[发明专利]一种扩展结构场效应晶体管

说明书

本发明公开一种扩展结构场效应晶体管，涉及医学检验、生物传感和半导体技术领域。分为换能区和传感区。换能区包括：衬底、底部栅介质层、沟道层、源极、漏极、顶部栅介质层、背栅和栅极；传感区包括：衬底、底部栅介质层、扩展栅极、传感层、储液器和液栅。整个换能区分为五层，最底层为衬底，上面一层为底部栅介质层，中间一层由沟道层、源极和漏极组成，上面一层为顶部栅介质层，最上面一层为栅极，背栅位于衬底上。整个传感区分为五层，最底层为衬底，上面一层为底部栅介质层，中间一层为扩展栅极，连接到换能区的栅极，上面一层为传感层，最上面一层为液栅。本发明通过扩展栅极将信号传递至换能区，进而引起源极和漏极间的电流发生变化。

技术领域

本发明总体涉及医学检验、生物传感和半导体技术领域，具体涉及一种半导体扩展结构场效应晶体管。

背景技术

离子敏场效应晶体管是最早研制的、超小型、测定生物样品的pH传感器。其在绝缘栅场效应晶体管基础上实现，使用参比电极和离子敏感膜取代绝缘栅场效应晶体管的金属栅电极。离子敏场效应晶体管制备的生物传感器具有体积小、选择性好、分析速度快、成本低和集成度高等优点，被广泛用于环境监测、生物医学、食品、工业等领域。尤其在生物医学领域，基于离子敏感的场效应晶体管已被用于各种生物标志物的检测。

1970年Bergveld发明了第一个离子敏场效应晶体管器件，随后研究者们陆续开发了各种技术和传感膜。这些固态设备已经引起了广泛的关注，其具有许多优点，例如小型化，芯片电路设计和制造成本低廉等，特别是将生物传感器集成到微电子学中。然而这些器件在检测物质酸碱度方面，其灵敏度无法突破能斯特极限(59mV/pH)。突破能斯特极限需要优化材料特性或改善器件结构，其中双栅结构的离子敏场效应晶体管尤其引人注目，通过顶部栅介质层与底部栅介质层的电容耦合比可以提高离子敏场效应晶体管的pH灵敏度。

然而，传统离子敏场效应晶体管的离子敏感膜与待测溶液直接接触，当传感区域长时间暴露在电解质中时，腐蚀性离子会对传感区域表面造成损伤，严重影响器件的使用寿命。因此，将换能区和传感区合理分开可有效延长器件使用寿命，即传感区用于与待测溶液接触，并将电势变化转移至场效应晶体管的栅极，换能区则将电势变化转换为电流信号的变化。该结构场效应晶体管具有低成本、高效益、封装简单、对温度和光线不敏感以及优异的长期稳定性等优点。

发明内容

本发明的目的在于设计和制作一款扩展结构场效应晶体管。

技术方案：

一种扩展结构场效应晶体管，它包括换能区和传感区，传感区自下至上依次为：

衬底(1)、底部栅介质层(2)、扩展栅极(9)、传感层(10)、储液器(11)和参比电极(12)；

其中：参比电极(12)和储液器(11)中的待测溶液组合构成液栅；扩展栅极(9)连接换能区的栅极(8)；

液栅获得的电信号经过传感层(10)、扩展栅极(9)传送至换能区；换能区包含场效应晶体管结构，实现将电势变化转换为电流信号的变化。

优选的，换能区自下而上依次为：衬底(1)、底部栅介质层(2)、沟道层(3)、顶部栅介质层(6)和栅极(8)，沟道层(3)位于底部栅介质层(2)与顶部栅介质层(6)之间；源极(4)和漏极(5)位于沟道层(3)两侧，和沟道层(3)相接触，且亦沉积于底部栅介质层(2)上；背栅(7)位于衬底(1)上。

优选的，传感区的衬底(1)和换能区的衬底(1)一体形成；传感区的底部栅介质层(2)和换能区的底部栅介质层(2)一体形成。优选扩展结构场效应晶体管的尺寸：长度为10到30mm，宽度为3到20mm，厚度为0.67到3mm。