本發(fā)明屬于傳感分析技術(shù)領(lǐng)域，涉及集成晶體管的生物、化學(xué)傳感器技術(shù)，特別涉及一種基于薄膜晶體管及制造方法與應(yīng)用方法。

背景技術(shù)：

目前，大量的研究旨在于開發(fā)適用于微生物、細(xì)胞器、酶、抗體、抗原、核酸、dna等的生物檢測以及化學(xué)分析與環(huán)境監(jiān)測等傳感領(lǐng)域。其中的納米級傳感檢測技術(shù)主要包括溶液檢測和基底檢測這兩種檢測方式，通過局域表面電磁場增強、電流信號放大、化學(xué)增強等機制極大限度地增強原始檢測信號。常見的溶液檢測生物化學(xué)傳感器件結(jié)構(gòu)是基于離子敏感晶體管，即待測分子附著到晶體管柵極氧化物表面從而引起晶體管內(nèi)溝道電流的變化。該類型器件沒有單分子層面控制的機制，通常測量的是附著在表面的多個待測分子的平均效應(yīng)。

固態(tài)納米孔能實現(xiàn)對單個分子的過孔控制，與離子晶體管結(jié)構(gòu)結(jié)合起來有可能實現(xiàn)單分子層面的電荷傳感，因而成為重要研究前沿。哈佛大學(xué)的lieber教授課題組、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的radenovic教授課題組、賓夕法尼亞大學(xué)的drndic教授課題組在各自研究中嘗試了在薄膜的一側(cè)制備硅納米線或石墨烯晶體管，然后在晶體管溝道內(nèi)部或一旁制備納米孔結(jié)構(gòu)形成器件。他們測試中觀察到由于阻塞納米孔引起的跨膜電壓分壓變化引起的晶體管電流信號，但并沒有檢測到電荷信號。這主要是因為他們的器件結(jié)構(gòu)在原理上會導(dǎo)致其電荷檢測的困難。如果穿孔在晶體管溝道旁邊，因為生物電荷在4～5個德拜長度(德拜長度在通常100mm離子溶液中為1nm左右)的距離內(nèi)就會被溶液中的離子屏蔽而以指數(shù)形式衰減，所以場效應(yīng)難以到達晶體管溝道中；如果穿孔在晶體管溝道中間，則會破壞孔周邊溝道的晶體結(jié)構(gòu)，極大降低該區(qū)域晶體管載流子遷移率；而絕大部分鏡像電荷產(chǎn)生在這個低遷移率區(qū)域，將無法反映到溝道電流信號中。

另一方面的研究致力于在納米孔內(nèi)制備垂直于襯底方向的場效應(yīng)晶體管器件。例如，在申請公開號為cn104769424a的中國專利申請中披露了上述的器件。其公開了一種刻蝕襯底薄膜得到的納米孔場效應(yīng)晶體管，該方案可用于基因組測序、蛋白質(zhì)測序、生物分子測序和對于離子、分子、納米顆粒等的檢測。但是該方案所提出的場效應(yīng)晶體管制備工藝非常復(fù)雜，尤其是晶體管源區(qū)和漏區(qū)需要進行高精度的摻雜，摻雜不均勻時將極大影響該場效應(yīng)晶體管的檢測精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種薄膜晶體管及制造方法與應(yīng)用方法，可以應(yīng)用到生物化學(xué)傳感檢測設(shè)備上，實現(xiàn)對溶液內(nèi)單個離子、分子、納米顆粒以及其他生物分子鏈的檢測。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了下述技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種薄膜晶體管的制造方法，包括：提供帶懸空絕緣材料薄膜的基底；以懸空絕緣材料薄膜作為第一絕緣層；在第一絕緣層的第一表面沉積導(dǎo)電材料薄膜以作為源區(qū)；在第一絕緣層的第二表面沉積導(dǎo)電材料薄膜以作為漏區(qū)；將在源區(qū)、第一絕緣層、以及漏區(qū)進行穿透，以形成孔狀；沉積半導(dǎo)體材料薄膜以作為溝道，溝道連接源區(qū)與漏區(qū)，以形成第一納米級孔狀。

可選地，制造方法還包括在溝道表面沉積絕緣材料薄膜以作為第二絕緣層，以形成第二納米級孔狀。

可選地，源區(qū)和漏區(qū)的沉積厚度范圍都為1-200nm。

可選地，第一納米級孔狀或第二納米級孔狀的孔徑范圍為1-300nm。

可選地，利用半導(dǎo)體材料薄膜制備溝道，在利用半導(dǎo)體材料薄膜形成溝道的同時或形成溝道之后還包括以下步驟：對半導(dǎo)體材料薄膜進行n型或p型摻雜處理。

