JP6833079B2 - 電界効果センサ - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は2017年8月1日に出願された米国仮特許出願第62/539,813号の優先権を主張し、その含有量は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
電界効果トランジスタを、分子を識別するための単一分子電荷センサとして使用することができる。このようなセンサは、生物学的に関連する塩条件で操作され得る。このような塩溶液のデバイスクリーニング長は約0.3nm〜約10nmの範囲であり、この範囲は、感知ゾーンをチャンネルの表面の数ナノメートル外側に限定し、しばしば信号レベルを検出可能性の限界まで低下させる。この困難に対する回避策は、2つの異なるバッファ(それぞれ、高塩濃度及び低塩濃度)中で生物学的反応および測定を行うことである。しかしながら、このようなアプローチは、典型的には緩衝液交換が可能でない単一分子センサには適していない。
第１の態様では、半導体装置は、ソースと、ドレインと、ナノ構造体を含むチャンネルと、ナノ構造体に電気的に連絡するゲート端子と、を備え、ナノ構造体は、増加するトラップ状態密度を有する修飾部分を含み、修飾部分は、活性部分によって機能化される。
一実施例では、ナノ構造体が、ナノワイヤ、ナノチューブ及びナノリボンの少なくとも１つを含む。
他の実施例では、ナノ構造体が、シリコンナノワイヤ、カーボンナノチューブ、ポリマーナノワイヤ、グラフェンナノリボン及びＭоＳ２ナノリボンの少なくとも１つを含む。
さらに他の実施例では、ナノ構造体が、グラフェン、シリセン及びフォスフォレンの少なくとも１つを含む。
一実施例では、修飾部分が、イオン注入、エネルギービーム照射、プラズマ照射又はこれらの組み合わせによって形成される。
一実施例では、活性部分が、ナノ構造体の修飾部分に結合する酵素又はアプタマーを含み、酵素又はアプタマーとナノ構造体の修飾部分との結合は、ナノ構造体の原子結合を妨害して、ナノ構造体の修飾部分のトラップ状態密度を増加させる。この実施例のいくつかの例では、結合される酵素又はアプタマーが、ナノ構造体の修飾部分に共有結合される。
一実施例では、活性部分が、単一酵素、単一抗体及び単一アプタマーの１つでできている単一分子である。
一実施例では、増加するトラップ状態密度が、約１×１０ １２ トラップ／ｃｍ２〜約１×１０ １４ トラップ／ｃｍ２の範囲内である。

この第1の態様の任意の構成を、任意の望ましい方法及び/又は構造で一緒に組み合わせることができることを理解されたい。
第２の態様では、機器は、請求項１に記載の半導体装置と、ナノ構造体を少なくとも部分的に囲み、ゲート端子とナノ構造体との間の電気的連絡を提供する分析物溶液を受け取る容器と、を備える。
第３の態様では、機器は、請求項１に記載の半導体装置を備え、半導体装置は、変調される信号入力に連結する本体端子を更に備え、ゲート端子は固定電圧に連結される。
第４の態様では、機器は、電流センサ又はリング発振器を備え、電流センサ又はリング発振器は、請求項１に記載の半導体装置を含む。
半導体装置の構成の任意の組み合わせが、第２、第３又は第４の態様のいずれかと共に使用され得ることを理解されたい。さらに、第２、第３若しくは第４の態様の装置のいずれかの任意の構成が一緒に使用されてもよく、及び/又はこれらのいずれかからの任意の構成が、本明細書で開示される実施例のいずれかと組み合わされてもよいことを理解されたい。
第５の態様では、製造方法は、ナノ構造体を基板上に堆積して、ソース領域とドレイン領域との間に導電性チャンネルを形成するステップと、活性部分をナノ構造体の部分に結合するステップと、を含み、基板は、基板内又は基板上に、少なくとも１つのソース領域及び少なくとも１つのドレイン領域を有し、ナノ構造体は、ナノ構造体のすべてではない一部に対して増加するトラップ状態密度を有する。
方法の一実施例は、増加するトラップ状態密度を、活性部分をナノ構造体の部分に共有結合することで生成するステップを更に含む。
方法の他の実施例は、増加するトラップ状態密度を、イオンをナノ構造体の部分に注入することで生成するステップを更に含む。
方法の更に他の実施例は、増加するトラップ状態密度を、ナノ構造体の部分において局所化されるドーピングを実施することで生成するステップを更に含む。
方法の更なる他の実施例は、ナノ構造体を基板上に堆積するときに、ナノ構造体の部分のトラップ状態密度を、化学蒸着プロセスにおいてソース材料の組成を調整することで増加させるステップを更に含む。
一実施例では、ナノ構造体が、ナノワイヤ、ナノチューブ及びナノリボンの少なくとも１つを含む。
他の実施例では、ナノ構造体が、シリコンナノワイヤ、カーボンナノチューブ、ポリマーナノワイヤ、グラフェンナノリボン及びＭоＳ２ナノリボンの少なくとも１つを含む。
更なる他の実施例では、ナノ構造体が、グラフェン、シリセン及びフォスフォレンの少なくとも１つを含む。
方法の一実施例は、所望のΔCoxパラメータ、又はゲート電圧応答に対する所望のドレイン電流、又は所望のΔCoxパラメータ及びゲート電圧応答に対する所望のドレイン電流を選択するステップと、ナノ構造体の部分に対する所望のトラップ状態密度を選択するステップと、選択される所望のトラップ状態密度に従って、トラップ状態密度を増加させるステップと、を更に含む。
方法の一実施例は、選択される所望のトラップ状態密度に従って、ナノ構造体の部分に対する材料及びドーズ量の少なくとも１つを選択するステップを更に含む。
第５の態様の任意の構成を、任意の望ましい方法で一緒に組み合わせることができることを理解されたい。さらに、第１の態様、及び/若しくは第２の態様、及び/若しくは第３の態様、及び/若しくは第４の態様、及び/若しくは第５の態様の構成の任意の組み合わせを一緒に使用することができ、並びに/又はこれらのいずれかからの任意の構成を本明細書に開示される実施例のいずれかと組み合わせることができることを理解されたい。
第６の態様では、半導体装置を使用する方法は、酵素を、感知ゾーン近くの、電界効果トランジスタのチャンネルに結合するステップと、イオン溶液を感知ゾーンの近くに供給するステップと、信号を電界効果トランジスタの端子に印加するステップと、印加される信号に応答して、電界効果トランジスタを通る電流の変化を検知するステップと、を含み、電界効果トランジスタは、ソース端子と、ドレイン端子と、ソース端子とドレイン端子との間にチャンネルを形成するナノ構造体とを有し、前記感知ゾーンは、前記ナノ構造体上に、相対的に高いトラップ状態密度を有する領域を含む。
一実施例では、信号は、イオン溶液のプラズマ周波数を超える周波数で変調される。
一実施例では、イオン溶液は、約1ミリモル(mM)〜約500ミリモル(mM)の範囲の塩分量を有する。
一実施例では、信号は、電界効果トランジスタのゲート端子又は本体端子に供給される。
一実施例では、電流の変化を検知するステップは、電界効果トランジスタの出力信号の、端子に印加される信号に対する位相変化を検出することを含む。
本方法の一実施例は、検出される変化に基づいて、デオキシリボ核酸(DNA)又はリボ核酸(RNA)分子の、一連のヌクレオチドを配列決定するステップを更に含む。
第６の態様の任意の構成を、任意の望ましい方法で一緒に組み合わせることができることを理解されたい。さらに、第１の態様、及び/若しくは第２の態様、及び/若しくは第３の態様、及び/若しくは第４の態様、及び/若しくは第５の態様、及び/若しくは第６の態様の構成の任意の組合せを一緒に使用することができ、並びに/又はこれらのいずれかからの任意の構成を本明細書で開示される実施例のいずれかと組み合わせることができることを理解されたい。
またさらに、任意の態様の任意の構成は、任意の望ましい方法で一緒に組み合わされてもよく、及び/又は本明細書で開示される実施例の任意のものと組み合わされてもよいことを理解されたい。
本明細書で開示される技術の特定の例で使用することができる、一般化された例示的な電界効果センサの概略図である。 本明細書で開示される技術の特定の例で使用することができる、一般化された例示的な電界効果センサの概略図である。 その表面上の生物学的反応に応答して、一般化された例示的な電界効果センサを通って流れる電流の変化を示す図である。 20nmのFETにおけるランダムテレグラフノイズの例である。 アクセプタトラップ、ドナートラップ、及びニュートラルレベルE0を有する混合トラップにおけるエネルギレベルの概略図である。 本明細書に開示される技術の特定の例で観察され得るような、局部トラップ状態密度の機能としての、20nmシリコン(Si)ナノワイヤトランジスタのシミュレートされた応答を示す図である。 本明細書で開示される技術の特定の例で観察され得るような、ΔCox変調及びIDVG傾斜減少の競合効果の図である。 本明細書で開示される技術の一例によるシミュレーション幾何学的形状の一例を示す、元々着色された図の白黒表現である。 本明細書に開示される技術の一例によるバイオセンサの計算される応答を示す。 本明細書で開示される技術の一例による、トラップ密度の関数として計算されるSNRをプロットするチャートである。 本明細書に開示される技術の特定の例において実施され得るような、ナノワイヤの表面への感知部分の共有結合を示す図である。 本明細書で開示される技術の特定の例で実行することができる、トラップ状態の密度及び位置を制御する図である。 本明細書に開示される技術の特定の例において、トラップ状態の密度及び位置が局所的ドーピングを介して制御され得ることを示す図である。 一例におけるSi中の様々な不純物について測定されるイオン化エネルギーを示すチャートである。 例示的カーボンナノチューブセンサの応答を示すチャートである。 本明細書に開示される技術の一定の例において、高周波検出に使用される測定回路を示す図である。 本明細書に開示される技術の特定の例において使用され得る、リング発振器バイオセンサの図である。 本明細書で開示される技術の一定の例による、リング発振器で使用されるインバータの概略図である。 本明細書に開示される技術のある例によって生物学的に駆動される電圧制御発振器のための回路を示す図である。 本明細書で開示される技術の特定の例で使用することができる、感知電圧制御発振器及び位相ロックループのための回路を示す図である。 例えば、図17〜19の回路の様々な点で測定される信号に対する、いくつかのチャートを含む図である。 本明細書で開示される技術の特定の例で使用することができる、3段リング発振器の出力を示す図である。 FETセンサを使用して分析物溶液を分析するために使用することができる、例示的なシステムを示すブロック図である。 本明細書で開示される技術の特定の例で実行され得るような、例示的な製造方法を概説するフローチャートである。 本明細書に開示される技術によって実行され得る、半導体装置を使用する例を概説するフローチャートである。
＜I. 概論＞
本明細書で開示されるのは、ナノ構造チャンネル(例えば、ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノリボン、又は約100nm未満の限界寸法を有する他の幾何学的形状で実装されるチャンネル)を有する半導体デバイスの設計、製造及び使用のための方法、装置及びシステムの代表的な例であり、活性部分がナノ構造に連結される箇所又はその近くに、ナノ構造チャンネルが、調整されたトラップ状態密度を有する修飾部分を有する、半導体デバイスを含む。方法、装置及びシステムは一般に、例えば、核酸配列決定に使用することができるバイオセンサを含む、バイオセンサベースの検出に関する。
本明細書において、「ナノワイヤ」とは幅が約100nmよりも小さく、長さが幅よりもかなり長いことがある中実円柱形状を有する構造である。ナノワイヤの全容積を通して電気伝導が起こる。本明細書において、「ナノチューブ」とは幅が約100nmよりも小さく、長さが幅よりもかなり長いことがある中空円筒形状を有する構造である。いくつかの実施例において、ナノチューブは円筒形状に包まれたグラフェンからなる単一のシート又はリボンである。円筒は中央で中空であり、円筒の管状側壁を通して電気伝導が起こる。本明細書において、「ナノリボン」とは、幅が約100nmよりも小さく、長さが幅と同等またはかなり長いことがある平坦な形状を有する構造である。ナノリボンの厚さはナノリボンが製造される材料に対応する。単層グラフェンナノリボンの厚さは約0.3nm〜約0.4nmの範囲である。電気伝導がナノリボンの全体積を通じて起きる。別段の定めがない限り、本明細書で使用される「半導体」は、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、炭化ケイ素(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、ヒ化ガリウム(GaAs)、ヒ化インジウム(InAs)などの材料、及びナノ構造に配置された場合に半導体として挙動する材料を含み、例えば、カーボンナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブ又は他の半導体ナノ構造を含む。
本明細書に開示された方法、装置、およびシステムは、決して限定的であると解釈されるべきではない。その代わりに、本開示は、単独で、並びに互いに種々の組み合わせ及び副次的組合せで、様々な開示された実施例のすべての新規かつ非自明な特徴および態様を対象とする。開示された方法、装置及びシステムは任意の特定の態様若しくは特徴又はそれらの組み合わせに限定されず、開示された例は、任意の1つ以上の特定の利点が存在すること、又は問題が解決されることを必要としない。
本明細書で開示される方法のいくつかの動作は、簡便な提示のために、特定の順番で説明されるが、この説明の方法は、以下に記載される特定の言語によって特定の順序が要求されない限り、再編成を包含することを理解されたい。例えば、連続的に説明される動作は、場合によっては並べ替えられるか、または同時に実行されてもよい。さらに、簡潔にするために、添付の図面は、システム、方法及び装置を他のものおよび方法と併せて使用することができる種々の方法を示さないことがある。さらに、本明細書は本明細書で開示される方法を説明するために、「製造する」、「生成する」、「選択する」、「受ける」、「リンクする」、および「提供する」などの用語を使用することがある。これらの用語は、実行される実際の動作の高レベル記述である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装形態に応じて変化し得、本開示の利益を有する当業者によって容易に認識され得る。
本出願及び特許請求の範囲の範囲において使用される、単数形「a」、「an」及び「the」は、文脈が明確に指示しない限り複数形を含む。また、用語「含む」は「備える」を意味する。さらに、文脈が別途指示しない限り、「結合」手段は機械的、電気的、電磁的、又は電磁的に接続されているか又は連結されており、記載されたシステムの意図された動作に影響を与えない1つ以上の中間要素を介した直接的な接続又は直接的なリンク及び間接的な接続又は間接的なリンクの両方を含む。
本明細書で提供される範囲は、記載された範囲、及び記載された範囲内の任意の値またはサブ範囲を、そのような値またはサブ範囲が明示的に記載されたかのように含むことを理解されたい。例えば、約10KHz〜約100 KHzの範囲は、約10KHz〜約100 KHzの明示的に記載された限界を含むだけでなく、約78 KHz、約94.5 KHzなどのような個々の値、および約25KHz〜約85 KHz、約15KHz〜約80 KHzなどのような下位範囲を含むと解釈されるべきである。
本明細書を通して使用される「実質的に」及び「約」という用語は小さな変動を記述し、説明するために使用される。例えば、±5%以下、例えば±2%以下、例えば±1%以下、例えば±0.5%以下、例えば±0.2%以下、例えば±0.1%以下、又は±0.05%以下を指すことができる。
さらに、「上」、「下」、「上方」及び「下方」などのような特定の用語が使用されてもよい。これらの用語は、適用可能な場合には相対的な関係を扱うときに明細書を明確にするために使用される。しかし、これらの用語は、絶対的な関係、位置、及び/又は方位を暗示することを意図していない。
本開示の装置又は方法に関して本明細書で提示される動作理論、科学的原理、又は他の理論的説明は、より良好な理解のために提供されるものであり、範囲を限定することを意図するものではない。添付の特許請求の範囲における装置及び方法は、そのような動作理論によって説明される方法で機能する装置及び方法に限定されない。
本明細書で開示されるコンピュータ実装方法のいずれも、1つ以上のコンピュータ可読媒体(たとえば、1つ以上の光媒体ディスクなどのコンピュータ可読媒体、揮発性メモリ構成要素(DRAM又はSRAMなど)、又は不揮発性メモリ構成要素(フラッシュメモリ又はハードドライブなど))上に格納され、コンピュータ(たとえば、スマートフォン又はコンピューティングハードウェアを含む他のモバイルデバイスを含む任意の市販のコンピュータ)上で実行される、コンピュータ実行可能命令を使用して実施することができる。本明細書で開示される技法を実施するためのコンピュータ実行可能命令のいずれか、及びそのような実施中に作成され、使用される任意のデータは、1つ以上のコンピュータ可読媒体(たとえば、コンピュータ可読記憶媒体)上に格納することができる。コンピュータ実行可能命令は、例えば、専用ソフトウェアアプリケーション、又はウェブブラウザ若しくは他のソフトウェアアプリケーション(リモートコンピューティングアプリケーションなど)を介してアクセス若しくはダウンロードされるソフトウェアアプリケーションの一部とすることができる。そのようなソフトウェアは、例えば、単一のローカルコンピュータ(例えば、任意の適切な市販のコンピュータ上で実行される汎用及び/又は専用プロセッサを用いて)上で、又は、1つ以上のネットワークコンピュータを使用して、ネットワーク環境(例えば、インターネット、ワイドエリアネットワーク、ローカルエリアネットワーク、クライアントサーバネットワーク(クラウドコンピューティングネットワークなど)又は他のそのようなネットワークを介して)内で実行することができる。
