[发明专利]共平面栅极氧化物薄膜晶体管生物传感器及制备方法

说明书

本发明公开了共平面栅极氧化物薄膜晶体管生物传感器，包括衬底、绝缘层、源电极、漏电极、栅电极、源漏电极绝缘保护层和表面生物修饰的金属氧化物半导体有源层；所述源电极、漏电极和栅电极的材料相同，且三个电极共平面。其中加入的栅介质层为液态电解质，液态电解质覆盖半导体有源层和部分栅电极，栅电极露出液态电解质的部分供电路连接。本发明栅电极与源电极、漏电极共平面，同材料，可通过一步工艺完成源漏电极和栅电极的沉积，与半导体实现欧姆接触的同时具有工艺简单、可集成化、成本低等优势；同时液态电解质直接与半导体有源层和栅电极接触，其中液态电解质的双电层效应使得器件具有低工作电压和低功耗，有利于生物分子探测。

技术领域

本发明属于半导体电子器件及传感器技术领域，具体涉及一种共平面栅极氧化物薄膜晶体管生物传感器及制备方法。

背景技术

随着科技的不断发展，生物与信息的结合越来越紧，方便快捷地获取生物信息对当代医疗和可穿戴设备的发展至关重要。生物传感器不仅在医学诊断领域具有重要意义，而且对国家安全和环境监测也具有重要意义。传统的生物分子检测方法主要有肿瘤标志物、免疫学检测、遗传评价和血液检测等，其中基于薄膜晶体管的生物传感器由于具有可微型化，成本低，灵敏度高和快速响应等优势被广泛应用于平板显示、生物化学传感、医疗诊断等诸多领域。

为了改善TFT薄膜晶体管器件的性能，研究者们开发出多种可用于有源层的半导体薄膜材料，主要包括多晶硅、有机材料、氧化物半导体材料等，其中宽带隙氧化物半导体因具有相对较高的迁移率、可见光透明、低温工艺等诸多优势，在液晶显示、太阳能电池、触摸屏、柔性显示等领域被广泛应用，而金属氧化物半导体薄膜晶体管也是应用于下一代有源矩阵液晶显示器和有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLEDs)的较为成熟的技术。另外，氧化物薄膜因其表面具有较好的生物兼容性，能够通过化学处理实现表面改性而被广泛应用于生物传感器的研究。

传统的TFT器件普遍采用氧化物绝缘薄膜作为栅介质层，器件工作电压偏高，导致器件功耗较大，不利于生物信号探测，从而限制其在便携式、可穿戴电子产品的应用。

对于TFT生物传感器的一个关键元素是栅电极，它是调节工作点驱动器件工作以获得高稳定性和灵敏度所必需的。传统的晶体管中有几种类型的栅极，如Ag/AgCl、导电衬底等。在传感实验中，使用导电衬底作为栅极，需要额外的步骤和光刻掩模来制备，工艺流程复杂，这限制了衬底材料的选择。Ag/AgCl电极作为参考电极在电化学实验中得到了广泛的应用。但由于微电子设备中适用材料的限制，将这种电极集成到传统的制造工艺中是一个挑战。此外，Ag/AgCl电极在传感测试中受到溶液中离子浓度的影响也会影响器件工作的稳定性。

发明内容

本发明的目的为改善上述现有技术所述的缺陷，提供一种共平面栅极氧化物薄膜晶体管生物传感器件，其优势在于工艺简单、可集成化、工作电压低、检测灵敏度高等。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

共平面栅极氧化物薄膜晶体管生物传感器，包括绝缘衬底、源电极、漏电极、栅电极、源漏电极绝缘保护层和半导体有源层；所述半导体有源层覆盖在绝缘衬底之上，所述源电极、漏电极和栅电极均在绝缘衬底上面且突出所述半导体有源层；所述源电极、漏电极和栅电极的材料相同，所述源电极、漏电极和栅电极三个电极共平面；所述半导体有源层为表面生物修饰的金属氧化物半导体有源层，所述表面生物修饰的金属氧化物半导体有源层通过对金属氧化物半导体有源层进行表面改性，然后继续修饰生物分子后获得；

所述共平面栅极氧化物薄膜晶体管生物传感器使用时，将待检测的目标靶分子接触所述表面生物修饰的金属氧化物半导体有源层，反应一段时间后，加入栅介质层；所述栅介质层为液态电解质，所述液态电解质覆盖半导体有源层和部分栅电极，栅电极露出液态电解质的部分供电路连接；所述源电极、漏电极与半导体有源层形成欧姆接触；所述源漏电极绝缘保护层隔绝源电极和漏电极与栅介质层接触。