本發(fā)明提供的一種薄膜晶體管，其包括帶懸空絕緣材料薄膜的基底、以懸空絕緣材料薄膜作為第一絕緣層，絕緣材料薄膜中心呈孔狀，位于第一絕緣層的第一表面上作為源區(qū)的導(dǎo)電材料薄膜、位于第一絕緣層的第二表面上作為漏區(qū)的導(dǎo)電材料薄膜、位于源區(qū)和漏區(qū)以及未被源區(qū)和漏區(qū)覆蓋的第一絕緣層表面上作為溝道的半導(dǎo)體材料薄膜，溝道的薄膜中心呈第一納米級孔狀。

可選地，薄膜晶體管還包括位于溝道表面上作為第二絕緣層的絕緣材料薄膜，第二絕緣層薄膜中心呈第二納米級孔狀。

可選地，源區(qū)和漏區(qū)的厚度范圍都為1-200nm。

可選地，第一納米級孔狀或第二納米級孔狀的孔徑范圍為1-300nm。

可選地，源區(qū)未完全覆蓋第一絕緣層的第一表面，和/或漏區(qū)未完全覆蓋第一絕緣層的第二表面。

可選地，溝道包含一種或多種下述物質(zhì)：氧化鋅、銦鎵鋅氧化物、氮化物、砷化物、磷化物、石墨烯、二硫化鉬、黑磷、有機半導(dǎo)體材料。

可選地，溝道含n型或p型摻雜。

可選地，溝道的沉積厚度范圍為2-300nm。

可選地，源區(qū)和漏區(qū)包含一種或多種下述物質(zhì)：金屬薄膜、金屬線、金屬顆粒、銦錫氧化物、鋁鋅氧化物、鎵鋅氧化物、銦鋅氧化物、氮化鈦、石墨烯、碳納米管或線。

本發(fā)明提出的一種傳感器，其包括以上的任一項的薄膜晶體管。

本發(fā)明提出一種利用上述的傳感器檢測待檢測物質(zhì)電學(xué)特性的方法，其包括以下步驟：將傳感器中的薄膜晶體管浸沒在待檢測物質(zhì)的離子溶液中；在待檢測物質(zhì)通過薄膜晶體管的納米孔時，檢測離子電流阻塞信號，和/或檢測薄膜晶體管的溝道電流信號；根據(jù)離子電流阻塞信號和/或薄膜晶體管的溝道電流信號，計算待檢測物質(zhì)的電學(xué)特性。

本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果在于：本發(fā)明使用氧化銦錫導(dǎo)電氧化物作為薄膜晶體管裝置的源區(qū)和漏區(qū)，利用半導(dǎo)體層作為溝道將源區(qū)與漏區(qū)進行連接。因此，本發(fā)明可使晶體管的源區(qū)和漏區(qū)的制備摻雜精度要求大大降低。同時，薄膜晶體管的測量精準(zhǔn)度也無需高度依賴于摻雜的高精度，極大地提高了測量裝置的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。而且，本發(fā)明充分利用包括原子層沉積在內(nèi)的薄膜沉積工藝的保形特性，使半導(dǎo)體溝道能均勻的覆蓋在納米孔的內(nèi)表面上，實現(xiàn)檢測。另外，結(jié)合提出的裝置結(jié)構(gòu)以及薄膜沉積工藝，本方案利于納米孔孔徑大小的控制，以確保待檢測物質(zhì)的通過和較高的測量精度。在薄膜晶體管tft的應(yīng)用中，本發(fā)明提出在待檢測物質(zhì)通過薄膜晶體管tft的納米孔時，檢測離子電流阻塞信號和薄膜晶體管tft的溝道電流信號，可有效檢測單離子、分子通過納米孔時的單分子級電學(xué)特性。將兩路信號關(guān)聯(lián)可提升帶有薄膜晶體管tft的傳感器的精準(zhǔn)度。另外，選擇低濃度的離子溶液將大大提高傳感器的信噪比。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一實施例的薄膜晶體管tft的縱向截面結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的一實施例的薄膜晶體管tft制造方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明的一實施例的帶有薄膜晶體管tft的傳感器電路示意圖；

圖4為本發(fā)明的一實施例的薄膜晶體管tft制造方法的過程中氧化鋅沉積前后的透射電鏡(tem)圖；

圖5為本發(fā)明的一實施例的仿真模型示意圖；

圖6為本發(fā)明的一實施例的仿真模型的仿真電勢變化圖和電子濃度變化圖；

圖7為本發(fā)明的一實施例的仿真模型不同柵壓下噪聲水平和薄膜晶體管tft信號。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的部分實施例，而不是全部實施例。

