CN101454659A - 用于感测应用的有机场效应晶体管 - Google Patents

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CN101454659A CNA2007800199511A CN200780019951A CN101454659A CN 101454659 A CN101454659 A CN 101454659A CN A2007800199511 A CNA2007800199511 A CN A2007800199511A CN 200780019951 A CN200780019951 A CN 200780019951A CN 101454659 A CN101454659 A CN 101454659A
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Abstract

本发明涉及一种场效应晶体管，其包括：栅电极层，第一电介质层，源电极，漏电极，有机半导体和第二电介质层，其中第一电介质层位于栅电极层上，源电极，漏电极和有机半导***于第一电介质层上，源电极和漏电极与有机半导体接触，其中第二电介质层放置于源电极、漏电极和有机半导体的组件上，且其中，在场效应晶体管工作期间，包括栅电极层和第一电介质层的组件的电容低于第二电介质层的电容。本发明还涉及一种包括这种场效应晶体管的传感器***以及将根据本发明的传感器***用于检测分子。

Description

用于感测应用的有机场效应晶体管
背景技术
本发明涉及场效应晶体管。更具体而言，本发明涉及一种场效应晶体管，其包括栅电极层、第一电介质层、源电极、漏电极、有机半导体和第二电介质层，其中第一电介质层位于栅电极层上，源电极、漏电极和有机半导***于第一电介质层上方，源电极和漏电极与有机半导体接触，且其中第二电介质层置于源电极、漏电极和有机半导体的组件上。此外，本发明涉及包括至少一个根据本发明的场效应晶体管的传感器***以及根据本发明的传感器***在检测分子方面的使用。
硅基场效应晶体管(FET)对离子的灵敏度长期以来已经成为研究的主题。然而，离子敏场效应晶体管(ISFET)的缺点是使用了参考化学电极。这意味着大的尺寸以及电解液的使用。
基于不同共轭低聚物和聚合物的场效应晶体管已经为公众所知十多年了。它们代表了用于不同应用的昂贵硅基晶体管的替代品。
EP 1348951A1公开了一种用于感测应用的分子控制的双栅极场效应晶体管。该文献提到一种感测器件，其包括：感测层，该感测层具有至少一种结合到半导体沟道层的功能基团(functional group)和至少另一种充当传感器的功能基团；半导体沟道层，其具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；漏电极；源电极以及栅电极，其中所述源电极、所述漏电极和所述栅电极位于所述半导体沟道层的第一表面上，所述感测层位于所述半导体沟道层的表面上，所述感测层与半导体沟道层接触，且所述半导体沟道层的厚度低于5000nm。
然而该组件是有缺点的，因为其未确保栅电极和半导体沟道层之间完全叠置。这又导致场效应晶体管的接触电阻更大且性能更低，尤其是在关注有机半导体的情况下更是如此。
US 2004/0195563公开了一种用于检测生物目标分子的有机场效应晶体管和一种制造该晶体管的方法。该晶体管包括具有半导体膜的晶体管沟道，该半导体膜包括有机分子。将能够结合到目标分子的探针分子耦合到半导体膜的外表面，使得膜的内部基本保持没有探针分子。
