專利名稱：薄膜晶體管生物化學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器，確切涉及生物化學(xué)傳感器。
當(dāng)前，對(duì)傳感器特別是能檢測(cè)生物和/或化學(xué)物質(zhì)的傳感器的需求正與日俱增。目前能執(zhí)行這類(lèi)功能的傳感器都比較難以制造，因而也比較昂貴。
大多數(shù)已知的傳感器都采用具有電阻之類(lèi)的變化特性的材料。傳感器則須組合到可利用(讀出)這種改變特性的電路中。例如，可將材料薄膜組合到惠斯登電橋式的設(shè)備中以讀出液態(tài)或氣態(tài)化學(xué)物引起的電阻改變。問(wèn)題是為了使傳感器的靈敏度達(dá)到實(shí)用的范圍，一般都要求某種形式的放大。
鑒此，提供一種制造成本較低的極靈敏的傳感器是極為有利的。
為此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新的改進(jìn)了的生物化學(xué)傳感器。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制造成本較低的新的改進(jìn)了的生物化學(xué)傳感器。
本發(fā)明的又一目的是提供一種極為靈敏的新的改進(jìn)了的生物化學(xué)傳感器。
本發(fā)明的再一目的是提供一種可靠性業(yè)已提高且大大放寬了封裝限制的新的改進(jìn)了的生物化學(xué)傳感器。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種可容易地清除被檢測(cè)的生物或化學(xué)物質(zhì)的新的改進(jìn)了的生物化學(xué)傳感器。
本發(fā)明再有一個(gè)目的是提供一種可容易地適用于檢測(cè)各種各樣生物和化學(xué)物質(zhì)、光或運(yùn)動(dòng)的新的改進(jìn)了的傳感器。
本發(fā)明又有一個(gè)目的是提供一種可容易地組合各種補(bǔ)償技術(shù)以扣除在傳感器中發(fā)生的自然改變的新的改進(jìn)了的傳感器。
上述的問(wèn)題和上述的目的可在包含一個(gè)其柵極位于一側(cè)而指示膜位于相反側(cè)(通常正對(duì)著柵極)的隔離層上的薄膜晶體管的化學(xué)傳感器中，至少部分地解決了和實(shí)現(xiàn)了。在指示膜中由生物或化學(xué)物質(zhì)引起的感生電荷或電荷位移，使晶體管中的溝道電流發(fā)生改變。然后用柵極電位使得到的溝道電流變化消除。用來(lái)消除電流變化的這個(gè)電位是感生電荷的極為靈敏的度量。
在另一實(shí)施例中，指示膜是一個(gè)光敏薄膜，其中由光來(lái)感應(yīng)或位移電荷。利用對(duì)光信號(hào)具有微分響應(yīng)的生物材料細(xì)菌視紫紅(bac-teriohodopsin)作為指示器膜，提供了一種運(yùn)動(dòng)傳感器。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)生物化學(xué)傳感器實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)生物化學(xué)傳感器實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖面圖。
現(xiàn)參照附圖。圖1是根據(jù)本發(fā)明的生物化學(xué)傳感器10的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)化剖面圖。傳感器10包含一個(gè)薄膜晶體管15，其一側(cè)上有一個(gè)隔離柵16。指示膜17位于晶體管15的相反側(cè)上，通常正對(duì)著柵16。在柵16的相對(duì)二側(cè)制作源端18和漏端19作為晶體管15的一部分，而其間的半導(dǎo)體層20形成電流溝道25。柵16和指示膜17也位于半導(dǎo)體層20的相對(duì)二側(cè)。
在圖1所示的實(shí)施例中，提供了一個(gè)支持襯底26，并在支持襯底26的表面27上將導(dǎo)電材料層圖形化以確定柵16。支持襯底26可以是任何一種方便的材料，在本實(shí)施例中是一個(gè)玻璃板。應(yīng)該了解，為了現(xiàn)要描述的目的，柵16一般帶有外部連接(為方便起見(jiàn)，圖1中未示出此外部連接)。此外部連接可在柵16圖形化的同時(shí)制作，而且通常延伸到支持襯底26的可達(dá)區(qū)。
在柵16上沉積一個(gè)隔離層28，它可以是氮化硅(SiNx)之類(lèi)的任何一種方便的材料。在隔離層28上二個(gè)分隔開(kāi)的區(qū)域32和33中沉積一個(gè)導(dǎo)電材料31。分隔開(kāi)的區(qū)域32和33橫向分開(kāi)且位于柵16的相對(duì)二側(cè)并確定源端18和漏端19的位置。在區(qū)域32和33中的導(dǎo)電材料31上沉積半導(dǎo)體材料35，并在半導(dǎo)體材料35和隔離層28上沉積半導(dǎo)體層20以形成電流溝道25。對(duì)導(dǎo)電材料31和半導(dǎo)體材料35要加以選擇，以便在各個(gè)源端18和漏端19處同半導(dǎo)體層20形成歐姆接觸。
通常，薄膜晶體管15可用任何一種熟知的材料體系來(lái)制作，諸如氫化非晶硅(a-SiH)、非晶硅(a-Si)、多晶硅、硒化鎘(CdSe)、有機(jī)半導(dǎo)體等。在一個(gè)具體的例子中，半導(dǎo)體層20由氫化非晶硅制作，而半導(dǎo)體材料35由摻雜的氫化非晶硅制作以提供良好的N+型導(dǎo)電。隔離層28由任何可兼容材料制作，在本具體例子中是氮化硅(SiNx)。導(dǎo)電材料31和柵16可以是任何一種方便的金屬或其它方便的導(dǎo)電材料。
半導(dǎo)體層20上確定了一個(gè)通常在柵16上方的外表面40。表面40示作半導(dǎo)體層20上表面中的一個(gè)稍許凹下區(qū)，但應(yīng)了解，在某些具體實(shí)施例中，此上表面也可以是平坦的。通常，本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，表面40和隔離層28之間的距離選擇成使晶體管15能恰當(dāng)?shù)毓ぷ?。在半?dǎo)層20共形沉積的情況下，表面40和隔離層28之間的距離由半導(dǎo)層20的厚度決定，而且上表面通常如圖1所示。
在半導(dǎo)層20的上表面上，特別是在表面40上，沉積一個(gè)隔離層42。隔離層42可以是一個(gè)生長(zhǎng)在半導(dǎo)層20表面上的二氧化硅層，也可以由同隔離層28相同的材料或其它任何方便的絕緣材料構(gòu)成。在本公開(kāi)中，“沉積“一詞假定為包括任何一種熟知的在一層材料上提供另一層材料的方法。然后在隔離層42的表面40上沉積指示膜17。指示膜17可以是例如一種生物化學(xué)材料，例如諸如銠基在材料的有機(jī)金屬絡(luò)合物或各種對(duì)生物物質(zhì)極為靈敏的抗體。在其它的結(jié)構(gòu)中，指示膜也可以是一個(gè)光敏層，包括有機(jī)或無(wú)機(jī)光電二極管材料。而且，采用對(duì)光信號(hào)具有時(shí)間微分響應(yīng)的嗜鹽細(xì)菌細(xì)菌視紫紅(halobacteria bacteriohodopsin)，可以容易地制作運(yùn)動(dòng)探測(cè)器。
在傳感器10的某些應(yīng)用中，待檢測(cè)的材料或物質(zhì)借助于吸收、電吸引、化學(xué)鍵合或其它現(xiàn)象(依賴于薄膜17和所檢測(cè)的材料)而被附著在指示膜17上，在指示膜17中感生一個(gè)電荷或電荷位移。在傳感器10用作光電晶體管的情況下，指示膜17對(duì)照射于其上的光的出現(xiàn)很靈敏，這就在其中感生電荷。由于指示膜17鄰近于溝道25，故其工作相似于晶體管15的柵或控制端。于是，在指示膜17中的感生電荷或電荷位移就引起通過(guò)溝道25的電流的改變。然后用柵16上的電位來(lái)消除流過(guò)溝道25的電流的改變。柵16上的電位可被校準(zhǔn)即用作被檢測(cè)材料或物質(zhì)的極為靈敏的指示和度量。
除了在測(cè)量和指示過(guò)程中采用柵17外，柵17還使傳感器基線得以穩(wěn)定。通常，薄膜晶體管對(duì)閾值電壓漂移(在良好的器件中可達(dá)約1-2V)很敏感，使基線產(chǎn)生漂移。傳感器10可容易地適用于以幾種方式來(lái)克服這種基線漂移。例如，可周期性地將指示膜17暴露于“清潔環(huán)境”中并調(diào)整柵17上的電位以消除任何溝道電流。在另一例子中，提供了一個(gè)傳感器10的微分對(duì)，其一個(gè)傳感器的指示膜被鈍化。因二個(gè)傳感器10中的基線漂移幾乎是相同的，故參考傳感器10(鈍化指示膜17)的信號(hào)可用來(lái)補(bǔ)償其它傳感器10中的任何改變。
在某些應(yīng)用中(通常依賴于被檢測(cè)的材料和指示膜17)，借助于對(duì)柵16加一相當(dāng)大的電位，可清洗即更新傳感器10。此大電位的電荷應(yīng)用被檢測(cè)材料上的任一純電荷相同，而且通常大于此電荷，以便從指示膜17驅(qū)除被檢測(cè)的材料。例如，若正離子被檢測(cè)，則純電荷就是各離子上的電荷。由于這種清洗和更新傳感器10的新穎方法可就地執(zhí)行而無(wú)需額外人力，故此方法是非常有利的。
現(xiàn)參照?qǐng)D2，圖中示出了根據(jù)本發(fā)明的生物化學(xué)傳感器10’的簡(jiǎn)化剖面圖。在本實(shí)施例中，相似的元件用相似的參考號(hào)表示，所有的參考號(hào)都加有撇號(hào)以表示不同的實(shí)施例。傳感器10’包含一個(gè)薄膜晶體管15’，柵極16’位于其一側(cè)上。隔離的指示膜17’位于晶體管15’的相反側(cè)上，通常正對(duì)著柵16’。在柵16’的相反二側(cè)上制作一個(gè)源端18’和一個(gè)漏端19’作為晶體管15’的一部分，而半導(dǎo)層20’在其間形成一個(gè)電流溝道25’。柵16’和指示膜17’也位于半導(dǎo)層20’的相反二側(cè)。
在圖2所示的實(shí)施例中，提供了一個(gè)支持襯底26’，并在支持襯底26’的表面27’上對(duì)導(dǎo)電材料層進(jìn)行圖形化以確定柵16’。支持襯底26’可以是任何一種方便的材料，在本實(shí)施例中是一個(gè)玻璃板。如前面所解釋的，柵16’上通常具有外部連接，為方便起見(jiàn)，此外部連接在圖2中未示出。此外部連接可在柵16’圖形化時(shí)同時(shí)制作，而且通常延伸到支持襯底26’可達(dá)的區(qū)域。
在支持襯底26’上和柵16’上沉積一個(gè)隔離層28’，它可以是氮化硅(SiNx)之類(lèi)的任何一種方便的材料。在隔離層28’上沉積半導(dǎo)層20’，并在半導(dǎo)層20’上分隔開(kāi)的區(qū)域32’和33’中沉積半導(dǎo)體材料35’。分隔開(kāi)的區(qū)域32’和33’橫向分布在柵16’的相對(duì)二側(cè)，且確定源端18’和漏端19’的位置。在此實(shí)施例中，也在位于通常正對(duì)著柵16’的區(qū)域中用化學(xué)腐蝕或本領(lǐng)域熟知的其它方法來(lái)清除半導(dǎo)體材料35’(而且在某些應(yīng)用中還清除部分半導(dǎo)層20’)。在圖2的實(shí)施例中，用腐蝕的方法在半導(dǎo)體層20’中確定出一個(gè)外表面40’。
在區(qū)域32’和33’的半導(dǎo)體材料35’的表面上沉積金屬或其它導(dǎo)電良好的材料31’，以分別形成源端18’和漏端19’的電接觸。在半導(dǎo)層20’的表面40’上和半導(dǎo)體材料35’上沉積隔離層42’，以便將指示層17’同源端18’和漏端19’隔離開(kāi)來(lái)。然后在同表面40’相重疊的隔離層42’上沉積指示膜17’，致使通常正對(duì)著柵端16’。
