本发明属于集成电路，具体涉及一种基于三元反应机制的高灵敏度宽范围离子敏感场效应晶体管。

　　1、对于特定离子的检测在生物和临床医学、环境科学、农业等多领域都有着广泛的需求和应用，诸如血样检测、体液分析、水质和空气质量检测、土壤酸度等。早期的离子敏感场效应晶体管(isfet)基于待测液体沟道直接接触而形成液体栅，通过参比电极在直接施加电压的方式来进行传感，存在着许多问题，其中最为关键的一点在于传感器本身受到能斯特极限的限制，其极限灵敏度只有59mv/ph。离子敏感传感器面临着一系列需要解决的革新，在当前环境下随着检测的复杂化，能够同时集成多个并检测多种不同离子的传感器将成为主流需求，对于isfet本身有了更多高集成度、高复合度的需求，同时也需要实现更高的灵敏度和更宽的检测范围，最后需要传感器本身有较低的成本、较为简单的工艺和较长的使用寿命。

　　2、现有的研究中已经有使用石墨烯和硅纳米线沟道实现高灵敏度检测的器件，但是其高昂的成本和复杂的工艺以及不与硅基兼容等仍是未解决的问题。因此寻找能够兼容于传统硅的高灵敏度和宽范围离子检测方法便十分重要。

　　1、发明目的：本发提供了一种基于三元反应机制的离子敏感场效应晶体管，本发明的离子敏感场效应晶体管通过栅极表面多重的反应和离子捕获形式扩充了可检测离子范围和灵敏度，可应用于宽范围高灵敏度的ph检测和多检测物的集成生化传感。

　　2、技术方案：一种基于三元反应机制的离子敏感场效应晶体管，所述离子敏感场效应晶体管，包括体硅衬底、氧化埋层、沟道、源极、漏极、栅氧化介质层、栅极和绝缘层；

　　3、所述氧化埋层设于体硅衬底上，所述沟道设于氧化埋层的中部；所述源极和漏极分别设于沟道的左右两侧；所述沟道的上表面低于所述源极和漏极的上表面；所述栅氧化介质层覆盖在两金属电极和沟道上；所述栅极位于所述沟道正上方的栅氧化介质层上，所述栅极(7)包括在栅氧化介质层(6)上生长的金纳米颗粒生长和待检测溶液；所述绝缘层覆盖在所述源极和漏极对应的栅氧化介质层上。

　　4、进一步的，所述沟道正上方的栅氧化介质层和金纳米颗粒采用aptes进行表面修饰。

　　5、进一步的，所述体硅衬底的材料为p+型掺杂的硅，掺杂杂质为硼，掺杂浓度在1015cm-2至1017cm-2之间；或，所述体硅衬底的材料为硅、锗、锗硅、氮化镓、铟镓砷材料中的任意一种；

　　7、所述沟道的材料为硅、锗硅、氮化镓或者铟镓砷材料中的任意一种，厚度为5nm至500nm之间；

　　8、所述源极和漏极的材料为钛、金、镍、铝、金属硅化物中的任意一种，金属硅化物为镍硅或钛硅；

　　9、所述栅氧化介质层的材料为栅氧化物，所述栅氧化介质层为氧化硅、氧化铝、氧化铊、氧化铪中的任意一种；

　　10、所述绝缘层的材料为光刻胶(az 5214或su-8)、氮化硅(si3n4)、氮氧化硅(sion)中的任意一种。

　　11、进一步的，所述氧化埋层的厚度在10nm至1000nm之间；所述栅氧化介质层的厚度在1nm至50nm之间；所述栅极中金纳米颗粒的厚度在0.1nm-10nm之间。

　　12、进一步的，所述基于三元反应机制的离子敏感场效应晶体管的制备和检测方法如下：

　　13、步骤一、通过光刻在绝缘体上硅混合衬底的沟道层上定义出沟道作为有源区，然后在沟道的左右两侧刻蚀打开源极和漏极接触区，淀积金属并剥离形成源极和漏极；所述绝缘体上硅混合衬底从下至上依次包括体硅衬底、氧化埋层、沟道层；

