专利名称：半导体传感器装置、包括这种装置的诊断仪器以及制造这种装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于感测物质的半导体传感器装置，包括在半导 体主体的表面上形成的台面形状的半导体区，而包括待感测的物质的 流体能够沿着台面形状的半导体区流动，其中在纵向方向上观看时， 台面形状的半导体区相继地包括第一半导体子区、第二半导体子区和 第三半导体子区，该第一半导体子区包括第一半导体材料，该第二半 导体子区包括与第一半导体材料不同的第二半导体材料，该第三半导 体子区包括与第二半导体材料不同的第三半导体材料。在这里台面形 状的区域意思是该区域形成半导体主体的表面上的突出物。此突出可 以处于主体的纵向或横向方向。本发明还涉及包括这种传感器装置的 诊断仪器以及制造这种半导体传感器装置的方法。
这种装置非常适合于检测化学和/或生物化学物质。在后者情况下 其可以例如用来高灵敏度、高再现性地检测生物分子，如抗原/抗体键
联(binding)、生物分子以及其它物质，因而其可以有利地用于蛋白 质和基因分析、疾病诊断等等。台面形状的半导体区可以包括纳米线。 这里利用纳米线，主体意欲具有在1和100nm之间且尤其在10和50nm 之间的至少一个横向尺寸。优选地，纳米线在两个横向方向上具有处 于所述范围内的尺寸。其纵向尺寸可以例如是在100和1000 nm之间。 利用这种装置，例如通过在纳米线中或纳米线上引入携带电荷的物质 并由此改变纳米线的电导率，对分子(如挥发性的或溶解在液体中的 化学物质)的检测也是可能的。
背景技术：
如开头段落中所提到的装置在2005年4月19日公开的号码为US 6, 882, 051的美国专利中是已知的。在这个文献中，异质结纳米线被公 开用于化学传感器(参见第35栏第5行)。在异质结纳米线的示例中， 后者包括硅(Si)和锗(Ge)的交替子区(参见图3以及说明书的相 应部分)。在异质结纳米线的其他示例中，后者包括砷化镓(GaAs)和锑化镓(GaSb)的交替层(参见图17以及说明书的相应部分)。
这种装置的缺点在于，其灵敏度对于某些应用而言不够高。尤其 在医疗领域中，所希望的是对生物化学化合物尤其是生物分子的检测 在这种化合物或分子的很低的浓度。所希望的是，该检测能够例如实 现用于检测处于很早期阶段的疾病(如传染病)以便尽可能以预防疾 病的方式采取行动。这就要求一种具有极高灵敏度的传感器装置。
发明内容
因此，本发明的目的是避免上述的不足以及提供一种半导体传感 器装置，该半导体传感器装置适合用于医疗领域并且对于要被检测的 物质具备很高的灵敏度。
为了实现这个目的，开头段落中所描述类型的半导体传感器装置 的特征在于，第一和第三半导体材料包括光学钝态(optically passive)材料而第二半导体材料包括光学活性(optically active) 材料，要被感测的物质能够改变来自第二子区的电磁辐射的特性并且 半导体传感器装置形成为使得其特性已被改变的电磁辐射能够到达检 测器。
本发明是基于以下认知。首先，本发明是基于如下认知第一和 第三区的表面和第二子区的表面具有不同的表面化学性质，所述第一 和第三区包括光学非活性半导体材料、如IV元素，而所述第二子区包 括光学活性半导体材料、如III-V材料。后者包括氧原子的可能表面 重构和/或包含，其可以作为自然氧化物存在于例如硅的表面上。这种 不同的表面化学性质尤其适合于提高根据本发明的传感器装置的灵敏 度。以此方式，要被检测的物质能够粘附到III-V子区的自由外表面 上，这比粘附到IV元素子区的自由外表面上更容易。以此方式，能够 提高传感器的灵敏度。后者可能受子区本身的自然外表面影响，但还 可以利用所述不同的表面化学性质对所述表面进行不同处理以便提高 灵敏度。因而，IV元素子区的表面可以被处理成使得其粘结能力被降
