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生物分子膜门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器研究

李加东 程珺洁 苗斌 魏晓玮 张志强 黎海文 吴东岷

生物分子膜门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器研究

李加东, 程珺洁, 苗斌, 魏晓玮, 张志强, 黎海文, 吴东岷
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  • 设计并制作了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器,采用数值分析的方法分析了器件传感区域长度与宽度比值及待测物调控二维电子气(2DEG)距离与感测信号之间的关系,给出了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的设计依据,以不同浓度的前列腺特异性抗原(PSA)为待测物,对制作的AlGaN/GaN HEMT生物传感器进行了初步测量,测试结果表明,在50 mV的电压下,毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的对PSA的探测极限低于0.1 pg/ml.实验表明毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器具有灵敏度高,易于集成等优点,具备良好的应用前景.
    • 基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金(批准号:61104226)、国家重大科学研究计划项目(2010CB934700)资助的课题.
    [1]

    Xue W 2012 MS. Dissertation (Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences) (in Chinese) [薛伟2012 硕士学位论文(北京: 中国科学院研究生院)]

    [2]

    Zhang J C, Zheng P T, Dong Z D, Duan H T, Ni J Y, Zhang J F, Hao Y 2009 Acta Phys. Sin. 58 3409 (in Chinese)[张进成, 郑鹏天, 董作典, 段焕涛, 倪金玉, 张金凤, 郝跃2009 物理学报58 3409]

    [3]

    Lin T H 2006 MS. Dissertation (Tainan: National Cheng Kung University) (in Chinese) [林宗翰2006 硕士学位论文(台南: 国立成功大学)]

    [4]

    Sun J D, Qin H, Lewis R A, Sun Y F, Zhang X Y, Cai Y, Wu D M, Zhang B S 2012 Appl. Phys. Lett. 100 173513

    [5]

    Sun Y F, Sun J D, Zhang X Y, Qin H, Zhang B S, Wu D M 2012 Chin. Phys. B 21 108504

    [6]

    Hu W D, Wang L, Chen X S, Guo N, Miao J S, Yu A Q, Lu W 2013 Opt. Quant Electron 45 713

    [7]

    Wang X D, Hu W D, Chen X S, Lu W 2012 IEEE Transactions on Electron Devices 59 1393

    [8]

    Xu Z, Wang J Y, Cai Y, Liu J Q, Yang Z, Li X P, Wang M J, Yu M, Xin B, Wu W G, Ma X H, Zhang J C, Hao Y 2014 IEEE Electron Device Letters 35 33

    [9]

    Kang B S, Wang H T, Lele T P, Tseng Y, Ren F, Pearton S J, Johnson J W, Rajagopal P, Roberts J C, Piner E L, Linthicum K J 2007 Appl. Phys. Lett. 91 112106

    [10]

    Chen K H, Wang H W, Kang B S, Chang C Y, Wang Y L, Lele T P, Ren F, Pearton S J, Dabiran A, Osinsky A, Chow P P 2008 Sensors and Actuators B 134 386

    [11]

    Wang Y L, Chu B H, Chen K H, Chang C Y, Lele T P, Papadi G, Coleman J K, Sheppard B J, Dungen C F, Pearton, S J, Johnson J W, Rajagopal P, Roberts J C, Piner E L, Linthicum K J, Ren F 2009 Appl. Phys. Lett. 94 243901

    [12]

    Ito T, Forman S M, Cao C, Li F, Eddy C R, Mastro J M A, Holm R T, Henry R L, Hohn K L, Edgar J H 2008 Langmuir 24 6630

    [13]

    Schwarz S U, Linkohr S, Lorenz P, Krischok S, Nakamura T, Cimalla V, Nebel C E, and Ambacher O 2011 Phys. Status Solidi A 208 1626

    [14]

    Thapa R, Alur S, Kim K, Tong F, Sharma Y, Kim M, Ahyi C, Dai J, Hong J W, Bozack M, Williams J, Son A, Dabiran A, Park M 2012 Appl. Phys. Lett. 100 232109

    [15]

