DE112011100324B4 - Messen von Biomolekülen und geladenen lonen in einem Elektrolyten - Google Patents

Messen von Biomolekülen und geladenen lonen in einem Elektrolyten Download PDF

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Abstract

Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen, umfassend:
ein Substrat;
einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten und einen dritten Knoten, die in dem Substrat angeordnet sind;
ein Gate-Dielektrikum, das über dem Substrat, dem ersten Knoten, dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten angeordnet ist;
einen ersten Feldeffekttransistor (FET), wobei der erste FET ein Steuer-Gate, das auf dem Gate-Dielektrikum angeordnet ist, und den ersten Knoten und den zweiten Knoten umfasst; und
einen zweiten FET, wobei der zweite FET eine Messoberfläche, die auf dem Gate-Dielektrikum angeordnet ist, und den zweiten Knoten und den dritten Knoten umfasst, wobei die Messoberfläche dafür aufgebaut ist, die Biomoleküle oder geladenen Ionen, die nachgewiesen werden sollen, spezifisch zu binden
wobei der erste Knoten, der zweite Knoten und der dritte Knoten jeweils den gleichen Dotierungstyp aufweisen und das Substrat einen Dotierungstyp umfasst, der dem Dotierungstyp des ersten Knotens, des zweiten Knotens und des dritten Knotens entgegengesetzt ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der Messung von Biomolekülen und geladenen Ionen in einer Elektrolytlösung.
  • BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • Ein Feldeffekttransistor (FET), umfassend Source, Drain und Gate, kann als Sensor für verschiedene Typen von Biomolekülen verwendet werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, geladene Ionen, wie z. B. H+ oder Ca+ +, Proteine, Glucose oder Viren, indem ein Elektrolyt, der die Biomoleküle enthält, als FET-Gate verwendet wird (weitere Informationen in P. Bergveld, Sensors and Actuators B 88 (2003) 1–20). Im Betrieb kann eine Spannung an den FET-Gate-Elektrolyten angelegt werden, indem eine Elektrode in den Elektrolyten getaucht und die Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden wird. Das Vorhandensein der Elektrode kann einen vergleichsweise umständlichen Aufbau des Sensors zur Folge haben und die Miniaturisierung und Automatisierung des Sensors beschränken. Die Elektrode, die einen mit einer Silberchloridschicht überzogenen Silberdraht umfassen kann, kann aufgrund von chemischen Veränderungen des Elektrodenmaterials, die bei längerer Verwendung auftreten können, auch zu Problemen mit der Zuverlässigkeit des Sensors über die Zeit führen.
  • Ein Sensor auf FET-Basis, der keine in den Elektrolyten getauchte Elektrode benötigt, kann eine Silicium-Nanodraht-FET-Struktur mit Back-Gate umfassen (weitere Informationen in E. Stern et al., Nature, Band 445, Seite 519 (2007)). Ein FET mit Back-Gate verwendet eine Schicht von vergrabenem Oxid als Gate-Dielektrikum. Das vergrabene Oxid kann vergleichsweise dick sein, wodurch ein vergleichsweise großer Subschwellen-Anstieg (über 300 mV/Dekade) und hohe Schwellenspannungen entstehen und im Ergebnis die Empfindlichkeit des Sensors verschlechtert werden kann und die Sensorspannung hoch ist. Zum Verbessern der Empfindlichkeit kann der Durchmesser des Silicium-Nanodrahts immer kleiner gemacht werden; ein vergleichsweise dünner Silicium-Nanodraht kann aber zu Ausbeuteproblemen bei der Sensorherstellung führen. Zum Verringern der Sensorspannung kann die Dicke des vergrabenen Oxids verringert und die feste Ladungsdichte in der vergrabenen Oxidschicht verkleinert werden. Das Herstellungsverfahren für dünne Silicium-Nanodrähte und eine dünne vergrabene Oxidschicht mit verkleinerter fester Ladungsdichte kann vergleichsweise kompliziert und kostspielig gegenüber einem Herstellungsverfahren für herkömmliche FETs sein.
