用於感測應用的有機場效應電晶體的製作方法

2023-12-06 13:19:16

專利名稱：用於感測應用的有機場效應電晶體的製作方法
用於感測應用的有機場效應電晶體
背景技術：
本發明涉及場效應電晶體。更具體而言，本發明涉及一種場效應晶體 管，其包括柵電極層、第一電介質層、源電極、漏電極、有機半導體和第 二電介質層，其中第一電介質層位於柵電極層上，源電極、漏電極和有機 半導體位於第一電介質層上方，源電極和漏電極與有機半導體接觸，且其 中第二電介質層置於源電極、漏電極和有機半導體的組件上。此外，本發 明涉及包括至少一個根據本發明的場效應電晶體的傳感器系統以及根據本 發明的傳感器系統在檢測分子方面的使用。
矽基場效應電晶體(FET)對離子的靈敏度長期以來己經成為研究的主 題。然而，離子敏場效應電晶體(ISFET)的缺點是使用了參考化學電極。 這意味著大的尺寸以及電解液的使用。
基於不同共軛低聚物和聚合物的場效應電晶體已經為公眾所知十多年 了 。它們代表了用於不同應用的昂貴矽基電晶體的替代品。
EP 1348951A1公開了一種用於感測應用的分子控制的雙柵極場效應晶 體管。該文獻提到一種感測器件，其包括感測層，該感測層具有至少一 種結合到半導體溝道層的功能基團(functional group)和至少另一種充 當傳感器的功能基團；半導體溝道層，其具有第一表面和與所述第一表面 相對的第二表面；漏電極；源電極以及柵電極，其中所述源電極、所述漏 電極和所述柵電極位於所述半導體溝道層的第一表面上，所述感測層位於 所述半導體溝道層的表面上，所述感測層與半導體溝道層接觸，且所述半 導體溝道層的厚度低於5000nm。
然而該組件是有缺點的，因為其未確保柵電極和半導體溝道層之間完 全疊置。這又導致場效應電晶體的接觸電阻更大且性能更低，尤其是在關 注有機半導體的情況下更是如此。
US 2004/0195563公開了一種用於檢測生物目標分子的有機場效應晶體 管和一種製造該電晶體的方法。該電晶體包括具有半導體膜的電晶體溝道，該半導體膜包括有機分子。將能夠結合到目標分子的探針分子耦合到半導 體膜的外表面，使得膜的內部基本保持沒有探針分子。
由於溝道結構的原因，這種電晶體難於製造和/或製造成本很高。例如， 必需要採用光致抗蝕劑技術。此外，考慮到介質的流動特性、電解液的擴 散和設置探針分子的不透分子層的難度，保持膜的內部基本沒有探針分子 或周圍的電解質溶液並非一件容易的任務。 一旦膜的內部接觸到探針分子 或電解質溶液，就可能在源電極和漏電極之間發生短路。
在本領域中仍然需要高選擇性的場效應電晶體，其能夠在諸如體內或 體外條件的生物環境等不利條件下執行感測操作。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中的至少一個缺點。更具體而言，本發 明的目的是提供一種靈敏度增強的場效應電晶體，其能夠在不利條件下運 行。
該目的是通過提供一種場效應電晶體實現的，該場效應電晶體包括 柵電極層，第一電介質層，源電極，漏電極，有機半導體和第二電介質層， 其中第一電介質層位於柵電極層上，源電極、漏電極和有機半導體位於第 一電介質層上方，源電極和漏電極與有機半導體接觸，其中第二電介質層 置於源電極、漏電極和有機半導體的組件上，且其中，在場效應電晶體工 作期間，包括柵電極層和第一電介質層的組件的電容低於第二電介質層的


圖1示出了根據本發明的場效應電晶體，
圖2示出了根據本發明的另一種場效應電晶體， 圖3示出了根據本發明的另一種場效應電晶體， 圖4示出了根據本發明的另一種場效應電晶體。
具體實施例方式
