本發(fā)明涉及一種基于雙柵極單電子晶體管的應用于對溶液中化學和生物特征分子的電子生物傳感器。

背景技術：

近年來，從疾病分析到新藥分子的發(fā)現(xiàn)，生命科學領域的化學和生物分子檢測和量化分析技術，起著越來越重要的作用。人們需要將生物物質(zhì)敏感的化學和物質(zhì)濃度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠M行測量、標定、分析。而這是由類似于包括抗體﹑抗原﹑酶﹑微生物﹑細胞﹑組織等的生物識別元件與類似于壓電傳感器﹑光敏電阻管﹑場效應管等的理化參數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)合起來，構成生物傳感器。在這些理化參數(shù)轉(zhuǎn)換器中，頂柵電勢變化敏感的場效應晶體管(fieldeffecttransistor，fet)被視為其中帶電物質(zhì)檢測的重要器件。但隨著研究和生產(chǎn)技術的提升，對于檢測的精度也越來越高，或者當所要檢測的目標物在稀釋狀態(tài)下或者受到一些環(huán)境因素的干擾時候，就需要有更高精度檢測器件來實現(xiàn)對目標物的檢測和量化分析。這種基于雙柵極單電子晶體管在未來的信息技術與生物技術的融合，食品藥品分析﹑環(huán)境保護﹑臨床診斷﹑生物智能芯片開發(fā)都有廣闊的發(fā)展前景。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于，對目前的化學生物分子檢測的場效應晶體管方法，提供一種基于雙柵極單電子晶體管(set)的電子生物傳感器。

本發(fā)明的技術方案是：一種雙柵極單電子晶體管生物傳感器，結(jié)構如下，包括soi(絕緣襯底上的硅)絕緣襯底(1)上﹑絕緣襯底上為硅量子點溝道層(2)﹑介質(zhì)層(3)﹑源極(4)﹑漏極(5)﹑側(cè)柵極(6)﹑頂柵(7)，頂柵包括功能薄膜和樣品容器(8)；絕緣襯底(1)上的頂層硅是經(jīng)過處理減薄到80±20nm左右制備源極(4)﹑漏極(5)﹑側(cè)柵極(6)﹑頂柵(7)；所述的硅量子點溝道層(2)是刻蝕方式在襯底上，量子點的直徑大小在10nm以內(nèi)；硅量子點溝道層(2)上的所述的源極(4)﹑漏極(5)﹑側(cè)柵極(6)通過微加工方法在頂層硅上刻蝕出丁字型且三個極均留有間隙；所述的介質(zhì)層(3)通過原子沉積的的技術在源極(4)﹑漏極(5)﹑側(cè)柵極(6)構成的單電子晶體管上生長出一層al2o3的高k介質(zhì)層，厚度在10-40nm；所述的頂柵(7)是通過模板在高介質(zhì)層上面制作一個頂柵。

雙柵極電子晶體管生物傳感器的制備方法，soi是使用注氧隔離技術制備，soi上部的頂層硅選取的是(100)的晶向；厚度約為400nm，soi下部襯底為box(埋層氧化層)，埋層氧化層(box)厚度大約為380nm；然后在頂層硅使用p離子通過熱擴散的方法進行摻雜,初始頂層硅的厚度是200nm，p表面注入濃度是1.6e14cm^-2，52kev，在1000℃氧化，時間控制在35分鐘，使用hf漂去氧化硅，剩余頂層硅大概70-80nm，濃度在3e19cm^-3，再進行紫外曝光，然后進行顯影，把光刻膠作為掩膜，使用rie反應離子刻蝕的方法制備出硅量子點溝道層(2)，硅量子點溝道層(2)上以相同的rie反應離子刻蝕得到包含源極、漏極、側(cè)柵極的整體臺面；完成之后再次進行uv曝光、顯影以及電子束熱蒸發(fā)ni/au和剝離金屬的標記圖形制備源極(4)﹑漏極(5)﹑側(cè)柵極(6)構成的單電子晶體管，金屬對準標記圖形是通過電子束曝光做成，考慮到能使用圖形互補，光刻膠覆蓋的區(qū)域就是單電子晶體管的圖形，在此基礎上再進行icp刻蝕，刻蝕的深度控制在到達box(埋層氧化層)，再將soi上的ni/au洗掉，在900±20攝氏度左右下，熱干氧化，使得源電極和漏電極之間的通道氧化成隧穿勢壘；最后進行曝光、顯影在源漏電極硅層面上開窗口，電子束蒸發(fā)金屬ni/au金屬電極；

再使用原子束沉積技術(ald)，在單電子晶體管set上覆蓋一層大約40nmal2o3的高k介質(zhì)層；在高k介質(zhì)層上，進行曝光﹑顯影，使用pecvd技術生長氧化硅，采用lift-off技術獲得測量窗口和容器結(jié)構；在窗口上附著相應的功能薄膜，從而得到頂柵的功能薄膜以及連接容器。lift-off指涂膠后曝光顯影，使其產(chǎn)生一個稍微內(nèi)傾的光刻膠剖面。在窗口上附著相應的功能薄膜，從而得到頂柵的功能薄膜以及連接容器。

soi襯底是采用(100)硅單晶片通過商用注氧隔離技術制備獲得，頂層硅厚度約為400nm，埋層氧化層(box)厚度大約為380nm。然后將頂層硅通過熱擴散的方法進行n型重摻雜。

