半導體傳感器裝置、包括這種裝置的診斷儀器以及製造這種裝置的方法

2023-10-08 05:53:29 3

專利名稱：半導體傳感器裝置、包括這種裝置的診斷儀器以及製造這種裝置的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於感測物質的半導體傳感器裝置，包括在半導 體主體的表面上形成的臺面形狀的半導體區，而包括待感測的物質的 流體能夠沿著臺面形狀的半導體區流動，其中在縱向方向上觀看時， 臺面形狀的半導體區相繼地包括第一半導體子區、第二半導體子區和 第三半導體子區，該第一半導體子區包括第一半導體材料，該第二半 導體子區包括與第一半導體材料不同的第二半導體材料，該第三半導 體子區包括與第二半導體材料不同的第三半導體材料。在這裡臺面形 狀的區域意思是該區域形成半導體主體的表面上的突出物。此突出可 以處於主體的縱向或橫向方向。本發明還涉及包括這種傳感器裝置的 診斷儀器以及製造這種半導體傳感器裝置的方法。
這種裝置非常適合於檢測化學和/或生物化學物質。在後者情況下 其可以例如用來高靈敏度、高再現性地檢測生物分子，如抗原/抗體鍵
聯(binding)、生物分子以及其它物質，因而其可以有利地用於蛋白 質和基因分析、疾病診斷等等。臺面形狀的半導體區可以包括納米線。 這裡利用納米線，主體意欲具有在1和100nm之間且尤其在10和50nm 之間的至少一個橫向尺寸。優選地，納米線在兩個橫向方向上具有處 於所述範圍內的尺寸。其縱向尺寸可以例如是在100和1000 nm之間。 利用這種裝置，例如通過在納米線中或納米線上引入攜帶電荷的物質 並由此改變納米線的電導率，對分子(如揮發性的或溶解在液體中的 化學物質)的檢測也是可能的。
背景技術：
如開頭段落中所提到的裝置在2005年4月19日公開的號碼為US 6, 882, 051的美國專利中是已知的。在這個文獻中，異質結納米線被公 開用於化學傳感器(參見第35欄第5行)。在異質結納米線的示例中， 後者包括矽(Si)和鍺(Ge)的交替子區(參見圖3以及說明書的相 應部分)。在異質結納米線的其他示例中，後者包括砷化鎵(GaAs)和銻化鎵(GaSb)的交替層(參見圖17以及說明書的相應部分)。
這種裝置的缺點在於，其靈敏度對於某些應用而言不夠高。尤其 在醫療領域中，所希望的是對生物化學化合物尤其是生物分子的檢測 在這種化合物或分子的很低的濃度。所希望的是，該檢測能夠例如實 現用於檢測處於很早期階段的疾病(如傳染病)以便儘可能以預防疾 病的方式採取行動。這就要求一種具有極高靈敏度的傳感器裝置。

發明內容
因此，本發明的目的是避免上述的不足以及提供一種半導體傳感 器裝置，該半導體傳感器裝置適合用於醫療領域並且對於要被檢測的 物質具備很高的靈敏度。
為了實現這個目的，開頭段落中所描述類型的半導體傳感器裝置 的特徵在於，第一和第三半導體材料包括光學鈍態(optically passive)材料而第二半導體材料包括光學活性(optically active) 材料，要被感測的物質能夠改變來自第二子區的電磁輻射的特性並且 半導體傳感器裝置形成為使得其特性已被改變的電磁輻射能夠到達檢 測器。
本發明是基於以下認知。首先，本發明是基於如下認知第一和 第三區的表面和第二子區的表面具有不同的表面化學性質，所述第一 和第三區包括光學非活性半導體材料、如IV元素，而所述第二子區包 括光學活性半導體材料、如III-V材料。後者包括氧原子的可能表面 重構和/或包含，其可以作為自然氧化物存在於例如矽的表面上。這種 不同的表面化學性質尤其適合於提高根據本發明的傳感器裝置的靈敏 度。以此方式，要被檢測的物質能夠粘附到III-V子區的自由外表面 上，這比粘附到IV元素子區的自由外表面上更容易。以此方式，能夠 提高傳感器的靈敏度。後者可能受子區本身的自然外表面影響，但還 可以利用所述不同的表面化學性質對所述表面進行不同處理以便提高 靈敏度。因而，IV元素子區的表面可以被處理成使得其粘結能力被降
