用于检测癌胚抗原的HEMT传感器及其制备方法

本发明涉及用于检测癌胚抗原的hemt传感器及其制备方法，属于生物传感。

背景技术：

1、在医学发达的今天，癌症问题仍是人类面临的主要公共健康问题之一。一项数据表明，每年因癌症死亡的人数高达900多万，占全球死亡人数一大部分。其中肺癌是最常见的癌症死亡原因。仅2020年就有180万人死于肺癌，占所有癌症死亡人数的18％左右。导致肺癌高死亡率的一个重要原因是，患者确诊时往往处于晚期阶段。对比发现，晚期肺癌患者的5年生存率仅6％，而早期患者为60％。

2、早发现早治疗是行之有效的应对策略。当癌变发生时，机体在生化参数方面会率先发生改变，体液中的细胞产生相关生物分子即生物标志物，作为响应。许多生物标志物已被证明对于改善癌症的早期诊断和预后具有极大的潜力。癌胚抗原相关细胞粘附分子5(ceacam5，简称cea)是一种细胞表面糖蛋白，也是研究最多的一类癌症生物标志物，研究发现其在肺癌中高度表达且具有较高敏感性，经评估为肺癌首选标志物。正常人血清中cea平均浓度为5ng/ml，若高于这个值则需要重视。虽然已经提出了几种利用生物标志物检测的方法，但面临各种各样的问题。这些方法包括酶联免疫吸附测定(elisa)、电化学检测、荧光、质谱、表面等离子体共振等。但或是耗时长，或是需要昂贵的设备、繁琐的操作，或是不适用复杂环境、检测限达不到等。迫切需要一种新的方法适用于高危人群大量筛查、床前诊断以及居家随时检测。

3、gan作为第三代新型半导体材料，相较于前两代，具有较宽的带隙、更高的电子传递能力、以及优良的理化稳定性。由此制备的algan/gan高电子迁移率晶体管(hemt)表现出优异的生物相容性、粘附性能，在生物检测方面有着巨大潜力。

4、然而常规的algan/gan hemt器件为天然的耗尽型结构，增加了电路设计复杂度。同时其栅泄露电流过大易使栅击穿电压降低，导致功耗较高，严重影响了器件的功率特性和噪声特性，不利于在电路中直接使用。此外常见的正常指栅极结构，感测面积较小，电场对通道的覆盖区域有限，漏极附近电场强度有限，因此对二维电子气(2deg)影响小，影响器件的灵敏度。

技术实现思路

1、为了优化algan/gan hemt传感器的功率特性和噪声特性，提升器件灵敏度问题，本发明提供了用于检测癌胚抗原的hemt传感器及其制备方法，所述技术方案如下：

2、本发明的第一个目的在于提供一种用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，包括：衬底材料上依次形成的gan缓冲层、低温gan层、高温gan沟道层、aln插入层、algan势垒层、p-gan层、钝化层以及源极、漏极和栅极；

3、所述栅极表面依次采用半胱胺、戊二醛、cea抗体作为修饰物，修饰到所述栅极表面的金层，形成自组装分子膜。

4、可选的，所述栅极的自组装分子膜的修饰方法包括：

5、步骤1：配备0.4mm的半胱胺水溶液，覆盖7h将氨基固定在传感区域；

6、步骤2：去离子水清洗、吹干后，滴加2.5％戊二醛溶液反应2h；

7、步骤3：将器件暴露在含有50μg/ml的cea抗体的溶液中2h，实现探针的附着；

8、步骤4：用1×pbs溶液清洗多次，溶液的ph＝7.38，以确保去除不结合的抗体；

9、步骤5：用质量分数1％的bsa钝化未被抗cea占据的醛基1h，去离子水清洗干燥。

10、可选的，所述algan势垒层中al组分为0.25。

11、可选的，所述栅极采用肖特基接触。

12、可选的，所述aln插入层与高温gan沟道层之间形成二维电子气2deg。

13、可选的，所述钝化层的材料为sio2，厚度为200～300nm。

14、可选的，栅极形状为弯曲栅。

15、可选的，所述衬底材料为si。

16、可选的，所述p-gan层厚度为50nm。

17、本发明的第二个目的在于提供一种用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器的制备方法，包括：

18、步骤一：外延结构形成；

19、以晶圆作为衬底，采用金属有机化学气相沉积法mocvd由下至上依次生长gan缓冲层、低温gan层、高温gan沟道层、aln插入层、algan势垒层、p-gan层形成外延结构；