如上文所述，指示膜17’被引入被檢測(cè)的材料、物質(zhì)或情況，這種材料、物質(zhì)或情況就在指示膜17’中感生電荷或電荷位移。由于指示膜17’位于溝道25’的附近，其工作就相似于晶體管15’的柵即控制端。指示膜17’中的感生電荷或電荷位移于是引起流過(guò)溝道25’的電流的改變。然后用柵16’上的電位來(lái)消除流過(guò)溝道25’的電流的改變。柵16’上的這一電位被校正或用作被檢測(cè)材料、物質(zhì)或情況的一種極為靈敏的指示或度量。
這樣就公開(kāi)了生物化學(xué)傳感器，其制造成本較低，可擴(kuò)大為大的傳感器陣列，而且極為靈敏。而且，這種新的改進(jìn)了的生物化學(xué)傳感器可以容易地清除被檢測(cè)的生物或化學(xué)物質(zhì)，而且可容易地適用于檢測(cè)各種各樣的生物和化學(xué)物質(zhì)、光或運(yùn)動(dòng)(情況)。在新的改進(jìn)了的傳感器中還可容易地組合各種補(bǔ)償技術(shù)以便扣除傳感器中發(fā)生的自然改變。這種新的改進(jìn)了的生物化學(xué)傳感器提供了更高的可靠性和具有更寬松得多的封裝限制的制造性能。當(dāng)所有電接觸置于半導(dǎo)層(例如層20)下方時(shí)，就出現(xiàn)獲得封裝改善的例子。這些接觸則可經(jīng)由支撐襯底中的通道而被尋址。在這一結(jié)構(gòu)中，唯一暴露于大氣(敵方)的表面是指示膜，這就導(dǎo)致可靠性提高并顯著地放寬了封裝限制。
雖然現(xiàn)已描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)仍有進(jìn)一步修改和改進(jìn)的可能。因此，我們希望人們能理解，本發(fā)明不局限于所示的特定形式，而是在所附權(quán)利要求書(shū)中覆蓋所有不超越本發(fā)明精神與范圍的修改。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)傳感器，其特征是一個(gè)帶有第一和第二相對(duì)二側(cè)面和位于第一側(cè)面上的柵的薄膜晶體管；一個(gè)位于第二側(cè)面上的隔離層；以及一個(gè)位于隔離層上通常正對(duì)著柵的指示膜。
2.一種化學(xué)傳感器，其特征是一個(gè)薄膜晶體管，它包含一個(gè)半導(dǎo)層和與此半導(dǎo)層嚙合的源和漏端(源和漏端分隔開(kāi)來(lái)以便在半導(dǎo)層中確定一個(gè)電流溝道)以及一個(gè)在電流溝道附近與半導(dǎo)層第一側(cè)面嚙合的柵端以便在源、漏和柵端被激活時(shí)控制源漏間通過(guò)電流層的電流；以及一個(gè)位于電流溝道附近鄰接于半導(dǎo)層第二側(cè)面的指示膜，以便當(dāng)源和漏端被激活時(shí)控制源漏間通過(guò)電流層的電流。
3.權(quán)利要求2所述的化學(xué)傳感器，其特征是，每個(gè)源和漏端包含一個(gè)位于半導(dǎo)層表面上的摻雜半導(dǎo)材料層和一個(gè)位于摻雜半導(dǎo)材料層上的電接觸。
4.權(quán)利要求2所述的化學(xué)傳感器，其特征是，柵端包含一個(gè)位于半導(dǎo)層表面上的材料隔離層和一個(gè)位于材料隔離層上的電接觸。
5.權(quán)利要求2所述的化學(xué)傳感器，其特征是，半導(dǎo)層包含非晶硅、氫化非晶硅、多晶硅、硒化鎘或有機(jī)半導(dǎo)體中的一個(gè)。
6.一種化學(xué)傳感器，其特征是一個(gè)帶有第一和第二表面的半導(dǎo)層；一個(gè)包含位于半導(dǎo)材料層上的電接觸的源端以及一個(gè)包含位于半導(dǎo)材料層上的電接觸的漏端，源端的半導(dǎo)材料層同半導(dǎo)層的第一或第二表面嚙合，而漏端的半導(dǎo)材料層同與源端半導(dǎo)材料層分隔開(kāi)的半導(dǎo)層的第一或第二表面相嚙合，以便在半導(dǎo)層中確定一個(gè)電流溝道；一個(gè)包含位于隔離層上的電接觸的柵端，此柵端隔離層位于電流溝道附近的半導(dǎo)層的第一表面上以確定薄膜晶體管并在源漏和柵端被激活時(shí)控制源漏間通過(guò)電流層的電流；一個(gè)位于半導(dǎo)層第二表面上的隔離膜；以及一個(gè)位于電流溝道附近隔離膜上的指示膜以便當(dāng)源和漏端被激活時(shí)控制源漏間通過(guò)電流層的電流。