低和/或in-v化合物子區的表面可以被處理成使得其粘結能力被提高。
其次，本發明是基於如下認知包括如in-v材料的光學活性半
導體材料的第二子區的使用允許以簡單的方式對要被檢測的物質進行光學檢測，原因在於如果所述物質被吸收到所述第二子區的表面，則 來自所述光學活性第二子區的電磁輻射的特性將被改變。所述特性具 體地可以是所述電磁輻射的強度或波長，但其他特性(如偏振)的變 化也可以用於檢測物質的目的。來自所述第二子區的電磁輻射可以用 若干方式來生成。如果臺面形狀的半導體區包括第二子區中或接近第
二子區的pn結並且其端部連接到電連接區，則可以通過使電流在所述 電連接區之間流動而生成所述輻射，如在雷射器或LED( -發光二極體) 裝置中那樣。
根據本發明，傳感器裝置形成為使得其特性已被要檢測的物質改 變的這種輻射能夠到達檢測器。這能夠例如通過將檢測器集成到接近 臺面形狀的半導體區的傳感器裝置內來實現。這種檢測器可以是例如 起光電二極體作用的pn 二極體或CCD (=電荷耦合裝置)圖像傳感器， 利用該pn 二極體能夠測量例如輻射的強度。
另一種使用根據本發明的半導體傳感器裝置的吸引人的方式是使 用外部輻射源，例如雷射器或LED，其所發射的輻射被導向第二子區。 尤其在這種外部輻射源的情況下，傳感器裝置應當被形成為使得所述 輻射能夠到達第二子區。如果臺面形狀的半導體區在輻射源所處的一 側是可自由接納的(例如開放的)，則能夠實現上述情形。如果半導 體傳感器裝置形成臺面形狀的半導體區被鎖定在其中的密閉空間，則 可以通過在輻射源要被定位的一側依靠輻射透明襯底封閉傳感器裝置 來獲得上述情形。在後者情況下，在電磁輻射的特性已被改變之後電 磁輻射的檢測器也可以在後者是開放的或設置有透明襯底的一側位於 傳感器裝置之外。
在優選實施例中，笫二子區形成量子點。通過限制兩個鈍態其他 子區之間的光學第二子區的厚度，可以調節第二子區的發射/吸收的波 長。此外，以此方式，傳感器的靈敏度能夠得以提高。通過也把臺面 形狀的半導體區的橫向尺寸選擇成在亞100 nm域內，量子點被形成為 具有最佳特性。
在其他實施例中，第一和第三子區包括IV元素，優選地為矽或鍺， 或者這些元素的混合晶體，而第二子區包括ni-v化合物。以此方式， 一方面製造技術與當今的先進矽技術最為兼容，而另一方面第二子區
的光學特性能夠最容易地用於感測物質，因為許多ni-v化合物(和II-VI化合物)具有希望的特性，例如直接帶隙結構。
優選地，ni-v化合物的有效帶隙處於光譜的可見部分。考慮到由 於將量子點用於第二子區所引起的帶隙增加，用於第二子區的適合材 料可以是具有正好處於其IR側可見光譜之外的帶隙的材料。適合的材 料的示例是GaP、 GaAs或InP並且更優選地為具有較低(體)帶隙的 材料，如InAs，以及混合晶體，如InGaAs或InAsP。混合晶體提供附 加的優點半導體區的結構能夠被製成使得在矽的鈍態區情況下所引 起的應變最小。
在根據本發明的半導體傳感器裝置的另 一個有利實施例中，該裝 置包括臺面形狀的半導體區，其中具有與第二子區不同的光學特性的 另外的光學活性子區在光學非活性其他子區之間，以致傳感器裝置能 夠檢測兩種不同的物質。例如，雙點裝置允許多路檢測，其中這些點 具有不同的帶隙能量。在一個修改中，兩種不同的量子點存在於一個 單個的臺面形狀的半導體區中。然而，在不同的臺面形狀的半導體區 中形成不同的量子點形成了另一個吸引人的修改。