再使用原子束沉積技術(ald)，在單電子晶體管上覆蓋一層大約40nmal2o3的高k介質(zhì)層。在高k介質(zhì)層上，進行曝光﹑顯影，如圖2所示。

這種單電子晶體管，源漏電極之間是通過溝道中的量子點通過隧穿勢壘進行耦合，對外界的電勢變化響應比普通的場效應管的靈敏度大幅提升，從而對化學和生物分子的測量精度得到很大提高。

有益效果：所提出的雙柵結(jié)構，通過頂柵的表面的功能薄膜(附著檢測目標對應的抗體，當檢測目標時候進行檢測；同時，側(cè)柵實現(xiàn)對器件電學特征狀態(tài)進行調(diào)控，處于單電子庫侖阻塞區(qū)域，使得檢測靈敏度和精度得到優(yōu)化?？赏ㄟ^微加工技術在襯底的頂層硅上刻蝕出如圖1所示的各部分布局結(jié)構。這種電子晶體管源漏電極間通過量子點的隧穿勢壘進行耦合，對柵極電勢的變化具有極高的檢測精度。當頂柵表面功能薄膜對目標物進行檢測時，可以通過側(cè)柵調(diào)整源漏電流庫侖振蕩位置，使得檢測的性能和精度保持在最優(yōu)化的測試范圍。

附圖說明

圖1所示的通過微加工技術在襯底的頂層硅上刻蝕出各部分布局結(jié)構。

圖2是圖1的俯視圖。

具體實施方式

單電子晶體管的基本工作原理是基于庫侖阻塞效應，源漏間的溝道電流以一個一個電子隧穿越過量子點。當量子點尺寸在幾納米時，耦合電容非常小，可以形成很高的庫侖阻塞能，實現(xiàn)在室溫下的操作。與此同時，當外界與量子點的耦合感生電勢有極小改變時，單電子晶體管的工作狀態(tài)將發(fā)生顯著變化，從而實現(xiàn)超高靈敏檢測。對化學和生物分子檢測原理，單電子晶體管與常規(guī)場效應晶體管相似，都是通過檢測目標附著于頂柵的電荷量的變化，從而影響溝道電勢達到對工作狀態(tài)的改變。單電子晶體管的檢測靈敏度要遠遠高于常規(guī)場效應晶體管。但是，各種外場感生電勢的干擾，使電子晶體管的工作狀態(tài)不穩(wěn)定，飄離最佳工作區(qū)域。

所發(fā)明的單電子晶體管結(jié)構設計上有兩個柵極，即一個頂柵和一個側(cè)柵。頂柵的表面經(jīng)過處理后，附著與檢測目標作用的抗體的功能薄膜，測量目標(抗原)與抗體相互作用，使得載有抗體的檢測薄膜表面電荷量發(fā)生變化，進而頂柵的感生電荷乃至量子點的耦合感生電勢也隨之變化，從而改變工作狀態(tài)即電壓——電流特征曲線。但在實際測量時，由于來自于檢測目標或者周圍環(huán)境的其他因素的干擾，導致量子點的感生電勢不處于最靈敏狀態(tài)，此時通過側(cè)柵電壓的調(diào)控，抵消受其它影響產(chǎn)生的電勢變化，并使得測量點調(diào)控在最佳位置，進而保證處于相同的工作狀態(tài)并使得測量精度得到進一步提高。

具體實施方式

本發(fā)明的優(yōu)選制備實施例詳述如下：

圖中，1-soi襯底2-硅量子點層3-介電層4源極5-漏極6-側(cè)柵7-頂柵表面的功能薄膜8-頂柵的樣品容器。

soi是采用在硅(100)單晶片注氧隔離技術獲得的(商用材料)，頂層硅厚度約為400nm，埋層氧化層(box)厚度大約為380nm。然后將頂層硅通過熱擴散工藝進行n型重摻雜。

頂層硅通過濕法刻蝕的工藝進行減薄，減薄至80nm左右，進行紫外曝光、顯影、光刻膠作為掩膜，使用rie反應離子刻蝕，進而得到如圖2所示頂層硅上包含源極、漏極、側(cè)柵極的整體臺面。

之后再次進行uv曝光、顯影及電子束熱蒸發(fā)ni/au和剝離，金屬對準標記圖形是通過電子束曝光做成，考慮到可以使用圖形互補，光刻膠覆蓋的區(qū)域就是單電子晶體管的圖形，在此基礎上再進行icp刻蝕，刻蝕的深度控制在到達box(埋層氧化層)，再將soi上的ni/au洗掉，在900℃左右下，熱干氧化，使得源電極和漏電極之間的通道氧化成隧穿勢壘。最后進行曝光、顯影在源漏電極硅層面上開窗口，電子束蒸發(fā)金屬ni/au金屬電極。

再使用原子束沉積技術(ald)，在覆蓋一層大約40nmal2o3的高k介質(zhì)層。在高k介質(zhì)層上，進行曝光﹑顯影，如圖2所示，使用pecvd技術淀積氮化硅，采用lift-off技術獲得測量窗口和容器結(jié)構。在窗口上附著相應的功能薄膜，從而得到頂柵的功能薄膜以及連接容器。

本發(fā)明的優(yōu)選使用實施例詳述如下：對于ph值在8.0-8.2的鏈霉親和素溶液的檢測，溶液中的鏈霉親和素與接觸發(fā)生作用，使硅烷化，進而改變頂柵極的電荷分布情況，改變了對應的頂柵極電勢vg(top)，產(chǎn)生與對于濃度檢測相對應的源漏電流ids。此時可以通過調(diào)控側(cè)柵的電壓vg(side)在(-10～10v)范圍內(nèi)，可以對ids進行調(diào)控使ids/vg(top)值最大，對于檢測的精度可以得到提高。