本實施例提供了一種薄膜晶體管tft，如圖1所示，為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的薄膜晶體管tft的縱向截面結(jié)構(gòu)圖。薄膜晶體管100包括帶孔狀窗口基底102、位于帶孔狀窗口基底102上作為第一絕緣層的氮化硅薄膜104，氮化硅薄膜104中心呈納米級孔狀、位于第一絕緣層104的第一表面上作為源區(qū)的氧化銦錫薄膜106、位于第一絕緣層104的第二表面上作為漏區(qū)的氧化銦錫薄膜108、位于源區(qū)106和漏區(qū)108以及未被源區(qū)106和漏區(qū)108覆蓋的第一絕緣層104表面上作為溝道的薄膜110，溝道的薄膜110中心呈納米級孔狀；以及位于溝道110表面上作為第二絕緣層的氧化鋁薄膜112，氧化鋁薄膜112中心呈納米級孔狀。其中第一絕緣層的第一表面為帶孔基底的正面一端，第一絕緣層的第二表面為帶孔基底的背面一端。當(dāng)將本實施例薄膜晶體管tft放入待檢測物質(zhì)溶液中時，溶液可作為柵極，以實現(xiàn)薄膜晶體管的生物、化學(xué)檢測功能。

在本實施例中，帶孔狀窗口基底102可選擇硅片作為襯底材料，類硅片等襯底材料皆可作為本薄膜晶體管tft的基底。

較佳的，帶孔狀窗口基底102的窗口孔徑控制在毫米數(shù)量級。

第一絕緣層104的材料選用氮化硅，也可以選擇起絕緣作用的其它材料，包括二氧化硅、氮化硼等進行替換。第一絕緣層104的外圍沉積覆蓋在帶孔狀窗口基底上，呈緊密連接，較內(nèi)部分處于懸空狀態(tài)，氮化硅薄膜104懸空部分具有納米級開孔。

優(yōu)選地，氮化硅薄膜的沉積厚度可控制在5～50nm左右。

優(yōu)選地，懸空氮化硅薄膜的納米級開孔孔徑大小在60～100nm左右。

源區(qū)106的材料選用氧化銦錫(indiumtinoxide，簡稱ito)，并均勻沉積在第一絕緣層104的第一表面。ito是一種n型氧化物半導(dǎo)體，可保證高濃度電荷載流子的基礎(chǔ)上保證較高的透光性，因此具有較好的導(dǎo)電性和透明性，其可作為良好的導(dǎo)電薄膜材料?？赏ㄟ^物理氣相沉積或者濺射沉積技術(shù)將ito沉積在氮化硅薄膜104上。漏區(qū)108的材料也使用氧化銦錫，并均勻鍍制在第一絕緣層104的第二表面。按照具體需要，漏區(qū)108也可部分或完全覆蓋帶孔狀窗口基底102。源區(qū)與漏區(qū)也可選擇具有良好導(dǎo)電性的其它材料進行替換，包括金屬薄膜、金屬線、金屬顆粒、銦錫氧化物、鋁鋅氧化物、鎵鋅氧化物、銦鋅氧化物、氮化鈦、石墨烯、碳納米管或線。其原因在于，源區(qū)與漏區(qū)所選擇的導(dǎo)電材料與溝道110的半導(dǎo)體材料接觸所形成的肖特基型接觸具有較低的肖特基勢壘高度，從而使得該接觸接近于歐姆型接觸，具有良好的接觸電導(dǎo)率。

優(yōu)選地，源區(qū)106未完全覆蓋第一絕緣層104的第一表面，和/或漏區(qū)108未完全覆蓋第一絕緣層104的第二表面。該結(jié)構(gòu)設(shè)定可有效避免源區(qū)106和漏區(qū)108的連接，防止發(fā)生短路現(xiàn)象。