　　14、所述步骤一中，刻蚀选用干法或者湿法方法，退火温度为200℃-600℃，退火时间为30s至15min；干法刻蚀一般使用氟基或者卤族元素气体，如sf6、cl2等；而湿法腐蚀一般使用强酸或强碱如hf、tmah等溶液；

　　15、步骤二、在步骤一制备的器件表面沉积一层栅氧化介质层，形成沟道和测试液体的非直接接触式配置，然后在所述沟道正上方的栅氧化介质层上生长金纳米颗粒作；(金纳米颗粒是栅极的构成部件之一，栅极由金纳米颗粒和ph待测溶液共同构成，金纳米颗粒的作用是联结器)；

　　16、所述步骤二中、沉积栅氧化介质层的方法为原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)的中的任意一种，退火温度在200℃至600℃之间，退火时间为30s至15min；

　　17、生长金纳米颗粒的方法为：电子束蒸发镀膜(ebe)、溅射镀膜、热蒸发镀膜中的任意一种，退火温度在200℃至500℃之间，退火时间为30s至15min；

　　18、步骤三、在步骤二制备的器件表面生长一层绝缘层进行封装，光刻打开沟道正上方区域，仅暴露出沟道区域的金纳米颗粒；

　　19、步骤四、在沟道对应的位置加入aptes修饰栅氧化介质层和金纳米颗粒，固载后清洗干燥；

　　20、步骤五、清洗干燥沟道区域，之后在在沟道上方加入待测溶液，测试器件的信号变化。

　　21、进一步的，所述步骤四的具体方法为：采用aptes无水反应固载，将体积浓度为0.1％-5％的aptes乙醇溶液滴在沟道上方，在常温下反应20-30min，清洗掉未反应分子后在100℃-150℃下反应5-10min。

　　23、以体硅衬底为背栅，以氧化埋层为背栅介质，以沟道为导电沟道，以栅氧化介质层为顶栅介质，以源极和漏极为接触电极，对背栅施加0-20v的偏置，漏极施加1v偏置，源极施加0v偏置，扫描器件的转移特性曲线，提取阈值电压进行分析。

　　25、(1)、本发明制备的晶体管中，采用了沟道和测试液体的非接触设计，即在所述沟道和测试液体之间插入一层栅氧化介质层，栅氧化介质层将沟道与测试溶液分隔开，避免了沟道和测试液体的直接接触。金纳米颗粒是栅极的构成部件之一，栅极由金纳米颗粒和ph待测溶液共同构成，金纳米颗粒的作用是联结器，金纳米颗粒充当aptes分子与栅氧化介质层的桥接，绝缘层使得离子捕获和静电感应仅发生在沟道上方。

　　26、(2)、对本发明的晶体管的源极和漏极施加偏置电压，通过调节偏置电压，可以影响源极和漏极之间的电流流动，适当的偏置电压能够确保晶体管工作在合适的工作区域，实现所需的放大、开关等功能。

　　27、绝缘体上硅(soi)混合衬底提供开启偏压，可以代替添加液体栅参比电极的困难，更易于系统集成。

　　29、第一、采用了超薄的硅沟道，超薄的硅沟道能够有更高的电荷感应灵敏度。

　　30、第二、通过aptes修饰的栅氧化介质层表面和金纳米颗粒后存在的多重化学反应扩充离子检测范围，提高了检测的灵敏度。

　　31、在本发明中，栅氧化介质层表面存在的本征羟基，栅氧化介质层的本征羟基结合aptes分子后其氨基一端，金纳米颗粒(aunp)结合aptes分子后其水解生成羟基一端作为离子检测的敏感基团，构成三元反应机制。具体为：

　　33、②对沟道上方的栅氧化介质层和金纳米颗粒采用aptes进行表面修饰，aptes存在两个去向：aptes与金纳米颗粒通过氨基形成配位键并在金纳米颗粒上固载，水解产生羟基用于离子捕获和质子交换；aptes与栅氧化介质层表面本征羟基发生缩醇反应形成硅氧键(si-o-si)并在栅氧化层表面直接固载，暴露出氨基用于离子捕获和质子交换。