明確にするために、ソフトウェアベースの実装の一定の選択された態様のみが説明される。当技術分野で周知の他の詳細は省略する。例えば、本明細書で開示される技術のコンピュータ関連態様は、特定のコンピュータ言語またはプログラムに限定されないことを理解されたい。例えば、本明細書で開示される技術は、C、C++、Java(登録商標)、又は任意の他の適切なプログラミング言語で書かれたソフトウェアによって実装することができる。同様に、本明細書で開示される技術は、任意の特定のコンピュータ又はハードウェアのタイプに限定されない。適切なコンピュータ及びハードウェアの特定の詳細は周知であり、本開示で詳細に説明する必要はない。
さらに、任意のソフトウェアベースの例(例えば、本明細書で開示される方法のいずれかのパフォーマンスをコンピュータに支援させるためのコンピュータ実行可能命令を備える)は、適切な通信手段を介してアップロードされ、ダウンロードされ、又は遠隔アクセスされ得る。このような適当な通信手段には、例えば、インターネット、ワールドワイドウェブ、イントラネット、ソフトウェアアプリケーション、ケーブル(光ファイバーケーブルを含む)、磁気通信、電磁気通信(無線周波数、マイクロ波、及び赤外線通信を含む)、電子通信、又は他のこのような通信手段が含まれる。
＜II. 導入＞
本明細書で提供される電界効果トランジスタ、すなわちFETは、ソース、ドレイン及び単一の活性部分で機能化することができる導電性チャネルを備える。例えば、酵素、抗体、アプタマー、又は伝導性チャネルに連結され得る他の分子は、単一の活性部分として使用され得る。活性部分と適切な生物学的基質との相互作用は、局所電場の変化又は局所帯電の生成をもたらし、これは、チャネルを通って流れる電流を変化させ、生物学的反応の同定を可能にする。
FETは、単一分子電界効果バイオセンサであってもよい。FETバイオセンサは生物学的に関連する塩条件、例えば、約1mM〜約100mMの範囲で操作され得る。このような塩溶液のデバイ（Debye）スクリーニング長は約0.3nm〜約10nmの範囲であり、これは、感知ゾーンをチャンネルの表面の数nm外側に限定し、そしてしばしば信号レベルを検出可能性の限界まで低下させる。
測定中のより低い塩濃度の使用は、デバイ長を増加させ、信号を増強する。しかしながら、場合によっては、塩濃度を低下させることは一般に、バッファ交換が不可能なリアルタイムセンサーには適していない。
本明細書に開示される技術のいくつかの例では、FETバイオセンサの感度が、トランジスタのチャネル内、特に感知ゾーン内またはその近傍にトラップ状態を組み込むことによって高められる。言い換えれば、ナノ構造体のトラップ状態密度は、活性部分がナノ構造体に連結される位置に近接して(デバイスクリーニング長より短い距離内で)ナノ構造体の一部について修正される。距離のデバイ長LDの変化毎に、溶液中の電荷の電位は1/eだけ減少する。増加したトラップ状態は、生物学的に関連する条件下でのFETバイオセンサからの観察されたシグナル出力を増強し得、そしてセンサーデバイスの検出限界(LOD)を改善する。
＜III. 半導体デバイスに基づく例示的な電界効果センサ＞
図1Aおよび図1Bはそれぞれ、本明細書で開示される技術に従って製造及び使用することができる半導体装置の側面図100および上面図105である。ダイアグラム100および105は様々な構成の相対位置を示すが、縮尺通りには描かれていない。半導体装置はソース110と、ドレイン120と、ゲート(例えば、ゲート端子)130とを含む。ソース110およびドレイン120は、ナノ構造体140で実施される導電性チャネルを介して結合される。したがって、ナノ構造体140は、導電性チャネルを提供することができる。ナノ構造140は、半導体ナノワイヤ(シリコンナノワイヤなど)、半導体ナノチューブ(半導体特性を有するカーボンナノチューブ又は重合体ナノチューブなど)、半導体ナノリボン(グラフェンまたはMoS2ナノリボンなど)、若しくは別の半導体ナノ構造、又は上記の2つ以上の組合せを含むことができる。ナノ構造体140の全てではない部分150は、ナノ構造体140の他の(例えば、修飾されていない)部分と比較して増加したトラップ状態密度を有するように修飾される。修飾部分150は、センシング部分160などの活性部分でさらに機能化されてもよい。1つ以上の感知部分160は、リンカー165を介してナノ構造140に連結される。リンカー165は、感知部分160の一部であり得るか、または適宜生化学反応を介して感知部分160に結合され得る。例えば、テザー165を使用して、1つの部分160をナノ構造体140の修飾部分150に連結することができる。いくつかの例では、1つ以上の感知部分160がナノ構造体140の1つ以上の修飾区域(例えば、部分150)に連結される。
いくつかの例では、半導体デバイスがナノ構造140を少なくとも部分的に囲む容器170をさらに含む装置の一部であり、容器170はゲート端子とナノ構造140との間の電気的連絡を提供する分析物溶液を受け取る。容器170は、分析物溶液175がナノ構造体140と接触するように、分析物溶液175を封入する開放または閉鎖容器であり得る。分析物溶液175の化学種179(例えば、ヌクレオチド)が感知部分160と接触すると、電荷または電場の変化がナノ構造体140の導電性チャネルに誘導される。したがって、分析物の種179に関する情報は、ソース110、ドレイン120及びゲート130を含むFETトランジスタからの電荷または電場の変化を観察することによって推測することができる。以下でさらに論じるように、ナノ構造体140の修飾部分150は異なるトラップ状態密度を有するので、これを有利に使用して、種179が感知部分160と相互作用するときに生成される信号の信号対雑音比を増大させることができる。
図1A及び図1Bに示すように、ソース110、ドレイン120、及び/又はナノ構造体140は、例えば二酸化ケイ素を含む絶縁層180の上に配置される。次に絶縁層180は、基板上、例えばシリコン基板190上に配置される。シリコン基板190は、基板190に電位を印加する本体端子195を備えることができ、これは、次に、半導体装置の性能特性を調整するために使用することができる。一例では、本体端子195が変調信号入力に結合され、ゲート端子130は固定電圧(例えば、電力又は接地)に結合される。別の例では、ゲート端子130が変調信号入力に結合され、本体端子195は固定電圧(例えば、電力又は接地)に結合される。いくつかの実装では、ソース110、ドレイン120及びチャネルはバルク半導体基板内に製造され、メサまたは浅いトレンチ分離を介して回路の残りの部分から分離することができる。
さらに、いくつかの例に示されるように、絶縁材料、例えば、ポリメチルメタクリレート(PMMA)は、ソース端子110及びドレイン端子120、並びにナノ構造体140の一部を囲むことができる。絶縁エンクロージャ197及び198は、ソース110及びドレイン120の電気絶縁、並びに耐薬品性を提供する。いくつかの例では、絶縁エンクロージャ197及び198が望ましくは分析物溶液175に対して化学的に不活性である。