優(yōu)選地，源區(qū)106的ito沉積厚度可控制在10-20nm左右。

優(yōu)選地，漏區(qū)108的ito沉積厚度可控制在10-20nm左右。

溝道110的材料可選擇氧化鋅、銦鎵鋅氧化物、氮化物、砷化物、磷化物、石墨烯、二硫化鉬、黑磷、有機半導(dǎo)體材料等半導(dǎo)體材料。通過原子層沉積、物理氣相沉積或者濺射沉積技術(shù)，將溝道材料沉積在源區(qū)106和漏區(qū)108以及未被源區(qū)106和漏區(qū)108覆蓋的第一絕緣層104表面上，溝道半導(dǎo)體材料與源區(qū)和漏區(qū)的導(dǎo)電材料形成肖特基型接觸。因此形成以氮化硅作為絕緣層，溝道110作為源區(qū)106和漏區(qū)108的導(dǎo)路連接，結(jié)合上源區(qū)與漏區(qū)導(dǎo)電材料優(yōu)良的導(dǎo)電特性，以省去傳統(tǒng)源區(qū)與漏區(qū)材料的高精度摻雜。溝道110中心區(qū)域為中空狀，以便于待檢測物質(zhì)的通過。為獲得精準(zhǔn)的薄膜晶體管tft的納米孔孔徑，可選用包括原子層沉積法在內(nèi)的高精度的沉積方法以實現(xiàn)對溝道110的沉積。

較佳地，溝道110的半導(dǎo)體材料選擇與源區(qū)和漏區(qū)的導(dǎo)電材料適當(dāng)搭配，使所形成肖特基型接觸的勢壘高度較低，從而使得該接觸接近于歐姆型接觸，這樣使得源區(qū)及漏區(qū)與半導(dǎo)體溝道具有良好的電接觸，從而避免了傳統(tǒng)的對半導(dǎo)體材料使用高精度摻雜來形成源區(qū)與漏區(qū)的方法。傳統(tǒng)的源漏高精度摻雜在納米孔這樣極小尺度的、非平面構(gòu)型的情況下有極大的工藝?yán)щy，源區(qū)與漏區(qū)的摻雜極容易擴散到溝道內(nèi)，破壞晶體管效能。

優(yōu)選地，溝道110的材料選擇經(jīng)n型非故意摻雜的氧化鋅zno，與源區(qū)及漏區(qū)的氧化銦錫搭配，它們所形成的肖特基勢壘較低，形成良好的電接觸；或者溝道110的材料選擇經(jīng)p型非故意摻雜的黑磷，與源區(qū)及漏區(qū)的金或鈧材料搭配，形成良好的電接觸。

優(yōu)選地，n型非故意摻雜的氧化鋅的沉積厚度控制在20-30nm左右。

在本實施例中可選擇引入第二絕緣層112，其材料選擇氧化鋁，也可以選擇起絕緣作用的其它材料進行替換，包括二氧化硅、氧化鉿、氧化鋯等?？蛇x擇沉積技術(shù)將氧化鋁材料覆蓋在溝道110上，第二絕緣層102中心區(qū)域為中空狀，以便于待檢測物質(zhì)的通過。為獲得精準(zhǔn)的薄膜晶體管tft的納米孔孔徑，可選用包括原子層沉積法在內(nèi)的高精度的沉積方法以實現(xiàn)對第二絕緣層的沉積。

優(yōu)選地，作為第二絕緣層的氧化鋁沉積厚度控制在10nm左右。

在引入第二絕緣層112的情況下，最終薄膜晶體管tft的孔徑大小取決于第二絕緣層的兩個縱向部分的間距。這主要取決于第一絕緣層懸空部分中心孔徑大小、溝道沉積厚度、第二絕緣層沉積厚度?？稍诔练e工藝中進行控制，以獲得合適的薄膜晶體管tft的納米孔孔徑。較佳的，更小的納米孔孔徑可獲得更佳的檢測精度。

也可選擇不需要第二絕緣層的存在。該情形下進行檢測時，溝道半導(dǎo)體將直接與溶液接觸。半導(dǎo)體與溶液界面上一般會存在激活過電位(activationoverpotential)，當(dāng)外加電壓小于該激活過電位值時，界面呈絕緣狀態(tài)。因此在檢測中合適控制薄膜晶體管tft與溶液的電位差的情況下，可保持溝道與溶液的絕緣。這種情況下薄膜晶體管tft的孔徑大小取決與溝道兩個縱向部分的間距。這主要取決于第一絕緣層懸空部分中心孔徑大小和溝道沉積厚度，可在沉積工藝中進行控制。在需要施加較大外加電壓，或更好保護溝道110不與溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的情況下可采用引入第二絕緣層112的實施方法。

優(yōu)選地，薄膜晶體管tft的納米孔孔徑控制在5nm左右。

本實施例提供了一種薄膜晶體管tft的制造方法，如圖2所示，為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的薄膜晶體管tft制造方法的流程示意圖。薄膜晶體管tft的制造方法包括提供帶懸空絕緣材料薄膜的基底；以懸空絕緣材料薄膜作為第一絕緣層；在第一絕緣層的第一表面沉積上導(dǎo)電材料薄膜以作為源區(qū)；在第一絕緣層的第二表面沉積上導(dǎo)電材料薄膜以作為漏區(qū)；將源區(qū)、第一絕緣層、漏區(qū)進行穿透，以形成納米級孔狀；沉積上半導(dǎo)體薄膜以作為溝道，溝道連接源區(qū)與漏區(qū)；在溝道表面沉積上絕緣材料薄膜以作作為第二絕緣層。

