CN115867797A

CN115867797A - 具有场效应晶体管的装置

Info

Publication number: CN115867797A
Application number: CN202180042227.0A
Authority: CN
Inventors: B·博扬诺瓦; R·奥托; J·G·曼德尔
Original assignee: Illumina Inc
Current assignee: Illumina Inc
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2023-03-28
Also published as: IL299272A; WO2022005780A1; ZA202213365B; TW202209683A; MX2022014720A; EP4176250A1; KR20230029669A; JP2023532898A; US20230184711A1; AU2021299182A1; US11898983B2

Abstract

本发明公开了装置和使用该装置的方法，其可以为对多核苷酸进行测序提供可扩展性、提高的灵敏度和降低的噪声。装置的示例包括生物或固态纳米孔、在沟道上具有改善的栅极可控性的场效应晶体管(FET)传感器，以及多孔结构。

Description

具有场效应晶体管的装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年7月2日提交的美国临时申请号63/047743和2021年3月31日提交的美国临时申请号63/200868的优先权，该临时申请中的每一者的全部内容通过引用并入。

背景技术

各种多核苷酸测序技术涉及在支承表面上或在预定义反应室内进行大量受控反应。然后可以观察或检测受控反应，并且随后的分析可以有助于鉴定该反应中所涉及的多核苷酸的特性。

这些多核苷酸测序技术中的一些者利用纳米孔，该纳米孔可以为离子电流提供路径。例如，当多核苷酸穿过纳米孔时，该多核苷酸影响通过纳米孔的电流。穿过纳米孔的每个通过核苷酸或一系列核苷酸产生特征电流。可以记录穿越多核苷酸的这些特征电流以确定多核苷酸的序列。

图1A示出了如PCT公开WO 2019/160925中所示的现有技术纳米孔测序装置1110。现有技术纳米孔测序装置1110包括与顺式电极1130相关联的顺式阱1114，与反式电极1134相关联的反式阱1116，以及位于顺式阱1114与反式阱1116之间的场效应晶体管(FET)1122。FET 1122包括源极1150、漏极1152和沟道1154。顺式阱1114下方是面向顺式阱1114的第一腔1115。反式阱1116包括第二腔1117。流体隧道1121从第一腔1115延伸穿过FET 1122到反式阱1116。电解质1120设置在顺式阱1114、第一腔1115和反式阱1116中。

在顺式阱1114与第一腔1115之间是设置在膜1124中的纳米孔1118。纳米孔1118具有第一纳米级开口1123，该第一纳米级开口将电解质从顺式阱14流体地连接并且电连接到第一腔1115。第一纳米级开口1123具有内径1123’。当多核苷酸1129穿过第一纳米级开口1123时，可以通过测量FET传感器1122的电压变化来确定多核苷酸的序列。基础基板1162’内的第二纳米级开口1125流体地连接流体隧道1121和第二腔1117，其中第二纳米级开口1125具有内径1125’。

金属互连件1164’和1166’与FET 1122的源极1150和漏极1152电连通。通常厚于约50nm的相对厚的层间电介质1168围绕沟道1154和FET传感器1122的上下表面，以形成流体隧道1121。FET传感器1122在边界1156处与电解质1120电连通，其中沟道1154最靠近流体隧道1121。如图所示，层间电介质1168在沟道1154的顶部或下方的厚度可以是FET 1122的沟道1154的厚度的约3倍或更多。

发明内容

本文的示例中提供了用于对多核苷酸进行测序的装置和使用该装置的方法。这种装置的一个示例是纳米孔装置。具体地说，示例包括具有场效应晶体管(FET)传感器和多孔结构的装置。

本文公开的系统、装置、套件和方法各自具有若干方面，其中其中没有单个方面单独地负责它们的期望属性。在不限制权利要求的范围的情况下，现在将简单讨论一些突出特征。还设想了许多其他示例，包括具有更少、额外和/或不同部件、步骤、特征、对象、益处和优点的示例。部件、方面和步骤也可以不同地布置和排序。在考虑本讨论之后，并且尤其是在阅读了标题为“具体实施方式”的部分之后，人们将理解本文公开的装置和方法的特征如何提供优于其他已知装置和方法的优点。

一个示例是一种装置，该装置包括：中间阱，该中间阱包括流体隧道；与顺式电极相关联的顺式阱，其中第一纳米级开口设置在顺式阱与中间阱之间；与反式电极相关联的反式阱，其中第二纳米级开口设置在反式阱与中间阱之间；和场效应晶体管(FET)，该FET位于第一纳米级开口与第二纳米级开口之间。在此示例中，该FET包括：源极、漏极以及将源极连接到漏极的沟道，其中沟道包括栅极氧化物层，该栅极氧化物层具有流体地暴露于中间阱的上表面，其中该中间阱将顺式阱流体地连接到反式阱。在一些实施方案中，流体隧道延伸穿过沟道。在替代实施方案中，流体隧道从FET沟道偏移(即，不延伸穿过FET沟道)。

另一示例是一种装置，该装置包括：中间阱，该中间阱包括流体隧道；与顺式电极相关联的顺式阱，其中第一纳米级开口设置在顺式阱与中间阱之间；与反式电极相关联的反式阱，其中第二纳米级开口设置在反式阱与中间阱之间；和场效应晶体管(FET)，该FET位于第一纳米级开口与第二纳米级开口之间，FET包括：源极、漏极以及将源极连接到漏极的沟道，其中沟道包括栅极氧化物层，该栅极氧化物层具有上表面和下表面，表面流体地暴露于中间阱，其中中间阱将顺式阱流体地连接到反式阱。在一些实施方案中，流体隧道延伸穿过沟道。在替代实施方案中，流体隧道从FET沟道偏移(即，不延伸穿过FET沟道)。

又一示例是一种装置，该装置包括：中间阱，该中间阱包括流体隧道；与顺式电极相关联的顺式阱，其中第一纳米级开口设置在顺式阱与中间阱之间；与反式电极相关联的反式阱，其中多孔结构设置在反式阱与中间阱之间；和场效应晶体管(FET)，该FET位于第一纳米级开口与多孔结构之间，FET包括：源极、漏极以及将源极连接到漏极的沟道，其中沟道包括栅极氧化物层，该栅极氧化物层具有流体地暴露于中间阱的上表面，其中中间阱将顺式阱流体地连接到反式阱。在一些实施方案中，流体隧道延伸穿过FET沟道。在替代实施方案中，流体隧道从FET沟道偏移(即，不延伸穿过FET沟道)。

再一示例是使用方法中的前述装置中的任一装置的方法，该方法包括：将电解质引入装置的顺式阱、反式阱、中间阱和流体隧道中的每一者中；在顺式电极与反式电极之间施加偏压，其中第一纳米级开口的电阻响应于第一纳米级开口处的多核苷酸中的碱基身份而变化，并且其中流体隧道中的电解质的电势(V_M)响应于第一纳米级开口的电阻的变化而变化；以及测量FET的响应作为第一纳米级开口处的多核苷酸中的碱基函数，以鉴定多核苷酸中的碱基。

应当理解，本文公开的装置和/或阵列的任何特征可以以任何期望的方式和/或构型组合在一起。此外，应当理解，使用该装置的方法的任何特征可以以任何期望的方式组合在一起。此外，应当理解，此方法和/或装置和/或阵列的特征的任何组合可以一起使用，和/或可以与本文公开的示例中的任一示例组合。更进一步，应当理解，装置中的任一装置和/或阵列中的任一阵列和/或方法中的任一方法的任何特征或特征组合可以以任何期望的方式组合在一起，和/或可以与本文公开的示例中的任一示例组合。

应当理解，前述概念和下文更详细讨论的额外概念的所有组合都被设想为是本文公开的发明主题的一部分并且可用于实现本文所述的益处和优点。

附图说明

通过参考以下具体实施方式和附图，本公开的示例的特征将变得显而易见，其中类似的附图标号对应于类似但可能不相同的部件。为了简洁起见，具有先前描述的功能的附图标号或特征可结合或可不结合它们出现的其他附图来描述。

图1A是现有技术纳米孔测序装置的横截面侧视图。

图1B示出了由图1A的现有技术纳米孔测序装置提供的电阻的示意性电路图。

图2A是根据一个示例的纳米孔测序装置的横截面侧视图。

图2B是在图2A的纳米孔测序装置的线3-3上截取的横截面顶视图。

图2B’是在图2A的纳米孔测序装置的线3'-3'上截取的横截面顶视图。

图3A示出了根据一个示例的纳米孔测序装置的替代示例的横截面侧视图。

图3B是在图3A的纳米孔测序装置和FET传感器的线3-3上截取的横截面顶视图。

图3C是在图3A的纳米孔测序装置和FET传感器的线3'-3'上截取的横截面顶视图。

图3D是在类似于图3A的纳米孔测序装置的线3-3上截取的横截面顶视图的替代示例，但具有FET传感器的更广泛示例。

图3E是在类似于图3A的纳米孔测序装置的线3'-3'上截取的横截面顶视图的替代示例，但具有FET传感器的更广泛示例。

图4A是纳米孔测序装置的替代示例的另一横截面侧视图。

图4B是在图4A的纳米孔测序装置的线3-3上截取的横截面顶视图。

图4B’是在图4A的纳米孔测序装置的线3'-3'上截取的横截面顶视图。

图5A是纳米孔测序装置的又一替代示例的横截面侧视图。

图5B是在图5A的纳米孔测序装置的线3-3上截取的横截面顶视图。

图5B’是在图5A的纳米孔测序装置的线3'-3'上截取的横截面顶视图。

图6是纳米孔测序装置的另一示例性替代示例的横截面侧视图。

图7A是具有偏移开口的纳米孔测序装置的又一示例性替代示例的横截面侧视图。

图7B是在图5A的纳米孔测序装置的线3-3上截取的示出了偏移开口的横截面顶视图。

图7B’是在图5A的纳米孔测序装置的线3'-3'上截取的示出了偏移开口的横截面顶视图。

图8是具有垂直场效应晶体管的纳米孔测序装置的另外的示例性替代示例的横截面侧视图。

图9是具有带有非法拉第金属电极的场效应晶体管的纳米孔测序装置的又一另外的示例性替代示例的横截面侧视图。

具体实施方式

本文中提及的所有专利、申请、公开的申请和其他出版物通过引用参考材料并入本文，并且它们的全部内容通过引用并入本文。如果术语或短语在本文中以与通过引用并入本文的专利、申请、公开的申请和其他出版物中阐述的定义相反或以其他方式不一致的方式使用，则本文的使用优先于通过引用并入本文的定义。

一个示例涉及一种测序装置，该测序装置包括场效应晶体管(FET)传感器，该FET传感器具有设置在该FET传感器的源极与漏极之间的沟道。虽然在本文的许多情况下，测序装置被描述为纳米孔装置，但是装置不必为纳米孔装置，并且其他构型也是可能的。在一个示例中，沟道具有暴露于装置内的电解质的上表面、下表面或两者。FET传感器的暴露的上表面和/或下表面提供FET的与电解质电接触的增加的表面积，这提高了纳米孔测序装置的灵敏度。此外，发现增加FET的暴露于电解质的表面积降低传感器中的背景电噪声，因此当测量与纳米孔接触的核酸序列时，提供对信噪比(SNR)的多因素增强。

在一个示例中，纳米孔测序系统利用构建有全环栅极(GAA)晶体管的FET传感器，以进一步增大装置的信噪比。此GAA技术允许FET传感器不仅具有暴露于电解质的上表面，而且还具有也暴露于电解质的下表面。下面参考图4A描述关于此结构的更多信息。在一个实施方案中，纳米孔测序系统的一个或多个全环栅极晶体管可以包括源极-漏极沟道的暴露于电解质的上表面和下表面，如图4A、图4B和图4B’所示。在另一实施方案中，纳米孔测序系统的一个或多个全环栅极晶体管可以包括多个源极-漏极沟道的暴露于电解质的上表面和下表面，如图6所示。在又一实施方案中，纳米孔测序系统的一个或多个全环栅极晶体管可以包括垂直晶体管，如图8所示。

在另一示例中，FET不与电解质直接接触。相反，如图9所示的非法拉第金属电极暴露于电解质并且将检测到的信号传输到感测FET。此构型允许对制造工艺的显著简化和与常规半导体工艺流程的更好的兼容性。

在另一示例中，固态纳米孔结构可用多孔结构代替，如下文更详细地讨论。此类多孔结构可更容易集成到半导体制造工艺流程中。

如本文所用，术语“暴露于电解质”不一定意味着部件直接接触电解质。例如，暴露于电解质的FET传感器或FET传感器的沟道可以包括在传感器或沟道与电解质之间的绝缘体的相对薄的层。例如，在一个示例中，FET传感器的位于源极与漏极之间的沟道部分可以被栅极氧化物的相对薄的层(例如，热生长的二氧化硅层)覆盖，并且具有其栅极氧化物的沟道被称为“暴露于电解质”。替代地，绝缘体的薄层可以由高k电介质形成，诸如HfO₂、Al₂O₃、氮氧化硅、Si₃N₄、TiO₂、Ta₂O₅、Y₂O₃、La₂O₃、ZrO₂、ZrSiO₄、钛酸锶钡、锆钛酸铅、ZrSi_xO_y或ZrAl_xO_y。栅极氧化物层的厚度可以为约10nm，或在其他示例中，小于约9nm、约8nm、约7nm、约6nm、约5nm、约4nm、约3nm、约2nm或约1nm并且仍在本文描述的示例内。

纳米孔测序装置的电气操作

现在参考图1B，示出了纳米孔装置(例如，图2至图7所示的纳米孔装置)的等效电路图。随着电解质被引入顺式阱、反式阱、中间阱和流体隧道中的每一者中。在顺式电极与反式电极之间施加电压差V。在一些示例中，多核苷酸被驱动通过第一纳米孔(例如，蛋白质纳米孔)的第一纳米级开口。在替代示例中，多核苷酸不穿过第一纳米孔，但所标记的核苷酸通过作用于多核苷酸的聚合酶掺入。在某些实施方案中，单链多核苷酸、双链多核苷酸、掺入的核苷酸碱基的标签或标记，或掺入的核苷酸碱基的其他代表，以及它们的任何组合可以穿过第一纳米孔。在某些实施方案中，掺入的核苷酸碱基的标签或标记可以从多核苷酸分离或解离，并且此类标签或标记可以在多核苷酸穿过或不穿过第一纳米孔的情况下穿过第一纳米孔。示例不限于多核苷酸如何与纳米孔连通以引起纳米孔测序装置中的信号生成。第一纳米级开口电阻R_蛋白质响应于第一纳米级开口处的碱基身份而变化，例如，当多核苷酸的碱基穿过第一纳米级开口时，或者当所标记的核苷酸通过作用于多核苷酸的聚合酶掺入时，因此所标记的核苷酸的不同标记改变第一纳米级开口的电阻。

在示例中，第二纳米孔(例如，固态纳米孔)的第二纳米级开口具有固定的或基本上固定的电阻R_孔。流体隧道中的电解质的电势(在图1C中表示为分压器点M)响应于第一纳米级开口的电阻R_蛋白质的变化而变化。因此，测量FET的响应作为第一纳米级开口中的电阻变化允许确定第一纳米级开口中的电阻，并且此类信息可用于鉴定多核苷酸中的碱基。

在纳米孔测序操作期间，跨第一纳米孔施加电势(即，电压差V)可以迫使核苷酸与携带电荷的阴离子一起易位通过第一纳米级开口。取决于偏压，核苷酸可以从顺式阱转运到中间阱，或从中间阱转运到顺式阱。当核苷酸转移穿过第一纳米级开口时，跨膜24的电流由于例如收缩部的碱基依赖性阻塞而改变。可以使用FET传感器来测量来自该电流变化的信号。测量FET的响应的示例包括：测量源漏电流；或测量源极和/或漏极处的电势。另外，可以测量FET沟道中的电阻以鉴定第一纳米级开口处的碱基。

在操作期间，测量的电压范围可以选自约-0.1V到约0.1V以上、约-0.5V到约0.5V以上、约-1V到约1V以上、约-1.5V到约1.5V以上、约-2.0V到约2.0V以上、约-3.0V到约3.0V以上、约-5.0V到约5.0V以上。通常施加电压极性使得带负电荷的核酸被电泳驱动朝向反式电极。在一些情况下，可以降低电压或反转极性，以促进装置的适当功能。在一个非限制性示例中，第一纳米级开口的电阻R_蛋白质可为约0.5千兆欧姆(GΩ)到约1GΩ。第二纳米级开口的电阻R_孔可以是约50兆欧姆(MΩ)。在一个示例中，R_蛋白质作为第一纳米级开口处的多核苷酸的碱基的函数而变化。

分压器点M的电势随R_蛋白质变化并且充当FET栅极电势。可以在固态纳米孔中形成的第二纳米级开口的电阻R_孔是固定的或至少基本上固定的，并且不由第一纳米级开口处的多核苷酸的碱基调节。例如，当多核苷酸进入第一纳米级开口的收缩部时，基于多核苷酸中的碱基的身份来调节第一纳米级开口的电阻R_蛋白质。替代地，基于通过作用于多核苷酸的聚合酶掺入的所标记的核苷酸的标记的身份来调节第一纳米级开口的电阻R_蛋白质。电阻R_蛋白质可以相对较大，并且通常作为第一纳米级开口处的不同多核苷酸碱基的函数而变化30％-40％。在其他示例中，电阻R_蛋白质可以在约0.001％到约1％、约1％到约5％、约5％到约20％、约20％到约40％、约40％到约60％或60％到约100％之间变化。可以具有比第一纳米级开口更大的大小的第二纳米级开口的电阻R_孔与R_蛋白质相比可以低约10倍。由于第二纳米级开口的功能是在分压器中提供固定电阻R_孔(但不读出与第一纳米级开口相关联的电流)，因此第二纳米级开口可能不需要是原子上精确的。

图1B所示的等效电路是分压器，其中点M的电势是流体隧道中的电解质的电势。此电势是FET的等效栅极电势，并建立其操作点。当点M的电势V_M随着多核苷酸的碱基身份而变化时，流过FET的电流(源极-漏极电流)改变，从而提供流过第一纳米级开口的电流的测量值，并且因此提供多核苷酸碱基的身份的测量值。在某些实施方案中，纳米孔装置的等效电路满足以下等式：

点M处的电势V_M-由以下给出：

V_M＝DV (1)

其中

是分压器比并且V是顺反偏压。

驱动FET传感器响应的信号是δV_M，其为电势V_M随第一纳米级开口处的多核苷酸的碱基的变化。由上式可以推导出以下关系：

δV_M＝VδD (3)

其中δD是分压器比随第一纳米级开口处的多核苷酸的碱基的变化。

信号δV_M可能超过FET传感器的检测极限(LoD)，即，VδD＞LoD。因此，纳米孔装置10的灵敏度随LoD降低、V增加或δD增加而提高。

操作顺反偏压V因此可以满足：

实施例

图2A中示出了带有具有暴露于电解质的增加的表面积的FET传感器的纳米孔测序装置的一个示例。图2A是示例性装置10A的侧横截面视图。图2B是在图2A的线3-3上截取的横截面顶视图。图2B’是在图2A的线3'-3'上截取的横截面顶视图。

图2A、图2B和图2B’所示的纳米孔测序装置10A包括连接到顺式阱14A的顺式电极30A。顺式阱14A具有包括设置在膜24A中的第一纳米孔18A的下部部分。第一纳米孔18A包括由第一纳米孔18A限定的第一纳米级开口23A，该第一纳米级开口与流体隧道21A连通到设置在流体隧道21A与装置10A的下部部分处的反式阱16A之间的较窄区17A中的第二纳米级开口25A。如图所示，第二纳米级开口形成于基板材料62A中。第一纳米孔18A提供了供电解质20A在顺式阱14A与中间阱15A之间穿过的流体通道。流体隧道21A提供了供该电解质通过第二纳米级开口25A从中间阱15A穿过并到达反式阱16A的流体通道。

在一个示例中，顺式电极30A和反式电极34A在至少基本上水平方向上至少基本上彼此平行。在其他示例中，顺式电极和反式电极可以相对于彼此并且相对于纳米孔装置处于任何合适的取向。纳米孔装置10A还包括位于第一纳米级开口23A与第二纳米级开口25A之间的场效应晶体管(FET)传感器22A。FET传感器包括源极(S)50A、漏极(D)52A以及将源极50A连接到漏极52A的沟道54A。如顶视图(图2B和图2B’)所示，可以看到电解质20A在流体隧道21A中并且延伸穿过沟道54A。金属互连件64A和66A通过蚀刻停止层38A与FET 22A的源极50A和漏极52A电连通。金属互连件64A和66A将数据从FET传感器22A传达到监控FET传感器22A的控制系统。

在图2A所示的纳米孔装置10A的示例中，栅极氧化物56A的薄层围绕沟道54A生长，因此该薄层的上表面55A流体地暴露于中间阱15A中的电解质20A。栅极氧化物56A可以具有流体地暴露于流体隧道21A中的电解质20A的垂直表面。栅极氧化物56A的薄层将沟道54A与电解质20A分离，并且将FET传感器22A的沟道54A暴露于电解质20A。栅极氧化物56A的厚度可以在约1nm与约10nm之间，或者替代地在约2nm与约4nm之间。选择栅极氧化物56A的厚度，使得在给定电势V_M的情况下，足够强的电场可以诱导构成沟道54A和栅极氧化物56A的边界处的导电路径的电子或空穴的反型层，以在FET 22A的源极50A与漏极52A之间提供可测量的传导。

在此构型中，沟道54A的栅极氧化物56A的上表面55A将沟道54A流体地暴露于中间阱15A中的电解质，如图2B所示。通过提供沟道54A的暴露于电解质20A的大面积，电势V_M在沟道54A上具有更好的栅极可控性。

按照上面的关系式(2)和(4)，假设R_蛋白质的预期水平分离约为开孔阻力的10％，其中预期的基础分压器比D约为0.1，则变化δD约为0.1x0.1＝0.01。使用具有3mV LoD的FET传感器意味着

此高顺反偏压V可能与膜24A的一些选择不相容。

将LoD降低到约0.2mV将所需顺反偏压V降低约15x(15倍)到达约20mV，这与典型的膜兼容。这意味着具有大栅极面积的FET传感器将是有利的。在现有技术图1A所示的FET传感器中，仅沟道1154的一小部分暴露于电压变化δV_M，主要通过流体隧道21A的边界处的栅极氧化物56A。除了将沟道54A暴露于通过流体隧道21A的边界的电压变化之外，如图2A、图2B和图2B’所示的具有暴露的上表面55A的结构大大增加了FET的暴露于δV_M的感测面积并且改进了LoD(其比例为1/sqrt(A))，其中A是沟道54A的暴露于电解质20A的面积。

层间电介质68A可以是任何合适的绝缘体，包括SiO₂、HfO₂或Al₂O₃。当层间电介质68A是二氧化硅时，可以执行蚀刻以蚀刻纳米孔测序装置的各种部件。例如，可以使用具有高各向异性的蚀刻剂来执行蚀刻，诸如氟化反应离子蚀刻，包括CHF₃/O₂、C₂F₆、C₃F₈和C₅F₈/CO/O₂/Ar作为一些非限制性示例。

膜24A可以是非渗透性或半渗透性材料中的任一者。第一纳米级开口23A延伸穿过膜24A。应当理解，膜24A可以由任何合适的天然或合成材料形成，如本文所述。在示例中，膜24A选自由脂质和脂质的仿生等效物组成的组。在另一示例中，膜24A是合成膜(例如，固态膜，其的一个示例是氮化硅)，并且第一纳米级开口23A处于延伸穿过膜24A的固态纳米孔中。在示例中，第一纳米级开口23A延伸穿过例如：设置在膜中的多核苷酸纳米孔；多肽纳米孔；或固态纳米孔，例如，碳纳米管。

在一个示例中，FET传感器22A的源极、漏极和沟道可以由硅形成，并且硅的表面可以被热氧化以在FET传感器22A的沟道上形成栅极氧化物。

第一纳米孔18A可以是生物纳米孔(例如，蛋白质纳米孔)、固态纳米孔、杂化纳米孔(例如，杂化蛋白质/固态纳米孔)和合成纳米孔中的任一者。在一些示例中，纳米孔具有两个开口端和连接两个开口端的中空芯或洞(即，第一纳米级开口)。当插入膜中时，纳米孔的开口端中的一个开口端面向顺式阱，并且纳米孔的开口端中的另一个开口端面向中间阱。在一些情况下，纳米孔的面向中间阱的开口端流体地连接到流体隧道，并且还可以与流体隧道的至少一部分对准。在其他情况下，纳米孔的面向中间阱的开口端流体地连接到流体隧道，但不与流体隧道对准。纳米孔的中空芯使得顺式阱与中间阱之间的流体连接和电连接能够进行。纳米孔的中空芯的直径可以在约1nm到至多约1μm范围内，并且可以沿着纳米孔的长度变化。在一些示例中，面向顺式阱的开口端可以大于面向中间阱的开口端。在其他示例中，面向顺式阱的开口端可以小于面向中间阱的开口端。

第一纳米孔18A可以直接插入膜中，或者膜可以围绕纳米孔形成。在示例中，纳米孔可以将自身插入形成的脂质双层膜中。例如，呈单体形式或聚合形式(例如，八聚体)的纳米孔可以将自身插入脂质双层中并且组装成跨膜孔。在另一示例中，可以将纳米孔以期望的浓度添加到脂质双层的接地侧，其中该纳米孔将自身插入脂质双层中。在又一示例中，脂质双层可以跨聚四氟乙烯(PTFE)薄膜中的孔隙形成并且定位在顺式阱与中间阱之间。可以将纳米孔添加到接地的顺式隔室中，并且可以将自身插入形成PTFE孔的区域处的脂质双层中。在又一示例中，纳米孔可以被拴系到固体支持物(例如，硅、氧化硅、石英、氧化铟锡、金、聚合物等)。拴系分子(其可以是纳米孔自身的一部分或可以附接到纳米孔)可以将纳米孔附接到固体支持物。经由拴系分子的附接可以使得单个孔被固定(例如，在顺式阱与中间阱之间)。然后可以围绕纳米孔形成脂质双层。

在示例中，第二纳米级开口内径比第一纳米级开口内径大至少约两倍。在另一示例中，第二纳米级开口内径比第一纳米级开口内径大约三倍。在又另一示例中，第二纳米级开口内径在比第一纳米级开口内径大约两倍到比第一纳米级开口内径大约五倍的范围内。在示例中，第二纳米级开口的面积在比第一纳米级开口的面积大约五倍到约10倍的范围内。

此外，在示例中，第一纳米级开口内径在约0.5nm到约3nm范围内，并且第二纳米级开口内径25A在约10nm到约20nm范围内。在另一示例中，第一纳米级开口内径23A在约1nm到约2nm范围内，并且第二纳米级开口内径25A在约10nm到约20nm范围内。在又一示例中，第一纳米级开口内径23A在约1nm到约3nm范围内，并且第二纳米级开口内径25A在约2nm到约20nm范围内。上文给出的第一纳米级开口内径23A的示例性范围旨在是穿过第一纳米孔18A的纳米级开口23A的最小直径。

包括纳米孔测序装置阵列的基板可以具有阵列上的第一纳米级开口的许多不同布局，包括纳米级开口的规则、重复和不规则图案。在示例中，第一纳米级开口可以设置在六边形网格中，以获得装置的紧密堆积和提高的密度。其他阵列布局可包括例如直线(即，矩形)布局、三角形布局等。作为示例，布局或图案可以是呈行和列的第一纳米级开口的x-y格式。在一些其他示例中，布局或图案可以是第一纳米级开口的重复布置。在另外的其他示例中，布局或图案可以是第一纳米级开口的随机布置。图案可包括点、柱、条、漩涡、线、三角形、矩形、圆形、弧形、格纹、格子、对角线、箭头、正方形和/或交叉影线。

纳米级开口的布局可以相对于第一纳米级开口的密度(即，包括阵列的基板的限定区域中的第一纳米级开口的数目)来表征。例如，第一纳米级开口的阵列可以以在每mm²约10个第一纳米级开口到每mm²约1,000,000个第一纳米级开口范围内的密度存在。密度还可以包括例如至少约10个每mm²、约5,000个每mm²、约10,000个每mm²、约10万个每mm²或更大的密度。替代地或另外，密度可以不超过约1,000,000个每mm²、约10万个每mm²、约10,000个每mm²、约5,000个每mm²或更少。还应当理解，基板中的第一纳米级开口的密度可以在选自上述范围的下限值中的一个下限值与上限值中的一个上限值之间。

基板上的阵列中的第一纳米级开口的布局也可以根据平均节距，即从第一纳米级开口的中心到相邻第一纳米级开口的中心的间距(中心到中心间距)来表征。图案可以是规则的，使得围绕平均节距的变化系数较小，或者图案可以是不规则的，在这种情况下变化系数可以相对较大。在示例中，平均节距可在约100nm到约500μm范围内。平均节距可以为例如至少约100nm、约5μm、约10μm、约100μm或更大。替代地或另外，平均节距可以为例如至多约500μm、约100μm、约50μm、约10μm、约5μm或更小。装置的示例性阵列的平均节距可在选自上述范围的下限值中的一个下限值与上限值中的一个上限值之间。在示例中，阵列可以具有约10μm的节距(中心到中心间距)。在另一示例中，阵列可以具有约5μm的节距(中心到中心间距)。在又一示例中，阵列可以具有在约1μm到约10μm范围内的节距(中心到中心间距)。

如上所述，用于测序的基板可以包括纳米孔测序装置的阵列。在纳米孔测序装置的一个示例中，反式阱通过中间阱和相应的第二和第一纳米级开口流体地连接到顺式阱。在具有纳米孔测序装置阵列的基板中，可以存在一个共同的顺式阱和一个共同的反式阱，该顺式阱和该反式阱与基板上的阵列内的纳米孔测序装置的一部分或全部连通。然而，应当理解，纳米孔装置的阵列还可以包括彼此流体地隔离并且流体地连接到相应的一个或多个反式阱的若干顺式阱，该一个或多个反式阱彼此流体地隔离并在基板中限定。可能需要多个顺式阱，例如，以便能够测量单个基板上的多个多核苷酸。在一些实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式电极、一个共同的反式电极、一个共同的顺式阱、一个共同的反式阱和多个纳米孔测序装置，如图2A所示的那些，其中每个纳米孔测序装置包括FET传感器以及具有第一纳米孔和第二纳米孔的双孔。多个纳米孔测序装置中的每个纳米孔测序装置可以通过其相关的FET传感器单独测量电阻或信号。在其他实施方案中，每个纳米孔测序装置可以包括具有三个或更多个纳米孔的多孔和FET传感器。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括多个顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。

纳米孔测序装置的顺式阱可以是由连接到基板的侧壁限定的流体室。在一些示例中，侧壁和基板可以一体地形成，使得它们由连续的材料片(例如，玻璃或塑料)形成。在其他示例中，侧壁和基板可以是彼此联接的单独部件。在示例中，侧壁是光可图案化聚合物。在一些示例中，顺式阱形成在由顺式电极、基板的部分和膜限定的空间内。顺式阱可以具有任何合适的尺寸。在示例中，顺式阱在约1mm×1mm到约3cm×3cm范围内。顺式电极(其内部表面形成顺式阱的一个表面)可以物理地连接到侧壁。顺式电极可以例如通过粘合剂或另一合适的紧固机构物理地连接到侧壁。顺式电极与侧壁之间的界面可以密封顺式阱的上部部分。

纳米孔测序装置的反式阱是可以在基板的一部分中限定的流体室。反式阱可以延伸穿过基板的厚度并且可以在基板的相对端处具有开口。在一些示例中，反式阱可以具有由基板和/或由基板的间隙区限定的侧壁、由反式电极限定的下表面和由基础结构限定的上表面。因此，反式阱可以形成在由反式电极、基板的另一部分和/或间隙区以及基础结构限定的空间内。应当理解，反式阱的上表面可以包含第二纳米级开口以提供与中间阱的流体连通。在一些示例中，第二纳米级开口穿过基础结构。在一些示例中，第二纳米级开口可以流体地连接到反式阱的较窄区并面向该较窄区。

反式阱可以是微阱(在微米级上具有至少一个尺寸，例如，至多约1μm，但不包括约1000μm)或纳米阱(在纳米级上具有最大尺寸，例如，至多约10nm，但不包括1000nm)。反式阱可以由其纵横比(例如，在此示例中为宽度或直径除以深度或高度)来表征。在示例中，反式阱的纵横比可以在约1:1到约1:5范围内。在另一示例中，每个反式阱的纵横比可以在约1:10到约1:50范围内。在示例中，反式阱的纵横比为约3.3。可以选择反式阱的深度/高度和宽度/直径以便获得期望的纵横比。每个反式阱的深度/高度可以为至少约0.1μm、约1μm、约10μm、约100μm或更大。替代地或另外，深度可以为至多约1,000μm、约100μm、约10μm、约1μm、约0.1μm或更小。每个反式阱16的宽度/直径可以为至少约50nm、约0.1μm、约0.5μm、约1μm、约10μm、约100μm或更大。替代地或另外，宽度/直径可以为至多约1,000μm、约100μm、约10μm、约1μm、约0.5μm、约0.1μm、约50nm或更小。

可以使用各种技术制造顺式阱和反式阱，包括例如光刻法、纳米压印光刻法、冲压技术、压印技术、模制技术、微蚀刻技术等。如本领域技术人员所理解的，所使用的技术将取决于基板和侧壁的组合物和形状。在示例中，顺式阱可以由基板的端部处的一个或多个侧壁限定，并且反式阱可以通过基板限定。

反式电极(其内部表面是反式阱的下表面)可以物理地连接到基板。反式电极可以在形成基板的过程中(例如，在形成反式阱期间)制造。可用于形成基板和反式电极的微制造技术包括光刻法、金属沉积和剥离、干燥和/或旋涂膜沉积、蚀刻等。反式电极与基板之间的界面可以密封反式阱的下部部分。

用于形成基础结构62A的材料的示例包括氮化硅(Si₃N₄)、碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)，氧化铪(HfO₂)和五氧化二钽(Ta₂O₅)。除CVD之外，这些材料的合适沉积技术的示例包括原子层沉积(ALD)等。用于基础结构62A的合适材料组合的示例包括Si₃N₄，SiO₂、SiC或Al₂O₃。