低和/或in-v化合物子区的表面可以被处理成使得其粘结能力被提高。
其次，本发明是基于如下认知包括如in-v材料的光学活性半
导体材料的第二子区的使用允许以简单的方式对要被检测的物质进行光学检测，原因在于如果所述物质被吸收到所述第二子区的表面，则 来自所述光学活性第二子区的电磁辐射的特性将被改变。所述特性具 体地可以是所述电磁辐射的强度或波长，但其他特性(如偏振)的变 化也可以用于检测物质的目的。来自所述第二子区的电磁辐射可以用 若干方式来生成。如果台面形状的半导体区包括第二子区中或接近第
二子区的pn结并且其端部连接到电连接区，则可以通过使电流在所述 电连接区之间流动而生成所述辐射，如在激光器或LED( -发光二极管) 装置中那样。
根据本发明，传感器装置形成为使得其特性已被要检测的物质改 变的这种辐射能够到达检测器。这能够例如通过将检测器集成到接近 台面形状的半导体区的传感器装置内来实现。这种检测器可以是例如 起光电二极管作用的pn 二极管或CCD (=电荷耦合装置)图像传感器， 利用该pn 二极管能够测量例如辐射的强度。
另一种使用根据本发明的半导体传感器装置的吸引人的方式是使 用外部辐射源，例如激光器或LED，其所发射的辐射被导向第二子区。 尤其在这种外部辐射源的情况下，传感器装置应当被形成为使得所述 辐射能够到达第二子区。如果台面形状的半导体区在辐射源所处的一 侧是可自由接纳的(例如开放的)，则能够实现上述情形。如果半导 体传感器装置形成台面形状的半导体区被锁定在其中的密闭空间，则 可以通过在辐射源要被定位的一侧依靠辐射透明衬底封闭传感器装置 来获得上述情形。在后者情况下，在电磁辐射的特性已被改变之后电 磁辐射的检测器也可以在后者是开放的或设置有透明衬底的一侧位于 传感器装置之外。
在优选实施例中，笫二子区形成量子点。通过限制两个钝态其他 子区之间的光学第二子区的厚度，可以调节第二子区的发射/吸收的波 长。此外，以此方式，传感器的灵敏度能够得以提高。通过也把台面 形状的半导体区的横向尺寸选择成在亚100 nm域内，量子点被形成为 具有最佳特性。
在其他实施例中，第一和第三子区包括IV元素，优选地为硅或锗， 或者这些元素的混合晶体，而第二子区包括ni-v化合物。以此方式， 一方面制造技术与当今的先进硅技术最为兼容，而另一方面第二子区
的光学特性能够最容易地用于感测物质，因为许多ni-v化合物(和II-VI化合物)具有希望的特性，例如直接带隙结构。
优选地，ni-v化合物的有效带隙处于光谱的可见部分。考虑到由 于将量子点用于第二子区所引起的带隙增加，用于第二子区的适合材 料可以是具有正好处于其IR侧可见光谱之外的带隙的材料。适合的材 料的示例是GaP、 GaAs或InP并且更优选地为具有较低(体)带隙的 材料，如InAs，以及混合晶体，如InGaAs或InAsP。混合晶体提供附 加的优点半导体区的结构能够被制成使得在硅的钝态区情况下所引 起的应变最小。
在根据本发明的半导体传感器装置的另 一个有利实施例中，该装 置包括台面形状的半导体区，其中具有与第二子区不同的光学特性的 另外的光学活性子区在光学非活性其他子区之间，以致传感器装置能 够检测两种不同的物质。例如，双点装置允许多路检测，其中这些点 具有不同的带隙能量。在一个修改中，两种不同的量子点存在于一个 单个的台面形状的半导体区中。然而，在不同的台面形状的半导体区 中形成不同的量子点形成了另一个吸引人的修改。
在另一个实施例中，台面形状的半导体区在第一端连接到第一导 电连接区而在第二端连接到第二导电连接区。结合存在于台面形状的 半导体区中的pn结，这就允许传感器装置中的内部辐射源。在物质已