  • In der US 2005/0230271 A1 ist ein Sensor gezeigt, bei dem drei Knoten in einem Substrat angeordnet sind, wobei der erste und der zweite Knoten mit einem Steuergate einen Steuer-FET bilden und der zweite und der dritte Knoten mit einer Messoberfläche einen Mess-FET-bilden. Nach Bestimmung der Schwellenspannung beider FET kann über die Differenz der Spannungen ein auf der Messoberfläche aufgebrachtes Material sowie dessen Menge und/oder Konzentration bestimmt werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Bei einer Ausführungsform umfasst ein Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen ein Substrat; einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten und einen dritten Knoten, die in dem Substrat angeordnet sind; ein Gate-Dielektrikum, das über dem Substrat, dem ersten Knoten, dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten angeordnet ist; einen ersten Feldeffekttransistor (FET), wobei der erste FET ein Steuer-Gate, das auf dem Gate-Dielektrikum angeordnet ist, und den ersten Knoten und den zweiten Knoten umfasst; und einen zweiten FET, wobei der zweite FET eine Messoberfläche, die auf dem Gate-Dielektrikum angeordnet ist, und den zweiten Knoten und den dritten Knoten umfasst, wobei die Messoberfläche dafür aufgebaut ist, die Biomoleküle oder geladenen Ionen, die nachgewiesen werden sollen, spezifisch zu binden. Der erste Knoten, der zweite Knoten und der dritte Knoten weisen jeweils den gleichen Dotierungstyp auf und das Substrat umfasst einen Dotierungstyp, der dem Dotierungstyp des ersten Knotens, des zweiten Knotens und des dritten Knotens entgegengesetzt ist
  • Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors für Biomoleküle oder geladene Ionen, wobei der Sensor einen ersten Feldeffekttransistor (FET) und einen zweiten FET umfasst, wobei der erste FET und der zweite FET einen gemeinsamen Knoten umfassen, wobei der gemeinsame Knoten, der nicht-gemeinsame Knoten des ersten FET und der nicht-gemeinsame Knoten des zweiten FET in dem Substrat angeordnet sind und jeweils den gleichen Dotierungstyp aufweisen und das Substrat einen Dotierungstyp aufweist, der dem Dotierungstyp des gemeinsamen Knotens, des nicht-gemeinsamen Knotens des ersten FET und des nicht-gemeinsamen Knotens des zweiten FET entgegengesetzt ist, das Platzieren eines Elektrolyten, der die Biomoleküle oder geladenen Ionen enthält, auf einer Messoberfläche des Sensors, wobei der Elektrolyt ein Gate des zweiten FET bildet; Anlegen einer Inversionsspannung an ein Gate des ersten FET; Erzeugen einer ersten elektrischen Verbindung mit einem nicht gemeinsamen Knoten des ersten FET; Erzeugen einer zweiten elektrischen Verbindung mit einem nicht gemeinsamen Knoten des zweiten FET; Bestimmen der Veränderung eines Drain-Stroms, der zwischen dem nicht gemeinsamen Knoten des ersten FET und dem nicht gemeinsamen Knoten des zweiten FET fließt; und Bestimmen der Menge an Biomolekülen oder geladenen Ionen, die in dem Elektrolyten enthalten sind, auf der Basis der bestimmten Veränderung des Drain-Stroms.
  • Weitere Merkmale sind anhand der Ausführung des vorliegenden Ausführungsbeispiels zu erkennen. Andere Ausführungsformen werden hierin ausführlich beschrieben und werden als Teil des Beanspruchten angesehen. Zum besseren Verständnis der Merkmale des Ausführungsbeispiels wird auf die Beschreibung und die Abbildungen verwiesen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ABBILDUNGEN
  • Es wird nun auf die Abbildungen verwiesen, bei denen gleiche Elemente in den verschiedenen FIGUREN gleich nummeriert sind:
  • 1 stellt eine Ausführungsform eines dualen FET-Sensors dar.
  • 2 stellt eine Ausführungsform eines dualen FET-Sensors dar.
  • 3 stellt eine Ausführungsform eines dualen FET-Sensors dar.
  • 4 stellt eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines dualen FET-Sensors dar.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es werden Ausführungsformen von Systemen und Verfahren für einen dualen FET-Sensor für Biomoleküle und geladene Ionen bereitgestellt, wobei Ausführungsbeispiele ausführlich diskutiert werden. Eine Sensorstruktur auf FET-Basis kann zwei in Reihe verbundene Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs oder FETs) vom n-Typ oder p-Typ umfassen, wobei der erste FET ein Steuer-FET und der zweite FET ein Mess-FET mit einem Elektrolyten als Gate ist. Der Steuer-FET und der Mess-FET können einen gemeinsamen Knoten aufweisen. Die Oberfläche des Gate-Dielektrikums des Mess-FET kann so funktionalisiert sein, dass die Oberfläche des Gate-Dielektrikums spezifisch den Typ von Biomolekülen bindet, zu deren Nachweis der duale FET-Sensor verwendet wird. Die Biomoleküle in dem Elektrolyten binden an die funktionalisierte Oberfläche des Gate-Dielektrikums des Mess-FET und bewirken eine Veränderung eines Drain-Stroms des Sensors. Die Menge an Biomolekülen, die in dem Elektrolyten vorhanden sind, kann auf der Basis der Veränderung des Drain-Stroms bestimmt werden. Bei Verwendung eines dualen FET-Sensors entfällt die Notwendigkeit, eine Elektrode in den Elektrolyten einzutauchen.
  • 1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines dualen FET-Sensors 100, umfassend einen Steuer-FET und einen Mess-FET. Der Mess-FET umfasst den gemeinsamen Knoten 102 und den Sensor-Knoten 101, die als Source/Drain des Mess-FET wirken, und ein Gate, das den Elektrolyten 108 umfasst. Die Oberfläche des Gate-Dielektrikums 105, die in Kontakt mit dem Elektrolyten 108 steht, ist funktionalisiert, um die Messoberfläche 106 zu bilden. Der Steuer-FET umfasst den gemeinsamen Knoten 102 und den Steuer-Knoten 103, die als Source/Drain des Steuer-FET wirken, und das Steuer-Gate 107. Der duale FET-Sensor 100 ist auf einem Substrat 104 aufgebaut; der Sensor-Knoten 101, der gemeinsame Knoten 102 und der Steuer-Knoten 103 sind in dem Substrat 104 gebildet. Über dem Substrat 104 kann ein isolierendes Material 109 angeordnet sein. Das Gate-Dielektrikum 105 ist über dem Substrat 104, dem Sensor-Knoten 101, dem gemeinsamen Knoten 102 und dem Steuer-Knoten 103 angeordnet. Im Betrieb werden elektrische Verbindungen zu dem Sensor-Knoten 101, dem Steuer-Knoten 103 und dem Steuer-Gate 107 erzeugt, die Metallleitungen (nicht gezeigt) umfassen können, und ein Drain-Strom (Id) fließt zwischen dem Sensor-Knoten 101 und dem Steuer-Knoten 103 durch den dualen FET-Sensor 100.
  • Der Sensor-Knoten (101, 201, 301), der gemeinsame Knoten (102, 202, 302A–B) und der Steuer-Knoten (103, 203, 303) weisen den gleichen Dotierungstyp auf (n+-Typ oder p+-Typ). Das Substrat 104, 204 und 304 weist einen Dotierungstyp auf (n-Typ oder p-Typ), der dem Dotierungstyp der Knoten (101–103, 201–203, 301–303) entgegengesetzt ist.
  • 2 veranschaulicht eine andere Ausführungsform eines dualen FET-Sensors 200. Der duale FET-Sensor 200 umfasst ebenfalls einen Steuer-FET und einen Mess-FET. Der Mess-FET umfasst den gemeinsamen Knoten 202 und den Sensor-Knoten 201, die als Source/Drain des Mess-FET wirken, und ein Gate, das den Elektrolyten 208 umfasst, auf dem Mess-Gate-Dielektrikum 205A. Die Oberfläche des Gate-Dielektrikums 205A, die in Kontakt mit dem Elektrolyten 208 steht, ist funktionalisiert, um die Messoberfläche 206 zu bilden. Der Steuer-FET umfasst den gemeinsamen Knoten 202 und den Steuer-Knoten 203, die als Source/Drain des Steuer-FET wirken, und das Steuer-Gate 207 auf dem Steuer-Gate-Dielektrikum 205B. Der duale FET-Sensor 200 ist auf einem Substrat 204 aufgebaut; der Sensor-Knoten 201, der gemeinsame Knoten 202 und der Steuer-Knoten 203 sind in dem Substrat 204 gebildet. Über dem Substrat 204 kann ein isolierendes Material 209 angeordnet sein. Im Betrieb werden elektrische Verbindungen, die Metallleitungen (nicht gezeigt) umfassen können, zu dem Sensor-Knoten 201, dem Steuer-Knoten 203 und dem Steuer-Gate 207 erzeugt, und ein Drain-Strom (Id) fließt zwischen dem Sensor-Knoten 201 und dem Steuer-Knoten 203 durch den dualen FET-Sensor 200.
  • 3 veranschaulicht eine andere Ausführungsform eines dualen FET-Sensors 300. Der duale FET-Sensor 300 umfasst ebenfalls einen Steuer-FET und einen Mess-FET. Der Mess-FET umfasst den gemeinsamen Mess-Knoten 302A und den Sensor-Knoten 301, die als Source/Drain des Mess-FET wirken, und ein Gate, das den Elektrolyten 308 umfasst, auf dem Gate-Dielektrikum 305. Die Oberfläche des Gate-Dielektrikums 305, die in Kontakt mit dem Elektrolyten 308 steht, ist funktionalisiert, um die Messoberfläche 306 zu bilden. Der Steuer-FET umfasst den gemeinsamen Knoten 3026 und den Steuer-Knoten 303, die als Source/Drain des Steuer-FET wirken, und das Steuer-Gate 307 auf dem Steuer-Gate-Dielektrikum 305. Der gemeinsame Mess-Knoten 302A ist mit dem gemeinsamen Steuer-Knoten 302B verbunden. Der duale FET-Sensor 300 Ist auf einem Substrat 304 aufgebaut; der Sensor-Knoten 301, die gemeinsamen Knoten 302A–B und der Steuer-Knoten 303 sind in dem Substrat 304 gebildet. Über dem Substrat 304 kann ein isolierendes Material 309 angeordnet sein. Im Betrieb werden elektrische Verbindungen, die Metallleitungen (nicht gezeigt) umfassen können, zu dem Sensor-Knoten 301, dem Steuer-Knoten 303 und dem Steuer-Gate 307 erzeugt, und ein Drain-Strom (Id) fließt zwischen dem Sensor-Knoten 301 und dem Steuer-Knoten 303 durch den dualen FET-Sensor 300.
  • Das Steuer-Gate (107, 207 und 307) kann bei manchen Ausführungsformen Polysilicium oder ein Metall umfassen. Das Substrat 104, 204 und 304 kann bei manchen Ausführungsformen massives Silicium oder Silicium-auf-Isolator umfassen. Das Gate-Dielektrikum (105, 205A–B, 305) kann bei manchen Ausführungsformen SiO2, SiON, ein Material mit hohem k-Wert oder eine Doppelschicht von SiO2 und hohem k mit einer äquivalenten Oxiddicke (EOT) von mehr als 20 Ångström (A) umfassen.
  • 4 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines dualen FET-Sensors 100. 4 wird mit Bezug auf 1 diskutiert; das Verfahren 400 kann auch in Verbindung mit den in 2 und 3 gezeigten dualen Sensor-FETs 200 und 300 verwendet werden. In Block 401 wird die Oberfläche des Gate-Dielektrikums des Mess-FET funktionalisiert, um die Messoberfläche 106 zu bilden. Das Funktionalisieren der Oberfläche des Gate-Dielektrikums 105 zum Erzeugen der Messoberfläche 106 kann das Überziehen der Oberfläche des Gate-Dielektrikums des Mess-FET mit Antikörpern oder einer geeigneten Chemikalie umfassen, die spezifisch an die jeweiligen Biomoleküle binden kann, zu deren Nachweis der Sensor bei manchen Ausführungsformen verwendet wird. In Block 402 wird der Elektrolyt 108 auf der Messoberfläche 106 angeordnet. In Block 403 werden elektrische Verbindungen zu dem Steuer-Gate 107, dem Sensor-Knoten 101 und dem Steuer-Knoten 103 erzeugt. Die elektrischen Verbindungen können über Metallleitungen hergestellt werden, die mit jedem von dem Steuer-Gate 107, dem Sensor-Knoten 101 und dem Steuer-Knoten 103 verbunden sind. An das Steuer-Gate 107 wird eine Gate-Spannung angelegt, die ausreicht, um den Steuer-FET einzuschalten. Die Gate-Spannung kann eine konstante Inversionsspannung umfassen und kann bei manchen Ausführungsformen zwischen etwa |1,0| Volt (V) und |1,5| V betragen. Der Steuer-Knoten 103 kann bei einer konstanten Spannung Vd gehalten werden, die bei manchen Ausführungsformen etwa 0,1 V betragen kann. Der Sensor-Knoten 101 kann bei manchen Ausführungsformen bei etwa 0 V gehalten werden. Der gemeinsame Knoten 102 und das Mess-FET-Gate, das den Elektrolyten 108 umfasst, werden potenzialfrei gelassen. In Block 404 binden Biomoleküle in dem Elektrolyten 108 an die Messoberfläche 106. Die an die Messoberfläche 106 gebundenen Biomoleküle bewirken eine Veränderung der Austrittsarbeit an der Grenzfläche zwischen der Messoberfläche 106 und dem Elektrolyten 108, wodurch wiederum eine Veränderung des Id bewirkt wird, der zwischen dem Sensor-Knoten 101 und dem Steuer-Knoten 103 fließt. In Block 405 wird die Veränderung von Id bestimmt. Die Veränderung von Id wird bezogen auf den Drain-Strom bestimmt, der ohne Vorhandensein von Biomolekülen durch den Sensor 100 fließt. In Block 406 wird die Menge an Biomolekülen, die in dem Elektrolyten 108 vorhanden sind, aus der Veränderung von Id bestimmt.
  • Der Steuer-FET weist eine Kanallänge auf, die dem Abstand zwischen dem Steuer-Knoten 103 und dem gemeinsamen Knoten 102 entspricht. Der Mess-FET weist eine Kanallänge auf, die dem Abstand zwischen dem Sensor-Knoten 101 und dem gemeinsamen Knoten 102 entspricht. Bei manchen Ausführungsformen eines dualen FET-Sensors 100 kann die Kanallänge des Steuer-FET kürzer als die Kanallänge des Mess-FET sein. Ferner weist der Steuer-FET eine Kanalbreite auf, die der Breite des Leitungskanals des Steuer-FET entspricht, gemessen entlang des Steuer-Knotens 103 in einer Richtung senkrecht auf die Flussrichtung des Drain-Stroms. Der Mess-FET weist eine Kanalbreite auf, die der Breite des Leitungskanals des Mess-FET entspricht, gemessen entlang des Mess-Knotens 101 in einer Richtung senkrecht auf die Flussrichtung des Drain-Stroms. Bei manchen Ausführungsformen eines dualen FET-Sensors 100 kann eine Kanalbreite des Steuer-FET kleiner als eine Kanalbreite des Mess-FET sein.
  • Die technischen Wirkungen und Vorteile von Ausführungsbeispielen umfassen das Nachweisen von Biomolekülen oder Ionen in einem Elektrolyten ohne die Notwendigkeit, eine Elektrode in den Elektrolyten einzutauchen.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient nur dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. Wie hierin verwendet sollen die Singularformen „ein”, „eine” und „der/die/das” auch die Pluralformen umfassen, sofern es der Zusammenhang nicht eindeutig anders anzeigt. Ferner ist zu beachten, dass die Begriffe „umfasst” und/oder „umfassend” bei Verwendung in der vorliegenden Beschreibung das Vorhandensein von bezeichneten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Abläufen, Elementen und/oder Komponenten angeben, nicht aber das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Abläufen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
  • Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Handlungen und Äquivalente aller Mittel oder Schritte plus Funktionselemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen alle Strukturen, Materialien oder Handlungen zum Ausführen der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen wie spezifisch beansprucht umfassen. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und der Beschreibung gegeben, soll aber weder erschöpfend noch auf die Erfindung in der offenbarten Form beschränkt sein. Dem Fachmann werden zahlreiche Modifikationen und Variationen nahe liegen, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben, um die Grundlagen der Erfindung und der praktischen Anwendung am besten zu erklären und anderen Fachleuten das Verständnis der Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen Modifikationen zu ermöglichen, wie sie für die bestimmte, betrachtete Verwendung geeignet sind.

Claims (18)

  1. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen, umfassend: ein Substrat; einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten und einen dritten Knoten, die in dem Substrat angeordnet sind; ein Gate-Dielektrikum, das über dem Substrat, dem ersten Knoten, dem zweiten Knoten und dem dritten Knoten angeordnet ist; einen ersten Feldeffekttransistor (FET), wobei der erste FET ein Steuer-Gate, das auf dem Gate-Dielektrikum angeordnet ist, und den ersten Knoten und den zweiten Knoten umfasst; und einen zweiten FET, wobei der zweite FET eine Messoberfläche, die auf dem Gate-Dielektrikum angeordnet ist, und den zweiten Knoten und den dritten Knoten umfasst, wobei die Messoberfläche dafür aufgebaut ist, die Biomoleküle oder geladenen Ionen, die nachgewiesen werden sollen, spezifisch zu binden wobei der erste Knoten, der zweite Knoten und der dritte Knoten jeweils den gleichen Dotierungstyp aufweisen und das Substrat einen Dotierungstyp umfasst, der dem Dotierungstyp des ersten Knotens, des zweiten Knotens und des dritten Knotens entgegengesetzt ist.
  2. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Elektrolyten, der Biomoleküle oder geladene Ionen umfasst, der auf der Messoberfläche angeordnet ist.
  3. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 2, wobei die Messoberfläche eine Beschichtung mit Antikörpern oder einer Chemikalie umfasst, die dafür aufgebaut ist, spezifisch mit den Biomolekülen oder geladenen Ionen in dem Elektrolyten zu binden.
  4. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, wobei das Binden von einem oder mehreren Biomolekülen oder geladenen Ionen an die Messoberfläche eine Veränderung eines Drain-Stroms bewirkt, der zwischen dem ersten Knoten und dem dritten Knoten fließt, und eine Menge an Biomolekülen oder geladenen Ionen in dem Elektrolyten auf der Basis der Veränderung des Drain-Stroms bestimmt wird.
  5. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, wobei das Substrat Silicium oder Silicium-auf-Isolator umfasst.
  6. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, wobei das Gate-Dielektrikum eines von SiO2, SiON, einem Material mit hohem k-Wert, inbesondere HfO2, und einem Stapel von SiO2/hohes-k umfasst.
  7. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, wobei das Gate-Dielektrikum eine äquivalente Oxiddicke (EOT) von mehr als 20 Ångström (A) aufweist.
  8. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, wobei das Steuer-Gate Polysilicium oder ein Metall umfasst.
  9. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, wobei das Steuer-Gate zum Empfangen einer Gate-Spannung ausgelegt ist, wobei die Gate-Spannung zum Einschalten des ersten FET ausgelegt ist.
  10. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, ferner umfassend eine erste elektrische Verbindung mit dem ersten Knoten und eine zweite elektrische Verbindung mit dem dritten Knoten.
  11. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, wobei eine Kanallänge des ersten FET kürzer als eine Kanallänge des zweiten FET ist.
  12. Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen nach Anspruch 1, wobei eine Kanalbreite des ersten FET kleiner als eine Kanalbreite des zweiten FET ist.
  13. Verfahren zum Betreiben eines Sensors für Biomoleküle oder geladene Ionen, wobei der Sensor einen ersten Feldeffekttransistor (FET) und einen zweiten FET umfasst, wobei der erste FET und der zweite FET einen gemeinsamen Knoten umfassen, wobei der gemeinsame Knoten, der nicht-gemeinsame Knoten des ersten FET und der nicht-gemeinsame Knoten des zweiten FET in dem Substrat angeordnet sind und jeweils den gleichen Dotierungstyp aufweisen und das Substrat einen Dotierungstyp aufweist, der dem Dotierungstyp des gemeinsamen Knotens, des nicht-gemeinsamen Knotens des ersten FET und des nicht-gemeinsamen Knotens des zweiten FET entgegengesetzt ist, wobei das Verfahren umfasst: Platzieren eines Elektrolyten, der die Biomoleküle oder geladenen Ionen enthält, auf einer Messoberfläche des Sensors, wobei der Elektrolyt ein Gate des zweiten FET bildet; Anlegen einer Inversionsspannung an ein Gate des ersten FET; Erzeugen einer ersten elektrischen Verbindung mit einem nicht-gemeinsamen Knoten des ersten FET; Erzeugen einer zweiten elektrischen Verbindung mit einem nicht-gemeinsamen Knoten des zweiten FET; Bestimmen einer Veränderung eines Drain-Stroms, der zwischen dem nicht-gemeinsamen Knoten des ersten FET und dem nicht-gemeinsamen Knoten des zweiten FET fließt; und Bestimmen der Menge an Biomolekülen oder geladenen Ionen, die in dem Elektrolyten enthalten sind, auf der Basis der bestimmten Veränderung des Drain-Stroms.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Messoberfläche eine Beschichtung mit Antikörpern oder einer Chemikalie umfasst, die dafür aufgebaut ist, mit den Biomolekülen oder geladenen Ionen, die in dem Elektrolyten enthalten sind, zu binden.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen ein Substrat umfasst, wobei das Substrat Silicium oder Silicium-auf-Isolator umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Sensor für Biomoleküle oder geladene Ionen ein Gate-Dielektrikum umfasst, wobei das Gate-Dielektrikum eines von SiO2, SiON, einem Material mit hohem k-Wert, insbesondere HfO2, und einem Stapel von SiO2/hohes-k umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Gate-Dielektrikum eine äquivalente Oxiddicke (EOT) von mehr als 20 Ångström (A) aufweist.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Gate des ersten FET Polysilicium oder ein Metall umfasst.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8994077B2 (en) * 2012-12-21 2015-03-31 International Business Machines Corporation Field effect transistor-based bio sensor
US9865416B2 (en) 2016-04-21 2018-01-09 Hartland Controls, Llc Electrical power transfer switch
US10083809B2 (en) 2016-04-21 2018-09-25 Hartland Controls, Llc Electrical power transfer switch
CN108389909A (zh) * 2018-01-31 2018-08-10 京东方科技集团股份有限公司 薄膜晶体管及其制备方法、显示装置及检测离子浓度方法
US11768153B1 (en) 2022-03-08 2023-09-26 Globalfoundries U.S. Inc. Optical ring resonator-based microfluidic sensor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4173818A (en) * 1978-05-30 1979-11-13 International Business Machines Corporation Method for fabricating transistor structures having very short effective channels
US6956258B2 (en) * 2001-10-17 2005-10-18 Kilopass Technologies, Inc. Reprogrammable non-volatile memory using a breakdown phenomena in an ultra-thin dielectric
US20050230271A1 (en) * 2004-01-12 2005-10-20 Kalle Levon Floating gate field effect transistors for chemical and/or biological sensing

Family Cites Families (45)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3562553A (en) 1968-10-21 1971-02-09 Allen R Roth Multiplier circuit
JPS5013068B1 (de) 1970-07-31 1975-05-16
US4238757A (en) 1976-03-19 1980-12-09 General Electric Company Field effect transistor for detection of biological reactions
GB8428138D0 (en) 1984-11-07 1984-12-12 Sibbald A Semiconductor devices
JP2666928B2 (ja) 1987-07-13 1997-10-22 株式会社東芝 電荷転送素子の出力検出器
IT1229691B (it) 1989-04-21 1991-09-06 Eniricerche Spa Sensore con antigene legato chimicamente a un dispositivo semiconduttore.
KR930002824B1 (ko) 1990-08-21 1993-04-10 손병기 감이온 전계효과 트랜지스터를 이용한 바이오 센서용 측정회로
US5965452A (en) 1996-07-09 1999-10-12 Nanogen, Inc. Multiplexed active biologic array
US6525354B2 (en) 2001-04-27 2003-02-25 Fujitsu Limited FET circuit block with reduced self-heating
DE10151020A1 (de) 2001-10-16 2003-04-30 Infineon Technologies Ag Schaltkreis-Anordnung, Sensor-Array und Biosensor-Array
DE10163557B4 (de) 2001-12-21 2007-12-06 Forschungszentrum Jülich GmbH Transistorbasierter Sensor mit besonders ausgestalteter Gateelektrode zur hochempfindlichen Detektion von Analyten
EP1348951A1 (de) 2002-03-29 2003-10-01 Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum Sensor in Form eines durch Moleküle gesteuerter Feldeffekttransistors mit zwei Gates
US7053439B2 (en) 2002-10-29 2006-05-30 Edwin Kan Chemoreceptive semiconductor structure
AU2003304249A1 (en) 2002-11-19 2005-01-13 William Marsh Rice University Method for creating a functional interface between a nanoparticle, nanotube or nanowire, and a biological molecule or system
DE10254158A1 (de) 2002-11-20 2004-06-09 Infineon Technologies Ag Sensorvorrichtung zur Detektion elektrischer Signale einer biologischen Zelle und Detektionsverfahren
JP4711322B2 (ja) 2002-11-29 2011-06-29 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Ｃｃｄイメージセンサ
EP1570091B1 (de) * 2002-12-11 2012-02-08 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Methode zur elektronischen detektion wenigstens einer spezifischen interaktion zwischen einem proben- und einem zielmolekül
GB0306163D0 (en) 2003-03-18 2003-04-23 Univ Cambridge Tech Embossing microfluidic sensors
WO2004106891A2 (en) 2003-05-22 2004-12-09 University Of Hawaii Ultrasensitive biochemical sensor
EP1491884A1 (de) 2003-06-25 2004-12-29 ASML Netherlands B.V. Biosensor und Methode zur Herstellung
US6911383B2 (en) 2003-06-26 2005-06-28 International Business Machines Corporation Hybrid planar and finFET CMOS devices
US7042274B2 (en) 2003-09-29 2006-05-09 Intel Corporation Regulated sleep transistor apparatus, method, and system
US7317216B2 (en) 2003-10-31 2008-01-08 University Of Hawaii Ultrasensitive biochemical sensing platform
DE10352917A1 (de) 2003-11-11 2005-06-16 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG Sensoranordnung mit mehreren potentiometrischen Sensoren
KR101059562B1 (ko) 2004-02-20 2011-08-26 삼성전자주식회사 민감도가 향상된 바이오 ｆｅｔ
DE102004019639A1 (de) 2004-04-22 2005-11-17 Siemens Ag FET-basierter Gassensor
DE102004023855B4 (de) 2004-05-13 2006-11-30 Infineon Technologies Ag Schaltkreis-Anordnung
TW200538728A (en) * 2004-05-28 2005-12-01 Univ Chung Yuan Christian Ion selective electrode, method of fabricating sensing unit used therein, and method of potential detection using the same
DE102004055929B4 (de) 2004-11-19 2014-05-22 Qimonda Ag Nichtflüchtige Speicherzellen-Anordnung
US7132324B2 (en) 2004-12-09 2006-11-07 International Business Machines Corporation SOI device with different crystallographic orientations
US7116113B1 (en) 2005-05-04 2006-10-03 Texas Instruments Incorporated Systems and methods for sense FET calibration
JP2007088322A (ja) 2005-09-26 2007-04-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置及びその製造方法
KR100718144B1 (ko) 2006-01-09 2007-05-14 삼성전자주식회사 이온 물질 검출용 ｆｅｔ 기반 센서, 그를 포함하는 이온물질 검출 장치 및 그를 이용한 이온 물질 검출 방법
WO2007084076A1 (en) 2006-01-20 2007-07-26 Agency For Science, Technology And Research Biosensor
US7357018B2 (en) 2006-02-10 2008-04-15 Agilent Technologies, Inc. Method for performing a measurement inside a specimen using an insertable nanoscale FET probe
CA2646465C (en) 2006-03-17 2015-06-16 The Government Of The United States Of America As Represented By The Secretary, Department Of Health And Human Services Apparatus for microarray binding sensors having biological probe materials using carbon nanotube transistors
KR100723426B1 (ko) 2006-04-26 2007-05-30 삼성전자주식회사 이온 물질 검출용 전계 효과 트랜지스터 및 그를 이용한이온 물질 검출 방법
EP2030007A1 (de) * 2006-05-29 2009-03-04 Koninklijke Philips Electronics N.V. Organischer feldeffekttransistor für wahrnehmungsanwendungen
WO2008068719A1 (en) 2006-12-08 2008-06-12 Koninklijke Philips Electronics N.V. Method of manufacturing a semiconductor sensor device and semiconductor sensor device obtained with such method
EP2639578B1 (de) 2006-12-14 2016-09-14 Life Technologies Corporation Vorrichtung zur Messung von Analyten mithilfe großer FET-Arrays
US20080303095A1 (en) 2007-06-07 2008-12-11 Weize Xiong Varying mugfet width to adjust device characteristics
KR101375547B1 (ko) 2007-06-19 2014-03-25 삼성전자주식회사 표준 전극이 포함된 전계 효과 트랜지스터 어레이를 이용한생체 분자의 검출 장치 및 방법
US20090072313A1 (en) * 2007-09-19 2009-03-19 International Business Machines Corporation Hardened transistors in soi devices
US7851790B2 (en) 2008-12-30 2010-12-14 Intel Corporation Isolated Germanium nanowire on Silicon fin
US9029132B2 (en) 2009-08-06 2015-05-12 International Business Machines Corporation Sensor for biomolecules

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4173818A (en) * 1978-05-30 1979-11-13 International Business Machines Corporation Method for fabricating transistor structures having very short effective channels
US6956258B2 (en) * 2001-10-17 2005-10-18 Kilopass Technologies, Inc. Reprogrammable non-volatile memory using a breakdown phenomena in an ultra-thin dielectric
US20050230271A1 (en) * 2004-01-12 2005-10-20 Kalle Levon Floating gate field effect transistors for chemical and/or biological sensing

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E. Stern et al., Nature, Band 445, Seite 519 (2007) *
P. Bergveld, Sensors and Actuators B 88 (2003) 1-20).
P. Bergveld, Sensors and Actuators B 88 (2003) 1-20
P. Bergveld, Sensors and Actuators B 88 (2003) 1-20). *

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Publication number Publication date
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