TW201005286A - Field effect transistor based sensor - Google Patents

Description

201005286 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種場效電晶體型感測器，並且特別是有 關於一種具有優異的靈敏度及反應時間之場效電晶體型感測 n ° … 【先前技術】 離子感測場效電晶體(ion-sensitive field effect transistor， ISFET)係Piet Bergveld於1970年提出之電化學感測元件，其’ 具備微型化與適合自動化量測之優點。相較於^前積體電^ 中使用之金屬-氧化物-半導體場效電晶體細他丨^ semiconductor field effect transistor，MOSFET)，ISFET 與 MOSFET的主要差異在於ISFET藉由離子感測層與電解液^ 代MOSFET之閘極。藉由離子選擇功能與場效電晶體之特 性，ISFET係電化學與半導體相結合之新型感測器。 ’ 請參閱圖一。圖一係繪示一習知的離子感測場效電晶體 1之截面視圖。圖一中之離子感測場效電晶體丨係應用 AlGaN/GaN 高電子遷移率電晶體（high_electlOn mQbility transistor，HEMT)。如圖一所示，離子感測場效電晶體i包含 基板10、氮化銘層U、氮化鎵層12、14、氮化銘鎵層13、 源極15以及汲極16。氮化鋁層η作為一成核層(nudearati〇n layer)。氮化鎵層12作為一緩衝層。其中，一二維電子氣 (two-dimensional electron gas，2DEGs)17 係形成於氮化鎵層 12 及氮化銘鎵層13之介面並位於氮化鎵層12 一侧。如圖1所 示，曝露的閘極區140能夠感測被吸附的離子，使得離子感 測場效電晶體1之表面電位係被調整以影響二維電子氣17之 密度’因而改變源極-汲極電流之大小。 201005286 ，由上述的機制，A1GaN/GaN HEMT可以作為離子感測 ^效笔晶體。細’ A1GaN/GaN HEMT離子制器的靈敏度 ^低亚且反應時間較慢，對於愈來愈重視即時感測及高靈敏 度的現代感測技術來說著實不符所需。 t* ’本發明之主要範•在於提供—種具有高度的靈敏 度及快速的反鱗間之離子制場效f晶體魏測器， 決上述問題。 【發明内容】

本發明之一範嚀在於提供一種場效電晶體型感測器。 -根據，發明之第一具體實施例，場效電晶體型感測器包 含基板、氣化銦(InN)材料層、源極以及没極。 氮化銦材料層形成於基板之上並且具有上表面，並且上 表面其上提供一檢體(福㈣反應區域。此外，氮化鋼材料層 作為；I於源極及汲極間之電流通道(current channei)。藉此， 吸附至檢體反應區域之檢體會引發流動於電流通道中之電汽 之變化，並且該變化進一步係解譯成關於該檢體之一特性。机 、根據本發明之弟一具體實施例亦提供一種場效電晶體型 感測器。需注意的是，第二具體實施例之感測器係以—化 銦錁材料層取代第-具體實施例之感測器中之氮化鋼材 而得。根據本發明之氮化銦鎵之化學式為N，豆: x>0.4。 τ

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳 附圖式得到進一步的瞭解。 【實施方式】 201005286 请參閱圖二。圖二係繪示根據本發明之第一具體實施例 之一ί效電晶_感測器2之截面視圖。如圖二所示，場效 電曰】體J感測器2包含基板20、氮化銦材料層22、源極％ 以及没極28。 ΓΓ I實ΐ1用中，基板20可以由石夕(silicon)、氮化鎵 (G’、1化鋁(A1N)、藍寳石(sapphire)或碳化 成，但不以此為限。 7

❿ 氮化銦材料層22係形成於基板2〇之上 220。於實際應用中，場效電晶體型感測器2進一步【含f j π iayei〇2H_ 24 _狀絲％及氮化崎 '之間’用哺助氮化鋼材料層22之蟲曰曰曰。於此實施 例中，緩衝層24可由氮化鋁(AiN)所製成。 、隨著磊晶技術的發展，氮化銦獨特的光學及電子性質已 研究。舉綱言，在未雜的情況下，氮化銦材料具 有咼度的自由電子濃度，一般係超過1〇18cm_3。此外，經 ，氮化銦材料的表面與生俱有電子累積的現象。這種 電子累積的現象在III-V族半導體中非常獨特。此種電子累 的現象曾被試圖用物理或化學處理來除去，但至今尚^成 ’氮化銦ί料其帶正電荷的表面施體能態(d_ sate)的歧尚達1G em-2，並且在m_v料導财係最大 的0 由於IUb銦材料的表面具有高度的表面施體能態密度， 此非#有利於感測方面的應用。舉例而言，氮化銦材料1 帶正電荷的表面施體能態能夠使溶液中的陰離子吸附至氮^匕 銦材料的表面。換句話說，根據本發明之氮化銦材料層22之 ^表，220能夠提供一檢體反應區域。於實際應用中，檢體 可以疋-離子、-化學分子或一生物分子。此外，檢體可以 201005286 是固態的、液態的或氣態的。 源極26及没極28可形成於氮化銦材料層22上。於實際 應用中’雜26及祕28皆可由能夠形成歐姆接觸之^ 所製成，例如金/鈦(Au/Ti)合金、金或鋁。除了表面包含檢體 反應區域外，根據本發明之氮化銦材料層22並且 極26及没極28間之電流通道。藉此，吸附至檢體反應^ 之檢體會引發流動於電流通道中之電流，即祕·祕電流