所使用的顺式电极至少部分地取决于电解质中的氧化还原对。作为示例，顺式电极可以是金(Au)、铂(Pt)、碳(C)(例如，石墨、金刚石等)、钯(Pd)、银(Ag)、铜(Cu)等。在示例中，顺式电极可以是银/氯化银(Ag/AgCl)电极。在一个示例中，顺式阱能够保持电解质与第一纳米级开口接触。在一些示例中，顺式阱可以与纳米孔阵列接触，并且因此能够保持电解质与阵列中的纳米孔中的每个纳米孔接触。

所使用的反式电极至少部分地取决于电解质中的氧化还原对。作为示例，反式电极可以是金(Au)、铂(Pt)、碳(C)(例如，石墨、金刚石等)、钯(Pd)、银(Ag)、铜(Cu)等。在示例中，反式电极可以是银/氯化银(Ag/AgCl)电极。

在一些示例中，在NaCl或KCl溶液中，Ag/AgCl电极在电极处的相关电化学半反应是：

顺式(阴极)：AgCl+e^-→Ag⁰+Cl^-；以及反式(阳极)：Ag⁰+Cl^-→AgCl+e^-。

对于电流的每一单位电荷，在反式电极处消耗一个Cl原子。尽管以上讨论是针对在NaCl或KCl溶液中的Ag/AgCl电极，但应当理解，可用于传递电流的任何电极/电解质对均可适用。

在使用中，可以将电解质填充到顺式阱、中间阱、流体隧道、较窄区和反式阱中。在替代示例中，顺式阱、中间阱和反式阱中的电解质可以是不同的。电解质可以是能够解离成抗衡离子(阳离子和其缔合阴离子)的任何电解质。作为示例，电解质可以是能够解离成钾阳离子(K⁺)或钠阳离子(Na⁺)的电解质。这种类型的电解质包括钾阳离子和缔合阴离子，或钠阳离子和缔合阴离子，或它们的组合。含钾电解质的示例包括氯化钾(KCl)、铁氰化钾(K₃[Fe(CN)₆]〃3H₂O或K₄[Fe(CN)₆]〃3H₂O)或其他含钾电解质(例如，碳酸氢盐(KHCO₃)或磷酸盐(例如，KH₂PO₄、K₂HPO₄、K₃PO₄)。含钠电解质的示例包括氯化钠(NaCl)或其他含钠电解质，诸如碳酸氢钠(NaHCO₃)、磷酸钠(例如，NaH₂PO₄、Na₂HPO₄或Na₃PO₄)。作为另一示例，电解质可以是能够解离成含钌阳离子的任何电解质(例如，钌六胺，诸如[Ru(NH₃)₆]²⁺或[Ru(NH₃)₆]³⁺)。可以使用能够解离成锂阳离子(Li⁺)、铷阳离子(Rb⁺)、镁阳离子(Mg⁺)或钙阳离子(Ca⁺)的电解质。

在其中多个纳米孔测序装置在基板上形成阵列的示例中，阵列中的多个纳米孔测序装置中的每一个纳米孔测序装置可以共享共同的顺式电极和共同的反式电极。在另一示例中，多个纳米孔测序装置中的每一个纳米孔测序装置共享共同的顺式电极，但具有不同的反式电极。在又一示例中，多个纳米孔测序装置中的每一个纳米孔测序装置具有不同的顺式电极和不同的反式电极。在又一示例中，多个纳米孔测序装置中的每一个纳米孔测序装置具有不同的顺式电极并且共享共同的反式电极。随着纳米孔装置阵列被缩放，每个反式阱的体积通常随着阱尺寸的三次幂而耗尽(假设保持恒定的纵横比)。在一些示例中，阵列寿命为约或高于48小时，并且反式阱的典型直径约为或高于100μm。

替代示例

图3A示出了图2A所示的装置10A的变体。如图3A所示，纳米孔测序装置10B包括与图2A所示的装置类似的部件。然而，图3A所示的基板材料62B不具有如图2A所示的较窄区。基板材料62B在格式上更平面。

在图3A、图3B和图3C中示出的纳米孔测序装置10B包括连接到顺式阱14B的顺式电极30B。顺式阱14B具有包括设置在膜24B中的第一纳米孔18B的下部部分。第一纳米孔18B包括由第一纳米孔18B限定的第一纳米级开口23B，该第一纳米级开口与流体隧道21B连通到流体隧道21B与装置10B的下部部分处的反式阱16B之间的第二纳米级开口25B。如图所示，第二纳米级开口25B形成于基板材料62B中。第一纳米孔18B提供了供电解质20B在顺式阱14B与中间阱15B之间穿过的流体通道。流体隧道21B提供了供该电解质通过第二纳米级开口25B从中间阱15B穿过并到达反式阱16B的流体通道。在使用中，可以将电解质填充到顺式阱14B、中间阱15B和反式阱16B中。在替代示例中，顺式阱14B、中间阱15B和反式阱16B中的电解质可以是不同的。在一些示例中，第一纳米级开口23B的直径可以等于或小于流体隧道21B的开口。用于测序的基板可以包括纳米孔测序装置的阵列。在纳米孔测序装置的一个示例中，反式阱通过中间阱和相应的第二和第一纳米级开口流体地连接到顺式阱。在具有纳米孔测序装置阵列的基板中，可以存在一个共同的顺式阱和一个共同的反式阱，该顺式阱和该反式阱与基板上的阵列内的纳米孔测序装置的一部分或全部连通。然而，应当理解，纳米孔装置的阵列还可以包括彼此流体地隔离并且流体地连接到相应的一个或多个反式阱的若干顺式阱，该一个或多个反式阱彼此流体地隔离并在基板中限定。可能需要多个顺式阱，例如，以便能够测量单个基板上的多个多核苷酸。在一些实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式电极、一个共同的反式电极、一个共同的顺式阱、一个共同的反式阱和多个纳米孔测序装置，如图3A所示的那些，其中每个纳米孔测序装置包括FET传感器以及具有第一纳米孔和第二纳米孔的双孔。多个纳米孔测序装置中的每个纳米孔测序装置可以通过其相关的FET传感器单独测量电阻或信号。在其他实施方案中，每个纳米孔测序装置可以包括具有三个或更多个纳米孔的多孔和FET传感器。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括多个顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。

在一个示例中，顺式电极30B和反式电极34B在至少基本上水平方向上至少基本上彼此平行。在其他示例中，顺式电极和反式电极可以相对于彼此并且相对于纳米孔装置处于任何合适的取向。纳米孔装置10B还包括位于第一纳米级开口23B与第二纳米级开口25B之间的场效应晶体管(FET)传感器22B。FET传感器包括源极(S)50B、漏极(D)52B以及将源极50B连接到漏极52B的沟道54B。如顶视图(图3B和图3C)所示，可以看到电解质20B在流体隧道21B中并且延伸穿过沟道54B。金属互连件64B和66B通过蚀刻停止层38B与FET 22B的源极50B和漏极52B电连通。金属互连件64B和66B将数据从FET传感器22B传达到监控FET传感器22B的控制系统。

在图3A所示的纳米孔装置10B的示例中，栅极氧化物56B的薄层围绕沟道54B生长；因此，该薄层的上表面55B流体地暴露于中间阱15B。栅极氧化物56B可以具有流体地暴露于流体隧道21B中的电解质20B的垂直表面。栅极氧化物的薄层将沟道54B与电解质20B分离，并且将FET传感器22B的沟道54B暴露于电解质20B。除了将沟道54B暴露于通过流体隧道21B的边界处的栅极氧化物56B的电压变化之外，如图3A、图3B和图3C所示的具有暴露的上表面55B的结构大大增加了FET的暴露于δV_M的感测面积并且改进了LoD。栅极氧化物56B的厚度可以在厚度在约1nm与约10nm之间，并且在一些示例中，厚度在约2nm与约4nm之间。选择栅极氧化物56B的厚度，使得在给定电势V_M的情况下，足够强的电场可以诱导构成沟道54B-栅极氧化物56B边界处的导电路径的电子或空穴的反型层，以在源极50B与漏极52B之间导电。

层间电介质68B可以是任何合适的绝缘体，包括SiO₂、HfO₂或Al₂O₃。当层间电介质68B是二氧化硅时，可以执行蚀刻以蚀刻纳米孔测序装置的各种部件。例如，可以使用具有高各向异性的蚀刻剂来执行蚀刻，诸如氟化反应离子蚀刻，包括CHF₃/O₂、C₂F₆、C₃F₈和C₅F₈/CO/O₂/Ar作为一些非限制性示例。

如图所示，与图2A相比，图3A中的反式阱16不包括较窄区。在一些情况下，这允许更大的反式阱16B。对于纳米孔测序装置的其余部分，基本操作原理保持相同。

图3B和图3C是分别在图3A中在线3-3和线3'-3'上截取的横截面顶视图，其示出了作为纳米线晶体管的FET传感器的示例，即沟道54B具有纳米线构型。

在纳米线晶体管中，沟道54B具有沿着从源极50B到漏极52B的方向的长度、沿着从顺式电极30B到反式电极34B的方向的高度，以及沿着至少部分地或基本上与长度和高度两者正交的方向的宽度。在一个示例中，长度可以是宽度或高度的至少约10倍。流体隧道21B与沟道54B之间在由长度和宽度限定的平面中的相交处可以是圆盘形的，如图3B和图3C所示。

具有约250nm×20nm×30nm纳米线的纳米线晶体管的LoD是约3mV，而具有约10,000nm×100nm×30nm线的纳米线晶体管的LoD是约0.2mV。

与图3B和图3C所示的纳米线FET传感器22B相比，图3D和图3E是纳米片FET传感器22B’的横截面顶视图。在纳米片FET传感器22B’中，沟道54B'具有纳米片构型。栅极氧化物56B’的薄层将沟道54B’的上表面与电解质20B’分离，并且将FET传感器22B’的沟道54B’暴露于电解质20B’。栅极氧化物56B’的厚度可以是约1nm-约10nm，优选地约2nm-约4nm。选择栅极氧化物56B’的厚度，使得在给定电势V_M的情况下，足够强的电场可以诱导构成沟道54B’-栅极氧化物56B’边界处的导电路径的电子或空穴的反型层，以在源极50B’与漏极52B’之间导电。FET的暴露于电解质20B’的感测面积大大增加，从而进一步压低LoD。

在纳米片FET传感器22B’中，沟道54B’具有沿着从源极50B’到漏极52B’的方向的长度、沿着从顺式电极到反式电极的方向的高度，以及沿着至少部分地或基本上与长度和高度两者正交的方向的宽度。长度可以是高度的至少约2倍，并且宽度可以是高度的至少约2倍。在其他示例中，长度可以是高度的至少约3倍、约4倍、约5倍、约6倍、约7倍、约8倍、约9倍、约10倍或更多倍，并且宽度可以是高度的至少约3倍、约4倍、约5倍、约6倍、约7倍、约8倍、约9倍、约10倍或更多倍。流体隧道21B’与沟道54B’之间在由长度和宽度限定的平面中的相交处可以是椭圆形的，如图3D和图3E所示(例如，参见56B’的椭圆形边界)。

替代地，流体隧道21B’与沟道54B’之间在纳米片晶体管中的相交处可以具有几乎任意形状和大小，潜在地甚至进一步增加FET的感测面积，并且从而甚至进一步压低LoD。由于可以放宽流体隧道的大小和形状要求，因此可以提高装置的可制造性。

额外示例

图4A、图4B和图4B’示出了图2A、图2B和图2B’所示的纳米孔装置的另一示例，该纳米孔装置使用全环栅极(GAA)晶体管。图4A是纳米孔测序装置10C的横截面侧视图。图4B是在图4A中的线3-3上截取的横截面顶视图。图4B’是在图4A中的线3'-3'上截取的横截面顶视图。

图4A、图4B和图4B’所示的纳米孔测序装置10C包括连接到顺式阱14C的顺式电极30C。顺式阱14C具有包括设置在膜24C中的第一纳米孔18C的下部部分。第一纳米孔18C包括由第一纳米孔18C限定的第一纳米级开口23C，该第一纳米级开口与流体隧道21C连通到设置在流体隧道21C与装置10C的下部部分处的反式阱16C之间的较窄区17C中的第二纳米级开口25C。如图所示，第二纳米级开口形成于基板材料62C中。第一纳米孔18C提供了供电解质20C在顺式阱14C与中间阱15C之间穿过的流体通道。流体隧道21C提供了供该电解质通过第二纳米级开口25C从中间阱15C穿过并到达反式阱16C的流体通道。用于测序的基板可以包括纳米孔测序装置的阵列。在纳米孔测序装置的一个示例中，反式阱通过中间阱和相应的第二和第一纳米级开口流体地连接到顺式阱。在具有纳米孔测序装置阵列的基板中，可以存在一个共同的顺式阱和一个共同的反式阱，该顺式阱和该反式阱与基板上的阵列内的纳米孔测序装置的一部分或全部连通。然而，应当理解，纳米孔装置的阵列还可以包括彼此流体地隔离并且流体地连接到相应的一个或多个反式阱的若干顺式阱，该一个或多个反式阱彼此流体地隔离并在基板中限定。可能需要多个顺式阱，例如，以便能够测量单个基板上的多个多核苷酸。在一些实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式电极、一个共同的反式电极、一个共同的顺式阱、一个共同的反式阱和多个纳米孔测序装置，如图4A所示的那些，其中每个纳米孔测序装置包括FET传感器以及具有第一纳米孔和第二纳米孔的双孔。多个纳米孔测序装置中的每个纳米孔测序装置可以通过其相关的FET传感器单独测量电阻或信号。在其他实施方案中，每个纳米孔测序装置可以包括具有三个或更多个纳米孔的多孔和FET传感器。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括多个顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。

在一个示例中，顺式电极30C和反式电极34C在至少基本上水平方向上至少基本上彼此平行。在其他示例中，顺式电极和反式电极可以相对于彼此并且相对于纳米孔装置处于任何合适的取向。纳米孔装置10C还包括位于第一纳米级开口23C与第二纳米级开口25C之间的场效应晶体管(FET)传感器22C。FET传感器包括源极(S)50C、漏极(D)52C以及将源极50C连接到漏极52C的沟道54C。如顶视图(图4B和图4B’)所示，可以看到电解质20C在流体隧道21C中并且延伸穿过沟道54C。金属互连件66C和64C通过蚀刻停止层38C与FET 22C的源极50C和漏极52C电连通。金属互连件将数据从FET传感器22C传达到监控FET传感器22C的控制系统。

在图4A所示的纳米孔测序装置10C中，将沟道54C与电解质20C分离的线3-3正上方的材料的大部分被去除，将FET传感器22C的沟道54C暴露于电解质20C。另外，去除或挖空沟道54C正下方的材料的大部分，也将沟道54C从下方暴露于电解质——这可以通过众所周知的方法底切FET传感器22C的有源区域54C来形成。仅栅极氧化物56C的薄层围绕沟道54C生长。栅极氧化物56C的上表面55C和下表面58C流体地暴露于中间阱15C和流体沟道21C中的电解质20C。栅极氧化物56C可以具有流体地暴露于流体隧道21C中的电解质20C的垂直表面。栅极氧化物56C的薄层将沟道54C与电解质20C分离，并且将FET传感器22C的沟道54C暴露于电解质20C。栅极氧化物56C的厚度可以在约1nm与约10nm之间，并且在一些示例中，在约2nm与约4nm之间。选择栅极氧化物56C的厚度，使得在给定电势V_M的情况下，足够强的电场可以诱导构成沟道54C-栅极氧化物56C边界处的导电路径的电子或空穴的反型层，以在源极50C与漏极52C之间导电。

图4A所示的FET传感器22C的这种构型允许沟道54C的相对较大面积暴露于电解质20C(与图2A相比)。因此，沟道54C使用上表面55C和下表面58C以将沟道54C流体地连接到中间阱15C。因此，电势V_M在沟道54C上具有有利的栅极可控性，并且进一步降低LoD。除了将沟道54C暴露于通过流体隧道21C的边界处的栅极氧化物56C的电压变化之外，如图4A、图4B和图4B’所示的具有暴露的上表面55C和下表面58C的FET传感器22C的结构大大增加了FET的暴露于δV_M的感测面积并且改进了LoD。

层间电介质68C可以是任何合适的绝缘体，诸如SiO₂、HfO₂或Al₂O₃。当层间电介质68C是二氧化硅时，可以执行蚀刻以蚀刻纳米孔测序装置的各种部件。例如，可以使用具有高各向异性的蚀刻剂来执行蚀刻，诸如氟化反应离子蚀刻，包括CHF₃/O₂、C₂F₆、C₃F₈和C₅F₈/CO/O₂/Ar作为一些非限制性示例。

膜24C可以是非渗透性或半渗透性材料中的任一者。第一纳米级开口23C延伸穿过膜24C。应当理解，膜24C可以由任何合适的天然或合成材料形成，如本文所述。在示例中，膜24C选自由脂质和脂质的仿生等效物组成的组。在另一示例中，膜24C是合成膜(例如，固态膜，其的一个示例是氮化硅)，并且第一纳米级开口23C处于延伸穿过膜24C的固态纳米孔中。在示例中，第一纳米级开口23C延伸穿过例如：设置在膜中的多核苷酸纳米孔；多肽纳米孔；或固态纳米孔，例如，碳纳米管。

在一个示例中，FET传感器22C的源极、漏极和沟道可以由硅形成，并且硅的表面可以被热氧化以在FET传感器22C的沟道上形成栅极氧化物。

第一纳米孔18C可以是生物纳米孔、固态纳米孔、杂化纳米孔和合成纳米孔中的任一者。在一些示例中，第一纳米孔18C具有两个开口端和连接两个开口端的中空芯或洞(即，第一纳米级开口23C)。当插入膜24C中时，第一纳米孔18C的开口端中的一个开口端面向顺式阱14C，并且第一纳米孔18C的开口端中的另一个开口端面向中间阱15C。在一些情况下，第一纳米孔18C的面向中间阱15C的开口端流体地连接到流体隧道21C，并且还可以与流体隧道21C的至少一部分对准。在其他情况下，第一纳米孔18C的面向中间阱15C的开口端流体地连接到流体隧道21C，但不与流体隧道21C对准。第一纳米孔18C的中空芯使得顺式阱14C与中间阱15C之间的流体连接和电连接能够进行。第一纳米孔18C的中空芯的直径可以在约1nm到至多约1μm范围内，并且可以沿着第一纳米孔18C的长度变化。在一些示例中，面向顺式阱14C的开口端可以大于面向中间阱15C的开口端。在其他示例中，面向顺式阱14C的开口端可以小于面向中间阱15C的开口端。

另外的示例

图5A、图5B和图5B’示出了对图2A、图2B和图2B’所示的纳米孔装置的修改，该纳米孔装置使用多孔结构2500D代替图2A所示的第二纳米级开口25A。图5A是修改后的示例性装置10D的侧横截面视图。图5B是在图5A中的线3-3上截取的横截面顶视图。图5B’是在图5A中的线3'-3'上截取的横截面顶视图。

图5A、图5B和图5B’所示的纳米孔测序装置10D包括连接到顺式阱14D的顺式电极30D。顺式阱14D具有包括设置在膜24D中的第一纳米孔18D的下部部分。第一纳米孔18D包括由第一纳米孔18D限定的第一纳米级开口23D，该第一纳米级开口与流体隧道21D连通到反式阱16D的在装置10D的下部部分处的较窄区17D。第一纳米孔18D提供了供电解质20D在顺式阱14D与中间阱15D之间穿过的流体通道。流体隧道21D提供了供该电解质从中间阱15D穿过到反式阱16D的流体通道。多孔结构2500D设置在反式阱16D与中间阱15D之间。用于测序的基板可以包括纳米孔测序装置的阵列。在纳米孔测序装置的一个示例中，反式阱通过中间阱和相应的第二和第一纳米级开口流体地连接到顺式阱。在具有纳米孔测序装置阵列的基板中，可以存在一个共同的顺式阱和一个共同的反式阱，该顺式阱和该反式阱与基板上的阵列内的纳米孔测序装置的一部分或全部连通。然而，应当理解，纳米孔装置的阵列还可以包括彼此流体地隔离并且流体地连接到相应的一个或多个反式阱的若干顺式阱，该一个或多个反式阱彼此流体地隔离并在基板中限定。可能需要多个顺式阱，例如，以便能够测量单个基板上的多个多核苷酸。在一些实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式电极、一个共同的反式电极、一个共同的顺式阱、一个共同的反式阱和多个纳米孔测序装置，如图5A所示的那些，其中每个纳米孔测序装置包括FET传感器以及具有第一纳米孔和第二纳米孔的双孔。多个纳米孔测序装置中的每个纳米孔测序装置可以通过其相关的FET传感器单独测量电阻或信号。在其他实施方案中，每个纳米孔测序装置可以包括具有三个或更多个纳米孔的多孔和FET传感器。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括多个顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。

在一个示例中，顺式电极30D和反式电极34D在至少基本上水平方向上至少基本上彼此平行。在其他示例中，顺式电极和反式电极可以相对于彼此并且相对于纳米孔装置处于任何合适的取向。纳米孔装置10D还包括位于第一纳米级开口23D与多孔结构2500D之间的场效应晶体管(FET)传感器22D。FET传感器包括源极(S)50D、漏极(D)52D以及将源极50D连接到漏极52D的沟道54D。如顶视图(图5B和图5B’)所示，可以看到电解质20D在流体隧道21D中并且延伸穿过沟道54D。金属互连件66D和64D通过蚀刻停止层38D与FET 22D的源极50D和漏极52D电连通。金属互连件66D和64D将数据从FET传感器22D传达到监控FET传感器22D的控制系统。

在图5A所示的纳米孔装置10D的示例中，栅极氧化物56D的薄层围绕沟道54D生长；因此，该薄层的上表面55D流体地暴露于中间阱。栅极氧化物56D可以具有流体地暴露于流体隧道21D中的电解质20D的垂直表面。栅极氧化物将沟道54D与电解质20D分离，并且将FET传感器22D的沟道54D暴露于电解质20D。栅极氧化物56D的厚度可以在约1nm与约10nm之间，并且在一些示例中，在约2nm与约4nm之间。选择栅极氧化物56D的厚度，使得在给定电势V_M的情况下，足够强的电场可以诱导构成沟道54D-栅极氧化物56D边界处的导电路径的电子或空穴的反型层，以在源极50D与漏极52D之间导电。

在此构型中，沟道54D具有将沟道54D流体地连接到中间阱15D中的电解质的上表面，如图5B所示。通过增加沟道54D的暴露于电解质20D的面积，电势V_M在沟道54D上具有更好的栅极可控性。除了将沟道54D暴露于通过流体隧道21D的边界处的栅极氧化物56D的电压变化之外，如图5A、图5B和图5B’所示的具有沟道54D的暴露的上表面的结构大大增加了FET的暴露于δV_M的感测面积并且改进了LoD。

在图2A中，例如形成于固态纳米孔中的第二纳米级开口25A限定装置的操作的一部分。使用当前的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术来制造小于约10nm的纳米孔可能是挑战。然而，此选择将分压器比D限制为约0.1，这反过来又减少了当第一纳米级开口23处的多核苷酸的碱基发生变化时的变化δD，这反过来又提高了所需的顺反偏压V。在某些实施方案中，纳米孔装置的等效电路满足以下等式：

在图2A的装置10A中，由FET传感器检测到的信号与以下等式成正比

当以下等式时，此信号被最大化

这转化为以下要求

R_孔＝R_蛋白质。 (8)

对于当前基于CMOS的制造技术，制造具有与蛋白质纳米孔的大小和电阻相似的大小和电阻的固态纳米孔仍然具有挑战性。此外，满足此要求的单个固态纳米孔可以具有变化的电阻，因为具有约1nm的宽度的多核苷酸(例如，单链DNA聚合物)预期在穿越具有相似宽度的开口的固态纳米孔时显著改变电阻。

相反，在图5A中，用多孔结构2500D(例如，纳米多孔玻璃料或膜)代替第二纳米级开口。玻璃料的结构和功能类似于在参考电极中使用的玻璃料的结构和功能。玻璃料中的孔可以随机分布，并且可以形成复杂的通道。选择玻璃料的孔隙率，使得其足以建立跨玻璃料的电连续性(即，足够大以允许来自电解质的离子物质通过)，但足够小，使得建立对离子电流的显著阻力。具有1mm²大小的典型玻璃料的电阻为1MΩ。因此，可以预期100nm×100nm玻璃料具有>1TΩ的电阻。典型玻璃料的孔径为约几nm，并且厚度为约1mm。调整玻璃料的孔隙率和厚度应允许实现以下等式的期望目标

R_玻璃料＝R_蛋白质 (9)

存在许多可以用于玻璃料的制造兼容材料。低κ电介质，诸如多孔低κ电介质(例如，有机硅酸盐玻璃(SiCOH)，诸如多孔有机硅酸盐玻璃(SiCOH))可以被使用并制造成具有可以调整为高达50％的孔隙率。具有诸如环甲基硅酮的环结构的前体，例如十甲基环硅氧烷([(CH₃)₂SiO]₅)有时用于实现百分之几的固有孔隙率。可以从双相前体(诸如DMDS(二甲基二硫化物，CH₃SSCH₃)和α-萜品烯的混合物)实现高达50％的孔隙率，其中通过热处理去除α-萜品烯相。所得材料的结构可从以无序方式排列的蠕虫状中孔变化为具有约几nm的典型孔径的有序的通道状阵列。也已经证明具有约数十nm周期的有序孔隙率。

额外示例

图6是又一示例性纳米孔测序装置10E的剖面、示意性和部分横截面视图。图6示出了图5A的修改，其中FET传感器通过使用沟道601的堆叠来进一步提高SNR和栅极可控性。

图6所示的纳米孔测序装置10E包括连接到顺式阱14E的顺式电极30E。顺式阱14E具有包括设置在膜24E中的第一纳米孔18E的下部部分。第一纳米孔18E包括由第一纳米孔18E限定的第一纳米级开口23E，该第一纳米级开口与流体隧道21E连通到反式阱16E的在装置10E的下部部分处的较窄区17E。第一纳米孔18E提供了供电解质20E在顺式阱14E与中间阱15E之间穿过的流体通道。流体隧道21E提供了供该电解质从中间阱15E穿过到反式阱16E的流体通道。多孔结构2500E设置在反式阱16E与中间阱15E之间。用于测序的基板可以包括纳米孔测序装置的阵列。在纳米孔测序装置的一个示例中，反式阱通过中间阱和相应的第二和第一纳米级开口流体地连接到顺式阱。在具有纳米孔测序装置阵列的基板中，可以存在一个共同的顺式阱和一个共同的反式阱，该顺式阱和该反式阱与基板上的阵列内的纳米孔测序装置的一部分或全部连通。然而，应当理解，纳米孔装置的阵列还可以包括彼此流体地隔离并且流体地连接到相应的一个或多个反式阱的若干顺式阱，该一个或多个反式阱彼此流体地隔离并在基板中限定。可能需要多个顺式阱，例如，以便能够测量单个基板上的多个多核苷酸。在一些实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式电极、一个共同的反式电极、一个共同的顺式阱、一个共同的反式阱和多个纳米孔测序装置，如图6所示的那些，其中每个纳米孔测序装置包括FET传感器以及具有第一纳米孔和第二纳米孔的双孔。多个纳米孔测序装置中的每个纳米孔测序装置可以通过其相关的FET传感器单独测量电阻或信号。在其他实施方案中，每个纳米孔测序装置可以包括具有三个或更多个纳米孔的多孔和FET传感器。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括多个顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。

在一个示例中，顺式电极30E和反式电极34E在至少基本上水平方向上至少基本上彼此平行。在其他示例中，顺式电极和反式电极可以相对于彼此并且相对于纳米孔装置处于任何合适的取向。纳米孔装置10D还包括位于第一纳米级开口23E与多孔结构2500E之间的场效应晶体管(FET)传感器22E。FET传感器包括源极(S)50E、漏极(D)52E。金属互连件66E和64E通过蚀刻停止层38E与FET 22E的源极50E和漏极52E电连通。金属互连件66E和64E将数据从FET传感器22E传达到监控FET传感器22E的控制系统。

FET传感器22E被修改成使得FET还包括沟道601的堆叠，该沟道基本上水平地对准并且将源极50E连接到漏极52E。在图5E所示的纳米孔装置10E的示例中，栅极氧化物56E的薄层围绕沟道601的堆叠生长。栅极氧化物的薄层将沟道与电解质20E分离，并且将FET传感器22E的沟道暴露于电解质20E。栅极氧化物56E的厚度可以在约1nm与约10nm之间，并且在一些示例中，在约2nm与约4nm之间。选择栅极氧化物56E的厚度，使得在给定电势V_M的情况下，足够强的电场可以诱导构成沟道54E-栅极氧化物56E边界处的导电路径的电子或空穴的反型层，以在源极50E与漏极52E之间导电。因此，多个沟道中的每个沟道605具有栅极氧化物的流体地连接到中间阱15E的上表面607和下表面608。每个沟道605可以具有流体地连接到流体隧道21E的垂直表面。流体隧道21E延伸穿过多个沟道中的每一个沟道。因此，可以通过增加堆叠中的沟道的数量来增加总FET感测面积。通过增加沟道601的暴露于电解质20E的面积，电势V_M在沟道上具有更好的栅极可控性。此构型极大地增加了FET的暴露于δV_M的感测面积并且改进了LoD。

图6中的装置10E包括多孔结构2500E，例如，纳米多孔玻璃料或膜。然而，应认识到，此示例还可以使用类似于图2A中的结构的第二纳米级开口。然而，在图6所示的示例中，玻璃料的结构和功能类似于在参考电极中使用的玻璃料的结构和功能。选择玻璃料的孔隙率，使得其足以建立跨玻璃料的电连续性(即，足够大以允许来自电解质的离子物质通过)，但足够小，使得聚合物无法跨该玻璃料扩散。大小为1mm²的典型玻璃料的电阻约为1MΩ，因此可以预期100nm×100nm玻璃料具有>1TΩ的电阻。典型玻璃料的孔径为约几nm，并且厚度为约1mm。调整玻璃料的孔隙率和厚度应允许实现R_玻璃料的期望目标。

本公开的其他方面和优点将从结合附图的详细描述中变得明显，这些附图以示例的方式示出了本公开的原理。

虽然这里仅示出和描述了示例的某些特征，但是本领域技术人员会想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖所有此类修改和改变。

所描述的方法和组合物的各种修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的，而不脱离本文所描述的示例的范围。应当理解，所要求保护的示例不应过度地限于本文所公开的具体示例。实际上，对相关领域的技术人员来说显而易见的各种修改旨在落入所附权利要求的范围内。

虽然这里仅示出和描述了某些特征，但是本领域技术人员会想到许多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖所有此类修改和改变。

替代示例

图7A、图7B和图7B’示出了图2A、图2B和图2B’所示的纳米孔装置的另一变化，该纳米孔装置具有相对于场效应晶体管的流体隧道的替代布置。图7A是纳米孔测序装置10F的横截面侧视图。图7B是在图7A中的线3-3上截取的横截面顶视图。图7B’是在图7A中的线3'-3'上截取的横截面顶视图。

图7A、图7B和图7B’所示的纳米孔测序装置10F包括连接到顺式阱14F的顺式电极30F。顺式阱14F具有包括设置在膜24F中的第一纳米孔18F的下部部分。第一纳米孔18F包括由第一纳米孔18F限定的第一纳米级开口23F，该第一纳米级开口与偏移流体隧道21F连通到第二纳米级开口25F。第二纳米级开口25F在装置10F的下部部分处设置在偏移流体隧道21F与反式阱16F之间的狭窄区17F中。如图所示，第二纳米级开口25F形成于基板材料62F中。在其他实施方案中，基板材料62F不具有较窄区，但是在格式上更平面，类似于图3A所示的结构。

第一纳米孔18F提供了供电解质20F在顺式阱14F与中间阱15F之间穿过的流体通道。如图7B所示，流体隧道21F定位成从装置的中心部分偏移，并且提供了供电解质通过第二纳米级开口25F从中间阱15F穿过并到达反式阱16F的流体通道。

用于测序的基板可以包括纳米孔测序装置10F的阵列。在纳米孔测序装置的一个示例中，反式阱通过中间阱和相应的第二和第一纳米级开口流体地连接到顺式阱。在具有纳米孔测序装置阵列的基板中，可以存在一个共同的顺式阱和一个共同的反式阱，该顺式阱和该反式阱与基板上的阵列内的纳米孔测序装置的一部分或全部连通。然而，应当理解，纳米孔装置的阵列还可以包括彼此流体地隔离并且流体地连接到相应的一个或多个反式阱的若干顺式阱，该一个或多个反式阱彼此流体地隔离并在基板中限定。可能需要多个顺式阱，例如，以便能够测量单个基板上的多个多核苷酸。在一些实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式电极、一个共同的反式电极、一个共同的顺式阱、一个共同的反式阱和多个纳米孔测序装置，如图7A所示的那些，其中每个纳米孔测序装置包括FET传感器以及具有第一纳米孔和第二纳米孔的双孔。多个纳米孔测序装置中的每个纳米孔测序装置可以通过其相关的FET传感器单独测量电阻或信号。在其他实施方案中，每个纳米孔测序装置可以包括具有三个或更多个纳米孔的多孔和FET传感器。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括多个顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。

在一个示例中，顺式电极30F和反式电极34F在至少基本上水平方向上至少基本上彼此平行。在其他示例中，顺式电极和反式电极可以相对于彼此并且相对于纳米孔装置处于任何合适的取向。纳米孔装置10F还包括位于第一纳米级开口23F与第二纳米级开口25F之间的场效应晶体管(FET)传感器22F。FET传感器包括源极(S)50F、漏极(D)52F以及将源极50F连接到漏极52F的沟道54F。在一些实施方案中，沟道54F具有纳米线构型，类似于图3B和图3C所示的结构。在其他实施方案中，沟道54F具有纳米片构型，类似于图3D和图3E所示的结构。金属互连件66F和64F通过蚀刻停止层38F与FET 22F的源极50F和漏极52F电连通。金属互连件将数据从FET传感器22F传达到监控FET传感器22F的控制系统。在替代性实施方案中，纳米孔测序装置10F可以使用多孔结构来代替第二纳米级开口25F，类似于图5A所示的结构。