提供帶懸空絕緣材料薄膜的基底時可選擇硅片襯底材料作為基底，懸空絕緣材料可選擇為氮化硅。該種帶懸空氮化硅薄膜的硅片基底材料通常在透射電鏡網(wǎng)格(temgrid)中被使用，其成熟的制備方法包括在正面沉積了氮化硅薄膜的硅片背面進行刻蝕，形成窗口使氮化硅薄膜懸空暴露出來。這樣氮化硅薄膜作為第一絕緣層，氮化硅薄膜覆蓋基底和基底的窗口處。氮化硅薄膜的沉積厚度可控制在5～50nm左右。

在氮化硅薄膜的第一表面上進行磁控濺射、氣相沉積或電子束蒸發(fā)的方法，以沉積導(dǎo)電材料薄膜。

在沉積第一層導(dǎo)電材料薄膜之后。在氮化硅薄膜的第二表面上進行磁控濺射，以沉積第二層導(dǎo)電材料薄膜。

優(yōu)選地，第一表面和第二表面的導(dǎo)電薄膜材料為氧化銦錫，薄膜的沉積厚度控制在10-20nm左右。也可選擇具有良好導(dǎo)電性的其它材料進行替換，包括金屬薄膜、金屬線、金屬顆粒、銦錫氧化物、鋁鋅氧化物、鎵鋅氧化物、銦鋅氧化物、氮化鈦、石墨烯、碳納米管或線。

為獲得納米孔，需要將導(dǎo)電材料/氮化硅/導(dǎo)電材料這三層結(jié)構(gòu)進行穿透，因此可使用tem電鏡的聚焦電子束或聚焦離子束電鏡的聚焦離子束轟擊薄膜。轟擊的時間長短和轟擊的功率影響孔的孔徑大小，可根據(jù)具體需要，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)。

優(yōu)選地，轟擊所得孔的孔徑大小控制在60-100nm左右。

優(yōu)選地，控制轟擊時長和角度，使源區(qū)未完全覆蓋第一絕緣層的第一表面，和/或漏區(qū)未完全覆蓋第一絕緣層的第二表面，以避免轟擊過程中造成源區(qū)與漏區(qū)的短路連接。

在穿透步驟后，在外層沉積半導(dǎo)體溝道層，半導(dǎo)體溝道層包覆在源區(qū)、漏區(qū)和未被氧化銦錫覆蓋的氮化硅薄膜。溝道半導(dǎo)體材料與源區(qū)和漏區(qū)的導(dǎo)電材料形成肖特基型接觸。溝道的沉積材料可選擇氧化鋅、銦鎵鋅氧化物、氮化物、砷化物、磷化物、石墨烯、二硫化鉬、黑磷、有機半導(dǎo)體等半導(dǎo)體材料。使用原子層沉積(atomiclayerdeposition，簡稱ald)對該膜層進行沉積，通過定量ald沉積速率，實現(xiàn)對膜層厚度的沉積控制。

優(yōu)選地，使用經(jīng)n型非故意摻雜的氧化鋅作為溝道的沉積材料，與源區(qū)及漏區(qū)的氧化銦錫搭配，它們所形成的肖特基勢壘較低，可以形成良好的電接觸。

優(yōu)選的，氧化鋅的沉積厚度控制在20-30nm左右。

優(yōu)選的，對n型非故意摻雜的氧化鋅進行退火處理，可控制氧化鋅的摻雜濃度，調(diào)整其閾值電壓。

優(yōu)選地，在沉積溝道層完成后，進行退火處理。

可選擇引入第二絕緣層，第二絕緣層材料可選擇氧化鋁，使用原子層沉積ald將氧化鋁沉積在溝道層上，使氧化鋁層包裹在溝道層的表面，起到絕緣的左右?？刂芶ld的沉積速率和沉積時間可準(zhǔn)確把控氧化鋁的沉積厚度。

優(yōu)選地，在引入第二絕緣層情況下，氧化鋁層的沉積厚度控制在10nm左右。

優(yōu)選地，在引入第二絕緣層情況下，在沉積氧化鋁層完成后，進行退火處理。

優(yōu)選地，最終沉積得到的薄膜晶體管tft的納米孔孔徑控制在5nm左右。在沉積的各個步驟中，可適當(dāng)調(diào)節(jié)第一絕緣層懸空部分開孔孔徑、溝道沉積厚度，在引入第二絕緣層情況下也包括適當(dāng)調(diào)節(jié)第二絕緣層沉積厚度，以獲得合適的最終納米孔孔徑。