被吸收到第二子区的自由表面上之后，所发射的辐射的光学特性(例 如这种辐射的波长或强度)能够被该物质改变。
如果第一和第三子区包括周期系统的IV族元素(如硅)，后者可 以被有利地部分或完全氧化，以形成Si02阻挡物。以此方式，能够防 止例如由要被检测的物质的吸收所产生的电荷从第二子区的泄漏。
在又一个修改中，第二子区的自由外表面被功能化以便提高要被 检测的物质粘附到所述自由外表面的可能性。以此方式，能够增加传 感器的灵敏度。这种灵敏度的增加还能够通过功能化第一和第三子区
性来获得。
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优选地，台面形状的半导体区包括纳米线，并且优选地该装置包 括多个相互平行的纳米线。以此方式，很高的灵敏度和/或使用多路技 术是可能的。同时，制造可以例如通过使用VLS (=汽体液体固体)外 延技术而相对简单。如果使用后者，则能够容易获得多个纳米线同时
7它们位于半导体主体的表面上，其中它们的长度方向与所述表面垂直 地延伸。
根据本发明的半导体装置优选地适合于检测生物分子，比如与抗 体键联的蛋白质。在含有要被检测的物质的流体沿所述第二子区经过 之前，针对所讨论的蛋白质的抗体能够被附着到第二子区的自由表面 上。
本发明还包括诊断仪器，该诊断仪器包括根据本发明的半导体传 感器装置。这种仪器可以还包括用于检测要被检测的物质的电磁辐射 源以及用于在电磁辐射的特性之一被要检测的物质改变之后检测电磁 辐射的检测器。由于这种源和检测器可以是固态化合物，所以该仪器 可以相对紧凑且便宜。半导体部件可以被可插入地连接到该仪器，从 而例如在原始的半导体传感器装置失效之后或者如果希望多路技术以 便检测不同的物质时，该半导体部件能够容易用新的或其他半导体传 感器装置来代替。
一种用于感测物质的半导体传感器装置的制造方法，该半导体传 感器装置包括在半导体主体的表面处形成的台面形状的半导体区，而 包括要被感测的物质的流体能够沿着台面形状的半导体区流动，其中 在纵向方向上观看时台面形状的半导体区相继地形成有第一半导体子 区和第二半导体子区，该第一半导体子区包括第一半导体材料，该第 二半导体子区包括与第一半导体材料不同的第二半导体材料，根据本
发明所述制造方法的特征在于，第一和第三半导体材料由光学钝态材 料形成而第二半导体材料由光学活性材料形成，要被感测的物质能够 改变来自第二子区的电磁辐射的特性并且半导体传感器装置被形成为 使得其特性已被改变的电磁辐射能够到达检测器。
参照要结合附图阅读的下文描述的实施例，本发明的这些以及其
它方面将变得显然并被阐明，在附图中
图1示出了根据本发明的半导体传感器装置的第一实施例的与厚 度方向垂直的横截面，
图2示出了根据本发明的半导体传感器装置的第二实施例的透视
图，图3示出了根据本发明的半导体传感器装置的第三实施例的透视图，图4示出了根据本发明的半导体传感器装置的第四实施例的透视 图，并且这些图是示意性的而不是按比例绘制的，为了更加清楚起见尤其 夸大了厚度方向的尺寸。在各个图中相应部件通常被给予相同的附图 标记和相同的阴影。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的半导体传感器装置的第一实施例的与厚 度方向垂直的横截面。在这个示例中，装置10包括设有二氧化硅层16 的硅衬底15。其上的纳米线11被定位成使其长度方向与半导体主体 12的表面平行。纳米线11包括具有不同组分的三部分1、 2、 3。第一 部分1包括形成的低掺杂p型硅，第二部分2包括包含GaAs的量子点 区2，而第三部分3也包括硅但现在该硅具有p型电导率。