在另一個實施例中，臺面形狀的半導體區在第一端連接到第一導 電連接區而在第二端連接到第二導電連接區。結合存在於臺面形狀的 半導體區中的pn結，這就允許傳感器裝置中的內部輻射源。在物質已
被吸收到第二子區的自由表面上之後，所發射的輻射的光學特性(例 如這種輻射的波長或強度)能夠被該物質改變。
如果第一和第三子區包括周期系統的IV族元素(如矽)，後者可 以被有利地部分或完全氧化，以形成Si02阻擋物。以此方式，能夠防 止例如由要被檢測的物質的吸收所產生的電荷從第二子區的洩漏。
在又一個修改中，第二子區的自由外表面被功能化以便提高要被 檢測的物質粘附到所述自由外表面的可能性。以此方式，能夠增加傳 感器的靈敏度。這種靈敏度的增加還能夠通過功能化第一和第三子區
性來獲得。
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優選地，臺面形狀的半導體區包括納米線，並且優選地該裝置包 括多個相互平行的納米線。以此方式，很高的靈敏度和/或使用多路技 術是可能的。同時，製造可以例如通過使用VLS (=汽體液體固體)外 延技術而相對簡單。如果使用後者，則能夠容易獲得多個納米線同時
7它們位於半導體主體的表面上，其中它們的長度方向與所述表面垂直 地延伸。
根據本發明的半導體裝置優選地適合於檢測生物分子，比如與抗 體鍵聯的蛋白質。在含有要被檢測的物質的流體沿所述第二子區經過 之前，針對所討論的蛋白質的抗體能夠被附著到第二子區的自由表面 上。
本發明還包括診斷儀器，該診斷儀器包括根據本發明的半導體傳 感器裝置。這種儀器可以還包括用於檢測要被檢測的物質的電磁輻射 源以及用於在電磁輻射的特性之一被要檢測的物質改變之後檢測電磁 輻射的檢測器。由於這種源和檢測器可以是固態化合物，所以該儀器 可以相對緊湊且便宜。半導體部件可以被可插入地連接到該儀器，從 而例如在原始的半導體傳感器裝置失效之後或者如果希望多路技術以 便檢測不同的物質時，該半導體部件能夠容易用新的或其他半導體傳 感器裝置來代替。
一種用於感測物質的半導體傳感器裝置的製造方法，該半導體傳 感器裝置包括在半導體主體的表面處形成的臺面形狀的半導體區，而 包括要被感測的物質的流體能夠沿著臺面形狀的半導體區流動，其中 在縱向方向上觀看時臺面形狀的半導體區相繼地形成有第一半導體子 區和第二半導體子區，該第一半導體子區包括第一半導體材料，該第 二半導體子區包括與第一半導體材料不同的第二半導體材料，根據本
發明所述製造方法的特徵在於，第一和第三半導體材料由光學鈍態材 料形成而第二半導體材料由光學活性材料形成，要被感測的物質能夠 改變來自第二子區的電磁輻射的特性並且半導體傳感器裝置被形成為 使得其特性已被改變的電磁輻射能夠到達檢測器。


參照要結合附圖閱讀的下文描述的實施例，本發明的這些以及其
它方面將變得顯然並被闡明，在附圖中
圖1示出了根據本發明的半導體傳感器裝置的第一實施例的與厚 度方向垂直的橫截面，
圖2示出了根據本發明的半導體傳感器裝置的第二實施例的透視
圖，圖3示出了根據本發明的半導體傳感器裝置的第三實施例的透視圖，圖4示出了根據本發明的半導體傳感器裝置的第四實施例的透視 圖，並且這些圖是示意性的而不是按比例繪製的，為了更加清楚起見尤其 誇大了厚度方向的尺寸。在各個圖中相應部件通常被給予相同的附圖 標記和相同的陰影。
具體實施方式