由于沟道结构的原因，这种晶体管难于制造和/或制造成本很高。例如，必需要采用光致抗蚀剂技术。此外，考虑到介质的流动特性、电解液的扩散和设置探针分子的不透分子层的难度，保持膜的内部基本没有探针分子或周围的电解质溶液并非一件容易的任务。一旦膜的内部接触到探针分子或电解质溶液，就可能在源电极和漏电极之间发生短路。
在本领域中仍然需要高选择性的场效应晶体管，其能够在诸如体内或体外条件的生物环境等不利条件下执行感测操作。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的至少一个缺点。更具体而言，本发明的目的是提供一种灵敏度增强的场效应晶体管，其能够在不利条件下运行。
该目的是通过提供一种场效应晶体管实现的，该场效应晶体管包括：栅电极层，第一电介质层，源电极，漏电极，有机半导体和第二电介质层，其中第一电介质层位于栅电极层上，源电极、漏电极和有机半导***于第一电介质层上方，源电极和漏电极与有机半导体接触，其中第二电介质层置于源电极、漏电极和有机半导体的组件上，且其中，在场效应晶体管工作期间，包括栅电极层和第一电介质层的组件的电容低于第二电介质层的电容。
附图说明
图1示出了根据本发明的场效应晶体管，
图2示出了根据本发明的另一种场效应晶体管，
图3示出了根据本发明的另一种场效应晶体管，
图4示出了根据本发明的另一种场效应晶体管。
具体实施方式
在详细描述本发明之前，要理解的是，本发明不限于所述的器件的特定构成部分或所述的方法过程步骤，因为这样的器件和方法可能有所变化。还要理解的是本文所用的术语仅仅是为了描述特定实施例，而并非意在限制。必需要指出的是，如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”和“该”包括单个和/或多个所述对象，除非上下文明确给出不同说明。于是，例如提到“分析物”可以包括混合物，提到“传感器”可以包括两个或更多这样的器件，等等。
栅电极层可以包括诸如Ta、Fe、W、Ti、Co、Au、Ag、Cu、Al和/或Ni的金属或诸如PSS/PEDOT或聚苯胺的有机材料。选择栅电极材料的基本考虑是它是一种良导体。
第一电介质层可以包括：诸如Al2O3、Ta2O5的非晶态金属氧化物；诸如HfO2、ZrO2、TiO2、BaTiO3、BaxSr1-xTiO3、Pb(ZrxTi1-x)O3、SrTiO3、BaZrO3、PbTiO3、LiTaO3的过渡金属氧化物；诸如Pr2O3、Gd2O3、Y2O3的稀土氧化物或诸如Si3N4、SiO2的硅化合物或SiO和SiOC的多微孔层。此外，第一电介质层可以包括诸如SU-8或BCB、PTFE的多聚物，或甚至是空气。
可以利用诸如铝、金、银或铜的金属，或者导电的有机或无机材料制造源电极和漏电极。
有机半导体可以包括选自聚乙炔、聚吡咯、聚苯胺、聚芳基胺、聚芴、聚萘、聚对苯硫醚或聚对苯乙烯的材料。半导体还可以是n掺杂或p掺杂的，以增强导电性。此外，有机半导体可以呈现出场效应迁移率μ≥10-5cm2V-1s-1到≤102cm2V-1s-1，μ≥10-4cm2V-1s-1到≤10-1cm2V-1s-1或μ≥10-3cm2V-1s-1到≤10-2cm2V-1s-1。
第二电介质层可以包括与针对第一电介质层所讨论的材料相同的材料。由于第二电介质层还将下方的层与外界条件屏蔽开，所以也可以考虑诸如PTFE或硅酮的防水涂层。
本发明的特征在于，在场效应晶体管工作期间，包括栅电极层和第一电介质层的组件的电容低于第二电介质层的电容。已经发现通过这种电容关系可以有利地影响到场效应晶体管的灵敏度。
在根据本发明的晶体管工作期间，分析物可以附着于第二电介质的外表面。通过这种方式，局部的偶极矩以及因此局部的介电常数可能改变。结合施加到栅电极的电压，半导体经受的电场发生改变，这又导致源电极和漏电极之间电流的变化。可以处理该信号以给出关于分析物的存在和浓度的信息。可以将根据本发明的晶体管描述为一种双栅极场效应晶体管，第二栅极是由结合到第二电介质外表面上的分析物构成的“浮置栅极”电极。
