[發明專利]背柵式離子敏感場效應晶體管

有效

• 申請號: 201410060640.1
• 申請日: 2014-02-24
• 公開（公告）號: CN103822953A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 賈澤;吳肖;陸岠;葛學彩;劉俊杰
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務所(普通合伙) 51227
• 代理人: 李順德;王睿

技術領域

本發明屬于半導體器件技術領域，涉及半導體生物傳感器，尤其是一種離子敏感場效應晶體管。

背景技術

半導體生物傳感器由半導體電子器件與能選擇性識別被測物質的特定感應層材料組成。感應層材料識別被測物質的原理是：被測物質通過與感應層材料的接觸，引起半導體電子器件的電學性能變化，從而檢測相應生物學對象（如酶、抗原抗體、細胞及切片等）的狀態。這類傳感器在靈敏度、速度、微型化及成本等諸方面具有優勢，在生物檢測與分析領域獲得了日益廣泛的關注和應用。常見的半導體生物傳感器有三種典型結構：電解質-介質層-半導體電容(Electrolyte-Insulator-Semiconductor,簡稱EIS)式傳感器、光尋址點位傳感器(Light-Addressable?Potentiometric?Sensors,簡稱LAPS)、離子敏感場效應晶體管(Ion-Sensitive?Field-Effect?Transistors,簡稱ISFET)。ISFET型生物傳感器目前多以硅作為溝道材料。相比前兩者，ISFET結構在傳感器陣列的微型化、工藝集成、低成本、可靠性等方面具有優勢，且適用范圍更大。

現有的離子敏感場效應晶體管基本上是采用以硅為襯底，源、漏極與柵極及感應區同處一面的類似正向MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor?Field?Effect?Transistor)的結構。ISFET以其柵介質層表面與被測生物對象的界面間電解質環境中的離子作為媒介，被測對象的活動與狀態通過離子的運動引發柵極電荷及表面電勢的變化，影響溝道區的導電狀態，表現為ISFET的閾值電壓、源漏電流、跨導等電學參數的變化，從而將被測對象的活動與狀態精確地傳感為場效應管電學輸出信號。為提高器件輸出信號的強度即提高對被測試樣本的敏感程度，以氮化硅、SnO₂或TiO₂等材料作為敏感層以及采用各種形式的復合柵結構的晶體管的提出在一定程度上提高了離子敏感場效應晶體管的靈敏度。

現有的離子場效應晶體管，由于其結構為源、漏極與柵極及感應區同處一面的正向MOSFET結構，源、漏極之間的信號面電極布線的信號電場對被測樣本存在一定的影響，從而降低了離子場效應晶體管對生物檢測對象的檢測靈敏度。即使溝道層材料采用靈敏度更高的氮化硅、SnO₂或TiO₂等材料，這類離子場效應晶體管對生物檢測對象的檢測靈敏度任有待進一步提高。

發明內容

本發明提出一種背柵式離子敏感場效應晶體管，采用雙面制作工藝將作為信號面的源、漏極區制作于器件正面，而將作為檢測面的柵極及感應區制作于器件背面，通過將常規離子敏感場效應晶體管的信號面與檢測面分立于器件兩面，得到背柵式離子敏感場效應晶體管。

本發明技術方案是：

背柵式離子敏感場效應晶體管，如圖2所示，其元胞結構包括襯底材料1、位于襯底材料1正面的半導體溝道層材料2、半導體溝道層材料2正面具有兩個上電極4；所述兩個上電極4中，一個作為器件的源極、另一個作為器件的漏極；源極和漏極之間的半導體溝道層材料2形成器件的溝道區，與器件溝道區背面接觸的襯底材料通過減薄工藝減薄形成柵介質，柵介質背面具有對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層材料7。

進一步的，所述減薄工藝可采用但不限于光刻工藝。

進一步的，所述兩個上電極4材料為金屬或導電薄膜。

進一步的，所述兩個上電極（4）材料為金屬或導電薄膜。

進一步的，所述半導體溝道層材料2采用高遷移率半導體薄膜材料（其電子遷移率不低于10⁴cm²/Vs，如銻化銦、碳納米管、石墨烯等），其厚度在100～200納米之間。

進一步的，所述襯底材料1的禁帶寬度不低于SiO2禁帶寬度的一半，即大于0.7eV。

進一步的，所述對生物檢測對象敏感的感應層或媒介層材料7不限于單層材料，根據被測對象亦可為多種材料的復合層。