[发明专利]背栅式离子敏感场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，涉及半导体生物传感器，尤其是一种离子敏感场效应晶体管。

背景技术

半导体生物传感器由半导体电子器件与能选择性识别被测物质的特定感应层材料组成。感应层材料识别被测物质的原理是：被测物质通过与感应层材料的接触，引起半导体电子器件的电学性能变化，从而检测相应生物学对象（如酶、抗原抗体、细胞及切片等）的状态。这类传感器在灵敏度、速度、微型化及成本等诸方面具有优势，在生物检测与分析领域获得了日益广泛的关注和应用。常见的半导体生物传感器有三种典型结构：电解质-介质层-半导体电容(Electrolyte-Insulator-Semiconductor,简称EIS)式传感器、光寻址点位传感器(Light-Addressable Potentiometric Sensors,简称LAPS)、离子敏感场效应晶体管(Ion-Sensitive Field-Effect Transistors,简称ISFET)。ISFET型生物传感器目前多以硅作为沟道材料。相比前两者，ISFET结构在传感器阵列的微型化、工艺集成、低成本、可靠性等方面具有优势，且适用范围更大。

现有的离子敏感场效应晶体管基本上是采用以硅为衬底，源、漏极与栅极及感应区同处一面的类似正向MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)的结构。ISFET以其栅介质层表面与被测生物对象的界面间电解质环境中的离子作为媒介，被测对象的活动与状态通过离子的运动引发栅极电荷及表面电势的变化，影响沟道区的导电状态，表现为ISFET的阈值电压、源漏电流、跨导等电学参数的变化，从而将被测对象的活动与状态精确地传感为场效应管电学输出信号。为提高器件输出信号的强度即提高对被测试样本的敏感程度，以氮化硅、SnO₂或TiO₂等材料作为敏感层以及采用各种形式的复合栅结构的晶体管的提出在一定程度上提高了离子敏感场效应晶体管的灵敏度。

现有的离子场效应晶体管，由于其结构为源、漏极与栅极及感应区同处一面的正向MOSFET结构，源、漏极之间的信号面电极布线的信号电场对被测样本存在一定的影响，从而降低了离子场效应晶体管对生物检测对象的检测灵敏度。即使沟道层材料采用灵敏度更高的氮化硅、SnO₂或TiO₂等材料，这类离子场效应晶体管对生物检测对象的检测灵敏度任有待进一步提高。

发明内容

本发明提出一种背栅式离子敏感场效应晶体管，采用双面制作工艺将作为信号面的源、漏极区制作于器件正面，而将作为检测面的栅极及感应区制作于器件背面，通过将常规离子敏感场效应晶体管的信号面与检测面分立于器件两面，得到背栅式离子敏感场效应晶体管。

本发明技术方案是：

背栅式离子敏感场效应晶体管，如图2所示，其元胞结构包括衬底材料1、位于衬底材料1正面的半导体沟道层材料2、半导体沟道层材料2正面具有两个上电极4；所述两个上电极4中，一个作为器件的源极、另一个作为器件的漏极；源极和漏极之间的半导体沟道层材料2形成器件的沟道区，与器件沟道区背面接触的衬底材料通过减薄工艺减薄形成栅介质，栅介质背面具有对生物检测对象敏感的感应层或媒介层材料7。

进一步的，所述减薄工艺可采用但不限于光刻工艺。

进一步的，所述两个上电极4材料为金属或导电薄膜。

进一步的，所述两个上电极（4）材料为金属或导电薄膜。

进一步的，所述半导体沟道层材料2采用高迁移率半导体薄膜材料（其电子迁移率不低于10⁴cm²/Vs，如锑化铟、碳纳米管、石墨烯等），其厚度在100～200纳米之间。

进一步的，所述衬底材料1的禁带宽度不低于SiO2禁带宽度的一半，即大于0.7eV。

进一步的，所述对生物检测对象敏感的感应层或媒介层材料7不限于单层材料，根据被测对象亦可为多种材料的复合层。