“浮置栅极”电极的原理允许检测气相、液相甚至固相的分析物。
制造根据本发明的晶体管的过程可以包括通过旋涂、滴铸(dropcasting)、蒸发和/或印刷来施加有机半导体。这些施加有机半导体的手段在溶液中或者在纯物质中实施，使得所述场效应晶体管能够得以低成本制造。此外，可以获得膜厚得到极大控制的非晶体或高度有序的膜。所述的过程不仅允许涂布常规的平坦表面，而且允许涂布具有突起和凹陷的不规则形状的表面。
如下过程在本发明的范围之内：通过以下方式布置构成根据本发明的场效应晶体管的各个部件，其中将第一电介质层置于栅电极层上，将源电极、漏电极和有机半导体置于第一电介质层上，用有机半导体分隔源电极和漏电极，且将第二电介质层置于源电极、漏电极和有机半导体的组件上。
此外，如下过程也在本发明的范围之内：通过以下方式布置构成根据本发明的场效应晶体管的各个部件，其中将第一电介质层置于栅电极层上，将有机半导体置于第一电介质层上，将源电极、漏电极和第二电介质置于有机半导体上，并用第二电介质分隔和覆盖源电极和漏电极。
在本发明的一个实施例中，包括栅电极层和第一电介质层的组件的电容与第二电介质层的电容之比为≥1:1.1到≤1：1000，优选≥1：2到≤1：500，更优选≥1：5到≤1：100。利用这些区域中的电容比，可以调节根据本发明的场效应晶体管的阈值电压，从而以期望的灵敏度和连续在线分析所需的快速响应时间工作。
在本发明的另一个实施例中，第一电介质层材料的相对介电常数K的值为≥1到≤100，优选≥1.5到≤50，更优选≥2到≤30。这些材料容许根据特定需要的设计来细微调节电介质的厚度，而不会不正常地增大组件的电容或冒着因隧穿导致漏电流的风险。
在本发明的另一个实施例中，第二电介质层材料的相对介电常数K的值为≥1.1到≤100，优选≥1.5到≤50，更优选≥2到≤30。这些所谓的“高K”电介质材料容许根据特定需要的设计来细微调节电介质的厚度，而不会不正常地增大组件的电容或冒着因隧穿导致漏电流的风险。
在本发明的另一个实施例中，第一电介质层的厚度值为≥500nm到≤2000nm，优选≥700nm到≤1500nm，更优选≥900nm到≤1100nm。第一电介质层的尺寸确定很重要，因为较薄的层会导致漏电流，较厚的层会给晶体管带来灵敏度降低的危险，因为场效应不能完全影响半导体层。第一电介质层可以是不同材料的组合。
在本发明的另一个实施例中，第二电介质层的厚度值为≥50nm到≤1000nm，优选≥80nm到≤170nm，更优选≥100nm到≤130nm。第二电介质层的尺寸确定很重要，因为较薄的层会导致漏电流，较厚的层会给晶体管带来灵敏度降低的危险，因为场效应不能完全影响半导体层。此外，第二电介质层保护有机半导体以免暴露于外界。因此，即使在机械应力期间，为了完成该任务也需要最小厚度。对于实际操作尤其有益的是第二电介质层不可溶于在工作期间很可能会遇到的水或其他溶剂。第二电介质层也可以是不同材料的组合。
在本发明的另一个实施例中，在源极和漏极之间的沟道中测量的半导体层的厚度值为≥2nm到≤500nm，优选≥10nm到≤200nm，更优选≥30nm到≤100nm。这是为了确保晶体管工作期间良好的信噪比。较薄的层会表现出晶体管过度放大之前的有限的操作范围，较厚的层会导致晶体管的灵敏度降低。
在本发明的另一个实施例中，有机半导体是从包括如下材料的组中选择的：并五苯、蒽、红荧烯、酞菁、α，ω-六噻吩、α，ω-二己基四噻吩、α，ω-二己基五噻吩、α，ω-二己基六噻吩、双(二噻吩并噻吩)、二己基-双噻吩蒽、正十五氟苯基甲基萘-1，4，5，8-四羧酸二酰亚胺、C60、F8BT、聚对苯乙烯、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测试且容易买到。
