一種檢測腫瘤標志物的生物傳感器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件以及生物化學領域，特別涉及利用GaAs基高電子遷移率晶體管(HEMT)檢測腫瘤標志物的生物傳感器及其制作方法。
【背景技術】
[0002]據統計，我國每年死于肝癌者超過11萬人，占全世界肝癌死亡人數的45%。我國男性肝癌的發病率和死亡率在多數地區在腫瘤中列前三位，女性肝癌死亡率也列前三位。早期發現，早期診斷，早期治療能夠大大提高肝癌患者的生存幾率，為患者提供治愈的希望與機會。
[0003]腫瘤標志物是一種由腫瘤組織產生的能反映腫瘤存在的生化物質。目前肝癌的標志物主要為甲種胎兒蛋白(AFP)。此外，r-GT同功酶(GGTII)、甲胎蛋白異質體(Fuc AFP)、異常凝血酶原、血清巖藻糖苷酶(AFU)、M2型丙酮酸激酶(M2-PyK)、同工鐵蛋白(AIF)、α-抗胰蛋白酶(AAT)、醛縮酶同功酶A(ALD-A)等八種肝癌標志物對于原發性肝癌尤其是AFP陰性病例的診斷具有重要的輔助意義。例如，GGTII與AFP聯合檢測可以提高小肝癌、亞臨床肝癌以及甲胎蛋白陰性肝癌的診斷率，AFU對AFP陰性肝癌和小肝癌陽性率分別為76.1%和70.8%。除了上述八種輔助肝癌標志物以外，癌胚抗原(CEA)、人絨毛促性腺激素(i3-HCG)、CA125以及CA50等對于輔助檢測肝癌也具有一定的意義。因此，能夠早期檢測血清中所含有的微量的上述肝癌標志物，對于早期診斷肝癌具有十分重要的意義，有利于早期預防肝癌，提早治療，減少肝癌的死亡率。
[0004]近年來，HEMT得到了廣泛而深入的研究與發展，目前GaAs基HEMT在材料結構以及器件工藝上都取得了優異的成果。基于GaAs基HEMT在高遷移率、高載流子濃度等方面所具有的優勢，將其應用于生物檢測具有重要的實際意義。S摻雜的GaAs基HEMT，在柵極電荷發生變化時，能夠引起溝道二維電子氣濃度發生變化，從而改變漏電流，實現對于化學以及生物分子濃度的檢測。利用GaAs基HEMT的這種性質，可以研制出具有高靈敏度、相應速率快以及便于攜帶的腫瘤標志物傳感器。以原發性肝癌標志物AFP為例，基于GaAs基HEMT的AFP傳感器，可以檢測到濃度為幾pg/mL的AFP，且可以實現實時檢測，操作簡單；相對于傳統的AFP檢測方法，具有靈敏度高、測試周期短的顯著優勢。
【發明內容】
[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]本發明所要解決的技術問題是傳統的用于檢測腫瘤標志物的靈敏度和響應速度不高，且檢測時間長。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為解決上述問題，本發明提出一種GaAs基HEMT生物傳感器，其包括:GaAs基HEMT，其上端面包括柵極區域、源極區域和漏極區域，源極區域和漏極區域分別位于柵極區域兩側；源、漏極電極，分別與所述GaAs基HEMT的源極區域和漏極區域歐姆接觸；柵極電極，形成于所述GaAs基HEMT的柵極區域；生物敏感膜，形成于所述柵極電極上，其能特異性識別腫瘤標志物，受到腫瘤標志物本身電荷的影響，使得所述柵極電極表面電荷分布發生變化，進而影響所述GaAs基HEMT溝道中二維電子氣濃度，使得源漏電流發生變化。
[0009]根據本發明的一種實施方式，所述柵極電極由以下材料之下構成:Ti/Au薄膜、Au薄膜、Au納米顆粒、石墨烯材料,金屬氧化物納米材料。
