CN115125131A - 基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构及其制备方法 - Google Patents

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CN115125131A CN202110334994.0A CN202110334994A CN115125131A CN 115125131 A CN115125131 A CN 115125131A CN 202110334994 A CN202110334994 A CN 202110334994A CN 115125131 A CN115125131 A CN 115125131A
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Abstract

本发明提供一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构及制备方法，该结构包括：硅基片、第一电介质层、第二电介质层、第三电介质层及第四电介质层；硅基片中形成有贯穿其的空腔；第一电介质层中形成有贯穿其的若干个第一纳米孔；第二电介质层中形成有贯穿其的若干个中间腔，每个中间腔均与两个微流道连通；第三电介质层中形成有贯穿其的若干个第二纳米孔；第四电介质层中形成有贯穿其的若干个微流腔；若干个第一纳米孔、中间腔、第二纳米孔及微流腔一一对应连通且与空腔连通；纳米孔阵列结构还包括与若干个中间腔一一对应设置的若干个场效应晶体管，且每个场效应晶体管的栅极暴露于中间腔内。本纳米孔阵列结构可有效提高检测灵敏度及检测精度。

Description

基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构及其制备方法
技术领域
本发明属于微纳医疗检测应用技术领域，特别是涉及一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构及其制备方法。
背景技术
人类基因的碱基序列蕴含着个体生老病死的全部遗传信息。通过基因测序技术实现人类遗传密码的精准破译是21世纪生命科学的重点研究方向之一。作为第三代测序技术的主要方法之一，纳米孔测序技术具有高通量、低成本、免标记、无需扩征、读取长度长等特点，被认为是最有希望实现低成本的下一代人类基因检测技术。
离子电流形式的纳米孔测序基本原理是：两个电解液室被绝缘膜分隔开，形成顺式和反式隔室，绝缘膜上只有一个纳米级的孔连通两腔室。当向电解液室施加电压时，溶液中的电解质离子通过电泳移动并穿过纳米孔，形成稳态离子电流，当尺寸略小于孔径的颗粒穿过孔时，流过纳米孔的电流将被阻塞，从而中断电流信号，随后恢复原有信号。将带电生物分子(离子、DNA、RNA、肽、蛋白质、药物、聚合物大分子等)样品添加到一个电解液隔室中会导致生物分子从纳米孔中进入和离开，这会在离子电流信号中产生一系列阻塞电流信号，这些阻塞电流幅度和持续时间传达了样品的许多特性，包括生物分子的大小、浓度和结构。
采用离子电流形式测序，离子电流的强度太弱，一般为百皮安量级，因此离子电流需要特定的放大电路，例如专用集成电路ASIC，来实现对微弱离子电流的放大，然后才能被有效探测，该测序方式复杂且灵敏度较差。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构及其制备方法，用于解决现有技术中采用离子电流形式的纳米孔测序技术，测序方式复杂且灵敏度较差等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，所述纳米孔阵列结构由下至上依次包括：硅基片、第一电介质层、第二电介质层、第三电介质层及第四电介质层；
所述硅基片中形成有贯穿所述硅基片的空腔；
所述第一电介质层中形成有贯穿所述第一电介质层的若干个第一纳米孔；
所述第二电介质层中形成有贯穿所述第二电介质层的若干个中间腔，且每个所述中间腔均与两个微流道连通，两个所述微流道用于溶液的入口及出口通道；
所述第三电介质层中形成有贯穿所述第三电介质层的若干个第二纳米孔；
所述第四电介质层中形成有贯穿所述第四电介质层的若干个微流腔；
若干个所述第一纳米孔、所述中间腔、所述第二纳米孔及所述微流腔一一对应连通且与所述空腔连通；