いくつかの例では、ナノ構造体140の修飾部分150が、活性部分165で機能化されている部分によって生成され、これは次に、ナノ構造体の格子の破壊に起因してナノ構造体140のその部分におけるトラップ状態密度を増加させる。いくつかの例では、ナノ構造体140の修飾部分150が、イオン注入、エネルギービーム照射、プラズマ照射、又はそれらの組み合わせによって形成される。いくつかの例では、ナノ構造体140の修飾部分150がイオン注入によって形成される。いくつかの例では、ナノ構造体140の修飾部分150が拡散によって形成される。いくつかの例では、ナノ構造体140の修飾部分150がプラズマ処理によって形成される。いくつかの例では、ナノ構造体140の修飾部分150がエネルギービーム照射、例えば、電子またはヘリウム(He)イオンビームによって形成される。いくつかの例では修飾部分150が酵素又はアプタマーを修飾部分150に連結することによって形成され、これはナノ構造体140の原子結合を破壊する。いくつかの例では、連結される酵素又はアプタマーが、ナノ構造体140の修飾部分150に共有結合される。いくつかの例では、活性部分165が単一酵素、単一抗体、及び単一アプタマーのうちの1つの単一種である。他の例では、活性部分165が、酵素、抗体、及び/又はアプタマーの2つ以上の分子を含む。いくつかの例では、活性部分165が、抗体、アプタマー又はポリメラーゼの一部である。いくつかの例では、増加したトラップ状態密度は、望ましくは約1×1012トラップ/cm2から約1×1014トラップ/cm2の範囲（例えば、約1×1012トラップ/cm2から約1×1013トラップ/cm2、約1×1013トラップ/cm2から約1×1014トラップ/cm2、約5×1012トラップ/cm2から約5×1013トラップ/cm2、約1×1012トラップ/cm2から約5×1012トラップ/cm2、約5×1012トラップ/cm2から約1×1013トラップ/cm2、約1×1013トラップ/cm2から約5×1013トラップ/cm2、約5×1013トラップ/cm2から約1×1014トラップ/cm2、約2×1013トラップ/cm2から約6×1013トラップ/cm2、約3×1013トラップ/cm2から約7×1013トラップ/cm2、約4×1013トラップ/cm2から約8×1013トラップ/cm2、約5×1013トラップ/cm2から約9×1013トラップ/cm2、約1×1013トラップ/cm2から約2×1013トラップ/cm2、約2×1013トラップ/cm2から約3×1013トラップ/cm2、約3×1013トラップ/cm2から約4×1013トラップ/cm2、約4×1013トラップ/cm2から約5×1013トラップ/cm2、約5×1013トラップ/cm2から約6×1013トラップ/cm2、約6×1013トラップ/cm2から約7×1013トラップ/cm2、約7×1013トラップ/cm2から約8×1013個/cm2、約8×1013個/cm2から約9×1013個/cm2、及び約9×1013個/cm2から約1×1014個/cm2のいずれか１つ）である。いくつかの例では、増加したトラップ状態密度は、望ましくは約1×1012トラップ/cm2から約1×1014トラップ/cm2の範囲（例えば、約1×1012トラップ/cm2から約1×1013トラップ/cm2、約1×1013トラップ/cm2から約1×1014トラップ/cm2、約5×1012トラップ/cm2から約5×1013トラップ/cm2、約1×1012トラップ/cm2から約5×1012トラップ/cm2、約5×1012トラップ/cm2から約1×1013トラップ/cm2、約1×1013トラップ/cm2から約5×1013トラップ/cm2、約5×1013トラップ/cm2から約1×1014トラップ/cm2、約2×1013トラップ/cm2から約6×1013トラップ/cm2、約3×1013トラップ/cm2から約7×1013トラップ/cm2、約4×1013トラップ/cm2から約8×1013トラップ/cm2、約5×1013トラップ/cm2から約9×1013トラップ/cm2、約1×1013トラップ/cm2から約2×1013トラップ/cm2、約2×1013トラップ/cm2から約3×1013トラップ/cm2、約3×1013トラップ/cm2から約4×1013トラップ/cm2、約4×1013トラップ/cm2から約5×1013トラップ/cm2、約5×1013トラップ/cm2から約6×1013トラップ/cm2、約6×1013トラップ/cm2から約7×1013トラップ/cm2、約7×1013トラップ/cm2から約8×1013トラップ/cm2、約8×1013トラップ/cm2から約9×1013トラップ/cm2、及び9×1013から約1×1014トラップ/cm2のいずれか１つ）である。いくつかの例では、増加したトラップ状態密度は、望ましくは約3×1013トラップ/cm2から約4×1013トラップ/cm2の範囲である（例えば約3×1013トラップ/cm2から約4×1013トラップ/cm2）。
半導体装置が動作しているとき、ソース110とドレイン120との間に電圧差が印加される。例えば、ソース110はグランドに保持され、より高い電位が、例えば、電源から、又は電源に結合される別のトランジスタから、ドレイン120に印加され得る。半導体デバイスは、ゲート130に印加される電圧が半導体デバイスのしきい値電圧を超えると、オン状態(例えば、線形又は飽和動作状態)に入る。しきい値電圧は、ゲート130とソース110との間で通常測定される。いくつかの例では、時間変化電気信号(例えば、電圧変化信号)がゲート130に印加され、これにより、半導体装置のソース110とドレイン120との間の電流がそれに応じて変化する。いくつかの例では、時間変化電気信号(例えば、電圧変化信号)がソース110又はドレイン120に印加され、これにより、半導体装置のソース110とドレイン120との間の電流がそれに応じて変化する。分子179のような分子が感知部分160と相互作用すると、半導体装置のしきい値電圧の小さな変化が誘起される。したがって、しきい値電圧の変化を観察および測定することによって、例えば、デバイスを流れる電流又はドレイン120における電圧の変化を観察することによって、相互作用する分子179および分析物溶液175に関する情報を推測することができる。ゲート130が時間変化電気信号を受信する例では、本体端子195は一定の電位、例えば、接地電位に保持されてもよい。他の例では、ゲート130が一定の電位に保持され、時間変化電気信号が印加されて、デバイスを流れる電流またはドレイン120の電圧の変化を観察することによって、本体端子195の電圧を変化させる。
図1A及び1Bの例は、基板190に対するナノ構造体140の水平配向を示すが、本開示の利益を有する当業者には、ナノ構造体140の他の配向、例えば、基板190に対する垂直配向もまた、本明細書に開示される技術と共に使用され得ることが容易に明らかであろう。垂直配向ナノ構造体では、トラップ状態密度を上述したものと同様の方法で調整することができ、例えば、ナノ構造体140の一部にイオンを注入することによって、ナノ構造体部分の局所的ドーピングを実行することによって、又はナノ構造体140が基板190上に堆積されるときに化学蒸着プロセスでソース材料の組成を調整することによって、調整できる。
適切なリンカー分子165は、ゲート酸化物の性質に応じて選択することができる。SiO2に関して、シラン又は他の好適な生化学的結合分子を使用することができる。金属酸化物ゲート材料(例えば、HfO2及びAlO3)に関して、ホスホネート、ヒドロキサメート、ヒドラジン及びそれらの組み合わせ、または他の好適な生化学的結合分子を使用することができる。炭素系材料については、ピレン、アントラセン、カルボキシレート(及びそれらの組み合わせ)、又は他の適切な生化学的結合分子を使用することができる。選択されるドーパントの種は、所望のトラップ状態がドナー、アクセプタ又はニュートラルのいずれであるかに依存する。適切なドーパント種は、図13に関して以下に説明するチャート1300から選択することができる。例えば、炭素(C)注入は伝導エッジ状態を生成でき、インジウム(In)注入は価電子帯エッジ状態を生成できる。
＜IV. 変更されるトラップ状態密度を有する例示的な半導体装置＞
従来のFETでは、FETの1つ以上の寸法(例えば、長さ、有効幅又はチャンネル長)が約100nmを超える場合、トラップ状態の(不可避の)存在が1/fノイズに現れる。しかしながら、FETの寸法が約50nm未満に低減されると、ノイズスペクトルは、劇的に変化し、ランダムテレグラフノイズ(RTN)と呼ばれる双安定電流レベルとして現れる。
機能化されたFETにおける電流の変化の一例を示すチャート200が図2に示されている。
20nmのFETにおいてランダムテレグラフノイズを示す電流の流れのチャート300を図3に示す。図示のように、信号は双安定であり、2つの別個のレベルの間でランダムに振動する。
ランダムテレグラフノイズの原因は、FETのチャネル内の単一電荷キャリアのトラッピングプおよびデトラッピングにある。図4は、本明細書で説明する技術で使用することができるような、半導体材料中の電荷キャリアによって占有することができるエネルギレベルを示す。トラップは一般に、アクセプタトラップ400又はドナートラップ410として分類される。トラップ状態は、イオン化する半導体材料の熱エネルギーよりも大きいエネルギーを含み、したがって、自由キャリアが半導体材料に寄与しない傾向がある。したがって、材料中のトラップ状態は、電荷の流れを制限する傾向がある。両タイプのトラップが存在する場合、半導体のバンド構造を記述するための便宜的な表記法は、ニュートラルレベルE0の概念である。E0より高い又は低い全ての状態はそれぞれ、アクセプタ又はドナー状態であると考えられる。フェルミ準位EFがE0 より高い又は低い場合、トラップの正味電荷は、チャート420に示されるように、それぞれ負または正である。