    Xue W, Li J D, Xie J, Wu D M. 2012 Micronanoelectronic Technology 7 425 (in Chinese) [薛伟, 李加东, 谢杰, 吴东岷2012 微纳电子技术7 425]

    [16]

    Neamen D A (translated by Zhao Y Q, Yao S Y, Xie X D et al) 2007 Semiconductor Physics and Devices (Vol. 3) (Beijing: Electronics Industry Press) pp110–113 (in Chinese) [尼曼著(赵毅强, 姚素英、解晓东等译), 2007 半导体器件与物理(第三版), (北京: 电子工业出版社) 第 423-424 页]

  • [1]

    Xue W 2012 MS. Dissertation (Beijing: Graduate University of Chinese Academy of Sciences) (in Chinese) [薛伟2012 硕士学位论文(北京: 中国科学院研究生院)]

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    Chen K H, Wang H W, Kang B S, Chang C Y, Wang Y L, Lele T P, Ren F, Pearton S J, Dabiran A, Osinsky A, Chow P P 2008 Sensors and Actuators B 134 386

    [11]

    Wang Y L, Chu B H, Chen K H, Chang C Y, Lele T P, Papadi G, Coleman J K, Sheppard B J, Dungen C F, Pearton, S J, Johnson J W, Rajagopal P, Roberts J C, Piner E L, Linthicum K J, Ren F 2009 Appl. Phys. Lett. 94 243901

    [12]

    Ito T, Forman S M, Cao C, Li F, Eddy C R, Mastro J M A, Holm R T, Henry R L, Hohn K L, Edgar J H 2008 Langmuir 24 6630

    [13]

    Schwarz S U, Linkohr S, Lorenz P, Krischok S, Nakamura T, Cimalla V, Nebel C E, and Ambacher O 2011 Phys. Status Solidi A 208 1626

    [14]

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    Neamen D A (translated by Zhao Y Q, Yao S Y, Xie X D et al) 2007 Semiconductor Physics and Devices (Vol. 3) (Beijing: Electronics Industry Press) pp110–113 (in Chinese) [尼曼著(赵毅强, 姚素英、解晓东等译), 2007 半导体器件与物理(第三版), (北京: 电子工业出版社) 第 423-424 页]