實施例一：

本實施例中，選擇帶懸空氮化硅薄膜的硅片基底，氮化硅薄膜厚度為10nm。在氮化硅薄膜的第一表面上使用磁控濺射沉積10nm厚度的ito薄膜。在氮化硅薄膜的第二表面上使用磁控濺射沉積10nm厚度的ito薄膜。使用透射電子顯微鏡tem電鏡的聚焦電子束轟擊薄膜，擊穿ito/氮化硅/ito這3層結(jié)構(gòu)的薄膜以產(chǎn)生納米孔，此時納米孔的孔徑為60nm。在ito/氮化硅/ito的表面使用原子層沉積ald沉積經(jīng)n型非故意摻雜的氧化鋅，形成20nm厚的薄膜，并進行退火處理。在氧化鋅薄膜上沉積絕緣層，以作為薄膜晶體管tft的柵絕緣層。柵絕緣層選擇氧化鋁材料，并通過原子層沉積方式將沉積厚度控制在7nm左右。以此形成孔徑大小為5nm左右的薄膜晶體管tft。最終對薄膜晶體管tft進行退火處理。

實施例二：

本實施例中，選擇帶懸空氮化硅薄膜的硅片基底，氮化硅薄膜厚度為10nm。在氮化硅薄膜的第一表面上使用磁控濺射沉積20nm厚度的ito薄膜。在氮化硅薄膜的第二表面上使用磁控濺射沉積20nm厚度的ito薄膜。使用透射電子顯微鏡tem電鏡的聚焦電子束轟擊薄膜，擊穿ito/氮化硅/ito這3層結(jié)構(gòu)的薄膜以產(chǎn)生納米孔，此時納米孔的孔徑為100nm。在ito/氮化硅/ito的表面使用原子層沉積ald沉積經(jīng)n型非故意摻雜的氧化鋅，形成30nm厚的薄膜，并進行退火處理。在氧化鋅薄膜上沉積絕緣層，以作為薄膜晶體管tft的柵絕緣層。柵絕緣層選擇氧化鋁材料，并通過原子層沉積方式將沉積厚度控制在18nm左右。以此形成孔徑大小為5nm左右的薄膜晶體管tft。最終對薄膜晶體管tft進行退火處理。

實施例三：

本實施例中，選擇帶懸空氮化硅薄膜的硅片基底，氮化硅薄膜厚度為10nm。在氮化硅薄膜的第一表面上使用磁控濺射沉積15nm厚度的ito薄膜。在氮化硅薄膜的第二表面上使用磁控濺射沉積15nm厚度的ito薄膜。使用透射電子顯微鏡tem電鏡的聚焦電子束轟擊薄膜，擊穿ito/氮化硅/ito這3層結(jié)構(gòu)的薄膜以產(chǎn)生納米孔，此時納米孔的孔徑為80nm。在ito/氮化硅/ito的表面使用原子層沉積ald沉積經(jīng)n型非故意摻雜的氧化鋅，形成27nm厚的薄膜，并進行退火處理。在氧化鋅薄膜上沉積絕緣層，以作為薄膜晶體管tft的柵絕緣層。柵絕緣層選擇氧化鋁材料，并通過原子層沉積方式將沉積厚度控制在10nm左右。以此形成孔徑大小為5nm左右的薄膜晶體管tft。最終對薄膜晶體管tft進行退火處理。

實施例四：

本實施例中，選擇帶懸空氮化硅薄膜的硅片基底，氮化硅薄膜厚度為10nm。在氮化硅薄膜的第一表面上使用磁控濺射沉積100nm厚度的ito薄膜。在氮化硅薄膜的第二表面上使用磁控濺射沉積100nm厚度的ito薄膜。使用聚焦離子束電鏡的聚焦離子束轟擊薄膜，擊穿ito/氮化硅/ito這3層結(jié)構(gòu)的薄膜以產(chǎn)生納米孔，此時納米孔的孔徑為75nm。在ito/氮化硅/ito的表面使用原子層沉積ald沉積經(jīng)n型非故意摻雜的氧化鋅，形成24nm厚的薄膜，并進行退火處理。在氧化鋅薄膜上沉積絕緣層，以作為薄膜晶體管tft的柵絕緣層。柵絕緣層選擇氧化鋁材料，并通過原子層沉積方式將沉積厚度控制在10nm左右。以此形成孔徑大小為7nm左右的薄膜晶體管tft。最終對薄膜晶體管tft進行退火處理。

