CN103424457B - 生物传感器及其dna测序方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种生物传感器及基DNA测序方法，该生物传感器包括：源电极；漏电极；位于源电极和漏电极之间的沟道区，其中该沟道区由半导体纳米线的至少一部分形成；在沟道区中穿透半导体纳米线的纳米孔；以及位于纳米孔的内壁处的栅极介质层，其中纳米孔的直径设置为使得可以通过DNA分子。该生物传感器直接基于场效应以提高检测灵敏性。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管(FET)型生物传感器及DNA测序方法，更具体地，涉及用于DNA测序的FET型生物传感器及DNA测序方法。
背景技术
DNA测序(DNAsequencing)是分析特定DNA片段的碱基序列的排列方式的技术。该技术的主要发展方向是在提高测序通量(测序数据量)的同时，降低原始数据中每个碱基的测序成本，以使该技术的广泛应用成为可能，例如用于个人基因组测序，宏基因组学研究，以及对大量重要物种的测序。
纳米孔测序(nanoporesequencing)是新一代的DNA测序技术。该技术利用电泳驱使DNA分子通过纳米孔，并且利用阻塞电流法、隧道电流法、电容法等检测不同类型的碱基序列所导致的物理参数变化。由于纳米孔的直径限制，每次仅一个DNA单链通过纳米孔，这可以实现高通量和高准确度的测序。在电场的作用下，甚至长达1000个碱基的DNA分子可以通过纳米孔，这可以实现大测序长度。而且，纳米孔测序不需要进行DNA扩增和标记，这避免了繁琐的文库制备过程，不仅提高了测序速度，而且降低了测序成本。
在纳米孔测序中，DNA分子高速(大约微秒的量级)通过纳米孔，一方面提高了测序速度，另一方面导致信号检测信号微弱(大约PA的量级)。因此，在纳米孔测序中需要使用高灵敏度的读出电路，例如由FET组成的读出电路，以控制热噪声和提高信噪比。
在纳米孔测序中仍然期望提供可以高灵敏度地检测DNA的碱基序列的生物传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以在DNA测序中提高检测灵敏度的生物传感器及DNA测序方法。
根据本发明的一方面，提供一种生物传感器，包括：源电极；漏电极；位于源电极和漏电极之间的沟道区，其中该沟道区由半导体纳米线的至少一部分形成；在沟道区中穿透半导体纳米线的纳米孔；以及位于纳米孔的内壁处的栅极介质层，其中纳米孔的直径设置为使得可以通过DNA分子。
根据本发明的另一方面，提供一种采用上述生物传感器进行DNA测序的方法，包括：利用电泳驱动DNA分子通过纳米孔；在DNA分子通过纳米孔时，在源电极和漏电极上测量沟道区的电导；以及根据DNA分子导致的沟道区的电导变化，确定DNA分子中的碱基序列的类型。
本发明的生物传感器直接基于场效应，在该生物传感器的沟道中的纳米孔中通过的DNA分子起到栅极的作用。该生物传感器的沟道区的电导受到碱基序列的表面电荷(正或负)的影响。该电导是碱基序列的表面电荷的响应信号，进而可以表征碱基序列的类型。该生物传感器利用场效应可以提供高信噪比的输出，实现高检测灵敏度，从而可以应用于纳米孔测序。
附图说明
图1a和1b分别示出根据本发明的生物传感器的俯视图和截面图，其中该截面图沿图1中的线A-A截取。
图2示出根据本发明的生物传感器的等效电路图。
图3示出根据本发明的DNA测序方法的流程图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其他的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在......上面”或“在......上面并与之邻接”的表述方式。
在本申请中，术语“半导体结构”指在制造半导体器件的各个步骤中形成的整个半导体结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
除非在下文中特别指出，该生物传感器的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成。半导体纳米线由半导体材料组成，例如包括III-V族半导体，如GaAs、InP、GaN、SiC，以及IV族半导体，如Si、Ge。而且，半导体纳米线还可以是多条碳纳米管构成的碳纳米线。栅极介质层可以由SiO2或介电常数大于SiO2的材料构成，例如包括氧化物、氮化物、氧氮化物、硅酸盐、铝酸盐、钛酸盐，其中，氧化物例如包括SiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、TiO2、La2O3，氮化物例如包括Si3N4，硅酸盐例如包括HfSiOX，铝酸盐例如包括LaAlO3，钛酸盐例如包括SrTiO3，氧氮化物例如包括SiON。并且，栅极介质层不仅可以由本领域的技术人员公知的材料形成，也可以采用将来开发的用于栅极介质层的材料。
图1a和1b分别示出根据本发明的生物传感器的俯视图和截面图，其中该截面图沿图1中的线A-A截取。
该生物传感器10是FET型传感器，包括源电极11、漏电极12和二者之间的沟道区13。在图1a和1b所示的实例中，源电极11和漏电极12是半导体纳米线两端的部分(掺杂成导电的)，沟道区13是半导体纳米线的中间部分(掺杂成半导体的)。该半导体纳米线的长度大约为20-100nm，例如30nm，宽度大约为5-50nm，例如12nm，厚度大约为5-50nm，例如10nm。替代地，该沟道区13可以由半导体纳米线形成，而源电极11和漏电极12可以是在该半导体纳米线两端沉积的附加的金属层(例如Ag，未示出)。优选地，半导体纳米线和金属层之间还可以形成硅化物(例如NiSi)，以减小二者之间的接触电阻。
在一个实例中，该半导体纳米线是硅纳米线。用于形成硅纳米线的方法是本领域已知的。例如，在硅衬底上通过氧化形成绝缘层。然后，通过已知的沉积工艺，如电子束蒸发(EBM)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、溅射等，在绝缘层上形成硅层。利用光致抗蚀剂层作为掩模以及绝缘层作为停止层，通过干法蚀刻，如离子铣蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻、激光烧蚀，或者通过其中使用蚀刻剂溶液的湿法蚀刻，将硅层图案化为半导体纳米线。按照期望的器件类型(n型或p型)，对半导体纳米线进行掺杂。
该生物传感器10还包括在沟道区13中穿透半导体纳米线的纳米孔14和位于纳米孔的内壁上的栅极介质层4。纳米孔14的直径大约在1-10nm的范围内，例如2nm，从而可以类似于生物电通道的作用，允许DNA分子从其中通过。纳米孔14可以由上述的光刻和蚀刻工艺在沟道区13中形成。栅极介质层15的厚度大约在2-10nm的范围内，栅极介质层15例如通过上述已知的沉积工艺(例如ALD)共形地形成在纳米孔14的内壁上。替代地，栅极介质层15可以通过热氧化形成。
图2示出根据本发明的生物传感器的等效电路图。应当注意，DNA分子20并非生物传感器10的一部分。该DNA分子20在电泳驱动下通过生物传感器10中的纳米孔14，碱基序列的表面电荷(正或负)经由栅极介质层15向沟道区13施加电场，从而基于场效应改变在源电极11和漏电极12之间测量的沟道区13的电导，以检测DNA分子中的碱基序列的类型。
在上述实施例中，生物传感器10未包括栅极，DNA分子中碱基序列的表面电荷经由栅极介质层15在沟道区13中产生电场，以控制沟道区13的导通程度。然而，在替代的实施例中，生物传感器10可以包括附加的栅极(未示出)和附加的栅极介质层(未示出)。该附加的栅极位于附加的栅极和半导体纳米线之间，例如在与纳米孔穿过的表面垂直的侧面上形成，用于向沟道区13施加控制电压产生偏置电场，以进一步提高检测信号的信噪比。
图3示出根据本发明的DNA测序方法的流程图。在步骤S01中，利用电泳驱动DNA分子通过纳米孔。在步骤S02中，在DNA分子通过纳米孔时，在源电极和漏电极上测量沟道区的电导。在步骤S03中，根据DNA分子导致的沟道区的电导变化，确定DNA分子中的碱基序列的类型。
优选地，该方法还包括在DNA分子通过纳米孔时，利用附加的栅极和栅极介质层向沟道区施加控制电压产生偏置电场。
本发明不局限于所描述的实施例。对于本领域的技术人员明显可知的变型或更改，均在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种生物传感器，包括：
源电极；
漏电极；
位于源电极和漏电极之间的沟道区，其中该沟道区由半导体纳米线的至少一部分形成；
在沟道区中穿透半导体纳米线的纳米孔；
位于纳米孔的内壁处的栅极介质层；以及
在与纳米孔穿过的表面垂直的侧面上形成的附加的栅极介质层和附加的栅极，其中该附加的栅极介质层位于该附加的栅极和半导体纳米线之间，该附加的栅极用于向沟道区施加控制电压，
其中纳米孔的直径设置为使得可以通过DNA分子。
2.根据权利要求1所述的生物传感器，其中源电极和漏电极由与半导体纳米线的两端电耦合的金属层形成。
3.根据权利要求2所述的生物传感器，其中在源电极、漏电极和半导体纳米线之间还包括硅化物。
4.根据权利要求1所述的生物传感器，其中源电极和漏电极是半导体纳米线的两端部分，沟道区是半导体纳米线的中间部分。
5.根据权利要求1所述的生物传感器，其中半导体纳米线由选自III-V族半导体和IV族半导体中的一种半导体材料组成。
6.根据权利要求1所述的生物传感器，其中半导体纳米线为多条碳纳米管构成的碳纳米线。
7.根据权利要求1所述的生物传感器，其中半导体纳米线的长度大约为20-100nm，宽度大约为5-50nm，厚度大约为5-50nm。
8.根据权利要求7所述的生物传感器，其中半导体纳米线的长度大约为30nm，宽度大约为12nm，厚度大约为10nm。
9.根据权利要求1所述的生物传感器，其中纳米孔的直径大约为1-10nm。
10.根据权利要求9所述的生物传感器，其中纳米孔的直径大约为2nm。
11.一种采用根据权利要求1-10中任一项的生物传感器进行DNA测序的方法，包括：
利用电泳驱动DNA分子通过纳米孔；
在DNA分子通过纳米孔时，在源电极和漏电极上测量沟道区的电导；以及
根据DNA分子导致的沟道区的电导变化，确定DNA分子中的碱基序列的类型。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在DNA分子通过纳米孔时，通过所述附加的栅极向沟道区施加控制电压产生偏置电场。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |