[发明专利]一种场效应晶体管生物传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种场效应晶体管生物传感器，包括场效应晶体管和生物探测板；场效应晶体管包括第一载体、第一栅电极、栅介质层、沟道层、漏电极和源电极；生物探测板包括导电薄膜、纳米结构和生物分子，其中，所述导电薄膜形成于所述第一栅电极上，并与所述栅介质层间隔设置，所述纳米结构形成于所述导电薄膜表面，该纳米结构表面固定生物分子。本发明还公开一种场效应晶体管生物传感器的制备方法。本发明公开的场效应晶体管生物传感器高灵敏度、低探测下限。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种场效应晶体管生物传感器及其制备方法和应用。

背景技术

生物传感器是一类对生物分子敏感，可将生物信号转换成电、光等易处理的可量化信号，通过这些信号来定量检测所测生物分子浓度的便携式特殊装置，可以实现蛋白质、病原体、病毒、重金属等其他种类的分析物，因而在疾病的早期预警、遗传分析、食品安全及环境检测具有广泛的应用。其中场效应晶体管生物传感器由于具有体积小、易微型化、集成度高、高灵敏性、低成本检测、检测时间短、无标记、信号放大且具有便携式的潜力等优势，在过去20年受到了科学家们的广泛关注，作为一种医疗诊断工具，这将减少集中诊断设施的负荷，因此场效应晶体管基生物传感器成为较有前景的一类生物传感器。

例如，巴西坎皮纳斯大学Richard Janissen等人利用InP沟道场效应晶体管实现了查加斯病的标志物(IBMP 8-1)，检测下限仅为6fM；印度工程科技学院利用氧化锌纳米棒场效应生物传感器实现了乙肝表面抗原的超灵敏检测，通过采用外差模式高频工作，克服了在生理液环境生物分子中受德拜长度影响的生物信号屏蔽问题。检测范围为20aM到1pM，最低检测下限为20aM，实现了该抗原的超灵敏检测。

由此可见，场效应晶体管基生物传感器在生物检测领域表现出了良好的检测能力，因而逐步引起研究人员的广泛关注。然而，目前报道的场效应晶体管生物传感器大多以晶体管的沟道、栅介质或栅电极作为生物敏感区域，晶体管直接与待测生物溶液接触，会对晶体管的稳定性造成影响，产生的噪声信号易干扰检测结果，同时减少晶体管寿命，进而增加传感器的使用成本。针对上述问题，研究人员设计出新的器件构型，包括延伸栅式场效应晶体管生物传感器、浮栅型场效应晶体管生物传感器以及分离延伸栅式场效应晶体管生物传感器。其中，延伸栅/分离延伸栅构型将生物敏感区域(探测板)与晶体管隔开，可以避免溶液与晶体管接触所带来的问题，引起了研究人员的广泛关注。

延伸栅/分离延伸栅构型都包含两大核心元件——场效应晶体管和生物探测区域(探测板)，其中对于场效应晶体管的选择，需要其具有较低的工作电压以保证生物分子活性、降低功耗以及保障其应用至可穿戴领域的安全性。为了降低场效应晶体管的工作电压，一般选用高介电常数的栅介质材料或者减小栅介质层的厚度。然而，高介电常数的栅介质材料对制备条件要求较高，不利于晶体管成本降低，而减薄栅介质层又可能会引起晶体管器件漏电流增大。不仅如此，上述解决方法降低工作电压的能力有限，因此需要综合器件性能以及制备成本来选择合适的场效应晶体管。另外，目前生物传感器越来越朝着柔性可穿戴领域迈进，传统场效应晶体管中的各层薄膜材料难以实现柔性制备，即使将其制备在柔性衬底上也难以实现优异的晶体管性能，因此需要对组成晶体管的各层薄膜的选择进行优化以实现晶体管的柔性制备。

不仅如此，信噪比是生物传感器的重要参数之一。器件本身的不稳定会引起噪音信号，干扰生物信号从而影响检测性能。为了保障该构型下的生物传感器的稳定性，两大核心元件的稳定性首先需要得到保障。目前研究较多的都是晶体管器件的稳定，而对于探测板的稳定性研究较少。考虑到探测板长期处于溶液环境中，其稳定性更容易受到影响，因此，对于探测板稳定性的研究不仅是必要的，也是充满挑战的。