實施例五：

本實施例中，選擇帶懸空氮化硅薄膜的硅片基底，氮化硅薄膜厚度為50nm。在氮化硅薄膜的第一表面上使用磁控濺射沉積200nm厚度的ito薄膜。在氮化硅薄膜的第二表面上使用磁控濺射沉積200nm厚度的ito薄膜。使用聚焦離子束電鏡的聚焦離子束轟擊薄膜，擊穿ito/氮化硅/ito這3層結(jié)構(gòu)的薄膜以產(chǎn)生納米孔，此時納米孔的孔徑為900nm。在ito/氮化硅/ito的表面使用原子層沉積ald沉積經(jīng)n型非故意摻雜的氧化鋅，形成300nm厚的薄膜，并進行退火處理。以此形成孔徑大小為300nm左右的薄膜晶體管tft。最終對薄膜晶體管tft進行退火處理。

實施例六：

本實施例中，選擇帶懸空氮化硅薄膜的硅片基底，氮化硅薄膜厚度為25nm。在氮化硅薄膜的第一表面上使用磁控濺射沉積50nm厚度的ito薄膜。在氮化硅薄膜的第二表面上使用磁控濺射沉積50nm厚度的ito薄膜。使用聚焦離子束電鏡的聚焦離子束轟擊薄膜，擊穿ito/氮化硅/ito這3層結(jié)構(gòu)的薄膜以產(chǎn)生納米孔，此時納米孔的孔徑為450nm。在ito/氮化硅/ito的表面使用原子層沉積ald沉積經(jīng)n型非故意摻雜的氧化鋅，形成150nm厚的薄膜，并進行退火處理。以此形成孔徑大小為150nm左右的薄膜晶體管tft。最終對薄膜晶體管tft進行退火處理。

實施例七：

本實施例中，選擇帶懸空氮化硅薄膜的硅片基底，氮化硅薄膜厚度為10nm。在氮化硅薄膜的第一表面上使用磁控濺射沉積5nm厚度的金薄膜。在氮化硅薄膜的第二表面上使用磁控濺射沉積5nm厚度的金薄膜。使用聚焦離子束顯微鏡的聚焦離子束轟擊薄膜，擊穿金/氮化硅/金這3層結(jié)構(gòu)的薄膜以產(chǎn)生納米孔，此時納米孔的孔徑為30nm。在金/氮化硅/金的表面使用原子層沉積ald沉積非有意p型摻雜的黑磷，形成2nm厚的薄膜，并進行退火處理。在氧化鋅薄膜上沉積絕緣層，以作為薄膜晶體管tft的柵絕緣層。柵絕緣層選擇氧化鉿材料，并通過原子層沉積方式將沉積厚度控制在10nm左右。以此形成孔徑大小為6nm左右的薄膜晶體管tft。最終對薄膜晶體管tft進行退火處理。

實施例八：

本實施例中，選擇帶懸空氮化硅薄膜的硅片基底，氮化硅薄膜厚度為5nm。在氮化硅薄膜的第一表面上使用化學(xué)氣相法沉積1nm厚度的石墨烯薄膜。在氮化硅薄膜的第二表面上使用化學(xué)氣相法沉積1nm厚度的石墨烯薄膜。使用聚焦離子束顯微鏡的聚焦離子束轟擊薄膜，擊穿石墨烯/氮化硅/石墨烯這3層結(jié)構(gòu)的薄膜以產(chǎn)生納米孔，此時納米孔的孔徑為30nm。在石墨烯/氮化硅/石墨烯的表面使用原子層沉積ald沉積非有意n型摻雜的氧化鋅，形成10nm厚的薄膜，并進行退火處理。在氧化鋅薄膜上沉積絕緣層，以作為薄膜晶體管tft的柵絕緣層。柵絕緣層選擇氧化鋁材料，并通過原子層沉積方式將沉積厚度控制在4.5nm左右。以此形成孔徑大小為1nm左右的薄膜晶體管tft。最終對薄膜晶體管tft進行退火處理。

本實施例提供了一種帶有薄膜晶體管tft的傳感器，如圖3所示，為根據(jù)本發(fā)明的一實施例的帶有薄膜晶體管tft的傳感器電路示意圖。整個傳感器包括薄膜晶體管tft、電流表、電流源表、銀/氯化銀或鉑陰極、銀/氯化銀或鉑陽極、正向偏壓電源以及離子溶液。電流表用于檢測離子電流阻塞信號，其兩端通過偏壓接在銀/氯化銀或鉑陰極，和銀/氯化銀或鉑陽極；電流源表檢測tft電荷場效應(yīng)信號，其兩端接在tft的源極和漏極。