如横截面顶视图(图7B和图7B’)所示，流体隧道21F从沟道54F偏移。换句话说，流体隧道21F不延伸穿过沟道54F，并且因此在图7A的横截面侧视图中看不到。相反，流体隧道21F延伸穿过围绕沟道54F的层间电介质68F。在图7B和图7B’中，可以在流体隧道21F中看到电解质20F。流体隧道21F的边界可以是圆形的，如图7B和图7B’所示。在其他实施方案中，流体隧道21F的边界可以是椭圆形的，如图3D和图3E所示。替代地，流体隧道21F的边界可以具有几乎任意形状和大小。在一些实施方案中，FET传感器22F可以包括沟道堆叠，类似于图6所示的结构，但是流体隧道不延伸穿过沟道堆叠。

偏移流体隧道21F相对于图7A、图7B和图7B’所示的沟道54F的布置的一个非限制性益处是更简单的制造工艺流程。蚀刻沟道中的洞/开口可能干扰装置的栅极氧化物并且需要额外的氧化物再生长步骤。如图7A、图7B和图7B’所示的实施方案可以避免在源极-漏极沟道内蚀刻洞或开口。

层间电介质68F可以是任何合适的绝缘体，诸如SiO₂、HfO₂或Al₂O₃。当层间电介质68F是二氧化硅时，可以执行蚀刻以蚀刻纳米孔测序装置的各种部件。例如，可以使用具有高各向异性的蚀刻剂来执行蚀刻，诸如氟化反应离子蚀刻，包括CHF₃/O₂、C₂F₆、C₃F₈和C₅F₈/CO/O₂/Ar作为一些非限制性示例。

在一个示例中，FET传感器22F的源极、漏极和沟道可以由硅形成，并且硅的表面可以被热氧化以在FET传感器22F的沟道上形成栅极氧化物。

在图7A所示的纳米孔测序装置10F中，将沟道54F与电解质20F分离的线3-3正上方的材料的大部分被去除，将FET传感器22F的沟道54F暴露于电解质20F。如图7A所示，沟道54F的一部分从下方暴露于电解质。在其他实施方案中，类似于图4A所示的结构，可以去除或挖空沟道54F正下方的材料的大部分，将更大部分沟道54F从下方暴露于电解质——这可以通过众所周知的方法底切FET传感器22F的有源区域54F来形成。仅栅极氧化物56F的薄层围绕沟道54F生长。栅极氧化物56F的上表面55F和下表面58F流体地暴露于中间阱15F中的电解质20F。栅极氧化物56F的薄层将沟道54F与电解质20F分离，并且将FET传感器22F的沟道54F暴露于电解质20F。栅极氧化物56F的厚度可以在约1nm与约10nm之间，并且在一些示例中，在约2nm与约4nm之间。选择栅极氧化物56F的厚度，使得在给定电势V_M的情况下，足够强的电场可以诱导构成沟道54F-栅极氧化物56F边界处的导电路径的电子或空穴的反型层，以在源极50F与漏极52F之间导电。

膜24F可以是非渗透性或半渗透性材料中的任一者。第一纳米级开口23F延伸穿过膜24F。应当理解，膜24F可以由任何合适的天然或合成材料形成，如本文所述。在示例中，膜24F选自由脂质和脂质的仿生等效物组成的组。在另一示例中，膜24F是合成膜(例如，固态膜，其的一个示例是氮化硅)，并且第一纳米级开口23F处于延伸穿过膜24F的固态纳米孔中。在示例中，第一纳米级开口23F延伸穿过例如：设置在膜中的多核苷酸纳米孔；多肽纳米孔；或固态纳米孔，例如，碳纳米管。

第一纳米孔18F可以是生物纳米孔、固态纳米孔、杂化纳米孔和合成纳米孔中的任一者。在一些示例中，第一纳米孔18F具有两个开口端和连接两个开口端的中空芯或洞(即，第一纳米级开口23F)。当插入膜24F中时，第一纳米孔18F的开口端中的一个开口端面向顺式阱14F，并且第一纳米孔18F的开口端中的另一个开口端面向中间阱15F。在一些情况下，第一纳米孔18F的面向中间阱15F的开口端流体地连接到流体隧道21F，并且还可以与偏移流体隧道21F的至少一部分对准。在其他情况下，第一纳米孔18F的面向中间阱15F的开口端流体地连接到流体隧道21F，但不与偏移流体隧道21F对准。第一纳米孔18F的中空芯使得顺式阱14F与中间阱15F之间的流体连接和电连接能够进行。第一纳米孔18F的中空芯的直径可以在约1nm到至多约1μm范围内，并且可以沿着第一纳米孔18F的长度变化。在一些示例中，面向顺式阱14F的开口端可以大于面向中间阱15F的开口端。在其他示例中，面向顺式阱14F的开口端可以小于面向中间阱15F的开口端。

使用纳米孔测序装置10F的方法可以包括将电解质20F引入顺式阱14F、反式阱16F、中间阱15F和流体隧道21F中的每一者中。在引入电解质之后，方法可以包括将待测序的多核苷酸提供到顺式阱14F中。在提供多核苷酸之后，方法可以包括在顺式电极30F与反式电极34F之间施加偏压。偏压将多核苷酸通过第一纳米级开口23F从顺式阱14F驱动到中间阱15F。当多核苷酸穿过第一纳米级开口23F时，第一纳米级开口的电阻响应于第一纳米级开口处的多核苷酸中的碱基身份而变化。结果，中间阱15F(或等效地，偏移流体隧道21F)中的电解质20F的电势(V_M)随碱基身份而变化。电势(V_M)实际上是施加到FET的栅极电压，其调节沟道54F的电导率。因此，FET的响应的测量值可以确定碱基的身份。

图8示出了纳米孔装置的又一变体，该纳米孔装置利用垂直场效应晶体管，使得可以不蚀刻源极-漏极沟道以形成流体隧道，而是沿着通过装置的流体路径的一侧垂直取向，如下所解释。图8是垂直FET纳米孔测序装置810G的横截面侧视图。

图8所示的纳米孔测序装置810G包括连接到顺式阱814G的顺式电极830G。顺式阱814G具有包括设置在膜824G中的第一纳米孔818G的下部部分。第一纳米孔818G包括由第一纳米孔818G限定的第一纳米级开口823G，该第一纳米级开口与第二纳米级开口825G流体地连通。第二纳米级开口825G可以在装置810G的下部部分处设置在反式阱816G的较窄区817G中。如图所示，第二纳米级开口形成于基板材料862G中。在其他实施方案中，基板材料862G不具有较窄区，但是在格式上更平面，类似于图3A所示的结构。第一纳米孔818G提供了供电解质820G在顺式阱814G与中间阱815G之间穿过的流体通道。用于测序的基板可以包括纳米孔测序装置的阵列。在纳米孔测序装置的一个示例中，反式阱通过中间阱和相应的第二和第一纳米级开口流体地连接到顺式阱。在具有纳米孔测序装置阵列的基板中，可以存在一个共同的顺式阱和一个共同的反式阱，该顺式阱和该反式阱与基板上的阵列内的纳米孔测序装置的一部分或全部连通。然而，应当理解，纳米孔装置的阵列还可以包括彼此流体地隔离并且流体地连接到相应的一个或多个反式阱的若干顺式阱，该一个或多个反式阱彼此流体地隔离并在基板中限定。可能需要多个顺式阱，例如，以便能够测量单个基板上的多个多核苷酸。在一些实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式电极、一个共同的反式电极、一个共同的顺式阱、一个共同的反式阱和多个纳米孔测序装置，如图8所示的那些，其中每个纳米孔测序装置包括FET传感器以及具有第一纳米孔和第二纳米孔的双孔。多个纳米孔测序装置中的每个纳米孔测序装置可以通过其相关的FET传感器单独测量电阻或信号。在其他实施方案中，每个纳米孔测序装置可以包括具有三个或更多个纳米孔的多孔和FET传感器。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括多个顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。

在一个示例中，顺式电极830G和反式电极834G在至少基本上水平方向上至少基本上彼此平行。在其他示例中，顺式电极和反式电极可以相对于彼此并且相对于纳米孔装置处于任何合适的取向。纳米孔装置810G还包括位于第一纳米级开口823G与第二纳米级开口825G之间的垂直场效应晶体管(FET)传感器。FET传感器包括源极(SRC)850G、漏极(DRN)852G以及将源极连接到漏极的沟道。FET沟道是沿着垂直方向，该垂直方向是从顺式电极830G到反式电极834G的方向。在一些实施方案中，沟道具有纳米线构型，类似于图3B和图3C所示的结构。在其他实施方案中，沟道具有纳米片构型，类似于图3D和图3E所示的结构。金属互连件866G和864G与FET的源极850G和漏极852G电连通。金属互连件将数据从FET传感器传达到监控FET传感器的控制系统。在替代性实施方案中，纳米孔测序装置810G可以使用多孔结构来代替第二纳米级开口825G，类似于图5A所示的结构。

如图8所示，垂直FET传感器的源极850G、沟道和漏极852G垂直堆叠。垂直FET布置在中间阱815G的横向侧上。在一个示例中，FET传感器的源极、漏极和沟道可以由硅形成，并且硅的表面可以被热氧化以在FET传感器的沟道上形成栅极氧化物856G。栅极氧化物856G的垂直侧表面流体地暴露于中间阱815G中的电解质820G。栅极氧化物856G的薄层将沟道与电解质820G分离，并且将FET传感器的沟道暴露于电解质820G。栅极氧化物856G的厚度可以在约1nm与约10nm之间，并且在一些示例中，在约2nm与约4nm之间。选择栅极氧化物856G的厚度，使得在给定电势V_M的情况下，足够强的电场可以诱导构成沟道-栅极氧化物边界处的导电路径的电子或空穴的反型层，以在源极850G与漏极852G之间导电。在一些实施方案中，FET传感器可以包括沿着中间阱的横向侧并行布置的多个垂直源极-漏极沟道。

垂直FET传感器的一个非限制性益处是可能不需要蚀刻穿过FET沟道的流体隧道。蚀刻沟道中的洞/开口可能干扰装置的栅极氧化物并且需要额外的氧化物再生长步骤。如图8所示的具有布置在中间阱815G的横向侧上的垂直FET的实施方案可以避免在源极-漏极沟道内蚀刻洞或开口。

层间电介质868G可以是任何合适的绝缘体，诸如SiO₂、HfO₂或Al₂O₃。当层间电介质868G是二氧化硅时，可以执行蚀刻以蚀刻纳米孔测序装置的各种部件。例如，可以使用具有高各向异性的蚀刻剂来执行蚀刻，诸如氟化反应离子蚀刻，包括CHF₃/O₂、C₂F₆、C₃F₈和C₅F₈/CO/O₂/Ar作为一些非限制性示例。

膜824G可以是非渗透性或半渗透性材料中的任一者。第一纳米级开口823G延伸穿过膜824G。应当理解，膜824G可以由任何合适的天然或合成材料形成，如本文所述。在示例中，膜824G选自由脂质和脂质的仿生等效物组成的组。在另一示例中，膜824G是合成膜(例如，固态膜，其的一个示例是氮化硅)，并且第一纳米级开口823G处于延伸穿过膜824G的固态纳米孔中。在示例中，第一纳米级开口823G延伸穿过例如：设置在膜中的多核苷酸纳米孔；多肽纳米孔；或固态纳米孔，例如，碳纳米管。

第一纳米孔818G可以是生物纳米孔、固态纳米孔、杂化纳米孔和合成纳米孔中的任一者。在一些示例中，第一纳米孔818G具有两个开口端和连接两个开口端的中空芯或洞(即，第一纳米级开口823G)。当插入膜824G中时，第一纳米孔818G的开口端中的一个开口端面向顺式阱814G，并且第一纳米孔818G的开口端中的另一个开口端面向中间阱815G。第一纳米孔818G的中空芯使得顺式阱814G与中间阱815G之间的流体连接和电连接能够进行。第一纳米孔818G的中空芯的直径可以在约1nm到至多约1μm范围内，并且可以沿着第一纳米孔818G的长度变化。在一些示例中，面向顺式阱814G的开口端可以大于面向中间阱815G的开口端。在其他示例中，面向顺式阱814G的开口端可以小于面向中间阱815G的开口端。

使用纳米孔测序装置810G的方法可以包括将电解质820G引入顺式阱814G、反式阱816G和中间阱815G中的每一者中。在引入电解质之后，方法可以包括将待测序的多核苷酸提供到顺式阱814G中。在提供多核苷酸之后，方法可以包括在顺式电极830G与反式电极834G之间施加偏压。偏压将多核苷酸通过第一纳米级开口823G从顺式阱814G驱动到中间阱815G。当多核苷酸穿过第一纳米级开口823G时，第一纳米级开口的电阻响应于第一纳米级开口处的多核苷酸中的碱基身份而变化。结果，中间阱815G中的电解质820G的电势(V_M)随碱基身份而变化。电势(V_M)实际上是施加到FET的栅极电压，其调节FET沟道的电导率。因此，FET的响应的测量值可以确定碱基的身份。

图9示出了具有带有非法拉第金属电极的场效应晶体管(FET)的纳米孔测序装置的又一另外的变体。在此实施方案中，FET具有非法拉第金属电极，该非法拉第金属电极包括不参与纳米孔测序装置中的法拉第过程的金属结构，即，在金属结构处没有发生电化学反应。非法拉第金属电极用于检测中间阱中的电解质的电势，并且将该电势作为检测到的信号传输到FET。这种设计意味着FET可以检测电解质的电势，但不暴露于电解质。图9是纳米孔测序装置910H的横截面侧视图。

图9所示的纳米孔测序装置910H包括连接到顺式阱914H的顺式电极930H。顺式阱914H具有包括设置在膜924H中的第一纳米孔918H的下部部分。第一纳米孔918H包括由第一纳米孔918H限定的第一纳米级开口923H，该第一纳米级开口与第二纳米级开口925H流体地连通。第二纳米级开口925H可以在装置910H的下部部分处设置在反式阱916H的较窄区917H中。如图所示，第二纳米级开口形成于基板材料962H中。在其他实施方案中，基板材料962H不具有较窄区，但是在格式上更平面，类似于图3A所示的结构。第一纳米孔918H提供了供电解质920H在顺式阱914H与中间阱915H之间穿过的流体通道。

在一个示例中，顺式电极930H和反式电极934H在至少基本上水平方向上至少基本上彼此平行。在其他示例中，顺式电极和反式电极可以相对于彼此并且相对于纳米孔装置处于任何合适的取向。纳米孔装置910H还包括位于第一纳米级开口923H与第二纳米级开口925H之间的场效应晶体管(FET)传感器922H。FET传感器922H包括源极(SRC)950H、漏极(DRN)952H以及将源极950H连接到漏极952H的沟道954H。FET沟道可以是沿着水平方向。在一些实施方案中，FET沟道具有纳米线构型，类似于图3B和图3C所示的结构。在其他实施方案中，FET沟道具有纳米片构型，类似于图3D和图3E所示的结构。金属互连件966H和964H与FET的源极950H和漏极952H电连通。金属互连件966H和964H将数据从FET传感器传达到监控FET传感器的控制系统(未示出)。在替代性实施方案中，纳米孔测序装置910H可以使用多孔结构来代替第二纳米级开口925H，类似于图5A所示的结构。

如图9所示，FET传感器922H不与电解质直接接触。在一个示例中，FET传感器的源极、漏极和沟道可以由硅形成，并且硅的表面可以被热氧化以在FET传感器的沟道上形成栅极氧化物956H。如图9所示，栅极氧化物956H不流体地暴露于中间阱915H中的电解质920H。相反，非法拉第金属电极结构999H暴露于电解质。金属结构999H用于检测中间阱中的电解质的电势，并且将检测到的信号传输到FET。与中间阱的约几μm的大小相比，金属结构999H的路径长度或特征大小可以是约1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm、160μm、170μm、180μm、190μm、200μm、210μm、220μm、230μm、240μm、250μm、260μm、270μm、280μm、290μm、300μm，或其间的任何值。

可以适当地选择金属结构999H的大小和形状以避免系统中的高寄生电容。金属结构999H可以由相对于电解质的非法拉第耐腐蚀金属制成。金属结构999H可以由铂、铱、钌、钯、钽、金或它们的任何组合制成。金属结构处不会发生电化学反应。在一些实施方案中，金属结构999H可以具有暴露于电解质的杯形部分，以便增加与电解质的接触面积。在一些实施方案中，金属结构999H的暴露于电解质的部分可以包括一个或多个洞或开口。在一些实施方案中，金属结构999H的暴露于电解质的部分可以包括若干平行鳍片以便增加与电解质的接触面积，其中鳍片可以部分地垂直或水平布置。使用金属结构999H接触电解质允许FET与中间阱去耦，这在一些实施方案中可能更容易制造。将FET的大小与中间阱的大小去耦还允许更大的FET，这可以允许更高的信号检测灵敏度和更低的噪声水平。此构型还允许将FET的大小(其确定信号检测的限值)与金属结构999H的大小去耦，并且因此提供更大的设计灵活性。

栅极氧化物956H的厚度可以在约1nm与约10nm之间，并且在一些示例中，在约2nm与约4nm之间。选择栅极氧化物956H的厚度，使得在给定中间阱中的电势V_M的情况下，足够强的电场可以诱导构成沟道-栅极氧化物边界处的导电路径的电子或空穴的反型层，以在源极950H与漏极952H之间导电。层间电介质968H可以是任何合适的绝缘体，诸如SiO₂、HfO₂或Al₂O₃。当层间电介质968H是二氧化硅时，可以执行蚀刻以蚀刻纳米孔测序装置的各种部件。例如，可以使用具有高各向异性的蚀刻剂来执行蚀刻，诸如氟化反应离子蚀刻，包括CHF₃/O₂、C₂F₆、C₃F₈和C₅F₈/CO/O₂/Ar作为一些非限制性示例。

膜924H可以是非渗透性或半渗透性材料中的任一者。第一纳米级开口923H延伸穿过膜924H。应当理解，膜924H可以由任何合适的天然或合成材料形成，如本文所述。在示例中，膜924H选自由脂质和脂质的仿生等效物组成的组。在另一示例中，膜924H是合成膜(例如，固态膜，其的一个示例是氮化硅)，并且第一纳米级开口923H处于延伸穿过膜924H的固态纳米孔中。在示例中，第一纳米级开口923H延伸穿过例如：设置在膜中的多核苷酸纳米孔；多肽纳米孔；或固态纳米孔，例如，碳纳米管。第一纳米孔918H可以是生物纳米孔、固态纳米孔、杂化纳米孔和合成纳米孔中的任一者。在一些示例中，第一纳米孔918H具有两个开口端和连接两个开口端的中空芯或洞(即，第一纳米级开口923H)。当插入膜924H中时，第一纳米孔918H的开口端中的一个开口端面向顺式阱914H，并且第一纳米孔918H的开口端中的另一个开口端面向中间阱915H。第一纳米孔918H的中空芯使得顺式阱914H与中间阱915H之间的流体连接和电连接能够进行。第一纳米孔918H的中空芯的直径可以在约1nm到至多约1μm范围内，并且可以沿着第一纳米孔918H的长度变化。在一些示例中，面向顺式阱914H的开口端可以大于面向中间阱915H的开口端。在其他示例中，面向顺式阱914H的开口端可以小于面向中间阱915H的开口端。

使用纳米孔测序装置910H的方法可以包括将电解质920H引入顺式阱914H、反式阱916H和中间阱915H中的每一者中。在引入电解质之后，方法可以包括将待测序的多核苷酸提供到顺式阱914H中。在提供多核苷酸之后，方法可以包括在顺式电极930H与反式电极934H之间施加偏压。在一些实施方案中，偏压可以将多核苷酸通过第一纳米级开口923H从顺式阱914H驱动到中间阱915H。当多核苷酸穿过第一纳米级开口923H时，第一纳米级开口的电阻响应于第一纳米级开口处的多核苷酸中的碱基身份而变化。在替代性实施方案中，多核苷酸不穿过第一纳米级开口，但是通过作用于多核苷酸的聚合酶掺入的核苷酸的标签或标记可以穿过第一纳米级开口或可以暂时驻留在第一纳米级开口中。因此，第一纳米级开口的电阻响应于被掺入的核苷酸的身份而变化，该身份与多核苷酸中的碱基身份互补。结果，中间阱915H中的电解质920H的电势(V_M)随多核苷酸中的碱基身份而变化。电势(V_M)实际上是施加到FET的栅极电压，其调节FET沟道的电导率。因此，FET的响应的测量值可以确定多核苷酸中的碱基的身份。

用于测序的基板可以包括纳米孔测序装置的阵列，诸如图9所示的那些。在纳米孔测序装置的一个示例中，反式阱通过中间阱和相应的第二和第一纳米级开口流体地连接到顺式阱。在具有纳米孔测序装置阵列的基板中，可以存在一个共同的顺式阱和一个共同的反式阱，该顺式阱和该反式阱与基板上的阵列内的纳米孔测序装置的一部分或全部连通。然而，应当理解，纳米孔装置的阵列还可以包括彼此流体地隔离并且流体地连接到相应的一个或多个反式阱的若干顺式阱，该一个或多个反式阱彼此流体地隔离并在基板中限定。可能需要多个顺式阱，例如，以便能够测量单个基板上的多个多核苷酸。在一些实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式电极、一个共同的反式电极、一个共同的顺式阱、一个共同的反式阱和多个纳米孔测序装置，如图9所示的那些，其中每个纳米孔测序装置包括FET传感器以及具有第一纳米孔和第二纳米孔的双孔。多个纳米孔测序装置中的每个纳米孔测序装置可以通过其相关的FET传感器单独测量电阻或信号。在其他实施方案中，每个纳米孔测序装置可以包括具有三个或更多个纳米孔的多孔和FET传感器。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括一个共同的顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。在其他实施方案中，具有纳米孔测序装置阵列的基板包括多个顺式阱、多个反式阱和多个纳米孔测序装置，其中每个纳米孔测序装置可以用个别反式电极个别地寻址。

定义

本文所用的所有技术和科学术语都具有本公开文本所属技术领域普通技术人员通常理解的含义。

如本文所用，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代。因此，例如，提及“一个序列”可以包括多个这样的序列，等等。

术语包含、包括、含有和这些术语的各种形式彼此同义，并且意在是同样宽泛的。此外，除非有相反的明确说明，否则包括或具有带有特定属性的一个或多个元件的示例可包括额外元件，无论额外元件是否具有该属性。

如本文所用，术语“流体地连接”、“流体地连通”、“流体地耦合”等是指连接在一起使得液体或气体可以在两个空间区之间流动的两个空间区。例如，顺式阱可以通过中间阱、流体隧道和较窄区流体地连接到反式阱，使得电解质的至少一部分可以在连接的阱之间流动。两个空间区可以通过第一和第二纳米级开口或通过一个或多个阀门、限流器或其他用于控制或调节通过系统的流体流动的流体部件流体地连通。

如本文所用，术语“间隙区”是指基板/固体支持物或膜中的区域，或表面上将与支持物或膜或表面相关的其他区域、区、特征分离的区域。例如，膜的间隙区可以将阵列的一个纳米孔与阵列的另一纳米孔分离。对于另一示例，基板的间隙区可以将一个反式阱与另一反式阱分离。彼此分离的两个区域可为离散的，即彼此缺乏物理接触。在许多示例中，间隙区是连续的，而区域是离散的，例如，对于在其他方面连续的膜中限定的多个纳米孔，或对于在其他方面连续的基板/支持物中限定的多个阱，情况就是如此。由间隙区域提供的分离可以是部分分离或完全分离。间隙区域可具有与限定在表面中的特征部的表面材料不同的表面材料。例如，间隙区处的表面材料可以是脂质材料，并且在脂质材料中形成的纳米孔可以具有超过间隙区处存在的量或浓度的多肽的量或浓度。在一些示例中，多肽可能不存在于间隙区处。

如本文所用，术语“膜”是指分离两个液体/凝胶室(例如，顺式阱和流体腔)的非渗透性或半渗透性屏障或其他片材，其可以在其中包含相同的组合物或不同组合物。膜对任何给定物质的渗透性取决于膜的性质。在一些示例中，膜可以是离子、电流和/或流体不可渗透的。例如，脂质膜可以是离子不可渗透的(即，不允许任何离子转运通过)，但可以至少部分地可渗透水(例如，水扩散率在约40μm/s到约100μm/s范围内)。对于另一示例，合成/固态膜(其的一个示例是氮化硅)可以是离子、电荷和流体不可渗透的(即，所有这些物质的扩散为零)。根据本公开可以使用任何膜，只要该膜可以包括跨膜纳米级开口并且可以保持跨膜的电势差即可。膜可以是单层或多层膜。多层膜包括两个或更多个层，该层中的每一个层是非渗透性或半渗透性材料。

膜可以由生物或非生物来源的材料形成。生物来源的材料是指衍生自或分离自生物环境(诸如生物体或细胞)的材料，或生物可用结构的合成制造形式(例如，仿生材料)。

由生物来源的材料制成的示例性膜包括由勃拉脂质(bolalipid)形成的单层。由生物来源的材料制成的另一示例性膜包括脂质双层。合适的脂质双层包括例如细胞的膜、细胞器的膜、脂质体、平面脂质双层和支持的脂质双层。脂质双层可以例如由两个相对的磷脂层形成，该两个磷脂层被布置成使得它们的疏水性尾部基团彼此面对以形成疏水性内部，而脂质的亲水性头部基团向外朝向双层每一侧上的水性环境。脂质双层也可以例如通过其中脂质单层被携带在水溶液/空气界面上经过基本上垂直于该界面的孔隙的任一侧的方法形成。通常通过首先将脂质溶解在有机溶剂中，然后使一滴溶剂在孔隙的任一侧上的水溶液表面上蒸发来将脂质添加到水性电解质溶液的表面。一旦有机溶剂至少部分地蒸发，孔隙的任一侧上的溶液/空气界面就物理地上下移动通过孔，直到形成双层。双层形成的其他合适方法包括尖端浸渍、涂覆双层和脂质体双层的膜片钳。也可以使用用于获得或产生脂质双层的任何其他方法。

非生物来源的材料也可以用作膜。这些材料中的一些材料是固态材料并且可以形成固态膜，并且这些材料中的其他材料可以形成薄的液体薄膜或膜。固态膜可以是单层，诸如支持基板(即固体支持物)上的涂层或薄膜，或独立元件。固态膜也可以是夹层构型的多层材料的复合材料。可以使用任何非生物来源的材料，只要所得膜可以包括跨膜纳米级开口并且可以保持跨膜的电势差即可。膜可以包括有机材料、无机材料或两者。合适的固态材料的示例包括例如微电子材料、绝缘材料(例如，氮化硅(Si₃N₄)、氧化铝(Al₂O₃)，氧化铪(HfO₂)、五氧化二钽(Ta₂O₅)，氧化硅(SiO₂)等)、一些有机和无机聚合物(例如，聚酰胺、塑料，诸如聚四氟乙烯(PTFE)，或弹性体，诸如双组分加成固化硅橡胶)，以及玻璃。此外，固态膜可以由单层石墨烯(其是致密地堆积成二维蜂窝晶格的原子级薄片的碳原子)、多层石墨烯或与一层或多层其他固态材料混合的一层或多层石墨烯制成。含石墨烯的固态膜可以包括至少一个石墨烯层，该石墨烯层是石墨烯纳米带或石墨烯纳米间隙，其可以用作电传感器以表征目标多核苷酸。应当理解，固态膜可以通过任何合适的方法制造，例如化学气相沉积(CVD)。在一个示例中，石墨烯膜可以通过CVD或从石墨剥离来制造。可以使用的合适的薄液体薄膜材料的示例包括二嵌段共聚物或三嵌段共聚物，诸如两亲性PMOXA-PDMS-PMOXAABA三嵌段共聚物。

如本文所用，术语“纳米孔”旨在表示与膜离散或限定在膜中并延伸穿过膜的中空结构，其允许离子、电流和/或流体从膜的一侧穿过到膜的另一侧。例如，抑制离子或水溶性分子通过的膜可以包括纳米孔结构，该纳米孔结构延伸穿过膜以允许离子或水溶性分子从膜的一侧通过(通过延伸穿过纳米孔结构的纳米级开口)到膜的另一侧。延伸穿过纳米孔结构的纳米级开口的直径可以沿其长度(即，从膜的一侧到膜的另一侧)变化，但在任何点处都在纳米级上(即，约1nm到约100nm，或到小于1000nm)。纳米孔的示例包括例如生物纳米孔、固态纳米孔，以及生物和固态杂化纳米孔。

如本文所用，术语“直径”旨在表示通过纳米级开口的横截面的质心在纳米级开口的横截面中可刻写的最长直线。应当理解，纳米级开口可以具有或可以不具有圆形或基本上圆形的横截面(纳米级开口的横截面基本上与顺式/反式电极平行)。此外，横截面可以是规则或不规则形状的。

如本文所用，术语“生物纳米孔”旨在表示其结构部分由生物来源的材料制成的纳米孔。生物来源是指衍生自或分离自生物环境(诸如生物体或细胞)的材料，或生物可用结构的合成制造形式。生物纳米孔包括例如多肽纳米孔和多核苷酸纳米孔。

如本文所用，术语“多肽纳米孔”旨在表示延伸穿过膜的蛋白质/多肽，并且允许离子、电流、聚合物(诸如DNA或肽)或适当尺寸和电荷的其他分子和/或流体从膜的一侧流过到膜的另一侧。多肽纳米孔可以是单体、均聚物或杂聚物。多肽纳米孔的结构包括例如α-螺旋束纳米孔和β-桶纳米孔。示例性多肽纳米孔包括α-溶血素、耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)孔蛋白A(MspA)、短杆菌肽A、麦芽糖孔蛋白、OmpF、OmpC、PhoE、Tsx、F-菌毛等。蛋白质α-溶血素天然存在于细胞膜中，在细胞膜中它充当离子或分子转运进出细胞的孔。耻垢分枝杆菌孔蛋白A(MspA)是由分枝杆菌产生的膜孔蛋白，其允许亲水性分子进入细菌。MspA形成紧密互连的八聚体和跨膜β-桶，其类似于高脚杯并含有中心孔。

多肽纳米孔可以是合成的。合成多肽纳米孔包括在自然界中不存在的蛋白质样氨基酸序列。蛋白质样氨基酸序列可以包括已知存在但不形成蛋白质基础的氨基酸中的一些氨基酸(即，非蛋白原氨基酸)。蛋白质样氨基酸序列可以人工合成而不是在生物体中表达，然后纯化/分离。

如本文所用，术语“多核苷酸纳米孔”旨在包括延伸穿过膜并允许离子、电流和/或流体从膜的一侧流到膜的另一侧的多核苷酸。多核苷酸孔可以包括例如多核苷酸折纸(例如，DNA的纳米级折叠以产生纳米孔)。

同样如本文所用，术语“固态纳米孔”旨在表示其结构部分由固态膜限定并且包括非生物来源(即，不是生物来源)的材料的纳米孔。固态纳米孔可以由无机或有机材料形成。固态纳米孔包括例如氮化硅纳米孔、二氧化硅纳米孔和石墨烯纳米孔。

本文公开的纳米孔可以是杂化纳米孔。“杂化纳米孔”是指包含生物来源和非生物来源两者的材料的纳米孔。杂化纳米孔的示例包括多肽-固态杂化纳米孔和多核苷酸-固态纳米孔。

如本文所用，术语“纳米孔测序仪”是指本文公开的可以用于纳米孔测序的任何装置。在本文公开的示例中，在纳米孔测序期间，将纳米孔浸入本文公开的电解质的示例中，并且跨膜施加电势差。在示例中，电势差是电气电势差或电化学电势差。可以通过电压源在膜上施加电势差，该电压源向顺式阱或一个或多个反式阱中包含的电解质的至少一种离子注入或施用电流。电化学电势差可以通过顺式和反式阱的离子组成的差异与电势的组合来建立。不同的离子组成可以是例如每个阱中的不同离子或每个阱中相同离子的不同浓度。

跨纳米孔施加电势差可以迫使核酸易位通过第一纳米级开口23(例如，在图2A示出并在下面更详细地描述)。产生对应于核苷酸易位通过纳米孔的一个或多个信号。因此，当靶多核苷酸或单核苷酸或衍生自靶多核苷酸或单核苷酸的探针通过纳米孔时，跨膜的电流由于例如收缩部的碱基依赖性(或探针依赖性)阻塞而改变。可以使用各种方法中的任一种方法来测量来自该电流变化的信号。每个信号对于纳米孔中的核苷酸(或探针)的种类是独特的，使得所得信号可用于确定多核苷酸的特征。例如，可以确定产生特征信号的一种或多种核苷酸(或探针)种类的身份。

如本文所用，“核苷酸”包括含氮杂环碱基、糖以及一个或多个磷酸基团。核苷酸是核酸序列的单体单元。核苷酸的示例包括例如核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸。在核糖核苷酸(RNA)中，糖是核糖，并且在脱氧核糖核苷酸(DNA)中，糖是脱氧核糖，即在核糖中缺少存在于2'位置处的羟基基团的糖。含氮杂环碱基可以是嘌呤碱基或嘧啶碱基。嘌呤碱基包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)以及它们的修饰衍生物或类似物。嘧啶碱基包括胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)以及它们的修饰衍生物或类似物。脱氧核糖的C-1原子与嘧啶的N-1或嘌呤的N-9键合。磷酸基团可以是单磷酸、二磷酸或三磷酸形式。这些核苷酸是天然核苷酸，但是应当进一步理解，也可以使用非天然核苷酸、修饰的核苷酸或前述核苷酸的类似物。

如本文所用，术语“信号”旨在意味着表示信息的指示符。信号包括例如电信号和光学信号。术语“电信号”是指表示信息的电质量的指示符。指示符可以是例如电流、电压、隧穿、电阻、电势、电压、电导或横向电效应。“电子电流”或“电流”是指电荷流。在示例中，电信号可以是穿过纳米孔的电流，并且电流可以在跨纳米孔施加电势差时流动。

术语“基板”是指刚性的固体支持物，其不溶于水性液体，并且在没有孔隙、端口或其他类似液体导管的情况下不能使液体通过。在本文公开的示例中，基板可以具有限定在其中的阱或室。合适的基板的示例包括玻璃和改性或官能化玻璃、塑料(包括丙烯酸类、聚苯乙烯和苯乙烯与其他材料的共聚物、聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚氨酯、聚四氟乙烯(PTFE)(诸如来自Chemours的

)、环烯烃/环烯烃聚合物(COP)(诸如来自Zeon的

)、聚酰亚胺等)、尼龙、陶瓷、二氧化硅或二氧化硅基材料、硅和改性硅、碳、金属、无机玻璃和光纤束。

术语顶部、底部、下部、上部、上等在本文中用于描述装置/纳米孔测序仪和/或装置的各种部件。应当理解，这些方向术语并非意在暗示特定取向，而是用于指定部件之间的相对取向。方向术语的使用不应被解释为将本文所公开的示例限制于任何特定取向。如本文所用，术语“上部”、“下部”、“垂直”、“水平”等意味着指示相对取向。

如本文所用，术语“阱”、“腔”和“室”同义地使用，并且是指在装置中限定的可以包含流体(例如，液体、凝胶、气体)的离散特征。顺式阱是包括顺式电极或部分地由顺式电极限定的室，并且还流体地连接到FET的流体系统，该流体系统又流体地连接到反式阱/室。本发明装置的阵列的示例可以具有一个顺式阱或多个顺式阱。反式阱是包括其自身的反式电极或部分地由该反式电极限定的单个室，并且还流体地连接到顺式阱。在包括多个反式阱的示例中，每个反式阱与每个另一反式阱电隔离。此外，应当理解，平行于基板的至少部分地限定阱的表面截取的阱的横截面可以是弯曲的、正方形的、多边形的、双曲线的、圆锥形的、角形的等。

如本文所用，“场效应晶体管”或“FET”通常包括由半导体材料(例如，硅、锗、砷化镓、碳化硅等)形成并由沟道区分离的掺杂源极/漏极区。n-FET是具有n沟道的FET，其中电流载流子是电子。p-FET是具有p沟道的FET，其中电流载体是空穴。n-FET装置的源极/漏极区可以包含与p-FET装置的源极/漏极区不同的材料。在一些示例中，源极/漏极区或沟道可以不掺杂。可以通过将掺杂剂原子添加到本征半导体来形成掺杂区。这改变了在热平衡下本征半导体的电子和空穴载流子浓度。掺杂区可以是p型或n型。如本文所用，“p型”是指将杂质添加到本征半导体中，从而产生价电子缺陷。对于硅，示例性p型掺杂剂(即，杂质)包括但不限于硼、铝、镓和铟。如本文所用，“n型”是指添加对本征半导体贡献自由电子的杂质。对于硅，示例性n型掺杂剂(即，杂质)包括但不限于锑、砷和磷。可以通过离子注入或等离子体掺杂引入掺杂剂。

例如，在具有多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的集成电路中，每个MOSFET具有通过在半导体材料层中注入n型或p型杂质而形成在半导体层的有源区中的源极和漏极。设置在源极与漏极之间的是沟道(或主体)区。设置在主体区上方的是栅极电极。栅极电极和主体通过栅极电介质(栅极氧化物)层间隔开。沟道区连接源极和漏极，并且电流从源极到漏极流过沟道区。通过施加在栅电极处的电压在沟道区中感应出电流。

非平面晶体管装置架构，诸如纳米片(或纳米线)晶体管，可以提供比平面晶体管增加的装置密度和增加的性能。“全环栅极”晶体管是其中栅极被构造成环绕沟道的晶体管。“纳米片晶体管”是指一种类型的FET，其可以包括在一对源极/漏极区之间延伸从而形成沟道的多个堆叠的纳米片。与常规平面FET相比，纳米片晶体管可以包括环绕多个纳米片沟道区的整个周边的栅极堆叠。纳米片晶体管构型使得能够在纳米片沟道区中实现更充分的耗尽并减少短沟道效应。“纳米线晶体管”可以类似于纳米片晶体管，除了沟道可以包括纳米线而不是纳米片之外。纳米片或纳米线晶体管中的全环栅极结构可以提供具有更好的开关控制、更低的漏电流、更快的操作和更低的输出电阻的非常小的装置。

增加沟道电导率和减小FET大小的方法是将沟道形成为纳米结构。例如，全环栅极(GAA)纳米片FET是用于通过将沟道区形成为一系列纳米片来提供相对小的FET占用面积的架构。在GAA构型中，基于纳米片的FET包括源极区、漏极区，以及源极区与漏极区之间的堆叠纳米片沟道。栅极围绕堆叠的纳米片沟道并调节通过源极区与漏极区之间的纳米片沟道的电子流。GAA纳米片FET可以通过形成沟道纳米片和牺牲纳米片的交替层来制造。在FET装置完成之前，牺牲纳米片从沟道纳米片释放。对于n型FET，沟道纳米片通常是硅(Si)，并且牺牲纳米片通常是硅锗(SiGe)。对于p型FET，沟道纳米片通常是SiGe，并且牺牲纳米片通常是Si。在一些实施方案中，p-FET的沟道纳米片可以是SiGe或Si，并且牺牲纳米片可以是Si或SiGe。由第一类型的半导体材料(例如，用于n型FET的Si，以及用于p型FET的SiGe)形成的沟道纳米片和由第二类型的半导体材料(例如，用于n型FET的SiGe，以及用于p型FET的Si)形成的牺牲纳米片的交替层形成GAA纳米片提供了优异的沟道静电控制，这有利于将栅极长度连续地缩放到七纳米CMOS技术及以下。使用多层SiGe/Si牺牲/沟道纳米片(或Si/SiGe牺牲/沟道纳米片)来形成GAA FET半导体装置中的沟道区提供了期望的装置特性，包括在SiGe与Si之间的界面处引入应变。

在一些示例中，“纳米线”的特征在于临界尺寸小于约30nm，而“纳米片”的特征在于临界尺寸为约30nm或更大。在示例性装置中，沿栅极测量临界尺寸。在该方向上，如果沟道的宽度小，则沟道横截面像“线”，而如果沟道的宽度大，则沟道横截面像“片”。

在一些示例中，纳米片或纳米线的最小尺寸在约1nm-10nm、约1nm-50nm、约1nm-100nm、约1nm-500nm或约1nm-1000nm之间。在一些示例中，纳米片或纳米线的最小尺寸在约1nm-5nm、约3nm-10nm、约5nm-15nm、约10nm-20nm、约15nm-30nm、约20nm-40nm、约30nm-50nm、约40nm-75nm、约50nm-100nm、约75nm-150nm、约100nm-200nm、约150nm-300nm、约200nm-400nm、约300nm-500nm、约400nm-750nm或约500nm-1000nm之间。在一些示例中，纳米片的最小尺寸比纳米片的其他两个尺寸小至少约3倍、约5倍、约7倍、约10倍、约15倍、约20倍、约50倍、约100倍、约150倍、约200倍、约250倍、约300倍、约350倍、约400倍、约450倍、约500倍、约600倍、约700倍、约800倍、约900倍、约1000倍、约2000倍、约2500倍、约3000倍、约4000倍或约5000倍。在一些示例中，纳米片的最小尺寸比纳米片的其他两个尺寸小约2倍-5倍、约3倍-7倍、约5倍-10倍、约7倍-15倍、约10倍-20倍、约15倍-50倍、约20倍-100倍、约50倍-150倍、约100倍-200倍、约150倍-250倍、约200倍-300倍、约250倍-350倍、约300倍-400倍、约350倍-450倍、约400倍-500倍、约450倍-600倍、约500倍-700倍、约600倍-800倍、约700倍-900倍、约800倍-1000倍、约900倍-2000倍、约1000倍-2500倍、约2000倍-3000倍、约2500倍-4000倍或约3000倍-5000倍之间。在一些示例中，纳米片的最小尺寸比纳米片的其他两个尺寸小最多约3倍、约5倍、约7倍、约10倍、约15倍、约20倍、约50倍、约100倍、约150倍、约200倍、约250倍、约300倍、约350倍、约400倍、约450倍、约500倍、约600倍、约700倍、约800倍、约900倍、约1000倍、约2000倍、约2500倍、约3000倍、约4000倍或约5000倍。在一些示例中，纳米线的最大尺寸比纳米线的其他两个尺寸大至少约3倍、约5倍、约7倍、约10倍、约15倍、约20倍、约50倍、约100倍、约150倍、约200倍、约250倍、约300倍、约350倍、约400倍、约450倍、约500倍、约600倍、约700倍、约800倍、约900倍、约1000倍、约2000倍、约2500倍、约3000倍、约4000倍或约5000倍。在一些示例中，纳米线的最大尺寸比纳米线的其他两个尺寸大约2倍-5倍、约3倍-7倍、约5倍-10倍、约7倍-15倍、约10倍-20倍、约15倍-50倍、约20倍-100倍、约50倍-150倍、约100倍-200倍、约150倍-250倍、约200倍-300倍、约250倍-350倍、约300倍-400倍、约350倍-450倍、约400倍-500倍、约450倍-600倍、约500倍-700倍、约600倍-800倍、约700倍-900倍、约800倍-1000倍、约900倍-2000倍、约1000倍-2500倍、约2000倍-3000倍、约2500倍-4000倍或约3000倍-5000倍之间。在一些示例中，纳米线的最大尺寸比纳米线的其他两个尺寸大最多约3倍、约5倍、约7倍、约10倍、约15倍、约20倍、约50倍、约100倍、约150倍、约200倍、约250倍、约300倍、约350倍、约400倍、约450倍、约500倍、约600倍、约700倍、约800倍、约900倍、约1000倍、约2000倍、约2500倍、约3000倍、约4000倍或约5000倍。

如本文所用，“多孔结构”或“玻璃料”是指具有孔部分的主体。孔部分的典型孔径可以是例如约100μm或更小、约50μm或更小、约10μm或更小、约5μm或更小、约1μm或更小、约500nm或更小、约100nm或更小、约50nm或更小、约10nm或更小、约5nm或更小、约1nm或更小、约

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或更小、约100μm或更大、约50μm或更大、约10μm或更大、约5μm或更大、约1μm或更大、约500nm或更大、约100nm或更大、约50nm或更大、约10nm或更大、约5nm或更大、约1nm或更大、约/>

或更大、约

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或更大、约500μm与约100μm之间、约250μm与约50μm之间、约125μm与约25μm之间、约50μm与约10μm之间、约25μm与约5μm之间、约12.5μm与约2.5μm之间、约5.5μm与约0.5μm之间、约500μm与约100nm之间、约250μm与约50nm之间、约125μm与约25nm之间、约50μm与约10nm之间、约25μm与约5nm之间、约12.5μm与约2.5nm之间、约5.5μm与约0.5nm之间、约500μm与约/>

之间、约250μm与约/>

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之间、约25μm与约/>

之间、约12.5μm与约/>

之间，或约5.5μm与约/>

之间。可以存在不同孔径的分布。

多孔结构可以由多孔材料形成，该多孔材料包括限定孔阵列的基质，该孔阵列具有足以实现多孔材料的期望功能的孔隙率。如本文所用，术语“孔隙率”是指包含基质的多孔材料中的空隙空间的量。因此，包含基质的多孔材料的总体积是基于基质空间和空隙空间。如本文所用，术语“空隙空间”是指包含基质的多孔材料中的实际或物理空间。因此，包含本文公开的基质的多孔材料的总体积是基于基质空间和空隙空间。例如，包含限定孔阵列的基质的多孔材料可以具有例如以下的孔隙率：基质总体积的约40％、基质总体积的约50％、基质总体积的约60％、基质总体积的约70％、基质总体积的约80％、基质总体积的约90％、基质总体积的约95％或基质总体积的约97％、基质总体积的至少约40％、基质总体积的至少约50％、基质总体积的至少约60％、基质总体积的至少约70％、基质总体积的至少约80％、基质总体积的至少约90％、基质总体积的至少约95％或基质总体积的至少约97％、基质总体积的至多约40％、基质总体积的至多约50％、基质总体积的至多约60％、基质总体积的至多约70％、基质总体积的至多约80％、基质总体积的至多约90％、基质总体积的至多约95％或基质总体积的至多约97％、基质总体积的约40％到约97％、基质总体积的约50％到约97％、基质总体积的约60％到约97％、基质总体积的约70％到约97％、基质总体积的约80％到约97％、基质总体积的约90％到约97％、基质总体积的约40％到约95％、基质总体积的约50％到约95％、基质总体积的约60％到约95％、基质总体积的约70％到约95％、基质总体积的约80％到约95％、基质总体积的约90％到约95％、基质总体积的约40％到约90％、基质总体积的约50％到约90％、基质总体积的约60％到约90％、基质总体积的约70％到约90％，或基质总体积的约80％到约90％。例如，包含限定孔阵列的基质的多孔材料可以具有例如以下的空隙空间：基质总体积的约50％、基质总体积的约60％、基质总体积的约70％、基质总体积的约80％、基质总体积的约90％、基质总体积的约95％或基质总体积的约97％、基质总体积的至少约50％、基质总体积的至少约60％、基质总体积的至少约70％、基质总体积的至少约80％、基质总体积的至少约90％、基质总体积的至少约95％或基质总体积的至少约97％、基质总体积的至多约50％、基质总体积的至多约60％、基质总体积的至多约70％、基质总体积的至多约80％、基质总体积的至多约90％、基质总体积的至多约95％或基质总体积的至多约97％、基质总体积的约50％到约97％、基质总体积的约60％到约97％、基质总体积的约70％到约97％、基质总体积的约80％到约97％、基质总体积的约90％到约97％、基质总体积的约50％到约95％、基质总体积的约60％到约95％、基质总体积的约70％到约95％、基质总体积的约80％到约95％、基质总体积的约90％到约95％、基质总体积的约50％到约90％、基质总体积的约60％到约90％、基质总体积的约70％到约90％，或基质总体积的约80％到约90％。

多孔结构可以是多孔基质、多孔膜、某些类型的离子可渗透的离聚物、多孔玻璃料、离子选择性膜、离子导电玻璃、聚合物膜或离子导电膜。多孔结构可以由微孔材料(诸如陶瓷或玻璃料、陶瓷或玻璃膜)或固体多孔基材(诸如由聚合物或无机材料制备的玻璃料或晶片)形成。玻璃料可以含有例如氧化镁、氧化钙、氧化锶、氧化钡、氧化铯、氧化钠、氧化钾、氧化硼、氧化钒、氧化锌、氧化碲、氧化铝、二氧化硅、氧化铅、氧化锡、氧化磷、氧化钌、氧化铑、氧化铁、氧化铜、二氧化锰、氧化钼、氧化铌、氧化钛、氧化钨、氧化铋、氧化锆、氧化锂、氧化锑、硼酸铅玻璃、磷酸锡玻璃、钒酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃。

在一些示例中，多孔结构可以包括由聚砜、聚醚砜或聚偏二氟乙烯形成的微孔膜。在一些示例中，多孔结构可以由诸如聚烯烃的树脂材料形成，诸如聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)等。此外，可以使用具有无孔薄膜和多孔薄膜的层合结构中的中空纤维膜，该多孔薄膜提供为将无孔薄膜保持在其间。在一些示例中，多孔结构可以由PEDOT:PSS(聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸酯)、有机硅(silicone)、聚四氟乙烯、聚乙烯-共-四氟乙烯、聚烯烃、聚酯、聚碳酸酯、生物稳定的聚四氟乙烯、聚氨酯的均聚物、共聚物、三元共聚物、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氨酯、纤维素聚合物、聚砜和它们的嵌段共聚物(包括例如二嵌段、三嵌段、交替、无规和接枝共聚物)形成。

在一些示例中，多孔结构可以由多孔二氧化硅、有机硅酸盐玻璃(碳掺杂氧化物)、氧化铟锡(ITO)或低κ(低介电常数)电介质形成，该低κ电介质包括硅碳氮化硼(SiCBN)、氧碳氮化硅(SiOCN)、氟掺杂二氧化硅、碳掺杂二氧化硅、类金刚石碳(DLC)和它们的组合。这种多孔低κ材料可商购获得以用于使用化学气相沉积(CVD)的生长，商品名为诸如来自Trikon的Orion^TM、来自AMAT的BDIIx^TM和来自ASMi的Aurora^TM。替代材料可以通过旋涂来沉积——此类材料包括来自Dow Chemical的SiLK^TM和来自JSR的LKD^TM。例如，低κ多孔有机硅酸盐玻璃可具有大约2.7的介电常数和大于10％的孔隙率(定义为孔的体积除以包括孔和孔之间的材料的总体积)。例如，多孔二氧化硅可以具有在约15％至40％之间或在约30％至35％之间的孔隙率。多孔二氧化硅可以具有遵循<100>硅体的结晶取向的垂直和水平孔的构型。多孔二氧化硅可以由基板材料形成，例如基于多孔硅。在一些示例中，多孔结构可以由通过多孔化形成的多孔材料形成。在一些示例中，多孔材料可以是纳米多孔材料，也就是说，具有纳米级的大小或直径的孔。通过多孔化形成的多孔材料可以被提供有例如在约2nm与约100nm之间的小直径的孔。通过多孔化形成的多孔材料可以制成为具有大于30％的开孔率。在一些示例中，多孔结构可以由通过低κ材料的多孔化形成的多孔材料形成，该低κ材料包括但不限于氮化硅硼(SiBN)、氮化硅碳(SiCN)、氮化硅硼碳(SiBCN)、氢倍半硅氧烷聚合物(HSQ)、甲基倍半硅氧烷聚合物(MSQ)、聚亚苯基低聚物、甲基掺杂的二氧化硅或SiOx(CH3)y、SiCxOyHy或SiOCH、有机硅酸盐玻璃(SiCOH)、氧化硅、氮化硼和氧氮化硅。

鉴于上述定义，可理解本文所阐述的和在权利要求中列举的方面和示例。

附加说明

应当理解，前述概念和下文更详细讨论的附加概念(假设此类概念不相互矛盾)的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分。具体地讲，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被设想为是本文所公开的发明主题的一部分。还应当理解，本文明确采用的也可出现在以引用方式并入的任何公开中的术语应被赋予与本文所公开的特定概念最一致的含义。

本说明书通篇提及的“一个示例”、“另一个示例”、“一种示例”等意指结合该示例描述的特定元素(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文所述的至少一个示例中，并且可存在于或不存在于其他示例中。此外，应当理解，用于任何示例的所述元素可以任何合适的方式组合在各种示例中，除非上下文另有明确说明。

应当理解，本文提供的范围包括规定范围和规定范围内的任何值或子范围，如同此类值或子范围被明确列举一样。例如，约2nm到约20nm的范围应被解释为不仅包括明确列举的约2nm到约20nm的限值，而且还包括单个值，诸如约3.5nm、约8nm、约18.2nm等，以及子范围，诸如约5nm到约10nm等。此外，当使用“约”和/或“基本上”来描述值时，这意味着包括所陈述值的微小变化(至多+/-10％)。

虽然已经详细描述了若干示例，但是应当理解，可以对所公开的示例进行修改。因此，上述说明应被认为是非限制性的。

尽管已经描述了某些示例，但是这些示例仅作为示例而呈现，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，本文所述的新颖方法和系统可以多种其他形式体现。此外，可以对本文描述的系统和方法进行各种省略、替换和改变，而不脱离本公开的精神。所附权利要求和其等价物旨在覆盖落入本公开的范围和精神内的此类形式或修改。

结合特定方面或示例描述的特征、材料、特性或组应理解为适用于本章节中或本说明书其他地方描述的任何其他方面或示例，除非与之不相容。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤都可以任何组合进行组合，除了此类特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤相互排斥的组合。保护不限于任何前述示例的细节。保护扩展到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖组合，或者扩展到如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖步骤或任何新颖组合。

此外，在本公开中在单独具体实施的上下文中描述的某些特征也可以在单个具体实施中组合地实现。相反，在单个具体实施的上下文中描述的各种特征也可以在多个具体实施中分别实现或以任何合适的子组合实现。此外，尽管特征可以在某些组合中被描述为在某些组合中起作用，但在某些情况下，可以从组合中去除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且该组合可以被要求作为子组合或子组合的变体。

此外，虽然可以在附图中描绘或在说明书中以特定顺序描述操作，但此类操作不需要以所示特定顺序或按顺序执行，或者不需要执行所有操作以获得期望的结果。未描绘或描述的其他操作可以并入示例性方法和过程中。例如，可以在任何所描述的操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个额外操作。此外，操作可以在其他实施方式中重新布置或重新排序。本领域技术人员将理解，在一些示例中，在所示和/或公开的过程中采取的实际步骤可以不同于图中所示的实际步骤。取决于示例，可以去除上述某些步骤，或者可以添加其他步骤。此外，上文公开的具体示例的特征和属性可以以不同方式组合以形成额外示例，所有这些都落入本公开的范围内。此外，上述具体实施中各种系统部件的分离不应理解为在所有具体实施中都需要这种分离，应当理解，所描述的部件和系统通常可以在单个产品中集成在一起或封装在多个产品中。例如，本文描述的能量存储系统的部件中的任何部件可以单独提供，或集成在一起(例如，封装在一起，或附接在一起)以形成能量存储系统。

出于本公开的目的，本文描述了某些方面、优点和新颖特征。不一定所有这些优点都可以根据任何特定示例来实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本公开可以实现如本文教导的一个优点或一组优点的方式来体现或执行，而不必实现如本文教导或建议的其他优点。

除非另外具体陈述或以其他方式在所使用的上下文内理解，否则如“可能(can/could)”、或“可以(might/may)”的条件性语言通常旨在传达某些示例包括而其他示例不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件性语言通常并不意味着一个或多个示例以任何方式需要特征、元件和/或步骤，或者一个或多个示例必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下做出决定的逻辑，不管特征、元件和/或步骤是否包括在特定示例中或将要在任何特定示例中执行。

除非另有特别说明，否则诸如短语“X、Y和Z中的至少一者”的连接语言在上下文中通常被理解为用于传达项目、术语等可以是X、Y或Z。因此，这种连接语言通常不旨在暗示某些示例需要存在X中的至少一者、Y中的至少一者和Z中的至少一者。

本文使用的程度语言，诸如术语“大约”、“约”、“大体上”和“基本上”表示接近所陈述值、量或特征的值、量或特征，其仍然执行期望的功能或实现期望的结果。

本公开的范围不旨在受本章节中或本说明书中其他地方的优选示例的具体公开内容的限制，并且可以由本章节中或本说明书中其他地方呈现的或将来呈现的权利要求限定。权利要求的语言应基于权利要求中采用的语言广义地解释，并且不限于本说明书中或在申请的审查期间描述的示例，这些示例应被解释为非排他性的。

Claims

1.一种装置，所述装置包括：

中间阱，所述中间阱包括流体隧道；

与顺式电极相关联的顺式阱，其中第一纳米级开口设置在所述顺式阱与所述中间阱之间；

与反式电极相关联的反式阱，其中第二纳米级开口设置在所述反式阱与所述中间阱之间；和

场效应晶体管(FET)，所述FET位于所述第一纳米级开口与所述第二纳米级开口之间，所述FET包括：

源极、漏极以及将所述源极连接到所述漏极的沟道，其中所述沟道包括栅极氧化物层，所述栅极氧化物层具有流体地暴露于所述中间阱的上表面，

其中所述中间阱将所述顺式阱流体地连接到所述反式阱，并且其中所述流体隧道延伸穿过所述沟道。

2.一种装置，所述装置包括：

中间阱，所述中间阱包括流体隧道；

源极、漏极以及将所述源极连接到所述漏极的沟道，其中所述沟道包括栅极氧化物层，所述栅极氧化物层具有上表面和下表面，所述表面流体地暴露于所述中间阱，

3.一种装置，所述装置包括：

中间阱，所述中间阱包括流体隧道；

与反式电极相关联的反式阱，其中多孔结构设置在所述反式阱与所述中间阱之间；和

场效应晶体管(FET)，所述FET位于所述第一纳米级开口与所述多孔结构之间，所述FET包括：

4.一种装置，所述装置包括：

中间阱，所述中间阱包括流体隧道；

其中所述中间阱将所述顺式阱流体地连接到所述反式阱，并且其中所述流体隧道不延伸穿过所述沟道。

5.一种装置，所述装置包括：

中间阱，所述中间阱包括流体隧道；

6.一种装置，所述装置包括：

中间阱，所述中间阱包括流体隧道；

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述FET是纳米线晶体管。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述沟道具有沿着从所述源极到所述漏极的方向的长度、沿着从所述顺式电极到所述反式电极的方向的高度，以及沿着至少基本上与所述长度和所述高度两者正交的方向的宽度，并且其中所述长度为所述宽度或所述高度的至少约10倍。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述流体隧道与所述沟道之间在由所述长度和所述宽度限定的平面中的相交处是圆盘形的。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述FET是纳米片晶体管。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述沟道具有沿着从所述源极到所述漏极的方向的长度、沿着从所述顺式电极到所述反式电极的方向的高度，以及沿着至少部分地与所述长度和所述高度两者正交的方向的宽度，其中所述长度为所述高度的至少约5倍，并且其中所述宽度为所述高度的至少约5倍。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述流体隧道与所述沟道之间在由所述长度和所述宽度限定的平面中的相交处是椭圆形的。

13.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述FET还包括多个沟道，其中所述多个沟道中的每一个沟道包括栅极氧化物层，所述栅极氧化物层具有流体地暴露于所述中间阱的上表面和下表面，并且其中所述流体隧道延伸穿过所述多个沟道中的每一个沟道。

14.根据权利要求3或权利要求6所述的装置，其中所述多孔结构包括SiCOH薄膜。

15.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，所述装置还包括位于所述顺式阱与所述中间阱之间的膜，其中所述第一纳米级开口延伸穿过所述膜。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述膜选自由脂质和脂质的仿生等效物组成的组。

17.根据权利要求15所述的装置，其中所述第一纳米级开口延伸穿过：设置在所述膜中的多核苷酸纳米孔；多肽纳米孔；或碳纳米管。

18.根据权利要求15所述的装置，其中所述膜是合成膜，并且其中所述第一纳米级开口是固态纳米孔。

19.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述装置包括纳米孔测序仪。

20.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述栅极氧化物层具有在约1nm到约10nm之间的厚度。

21.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述栅极氧化物层具有在约2nm与约4nm之间的厚度。

22.根据权利要求1、2或3所述的装置，其中所述栅极氧化物层还包括流体地暴露于所述流体隧道的垂直表面。

23.一种多个根据权利要求19所述的纳米孔测序仪的阵列，其中：

所述多个纳米孔测序仪中的每一个纳米孔测序仪共享共同的顺式电极和共同的反式电极；或者

所述多个纳米孔测序仪中的每一个纳米孔测序仪具有不同的顺式电极和不同的反式电极；或者

所述多个纳米孔测序仪中的每一个纳米孔测序仪共享共同的顺式电极并且具有不同的反式电极；或者

所述多个纳米孔测序仪中的每一个纳米孔测序仪具有不同的顺式电极并且共享共同的反式电极。

24.一种使用根据权利要求1至6中任一项所述的装置的方法，所述方法包括：

将电解质引入所述装置的所述顺式阱、所述反式阱、所述中间阱和所述流体隧道中的每一者中；

在所述顺式电极与所述反式电极之间施加偏压，其中所述第一纳米级开口的电阻响应于所述第一纳米级开口处的多核苷酸中的碱基身份而变化，并且其中所述流体隧道中的所述电解质的电势响应于所述第一纳米级开口的电阻的所述变化而变化；以及

测量所述FET的响应作为所述第一纳米级开口处的所述多核苷酸中的碱基函数，以鉴定所述多核苷酸中的所述碱基。

25.根据权利要求24所述的方法，其中测量所述FET的所述响应包括测量：

源极-漏极电流；或者

所述源极、所述漏极或所述源极和所述漏极两者处的电势；或者

所述沟道的电阻；或者

它们的任何组合。

26.一种装置，所述装置包括：

中间阱；

源极、漏极以及将所述源极连接到所述漏极的沟道，其中所述源极、所述漏极和所述沟道垂直堆叠，并且其中所述沟道包括栅极氧化物层，所述栅极氧化物层具有流体地暴露于所述中间阱的垂直表面，

其中所述中间阱将所述顺式阱流体地连接到所述反式阱，并且其中垂直方向是从所述顺式电极到所述反式电极的方向。

27.一种装置，所述装置包括：

中间阱；

其中所述中间阱将所述顺式阱流体地连接到所述反式阱，并且其中所述垂直方向是从所述顺式电极到所述反式电极的方向。

28.根据权利要求26或27中任一项所述的装置，其中所述FET是纳米线晶体管。

29.根据权利要求26或27中任一项所述的装置，其中所述FET是纳米片晶体管。

30.根据权利要求26或27中任一项所述的装置，其中所述FET还包括多个沟道，其中所述多个沟道中的每一个沟道包括栅极氧化物层，所述栅极氧化物层具有流体地暴露于所述中间阱的两个额外垂直表面。

31.根据权利要求27所述的装置，其中所述多孔结构包括SiCOH薄膜。

32.根据权利要求26或27中任一项所述的装置，所述装置还包括位于所述顺式阱与所述中间阱之间的膜，其中所述第一纳米级开口延伸穿过所述膜。

33.根据权利要求32所述的装置，其中所述膜选自由脂质和脂质的仿生等效物组成的组。

34.根据权利要求32所述的装置，其中所述第一纳米级开口延伸穿过：设置在所述膜中的多核苷酸纳米孔；多肽纳米孔；或碳纳米管。

35.根据权利要求32所述的装置，其中所述膜是合成膜，并且其中所述第一纳米级开口是固态纳米孔。

36.根据权利要求26或27中任一项所述的装置，其中所述栅极氧化物层具有在约1nm到约10nm之间的厚度。

37.根据权利要求26或27中任一项所述的装置，其中所述栅极氧化物层具有在约2nm与约4nm之间的厚度。

38.根据权利要求26或27中任一项所述的装置，其中所述装置包括纳米孔测序仪。

39.一种多个根据权利要求38所述的纳米孔测序仪的阵列，其中：

40.一种使用根据权利要求26或27中任一项所述的装置的方法，所述方法包括：

将电解质引入所述装置的所述顺式阱、所述反式阱和所述中间阱中的每一者中；

在所述顺式电极与所述反式电极之间施加偏压，其中所述第一纳米级开口的电阻响应于所述第一纳米级开口处的多核苷酸中的碱基身份而变化，并且其中所述中间阱中的所述电解质的电势响应于所述第一纳米级开口的电阻的所述变化而变化；以及

41.根据权利要求40所述的方法，其中测量所述FET的所述响应包括测量：

源极-漏极电流；或者

所述沟道的电阻；或者

它们的任何组合。

42.一种装置，所述装置包括：

中间阱；

源极、漏极以及将所述源极连接到所述漏极的沟道，其中所述沟道包括栅极氧化物层，所述栅极氧化物层可操作地连接到金属结构，

其中所述中间阱将所述顺式阱流体地连接到所述反式阱，并且其中所述金属结构具有流体地暴露于所述中间阱的至少一个表面。

43.一种装置，所述装置包括：

中间阱；

44.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述栅极氧化物层不是流体地暴露的。

45.根据权利要求42或43中任一项所述的方法，其中所述金属结构的至少一个流体地暴露的表面由耐腐蚀材料形成。

46.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述金属结构具有流体地暴露于所述中间阱的至少一个部分垂直表面、至少两个部分垂直表面、至少一个部分水平表面、至少两个部分水平表面或它们的任何组合，其中所述垂直方向是从所述顺式电极到所述反式电极的方向，并且其中水平方向与所述垂直方向正交。

47.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述金属结构具有流体地暴露于所述中间阱的至少一个杯形结构。

48.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述金属结构的流体地暴露于所述中间阱的部分包括至少一个洞或开口。

49.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述金属结构的流体地暴露于所述中间阱的所述部分包括至少两个洞或开口。

50.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述FET是纳米线晶体管。

51.根据权利要求50所述的装置，其中所述沟道具有沿着从所述源极到所述漏极的方向的长度、沿着至少部分地与所述长度正交的方向的高度，以及沿着至少部分地与所述长度和所述高度两者正交的方向的宽度，其中所述长度为所述宽度或所述高度的至少约10倍。

52.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述FET是纳米片晶体管。

53.根据权利要求52所述的装置，其中所述沟道具有沿着从所述源极到所述漏极的方向的长度、沿着至少基本上与所述长度正交的方向的高度，以及沿着至少部分地与所述长度和所述高度两者正交的方向的宽度，其中所述长度为所述高度的至少约5倍，并且其中所述宽度为所述高度的至少约5倍。

54.根据权利要求43所述的装置，其中所述多孔结构包括SiCOH薄膜。

55.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，所述装置还包括位于所述顺式阱与所述中间阱之间的膜，其中所述第一纳米级开口延伸穿过所述膜。

56.根据权利要求55所述的装置，其中所述膜选自由脂质和脂质的仿生等效物组成的组。

57.根据权利要求55所述的装置，其中所述第一纳米级开口延伸穿过：设置在所述膜中的多核苷酸纳米孔；多肽纳米孔；或碳纳米管。

58.根据权利要求55所述的装置，其中所述膜是合成膜，并且其中所述第一纳米级开口是固态纳米孔。

59.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述栅极氧化物层具有在约1nm到约10nm之间的厚度。

60.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述栅极氧化物层具有在约2nm与约4nm之间的厚度。

61.根据权利要求42或43中任一项所述的装置，其中所述装置包括纳米孔测序仪。

62.一种多个根据权利要求61所述的纳米孔测序仪的阵列，其中：

63.一种使用根据权利要求42或43中任一项所述的装置的方法，所述方法包括：

64.根据权利要求63所述的方法，其中测量所述FET的所述响应包括测量：

源极-漏极电流；或者

所述沟道的电阻；或者

它们的任何组合。

65.根据权利要求63所述的方法，其中在所述金属结构的所述至少一个流体地暴露的表面处没有发生电化学反应。