高了离子敏感场效应晶体管的离子响应的灵敏度。
在一些实施方式中，第二栅极接触电极109上方的封装层110内设有工作电极通孔114，在参比电极112上方的封装层110内设有参比电极通孔113；工作电极通孔114和参比电极通孔113用于与微流控通道中的溶液直接接触。优选地，工作电极采用对离子浓度具有敏感性的电极。
在一些实施方式中，第二栅极接触电极109采用锡铟氧化物(ITO)电极。第二栅极接触电极109作为pH敏感电极，采用置于顶部的延展的ITO电极，可以避免传统ESL/PA作为栅介质层的晶体管结构中溶液泄露引起的电学稳定性问题。
在一些实施方式中，第一栅电极102的材料可以为Al/Mo；第一栅绝缘层103的材料可以为SiO2；半导体层104的材料可以为IGZO；第二栅绝缘层105，即刻蚀阻挡层(ESL)，材料可以为SiO2；源漏电极106的材料可以为Mo/Al/Mo；第二栅电极111的材料可以为Mo/Al/Mo；钝化层(PA)107的材料可以为SiO2/SiN4；第二栅极接触电极109的材料可以为ITO；封装层110的材料可以为SiN4。
为实现上述晶体管的制备，从衬底101的上表面开始，可以由下而上，依次设置晶体管结构，即：第一栅电极102、第一栅绝缘层103、半导体层104、第二栅绝缘层105、源漏电极106、第二栅电极111、钝化层107、第一通孔122、层间介质层108、第二通孔223、第二栅极接触电极109；并在该主要组成结构设置完成后，再在上方设置参比电极112及封装层110，以及形成必要的参比电极通孔113和工作电极通孔114以与待测溶液接触。
上述实施例中提供的基于IGZO(In-Ga-Zn-O)的双栅离子敏感薄膜晶体管，使用刻蚀阻挡层(ESL)作为顶栅介质层，可以提高顶栅/底栅电容耦合比，提供超过Nernst极限的灵敏度，从而解决传统ESL/PA作为栅介质层时灵敏度低的问题。
本发明另一实施例提供一种生物传感芯片，该芯片包括：上述实施例中的的离子敏感薄膜晶体管以及微流控通道，其中，离子敏感薄膜晶体管作为芯片的离子敏感元件；微流控通道位于离子敏感薄膜晶体管正上方，微流控通道作为芯片的环介导等温扩增反应池。由于第二栅极接触电极109具有离子敏感性，能够对微流控通道中溶液的pH变化产生响应，实现生物检测。
在一些实施方式中，微流控通道结构设置于封装层110上方，微流控通道的材料可以为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；流经微流控通道的溶液与工作电极通孔114直接接触，参比电极112与第二栅极接触电极109共同处于微流控通道中。本发明实施例中基于晶体管结构的生物传感芯片的顶栅电容大于底栅电容因而具有电容耦合效应，从而使得灵敏度超过能斯特公式定义的理论极限值，可以实现对环介导等温扩增过程中pH变化的实时、高灵敏监测，从而实现对低浓度目标核酸序列快速分析。
参照图3，利用本发明实施例中的生物传感芯片进行核酸检测的流程如下：
通过将待测核酸提取液与环介导等温扩增反应体系注入芯片的微流控通道中，在恒定的温度条件下能够实现对靶序列的扩增；随着扩增过程的发生，微流控通道内的溶液pH相应发生变化，对应地，电学信号随着反应过程持续变化，通过测试pH可以判断溶液中是否有对应的待测核酸；而在不存在靶序列的情况下，特异性扩增过程不会发生，因此溶液pH几乎不会改变，对应地，电学信号保持相对稳定。
本发明上述实施例提供的芯片，具有稳定高、灵敏度高、成本低、检测目标多样性等优点，为基于离子浓度变化的生物过程提供了一个通用的在线监测平台，在健康监测、疾病筛查、生物安全等领域具有广阔的应用前景，有望成为兼容多种生物检测的通用传感平台。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种离子敏感薄膜晶体管，其特征在于，包括：
衬底；
第一栅电极，设于所述衬底上；
第一栅绝缘层，设于所述第一栅电极和所述衬底之上；
半导体层，设于正对所述第一栅电极的所述第一栅绝缘层上；
第二栅绝缘层，设于所述半导体层上，且长度小于所述半导体层，所述第二栅绝缘层在两侧各缩进一部分以暴露电极接触区域；
源漏电极，设于所述半导体层两侧，所述源漏电极分别与所述第一栅绝缘层、所述半导体层以及所述第二栅绝缘层接触；
第二栅电极，设于所述第二栅绝缘层上方，并与两侧的所述源漏电极保持距离；
第二栅极接触电极，与所述第二栅电极的上表面连接；
所述第一栅电极、所述第一栅绝缘层、所述源漏电极和所述半导体层构成置于底部的底栅晶体管，作为开关器件；
所述源漏电极、所述半导体层、所述第二栅绝缘层、所述第二栅电极和所述第二栅极接触电极构成置于顶部的顶栅晶体管，作为离子敏感元件，所述第二栅绝缘层采用刻蚀阻挡层；
所述顶栅晶体管和所述底栅晶体管构成双栅结构的离子敏感薄膜晶体管。
2.根据权利要求1所述的离子敏感薄膜晶体管，其特征在于，所述顶栅晶体管的栅电容大于所述底栅晶体管的栅电容。
3.根据权利要求1所述的离子敏感薄膜晶体管，其特征在于，还包括钝化层，所述钝化层设于所述晶体管的上方，所述钝化层在与所述第二栅极接触电极对应区域设有第一通孔。
4.根据权利要求3所述的离子敏感薄膜晶体管，其特征在于，还包括层间介质层，所述层间介质层设于所述钝化层上方；所述第二栅极接触电极在所述层间介质层上的部分为离子敏感电极；
所述层间介质层在所述第一通孔正对的区域设有第二通孔，所述第二栅极接触电极通过所述第二通孔与所述第二栅电极的上表面连接。
5.根据权利要求4所述的离子敏感薄膜晶体管，其特征在于，还包括参比电极，所述参比电极设于所述离子敏感电极同一层。
6.根据权利要求5所述的离子敏感薄膜晶体管，其特征在于，还包括封装层，所述封装层设于所述晶体管的上方。
7.根据权利要求6所述的离子敏感薄膜晶体管，其特征在于，所述封装层在与所述离子敏感电极对应区域设有工作电极通孔，所述封装层在与所述参比电极对应区域设有参比电极通孔；所述工作电极通孔和所述参比电极通孔用于与微流控通道中的溶液直接接触。
8.根据权利要求1所述的离子敏感薄膜晶体管，其特征在于，所述第二栅极接触电极采用锡铟氧化物电极。
9.根据权利要求1所述的离子敏感薄膜晶体管，其特征在于，所述第二栅绝缘层的材料为SiO2。
10.一种生物传感芯片，其特征在于，包括：
权利要求1-9任一项所述的离子敏感薄膜晶体管，作为所述芯片的离子敏感元件；
微流控通道，位于所述离子敏感薄膜晶体管正上方，所述微流控通道作为所述芯片的环介导等温扩增反应池。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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