KR102213538B1 - 전계 효과 센서 - Google Patents

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Abstract

단일 활성 모이어티로 기능화된 전도 채널을 가지는 단일 분자 전계 효과 센서를 위한 장치 및 방법이 개시된다. 나노 구조체(예컨대, 실리콘 나노와이어나 탄소 나노튜브와 같은)의 영역이 전도 채널을 제공한다. 나노 구조체의 트랩 상태 밀도는 활성 모이어티가 나노 구조체에 결합된 위치 가까이의 나노 구조체의 부분에 대해 수정된다. 일례로, 반도체 장치는 소스, 드레인, 증가된 트랩 상태 밀도로 수정된 부분을 가지는 나노 구조체를 포함하는 채널을 포함하고, 수정된 부분은 활성 모이어티로 더 기능화된다. 게이트 단자는 나노 구조체와 전기 통신한다. 가변 전기 신호가 나노 구조체 채널과 접촉하는 이온 용액에 인가됨에 따라, 반도체 장치로부터 관찰되는 전류의 변화가 분석물의 조성을 식별하는데 사용될 수 있다.

Description

전계 효과 센서
이 출원은 내용 전체가 본 명세서에 참조로서 통합되는, 2017년 8월 1일 출원된 미국 가출원 제62/539,813호에 대한 우선권을 주장한다.
전계 효과 트랜지스터는 분자를 식별하기 위해 단분자 전하 센서로 사용될 수 있다. 이러한 센서는 생물학적으로 관련된 염 조건에서 작동할 수 있다. 이러한 염 용액의 디바이 차폐 길이는 약 0.3nm 내지 약 10nm의 범위에 있는데, 채널의 표면 외부의 수 나노미터로 검출 영역을 제한하고 종종 신호 레벨을 검출능 한계로 감소시킨다. 이 난점을 피하는 것은 두 상이한 버퍼인 높은 염과 낮은 염에서 각각 생물학적 반응과 측정을 수행하는 것이다. 하지만, 이런 접근법은 일반적으로 버퍼 교환이 불가능한 단분자 센서에 적절하지 않다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
제1 양태에서, 반도체 장치는 소스; 드레인; 나노 구조체를 포함하는 채널; 및 나노 구조체와 전기적 통신하는 게이트 단자를 포함하고, 나노 구조체는 증가된 트랩 상태 밀도를 가지는 수정된 부분을 포함하고, 수정된 부분은 활성 모이어티로 기능화된다.
일례로, 나노 구조체는: 나노와이어, 나노튜브 및 나노리본 중 적어도 하나를 포함한다.
다른 예시에서, 나노 구조체는: 실리콘 나노와이어, 탄소 나노튜브, 폴리머 나노와이어, 그래핀 나노리본 및 MoS2 나노리본 중 적어도 하나를 포함한다.
또 다른 예시에서, 나노 구조체는: 그래핀, 실리신 및 포스포린 중 적어도 하나를 포함한다.
일례로, 수정된 부분은 이온 주입, 에너지 빔 방사, 플라즈마 노출 또는 그 조합에 의하여 형성된다.
일례로, 활성 모이어티는 나노 구조체의 수정된 부분에 결합된 효소 또는 앱타머를 포함하고; 효소 또는 앱타머의 나노 구조체의 수정된 부분으로의 결합은 나노 구조체의 수정된 부분의 트랩 상태 밀도를 증가시키기 위하여 나노 구조체의 원자 결합을 방해한다. 이 예시의 일부 경우에서, 결합된 효소 또는 앱타머는 나노 구조체의 수정된 부분에 공유 결합한다.
일례로, 활성 모이어티는: 단일 효소, 단일 항체 및 단일 앱타머 중 하나의 단일 분자이다.
일례로, 증가된 트랩 상태 밀도는 약 1×10-12 traps/cm2 내지 약 1×10-14 traps/cm2의 범위이다.
제1 양태의 임의의 특징은 임의의 바람직한 방식 및/또는 구성으로 함께 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
제2 양태에서, 기구는 청구항 1의 반도체 장치; 및 나노 구조체를 적어도 부분적으로 둘러싸는 용기를 포함하고, 용기는 게이트 단자와 나노 구조체 간의 전기 통신을 제공하는 분석물 용액을 수용한다.
제3 양태에서, 청구항 1의 반도체 장치를 포함하는 기구로서, 반도체 장치는 변조된 신호 입력에 연결된 본체 단자를 더 포함하고; 및 게이트 단자는 고정 전압에 연결된다.
제4 양태에서, 기구는 전류 센서 또는 링 오실레이터를 포함하고, 전류 센서 또는 링 오실레이터는 청구항 1의 반도체 장치를 포함한다.
반도체 장치의 특징의 임의의 조합이 제2, 제3 또는 제4 양태 중 임의의 것과 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 나아가, 제2, 제3 또는 제4 양태의 장치 중 임의의 것의 임의의 특징이 함께 사용될 수 있고 및/또는 이들 중 임의의 것의 임의의 특징이 본 명세서에 개시된 예시 중 임의의 것과 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
제5 양태에서, 제조 방법은 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 전기적 전도 채널을 형성하기 위하여 기판 내에 또는 기판 상에 적어도 하나의 소스 영역 및 적어도 하나의 드레인 영역을 가지는 기판 상에 나노 구조체를 증착하는 단계; 및 활성 모이어티를 나노 구조체 부분에 결합하는 단계를 포함하고, 나노 구조체는 나노 구조체의 전부는 아닌 일부에 대해 증가된 트랩 상태 밀도를 가진다.
방법의 예시는 활성 모이어티를 나노 구조체 부분에 공유 결합함으로써 증가된 트랩 상태 밀도를 생성하는 단계를 더 포함한다.
방법의 다른 예시는 나노 구조체 부분에 이온을 주입함으로써 증가된 트랩 상태 밀도를 생성하는 단계를 더 포함한다.
방법의 또 다른 예시는 나노 구조체 부분의 국소 도핑을 수행함으로써 증가된 트랩 상태 밀도를 생성하는 단계를 더 포함한다.
방법의 또 다른 예시는 기판 상에 나노 구조체를 증착할 때 화학 기상 성장 프로세스의 소스 물질의 조성을 조정함으로써 나노 구조체 부분의 트랩 상태 밀도를 증가시키는 단계를 더 포함한다.
일례로, 나노 구조체는: 나노와이어, 나노튜브 및 나노리본 중 적어도 하나를 포함한다.
다른 예시에서, 나노 구조체는: 실리콘 나노와이어, 탄소 나노튜브, 폴리머 나노와이어, 그래핀 나노리본 및 MoS2 나노리본 중 적어도 하나를 포함한다.
또 다른 예시에서, 나노 구조체는: 그래핀, 실리신 및 포스포린 중 적어도 하나를 포함한다.
방법의 예시는 원하는 ΔCox 파라미터, 또는 게이트 전압 응답에 대한 원하는 드레인 전류, 또는 원하는 ΔCox 파라미터와 게이트 전압 응답에 대한 원하는 드레인 전류를 선택하는 단계; 나노 구조체 부분에 대해 원하는 트랩 상태 밀도를 선택하는 단계; 및 선택된 원하는 트랩 상태 밀도에 따라 트랩 상태 밀도를 증가시키는 단계를 더 포함한다.
방법의 예시는 선택된 원하는 트랩 상태 밀도에 따라서 나노 구조체 부분에 대한 물질 및 정량 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 더 포함한다.
제5 양태의 임의의 특징은 임의의 바람직한 방식으로 함께 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 나아가, 제1 양태 및/또는 제2 양태 및/또는 제3 양태 및/또는 제4 양태 및/또는 제5 양태의 특징의 임의의 조합이 함께 사용될 수 있고 및/또는 본 명세서에 개시된 예시 중 임의의 것과 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
제6 양태에서, 반도체 장치 사용 방법은 검출 영역 가까이의 전계 효과 트랜지스터의 채널에 효소를 결합시키는 단계; 검출 영역 가까이에 이온 용액을 제공하는 단계; 전계 효과 트랜지스터의 단자에 신호를 인가하는 단계; 및 인가된 신호에 응답하여 전계 효과 트랜지스터를 통한 전류 흐름의 변화를 검출하는 단계를 포함하고, 전계 효과 트랜지스터는 소스 단자, 드레인 단자 및 소스 단자와 트레인 단자 간의 채널을 형성하는 나노 구조체를 포함하고, 검출 영역은 나노 구조체 상의 상대적으로 높은 트랩 상태 밀도 영역을 포함한다.
일례로, 신호는 용액의 플라즈마 주파수를 초과하는 주파수로 변조된다.
일례로, 용액은 약 1 밀리몰(mM) 내지 약 500 밀리몰(mM)의 범위의 염도를 가진다.
일례로, 신호는 게이트 단자 또는 전계 효과 트랜지스터의 본체 단자에 제공된다.
일례로, 전류 흐름의 변화를 검출하는 단계는 단자에 인가되는 신호에 대한 전계 효과 트랜지스터의 출력 신호의 위상 변화를 검출하는 단계를 포함한다.
이 방법의 예시는 검출된 변화에 기반하여 DNA(deoxyribonucleic acid) 또는 RNA(ribonucleic acid) 분자의 일련의 뉴클레오티드를 시퀀싱하는 단계를 더 포함한다.
제6 양태의 임의의 특징은 임의의 바람직한 방식으로 함께 조합될 수 있음을 이해할 것이다. 나아가, 제1 양태 및/또는 제2 양태 및/또는 제3 양태 및/또는 제4 양태 및/또는 제5 양태 및/또는 제6 양태의 특징의 임의의 조합이 함께 사용될 수 있고 및/또는 본 명세서에 개시된 예시 중 임의의 것과 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
게다가, 임의의 양태의 임의의 특징이 임의의 바람직한 방식으로 함께 조합될 수 있고, 및/또는 본 명세서에 개시된 임의의 예시와 조합될 수 있음을 이해할 것이다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
도 1a 및 1b는 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 사용될 수 있는 전계 효과 센서의 일반화된 예시를 나타내는 도식이다.
도 2는 그 표면 상에서의 생물학적 반응에 응답하여 전계 효과 센서의 일반화된 예시를 통해 흐르는 전류의 변화를 나타낸다.