Ids發生變化，並且該變化進一步係解譯成關於該檢體之 性，例如濃度。 寸 舉例而言，當根據本發明之場效電晶體型感測器2置放 於含有待測陰離子的水溶液中時，陰離子會吸附至離子反應 區域並同時驅散部份累積於氮化銦材料層之表面的電子，^ 成/瓜動於電流通道中之電流量變少。基本上，電流之變化 係與離子之濃度相關。離子濃度高代表會有較多 附至離子反赫域上，造絲流量下降較多。 流Ids之變化量，根據本發明之場效電晶體型感測器2可以 過定量分析感測出離子濃度。 請參閱圖三。圖三係繪示根據本發明之場效電晶體 測器2進一步包含檢體選擇性薄膜3〇之截面視圖。如圖三^ 不，檢體選擇性薄膜30係形成於氮化銦材料層22之上表面 上。檢體選擇性薄膜30可以選擇性地吸附特定的彳^ 用以感測例如’蛋白質、抗原、抗體等生物或化學物 貝。所以，根據本發明之場效電晶體型感測器2可以作為化 學感測器、生化感測器、生理感測器及臨床上的應用。’、、 —由於當場效電晶體型感測器2置放於含有待測離子的水 溶液中感測時，水溶液中的離子可能會與源極26及汲極％ 起反應(例如侵蝕電極），致使流動於電流通道中之電流發生 201005286 不系S疋的現象。請參閱圖四。圖四係彡會示根據本發明之場效 電晶體型感測器2進一步包含一鈍化層(passivati〇n layer)32 之截面視圖。於實際應用中，鈍化層32可以由氮化石夕或 樹酯所製成’但不以此為限。 、，了改善電流不穩定的問題，如圖四所示，鈍化層32可 =覆蓋源極26、汲極28及除了檢體反應區域外之氮化銦材 料層22之上表面220。鈍化層32的功能在於隔絕水溶液中 的，子影響源極26及没極28的性質，以維持電流通道中之 ，流的穩定性。因此’純化層32可以提昇根據本發明之場效 電晶體型感測器2在檢體感測上的穩定性。 另外，於一具體實施例中，氮化銦材料層22中鄰近該上 ，面22〇之。卩份可施以一熱氧化沖ermai⑽丨細丨⑽)處理或— =摻雜(〇xygen-doping)處理以形成一氧化銦或氧氮化銦表面 僧。 处為了，測根據本發明之場效電晶體型感測器2之感測效 犯丄於一範例中，感測器2係置放於一氯化鉀(KC1)水溶液中 # 離子(C1·)的濃度。請參閱圖五。圖五係緣示電流fcs 一 Ik者時間變化之氯離子濃度之關係圖。 如圖五所示，在量測的時間内，氣離子(cr)的濃度由10-扣^降至i〇lM。每當氣離子的濃度上昇時，將會有更多的 ^夕子被吸附至氮化銦半導體層之離子反應區域，此時將有 電子從氮化銦半導體層之表面被驅離，造成氮化 導體層之表面施體能態的密度變小。類比來說，自由電 大子驅離可以看成源極26及没極28間之電流通道的阻抗變 ，，此流動於電流通道中之電流量將下降 。此外，針對氣 雍性^又的變化’根據本發明之場效電晶體型感測器2之反 %、3可以少於10秒。相較之下，習知的八1〇必/〇你 9 201005286 明蒼閱圖六。圖六係緣示電流Ids與氯離子濃度之關係 二卜月’電流1说此夠隨著氯離子濃度的改變呈現線性的 、交化。猎由定量分析’例如透過線性内插，根據本發明之 j：電，體型_器2可以準_感測出氯離子的濃度 的靈敏度而言，由實驗結果推算，當氯離子的濃度 支〇 Μ時，電流IDS產生3%的變化。因此，相較於 =AlGaN/GaN HEMT感測器，根據本發明之感測 度可以大幅提昇。 们孤敏 咸制哭^而/女，較薄的氮化姻材料層22可以使場效電晶體型 ί高的靈敏度。於—具體實施例中，當氮化銦 π托a 0之尽度小於2〇IUn時，氮化銦半導體層之離子反靡 陰離子外’亦可以吸附陽離子。由於氮化銦ΐ 合旦度很薄，因此其下方的半導體層的材料特性可能 θ亂化銦半導體層之表面能態，致使陽離子可以被吸 ❹ 成、目據ί發明之第二具體實補亦提供—種場效電晶體型 庄意的是，第二具體實施例之感測器係以—氮化 而;p材才1 層*代第一具體實施例之感測器中之氮化銦材料層 ^。要強調的是，根據本發明之氮化銦鎵之化丄 刖 in其中X>〇_4。也就是說，只要氮化銦鎵材料中銦 所〇以上的話’氣化姻鎵材料層就能夠具備如先 例銦材料層的感測效能。此外’關於第二具體實％ 妹Α 電晶體型感測器之結構示意圖及有關元件之描述， 5月再參閱上述之第一具體實施例即可。 現 相車乂於先前技術，藉由氮化銦材料獨特的電子累積 201005286 象’根據本發明之場效電晶體型感測器可以應用氮化銦半導 體層1為源極-汲極電流通道及檢體感測區。因此，根據本發 =之，效電晶體型感測器適用於作為各種型式的感測器，例 速及生化感測器等，並且具有優異的靈敏度及快 针、太ί由上較佳具體實_之詳述，鱗望能更加清奸 述本發明之特徵與精神，而並非 楚描 Ο 改變及具相等性的安 二”能 作最寬廣的解釋心應該根 支以及具相等性的安排。 蛊所有可能的改 ❹ 11 201005286 體 圖式簡單說明】 圖i繪示1知的離子感測場效電晶體之截面視圖。 圖二係繪示根據本發明之第〜 型感測器之截面視圖 具體實施例之一場效電 曰曰 圖二係繪示根據本發明 含檢體選擇性細之截面視圖。> 電㉟麵制胃進—步包 .圖四係繪示根據本發明 、、 含一鈍化層之截面視圖。 電晶體型感測器進一步包 。圖五係緣示電流&與隨著時間變化之氯離子 圖 濃度之關係 圖六係緣示電流lDS與氣離子濃度之關係圖 【主要元件符號說明】 離子感測場效電晶3 11 :氮化鋁層 13 :氮化鋁鎵層 16 · >及極 140 :曝露的閘極區 2.場效電晶體型感測器 20. ·基板 10 :基板 12、Μ :氮化鎵層 Η :源極 Π:二維電子氣 22 :氮化銦材料声 201005286 24 :缓衝層 26 ： 28 :汲極 30 ： 32 :鈍化層 220 源極 檢體選擇性薄膜 :上表面

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Claims (1)

