BR112019028104B1 - Sensores de efeito de campo - Google Patents
Sensores de efeito de campo Download PDFInfo
- Publication number
- BR112019028104B1 BR112019028104B1 BR112019028104-5A BR112019028104A BR112019028104B1 BR 112019028104 B1 BR112019028104 B1 BR 112019028104B1 BR 112019028104 A BR112019028104 A BR 112019028104A BR 112019028104 B1 BR112019028104 B1 BR 112019028104B1
- Authority
- BR
- Brazil
- Prior art keywords
- nanostructure
- semiconductor device
- state density
- intercepts
- modified portion
- Prior art date
Links
- 230000005669 field effect Effects 0.000 title abstract description 26
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 116
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 70
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 63
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 28
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 239000012491 analyte Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 14
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 38
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 claims description 25
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 claims description 25
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 22
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 108091023037 Aptamer Proteins 0.000 claims description 13
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims description 9
- 239000002074 nanoribbon Substances 0.000 claims description 8
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 claims description 6
- 102000053602 DNA Human genes 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 6
- 229910052961 molybdenite Inorganic materials 0.000 claims description 6
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229920002477 rna polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 5
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 claims description 5
- 239000002773 nucleotide Substances 0.000 claims description 5
- 125000003729 nucleotide group Chemical class 0.000 claims description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 4
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 claims description 4
- 229910021428 silicene Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 3
- 238000002513 implantation Methods 0.000 claims 1
- 235000015250 liver sausages Nutrition 0.000 claims 1
- 238000003949 trap density measurement Methods 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 36
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 24
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 238000005842 biochemical reaction Methods 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 5
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 5
- MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N anthracene Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3C=C21 MWPLVEDNUUSJAV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- -1 antibody Proteins 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 4
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 4
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 4
- BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N pyrene Chemical compound C1=CC=C2C=CC3=CC=CC4=CC=C1C2=C43 BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N biotin Natural products N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)O)SC[C@@H]21 YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N 0.000 description 3
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- OAKJQQAXSVQMHS-UHFFFAOYSA-N Hydrazine Chemical compound NN OAKJQQAXSVQMHS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N Phosphorous acid Chemical class OP(O)=O ABLZXFCXXLZCGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 2
- 229960002685 biotin Drugs 0.000 description 2
- 235000020958 biotin Nutrition 0.000 description 2
- 239000011616 biotin Substances 0.000 description 2
- 150000007942 carboxylates Chemical class 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001268 conjugating effect Effects 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N fluoranthrene Natural products C1=CC(C2=CC=CC=C22)=C3C2=CC=CC3=C1 GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(IV) oxide Inorganic materials O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 150000004756 silanes Chemical class 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 108010090804 Streptavidin Proteins 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000013626 chemical specie Substances 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 150000002429 hydrazines Chemical class 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 1
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 1
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 1
- 229920000729 poly(L-lysine) polymer Polymers 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000013341 scale-up Methods 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 235000013599 spices Nutrition 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4146—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS involving nanosized elements, e.g. nanotubes, nanowires
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y15/00—Nanotechnology for interacting, sensing or actuating, e.g. quantum dots as markers in protein assays or molecular motors
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6869—Methods for sequencing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4148—Integrated circuits therefor, e.g. fabricated by CMOS processing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54313—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
- G01N33/54346—Nanoparticles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02587—Structure
- H01L21/0259—Microstructure
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
- H01L29/0657—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body
- H01L29/0665—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions characterised by the shape of the body the shape of the body defining a nanostructure
- H01L29/0669—Nanowires or nanotubes
- H01L29/068—Nanowires or nanotubes comprising a junction
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/772—Field effect transistors
- H01L29/775—Field effect transistors with one dimensional charge carrier gas channel, e.g. quantum wire FET
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
- H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
- H03K3/027—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of logic circuits, with internal or external positive feedback
- H03K3/03—Astable circuits
- H03K3/0315—Ring oscillators
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Zoology (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Hematology (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
Abstract
aparelho e métodos são divulgados para sensores de efeito de campo de molécula única tendo canais condutores funcionalizados com uma porção ativa única. uma região de uma nanoestrutura (por exemplo, tal como um nanofio de silício ou um nanotubo de carbono) provê o canal condutor. a densidade de estado interceptado da nanoestrutura é modificada para uma porção da nanoestrutura em proximidade com uma localização onde a porção ativa é ligada com a nanoestrutura. em um exemplo, o dispositivo semicondutor inclui uma origem, um dreno, um canal incluindo uma nanoestrutura tendo uma porção modificada com uma densidade de estado de interceptação aumentada, a porção modificada sendo adicionalmente funcionalizada com uma porção ativa. um terminal de portal está em comunicação elétrica com a nanoestrutura. quando um sinal elétrico variável é aplicado para uma solução iônica em contato com um canal de nanoestrutura, mudanças na corrente observada a partir do dispositivo semicondutor podem ser usadas para identificar a composição do analito.
Description
[0001] Este pedido reivindica a prioridade do Pedido de Patente Provisório dos EUA com número 62/539.813, depositado em 1 de agosto de 2017, o conteúdo do mesmo é incorporado aqui por referência na sua totalidade. FUNDAMENTOS
[0002] Transistores de efeito de campo podem ser usados como sensores de carga de molécula única para identificar moléculas. Tais sensores podem ser operados em condições de sal biologicamente relevantes. O comprimento de triagem de Debye de tais soluções salinas está na faixa de cerca de 0,3 nm até cerca de 10 nm, o que limita a zona de detecção até alguns nanômetros fora da superfície do canal e geralmente reduz níveis de sinal até o limite detecção. Um contorno nesta dificuldade é a realização da reação biológica e as medições em dois diferentes tampões com alto teor de salinidade e baixo teor de salinidade, respectivamente. No entanto, tal abordagem não é tipicamente adequada para sensores de molécula única onde a troca de tampão não é possível.
[0003] Em um primeiro aspecto, um dispositivo semicondutor compreende uma fonte; um dreno; um canal compreendendo uma nanoestrutura, a nanoestrutura compreendendo uma porção modificada tendo uma densidade de estado de armadilhas aumentada, a porção modificada sendo funcionalizada com uma porção ativa; e um terminal de portal em comunicação elétrica com a nanoestrutura.
[0004] Em um exemplo, a nanoestrutura compreende pelo menos um de: um nanofio, um nanotubo, e uma nanofita.
[0005] Em outro exemplo, a nanoestrutura compreende pelo menos um de: um nanofio de silício, um nanotubo de carbono, um nanofio de polímero, uma nanofita de grafeno, e uma nanofita de MoS2.
[0006] Em mais um exemplo, a nanoestrutura compreende pelo menos um de: grafeno, siliceno e fosforeno.
[0007] Em um exemplo, a porção modificada é formada por implantação de íon, irradiação de feixe energético, exposição ao plasma, ou uma combinação dos mesmos.
[0008] Em um exemplo, a porção ativa compreende uma enzima ou um aptâmero que é ligado com a porção modificada da nanoestrutura; e ligação da enzima ou o aptâmero com a porção modificada da nanoestrutura interrompe ligações atômicas da nanoestrutura para aumentar a densidade de estado de armadilhas da porção modificada da nanoestrutura. Em alguns casos deste exemplo, a enzima ligada ou aptâmero é ligado de maneira covalente com a porção modificada da nanoestrutura.
[0009] Em um exemplo, a porção ativa é uma molécula única de um dos seguintes: uma enzima única, um anticorpo único, e um aptâmero único.
[00010] Em um exemplo, a densidade de estado de armadilhas aumentada está em uma faixa de cerca de 1*1012 interceptações / cm2 até cerca de 1x1014 interceptações / cm2.
[00011] Deve ser entendido que quaisquer funcionalidades deste primeiro aspecto podem ser combinadas em qualquer maneira e/ou configuração desejável.
[00012] Em um segundo aspecto, um aparelho compreende o dispositivo semicondutor de acordo com a reivindicação 1; e um vaso pelo menos parcialmente englobando a nanoestrutura, o vaso para receber uma solução de analito provendo a comunicação elétrica entre o terminal de portal e a nanoestrutura.
[00013] Em um terceiro aspecto, um aparelho compreende o dispositivo semicondutor de acordo com a reivindicação 1, em que o dispositivo semicondutor compreende adicionalmente um terminal de corpo acoplado com uma entrada de sinal modulado; e o terminal de portal é acoplado com uma voltagem fixa.
[00014] Em um quarto aspecto, um aparelho compreende um sensor de corrente ou oscilador de anel, o sensor de corrente ou oscilador de anel compreendendo o dispositivo semicondutor de acordo com a reivindicação 1.
[00015] Deve ser entendido que qualquer combinação de funcionalidades do dispositivo semicondutor pode ser usada com qualquer um do segundo, do terceiro, ou do quarto aspectos. Além disso, deve ser entendido que quaisquer funcionalidades de qualquer aparelho do segundo, do terceiro, ou do quarto aspecto podem ser usadas juntas, e/ou que quaisquer funcionalidades a partir destas podem ser combinadas com qualquer um dos exemplos divulgados aqui.
[00016] Em um quinto aspecto, um método de fabricação compreende depositar uma nanoestrutura sobre um substrato tendo pelo menos uma região de origem e pelo menos uma região de dreno dentro do ou sobre o substrato para formar um canal eletricamente condutor entre a região de origem e a região de dreno, a nanoestrutura tendo uma densidade de estado de armadilhas aumentada para uma porção mas não para toda a nanoestrutura; e ligar uma porção ativa com a porção de nanoestrutura.
[00017] Um exemplo do método compreende adicionalmente gerar a densidade de estado de armadilhas aumentada ligando de maneira covalente a porção ativa com a porção de nanoestrutura.
[00018] Outro exemplo do método compreende adicionalmente gerar a densidade de estado de armadilhas aumentada implantando íons para a porção de nanoestrutura.
[00019] Mais um exemplo do método compreende adicionalmente gerar a densidade de estado de armadilhas aumentada através da realização de dopagem localizada da porção de nanoestrutura.
[00020] Mais um exemplo do método compreende adicionalmente aumentar a densidade de estado de armadilhas da porção de nanoestrutura ajustando uma composição de uma origem material em um processo de deposição de vapor químico quando se deposita a nanoestrutura sobre o substrato.
[00021] Em um exemplo, a nanoestrutura compreende pelo menos um de: um nanofio, um nanotubo, e uma nanofita.
[00022] Em outro exemplo, a nanoestrutura compreende pelo menos um de: um nanofio de silício, um nanotubo de carbono, um nanofio de polímero, uma nanofita de grafeno, e uma nanofita de MoS2.
[00023] Em mais um exemplo, a nanoestrutura compreende pelo menos um de: grafeno, siliceno e fosforeno.
[00024] Um exemplo do método compreende adicionalmente selecionar: um parâmetro de ΔCox desejado, ou uma corrente de dreno desejada para resposta de voltagem de portal, ou o parâmetro de ΔCox desejado e a corrente de dreno desejada para resposta de voltagem de portal; selecionar uma densidade de estado de armadilhas desejada para a porção de nanoestrutura; e aumentar a densidade de estado de armadilhas de acordo com a densidade de estado de armadilhas desejada selecionada.
[00025] Um exemplo do método compreende adicionalmente selecionar pelo menos um de um material e uma dosagem para a porção de nanoestrutura de acordo com a densidade de estado de armadilhas desejada selecionada.
[00026] Deve ser entendido que quaisquer funcionalidades do quinto aspecto podem ser combinadas de qualquer maneira desejável. Além disso, deve ser entendido que qualquer combinação de funcionalidades do primeiro aspecto, e/ou do segundo aspecto, e/ou do terceiro aspecto, e/ou do quarto aspecto, e/ou do quinto aspecto podem ser usadas juntas, e/ou que quaisquer funcionalidades a partir destas podem ser combinadas com qualquer um dos exemplos divulgados aqui.
[00027] Em um sexto aspecto, um método de uso de um dispositivo semicondutor compreende ligar uma enzima com um canal de um transistor de efeito de campo em proximidade com uma zona de detecção, o transistor de efeito de campo tendo um terminal de origem, um terminal de dreno, e uma nanoestrutura formando um canal entre o terminal de origem e o terminal de dreno, a zona de detecção compreendendo uma região de densidade de estado de armadilhas relativamente mais alta na nanoestrutura; provendo uma solução iônica em proximidade com a zona de detecção; aplicar um sinal para um terminal do transistor de efeito de campo; e detectar alterações no fluxo de corrente através do transistor de efeito de campo em resposta ao sinal aplicado.
[00028] Em um exemplo, o sinal é modulado em uma frequência que excede uma frequência de plasma da solução.
[00029] Em um exemplo, a solução possui uma salinidade que varia a partir de cerca de 1 milimolar (mM) até cerca de 500 milimolar (mM).
[00030] Em um exemplo, o sinal é provido para um terminal de portal ou um terminal de corpo do transistor de efeito de campo.
[00031] Em um exemplo, a detecção de alterações no fluxo de corrente compreende detectar uma mudança de fase de um sinal de saída do transistor de efeito de campo com relação ao sinal aplicado para o terminal.
[00032] Um exemplo deste método compreende adicionalmente sequenciar uma série de nucleotídeos em uma molécula de ácido desoxirribonucleico (DNA) ou ácido ribonucleico (RNA) com base nas alterações detectadas.
[00033] Deve ser entendido que quaisquer funcionalidades do sexto aspecto podem ser combinadas de qualquer maneira desejável. Além disso, deve ser entendido que qualquer combinação de funcionalidades do primeiro aspecto, e/ou do segundo aspecto, e/ou do terceiro aspecto, e/ou do quarto aspecto, e/ou do quinto aspecto, e/ou do sexto aspecto podem ser usadas juntas, e/ou que quaisquer funcionalidades a partir destas podem ser combinadas com qualquer um dos exemplos divulgados aqui.
[00034] Ainda adicionalmente, deve ser entendido que quaisquer funcionalidades de qualquer um dos aspectos podem ser combinadas de qualquer maneira desejável, e/ou podem ser combinadas com qualquer um dos exemplos divulgados aqui.
[00035] As FIGS. 1A e 1B são representações esquemáticas de um exemplo generalizado de sensor de efeito de campo, como pode ser usado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00036] A FIG. 2 mostra alterações no fluxo de corrente através de um exemplo generalizado de sensor de efeito de campo em resposta às reações biológicas na sua superfície.
[00037] A FIG. 3 é um exemplo de ruído de telégrafo aleatório em um FET de 20 nm.
[00038] A FIG. 4 é uma descrição esquemática de níveis de energia em interceptadores de aceptor, interceptadores de doador, e interceptadores mistos com um nível neutro E0.
[00039] A FIG. 5 mostra uma resposta simulada de um transistor de nanofio de Silício (Si) de 20 nm como uma função de densidade de estado de armadilhas local, como pode ser observado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00040] A FIG. 6 é uma ilustração dos efeitos de competição de modulação de ΔCox e degradação de inclinação de IDVG, como pode ser observado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00041] A FIG. 7 é uma representação em preto e branco de um diagrama originalmente colorido ilustrando um exemplo de uma geometria de simulação de acordo com um exemplo da tecnologia divulgada aqui.
[00042] A FIG. 8 mostra uma resposta computada para um biossensor de acordo com um exemplo da tecnologia divulgada aqui.
[00043] A FIG. 9 é um gráfico que traça SNR computado como uma função de densidade de interceptação de acordo com um exemplo da tecnologia divulgada aqui.
[00044] A FIG. 10 mostra uma anexação covalente da porção de detecção para a superfície do nanofio, como pode ser realizado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00045] A FIG. 11 é uma ilustração do controle da densidade e da posição de estados interceptados como pode ser realizado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00046] A FIG. 12 é um diagrama ilustrando que a densidade e a posição dos estados interceptados podem ser controladas através de dopagem localizada em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00047] A FIG. 13 é um gráfico mostrando energias de ionização medidas para várias impurezas em Si em um exemplo.
[00048] A FIG. 14 é um gráfico mostrando uma resposta de um exemplo de sensor de nanotubo de carbono.
[00049] A FIG. 15 mostra um circuito de medição usado para a detecção de alta frequência em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00050] A FIG. 16 é um biossensor de oscilador de anel que pode ser usado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00051] A FIG. 17 é uma esquemática de um inversor usado em um oscilador de anel de acordo com certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00052] A FIG. 18 ilustra um circuito para um oscilador controlado de voltagem biologicamente acionada de acordo com certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00053] A FIG. 19 ilustra um circuito para um oscilador controlado por voltagem de detecção e um ciclo de fase travada, como pode ser usado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00054] A FIG. 20 inclui um número de gráficos para sinais de exemplo medidos em vários pontos nos circuitos das FIGS. 17 a 19.
[00055] A FIG. 21 mostra a saída de um oscilador de anel em três estágios como pode ser usado nos certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00056] A FIG. 22 é um diagrama de bloco ilustrando um exemplo de sistema que pode ser usado para analisar as soluções de analito usando sensores de FET.
[00057] A FIG. 23 é um fluxograma que destaca um exemplo de método de fabricação, como pode ser realizado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui.
[00058] A FIG. 24 é um fluxograma que destaca um exemplo de uso de um dispositivo semicondutor como pode ser realizado de acordo com a tecnologia divulgada aqui.
[00059] São divulgados aqui exemplos representativos de métodos, aparelho, e sistemas para o projeto, a fabricação, e o uso de dispositivos semicondutores tendo canais de nanoestrutura (por exemplo, canais implementados com nanofios, nanotubos, nanofitas, ou outras geometrias com dimensões críticas menores do que cerca de 100 nm), incluindo dispositivos semicondutores onde um canal de nanoestrutura possui uma porção modificada tendo uma densidade de estado de armadilhas ajustada na localização ou próximo de uma localização onde uma porção ativa é ligada com a nanoestrutura. Os métodos, o aparelho, e os sistemas estão relacionados em geral com detecção com base em biossensor, incluindo, por exemplo, biossensores que podem ser usados para sequenciamento de ácido nucleico.
[00060] Como usado aqui, um “nanofio” é uma estrutura com uma forma cilíndrica sólida tendo uma largura menor do que cerca de 100 nm, e um comprimento que pode ser significativamente maior do que a largura. Condução elétrica ocorre através de todo o volume do nanofio. Como usado aqui, um “nanotubo” é uma estrutura com uma forma cilíndrica oca tendo uma largura menor do que cerca de 100 nm e um comprimento que pode ser significativamente maior do que a largura. Em alguns exemplos, um nanotubo é uma única folha ou fita de grafeno enrolada em uma forma cilíndrica. O cilindro é oco no meio e condução elétrica ocorre através da parede lateral tubular do cilindro. Como usado aqui, a “nanofita” é uma estrutura com uma forma plana tendo uma largura menor do que cerca de 100 nm e um comprimento que pode ser tanto similar com quanto significativamente maior do que a largura. A espessura da nanofita corresponde com o material a partir do qual ela é feita. Nanofitas de grafeno de camada única possuem uma espessura que varia a partir de cerca de 0,3 nm até cerca de 0,4 nm. Condução elétrica ocorre através de todo o volume da nanofita. A menos que seja declarado de outra maneira, “semicondutor” como usado aqui inclui materiais tais como silício (Si), germânio (Ge), carbeto de silício (SiC), nitreto de gálio (GaN), arseneto de gálio (GaAs), arseneto de índio (InAs) bem como materiais que se comportam como semicondutores quando arranjados em uma nanoestrutura, por exemplo, nanotubos de carbono, nanotubos de nitreto de boro, ou outros nanoestruturas de semicondutor.
[00061] Os métodos, o aparelho, e os sistemas divulgados aqui não devem ser interpretados como sendo limitantes de qualquer modo. Em vez disso, a presente descrição está direcionada a novas funcionalidades e funcionalidades não obvias e aspectos dos vários exemplos divulgados, sozinhos e em várias combinações e subcombinações entre si. Os métodos, o aparelho, e os sistemas divulgados não estão limitados a qualquer aspecto ou funcionalidade específicos ou qualquer combinação dos mesmos, nem os exemplos divulgados necessitam que qualquer uma ou mais vantagens específicas estejam presentes ou problemas sejam resolvidos.
[00062] Apesar das operações de alguns dos métodos divulgados aqui serem descritas em uma ordem sequencial particular para a apresentação conveniente, deve ser entendido que esta maneira de descrição engloba o rearranjo, a menos que uma ordenação particular seja necessária por linguagem específica definida aqui abaixo. Por exemplo, operações descritas em sequência em alguns casos podem ser rearranjadas ou realizadas de maneira concorrente. Além disso, para o bem da simplicidade, as figuras anexas podem não mostrar os vários modos em que os sistemas, os métodos, e o aparelho podem ser usados em conjunto com outras coisas e métodos. Adicionalmente, a descrição algumas vezes usa termos como “produzir,” “gerar,” “selecionar,” “receber,” “ligar,” e “prover” para descrever os métodos divulgados aqui. Estes termos são descrições de alto nível das operações reais que são realizadas. As operações reais que correspondem com estes termos podem variar dependendo da implementação particular, e são prontamente discerníveis por um perito na técnica tendo o benefício da presente descrição.
[00063] Como usado neste pedido e nas reivindicações, as formas no singular “um,” “uma,” “a,” e “o” incluem as formas no plural a menos que o contexto indique claramente de outra forma. Adicionalmente, o termo “inclui” quer dizer “compreende.” Além disso, a menos que o contexto indique claramente de outra maneira, o termo “acoplado” quer dizer mecanicamente, eletricamente, ou eletromagneticamente conectado ou ligado e inclui tanto conexões diretas e ligações diretas quanto conexões indiretas e ligações indiretas através de um ou mais elementos intermediários que não afetam a operação intencionada do sistema descrito.
[00064] Deve ser entendido que as faixas providas aqui incluem a faixa declarada e qualquer valor ou subfaixa dentro da faixa declarada, como se tais valores ou subfaixas fossem explicitamente citados. Por exemplo, uma faixa a partir de cerca de 10 KHz até cerca de 100 KHz deve ser interpretada para incluir não apenas os limites explicitamente citados a partir de cerca de 10 KHz até cerca de 100 KHz, mas também para incluir valores individuais, tal como cerca de 78 KHz, cerca de 94,5 KHz, etc., e subfaixas, tal como a partir de cerca de 25 KHz até cerca de 85 KHz, a partir de cerca de 15 KHz até cerca de 80 KHz, etc.
[00065] Os termos “substancialmente” e “cerca de” usados durante toda esta descrição são usados para descrever e levar em conta pequenas flutuações. Por exemplo, eles podem se referir a menos do que ou igual a ±5%, tal como menos do que ou igual a ±2%, tal como menos do que ou igual a ±1%, tal como menos do que ou igual a ±0,5%, tal como menos do que ou igual a ±0,2%, tal como menos do que ou igual a ±0,1%, ou tal como menos do que ou igual a ±0,05%.
[00066] Adicionalmente, certos termos podem ser usados, tal como “cima,” “baixo,” “superior,” “inferior,” e semelhantes. Estes termos são usados, onde for aplicável, para prover alguma clareza de descrição quando lida com relações relativas. No entanto, estes termos não estão intencionados a implicar relações absolutas, posições e/ou orientações.
[00067] Teorias de operação, princípios científicos, ou outras descrições teóricas apresentadas aqui em referência ao aparelho ou aos métodos desta descrição foram providos para os propósitos de melhor entendimento e não estão intencionados de ser limitantes do escopo. O aparelho e os métodos nas reivindicações anexas não são limitados a este aparelho e estes métodos que funcionam da maneira descrita por tais teorias de operação.