도 3은 20nm FET의 랜덤 텔레그래프 노이즈의 예시이다.
도 4는 억셉터 트랩, 도너 트랩 및 중립 레벨 E0의 혼합 트랩의 에너지 레벨의 도식적 설명이다.
도 5는 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 관찰될 수 있는 로컬 트랩 상태 밀도의 함수로 20nm 실리콘(Si) 나노와이어 트랜지스터의 시뮬레이션된 응답을 나타낸다.
도 6은 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 관찰될 수 있는 ΔCox 변조와 IDVG 기울기 저하의 경쟁 효과의 도면이다.
도 7은 본 명세서에 개시되는 기술의 예시에 따른 시뮬레이션 기하학적 구조의 예시를 도시하는 본래 컬러 도면의 흑백 표현이다.
도 8은 본 명세서에 개시되는 기술의 예시에 따른 바이오센서의 계산된 응답이다.
도 9는 본 명세서에 개시되는 기술의 예시에 따른 트랩 밀도의 함수로 계산된 SNR을 그린 차트이다.
도 10은 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 수행될 수 있는 나노와이어의 표면에 대한 검출 모이어티의 공유 부착을 도시한다.
도 11은 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 수행될 수 있는 트랩 상태의 밀도와 위치 제어의 도시이다.
도 12는 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 트랩 상태의 밀도와 위치가 국소 도핑을 통해 제어될 수 있음을 나타내는 도면이다.
도 13은 일례에서 Si의 다양한 불순물에 대한 측정된 이온화 에너지를 나타내는 차트이다.
도 14는 탄소 나노튜브 센서의 예시의 응답을 나타내는 차트이다.
도 15는 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 고주파 검출을 위해 사용되는 측정 회로를 도시한다.
도 16은 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 사용될 수 있는 링 오실레이터 바이오센서이다.
도 17은 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에 따라 링 오실레이터에서 사용되는 인버터의 도식이다.
도 18은 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에 따른 생물학적 구동 전압 제어 오실레이터의 회로를 도시한다.
도 19는 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 사용될 수 있는 검출 전압 제어 오실레이터와 위상 고정 루프의 회로를 도시한다.
도 20은 도 17 내지 19의 회로의 다양한 점에서 측정된 신호의 예시의 다수의 차트를 포함한다.
도 21은 본 명세서에 개시된 기술의 특정 예시에서 사용될 수 있는 3단 링 오실레이터의 출력을 도시한다.
도 22는 FET 센서를 사용한 분석물 용액 분석에 사용될 수 있는 시스템의 예시를 도시하는 블록도이다.
도 23은 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 수행될 수 있는 제조 방법의 예시를 개략화한 흐름도이다.
도 24는 본 명세서에 개시되는 기술에 따라 수행될 수 있는 반도체 장치 사용의 예시를 개략화한 흐름도이다.
I. 개론
본 명세서에 개시되는 것은 활성 부분이 나노 구조에 연결된 위치에서 또는 그 근처에서 나노 구조 채널이 조정된 트랩 상태 밀도를 가지는 수정된 모이어티을 가지는 반도체 장치를 포함하여 나노 구조 채널(예컨대, 나노와이어, 나노튜브, 나노리본 또는 약 100nm보다 작은 임계 치수를 가지는 다른 기하학적 구조)을 가지는 반도체 장치의 설계, 제조, 사용을 위한 방법, 장치 및 시스템의 대표적인 예시이다. 방법, 장치 및 시스템은 일반적으로 예컨대 핵산 시퀀싱을 위해 사용될 수 있는 바이오센서를 포함하여, 바이오센서 기반 검출에 관련된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "나노와이어"는 약 100nm보다 작은 폭과 폭보다 현저히 길 수 있는 길이를 가지는 속이 찬 원통 형상의 구조체이다. 전기 전도는 나노와이어의 전체 부피를 통해 일어난다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "나노튜브"는 약 100nm보다 작은 폭과 폭보다 현저히 길 수 있는 길이를 가지는 빈 원통 형상의 구조체이다. 일부 예시에서, 나노튜브는 원통 형상으로 래핑되는 그래핀의 단일 시트 또는 리본이다. 원통은 중간이 비어있고 전기 전도는 원통의 튜브형 측벽을 통해 일어난다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "나노리본"은 약 100nm보다 작은 폭과 폭과 유사하거나 현저히 길 수 있는 길이를 가지는 평평한 형상의 구조체이다. 나노리본의 두께는 만들어지는 재질에 대응한다. 단일층 그래핀 나노튜브는 약 0.3nm 내지 약 0.4nm 범위의 두께를 가진다. 전기 전도는 나노리본의 전체 부피를 통해 일어난다. 다르게 언급되지 않는 한, 본 명세서에 사용되는 "반도체"는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 탄화 실리콘(SiC), 질화 갈륨(GaN), 비화 갈륨(GaAs), 비화 인듐(InAs)과 같은 물질뿐만 아니라 나노 구조체로 배열됐을 때 반도체와 같이 행동하는 물질, 예컨대 탄소 나노튜브, 질화 붕소 나노튜브 또는 다른 반도체 나노 구조체를 포함한다.
본 명세서에 개시되는 방법, 장치 및 시스템은 어떤 방법으로도 제한하는 것으로 해석돼서는 안된다. 대신, 본 명세서는 다양한 개시된 예시의 단독 및 서로의 다양한 조합과 하위-조합의 모든 신규성과 진보성이 있는 특징과 양태에 관한 것이다. 개시되는 방법, 장치 및 시스템은 임의의 특정 양태나 특징 또는 그 조합으로 제한되지 않을 뿐만 아니라, 개시되는 예시는 임의의 하나 이상의 특정 이점이나 해결해야 할 문제를 필요로 하지 않는다.
본 명세서에 개시되는 방법의 일부의 동작이 제시의 편이를 위해 특정한 연속적 순서로 서술되지만, 후술되는 구체적 언어로 특정 순서가 요구되지 않는 한, 이 방식의 서술은 재배열을 포함함을 이해해야 한다. 예를 들어, 순서대로 서술된 동작은 일부 경우에 재배열되거나 동시에 수행될 수 있다. 나아가, 단순성을 위해, 첨부되는 도면은 시스템, 방법 및 장치가 다른 것과 방법과 관련하여 사용될 수 있는 다양한 방식을 도시하지 않을 수 있다. 나아가, 서술은 때때로 본 명세서에 개시되는 방법을 설명하기 위해 "제조하다", "생성하다", "선택하다", "수신하다", "연결하다" 및 "제공하다"와 같은 용어를 사용한다. 이 용어들은 수행되는 실제 동작의 고수준 서술이다. 이 용어들에 대응하는 실제 동작은 특정 구현에 따라 달라질 수 있고, 본 명세서의 수혜를 받는 분야의 통상의 기술자가 쉽게 인식할 수 있다.
본 출원 및 청구항에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 "a", "an", "the"는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 표현을 포함한다. 나아가, 용어 "includes"는 "comprises"를 포함한다. 게다가, 문맥상 다르게 뜻하지 않는 한, 용어 "결합된"은 기계적, 전기적 또는 전자기적으로 연결되거나 링크된 것을 뜻하고 직접 연결이나 직접 링크와 서술되는 시스템의 의도된 동작에 영향을 주지 않는 하나 이상의 중간 요소를 통한 간접 연결이나 간접 링크 모두를 포함한다.
본 명세서에 제공되는 범위는 언급된 범위 및, 마치 이러한 값이나 하위 범위가 명시적으로 언급된 것처럼, 언급된 범위 내의 임의의 값이나 하위 범위를 포함한다. 예를 들어, 약 10KHz 내지 약 100KHz의 범위는 명시적으로 기술된 약 10KHz 내지 약 100KHz 한정뿐만 아니라, 약 78KHz, 약 94.5KHz 등과 같은 개별 값 및 약 25KHz 내지 약 85KHz, 약 15KHz 내지 80KHz 등과 같은 하위 범위도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서 사용되는 용어 "실질적으로" 및 "약"은 작은 변동을 서술 및 고려하기 위해 사용된다. 예를 들어, 이들은 ±5% 이하, 예컨대 ±2% 이하, 예컨대　±1% 이하, 예컨대 ±0.5% 이하, 예컨대 ±0.2% 이하, 예컨대 ±0.1% 이하, 예컨대 ±0.05% 이하를 지칭할 수 있다.
나아가, "위", "아래", "상부", "하부" 등과 같은 특정 용어가 사용될 수 있다. 이 용어들은 적절한 경우, 상대적 관계를 다룰 때 서술의 일부 명확성을 제공하기 위해 사용된다. 하지만, 이 용어들은 절대 관계, 위치 및/또는 방향을 암시하는 것으로 의도되지 않는다.
본 명세서에서 본 명세서의 장치나 방법을 참조하여 제시되는 동작 원리, 과학적 이론 또는 다른 이론적 서술은 더 나은 이해의 목적을 위해 제공되고 범위를 제한하는 의도가 아니다. 첨부되는 청구항의 장치와 방법은 이러한 동작 원리에 의해 서술된 방식으로 기능하는 이들 장치와 방법을 제한하지 않는다.
본 명세서에 개시되는 임의의 컴퓨터 구현된 방법은 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체(예컨대, 하나 이상의 광학 매체 디스크, 휘발성 메모리 컴포넌트(DRAM이나 SRAM)과 같은 컴퓨터 판독가능한 매체)나 비휘발성 메모리 컴포넌트(플래시 메모리나 하드 드라이브와 같은)에 저장된 컴퓨터 실행가능한 명령어를 사용하여 구현되고 컴퓨터(예컨대, 스마트폰이나 다른 컴퓨팅 하드웨어를 포함하는 휴대 장치를 포함하여 임의의 상업적으로 사용가능한 컴퓨터) 상에서 수행될 수 있다. 본 명세서에 개시되는 기술을 구현하기 위한 컴퓨터 실행가능한 명령어뿐만 아니라 이러한 구현 중 생성 및 사용되는 임의의 데이터 중 임의의 것은 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 매체(예컨대, 컴퓨터 판독가능한 저장 매체) 상에 저장될 수 있다. 컴퓨터 실행가능한 명령어는 예컨대 전용 소프트웨어 애플리케이션 또는 웹 브라우저나 다른 소프트웨어 애플리케이션(원격 컴퓨팅 애플리케이션과 같은)을 통해 액세스 또는 다운로드되는 소프트웨어 애플리케이션의 일부일 수 있다. 이러한 소프트웨어는 예컨대 단일 컴퓨터(예컨대, 임의의 적절한 상업적으로 사용가능한 컴퓨터 상에서 실행되는 일반 목적 및/또는 특수 프로세서) 상에서 또는 하나 이상의 네트워크 컴퓨터를 사용한 네트워크 환경(예컨대, 인터넷, 광역 네트워크, 근거리 네트워크, 클라이언트-서버 네트워크(클라우드 컴퓨팅 네트워크와 같은) 또는 다른 이러한 네트워크)에서 실행될 수 있다.