1. 201005286 、申請專利範圍： 1、 一種場效電晶體型感測器，包含： 一基板； 一氮化銦材料層，該氮化銦材 並且具有-上表面，該上表面之上 域； 、上徒供—檢體反應區 一源極；以及 一？氮化銦材料層作為介於該源極及該沒極間之 步係解譯成關於該檢體之一特性。且•化進- 2. 圍第1項所述之場效電晶體型感測器，鮮兮 虱化銦材料層之一厚度大致上小於2〇nm。 ，、中μ 2凊專利範圍第1項所述之場效電晶體型 並 電流之該變化係解譯成該檢體之一濃度。 八中忒 4、 參 二艾清專利la圍第1項所述之場效電晶體型感測器，進一步 巴3 · 一檢體選擇性薄膜，該檢體選擇性薄膜係形成於該檢體 反應區域上。 5、 如申請專利範圍第1項所述之場效電晶體型感測器，進一步 包含： v 一緩衝層’該緩衝層係形成於該基板及該氮化銦材料層 之間。 6、 如申請專利範園第5項所述之場效電晶體型感测器，其中該 緩衝層係由氮化鋁所製成。 14 201005286 2明專利減第1項所述之場效電晶體型感測器，進—步 鈍化層覆蓋麵極、該波極及除了該檢體 反應區域外之該氮化銦材料層之該上表面。 第1項所述之場效電晶體型感測器、，其中兮 气中鄰近該上表面之部份係施以-熱氧化處 机雜處理以形成-氧化銦或氧氮化姻表面層。 - 9、 ❹ 馨 項所述之場效f晶體型感測器，其中該 “、極^由能夠形成歐姆接觸之材料所製成。 人 1〇、第1項所述之場效電晶體型感測器，其中該 組成之-群組中之其-戶^成見她1寶石以及石反化石夕所 、：二圍第i項所述之場效電晶體型感測器’其中該 檢體係固悲的、液態的或氣態的。 圍;，所述之場效電晶體型感測器，其中該 離子、—化學分子以及—生物分子所組成之 13、一種場效電晶體型感測器，包含： 一基板； 銦鎵材料層’該氮化銦鎵材料層係形成於該基板 且具有—上表面，該上表面其上提供一檢體反 5區域’氣化銦鎵之化學式為把 其中x>04; 一源極；以及 汲，’該氮化銦鎵材料層作為介於該源極及該汲極間 =電流通道，吸附至該檢體反應區域之檢體引發一 ▲動於該電流通道中之電流之一變化，並且該變化進 15 201005286 一步係解譯成關於該檢體之一特性。 14、 ，申請專利範圍第13項所述之場效電晶體型 氮化銦鎵材料層之一厚度大致上小於2〇nm。 其中該 15、 如申5月專利範圍第13項所述之場效電晶體型 電流之該變化係解譯成該檢體之一濃度。玖州抑，其中該 16、 ^請專利範圍第13項所述之場效電晶體型感測器，進一步 ❹ 一檢體選擇性薄膜，該檢體選擇性 反應區域上。 專、係形成於该檢體 17、 =請專利範圍第13項所述之場效電晶體型感測器，進1 一 |=。，_層絲成於板及魏化銦鎵材料 m 18' 5 19、g請專利範圍第13項所述之場效電晶體 其中該 型感測器， 進一步 一= 匕層’該鈍化層覆蓋該源極 反應區域外之該氮化銦鎵材料層之該ϋΐ除了該檢體 2〇、如申請專利範圍第ls項所述之場效 氮化銦鎵材料層中鄰近該上表 其中該 或一氧摻雜處理以形成-氧化鋼峨t二ί， 21、如申請專利範圍第13項所述之場 源極及該汲極皆由能夠形成歐姆接觸^•戶 =。’其中該 16 201005286 22、 如申請專利範圍第13項所述之場效電晶體型感測器，其中該 基板係由選自由硬、氮化鎵、氮化銘、藍寶石以及碳化石夕所 組成之一群組中之其一所製成。 23、 如申請專利範圍第13項所述之場效電晶體型感測器，其中該 檢體係固態的、液態的或氣態的。 24、 如申請專利範圍第13項所述之場效電晶體型感測器，其中該 檢體係選自由一離子、一化學分子以及一生物分子所組成之 一群組中之其一。 17