所述纳米孔阵列结构还包括与若干个所述中间腔一一对应设置的若干个场效应晶体管，且每个所述场效应晶体管的栅极暴露于所述中间腔内。
可选地，所述硅基片中形成有一个所述空腔，且该一个空腔显露若干个所述第一纳米孔；或所述硅基片中形成有若干个所述空腔，且每个所述空腔均对应显露一个所述第一纳米孔。
可选地，所述第一纳米孔与所述第二纳米孔相同，且尺寸介于0.1nm～100nm之间。
可选地，所述第一纳米孔及所述第二纳米孔的形状为柱状、倒锥状、台阶状或双倒锥状。
可选地，所述场效应晶体管为JFET或耗尽型MOSFET。
可选地，所述纳米孔阵列结构还包括若干个电极，若干个所述电极对应设置于若干个所述微流腔的上面且形成于所述第四电介质层的表面，同时每个所述电极裸露出部分与该电极对应的所述微流腔形成桥状结构。
本发明还提供一种上述基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：。
提供硅基片，并于所述硅基片正面沉积第一电介质层，再于所述第一电介质层中形成贯穿所述第一电介质层的若干个第一纳米孔；
于所述第一电介质层表面沉积第二电介质层，并于所述第二电介质层中形成贯穿所述第二电介质层的若干个中间腔，及与每个所述中间腔连通的两个微流道，两个所述微流道用于溶液的入口及出口通道，其中，若干个所述第一纳米孔与若干个所述中间腔一一对应连通；
于所述第二电介质层表面沉积第三电介质层，并于所述第三电介质层中形成贯穿所述第三电介质层的若干个第二纳米孔，其中，若干个所述第二纳米孔与若干个所述中间腔一一对应连通；
于所述第三电介质层表面沉积第四电介质层，并于所述第四电介质层中形成贯穿所述第四电介质层的若干个微流腔，其中，若干个所述微流腔与若干个所述第二纳米孔一一对应连通；
刻蚀所述硅基片背面，形成贯穿所述硅基片的空腔，且所述空腔显露若干个所述第一纳米孔；
提供形成有若干个场效应晶体管的基底，并将所述基底键合于若干个所述中间腔的侧壁，其中，若干个所述场效应晶体管的栅极一一对应暴露于若干个所述中间腔内。
可选地，刻蚀所述硅基片背面形成一个所述空腔，且该一个空腔显露若干个所述第一纳米孔；或刻蚀所述硅基片背面形成若干个所述空腔，且每个所述空腔均对应显露一个所述第一纳米孔。
可选地，所述第一纳米孔与所述第二纳米孔相同，且尺寸介于0.1nm～100nm之间。
可选地，所述第一纳米孔及所述第二纳米孔的形状为柱状、倒锥状、台阶状或双倒锥状。
可选地，所述第一电介质层及所述第三电介质层的材料为SiN；所述第二电介质层及所述第四电介质层的材料为SiO2或Si。
可选地，所述制备方法还包括：于所述第四电介质层表面形成若干个电极的步骤，若干个所述电极对应设置于若干个所述微流腔的上面，同时每个所述电极裸露出部分与该电极对应的所述微流腔形成桥状结构。
本发明还提供另一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，所述纳米孔结构由下至上依次包括：基底、第五电介质层、第六电介质层及第七电介质层；
所述基底中形成有若干个场效应晶体管；
所述第五电介质层中形成有若干个中间腔，若干个所述场效应晶体管的栅极一一对应暴露于若干个所述中间腔内；每个所述中间腔均与两个微流道连通，两个所述微流道用于溶液的入口及出口通道，且每个所述中间腔包括两个沿竖直方向延伸的竖直部及一个沿水平方向延伸的水平部，所述水平部的两端分别与两个所述竖直部连通；
所述第六电介质层中形成有贯穿所述第六电介质层的若干个第一纳米孔及若干个第二纳米孔；
所述第七电介质层中形成有贯穿所述第七电介质层的若干个第一微流腔及若干个第二微流腔，若干个所述第一微流腔与若干个所述第一纳米孔一一对应连通，若干个所述第二微流腔与若干个所述第二纳米孔一一对应连通；
若干个所述第一纳米孔、所述中间腔及所述第二纳米孔一一对应连通。
可选地，所述第一纳米孔与所述第二纳米孔相同，且尺寸介于0.1nm～100nm之间。
可选地，所述第一纳米孔及所述第二纳米孔的形状为柱状、倒锥状、台阶状或双倒锥状。
可选地，所述场效应晶体管为JFET或耗尽型MOSFET。