例えば、半導体の表面に電圧が印加されると、センサの表面付近に電荷を置く生化学反応から、界面トラップ(したがって、ニュートラルレベルE0)は伝導帯及び価電子帯のエッジと共に上下に移動し、フェルミ準位EFは固定されたままである。この結果、EFとE0との間のずれが相対的に変化し、したがって、酸化物/半導体界面における固定電荷ΔCoxが変化し、これにより、式1で表されるようにトランジスタのスレショルド電圧がシフトする。
(式１）
このVTシフトは、生化学反応によって引き起こされるシフトよりも高く超えている。したがって、式1のみに基づいて、トラップ状態を有するセンサが優れた感度を示すことが予想される。しかしながら、トラップ状態は、図5に示されるチャート500に示されるように、IDVG伝達曲線上の傾きを下げることによってトランジスタ応答を低減することも知られている。x軸はゲート-ソース間電圧(VG)に対応し、y軸はFETドレイン電流(ID)に対応する。局所トラップ状態密度を増加させると、ドレイン電流は図示されるように低下する(0.0トラップ状態密度(符号510);1×1013(520);5×1013(530);及び1×1014(540))。
センサ応答は、
に直接比例し、図6のチャート600に示されるように、トラップ状態はIDVG曲線の傾きを減少させるので、センサ感度に対して2つの競合する効果が存在し、１つは追加的なΔCox変調による改善であり、もう１つはIDVG曲線の傾きの減少による劣化であり、あるトラップ密度で全体的に最大となる。ｘ軸はトラップ密度に対応し、y軸は感知領域におけるFET電荷感度に対応する。ΔCox(610)の増加に対するFETの感度と、対応するドレイン電流ID(620)の低下を示した。これら2つの要因(630)に基づいて組み合わされた感度も示されており、これは最大値(640)を示す。
本開示の利点を有する当業者に容易に明らかであるように、生化学反応の場所からいくつかのデバイ長を超えて離れたトラップ状態は、IDVG低下に寄与するが、ΔCox変調には寄与しないので、感知される生化学反応の近傍にトラップを局在化することは、期待される感度向上を増加させる。
トラップ状態の存在下でのセンサの予想される挙動を、詳細なシミュレーションで確認することができる。本明細書に開示される技術のいくつかの例で実施することができる半導体装置の例示的なシミュレーション形状を、図7Aのダイアグラム700に示す。図示されるように、高度にドープされたソース/ドレイン領域(それぞれ720、725)を有する幅20nm、長さ100nmのシリコンナノワイヤ(710)、および厚さ2nmのゲート酸化物が10mM塩溶液(730)に浸漬される。外部電荷+2e(740)(ここで、eは電子の電荷素量)をゲート酸化物の表面から1nm離して置いた、IDVG曲線の差ΔIを計算することにより、センサ応答を推定した。信号対雑音比(SNR)はΔI/δIとして計算され、δIは、ジョンソン、ショット、および1/f雑音成分から近似される、予想されるナノワイヤ雑音である。1/f雑音はHoogeモデルS2(f)=α/Nfから計算され、ここで、αはフーグ定数(2.1×10-3)であり、Nはチャンネル内のキャリアの数であり、fは周波数である。この例のシミュレーションでは、100 KHzの測定帯域幅が想定された。トラップ状態密度は、外部電荷740とナノワイヤ710との間に位置する、図示された感知区域750において、1012/cm2と1014/cm2との間で変化する量まで増加される。
図8は、トラップ密度Nt= 1012/cm2で、図7に示すセンサのVG(810)の関数としてΔIをプロットしたチャート800である。VGの関数として計算されたSNR(ΔI/δI)もプロットした(820)。最大トランスコンダクタンス点
付近の強いピーク825が、約0.4V のVGで観測される。
図9は、Nt=0〜1014/cm2で中間ギャップ状態に対して実行された一連のこのような計算に対する、Ntの関数としてのピークSNRのプロット910を有するチャート900である。先の議論に基づいて予想されるように、ピーク応答が観察され、トラップフリーの場合と比較して、SNRがほぼ3倍向上される。
SNR改善の大きさ及び最大SNRの特定のトラップ密度は、多数の要因、すなわち、トランジスタ設計の詳細、電解質の塩分濃度、外部電荷およびチャネル/ゲート酸化物界面に対するトラップ状態の位置、半導体の伝導帯及び価電子帯に対するトラップ状態の位置並びに他の関連要因に依存することに留意されたい。ピークSNR利得は、変化してもよく、FET性能に影響を及ぼす要因(例えば、ソースドーピング、チャンネルドーピング、オーバーラップ距離、ゲート酸化物の厚さ、ソースの深さ、ドレイン及びオーバーラップ領域など)について、経験的に調整することができるが、応答の一般的な形状は変化しないであろう。言い換えれば、検知ゾーンに適切に標的とされたトラップ状態を意図的に導入することは、一般にセンサ応答を改善する。
図10は、ナノワイヤの表面への感知部分の共有結合を示すダイアグラム1000である。共有結合の生成は、付着部位1010の近傍の原子結合を破壊し、局所的なトラップ状態を生成する。使用されるリンカー分子の選択は、FETセンサの表面の性質に基づく。使用することができるリンカー分子の好適な例には、SiO2に関するシラン;ホスホネート、ヒドロアメート、及びHfO2などの金属酸化物に関するヒドラジン; ピレン、アントラセン、及び炭素ベースの表面に関するカルボキシレート、又は多数の好適な生体共役反応の他のいくつかが含まれるが、これらに限定されない。
図11は、トラップ状態の密度および位置が、既存の半導体製造技術を用いて、または荷電ビーム照射(例えば、電子ビーム、イオンビーム、プラズマ照射、又は非ドーピング種のイオン注入)を用いて、トップダウンで制御され得ることを示すダイアグラム1100である。
図12は、トラップ状態の密度および位置が局所的ドーピングによっても制御され得ることを示すダイアグラム1200である。水平ナノワイヤの場合、ドーピングは、注入または拡散ドーピングによって達成される。垂直ナノワイヤの場合、成長中にドーピングを制御することもできる。
図13のチャート1300に示されるように、注入種およびドーズ量はSi中の様々な不純物について測定されたイオン化エネルギーに従って、かつ選択されたFET製造技術によって課せられる他の最適化制約に従い、所望のタイプのトラップを生成するように選択することができる。
＜V. Debyeスクリーニングに打ち勝つために使用される印加される信号の使用例＞
一例では物理学の観点から、Na+Cl-又はK+Cl-などのイオン溶液は、正イオンおよび負イオンの任意の収集物と区別できず、最も一般的にはプラズマとして説明することができる。全てのプラズマは「プラズマ周波数」(PF)と呼ばれる特性周波数を有し、この周波数を超えると印加された電気信号に対して透過性になる。プラズマ周波数はm-1/2に比例し、mは荷電種の質量である。プラズマ周波数を超えると、電場はあまりにも速く変化し、荷電種の慣性は、荷電種が電場と共に移動してそこからエネルギーを吸収することを可能にしない。
金属は、プラズマを生成するために使用されるターゲットの一般的な例である。金属は、可視光線に対して完全に不透過であるが、x線に対して透過的であってもよい。ガスプラズマ(例えば、Ar+/e-)は数百kHzまで不透過であるが、MHzの範囲では透過的になる。同様に、電荷キャリアがNに類似した質量を有するイオン性塩溶液では、ArはMHz範囲で透過的になることが期待できる。
感知の観点から、不透過から透過へのイオン溶液の転移は、重要な意味を有する。プラズマ周波数未満では、溶液中の電場の遅延はexp(-x/LD)/xであり、ここでLDはプラズマのデバイ長である。プラズマ周波数を超えると、溶液中の電場の遅延は1/xであり、減衰速度がはるかに小さくなる。プラズマ周波数を超え/下回る、減衰率の比率はexp(-x/LD)である。
図1に戻ると、ナノ構造体と接触している分析物溶液175は、一般にプラズマとして説明することができる。このようなプラズマはプラズマ周波数と呼ばれる特性周波数を有し、この周波数を超えると、溶液中の分析物に対して透過性になる。プラズマ周波数を超える電気信号をゲート130に印加することによって、溶液中の荷電種の慣性は、それらが電界と共に移動するのを防止し、したがってエネルギーの吸収を停止し、それによって透過的になる。