명확성을 위해, 소트프웨어 기반 구현의 특정 선택된 양태만이 서술된다. 본 분야에 공지된 다른 세부사항은 생략된다. 예를 들어, 본 명세서에 개시되는 기술의 컴퓨터 관련 양태는 임의의 특정 컴퓨터 언어나 프로그램으로 제한하지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에 개시되는 기술은 C, C++, 자바 또는 임의의 다른 적절한 프로그래밍 언어로 쓰여진 소프트웨어로 구현될 수 있다. 유사하게, 본 명세서에 개시되는 기술은 임의의 특정 컴퓨터나 하드웨어의 타입으로 제한하지 않는다. 적절한 컴퓨터와 하드웨어의 특정 세부사항은 공지되었고 본 명세서에 자세히 제시될 필요가 없다.
나아가, 임의의 소프트웨어 기반 예시(예컨대, 컴퓨터가 본 명세서에 개시되는 임의의 방법의 수행을 돕도록 야기하는 컴퓨터 실행가능한 명령어를 포함하는)가 적절한 통신 수단을 통해 업로드되거나, 다운로드되거나, 원격으로 접속될 수 있다. 이러한 적절한 통신 수단은 예컨대 인터넷, 월드 와이드 웹, 인트라넷, 소프트웨어 애플리케이션, 케이블(광섬유 케이블 포함), 자기 통신, 전자기 통신(RF, 마이크로파 및 적외선 통신 포함), 전자 통신 또는 다른 이러한 통신 수단을 포함한다.
II. 도입
본 명세서 제공되는 전계 효과 트랜지스터 또는 FET는 소스, 드레인 및 단일 활성 모이어티로 기능화될 수 있는 전도 채널을 포함한다. 예를 들어, 효소, 항체, 앱타머 또는 전도 채널에 결합될 수 있는 다른 분자가 단일 활성 모이어티로 사용될 수 있다. 적절한 생물학적 기질을 가지는 활성 모이어티의 상호작용은 생물학적 반응의 식별을 가능하게 하는 채널을 흐르는 전류를 변화시키는 국소 전계의 변화나 국소화된 전하의 생성을 낳는다.
FET는 단일 분자 전계 효과 바이오센서다. FET 바이오센서는 예컨대 약 1mM 내지 약 100mM의 범위의 생물학적 관련 염 조건에서 동작할 수 있다. 이러한 염 용액의 디바이 차폐 길이는 약 0.3nm 내지 약 10nm의 범위에 있는데, 채널의 표면 외부의 수 nm로 검출 영역을 제한하고 종종 신호 레벨을 검출능 한계로 감소시킨다.
측정 중 더 낮은 염 농도의 사용은 디바이 길이를 증가시키고 신호를 향상시킨다. 하지만, 일부 경우에 염 농도의 감소는 일반적으로 버퍼 교환이 불가능한 실시간 센서에 적절하지 않다.
본 명세서에 개시되는 기술의 일부 예시에서, 바이오FET의 감도는 트랜지스터의 채널의 트랩 상태를 특히 검출 영역 내에 또는 부근에서 통합함으로써 향상된다. 다시 말해, 나노 구조체의 트랩 상태 밀도는 활성 모이어티가 나노 구조체에 결합되는 위치와 근접한(디바이 차폐 길이보다 작은 거리 내에) 나노 구조체의 부분에 대해 수정된다. 모든 디바이 길이(LD) 거리 변화에 대해, 용액의 전하의 전기 포텐셜은 1/e로 감소한다. 증가한 트랩 상태는 검출 장치의 LOD(limit of detection)를 향상시키고 생물학적 관련 조건 하에서 바이오FET로부터 관찰되는 신호 출력을 강화시킬 수 있다.
III. 반도체 장치에 기반한 전계 효과 센서의 예시
도 1a와 1b는 각각 본 명세서에 개시되는 기술에 따라 제조 및 사용될 수 있는 측면 및 상면도(100 및 105)이다. 도면(100 및 105)은 다양한 특징의 상대 위치를 도시하지만, 크기에 맞게 그려지지는 않았다. 반도체 장치는 소스(110), 드레인(120) 및 게이트(예컨대, 게이트 단자)(130)를 포함한다. 소스(110)와 드레인(120)은 나노 구조체(140)로 구현되는 전도 채널을 통해 연결된다. 이와 같이, 나노 구조체(140)는 전기적으로 전도성인 채널을 제공할 수 있다. 나노 구조체(140)는 반도체 나노와이어(실리콘 나노와이어와 같은), 반도체 나노튜브(반도체 속성을 가지는 카본 나노튜브 또는 폴리머 나노튜브와 같은), 반도체 나노리본(그래핀이나 MoS2 나노리본과 같은) 또는 다른 반도체 나노 구조체 또는 이 중 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 나노 구조체(140)의 전부는 아닌 부분(150)이 나노 구조체(140)의 다른(예컨대, 수정되지 않은) 부분에 비해 증가된 트랩 상태 밀도를 가지도록 수정된다. 수정된 부분(150)은 검출 모이어티(160)와 같은 활성 모이어티로 더 기능화될 수 있다. 하나 이상의 검출 모이어티(160)는 링커(165)를 통해 나노 구조체(140)에 결합된다. 링커(165)는 검출 모이어티(160)의 일부이거나 적절한 생물학적 반응을 통해 이에 결합될 수 있다. 예를 들어, 테더(165)가 한 모이어티(160)를 나노 구조체(140)의 수정된 부분(150)에 결합하는데 사용될 수 있다. 일부 예시에서, 하나 이상의 검출 모이어티(160)는 나노 구조체(140)의 하나 이상의 수정된 영역(예컨대, 부분(들)(150))에 결합된다.
일부 예시에서, 반도체 장치는 적어도 부분적으로 나노 구조체(140)를 둘러싸는 용기(170)를 더 포함하는 장치의 일부이고, 용기(170)는 게이트 단자와 나노 구조체(140) 사이의 전기 통신을 제공하는 분석물 용액을 수용한다. 용기(170)는 용액이 나노 구조체(140)와 접촉하도록 분석물 용액(175)을 포함하는 개방 또는 폐쇄 컨테이너일 수 있다. 분석물 용액(175)의 화학종(179)(예컨대, 뉴클레오티드)이 검출 모이어티(160)와 접촉하게 됨에 따라, 전기 전하 또는 전계의 변화가 나노 구조체(140)의 전도 채널에 유도된다. 따라서, 분석물의 종(179)에 대한 정보가 소스(110), 드레인(120) 및 게이트(130)를 포함하는 FET 트랜지스터로부터의 전하나 전계의 변화를 관찰함으로써 추정될 수 있다. 더 후술되는 바와 같이, 나노 구조체(140)의 수정된 부분(150)이 상이한 트랩 상태 밀도를 가지므로, 이것은 종(179)이 검출 모이어티(160)와 상호작용할 때 생성되는 신호의 신호 대 노이즈 비를 증가시키는데 유리하게 사용될 수 있다.
도 1a와 1b에 도시된 바와 같이, 소스(110), 드레인(120) 및/또는 나노 구조체(140)가 예컨대 이산화규소를 포함하는 절연층(180) 상에 배치된다. 결국 절연층(180)은 기판, 예컨대 실리콘 기판(190) 상에 배치된다. 실리콘 기판(190)은 기판(190)에 전기 포텐셜을 인가하기 위한 본체 단자(195)를 포함할 수 있는데, 이는 반도체 장치의 성능 특성을 조정하는데 사용될 수 있다. 일례로, 본체 단자(195)는 변조된 신호 입력에 연결되고 게이트 단자(130)는 고정 전압(예컨대, 전원 또는 접지)에 연결된다. 다른 예시로, 게이트 단자(130)는 변조된 신호 입력에 연결되고 본체 단자(195)는 고정 전압(예컨대, 전원 또는 접지)에 연결된다. 일부 구현에서, 소스(110), 드레인(120) 및 채널은 벌크 반도체 기판에 조립되고 메사 또는 얕은 트렌치 절연을 통해 회로의 나머지로부터 이격될 수 있다.
나아가, 일부 예시에 도시된 바와 같이, 절연 물질, 예컨대 PMMA(poly methyl methacrylate)가 소스(110) 및 드레인(120) 단자 및 나노 구조체(140)의 일부를 둘러쌀 수 있다. 절연 인클로저(197 및 198)는 소스(110) 및 드레인(120)의 전기적 절연뿐만 아니라 화학적 저항도 제공한다. 일부 예시에서, 절연 인클로저(197 및 198)는 바람직하게는 분석물 용액(175)에 대해 화학적으로 비활성이다.
일부 예시에서, 나노 구조체(140)의 수정된 부분(150)은 활성 모이어티(165)로 기능화되는 부분에 의해 생성되는데, 나노 구조체(140)의 격자의 분열로 인해 나노 구조체(140)의 그 부분의 트랩 상태 밀도를 증가시킨다. 일부 예시에서, 나노 구조체(140)의 수정된 부분(150)은 이온 주입, 에너지 빔 방사, 플라즈마 노출 또는 그 조합에 의해 형성된다. 일부 예시에서, 나노 구조체(140)의 수정된 부분(150)은 이온 주입에 의해 형성된다. 일부 예시에서, 나노 구조체(140)의 수정된 부분(150)은 확산에 의해 형성된다. 일부 예시에서, 나노 구조체(140)의 수정된 부분(150)은 플라즈마 처리에 의해 형성된다. 일부 예시에서, 나노 구조체(140)의 수정된 부분(150)은 에너지 빔 방사, 예컨대 전자 또는 헬륨(He) 이온 빔에 의해 형성된다. 일부 예시에서, 수정된 부분(150)은 효소나 앱타머를 수정된 부분(150)에 결합함으로써 형성되는데, 나노 구조체(140)의 원자 결합을 분열시킨다. 일부 예시에서, 결합된 효소나 앱타머는 나노 구조체(140)의 수정된 부분(150)에 공유결합한다. 일부 예시에서, 활성 모이어티(165)는 다음 중 하나의 단일종이다: 단일 효소, 단일 항체 또는 단일 앱타머. 다른 예시에서, 활성 모이어티(165)는 효소, 항체 및/또는 앱타머의 둘 이상의 분자를 포함한다. 일부 예시에서, 활성 모이어티(165)는 항체, 앱타머 또는 폴리메라아제의 일부이다. 일부 예시에서, 증가된 트랩 상태 밀도는 바람직하게는 약 1×1012 트랩/cm2 내지 약 1×1014 트랩/cm2 범위이다(다음 중 하나와 같이: 약 1×1012 트랩/cm2 내지 약 1×1013 트랩/cm2, 약 1×1013 트랩/cm2 내지 약 1×1014 트랩/cm2, 약 5×1012 트랩/cm2 내지 약 5×1013 트랩/cm2, 약 1×1012 트랩/cm2 내지 약 5×1012 트랩/cm2, 약 5×1013 트랩/cm2 내지 약 1×1013 트랩/cm2, 약 1×1013 트랩/cm2 내지 약 5×1013 트랩/cm2, 약 5×1013 트랩/cm2 내지 약 1×1014 트랩/cm2, 약 2×1013 트랩/cm2 내지 약 6×1013 트랩/cm2, 약 3×1013 트랩/cm2 내지 약 7×1013 트랩/cm2, 약 4×1013 트랩/cm2 내지 약 8×1013 트랩/cm2, 약 5×1013 트랩/cm2 내지 약 9×1013 트랩/cm2, 약 1×1013 트랩/cm2 내지 약 2×1013 트랩/cm2, 약 2×1013 트랩/cm2 내지 약 3×1013 트랩/cm2, 약 3×1013 트랩/cm2 내지 약 4×1013 트랩/cm2, 약 4×1013 트랩/cm2 내지 약 5×1013 트랩/cm2, 약 5×1013 트랩/cm2 내지 약 6×1013 트랩/cm2, 약 6×1013 트랩/cm2 내지 약 7×1013 트랩/cm2, 약 7×1013 트랩/cm2 내지 약 8×1013 트랩/cm2, 약 8×1013 트랩/cm2 내지 약 9×1013 트랩/cm2 및 약 9×1013 트랩/cm2 내지 약 1×1014 트랩/cm2). 일부 예시에서, 증가된 트랩 상태 밀도는 바람직하게는 약 1×1012 트랩/cm2 내지 약 1×1014 트랩/cm2 범위이다(다음 중 하나와 같이: 약 1×1012 트랩/cm2 내지 약 1×1013 트랩/cm2, 약 1×1013 트랩/cm2 내지 약 1×1014 트랩/cm2, 약 5×1012 트랩/cm2 내지 약 5×1013 트랩/cm2, 약 1×1012 트랩/cm2 내지 약 5×1012 트랩/cm2, 약 5×1013 트랩/cm2 내지 약 1×1013 트랩/cm2, 약 1×1013 트랩/cm2 내지 약 5×1013 트랩/cm2, 약 5×1013 트랩/cm2 내지 약 1×1014 트랩/cm2, 약 2×1013 트랩/cm2 내지 약 6×1013 트랩/cm2, 약 3×1013 트랩/cm2 내지 약 7×1013 트랩/cm2, 약 4×1013 트랩/cm2 내지 약 8×1013 트랩/cm2, 약 5×1013 트랩/cm2 내지 약 9×1013 트랩/cm2, 약 1×1013 트랩/cm2 내지 약 2×1013 트랩/cm2, 약 2×1013 트랩/cm2 내지 약 3×1013 트랩/cm2, 약 3×1013 트랩/cm2 내지 약 4×1013 트랩/cm2, 약 4×1013 트랩/cm2 내지 약 5×1013 트랩/cm2, 약 5×1013 트랩/cm2 내지 약 6×1013 트랩/cm2, 약 6×1013 트랩/cm2 내지 약 7×1013 트랩/cm2, 약 7×1013 트랩/cm2 내지 약 8×1013 트랩/cm2, 약 8×1013 트랩/cm2 내지 약 9×1013 트랩/cm2 및 약 9×1013 트랩/cm2 내지 약 1×1014 트랩/cm2). 일부 예시에서, 증가된 트랩 상태 밀도는 바람직하게는 약 3×1013 트랩/cm2 내지 약 4×1013 트랩/cm2 범위이다(약 3×1013 트랩/cm2 내지 약 4×1013 트랩/cm2과 같이).
반도체 장치가 동작중일 때, 전압차가 소스(110) 및 드레인(120)에 걸쳐 인가된다. 예를 들어, 소스(110)는 접지에 유지되고 더 높은 포텐셜이 예컨대 전원으로부터 또는 전원에 연결되는 다른 트랜지스터로부터 드레인(120)에 인가된다. 반도체 장치는 게이트(130)에 인가되는 전압이 반도체 장치의 임계 전압을 초과할 때 온 상태(예컨대, 선형 또는 포화된 동작 상태)에 진입할 것이다. 임계 전압은 게이트(130)와 소스(110) 사이에서 공통으로 측정된다. 일부 예시에서, 시간 가변 전기 신호(예컨대, 전압-가변 신호)가 게이트(130)에 인가되는데, 반도체 장치의 소스(110)와 드레인(120) 사이의 전류 흐름이 이에 따라 달라지도록 야기한다. 일부 예시에서, 시간 가변 전기 신호(예컨대, 전압-가변 신호)가 소스(110) 또는 드레인(120)에 인가되는데, 반도체 장치의 소스(110)와 드레인(120) 사이의 전류 흐름이 이에 따라 달라지도록 야기한다. 분자(179)와 같은 분자가 검출 모이어티(160)와 상호작용함에 따라, 반도체 장치의 임계 전압에 작은 변화가 유도된다. 따라서, 임계 전압의 변화를 관찰 및 측정함으로써, 예컨대 장치를 통해 흐르는 전류나 드레인(120)의 전압의 변화를 관찰함으로써, 상호작용하는 분자(179)와 분석물 용액(175)에 대한 정보가 추정될 수 있다. 게이트(130)가 시간 가변 전기 신호를 수신하는 예시에서, 본체 단자(195)가 일정 포텐셜, 예컨대 접지 포텐셜에 유지될 수 있다. 다른 예시에서, 장치를 통해 흐르는 전류나 드레인(120)의 전압의 변화를 관찰함으로써 게이트(130)가 일정 포텐셜에 유지되고 시간 가변 전기 신호가 인가되어 본체 단자(195)의 전압을 변화시킨다.
도 1a와 1b의 예시가 기판(190)에 대한 나노 구조체(140)의 수평 배향을 도시하지만, 본 명세서의 수혜를 받는 분야의 통상의 기술자는 나노 구조체(140)의 다른 배향, 예컨대 기판(190)에 대한 수직 배향도 본 명세서에 개시되는 기술과 함께 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 수직 배향 나노 구조체(140)에서, 트랩 상태 밀도는 상술한 것과 유사한 방식으로, 예컨대 나노 구조체(140)의 부분에 이온을 주입함으로써, 나노 구조체(140) 부분에 국소화 도핑을 수행함으로써 또는 나노 구조체(140)가 기판(190) 상에 증착됨에 따라 화학 기상 성장 프로세스의 소스 재질의 조성을 조정함으로써 조정될 수 있다.
적절한 링커 분자(165)가 게이트 산화물의 속성에 따라 선택될 수 있다. SiO2의 경우, 시레인이나 다른 적절한 생화학적 결합 분자가 사용될 수 있다. 금속 산화물 게이트 물질(HfO2 및 AlO3)의 경우, 포스포네이트, 하이드록사메이트, 히드라진 및 그 조합 또는 다른 적절한 생화학적 결합 분자가 사용될 수 있다. 탄소 기반 물질의 경우, 피렌, 안트라센, 카르복시기(및 그 조합)나 다른 적절한 생화학적 결합 분자가 사용될 수 있다. 선택된 도펀트의 종은 원하는 트랩 상태가 도너, 억셉터 또는 중립인지 여부에 따른다. 적절한 도펀트 종은 도 13에 관해 후술되는 차트(1300)로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 탄소(C) 임플란트가 전도 에지 상태를 생성할 수 있는 반면, 인듐(In) 임플란트가 원자가 에지 상태를 생성할 수 있다.
IV. 수정된 트랩 상태 밀도를 가지는 반도체 장치의 예시
종래의 FET에서, FET의 하나 이상의 치수(예컨대, 길이, 유효 폭 또는 채널 길이)가 약 100nm 이상일 때, 트랩 상태의 (피할 수 없는) 존재는 1/f 노이즈에서 나타난다. 하지만, FET의 치수가 약 50nm 아래로 감소하면, 노이즈 스펙트럼은 극적으로 변화하고 RTN(random telegraph noise)로 불리는 쌍안정의 전류 레벨을 드러낸다.
기능화된 FET의 전류 흐름의 변화의 예시를 도시하는 차트(200)가 도 2에 도시된다.
20nm FET의 RTN을 나타내는 전류 흐름의 차트(300)가 도 3에 도시된다. 도시된 바와 같이, 신호는 쌍안정이고 두 개별 레벨 사이에서 랜덤하게 발진된다.
