[发明专利]离子敏感场效晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明是有关于离子敏感场效晶体管(Ion Sensitive Field EffectTransistor；ISFET)，特别是关于具有一敏感接触窗口的离子敏感场效晶体管，用以检测离子浓度或检测经电气极化或带电的蛋白质、分子等标的物的浓度。

背景技术

离子敏感场效晶体管的功能是以其感应闸表面的离子吸附作用为基础-感应闸表面的离子吸附作用会诱发-亥姆霍兹(Helmholtz)电压而调变离子敏感场效晶体管的源-漏电流，而离子敏感场效晶体管的性能主要取决于源-漏电流/电压的灵敏度或在一固定源-漏电流下的栅极灵敏度，其中该栅极灵敏度是指在栅极地区其离子浓度变化所能诱发的亥姆霍兹电压(其具有一理论奈恩斯特常数，在25℃下为59.16毫伏每10倍浓度变化)，而该电流/电压灵敏度是指在输入栅极电压变化下，一离子敏感场效晶体管所能转换出的源-漏电流。在离子敏感场效晶体管于生物医学和化学传感器的应用中，栅极灵敏度和电流/电压灵敏度的优化至关重要，其中该电流/电压灵敏度与门极灵敏度可受场效晶体管的材料或组件结构影响而有不同的数值。

以下为与ISFET相关的美国专利：

(1)美国专利号4,735,702揭露于一ISFET的氧化层上涂布一聚合物，其中该聚合物和该氧化层的接口具有化学键而可形成一敏感的薄膜。

(2)美国专利号5,061,976揭露一方法，是于ISFET的栅极氧化层上涂布一碳薄膜，然后再涂布一2，6-二甲酚电解聚合薄膜。

(3)美国专利号5,314,833揭露一方法，其步骤包括在一GaAs基板上沉积一硅薄膜及在该硅薄膜上掺杂砷/磷离子以制备低阻抗的栅极。

(4)美国专利号5,319,226揭露一Ta₂O₅感应薄膜，是由一射频溅射方法沉积于一ISFET上，其中该ISFET包括一Ta₂O₅/Si₃N₄/SiO₂结构。

(5)美国专利号5,387,328揭露一方法，是由将酶固定在一感应薄膜上及使用白金(铂)作为参考电极以测量血糖浓度。该传感器具有一铂电极，其可感测所有与酶反应会产生H₂O₂的生物物质。

(6)美国专利号6,531,858 B2揭露一用以量测一a-Si:H ISFET其迟滞值和漂移值的方法。

(7)美国专利号6,573,741 B2揭露一方法及装置，是用以测量一ISFET的温度参数，其中该ISFET使用氢化非晶硅作为感应薄膜。

(8)美国专利号6,617,190 B2揭露一种ISFET，其具有由射频溅射的a-WO₃的一H⁺-感应膜。

(9)美国专利号7,387,923B2揭露一种ISFET，其使用一PbTiO₃层作为一感应膜以检测H⁺离子，而该PbTiO₃感应膜的制造是由一溶胶-凝胶法。

近来，III族的氮化物，例如AlGaN、GaN及InN，被发现具有高灵敏度和可对抗化学损害的稳定表面特性。这些III族氮化物传感器连同其电子读出方式极可能成为下一代的传感器。

在III族的氮化物中，InN具有不寻常的强大表面电子积累特性，而有实现高电流/电压灵敏度ISFET的潜能。以InN为基的ISFET其载子是经由表面通道、本体通道及接口通道运输。该表面通道中的载子是来自累积的表面电子，且已由各种实验技术，如电容-电压(C-V)测量或高解析电子-能量-损失谱(HREELS)等证实其机制。该电子累积特性是导因于其导带深处的费米稳定能阶(E_Fs)位于Γ-点特别低的导带底(conduction bandminimum)上方。该接口通道的载子，因接口极化电荷的能带弯曲作用而被诱发，是由该InN外延层与其底下缓冲层间的极性及晶格不匹配决定其片载子密度。由于自发极化的差异，面载子密度在极性InN/AlN接口约比在较低极性InN/GaN接口高一个数量级以上。本体通道的载子在原生、非极性InN外延层中为n型，而在掺杂镁的InN外延层中可能为p型。在该三个载子通道中，该表面通道因最接近离子吸附层而对通道电流具有强烈影响。

据此，本发明公开了一种新颖的ISFET，其具有掺杂镁的InN(InN:Mg)外延层。

发明内容