Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
металла и полупроводника Фт8. В случае ХЧПТ разность работ выхода должна
быть подразделена на составляющие:
(r)ms = (r)m-sol + ^*sol ~ mern + (r)mem-s> (26.17)
где Фт~5оь Ф5о1-тст. Фщет~s"разность работ выхода металла и раствора,
раствора и мембраны, мембраны и полупроводника соответственно. Поскольку
члены Еге[ и Ф501-тет Уже учитывают разности работ выхода (Фт - 80, и
Ф80|-тет соответственно), пороговое напряжение ХЧПТ должно описываться
следующим уравнением:
V* = VT - Фт_8о1 - Ф8о1_тет = Фтет_8 - ~ ^ + 2фР, (26.18)
где заряд диэлектрика считается пренебрежимо малым.
Таким образом, уравнения (26.15)-(26.18) описывают вольт-амперные
характеристики ХЧПТ независимо от механизма возникновения разности
потенциалов Фэо1 - теш на границе раздела раствор-мембрана. Здесь важно
понять, что ток стока зависит от этой разности потенциалов и,
следовательно, ХЧПТ является преобразователем с чрезвычайно высоким
сопротивлением, детектирующим эту разность потенциалов. С помощью
мембран, потенциал которых зависит от концентрации определенных частиц в
растворе, ПТ-преобразователь приобретает химическую селективность. В
последующих разделах рассматриваются различные схемы, придающие полевому
транзистору чувствительность к разнообразным соединениям.
26.3. Производство сенсоров
Процесс производства сенсоров на основе ХЧПТ можно подразделить на два
этапа. На первом этапе в кремниевой пластине (обычно диаметром 50 или 75
мм) создают элементы множества (от нескольких сотен до тысячи) микросхем;
здесь каждая операция одновременно воздействует на все будущие микросхемы
и поэтому не требует больших трудозатрат. Второй этап производства
сенсоров включает операции, выполняемые после того, как пластина
разрезана на отдельные микросхемы; сюда относятся установка микросхемы на
опоре, создание электрических соединений, герметизация сенсора и обычно
осаждение химически чувствительной мембраны. Поскольку на втором этапе
каждый сенсор обрабатывают индивидуально, то соответствующие трудозатраты
могут быть очень высокими.
26.3.1. Производство пластин
В каждой лаборатории, в которой изготавливают ХЧПТ, применяют свои
операции и свои технологические процессы, поэтому детальное описание
всего процесса лишено смысла и не входит в задачи настоящего обзора. С
подробным описанием производства полупроводниковых устройств читатель
может ознакомиться в специальных монографиях, например [5].
Химически чувствительные полевые транзисторы
397
Рис. 26.10. Типичная микросхема ХЧПТ. Описание см. в тексте (по данным
[2]).
Qi Q4 /
ЁуЧуу\ \ \\\ |0 /9 8 7
6
"г 5
' . JL
4
ЁЙшш |0 2 ч 3
Q1
Производство ХЧПТ с каналом л-типа начинается с изготовления кремниевой
пластины, легированной бором, который превращает ее в полупроводник /5-
типа. Затем путем фотолитографического маскирования и введения атомов
фосфора в поверхность кремния посредством имплантации ионов или
химической диффузии формируют сток и исток л-типа соответствующего
рисунка. Диэлектрический затвор из диоксида кремния (обычно толщиной 50-
100 нм) создают термическим окислением поверхности кремния при 1000-1200
°С в атмосфере кислорода. Слой нитрида кремния (также толщиной 50" 100
нм), который выполняет роль второго диэлектрика, покрывающего слой
диоксида кремния и, кроме того, придает устойчивость к гидратации, обычно
формируют химическим осаждением из газовой фазы (смеси азота, силана SiH4
и аммиака NH3) при 600-800 °С. Электрические контакты с истоком, стоком и
подложкой создают путем протравливания отверстий в диэлектрике и
напыления металлических (обычно алюминиевых) полосок, соединяющих эти
элементы с контактными площадками на периферии кристалла. По окончании
всех указанных операций пластину скрайбируют алмазным резцом и затем
разрезают на отдельные микросхемы.
В разных лабораториях, изучающих ХЧПТ, применяют кристаллы различной
геометрии. На рис. 26.10 представлена схема кристалла, широко
изучавшегося в Университете штата Юта (США) [2]; такую геометрию ХЧПТ
можно считать наиболее типичной. Кристалл размером 1,28 х 2,16 мм имеет 4
ПТ, два из которых (Q, и Q3) являются ХЧПТ, а два других (Q2 и Q4)
обычными ДЗПТ. Все затворы имеют размер 20 х 400 мкм. Символами А, В, С и
D обозначены области стока и истока двух ХЧПТ, а цифрами от 1 до 9 -
металлические контактные площадки, соединенные электрическими контактами
со схемой внешнего управления. Два ХЧПТ размещают на одном конце
микросхемы, а контактные площадки-на другом; таким путем облегчается
герметизация контактных площадок, соединительных проводов и ребер
кристалла при негерметизированных затворах ХЧПТ.
26.3.2. Монтаж сенсоров
Каждая лаборатория опять-таки использует свою компоновку и свои способы
выполнения операций монтажа (установку подложки и проводов, герметизацию)
сенсоров на основе ХЧПТ. На рис. 26.11 представлена конструкция сенсора,
использовавшегося автором этого обзора в большинстве своих работ [6].