RTN의 기원은 FET의 채널 내의 단일 전하 캐리어의 트랩 및 비-트랩에 있다. 도 4는 본 명세서에 서술되는 기술에서 사용될 수 있는 반도체 물질의 전하 캐리어에 의해 점유될 수 있는 에너지 레벨을 도시한다. 트랩은 일반적으로 억셉터 트랩(400)과 도너 트랩(410)으로 분류된다. 트랩 상태는 이온화하기 위한 반도체 물질의 열 에너지보다 큰 에너지를 수반하고 따라서 반도체 물질의 자유 캐리어에 기여하지 않는 경향이 있다. 따라서, 물질의 트랩 상태는 전하 흐름을 제한하는 경향이 있다. 양 타입의 트랩의 존재에서, 반도체의 밴드 구조를 서술하기 위한 편리한 표기법이 중립 레벨 E0의 표기법이다. E0 위 또는 아래의 모든 상태가 각각 억셉터나 도너 상태로 간주된다. 페르미 레벨 EF이 E0 위나 아래일 때, 차트(420)에 도시된 바와 같이 트랩의 순 전하는 각각 음 또는 양이다.
예컨대 센서의 표면 근처의 전하를 증착하는 생화학적 반응으로부터 전압이 반도체의 표면에 인가될 때, 인터페이스 트랩(및 따라서 중립 레벨 E0)은 전도 및 원자가 전자 띠끝과 함께 위나 아래로 이동하는 반면, 페르미 레벨 EF는 고정된 채로 유지된다. 이것은 EF와 E0 사이의 오프셋의 상대 변화, 및 따라서 산화물/반도체 계면에서 고정된 전하의 변화 ΔCox를 야기하는데, 수식 1에 서술된 바와 같이 트랜지스터의 임계 전압을 시프트시킨다.
Figure 112019132753296-pct00001
이 VT 시프트는 생화학적 반응에 의해 야기된 시프트를 넘어 그 위에 있다. 따라서, 수식 1만에 기반하면, 트랩 상태를 가지는 센서가 우수한 감도를 나타낼 것으로 기대할 것이다. 하지만, 도 5에 도시된 차트(500)에서 알 수 있듯이, 트랩 상태는 IDVG 전달 곡선의 기울기를 열화시킴으로써 트랜지스터 응답을 감소시키는 것으로 알려져 있다. x축은 게이트-대-소스 전압(VG)에 대응하고 y축은 FET 드레인 전류(ID)에 대응한다. 증가하는 국소 트랩 상태 밀도에 대하여, 드레인 전류는 도시된 바와 같이 열화한다(0.0 트랩 상태 밀도(참조부호 510); 1×1013(520); 5×1013(530); 및 1×1014(540)).
도 6의 차트(600)에 도시된 바와 같이, 센서 응답이
Figure 112019132753296-pct00002
에 직접 비례하기 때문에, 트랩 상태는 IDVG 곡선의 기울기를 감소시키고, 센서 감도에 특정 트랩 밀도에서 전체 최대값을 야기하는 두 경쟁 효과가 있다(추가적 ΔCox 변조로 인한 향상 및 IDVG 곡선의 기울기의 감소로 인한 열화). x축은 트랩 밀도에 대응하고 y축은 검출 영역에서 FET 전하 감도에 대응한다. 증가하는 ΔCox(610) 및 대응하는 드레인 전류 ID(620)의 열화에 대한 FET의 감도가 도시된다. 이들 두 인자에 기반하여 조합된 감도(630)도 도시되는데, 최대값(640)을 나타낸다.
본 명세서의 수혜를 받는 분야의 통상의 기술자에게 명백한 바와 같이, 검출되는 생화학적 반응의 부근에서 트랩을 국소화시키는 것은 감도에 기대되는 향상을 증가시키는데, 생화학적 반응의 위치에서 디바이 길이 이상으로 먼 트랩 상태는 IDVG 열화에 기여하지만 ΔCox 변조에는 그렇지 않기 때문이다.
트랩 상태의 존재 하에서 센서의 기대 행동은 상세한 시뮬레이션으로 확인될 수 있다. 본 명세서에 개시된 기술의 일부 예시로 구현될 수 있는 반도체 장치의 시뮬레이션 기하학이 도 7의 다이어그램(700)에 도시된다. 도시된 바와 같이, 높이 도핑된 소스/드레인 영역(각각 720, 725)를 가지는 20nm 폭, 100nm 길이의 실리콘 나노와이어(710) 및 2nm 두께의 게이트 산화물이 10mM 염 용액(730)에 담그어진다. 센서 응답은 게이트 산화물의 표면으로부터 1nm 떨어져 위치한 외부 전하 +2e(e는 전자의 기초 전하)를 있고 없는 IDVG 곡선의 변화 ΔI를 계산함으로써 추정된다. SNR(signal-to-noise ratio)가 ΔI/δI로 계산되는데, δI는 존슨, 샷 및 1/f 노이즈 컴포넌트로부터 근사된 기대되는 나노와이어 노이즈이다. 1/f 노이즈는 Hooge 모델 S2(f)=α/Nf로부터 계산되는데, α는 Hooge 상수(2.1×10-3)이고, N은 채널의 캐리어의 수이고, f는 주파수이다. 100KHz 측정 밴드폭이 이 예시 시뮬레이션에서 추정되었다. 트랩 상태 밀도는 도시된 검출 영역(750)에서 1012 내지 1014cm2 사이의 가변량으로 증가하는데, 이는 외부 전하(740)와 나노와이어(710) 사이에 위치한다.
도 8은 트랩 밀도 Nt=1012/cm2인 도 7에 도시된 센서의 VG(810)의 함수로 ΔI를 그린 차트(800)이다. VG의 함수로 계산된 SNR(ΔI/δI)도 도시된다. 최대 트랜스컨덕턴스 지점
Figure 112019132753296-pct00003
근처의 스트롱 피크(825)가 ~0.4V의 VG에서 관찰된다.
도 9는 Nt=0-1014cm2의 미드-갭 상태에 대해 수행된 일련의 이러한 계산에 대해 Nt의 함수로 피크 SNR의 플롯(910)을 가지는 차트(900)이다. 피크 응답은 이전 논의에 기반하여 기대된 바와 같이, 트랩이 없는 경우에 비해 SNR에 거의 3배의 향상이 관찰된다.
SNR 향상 정도 및 최대 SNR의 특정 트랩 밀도는 많은 수의 인자(트랜지스터 설계의 세부사항, 전해액의 염도, 외부 전하와 채널/게이트 산화물 인터페이스에 대한 트랩 상태의 위치, 반도체의 전도 및 원자가 전자대에 대한 트랩 상태의 위치 및 다른 관련 인자)에 따른다는 것을 유의하여야 한다. 피크 SNR 게인은 달라질 수 있고 FET 성능에 영향을 주는 인자(예컨대, 소스 도핑, 채널 도핑, 오버랩 거리, 게이트 산화물 두께, 소스, 드레인 및 오버랩 영역의 깊이 등)에 대해 경험적으로 조정될 수 있지만, 응답의 일반적인 형상은 그렇지 않을 것이다. 다시 말해, 검출 영역에 의도적으로 적절하게 타게팅된 트랩 상태를 도입하는 것은 일반적으로 센서 응답을 향상시킬 것이다.
도 10은 나노와이어의 표면에 대한 검출 모이어티의 공유 부착을 도시하는 도면(1000)이다. 공유 결합의 생성은 부착 장소(1010) 부근의 원자 결합을 방해하고 국소화된 트랩 상태를 생성한다. 사용되는 링커 분자의 선택은 FET 센서의 표면의 속성에 기반한다. 사용될 수 있는 링커 분자의 적절한 예시는 SiO2에 대해 시레인; HfO2와 같은 금속 산화물에 대해 포스포네이트, 하이드로메이트, 히드라진; 탄소 기반 표면에 대해 피렌, 안트라센 및 카르복실기 또는 많은 수의 적절한 생-결합 반응 중 임의의 다른 수를 포함할 수 있다.
도 11은 기존의 반도체 제조 기술로 또는 하전 빔 방사(예컨대, 전자 빔, 이온 빔, 플라즈마 방사 또는 도핑되지 않은 종의 이온 주입)를 사용하여 탑-다운으로 제어될 수 있는 트랩 상태의 밀도와 위치를 도시하는 도면(1100)이다.
도 12는 트랩 상태의 밀도와 위치도 국소 도핑을 통해 제어될 수 있음을 도시하는 도면(1200)이다. 수평 나노와이어의 경우, 도핑은 임플란트 또는 확산 도핑을 통해 달성된다. 수직 나노와이어의 경우 도핑도 성장 도중 제어될 수 있다.
도 13의 차트(1300)에 도시된 바와 같이, 임플란트 종 및 정량이 Si의 다양한 불순물에 대해 측정된 이온화 에너지 및 선택된 FET 제조 기술에 의해 지워진 다른 최적화 제약 문제에 따라 원하는 타입의 트랩을 생성하기 위해 선택될 수 있다.
V. 디바이 차폐를 극복하기 위해 사용되는 인가 신호 사용의 예시
일례로, 물리적 관점에서, Na+Cl-나 K+Cl-와 같은 이온화 용액은 양 및 음이온의 임의의 집합으로부터 구분이 되지 않고, 가장 일반적으로 플라즈마로 설명될 수 있다. 모든 플라즈마는 인가되는 전기 신호 위에서 투명해지는 "PF(plasma frequency)"라고 불리는 특성 주파수를 가진다. 플라즈마 주파수는 m-1/2에 비례하는데, m은 대전된 종의 질량이다. 플라즈마 주파수 위에서, 전계는 너무 빠르게 변화하고 대전된 종의 관성은 전계와 함께 이동하며 에너지를 흡수하도록 허용하지 않는다.
금속은 플라즈마를 생성하는데 사용되는 타겟의 공통적 예시이다. 금속은 가시광에 완전히 불투명하나, x 레이에 투명할 수 있다. 기체 플라즈마(예컨대, Ar+/e-)는 수백 kHz까지 불투명하나 MHz 범위에서 투명해진다. 유사하게, 전하 캐리어가 N에 유사한 질량인 이온 염 용액은 MHz 범위에서 투명해질 것으로 기대될 수 있다.
검출의 관점에서 불투명에서 투명으로의 이온 용액의 전이는 중요한 영향을 가진다. 플라즈마 주파수 아래에서, 용액의 전계는 exp(-x/LD)/x로 감쇠하는데, LD는 플라즈마의 디바이 길이이다. 플라즈마 주파수 위에서 용액의 전계는 1/x로 감쇠하는데, 훨씬 약한 감쇠 속도이다. 플라즈마 주파수 위/아래의 감쇠 속도의 비율은 exp(-x/LD)이다.
