前言

最近，基于透明和灵活的生物传感器的电子设备被开发出来，以方便使用。在各种生物传感器平台中，读取电势的离子敏感场效应晶体管(ISFETs)非常适用于检测酶、免疫、DNA和细胞基材料，具有响应速度快、检测准确、成本低和功耗低等优点。然而，传统的免疫荧光检测器在检测诸如由DNA和细胞给出的小信号时有困难，因为它们在室温下的低灵敏度极限(能斯特灵敏度)为59.16mV/pH。为了克服这个问题，已经提出了使用绝缘体上硅(SOI)或非晶铟镓锌氧(a-IGZO)作为沟道层的双栅场效应晶体管。通过顶部和底部栅极氧化物电容之间的电容耦合，DG ISFETs可以超过能斯特极限。为了通过增加电容耦合效应来放大底栅工作模式下的灵敏度，需要更高的顶栅电容和更低的底栅电容。因此，已经进行了各种研究来改变DG结构中顶部和底部栅氧化物的材料或厚度。然而，降低厚度或使用高k介电材料来增加顶部栅氧化层电容也会增加栅漏电流，导致ISFETs发生故障。此外，增厚栅极氧化物以降低底栅电容具有包括器件工作电压增加和生产率降低的缺点。

研究内容

广州大学的研究人员开发了使用α-IGZO纳米纤维的DG ISFETs，在不调整栅氧化层材料或厚度的情况下提高灵敏度。一种IGZO纳米纤维被应用于分布式光纤阵列的沟道层，以通过增加电容耦合效应来提高灵敏度。为了进行比较，还制作了IGZO薄膜沟道DG ISFETs。通过检测溶液的酸碱度来评估灵敏度，并分析滞后和漂移来评估任何非理想行为。

实验方法

为了制作IGZO纳米纤维，在(100) p型硅片上生长了300纳米的热氧化物。通过射频磁控溅射法沉积氧化铟锡(厚度=100纳米)，形成源/漏电极。以形成IGZO纳米纤维通道层、IGZO前体和聚乙烯吡咯烷酮(PVP，Mw≈1300000)溶液。通过将硝酸铟水合物(In(NO3)3·xH2O)、硝酸镓水合物(Ga(NO3)3·xH2O)和乙酸锌二水合物(Zn(CH3COO)2·2H2O)以2∶1∶1的比例加入到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，然后在800转/分钟下搅拌2小时来制备IGZO前体溶液。通过将0.12克PVP加入到2.5毫升乙醇中并在800转/分钟下搅拌2小时来制备PVP溶液，然后用注射泵以20千伏的电压和0.4毫升/小时的速度旋转5分钟到准备好的基片上。 为了去除聚合物基体并改善电性能，采用1000瓦微波辐射进行2分钟的煅烧退火工艺。IGZO纳米纤维的平均直径为197纳米。然后使用光刻法和30∶1缓冲氧化物蚀刻剂(BOE)溶液进行湿法蚀刻，用于有源沟道定义。有源沟道层的宽度和长度为20，10 um。然后通过射频磁控溅射沉积二氧化硅(厚度=35纳米)作为顶栅氧化物，并使用电子束蒸发器沉积150纳米厚的铝顶栅电极。最后，使用光刻法和30∶1 BOE溶液蚀刻源/漏电极的接触孔。

(a)基于IGZO纳米纤维的DG ISFET化学传感器的示意图和(b)IGZO纳米纤维通道的横截面示意图。单独制备的IGZO纳米纤维场效应晶体管和乙二醇通过电缆电线连接。静电纺IGZO纳米纤维的扫描电子显微镜图像。

在240毫伏的间隔范围内从600毫伏到-600毫伏，具有恒定顶栅电压的(a) IGZO纳米纤维和(b) IGZO薄膜薄膜晶体管的转移特性曲线。

IGZO纳米纤维薄膜晶体管的传输特性曲线。

(1)    IGZO纳米纤维通道和IGZO薄膜通道静电引力和静电引力传感模式的滞后和(2)漂移效应。

结论

研究人员研制了一种高灵敏度的DG结构IGZO纳米纤维基ISFET。与基于IGZO薄膜的离子液体场效应晶体管相比，基于IGZO纳米纤维的离子液体场效应晶体管表现出高得多的灵敏度，这是因为它们的上表面积增加而下表面积减少，从而导致更大的电容耦合效应。DG IGZO纳米纤维和IGZO薄膜传感器的酸碱度灵敏度分别为998和383mV/pH。此外，IGZO纳米纤维基离子液体场效应晶体管的滞后电压和漂移率的酸碱度敏感性分别为12.2%和3.8%，表明它们比IGZO薄膜基离子液体场效应晶体管更稳定和可靠，后者的这些值分别为27.9%和8.5%。因此，基于DG IGZO纳米纤维的ISFET化学传感器有望适用于各种各样的可穿戴生物传感器。

https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128827。