TW202209683A - 具有場效電晶體的裝置 - Google Patents

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Abstract

揭示可提供用於定序多核苷酸之可擴充性、改良之靈敏度及減少雜訊的裝置及使用所述裝置之方法。所述裝置之實例包括生物或固態奈米孔、具有對於通道的改良式的閘極可控制性之場效電晶體(FET)感測器及多孔結構。

Description

具有場效電晶體的裝置
本發明關於具有場效電晶體的裝置。 ［相關申請案之交互參照］
本申請案主張於2020年7月2日申請之美國臨時專利申請案第63/047743號及2021年3月31日申請之美國臨時專利申請案第63/200868號之優先權，所述美國申請案之各者之內容全文以引用方式併入本文中。
各種多核苷酸定序技術涉及在支撐表面上或在預界定反應室內執行大量受控制反應。接著，可觀察或偵測受控制反應，且後續分析可有助於識別反應中涉及的多核苷酸之性質。
這些多核苷酸定序技術中之一些利用可提供離子電流路徑的奈米孔。例如，當多核苷酸行進通過奈米孔時，會影響通過奈米孔的電流。通過奈米孔的各通過核苷酸或一系列核苷酸產出特性電流。可記錄行進中的多核苷酸之此等特性電流以判定該多核苷酸的序列。
圖1A展示先前技術之奈米孔定序裝置1110，如PCT公開案WO 2019/160925中所示。先前技術之奈米孔定序裝置1110包括與一順式電極1130相關聯之一順式井1114、與一反式電極1134相關聯之一反式井1116、以及經定位在順式井1114與反式井1116之間的一場效電晶體(FET) 1122。FET 1122包括一源極1150、一汲極1152、及一通道1154。在順式井1114下方，一第一腔1115面向順式井1114。反式井1116包括一第二腔1117。一流體隧道1121從第一腔1115延伸通過FET 1122至反式井1116。一電解質1120設置在順式井1114、第一腔1115及反式井1116中。
設置於一隔膜1124中的一奈米孔1118在順式井1114與第一腔1115之間。奈米孔1118具有從順式井1114至第一腔1115流體地且電氣地連接電解質的第一奈米級開口1123。第一奈米級開口1123具有一內直徑1123'。當多核苷酸1129行進通過第一奈米級開口1123時，可藉由測量FET感測器1122之電壓變化來判定多核苷酸的序列。在一基底基材1162'內的一第二奈米級開口1125流體地連接流體隧道1121及第二腔1117，其中第二奈米級開口1125具有內直徑1125'。
金屬互連件1164'及1166'與FET 1122之源極1150及汲極1152電氣連通。一相對厚之層間介電質1168（大致上比約50 nm更厚）圍繞通道1154及FET感測器1122之上表面及下表面以形成流體隧道1121。FET感測器1122與在通道1154最接近流體隧道1121所在之邊界1156處的電解質1120電氣連通。如所繪示，在通道1154頂部上或下方的層間介電質1168之厚度可以是FET 1122之通道1154之厚度的約3倍或更多。
本文之實例中提供用於定序多核苷酸之裝置及使用所述裝置之方法。此一裝置之一實例是奈米孔裝置。具體而言，實例包括具有一場效電晶體(FET)感測器及一多孔結構之裝置。
本文中所揭示之系統、裝置、套組、及方法各具有幾個態樣，所述態樣中之無單一個僅負責其等之所欲屬性。在不限制申請專利範圍之範圍下，現在將簡短地討論一些顯著特徵。亦設想許多其他實例，包括具有較少、額外及/或不同組件、步驟、特徵、物體、效益、及優點的實例。組件、態樣及步驟亦可經配置及不同地排順序。在考慮此討論後，特別是在閱讀過標題為「實施方式」的段落之後，將了解本文所揭示之裝置及方法的特徵提供優於其他已知裝置及方法的優點。
一個實例是一種裝置，其包含：一中間井，其包含一流體隧道；一順式井，其與一順式電極相關聯，其中一第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間；一反式井，其與一反式電極相關聯，其中一第二奈米級開口設置在該反式井與該中間井之間；及一場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該第二奈米級開口之間。在此實例中，該FET包含：一源極、一汲極、及一通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含一閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有經流體地曝露於該中間井的一上表面，其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井。在一些實施例中，該流體隧道延伸通過該通道。在替代實施例中，該流體隧道與該FET通道偏移（即，不延伸通過）。
另一實例是一種裝置，其包含：一中間井，其包含一流體隧道；一順式井，其與一順式電極相關聯，其中一第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間；一反式井，其與一反式電極相關聯，其中一第二奈米級開口設置在該反式井與該中間井之間；及一場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該第二奈米級開口之間，該FET包含：一源極、一汲極、及一通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含一閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有一上表面及一下表面，所述表面經流體地曝露於該中間井，其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井。在一些實施例中，該流體隧道延伸通過該通道。在替代實施例中，該流體隧道與該FET通道偏移（即，不延伸通過）。
又另一實例是一種裝置，其包含：一中間井，其包含一流體隧道；一順式井，其與一順式電極相關聯，其中一第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間；一反式井，其與一反式電極相關聯，其中一多孔結構設置在該反式井與該中間井之間；及一場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該多孔結構之間，該FET包含：一源極；一汲極；及一通道，其將該源極連接至該汲極，其中該通道包含一閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有經流體地曝露於該中間井的一上表面，其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井。在一些實施例中，該流體隧道延伸通過該FET通道。在替代實施例中，該流體隧道與該FET通道偏移（即，不延伸通過）。
又另一實例是一種使用前述裝置中之任何者的方法，該方法包含：將一電解質引入至一裝置之該順式井、該反式井、該中間井、及該流體隧道之各者中；在該順式電極與該反式電極之間施加一電壓偏壓，其中該第一奈米級開口之一電阻回應於在該第一奈米級開口處的多核苷酸中之鹼基之一識別而變化，且其中該流體隧道中的該電解質之一電位(VM )回應於該第一奈米級開口之電阻之變化而變化；及測量依據在該第一奈米級開口處之該多核苷酸中之鹼基而變化的該FET之一回應，以識別該多核苷酸中之所述鹼基。
應理解，本文所揭示之裝置及/或陣列之任何特徵可依任何所欲方式及/或組態組合在一起。進一步地，應理解，使用該裝置之方法的任何特徵可以任何所欲的方式組合在一起。此外，應理解，此方法及/或裝置及/或陣列之特徵的任何組合可一起使用，及/或可與本文所揭示之任何實例組合。更進一步地，應理解，任何裝置及/或任何陣列及/或任何方法之任何特徵或特徵組合可依任何所欲方式組合在一起，及/或可與本文所揭示之任何實例組合。
應理解，下文更詳細論述的前述概念及額外概念被設想為本文中揭示之發明標的之一部分，且可用以達成本文所述之益處及優點。
本文中提及之所有專利、申請案、公開申請案及其他出版物，對所引用之材料及其全文係以引用方式併入本文中。如果用語或片語以與以引用方式併入本文中的專利、申請案、公開申請案及其他出版物中提出的定義相反或以其他方式不一致之方式使用，則在本文中之使用優先於以引用方式併入本文中的定義。
一個實例係關於一種定序裝置，其包括一場效電晶體(FET)感測器，該FET感測器具有設置於該FET感測器之源極與汲極之間的通道。雖然在本文許多情況中，定序裝置描述為奈米孔裝置，但裝置不需要是奈米孔裝置，且其他組態也是可行的。在一實例中，該通道具有一上表面、一下表面、或兩者皆曝露於在該裝置內的電解質。該FET感測器之經曝露上表面及/或下表面提供FET與電解質電氣接觸的一增加表面積，其改善奈米孔定序裝置之靈敏度。此外，經發現增加FET曝露於電解質的表面積，可降低感測器中的背景電雜訊，因此當測量與奈米孔接觸的核酸序列時，提供對信號雜訊比(SNR)的多因子升壓。
在一實例中，該奈米孔定序系統利用內建有全環繞閘極(gate-all-around, GAA)電晶體的一FET感測器，以進一步增加裝置之信號雜訊比。此GAA技術允許FET感測器不僅具有曝露於電解質的一上表面，且亦具有亦曝露於電解質之一下表面。下文參考圖4A描述關於此結構之更多資訊。在一實施例中，奈米孔定序系統之一或多個全環繞閘極電晶體可包含曝露於一電解質的源極-汲極通道之一上表面及一下表面，如圖4A、圖4B、及圖4B'所示。在另一實施例中，奈米孔定序系統之一或多個全環繞閘極電晶體可包含曝露於一電解質的複數個源極-汲極通道之一上表面及一下表面，如圖6所示。在又另一實施例中，奈米孔定序系統之一或多個全環繞閘極電晶體可包含垂直電晶體，如圖8所示。
在另一實例中，FET不與電解質直接接觸。而是，如圖9中所展示之一非法拉第金屬電極曝露於該電解質並傳輸一所偵測之信號至該感測FET。此組態允許顯著簡化製造程序及與習知半導體製程流程之更佳相容性。
在另一實例中，可用多孔結構取代固態奈米孔結構，如下文更詳細論述。此類多孔結構可更容易整合至半導體製造程序流程中。
如本文中所使用，用語「曝露於電解質(exposed to electrolyte)」不必然意指組件直接接觸電解質。例如，曝露於電解質的一FET感測器或一FET感測器之一通道可包含該感測器或通道與該電解質之間的一絕緣體之一相對薄層。例如，在一實例中，FET感測器之位於源極與汲極之間的通道部分可被一閘極氧化物之一相對薄層覆蓋，例如一熱生長二氧化矽層，且通道連同其閘極氧化物稱為「曝露於電解質」。替代地，一絕緣體之一薄層可由高k介電質形成，諸如HfO2 、Al2 O3 、氮氧化矽、Si3 N4 、TiO2 、Ta2 O5 、Y2 O3 、La2 O3 、ZrO2 、ZrSiO4 、鈦酸鋇鍶、鋯鈦酸鉛、ZrSix Oy 、或ZrAlx Oy 。閘極氧化物之層厚度可以是約10 nm，或在其他實例中，厚度小於約9、約8、約7、約6、約5、約4、約3、約2、或約1 nm，且仍在本文所述之實例內。奈米孔定序裝置之電操作
現請參照圖1B，展示奈米孔裝置之等效電路圖，諸如圖2至圖7所繪示之奈米孔裝置。隨著電解質引入至該順式井、該反式井、該中間井、及該流體隧道之各者中。在該順式電極與該反式電極之間施加一電壓差V。在一些實例中，一多核苷酸經驅動通過一第一奈米孔之第一奈米級開口（例如，蛋白奈米孔）。在替代實例中，該多核苷酸不行進通過該第一奈米孔，而是經標記核苷酸被作用於多核苷酸的聚合酶合併。在某些實施例中，單股多核苷酸、雙股多核苷酸、合併之核苷酸鹼基的標記或標示、或合併之核苷酸鹼基之其他表示、以及其任何組合可行進通過該第一奈米孔。在某些實施例中，合併之核苷酸鹼基的標記或標示可從多核苷酸分離或解離，且此類標記或標示可行進通過第一奈米孔，而多核苷酸行進通過或不行進通過該第一奈米孔。實例不限於多核苷酸如何與奈米孔通訊，以導致在奈米孔定序裝置中產生信號。該第一奈米級開口之一電阻Rprotein 回應於在該第一奈米級開口處的鹼基之一識別而變化，例如，當該多核苷酸的一鹼基行進通過該第一奈米級開口時，或當經標記核苷酸被作用於多核苷酸的聚合酶合併，因此所述經標記核苷酸之不同標記改變該第一奈米級開口之該電阻。
在一實例中，一第二奈米孔（例如，固態奈米孔）之一第二奈米級開口具有固定的或實質上固定之電阻Rpore 。流體隧道中的電解質之電位（在圖1C中表示為分壓器點M）回應於第一奈米級開口之電阻Rprotein 的變化而變化。因此，測量該第一奈米級開口中之電阻變化時的FET之回應允許判定該第一奈米級開口中之電阻，且此類資訊可用以識別多核苷酸中的鹼基。
在奈米孔定序操作期間，跨該第一奈米孔施加電位（即，電壓差V）可強制核苷酸連同承載電荷的陰離子易位通過該第一奈米級開口。取決於偏壓，核苷酸可從該順式井運輸至中間井、或從該中間井運輸至該順式井。隨著該核苷酸運輸通過該第一奈米級開口，跨隔膜24之電流例如由於例如收縮之鹼基相依性阻塞而變化。可使用該FET感測器來測量來自電流變化的信號。測量該FET之該回應的實例包括：測量一源極汲極電流；或測量在該源極及/或汲極處之一電位。此外，可測量在該FET通道中之一電阻，以識別該第一奈米級開口處的鹼基。
在操作期間，所測量電壓之範圍可在選從約-0.1 V至約0.1 V以上、從約-0.5 V至約0.5 V以上、從約-1 V至約1 V以上、從約-1.5 V至約1.5 V以上、從約-2.0 V至約2.0 V以上、從約-3.0 V至約3.0 V以上、從約-5.0 V至約5.0 V以上。電壓極性一般經施加使得帶負電荷的核酸被電泳地驅動朝向反式電極。在一些情況中，電壓可被降低，或該極性反轉，以促進該裝置的適當功能。在一非限制性實例中，該第一奈米級開口的電阻Rprotein 可以是約0.5至約1吉歐姆(GΩ)。該第二奈米級開口之電阻Rpore 可以是約50百萬歐姆(MΩ)。在一個實例中，Rprotein 依據在該第一奈米級開口處的多核苷酸之鹼基而變化。
分壓器點M之電位隨Rprotein 而變化且作為FET閘電位。（其可形成在固態奈米孔中的）該第二奈米級開口之電阻Rpore 固定或至少實質上固定，且未被在該第一奈米級開口處的多核苷酸之鹼基所調變。例如，當多核苷酸進入收縮之該第一奈米級開口時，該第一奈米級開口之電阻Rprotein 係基於多核苷酸中之鹼基的識別來調變。替代地，該第一奈米級開口之電阻Rprotein 係基於被作用於多核苷酸的聚合酶合併的經標記核苷酸之一標記的識別來調變。電阻Rprotein 可相對大，而一般會隨著在該第一奈米級開口處的不同之多核苷酸鹼基而變化達30%至40%。在其他實例中，電阻Rprotein 可在約0.001%至約1%、約1%至約5%、約5%至約20%、約20%至約40%、約40%至約60%、或60%至約100%之間變化。該第二奈米級開口之電阻Rpore 可相較於Rprotein 低約10倍，該第二奈米級開口具有大於該第一奈米級開口之尺寸。因為該第二奈米級開口的功能是在分壓器中提供固定電阻Rpore （但不讀出與該第一奈米級開口相關聯的電流），所以該第二奈米級開口可能不需要是原子精確。
圖1B所示之等效電路是分壓器，其中點M之電位係流體隧道中之電解質之電位。此電位係該FET之等效閘極電位並建立其操作點。由於點M之電位VM 隨著多核苷酸之鹼基識別而變化，所以流經該FET之電流（源極-汲極電流）變化，提供流經該第一奈米規格開口之電流的測量，且因此識別多核苷酸鹼基。在某些實施例中，奈米孔裝置的等效電路滿足下列方程式：
點M處之電位VM 係藉由以下給定
Figure 02_image001
(1) 其中
Figure 02_image003
(2) 係分壓器比率，且V 係順反偏壓。
驅動FET感測器回應之信號係
Figure 02_image005
，電位VM 隨著在該第一奈米級開口處的多核苷酸之鹼基改變而變化為。從上述可導出下列關係：
Figure 02_image007
(3) 其中
Figure 02_image009
係分壓器比率隨著在該第一奈米級開口處的多核苷酸的鹼基的變化。
信號
Figure 02_image005
可超過FET感測器之偵測極限(limit of detection,LoD )，即，
Figure 02_image011
。因此，奈米孔裝置10的靈敏度隨著
Figure 02_image013
減小、V增加、或
Figure 02_image009
增加而改善。
因此，操作順反偏壓V 可滿足：
Figure 02_image015
(4) 實例
圖2A展示具有FET感測器之一奈米孔定序裝置之一實例，該FET感測器具有曝露於電解質之一增加表面積。圖2A係例示性裝置10A之側截面圖。圖2B係取自圖2A之線3-3的截面俯視圖。圖2B'係取自圖2A之線3'-3'的截面俯視圖。
圖2A、圖2B、及圖2B'中展示之奈米孔定序裝置10A包括連接至一順式井14A之一順式電極30A。順式井14A具有包括設置至一隔膜24A中之一第一奈米孔18A的一下部部分。第一奈米孔18A包括由第一奈米孔18A所界定的一第一奈米級開口23A，該第一奈米級開口與至一第二奈米級開口25A的一流體隧道21A連通，該第二奈米級開口設置於流體隧道21A與在裝置10A之一下部部分處的一反式井16A之間的一較窄區域17A。如所示，該第二奈米級開口形成於基材材料62A中。第一奈米孔18A提供一流體路徑，供電解質20A在順式井14A與中間井15A之間通過。流體隧道21A提供一流體路徑，供電解質從中間井15A通過第二奈米級開口25A且至反式井16A。
在一實例中，順式電極30A及反式電極34A在至少實質上水平方向上至少實質上彼此平行。在其他實例中，該順式電極及該反式電極可處於相對於彼此且相對於該奈米孔裝置的任何適合定向。奈米孔裝置10A進一步包括定位在第一奈米級開口23A與第二奈米級開口25A之間的一場效電晶體(FET)感測器22A。FET感測器包括一源極(S) 50A、一汲極(D) 52A、及將源極50A連接至汲極52A之一通道54A。如圖2B及圖2B'之俯視圖所示，可見電解質20A在流體隧道21A中並延伸通過通道54A。透過蝕刻停止層38A使金屬互連件64A及66A與FET 22A之源極50A及汲極52A電氣連通。金屬互連件64A及66A將來自FET感測器22A之資料傳達至監測FET感測器22A的一控制系統。
在圖2A所示之奈米孔裝置10A的實例中，閘極氧化物56A之一薄層圍繞通道54A生長，因此其上表面55A經流體地曝露於中間井15A中之電解質20A。閘極氧化物56A可具有經流體地曝露於流體隧道21A中之電解質20A的一垂直表面。閘極氧化物56A之薄層將通道54A與電解質20A分離，且使FET感測器22A之通道54A曝露於電解質20A。閘極氧化物56A之厚度可介於約1 nm與約10 nm之間，或替代地介於約2 nm與約4 nm之間。閘極氧化物56A之厚度經選擇使得一足夠強的電場（給定電位VM ）可誘導電子或電洞的一反轉層，其構成在通道54A與閘極氧化物56A邊界處之一傳導路徑，以提供在FET 22A之源極50A與汲極52A之間的一可測量傳導。
在此組態中，通道54A的閘極氧化物56A之上表面55A使通道54A流體地曝露於中間井15A中之電解質，如圖2B所示。藉由提供曝露於電解質20A的通道54A之大面積，電位VM 具有對於通道54A的較佳閘極可控制性。
遵照上文的方程式(2)及(4)之後，假
Figure 02_image017
的預期位準離距是開孔電阻之~10%（其中預期的基本除法器比率係D~0.1），則變化
Figure 02_image009
~0.1×0.1 = 0.01。使用具有3 mVLoD 之FET感測器隱含
Figure 02_image019
.(5)
此類高順反偏壓V 可不相容於隔膜24A的一些選擇。
LoD 減小至約0.2 mV使所需順反偏壓V 減小約15x（15倍）至約20 mV，其相容於典型的隔膜。此意指具有大閘極面積之FET感測器將係有利的。在如先前技術圖1A中所示之FET感測器中，主要透過在流體隧道21A之邊界處的閘極氧化物56A，而僅使通道1154之小分率曝露於電壓
Figure 02_image005
變化。除了透過流體隧道21A之邊界而使通道54A曝露於電壓變化，具有如圖2A、圖2B及圖2B'中所示之經曝露上表面55A的結構大幅地增加曝露於
Figure 02_image005
之FET之感測面積，並改善LoD ，其等以1/sqrt(A )按比例調整，其中A 係通道54A曝露於電解質20A之面積。
層間介電質68A可以是任何適當的絕緣體，包括SiO2 、HfO2 、或Al2 O3 。當層間介電質68A係二氧化矽時，可執行蝕刻以蝕刻奈米孔定序裝置的各種組件。例如，可使用具有高各向異性的蝕刻劑來執行蝕刻，諸如氟化反應性離子蝕刻，包括CHF3 /O2 、C2 F6 、C3 F8 、及C5 F8 /CO/O2 /Ar，作為一些非限制性實例。
隔膜24A可以是非滲透性或半滲透性材料中之任何者。第一奈米級開口23A延伸通過隔膜24A。應理解，隔膜24A可由任何合適的天然或合成材料形成，如本文所述。在一實例中，隔膜24A係選自由一脂質與一脂質之一仿生等效物所組成的群組。在一進一步實例中，隔膜24A係合成隔膜（例如，固態隔膜，其中一個實例是氮化矽），且第一奈米級開口23A係在延伸通過隔膜24A的固態奈米孔中。在一實例中，第一奈米級開口23A延伸通過設置在該隔膜中的例如：多核苷酸奈米孔；多肽奈米孔；或固態奈米孔，例如，碳奈米管。
在一實例中，FET感測器22A之源極、汲極、及通道可由矽所形成，且該矽之一表面可經熱氧化以在FET感測器22A之通道上形成一閘極氧化物。
第一奈米孔18A可以是生物奈米孔（例如，蛋白奈米孔）、固態奈米孔、混合式奈米孔（例如，混合式蛋白/固態奈米孔）、及合成奈米孔。在一些實例中，該奈米孔具有兩個開放端及連接該兩個開放端的一中空核心或孔（即，該第一奈米級開口）。當插入至該隔膜中時，該奈米孔之所述開放端之一者面對該順式井，且該奈米孔之所述開放端中之另一者面向該中間井。在一些情況中，面向該中間井的該奈米孔之該開放端流體連接至該流體隧道，且亦可與該流體隧道之至少一部分對準。在其他情況中，面向該中間井的該奈米孔之該開放端流體連接至該流體隧道，但不與該流體隧道對準。該奈米孔之該中空核心實現該順式井與該中間井之間的流體及電連接。該奈米孔之該中空核心之直徑可在約1 nm至高達約1 µm之範圍內，且可沿奈米孔之長度變化。在一些實例中，面向該順式井之該開放端可大於面向該中間井之該開放端。在其他實例中，面向該順式井之該開放端可小於面向該中間井之該開放端。
第一奈米孔18A可直接插入至該隔膜中，或該隔膜可圍繞該奈米孔形成。在一實例中，該奈米孔可本身插入至一經形成之脂質雙層隔膜。例如，處於其單體形式或聚合形式（例如，八聚體）之奈米孔之本身可插入至脂質雙層中並組裝成一跨隔膜孔(transmembrane pore)。在另一實例中，可以所欲濃度將該奈米孔加至一脂質雙層之一接地側，在該接地側將自身插入至該脂質雙層中。在又另一實例中，該脂質雙層可經形成而橫跨聚四氟乙烯(PTFE)膜中之一孔隙中並定位於該順式井與該中間井之間。可將該奈米孔加至該接地順式隔室，並可在形成該PTFE孔隙之區域處將自身插入至該脂質雙層中。在又進一步實例中，奈米孔可連繫至一固體支撐物（例如，矽、氧化矽、石英、氧化銦錫、金、聚合物等）。可以是奈米孔本身之一部分或可附接至奈米孔之連繫分子可將奈米孔附接至固體支撐物。經由該連繫分子之附接可使得一單一孔經固定化（例如，在該順式井與該中間井之間）。然後，可圍繞奈米孔形成一脂質雙層。
在一實例中，該第二奈米級開口內直徑大於該第一奈米級開口內直徑至少約兩倍。在另一實例中，該第二奈米級開口內直徑大於該第一奈米級開口內直徑約三倍。在又另一實例中，該第二奈米級開口內直徑在從大於該第一奈米級開口內直徑約兩倍至大於該第一奈米級開口內直徑約五倍的範圍內。在一實例中，該第二奈米級開口的面積大於該第一奈米級開口的面積從約五倍至約10倍的範圍內。
進一步，在一實例中，該第一奈米級開口內直徑在從約0.5 nm至約3 nm的範圍內，且第二奈米級開口內直徑25A在從約10 nm至約20 nm的範圍內。在另一實例中，第一奈米級開口內直徑23A在從約1 nm至約2 nm的範圍內，且第二奈米級開口內直徑25A在從約10 nm至約20 nm的範圍內。在又另一實例中，該第一奈米級開口內直徑23A在從約1 nm至約3 nm的範圍內，且該第二奈米級開口內直徑25A在從約2 nm至約20 nm的範圍內。上述給定的第一奈米級開口內直徑23A的實例意欲是通過第一奈米孔18A的奈米級開口23A之最小直徑。
包含奈米孔定序裝置之陣列的基材可在陣列上具有許多不同的第一奈米級開口佈局，包括奈米級開口的規則、重複、及非規則圖案。在一實例中，所述第一奈米級開口可設置於用於密集堆積的六角形格子中，並改善裝置的密度。其他陣列佈局可包括例如直線（即，矩形）佈局、三角形佈局等。作為實例，佈局或圖案可以是呈列及行之第一奈米級開口之x-y格式。在一些其他實例中，佈局或圖案可以是第一奈米級開口之一重複配置。在又其他實例中，該佈局或圖案可以是第一奈米級開口之一隨機配置。該圖案可包括斑點、柱體、條紋、漩渦、線、三角形、矩形、圓形、圓弧、格子、格紋、斜紋、箭頭、方形、及/或交叉線。
奈米級開口的佈局可相關於第一奈米級開口之密度（即，在基材之經界定區域中構成該陣列之第一奈米級開口的數目）來特徵化。例如，第一奈米級開口之陣列可以每mm2 約10個第一奈米級開口至每mm2 約1,000,000個第一奈米級開口之密度存在。密度亦可包括例如每mm2 至少約10個、每mm2 約5,000個、每mm2 約10,000個、每mm2 約0.1百萬個、或更高之密度。替代地或額外地，密度可不大於每mm2 約1,000,000個、每mm2 約0.1百萬個、每mm2 約10,000個、每mm2 約5,000個、或更少。應進一步理解，該基材中的所述第一奈米級開口之密度可介於選自上述範圍的較低值之一者與較高值中之一者之間。
在一基材上的一陣列中之第一奈米級開口之佈局亦可以平均節距，即，從一第一奈米級開口之中心至一相鄰第一奈米級開口之中心的間距（中心至中心之間距）來特徵化。該圖案可以是規則的，以使得平均節距周圍之變異係數小，或圖案可以是非規則的，在此情況中，變異係數可相對大。在一實例中，平均節距可在約100 nm至約500 µm的範圍內。平均節距可以是例如至少約100 nm、約5 µm、約10 µm、約100 µm、或更大。替代地或額外地，平均節距可以是例如至多約500 µm、約100 µm、約50 µm、約10 µm、約5 µm或更小。用於裝置之一實例陣列的平均節距可介於選自上述範圍的較低值之一者與較高值之一者之間。在一實例中，該陣列可具有約10 µm的節距（中心至中心之間距）。在另一實例中，該陣列可具有約5 µm的節距（中心至中心之間距）。在又另一實例中，該陣列可具有在從約1 µm至約10 µm之範圍內的節距（中心至中心之間距）。
如上所述，一用於定序的基材可包括奈米孔定序裝置之一陣列。在一奈米孔定序裝置之一實例中，該反式井係藉由該中間井及各別的第二奈米級開口及第一奈米級開口流體連接至該順式井。在具有一奈米孔定序裝置陣列的一基材中，可有與在該基材上之該陣列內的奈米孔定序裝置之一部分或全部連通的一個共同順式井及一個共同反式井。然而，應理解，奈米孔裝置陣列亦可包括若干順式井，所述順式井彼此流體隔離，並流體地連接至彼此流體隔離且被界定於基材中的各別一或多個反式井。例如，多個順式井可以是所欲的，以便能夠測量在單一基材上的多個多核苷酸。在一些實施例中，具有一奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式電極、一個共同反式電極、一個共同順式井、一個共同反式井、及複數個奈米孔定序裝置，諸如圖2A中所示者，其中各奈米孔定序裝置包含一FET感測器及一雙孔，該雙孔具有一第一奈米孔及一第二奈米孔。該複數個奈米孔定序裝置之各奈米孔定序裝置可藉由其相關聯之FET感測器分開測量電阻或信號。在其他實施例中，各奈米孔定序裝置可包含具有三或更多個奈米孔之多孔及一FET感測器。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含複數個順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。
一奈米孔定序裝置之順式井可以是藉由連接至該基材之側壁所界定的一流體腔。在一些實例中，所述側壁及該基材可整體形成，使得其等係由一件連續材料（例如，玻璃或塑膠）形成。在其他實例中，所述側壁及該基材可以是彼此耦接的分開之組件。在一實例中，所述側壁係光可圖案化聚合物。在一些實例中，該順式井係形成在由該順式電極、該基材之部分、及該隔膜所界定之空間內。該順式井可具有任何適合之尺寸。在一實例中，該順式井在從約1 mm × 1 mm至約3 cm × 3 cm之範圍內。該順式電極（其內表面形成該順式井之一表面）可實體連接至所述側壁。該順式電極可例如藉由一黏著劑或另一合適的緊固機構來實體地連接至所述側壁。該順式電極與所述側壁之間的界面可密封該順式井之該上部部分。
該奈米孔定序裝置之該反式井係可界定於該基材之一部分中的一流體腔。該反式井可延伸通過該基材之厚度且可具有在該基材之相對端處的開口。在一些實例中，一反式井可具有由該基材所界定及/或藉由該基材之組織間隙區域所界定的側壁、由該反式電極界定的一下表面、及由一基底結構界定的一上表面。因此，該反式井可形成在由該反式電極、該基材之其他部分及/或組織間隙區域、及該基底結構所界定的空間內。應瞭解，該反式井之該上表面可包括該第二奈米級開口，以提供至該中間井的流體連通。在一些實例中，該第二奈米級開口通過該基底結構。在一些實例中，該第二奈米級開口可流體連接至且面對該反式井之一較窄區域。
該反式井可以是微井（具有在微米級的至少一個尺寸，例如、約1 µm至高達但不包括約1000 µm）或奈米井（具有奈米級的最大尺寸，例如約10 nm至高達但不包括1000 nm）。該反式井可以其縱橫比（例如，在此實例中係寬度或直徑除以深度或高度）來特徵化。在一實例中，該反式井之該縱橫比的範圍可從約1:1至約1:5。在另一實例中，各反式井之該縱橫比的範圍內可從約1:10至約1:50。在一實例中，該反式井之該縱橫比係約3.3。該反式井之深度/高度及寬度/直徑可經選擇以獲得所欲的縱橫比。各反式井之深度/高度可以是至少約0.1 µm、約1 µm、約10 µm、約100 µm、或更大。替代地或額外地，深度可以是至多約1,000 µm、約100 µm、約10 µm、約1 µm、約0.1 µm、或更小。各反式井16之寬度/直徑可以是至少約50 nm、約0.1 µm、約0.5 µm、約1 µm、約10 µm、約100 µm、或更大。替代地或額外地，寬度/直徑可以是至多約1,000 µm、約100 µm、約10 µm、約1 µm、約0.5 µm、約0.1 µm、約50 nm、或更小。
可使用各種技術來製造順式井及反式井，包括例如微影蝕刻、奈米壓印微影術、衝印技術、壓紋技術、模製技術、微蝕刻技術等。如所屬技術領域中具有通常知識者將理解的，所使用的技術將取決於基材及側壁的組成物及形狀。在一實例中，該順式井可藉由在該基材之一端部處的一或多個側壁所界定，且該反式井可透過該基材來界定。
該反式電極（其內表面係該反式井之下表面）可實體連接至該基材。該反式電極可在形成該基材（例如，在形成該反式井期間）的程序中製造。可用來形成該基材及該反式電極的微製造技術包括微影術、金屬沉積及掀離、乾及/或旋塗膜沉積、蝕刻等。該反式電極與該基材之間的界面可密封該各反式井之下部分。
用以形成基底結構62A之材料的實例包括氮化矽(Si3 N4 )、碳化矽(SiC)、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鉿(HfO2 )及五氧化二鉭(Ta2 O5 )。除CVD之外，這些材料的合適沉積技術之實例包括原子層沉積(atomic layer deposition, ALD)、或類似者。用於基底結構62A之合適材料組合的實例包括Si3 N4 、SiO2 、SiC或Al2 O3 。
所使用的順式電極至少部分地取決於電解質中的氧化還原對。例如，該順式電極可以是金(Au)、鉑(Pt)、碳(C)（例如，石墨、鑽石等）、鈀(Pd)、銀(Ag)、銅(Cu)、或類似者。在一實例中，該順式電極可以是銀/氯化銀(Ag/AgCl)電極。在一實例中，該順式井能夠維持電解質與該第一奈米級開口接觸。在一些實例中，該順式井可與一奈米孔陣列接觸，且因此能夠維持電解質與陣列中之奈米孔之各者接觸。
所使用的反式電極至少部分地取決於電解質中的氧化還原對。例如，反式電極可以是金(Au)、鉑(Pt)、碳(C)（例如，石墨、鑽石等）、鈀(Pd)、銀(Ag)、銅(Cu)、或類似者。在一實例中，該反式電極可以是銀/氯化銀(Ag/AgCl)電極。
在一些實例中，在NaCl或KCl溶液中之Ag/AgCl電極處的相關電化學半反應係： 順式（陰極）：AgCl + e- →Ag0 + Cl- ；及 反式（陽極）：Ag0 + Cl- →AgCl + e- 。
針對電流之每個單位電荷，一個Cl原子在該反式電極處被消耗。雖然上文就在NaCl或KCl溶液中之Ag/AgCl電極進行討論，但是應理解，可用以傳遞電流的任何電極/電解質對皆可適用。
在使用中，可將一電解質填充至該順式井、該中間井、該流體隧道、該較窄區域、及該反式井中。在替代實例中，該順式井、該中間井、及該反式井中的電解質可不同。電解質可以是能夠解離成相對離子（陽離子及其相關聯陰離子）的任何電解質。舉實例而言，該電解質可以是能夠解離成一鉀陽離子(K+ )或一鈉陽離子(Na+ )之電解質。此類型的電解質包括鉀陽離子及相關聯陰離子、或鈉陽離子及相關聯陰離子、或其組合。含鉀之電解質的實例包括氯化鉀(KCl)、鐵氰化鉀（K3 [Fe(CN)6 ]·3H2 O或K4 [Fe(CN)6 ]·3H2 O）、或其他含鉀之電解質（例如，碳酸氫鹽(KHCO3 )）或磷酸鹽（例如，KH2 PO4 、K2 HPO4 、K3 PO4 ）。含鈉電解質之實例包括氯化鈉(NaCl)或其他含鈉電解質，諸如碳酸氫鈉(NaHCO3 )、磷酸鈉（例如，NaH2 PO4 、Na2 HPO4 、或Na3 PO4 ）。作為另一實例，電解質可以是任何能夠解離成含釕陽離子（例如，六胺釕(ruthenium hexamine)，諸如[Ru(NH3 )6 ]2+ 或[Ru(NH3 )6 ]3+ ）之任何電解質。亦可使用能夠解離成鋰陽離子(Li+ )、銣陽離子(Rb+ )、鎂陽離子(Mg+ )、或鈣陽離子(Ca+ )之電解質。
在其中複數個奈米孔定序裝置在基材上形成陣列的實例中，陣列中之複數個奈米孔定序裝置之各者可共用一共同順式電極及一共同反式電極。在另一實例中，該複數個奈米孔定序裝置之各者共用一共同順式電極，但具有一相異反式電極。在又另一實例中，該複數個奈米孔定序裝置之各者具有一相異順式電極及一相異反式電極。在又另一實例中，該複數個奈米孔定序裝置之各者具有一相異順式電極並共用一共同反式電極。隨著奈米孔裝置陣列經按比例調整，各反式井之容積一般會隨著井尺寸的3次冪流失（假定維持恆定的縱橫比）。在一些實例中，一陣列壽命係約或高於48小時，且該反式井之一般直徑係約或高於100 µm。 替代實例
圖3A展示在圖2A中所繪示之裝置10A的變化例。如圖3A所示，奈米孔定序裝置10B包括與如圖2A中所示之裝置類似的組件。然而，在圖3A中所示的基材材料62B不具有如圖2A中所繪示之較窄區域。基材材料62B的格式更平坦。
圖3A、圖3B、及圖3C中展示的奈米孔定序裝置10B包括連接至一順式井14B之一順式電極30B。順式井14B具有包括設置至一隔膜24B中之一第一奈米孔18B的一下部部分。第一奈米孔18B包括由第一奈米孔18B所界定的一第一奈米級開口23B，該第一奈米級開口與至一第二奈米級開口25B的一流體隧道21B連通，該第二奈米級開口在流體隧道21B與在裝置10B之一下部部分處的一反式井16B之間。如所示，第二奈米級開口25B形成於基材材料62B中。第一奈米孔18B提供一流體路徑，用於使電解質20B在順式井14B與中間井15B之間通過。流體隧道21B提供一流體路徑，供電解質從中間井15B通過第二奈米級開口25B且至反式井16B。在使用中，可將電解質填充至順式井14B、中間井15B、及反式井16B中。在替代實例中，順式井14B、中間井15B，及反式井16B中的電解質可不同。在一些實例中，第一奈米級開口23B之直徑可等於或小於流體隧道21B之開口。一用於定序的基材可包括奈米孔定序裝置之一陣列。在一奈米孔定序裝置之一實例中，該反式井係藉由該中間井及各別的第二奈米級開口及第一奈米級開口流體連接至該順式井。在具有一奈米孔定序裝置陣列的一基材中，可有與在該基材上之該陣列內的奈米孔定序裝置之一部分或全部連通的一個共同順式井及一個共同反式井。然而，應理解，奈米孔裝置陣列亦可包括若干順式井，所述順式井彼此流體隔離，並流體地連接至彼此流體隔離且被界定於基材中的各別一或多個反式井。例如，多個順式井可以是所欲的，以便能夠測量在單一基材上的多個多核苷酸。在一些實施例中，具有一奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式電極、一個共同反式電極、一個共同順式井、一個共同反式井、及複數個奈米孔定序裝置，諸如圖3A中所示者，其中各奈米孔定序裝置包含一FET感測器及一雙孔，該雙孔具有一第一奈米孔及一第二奈米孔。該複數個奈米孔定序裝置之各奈米孔定序裝置可藉由其相關聯之FET感測器分開測量電阻或信號。在其他實施例中，各奈米孔定序裝置可包含具有三或更多個奈米孔之多孔及一FET感測器。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含複數個順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。
在一實例中，順式電極30B及反式電極34B在至少實質上水平方向上至少實質上彼此平行。在其他實例中，該順式電極及該反式電極可處於相對於彼此且相對於該奈米孔裝置的任何適合定向。奈米孔裝置10B進一步包括定位在第一奈米級開口23B與第二奈米級開口25B之間的一場效電晶體(FET)感測器22B。FET感測器包括一源極(S) 50B、一汲極(D) 52B、及將源極50B連接至汲極52B之一通道54B。如圖3B及圖3C之俯視圖所示，可見電解質20B在流體隧道21B中並延伸通過通道54B。透過蝕刻停止層38B使金屬互連件64B及66B與FET 22B之源極50B及汲極52B電氣連通。金屬互連件64B及66B將來自FET感測器22B之資料傳達至監測FET感測器22B的一控制系統。
在圖3A所示之奈米孔裝置10B的實例中，閘極氧化物56B之一薄層圍繞通道54B生長，因此其上表面55B經流體地曝露於中間井15B。閘極氧化物56B可具有經流體地曝露於流體隧道21B中的電解質20B的一垂直表面。閘極氧化物之薄層將通道54B與電解質20B分離，且使FET感測器22B之通道54B曝露於電解質20B。除了透過流體隧道21B之邊界處的閘極氧化物56B而使通道54B曝露於電壓變化，具有如圖3A、圖3B、及圖3C所示之經曝露上表面55B大幅增加曝露於
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之FET的感測面積，並改善LoD 。閘極氧化物56B之厚度可介於約1 nm與約10 nm之間，且在一些實例中，厚度在約2 nm與約4 nm之間。閘極氧化物56B之厚度經選擇使得一足夠強的電場（給定電位VM ）可誘導電子或電洞的一反轉層，其構成在通道54B-閘極氧化物56B邊界處之一傳導路徑，以在源極50B與汲極52B之間傳導。
層間介電質68B可以是任何適當的絕緣體，包括SiO2 、HfO2 、或Al2 O3 。當層間介電質68B係二氧化矽時，可執行蝕刻以蝕刻奈米孔定序裝置的各種組件。例如，可使用具有高各向異性的蝕刻劑來執行蝕刻，諸如氟化反應性離子蝕刻，包括CHF3 /O2 、C2 F6 、C3 F8 、及C5 F8 /CO/O2 /Ar，作為一些非限制性實例。
如所繪示，與圖2A相比，在圖3A中的反式井16不包括較窄區域。在一些情況中，此允許一較大的反式井16B。基本操作原理維持與該奈米孔定序裝置之其餘部分相同。
圖3B及圖3C分別係取自圖3A之線3-3及線3'-3'的截面俯視圖，其展示FET感測器（其是奈米線電晶體）的一實例，即，通道54B具有一奈米線組態。
在奈米線電晶體中，通道54B具有沿從源極50B至汲極52B之一方向的一長度、沿從順式電極30B至反式電極34B之一方向的一高度、及沿至少部分或實質上正交於該長度及該高度兩者之一方向的一寬度。在一項實例中，該長度可以是該寬度或該高度的至少約10倍。在由該長度及該寬度界定之一平面中的流體隧道21B與通道54B之間的一交叉點可以是圓盤形，如圖3B及圖3C所示。
具有約250 nm × 20 nm × 30 nm奈米線之奈米線電晶體的LoD 係約3 mV，而具有約10,000 nm × 100 nm × 30 nm線之一奈米線電晶體的LoD 係約0.2 mV。
圖3D及圖3E是奈米片FET感測器22B'之截面俯視圖，與圖3B及圖3C中展示之奈米線FET感測器22B相比較。在奈米片FET感測器22B'中，通道54B'具有一奈米片組態。閘極氧化物56B'之一薄層將通道54B'之上表面與電解質20B'分離，且使FET感測器22B'之通道54B'曝露於電解質20B'。閘極氧化物56B'之厚度可以是約1至約10 nm，較佳地約2至約4 nm。閘極氧化物56B'之厚度經選擇使得一足夠強的電場（給定電位VM ）可誘導電子或電洞的一反轉層，其構成在通道54B'-閘極氧化物56B'邊界處之一傳導路徑，以在源極50B'與汲極52B'之間傳導。大幅增加曝露於電解質20B'之FET的感測面積，因此進一步改善LoD 。
在奈米片FET感測器22B'中，通道54B'具有沿從源極50B'至汲極52B'之一方向的一長度、沿從順式電極至反式電極之一方向的一高度、及沿至少部分或實質上正交於該長度及該高度兩者之一方向的一寬度。長度可以是高度的至少約2倍，且寬度可以是高度的至少約2倍。在其他實例中，長度可以是高度的至少約3、約4、約5、約6、約7、約8、約9、約10、或更多倍，且寬度可以是高度的至少約3、約4、約5、約6、約7、約8、約9、約10、或更多倍。在由該長度及該寬度界定之一平面中的流體隧道21B'與通道54B'之間的一交叉點可以是橢圓形，如圖3D及圖3E所示（例如，參見56B'的橢圓形邊界）。
替代地，流體隧道21B'與奈米片電晶體中之通道54B'之間的交叉點可以是幾乎任意的形狀及大小，甚至可能進一步地增加FET之感測面積，且因此甚至進一步驅使LoD 下降。由於可放寬流體隧道之大小及形狀需求，所以可改善該裝置之可製造性。 額外實例
圖4A、圖4B、及圖4B'繪示圖2A、圖2B、及圖2B'中展示之奈米孔裝置的另一實例，其使用一全環繞閘極(GAA)電晶體。圖4A是奈米孔定序裝置10C的截面側視圖。圖4B係取自圖4A之線3-3的截面俯視圖。圖4B'係取自圖4A之線3'-3'的截面俯視圖。
圖4A、圖4B、及圖4B'中展示之奈米孔定序裝置10C包括連接至一順式井14C之一順式電極30C。順式井14C具有包括設置至一隔膜24C中之一第一奈米孔18C的一下部部分。第一奈米孔18C包括由第一奈米孔18C所界定的一第一奈米級開口23C，該第一奈米級開口與至一第二奈米級開口25C的一流體隧道21C連通，該第二奈米級開口設置於流體隧道21C與在裝置10C之一下部部分處的一反式井16C之間的一較窄區域17C。如所示，該第二奈米級開口形成於基材材料62C中。第一奈米孔18C提供一流體路徑，用於使電解質20C在順式井14C與中間井15C之間通過。流體隧道21C提供一流體路徑，供電解質從中間井15C通過第二奈米級開口25C且至反式井16C。一用於定序的基材可包括奈米孔定序裝置之一陣列。在一奈米孔定序裝置之一實例中，該反式井係藉由該中間井及各別的第二奈米級開口及第一奈米級開口流體連接至該順式井。在具有一奈米孔定序裝置陣列的一基材中，可有與在該基材上之該陣列內的奈米孔定序裝置之一部分或全部連通的一個共同順式井及一個共同反式井。然而，應理解，奈米孔裝置陣列亦可包括若干順式井，所述順式井彼此流體隔離，並流體地連接至彼此流體隔離且被界定於基材中的各別一或多個反式井。例如，多個順式井可以是所欲的，以便能夠測量在單一基材上的多個多核苷酸。在一些實施例中，具有一奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式電極、一個共同反式電極、一個共同順式井、一個共同反式井、及複數個奈米孔定序裝置，諸如圖4A中所示者，其中各奈米孔定序裝置包含一FET感測器及一雙孔，該雙孔具有一第一奈米孔及一第二奈米孔。該複數個奈米孔定序裝置之各奈米孔定序裝置可藉由其相關聯之FET感測器分開測量電阻或信號。在其他實施例中，各奈米孔定序裝置可包含具有三或更多個奈米孔之多孔及一FET感測器。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含複數個順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。
在一實例中，順式電極30C及反式電極34C在至少實質上水平方向上至少實質上彼此平行。在其他實例中，該順式電極及該反式電極可處於相對於彼此且相對於該奈米孔裝置的任何適合定向。奈米孔裝置10C進一步包括定位在第一奈米級開口23C與第二奈米級開口25C之間的一場效電晶體(FET)感測器22C。FET感測器包括一源極(S) 50C、一汲極(D) 52C、及將源極50C連接至汲極52C之一通道54C。如圖4B及圖4B'之俯視圖所示，可見電解質20C在流體隧道21C中並延伸通過通道54C。透過蝕刻停止層38C使金屬互連件66C及64C與FET 22C之源極50C及汲極52C電氣連通。金屬互連件將來自FET感測器22C之資料傳達至監測FET感測器22C的一控制系統。
在圖4A所示之奈米孔定序裝置10C中，移除在將通道54C與電解質20C分離的線3-3正上方的材料主體，使FET感測器22C之通道54C曝露於電解質20C。此外，移除或挖空在通道54C正下方的材料主體，亦從下方使通道54C曝露於電解質，此可藉由熟知方法將FET感測器22C之作用區54C底切而形成。僅使閘極氧化物56C之一薄層圍繞通道54C生長。閘極氧化物56C之一上表面55C及一下表面58C流體地曝露於中間井15C及流體隧道21C中的電解質20C。閘極氧化物56C可具有經流體地曝露於流體隧道21C中之電解質20C的一垂直表面。閘極氧化物56C之薄層將通道54C與電解質20C分離，且使FET感測器22C之通道54C曝露於電解質20C。閘極氧化物56C之厚度可介於約1 nm與約10 nm之間，且在一些實例中，介於約2 nm與約4 nm之間。閘極氧化物56C之厚度經選擇使得一足夠強的電場（給定電位VM ）可誘導電子或電洞的一反轉層，其構成在通道54C-閘極氧化物56C邊界處之一傳導路徑，以在源極50C與汲極52C之間傳導。
在圖4A中所展示之FET感測器22C之此一組態允許曝露於電解質20C的通道54C之一相對大面積（與圖2A相比較）。因此，通道54C使用上表面55C及下表面58C來將通道54C流體地連接至中間井15C。因此，電位VM 具有對於通道54C的閘極可控制性，並進一步減小LoD 。除了透過流體隧道21C之邊界處的閘極氧化物56C而使通道54C曝露於電壓變化，具有如圖4A、圖4B、及圖4B'所示之經曝露上表面55C及下表面58C的FET感測器22C之結構大幅增加曝露於
Figure 02_image005
之FET的感測面積，並改善LoD 。
層間介電質68C可以是任何適當的絕緣體，諸如SiO2 、HfO2 、或Al2 O3 。當層間介電質68C係二氧化矽時，可執行蝕刻以蝕刻奈米孔定序裝置的各種組件。例如，可使用具有高各向異性的蝕刻劑來執行蝕刻，諸如氟化反應性離子蝕刻，包括CHF3 /O2 、C2 F6 、C3 F8 、及C5 F8 /CO/O2 /Ar，作為一些非限制性實例。
隔膜24C可以是非滲透性或半滲透性材料中之任何者。第一奈米級開口23C延伸通過隔膜24C。應理解，隔膜24C可由任何合適的天然或合成材料形成，如本文所述。在一實例中，隔膜24C係選自由一脂質與一脂質之一仿生等效物所組成的群組。在一進一步實例中，隔膜24C係合成隔膜（例如，固態隔膜，其中一個實例是氮化矽），且第一奈米級開口23C係在延伸通過隔膜24C的固態奈米孔中。在一實例中，第一奈米級開口23C延伸通過設置在該隔膜中的例如：多核苷酸奈米孔；多肽奈米孔；或固態奈米孔，例如，碳奈米管。
在一實例中，FET感測器22C之源極、汲極、及通道可由矽所形成，且該矽之一表面可經熱氧化以在FET感測器22C之通道上形成一閘極氧化物。
第一奈米孔18C可以是生物奈米孔、固態奈米孔、混合奈米孔、及合成奈米孔中之任何者。在一些實例中，第一奈米孔18C具有兩個開放端及連接兩個開放端的一中空核心或孔（即，第一奈米級開口23C）。當插入至隔膜24C中時，第一奈米孔18C之所述開放端之一者面對順式井14C，且第一奈米孔18C之所述開放端中之另一者面向中間井15C。在一些情況中，面向中間井15C的第一奈米孔18C之該開放端流體連接至流體隧道21C，且亦可與流體隧道21C之至少一部分對準。在其他情況中，面向中間井15C的第一奈米孔18C之該開放端流體連接至流體隧道21C，但不與流體隧道21C對準。第一奈米孔18C之中空核心實現順式井14C與中間井15C之間的流體及電連接。第一奈米孔18C之中空核心之直徑可在約1 nm至高達約1 µm的範圍內，且可沿第一奈米孔18C之長度變化。在一些實例中，面向順式井14C之該開放端可大於面向中間井15C之該開放端。在其他實例中，面向順式井14C之該開放端可小於面向中間井15C之該開放端。 進一步實例
圖5A、圖5B、及圖5B'繪示對圖2A、圖2B、及圖2B'中展示之奈米孔裝置的修改，其使用一多孔結構2500D取代圖2A所示之第二奈米級開口25A。圖5A係經修改之例示性裝置10D的側截面圖。圖5B係取自圖5A之線3-3的截面俯視圖。圖5B'係取自圖5A之線3'-3'的截面俯視圖。
圖5A、圖5B、及圖5B'中展示之奈米孔定序裝置10D包括連接至一順式井14D之一順式電極30D。順式井14D具有包括設置至一隔膜24D中之一第一奈米孔18D的一下部部分。第一奈米孔18D包括由第一奈米孔18D所界定的一第一奈米級開口23D，該第一奈米級開口與至在裝置10D之一下部部分處的一反式井16D之一較窄區域17D的流體隧道21D連通。第一奈米孔18D提供一流體路徑，用於使電解質20D在順式井14D與中間井15D之間通過。流體隧道21D提供一流體路徑，供電解質從中間井15D傳遞至反式井16D。一多孔結構2500D設置在反式井16D與中間井15D之間。一用於定序的基材可包括奈米孔定序裝置之一陣列。在一奈米孔定序裝置之一實例中，該反式井係藉由該中間井及各別的第二奈米級開口及第一奈米級開口流體連接至該順式井。在具有一奈米孔定序裝置陣列的一基材中，可有與在該基材上之該陣列內的奈米孔定序裝置之一部分或全部連通的一個共同順式井及一個共同反式井。然而，應理解，奈米孔裝置陣列亦可包括若干順式井，所述順式井彼此流體隔離，並流體地連接至彼此流體隔離且被界定於基材中的各別一或多個反式井。例如，多個順式井可以是所欲的，以便能夠測量在單一基材上的多個多核苷酸。在一些實施例中，具有一奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式電極、一個共同反式電極、一個共同順式井、一個共同反式井、及複數個奈米孔定序裝置，諸如圖5A中所示者，其中各奈米孔定序裝置包含一FET感測器及一雙孔，該雙孔具有一第一奈米孔及一第二奈米孔。該複數個奈米孔定序裝置之各奈米孔定序裝置可藉由其相關聯之FET感測器分開測量電阻或信號。在其他實施例中，各奈米孔定序裝置可包含具有三或更多個奈米孔之多孔及一FET感測器。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含複數個順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。
在一實例中，順式電極30D及反式電極34D在至少實質上水平方向上至少實質上彼此平行。在其他實例中，該順式電極及該反式電極可處於相對於彼此且相對於該奈米孔裝置的任何適合定向。奈米孔裝置10D進一步包括定位在第一奈米級開口23D與多孔結構2500D之間的一場效電晶體(FET)感測器22D。FET感測器包括一源極(S) 50D、一汲極(D) 52D、及將源極50D連接至汲極52D之一通道54D。如圖5B及圖5B'之俯視圖所示，可見電解質20D在流體隧道21D中並延伸通過通道54D。透過蝕刻停止層38D使金屬互連件66D及64D與FET 22D之源極50D及汲極52D電氣連通。金屬互連件66D及64D將來自FET感測器22D之資料傳達至監測FET感測器22D的一控制系統。
在圖5A所示之奈米孔裝置10D的實例中，閘極氧化物56D之一薄層圍繞通道54D生長，因此其上表面55D經流體地曝露於中間井。閘極氧化物56D可具有經流體地曝露於流體隧道21D中之電解質20D的一垂直表面。閘極氧化物將通道54D與電解質20D分離，且使FET感測器22D之通道54D曝露於電解質20D。閘極氧化物56D之厚度可介於約1 nm與約10 nm之間，且在一些實例中，介於約2 nm與約4 nm之間。閘極氧化物56D之厚度經選擇使得一足夠強的電場（給定電位VM ）可誘導電子或電洞的一反轉層，其構成在通道54D-閘極氧化物56D邊界處之一傳導路徑，以在源極50D與汲極52D之間傳導。
在此組態中，通道54D具有將通道54D流體連接至在中間井15D中之電解質的一上表面，如圖5B所示。藉由增加曝露於電解質20D的通道54D之面積，電位VM 具有對於通道54D的較佳閘極可控制性。除了透過流體隧道21D之邊界處的閘極氧化物56D而使通道54D曝露於電壓變化，具有如圖5A、圖5B、及圖5B'所示之通道54D之經曝露上表面的結構大幅增加曝露於
Figure 02_image005
之FET的感測面積，並改善LoD 。
在圖2A中，（例如，形成在固態奈米孔中的）第二奈米級開口25A界定裝置的操作之一部分。使用目前的互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術來製造小於約10 nm之奈米孔是一項挑戰。然而，此選擇使分壓器比率D 限制至~0.1，其繼而當在第一奈米級開口23處的多核苷酸之鹼基改變時降低變化
Figure 02_image009
，其繼而向上驅動所需的順反偏壓V 。在某些實施例中，奈米孔裝置的等效電路滿足下列方程式：
在圖2A之裝置10A中，由該FET感測器所偵測之信號與下式成比例：
Figure 02_image021
(6)
當
Figure 02_image023
時，信號被最大化， 其轉譯為下式之要求：
Figure 02_image025
(8)
製造具有與蛋白奈米孔之大小及電阻類似的固態奈米孔對於目前的基於CMOS之製造技術而言仍具有挑戰性。此外，符合此要求之單一固態奈米孔可能具有一變化的電阻，由於預期若具有約1 nm之寬度的多核苷酸（例如，單股DNA聚合物）穿過具有類似寬度之開口的固態奈米孔其將顯著改變該電阻。
相比之下，在圖5A中，用一多孔結構2500D（例如，奈米多孔玻璃料或隔膜）取代該第二奈米級開口。該玻璃料之結構與功能類似於參考電極中使用的玻璃料之結構與功能。該玻璃料中之孔可隨機分佈且可形成複雜的路徑。該玻璃料之孔隙度經選擇使得其足以建立跨該玻璃料之電連續性（即，足夠大以允許來自電解質的離子物種通過），但足夠小以使得建立對離子電流之顯著電阻。具有1 mm2 大小的典型玻璃料之電阻係約1 MΩ。因此，可預期100 nm × 100 nm的玻璃料具有＞1 TΩ之電阻。典型的玻璃料具有約數nm之孔大小及約1 mm之厚度。調諧玻璃料之孔隙度及厚度應允許達成所欲目標
Figure 02_image027
(9)