도 1로 돌아가면, 나노 구조체와 접촉하는 분석물 용액(175)은 일반적으로 플라즈마로 서술될 수 있다. 이러한 플라즈마는 그 위에서 용액의 분석물에 투명해지는 플라즈마 주파수라고 불리는 특성 주파수를 가진다. 플라즈마 주파수 위의 전기 신호를 게이트(130)에 인가함으로써, 용액의 대전된 종의 관성은 전계와 함께 이동하는 것을 방지하고 따라서 에너지를 흡수하는 것을 중단시키며, 이로써 투명해진다.
약 10mM 내지 약 100mM의 범위의 생물학적 용액의 경우, LD는 약 0.3nm 내지 약 3nm의 범위이다. 이것은 전계 효과 이론 상에서 동작하는 바이오센서에 대한 영향을 가질 수 있는데, 많은 예시에서 바이오센서는 센서의 표면의 1nm 내지 3nm 내에서 생성된 전계에 응답하기 때문이다. 그래도 전계가 센서 표면에 도달하기 전에 센서에 의한 대응하는 전계 효과의 검출을 제한 또는 무효화시키는 규모로 약화된다. 예를 들어, 50mM 용액에 담궈진 센서로부터 2nm 떨어진 전하의 전계는 플라즈마 주파수 아래에서 위보다 ~7×(e-2) 강하게 약화될 것이다. 따라서, 플라즈마 주파수 위에서 작동함으로써 SNR 향상의 가능성은 현저하다.
VI. FET의 신호 인가 및 측정을 위한 회로의 제1 예시
도 14는 그 표면에 스트렙타이비딘/비오틴 결합이 없을 때(1410)과 있을 때(1420)의 100mM NaCl에 담궈진 전계 효과 센서(탄소 나노튜브)의 예시의 전류 ID를 그린 차트(1400)이다. 차트는 그 표면에 비오틴-스트렙타이비딘 결합을 측정 주파수의 함수로 보여준다. NaCl 농도는 100mM이고, 디바이 길이는 ~0.3nm이다. 도시된 바와 같이, 강한 차폐(~0.3nm의 LD) 때문에, 센서는 2MHz 아래의 비오틴의 존재를 검출할 수 없다. 반면, 확연한 차이 응답이 10MHz에서 관찰되는데, NaCl 용액의 기대 플라즈마 주파수보다 위이다.
본 명세서에 개시된 기술의 일부 예시에서, 도 15의 도면(1500)에 도시된 바와 같이 진폭 변조된 입력 신호를 가지는 혼합 전류 측정 회로(1510)가 ID를 측정하는데 사용될 수 있다. 하지만, 더 큰 어레이의 센서의 경우(예컨대, 수백 또는 수천 이상의 센서를 가지는 어레이) 이러한 회로의 사용은 다루기 힘들어지고 이러한 회로의 사용은 수백만의 센서로 이루어지는 어레이를 위한 현재 프로세스 기술에서 실행 불가능할 수 있다.
나아가, 이러한 혼합 전류 측정 회로를 사용하는 검출 스킴에 적어도 두 문제가 있을 수 있다. 먼저, 고주파수 RF 신호가 신호의 위상 시프트를 제어하며 센서별로 공급된다. 이 문제는 현대 마이크로프로세서의 클락 분배와 유사하다. 회로 문제가 적절한 회로와 설계 기술의 사용으로 다루어질 수 있지만, 검출을 위해 사용될 수 없는 칩의 부동산 비용이 있다. 두번째 문제는 픽셀당 록인 증폭의 사용이다. 록인 증폭기는 구현될 때 집적 회로 영역의 관점에서 극단적인 비용을 낳는 복잡한 회로이다.
VII. 본 명세서에 개시되는 FET의 신호 인가 및 측정을 위한 회로의 제2 예시
본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서, PLL(phase-locked loop) 구성에서 VCO(voltage-controlled oscillator)를 가지는 회로는 고주파 신호의 센서당 생성 및 검출을 위해 사용된다. 센서의 예시의 개략도(1600)가 도 16에 도시된다. 홀수개의 인버터(도면에는 3개: 1610, 1611 및 1612)가 고정 주파수에서 공진하는 링 오실레이터(1620)를 형성한다. 효소(1630)가 오실레이터 인버터의 트랜지스터 중 하나의 게이트에 부착되는 것과 같은 일반화된 방식에서 보여지는 생물학적 반응은 따라서 링 오실레이터의 FET의 하나 이상의 게이트에 가변 부하를 제공하는데, 그 공진 주파수를 시프트시킨다. 다른 예시에서, 하나 이상의 효소가 단일 트랜지스터 게이트에 부착될 수 있다. 링 오실레이터(RO)의 발진 주파수는 인버터를 조립하는데 사용되는 기술 및 오실레이터의 인버터의 수에 의존한다. 현재의 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor) 조립 기술의 경우, 3단 오실레이터의 공진 주파수는 수 GHz만큼 높을 수 있다. 일부 예시에서, 링 오실레이터의 하나 이상의 인버터 스테이지가 생물학적 반응이 있는 경우 발진 주파수에 개별 효과를 생성하는 상이한 모이어티로 기능화되는데, 예컨대 한 스테이지는 오실레이터의 발진 주파수를 증가시킴으로써 응답할 수 있고, 다른 것은 공진 주파수를 감소시킴으로써 응답할 수 있다. 이러한 구현은 특히 다중 검출의 특정 예시에서 바람직할 수 있다.
각 인버터 스테이지에 적합한 회로의 예시가 도 17의 개략도(1700)에 도시된다. PMOS(1710) 1개와 NMOS(1720) 1개의, 각각이 PU(pull-up) 및 PD(pull-down) 트랜지스터로 불리는 두 트랜지스터가 도 17에 도시된 바와 같이 연결된다. IN 포트의 신호가 하이일 때, PU 트랜지스터는 오프인 반면 PD 트랜지스터가 온이어서, OUT 포트의 낮은 포텐셜을 야기한다. 반대로, IN 신호가 로우일 때, PD 트랜지스터는 오프인 반면 PU 트랜지스터가 온이어서, OUT 포트의 높은 포텐셜을 야기한다. 따라서 이 회로는 입력 신호의 극성을 반전하므로, "인버터"라는 이름이다.
본 명세서에 개시되는 기술의 일부 예시에서, 효소, 예컨대 폴리메라아제가 RO의 인버터 스테이지 중 하나의 PU 또는 PD 트랜지스터의 게이트에 부착될 것이다. 야생형(wild-type) 기질(예컨대, dNTP(deoxynucleotide)) 또는 수정된 기질(예컨대, 비제한적 예시로서 전하-태그 dNTP)로 활동하는 효소에 의해 생성된 전계는 시간 의존적 방식으로 특정 인버터 스테이지의 성능을 바꾸고 따라서 링 오실레이터(1620)의 공진 주파수를 변화시킬 것이다. 일부 예시에서, 효소가 부착된 FET는 효소가 나노 구조체 채널에 결합된 곳 또는 근처에서 증가된 국소 트랩 상태 밀도를 가질 수 있다. 도 17의 인버터에서, 추가 컴포넌트(1730)가 효소가 국소 트랩 상태 밀도가 증가된 영역에서 또는 근처에서 트랜지스터 채널에 결합된 모델에 추가될 수 있다. 이 예시에서, 따라서 링 오실레이터(1620)는 bVCO(biologically-driven voltage controlled oscillator)로 행동한다. 일부 예시에서, 효소에 결합된 FET만이 나노 구조체 채널을 가지고, 다른 FET는 금속이나 폴리실리콘 게이트를 가지는 PMOS 또는 NMOS 트랜지스터이다. 일부 예시에서, 링 오실레이터(1620)의 FET 전부가 나노 구조체 채널을 가진다(예컨대, 나노튜브 또는 나노와이어 채널). 일부 예시에서, 효소에 결합된 FET만이 분석물 용액과 접촉하는 반면, 다른 예시에서는 FET 중 하나 이상 또는 전부가 분석물 용액과 접촉한다.
bVCO의 공진 주파수의 작은 변화를 검출하는 효율적인 방법 하나는 PLL(phase-locked loop)를 통하는 것이다. 일부 예시에서, PLL은 두 VCO를 가지는데, 주파수가 검출되는 생물학적 반응에 의해 제어되는 b-VCO 하나와 그 자신과 b-VCO의 발진 간에 일정한 위상차를 유지하기 위하여 외부적으로 공급되는 전압을 조정함으로써 b-VCO 주파수의 변화를 추적하는 오실레이터 하나이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이 제2 VCO는 검출 VCO 또는 s-VCO로도 불린다.
도 18의 개략도(1800)에 도시된 바와 같이, 이 타입의 회로의 동작은 SPICE 시뮬레이션으로 확인될 수 있다. bVCO는 도 18에 도시된 바와 같이 외부 소스(1820)가 인버터 스테이지(1830) 중 하나의 입력에 작은 변화를 공급하는 링 오실레이터(1810)로 시뮬레이션될 수 있다.
전압 소스(1820)로부터의 작은 전압 Vsignal이 주 RO 루프로부터의 보통 신호와 병렬로 제2 인버터 스테이지(1830)의 입력에 인가된다. b-VCO로부터의 신호가 지점 SENSE에서 탭되고 위상 추적을 위해 s-VCO에 공급된다.
