用于化学检测和(生物)分子诊断的表面声波RFID传感器制造技术

本发明专利技术描述了基于表面声波(SAW)换能器和二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)导电结构的组合的射频识别(RFID)传感器的实施方案，及其在化学检测和(生物)分子诊断中的用途。SAW RFID传感器芯片包含在其上沉积多层异质结结构的压电衬底。所述异质结结构包括至少两层即缓冲层和阻挡层，其中两层均由III‑V单晶或多晶半导体材料诸如Ga N/Al Ga N生长。转换SAW的叉指换能器(IDT)安装在所述阻挡层的顶部。2DEG或2DHG导电沟道形成在所述缓冲层和所述阻挡层之间的界面处，并且在连接到所形成的沟道的非欧姆(电容耦合)源极和漏极接触之间的系统中提供电子或空穴电流。

Surface Acoustic Wave RFID Sensor for Chemical Detection and Molecular Diagnosis

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于化学检测和(生物)分子诊断的表面声波RFID传感器
一般来讲，本申请涉及基于表面声波(SAW)换能器的电子传感器领域。具体地讲，本申请涉及基于GaN/AlGaN的零功率SAWRFID传感器及其在化学检测和(生物)分子诊断中的应用。
技术介绍
化学感测可能是生命进化中出现的最原始的感觉形式。没有化学感测，地球上可能就不会存在生命。其用于检测营养物、避免威胁、寻找配偶以及动物之间各种形式的沟通和社交。人工传感器的出现在化学检测和识别领域产生了大量问题，其应用于食品质量和污染控制、化学威胁检测、健康监测、机器人控制，甚至气味和味道合成。需要有效的算法来解决化学感测在这些领域所面临的许多挑战，包括(但不限于)灵敏度水平、传感器漂移、分析物标识的浓度不变性和复杂混合物。例如，包括生物威胁因素在内的生物病原体是繁殖和维持种群的活的生物体，其扩增、生长和再感染，从而导致疫情。生物病原体代表了极其多样的微生物，除了感染人类和动物种群之外，它们似乎没有共同的属性。因此，问题是在入侵的最早阶段和最低浓度时检测和识别它们。在DNA测序之前，最高分辨率技术仅提供在蛋白质和肽水平上的结构作为分析和测定的目标。许多沿用已久的方案要求检测病原体的大小和形状，同时通过生化和免疫化学测定检测表达的蛋白质。DNA测序技术的进步使得全世界的科学家能够快速有效地对完整的微生物基因组进行测序。最近，获取整个微生物基因组的DNA序列为在分子水平上分析和理解病原体提供了新的机会。现代DNA测序技术能够检测生物组织中的病原体，并且研究响应于病原体入侵的基因表达变化。这些响应有助于设计病原微生物检测和药物开发的新方法。将某些病原微生物识别为引起慢性疾病的病原体产生了对这些疾病的新的治疗和预防策略。大多数用于病原体检测的现代化学传感器基于以下方面：DNA的基于序列的识别、对病原体或病原体生物标记物的结构识别、或基于细胞的功能。然而，病原体生物标记物的选择在用于检测生物病原体的传感器的开发中带来了严重的挑战。这是因为大多数病原体生物标记物具有低选择性，并且能够区分微生物的一般类别，但是不能识别生物体的特定物种或品种。例如，吡啶二羧酸钙是内生孢子的独特组分。因此，吡啶二羧酸可用于表明内生孢子的存在，但其不能区分非常危险的炭疽芽孢杆菌(Bacillusanthracis)孢子和其他无毒的芽孢杆菌(Bacillus)孢子。DNA作为附加指示物的存在将能够确定未知物质本质上是生物性的，但不能确定其来源(除非使用广泛的基于序列的分析)。此外，细胞代谢物通常对许多不同的细胞类型都很常见，因此很难用于区分特定微生物。鉴于上述情况，长期以来一直需要新的方法和装置来检测和识别生物病原体。使用超灵敏和高选择性微电子传感器进行生物病原体检测是尚未开发的领域。导致这种情况的原因很多。检测多种病原体生物标记物的传感器阵列由于其低选择性而产生大量假警报。传感器阵列的概念已成功用于蒸气分析领域。在这种方法中，传感器阵列的每个特定传感器被设计成响应于蒸气的不同性质，随后通过统计方法从阵列的所有传感器生成的响应的指纹中具体识别特定蒸气。然而，由于每种病原体物种携带独特的DNA或RNA特征，使其与其他生物体区别开来，因此这种方法不能有效地用于病原体检测。换句话讲，阵列的每个传感器响应于病原体的不同性质(生物标记物)。因此，这种方法需要良好表征和已经识别的背景信号来确定将构成阳性信号的指纹。实时感测的理想解决方案将是生物有机体的导致即时、特定和可重复识别的任何特定响应。然而，如上所述，在为所有这三个标准提供实时响应的传感器的开发中存在相当大的技术和实际困难。免疫测定技术可能会给出类似的特定分析。然而，除了响应时间长之外，其缺点是需要特殊的化学消耗品，这大大增加了物流负担和成本。这些可能会使每小时的运营成本增加数百美元。光学技术本质上导致实时(生物)化学检测。基于这些技术的传感器已经用于军事和民防相当长的时间。然而，光学传感器的共同缺点是特异性低。传感器最多只能提供一般的检测能力，因为目标颗粒与良性、天然存在背景的光学相似性使得它们难以区分。存在一些目前使用的生物体检测策略。大多数代表了特异性、速度和成本之间的折衷。定量聚合酶链式反应(qPCR)能够在30分钟内扩增和检测来自单个生物体细胞的DNA样品。了解病原体核酸序列使得构建用于病原体检测的寡核苷酸成为可能。这些寡核苷酸是目前市场上许多高度特异性分析测试的基础。基于微阵列的检测可以将强大的核酸扩增策略与微阵列技术的大规模筛选能力相结合，从而产生高水平的灵敏度、特异性和通量。除了前面提到的说明之外，为下游微阵列应用执行大量PCR反应的成本和组织复杂性使得这种选择可行但不具吸引力。这种限制严重降低了该技术的实用性，并且阻碍了下游应用的持续发展。综上所述，准确可靠地识别病原体及其对应疾病的问题是当今生物体检测能力的最薄弱环节。