生物分子膜門電極AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)生物傳感器研究?

李加東 程珺潔 苗斌 魏曉瑋 張志強黎海文 吳東岷?

1)(中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,國際實驗室,蘇州 215123)

2)(中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,納米器件與應用重點實驗室,蘇州 215123)

3)(中國科學院合肥物質科學研究院,合肥 230031)

4)(中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所,醫用微納技術研究室,蘇州 215163)

1 引 言

GaN基III-V半導體材料具有寬的直接帶隙,優異的物理、化學穩定性,高飽和電子漂移速度,高擊穿場強和高熱導率等優越性能,特別是Al-GaN/GaN低維異質結構界面導帶很大的能帶偏移和AlGaN層極強的壓電和自發極化效應,可以提供比AlGaAs/GaAs異質結構高出近一個數量級的二維電子氣(2DEG)密度,加上GaN基材料高的擊穿電場,使的GaN基器件的功率密度理論上比GaAs基器件高10倍以上,因此,GaN基寬禁帶半導體,特別是AlGaN/GaN異質結構材料被認為是發展高溫、高頻、高功率、抗輻射的第三代微電子器件的最優選材料體系[1?3].

基于AlGaN/GaN異質結構材料的優異性能,研究人員進行了AlGaN/GaN異質結構材料在不同領域的應用研究,諸如 Sun等人[4,5]以及 Hu等人[6]進行了AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)太赫茲探測器的研究,研制出了在室溫工作的太赫茲探測器;Wang等人[7]及Xu等人[8]分別進行了AlGaN/GaN HEMT基射頻/微波功率放大器及AlGaN/GaN HEMT基變頻器的研究,并取得了良好的結果.而在目前人們極為關注的生化安全,環境監測領域AlGaN/GaN HEMT基器件也有廣泛應用前景,2005年 Kang等人開始開展AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)用于生物傳感領域的研究,從而使得AlGaN/GaN HEMT器件在生物傳感領域的應用得到了廣泛的關注[9?11].在生物傳感領域,與傳統的硅基生物器件相比較,GaN基生物傳感器件的化學性能更穩定,同時具備無毒性、可降低吸附細胞退化等優點,然而在Kang等人相關的研究中,HEMT器件傳感區域會沉積一層Au膜,用作固定生物分子膜及待檢測分子的識別元件,Au膜的存在會增加待檢測分子調控2DEG的距離,從而會對傳感器的性能產生影響[12].針對該問題文獻[13,14]以及筆者所在團隊[15]開展了生物分子膜直接修飾傳感區域表面進行測試的AlGaN/GaN HEMT生物傳感器的研究,本團隊在研究過程中發現,結構尺寸為微米量級的傳感器的封裝材料對傳感器的性能存在較大的影響,采用SiO2,SiN無機材料封裝時,其制作工藝與器件的兼容性高,但該材料在測試過程中易損壞.而采用PMMA封裝時,材料不能長期浸泡在有機環境中.針對上述問題,本文以前列腺癌特異抗原(PSA)為檢測目標,開展了結構尺寸為毫米量級的生物分子膜門電極的AlGaN/GaN HEMT生物傳感器的研究,通過數值分析的方法分析器件傳感區域長度與寬度比值及待測物調控二維電子氣(2DEG)距離與感測信號之間的關系,給出結構尺寸為毫米量級的AlGaN/GaN HEMT生物傳感器的設計依據,通過在傳感區域表面修飾生物分子膜直接固定待測分子識別元件,降低待測目標分子調控2DEG的距離,實驗研究了傳感區域表面生物分子膜的修飾以及采用硅酮封裝的傳感器對PSA的響應.試驗結果表明,該器件作為生物傳感器是可行的.

