一种检测肿瘤标志物的生物传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件以及生物化学领域，特别涉及利用GaAs基高电子迁移率晶体管(HEMT)检测肿瘤标志物的生物传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002]据统计，我国每年死于肝癌者超过11万人，占全世界肝癌死亡人数的45%。我国男性肝癌的发病率和死亡率在多数地区在肿瘤中列前三位，女性肝癌死亡率也列前三位。早期发现，早期诊断，早期治疗能够大大提高肝癌患者的生存几率，为患者提供治愈的希望与机会。
[0003]肿瘤标志物是一种由肿瘤组织产生的能反映肿瘤存在的生化物质。目前肝癌的标志物主要为甲种胎儿蛋白(AFP)。此外，r-GT同功酶(GGTII)、甲胎蛋白异质体(Fuc AFP)、异常凝血酶原、血清岩藻糖苷酶(AFU)、M2型丙酮酸激酶(M2-PyK)、同工铁蛋白(AIF)、α-抗胰蛋白酶(AAT)、醛缩酶同功酶A(ALD-A)等八种肝癌标志物对于原发性肝癌尤其是AFP阴性病例的诊断具有重要的辅助意义。例如，GGTII与AFP联合检测可以提高小肝癌、亚临床肝癌以及甲胎蛋白阴性肝癌的诊断率，AFU对AFP阴性肝癌和小肝癌阳性率分别为76.1%和70.8%。除了上述八种辅助肝癌标志物以外，癌胚抗原(CEA)、人绒毛促性腺激素(i3-HCG)、CA125以及CA50等对于辅助检测肝癌也具有一定的意义。因此，能够早期检测血清中所含有的微量的上述肝癌标志物，对于早期诊断肝癌具有十分重要的意义，有利于早期预防肝癌，提早治疗，减少肝癌的死亡率。
[0004]近年来，HEMT得到了广泛而深入的研究与发展，目前GaAs基HEMT在材料结构以及器件工艺上都取得了优异的成果。基于GaAs基HEMT在高迁移率、高载流子浓度等方面所具有的优势，将其应用于生物检测具有重要的实际意义。S掺杂的GaAs基HEMT，在栅极电荷发生变化时，能够引起沟道二维电子气浓度发生变化，从而改变漏电流，实现对于化学以及生物分子浓度的检测。利用GaAs基HEMT的这种性质，可以研制出具有高灵敏度、相应速率快以及便于携带的肿瘤标志物传感器。以原发性肝癌标志物AFP为例，基于GaAs基HEMT的AFP传感器，可以检测到浓度为几pg/mL的AFP，且可以实现实时检测，操作简单；相对于传统的AFP检测方法，具有灵敏度高、测试周期短的显著优势。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明所要解决的技术问题是传统的用于检测肿瘤标志物的灵敏度和响应速度不高，且检测时间长。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]为解决上述问题，本发明提出一种GaAs基HEMT生物传感器，其包括:GaAs基HEMT，其上端面包括栅极区域、源极区域和漏极区域，源极区域和漏极区域分别位于栅极区域两侧；源、漏极电极，分别与所述GaAs基HEMT的源极区域和漏极区域欧姆接触；栅极电极，形成于所述GaAs基HEMT的栅极区域；生物敏感膜，形成于所述栅极电极上，其能特异性识别肿瘤标志物，受到肿瘤标志物本身电荷的影响，使得所述栅极电极表面电荷分布发生变化，进而影响所述GaAs基HEMT沟道中二维电子气浓度，使得源漏电流发生变化。
[0009]根据本发明的一种实施方式，所述栅极电极由以下材料之下构成:Ti/Au薄膜、Au薄膜、Au纳米颗粒、石墨烯材料,金属氧化物纳米材料。
[0010]根据本发明的一种实施方式，所述栅极电极的面积在1500?2000 μ HI2范围内。
[0011]根据本发明的一种实施方式，所述生物敏感膜利用化学键或物理吸附固定于所述栅极电极。
[0012]根据本发明的一种实施方式，所述生物敏感膜的分子通过共价键合法或非共价结合法在栅极电极上固定，使用的化学物质是以下成分之一:同时含有巯基和羧基的化学物质、巯基修饰后的抗体、同时具有巯基和其他功能基的化学物质。
[0013]根据本发明的一种实施方式，还包括保护层，其位于所述源、漏电极和所述栅极电极的周边及上侧，仅露出与各电极接触的区域。
[0014]同时，本发明还提出了制作GaAs基HEMT生物传感器的方法包括如下步骤:S1、制备GaAs基HEMT ;S2、在所述GaAs基HEMT上制作源、漏电极；S3、在所述源漏电极之间制作栅极电极；S4、在所述的栅极电极上制备生物敏感膜，所述生物敏感膜能特异性识别肿瘤标志物，受到肿瘤标志物本身电荷的影响，使得所述栅极电极表面电荷分布发生变化，进而影响所述GaAs基HEMT沟道中二维电子气浓度，使得源漏电流发生变化。
[0015]根据本发明的一种实施方式，所述栅极电极由以下材料之下构成:Ti/Au薄膜、Au薄膜、Au纳米颗粒、石墨烯材料,金属氧化物纳米材料。
[0016]根据本发明的一种实施方式，在步骤S4中，通过共价键合法或非共价结合法在栅极电极上固定所述生物敏感膜的分子，使用的化学物质是以下成分之一:同时含有巯基和羧基的化学物质、巯基修饰后的抗体、同时具有巯基和其他功能基的化学物质。
[0017]根据本发明的一种实施方式，在步骤S4中，使用物理吸附法直接在栅极电极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]本发明的用于检测肿瘤标志物的GaAs基HEMT生物传感器在器件检测的灵敏度、响应速度以及便携性上具有非常明显的优势。
[0020]本发明对于AFP的检测极限可以达到pg/mL量级，克服了传统的生物传感器往往需要几个小时甚至几天的时间来进行检测分析的缺点。
[0021]本发明的传感器可以实现实时检测，具有便于携带和操作简单的特点。
【附图说明】
[0022]图1是本发明的用于检测肿瘤标志物的GaAs基HEMT生物传感器的结构示意图；
[0023]图2是本发明的一个实施例的AFP生物传感器的1-V测试结果图；
[0024]图3是本发明的一个实施例的AFP生物传感器的Ids随AFP浓度变化图。
【具体实施方式】
[0025]GaAs基HEMT具有高迁移率、高载流子浓度、高跨导的性能特点，由此，本发明的发明人研制用于制作生物传感器的GaAs基HEMT的器件结构以及器件工艺，并于器件栅极区域生长或转移具有生物分子亲和性的合适载体(如金薄膜、石墨烯等)，通过共价键合法或非共价键合法来固定生物敏感分子，形成相应的生物敏感膜，以用于检测不同的肿瘤标志物，即肿瘤标志物生物传感器。
[0026]本发明的用于检测肿瘤标志物的生物传感器包括GaAs基HEMT、源漏极电极、器件保护层、栅极电极和生物敏感膜。所述GaAs基HEMT的上端面包括栅极区域、源极区域和漏极区域，源极区域和漏极区域位于栅极区域两侧。源极电极和漏极电极分别与所述GaAs基HEMT的源极区域和漏极区域欧姆接触。所述栅极区域形成有栅极电极，在栅极电极上形成有用于检测肿瘤标志物的生物敏感膜。生物敏感膜其能特异性识别肿瘤标志物，受到肿瘤标志物本身电荷的影响，使得所述栅极电极表面电荷分布发生变化，进而影响所述GaAs基HEMT沟道中二维电子气浓度，使得源漏电流发生变化。
[0027]为使本发明的特征和优点更加明显，下面参照【附图说明】本发明的具体实施例。
[0028]图1是本发明的用于检测肿瘤标志物的GaAs基HEMT生物传感器的一个实施例的结构示意图。如图1所示，该实施例的生物传感器具有叠层结构，包括GaAs基HEMT10,在该GaAs基HEMTlO的上端面划分为栅极区域、源极区域和漏极区域，源极区域和漏极区域分别位于栅极区域两侧。两个源、漏极电极20分别与所述源极区域和漏极区域进行欧姆接触。所述栅极区域形成有栅极电极40，在栅极电极40上形成有用于检测肿瘤标志物的生物敏感膜50。此外，该生物传感器还可包括保护层30，其可位于在源、漏电极20和附有生物敏感膜的栅极电极40的周边及上侧，仅露出与各电极接触的区域。
[0029]该实施例中，GaAs基HEMTlO从下至上依次包括叠置的衬底101、缓冲层102、沟道层103、隔离层104、δ硅掺杂层105、势垒层106和高掺杂帽层107。
[0030]其中，在所述栅极区域处，所述高掺杂帽层107被去除以露出势垒层106，在该露出的势垒层106上形成所述栅极电极40和生物敏感膜50。而所述源、漏电极20则形成于栅极区域两侧的未去除的高掺杂帽层107并与高掺杂帽层欧姆接触。所述器件保护层30覆盖于除栅极区域之外的区域，并露出源、漏电极20的接触面。
[0031 ] 所述GaAs基HEMT结构10可以采用现有的各种GaAs基HEMT结构。
[0032]具体来说，在该实施例中，衬底101为GaAs半绝缘衬底101。缓冲层102为非掺杂的GaAs材料，生长厚度可分布在200nm?Iym之间。沟道层103为有源沟道层，使用InGaAs材料,其中的In组分可分布在0.1?0.5之间，生长厚度为15?18nm。隔离层104材料为AlGaAs，其中Al组分在0.1?0.9之间，生长厚度为3?4nm。δ硅掺杂层105是为有源沟道层103提供电子的掺杂层，其材料为δ -Si掺杂的AlGaAs。势垒层106作为肖特基栅和二维电子气之间的电介质，其材料为AlGaAs，其中Al组分在0.1?0.9之间。高掺杂GaAs帽层107用作势垒层106的钝化层，用作HEMT器件与电极的低电阻欧姆接触材料，其材料为高掺杂的GaAs，生长厚度为10?30nm。
[0033]该实施例的源、漏电极20使用280nm左右厚的锗金镍金合金，并在氮气条件下进行快速退火，得到电阻率低于10_6量级的欧姆接触。
[0034]该实施例的保护层30用于传感器的钝化保护，其材料可以是S12或SiN，或者S12层和SiN层的组合。
[0035]所述栅极电极40作为固定生物敏感膜的载体，其材料可以是Ti/Au薄膜、Au薄膜、Au纳米颗粒、石墨烯材料,或者其他金属或金属氧化物纳米材料(ZnO纳米棒等)。栅极电极40面积可以分布在1500?2000 μ m2范围内。
[0036]所述生物敏感膜50用于特异性识别肿瘤标志物，其固定方法可以为化学键法或物理吸附法。化学键法通过共价键合法或非共价结合法在栅极电极40上固定生物敏感分子，使用的化学物质可以是同时含有巯基和羧基的化学物质(巯基乙酸等)、巯基修饰后的抗体、同时具有巯基和其他功能基(氨基等)的化学物质(半胱胺等)。物理吸附法则直接在栅极电极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与检测的肿瘤标志物相对应的抗体蛋白等。
[0037]下面来说明本发明的制作用于检测肿瘤标志物的GaAs基HEMT生物传感器的方法，所述方法包括:
[0038]步骤S1、制备 GaAs 基 H