約10mM〜約100mMの範囲の生物学的溶液については、LDは約0.3nm〜約3nmの範囲である。これは、多くの例において、バイオセンサがセンサの表面の1nm〜3nm内で生成された場に応答するので、電界効果原理で動作するバイオセンサに意味を持ち得る。その場合でさえ、場は、センサによる対応電界効果の検出を制限又は無効にする程度まで、センサ表面に到達する前に減衰される。例えば、50mM溶液中に浸漬されたセンサから2nm離れた電荷の電場は、その上よりもプラズマ振動数未満の場合に、プラズマ振動数を超超える場合よりも、約7x(e-2)強く減衰される。このように、プラズマ周波数超で動作することによるSNR改善の可能性は著しい。
＜VI. FETの信号を印加し測定する第1の例示的回路＞
図14は、その表面にストレプトアビジン/ビオチン結合の非存在下(1410)および存在下(1420)で100mM NaClに浸漬された例示的な電界効果センサ(カーボンナノチューブ)の電流IDをプロットするチャート1400である。チャートは、その表面上のビオチン-ストレプトアビジン結合を、測定周波数の関数として示す。NaCl濃度は100mMであり、デバイ長は約0.3nmである。図示されるように、強いスクリーニング(LDが約0.3nm)のために、センサは、2MHz未満でビオチンの存在を検出することができない。対照的に、NaCl溶液の予想されるプラズマ周波数を上回る10MHzを超えると、明確な反応差が観察される。
本明細書で開示されるテクノロジーのいくつかの例では、図15のダイアグラム1500に示されるように、振幅変調された入力信号によるミキシング電流測定回路1510は、IDを測定するために使用され得る。しかしながら、センサのより大きなアレイ(例えば、数百又は数千以上のセンサを有するアレイ)の場合、そのような回路の使用は煩わしくなり、そのような回路の使用は、数百万のセンサからなるアレイに関する現在のプロセス技術において実現不可能であり得る。
さらに、このようなミキシング電流測定回路を使用する検出方式には、少なくとも2つの問題がある。第1に、信号の位相シフトを制御しながら、センサ毎に高周波RF信号を供給する。この課題は、現代のマイクロプロセッサにおけるクロック分配の課題と同様である。回路問題は適切な回路および設計技術の使用によって対処することができるが、検知に使用することができないチップ上の物的財産のコストが存在する。第2の問題は、ピクセル毎のロックイン増幅の使用である。ロックイン増幅器は複雑な回路であり、その結果、実装されたときに集積回路面積の点で大幅なオーバーヘッドが生じる。
＜VII. 本明細書に開示される、FETの信号を印加し測定する第2の例示的回路＞
本明細書に開示される技術の特定の例では、位相ロックループ(PLL)構成の電圧制御発振器(VCO)を有する回路がセンサごとの生成および高周波信号の検出のために使用される。例示的なセンサの概略図1600を図16に示す。奇数個のインバータ(図では3個: 1610、1611及び1612)が、固定周波数で共振するリング発振器1620を形成する。したがって、発振器インバータ内のトランジスタのうちの1つのゲートに付着する酵素1630として一般化された方法で示される生物学的反応は、リング発振器内のFETの1つ以上のゲートに可変負荷を提供し、その共振振動数をシフトさせる。他の例では、2つ以上の酵素を単一のトランジスタゲートに付着させることができる。リング発振器(RO)の発振周波数は、インバータを製造するために使用される技術、及び発振器内のインバータの数に依存する。現代の相補型金属酸化膜半導体(CMOS)製造技術では、3段発振器の共振振動数を数GHz程度に高くすることができる。いくつかの例では、リング発振器の2つ以上のインバータ段が、生物学的反応の存在下で発振周波数に明確な効果をもたらす異なる部分で機能化され、例えば、ある段は発振器の発振周波数を増加させることによって応答することができ、別の段は発振周波数を減少させることによって応答することができる。このような実装は、多重化センシングの特定の例において特に望ましい場合がある。
各インバータ段に適した回路の一例を、図17の概略図1700に示す。プルアップ(PU)及びプルダウン(PD)トランジスタとそれぞれ呼ばれる2つのトランジスタは、1つはPMOS 1710でありもう1つはNMOS 1720であり、図17に示されるように接続される。INポートの信号がハイであるとき、PUトランジスタはオフであり、PDトランジスタはオンであり、その結果、OUTポートの電位は低くなる。逆に、IN信号がローであるとき、PDトランジスタはオフであり、PUトランジスタはオンであり、その結果、OUTポート上に高電位が生じる。したがって、この回路は、入力信号の極性を反転させ、したがって「インバータ」と呼ばれる。
本明細書に開示される技術のいくつかの例では、酵素例えばポリメラーゼが、ROのインバータ段のうちの1つのPU又はPDトランジスタのいずれかのゲートに付着される。そのワイルドタイプ基板(例えば、デオキシヌクレオチド(dNTP))または修飾基板(例えば、非限定的な例として、電荷タグdNTP)に作用する酵素によって生成される電場は、特定のインバータ段の性能を時間依存的に変化させ、したがって、リング発振器1620の共振周波数を変化させる。いくつかの例では、酵素が付着しているFETは、酵素がナノ構造体チャンネルに結合している場所又はその近くで増加した、その局所的トラップ状態密度を有することができる。図17のインバータでは、局所的トラップ状態密度が増加した領域の近く又はその領域でトランジスタチャネルと結合する酸素の模型を作るために、追加の構成要素1730を追加することができる。したがって、この例では、リング発振器1620が生物学的に駆動される電圧制御発振器(b-VCO)として振る舞う。いくつかの例では、酵素に連結されたFETのみが、ナノ構造体チャネルを有し、他のFETは、金属又はポリシリコンゲートを有するPMOS又はNMOSトランジスタである。いくつかの例では、リング発振器1620内のFETのすべてが、ナノ構造体チャンネル(例えば、ナノチューブ又はナノワイヤチャンネル)を有する。いくつかの例では、酵素に連結されたFETのみが分析物溶液と接触し、一方他の例では、1つ以上または全てのFETが分析物溶液と接触する。
b-VCOの共振振動数の小さな変化を検出する1つの効率的な方法は、位相同期回路(PLL)によるものである。いくつかの例では、PLLが、2つのVCO、すなわち、感知される生物学的反応によって周波数が制御されるb-VCOと、それ自体の発振とb-VCOの発振との間の一定の位相差を維持するために、外部から供給される電圧を調整することによって、b-VCO周波数の変化を追跡する1つの発振器とを含む。本明細書で使用されるように、この第2のVCOは、感知VCO又はs-VCOと呼ばれる。
図18の概略図1800に示すように、この種の回路の動作は、SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）シミュレーションによって確認することができる。b-VCOを、図18に示されるように、外部ソース1820がインバータ段1830の1つの入力にわずかな摂動を供給するリング発振器1810としてシミュレーションすることができる。
電圧源1820からの小電圧Vsignalが、主ROループからの正常信号と並列に、第2インバータ段1830の入力に印加される。b-VCOからの信号は、SENSE点でタップされ、位相追跡のためにs-VCOに供給される。
PLLの残りの部分は、図19の概略図1900に示すようにシミュレートされる。PDとラベル付けされた電圧加算器は、b-VCO及びs-VCOの出力を加算する。抵抗R1及びコンデンサC1を備えるローパスフィルタは、高周波信号を、b-VCO及びs-VCO発振の間の位相差に比例するDC電圧に変換する。FGとラベル付けされた増幅器は、このDC信号を増幅し、それをs-VCOにフィードバックし、それによって、s-VCO周波数がb-VCOからの信号とのゼロ度オフセットを維持するように調整するフィードバックループを提供する。また、アンプFGの出力は、FGからの電圧が一定水準を超えるときはロジックone(1)でありそれ以外の場合にはロジックzero(0)である、電圧のセットを生成するきっかけとなる、シュミットトリガA1によって監視される。増幅器FG及びシュミットトリガは、シミュレーション使用のためにシミュレートされた回路に追加され、実際の実装では必ずしも使用されないことに留意されたい。また、本明細書で説明されるPLL回路実装は例示であり、本開示の利点を有する当業者に容易に理解できるように、他の回路実装が用いられることもあることに留意すべきである。
図20は、図19の概略図1900に示される回路の様々な地点で観測される電圧信号を示す、いくつかのチャート(2000、2010、2020及び2030)を含む。入力信号2000は0.3のSNRを有し、単一レベルのトリガで呼び出すことはできない。出力信号2010は10超のSNRを有し、単一レベルのトリガで容易に呼び出すことができる。トリガは、28 mVを超えるロジック1と、そのレベルを下回るロジック0とを出力する。FG増幅器の出力で観測される中間信号もチャート2020に示されている。感知酵素との相互作用をモデル化するために使用される、PD電圧加算器による電圧出力のシミュレートされた変化としてモデル化される、酵素からの理想化された応答は、チャート2030に示されており、これも図20に示されている。