如上所述，本发明的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构及其制备方法，通过使用场效应晶体管来检测纳米孔位置处发生的电阻或离子电流变化，带电样品在纳米孔中所产生的局域电压变化，被场效应晶体管原位感应，并将离子电流转变为场效应晶体管电流，从而实现将纳米孔阻塞电流的微弱变化放大，有效提高检测灵敏度；另外，采用双纳米孔的检测架构，一个基因链被纳米孔检测两次，一次检测，一次验证，从而有效提高检测精度。
附图说明
图1显示为本发明实施例一的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构制备方法的流程示意图。
图2至图10显示为本发明实施例一的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构制备过程中各步骤所呈现的结构示意图，其中图10还显示为本发明实施例一的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的结构示意图。
图11显示为本发明实施例一的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的等效电路简图。
图12显示为本发明实施例二的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的结构示意图。
图13显示为本发明实施例二的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的等效电路简图。
元件标号说明
10 硅基片
101 空腔
11 第一电介质层
111 第一纳米孔
12 第二电介质层
121 中间腔
122 微流道
122a 入口微流道
122b 出口微流道
13 第三电介质层
131 第二纳米孔
14 第四电介质层
141 微流腔
15 场效应晶体管
151 场效应晶体管的栅极
16 电极
20 基底
201 场效应晶体管
202 场效应晶体管的栅极
21 第五电介质层
211 中间腔
212 微流道
212a 入口微流道
212b 出口微流道
213 竖直部
214 水平部
22 第六电介质层
221 第一纳米孔
222 第二纳米孔
23 第七电介质层
231 第一微流腔
232 第二微流腔
24 电极
D1 纳米孔的尺寸
S1～S6 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图13。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图10所示，本实施例提供一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，该结构由下至上依次包括：硅基片10、第一电介质层11、第二电介质层12、第三电介质层13及第四电介质层14；
所述硅基片10中形成有贯穿所述硅基片10的空腔101；
所述第一电介质层11中形成有贯穿所述第一电介质层11的若干个第一纳米孔111；
所述第二电介质层12中形成有贯穿所述第二电介质层12的若干个中间腔121，且每个所述中间腔121均与两个微流道122连通，两个所述微流道122用于溶液的入口及出口通道，如图10中的入口微流道122a及出口微流道122b；
所述第三电介质层13中形成有贯穿所述第三电介质层13的若干个第二纳米孔131；
所述第四电介质层14中形成有贯穿所述第四电介质层14的若干个微流腔141；
若干个所述第一纳米孔111、所述中间腔121、所述第二纳米孔131及所述微流腔141一一对应连通且与所述空腔101连通；
所述纳米孔阵列结构还包括与若干个所述中间腔121一一对应设置的若干个场效应晶体管15，且每个所述场效应晶体管的栅极151暴露于所述中间腔121内。
如图11所示，本实施例的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构中，每个测序单元(图11即为一个测序单元)通过所述第一电介质层11及第二电介质层13将溶液体系分隔为三个部分，即所述微流腔141所在的部分、所述中间腔121所在的部分及所述空腔101所在的部分；三个溶液部分的等效电阻为RL1、RL2和RL3，溶液部分的等效电阻比较小，根据盐溶液浓度的不同，一般在mΩ至数十Ω之间，因此三个溶液部分的等效电阻可假设为固定电阻，电阻值变化可以忽略不计；两个纳米孔(第一纳米孔111及第二纳米孔131)的等效电阻分别为RNP1、RNP2，其电阻值很大，一般在数十MΩ至GΩ之间，因此两个纳米孔的等效电阻是可变电阻；施加在双纳米孔两端的电压被分配至上述5个等效电阻上，不同等效位置(3个溶液部分和2个纳米孔)得到不同的电压；当带电荷的基因链穿过其中一个纳米孔时，基因链对纳米孔产生阻塞效果，此纳米孔对应的电阻值进一步增加，因此分布在此纳米孔上的电压值发生变化，而分布在此纳米孔上的电压值的变化可通过暴露于所述中间腔内的场效应晶体管的栅极原位感应；由于基因链中不同碱基的尺寸和电荷信息都不相同，因此基因链穿过纳米孔时不同碱基对纳米孔产生的阻塞效果不同，场效应晶体管的栅极检测到的电压分布也不同，从而实现基因测序过程。
基于上述纳米孔阵列结构的工作原理可知，本实施例提出的纳米孔阵列结构是通过使用场效应晶体管来检测纳米孔位置处发生的电阻或离子电流变化，带电样品在纳米孔中所产生的局域电压变化，被场效应晶体管原位感应，并将离子电流转变为场效应晶体管电流，从而实现将纳米孔阻塞电流的微弱变化放大，有效提高检测灵敏度；另外，本实施例采用双纳米孔的检测架构，一个基因链被纳米孔检测两次，一次检测，一次验证，从而有效提高检测精度。
这里需要说明的是，为便于理解本实施例的附图中示出的是基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构中一个小的测序单元为例进行示意的。但本领域技术人员可知，本实施例的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构中包括若干个所述测序单元。
如图10所示，作为示例，所述硅基片10中形成有若干个所述空腔101，且每个所述空腔101均对应显露一个所述第一纳米孔111，即若干个所述空腔101、所述第一纳米孔111、所述中间腔121、所述第二纳米孔131及所述微流腔141均一一对应连通。
作为另一示例，所述硅基片10中形成有一个所述空腔101，且该一个空腔101显露若干个所述第一纳米孔111，即该一个空腔101同时与若干个所述第一纳米孔111、所述中间腔121、所述第二纳米孔131及所述微流腔141连通。
为了提高检测精度，可使所述第一纳米孔111与所述第二纳米孔131相同，包括尺寸大小、形状等参数均相同。
如图4a至图4d所示，所述第一纳米孔111与所述第二纳米孔131的尺寸大小，也可称作为纳米孔的尺寸D1，一般根据纳米孔所要测量的实际样品进行设置，一般所述纳米孔的尺寸D1介于0.1nm～100nm之间。
不限制所述第一纳米孔111与所述第二纳米孔131的形状，可以为现有任意适合的形状，如图4a所示为柱状，图4b所示为倒锥状，图4c为台阶状，图4d为双倒锥状。
作为示例，所述场效应晶体管为JFET或耗尽型MOSFET。
如图10所示，作为示例，所述纳米孔阵列结构还包括若干个电极16，若干个所述电极16对应设置于若干个所述微流腔141的上面且形成于所述第四电介质层14的表面，同时每个所述电极16裸露出部分与该电极16对应的所述微流腔141形成桥状结构。
本实施例还提供一种上述基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的制备方法，但上述纳米孔阵列结构的制备方法不以此为限，任何适于制备上述纳米孔阵列结构的制备方法均可。
如图1所示，所述制备方法包括以下步骤：
如图1至图3所示，其中，图3是图2的俯视图，图2示出的是图3中沿AA方向的纵向剖视图，其中仅包含一个第一纳米孔111，首先进行步骤S1，提供硅基片10，并于所述硅基片10正面沉积第一电介质层11，再于所述第一电介质层11中形成贯穿所述第一电介质层11的若干个第一纳米孔111。
这里不限制所述硅基片10的晶面取向，只要在后续的刻蚀步骤中能实现对其进行刻蚀形成空腔101(如图8所示)即可。本实施例中后续选择采用氢氧化钾溶液湿法刻蚀形成所述空腔101，所以从刻蚀速率的角度本实施例中选择所述硅基片10为(110)硅基片。
可以采用现有常规的沉积工艺形成所述第一电介质层11，例如可以采用化学气相沉积工艺(简称CVD)于所述硅基片10上沉积形成所述第一电介质层11。本实施例选择使用CVD工艺形成所述第一电介质层11。