在詳細描述本發明之前，要理解的是，本發明不限於所述的器件的特定構成部分或所述的方法過程步驟，因為這樣的器件和方法可能有所變化。 還要理解的是本文所用的術語僅僅是為了描述特定實施例，而並非意在限 制。必需要指出的是，如說明書和所附權利要求中所使用的，單數形式"一" 和"該"包括單個和/或多個所述對象，除非上下文明確給出不同說明。於 是，例如提到"分析物"可以包括混合物，提到"傳感器"可以包括兩個 或更多這樣的器件，等等。
柵電極層可以包括諸如Ta、 Fe、 W、 Ti、 Co、 Au、 Ag、 Cu、 Al禾口/或Ni 的金屬或諸如PSS/PED0T或聚苯胺的有機材料。選擇柵電極材料的基本考 慮是它是一種良導體。
第一電介質層可以包括:諸如A1A、 Ta205的非晶態金屬氧化物；諸如 Hf02、 Zr02、 Ti02、 BaTi03、 BaxSr,-Ji03、 Pb (Zrji,—x) 03、 SrTi03、 BaZr03、 PbTi03、 LiTa03的過渡金屬氧化物；諸如Pr203、 Gd203、 YA的稀土氧化物或 諸如S"N4、 Si02的矽化合物或SiO和SiOC的多微孔層。此外，第一電介質 層可以包括諸如SU-8或BCB、 PTFE的多聚物，或甚至是空氣。
可以利用諸如鋁、金、銀或銅的金屬，或者導電的有機或無機材料制
造源電極和漏電極。
有機半導體可以包括選自聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚芳基胺、聚芴、
聚萘、聚對苯硫醚或聚對苯乙烯的材料。半導體還可以是n摻雜或p摻雜 的，以增強導電性。此外，有機半導體可以呈現出場效應遷移率"^10—5cm2 V—1 s_1至lj S 102 cm2 V-1 s—'， U 2 10—4 cm2 V—1 s—1至lj 2 l(T1 cm2 V—1 s_1或u 2 IO一3 cm2V-V到S 10_2 cn/V-'s—!。
第二電介質層可以包括與針對第一電介質層所討論的材料相同的材 料。由於第二電介質層還將下方的層與外界條件屏蔽開，所以也可以考慮 諸如PTFE或矽酮的防水塗層。
本發明的特徵在於，在場效應電晶體工作期間，包括柵電極層和第一 電介質層的組件的電容低於第二電介質層的電容。已經發現通過這種電容 關係可以有利地影響到場效應電晶體的靈敏度。
在根據本發明的電晶體工作期間，分析物可以附著於第二電介質的外 表面。通過這種方式，局部的偶極矩以及因此局部的介電常數可能改變。 結合施加到柵電極的電壓，半導體經受的電場發生改變，這又導致源電極和漏電極之間電流的變化。可以處理該信號以給出關於分析物的存在和濃 度的信息。可以將根據本發明的電晶體描述為一種雙柵極場效應電晶體， 第二柵極是由結合到第二電介質外表面上的分析物構成的"浮置柵極"電 極。
"浮置柵極"電極的原理允許檢測氣相、液相甚至固相的分析物。
製造根據本發明的電晶體的過程可以包括通過旋塗、滴鑄(drop casting)、蒸發和/或印刷來施加有機半導體。這些施加有機半導體的手段 在溶液中或者在純物質中實施，使得所述場效應電晶體能夠得以低成本制 造。此外，可以獲得膜厚得到極大控制的非晶體或高度有序的膜。所述的 過程不僅允許塗布常規的平坦表面，而且允許塗布具有突起和凹陷的不規 則形狀的表面。
如下過程在本發明的範圍之內通過以下方式布置構成根據本發明的 場效應電晶體的各個部件，其中將第一電介質層置於柵電極層上，將源電 極、漏電極和有機半導體置於第一電介質層上，用有機半導體分隔源電極 和漏電極，且將第二電介質層置於源電極、漏電極和有機半導體的組件上。
此外，如下過程也在本發明的範圍之內通過以下方式布置構成根據
本發明的場效應電晶體的各個部件，其中將第一電介質層置於柵電極層上， 將有機半導體置於第一電介質層上，將源電極、漏電極和第二電介質置於 有機半導體上，並用第二電介質分隔和覆蓋源電極和漏電極。