在本发明的另一个实施例中，第二电介质层的外表面还包括能够结合到分析物的受体分子，其优选从包括如下受体的组中选择：阴离子受体、阳离子受体、芳烃受体、碳水化合物受体、类脂受体、类固醇受体、肽受体、核苷酸受体、RNA受体和/或DNA受体。受体分子可以通过共价键、离子键或诸如范德瓦尔斯交互作用的非共价键而结合到第二电介质层的表面。可以且优选受体分子形成自组装单分子层(SAM)以确保最密堆积，因此相对于第二电介质层的表面积确保受体分子的最大数量。
被前述受体分子结合的分析物代表了医疗应用感兴趣的目标。知道这些分析物的存在或浓度对疾病的形成或发生给出了有价值的理解。阴离子和阳离子不限于简单的种类，像碱、碱土、卤化物、硫酸盐和磷酸盐之类，而且还扩展到例如在细胞中的代谢过程期间形成的氨基酸或羧酸的类别。如果怀疑存在(例如)像稠环芳烃(PAH)的致癌芳烃，则可以采用芳烃受体。在例如糖尿病治疗领域中可以使用碳水化合物受体。如果待研究的是和肥胖相关的代谢疾病，则可以使用类脂受体。类固醇受体对类固醇激素灵敏，在很多指征领域(indication area)、包括验孕和商业体育中的掺杂控制中是有用的。对于遗传疾病和癌症的研究和治疗而言，检测肽、核苷、RNA和DNA是很重要的。
当分析物结合到受体分子时，可以观察到受体分子偶极矩的变化。这又导致控制源电极和漏电极之间电流的电场发生改变。因此，可以观察到信号，该信号与分析物相关。尽管这种行为最容易与带电分析物相关联，但也能够检测诸如生理溶液的水的周围的极性介质中的不带电分析物。当中性分析物结合到受体分子时，从受体分子或表面取代水分子。这导致了受体分子或电介质的介电常数的变化。
利用本发明，能够设计出一种包括根据本发明的场效应晶体管的检测分析物的方法。在该方法中，在场效应晶体管工作期间，栅电极层-第一电介质层组件的电容低于第二电介质层的电容。上文已经讨论过该工作特性的优点。
本发明的另一个方面是一种包括至少一个根据本发明的场效应晶体管的传感器***。该传感器***可以包括电路以及一个或多个场效应晶体管的外壳，所述电路用于信号处理。各场效应晶体管可以对相同分析物敏感或对不同分析物敏感。由于可能以低廉的成本制造根据本发明的场效应晶体管，因此可以设计出可置换的传感器***。在处理例如血液或其他体液的传染性材料时这是很重要的。
本发明的另一方面是根据本发明的传感器***在检测分子方面的使用。可以从包括阴离子、阳离子、芳烃、碳水化合物、固醇类、类脂、核苷、RNA和/或DNA的组中选择待检测的分子。来自该组的分子充当着细胞过程的有价值的指示器且是用于分析装置的目标。
可以使用该传感器***的领域可以是化学、诊断、医疗和/或生物分析，包括诸如卵黄、血液、血清和/或血浆的生物流体的化验；环境分析，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质量保护分析(quality safeguarding analysis)。
图1示出了根据本发明的第一场效应晶体管(1)，其包括栅电极层(2)。该层的顶部为第一电介质层(3)。第一电介质层(3)与源电极(4)、漏电极(5)和有机半导体(6)接触。可以看出，有机半导体(6)填充了源电极(4)和漏电极(5)之间的间隙并额外地覆盖了电极(4)和(5)的顶部。半导体(6)的上表面与第二电介质(7)接触。
图2示出了根据本发明的第二种场效应晶体管(8)。该晶体管对应于图1中所示的晶体管，额外的特征是结合到第二电介质(7)表面的受体分子层(9)。