7.一種制造化學(xué)傳感器的方法，其特征是，包括以下步驟制作一個(gè)帶有第一和第二相對(duì)二側(cè)面和一個(gè)位于第一側(cè)面上的柵的薄膜晶體管；在第二側(cè)面上沉積一個(gè)隔離層；以及在一般正對(duì)著柵的隔離層上沉積一個(gè)指示膜。
8.一種制造化學(xué)傳感器的方法，其特征是，包括以下步驟提供一個(gè)帶有平坦表面的支持襯底；在支持襯底的表面上沉積一個(gè)導(dǎo)電材料層以確定晶體管柵；在導(dǎo)電層上沉積一個(gè)材料隔離層；在隔離層上二個(gè)分隔開(kāi)的區(qū)域中沉積導(dǎo)電材料，分隔開(kāi)的區(qū)域橫向位于導(dǎo)電層的相對(duì)二側(cè)；在二個(gè)分隔開(kāi)的區(qū)域的每一個(gè)中的導(dǎo)電材料上沉積半導(dǎo)體材料；在二個(gè)分隔開(kāi)的區(qū)域的每一個(gè)中的半導(dǎo)體材料上和在其間的隔離層上沉積一個(gè)半導(dǎo)材料層，以便確定一個(gè)表面和同導(dǎo)電層重疊的二個(gè)分隔開(kāi)區(qū)域之間的薄膜晶體管電流溝道；在半導(dǎo)材料層的外表面上沉積一個(gè)材料隔離層；以及在隔離層上沉積一個(gè)指示膜。
9.一種制造化學(xué)傳感器的方法，其特征是，包括以下步驟提供一個(gè)帶有平坦表面的支持襯底；在支持襯底的表面上沉積一個(gè)導(dǎo)電材料層以確定晶體管柵；在導(dǎo)電層上沉積一個(gè)材料隔離層；在隔離層上沉積一個(gè)半導(dǎo)材料層以確定外表面和電流溝道；在二個(gè)分隔開(kāi)的區(qū)域的每一個(gè)中的半導(dǎo)材料層上沉積摻雜的半導(dǎo)體材料，此二個(gè)分隔開(kāi)的區(qū)域位于晶體管柵的相對(duì)二側(cè)；在二個(gè)分隔開(kāi)的區(qū)域中的摻雜半導(dǎo)體材料上沉積導(dǎo)電材料；在二個(gè)分隔開(kāi)的區(qū)域之間的半導(dǎo)材料層的外表面上沉積一個(gè)材料隔離層；以及在隔離層上沉積一個(gè)指示膜。
10.一種檢測(cè)材料、物質(zhì)或情況存在的方法，其特征是，包括以下步驟提供一個(gè)材料、物質(zhì)或情況傳感器，此傳感器包含一個(gè)帶有第一和第二相對(duì)二側(cè)面以及一個(gè)位于第一側(cè)面上的柵的薄膜晶體管、一個(gè)位于第二側(cè)面上的隔離層以及一個(gè)位于隔離層上通常正對(duì)著柵的指示膜；激活薄膜晶體管并將傳感器的指示膜引入待檢測(cè)的材料、物質(zhì)或情況；將置零電位加于柵以消除流經(jīng)薄膜晶體管的電流的改變；以及從置零電位確定被檢測(cè)材料、物質(zhì)和出現(xiàn)率的數(shù)量。
全文摘要
一種化學(xué)傳感器，它包含一個(gè)薄膜晶體管，該晶體管帶有一個(gè)位于一側(cè)的柵極。隔離層位于相對(duì)側(cè)而指示膜位于隔離層上，通常正對(duì)著柵。由生物或化學(xué)物質(zhì)在指示膜中引起的感生電荷改變了晶體管中的溝道電流。然后用柵上的電位來(lái)消除得到的溝道電流的改變。用來(lái)消除電流改變的這一電位是感生電荷的一種極為靈敏的度量。
文檔編號(hào)G01N27/414GK1156818SQ96108769
公開(kāi)日1997年8月13日 申請(qǐng)日期1996年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月28日
發(fā)明者杜納爾德·E·阿克利, 查一龍·施 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司