针对新的分子检测技术开展了大量研究，这些技术可用于非常准确地检测现场应急人员所关注的病原体。其中包括在环境、法医和军事应用中对用于生物病原体检测的超灵敏和高选择性传感器的需求。特异性(准确)检测的益处包括通过减少对劳动力和国民经济的破坏并且通过改进正确保护对策的实施，每年节省数百万美元。上述关于生物病原体检测的所有内容也涉及其他化学和生物化合物的检测，这些化合物可能构成威胁或者具有需要进行检测的医学原因。实例有很多并且可包括爆炸物、毒素、DNA、蛋白质等。表面声波(SAW)传感器在化学和生物分子感测的许多领域中发挥着重要作用。一般来讲，表面声波是沿着某种(压电)材料的表面传播的声波。其由叉指换能器(IDT)电极(或“指状物”)生成，叉指换能器电极是沉积在压电材料上的特殊周期性金属棒。当施加周期等于IDT电极的周期的任何正弦波时，在IDT电极下方发生机械振动，从而生成声波，该声波垂直于IDT棒的几何形状。该声波在压电材料的表面上沿两个方向远离IDT电极传播。IDT生成的声波局限在表面区中，并且只穿透块体压电材料到达波长深度区。这就是SAW在表面具有非常高的能量密度的原因，也就有了“表面声波”的名称。SAW在压电材料中的传播速度比常规电磁波慢约105倍。因此，压电材料中的SAW波长比电磁波的波长小105倍，使得基于SAW的传感器是非常紧凑的装置。SAW传感器的制造需要在压电材料上沉积或蚀刻金属IDT，并且其使用允许大规模制造的CMOS工艺技术。可影响压电材料表面状况的因素包括压力、温度、湿度和质量负载。因此，SAW传感器可以用作压力、温度、湿度传感器，以及能够检测表面质量变化或电场改变的传感器。MEMS-CMOS技术有助于SAW传感器及其数据处理电路的集成。如果对某种化学或生物目标分子敏感的化学或(生物)分子层沉积在SAW传感器的延迟线区域，则其允许该特定的化学或生物目标分子或分析物与敏感层反应，并因此结合在延迟线区域。因此，通常观察到质量变化和/或电场变化，且可以检测目标化学或生物分子(分析物)的密度，并且进一步与其浓度相关。因此，SAW传感器可以用作(生物)化学分子感测装置，这是本申请的主题。专门设计的SAW传感器也可以在无源模式下使用，而不需要电池。可以将RFID天线添加到输入IDT电极，然后由天线接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面声波(SAW)射频识别(RFID)传感器芯片，其包括：压电衬底，所述衬底包括压电层和多层异质结结构，所述结构由III‑V单晶或多晶半导体层制成、沉积在所述压电层上并且包括至少一个缓冲层和至少一个阻挡层，所述层交替堆叠；至少一对安装在所述压电衬底上的金属叉指换能器(IDT)，用于接收射频(RF)输入信号、将所述输入信号转换成表面声波(SAW)、沿着所述压电衬底的表面传播所述表面声波并将所述传播的表面声波转换成输出RF信号；沉积在所述压电衬底上的至少一个常开或常闭二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的界面处的所述多层异质结结构中形成常开或常闭2DEG或2DHG导电沟道；沉积在所述压电衬底上的至少一个伪导电二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处的所述异质结结构中形成伪导电2DEG或2DHG沟道；至少一个(生物)分子层，其固定在传播SAW路径内的所述压电衬底上，并且能够从环境结合或吸附目标(分析物)化合物或(生物)分子；以及电容耦合到所述IDT、耦合到所述常开或常闭2DEG或2DHG结构并且耦合到所述伪导电2DEG或2DHG结构的电金属化层，用于感应位移电流，从而产生非欧姆源极和漏极接触，用于将所述传感器芯片连接到电路。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.16 US 62/375,711;2016.08.16 US 62/375,683;1.一种表面声波(SAW)射频识别(RFID)传感器芯片，其包括：压电衬底，所述衬底包括压电层和多层异质结结构，所述结构由III-V单晶或多晶半导体层制成、沉积在所述压电层上并且包括至少一个缓冲层和至少一个阻挡层，所述层交替堆叠；至少一对安装在所述压电衬底上的金属叉指换能器(IDT)，用于接收射频(RF)输入信号、将所述输入信号转换成表面声波(SAW)、沿着所述压电衬底的表面传播所述表面声波并将所述传播的表面声波转换成输出RF信号；沉积在所述压电衬底上的至少一个常开或常闭二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的界面处的所述多层异质结结构中形成常开或常闭2DEG或2DHG导电沟道；沉积在所述压电衬底上的至少一个伪导电二维电子气(2DEG)或二维空穴气(2DHG)结构，用于在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处的所述异质结结构中形成伪导电2DEG或2DHG沟道；至少一个(生物)分子层，其固定在传播SAW路径内的所述压电衬底上，并且能够从环境结合或吸附目标(分析物)化合物或(生物)分子；以及电容耦合到所述IDT、耦合到所述常开或常闭2DEG或2DHG结构并且耦合到所述伪导电2DEG或2DHG结构的电金属化层，用于感应位移电流，从而产生非欧姆源极和漏极接触，用于将所述传感器芯片连接到电路。2.根据权利要求1所述的SAWRFID传感器芯片，其还包括至少一个(生物)分子层，所述至少一个(生物)分子层固定在所述伪导电2DEG或2DHG结构的所述开放栅极区域内并且能够从所述环境结合或吸附目标(分析物)化合物或(生物)分子。3.根据权利要求1或2所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述压电衬底置于自支撑薄膜上。4.根据权利要求3所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述自支撑薄膜由蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或氮化铝制成。5.根据权利要求1所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述压电层由氧化锌、蓝宝石、氮化铝、钽酸锂、铌酸锂、铌酸钾、硅酸镧镓、硅、碳化硅或石英制成。6.根据权利要求1至5中任一项所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含一个缓冲层和一个阻挡层，并且所述2DEG导电沟道形成在所述缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面处。7.根据权利要求1至5中任一项所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含两个缓冲层和一个阻挡层，所述阻挡层置于所述缓冲层之间，并且所述2DEG导电沟道形成在所述阻挡层上方的顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层和所述阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的N面极性。8.根据权利要求1至5中任一项所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构包含两个缓冲层和一个阻挡层，所述阻挡层置于所述缓冲层之间，并且所述2DHG导电沟道形成在所述阻挡层上方的顶部缓冲层中，靠近所述顶部缓冲层和所述阻挡层之间的所述界面，从而导致所述结构的Ga面极性。9.根据权利要求1至8中任一项所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料选自GaN/AlGaN、GaN/AlN、GaN/InN、GaN/InAlN、InN/InAlN、GaN/InAlGaN、GaAs/AlGaAs和LaAlO3/SrTiO3。10.根据权利要求9所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述III-V单晶或多晶半导体材料是GaN/AlGaN。11.根据权利要求6所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构在底部包含一个GaN缓冲层，并且在顶部包含一个AlGaN阻挡层，所述AlGaN阻挡层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。12.根据权利要求11所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述AlGaN阻挡层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。13.根据权利要求11或12所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述AlGaN阻挡层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。14.根据权利要求7所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构是夹层状的，在顶部包含一个GaN缓冲层，在底部包含一个GaN缓冲层，并且在其之间包含一个AlGaN阻挡层，所述2DEG导电沟道形成在所述AlGaN阻挡层上方的顶部GaN缓冲层中，靠近所述顶部GaN缓冲层和所述AlGaN阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的所述N面极性，所述顶部GaN缓冲层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，对应于所形成的2DEG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。15.根据权利要求14所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。16.根据权利要求14或15所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。17.根据权利要求8所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述多层异质结结构是夹层状的，在顶部包含一个GaN缓冲层，在底部包含一个GaN缓冲层，并且在其之间包含一个AlGaN阻挡层，所述2DHG导电沟道形成在所述AlGaN阻挡层上方的顶部GaN缓冲层中，靠近所述顶部GaN缓冲层和所述AlGaN阻挡层之间的界面，从而导致所述结构的所述Ga面极性，所述顶部GaN缓冲层具有(i)5至9纳米(nm)的厚度，其对应于所形成的2DHG沟道的常开和常闭操作模式之间的伪导电电流范围，以及(ii)0.2nm或更小的表面粗糙度。18.根据权利要求17所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层的厚度为6至7nm，优选为6.2至6.4nm。19.根据权利要求17或18所述的SAWRFID传感器芯片，其中所述顶部GaN缓冲层具有约0.1nm或更小，优选约0.05nm或更小的表面粗糙度。20.根据权利要求1至19中任一项所述的SA...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿亚尔·拉姆，阿米尔·利希滕斯坦，
申请(专利权)人：艾皮乔尼克控股有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG