TW201911577A - 場效感測器 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示用於單分子場效感測器之設備及方法，該等場效感測器具有藉由一單一活性部分官能化的導電通道。一奈米結構(例如，一矽奈米線或一碳奈米管)之一區提供該導電通道。該奈米結構之阱狀態密度針對該奈米結構之在該活性部分鍵聯至該奈米結構之一位置附近的一部分予以改質。在一個實例中，半導體裝置包括一源極、一汲極、包括具有一改質部分之一奈米結構的一通道，該改質部分具有一增大之阱狀態密度，該改質部分藉由一活性部分進一步官能化。一閘極端子與該奈米結構電連通。隨著一變化電信號被施加至與該奈米結構通道接觸之一離子溶液，自該半導體裝置觀測到的電流改變可用以識別被分析物的組成。
Description
本申請案主張2017年8月1日申請之美國臨時申請案第62/539,813號之優先權，其內容以全文引用之方式併入本文中。
本申請案係關於場效感測器。
場效電晶體可用作單分子電荷感測器以識別分子。此類感測器可在生物相關鹽條件下操作。此類鹽溶液之德拜篩分長度係在約0.3nm與約10nm之範圍內，其限制感測區在通道之表面外部幾奈米內，且常常減小信號位準至可偵測性之限值。對此難題之規避措施為分別在兩種不同緩衝溶液即高鹽及低鹽緩衝液中執行生物反應及量測。然而，此方法通常並不適合於緩衝液交換不可能的單分子感測器。
在一第一態樣中，一種半導體裝置包含：一源極；一汲極；包含一奈米結構之一通道，該奈米結構包含具有一增大之阱狀態密度的一經改質部分，該經改質部分藉由一活性部分官能化；及與該奈米結構電連通之一閘極端子。
在一實例中，該奈米結構包含以下各者中之至少一者：一奈米線、一奈米管及一奈米帶。
在另一實例中，該奈米結構包含以下各者中之至少一者：一矽奈米線、一碳奈米管、一聚合物奈米線、一石墨烯奈米帶及一MoS2奈米帶。
在再一實例中，該奈米結構包含以下各者中之至少一者：石墨烯、矽烯及磷烯。
在一實例中，該經改質部分藉由離子植入、高能束照射、電漿暴露或其一組合形成。
在一實例中，該活性部分包含鍵聯至該奈米結構之該經改質部分的一酵素或一適體；及該酵素或該適體至該奈米結構之該經改質部分的鍵聯擾亂該奈米結構之原子鍵以增大該奈米結構之該經改質部分的該阱狀態密度。在此實例之一些情況下，該經鍵聯酵素或適體共價鍵接至該奈米結構之該經改質部分。
在一實例中，該活性部分為以下各者中之一者的一單分子：一單酵素、一單抗體及一單適體。
在一實例中，該增大之阱狀態密度係在約1×10-12阱/cm2至約1×10-14阱/cm2的一範圍內。
應理解，此第一態樣之任何特徵可以任何所要方式及/或組態組合在一起。
在一第二態樣中，一種設備包含：如請求項1所述之半導體裝置；及一容器，其至少部分圍封該奈米結構，該容器用以收納一被分析物溶液，從而提供該閘極端子與該奈米結構之間的電連通。
在一第三態樣中，一種設備包含如請求項1所述之半導體裝置，其中該半導體裝置進一步包含耦接至一經調變信號輸入之一本體端子；且閘極 端子耦接至一固定電壓。
在一第四態樣中，一種設備包含一電流感測器或環形振盪器，該電流感測器或環形振盪器包含如請求項1所述之半導體裝置。
應理解，半導體裝置之特徵之任何組合可與第二態樣、第三態樣或第四態樣中之任一者一起使用。此外，應理解，第二態樣、第三態樣或第四態樣中之任一者之任何特徵可一起使用，及/或來自此等態樣中之任一者的任何特徵可與本文中所揭示之實例中的任一者組合。
在一第五態樣中，一種製造方法包含：將一奈米結構沈積於一基板上方，該基板具有在該基板內或該基板上方之至少一個源極區及至少一個汲極區以在該源極區與該汲極區之間形成一導電通道，該奈米結構具有針對該奈米結構之一部分但並非全部的一增大之阱狀態密度；及將一活性部分鍵聯至該奈米結構部分。
該方法之實例進一步包含藉由將該活性部分共價鍵聯至該奈米結構部分而產生該增大之阱狀態密度。
該方法之另一實例進一步包含藉由將離子植入至該奈米結構部分而產生該增大之阱狀態密度。
該方法之再一實例進一步包含藉由執行該奈米結構部分之區域化摻雜而產生該增大之捕獲狀態密度。
該方法之再一實例進一步包含當在該基板上沈積該奈米結構時藉由在一化學氣相沈積製程中調整一源極材料之一組成而增大該奈米結構部分之該阱狀態密度。
在一實例中，該奈米結構包含以下各者中之至少一者：一奈米線、一奈米管及一奈米帶。
在另一實例中，該奈米結構包含以下各者中之至少一者：一矽 奈米線、一碳奈米管、一聚合物奈米線、一石墨烯奈米帶及一MoS2奈米帶。
在另一實例中，該奈米結構包含以下各者中之至少一者：石墨烯、矽烯及磷烯。
該方法之一實例進一步包含選擇：一所要△Cox參數，或一所要汲極電流到閘極電壓回應，或該所要△Cox參數及該所要汲極電流到閘極電壓回應；為該奈米結構部分選擇一所要阱狀態密度；及根據該所選擇之所要阱狀態密度而增大該阱狀態密度。
該方法之一實例進一步包含根據該所選擇之所要阱狀態密度而選擇以下各者中之至少一者：針對該奈米結構部分的一材料，及一劑量。
應理解，第五態樣之任何特徵可以任何所要方式組合在一起。此外，應理解，第一態樣之特徵及/或第二態樣之特徵及/或第三態樣的特徵及/或第四態樣之特徵及/或第五態樣之特徵的任何組合可一起使用，及/或來自此等態樣中之任一者的任何特徵可與本文中所揭示之實例中的任一者組合。
在一第六態樣中，一種使用一半導體裝置之方法包含：在一感測區附近將一酵素鍵聯至一場效電晶體之一通道，該場效電晶體具有一源極端子、一汲極端子及形成該源極端子與該汲極端子之間的一通道之一奈米結構，該感測區包含該奈米結構上具有相對較高阱狀態密度的一區；在該感測區附近提供一離子溶液；將一信號施加至該場效電晶體之一端子；及回應於該所施加信號而偵測到通過該場效電晶體之電流改變。
在一實例中，該信號以超出該溶液之一電漿頻率的一頻率而調變。
在一實例中，該溶液具有範圍為約1毫莫耳(mM)至約500毫莫耳(mM)的一鹽度。
在一實例中，該信號提供至該場效電晶體之一閘極端子或一本 體端子。
在一實例中，偵測電流改變包含偵測該場效電晶體之一輸出信號相對於施加至該端子之該信號的一相變。
此方法之一實例進一步包含基於該等偵測到之改變而定序一去氧核糖核酸(DNA)或一核糖核酸(RNA)分子中的一系列核苷酸。
應理解，第六態樣之任何特徵可以任何所要方式組合在一起。此外，應理解，第一態樣之特徵及/或第二態樣之特徵及/或第三態樣的特徵及/或第四態樣之特徵及/或第五態樣之特徵及/或第六態樣之特徵的任何組合可一起使用，及/或來自此等態樣中之任一者的任何特徵可與本文中所揭示之實例中的任一者組合。
再者，應理解，該等態樣中任一者之任何特徵可以任何所要方式組合在一起，及/或可與本文中所揭示之實例中的任一者組合。
100‧‧‧側視圖
105‧‧‧俯視圖
110‧‧‧源極
120‧‧‧汲極
130‧‧‧閘極/閘極端子
140‧‧‧奈米結構
150‧‧‧經改質部分
160‧‧‧感測部分
165‧‧‧鍵聯器/繫栓/鍵聯器分子
170‧‧‧容器
175‧‧‧被分析物溶液
179‧‧‧化學物質
180‧‧‧絕緣層
190‧‧‧矽基板
195‧‧‧本體端子
197‧‧‧絕緣圍封區
198‧‧‧絕緣圍封區
200‧‧‧圖形
300‧‧‧圖形
400‧‧‧受體阱
410‧‧‧供體阱
420‧‧‧圖形
500‧‧‧圖形
510‧‧‧參考數字
520‧‧‧參考數字
530‧‧‧參考數字
540‧‧‧參考數字
600‧‧‧圖形
610‧‧‧用於增大△C ox 的場效電晶體(FET)之敏感度
620‧‧‧場效電晶體(FET)之敏感度
630‧‧‧組合式敏感度
640‧‧‧最大值
700‧‧‧圖
710‧‧‧矽奈米線
720‧‧‧高度摻雜源極
725‧‧‧高度摻雜汲極區
730‧‧‧10mM鹽溶液
740‧‧‧外部電荷+2e
750‧‧‧感測區
800‧‧‧圖形
810‧‧‧感測器之V G
820‧‧‧所計算之SNR(△I/δI)
825‧‧‧強峰值
900‧‧‧圖形
910‧‧‧曲線
1000‧‧‧圖
1010‧‧‧位點
1100‧‧‧圖
1200‧‧‧圖
1300‧‧‧圖形
1400‧‧‧圖形
1410‧‧‧電流ID
1420‧‧‧電流ID
1500‧‧‧圖
1510‧‧‧混合電流量測電路
1600‧‧‧示意性說明
1610‧‧‧反相器
1611‧‧‧反相器
1612‧‧‧反相器
1620‧‧‧環形振盪器
1630‧‧‧酵素
1700‧‧‧示意圖
1710‧‧‧PMOS電晶體
1720‧‧‧NMOS電晶體
1730‧‧‧額外組件
1800‧‧‧示意圖
1810‧‧‧環形振盪器
1820‧‧‧外部來源
1830‧‧‧第二反相器級
1900‧‧‧示意圖
2000‧‧‧圖形/輸入信號
2010‧‧‧圖形/輸入信號
2020‧‧‧圖形/輸入信號
2030‧‧‧圖形/輸入信號
2100‧‧‧圖形
2200‧‧‧方塊圖
2210‧‧‧半導體裝置之陣列
2220‧‧‧實行電路
2230‧‧‧介面電路
2240‧‧‧定序器電腦
2245‧‧‧處理器
2250‧‧‧記憶體
2255‧‧‧非揮發性儲存器
2260‧‧‧I/O部分
2300‧‧‧實例製造方法的流程圖
2310‧‧‧程序方塊
2320‧‧‧程序方塊
2400‧‧‧使用半導體裝置之實例的流程圖
2410‧‧‧程序方塊
2420‧‧‧程序方塊
2430‧‧‧程序方塊
2440‧‧‧程序方塊
R1‧‧‧電阻器
C1‧‧‧電容器
A1‧‧‧施密特觸發器
FG‧‧‧放大器
圖1A及圖1B為如可用於本文中揭示之技術之某些實例中的廣泛性實例場效感測器的示意性表示。
圖2展示回應於表面上之生物反應流過廣泛性實例場效感測器的電流改變。
圖3為20nm FET中隨機電報雜訊的實例。
圖4為中性位準E 0 下受體阱、供體阱及混合阱中能級的示意性描述。
圖5展示如同能在本文中揭示之技術之某些實例中觀測到的20nm矽(Si)奈米線電晶體依據本端阱狀態密度的的模擬回應。
圖6為如同能在本文中揭示之技術的某些實例中觀測到的△Cox調變及I D V G 緯斜降級之競爭效應的說明。
圖7為根據本文中所揭示之技術之實例的說明模擬幾何配置之實例的最初著色圖形的黑白表示。
圖8展示根據本文中所揭示之技術之實例的對生物感測器之所計算回應。
圖9為根據本文中所揭示之技術之實例的依據阱密度繪製所計算之SNR的圖形。
圖10展示如可在本文中揭示之技術之某些實例中執行的感測部分至奈米線之表面的共價附接。
圖11為如可在本文中揭示之技術之某些實例中執行的控制阱狀態之密度及位置的說明。
圖12為說明在本文中揭示之技術之某些實例中經由區域化摻雜可控制阱狀態之密度及位置的圖。
圖13為展示一個實例中針對Si中之各種雜質之所量測電離能量的圖形。
圖14為展示實例碳奈米管感測器之回應的圖形。
圖15展示在本文中揭示之技術之某些實例中用於高頻偵測之量測電路。
圖16為在本文中揭示之技術之某些實例中可使用的環形振盪器生物感測器。
圖17為根據本文中所揭示之技術之某些實例用於環形振盪器中的反相器之示意圖。
圖18說明根據本文中所揭示之技術之某些實例的生物驅動之壓控振盪器的電路。
圖19說明如同能在本文中揭示之技術之某些實例中使用的用於感測電壓控制振盪器及相位鎖定迴路的電路。
圖20包括在圖17至圖19之電路中之各種點處量測的實例信號之數個圖形。
圖21展示如可在本文中揭示之技術之某些實例中使用的三級環形振盪器的輸出。
圖22為說明可用以使用FET感測器分析被分析物溶液的實例系統之方塊圖。
圖23為如在本文中所揭示之技術之實例中可執行的概述實例製造方法的流程圖。
圖24為如根據本文中所揭示之技術可執行的概述使用半導體裝置之實例的流程圖。
I.一般考慮事項
本文中所揭示為針對具有奈米結構通道(例如，藉由奈米線、奈米管、奈米帶或具有小於約100nm之臨界尺寸的其他幾何佈置實施之通道)之半導體裝置之設計、製造及使用的方法、設備及系統之代表性實例，該等半導體裝置包括奈米結構通道具有在活性部分鍵聯至奈米結構之位置中或附近之改質部分的半導體裝置，該經改質部分具有經調整阱狀態密度。方法、設備及系統大體上係關於基於生物感測器之偵測，包括(例如)可用於核酸定序之生物感測器。
如本文中所使用，「奈米線」為具有實心圓筒形形狀之結構，該實心圓筒形形狀具有小於約100nm之寬度及可顯著地長於寬度的長度。電傳導通過奈米線之整個容積發生。如本文中使用，「奈米管」為具有中空圓筒形形狀之結構，該中空圓筒形形狀具有小於約100nm之寬度及可顯著長於寬度的長度。在一些實例中，奈米管為捲繞成圓筒形形狀之單片石墨烯或石墨烯帶。圓柱體在中間為中空的，且電傳導通過圓柱體之管狀側壁發生。如本文中使 用，「奈米帶」為具有平坦形狀之結構，該平坦形狀具有小於約100nm之寬度及可類似於寬度或顯著長於寬度的長度。奈米帶之厚度對應於製成奈米帶所自之材料。單層石墨烯奈米帶厚度範圍為約0.3nm至約0.4nm。電傳導通過奈米帶之整個容積發生。除非以其他方式陳述，否則「半導體」如本文所使用包括諸如矽(Si)、鍺(Ge)、碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、砷化銦(InAs)之材料，以及在配置成例如碳奈米管、氮化硼奈米管或其他半導電性奈米結構的奈米結構時作為半導體起作用的材料。
本文中揭示之方法、設備及系統應不以任何方式被認作限制性的。實情為，本發明單獨地及以各種組合以及彼此的子組合係針對各種所揭示實例之所有新穎且非顯而易知的特徵及態樣。所揭示方法、設備以及系統不限於任何特定態樣或特徵或其組合，所揭示實例亦不需要任何一或多個特定優點存在或問題得到解決。
儘管本文中所揭示之方法中之一些的操作以特定依序次序描述以便於呈現，但應理解描述之此方式涵蓋重新配置，除非特定排序藉由下文闡述之特定語言要求。舉例而言，依序描述之操作在一些狀況下可經重新配置或同時執行。此外，為簡單起見，附圖可能並不展示系統、方法及設備可結合其他事項及方法使用的各種方式。另外，描述內容有時使用例如「生產」、「產生」、「選擇」、「接收」、「鍵聯」及「提供」之屬於來描述本文所揭示之方法。此等術語為執行之實際操作的高階描述。對應於此等術語之實際操作可取決於特定實施而發生變化，且藉由具有本揭示內容之益處的熟習此項技術者易於辨別。
除非上下文以其他方式清楚地規定，否則如本申請案及申請專利範圍中所使用，單數形式「一」及「該」包括複數形式。另外，術語「包括」意謂「包含」。此外，除非上下文以其他方式規定，否則術語「耦接」意 謂以機械、電或電磁方式連接或鍵聯，且包括直接連接或直接鍵聯以及經由並不影響所描述系統之所欲操作的一或多個中間元件的間接連接或間接鍵聯兩者。
應理解，本文中提供之範圍包括所陳述之範圍及在所陳述範圍內的子範圍，如同此等值或子範圍經明確敍述般。舉例而言，自約10KHz至約100KHz之範圍應解譯為不僅包括自約10KHz至約100KHz之明確敍述的限值而且包括個別值，諸如約78KHz、約94.5KHz等，以及諸如自約25KHz至約85KHz、自約15KHz至約80KHz的子範圍等。
貫穿本說明書使用之術語「實質上」及「約」用於描述及慮及小波動。舉例而言，其可指小於或等於±5%，諸如小於或等於±2%、諸如小於或等於±1%、諸如小於或等於±0.5%、諸如小於或等於±0.2%、諸如小於或等於±0.1%、諸如小於或等於±0.05%。
另外，可使用某些術語，諸如「上」、「下」、「上部」、「下部」及其類似者。此等術語在合適時使用以在處理相對關係時提供描述之某清楚性。然而，此等術語並不意欲暗示絕對關係、位置及/或定向。
本文中參看本發明之設備或方法呈現之操作理論、科學原理或其他理論描述已出於更佳理解之目的而提供，且並不意欲限制範疇。隨附申請專利範圍中之設備及方法不限於以藉由此類操作理論描述之方式起作用的彼等設備及方法。
本文中揭示之電腦實施方法中之任一者可使用儲存於一或多個電腦可讀取媒體(例如，電腦可讀取媒體，諸如一或多個光學媒體光碟、揮發性記憶體組件(諸如DRAM或SRAM)或非揮發性記憶體組件(諸如快閃記憶體或硬碟機))上之電腦可執行指令實施，且在電腦(例如，任何市售電腦，包括智慧型電話或包括計算硬體之其他行動裝置)上執行。用於實施本文中所 揭示之技術的電腦可執行指令中之任一者以及在此類實施期間產生及使用之任何資料可儲存於一或多個電腦可讀取媒體(例如，電腦可讀取儲存媒體)上。電腦可執行指令可為例如專用軟體應用程式或經由網路瀏覽器存取或下載的軟體應用程式或其他軟體應用程式(遠端計算應用程式)之部分。此類軟體可在例如單一本端電腦(例如，藉由在任何合適市售電腦上執行之通用及/或專用處理器)上或使用一或多個網路電腦在網路環境(例如，經由網際網路、廣域網路、區域網路、主從式網路(諸如，雲端計算網路)或其他此類網路)中執行。
為了清楚，描述基於軟體之實施的僅某些所選擇態樣。忽略此項技術中熟知之其他細節。舉例而言，應理解，本文中揭示之技術的電腦相關態樣不限於任何特定電腦語言或程式。舉例而言，本文中揭示之技術可藉由以C、C++、Java或任何其他合適的程式設計語言撰寫之軟體來實施。同樣，本文中揭示之技術不限於任何特定電腦或硬體類型。合適電腦及硬體之某些細節為熟知的且不必在本發明中詳細闡述。
此外，基於軟體之實例中的任一者(包含例如用於使得電腦輔助本文中所揭示之方法中之任一者之執行的電腦可執行指令)可經由合適通信構件上載、下載或遠端存取。此類合適通信手段包括例如網際網路、全球資訊網、企業內部網路、軟體應用程式、纜線(包括光纖纜線)、磁性通信、電磁通信(包括RF、微波及紅外通信)、電子通信或其他此類通信手段。
II.引言
如本文中所提供之場效電晶體或FET包含源極、汲極及可藉由單一活性部分官能化的導電通道。舉例而言，酵素、抗體、適體或可鍵聯至導電通道之其他分子可用作單一活性部分。活性部分與適當生物基板之互動導致本端電場之改變或區域化電荷之產生，此舉改變流過通道之電流從而允許識別 生物反應。
FET可為單分子場效生物感測器。FET生物感測器可在生物相關鹽條件下例如在約1mM至約100mM之範圍內操作。此類鹽溶液之德拜篩分長度係在約0.3nm與約10nm之範圍內，其限制感測區在通道之表面外部幾nm內，且常常減小信號位準至可偵測性之限值。
較低鹽濃度在量測期間之使用增大德拜長度且增強信號。然而，在一些情況下減小鹽濃度通常並不適合於緩衝液更換不可能的即時感測器。
在本文中揭示之技術的一些實例中，生物FET之敏感度藉由將阱狀態併入於電晶體之通道中且詳言之在感測區內或附近來增強。換言之，奈米結構之阱狀態密度針對奈米結構之在活性部分鍵聯至奈米結構之位置附近(在小於德拜篩分長度之距離內)的一部分改質。對於每一德拜長度L D 的距離改變，溶液中之電荷之電勢被減小1/e。增大之阱狀態可在生物相關條件下增強自生物FET輸出之所觀測信號，且改良感測器裝置的偵測限值(limit of detection；LOD)。
III.基於半導體裝置之實例場效感測器
圖1A及圖1B分別為如可根據本文中所揭示之技術製造並使用的半導體裝置之側視圖100及俯視圖105。圖100及105展示各種特徵之相對位置，但並未按比例繪製。半導體裝置包括源極110、汲極120及閘極(例如，閘極端子)130。源極110及汲極120經由藉由奈米結構140實施之導電通道耦接。因此，奈米結構140可提供導電通道。奈米結構140可包括半導體奈米線(諸如，矽奈米線)、半導體奈米管(諸如，碳奈米管或具有半導體性質之聚合物奈米管)、半導體奈米帶(諸如，石墨烯或MoS2奈米帶)，或另一半導體奈米結構，或以上各者中兩者或兩者以上的組合。奈米結構140之一部分150但非全部 經改質以相對於奈米結構140之其他(例如，未經改質)部分具有增大之阱狀態密度。經改質部分150可藉由活性部分諸如感測部分160進一步官能化。一或多個感測部分160經由鍵聯器165鍵聯至奈米結構140。鍵聯器165可為感測部分160之部分或經由適當生物化學反應結合至該感測部分。舉例而言，繫栓165可用以將一個部分160鍵聯至奈米結構140之經改質部分150。在一些實例中，一或多個感測部分160鍵聯至奈米結構140之一或多個經改質區域(例如，部分150)。
在一些實例中，半導體裝置為設備之零件，該設備進一步包括至少部分圍封奈米結構140之容器170，該容器170用以收納被分析物溶液，該被分析物溶液提供閘極端子與奈米結構140之間的電連通。容器170可為圍封被分析物溶液175之開放式或封閉式貯器，使得溶液與奈米結構140接觸。由於被分析物溶液175之化學物質179(例如，核苷酸)與感測部分160接觸，因此電荷或電場之改變在奈米結構140之導電通道中誘發。因此，關於被分析物之物質179之資訊可藉由觀測來自包含源極110、汲極120及閘極130之FET電晶體的電荷或電場改變來推導出。如下文將進一步論述，因為奈米結構140之經改質部分150具有不同阱狀態密度，所以此舉可有利地用以增大在物質179與感測部分160互動時產生的信號之信雜比。