なお、このシミュレーションに用いた3段リング発振器の発振周波数は、図21のチャート2100に示すように、約6GHzである。これは、約2MHzで使用されるイオン性NaCl溶液のプラズマ周波数よりもかなり高い(図14参照)。したがって、図1A〜図1Bのセンサの感度の向上が実証される。例示的リング発振器の周波数も、予想される信号の帯域幅(約100kHz〜1MHz)を十分に上回っており、これは、PLLが応答できるように構成されている。
要約すると、b-VCOを有するPLLを、特に生物学的に関連する塩濃度において、雑音の多い生物学的信号を感知するために使用することができる。いくつかの例では、本明細書で開示されるリング発振器構成で使用される、FETバイオセンサのトラップ状態密度が使用される。回路は、有利に使用集積回路面積をより低くでき、成熟した製造ノードで実装することができる。図16〜図20の例では、2つのVCOが、合計6個のトランジスタと、位相検出器のための追加の6〜10個のトランジスタとを使用する。回路の出力信号は、約10 KHzから約100 KHzの範囲の周波数で変化し、ロックイン方法の実施に使用されるMHz以上の速度よりかなり低い。したがって、この方法は、単一の集積回路ダイ内の、数千及び潜在的に数百万のセンサへの高周波検出方式のスケールアップを可能にする。
＜VIII. 本明細書で開示される電界効果センサを使用する例示的なシステム実装＞
図22は、本明細書で開示される技術の特定の例で使用され得るように、トラップ状態密度の局所的な変化に起因して感度が向上した、FETセンサを使用して分析物溶液を分析するために使用され得るシステムを示すブロック図2200である。図示されるように、半導体装置のアレイ2210は、本明細書で説明される技術に従って変更されたトラップ状態密度を有する、導電性チャネルを有する。いくつかの例では、アレイ2210の半導体装置、又は半導体装置のグループのそれぞれは、分析物溶液を受け取るそれぞれの容器を有する。そのような実装は、同じチップ上の多重化された測定に有用であろう。他の例では、容器が、分析物溶液を受け取り、2つ以上の半導体装置の導電性チャンネルと接触するように構成されてもよい。半導体装置の末端に通じるワイヤ及び当該末端から通じるワイヤは、本明細書に記載されるように、計測回路2220に結合される。例えば、本明細書に開示されるリング発振器実装を含む位相検出回路を、アレイのそれぞれの半導体装置に結合することができる。いくつかの例では、計測回路が、アレイと同じ基板上に実装される。他の例では、半導体回路のすべて又は一部が、アレイを支持する基板に結合された別個の集積回路上に実装される。例えば、計測回路を、プリント回路基板上、マルチチップモジュール内又はマルチダイパッケージ内の、導電性トレースを介して、アレイに接続することができる。
インターフェース回路2230は、動作を制御し、アレイの半導体装置に誘起される電気的変化を感知するために、計装回路2220との間でアナログ信号を送受信する。いくつかの例では、計測回路が、FETバイオセンサを実装する、半導体装置のそれぞれに結合されたリング発振器を含む。他の例では、計測回路2220が、2つ以上のFETバイオセンサから出力信号を受信する。次に、インターフェースは、シーケンサ・コンピュータ2240内の1つ以上のプロセッサ2245によって使用するために、アナログ信号を、適切なデジタルコーディングに変換することができる。シーケンサー2240は、メモリ2250、不揮発性ストレージ2255及び入出力部分2260も含むことができる。
＜IX. 半導体装置の例示的製造方法＞
図23は、本明細書で開示される技術の一定の例で実行できるような、例示的な製造方法を概説するフローチャート2300である。例えば、上述したような半導体装置を、図示する方法を用いて製造することができる。
プロセスブロック2310では、基板内又は基板上に少なくとも1つのソース領域と少なくとも1つのドレイン領域とを有する、基板上にナノ構造体を堆積させて、ソース領域とドレイン領域との間に導電性チャンネルを形成する。ナノ構造体は、ナノ構造体の全てではないが一部について調整されたトラップ状態密度を有する。例えば、選択されるトラップ状態密度に応じて、トラップ状態密度を増減させることができる。いくつかの例では、活性部分をナノ構造体の一部に共有結合させることによって、ナノ構造体においてトラップ状態密度の増加が誘導される。したがって、活性部分の結合は、部分箇所に自己整列されるトラップ状態を作り出す。いくつかの例では、トラップ状態密度が、ナノ構造体部分にイオンを注入することによって増加する。いくつかの例では、局所的ドーピングが、ナノ構造体部分のトラップ状態密度を増加させるために行われる。いくつかの例では、基板上にナノ構造体を堆積させるときに、気相蒸着プロセスにおいてソース材料の組成を調整することによって、トラップ状態密度が増加される。いくつかの例では、ナノ構造体が、1つ以上のシリコンナノワイヤ、グラフェンナノリボン、MoS2ナノリボン及び/又はカーボンナノチューブを含む。
本方法のいくつかの例では、半導体装置のために1つ以上のパラメータが選択される。例えば、所望のΔCoxパラメータ、電圧反応を測定するための所望のドレイン電流、又は両方のパラメータが選択される。ナノ構造体部分の変更されるパラメータに対応する、所望のトラップ状態密度が選択される。選択されるトラップ状態密度に応じて、トラップ状態密度を増加させることができる。いくつかの例では、材料及び/又はドーズ量が所望のトラップ状態密度に従って選択される。
プロセスブロック2320では、単一分子の活性部分がナノ構造体部分に結合される。例えば、活性部分は、ナノ構造体に共有結合することができる。いくつかの例では、2つ以上の分子がナノ構造体部分に結合される。
＜X. 半導体装置の例示的使用方法＞
図24は、本明細書で開示される技術に従って実行され得る、半導体装置を使用する例を概説するフローチャート2400である。例えば、上述の半導体装置を使用して、図示の方法を実施することができる。
プロセスブロック2410において、酵素は、感知ゾーンに近接した電界効果トランジスタのチャネルに結合される。電界効果トランジスタは、ソース端子と、ドレイン端子と、ソース端子及びドレイン端子の間に導電性チャンネルを提供するためのナノ構造体とを有する。感知ゾーンは、ナノ構造体上に比較的高いトラップ状態密度の領域を含む。
プロセスブロック2420では、イオン溶液が感知ゾーンの近くに供給される。例えば、イオン溶液は、選択された塩分量を有する塩類溶液、及び溶液中の1つ以上の分析物の一部を含むことができる。いくつかの例では、溶液が約1mM〜約500mMの範囲の塩分量を有する。容器を使用して、ナノ構造体の感知ゾーンを含む、イオン溶液をナノ構造体と接触させることができる。
プロセスブロック2430において、信号が、電界効果トランジスタの端子に印加される。例えば、半導体装置のゲート端子または本体端子に、時間変化信号を印加することができる。いくつかの例では、信号が、供給されるイオン溶液の少なくともプラズマ周波数を超える周波数で変調される。一例として、印加信号は、約1MHzを超える周波数で変調される。別の例では、周波数が実質的に10MHzを超えることができる。信号を、電界効果トランジスタのゲート端子又は本体端子に印加することができる。例えば、信号が電界効果トランジスタの本体端子に供給され、ゲート端子は固定電圧に保持される。いくつかの例では、時間変化信号が、感知ゾーンに近接して生じる生物学的反応自体によって生成される。したがって、本明細書に開示される例では、変化信号源が、外部から印加される電位、又は生物学的反応自体によって生成される可変荷電若しくは電場のいずれかであり得る。
プロセスブロック2440では、電界効果トランジスタを流れる電流の変化が、印加された信号に応答して検出される。電流の変化は、装置の導電率の変化によって引き起こされ、これは分子及び分析物が感知ゾーンにおいて結合された部分と相互作用するときに観察される。これらの変化を例えば、リング発振器を使用して検出することができ、リング発振器の少なくとも1つのインバータは、感知ゾーンを有する電界効果トランジスタを含む。他の例では、トランジスタ端子に印加される信号に対する、電界効果トランジスタの出力信号の位相変化を検出するために、異なる回路が設けられる。いくつかの例では、この方法は、検出された変化に基づいて、デオキシリボ核酸(DNA)またはリボ核酸(RNA)分子中の一連のヌクレオチドを配列決定することをさらに含む。他の例では、本方法が、検出された変化に基づいてヌクレオチドを検出することをさらに含む。