在本發明的一個實施例中，包括柵電極層和第一電介質層的組件的電
容與第二電介質層的電容之比為^L:l.l至lJ^l: 1000，優選21: 2到S1: 500，
更優選^1: 5到S1: 100。利用這些區域中的電容比，可以調節根據本發明
的場效應電晶體的閾值電壓，從而以期望的靈敏度和連續在線分析所需的 快速響應時間工作。
在本發明的另一個實施例中，第一電介質層材料的相對介電常數K的 值為>1到S100，優選^L5到S50，更優選S2到30。這些材料容許根據特 定需要的設計來細微調節電介質的厚度，而不會不正常地增大組件的電容 或冒著因隧穿導致漏電流的風險。
在本發明的另一個實施例中，第二電介質層材料的相對介電常數K的 值為21.1到S100，優選^L.5至lB50，更優選^2到《30。這些所謂的"高K"電介質材料容許根據特定需要的設計來細微調節電介質的厚度，而不會不 正常地增大組件的電容或冒著因隧穿導致漏電流的風險。
在本發明的另一個實施例中，第一電介質層的厚度值為》500nm到 《2000nm，優選^700nm到^1500nm，更優選^900nm到^1100nm。第一電介質 層的尺寸確定很重要，因為較薄的層會導致漏電流，較厚的層會給電晶體 帶來靈敏度降低的危險，因為場效應不能完全影響半導體層。第一電介質 層可以是不同材料的組合。
在本發明的另一個實施例中，第二電介質層的厚度值為^50mn到 《1000nm，優選280nm到^170nm，更優選2100nm到^130nm。第二電介質層的 尺寸確定很重要，因為較薄的層會導致漏電流，較厚的層會給電晶體帶來 靈敏度降低的危險，因為場效應不能完全影響半導體層。此外，第二電介 質層保護有機半導體以免暴露於外界。因此，即使在機械應力期間，為了 完成該任務也需要最小厚度。對於實際操作尤其有益的是第二電介質層不 可溶於在工作期間很可能會遇到的水或其他溶劑。第二電介質層也可以是 不同材料的組合。
在本發明的另一個實施例中，在源極和漏極之間的溝道中測量的半導 體層的厚度值為^2nm到S500nm，優選^10nm到^200nm，更優選^30nm到 ^L00nm。這是為了確保電晶體工作期間良好的信噪比。較薄的層會表現出 電晶體過度放大之前的有限的操作範圍，較厚的層會導致電晶體的靈敏度 降低。
在本發明的另一個實施例中，有機半導體是從包括如下材料的組中選 擇的並五苯、蒽、紅熒烯、酞菁、a，o)-六噻吩、a,(o-二己基四噻吩、(x，o)-二己基五噻吩、a,o)-二己基六噻吩、雙(二噻吩並噻吩)、二己基-雙噻吩蒽、 正十五氟苯基甲基萘-l，4，5，8-四羧酸二醯亞胺、C6、 F8BT、聚對苯乙烯、 聚乙炔、聚噻吩、聚(3-烷基噻吩)、聚(3-己基噻吩)、聚(三芳基胺)、 低聚芳基胺和/或聚噻吩乙烯。上述材料得到了良好的測試且容易買到。
在本發明的另一個實施例中，第二電介質層的外表面還包括能夠結合 到分析物的受體分子，其優選從包括如下受體的組中選擇陰離子受體、 陽離子受體、芳烴受體、碳水化合物受體、類脂受體、類固醇受體、肽受 體、核苷酸受體、RNA受體和/或DNA受體。受體分子可以通過共價鍵、離
8子鍵或諸如範德瓦爾斯交互作用的非共價鍵而結合到第二電介質層的表
面。可以且優選受體分子形成自組裝單分子層(SAM)以確保最密堆積，因 此相對於第二電介質層的表面積確保受體分子的最大數量。