圖1示出了根據本發明的半導體傳感器裝置的第一實施例的與厚 度方向垂直的橫截面。在這個示例中，裝置10包括設有二氧化矽層16 的矽襯底15。其上的納米線11被定位成使其長度方向與半導體主體 12的表面平行。納米線11包括具有不同組分的三部分1、 2、 3。第一 部分1包括形成的低摻雜p型矽，第二部分2包括包含GaAs的量子點 區2，而第三部分3也包括矽但現在該矽具有p型電導率。這些部分2、 3被提供有分別由高p型摻雜和高n型摻雜的多晶矽形成的(半)傳導 區13、 14，以形成在納米線11內形成的輻射發射二極體的電連接區。 預示某種疾病並且在血液樣品20中沿納米線11流動的與蛋白質30耦 合的抗體80在處於並粘到GaAs區1上之後將在輻射發射二極體的通 道區內感應出電荷。所述電荷增大了尤其是二極體的中心部分2的光 學特性的較大變化，這能夠由檢測器50來指示(signal)。來自輻射 發射子區2的輻射E的所述特性可以例如是發射波長或強度。兩者都 能夠通過來自檢測器50的不同/變化響應來指示。後者可以是例如(矽) 光電二極體或CCD圖像傳感器。在這個示例中，相關輻射E是通過由 流過納米線11的電流所引發的發射而獲得的。然而，通過將外部源40用於指向子區2的表面的輻射R,形成有 吸引力的備選方案。這種外部源40可以是輻射發射源，如LED(-發 光二極體)或LASER (=通過輻射的受激發射的光放大)。在被光學活 性子區2吸收後，如強度或波長的特性可以通過要被檢測的物質30的 存在而被改變，所述物質30存在於子區2的表面上。這個示例的裝置IO可以通過將由VLS ( -汽體液體固體)外延所 獲得的(一個或多個)納米線11定位到期望襯底的表面上來製造。隨9後，納米線11的一部分被掩蔽並且通過沉積和圖案化來形成多晶區13、 14。在下文中，在納米線11上所用的掩模再次被去除。另一種制 造這種傳感器裝置的方式是通過使用(選擇性)外延工藝以形成各種 子區，接著進行光刻和蝕刻從而形成臺面/納米線。圖2示出了根據本發明的半導體傳感器裝置的第二實施例的透視 圖。在這個示例中，納米線11與先前示例中的相同，但是它不含有任 何摻雜，即沒有故意摻雜的區域。此外，第二納米線11'在其第二子 區2，中包括不同的光學活性材料，例如InAs。以此方式，裝置10能 夠對兩種不同的物質30敏感。在襯底15的表面上存在多個這兩種類 型的納米線11、 11，，在這個示例中該襯底15包括石英或玻璃襯底 15。納米線ll、 11，通過光鈍態透明膠而被粘到襯底15的表面上。在 襯底15之下存在檢測器50，在這個示例中檢測器50包括CCD圖像傳 感器。在襯底15之上存在輻射發射源40以提供指向納米線11、 11， 的子區2、 2，的輻射。納米線ll、 11，的形成可以與先前示例中所指 示的相同。這個示例的裝置10的三個部件15、 40、 50被附著到外殼上，該 外殼在附圖中未示出。襯底15可以被可釋放地附著到所述外殼中，以 便在發生故障的情況下或者如果期望不同的傳感器裝置用於檢測其他 物質時進行更換。圖3示出了根據本發明的半導體傳感器裝置的第三實施例的透視 圖。這個示例的傳感器裝置10包括多個納米線11、 11'，所述納米線 11、 11，通過上述VLS外延技術而生長在如第一示例中所用的襯底那 樣的SOI襯底上。為了獲得不同的納米線11、 11，，可以使用兩個不 同的生長周期，在生長納米線11期間對納米線11，的位置(spot)進 行掩蔽而在生長納米線11，期間對納米線11進行掩蔽。在生長完成後， 利用襯底轉移技術來去除BOX層之下的矽部分，致使襯底25還包括透 明襯底，如石英或玻璃。BOX層之上的薄矽層可以被選擇性地去除或者 是很薄以致它透過來自納米線11、 11，的第二子區2、 2，的輻射E的 大部分。以此方式，檢測器50還可以位於半導體主體12之上同時輻 射發射源40位於後者之上。圖4示出了根據本發明的半導體傳感器裝置的第四實施例的透視 圖。這個示例的傳感器裝置10類似於第三示例。區別如下納米線11、11，生長在矽襯底15上，該矽襯底15是高摻雜的並且形成與納米線 11、 11，接觸的電連接區13，所述納米線ll、 11，設置有如第一示例 中的輻射發射pn結。在多個納米線11、 11'的另一端，多個納米線 11、 11，的自由端與另一襯底17相附著，該襯底17包括由透明導電 層、如氧化銦錫所覆蓋的玻璃或石英。以此方式，襯底17為納米線11、 11，中形成的pn二極體形成另一電連接區14。透明襯底17還允許檢 測器50位於傳感器裝置10的那一側。對於所有示例，要注意的是，根據本發明的傳感器裝置的靈敏度 可以通過對第二子區2的表面改進來提高，所述表面改進致使要被檢 測的物質30在第二子區2的表面上的粘附可能性增大。類似地，根據 本發明的傳感器裝置的靈敏度可以通過對笫一和第三子區1、 3的表面 改進來提高，所述表面改進致使要被檢測的物質30在所述子區1、 3 的表面上的粘附可能性降低。還可以結合這兩種表面處理以提高靈敏 度。顯而易見的是，本發明不限於本文所描述的示例，並且在本發明 的範圍內，本領域技術人員可以進行許多變更和修改。例如，要注意的是，取代抗體，還可以將ssDNA (單鏈脫氧核糖核 酸)分子有利地附著到第一子區的表面上，該第一子區設置有單層適 合的化合物以增強選擇性附著。要被檢測的特定互補DM鏈 (complimentary DM chain)可以選擇性地結合到所述ssDNA。在蛋白 質鍵聯到抗體的情況下，所述互補DNA到ssDNA的鍵聯將引起傳感器 裝置的表面附近的電荷重新分布，然後這將以高靈敏度被檢測。此外，要注意的是，針對各個製造步驟可以進行各種修改。例如， 可以選擇其他沉積技術來替代示例中所用的那些技術。還可以使用其他光學活性材料，比如II-VI半導體材料，像例如 ZnS、 ZnSe或ZnTe。還要注意的是，光學活性材料的有效帶隙還可以 處於光譜的UV (=紫外)或IR (=紅外)部分。
權利要求
1.用於感測物質(30)的半導體傳感器裝置(10)，包括在半導體主體(12)的表面上形成的臺面形狀的半導體區(11，11』)，而包括要被感測的物質(30)的流體(20)能夠沿著臺面形狀的半導體區(11)流動，其中在縱向方向上觀看時臺面形狀的半導體區(11)相繼地包括第一半導體子區(1)、第二半導體子區(2)和第三子區(3)，該第一半導體子區包括第一半導體材料，該第二半導體子區包括與第一半導體材料不同的第二半導體材料，該第三子區包括與第二半導體材料不同的第三半導體材料，其特徵在於，第一和第三半導體材料包括光學鈍態材料而第二半導體材料包括光學活性材料，要被感測的物質(30)能夠改變來自第二子區(2)的電磁輻射(E)的特性並且半導體傳感器裝置(10)形成為使得其特性已被改變的電磁輻射(E)能夠到達檢測器(50)。
2. 如權利要求1所述的半導體傳感器裝置(10)，其特徵在於， 第二子區(2)形成量子點。
3. 如權利要求1或2所述的半導體傳感器裝置(10)，其特徵在 於，第一和笫三子區(1， 3)包括周期系統的IV族元素，優選地為矽 或鍺、或者這些元素的混合晶體，而第二子區(2)包括III-V化合 物。
4. 如權利要求3所述的半導體傳感器裝置(10)，其特徵在於， III - V化合物的有效帶隙處於光譜的可見部分中。
5. 如權利要求4所述的半導體傳感器裝置(10)，其特徵在於， 傳感器裝置(10)包括臺面形狀的半導體區(11, 11，)，其中具有 與第二子區不同的光學特性的另外的光學活性子區在光學非活性其他 子區之間以使得傳感器裝置(10)能夠檢測兩種不同的物質(30)。
6. 如前面權利要求中任一項所述的半導體傳感器裝置(10)，其 特徵在於，臺面形狀的半導體區(11)包括接近第二子區(2)的pn 結並且在第一端連接到第一導電連接區(13)而在第二端連接到第二 導電連接區(14)。