这些部分2、 3被提供有分别由高p型掺杂和高n型掺杂的多晶硅形成的(半)传导 区13、 14，以形成在纳米线11内形成的辐射发射二极管的电连接区。 预示某种疾病并且在血液样品20中沿纳米线11流动的与蛋白质30耦 合的抗体80在处于并粘到GaAs区1上之后将在辐射发射二极管的通 道区内感应出电荷。所述电荷增大了尤其是二极管的中心部分2的光 学特性的较大变化，这能够由检测器50来指示(signal)。来自辐射 发射子区2的辐射E的所述特性可以例如是发射波长或强度。两者都 能够通过来自检测器50的不同/变化响应来指示。后者可以是例如(硅) 光电二极管或CCD图像传感器。在这个示例中，相关辐射E是通过由 流过纳米线11的电流所引发的发射而获得的。然而，通过将外部源40用于指向子区2的表面的辐射R,形成有 吸引力的备选方案。这种外部源40可以是辐射发射源，如LED(-发 光二极管)或LASER (=通过辐射的受激发射的光放大)。在被光学活 性子区2吸收后，如强度或波长的特性可以通过要被检测的物质30的 存在而被改变，所述物质30存在于子区2的表面上。这个示例的装置IO可以通过将由VLS ( -汽体液体固体)外延所 获得的(一个或多个)纳米线11定位到期望衬底的表面上来制造。随9后，纳米线11的一部分被掩蔽并且通过沉积和图案化来形成多晶区13、 14。在下文中，在纳米线11上所用的掩模再次被去除。另一种制 造这种传感器装置的方式是通过使用(选择性)外延工艺以形成各种 子区，接着进行光刻和蚀刻从而形成台面/纳米线。图2示出了根据本发明的半导体传感器装置的第二实施例的透视 图。在这个示例中，纳米线11与先前示例中的相同，但是它不含有任 何掺杂，即没有故意掺杂的区域。此外，第二纳米线11'在其第二子 区2，中包括不同的光学活性材料，例如InAs。以此方式，装置10能 够对两种不同的物质30敏感。在衬底15的表面上存在多个这两种类 型的纳米线11、 11，，在这个示例中该衬底15包括石英或玻璃衬底 15。纳米线ll、 11，通过光钝态透明胶而被粘到衬底15的表面上。在 衬底15之下存在检测器50，在这个示例中检测器50包括CCD图像传 感器。在衬底15之上存在辐射发射源40以提供指向纳米线11、 11， 的子区2、 2，的辐射。纳米线ll、 11，的形成可以与先前示例中所指 示的相同。这个示例的装置10的三个部件15、 40、 50被附着到外壳上，该 外壳在附图中未示出。衬底15可以被可释放地附着到所述外壳中，以 便在发生故障的情况下或者如果期望不同的传感器装置用于检测其他 物质时进行更换。图3示出了根据本发明的半导体传感器装置的第三实施例的透视 图。这个示例的传感器装置10包括多个纳米线11、 11'，所述纳米线 11、 11，通过上述VLS外延技术而生长在如第一示例中所用的衬底那 样的SOI衬底上。为了获得不同的纳米线11、 11，，可以使用两个不 同的生长周期，在生长纳米线11期间对纳米线11，的位置(spot)进 行掩蔽而在生长纳米线11，期间对纳米线11进行掩蔽。在生长完成后， 利用衬底转移技术来去除BOX层之下的硅部分，致使衬底25还包括透 明衬底，如石英或玻璃。BOX层之上的薄硅层可以被选择性地去除或者 是很薄以致它透过来自纳米线11、 11，的第二子区2、 2，的辐射E的 大部分。以此方式，检测器50还可以位于半导体主体12之上同时辐 射发射源40位于后者之上。图4示出了根据本发明的半导体传感器装置的第四实施例的透视 图。这个示例的传感器装置10类似于第三示例。区别如下纳米线11、11，生长在硅衬底15上，该硅衬底15是高掺杂的并且形成与纳米线 11、 11，接触的电连接区13，所述纳米线ll、 11，设置有如第一示例 中的辐射发射pn结。在多个纳米线11、 11'的另一端，多个纳米线 11、 11，的自由端与另一衬底17相附着，该衬底17包括由透明导电 层、如氧化铟锡所覆盖的玻璃或石英。以此方式，衬底17为纳米线11、 11，中形成的pn二极管形成另一电连接区14。透明衬底17还允许检 测器50位于传感器装置10的那一侧。对于所有示例，要注意的是，根据本发明的传感器装置的灵敏度 可以通过对第二子区2的表面改进来提高，所述表面改进致使要被检 测的物质30在第二子区2的表面上的粘附可能性增大。类似地，根据 本发明的传感器装置的灵敏度可以通过对笫一和第三子区1、 3的表面 改进来提高，所述表面改进致使要被检测的物质30在所述子区1、 3 的表面上的粘附可能性降低。还可以结合这两种表面处理以提高灵敏 度。显而易见的是，本发明不限于本文所描述的示例，并且在本发明 的范围内，本领域技术人员可以进行许多变更和修改。例如，要注意的是，取代抗体，还可以将ssDNA (单链脱氧核糖核 酸)分子有利地附着到第一子区的表面上，该第一子区设置有单层适 合的化合物以增强选择性附着。要被检测的特定互补DM链 (complimentary DM chain)可以选择性地结合到所述ssDNA。在蛋白 质键联到抗体的情况下，所述互补DNA到ssDNA的键联将引起传感器 装置的表面附近的电荷重新分布，然后这将以高灵敏度被检测。此外，要注意的是，针对各个制造步骤可以进行各种修改。例如， 可以选择其他沉积技术来替代示例中所用的那些技术。还可以使用其他光学活性材料，比如II-VI半导体材料，像例如 ZnS、 ZnSe或ZnTe。还要注意的是，光学活性材料的有效带隙还可以 处于光谱的UV (=紫外)或IR (=红外)部分。
权利要求
1.用于感测物质(30)的半导体传感器装置(10)，包括在半导体主体(12)的表面上形成的台面形状的半导体区(11，11’)，而包括要被感测的物质(30)的流体(20)能够沿着台面形状的半导体区(11)流动，其中在纵向方向上观看时台面形状的半导体区(11)相继地包括第一半导体子区(1)、第二半导体子区(2)和第三子区(3)，该第一半导体子区包括第一半导体材料，该第二半导体子区包括与第一半导体材料不同的第二半导体材料，该第三子区包括与第二半导体材料不同的第三半导体材料，其特征在于，第一和第三半导体材料包括光学钝态材料而第二半导体材料包括光学活性材料，要被感测的物质(30)能够改变来自第二子区(2)的电磁辐射(E)的特性并且半导体传感器装置(10)形成为使得其特性已被改变的电磁辐射(E)能够到达检测器(50)。
2. 如权利要求1所述的半导体传感器装置(10)，其特征在于， 第二子区(2)形成量子点。
3. 如权利要求1或2所述的半导体传感器装置(10)，其特征在 于，第一和笫三子区(1， 3)包括周期系统的IV族元素，优选地为硅 或锗、或者这些元素的混合晶体，而第二子区(2)包括III-V化合 物。
4. 如权利要求3所述的半导体传感器装置(10)，其特征在于， III - V化合物的有效带隙处于光谱的可见部分中。
5. 如权利要求4所述的半导体传感器装置(10)，其特征在于， 传感器装置(10)包括台面形状的半导体区(11, 11，)，其中具有 与第二子区不同的光学特性的另外的光学活性子区在光学非活性其他 子区之间以使得传感器装置(10)能够检测两种不同的物质(30)。
6. 如前面权利要求中任一项所述的半导体传感器装置(10)，其 特征在于，台面形状的半导体区(11)包括接近第二子区(2)的pn 结并且在第一端连接到第一导电连接区(13)而在第二端连接到第二 导电连接区(14)。
