摘要：用微电子技术工艺研制的生物光电分析芯片可以对DNA进行流动分析。芯片上包括荧光检测器、电阻加热器和温度传感器。其中,荧光检测器是由一排NPN型硅光电三极管组成的，检测的荧光波长为700nm。为了提高光电管的响应灵敏度，三极管的BC结面积设计得较大，用硼离子注入制成浅PN结。为了防止等离子刻蚀引线孔时损伤硅层，采用了先蒸铝刻出压焊电极后，淀积增透膜再刻出电极的工艺。该芯片参数符合应用要求。

      一、引言

      微电子技术与生物技术紧密结合产生的以DNA芯片为代表的生物工程芯片是21世纪微电子领域又一热点。我们利用微电子技术工艺研制的这种分析芯片主要包括流体槽、加热器、温度传感器和荧光检测器等几部分。在分析芯片的流体槽内注入DNA和试剂溶液后，物理信息以相应的电信号形式输出。分析芯片中的荧光探测器由一排光电管组成，光电管的受光表面覆盖着由TiO2和SiO2薄膜多层交替结构组成的荧光增透膜。当带有荧光标记的DNA溶液通过光电管表面时，由外部激发光源（光波长小于650nm）激励DNA溶液中荧光物质产生诱导荧光（荧光波长700nm左右），光电管接收这个荧光信号并将其转换为电信号输出，这个电信号就反映了DNA中反应物的迁移时间。

      本文仅就光电分析芯片的原理、设计和制备工艺进行了简要论述。

      二、光电分析芯片的结构与工作原理

      光电分析芯片制作在单晶硅片上，芯片上集成有电阻加热器、PN结温度传感器和NPN型光电三极管阵列等元器件。硅光电三极管对光响应的峰值波长约为900nm，为了增大其对700nm波长荧光的响应灵敏度，光电管的光敏面积设计得比较大。NPN型硅光电三极管结构如图1（a）所示。衬底材料为N/N+硅外延片，N型外延层电阻率为10W-m左右，晶向为〈111〉，作为光电管的集电极。然后，在N型外延层上用硼离子注入形成P型基区，在基区的一小部分区域进行磷离子注入形成N+发射区和发射极引线孔。光电三极管的BC结为光敏结，这个PN结相当于一个光电二极管，因此基区做得比发射区要大得多，以使更多的光照射到BC结上。与普通三极管不同的是光电三极管不引出基极引线，只引出发射极和集电极引线。因此，光电三极管可用一个光电二极管并联在普通三极管的BC结上来等效，如图1（b）所示。

      工作时，光电三极管的集电极相对于发射极加正电压。这样，和普通晶体管工作时一样，其BE结处于正向偏置，BC结处于反向偏置。在没有光照射时，由于热激发产生的少数载流子中的电子从基区进入集电区，空穴从集电区移向基区，在外电路就有电流流过。这个电流称为光电管的暗电流。当有光照射到P型基区上时，光子能量在BC结附近被吸收，激发出电子和空穴，形成集电结区域的光生载流子。在结电场的作用下光生电子向集电极漂移，空穴因无基极引出线而留在基区，使基极电位升高并向发射极方向移动。这样发射结正向压降升高，促使发射极内大量电子注入基区，其中一部分电子在基区与空穴复合，这部分复合掉的电子流相当于基极光生电流Ib，而大部分电子经基区到达集电极而被集电极收集形成放大的光电流Ic，其表达式为：Ic=βIb(1)

      三、光电分析芯片的版图设计

      光电分析芯片由7个光电三极管组成的光电管阵列、硼电阻加热器和两个PN结测温器组成，其版图如图2所示。光电分析芯片制成后，上面要封盖一个带沟槽的玻璃片，玻璃上沟槽的方向如图2中A—B所示。带荧光剂的DNA液体顺着沟槽依次流过七个光电管，可对其进行流动分析。根据检测精度要求，每个光电管的宽度不超过0.5mm。光电管的长则由1mm宽的沟槽和与玻璃封接的边缘决定，因此光电管的长设计为2mm，各光电管的间距为0.2mm。为增大光敏BC结的面积，发射区面积设计得较小，为100μm×100μm。

      四、光电分析芯片的制作工艺

      当光电管的BC结受到光子能量大于半导体禁带宽度Eg的光照射时，只有到达PN结耗尽区的光子激发的光生载流子才能形成光电流，而在远离耗尽区边界（超出一个扩散长度范围）的P区和N区中激发产生的光生载流子在向耗尽区扩散途中大多数因复合而消失，对光电流没有贡献。因此，BC结应制成浅结以使更多的光子能到达PN结耗尽区，从而提高光电管的灵敏度。为此，光电管的基区用硼离子注入得到结深约1μm的浅BC结。光电管的工艺流程如下：

      N/N+外延硅片→一次氧化→基区光刻→硼注入→退火→二次氧化→发射区光刻→磷注入→退火、三次氧化→引线孔光刻→蒸铝→反刻铝引线→淀积荧光增透膜→刻蚀增透膜露出铝引线→封接玻璃流体槽→引线焊接→测试。

      硼注入能量为50keV，剂量为5.0×1013cm-2，表面浓度约为1018cm-2；注入后的退火条件为温度900℃，N2气氛，时间30min。磷注入能量50keV，剂量为5×1015cm-2,再扩散温度1000℃，时间15min。三极管的β值为100～120，BVCE0=12V。

      依正常工序，磷扩散后，在整个管芯表面交替淀积多层TiO2和SiO2薄膜，用这种多层结构薄膜组成荧光增透膜。然后再光刻引线孔、蒸铝、反刻铝等。因增透膜中有TiO2膜，不能用HF腐蚀，只能用等离子干法腐蚀。即便这样，在刻蚀透TiO2和SiO2层到达下面的硅层时，还会继续刻蚀损伤硅层。为此，磷扩散后先刻引线孔、蒸铝、反刻铝，形成金属压焊块后再淀积增透膜，然后用等离子干法刻蚀出铝压焊块。这样，刻蚀到铝层时会自动停止而不损伤铝层。

      五、光电分析芯片性能测试

      1、测试光电管光电流时，光源用为72型光电分光光度计。管子外加工作电压VCC=5V，暗电流测试值均近似为零（数字万用表显示为零）。

      2、TiO2-SiO2复合增透膜的特性如图3所示。由图可见，对波长大于680nm的光，透过率很大；当波长小于640nm时透过率则急剧减小，这符合检测波长700nm诱导荧光的需要。

      六、结论

      光电分析芯片参数测试结果符合设计要求，能满足DNA流动分析的需要。其输出的电流信号可以直接推动显示仪表，更大的电信号可在接放大器后获得。