7. 如權利要求3、 4或5所述的半導體傳感器裝置(10)，其特徵 在於，第一和第三半導體區(1， 3)的IV族元素材料被選擇性氧化以 形成包括IV族元素氧化物的光學鈍態材料。
8. 如前面權利要求中任一項所述的半導體傳感器裝置(10)，其 特徵在於，第二子區(2)的自由外表面被功能化以便增大要被檢測的 物質(30)粘附到所述自由外表面的可能性。
9. 如前面權利要求中任一項所述的半導體傳感器裝置(10)，其 特徵在於，第一和第三子區(1， 3)的自由外表面被功能化以便降低 要被檢測的物質(30)粘附到所述自由外表面的可能性。
10. 如前面權利要求中任一項所述的半導體傳感器裝置(10)，其 特徵在於，臺面形狀的半導體區(11)包括納米線(11)，優選地為 多個相互平行的納米線(11， 11，)。
11. 如權利要求10所述的半導體傳感器裝置(10),其特徵在於， 一個或多個納米線(11， 11，)位於半導體主體(12)的表面上，其 中納米線的長度方向與所述表面垂直地延伸。
12. 如前面權利要求中任一項所述的半導體傳感器裝置(10)，其 特徵在於，裝置(10)適合於檢測生物分子，比如鍵聯到抗體的蛋白 質。
13. 診斷儀器，包括如前面權利要求中任一項所述的半導體傳感 器裝置(10)。
14. 如權利要求13所述的診斷儀器，其特徵在於，該儀器包括用 於將電磁輻射導向至第二子區(2)的源(40)以及用於檢測來自第二 子區(2)的電磁輻射的檢測器(50)。
15. 製造用於感測物質(30)的半導體傳感器裝置(10)的方法， 該半導體傳感器裝置包括在半導體主體(12)的表面處形成的至少一 個臺面形狀的半導體區(11， 11，)，而包括要被感測的物質(30) 的流體(20)能夠沿著臺面形狀的半導體區(11)流動，其中在縱向 方向上觀看時臺面形狀的半導體區(11)相繼地形成有第一半導體子 區(1)和第二半導體子區(2)，該第一半導體子區包括第一半導體 材料，該第二半導體子區包括與第一半導體材料不同的第二半導體材 料，其特徵在於，第一和第三半導體材料由光學鈍態材料形成而第二 半導體材料由光學活性材料形成，要被感測的物質(30)能夠改變來 自第二子區(2)的電磁輻射(E)的特性並且半導體傳感器裝置(10) 形成為使得其特性已被改變的電磁輻射(E)能夠到達檢測器(50)。
全文摘要
用於感測物質(30)的半導體傳感器裝置(10)，包括在半導體主體(12)的表面上形成的臺面形狀的半導體區(11，11』)，而包括要被感測的物質(30)的流體(20)能夠沿著臺面形狀的半導體區(11)流動，其中臺面形狀的半導體區(11)在縱向方向上觀看時相繼地包括第一半導體子區(1)、第二半導體子區(2)和第三子區(3)，該第一半導體子區包括第一半導體材料，該第二半導體子區包括與第一半導體材料不同的第二半導體材料，該第三子區包括與第二半導體材料不同的第三半導體材料。根據本發明，第一和第三半導體材料包括光學鈍態材料而第二半導體材料包括光學活性材料，要被感測的物質(30)能夠改變來自第二子區(2)的電磁輻射(E)的特性並且半導體傳感器裝置(10)形成為使得其特性已被改變的電磁輻射(E)能夠到達檢測器(50)。根據本發明的傳感器裝置(10)能夠很靈敏、相對緊湊且易於製造。該輻射(E)能夠來自外部源(40)或者能夠在裝置(10)中生成。
文檔編號G01N21/47GK101558290SQ200780045234
公開日2009年10月14日 申請日期2007年12月6日 優先權日2006年12月8日
發明者E·P·A·M·巴克斯, L·M·博格斯特倫, N·N·卡亞, T·斯特芬 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司