作为示例，可以采用现有的离子束钻孔或反馈刻蚀制孔等技术形成若干个所述第一纳米孔111，但也不限制可以采用其他可行的方式形成若干个所述第一纳米孔111，只要可以形成所需要求的第一纳米孔即可。另外，若干个所述第一纳米孔111的排布方式可以根据实际需要进行设置，例如可以是杂乱的阵列，即没有规则排布的行和列，也可以是按规则排布的规则阵列，即具有规则的行和列。
如图4a至图4d所示，图4a至图4d显示为沿图3中AA方向的剖视图，以显示所述第一纳米孔111的剖面结构。所述第一纳米孔111的纵向剖面结构可以为现有纳米孔制备工艺形成的任意形状，如图4a所示为柱状，图4b所示为倒锥状，图4c为台阶状，图4d为双倒锥状。
作为示例，所述第一电介质层11的材料可以选择现有任意适合的电介质材料，例如可以选择为SiN、SiO2、Al2O3、HfO2、ZnO或TiO2。本实施例中选择所述第一电介质层11为SiN材料。
如图1及图5所示，然后进行步骤S2，于所述第一电介质层11表面沉积第二电介质层12，并于所述第二电介质层12中形成贯穿所述第二电介质层12的若干个中间腔121，及与每个所述中间腔121连通的两个微流道122，两个所述微流道122用于溶液的入口及出口通道，即图5中的入口微流道122a及出口微流道122b，其中，若干个所述第一纳米孔111与若干个所述中间腔121一一对应连通。
作为示例，所述第二电介质层12的材料可以选择现有任意适合的电介质材料，例如可以选择为SiO2或Si。本实施例中选择所述第二电介质层12为SiO2材料。
作为示例，所述中间腔121的深度与其横截面的尺寸基本相同，例如，当所述中间腔121的横截面形状为圆形时，所述中间腔121的深度与其直径基本相同；当所述中间腔121的横截面形状为正方形时，所述中间腔121的深度与其边长基本相同。
作为示例，每个所述中间腔121连通的两个微流道122可以设置于所述中间腔121侧壁的任意适合位置，图5中仅是一种示例，并不以此为限，具体设置方式，根据实际需要进行设置。
如图1及图6所示，接着进行步骤S3，于所述第二电介质层12表面沉积第三电介质层13，并于所述第三电介质层13中形成贯穿所述第三电介质层13的若干个第二纳米孔131，其中，若干个所述第二纳米孔131与若干个所述中间腔121一一对应连通。
作为示例，可以采用现有的离子束钻孔或反馈刻蚀制孔等技术形成若干个所述第二纳米孔131，但也不限制可以采用其他可行的方式形成若干个所述第二纳米孔131，只要可以形成所需要求的第二纳米孔即可。另外，若干个所述第二纳米孔131的排布方式可以根据实际需要进行设置，例如可以是杂乱的阵列，即没有规则排布的行和列，也可以是按规则排布的规则阵列，即具有规则的行和列。优选的所述第二纳米孔131和所述第一纳米孔111在空间上一一对应。
所述第二纳米孔131的剖面结构形状可借助图4a至图4d以便理解。所述第二纳米孔131的纵向剖面结构可以为现有纳米孔制备工艺形成的任意形状，如图4a所示为柱状，图4b所示为倒锥状，图4c为台阶状，图4d为双倒锥状。较佳地，所述第一纳米孔111与所述第二纳米孔131相同，纳米孔的尺寸D1可选择为0.1nm～100nm之间。
作为示例，所述第三电介质层13的材料可以选择现有任意适合的电介质材料，例如可以选择为SiN、SiO2、Al2O3、HfO2、ZnO或TiO2。本实施例中选择所述第三电介质层13为SiN材料。
如图1及图7所示，接着进行步骤S4，于所述第三电介质层13表面沉积第四电介质层14，并于所述第四电介质层14中形成贯穿所述第四电介质层14的若干个微流腔141，其中，若干个所述微流腔141与若干个所述第二纳米孔131一一对应连通。所述微流腔141在使用过程中，一般是作为溶液的容纳腔。
作为示例，所述第四电介质层14的材料可以选择现有任意适合的电介质材料，例如可以选择为SiO2或Si。本实施例中选择所述第四电介质层14为SiO2材料。
如图9所示，作为示例，形成若干个所述微流腔141后，还可于所述第四电介质层14表面形成若干个电极16，若干个所述电极16对应设置于若干个所述微流腔141的上面，同时每个所述电极16裸露出部分与该电极16对应的所述微流腔141形成桥状结构。
如图1及图8所示，接着进行步骤S5，刻蚀所述硅基片10背面，形成贯穿所述硅基片10的空腔101，且所述空腔101显露若干个所述第一纳米孔111。
作为示例，可以采用干法或湿法刻蚀形成所述空腔101。本实施例选择采用氢氧化钾溶液湿法腐蚀形成所述空腔101。