本實施例提供了一種利用帶有薄膜晶體管tft的傳感器檢測待檢測物質(zhì)電學(xué)特性的方法，包括以下步驟：將傳感器中的tft浸沒在待檢測生物分子或其它微粒的離子溶液中；在待檢測物質(zhì)通過納米孔時，檢測離子電流阻塞信號，此信號可以判別待測物質(zhì)的過孔狀態(tài)，但檢測更詳細(xì)的信息如dna分子的堿基序列需要更進一步的測量精度。當(dāng)待檢測物質(zhì)帶有電荷時，可利用場效應(yīng)檢測待檢測物質(zhì)所帶電荷引起的tft溝道電流信號，這個信號直接檢測待測物質(zhì)上的電荷，可以直觀地判斷過孔時待測物質(zhì)某段分子的形狀大小。將兩路信號進行關(guān)聯(lián)就可以極大提升傳感器的檢測精度，有可能得到更詳細(xì)的信息如dna分子的堿基序列。

如圖4所示，為本發(fā)明的一實施例的薄膜晶體管tft制造方法的過程中氧化鋅沉積前后的tem圖。在氮化硅薄膜的第一表面和第二表面上沉積ito后，形成120nm左右的納米孔。兩層ito薄膜的厚度都控制在20nm左右，而氮化硅薄膜的厚度在10nm左右。本實施例中，通過控制電子束使處于納米孔邊緣上的氮化硅暴露在外，如圖4左圖所示。該結(jié)構(gòu)可有效避免上下ito在制作納米孔過程中形成短路，后續(xù)進行電阻檢測，也證明該ito電極間未產(chǎn)生短路現(xiàn)象。而在沉積氧化鋁薄膜之后，納米孔被部分覆蓋，納米孔徑縮減至40nm左右。

如圖5所示，為一薄膜晶體管tft的仿真模型示意圖。該示意圖仿真的是待檢測物質(zhì)dna在kcl溶液中，dna通過tft納米孔時的傳感結(jié)構(gòu)示意圖。為便于模擬計算，將本模型簡化為軸對稱二維模型。仿真參數(shù)設(shè)定如下：氮化硅襯底絕緣層厚度為10nm；源區(qū)和漏區(qū)的ito厚度都為20nm；氧化鋅半導(dǎo)體層的厚度為20nm，非有意施主摻雜濃度10¹⁶/cm³；氧化鋁絕緣層的厚度為10nm；上下氯化鉀(kcl)離子溶液庫長寬各為1微米，kcl濃度為10mm；dna半徑設(shè)定為1nm，長度為50nm(相當(dāng)于150個堿基對，300個電子的負(fù)電荷)；納米孔半徑為2nm。

通過仿真圖5所示的結(jié)構(gòu)，得到模擬結(jié)果，如圖6所示，為仿真模型的仿真電勢變化圖和電子濃度變化圖。其中所示仿真電勢變化是原電勢變化取對數(shù)后的絕對值所得圖。所示電子濃度變化是原電子濃度變化其對數(shù)后的絕對值所得圖。仿真結(jié)果顯示，場效應(yīng)被溶液中的離子屏蔽后，部分能到達并進入氧化鋅(zno)半導(dǎo)體溝道，并引起溝道內(nèi)電子濃度變化。其變化量即為鏡像電荷，并最終會反映到溝道電流的變化上。

如圖7所示，為本發(fā)明的一實施例的仿真模型不同柵壓下噪聲水平和tft信號。取10mm和100mm的kcl濃度作為兩組模型，考察不同濃度離子溶液對本薄膜晶體管tft檢測的影響。從圖7中可以獲知，對比10mm濃度離子溶液的檢測裝置，100mm濃度離子溶液的檢測裝置具有更低的噪聲水平以及更低的tft信號。在其他參數(shù)相同的條件下，柵壓為-0.5-0v的區(qū)間內(nèi)，使用低濃度離子溶液的檢測裝置可獲得更大的信噪比。因此，在進行過孔dna分子檢測電荷信號時，為獲得更佳的信噪比，可通過調(diào)節(jié)柵壓使薄膜晶體管tft工作在亞閾值區(qū)間，并在保證足夠ph緩沖能力的前提下，使用較低鹽離子濃度的溶液可使本發(fā)明的薄膜晶體管tft獲得更佳的檢測精準(zhǔn)度。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步的詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍。特別指出，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。