本方法のいくつかの例は、本明細書で開示されるような変更される感知ゾーンを有する電界効果トランジスタを含む、リング発振器の少なくとも1つのインバータを有するリング発振器回路を提供することをさらに含むことができる。
本明細書で開示される技術のいくつかの例では、コンピュータによって実行されるときに、コンピュータに本明細書で開示される方法の少なくともいずれか1つを実行させる、コンピュータ可読命令を記憶する、1つ以上のコンピュータ可読記憶デバイス又はメモリが提供される。いくつかの例では、システムが、本明細書で開示される方法のうちの任意の1つの少なくとも一部を実施するように構成される。いくつかの例では、実行されると、システムに、本明細書で開示される方法のうちの少なくともいずれか1つを実行させる、コンピュータ可読命令を記憶する、コンピュータ可読記憶装置又はメモリに、システムが結合される。
前述の概念と、以下でより詳細に論じられる追加の概念とのすべての組合せが、(そのような概念が相互に矛盾しないという条件で)本明細書で開示される本発明の主題の一部であると考えられることを理解されたい。特に、本開示の末尾にある特許請求の範囲の主題のすべての組み合わせは、本明細書に開示される本発明の主題の一部であることが意図される。同様に当然のことながら、本明細書に明示的に用いられ、参照として組み込まれている任意の開示にも現れるであろう専門用語は、本明細書に開示される特定の概念と最も整合する意味を有するものとする。
本明細書全体を通して、「一例」、「別の例」、「1つの例」などへの言及は、その例に関連して説明される特定の要素(例えば、構成、構造、及び/又は特性)が本明細書で説明される少なくとも1つの例に含まれ、他の例に存在しても存在しなくてもよいことを意味する。さらに、文脈が明らかに別段の規定をしていない限り、任意の実施例のための記載された要素は、様々な実施例において任意の適切な様式で、組み合わされてもよいことが理解されるべきである。
いくつかの例を詳細に説明してきたが、開示される例は変更されてもよいことを理解されたい。したがって、前記の説明は、非限定的であると考えられるべきである。

Claims (26)

  1. ソースと、
    ドレインと、
    ナノ構造体を含むチャンネルと、
    前記ナノ構造体に電気的に連絡するゲート端子と、
    を備える半導体装置であり、
    前記ナノ構造体は、非修飾部分、及び局所化されるドーパント種を有するとともに前記非修飾部分に対して増加するトラップ状態密度を有する修飾部分を含み、
    前記修飾部分は、活性部分によって機能化される、半導体装置。
  2. 前記ナノ構造体が、ナノワイヤ、ナノチューブ及びナノリボンの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記ナノ構造体が、シリコンナノワイヤ、カーボンナノチューブ、ポリマーナノワイヤ、グラフェンナノリボン及びＭоＳ２ナノリボンの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記ナノ構造体が、グラフェン、シリセン及びフォスフォレンの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の半導体装置。
  5. 前記修飾部分が、イオン注入、拡散ドーピング、エネルギービーム照射、プラズマ照射又はこれらの組み合わせによって形成される、請求項１に記載の半導体装置。
  6. 前記活性部分が、前記ナノ構造体の前記修飾部分に結合する酵素又はアプタマーを含む、請求項１に記載の半導体装置。
  7. 結合される前記酵素又はアプタマーは、前記ナノ構造体の前記修飾部分に対して共有結合する、請求項６に記載の半導体装置。
  8. 前記活性部分が、単一酵素、単一抗体及び単一アプタマーの１つでできている単一分子である、請求項１に記載の半導体装置。
  9. 前記増加するトラップ状態密度が、約１×１０ １２ トラップ／ｃｍ２〜約１×１０ １４ トラップ／ｃｍ２の範囲内である、請求項１に記載の半導体装置。
  10. 請求項１に記載の半導体装置と、
    前記ナノ構造体を少なくとも部分的に囲み、前記ゲート端子と前記ナノ構造体との間の電気的連絡を提供する分析物溶液を受け取る容器と、
    を備える機器。
  11. 請求項１に記載の半導体装置を備える機器であり、
    前記半導体装置は、変調される信号入力に連結する本体端子を更に備え、
    前記ゲート端子は固定電圧に連結される、機器。
  12. 電流センサ又はリング発振器を備える機器であり、
    前記電流センサ又は前記リング発振器は、請求項１に記載の半導体装置を含む、機器。
  13. ナノ構造体を基板上に堆積して、ソース領域とドレイン領域との間に導電性チャンネルを形成するステップと、
    活性部分を修飾部分に結合するステップと、
    前記ナノ構造体に電気的に連絡するゲート端子を提供するステップと、
    を含む、製造方法であり、
    前記基板は、前記基板内又は前記基板上に、少なくとも１つのソース領域及び少なくとも１つのドレイン領域を有し、
    前記ナノ構造体は、非修飾部分と局所化されるドーパント種を有する前記修飾部分と含み、
    前記修飾部分は、前記非修飾部分に対して増加するトラップ状態密度を有する、製造方法。
  14. 前記増加するトラップ状態密度を有する前記修飾部分を、イオンをナノ構造体の部分に注入することで生成するステップを更に含む、請求項１３に記載の製造方法。
  15. 前記増加するトラップ状態密度を有する前記修飾部分を、ナノ構造体の部分において局所化されるドーピングを実施することで生成するステップを更に含む、請求項１３に記載の製造方法。
  16. 前記ナノ構造体を前記基板上に堆積するときに、前記増加するトラップ状態密度を有する前記修飾部分を、化学蒸着プロセスにおいてソース材料の組成を調整することで生成するステップを更に含む、請求項１３に記載の製造方法。
  17. 前記ナノ構造体が、ナノワイヤ、ナノチューブ及びナノリボンの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の製造方法。
  18. 前記ナノ構造体が、シリコンナノワイヤ、カーボンナノチューブ、ポリマーナノワイヤ、グラフェンナノリボン及びＭоＳ２ナノリボンの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の製造方法。
  19. 前記ナノ構造体が、グラフェン、シリセン及びフォスフォレンの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の製造方法。
  20. 所望のΔCoxパラメータ、又はゲート電圧応答に対する所望のドレイン電流、又は前記所望のΔCoxパラメータ及びゲート電圧応答に対する前記所望のドレイン電流を選択するステップと、
    前記修飾部分に対する所望のトラップ状態密度を選択するステップと、
    選択される前記所望のトラップ状態密度に従って、前記トラップ状態密度を増加させるステップと、
    を更に含む、請求項１３に記載の製造方法。
  21. 選択される所望のトラップ状態密度に従って、前記修飾部分に対する材料及びドーズ量の少なくとも１つを選択するステップを更に含む、請求項２０に記載の製造方法。
  22. イオン溶液を前記チャンネルの近くに供給するステップと、
    前記ゲート端子が固定電圧に連結しているときに、信号を前記ゲート端子に、又は前記信号を変調される信号入力に連結する本体端子に、印加するステップと、
    印加される前記信号に応答して、前記チャンネルを通る電流の変化を検知するステップと、
    を含む、請求項１に記載の半導体装置を使用する方法。
  23. 前記信号は、前記イオン溶液のプラズマ周波数を超える周波数で変調される、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記イオン溶液は、約1ミリモル(mM)〜約500ミリモル(mM)の範囲の塩分量を有する、請求項２２に記載の方法。
  25. 電流の変化を検知するステップは、出力信号の、前記ゲート端子又は前記本体端子に印加される前記信号に対する位相変化を検出することを含む、請求項２２に記載の方法。
  26. 検出される前記変化に基づいて、デオキシリボ核酸(DNA)又はリボ核酸(RNA)分子の、一連のヌクレオチドを配列決定するステップを更に含む、請求項２２に記載の方法。
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