如圖1A及圖1B中所展示，源極110、汲極120及/或奈米結構140安置於包含例如二氧化矽之絕緣層180上方。絕緣層180又安置於基板例如矽基板190上方。矽基板190可包括用於施加電勢至基板190之本體端子195，該本體端子又可用以調整半導體裝置之效能特性。在一實例中，本體端子195耦接至經調變信號輸入，且閘極端子130耦接至固定電壓(例如，電源或接地)。在另一實例中，閘極端子130耦接至經調變信號輸入，且本體端子195耦接至固定電壓(例如，電源或接地)。在一些實施中，源極110、汲極120及通道可製造 於塊體半導體基板中且經由台地(mesa)或淺槽隔離與電路之剩餘部分隔離。
另外，如一些實例中所展示，絕緣材料例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)可包圍源極端子110及汲極端子120以及奈米結構140的一部分。絕緣圍封區197及198提供源極110與汲極120之電絕緣以及耐化學性。在一些實例中，絕緣圍封區197及198對於被分析物溶液175所要地為化學惰性的。
在一些實例中，奈米結構140之經改質部分150藉由用活性部分165官能化的部分產生，其又歸因於奈米結構之晶格之擾亂增大奈米結構140之該部分中的阱狀態密度。在一些實例中，奈米結構140之經改質部分150藉由離子植入、高能束照射、電漿暴露或其一組合形成。在一些實例中，奈米結構140之經改質部分150藉由離子植入來形成。在一些實例中，奈米結構140之經改質部分150藉由擴散形成。在一些實例中，奈米結構140之經改質部分150藉由電漿處理來形成。在一些實例中，奈米結構140之經改質部分150藉由高能束照射例如電子或氦(He)離子束形成。在一些實例中，經改質部分150藉由將酵素或適體鍵聯至經改質部分150來形成，其擾亂奈米結構140之原子鍵。在一些實例中，鍵聯酵素或適體共價結合至奈米結構140之經改質部分150。在一些實例中，活性部分165為以下各者中之一者的單一物質：單酵素、單抗體及單適體。在其他實例中，活性部分165包括以下各者中之兩個或兩個以上分子：酵素、抗體及/或適體。在一些實例中，活性部分165為抗體、適體或聚合酶之部分。在一些實例中，增大之阱狀態密度所要地在自約1×1012阱/cm2至約1×1014阱/cm2(諸如以下各者中之任一者：自約1×1012阱/cm至約1×1013阱/cm2、自約1×1013阱/cm2至約1×1014阱/cm2、自約5×1012阱/cm2至約5×1013阱/cm2、自約1×1012阱/cm2至約5×1012阱/cm2、自約5×1012阱/cm2至約1×1013阱/cm2、自約1×1013阱/cm2至約5×1013阱/cm2、自約5×1013阱/cm2至約1×1014阱/cm2、自約2×1013阱/cm2至約6×1013阱/cm2、自約3×1013阱/cm2至約7×1013阱/cm2、自約 4×1013阱/cm2至約8×1013阱/cm2、自約5×1013阱/cm2至約9×1013阱/cm2、自約1×1013阱/cm2至約2×1013阱/cm2、自約2×1013阱/cm2至約3×1013阱/cm2、自約3×1013阱/cm2至約4×1013阱/cm2、自約4×1013阱/cm2至約5×1013阱/cm2、自約5×1013阱/cm2至約6×1013阱/cm2、自約6×1013阱/cm2至約7×1013阱/cm2、自約7×1013阱/cm2至約8×1013阱/cm2、自約8×1013阱/cm2至約9×1013阱/cm2及自約9×1013阱/cm2至約1×1014阱/cm2)之範圍內。在一些實例中，增大之阱狀態密度所要地在自約1×1012阱/cm2至約1×1014阱/cm2(諸如以下各者中之任一者：自約1×1012阱/cm2至約1×1013阱/cm2、自約1×1013阱/cm2至約1×1013阱/cm2、自約5×1012阱/cm2至約5×1013阱/cm2、自約1×1012阱/cm2至約5×1012阱/cm2、自約5×1012至約1×1013阱/cm2、自約1×1013阱/cm2至約5×1013阱/cm2、自約5×1013阱/cm2至約1×1014阱/cm2、自約2×1013阱/cm2至約6×1013阱/cm2、自約3×1013阱/cm2至約7×1013阱/cm2、自約4×1013阱/cm2至約8×1013阱/cm2阱/cm2、自約5×1013阱/cm2至約9×1013阱/cm2、自約1×1013阱/cm2至約2×1013阱/cm2、自約2×1013阱/cm2至約3×1013阱/cm2、自約3×1013阱/cm2至約4×1013阱/cm2、自約4×1013阱/cm2至約5×1013阱/cm2、自約5×1013阱/cm2至約6×1013阱/cm2、自約6×1013阱/cm2至約7×1013阱/cm2、自約7×1013阱/cm2至約8×1013阱/cm2、自約8×1013阱/cm2至約9×1013阱/cm2及自約9×1013至約1×1014阱/cm2)之範圍內。在一些實例中，增大之阱狀態密度所要地在自約3×1013阱/cm2至約4×1013阱/cm2(諸如自約3×1013阱/cm2至約4×1013阱/cm2)之範圍內。
當半導體裝置處於操作中時，電壓差越過源極110與汲極120施加。舉例而言，源極110可固持於接地，且較高電位例如自電源供應器或自又耦接至電源供應器之另一電晶體施加至汲極120。當施加至閘極130之電壓超出半導體裝置的臨限電壓時，半導體裝置將進入接通狀態(例如，操作之線性或飽和狀態)。臨限電壓常常在閘極130與源極110之間量測。在一些實例中，時 變電信號(例如，電壓變化信號)施加至閘極130，其又使得在半導體裝置之源極110與汲極120之間的電流對應地發生變化。在一些實例中，時變電信號(例如，電壓變化信號)施加至源極110或汲極120，其又使得半導體裝置之源極110與汲極120之間的電流對應地發生變化。由於諸如分子179之分子與感測部分160互動，因此誘發半導體裝置之臨限電壓的小改變。因此，藉由觀測並量測臨限電壓之改變，例如，藉由觀測流過裝置之電流或汲極120處之電壓的改變，可推斷出關於互動分子179及被分析物溶液175的資訊。在閘極130接收時變電信號的實例中，本體端子195可固持於恆定電位，例如接地電位。在其他實例中，閘極130固持於恆定電位，且時變電信號經施加以藉由觀測流過裝置之電流或汲極120處之電壓的改變而使本體端子195處的電壓發生變化。
雖然圖1A及圖1B之實例展示奈米結構140相對於基板190之水平定向，但對於具有本揭示內容之益處的熟習此項技術者將易於顯而易知的是，奈米結構140之其他定向例如相對於基板190之垂直定向亦可與本文中揭示之技術一起使用。在垂直定向奈米結構中，阱狀態密度可例如藉由以下操作以如上文所描述之類似方式調整：將離子植入至奈米結構140之一部分，執行奈米結構部分之區域化摻雜，或隨著奈米結構140沈積於基板190上方而調整化學氣相沈積製程中源極材料的組成。