PLL의 나머지는 도 19의 개략도(1900)에 도시된 바와 같이 시뮬레이션된다. PD로 표시된 전압 추가기가 b-VCO와 s-VCO의 출력을 추가한다. 저항기 R1과 커패시터 C1를 포함하는 로우 패스 필터가 고주파 신호를 b-VCO와 s-VCO 발진 간의 위상차에 비례하는 DC 전압으로 변환한다. FG로 표시된 증폭기가 이 DC 신호를 증폭하고 s-VCO에 다시 공급함으로써, s-VCO 주파수가 b-VCO로부터의 신호와 0도 오프셋을 유지하도록 조정하는 피드백 루프에 공급한다. 증폭기 FG의 출력도 FG로부터의 전압이 특정 레벨 이상일 때 논리적 1을, 다른 때에 논리적 0을 생성하는 세트 전압에서 트리거링하는 슈미트 트리거 A1에 의해 모니터링된다. 증폭기 FG와 슈미트 트리거는 시뮬레이션 기기를 위해 시뮬레이션된 회로에 추가되고 실제 구현에서 필수적으로 사용되는 것이 아님을 유의하여야 한다. 또한 본 명세서에 서술되는 PLL 회로 구현은 설명적 예시이고 본 명세서의 수혜를 받는 분야의 통상의 기술자가 쉽게 이해하는 바와 같이 다른 회로 구현이 사용될 수 있음도 유의하여야 한다.
도 20은 도 19의 개략도(1900)에 도시되는 회로의 다양한 지점에서 관찰되는 전압 신호를 도시하는 다수의 차트(2000, 2010, 2020 및 2030)를 포함한다. 입력 신호(2000)는 0.3의 SNR을 가지고 단일 레벨 트리거로 불릴 수 없다. 출력 신호(2010)는 >10의 SNR을 가지고 단일 레벨 트리거로 쉽게 불릴 수 있다. 트리거는 28mV 이상에서 논리적 1을, 그 레벨 아래에서 논리적 0을 출력한다. FG 증폭기의 출력에서 관찰되는 중간 신호도 차트(2020)에 도시된다. 효소로부터의 이상화된 응답이 검출 효소와의 모델 상호작용에 사용되는 PD 전압 추가기에 의한 전압 출력의 시뮬레이션된 변화로 모델링되고 도 20에 도시된 차트(2030)에 도시된다.
도 21의 차트(2100)에 도시된 바와 같이 이 시뮬레이션에 사용되는 3단 링 오실레이터의 발진 주파수가 약 6GHz임을 유의하여야 한다. 이것은 2MHz 언저리인 사용되는 이온 NaCL 용액의 플라즈마 주파수보다 꽤 위이다(도 14 참조). 따라서, 도 1a-1b의 센서의 향상된 감도가 보여진다. 링 오실레이터의 예시의 주파수도 PLL이 응답할 수 있도록 구성된, 기대되는 신호의 밴드폭(약 100kHz 내지 1MHz)보다 꽤 위이다.
요약하면, b-VCO를 가지는 PLL은 노이즈 생물학적 신호를, 특히 생물학적 관련 염 농도에서 검출하는데 사용될 수 있다. 일부 예시에서, 본 명세서에 개시되는 링 오실레이터 구성에서 사용되는 바이오 FET의 트랩 상태 밀도가 사용된다. 회로는 이점적으로 집적 회로 영역의 더 낮은 사용을 나타내고 숙고한 조립 노드에서 구현될 수 있다. 도 16 내지 20의 예시의 경우, 두 VCO가 총 6개의 트랜지스터를, 위상 검출기를 위해 추가로 6 내지 10개의 추가 트랜지스터를 사용한다. 회로의 출력 신호는 약 10KHz 내지 약 100KHz의 범위의 주파수로 변화하는데, 록인 방법의 구현에 사용되는 MHz+ 속도보다 꽤 아래이다. 따라서, 방법은 고주파수 검출 스킴의 단일 집적 회로 다이에서 수천 및 잠재적으로 수백만의 센서로의 규모 확대를 가능하게 한다.
VIII. 본 명세서에 개시되는 전계 효과 센서를 사용한 시스템 구현의 예시
도 22는 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 사용될 수 있는 트랩 상태 밀도의 국소 변화로 인해 향상된 감도를 가지는 FET 센서를 사용하여 분석물 용액을 분석하는데 사용될 수 있는 시스템을 도시하는 블록도(2200)이다. 도시된 바와 같이, 반도체 장치의 어레이(2210)는 본 명세서에서 논의되는 기술에 따라 수정된 트랩 상태 밀도를 가지는 전도 채널을 가진다. 일부 예시에서, 어레이(2210)의 반도체 장치 각각 또는 장치의 그룹은 분석물 용액을 수용하는 각 용기를 가진다. 이러한 구현은 동일 칩 상의 다중 측정에 유용하다. 다른 예시로, 용기는 분석물 용액을 수용할 수 있고 둘 이상의 반도체 장치의 전도 채널과 접촉하도록 구성된다. 반도체 장치의 단자에서 단자로 이어지는 배선은 본 명세서에 서술되는 기기 회로(2220)와 연결된다. 예를 들어, 본 명세서에 개시되는 링 오실레이터 구현을 포함하는 위상 검출 회로는 어레이의 각 반도체 장치와 연결될 수 있다. 일부 예시에서, 기기 회로는 어레이와 동일 기판 상에 구현된다. 다른 예시로, 반도체 회로의 전부 또는 일부는 어레이를 지지하는 기판에 연결된 별개 집적 회로 상에 구현된다. 예를 들어, 기기 회로는 인쇄 회로 보드 상에, 멀티 칩 모듈 내에 또는 멀티 다이 패키지에 전도성 트레이스를 통해 어레이와 연결될 수 있다.
인터페이스 회로(2230)는 동작을 제어하고 어레이의 반도체 장치에 유도되는 전기적 변화를 검출하기 위해 기기 회로(2220)로 및 이로부터 아날로그 신호를 전송 및 수신한다. 일부 예시에서, 기기 회로는 바이오 FET 센서를 구현하는 반도체 장치 각각과 연결된 링 오실레이터를 포함한다. 다른 예시로, 기기 회로(2220)는 둘 이상의 바이오 FET 센서로부터 출력 신호를 수신한다. 인터페이스는 아날로그 신호를 시퀀서 컴퓨터(2240) 내의 하나 이상의 프로세서(2245)에 의해 사용하기 위해 적절한 디지털 인코딩으로 변환할 수 있다. 시퀀서(2240)는 메모리(2250), 비휘발성 저장소(2255) 및 I/O 부(2260)도 포함할 수 있다.
IX. 반도체 장치 제조 방법의 예시
도 23은 본 명세서에 개시되는 기술의 특정 예시에서 수행될 수 있는 제조 방법의 예시를 개략화한 흐름도(2300)이다. 예를 들어, 상술한 것과 같은 반도체 장치는 도시된 방법을 사용하여 제조될 수 있다.
프로세스 블록(2310)에서, 소스 영역과 드레인 영역 사이의 전기적 전도 채널을 형성하기 위해 나노 구조체가 기판 내에 또는 상에 적어도 하나의 소스 영역과 적어도 하나의 드레인 영역을 가지는 기판 상에 증착된다. 나노 구조체는 나노 구조체의 전부는 아닌 일부에 대해 조정된 트랩 상태 밀도를 가진다. 예를 들어, 트랩 상태 밀도는 선택된 트랩 상태 밀도에 따라 증가 또는 감소될 수 있다. 일부 예시에서, 증가된 트랩 상태 밀도는 나노 구조체의 일부에 활성 모이어티를 공유 결합함으로써 나노 구조체에 유도된다. 따라서, 활성 모이어티의 결합은 모이어티 위치에 대해 자기 정렬된 트랩 상태를 생성한다. 일부 예시에서, 트랩 상태 밀도는 나노 구조체 부분에 이온을 주입함으로써 증가된다. 일부 예시에서, 나노 구조체 부분의 트랩 상태 밀도를 증가시키기 위해 국소 도핑이 수행된다. 일부 예시에서, 트랩 상태 밀도는 기판 상에 나노 구조체를 증착할 때 화학 기상 증착 프로세스의 소스 물질의 조성을 조정함으로써 증가된다. 일부 예시에서, 나노 구조체는 하나 이상의 실리콘 나노와이어, 그래핀 나노리본, MoS2 나노리본 및/또는 탄소 나노튜브를 포함한다.
방법의 일부 예시에서, 하나 이상의 파라미터가 반도체 장치를 위해 선택된다. 예를 들어, 원하는 ΔCox 파라미터, 게이트 전압 응답에 대한 원하는 드레인 전류 또는 두 파라미터 모두 선택된다. 나노 구조체 부분에 대해 수정된 파라미터(들)에 대응하는 원하는 트랩 상태 밀도가 선택된다. 트랩 상태 밀도는 선택된 트랩 상태 밀도에 따라 증가 또는 감소될 수 있다. 일부 예시에서, 재질 및/또는 정량이 원하는 트랩 상태 밀도에 따라 선택된다.
프로세스 블록(2320)에서, 단일 분자의 활성 모이어티가 나노 구조체 부분에 결합된다. 예를 들어, 활성 모이어티는 나노 구조체에 공유 결합될 수 있다. 일부 예시에서, 하나 이상의 분자가 나노 구조체 부분에 결합된다.
X. 반도체 장치 사용 방법의 예시
도 24는 본 명세서에 개시되는 기술에 따라 수행될 수 있는 반도체 장치 사용의 예시를 개략화한 흐름도(2400)이다. 예를 들어, 위에 논의된 반도체 장치는 도시된 방법을 구현하기 위해 사용될 수 있다.
프로세스 블록(2410)에서, 효소가 검출 영역에 인접한 전계 효과 트랜지스터의 채널에 결합된다. 전계 효과 트랜지스터는 소스 단자, 드레인 단자 및 소스 단자와 드레인 단자 간의 전도 채널을 제공하기 위한 나노 구조체를 포함한다. 검출 영역은 나노 구조체 상의 상대적으로 높은 트랩 상태 밀도 영역을 포함한다.
프로세스 블록(2420)에서, 이온 용액이 검출 영역에 인접하여 제공된다. 예를 들어, 이온 용액은 선택된 염도를 가지는 염 용액 및 용액의 하나 이상의 분석물의 일부를 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 용액은 약 1mM 내지 약 500mM 범위의 염도를 가진다. 용기는 이온 용액이 나노 구조체의 검출 영역을 포함하여 나노 구조체와 접촉하도록 촉구하는데 사용될 수 있다.