图3示出了根据本发明的第三场效应晶体管(10)，其包括栅电极层(2)。该层的顶部上为第一电介质层(3)。在此之上设置的是有机半导体(6)。在有机半导体(6)上设置的是源电极(4)和漏电极(5)。第二电介质层(7)覆盖并分隔源电极(4)和漏电极(5)。
图4示出了根据本发明的第四种场效应晶体管(11)。该晶体管对应于图3中所示的晶体管，额外的特征是结合到第二电介质(7)表面的受体分子层(9)。
为了提供充分公开而不致使说明书过长，申请人通过引用将以上提到的每个专利和专利申请并入本文。
以上详细实施例中的要素和特征的特定组合仅是示范性的；还可以显而易见地想到用本申请和通过引用并入的专利/申请的其他教导与这些教导进行互换或置换。如本领域的技术人员将要认识到的，在不脱离如权利要求所主张的本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员能够想到这里所述内容的各种改变、修改和其他实现方式。因此，以上描述仅是举例而非意在加以限制。本发明的范围由以下权利要求及其等价要件限定。此外，说明书和权利要求中使用的附图标记不限制所主张的本发明的范围。

Claims (10)

1、一种场效应晶体管(1)，其包括：
栅电极层(2)，
第一电介质层(3)，
源电极(4)，
漏电极(5)，
有机半导体(6)，以及
第二电介质层(7)，
其中
所述第一电介质层(3)位于所述栅电极层(2)上，
所述源电极(4)、所述漏电极(5)和所述有机半导体(6)位于所述第一电介质层(3)上方，
所述源电极(4)和所述漏电极(5)与所述有机半导体(6)接触，并且
其中，所述第二电介质层(7)置于源电极(4)、漏电极(5)和有机半导体(6)的组件上，
其特征在于，在所述场效应晶体管(1)工作期间，包括所述栅电极层(2)和所述第一电介质层(3)的组件的电容低于所述第二电介质层(7)的电容。
2、根据权利要求1所述的场效应晶体管(1)，其中，包括所述栅电极层(2)和所述第一电介质层(3)的所述组件的电容与所述第二电介质层(7)的电容之比为从≥1：1.1到≤1：1000。
3、根据权利要求1和2中的一项所述的场效应晶体管(1)，其中所述第二电介质层(7)的材料的相对介电常数K的值为≥1.1到≤100。
4、根据权利要求1到3中的一项所述的场效应晶体管(1)，其中所述第一电介质层(3)的厚度值为≥500nm到≤2000nm。
5、根据权利要求1到4中的一项所述的场效应晶体管(1)，其中所述第二电介质层(7)的厚度值为≥50nm到≤1000nm。
6、根据权利要求1到5中的一项所述的场效应晶体管(1)，其中在源极(4)和漏极(5)之间在沟道中测得的所述半导体层(6)的厚度值为≥2nm到≤500nm。
7、根据权利要求1到6中的一项所述的场效应晶体管(1)，其中所述有机半导体(6)从包括如下材料的组中选择：并五苯、蒽、红荧烯、酞菁、α，ω-六噻吩、α，ω-二己基四噻吩、α，ω-二己基五噻吩、α，ω-二己基六噻吩、双(二噻吩并噻吩)、二己基-双噻吩蒽、正十五氟苯基甲基萘-1，4，5，8-四羧酸二酰亚胺、C60、F8BT、聚对苯乙烯、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、根据权利要求1到7中的一项所述的场效应晶体管(8)，其中所述第二电介质层(7)的外表面还包括能够结合到分析物的受体分子(9)，所述受体分子优选从包括如下受体的组中选择：阴离子受体、阳离子受体、芳烃受体、碳水化合物受体、类脂受体、类固醇受体、肽受体、核苷酸受体、RNA受体和/或DNA受体。
9、一种传感器***，其包括至少一个根据权利要求1到8中的一项所述的场效应晶体管。
10、根据权利要求9所述的传感器***在检测分子方面的使用。
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