合適鍵聯器分子165可取決於閘極氧化物之本質而選擇。對於SiO2，可使用矽烷或其他合適生物化學共軛分子。對於金屬氧化物閘極材料(諸如，HfO2及AlO3)，可使用磷酸酯、羥肪酸、聯胺及其組合或其他合適生物化學共軛分子。對於碳類材料，可使用芘、蒽、羧酸鹽(及其組合)或其他合適生物化學共軛分子。所選擇之摻雜劑的物質取決於所要阱狀態為供體、受體或中性體。適當摻雜劑物質可選自下文關於圖13論述之圖形1300。舉例而言，碳(C)植入可產生導電邊緣狀態，而銦(In)植入可產生價邊緣狀態。
IV.具有經改質之阱狀態密度之實例半導體裝置
在傳統FET中，當FET之一或多個尺寸(例如，長度、有效寬度或通道長度)尺寸高於約100nm時，阱狀態之(不可避免)存在以1/f雜訊表明。然而，當FET之尺寸減小為約50nm以下時，雜訊頻譜引人注目地改變且表現為稱作隨機電報雜訊(random telegraph noise；RTN)之雙穩態電流位準。
在圖2中展示圖形200，該圖形展示官能化FET中電流改變的實例。
展現20nm FET中之RTN之電流的圖形300展示於圖3中。如圖所示，信號為雙穩態的，且在兩個離散位準之間隨機振盪。
RTN之原點係單一電荷載流子在FET之通道內之捕獲及取消捕獲。圖4說明如可在本文中揭示之技術中使用的可藉由半導體材料中之電荷載子佔據的能級。阱通常分類為受體阱400或供體阱410。阱狀態涉及大於半導體材料之熱能的能量以電離且因此傾向於不促成自由載子至半導體材料。因此，材料中之阱狀態傾向於約束電荷流。在兩種類型之阱存在情況下，用於描述半導體之頻帶結構的方便標號為中性位準E 0 的概念。高於或低於E 0 之所有狀態分別被視為受體或供體狀態。當費米能階E F 高於或低於E 0 時，阱之淨電荷分別為負或正，如圖形420中所展示。
當電壓施加至半導體之表面，例如自在感測器之表面附近沈積電荷的生物化學反應施加電壓時，界面阱(且因此中性能級E 0 )以導電帶邊緣及價帶邊緣上下移動，同時費米能階E F 保持固定。此情形導致E f 與E 0 之間的偏移之相對改變，且因此氧化物/半導體界面處之固定電荷的改變△Cox，其又如藉由等式1所描述移位電晶體的臨限電壓：
此VT移位高於由生物化學反應引起之移位。因此，單獨地基於 等式1，將預期到，具有阱狀態之感測器展現優異敏感度。然而，亦已知阱狀態以藉由使I D V G 轉移曲線上之緯斜降級而減小電晶體回應，如在說明於圖5中之圖形500中所展示。x軸對應於閘極至源極電壓(V G )且y軸對應於FET汲極電流(ID)。為了增大本端阱狀態密度，汲極電流如圖所示降級(0.0阱狀態密度(參考數字510)；1×1013(520)；5×1013(530)及1×1014(540))。
由於感測器回應與直接成比例，且如圖6之圖形600中所展示，阱狀態減小I D V G 曲線之緯斜，因此存在關於感測器敏感度之兩個競爭效應從而導致特定阱密度下之總最大值：歸因於額外△Cox調變之改良；及歸因於I D V G 曲線之緯斜減小之降級。x軸對應於阱密度，且y軸對應於感測區中的FET電荷敏感度。展示用於增大△C ox 的FET之敏感度(610)且用於對應汲極電流I D 之降級的FET之敏感度(620)。亦展示基於此等兩個因素之組合式敏感度(630)，其展現最大值(640)。
如對於具有本揭示內容之益處的熟習此項技術者將易於顯而易知的是，將阱區域化於正感測之生物化學反應附近增大敏感度之預期改良，此係由於超出遠離生物化學反應之場所大於幾個德拜長度的阱狀態促成I D V G 降級，但並不促成△C ox 調變。
感測器在阱狀態存在情況下的預期行為可藉由詳述模擬確認。可實施於本文中所揭示之技術之一些實例中的半導體裝置之實例模擬幾何佈置展示於圖7之圖700中。如圖所示，具有高度摻雜源極/汲極區(分別為720、725)及2nm厚之閘極氧化物的20nm寬、100nm長之矽奈米線(710)浸沒於10mM鹽溶液(730)中。感測器回應藉由在有及無遠離閘極氧化物之表面1nm置放的外部電荷+2e(740)(其中e為電子之基本電荷)情況下計算I D V G 曲線的差△I來估計。信雜比(SNR)經計算為△I/δI，其中δI為自傑森、單次注射(shot)及1/f雜訊分量近似的預期奈米線雜訊。1/f雜訊自霍格模型S 2(f) =α/Nf計算出，其中α為霍格常數(2.1×10-3)，N為通道中載子的數目，且f為頻率。100KHz量測頻寬在實例模擬中予以假設。阱狀態密度增大至所展示之感測區750中1012與1014/cm2之間的變化量，該感測區定位於外部電荷740與奈米線710之間。
圖8為在阱密度Nt=1012/cm2情況下依據描繪於圖7中之感測器之V G (810)繪製△I的圖形800。亦繪製依據V G 所計算之SNR(△I/δI)(820)。 最大跨導點附近之強峰值825在~0.4V下觀測到。
圖9為峰值SNR依據針對對於中間間隙狀態執行之一系列此類計算的Nt之曲線910的圖形900，其中Nt=0至1014/cm2。峰值回應在SNR相對於無阱狀況下之幾乎3倍改良情況下如基於先前論述所預期而觀測到。
應注意到，SNR改良之量值及最大SNR之特定阱密度取決於大量因素-電晶體設計的細節、電介質之鹽度、阱狀態相對於外部電荷及通道/閘極氧化物界面之位置、阱狀態相對於半導體之導電帶及價帶之阱狀態的位置及其他相關因素。雖然峰值SNR增益可發生變化且可針對影響FET效能之因素(例如，源極摻雜、通道摻雜、重疊距離、閘極氧化物厚度，源極、汲極及重疊區之深度等)憑經驗調整，但回應之一般形狀將不調整。換言之，在感測區中故意引入恰當目標阱狀態將通常改良感測器回應。
圖10為描繪感測部分至奈米線之表面之共價附接的圖1000。共價鍵之產生擾亂附接位點1010附近的原子鍵，且產生區域化阱狀態。所使用之鍵聯器分子之選擇係基於FET感測器之表面的本質。可使用之鍵聯器分子之合適實例包括但不限於：針對SiO2之矽烷；針對諸如HfO2之金屬氧化物的磷酸酯、氫化胺酸鹽(hydroamate)及聯胺；針對碳類表面的芘、蒽及羧酸鹽，或任何其他數目個多種合適生物共軛反應。
圖11為說明阱狀態之密度及位置可藉由預先存在之半導體製造 技術或使用帶電荷束照射(例如，電子束、離子束、電漿照射或非摻雜物質之離子植入)來嚴密地控制的圖1100。
圖12為說明阱狀態之密度及位置亦可經由區域化摻雜控制的圖1200。對於水平奈米線，摻雜經由植入或擴散摻雜來達成。對於垂直奈米線，摻雜亦可在生長期間控制。
如圖13之圖形1300中展示，植入物質及劑量可根據Si中各種雜質之所量測電離能量經選擇以產生所要類型的阱且經受藉由所選擇之FET製造技術強加的其他最佳化約束。
V.用以克服德拜篩分之所施加信號的實例使用
在一個實例中，自物理學觀點，諸如Na+Cl-或K+Cl-之離子溶液與任何正及負離子之集合不可區分，且最一般地可描述為電漿。所有電漿具有稱作「電漿頻率」(plasma frequency；PF)之特性頻率，在該電漿頻率以上，電漿對於所施加之電信號變成透明的。電漿頻率與m 1/2成比例，其中m為帶電物質之質量。在電漿頻率以上，電場改變過快且帶電荷物質之慣性並不允許帶電荷物質隨著電場移動且自電場吸收能量。