[0010]根據本發明的一種實施方式，所述柵極電極的面積在1500?2000 μ HI2范圍內。
[0011]根據本發明的一種實施方式，所述生物敏感膜利用化學鍵或物理吸附固定于所述柵極電極。
[0012]根據本發明的一種實施方式，所述生物敏感膜的分子通過共價鍵合法或非共價結合法在柵極電極上固定，使用的化學物質是以下成分之一:同時含有巰基和羧基的化學物質、巰基修飾后的抗體、同時具有巰基和其他功能基的化學物質。
[0013]根據本發明的一種實施方式，還包括保護層，其位于所述源、漏電極和所述柵極電極的周邊及上側，僅露出與各電極接觸的區域。
[0014]同時，本發明還提出了制作GaAs基HEMT生物傳感器的方法包括如下步驟:S1、制備GaAs基HEMT ;S2、在所述GaAs基HEMT上制作源、漏電極；S3、在所述源漏電極之間制作柵極電極；S4、在所述的柵極電極上制備生物敏感膜，所述生物敏感膜能特異性識別腫瘤標志物，受到腫瘤標志物本身電荷的影響，使得所述柵極電極表面電荷分布發生變化，進而影響所述GaAs基HEMT溝道中二維電子氣濃度，使得源漏電流發生變化。
[0015]根據本發明的一種實施方式，所述柵極電極由以下材料之下構成:Ti/Au薄膜、Au薄膜、Au納米顆粒、石墨烯材料,金屬氧化物納米材料。
[0016]根據本發明的一種實施方式，在步驟S4中，通過共價鍵合法或非共價結合法在柵極電極上固定所述生物敏感膜的分子，使用的化學物質是以下成分之一:同時含有巰基和羧基的化學物質、巰基修飾后的抗體、同時具有巰基和其他功能基的化學物質。
[0017]根據本發明的一種實施方式，在步驟S4中，使用物理吸附法直接在柵極電極上物理吸附并固定所述生物敏感膜的分子。
[0018](三)有益效果
[0019]本發明的用于檢測腫瘤標志物的GaAs基HEMT生物傳感器在器件檢測的靈敏度、響應速度以及便攜性上具有非常明顯的優勢。
[0020]本發明對于AFP的檢測極限可以達到pg/mL量級，克服了傳統的生物傳感器往往需要幾個小時甚至幾天的時間來進行檢測分析的缺點。
[0021]本發明的傳感器可以實現實時檢測，具有便于攜帶和操作簡單的特點。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明的用于檢測腫瘤標志物的GaAs基HEMT生物傳感器的結構示意圖；
[0023]圖2是本發明的一個實施例的AFP生物傳感器的1-V測試結果圖；
[0024]圖3是本發明的一個實施例的AFP生物傳感器的Ids隨AFP濃度變化圖。
【具體實施方式】
[0025]GaAs基HEMT具有高遷移率、高載流子濃度、高跨導的性能特點，由此，本發明的發明人研制用于制作生物傳感器的GaAs基HEMT的器件結構以及器件工藝，并于器件柵極區域生長或轉移具有生物分子親和性的合適載體(如金薄膜、石墨烯等)，通過共價鍵合法或非共價鍵合法來固定生物敏感分子，形成相應的生物敏感膜，以用于檢測不同的腫瘤標志物，即腫瘤標志物生物傳感器。
[0026]本發明的用于檢測腫瘤標志物的生物傳感器包括GaAs基HEMT、源漏極電極、器件保護層、柵極電極和生物敏感膜。所述GaAs基HEMT的上端面包括柵極區域、源極區域和漏極區域，源極區域和漏極區域位于柵極區域兩側。源極電極和漏極電極分別與所述GaAs基HEMT的源極區域和漏極區域歐姆接觸。所述柵極區域形成有柵極電極，在柵極電極上形成有用于檢測腫瘤標志物的生物敏感膜。生物敏感膜其能特異性識別腫瘤標志物，受到腫瘤標志物本身電荷的影響，使得所述柵極電極表面電荷分布發生變化，進而影響所述GaAs基HEMT溝道中二維電子氣濃度，使得源漏電流發生變化。