有許多可用於玻璃料的製造相容材料。可使用及製造低κ介電質，諸如多孔性低κ介電質（例如，有機矽酸鹽玻璃(SiCOH)，諸如多孔性有機矽酸鹽玻璃(SiCOH)），以具有可調諧高達50%的孔隙度。具有環結構的前驅物（諸如環甲基矽氧烷(cyclomethicone)、十甲基環五矽氧烷(decamethylcyclopentasiloxane)([(CH3 )2 SiO]5 )有時用來達成幾百分比的本質孔隙度。可從雙相前驅物（諸如DMDS（二甲基二硫化物、CH3 SSCH3 ）及α-萜品烯的混合物達成高達50%的孔隙度，其中經由熱處理移除α-萜品烯相。所得材料之結構可從以無序方式配置的呈蟲狀排列中孔至良好有序的類通道陣列而變化，具有約數nm之一般孔大小。亦已證明具有約數十nm之週期的有序孔隙度。 額外實例
圖6係又另一例示性奈米孔定序裝置10E的一剖視圖、示意圖、及部分截面圖。圖6繪示圖5A之修改，其中FET感測器進一步藉由使用通道601之一堆疊來改善SNR及閘極可控制性。
圖6所示之奈米孔定序裝置10E包括連接至一順式井14E之一順式電極30E。順式井14E具有包括設置至一隔膜24E中之一第一奈米孔18E的一下部部分。第一奈米孔18E包括由第一奈米孔18E所界定的一第一奈米級開口23E，該第一奈米級開口與至在裝置10E之一下部部分處的一反式井16E之一較窄區域17E的流體隧道21E連通。第一奈米孔18E提供一流體路徑，用於使電解質20E在順式井14E與中間井15E之間通過。流體隧道21E提供一流體路徑，供電解質從中間井15E傳遞至反式井16E。一多孔結構2500E設置在反式井16E與中間井15E之間。一用於定序的基材可包括奈米孔定序裝置之一陣列。在一奈米孔定序裝置之一實例中，該反式井係藉由該中間井及各別的第二奈米級開口及第一奈米級開口流體連接至該順式井。在具有一奈米孔定序裝置陣列的一基材中，可有與在該基材上之該陣列內的奈米孔定序裝置之一部分或全部連通的一個共同順式井及一個共同反式井。然而，應理解，奈米孔裝置陣列亦可包括若干順式井，所述順式井彼此流體隔離，並流體地連接至彼此流體隔離且被界定於基材中的各別一或多個反式井。例如，多個順式井可以是所欲的，以便能夠測量在單一基材上的多個多核苷酸。在一些實施例中，具有一奈米孔定序裝置之陣列的基材包含一個共同順式電極、一個共同反式電極、一個共同順式井、一個共同反式井、及複數個奈米孔定序裝置，諸如圖6中所示者，其中各奈米孔定序裝置包含一FET感測器及一雙孔，該雙孔具有一第一奈米孔及一第二奈米孔。該複數個奈米孔定序裝置之各奈米孔定序裝置可藉由其相關聯之FET感測器分開測量電阻或信號。在其他實施例中，各奈米孔定序裝置可包含具有三或更多個奈米孔之多孔及一FET感測器。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含複數個順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。
在一實例中，順式電極30E及反式電極34E在至少實質上水平方向上至少實質上彼此平行。在其他實例中，該順式電極及該反式電極可處於相對於彼此且相對於該奈米孔裝置的任何適合定向。奈米孔裝置10D進一步包括定位在第一奈米級開口23E與多孔結構2500E之間的一場效電晶體(FET)感測器22E。FET感測器包括一源極(S) 50E、一汲極(D) 52E。透過蝕刻停止層38E使金屬互連件66E及64E與FET 22E之源極50E及汲極52E電氣連通。金屬互連件66E及64E將來自FET感測器22E之資料傳達至監測FET感測器22E的一控制系統。
FET感測器22E經修改使得FET進一步包括通道601之一堆疊，所述通道實質上水平地對準且將源極50E連接至汲極52E。在圖5E所示之奈米孔裝置10E的實例中，閘極氧化物56E之一薄層圍繞通道601之堆疊生長。閘極氧化物之薄層將通道與電解質20E分離，且使FET感測器22E之通道曝露於電解質20E。閘極氧化物56E之厚度可介於約1 nm與約10 nm之間，且在一些實例中，介於約2 nm與約4 nm之間。閘極氧化物56E之厚度經選擇使得一足夠強的電場（給定電位VM ）可誘導電子或電洞的一反轉層，其構成在通道54E-閘極氧化物56E邊界處之一傳導路徑，以在源極50E與汲極52E之間傳導。因此，該複數個通道之各通道605具有流體連接至中間井15E的閘極氧化物之一上表面607及一下表面608。各通道605可具有流體連接至流體隧道21E的一垂直表面。流體隧道21E延伸通過該複數個通道之各者。因此，可藉由增加堆疊中之通道數目來增加總FET感測面積。藉由增加通道601曝露於電解質20E的面積，電位VM 具有對於通道的較佳閘極可控制性。此組態大幅增加曝露於
Figure 02_image005
之FET之感測面積並改善LoD 。
在圖6中的裝置10E包括一多孔結構2500E，例如，一奈米多孔玻璃料或隔膜。然而，應意識到，此實例亦可使用一第二奈米級開口，類似於圖2A中的結構。然而，在如圖6所示之實例中，該玻璃料之結構與功能類似於參考電極中使用的玻璃料之結構與功能。該玻璃料之孔隙度經選擇使得其足以建立跨該玻璃料之電連續性（即，足夠大以允許來自電解質的離子物種通過），但足夠小以使得跨其之聚合物擴散不可行。典型玻璃料1 mm2 大小之電阻係約1 MΩ，因此可預期100 nm × 100 nm的玻璃料具有＞1 TΩ之電阻。典型玻璃料具有約數nm之孔大小及約1 mm之厚度。調諧玻璃料之孔隙度及厚度應允許達成所欲目標Rfrit 。
本揭露之其他態樣及優點將從本實施方式結合舉實例而言繪示本揭露原理的隨附圖式而顯而易見。
雖然本文中已繪示及描述實例之僅某些特徵，但所屬技術領域中具有通常知識者將可進行許多修改及變化。因此，應理解，隨附申請專利範圍意欲涵蓋所有此類修改及變化。
所描述之方法及組成物的各種修改及變化對於所屬技術領域中具有通常知識者將係顯而易見且不悖離本文所述實例之範圍。應理解，所主張之實例不應被不當限制於本文所揭示之具體實例。實際上，對於所屬技術領域中具有通常知識者顯而易見的各種修改旨在在以下申請專利範圍之範圍內。
本揭露之其他態樣及優點將從本實施方式結合舉實例而言繪示本揭露原理的隨附圖式而顯而易見。
雖然本文中僅繪示及描述某些特徵，但所屬技術領域中具有通常知識者將可進行許多修改及變化。因此，應理解，隨附申請專利範圍意欲涵蓋所有此類修改及變化。 替代實例
圖7A、圖7B、及圖7B'繪示圖2A、圖2B、及圖2B'中展示之奈米孔裝置的另一變化，其具有相對於場效電晶體的流體隧道之替代配置。圖7A是奈米孔定序裝置10F的截面側視圖。圖7B係取自圖7A之線3-3的截面俯視圖。圖7B'係取自圖7A之線3'-3'的截面俯視圖。
圖7A、圖7B、及圖7B'中展示之奈米孔定序裝置10F包括連接至一順式井14F之一順式電極30F。順式井14F具有包括設置至一隔膜24F中之一第一奈米孔18F的一下部部分。第一奈米孔18F包括由第一奈米孔18F界定的第一奈米級開口23F，該第一奈米級開口與至第二奈米級開口25F的偏移流體隧道21F連通。第二奈米級開口25F設置在偏移流體隧道21F與在裝置10F之一下部部分處的反式井16F之間的一窄區域17F中。如所示，第二奈米級開口25F形成於基材材料62F中。在其他實施例中，基材材料62F不具有一較窄區域，而是格式更平坦，類似於圖3A所示之結構。
第一奈米孔18F提供一流體路徑，用於使電解質20F在順式井14F與中間井15F之間通過。如圖7B所示，流體隧道21F經定位而與裝置之中央部分偏移，並提供一流體路徑，供電解質從中間井15F通過第二奈米級開口25F且至反式井16F。
一用於定序的基材可包括奈米孔定序裝置10F之一陣列。在一奈米孔定序裝置之一實例中，該反式井係藉由該中間井及各別的第二奈米級開口及第一奈米級開口流體連接至該順式井。在具有一奈米孔定序裝置陣列的一基材中，可有與在該基材上之該陣列內的奈米孔定序裝置之一部分或全部連通的一個共同順式井及一個共同反式井。然而，應理解，奈米孔裝置陣列亦可包括若干順式井，所述順式井彼此流體隔離，並流體地連接至彼此流體隔離且被界定於基材中的各別一或多個反式井。例如，多個順式井可以是所欲的，以便能夠測量在單一基材上的多個多核苷酸。在一些實施例中，具有一奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式電極、一個共同反式電極、一個共同順式井、一個共同反式井、及複數個奈米孔定序裝置，諸如圖7A中所示者，其中各奈米孔定序裝置包含一FET感測器及一雙孔，該雙孔具有一第一奈米孔及一第二奈米孔。該複數個奈米孔定序裝置之各奈米孔定序裝置可藉由其相關聯之FET感測器分開測量電阻或信號。在其他實施例中，各奈米孔定序裝置可包含具有三或更多個奈米孔之多孔及一FET感測器。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含複數個順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。
在一實例中，順式電極30F及反式電極34F在至少實質上水平方向上至少實質上彼此平行。在其他實例中，該順式電極及該反式電極可處於相對於彼此且相對於該奈米孔裝置的任何適合定向。奈米孔裝置10F進一步包括定位在第一奈米級開口23F與第二奈米級開口25F之間的一場效電晶體(FET)感測器22F。FET感測器包括一源極(S) 50F、一汲極(D) 52F、及將源極50F連接至汲極52F之一通道54F。在一些實施例中，通道54F具有一奈米線組態，類似於圖3B及圖3C所示之結構。在其他實施例中，通道54F具有一奈米片組態，類似於圖3D及圖3E所示之結構。透過蝕刻停止層38F使金屬互連件66F及64F與FET 22F之源極50F及汲極52F電氣連通。金屬互連件將來自FET感測器22F之資料傳達至監測FET感測器22F的一控制系統。在替代實施例中，奈米孔定序裝置10F可使用一多孔結構取代第二奈米級開口25F，類似於圖5A所繪示之結構。
如圖7B及圖7B'之截面俯視圖中所展示，流體隧道21F與通道54F偏移。換言之，流體隧道21F不延伸通過通道54F，且因此在截面側視圖圖7A中未見到。而是，流體隧道21F延伸通過通道54F周圍的層間介電質68F。在圖7B及圖7B'中，電解質20F可見於流體隧道21F中。流體隧道21F之邊界可以是圓形，如圖7B及圖7B'所示。在其他實施例中，流體隧道21F之邊界可以是橢圓形，如圖3D及圖3E所示。替代地，流體隧道21F之邊界可以是幾乎任意形狀及大小。在一些實施例中，FET感測器22F可包括通道之一堆疊，類似於圖6中所繪示之結構，但流體隧道未延伸通過通道之堆疊。
相對於圖7A、圖7B、及圖7B'中所展示之通道54F的偏移流體隧道21F的配置的一個非限制性效益是一種較簡單的製程流程。在該通道中蝕刻一孔/開口可能擾亂該裝置的該閘極氧化物，並需要一額外的氧化物重新生長步驟。如圖7A、圖7B、及圖7B'所示之實施例可避免在源極-汲極通道內蝕刻一孔或開口。
層間介電質68F可以是任何適當的絕緣體，諸如SiO2 、HfO2 、或Al2 O3 。當層間介電質68F係二氧化矽時，可執行蝕刻以蝕刻奈米孔定序裝置的各種組件。例如，可使用具有高各向異性的蝕刻劑來執行蝕刻，諸如氟化反應性離子蝕刻，包括CHF3 /O2 、C2 F6 、C3 F8 、及C5 F8 /CO/O2 /Ar，作為一些非限制性實例。
在一實例中，FET感測器22F之源極、汲極、及通道可由矽所形成，且該矽之一表面可經熱氧化以在FET感測器22F之通道上形成一閘極氧化物。
在圖7A所示之奈米孔定序裝置10F中，移除在將通道54F與電解質20F分離的線3-3正上方的材料主體，使FET感測器22F之通道54F曝露於電解質20F。如圖7A所示，通道54F之一部分從下方曝露於電解質。在其他實施例中，類似於圖4A中所展示之結構，可移除或挖空在通道54F正下方的材料主體，從下方使通道54F之一較大部分曝露於電解質，此可藉由熟知方法將FET感測器22F之作用區54F底切而形成。僅使閘極氧化物56F之一薄層圍繞通道54F生長。閘極氧化物56F之上表面55F及下表面58F經流體地曝露於中間井15F中之電解質20F。閘極氧化物56F之薄層將通道54F與電解質20F分離，且使FET感測器22F之通道54F曝露於電解質20F。閘極氧化物56F之厚度可介於約1 nm與約10 nm之間，且在一些實例中，介於約2 nm與約4 nm之間。閘極氧化物56F之厚度經選擇使得一足夠強的電場（給定電位VM ）可誘導電子或電洞的一反轉層，其構成在通道54F-閘極氧化物56F邊界處之一傳導路徑，以在源極50F與汲極52F之間傳導。
隔膜24F可以是非滲透性或半滲透性材料中之任何者。第一奈米級開口23F延伸通過隔膜24F。應理解，隔膜24F可由任何合適的天然或合成材料形成，如本文所述。在一實例中，隔膜24F係選自由一脂質與一脂質之一仿生等效物所組成的群組。在一進一步實例中，隔膜24F係合成隔膜（例如，固態隔膜，其中一個實例是氮化矽），且第一奈米級開口23F係在延伸通過隔膜24F的固態奈米孔中。在一實例中，第一奈米級開口23F延伸通過設置在該隔膜中的例如：多核苷酸奈米孔；多肽奈米孔；或固態奈米孔，例如，碳奈米管。
第一奈米孔18F可以是生物奈米孔、固態奈米孔、混合奈米孔、及合成奈米孔中之任何者。在一些實例中，第一奈米孔18F具有兩個開放端及連接兩個開放端的一中空核心或孔（即，第一奈米級開口23F）。當插入至隔膜24F中時，第一奈米孔18F之所述開放端之一者面對順式井14F，且第一奈米孔18F之所述開放端中之另一者面向中間井15F。在一些情況中，面向中間井15F的第一奈米孔18F之該開放端流體連接至流體隧道21F，且亦可與偏移流體隧道21F之至少一部分對準。在其他情況中，面向中間井15F的第一奈米孔18F之該開放端流體連接至流體隧道21F，但不與偏移流體隧道21F對準。第一奈米孔18F之中空核心實現順式井14F與中間井15F之間的流體及電連接。第一奈米孔18F之中空核心之直徑可在約1 nm至高達約1 µm的範圍內，且可沿第一奈米孔18F之長度變化。在一些實例中，面向順式井14F之該開放端可大於面向中間井15F之該開放端。在其他實例中，面向順式井14F之該開放端可小於面向中間井15F之該開放端。
使用奈米孔定序裝置10F的方法可包括將電解質20F引入至順式井14F、反式井16F、中間井15F、及流體隧道21F之各者中。在引入電解質之後，該方法可包括提供待定序之多核苷酸至順式井14F中。在提供多核苷酸之後，該方法可包括在順式電極30F與反式電極34F之間施加一電壓偏壓。該電壓偏壓將多核苷酸從順式井14F驅動通過第一奈米級開口23F至中間井15F。當多核苷酸行進通過第一奈米級開口23F時，第一奈米級開口之電阻回應於在第一奈米級開口處之多核苷酸中的鹼基的識別而變化。結果，中間井15F（或同等地，偏移流體隧道21F）中之電解質20F之電位(VM )隨著鹼基的識別而變化。電位(VM )實際上係施加至FET的閘極電壓，其調變通道54F之傳導性。因此，該FET之回應之測量可判定所述鹼基之識別。
圖8繪示一奈米孔裝置之又另一變化例，該奈米孔裝置利用一垂直場效電晶體，使得源極-汲極通道可未經蝕刻以形成一流體隧道，而是沿通過該裝置的流體路徑之一側垂直定向，如下文所解釋。圖8是垂直FET奈米孔定序裝置810G的截面側視圖。
圖8所示之奈米孔定序裝置810G包括連接至一順式井814G之一順式電極830G。順式井814G具有包括設置至一隔膜824G中之一第一奈米孔818G的一下部部分。第一奈米孔818G包括由第一奈米孔818G界定的第一奈米級開口823G，該第一奈米級開口與一第二奈米級開口825G流體連通。第二奈米級開口825G可設置於在裝置810G之一下部部分處的一反式井816G之一較窄區域817G中。如所示，該第二奈米級開口形成於基材材料862G中。在其他實施例中，基材材料862G不具有一較窄區域，而是格式更平坦，類似於圖3A所示之結構。第一奈米孔818G提供一流體路徑，用於使電解質820G在順式井814G與中間井815G之間通過。一用於定序的基材可包括奈米孔定序裝置之一陣列。在一奈米孔定序裝置之一實例中，該反式井係藉由該中間井及各別的第二奈米級開口及第一奈米級開口流體連接至該順式井。在具有一奈米孔定序裝置陣列的一基材中，可有與在該基材上之該陣列內的奈米孔定序裝置之一部分或全部連通的一個共同順式井及一個共同反式井。然而，應理解，奈米孔裝置陣列亦可包括若干順式井，所述順式井彼此流體隔離，並流體地連接至彼此流體隔離且被界定於基材中的各別一或多個反式井。例如，多個順式井可以是所欲的，以便能夠測量在單一基材上的多個多核苷酸。在一些實施例中，具有一奈米孔定序裝置之陣列的基材包含一個共同順式電極、一個共同反式電極、一個共同順式井、一個共同反式井、及複數個奈米孔定序裝置，諸如圖8中所示者，其中各奈米孔定序裝置包含一FET感測器及一雙孔，該雙孔具有一第一奈米孔及一第二奈米孔。該複數個奈米孔定序裝置之各奈米孔定序裝置可藉由其相關聯之FET感測器分開測量電阻或信號。在其他實施例中，各奈米孔定序裝置可包含具有三或更多個奈米孔之多孔及一FET感測器。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含複數個順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。
在一實例中，順式電極830G及反式電極834G在至少實質上水平方向上至少實質上彼此平行。在其他實例中，該順式電極及該反式電極可處於相對於彼此且相對於該奈米孔裝置的任何適合定向。奈米孔裝置810G進一步包括定位在第一奈米級開口823G與第二奈米級開口825G之間的一垂直場效電晶體(FET)感測器。FET感測器包括一源極(SRC) 850G、一汲極(DRN) 852G、及將源極連接至汲極之一通道。該FET通道沿垂直方向，其係從順式電極830G至反式電極834G之方向。在一些實施例中，該通道具有一奈米線組態，類似於圖3B及圖3C所示之結構。在其他實施例中，該通道具有一奈米片組態，類似於圖3D及圖3E所示之結構。金屬互連件866G及864G與FET之源極850G及汲極852G電氣連通。所述金屬互連件將來自該FET感測器之資料傳達至監測該FET感測器的一控制系統。在替代實施例中，奈米孔定序裝置810G可使用一多孔結構取代第二奈米級開口825G，類似於圖5A所繪示之結構。
如圖8中所展示，垂直FET感測器之源極850G、通道、及汲極852G經垂直堆疊。垂直FET經配置在中間井815G之一側向側上。在一實例中，FET感測器之源極、汲極、及通道可由矽所形成，且該矽之一表面可經熱氧化以在該FET感測器之該通道上形成一閘極氧化物856G。閘極氧化物856G之一垂直側表面流體地曝露於中間井815G中之電解質820G。閘極氧化物856G之薄層將通道與電解質820G分離，且使FET感測器之通道曝露於電解質820G。閘極氧化物856G之厚度可介於約1 nm與約10 nm之間，且在一些實例中，介於約2 nm與約4 nm之間。閘極氧化物856G之厚度經選擇使得一足夠強的電場（給定電位VM ）可誘導電子或電洞的一反轉層，其構成在通道-閘極氧化物邊界處之一傳導路徑，以在源極850G與汲極852G之間傳導。在一些實施例中，該FET感測器可包括複數個垂直的源極-汲極通道，其等係沿該中間井之一側向側平行配置。
垂直FET感測器之一非限制性效益係不需要蝕刻一流體隧道通過該FET通道。在該通道中蝕刻一孔/開口可能擾亂該裝置的該閘極氧化物，並需要一額外的氧化物重新生長步驟。如圖8所示的具有配置在中間井815G之一側向側上的垂直FET之實施例可避免在源極-汲極通道內蝕刻一孔或開口。
層間介電質868G可以是任何適當的絕緣體，諸如SiO2 、HfO2 、或Al2 O3 。當層間介電質868G係二氧化矽時，可執行蝕刻以蝕刻奈米孔定序裝置的各種組件。例如，可使用具有高各向異性的蝕刻劑來執行蝕刻，諸如氟化反應性離子蝕刻，包括CHF3 /O2 、C2 F6 、C3 F8 、及C5 F8 /CO/O2 /Ar，作為一些非限制性實例。
隔膜824G可以是非滲透性或半滲透性材料中之任何者。第一奈米級開口823G延伸通過隔膜824G。應理解，隔膜824G可由任何合適的天然或合成材料形成，如本文所述。在一實例中，隔膜824G係選自由一脂質與一脂質之一仿生等效物所組成的群組。在一進一步實例中，隔膜824G係合成隔膜（例如，固態隔膜，其中一個實例是氮化矽），且第一奈米級開口823G係在延伸通過隔膜824G的固態奈米孔中。在一實例中，第一奈米級開口823G延伸通過設置在該隔膜中的例如：多核苷酸奈米孔；多肽奈米孔；或固態奈米孔，例如，碳奈米管。
第一奈米孔818G可以是生物奈米孔、固態奈米孔、混合奈米孔、及合成奈米孔中之任何者。在一些實例中，第一奈米孔818G具有兩個開放端及連接兩個開放端的一中空核心或孔（即，第一奈米級開口823G）。當插入至隔膜824G中時，第一奈米孔818G之所述開放端之一者面對順式井814G，且第一奈米孔818G之所述開放端中之另一者面向中間井815G。第一奈米孔818G之中空核心實現順式井814G與中間井815G之間的流體及電連接。第一奈米孔818G之中空核心之直徑可在約1 nm至高達約1 µm的範圍內，且可沿第一奈米孔818G之長度變化。在一些實例中，面向順式井814G之該開放端可大於面向中間井815G之該開放端。在其他實例中，面向順式井814G之該開放端可小於面向中間井815G之該開放端。
使用奈米孔定序裝置810G的方法可包括將電解質820G引入至順式井814G、反式井816G、及中間井815G之各者中。在引入電解質之後，該方法可包括提供待定序之多核苷酸至順式井814G中。在提供多核苷酸之後，該方法可包括在順式電極830G與反式電極834G之間施加一電壓偏壓。該電壓偏壓將多核苷酸從順式井814G驅動通過第一奈米級開口823G至中間井815G。當多核苷酸行進通過第一奈米級開口823G時，第一奈米級開口之電阻回應於在第一奈米級開口處之多核苷酸中的鹼基的識別而變化。結果，中間井815G中之電解質820G之電位(VM )隨著鹼基的識別而變化。電位(VM )實際上係施加至FET之閘極電壓，其調變FET通道之傳導性。因此，該FET之回應之測量可判定所述鹼基之識別。
圖9繪示具有一場效電晶體(FET)之奈米孔定序裝置之又另一進一步變化，該FET具有非法拉第金屬電極。在此實施例中，該FET具有一非法拉第金屬電極，其包括不參與奈米孔定序裝置中之法拉第程序的金屬結構，即，在金屬結構處沒有發生電化學反應。該非法拉第金屬電極用以偵測在中間井中之電解質之電位，並將該電位作為所偵測之信號傳輸至該FET。此設計意指該FET可偵測電解質之電位，但不會曝露於電解質。圖9是奈米孔定序裝置910H的截面側視圖。