金屬為用以產生電漿之目標的常見實例。金屬對於可見光輻射完全不透光，但對於x射線可為透明的。氣態電漿(例如，Ar+/e-)不透光直至數百KHz，但在MHz範圍內變得透明。類似地，電荷載子具有類似於N、Ar之質量的離子鹽溶液可預期為在MHz範圍內變得透明。
自感測觀點，離子溶液自不透明變得透明之轉變具有重要暗示。在電漿頻率以下，溶液中之電場作為exp(-x/LD)/x衰減，其中LD為電漿之德拜長度。在電漿頻率以上，溶液中之電場作為弱得多之衰減速率1/x延遲。電漿頻率以下之衰減速率/以上之衰減速率的比率為exp(-x/LD)。
回看圖1，與奈米結構接觸之被分析物溶液175可通常描述為電 漿。此類電漿具有被稱作電漿頻率之特性頻率，在該電漿頻率以上，電漿對於溶液中之被分析物變得透明的。藉由在電漿頻率以上施加電信號至閘極130，溶液中帶電荷物質之慣性防止電漿隨著電場移動，且因此停止吸收能量，藉此變得透明的。
對於在約10mM至約100mM之範圍內的生物溶液，LD係在約0.3nm至約3nm之範圍內。此情形可具有生物感測器按場效原理操作的暗示，此係由於在許多實例中，生物感測器對在感測器之表面之1nm至3nm內產生之電場做出回應。儘管如此，電場在到達感測器表面之前衰減達限制或抵消藉由感測器進行之對應場效的偵測之程度。舉例而言，電荷在遠離浸沒於50mM溶液中之感測器2nm處的電場將在電漿頻率以下接著在電漿頻率以上衰減強於~7×(e-2)。因此，藉由在電漿頻率以上操作進行之SNR改良的電位為顯著的。
VI.用於施加並量測FET之信號的第一實例電路
圖14為繪製浸沒於100mM NaCl中之實例場效感測器(碳奈米管)在黏接於實例場效感測器之表面上的抗生蛋白鏈菌素/生物素不存在情況下的電流ID(1410)及存在情況下的電流ID(1420)之圖形1400。圖形依據量測頻率展示黏接於場效感測器之表面上的生物素-抗生蛋白鏈菌素。NaCl濃度為100mM，且德拜長度為~0.3nm。如圖所示，歸因於強篩分(~0.3nm之LD)，感測器不能偵測2MHz以下生物素的存在。對比而言，清楚差分回應在10MHz以上觀測到，其係高於NaCl溶液之預期電漿頻率。
在本文中揭示之技術的一些實例中，如圖15中之1500中所說明，具有幅度調變輸入信號之混合電流量測電路1510可用以量測I D 。然而，對於感測器之較大陣列(例如，具有數百或數千或多於數千之感測器的陣列)，此等電路之使用可變得繁瑣的，且此類電路之使用在針對由數百萬個感測器組成之陣列的當前處理技術中可能不可行。
此外，在使用此類混合電流量測電路之偵測方案情況下可存在至少兩個問題。首先，高頻RF信號在按感測器基礎上饋送，同時控制信號之相移。此問題類似於現代微處理器中時脈分配的問題。雖然電路問題可經由使用適當電路及設計技術來解決，但在不可用於感測之晶片上存在面積(real estate)成本。第二問題為按像素鎖定放大的使用。鎖定放大器為複雜電路，其在實施時導致就積體電路面積而言的極端額外耗用。
VII.用於施加並量測本文中所揭示之FET之信號的第二實例電路
在本文中所揭示之技術的某些實例中，在鎖相迴路(PLL)組態中具有電壓控制振盪器(VCO)的電路用於高頻信號之按感測器產生及偵測。實例感測器之示意性說明1600展示於圖16中。奇數數目個反相器(所說明諸圖中三個：1610、1611及1612)形成以固定頻率共振之環形振盪器1620。以廣泛性方式展示為附接至振盪器反相器中電晶體中之一者之閘極的酵素1630之生物反應因此提供可變負載至環形振盪器中FET之一或多個閘極，此舉使其共振頻率移位。在其他實例中，一個以上酵素可附接至單一電晶體閘。環形振盪器(ring oscillator；RO)之振盪頻率取決於用以製造反相器之技術及振盪器中反相器的數目。對於當代互補金氧半導體(contemporary complementary metal-oxide-semiconductor；CMOS)製造技術，3級振盪器之共振頻率可高達幾GHz。在一些實例中，環形振盪器之一個以上反相器級藉由不同部分官能化，該等不同部分在生物反應存在情況下對振盪頻率產生獨特效應-例如，一個級可藉由增大振盪器之振盪頻率做出回應，且另一級可藉由減低振盪頻率來做出回應。此類實施在多路傳輸感測之某些實例中特別需要。
針對反相器級中每一者之合適電路的實例展示於圖17之示意圖1700中。分別被稱作上拉(pull-up；PU)電晶體及下拉(pull down；PD)電晶體之兩個電晶體(一個PMOS 1710及一個NMOS 1720)如圖17中所展示經連 接。當輸入埠處之信號為高時，PU電晶體關斷，而PD電晶體接通，從而導致輸出埠上的低電位。相反，當輸入信號為低時，PD電晶體關斷，同時PU電晶體接通，從而導致輸出埠上之高電位。因此，此電路使輸入信號之極性反相，因此名稱為「反相器」。
在本文中所揭示之技術的一些實例中，例如聚合酶之酵素將附接至RO之反相器級中一者之PU或PD電晶體的閘極。藉由對其野生型基板起作用之酵素(例如去氧核苷酸(deoxynucleotide；dNTP)或對經改質基板起作用之酵素(例如，電荷標記dNTP，作為非限制性實例)產生的電場將以時間相依方式變更特定反相器級之效能，且因此改變環形振盪器1620之共振頻率。在一些實例中，酵素附接至之FET在酵素鍵接至奈米結構通道的地方附近或該地方處具有其增大的局部阱狀態密度。在圖17之反相器中，額外組件1730可經添加以模型化在具有增大之局部阱狀態密度之區附近或處鍵聯至電晶體通道之酵素。在此實例中，環形振盪器1620因此正充當生物驅動之壓控振盪器(biologically-driven voltage controlled oscillator；b-VCO)。在一些實例中，僅鍵聯至酵素之FET具有奈米結構通道，且其他FET為具有金屬或多晶矽閘極的PMOS或NMOS電晶體。在一些實例中，環形振盪器1620中FET的全部具有奈米結構通道(例如，奈米管或奈米線通道)。在一些實例中，僅鍵聯至酵素之FET與被分析物溶液接觸，同時在其他實例中，FET中之一或多者或全部與被分析物溶液接觸。
偵測b-VCO之共振頻率之小改變的一個有效方式係經由鎖相迴路(phase-locked loop；PLL)。在一些實例中，PLL包括兩個VCO：一個b-VCO，其頻率藉由正感測之生物反應控制；及一個振盪器，其藉由調整外部供應之電壓來追蹤b-VCO頻率之改變以便維持其自身振盪與b-VCO之振盪之間的恆定相位差。如本文中所使用，此第二VCO被稱為感測VCO或s-VCO。
如圖18之示意圖1800中所展示，此類型電路之操作可藉由SPICE模擬確認。b-VCO可經模擬為環形振盪器1810，其中外部來源1820在反相器級1830中之一者之輸入上供應小擾動，如圖18中所展示。
來自電壓源1820之小電壓Vsignal與來自主要RO迴路之正常信號平行地施加至第二反相器級1830之輸入。來自b-VCO之信號在點SENSE處捕獲，且饋給至s-VCO用於相位追蹤。
PLL之剩餘部分如圖19之示意圖1900中所展示予以模擬。標記為PD之電壓加法器對b-VCO與s-VCO之輸出相加。包含電阻器R1及電容器C1之低通濾波器將高頻信號轉換為DC電壓，該DC電壓與b-VCO振盪與s-VCO振盪之間的相位差成比例。標記為FG之放大器放大此DC信號且將該DC信號饋給回至s-VCO，藉此提供回饋迴路，在該回饋迴路處，s-VCO頻率調整以維持與來自b-VCO之信號的零度偏移。放大器FG之輸出亦藉由施密特(Schmidt)觸發器A1監視，該施密特觸發器以設定電壓觸發，從而在來自FG之電壓高於某位準時產生邏輯一(1)且在其他情況下產生邏輯零(0)。應注意，放大器FG及施密特觸發器添加至用於模擬實行之經模擬電路，且將不必用於實際實施中。亦應注意到，此處描述之PLL電路實施為說明性實例，且可使用其他電路實施，如對於具有本揭示內容之益處的一般熟習此項技術者將易於理解。
圖20包括展示在說明於圖19之示意圖1900中之電路中的各種點處觀測到之電壓信號的數個圖形(2000、2010、2020及2030)。輸入信號2000具有為0.3之SNR且不可藉由單一位準觸發器調用。輸出信號2010具有>10的SNR，且為易於由單一位準觸發器可調用的。觸發器在28mV以上輸出邏輯1，且在該位準以下輸出邏輯0。在FG放大器之輸出處觀測到之中間信號亦展示於圖形2020中，來自酵素之理想化回應經模型化，此係由於藉由用以模型化與感測酵素互動之PD電壓加法器輸出之電壓的模擬改變展示於圖形2030中，其亦展 示於圖20中。
應注意，此模擬中使用之3級環形振盪器之振盪頻率為大約6GHz，如圖21之圖形2100中所展示。此良好高於所使用之離子NaCl溶液的電漿頻率，離子NaCl溶液的電漿頻率為約2MHz(參見圖14)。因此，證明圖1A至圖1B之感測器的增強型敏感度。實例環形振盪器之頻率亦良好高於預期信號之頻寬(大約100KHz至1MHz)，其亦如此組態以便對於PLL能夠做出回應。
綜上所述，具有b-VCO之PLL可用於感測嘈雜生物信號，特別是在生物相關鹽濃度下。在一些實例中，使用用於本文中揭示之環形振盪器組態中之生物FET的阱狀態密度。電路可有利地展現集成電路區域之較低使用，且實施於成熟製造節點處。對於圖16至圖20之實例，兩個VCO使用總計6個電晶體加上用於相位偵測器之額外6至10個電晶體。電路之輸出信號隨著範圍為約10KHz至約100KHz之頻率發生變化，該頻率良好地低於用於鎖定方法之實施的MHz+速率。因此，方法允許高頻偵測方案之按比例擴大至單一積體電路晶粒中數千且潛在地數百萬個感測器。
VIII.使用本文中所揭示之場效感測器的實例系統實施
圖22為說明如可在本文中揭示之技術之某些實例中使用的系統之方塊圖2200，該系統可用以使用歸因於阱狀態密度之區域化改變具有增強型敏感度的FET感測器來分析被分析物溶液。如圖所示，半導體裝置之陣列2210具有根據本文中所論述之技術的導電通道，該等導電通道具有改質阱狀態密度。在一些實例中，半導體裝置或陣列2210之裝置之群組中的每一裝置具有收納被分析物溶液的各別容器。此實施將可用於同一晶片上之經多路傳輸量測。在其他實例中，容器可收納被分析物溶液，且經組態以係與兩個或兩個以上半導體裝置之導電通道的觸點。通向且來自半導體裝置之端子的導線如本文中所描述耦接至實行電路2220。舉例而言，包括本文中所揭示之環形振盪器實施的 相位偵測電路可耦接至陣列之每一各別半導體裝置。在一些實例中，實行電路實施於與陣列相同之基板上。在其他實例中，半導體電路之全部或一部分實施於耦接至支撐陣列之基板的獨立積體電路上。舉例而言，實行電路可經由印刷電路板上、多晶片模組內或多晶粒封裝中之導電跡線連接至陣列。
介面電路2230傳輸類比信號至實行電路2220且自實行電路接收類比信號以便控制操作且感測於陣列之半導體裝置中誘發之電改變。在一些實例中，實行電路包括環形振盪器，其耦接至實施生物FET感測器之半導體裝置中的每一者。在其他實例中，實行電路2220自兩個或兩個以上生物FET感測器接收輸出信號。介面又可將類比信號轉換為合適數位編碼以供定序器電腦2240內之一或多個處理器2245使用。定序器2240可又包括記憶體2250、非揮發性儲存器2255及I/O部分2260。
IX.製造半導體裝置之實例方法
圖23為如在本文中所揭示之技術之某些實例中可執行的概述實例製造方法的流程圖2300。舉例而言，諸如上文所描述之彼等的半導體裝置可使用所說明之方法來製造。
在程序方塊2310處，奈米結構沈積於基板(在該基板內或上方具有至少一個源極區及至少一個汲極區)上方以在源極區與汲極區之間形成導電通道。奈米結構具有針對奈米結構之一部分但非全部的經調整阱狀態密度。舉例而言，阱狀態密度可根據所選擇之阱狀態密度而增大或降低。在一些實例中，增大之阱狀態密度藉由將活性部分共價鍵聯至奈米結構之一部分而誘發於奈米結構中。因此，活性部分之鍵聯產生經自對準至該部分位置的阱狀態。在一些實例中，阱狀態密度藉由將離子植入至奈米結構部分中而增大。在一些實例中，區域化摻雜經執行以便增大奈米結構部分的阱狀態密度。在一些實例中，阱狀態密度藉由在將奈米結構沈積於基板上方時調整化學氣相沈積中源極 材料的組成來增大。在一些實例中，奈米結構包含一或多個矽奈米線、石墨烯奈米帶、MoS2奈米帶及/或碳奈米管。
在方法之一些實例中，一或多個參數經選擇用於半導體裝置。舉例而言，選擇所要△Cox參數、所要汲極電流到估量電壓回應或此兩個參數。選擇對應於奈米結構部分之經改質參數的所要阱狀態密度。阱狀態密度可根據所選擇阱狀態密度增大。在一些實例中，材料及/或劑量根據所要阱狀態密度選擇。
在程序方塊2320處，單分子之活性部分鍵聯至奈米結構部分。舉例而言，活性部分可共價鍵聯至奈米結構。在一些實例中，一個以上分子鍵聯至奈米結構部分。
X.使用半導體裝置之實例方法
圖24為概述如根據本文中所揭示之技術可執行的使用半導體裝置之實例的流程圖2400。舉例而言，如上文所論述之半導體裝置可用以實施所說明之方法。
在程序方塊2410處，酵素鍵聯至場效電晶體的在感測區附近之通道。場效電晶體具有源極端子、汲極端子及用於提供在源極端子與汲極端子之間的導電通道之奈米結構。感測區包括奈米結構上具有相對較高阱狀態密度的區。
在程序方塊2420處，離子溶液提供於感測區附近。舉例而言，離子溶液可包括具有所選擇鹽度之鹽溶液及溶液中一或多個被分析物的數個部分。在一些實例中，溶液具有範圍為約1mM至約500mM的鹽度。容器可用以促進離子溶液與奈米結構接觸，包括奈米結構之感測區。
在程序方塊2430處，信號施加至場效電晶體之端子。舉例而言，時變信號可施加於閘極端子或半導體裝置之本體端子。在一些實例中，信 號以至少超出所提供離子溶液之電漿頻率的頻率調變。對於一個實例，所施加信號以超出約1MHz之頻率調變。對於另一實例，頻率可超出實質上10MHz。信號可施加至場效電晶體之閘極端子或本體端子。舉例而言，信號提供至場效電晶體之本體端子，且閘極端子固持於固定電壓。在一些實例中，時變信號藉由生物反應自身產生，該生物反應正在感測區附近發生。因此，在本文中揭示之實例中，變化信號之源極可為額外施加之電位，或藉由生物反應自身產生的變化電荷或電場。