2 AlGaN/GaN HEMT傳感器理論分析

在AlGaN/GaN HEMT結構中,由于自發極化和壓電極化效應,AlGaN/GaN HEMT器件的界面處會形成一個2DEG的表面通道,勢阱中的2DEG受控于柵極電壓[16],該結構用作生物傳感器時其工作原理如圖1所示,AlGaN/GaN HEMT的柵極采用生物分子膜代替,器件工作時,待測抗原的引入引起生物分子膜表面電壓的變化,從而引起勢阱中2DEG濃度的改變,而2DEG濃度的改變會導致晶體管的源極(source)和漏極(drain)之間電流的變化,因此可通過電流的變化來檢測引入待測抗原的濃度變化.

AlGaN/GaN HEMT標準結構中,勢阱中2DEG的密度可以用一個電荷控制模型近似來表述[16],即

其中Vg為柵極電壓,Voff為閾值電壓,V(x)為沿溝道方向的電勢,它與源漏電壓Vds有關,d為外部調控2DEG的有效調控距離,εN為AlGaN的介電常數.源極與漏極之間任一點x電流為

其中νd為載流子漂移速度,μ為2DEG的遷移率,W為溝道寬度,L為溝道長度,將(2)式對溝道長度積分可得

在線性區中(Vds?(Vg?Voff)),(3)式可以簡化為

從(4)式可以看出,AlGaN/GaN HEMT結構做傳感器時,在傳感器的結構尺寸L和W,修飾的生物分子膜厚度以及Vds確定的情況下,器件的電流信號Ids與主要與外部調控電壓Vg成線性關系.

圖1 AlGaN/GaN HEMT器件結構及工作原理示意圖

本實驗所用原材料由西安電子科技大學微電子學院提供,該基片由1.5μm厚的GaN緩沖層,19 nm厚的AlGaN阻擋層以及1.5 nm厚的GaN帽層組成.2DEG的電子遷移率為1864 cm2/V·s.器件的耗盡電壓為4.5 V.當Vg=0時,根據(4)式可得到Ids與器件傳感區域寬度與長度比值W/L的關系如圖2所示.

圖2 Ids與d及W/L之間的關系

從圖2可以看出,器件對外部環境響應的靈敏度與器件感測區域的寬度與長度比值W/L成線性關系,這說明在W/L的數值一定的情況下,器件結構尺寸的數量級對器件的靈敏度沒有影響.隨著比值 W/L的增加,器件的靈敏度有所提高,但影響并不十分明顯.而圖中 Ids與 d之間的關系表明調控距離的微弱變化,對傳感器的靈敏度有較大的影響,這說明結構尺寸相同的情況下,生物分子膜門電極AlGaN/GaN HEMT器件的性能較金屬門電極AlGaN/GaN HEMT有較大的提高.

當d=30 nm時,根據(4)式可得到Ids與 Vg關系如圖3所示.

圖3 (網刊彩色)Ids與Vg之間的關系

從圖3可以看出,傳感區域表面1 mV電壓變化能引起1.952μA的電流變化.這表明可以通過計算不同濃度的待測抗原引起的傳感區域電壓變化來預測傳感器的檢測極限.

3 實驗與結果分析

3.1 AlGaN/GaN HEMT結構制作

依據傳感器的性能與器件感測區域的寬度與長度比值W/L有關,并依據前期的研究中采用二氧化硅封裝微米級傳感區域進行測試時存在測試過程中氧化膜易損壞,而PMMA在測試時存在不宜長時間浸泡有機溶液以及硅酮不宜封裝微米級傳感區域等問題,進行結構尺寸為毫米量級的器件制作、封裝與測試實驗.器件制備工藝主要包括光刻工藝、刻蝕工藝、電子束蒸發工藝、退火工藝等,傳感器制作工藝流程如圖4所示.