  • [1] 刘旭阳, 张贺秋, 李冰冰, 刘俊, 薛东阳, 王恒山, 梁红伟, 夏晓川. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管温度传感器特性. 物理学报, 2020, 69(4): 047201. doi: 10.7498/aps.69.20190640
    [2] 徐得名, 吕永良, 周世平. 光照下高电子迁移率晶体管特性分析. 物理学报, 2000, 49(7): 1394-1399. doi: 10.7498/aps.49.1394
    [3] 高宏玲, 李东临, 王宝强, 朱战平, 曾一平, 周文政, 商丽燕. 不同量子阱宽度的InP基In0.53GaAs/In0.52AlAs高电子迁移率晶体管材料二维电子气的性能研究. 物理学报, 2007, 56(8): 4955-4959. doi: 10.7498/aps.56.4955
    [4] 郭海君, 段宝兴, 袁嵩, 谢慎隆, 杨银堂. 具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析. 物理学报, 2017, 66(16): 167301. doi: 10.7498/aps.66.167301
    [5] 周忠堂, 郭丽伟, 邢志刚, 丁国建, 谭长林, 吕 力, 贾海强, 陈 弘, 周均铭, 刘 建, 刘新宇. AlGaN/AlN/GaN结构中二维电子气的输运特性. 物理学报, 2007, 56(10): 6013-6018. doi: 10.7498/aps.56.6013
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    [8] 马骥刚, 马晓华, 张会龙, 曹梦逸, 张凯, 李文雯, 郭星, 廖雪阳, 陈伟伟, 郝跃. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中kink效应的半经验模型. 物理学报, 2012, 61(4): 047301. doi: 10.7498/aps.61.047301
    [9] 任舰, 闫大为, 顾晓峰. AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管漏电流退化机理研究. 物理学报, 2013, 62(15): 157202. doi: 10.7498/aps.62.157202
    [10] 刘阳, 柴常春, 于新海, 樊庆扬, 杨银堂, 席晓文, 刘胜北. GaN高电子迁移率晶体管强电磁脉冲损伤效应与机理. 物理学报, 2016, 65(3): 038402. doi: 10.7498/aps.65.038402
    [11] 李志鹏, 李晶, 孙静, 刘阳, 方进勇. 高功率微波作用下高电子迁移率晶体管的损伤机理. 物理学报, 2016, 65(16): 168501. doi: 10.7498/aps.65.168501
    [12] 龚 敏, 李 潇, 刘 亮, 张海英, 尹军舰, 李海鸥, 叶甜春. 一种新的磷化铟复合沟道高电子迁移率晶体管小信号物理模型. 物理学报, 2006, 55(7): 3617-3621. doi: 10.7498/aps.55.3617
    [13] 周幸叶, 吕元杰, 谭鑫, 王元刚, 宋旭波, 何泽召, 张志荣, 刘庆彬, 韩婷婷, 房玉龙, 冯志红. 基于脉冲方法的超短栅长GaN基高电子迁移率晶体管陷阱效应机理. 物理学报, 2018, 67(17): 178501. doi: 10.7498/aps.67.20180474
    [14] 刘燕丽, 王伟, 董燕, 陈敦军, 张荣, 郑有炓. 结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响. 物理学报, 2019, 68(24): 247203. doi: 10.7498/aps.68.20191153
    [15] 刘静, 王琳倩, 黄忠孝. 基于凹槽结构抑制AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管电流崩塌效应. 物理学报, 2019, 68(24): 248501. doi: 10.7498/aps.68.20191311
    [16] 王冲, 全思, 马晓华, 郝跃, 张进城, 毛维. 增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管高温退火研究. 物理学报, 2010, 59(10): 7333-7337. doi: 10.7498/aps.59.7333
    [17] 王凯, 邢艳辉, 韩军, 赵康康, 郭立建, 于保宁, 邓旭光, 范亚明, 张宝顺. 掺Fe高阻GaN缓冲层特性及其对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件的影响研究. 物理学报, 2016, 65(1): 016802. doi: 10.7498/aps.65.016802
    [18] 董世剑, 郭红霞, 马武英, 吕玲, 潘霄宇, 雷志锋, 岳少忠, 郝蕊静, 琚安安, 钟向丽, 欧阳晓平. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件电离辐照损伤机理及偏置相关性研究. 物理学报, 2020, 69(7): 078501. doi: 10.7498/aps.69.20191557
    [19] 朱彦旭, 宋会会, 王岳华, 李赉龙, 石栋. 氮化镓基感光栅极高电子迁移率晶体管器件设计与制备. 物理学报, 2017, 66(24): 247203. doi: 10.7498/aps.66.247203
    [20] 张雪冰, 刘乃漳, 姚若河. AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中二维电子气的极化光学声子散射. 物理学报, 2020, 69(15): 157303. doi: 10.7498/aps.69.20200250
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-03-08
  • 修回日期:  2014-03-18
  • 刊出日期:  2014-04-05

生物分子膜门电极AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器研究

  • 1. 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 国际实验室, 苏州 215123;
  • 2. 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 纳米器件与应用重点实验室, 苏州 215123;
  • 3. 中国科学院合肥物质科学研究院, 合肥 230031;
  • 4. 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 医用微纳技术研究室, 苏州 215163
    基金项目: 

    国家自然科学基金青年科学基金(批准号:61104226)、国家重大科学研究计划项目(2010CB934700)资助的课题.

摘要: 设计并制作了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)生物传感器,采用数值分析的方法分析了器件传感区域长度与宽度比值及待测物调控二维电子气(2DEG)距离与感测信号之间的关系,给出了结构尺寸为毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的设计依据,以不同浓度的前列腺特异性抗原(PSA)为待测物,对制作的AlGaN/GaN HEMT生物传感器进行了初步测量,测试结果表明,在50 mV的电压下,毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器的对PSA的探测极限低于0.1 pg/ml.实验表明毫米量级的AlGaN/GaN HEMT生物传感器具有灵敏度高,易于集成等优点,具备良好的应用前景.

English Abstract

参考文献 (16)

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