在程序方塊2440處，通過場效電晶體之電流的改變回應於所施加信號被偵測到。電流改變藉由裝置之導電率改變引起，其將被觀測到，此係由於分子及被分析物與感測區處之鍵聯部分互動。此等改變可使用例如環形振盪器偵測，其中環形振盪器之至少一個反相器包括具有感測區之場效電晶體。在其他實例中，不同電路經提供以偵測場效電晶體之輸出信號相對於施加至電晶體端子之信號的相位改變。在一些實例中，方法進一步包括基於偵測到之改變而定序去氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)分子中的一系列核苷酸。在其他實例中，方法進一步包括基於偵測到之改變而偵測核苷酸。
方法之一些實例可進一步包括提供環形振盪器電路，該環形振盪器電路具有環形振盪器之至少一個反相器，該環形振盪器包括具有如本文中所揭示之經改質感測區的場效電晶體。
在本文中所揭示之技術的一些實例中，一或多個電腦可讀取儲存裝置或記憶體儲存電腦可讀取指令，該等指令在由電腦執行時使得電腦執行本文中所揭示之方法中之任一者。在一些實例中，系統經組態以執行本文中所揭示之方法中任一者的至少一部分。在一些實例中，系統耦接至儲存電腦可讀取指令之電腦可讀取儲存裝置或記憶體，該等指令在執行時使得系統執行本文所揭示之方法中的至少任一者。
應瞭解，前述概念及下文更詳細地論述之額外概念的所有組合(限制條件為此等概念並不彼此不相容)經涵蓋作為本文中所揭示之發明主題的部分。特定言之，在本發明結尾處出現之所主張主題的全部組合預期為本文所揭示之本發明主題的一部分。亦應瞭解，亦可顯現於以引用方式併入之任何揭示內容中的本文中明確地使用之術語應符合於與本文中揭示之特定概念大部分相符的含義。
貫穿本說明書對「一個實例」、「另一實例」、「實例」等之參考意謂，結合實例描述之特定元件(例如，特徵、結構及/或特性)包括於本文中所描述之至少一個實例中，且在其他例子中可存在或可不存在。此外，應理解，除非上下文另外明確規定，否則針對任何實例所述之要素可在各種實例中以任何適合方式組合。
雖然已詳細描述了若干實例，但應理解，所揭示實例可經修改。因此，前述描述應視為非限制性的。
Claims (28)
- 一種半導體裝置，其包含：一源極；一汲極；包含一奈米結構之一通道，該奈米結構包含具有一增大之阱狀態密度的一經改質部分，該經改質部分藉由一活性部分官能化；及與該奈米結構電連通之一閘極端子。
- 如請求項1所述之半導體裝置，其中該奈米結構包含以下各者中之至少一者：一奈米線、一奈米管及一奈米帶。
- 如請求項1所述之半導體裝置，其中該奈米結構包含以下各者中之至少一者：一矽奈米線、一碳奈米管、一聚合物奈米線、一石墨烯奈米帶及一MoS 2奈米帶。
- 如請求項1所述之半導體裝置，其中該奈米結構包含以下各者中之至少一者：石墨烯、矽烯及磷烯。
- 如請求項1所述之半導體裝置，其中該經改質部分藉由離子植入、高能束照射、電漿暴露或其一組合形成。
- 如請求項1所述之半導體裝置，其中：該活性部分包含鍵聯至該奈米結構之該經改質部分的一酵素或一適體；及該酵素或該適體至該奈米結構之該經改質部分的鍵聯擾亂該奈米結構之原子鍵以增大該奈米結構之該經改質部分的該阱狀態密度。
- 如請求項6所述之半導體裝置，其中該經鍵聯酵素或適體共價鍵接至該奈米結構之該經改質部分。
- 如請求項1所述之半導體裝置，其中該活性部分為以下各者中之一者的一單分子：一單酵素、一單抗體及一單適體。
- 如請求項1所述之半導體裝置，其中該增大之阱狀態密度係在約1×10 -12阱/cm 2至約1×10 -14阱/cm 2的一範圍內。
- 一種設備，其包含：如請求項1所述之半導體裝置；及一容器，其至少部分圍封該奈米結構，該容器用以收納一被分析物溶液，從而提供該閘極端子與該奈米結構之間的電連通。
- 一種包含如請求項1所述之半導體裝置的設備，其中：該半導體裝置進一步包含耦接至一經調變信號輸入之一本體端子；且該閘極端子耦接至一固定電壓。
- 一種包含電流感測器或環形振盪器之設備，該電流感測器或環形振盪器包含如請求項1所述之半導體裝置。
- 一種製造方法，該方法包含：將一奈米結構沈積於一基板上方，該基板具有在該基板內或該基板上方之至少一個源極區及至少一個汲極區以在該源極區與該汲極區之間形成一導電通道，該奈米結構具有針對該奈米結構之一部分但並非全部的一增大之阱狀態密度；及將一活性部分鍵聯至該奈米結構部分。
- 如請求項13所述之方法，其進一步包含藉由將該活性部分共價鍵聯至該奈米結構部分而產生該增大之阱狀態密度。
- 如請求項13所述之方法，其進一步包含藉由將離子植入至該奈米結構部分而產生該增大之阱狀態密度。
- 如請求項13所述之方法，其進一步包含藉由執行該奈米結構部分之區域化摻雜而產生該增大之阱狀態密度。
- 如請求項13所述之方法，其進一步包含當在該基板上沈積該奈 米結構時藉由在一化學氣相沈積製程中調整一源極材料之一組成而增大該奈米結構部分之該阱狀態密度。
- 如請求項13所述之方法，其中該奈米結構包含以下各者中之至少一者：一奈米線、一奈米管及一奈米帶。
- 如請求項13所述之方法，其中該奈米結構包含以下各者中之至少一者：一矽奈米線、一碳奈米管、一聚合物奈米線、一石墨烯奈米帶及一MoS 2奈米帶。
- 如請求項13所述之方法，其中所述奈米結構包含以下各者中之至少一者：石墨烯、矽烯及磷烯。
- 如請求項13所述之方法，進一步包含：選擇：一所要△C ox參數，或一所要汲極電流到閘極電壓回應，或該所要△C ox參數及該所要汲極電流到閘極電壓回應；為該奈米結構部分選擇一所要阱狀態密度；及根據該所選擇之所要阱狀態密度而增大該阱狀態密度。
- 如請求項21所述之方法，其進一步包含根據該所選擇之所要阱狀態密度而選擇以下各者中之至少一者：針對該奈米結構部分的一材料，及一劑量。
- 一種使用半導體裝置之方法，其包含：在一感測區附近將一酵素鍵聯至一場效電晶體之一通道，該場效電晶體具有一源極端子、一汲極端子及形成該源極端子與該汲極端子之間的一通道之一奈米結構，該感測區包含該奈米結構上具有相對較高阱狀態密度的一區；在該感測區附近提供一離子溶液；將一信號施加至該場效電晶體之一端子；及回應於該所施加信號而偵測到通過該場效電晶體之電流改變。
- 如請求項23所述之方法，其中該信號以超出該溶液之一電漿頻率的一頻率而調變。
- 如請求項23所述之方法，其中該溶液具有範圍為約1毫莫耳(mM)至約500毫莫耳(mM)的一鹽度。
- 如請求項23所述之方法，其中該信號提供至該場效電晶體之一閘極端子或一本體端子。
- 如請求項23所述之方法，其中偵測電流改變包含偵測該場效電晶體之一輸出信號相對於施加至該端子之該信號的一相變。
- 如請求項23所述之方法，其進一步包含基於該等偵測到之改變而定序一去氧核糖核酸(DNA)或一核糖核酸(RNA)分子中的一系列核苷酸。
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