[00068] Qualquer um dos métodos implementados por computador divulgados aqui pode ser implementado usando instruções executáveis por computador armazenadas em um ou mais meios legíveis por computador (por exemplo, meios legíveis por computador, tal como um ou mais discos de mídia óptica, componentes de memória volátil (tal como DRAM ou SRAM), ou componentes de memória não volátil (tal como memória flash ou discos rígidos)) e executados em um computador (por exemplo, qualquer computador comercialmente disponível, incluindo telefones inteligentes ou outros dispositivos móveis que incluem hardware de computação). Qualquer uma das instruções executáveis por computador para implementar as técnicas divulgadas aqui, bem como quaisquer dados criados e usados durante tal implementação, podem ser armazenados em um ou mais meios legíveis por computador (por exemplo, meios de armazenamento legíveis por computador). As instruções executáveis por computador podem ser parte de, por exemplo, um aplicativo de software dedicado, ou um aplicativo de software que é acessado ou baixado através de um navegador de rede ou outro pedido de software (tal como um pedido de computação remoto). Tal software pode ser executado, por exemplo, em um único computador local (por exemplo, com processadores de propósito geral e/ou processadores especializados que são executados em qualquer computador comercialmente disponível adequado) ou em um ambiente de rede (por exemplo, através da Internet, uma rede de banda larga, uma rede de área local, uma rede de cliente - servidor (tal como uma rede de computação em nuvem), ou outra tal rede) usando um ou mais computadores em rede.
[00069] Para a clareza, apenas certos aspectos selecionados das implementações com base em software são descritos. Outros detalhes que são bem conhecidos na técnica são omitidos. Por exemplo, deve ser entendido que aspectos relacionados com computador da tecnologia divulgada aqui não estão limitados a qualquer linguagem de computação específica ou programa específico. Por exemplo, a tecnologia divulgada aqui pode ser implementada por software escrito em C, C++, Java, ou qualquer outra linguagem de programação adequada. Da mesma forma, a tecnologia divulgada aqui não está limitada a qualquer particular computador ou tipo de hardware. Certos detalhes de computadores e hardware adequados são bem conhecidos e não precisam ser definidos em detalhe nesta descrição.
[00070] Adicionalmente, qualquer um dos exemplos com base em software (compreendendo, por exemplo, instruções executáveis por computador para fazer com que um computador auxilie no desempenho de qualquer um dos métodos divulgados aqui) podem ser carregados, baixados, ou remotamente acessados através de um meio de comunicação adequado. Tais meios de comunicação adequados incluem, por exemplo, a Internet, a World Wide Web, uma intranet, aplicativos de software, cabos (incluindo cabo de fibra óptica), comunicações magnéticas, comunicações eletromagnéticas (incluindo RF, micro-ondas, e comunicações em infravermelho), comunicações eletrônicas, ou outros tais meios de comunicação.
[00071] Um transistor de efeito de campo, ou FET, como provido aqui, compreende uma origem, um dreno, e um canal condutor que pode ser funcionalizado com uma porção ativa única. Por exemplo, uma enzima, anticorpo, aptâmero, ou outra molécula que pode ser ligada com o canal condutor pode ser usada como a porção ativa única. A interação da porção ativa com o substrato biológico apropriado resulta na alteração de um campo elétrico local ou a geração de cargas localizadas, que altera o fluxo de corrente através do canal que permite a identificação de uma reação biológica.
[00072] O FET pode ser um biossensor de efeito de campo de molécula única. Biossensores de FET podem ser operados em condições salinas biologicamente relevantes, por exemplo, na faixa de cerca de 1 mM até cerca de 100 mM. O comprimento de triagem de Debye de tais soluções salinas está na faixa de cerca de 0,3 nm até cerca de 10 nm, o que limita a zona de detecção até alguns nm fora da superfície do canal e geralmente reduz os níveis de sinal para a detecção limite.
[00073] O uso de concentrações salinas inferiores durante a medição aumenta o comprimento de Debye e melhora o sinal. No entanto, a redução da concentração salina em alguns casos em geral não é adequada para sensores em tempo real, onde a troca de tampão não é possível.
[00074] Em alguns exemplos da tecnologia divulgada aqui, a sensibilidade de bioFETs é aprimorada incorporando estados interceptados no canal de um transistor, e em particular dentro da zona de detecção ou na vizinhança da zona de detecção. Em outras palavras, a densidade de estado de armadilhas da nanoestrutura é modificada para uma porção da nanoestrutura em proximidade (dentro de uma distância menor do que o comprimento de triagem de Debye) com uma localização onde uma porção ativa é ligada com a nanoestrutura. Para cada mudança no comprimento de Debye LD na distância, o potencial elétrico de uma carga em solução diminui por 1/e. Os estados interceptados aumentados podem aprimorar a saída de sinal observada a partir de bioFETs sob condições biologicamente relevantes e aprimora o limite de detecção (LOD) do dispositivo de sensor.
[00075] As FIGS. 1A e 1B são os diagramas de vista lateral e de vista de topo 100 e 105, respectivamente, de um dispositivo semicondutor como pode ser fabricado e usado de acordo com a tecnologia divulgada aqui. Os diagramas 100 e 105 mostram as posições relativas de várias funcionalidades, mas não estão desenhadas em escala. O dispositivo semicondutor inclui uma origem 110, um dreno 120, e um portal (por exemplo, terminal de portal) 130. A origem 110 e o dreno 120 são acoplados através de um canal condutor implementado com uma nanoestrutura 140. Desta forma, a nanoestrutura 140 pode prover um canal eletricamente condutor. A nanoestrutura 140 pode incluir um nanofio de semicondutor (tal como um nanofio de silício), um nanotubo de semicondutor (tal como um nanotubo de carbono ou nanotubo de polímero com propriedades de semicondutor), uma nanofita de semicondutor (tal como uma nanofita de grafeno ou MoS2), ou outra nanoestrutura de semicondutor, ou uma combinação de dois ou mais dos ditos acima. Uma porção 150 da, mas não toda a, nanoestrutura 140 é modificada para ter uma densidade de estado de armadilhas aumentada com relação a outras porções (por exemplo, não modificadas) da nanoestrutura 140. A porção modificada 150 pode ser adicionalmente funcionalizada com uma porção ativa, tal como a porção de detecção 160. Uma ou mais porções de detecção 160 são ligadas com a nanoestrutura 140 através de um ligante 165. O ligante 165 pode ser parte da porção de detecção 160 ou conjugado com a mesma através de reações bioquímicas apropriadas. Por exemplo, uma corrente 165 pode ser usado para ligar uma porção 160 com a porção modificada 150 da nanoestrutura 140. Em alguns exemplos, uma ou mais porções de detecção 160 são ligadas com uma ou mais áreas modificadas (por exemplo, as porções 150) da nanoestrutura 140.
[00076] Em alguns exemplos, o dispositivo semicondutor é parte de um aparelho que inclui adicionalmente um vaso 170 pelo menos parcialmente englobando a nanoestrutura 140, o vaso 170 para receber uma solução de analito provendo a comunicação elétrica entre o terminal de portal e a nanoestrutura 140. Um vaso 170 pode ser um recipiente aberto ou fechado que engloba uma solução de analito 175 de forma que a solução está em contato com a nanoestrutura 140. Quando uma espécie química 179 (por exemplo, um nucleotídeo) da solução de analito 175 entra em contato com a porção de detecção 160, uma mudança na carga elétrica ou campo elétrico é induzido no canal condutor da nanoestrutura 140. Assim, informação sobre as espécies 179 do analito podem ser deduzidas observando mudanças na carga ou no campo elétrico a partir do transistor de FET compreendendo a origem 110, o dreno 120, e o portal 130. Como será adicionalmente descrito abaixo, como a porção modificada 150 da nanoestrutura 140 possui uma diferente densidade de estado de armadilhas, esta pode ser usada de maneira vantajosa para aumentar a razão de sinal para ruído do sinal gerado quando as espécies 179 interagem com a porção de detecção 160.
[00077] Como mostrado nas FIGS. 1A e 1B, a origem 110, o dreno 120, e/ou a nanoestrutura 140 são dispostas sobre uma camada de isolamento 180 que compreende, por exemplo, dióxido de silício. A camada de isolamento 180 por sua vez é disposta sobre um substrato, por exemplo, um substrato de silício 190. O substrato de silício 190 pode incluir um terminal de corpo 195 para aplicar um potencial elétrico para o substrato 190, que por sua vez pode ser usado para ajustar as características de desempenho do dispositivo semicondutor. Em um exemplo, o terminal de corpo 195 é acoplado com uma entrada de sinal modulado e o terminal de portal 130 é acoplado com uma voltagem fixa (por exemplo, em pó ou moído). Em outro exemplo, o terminal de portal 130 é acoplado com uma entrada de sinal modulado e o terminal de corpo 195 é acoplado com uma voltagem fixa (por exemplo, em pó ou moído). Em algumas implementações, a origem 110, o dreno 120, e o canal podem ser fabricados em um substrato de semicondutor a granel e isolado a partir do restante do circuito através da mesa ou isolamento de vala rasa.
[00078] Adicionalmente, como mostrado em alguns exemplos, um material de isolamento, por exemplo, polimetilmetacrilato (PMMA) pode cercar os terminais de origem 110 e de dreno 120, e uma porção da nanoestrutura 140. Os compartimentos de isolamento 197 e 198 proveem isolamento elétrico da origem 110 e do dreno 120, bem como resistência química. Em alguns exemplos, os compartimentos de isolamento 197 e 198 são desejavelmente quimicamente inertes para a solução de analito 175.
[00079] Em alguns exemplos, a porção modificada 150 da nanoestrutura 140 é gerada pela porção sendo funcionalizada com a porção ativa 165, que por sua vez aumenta a densidade de estado de armadilhas em que a porção da nanoestrutura 140 devido às interrupções da rede da nanoestrutura. Em alguns exemplos, a porção modificada 150 da nanoestrutura 140 é formada pela implantação de íon, irradiação de feixe energético, exposição ao plasma, ou uma combinação dos mesmos. Em alguns exemplos, a porção modificada 150 da nanoestrutura 140 é formada pela implantação de íon. Em alguns exemplos, a porção modificada 150 da nanoestrutura 140 é formada pela difusão. Em alguns exemplos, a porção modificada 150 da nanoestrutura 140 é formada por tratamento de plasma. Em alguns exemplos, a porção modificada 150 da nanoestrutura 140 é formada por irradiação de feixe energético, por exemplo, um elétron ou feixe de íons de hélio (He). Em alguns exemplos, a porção modificada 150 é formada através da ligação de uma enzima ou um aptâmero com a porção modificada 150, o que interrompe ligações atômicas da nanoestrutura 140. Em alguns exemplos, a enzima ligada ou aptâmero é ligada de maneira covalente com a porção modificada 150 da nanoestrutura 140. Em alguns exemplos, a porção ativa 165 é uma espécie única de um dos seguintes: uma enzima única, um anticorpo único, e um aptâmero único. Em outros exemplos, a porção ativa 165 inclui duas ou mais moléculas de uma enzima, um anticorpo, e/ou um aptâmero. Em alguns exemplos, a porção ativa 165 é parte de um anticorpo, um aptâmero, ou uma polimerase. Em alguns exemplos, a densidade de estado de armadilhas aumentada desejavelmente está em uma faixa de a partir de cerca de 1x1012 interceptações/cm2 até cerca de 1x1014interceptações/cm2 (tal como qualquer um de: a partir de cerca de 1x1012 interceptações/cm2 até cerca de 1x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 1x1013 interceptações/cm2 até cerca de 1x1014 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1012 interceptações/cm2 até cerca de 5x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 1x1012 interceptações/cm2 até cerca de 5x1012 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1012 interceptações/cm2 até cerca de 1x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 1x1013 interceptações/cm2 até cerca de 5x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1013 interceptações/cm2 até cerca de 1x1014 interceptações/cm2, a partir de cerca de 2x1013 interceptações/cm2 até cerca de 6x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 3x1013 interceptações/cm2 até cerca de 7x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 4x1013 interceptações/cm2 até cerca de 8x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1013 interceptações/cm2 até cerca de 9x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 1x1013 interceptações/cm2 até cerca de 2x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 2x1013 interceptações/cm2 até cerca de 3x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 3x1013 interceptações/cm2 até cerca de 4x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 4x1013 interceptações/cm2 até cerca de 5x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1013 interceptações/cm2 até cerca de 6x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 6x1013 interceptações/cm2 até cerca de 7x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 7x1013 interceptações/cm2 até cerca de 8x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 8x1013 interceptações/cm2 até cerca de 9x1013 interceptações/cm2, e a partir de cerca de 9x1013 interceptações/cm2 até cerca de 1x1014 interceptações/cm2). Em alguns exemplos, a densidade de estado de armadilhas aumentada desejavelmente está em uma faixa de a partir de cerca de 1x1012 interceptações/cm2 até cerca de 1x1014interceptações/cm2 (tal como qualquer um de: a partir de cerca de 1x1012 interceptações/cm2 até cerca de 1x1013interceptações/cm2, a partir de cerca de 1x1013 interceptações/cm2 até cerca de 1x1014 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1012 interceptações/cm2 até cerca de 5x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 1x1012 interceptações/cm2 até cerca de 5x1012 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1012 até cerca de 1x1013interceptações/cm2, a partir de cerca de 1x1013interceptações/cm2 até cerca de 5x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1013 interceptações/cm2 até cerca de 1x1014 interceptações/cm2, a partir de cerca de 2x1013 interceptações/cm2 até cerca de 6x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 3x1013 interceptações/cm2 até cerca de 7x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 4x1013 interceptações/cm2 até cerca de 8x1013 interceptações/cm2 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1013 interceptações/cm2 até cerca de 9x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 1x1013 interceptações/cm2 até cerca de 2x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 2x1013 interceptações/cm2 até cerca de 3x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 3x1013 interceptações/cm2 até cerca de 4x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 4x1013 interceptações/cm2 até cerca de 5x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 5x1013 interceptações/cm2 até cerca de 6x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 6x1013 interceptações/cm2 até cerca de 7x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 7x1013 interceptações/cm2 até cerca de 8x1013 interceptações/cm2, a partir de cerca de 8x1013 interceptações/cm2 até cerca de 9x1013 interceptações/cm2, e a partir de cerca de 9x1013 até cerca de 1x1014 interceptações/cm2). Em alguns exemplos, a densidade de estado de armadilhas aumentada desejavelmente está em uma faixa de a partir de cerca de 3x1013 interceptações/cm2 até cerca de 4x1013 interceptações/cm2 (tal como a partir de cerca de 3x1013 interceptações/cm2 até cerca de 4x1013 interceptações/cm2).
[00080] Quando o dispositivo semicondutor está em operação, uma diferença de voltagem é aplicada através da origem 110 e do dreno 120. Por exemplo, a origem 110 pode ser mantida em potencial terra e um maior potencial para o dreno 120, por exemplo, a partir de uma fonte de energia ou a partir de outro transistor, que por sua vez é acoplado com uma fonte de energia. O dispositivo semicondutor vai entrar em um estado (por exemplo, um estado de operação linear ou saturado) quando uma voltagem aplicada para o portal 130 excede a voltagem limite para o dispositivo semicondutor. A voltagem limite comumente é medida entre o portal 130 e a origem 110. Em alguns exemplos, um sinal elétrico variável com o tempo (por exemplo, um sinal variável com a voltagem) é aplicado para o portal 130, que por sua vez causes o fluxo de corrente entre a origem 110 e o dreno 120 do dispositivo semicondutor para variar de maneira correspondente. Em alguns exemplos, um sinal elétrico variável com o tempo (por exemplo, um sinal variável com a voltagem) é aplicado para a origem 110 ou o dreno 120, que por sua vez causes o fluxo de corrente entre a origem 110 e o dreno 120 do dispositivo semicondutor para variar de maneira correspondente. Como as moléculas, tal como a molécula 179, interagem com a porção de detecção 160, uma pequena mudança na voltagem limite do dispositivo semicondutor é induzida. Assim, através da observação e da medição de mudanças na voltagem limite, por exemplo, observando alterações no fluxo de corrente através do dispositivo ou da voltagem no dreno 120, informação sobre a molécula que interage 179 e a solução de analito 175 pode ser deduzida. Em exemplos onde o portal 130 recebe um sinal elétrico variável com o tempo, o terminal de corpo 195 pode ser mantido em um potencial constante, por exemplo, em um potencial terra. Em outros exemplos, o portal 130 é mantido em um potencial constante e um sinal elétrico variável com o tempo é aplicado para variar a voltagem no terminal de corpo 195 observando mudanças no fluxo de corrente através do dispositivo ou voltagem no dreno 120.
[00081] Enquanto o exemplo das FIGS. 1A e 1B mostra uma orientação horizontal da nanoestrutura 140 com relação ao substrato 190, será prontamente aparente para um perito na técnica tendo o benefício da presente descrição que outras orientações da nanoestrutura 140, por exemplo, orientações verticais com relação ao substrato 190, também podem ser usadas com as tecnologias divulgadas aqui. Em nanoestruturas de orientação vertical, densidades de estado de interceptação podem ser usadas de um modo similar como descrito acima, por exemplo, implantando íons para uma porção da nanoestrutura 140, através da realização de dopagem localizada da porção de nanoestrutura, ou ajustando a composição de uma origem material em um processo de deposição de vapor químico quando a nanoestrutura 140 é depositada sobre o substrato 190.
[00082] Moléculas de ligante adequadas 165 podem ser selecionadas dependendo da natureza do óxido do portal. Para SiO2, silanos ou outras moléculas de conjugação bioquímica adequadas podem ser usadas. Para materiais de portal de óxido de metal (tal como HfO2 e AlO3), fosfonatos, hidroxamatos, hidrazina, e combinações dos mesmos, ou outras moléculas de conjugação bioquímica adequadas, podem ser usados. Para materiais com base em carbono, pireno, antraceno, carboxilato (e combinações dos mesmos), ou outras moléculas de conjugação bioquímica adequadas, podem ser usados. A espécies de dopante selecionado é dependente de se os estados interceptados desejados devem ser doadores, aceptores ou neutros. Espécies dopantes apropriadas podem ser escolhidas a partir do gráfico 1300 discutido abaixo com relação à FIG. 13. Por exemplo, um implante de carbono (C) pode criar estados de borda de condução, enquanto um implante de Índio (In) pode criar estados de borda de valência.
[00083] Em FETs tradicionais, quando uma ou mais dimensões (por exemplo, comprimento, largura eficaz, ou comprimento de canal) de FET está acima de cerca de 100 nm, a presença (inevitável) de estados interceptados é manifestada em ruído de 1/f. No entanto, quando a dimensão de FET é reduzida abaixo de cerca de 50 nm, o espectro de ruído muda dramaticamente e se manifesta como um nível de corrente biestável chamado de ruído de telégrafo aleatório (RTN).
[00084] Um gráfico 200 mostrando um exemplo de alterações no fluxo de corrente em um FET funcionalizado é mostrado na FIG. 2.
[00085] Um gráfico 300 de fluxo de corrente que exibe RTN em um FET de 20 nm é mostrado na FIG. 3. Como mostrado, o sinal é estável e oscila de maneira aleatória entre dos níveis discretos.
[00086] A origem de RTN está no aprisionamento e desaprisionamento de um único portador de carga dentro do canal de FET. A FIG. 4 ilustra níveis de energia que podem ser portados por portadores de carga em um material semicondutor, como pode ser usado na tecnologia descrita aqui. As interceptações em geral são classificadas como interceptadores de aceptor 400 ou interceptadores de doador 410. Estados interceptados envolvem energias maiores do que a energia térmica do material semicondutor para ionizar e assim tendem a não contribuir portadores livres para o material semicondutor. Assim, estados interceptados em um material tendem a restringir o fluxo de carga. Na presença de ambos os tipos de interceptações, uma notação conveniente para descrever a estrutura de banda do semicondutor é a noção de um nível neutro E0. Todos os estados acima ou abaixo de E0 são considerados como sendo estados aceptores ou doadores, respectivamente. Quando o nível de Fermi EF está acima ou abaixo de E0, a carga global das interceptações é negativa ou positiva, respectivamente, como mostrado no gráfico 420.
[00087] Quando a voltagem é aplicada à superfície do semicondutor, por exemplo, a partir de uma reação bioquímica que deposita carga próximo da superfície do sensor, as interceptações de interface (e portanto o nível neutro E0) se movem para cima ou para baixo com a bordas de banda de condução e valência, enquanto o nível de Fermi EF permanece fixo. Isto resulta em uma carga relativa no deslocamento entre EF e E0 e, portanto, uma mudança na carga fixa na interface óxido/semicondutor, ΔCox, que por sua vez desloca a voltagem limite do transistor como descrito pela Equação 1:
[00088] Este deslocamento de VT é sobre e acima do deslocamento causado pela reação bioquímica. Portanto, com base na Equação 1 sozinha, pode-se esperar que um sensor com estados interceptados exiba sensibilidade superior. No entanto, estados interceptados também são conhecidos de reduzir a resposta de transistor degradando a inclinação da curva de transferência de IDVG, como mostrado no gráfico 500 ilustrado na FIG. 5. O eixo x corresponde com voltagem de portal para origem (VG) e o eixo y corresponde com corrente de dreno de FET (ID). Para aumentar densidades locais de estado de interceptação, a corrente de dreno se degrada como mostrado (0,0 de densidade de estado de armadilhas (número de referência 510); 1x1013 (520); 5x1013 (530); e 1x1014(540)).
[00089] Como a resposta do sensor é diretamente . dlD „ ,proporcional com
e, como mostrado no gráfico 600 da FIG. d VG6, estados interceptados reduzem a inclinação da curva de IDVG, existem dois efeitos competindo no aprimoramento de sensibilidade de sensor devido à modulação de ΔCox adicional, e uma degradação devido à redução da inclinação da curva de IDVG, resultando em um máximo global em uma certa densidade de interceptação. O eixo x corresponde com densidade de interceptação e o eixo y corresponde com sensibilidade de carga de FET em uma região de detecção. A sensibilidade de FET para aumentar ΔCox (610) e para a correspondente degradação na ID de corrente de dreno (620) é mostrada. A sensibilidade combinada com base nestes dois fatores (630) também é mostrada, que exibe um máximo (640).
[00090] Como será prontamente aparente para um perito na técnica tendo o benefício da presente descrição, a localização das interceptações na vizinhança da reação bioquímica sendo detectada aumenta o aprimoramento esperado na sensibilidade, já que os estados interceptados além de mais de alguns comprimentos de Debye para longe do local da reação bioquímica contribuem para a degradação de IDVG, mas não a modulação de ΔCox.
[00091] O comportamento esperado de um sensor na presença de estados interceptados pode ser confirmado com uma simulação detalhada. Um exemplo de geometria de simulação de um dispositivo semicondutor que pode ser implementado em alguns exemplos da tecnologia divulgada aqui é mostrado no diagrama 700 da FIG. 7. Um nanofio de silício mostrado com 20 nm de largura e 100 nm de comprimento (710) com regiões de origem/dreno altamente dopadas (720, 725, respectivamente) e um óxido de portal de 2 nm de espessura é imerso em solução salina 10 mM (730). Resposta do sensor foi estimada por computação da diferença ΔI nas curvas de IDVG com e sem uma carga externa +2e (740) (onde e é a carga elementar do elétron) posicionada a 1 nm de distância da superfície do óxido de portal. A razão de sinal para ruído (SNR) é computada como Al/δl, onde δl é o ruído de nanofio esperado, aproximado a partir de Johnson, chutado, e componente de 1/f. O ruído de 1/f é computado a partir do modelo de Hooge S2(f) = a/Nf onde a é a constante de Hooge (2,1x10-3), N é o número de portadores no canal, e f é a frequência. Uma largura de banda de medição de 100 KHz foi assumida nesta simulação de exemplo. A densidade de estado de armadilhas é aumentada para quantidades variáveis entre 1012 e 1014/cm2 na região de detecção 750 mostrada, que está localizada entre a carga externa 740 e o nanofio 710.
[00092] A FIG. 8 é um gráfico 800 que traça ΔI como uma função de VG (810) para o sensor representado na FIG. 7 com a densidade de interceptação Nt = 1012/cm2. O SNRcomputado (AI/δI) como uma função de VG também é traçado (820). Um pico forte 825 próximo do ponto de transcondutância d|D máxima
- e observado em VG de ~0,4 V. m dVG
[00093] A FIG. 9 é um gráfico 900 com um gráfico 910 do SNR de pico como uma função de Nt para uma série de tais computações realizadas para estados de lacuna média com Nt = 0-1014/cm2. Uma resposta de pico é observada, como esperado com base na discussão anterior, com quase 3x o aprimoramento em SNR relativo para o caso livre de interceptação.
[00094] Deve ser notado que a magnitude do aprimoramento de SNR e a densidade de interceptação específica de SNR máximo depende de um grande número de fatores — detalhes do projeto de transistor, salinidade do eletrólito, a posição dos estados de interceptações com relação à carga externa e a interface de óxido de portal/canal, a posição dos estados interceptados com relação à banda de condução e valência do semicondutor, e outros fatores relevantes. Enquanto o ganho de SNR de pico pode variar, e pode ser ajustado de maneira empírica para fatores que afetam o desempenho de FET (por exemplo, dopagem de origem, dopagem de canal, distância de sobreposição, espessura de óxido de portal, profundidade de origem, dreno, e regiões de sobreposição, etc.), a forma geral da resposta não vai. Em outras palavras, introduzir de maneira deliberada apropriadamente estados interceptados alvo na zona de detecção em geral vai aprimorar a resposta do sensor.
[00095] A FIG. 10 é um diagrama 1000 que representa uma anexação covalente de uma porção de detecção para a superfície do nanofio. A criação de ligações covalentes interrompe as ligações atômicas na vizinhança do sítio de anexação 1010 e cria estados interceptados localizados. A seleção de moléculas ligantes usada é baseada na natureza da superfície do sensor de FET. Exemplos adequados de moléculas ligantes que podem ser usadas incluem, mas não estão limitados a: silanos para SiO2; fosfonatos, hidroamatos, e hidrazinas para óxidos de metal tal como HfO2; pireno, antraceno, e carboxilato para superfícies com base em carbono ou qualquer outro número de uma multiplicidade de reações de bioconjugação adequadas.
[00096] A FIG. 11 é um diagrama 1100 ilustrando que a densidade e a posição dos estados interceptados podem ser controladas de cima para baixo com técnicas de fabricação de semicondutor pré-existentes ou usando irradiação de feixe carregado (por exemplo, feixe de elétron, feixe de íon, irradiação de plasma, ou implantação de íon de espécie não dopante).
[00097] A FIG. 12 é um diagrama 1200 ilustrando que a densidade e a posição dos estados interceptados também podem ser controladas a partir de dopagem localizada. Para nanofios horizontais, a dopagem é alcançada através de dopagem por difusão ou implante. Para nanofios verticais a dopagem também pode ser controlada durante o crescimento.
[00098] Como mostrado no gráfico 1300 da FIG. 13, dosagem e espécie de implante podem ser selecionadas para criar interceptações do tipo desejado, de acordo com as energias de ionização medidas para várias impurezas em Si e submetidas a outras restrições de otimização impostas pela tecnologia de fabricação de FET.
[00099] Em um exemplo, a partir de uma perspectiva física, uma solução iônica, tal como Na+Cl- ou K+Cl-, é indistinguível a partir da coleção de íons positivos e negativos, e pode ser descrita de maneira mais geral como um plasma. Todos os plasmas possuem uma frequência característica, chamada de “frequência de plasma” (PF) acima da qual eles se tornam transparentes para o sinal elétrico aplicado. A frequência de plasma é proporcional a m-1/2 onde m é a massa da espécie carregada. Acima da frequência de plasma, o campo elétrico muda muito rápido e a inércia da espécie carregada não permite que eles se movam com o campo elétrico e absorvam energia a partir do mesmo.
[000100] Metais são um exemplo comum de alvo para gerar um plasma. Metais são completamente opacos à radiação visível, mas podem ser transparentes aos raios x. Plasmas de gás (por exemplo, Ar+/e-) são opacos até várias centenas de kHz mas se tornam transparentes na faixa de MHz. De maneira similar, soluções salinas iônicas, onde os portadores de carga são de massa similar com N, Ar podem ser esperados de se tornar transparentes na faixa de MHz.
[000101] A partir de um ponto de vista da detecção a transição de uma solução iônica a partir de opaco para transparente possui uma implicação importante. Abaixo da frequência de plasma, campo elétricos em um decaimento de solução como exp(-x/LD)/x, onde LD é o comprimento de Debye do plasma. Acima da frequência de plasma, campos elétricos em uma solução atrasam como 1/x, uma taxa muito mais fraca de decaimento. A razão da taxa de decaimento de frequência de plasma abaixo/acima é exp(-x/LD) .
[000102] Retornando à FIG. 1, a solução de analito 175 que está em contato com a nanoestrutura pode ser descrita em geral como um plasma. Tais plasmas possuem uma frequência característica chamada de uma frequência de plasma acima da qual eles se tornam transparentes para os analitos na solução. Através da aplicação de um sinal elétrico acima da frequência de plasma para o portal 130, a inércia de espécies carregadas na solução evita que elas se movam com o campo elétrico e assim cessa a energia de absorção, desta forma se tornando transparentes.
[000103] Para soluções biológicas na faixa a partir de cerca de 10 mM até cerca de 100 mM, LD está na faixa de a partir de cerca de 0,3 nm até cerca de 3 nm. Isto pode ter implicações para biossensores que operam no princípio do efeito de campo, já que em muitos exemplos os biossensores respondem aos campos gerados dentro de 1 nm a 3 nm da superfície do sensor. Mesmo então os campos são atenuados antes de alcançar a superfície do sensor até uma extensão em que limita ou negligencia a detecção do correspondente efeito de campo pelo sensor. Por exemplo, o campo elétrico de uma carga 2 nm afastada do sensor, imerso na solução 50 mM, será atenuado ~7x (e-2) mais forte abaixo da frequência de plasma então acima do mesmo. Assim, o potencial para aprimoramento de SNR operando acima da frequência de plasma é significativo.
[000104] A FIG. 14 é um gráfico 1400 traçando a ID de corrente de um exemplo sensor de efeito de campo (um nanotubo de carbono) imerso em NaCl 100 mM na ausência (1410) e na presença (1420) de uma ligação de estreptavidina/biotina na sua superfície. O gráfico mostra a ligação de biotina- estreptavidina na sua superfície como uma função da frequência de medição. A concentração de NaCl é de 100 mM, e o comprimento de Debye é de ~0,3 nm. Como mostrado, devido à forte triagem (LD de ~0,3 nm) o sensor é incapaz de detectar a presença de biotina abaixo de 2 MHz. Em contraste, uma resposta diferencial clara é observada acima de 10 MHz, a qual está acima da frequência de plasma esperada da solução de NaCl.
[000105] Em alguns exemplos da tecnologia divulgada aqui, um circuito de medição de corrente mista 1510 com um sinal de entrada modulado por amplitude, como ilustrado no diagrama 1500 na FIG. 15, pode ser usado para medir ID. No entanto, para maiores arranjos de sensores (por exemplo, arranjos tendo centenas de sensores ou milhares de sensores ou mais sensores) o uso de tais circuitos pode se tornar trabalhoso e o uso de tais circuitos pode ser infactível nas tecnologias de processo de corrente para arranjos que consistem de milhões de sensores.
[000106] Em adição, pode existir pelo menos dois problemas com esquemas de detecção que usam tal circuito de medição de corrente mista. Primeiramente, um sinal de RF de alta frequência é alimentado em uma base por sensor enquanto se controla o deslocamento de fase do sinal. Este problema é similar com aquele da distribuição de relógio em um microprocessador moderno. Enquanto problemas de circuito podem ser endereçados através do uso de apropriado circuito e técnicas de projeto, existe um custo de estado real no chip que não pode ser usado para a detecção. Um segundo problema é o uso de amplificação de trava por pixel. Amplificadores de trava são circuitos complexos que resultam em sobrecarga drástica em termos de área de circuito integrada quando implementada.
[000107] Em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui, circuitos com osciladores controlados por voltagem (VCOs) em uma configuração de ciclo de fase travada (PLL) são usados para a geração por sensor e a detecção do sinal de alta frequência. Uma ilustração esquemática 1600 de um exemplo sensor é mostrada na FIG. 16. Um número ímpar de inversores (três na figura ilustrada: 1610, 1611, e 1612) formam um oscilador de anel 1620 que ressona em uma frequência fixa. Uma reação biológica, mostrada de uma maneira generalizada como uma enzima 1630 anexada com o portal de um dos transistores nos inversores de oscilador, assim provê uma carga variável para um ou mais portais de FETs no oscilador de anel, que desloca a sua frequência ressonante. Em outros exemplos, mais do que uma enzima pode ser anexada com um único portal de transistor. A frequência de oscilação do oscilador de anel (RO) é dependente da tecnologia usada para fabricar os inversores, e o número de inversores no oscilador. Para as tecnologias de fabricação de semicondutor de oxido de metal complementar contemporâneo (CMOS), a frequência ressonante de um oscilador de 3 estágios pode ser tão alta quanto alguns GHz. Em alguns exemplos, mais do que um estágio de inversor do oscilador de anel é funcionalizado com diferentes porções que produzem efeitos distintos na frequência de oscilação na presença de uma reação biológica, por exemplo, um estágio pode responder através do aumento da frequência de oscilação do oscilador, e outro pode responder diminuindo a frequência de oscilação. Tais implementações podem ser particularmente desejáveis em certos exemplos de detecção multiplexada.
[000108] Um exemplo de um circuito adequado para cada um dos estágios de inversor é mostrado na esquemática 1700 da FIG. 17. Dois transistores, um PMOS 1710 e um NMOS 1720, respectivamente chamado de transistores de puxar para cima (PU) e de puxar para baixo (PD), são conectados como mostrado na FIG. 17. Quando o sinal na porta de IN é alto, o transistor de PU está desligado enquanto o transistor de PD está ligado, resultando em baixo potencial na porta de SAÍDA. Reciprocamente, quando o sinal de IN é baixo, o transistor de PD está desligado enquanto o transistor de PU está ligado, resultando em alto potencial na porta de SAÍDA. Portanto, este circuito inverte a polaridade do sinal de entrada e, assim, tem o nome de “inversor.”
[000109] Em alguns exemplos da tecnologia divulgada aqui, uma enzima, por exemplo, uma polimerase, será anexada com o portal tanto do transistor de PU quanto de PD de um dos estágios de inversor de RO. O campo elétrico gerado tanto pela enzima que trabalha no seu substrato do tipo selvagem (por exemplo, desoxinucleotídeos (dNTPs), ou em um substrato modificado (por exemplo, dNTPs marcados por carga, como um exemplo não limitante), vai alterar o desempenho do particular estágio de inversor de uma maneira dependente do tempo e assim muda a frequência ressonante do oscilador de anel 1620. Em alguns exemplos, o FET em que a enzima é anexada pode ter a sua densidade de estado de armadilhas local aumentada próximo do ou no local onde a enzima é ligada com um canal de nanoestrutura. No inversor da FIG. 17, um componente adicional 1730 pode ser adicionado para modelar uma enzima ligada com o canal de transistor próximo de ou em uma região de densidade aumentada de estado de interceptador local. Neste exemplo, o oscilador de anel 1620, portanto, está se comportando como um oscilador controlado de voltagem biologicamente acionada (b VCO). Em alguns exemplos, apenas o FET ligado com a enzima possui um canal de nanoestrutura, e os outros FETs são transistores de PMOS ou NMOS com um metal ou portal de polisilício. Em alguns exemplos, todos os FETs no oscilador de anel 1620 possuem canais de nanoestrutura (por exemplo, um canal de nanofio ou nanotubo). Em alguns exemplos, apenas o FET ligado com a enzima está em contato com uma solução de analito, enquanto em outros exemplos, um ou mais ou todos os FETs estão em contato com a solução de analito.
[000110] Um modo eficiente de detectar as pequenas mudanças na frequência ressonante de um b-VCO é através de um ciclo de fase travada (PLL) . Em alguns exemplos, o PLL inclui dois VCOs — um b-VCO em que a frequência é controlada pela reação biológica sendo detectada, e um oscilador que rastreia as alterações na frequência de b-VCO ajustando uma voltagem fornecida externamente de maneira a manter uma diferença de fase constante entre a sua oscilação e aquela de b-VCO. Como usado aqui, este segundo VCO é dobrada a detecção de VCO, ou s-VCO.
[000111] Como mostrado na esquemática 1800 da FIG. 18, a operação deste tipo de circuito pode ser confirmada com uma simulação de SPICE. O b-VCO pode ser simulado como um oscilador de anel 1810 onde uma fonte externa 1820 fornece uma pequena perturbação na entrada de um dos estágios de inversor 1830, como mostrado na FIG. 18.
[000112] Uma pequena voltagem Vsignal a partir da origem de voltagem 1820 é aplicada para a entrada do segundo estágio de inversor 1830 em paralelo com o sinal normal a partir do ciclo de RO principal. O sinal a partir de b-VCO é batido no ponto detectando e alimentado para s-VCO para rastreamento de fase.
[000113] O restante de PLL é simulado como mostrado na esquemática 1900 da FIG. 19. Um adicionador de voltagem marcado PD adiciona as saídas de b-VCO e s-VCO. Um filtro de passa baixa compreendendo os resistores R1 e o capacitor C1 converte o sinal de alta frequência para uma voltagem de DC que é proporcional à diferença de fase entre oscilações de b-VCO e s-VCO. O amplificador marcado FG amplifica este sinal de DC e alimenta o mesmo de volta para s-VCO, desta forma provendo um ciclo de resposta onde a frequência de s-VCO se ajusta para manter o deslocamento de zero grau com o sinal a partir de b-VCO. A saída do amplificador FG também é monitorada por um disparador de Schmidt A1 que dispara em uma voltagem de grupo produzindo, uma lógica um (1) quando a voltagem a partir de FG está acima de um certo nível, e lógica zero (0) de outra maneira. Deve ser notado que o amplificador FG e o disparador de Schmidt são adicionados para o circuito simulado para instrumentação de simulações e não pode ser usado necessariamente em uma implementação real. Também deve ser notado que a implementação de circuito de PLL descrita aqui é um exemplo ilustrativo e que outras implementações de circuito podem ser usadas, como será mais prontamente entendido pelos peritos na técnica tendo o benefício da presente descrição.
[000114] A FIG. 20 inclui um número de gráficos (2000, 2010, 2020, e 2030) mostrando os sinais de voltagem observados em vários pontos no circuito ilustrado na esquemática 1900 da FIG. 19. O sinal de entrada 2000 possui um SNR de 0,3 e não pode ser chamado de com um único disparador de nível. O sinal de saída 2010 possui SNR>10 e é facilmente exigível com um disparador de nível único. O disparador emite uma lógica 1 acima de 28 mV e uma lógica 0 abaixo deste nível. Um sinal intermediário observado na saída do amplificador de FG também é mostrado no gráfico 2020. Uma resposta idealizada a partir da enzima é modelada como a alteração simulada na saída de voltagem pelo adicionador de voltagem de PD usado para modelar a interação com a enzima de detecção é mostrada no gráfico 2030, que também é mostrada na FIG. 20.
[000115] Deve ser notado que a frequência de oscilação dos osciladores de anel de 3 estágios usados nesta simulação é aproximadamente 6 GHz, como mostrado no gráfico 2100 da FIG. 21. Isto está bem acima da frequência de plasma da solução iônica de NaCl usada, que está em torno de 2 MHz (ver a FIG. 14). Portanto, a sensibilidade aprimorada para o sensor das FIGS. 1A-1B é demonstrada. A frequência de exemplo de oscilador de anel também está bem acima da largura de banda do sinal esperado (aproximadamente 100 kHz - 1 MHz), que é então configurado em ordem para o PLL a ser capaz de responder.
[000116] Em sumário, PLLs com b-VCOs pode ser usado para detectar sinais biológicos ruidosos, particularmente em concentrações salinas biologicamente relevantes. Em alguns exemplos, densidade de estado de armadilhas de um bio-FET usado nas configurações de oscilador de anel divulgadas aqui são usadas. Os circuitos vantajosamente podem exibir o uso inferior de área de circuito integrada e ser implementada em nodos de fabricação maduros. Para o exemplo das FIGS. 16 a 20, os dois VCOs usam um total de 6 transistores, mais uns adicionais de 6 a 10 transistores para o detector de fase. O sinal de saída do circuito varia com uma frequência que varia a partir de cerca de 10 KHz até cerca de 100 KHz, bem como as taxas de MHz+ usadas para a implementação do método travado. Portanto, o método permite aumentar a escala do esquema de detecção de alta frequência para milhares e potencialmente milhões de sensores em uma matriz de circuito integrado única.
[000117] A FIG. 22 é um diagrama de bloco 2200 ilustrando um sistema que pode ser usado para analisar soluções de analito usando sensores de FET tendo sensibilidade aprimorada devido às alterações localizadas na densidade de estado de armadilhas, como pode ser usado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui. Como mostrado, um arranjo 2210 de dispositivos semicondutores possuem canais condutores com densidades modificadas de estado de interceptação de acordo com as técnicas discutidas aqui. Em alguns exemplos, cada um dos dispositivos semicondutores ou grupos de dispositivos do arranjo 2210 possui um respectivo vaso que recebe uma solução de analito. Tal implementação pode ser útil para medições multiplexadas no mesmo chip. Em outros exemplos, um vaso pode receber uma solução de analito e pode ser configurado para ser um contato com canais condutores de dois ou mais dispositivos semicondutores. Fios que levam a e a partir dos terminais do dispositivo semicondutor são acoplados com circuitos de instrumentação 2220 como descrito aqui. Por exemplo, circuitos de detecção de fase incluindo implementações de oscilador de anel divulgados aqui podem ser acoplados com respectivos dispositivos semicondutores do arranjo. Em alguns exemplos, os circuitos de instrumentação são implementados no mesmo substrato que o arranjo. Em outros exemplos, toda a porção ou uma porção dos circuitos semicondutores é implementada em um circuito integrado separado que é acoplado com o substrato que suporta o arranjo. Por exemplo, os circuitos de instrumentação podem ser conectados com o arranjo através de traços condutores em uma placa de circuito impressa, dentro de um módulo de múltiplos chips, ou em um pacote de múltiplas matrizes.
[000118] Um circuito de interface 2230 transmite e recebe sinais analógicos para e a partir dos circuitos de instrumentação 2220 de maneira a controlar a operação e para detectar alterações elétricas induzidas nos dispositivos semicondutores do arranjo. Em alguns exemplos, os circuitos de instrumentação incluem um oscilador de anel acoplado com cada um dos dispositivos semicondutores que implementam um sensor de bioFET. Em outros exemplos, os circuitos de instrumentação 2220 recebem sinal de saídas a partir de dois ou mais sensores de bioFET. A interface por sua vez pode converter os sinais analógicos em um digital adequado que codifica para o uso por um ou mais processadores 2245 dentro de um computador de sequenciador 2240. O sequenciador 2240 pode incluir também a memória 2250, o armazenamento não volátil 2255 e porções de I/O 2260.IX. Exemplo de Método de fabricação de Dispositivos semicondutores
[000119] A FIG. 23 é um fluxograma 2300 que destaca um exemplo de método de fabricação, como pode ser realizado em certos exemplos da tecnologia divulgada aqui. Por exemplo, dispositivos semicondutores tal como aqueles descritos acima podem ser fabricados usando o método ilustrado.
[000120] No bloco de processo 2310, uma nanoestrutura é depositada sobre um substrato tendo pelo menos uma região de origem e pelo menos uma região de dreno dentro do ou sobre o substrato para formar um canal eletricamente condutor entre a região de origem e a região de dreno. A nanoestrutura possui uma densidade de estado de armadilhas ajustada para uma porção da, mas não toda a, nanoestrutura. Por exemplo, a densidade de estado de armadilhas pode ser aumentada ou diminuída de acordo com uma densidade selecionada de estado de interceptação. Em alguns exemplos, densidade de estado de armadilhas aumentada é induzida na nanoestrutura através de ligação covalente de uma porção ativa com uma porção da nanoestrutura. Assim, a ligação da porção ativa cria estados interceptados que são auto-alinhados com a localização de porção. Em alguns exemplos, a densidade de estado de armadilhas é aumentada através da implantação de íons na porção de nanoestrutura. Em alguns exemplos, dopagem localizada é realizada de maneira a aumentar a densidade de estado de armadilhas da porção de nanoestrutura. Em alguns exemplos, a densidade de estado de armadilhas é aumentada ajustando uma composição da origem material em um processo de deposição de vapor químico quando se deposita a nanoestrutura sobre o substrato. Em alguns exemplos, a nanoestrutura compreende um ou mais nanofios de silício, nanofitas de grafeno, nanofitas de MoS2 e/ou nanotubos de carbono.
[000121] Em alguns exemplos do método, um ou mais parâmetros são selecionados para o dispositivo semicondutor. Por exemplo, um parâmetro de ΔCox desejado, uma corrente de dreno desejada para medir a resposta de voltagem, ou ambos os parâmetros são selecionados. Uma densidade de estado de armadilhas desejada correspondendo com os parâmetros modificados para a porção de nanoestrutura é selecionada. A densidade de estado de armadilhas pode ser aumentada de acordo com a densidade de estado de armadilhas selecionada. Em alguns exemplos, um material e/ou dosagem é selecionado de acordo com a densidade de estado de armadilhas desejada.
[000122] No bloco de processo 2320, uma porção ativa de uma molécula única é ligada com a porção de nanoestrutura. Por exemplo, a porção ativa pode ser ligada de maneira covalente com a nanoestrutura. Em alguns exemplos, mais do que uma molécula é ligada com a porção de nanoestrutura.
[000123] A FIG. 24 é um fluxograma 2400 que destaca um exemplo de uso de um dispositivo semicondutor como pode ser realizado de acordo com a tecnologia divulgada aqui. Por exemplo, os dispositivos semicondutores como discutidos acima podem ser usados para implementar o método ilustrado.
[000124] No bloco de processo 2410, uma enzima é ligada com um canal de um transistor de efeito de campo em proximidade com uma zona de detecção. O transistor de efeito de campo possui um terminal de origem, um terminal de dreno, e uma nanoestrutura para prover um canal condutor entre o terminal de origem e o terminal de dreno. Uma zona de detecção inclui uma região de densidade de estado de armadilhas relativamente mais alta na nanoestrutura.
[000125] No bloco de processo 2420, uma solução iônica é provida em proximidade com a zona de detecção. Por exemplo, a solução iônica pode incluir uma solução salina tendo uma salinidade selecionada, e porções de um ou mais analitos na solução. Em algum exemplo, a solução possui uma salinidade que varia a partir de cerca de 1 mM até cerca de 500 mM. Um vaso pode ser usado para impelir a solução de íon em contato com a nanoestrutura, incluindo a zona de detecção da nanoestrutura.
[000126] No bloco de processo 2430, um sinal é aplicado para um terminal do transistor de efeito de campo. Por exemplo, um sinal que varia com o tempo pode ser aplicado para o terminal de portal, ou o terminal de corpo do dispositivo semicondutor. Em alguns exemplos, o sinal é modulado em uma frequência que excede pelo menos a frequência de plasma da solução iônica provida. Para um exemplo, o sinal aplicado é modulado em uma frequência que excede cerca de 1 MHz. Para outro exemplo, a frequência pode exceder substancialmente 10 MHz. O sinal pode ser aplicado para um terminal de portal ou um terminal de corpo do transistor de efeito de campo. Por exemplo, o sinal é provido para um terminal de corpo transistor de efeito de campo, e o terminal de portal está mantido em uma voltagem fixa. Em alguns exemplos, o sinal que varia com o tempo é gerado por uma reação biológica em si, que está ocorrendo em proximidade com a zona de detecção. Desta forma, nos exemplos divulgados aqui, a origem do sinal variável pode ser tanto um potencial aplicado externamente, quanto uma carga variável ou campo elétrico produzido pela reação biológica em si.
[000127] No bloco de processo 2440, alterações no fluxo de corrente através do transistor de efeito de campo são em resposta ao sinal aplicado detectado. As mudanças de fluxo de corrente são causadas por alterações na condutividade do dispositivo, que serão observadas como moléculas e o analito interage com a porção ligada na zona de detecção. Estas alterações podem ser detectadas usando, por exemplo, um oscilador de anel onde pelo menos um inversor do oscilador de anel inclui o transistor de efeito de campo tendo a zona de detecção. Em outros exemplos, diferentes circuitos são providos para detectar mudança de fases de um sinal de saída do transistor de efeito de campo com relação ao sinal aplicado para o transistor terminal. Em alguns exemplos, o método inclui adicionalmente sequenciar uma série de nucleotídeos em uma molécula de ácido desoxirribonucleico (DNA) ou ácido ribonucleico (RNA) com base nas alterações detectadas. Em outros exemplos, o método inclui adicionalmente a detecção de um nucleotídeo com base nas alterações detectadas.
[000128] Alguns exemplos do método podem incluir adicionalmente a provisão de um circuito de oscilador de anel tendo pelo menos um inversor do oscilador de anel incluindo um transistor de efeito de campo tendo uma zona de detecção modificada como divulgada aqui.
[000129] Em alguns exemplos da tecnologia divulgada aqui, um ou mais dispositivos de armazenamento legíveis por computador ou memória que armazena instruções legíveis por computador que quando executadas por um computador, fazem com que o computador para realizar pelo menos qualquer um dos métodos divulgados aqui. Em alguns exemplos, um sistema é configurado para realizar pelo menos uma porção de qualquer um de os métodos divulgados aqui. Em alguns exemplos, um sistema é acoplado com dispositivos de armazenamento legíveis por computador ou memória que armazena instruções legíveis por computador que quando executadas, fazem com que o sistema realize pelo menos qualquer um dentre os métodos divulgados aqui.
[000130] Também deve ser percebido que todas as combinações dos conceitos anteriores e conceitos adicionais discutidos em maior detalhe abaixo (provido que tais conceitos não são mutuamente inconsistentes) são contemplados como sendo parte da matéria inventiva divulgada aqui. Em particular, todas as combinações da matéria reivindicada que aparecem no final desta descrição são contempladas como sendo parte da matéria inventiva divulgada aqui. Também deve ser percebido que a terminologia explicitamente empregada aqui também pode aparecer em qualquer descrição incorporada por referência e deve ser concedida um significado mais consistente com os conceitos particulares divulgados aqui.
[000131] Referência através deste relatório descritivo a “um exemplo”, “outro exemplo”, “um exemplo”, e assim por diante, quer dizer que um particular elemento (por exemplo, funcionalidade, estrutura e/ou característica) descrito em conjunto com o exemplo é incluída em pelo menos um exemplo descrito aqui, e pode ou não estar presente em outros exemplos. Em adição, deve ser entendido que os elementos descritos para qualquer exemplo podem ser combinados de qualquer maneira adequada nos vários exemplos a menos que o contexto dite claramente de outra forma.
[000132] Enquanto vários exemplos foram descritos em detalhe, deve ser entendido que os exemplos divulgados podem ser modificados. Portanto, a descrição anterior deve ser considerada não limitante.
Claims (26)
1. Dispositivo semicondutor caracterizado pelo fato de que compreende:uma origem (110);um dreno (120);um canal compreendendo uma nanoestrutura (140), a nanoestrutura (140) compreendendo uma porção não modificada e uma porção modificada (150) incluindo uma espécie dopante localizada, a porção modificada (150) tendo uma densidade de estado de armadilhas aumentada em relação a porção não modificada, e a porção modificada (150) sendo funcionalizada com uma fração ativa; eum terminal de portal (130) em comunicação elétrica com a nanoestrutura (140).
2. Dispositivo semicondutor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a nanoestrutura (140) compreende pelo menos um de: um nanofio, um nanotubo e uma nanofita.
3. Dispositivo semicondutor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a nanoestrutura (140) compreende pelo menos um de: um nanofio de silício, um nanotubo de carbono, um nanofio de polímero, uma nanofita de grafeno e uma nanofita de MoS2.
4. Dispositivo semicondutor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a nanoestrutura (140) compreende pelo menos um de: grafeno, siliceno e fosforeno.
5. Dispositivo semicondutor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a porção modificada é formada por implantação de íon, dopagem por difusão, irradiação de feixe energético, exposição ao plasma, ou uma combinação dos mesmos.
6. Dispositivo semicondutor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:a fração ativa compreende uma enzima ou um aptâmero que é ligado com a porção modificada da nanoestrutura (140).
7. Dispositivo semicondutor, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a enzima ligada ou aptâmero é ligado de maneira covalente com a porção modificada da nanoestrutura (140).
8. Dispositivo semicondutor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a fração ativa é uma molécula única de um dos seguintes: uma enzima única, um anticorpo único e um aptâmero único.
9. Dispositivo semicondutor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a densidade de estado de armadilhas aumentada está em uma faixa de cerca de 1x1012 interceptações / cm2 até cerca de 1x1014 interceptações / cm2.
10. Aparelho caracterizado pelo fato de que compreende:o dispositivo semicondutor, conforme definido na reivindicação 1; eum vaso (170) pelo menos parcialmente englobando a nanoestrutura (140), o vaso (170) para receber uma solução de analito provendo a comunicação elétrica entre o terminal de portal (130) e a nanoestrutura (140).
11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que:o dispositivo semicondutor compreende ainda um terminal de corpo (195) acoplado com uma entrada de sinal modulado; eo terminal de portal (130) é acoplado com uma voltagem fixa.
12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende um sensor de corrente ou oscilador de anel (1620).
13. Método de fabricação caracterizado pelo fato de que compreende:depositar uma nanoestrutura (140) sobre um substrato tendo pelo menos uma região de origem e pelo menos uma região de dreno dentro do ou sobre o substrato para formar um canal eletricamente condutor entre a região de origem e a região de dreno, a nanoestrutura (140) compreendendo uma porção não modificada e uma porção modificada (150) incluindo uma espécie dopante localizada, a porção modificada tendo uma densidade de estado de armadilhas aumentada em relação a uma porção não modificada;ligar uma fração ativa com a porção modificada; efornecer um terminal de portal (130) em comunicação elétrica com a nanoestrutura (140).
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda gerar a porção modificada (150) tendo a densidade de estado de armadilhas aumentada através da implantação de íons para uma porção de nanoestrutura.
15. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda gerar a porção modificada (150) tendo a densidade de estado de armadilhas aumentada através da realização de dopagem localizada de uma porção de nanoestrutura.
16. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda gerar a porção modificada (150) tendo a densidade de estado de armadilhas aumentada pelo ajuste de uma composição de uma origem material em um processo de deposição de vapor químico quando se deposita a nanoestrutura (140) sobre o substrato.
17. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a nanoestrutura (140) compreende pelo menos um de: um nanofio, um nanotubo e uma nanofita.
18. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a nanoestrutura (140) compreende pelo menos um de: um nanofio de silício, um nanotubo de carbono, um nanofio de polímero, uma nanofita de grafeno e uma nanofita de MoS2.
19. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a nanoestrutura (140) compreende pelo menos um de: grafeno, siliceno e fosforeno.
20. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda:selecionar: um parâmetro de ΔCox desejado, ou uma corrente de dreno desejada para resposta de voltagem de portal, ou o parâmetro de ΔCox desejado e a corrente de dreno desejada para resposta de voltagem de portal; selecionar uma densidade de estado de armadilhas desejada para a porção modificada; eaumentar a densidade de estado de armadilhas de acordo com a densidade de estado de armadilhas desejada selecionada.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que compreende ainda selecionar pelo menos um de um material e uma dosagem para a porção modificada de acordo com a densidade de estado de armadilhas desejada selecionada.
22. Método de uso de um dispositivo semicondutor, conforme definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende:fornecer uma solução iônica em proximidade com o canal;aplicar um sinal ao terminal de portal (130), ou a um terminal de corpo (195) acoplado a uma entrada de sinal modulada, enquanto o terminal de portal (130) está acoplado a uma voltagem fixa; edetectar mudanças no fluxo de corrente através do canal em resposta ao sinal aplicado.
23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que o sinal é modulado em uma frequência que excede uma frequência de plasma da solução.
24. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que a solução possui uma salinidade que varia a partir de cerca de 1 milimolar (mM) até cerca de 500 milimolar (mM).
25. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que a detecção de alterações no fluxo de corrente compreende detectar uma mudança de fase de um sinal de saída em relação ao sinal aplicado para o terminal patê ou o terminal de corpo.
26. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que compreende ainda sequenciar uma série de nucleotídeos em uma molécula de ácido desoxirribonucleico (DNA) ou ácido ribonucleico (RNA) com base nas alterações detectadas.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201762539813P | 2017-08-01 | 2017-08-01 | |
| US62/539,813 | 2017-08-01 | ||
| PCT/US2018/040439 WO2019027604A1 (en) | 2017-08-01 | 2018-06-29 | FIELD EFFECT SENSORS |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BR112019028104A2 BR112019028104A2 (pt) | 2020-07-28 |
| BR112019028104B1 true BR112019028104B1 (pt) | 2021-10-26 |
Family
ID=65229384
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BR112019028104-5A BR112019028104B1 (pt) | 2017-08-01 | 2018-06-29 | Sensores de efeito de campo |
Country Status (17)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10551342B2 (pt) |
| EP (1) | EP3646018B1 (pt) |
| JP (1) | JP6833079B2 (pt) |
| KR (1) | KR102213538B1 (pt) |
| CN (1) | CN111051871B (pt) |
| AU (2) | AU2018310436A1 (pt) |
| BR (1) | BR112019028104B1 (pt) |
| CA (1) | CA3067245C (pt) |
| IL (1) | IL271295B (pt) |
| MX (1) | MX2019014905A (pt) |
| PH (1) | PH12019502908A1 (pt) |
| RU (1) | RU2740358C1 (pt) |
| SA (1) | SA519410908B1 (pt) |
| SG (1) | SG11201912263VA (pt) |
| TW (1) | TWI709241B (pt) |
| WO (1) | WO2019027604A1 (pt) |
| ZA (1) | ZA201908275B (pt) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019161381A1 (en) | 2018-02-16 | 2019-08-22 | Illumina, Inc. | Charge-tagged nucleotides and methods of use thereof |
| EP3772640B1 (en) * | 2019-08-09 | 2022-06-22 | Sciosense B.V. | Electric circuitry for strain measurement |
| TWI731444B (zh) * | 2019-10-21 | 2021-06-21 | 財團法人國家實驗研究院 | 癌胚胎抗原之檢測方法 |
| RU2749698C1 (ru) * | 2020-11-17 | 2021-06-16 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Биомолекулярный сенсор с микроэлектронным генератором электромагнитной волны |
| CN113960128B (zh) * | 2020-12-15 | 2022-08-23 | 有研工程技术研究院有限公司 | 基于钾离子适配体修饰的硅纳米线场效应管生物传感器 |
| CN114199969B (zh) * | 2021-12-03 | 2023-04-28 | 清华大学 | 一种基于核酸适配体的纳米电极生物传感器及其应用 |
| TWI832146B (zh) * | 2022-01-21 | 2024-02-11 | 明志科技大學 | 具雙閘極之溶液式閘極石墨烯電晶體 |
Family Cites Families (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6567292B1 (en) * | 2002-06-28 | 2003-05-20 | Progressant Technologies, Inc. | Negative differential resistance (NDR) element and memory with reduced soft error rate |
| WO2004034025A2 (en) * | 2002-10-10 | 2004-04-22 | Nanosys, Inc. | Nano-chem-fet based biosensors |
| DE10325150A1 (de) * | 2003-05-31 | 2004-12-30 | Hahn-Meitner-Institut Berlin Gmbh | Parametrierte Halbleiterverbundstruktur mit integrierten Dotierungskanälen, Verfahren zur Herstellung und Anwendung davon |
| US7018880B2 (en) * | 2003-12-22 | 2006-03-28 | Texas Instruments Incorporated | Method for manufacturing a MOS transistor having reduced 1/f noise |
| US20060102931A1 (en) * | 2004-11-17 | 2006-05-18 | Thomas Edward Kopley | Field effect transistor having a carrier exclusion layer |
| US7923240B2 (en) * | 2006-03-31 | 2011-04-12 | Intel Corporation | Photo-activated field effect transistor for bioanalyte detection |
| US20100027355A1 (en) * | 2007-07-31 | 2010-02-04 | Dao Thuy B | Planar double gate transistor storage cell |
| KR101026468B1 (ko) | 2008-09-10 | 2011-04-01 | 한국전자통신연구원 | 생분자 검출 장치 및 검출 방법 |
| EP2366994A1 (en) | 2010-03-18 | 2011-09-21 | Wolfgang Knoll | Biosensor on thin-film transistors |
| IL206241A0 (en) * | 2010-06-08 | 2010-12-30 | Fernando Patolsky | Modified nanowires for use in detecting nitro - containing chemicals |
| WO2013039858A2 (en) * | 2011-09-12 | 2013-03-21 | Nanoselect, Inc. | Carbon nanostructure electrochemical sensor and method |
| US9957472B2 (en) * | 2011-09-22 | 2018-05-01 | Georgia Tech Research Corporation | Deterministic high-density single-cell trap array |
| WO2013128456A1 (en) * | 2012-02-28 | 2013-09-06 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | Molecular sensor based on virtual buried nanowire |
| WO2013148343A1 (en) * | 2012-03-31 | 2013-10-03 | Cypress Semiconductor Corporation | Oxide-nitride-oxide stack having multiple oxynitride layers |
| WO2013158280A1 (en) * | 2012-04-20 | 2013-10-24 | The Trustees Of Columbia University In The City Of New York | Systems and methods for single-molecule nucleic-acid assay platforms |
| EA020321B1 (ru) * | 2012-06-05 | 2014-10-30 | Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение "Научно-Производственный Комплекс "Технологический Центр" Миэт" | Чувствительный элемент датчика |
| KR101229392B1 (ko) * | 2012-09-12 | 2013-02-05 | 주식회사 아이엠헬스케어 | 오믹 접합을 이용하는 ｆｅｔ 기반 바이오 센서 |
| TWI637517B (zh) * | 2012-10-24 | 2018-10-01 | 半導體能源研究所股份有限公司 | 半導體裝置及其製造方法 |
| CA2927332A1 (en) | 2013-10-22 | 2015-04-30 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | Method and system for sensing |
| US10054563B2 (en) * | 2015-03-31 | 2018-08-21 | Rge Smart Pte. Ltd. | Optoelectronic pixel sensor |
| WO2016161246A1 (en) * | 2015-04-03 | 2016-10-06 | President And Fellows Of Harvard College | Nanoscale wires with external layers for sensors and other applications |
| US20170059513A1 (en) | 2015-08-31 | 2017-03-02 | International Business Machines Corporation | Hybrid ion-sensitive field-effect transistor |
| JP2019501383A (ja) * | 2015-12-09 | 2019-01-17 | ラモット・アット・テル・アビブ・ユニバーシテイ・リミテッドＲａｍｏｔ Ａｔ Ｔｅｌ Ａｖｉｖ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｌｔｄ． | 修飾ナノ構造体による検知のための方法およびシステム |
| CN106129113B (zh) * | 2016-07-11 | 2019-06-14 | 中国科学院微电子研究所 | 一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管 |
| CN106971944A (zh) * | 2017-05-22 | 2017-07-21 | 深圳市华星光电技术有限公司 | 金属氧化物薄膜晶体管的制备方法及其结构 |
-
2018
- 2018-06-29 RU RU2019141087A patent/RU2740358C1/ru active
- 2018-06-29 AU AU2018310436A patent/AU2018310436A1/en not_active Abandoned
- 2018-06-29 SG SG11201912263VA patent/SG11201912263VA/en unknown
- 2018-06-29 MX MX2019014905A patent/MX2019014905A/es unknown
- 2018-06-29 EP EP18842058.2A patent/EP3646018B1/en active Active
- 2018-06-29 BR BR112019028104-5A patent/BR112019028104B1/pt active IP Right Grant
- 2018-06-29 US US16/024,299 patent/US10551342B2/en active Active
- 2018-06-29 WO PCT/US2018/040439 patent/WO2019027604A1/en unknown
- 2018-06-29 CN CN201880044249.9A patent/CN111051871B/zh active Active
- 2018-06-29 CA CA3067245A patent/CA3067245C/en active Active
- 2018-06-29 KR KR1020197037982A patent/KR102213538B1/ko active IP Right Grant
- 2018-06-29 JP JP2019571587A patent/JP6833079B2/ja active Active
- 2018-07-13 TW TW107124317A patent/TWI709241B/zh active
-
2019
- 2019-12-10 IL IL271295A patent/IL271295B/en unknown
- 2019-12-11 ZA ZA2019/08275A patent/ZA201908275B/en unknown
- 2019-12-20 PH PH12019502908A patent/PH12019502908A1/en unknown
- 2019-12-25 SA SA519410908A patent/SA519410908B1/ar unknown
-
2021
- 2021-06-09 AU AU2021203805A patent/AU2021203805B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| AU2021203805B2 (en) | 2023-05-25 |
| CN111051871A (zh) | 2020-04-21 |
| CA3067245C (en) | 2020-10-20 |
| ZA201908275B (en) | 2021-04-28 |
| SG11201912263VA (en) | 2020-01-30 |
| JP6833079B2 (ja) | 2021-02-24 |
| MX2019014905A (es) | 2021-12-13 |
| US10551342B2 (en) | 2020-02-04 |
| US20190041354A1 (en) | 2019-02-07 |
| PH12019502908A1 (en) | 2020-09-14 |
| EP3646018B1 (en) | 2023-08-09 |
| WO2019027604A1 (en) | 2019-02-07 |
| SA519410908B1 (ar) | 2022-08-09 |
| AU2018310436A1 (en) | 2020-01-16 |
| BR112019028104A2 (pt) | 2020-07-28 |
| TWI709241B (zh) | 2020-11-01 |
| CA3067245A1 (en) | 2019-02-07 |
| AU2021203805A1 (en) | 2021-07-08 |
| RU2740358C1 (ru) | 2021-01-13 |
| IL271295B (en) | 2021-09-30 |
| JP2020528542A (ja) | 2020-09-24 |
| TW201911577A (zh) | 2019-03-16 |
| KR20200017425A (ko) | 2020-02-18 |
| IL271295A (en) | 2020-01-30 |
| CN111051871B (zh) | 2022-05-10 |
| KR102213538B1 (ko) | 2021-02-08 |
| EP3646018A4 (en) | 2020-11-18 |
| EP3646018A1 (en) | 2020-05-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| BR112019028104B1 (pt) | Sensores de efeito de campo | |
| Huang et al. | Enhancement of Rashba coupling in vertical In 0.05 Ga 0.95 As/GaAs quantum dots | |
| Gao et al. | Efficient self-consistent quantum transport simulator for quantum devices | |
| Verma et al. | Detection of biomolecules using charge-plasma based gate underlap dielectric modulated dopingless TFET | |
| Engström et al. | Electron capture cross sections of InAs∕ GaAs quantum dots | |
| Mao et al. | Nonvolatile electric control of exciton complexes in monolayer MoSe2 with two-dimensional ferroelectric CuInP2S6 | |
| Rego et al. | Model study of coherent quantum dynamics of hole states in functionalized semiconductor nanostructures | |
| Tiskumara et al. | Analysis of high field effects on the steady-state current-voltage response of semi-insulating 4H-SiC for photoconductive switch applications | |
| Svensson et al. | Using Polymer Electrolyte Gates to Set‐and‐Freeze Threshold Voltage and Local Potential in Nanowire‐based Devices and Thermoelectrics | |
| Matsuura | Tunnel current across linear homocatenated germanium chains | |
| Durante et al. | Subthreshold Current Suppression in ReS2 Nanosheet-Based Field-Effect Transistors at High Temperatures | |
| Scheinert et al. | Influence of the carrier density in disordered organics with Gaussian density of states on organic field-effect transistors | |
| Adhikari et al. | Generating and Capturing Secondary Hot Carriers in Monolayer Tungsten Dichalcogenides | |
| US9059264B2 (en) | Tunable hot-electron transfer within a nanostructure | |
| Los | Silicon carbide metal-semiconductor field-effect transistor with and without a low-doped buffer: Influence of substrate traps | |
| Kurzmann et al. | The effect of charged quantum dots on the mobility of a two-dimensional electron gas: How important is the Coulomb scattering? | |
| Pelling et al. | Electrostatic effects in coupled quantum dot-point contact-single electron transistor devices | |
| Kang | Phonon-assisted hopping through defect states in MoS2: a multiscale simulation | |
| Dyubo et al. | Particles-on-surface sensor with potential barriers embedded in a semiconductor target | |
| Lachinov et al. | Giant Magnetoresistance in a Metal–Organic Semiconductor–Metal Structure | |
| Byrne et al. | Rethinking the Characterization of Nanoscale Field‐Effect Transistors: A Universal Approach | |
| Roy | Switching Operation with Graphene-on-MoS Heterostructures | |
| Djidjou et al. | Magnetic field enhancement of generation-recombination and shot noise in organic light emitting diodes | |
| Ashhadi | Evaluation of the thermoelectric properties of a nanoscale device in the presence of an external electric field: Tight binding model | |
| Paul | Design and Performance Investigation of SiGe Heterojunction Based Vertical Dual Pocket Biosensor Design Based on Charge Plasma TFET |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B06A | Patent application procedure suspended [chapter 6.1 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette] |
Free format text: PRAZO DE VALIDADE: 20 (VINTE) ANOS CONTADOS A PARTIR DE 29/06/2018, OBSERVADAS AS CONDICOES LEGAIS. |