作为示例，刻蚀所述硅基片10的背面形成一个所述空腔101，且该一个空腔101显露若干个所述第一纳米孔111；或，如图10所示，刻蚀所述硅基片10背面形成若干个所述空腔101，且每个所述空腔101均对应显露一个所述第一纳米孔111。
如图9所示，作为示例，若干个所述电极16也可在形成所述空腔101后再形成。但也不限于此，具体可根据实际需要进行调整。
如图1及图10所示，最后进行步骤S6，提供形成有若干个场效应晶体管15的基底，并将所述基底键合于若干个所述中间腔121的侧壁，其中，若干个所述场效应晶体管的栅极151一一对应暴露于若干个所述中间腔121内。
作为示例，所述场效应晶体管可以为JFET或耗尽型MOSFET。
作为示例，不限制形成有若干个场效应晶体管15的所述基底的形式，以及与中间腔121之间的位置关系，只要能够实现将所述场效应晶体管的栅极151暴露于至所述中间腔121内即可。具体设置方式根据具体情况进行调整。
实施例二
本实施例提供一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，该结构与实施例一的纳米孔阵列结构的工作原理基本相同。如图12所示，所述纳米孔结构由下至上依次包括：基底20、第五电介质层21、第六电介质层22及第七电介质层23；
所述基底20中形成有若干个场效应晶体管201；
所述第五电介质层21中形成有若干个中间腔211，若干个所述场效应晶体管的栅极202一一对应暴露于若干个所述中间腔211内；每个所述中间腔211均与两个微流道212连通，两个所述微流道212用于溶液的入口及出口通道，即图12中的入口微流道212a及出口微流道212b，且每个所述中间腔211包括两个沿竖直方向延伸的竖直部213及一个沿水平方向延伸的水平部214，所述水平部214的两端分别与两个所述竖直部213连通；
所述第六电介质层22中形成有贯穿所述第六电介质层22的若干个第一纳米孔221及若干个第二纳米孔222；
所述第七电介质层23中形成有贯穿所述第七电介质层23的若干个第一微流腔231及若干个第二微流腔232，若干个所述第一微流腔231与若干个所述第一纳米孔221一一对应连通，若干个所述第二微流腔232与若干个所述第二纳米孔222一一对应连通；
若干个所述第一纳米孔221、所述中间腔211及所述第二纳米孔222一一对应连通。
如图13所示，本实施例的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构中，每个测序单元(图13即为一个测序单元)通过所述第六电介质层22及第七电介质层23将溶液体系分隔为三个部分，即所述第一微流腔231所在的部分、所述中间腔211所在的部分及所述第二微流腔232所在的部分；三个溶液部分的等效电阻为RL1、RL2和RL3，溶液部分的等效电阻比较小，根据盐溶液浓度的不同，一般在mΩ至数十Ω之间，因此三个溶液部分的等效电阻可假设为固定电阻，电阻值变化可以忽略不计；两个纳米孔(第一纳米孔221及第二纳米孔222)的等效电阻分别为RNP1、RNP2，其电阻值很大，一般在数十MΩ至GΩ之间，因此两个纳米孔的等效电阻是可变电阻；施加在双纳米孔两端的电压被分配至上述5个等效电阻上，不同等效位置(3个溶液部分和2个纳米孔)得到不同的电压；当带电荷的基因链穿过其中一个纳米孔时，基因链对纳米孔产生阻塞效果，此纳米孔对应的电阻值进一步增加，因此分布在此纳米孔上的电压值发生变化，而分布在此纳米孔上的电压值的变化可通过暴露于所述中间腔内的场效应晶体管的栅极原位感应；由于基因链中不同碱基的尺寸和电荷信息都不相同，因此基因链穿过纳米孔时不同碱基对纳米孔产生的阻塞效果不同，场效应晶体管的栅极检测到的电压分布也不同，从而实现基因测序过程。
基于上述纳米孔阵列结构的工作原理可知，本实施例提出的纳米孔阵列结构是通过使用场效应晶体管来检测纳米孔位置处发生的电阻或离子电流变化，带电样品在纳米孔中所产生的局域电压变化，被场效应晶体管原位感应，并将离子电流转变为场效应晶体管电流，从而实现将纳米孔阻塞电流的微弱变化放大，有效提高检测灵敏度；另外，本实施例采用双纳米孔的检测架构，一个基因链被纳米孔检测两次，一次检测，一次验证，从而有效提高检测精度。