7. 如权利要求3、 4或5所述的半导体传感器装置(10)，其特征 在于，第一和第三半导体区(1， 3)的IV族元素材料被选择性氧化以 形成包括IV族元素氧化物的光学钝态材料。
8. 如前面权利要求中任一项所述的半导体传感器装置(10)，其 特征在于，第二子区(2)的自由外表面被功能化以便增大要被检测的 物质(30)粘附到所述自由外表面的可能性。
9. 如前面权利要求中任一项所述的半导体传感器装置(10)，其 特征在于，第一和第三子区(1， 3)的自由外表面被功能化以便降低 要被检测的物质(30)粘附到所述自由外表面的可能性。
10. 如前面权利要求中任一项所述的半导体传感器装置(10)，其 特征在于，台面形状的半导体区(11)包括纳米线(11)，优选地为 多个相互平行的纳米线(11， 11，)。
11. 如权利要求10所述的半导体传感器装置(10),其特征在于， 一个或多个纳米线(11， 11，)位于半导体主体(12)的表面上，其 中纳米线的长度方向与所述表面垂直地延伸。
12. 如前面权利要求中任一项所述的半导体传感器装置(10)，其 特征在于，装置(10)适合于检测生物分子，比如键联到抗体的蛋白 质。
13. 诊断仪器，包括如前面权利要求中任一项所述的半导体传感 器装置(10)。
14. 如权利要求13所述的诊断仪器，其特征在于，该仪器包括用 于将电磁辐射导向至第二子区(2)的源(40)以及用于检测来自第二 子区(2)的电磁辐射的检测器(50)。
15. 制造用于感测物质(30)的半导体传感器装置(10)的方法， 该半导体传感器装置包括在半导体主体(12)的表面处形成的至少一 个台面形状的半导体区(11， 11，)，而包括要被感测的物质(30) 的流体(20)能够沿着台面形状的半导体区(11)流动，其中在纵向 方向上观看时台面形状的半导体区(11)相继地形成有第一半导体子 区(1)和第二半导体子区(2)，该第一半导体子区包括第一半导体 材料，该第二半导体子区包括与第一半导体材料不同的第二半导体材 料，其特征在于，第一和第三半导体材料由光学钝态材料形成而第二 半导体材料由光学活性材料形成，要被感测的物质(30)能够改变来 自第二子区(2)的电磁辐射(E)的特性并且半导体传感器装置(10) 形成为使得其特性已被改变的电磁辐射(E)能够到达检测器(50)。
全文摘要
用于感测物质(30)的半导体传感器装置(10)，包括在半导体主体(12)的表面上形成的台面形状的半导体区(11，11’)，而包括要被感测的物质(30)的流体(20)能够沿着台面形状的半导体区(11)流动，其中台面形状的半导体区(11)在纵向方向上观看时相继地包括第一半导体子区(1)、第二半导体子区(2)和第三子区(3)，该第一半导体子区包括第一半导体材料，该第二半导体子区包括与第一半导体材料不同的第二半导体材料，该第三子区包括与第二半导体材料不同的第三半导体材料。根据本发明，第一和第三半导体材料包括光学钝态材料而第二半导体材料包括光学活性材料，要被感测的物质(30)能够改变来自第二子区(2)的电磁辐射(E)的特性并且半导体传感器装置(10)形成为使得其特性已被改变的电磁辐射(E)能够到达检测器(50)。根据本发明的传感器装置(10)能够很灵敏、相对紧凑且易于制造。该辐射(E)能够来自外部源(40)或者能够在装置(10)中生成。
文档编号G01N21/47GK101558290SQ200780045234
公开日2009年10月14日 申请日期2007年12月6日 优先权日2006年12月8日
发明者E·P·A·M·巴克斯, L·M·博格斯特伦, N·N·卡亚, T·斯特芬 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司