被前述受體分子結合的分析物代表了醫療應用感興趣的目標。知道這 些分析物的存在或濃度對疾病的形成或發生給出了有價值的理解。陰離子 和陽離子不限於簡單的種類，像鹼、鹼土、滷化物、硫酸鹽和磷酸鹽之類， 而且還擴展到例如在細胞中的代謝過程期間形成的胺基酸或羧酸的類別。 如果懷疑存在(例如)像稠環芳烴(PAH)的致癌芳烴，則可以採用芳烴受 體。在例如糖尿病治療領域中可以使用碳水化合物受體。如果待研究的是 和肥胖相關的代謝疾病，則可以使用類脂受體。類固醇受體對類固醇激素 靈敏，在很多指徵領域(indication area)、包括驗孕和商業體育中的摻 雜控制中是有用的。對於遺傳疾病和癌症的研究和治療而言，檢測肽、核 苷、RNA和DNA是很重要的。
當分析物結合到受體分子時，可以觀察到受體分子偶極矩的變化。這 又導致控制源電極和漏電極之間電流的電場發生改變。因此，可以觀察到 信號，該信號與分析物相關。儘管這種行為最容易與帶電分析物相關聯， 但也能夠檢測諸如生理溶液的水的周圍的極性介質中的不帶電分析物。當 中性分析物結合到受體分子時，從受體分子或表面取代水分子。這導致了 受體分子或電介質的介電常數的變化。
利用本發明，能夠設計出一種包括根據本發明的場效應電晶體的檢測 分析物的方法。在該方法中，在場效應電晶體工作期間，柵電極層-第一電 介質層組件的電容低於第二電介質層的電容。上文己經討論過該工作特性 的優點。
本發明的另一個方面是一種包括至少一個根據本發明的場效應電晶體 的傳感器系統。該傳感器系統可以包括電路以及一個或多個場效應電晶體 的外殼，所述電路用於信號處理。各場效應電晶體可以對相同分析物敏感 或對不同分析物敏感。由於可能以低廉的成本製造根據本發明的場效應晶 體管，因此可以設計出可置換的傳感器系統。在處理例如血液或其他體液 的傳染性材料時這是很重要的。
本發明的另一方面是根據本發明的傳感器系統在檢測分子方面的使用。可以從包括陰離子、陽離子、芳烴、碳水化合物、固醇類、類脂、核
苷、RNA和/或DNA的組中選擇待檢測的分子。來自該組的分子充當著細胞 過程的有價值的指示器且是用於分析裝置的目標。
可以使用該傳感器系統的領域可以是化學、診斷、醫療和/或生物分析， 包括諸如卵黃、血液、血清和/或血漿的生物流體的化驗；環境分析，包括 水、溶解的土壤浸出液和溶解的植物浸出液的分析以及質量保護分析 (quality safeguarding analysis)。
圖1示出了根據本發明的第一場效應電晶體(1)，其包括柵電極層(2)。 該層的頂部為第一電介質層(3)。第一電介質層(3)與源電極(4)、漏電 極(5)和有機半導體(6)接觸。可以看出，有機半導體(6)填充了源電 極(4)和漏電極(5)之間的間隙並額外地覆蓋了電極(4)和(5)的頂 部。半導體(6)的上表面與第二電介質(7)接觸。
圖2示出了根據本發明的第二種場效應電晶體(8)。該電晶體對應於 圖1中所示的電晶體，額外的特徵是結合到第二電介質(7)表面的受體分 子層(9)。
圖3示出了根據本發明的第三場效應電晶體(10)，其包括柵電極層(2)。 該層的頂部上為第一電介質層(3)。在此之上設置的是有機半導體(6)。 在有機半導體(6)上設置的是源電極(4)和漏電極(5)。第二電介質層 (7)覆蓋並分隔源電極(4)和漏電極(5)。
圖4示出了根據本發明的第四種場效應電晶體(11)。該電晶體對應於 圖3中所示的電晶體，額外的特徵是結合到第二電介質(7)表面的受體分 子層(9)。
為了提供充分公開而不致使說明書過長，申請人通過引用將以上提到 的每個專利和專利申請併入本文。
以上詳細實施例中的要素和特徵的特定組合僅是示範性的；還可以顯 而易見地想到用本申請和通過引用併入的專利/申請的其他教導與這些教 導進行互換或置換。如本領域的技術人員將要認識到的，在不脫離如權利 要求所主張的本發明的精神和範圍的情況下，本領域的普通技術人員能夠 想到這裡所述內容的各種改變、修改和其他實現方式。因此，以上描述僅 是舉例而非意在加以限制。本發明的範圍由以下權利要求及其等價要件限定。此外，說明書和權利要求中使用的附圖標記不限制所主張的本發明的 氾圍。