这里需要说明的是，为便于理解本实施例的附图12及图13中示出的是基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构中一个小的测序单元为例进行示意的。但本领域技术人员可知，本实施例的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构中包括若干个所述测序单元。
作为示例，为了提高检测精度，可使所述第一纳米孔111与所述第二纳米孔131相同，包括尺寸大小、形状等参数均相同。
如图4a至图4d所示，所述第一纳米孔111与所述第二纳米孔131的尺寸大小，也可称作为纳米孔的尺寸D1，一般根据纳米孔所要测量的实际样品进行设置，一般所述纳米孔的尺寸D1介于0.1nm～100nm之间。
不限制所述第一纳米孔111与所述第二纳米孔131的形状，可以为现有任意适合的形状，如图4a所示为柱状，图4b所示为倒锥状，图4c为台阶状，图4d为双倒锥状。
作为示例，所述场效应晶体管为JFET或耗尽型MOSFET。
如图12所示，作为示例，若干个所述第一微流腔231及若干个所述第二微流腔232上均可一一制备电极24，且该电极24对应设置于若干个第一微流腔231及所述第二微流腔232上面且形成于所述第四电介质层14的表面，同时每个所述电极24裸露出部分与该电极24对应的所述第一微流腔231或所述第二微流腔232形成桥状结构。
综上所述，本发明提供一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构及其制备方法，通过使用场效应晶体管来检测纳米孔位置处发生的电阻或离子电流变化，带电样品在纳米孔中所产生的局域电压变化，被场效应晶体管原位感应，并将离子电流转变为场效应晶体管电流，从而实现将纳米孔阻塞电流的微弱变化放大，有效提高检测灵敏度；另外，采用双纳米孔的检测架构，一个基因链被纳米孔检测两次，一次检测，一次验证，从而有效提高检测精度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于，所述纳米孔阵列结构由下至上依次包括：硅基片、第一电介质层、第二电介质层、第三电介质层及第四电介质层；
所述硅基片中形成有贯穿所述硅基片的空腔；
所述第一电介质层中形成有贯穿所述第一电介质层的若干个第一纳米孔；
所述第二电介质层中形成有贯穿所述第二电介质层的若干个中间腔，且每个所述中间腔均与两个微流道连通，两个所述微流道用于溶液的入口及出口通道；
所述第三电介质层中形成有贯穿所述第三电介质层的若干个第二纳米孔；
所述第四电介质层中形成有贯穿所述第四电介质层的若干个微流腔；
若干个所述第一纳米孔、所述中间腔、所述第二纳米孔及所述微流腔一一对应连通且与所述空腔连通；
所述纳米孔阵列结构还包括与若干个所述中间腔一一对应设置的若干个场效应晶体管，且每个所述场效应晶体管的栅极暴露于所述中间腔内。
2.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于：所述硅基片中形成有一个所述空腔，且该一个空腔显露若干个所述第一纳米孔；或所述硅基片中形成有若干个所述空腔，且每个所述空腔均对应显露一个所述第一纳米孔。
3.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于：所述第一纳米孔与所述第二纳米孔相同，且尺寸介于0.1nm～100nm之间。
4.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于：所述第一纳米孔及所述第二纳米孔的形状为柱状、倒锥状、台阶状或双倒锥状。
5.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于：所述场效应晶体管为JFET或耗尽型MOSFET。
6.根据权利要求1所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于，所述纳米孔阵列结构还包括若干个电极，若干个所述电极对应设置于若干个所述微流腔的上面且形成于所述第四电介质层的表面，同时每个所述电极裸露出部分与该电极对应的所述微流腔形成桥状结构。
7.一种基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于，所述纳米孔结构由下至上依次包括：基底、第五电介质层、第六电介质层及第七电介质层；
所述基底中形成有若干个场效应晶体管；
所述第五电介质层中形成有若干个中间腔，若干个所述场效应晶体管的栅极一一对应暴露于若干个所述中间腔内；每个所述中间腔均与两个微流道连通，两个所述微流道用于溶液的入口及出口通道，且每个所述中间腔包括两个沿竖直方向延伸的竖直部及一个沿水平方向延伸的水平部，所述水平部的两端分别与两个所述竖直部连通；
所述第六电介质层中形成有贯穿所述第六电介质层的若干个第一纳米孔及若干个第二纳米孔；
所述第七电介质层中形成有贯穿所述第七电介质层的若干个第一微流腔及若干个第二微流腔，若干个所述第一微流腔与若干个所述第一纳米孔一一对应连通，若干个所述第二微流腔与若干个所述第二纳米孔一一对应连通；
若干个所述第一纳米孔、所述中间腔及所述第二纳米孔一一对应连通。
8.根据权利要求7所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于：所述第一纳米孔与所述第二纳米孔相同，且尺寸介于0.1nm～100nm之间。
9.根据权利要求8所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于：所述第一纳米孔及所述第二纳米孔的形状为柱状、倒锥状、台阶状或双倒锥状。
10.根据权利要求7所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构，其特征在于：所述场效应晶体管为JFET或耗尽型MOSFET。
11.一种如权利要求1至6任意一项所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
提供硅基片，并于所述硅基片正面沉积第一电介质层，再于所述第一电介质层中形成贯穿所述第一电介质层的若干个第一纳米孔；
于所述第一电介质层表面沉积第二电介质层，并于所述第二电介质层中形成贯穿所述第二电介质层的若干个中间腔，及与每个所述中间腔连通的两个微流道，两个所述微流道用于溶液的入口及出口通道，其中，若干个所述第一纳米孔与若干个所述中间腔一一对应连通；
于所述第二电介质层表面沉积第三电介质层，并于所述第三电介质层中形成贯穿所述第三电介质层的若干个第二纳米孔，其中，若干个所述第二纳米孔与若干个所述中间腔一一对应连通；
于所述第三电介质层表面沉积第四电介质层，并于所述第四电介质层中形成贯穿所述第四电介质层的若干个微流腔，其中，若干个所述微流腔与若干个所述第二纳米孔一一对应连通；
刻蚀所述硅基片背面，形成贯穿所述硅基片的空腔，且所述空腔显露若干个所述第一纳米孔；
提供形成有若干个场效应晶体管的基底，并将所述基底键合于若干个所述中间腔的侧壁，其中，若干个所述场效应晶体管的栅极一一对应暴露于若干个所述中间腔内。
12.根据权利要求11所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的制备方法，其特征在于：刻蚀所述硅基片背面形成一个所述空腔，且该一个空腔显露若干个所述第一纳米孔；或刻蚀所述硅基片背面形成若干个所述空腔，且每个所述空腔均对应显露一个所述第一纳米孔。
13.根据权利要求11所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的制备方法，其特征在于：所述第一纳米孔与所述第二纳米孔相同，且尺寸介于0.1nm～100nm之间。
14.根据权利要求13所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的制备方法，其特征在于：所述第一纳米孔及所述第二纳米孔的形状为柱状、倒锥状、台阶状或双倒锥状。
15.根据权利要求11所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的制备方法，其特征在于：所述第一电介质层及所述第三电介质层的材料为SiN；所述第二电介质层及所述第四电介质层的材料为SiO2或Si。
16.根据权利要求11所述的基于场效应晶体管的纳米孔阵列结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：于所述第四电介质层表面形成若干个电极的步骤，若干个所述电极对应设置于若干个所述微流腔的上面，同时每个所述电极裸露出部分与该电极对应的所述微流腔形成桥状结构。
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