[0027]為使本發明的特征和優點更加明顯，下面參照【附圖說明】本發明的具體實施例。
[0028]圖1是本發明的用于檢測腫瘤標志物的GaAs基HEMT生物傳感器的一個實施例的結構示意圖。如圖1所示，該實施例的生物傳感器具有疊層結構，包括GaAs基HEMT10,在該GaAs基HEMTlO的上端面劃分為柵極區域、源極區域和漏極區域，源極區域和漏極區域分別位于柵極區域兩側。兩個源、漏極電極20分別與所述源極區域和漏極區域進行歐姆接觸。所述柵極區域形成有柵極電極40，在柵極電極40上形成有用于檢測腫瘤標志物的生物敏感膜50。此外，該生物傳感器還可包括保護層30，其可位于在源、漏電極20和附有生物敏感膜的柵極電極40的周邊及上側，僅露出與各電極接觸的區域。
[0029]該實施例中，GaAs基HEMTlO從下至上依次包括疊置的襯底101、緩沖層102、溝道層103、隔離層104、δ硅摻雜層105、勢壘層106和高摻雜帽層107。
[0030]其中，在所述柵極區域處，所述高摻雜帽層107被去除以露出勢壘層106，在該露出的勢壘層106上形成所述柵極電極40和生物敏感膜50。而所述源、漏電極20則形成于柵極區域兩側的未去除的高摻雜帽層107并與高摻雜帽層歐姆接觸。所述器件保護層30覆蓋于除柵極區域之外的區域，并露出源、漏電極20的接觸面。
[0031 ] 所述GaAs基HEMT結構10可以采用現有的各種GaAs基HEMT結構。
[0032]具體來說，在該實施例中，襯底101為GaAs半絕緣襯底101。緩沖層102為非摻雜的GaAs材料，生長厚度可分布在200nm?Iym之間。溝道層103為有源溝道層，使用InGaAs材料,其中的In組分可分布在0.1?0.5之間，生長厚度為15?18nm。隔離層104材料為AlGaAs，其中Al組分在0.1?0.9之間，生長厚度為3?4nm。δ硅摻雜層105是為有源溝道層103提供電子的摻雜層，其材料為δ -Si摻雜的AlGaAs。勢壘層106作為肖特基柵和二維電子氣之間的電介質，其材料為AlGaAs，其中Al組分在0.1?0.9之間。高摻雜GaAs帽層107用作勢壘層106的鈍化層，用作HEMT器件與電極的低電阻歐姆接觸材料，其材料為高摻雜的GaAs，生長厚度為10?30nm。
[0033]該實施例的源、漏電極20使用280nm左右厚的鍺金鎳金合金，并在氮氣條件下進行快速退火，得到電阻率低于10_6量級的歐姆接觸。
[0034]該實施例的保護層30用于傳感器的鈍化保護，其材料可以是S12或SiN，或者S12層和SiN層的組合。
[0035]所述柵極電極40作為固定生物敏感膜的載體，其材料可以是Ti/Au薄膜、Au薄膜、Au納米顆粒、石墨烯材料,或者其他金屬或金屬氧化物納米材料(ZnO納米棒等)。柵極電極40面積可以分布在1500?2000 μ m2范圍內。
[0036]所述生物敏感膜50用于特異性識別腫瘤標志物，其固定方法可以為化學鍵法或物理吸附法。化學鍵法通過共價鍵合法或非共價結合法在柵極電極40上固定生物敏感分子，使用的化學物質可以是同時含有巰基和羧基的化學物質(巰基乙酸等)、巰基修飾后的抗體、同時具有巰基和其他功能基(氨基等)的化學物質(半胱胺等)。物理吸附法則直接在柵極電極40上物理吸附并固定生物敏感分子，其中所述的生物敏感分子是與檢測的腫瘤標志物相對應的抗體蛋白等。
[0037]下面來說明本發明的制作用于檢測腫瘤標志物的GaAs基HEMT生物傳感器的方法，所述方法包括:
[0038]步驟S1、制備 GaAs 基 H