權利要求
1、一種場效應電晶體(1)，其包括柵電極層(2)，第一電介質層(3)，源電極(4)，漏電極(5)，有機半導體(6)，以及第二電介質層(7)，其中所述第一電介質層(3)位於所述柵電極層(2)上，所述源電極(4)、所述漏電極(5)和所述有機半導體(6)位於所述第一電介質層(3)上方，所述源電極(4)和所述漏電極(5)與所述有機半導體(6)接觸，並且其中，所述第二電介質層(7)置於源電極(4)、漏電極(5)和有機半導體(6)的組件上，其特徵在於，在所述場效應電晶體(1)工作期間，包括所述柵電極層(2)和所述第一電介質層(3)的組件的電容低於所述第二電介質層(7)的電容。
2、 根據權利要求1所述的場效應電晶體(1)，其中，包括所述柵電極 層(2)和所述第一電介質層(3)的所述組件的電容與所述第二電介質層(7)的電容之比為從21: 1. 1到S1: 1000。
3、 根據權利要求1和2中的一項所述的場效應電晶體(1)，其中所述 第二電介質層(7)的材料的相對介電常數K的值為^L1到^L00。
4、 根據權利要求1到3中的一項所述的場效應電晶體(1)，其中所述 第一電介質層(3)的厚度值為^500nm到《2000nm。
5、 根據權利要求1到4中的一項所述的場效應電晶體(1)，其中所述 第二電介質層(7)的厚度值為^50nm到《1000nm。
6、 根據權利要求1到5中的一項所述的場效應電晶體(1)，其中在源 極(4)和漏極(5)之間在溝道中測得的所述半導體層(6)的厚度值為3nm 到《500nm。
7、 根據權利要求1到6中的一項所述的場效應電晶體(1)，其中所述 有機半導體(6)從包括如下材料的組中選擇並五苯、蒽、紅熒烯、酞菁、 a,co-六噻吩、a,co-二己基四噻吩、a，co-二己基五噻吩、a，to-二己基六噻吩、 雙(二噻吩並噻吩)、二己基-雙噻吩蒽、正十五氟苯基甲基萘-l，4,5，8-四羧 酸二醯亞胺、C6Q、 F8BT、聚對苯乙烯、聚乙炔、聚噻吩、聚(3-烷基噻吩)、 聚(3-己基噻吩)、聚(三芳基胺)、低聚芳基胺和/或聚噻吩乙烯。
8、 根據權利要求1到7中的一項所述的場效應電晶體(8)，其中所述 第二電介質層(7)的外表面還包括能夠結合到分析物的受體分子(9)，所 述受體分子優選從包括如下受體的組中選擇陰離子受體、陽離子受體、 芳烴受體、碳水化合物受體、類脂受體、類固醇受體、肽受體、核苷酸受 體、RNA受體和/或DNA受體。
9、 一種傳感器系統，其包括至少一個根據權利要求1到8中的一項所 述的場效應電晶體。
10、 根據權利要求9所述的傳感器系統在檢測分子方面的使用。
全文摘要
本發明涉及一種場效應電晶體，其包括柵電極層，第一電介質層，源電極，漏電極，有機半導體和第二電介質層，其中第一電介質層位於柵電極層上，源電極，漏電極和有機半導體位於第一電介質層上，源電極和漏電極與有機半導體接觸，其中第二電介質層放置於源電極、漏電極和有機半導體的組件上，且其中，在場效應電晶體工作期間，包括柵電極層和第一電介質層的組件的電容低於第二電介質層的電容。本發明還涉及一種包括這種場效應電晶體的傳感器系統以及將根據本發明的傳感器系統用於檢測分子。
文檔編號G01N27/414GK101454659SQ200780019951
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月10日 優先權日2006年5月29日
發明者D·M·德裡兀, S·塞塔耶什 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司