프로세스 블록(2430)에서, 신호가 전계 효과 트랜지스터의 단자에 인가된다. 예를 들어, 시간 가변 신호가 게이트 단자 또는 반도체 장치의 본체 단자에 인가될 수 있다. 일부 예시에서, 신호는 적어도 제공된 이온 용액의 플라즈마 주파수를 초과하는 주파수로 변조된다. 일례로, 인가되는 신호는 약 1MHz를 초과하는 주파수로 변조된다. 다른 예시로, 주파수는 실질적으로 10MHz를 초과할 수 있다. 신호는 게이트 단자 또는 전계 효과 트랜지스터의 본체 단자에 인가될 수 있다. 예를 들어, 신호는 전계 효과 트랜지스터의 본체 단자에 제공되고, 게이트 단자는 고정된 전압으로 유지된다. 일부 예시에서, 시간 가변 신호가 생물학적 반응 자체에 의해 생성되는데, 검출 영역 가까이에서 일어난다. 이와 같이, 본 명세서에 개시된 예시에서, 가변 신호의 소스는 외부적으로 인가된 포텐셜 또는 생물학적 반응 자체에 의해 생성된 가변 전하나 전계일 수 있다.
프로세스 블록(2440)에서, 인가되는 신호에 응답하여 전계 효과 트랜지스터를 통해 흐르는 전류가 검출된다. 전류 흐름 변화는 장치의 전도성 변화에 의해 야기되는데, 검출 영역에서 결합된 모이어티와 상호작용하는 분자 및 분석물로 관찰될 것이다. 이들 변화는 예컨대 링 오실레이터의 적어도 하나의 인버터가 검출 영역을 가지는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 링 오실레이터를 사용하여 검출될 수 있다. 다른 예시로, 트랜지스터 단자로 인가되는 신호에 대한 전계 효과 트랜지스터의 출력 신호의 위상 변화를 검출하기 위해 다른 회로가 제공된다. 일부 예시에서, 방법은 검출된 변화에 기반하여 DNA(deoxyribonucleic acid) 또는 RNA(ribonucleic acid)의 일련의 뉴클레오티드를 시퀀싱하는 단계를 더 포함한다. 다른 예시로, 방법은 검출된 변화에 기반하여 뉴클레오티드를 검출하는 단계를 더 포함한다.
방법의 일부 예시는 본 명세서에 개시되는 바와 같은 수정된 검출 영역을 가지는 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 링 오실레이터의 적어도 하나의 인버터를 가지는 링 오실레이터를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 명세서에 개시되는 일부 예시에서, 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 저장 장치나 메모리는 컴퓨터에 의해 실행될 때 컴퓨터로 하여금 본 명세서에 개시되는 방법 중 적어도 임의의 하나를 수행하도록 야기하는 컴퓨터 판독가능한 명령어를 저장한다. 일부 예시에서, 시스템은 본 명세서에 개시되는 방법 중 임의의 하나의 적어도 일부를 수행하도록 구성된다. 일부 예시에서, 시스템은 컴퓨터에 의해 실행될 때 컴퓨터로 하여금 본 명세서에 개시되는 방법 중 적어도 임의의 하나를 수행하도록 야기하는 컴퓨터 판독가능한 명령어를 저장하는 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 저장 장치나 메모리에 연결된다.
상기 개념과 더 후술되는 추가 개념(제공되는 이러한 개념은 상호 모순되지 않음)의 모든 조합이 본 명세서에 서술되는 독창적인 요소의 일부로 고려됨을 이해하여야 한다. 특히, 본 명세서의 끝에 있는 청구되는 요소의 모든 조합이 본 명세서에 서술되는 독창적인 요소의 일부로 고려된다. 참조로 통합된 임의의 명세서에도 나타날 수 있는, 본 명세서에 명시적으로 사용되는 용어는 본 명세서에 개시된 특정 개념과 가장 일치하는 의미에 따라야 함도 이해하여야 한다.
명세서 전체에 걸친 "일례로", "다른 예시", "예시" 등의 언급은 예시와 관련하여 서술된 특정 요소(예컨대, 특징, 구조 및/또는 특성)가 본 명세서에 서술된 적어도 하나의 예시에 포함되고, 다른 예시에 제시될 수 있거나 제시되지 않을 수 있음을 의미한다. 나아가, 임의의 예시를 위해 서술된 요소는 문맥이 명백히 다르게 언급하지 않는 한 다양한 예시에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있음을 이해하여야 한다.
몇몇 예시가 자세히 서술되었지만, 개시된 예시는 수정될 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서, 상기 설명은 비제한적으로 간주되어야 한다.

Claims (28)

  1. 소스;
    드레인;
    나노 구조체를 포함하는 채널; 및
    나노 구조체와 전기적 통신하는 게이트 단자를 포함하고,
    나노 구조체는 수정되지 않은 부분 및 국소화된 도펀트 종을 포함하는 수정된 부분을 포함하고, 수정된 부분은 수정되지 않은 부분에 비해 증가된 트랩 상태 밀도를 가지고, 수정된 부분은 활성 모이어티로 기능화되는 반도체 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    나노 구조체는: 나노와이어, 나노튜브 및 나노리본 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    나노 구조체는: 실리콘 나노와이어, 탄소 나노튜브, 폴리머 나노와이어, 그래핀 나노리본 및 MoS2 나노리본 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    나노 구조체는: 그래핀, 실리신 및 포스포린 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    수정된 부분은 이온 주입, 확산 도핑, 에너지 빔 방사, 플라즈마 노출 또는 그 조합에 의하여 형성되는 반도체 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    활성 모이어티는 나노 구조체의 수정된 부분에 결합된 효소 또는 앱타머를 포함하는 반도체 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    결합된 효소 또는 앱타머는 나노 구조체의 수정된 부분에 공유 결합하는 반도체 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    활성 모이어티는: 단일 효소, 단일 항체 및 단일 앱타머 중 하나의 단일 분자인 반도체 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    증가된 트랩 상태 밀도는 1×1012 traps/cm2 내지 1×1014 traps/cm2의 범위인 반도체 장치.
  10. 청구항 1의 반도체 장치; 및
    나노 구조체를 적어도 부분적으로 둘러싸는 용기를 포함하고,
    용기는 게이트 단자와 나노 구조체 간의 전기 통신을 제공하는 분석물 용액을 수용하는 기구.
  11. 청구항 1의 반도체 장치를 포함하는 기구로서,
    반도체 장치는 변조된 신호 입력에 연결된 본체 단자를 더 포함하고; 및
    게이트 단자는 고정 전압에 연결되는 기구.
  12. 전류 센서 또는 링 오실레이터를 포함하고, 전류 센서 또는 링 오실레이터는 청구항 1의 반도체 장치를 포함하는 기구.
  13. 소스 영역 및 드레인 영역 사이에 전기적 전도 채널을 형성하기 위하여 기판 내에 또는 기판 상에 적어도 하나의 소스 영역 및 적어도 하나의 드레인 영역을 가지는 기판 상에 나노 구조체를 증착하는 단계;
    활성 모이어티를 수정된 부분에 결합하는 단계; 및
    나노 구조체와 전기적 통신하는 게이트 단자를 제공하는 단계를 포함하고,
    나노 구조체는 수정되지 않은 부분 및 국소화된 도펀트 종을 포함하는 수정된 부분을 포함하고, 수정된 부분은 수정되지 않은 부분에 비해 증가된 트랩 상태 밀도를 가지는 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    나노 구조체 부분에 이온을 주입함으로써 증가된 트랩 상태 밀도를 가지는 수정된 부분을 생성하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    나노 구조체 부분의 국소 도핑을 수행함으로써 증가된 트랩 상태 밀도를 가지는 수정된 부분을 생성하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    기판 상에 나노 구조체를 증착할 때 화학 기상 성장 프로세스의 소스 물질의 조성을 조정함으로써 증가하는 트랩 상태 밀도를 가지는 수정된 부분을 생성하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    나노 구조체는: 나노와이어, 나노튜브 및 나노리본 중 적어도 하나를 포함하는 제조 방법.
  18. 청구항 13에 있어서,
    나노 구조체는: 실리콘 나노와이어, 탄소 나노튜브, 폴리머 나노와이어, 그래핀 나노리본 및 MoS2 나노리본 중 적어도 하나를 포함하는 제조 방법.
  19. 청구항 13에 있어서,
    나노 구조체는: 그래핀, 실리신 및 포스포린 중 적어도 하나를 포함하는 제조 방법.
  20. 청구항 13에 있어서,
    원하는 ΔCox 파라미터, 또는 게이트 전압 응답에 대한 원하는 드레인 전류, 또는 원하는 ΔCox 파라미터와 게이트 전압 응답에 대한 원하는 드레인 전류를 선택하는 단계;
    수정된 부분에 대해 원하는 트랩 상태 밀도를 선택하는 단계; 및
    선택된 원하는 트랩 상태 밀도에 따라 트랩 상태 밀도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    선택된 원하는 트랩 상태 밀도에 따라서 수정된 부분에 대한 물질 및 정량 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  22. 청구항 1의 반도체 장치 사용 방법으로서,
    채널 가까이에 이온 용액을 제공하는 단계;
    게이트 단자가 고정 전압에 연결된 동안 게이트 단자에, 또는 변조된 신호 입력에 연결된 본체 단자에 신호를 인가하는 단계; 및
    인가된 신호에 응답하여 채널을 통한 전류 흐름의 변화를 검출하는 단계를 포함하는 반도체 장치 사용 방법.
  23. 청구항 22에 있어서,
    신호는 용액의 플라즈마 주파수를 초과하는 주파수로 변조되는 반도체 장치 사용 방법.
  24. 청구항 22에 있어서,
    용액은 1 밀리몰(mM) 내지 500 밀리몰(mM)의 범위의 염도를 가지는 반도체 장치 사용 방법.
  25. 청구항 22에 있어서,
    전류 흐름의 변화를 검출하는 단계는 게이트 단자 또는 본체 단자에 인가되는 신호에 대한 출력 신호의 위상 변화를 검출하는 단계를 포함하는 반도체 장치 사용 방법.
  26. 청구항 22에 있어서,
    검출된 변화에 기반하여 DNA(deoxyribonucleic acid) 또는 RNA(ribonucleic acid) 분자의 일련의 뉴클레오티드를 시퀀싱하는 단계를 더 포함하는 반도체 장치 사용 방법.
  27. 삭제
  28. 삭제
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