20、步骤二：欧姆接触及栅极制备；

21、使用电感耦合等离子体icp方法在氯和氯化硼气氛中进行台面刻蚀，使各个器件间及源漏区相互隔离，样品经过表面清洗、甩胶、光刻、显影、氮吹一系列操作后，通过电子束蒸发台蒸镀cr/al/ti/pt/au形成欧姆接触堆叠；最后在退火炉中氮气氛下高温快速退火，完成欧姆接触电极的制备；用电子束系统蒸镀au栅作为传感区域；

22、步骤三：钝化保护；

23、通过等离子体增强化学气相pecvd沉积sio2层进行器件钝化，最后通过刻蚀打开栅极区域与源漏电极窗口；

24、步骤四：自组装分子膜修饰栅极，包括：

25、(1)配备0.4mm的半胱胺水溶液，覆盖7h将氨基固定在传感区域；

26、(2)去离子水清洗、吹干后，滴加2.5％戊二醛溶液反应2h；

27、(3)将器件暴露在含有50μg/ml的cea抗体的溶液中2h，实现探针的附着；

28、(4)用1×pbs溶液清洗多次，溶液的ph＝7.38，以确保去除不结合的抗体；

29、(5)用质量分数1％的bsa钝化未被抗cea占据的醛基1h，去离子水清洗干燥。

30、本发明有益效果是：

31、本发明采用弯曲栅增强型结构，在algan/gan异质结上外延一层p-gan，与栅极下方2deg形成p-n结，使得algan导带提升位于费米能级之上，从而耗尽2deg，让器件在不工作时处于关闭状态，实现了功耗的降低。多个弯曲栅相连降低了跨导，增加了电场在2deg通道上覆盖面积，以及漏极附近电流，从而提高了器件的响应能力和分辨能力。

32、本发明采用半胱胺溶液修饰栅极，利用半胱氨胺的巯基与栅极的金形成共价键，半胱胺分子自组装单层得以结合在栅极表面。半胱胺另一端的氨基(-nh2)与戊二醛的醛基(-cho)发生希夫碱反应，通过碳氮键(-c＝n-)将戊二醛连接在器件上。同理，戊二醛另一个醛基可以与抗体氨基结合，从而实现抗体的固定。利用抗原抗体的特异性结合，改变器件表面电势以达到检测的目的。本发明修饰时间短，操作简便，灵敏度高，特异性强，能有效地降低癌症检测筛查的成本。

技术特征：

1.一种用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，其特征在于，所述传感器包括：衬底材料上依次形成的gan缓冲层、低温gan层、高温gan沟道层、aln插入层、algan势垒层、p-gan层、钝化层以及源极、漏极和栅极；

2.根据权利要求1所述的用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，其特征在于，所述栅极的自组装分子膜的修饰方法包括：

3.根据权利要求1所述的用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，其特征在于，所述algan势垒层中al组分为0.25。

4.根据权利要求1所述的用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，其特征在于，所述栅极采用肖特基接触。

5.根据权利要求1所述的用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，其特征在于，所述aln插入层与高温gan沟道层之间形成二维电子气2deg。

6.根据权利要求1所述的用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，其特征在于，所述钝化层的材料为sio2，厚度为200～300nm。

7.根据权利要求1所述的用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，其特征在于，栅极形状为弯曲栅。

8.根据权利要求1所述的用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，所述衬底材料为si。

9.根据权利要求1所述的用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器，其特征在于，所述p-gan层厚度为50nm。

10.一种用于检测癌胚抗原cea的algan/gan hemt传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

技术总结
本发明公开了用于检测癌胚抗原的HEMT传感器及其制备方法，属于生物传感技术领域。本发明采用弯曲栅增强型结构，在AlGaN/GaN异质结上外延一层p‑GaN，与栅极下方2DEG形成p‑n结，使得AlGaN导带提升位于费米能级之上，从而耗尽2DEG，让器件在不工作时处于关闭状态，实现了功耗的降低。多个弯曲栅相连降低了跨导，增加了电场在2DEG通道上覆盖面积，以及漏极附近电流，从而提高了器件的响应能力和分辨能力。本发明采用半胱胺溶液修饰栅极，利用半胱氨胺的巯基与栅极的金形成共价键，半胱胺分子自组装单层得以结合在栅极表面，修饰时间短，操作简便，灵敏度高，特异性强，能有效地降低癌症检测筛查的成本。

技术研发人员：陆乃彦,王洵,呼圣杰,杨国锋,翁雨燕
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12