圖4 (網刊彩色)器件制作工藝流程圖 (a)清洗基片,后經甩膠,光刻,顯影,得到臺面的刻蝕掩膜,后利用ICP刻蝕出臺面,臺面的高度為50 nm;(b)光刻曝光出歐姆接觸區域,利用電子束蒸發,在歐姆接觸區域蒸鍍Ti/Al/Ni/Au,剝離后在N2環境下退火45 s,退火溫度為880?C,歐姆接觸的電極大小為2 mm×2 mm,源極與漏極間距為2 mm;(c)光刻,曝光出電極引線區域,利用電子束蒸發技術蒸鍍Ni/Au,后利用lift-off工藝剝離出外部引線;(d)采用硅酮進行器件的封裝,制作出傳感器測試用樣品槽,保護源漏電極

3.2 傳感區域表面功能化

HEMT器件用作生物測試前,需要在樣品槽傳感表面上進行功能化修飾,樣品采用UV/O3對樣品槽傳感表面進行表面處理,然后將5%的3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)的甲苯溶液滴加到樣品槽內,對傳感區域表面進行硅烷化(每20 min換一次新液),2 h后,分別采用甲苯、去離子水進行充分沖洗,后采用氮氣吹干.之后在硅烷化的樣品槽內滴加2.5%戊二醛溶液,醛化1 h(每20 min換一次新液),采用去離子水沖洗.沖洗吹干之后,在樣品槽內滴加10μg/ml的PSA抗體,密封放置在4?C的冰箱內培養24 h,使羧基充分與抗體結合,培養完成后,再采用1%的牛血清白蛋白(BSA)封閉活性位點.

3 .3 傳感器PSA測量與分析

實驗采用KEITHLEY 2636A源表提供傳感器所需電壓并采集傳感器測量信號,探針臺為器件提供與源表連接的通道,實驗電學測量裝置示意圖如圖5所示.

圖5 AlGaN/GaN HEMT傳感器電學測量裝置示意圖

圖6 傳感器電流隨時間的變化曲線

圖7 傳感器對不同濃度的PSA的信號響應

固定抗體后的傳感器,在50 mV恒定偏置電壓下,對0.1 pg/ml的PSA進行了測量,測3次,取平均值,測量結果如圖6所示.從圖中可以看出,測試PBS緩沖液以及添加BSA到傳感區域表面時,器件的電流信號都沒有明顯的改變,說明傳感器具有較好的穩定性和特異性.在加入濃度為1 pg/ml的PSA時,傳感器的電流降低0.473μA,這意味著PSA同HEMT表面修飾上的抗體發生了反應,毫米量級器件具備測量低濃度PSA的能力.針對該器件,測量了器件對不同濃度的PSA的響應,每種濃度測量3次,取平均值,測量結果如圖7所示.從圖中可以看出毫米量級生物分子膜門電極Al-GaN/GaN HEMT生物傳感器對PSA的探測極限低于0.1 pg/ml.這比Kang等人[9]制作的微米量級金屬門電極AlGaN/GaN HEMT傳感器對PSA的探測極限提高了2個數量級.

4 結 論

理論分析了結構尺寸為毫米量級的Al-GaN/GaN HEMT生物傳感器的設計依據.分析表明AlGaN/GaN HEMT生物傳感器對外部環境響應的靈敏度與器件感測區域的寬度與長度比值W/L成線性關系,在 W/L的數值一定的情況下,器件結構尺寸的數量級對器件的靈敏度沒有影響.制作了歐姆接觸電極大小為2 mm×2 mm,源極與漏極間距為2 mm的AlGaN/GaN HEMT生物傳感器,對不同濃度的PSA進行了測量,結果顯示該生物傳感器對PSA的探測極限低于0.1 pg/ml,相關結果比目前報道的AlGaN/GaN HEMT生物傳感器測試PSA的探測極限提高了2個數量級.同時毫米量級的器件解決了微米量級AlGaN/GaN HEMT生物傳感器封裝存在的問題.顯示了毫米量級AlGaN/GaN HEMT生物傳感器的良好應用前景,后續工作將繼續開展傳感器的實時檢測,封裝的優化等方面的工作.

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