圖9所示之奈米孔定序裝置910H包括連接至一順式井914H之一順式電極930H。順式井914H具有包括設置至一隔膜924H中之一第一奈米孔918H的一下部部分。第一奈米孔918H包括由第一奈米孔918H界定的第一奈米級開口923H，該第一奈米級開口與一第二奈米級開口925H流體連通。第二奈米級開口925H可設置於在裝置910H之一下部部分處的一反式井916H之一較窄區域917H中。如所示，該第二奈米級開口形成於基材材料962H中。在其他實施例中，基材材料962H不具有一較窄區域，而是格式更平坦，類似於圖3A所示之結構。第一奈米孔918H提供一流體路徑，用於使電解質920H在順式井914H與中間井915H之間通過。
在一實例中，順式電極930H及反式電極934H在至少實質上水平方向上至少實質上彼此平行。在其他實例中，該順式電極及該反式電極可處於相對於彼此且相對於該奈米孔裝置的任何適合定向。奈米孔裝置910H進一步包括定位在第一奈米級開口923H與第二奈米級開口925H之間的一場效電晶體(FET)感測器922H。FET感測器922H包括一源極(SRC) 950H、一汲極(DRN) 952H、及將源極950H連接至汲極952H之一通道954H。該FET通道可沿水平方向。在一些實施例中，該FET通道具有一奈米線組態，類似於圖3B及圖3C所示之結構。在其他實施例中，該FET通道具有一奈米片組態，類似於圖3D及圖3E所示之結構。金屬互連件966H及964H與FET之源極950H及汲極952H電氣連通。金屬互連件966H及964H將來自該FET感測器之資料傳達至監測FET感測器的一控制系統（未圖示）。在替代實施例中，奈米孔定序裝置910H可使用一多孔結構取代第二奈米級開口925H，類似於圖5A所繪示之結構。
如圖9中所展示，FET感測器922H不與電解質直接接觸。在一實例中，FET感測器之源極、汲極、及通道可由矽所形成，且該矽之一表面可經熱氧化以在該FET感測器之該通道上形成一閘極氧化物956H。如圖9所示，閘極氧化物956H並未流體地曝露於中間井915H中之電解質920H。而是，將非法拉第金屬電極結構999H曝露於電解質。金屬結構999H用以偵測在中間井中之電解質之電位VM ，並將所偵測之信號傳輸至該FET。相較於大小約幾µm之中間井，金屬結構999H之路徑長度或特性大小可以是約1 µm、2 µm、3 µm、4 µm、5 µm、6 µm、7 µm、8 µm、9 µm、10 µm、20 µm、30 µm、40 µm、50 µm、60 µm、70 µm、80 µm、90 µm、100 µm、110 µm、120 µm、130 µm、140 µm、150 µm、160 µm、170 µm、180 µm、190 µm、200 µm、210 µm、220 µm、230 µm、240 µm、250 µm、260 µm、270 µm、280 µm、290 µm、300 µm、或其之間的任何值。
金屬結構999H之大小及形狀可經適當選擇以避免在系統中的高寄生電容。金屬結構999H可由相對於電解質之非法拉第的抗腐蝕金屬製成。金屬結構999H可由鉑、銥、釕、鈀、鉭、金、或其任何組合所製成。在金屬結構處可不發生電化學反應。在一些實施例中，金屬結構999H可具有曝露於電解質的杯形部分，以增加與電解質的接觸面積。在一些實施例中，曝露於電解質的金屬結構999H之部分可包括一或多個孔或開口。在一些實施例中，曝露於電解質的金屬結構999H之部分可包括數個平行鰭片，以增加與電解質的接觸面積，其中所述鰭片可經部分地垂直或水平配置。在一些實施例中，使用金屬結構999H接觸電解質允許FET與中間井解耦，其可能更容易製造。該FET之大小與該中間井之大小解耦亦允許一較大FET，其可允許一較高信號偵測靈敏度及一較低雜訊位準。此組態亦允許解耦FET之大小（其判定信號偵測之限制）與金屬結構999H之大小，且因此提供更多設計靈活性。
閘極氧化物956H之厚度可介於約1 nm與約10 nm之間，且在一些實例中，介於約2 nm與約4 nm之間。閘極氧化物956H之厚度經選擇使得一足夠強的電場（給定在該中間井中的電位VM ）可誘導電子或電洞的一反轉層，其構成在通道-閘極氧化物邊界處之一傳導路徑，以在源極950H與汲極952H之間傳導。層間介電質968H可以是任何適當的絕緣體，諸如SiO2 、HfO2 、或Al2 O3 。當層間介電質968H係二氧化矽時，可執行蝕刻以蝕刻奈米孔定序裝置的各種組件。例如，可使用具有高各向異性的蝕刻劑來執行蝕刻，諸如氟化反應性離子蝕刻，包括CHF3 /O2 、C2 F6 、C3 F8 、及C5 F8 /CO/O2 /Ar，作為一些非限制性實例。
隔膜924H可以是非滲透性或半滲透性材料中之任何者。第一奈米級開口923H延伸通過隔膜924H。應理解，隔膜924H可由任何合適的天然或合成材料形成，如本文所述。在一實例中，隔膜924H係選自由一脂質與一脂質之一仿生等效物所組成的群組。在一進一步實例中，隔膜924H係合成隔膜（例如，固態隔膜，其中一個實例是氮化矽），且第一奈米級開口923H係在延伸通過隔膜924H的固態奈米孔中。在一實例中，第一奈米級開口923H延伸通過設置在該隔膜中的例如：多核苷酸奈米孔；多肽奈米孔；或固態奈米孔，例如，碳奈米管。
第一奈米孔918H可以是生物奈米孔、固態奈米孔、混合奈米孔、及合成奈米孔中之任何者。在一些實例中，第一奈米孔918H具有兩個開放端及連接兩個開放端的一中空核心或孔（即，第一奈米級開口923H）。當插入至隔膜924H中時，第一奈米孔918H之所述開放端之一者面對順式井914H，且第一奈米孔918H之所述開放端中之另一者面向中間井915H。第一奈米孔918H之中空核心實現順式井914H與中間井915H之間的流體及電連接。第一奈米孔918H之中空核心之直徑可在約1 nm至高達約1 µm的範圍內，且可沿第一奈米孔918H之長度變化。在一些實例中，面向順式井914H之該開放端可大於面向中間井915H之該開放端。在其他實例中，面向順式井914H之該開放端可小於面向中間井915H之該開放端。
使用奈米孔定序裝置910H的方法可包括將電解質920H引入至順式井914H、反式井916H，及中間井915H之各者中。在引入電解質之後，該方法可包括提供待定序之多核苷酸至順式井914H中。在提供多核苷酸之後，該方法可包括在順式電極930H與反式電極934H之間施加一電壓偏壓。在一些實施例中，該電壓偏壓可將多核苷酸從順式井914H驅動通過第一奈米級開口923H至中間井915H。當多核苷酸行進通過第一奈米級開口923H時，第一奈米級開口之電阻回應於在第一奈米級開口處之多核苷酸中的鹼基的識別而變化。在替代的實施例中，多核苷酸不行進通過該第一奈米級開口，但被作用於多核苷酸的聚合酶合併的核苷酸之標記或標示可行進通過該第一奈米級開口，或可暫時駐留在該第一奈米級開口中。因此，該第一奈米級開口之電阻回應於所合併之核苷酸的一識別而變化，該識別與多核苷酸中的鹼基的識別互補。因此，中間井915H中之電解質920H之電位(VM )隨著多核苷酸中的鹼基的識別而變化。電位(VM )實際上係施加至FET之閘極電壓，其調變FET通道之傳導性。因此，該FET之回應之測量可判定該多核苷酸中之鹼基的識別。
一用於定序的基材可包括奈米孔定序裝置之一陣列，諸如圖9所示者。在一奈米孔定序裝置之一實例中，該反式井係藉由該中間井及各別的第二奈米級開口及第一奈米級開口流體連接至該順式井。在具有一奈米孔定序裝置陣列的一基材中，可有與在該基材上之該陣列內的奈米孔定序裝置之一部分或全部連通的一個共同順式井及一個共同反式井。然而，應理解，奈米孔裝置陣列亦可包括若干順式井，所述順式井彼此流體隔離，並流體地連接至彼此流體隔離且被界定於基材中的各別一或多個反式井。例如，多個順式井可以是所欲的，以便能夠測量在單一基材上的多個多核苷酸。在一些實施例中，具有一奈米孔定序裝置之陣列的基材包含一個共同順式電極、一個共同反式電極、一個共同順式井、一個共同反式井、及複數個奈米孔定序裝置，諸如圖9中所示者，其中各奈米孔定序裝置包含一FET感測器及一雙孔，該雙孔具有一第一奈米孔及一第二奈米孔。該複數個奈米孔定序裝置之各奈米孔定序裝置可藉由其相關聯之FET感測器分開測量電阻或信號。在其他實施例中，各奈米孔定序裝置可包含具有三或更多個奈米孔之多孔及一FET感測器。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含一個共同順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。在其他實施例中，具有奈米孔定序裝置陣列的基材包含複數個順式井、複數個反式井、及複數個奈米孔定序裝置，其中可用個別的反式電極可個別定址各奈米孔定序裝置。 定義
本文所用之所有技術與科學用語具有與本揭露所屬技術領域中具有通常知識者所通常理解的意義相同，除非另有明確指示。
如本文中所使用，單數形式「一(a/an)」及「該(the)」包括複數形式的指示對象，除非上下文另有明確指示。因此，例如，提及「一序列(a sequence)」可包括複數個此類序列等。
用語「包含(comprising)」、「包括(including)」、「含有(containing)」及這些用語的各種形式彼此同義，且同樣廣泛。此外，除非有明確相反陳述，否則包含、包括、或具有具有特定性質的元件或複數個元件的實例可包括額外元件，不論額外元件是否具有該性質。
如本文中所使用，用語「流體連接(fluidically connecting)」、「流體連通(fluid communication)」、「流體耦接(fluidically coupled)」、及類似者係指兩個空間區域連接在一起，使得液體或氣體可在該兩個空間區域之間流動。例如，一或多個順式井可藉由一中間井、一流體隧道、及一較窄區域流體連接至一或多個反式井，使得一電解質之至少一部分可在所述經連接井之間流動。該兩個空間區域可透過第一及第二奈米級開口、或透過一或多個閥、限流器、或用以控制或調節通過系統之流體流的其他流體組件流體連通。
如本文中所使用，用語「組織間隙區域(interstitial region)」係指在一基材/固體支撐件或一隔膜中之一區，或在將其他區、區域、與支撐物或隔膜或表面相關聯之特徵分離之一表面上之一區。例如，一隔膜的一組織間隙區域可將一陣列的一奈米孔與該陣列的另一奈米孔分離。對於另一實例，一基材之一組織間隙區域可將一個反式井與另一反式井分離。彼此分離的兩個區域可以是離散的，即，沒有彼此實體接觸。在許多實例中，該組織間隙區域係連續的，而所述區係離散的，例如，如同針對否則連續的隔膜所界定的複數個奈米孔的情況，或針對否則連續的基材/支撐件中界定的複數個井的情況。由一組織間隙區域所提供的分離可以是部分或完全分離。組織間隙區域可具有的表面材料不同於在該表面中所界定之特徵之表面材料。例如，在所述組織間隙區域處之該表面材料可以是脂質材料，且形成在該脂質材料中的一奈米孔可具有超過組織間隙區域處所存在之量或濃度的多肽之量或濃度。在一些實例中，多肽可能不存在於組織間隙區域處。
如本文中所使用，用語「隔膜(membrane)」係指使可在其中含有相同組成物或不同組成物的兩個液體/凝膠室（例如，一順式井與一流體腔）分離的非滲透性或半滲透性障壁或其他片材。隔膜對任何給定物種的滲透性取決於隔膜的本質。在一些實例中，隔膜對離子、電流、及/或流體可以是非滲透性。例如，一脂質隔膜不可滲透離子（即，不允許任何離子傳輸通過），但可至少部分地滲透水（例如，水擴散度在從約40 µm/s至約100 µm/s的範圍內）。對於另一實例，一合成/固態隔膜（其之一實例係氮化矽）不可滲透離子、電荷、及流體（即，所有這些物種的擴散係零）。根據本揭露，可使用任何隔膜，只要該隔膜可包括一跨隔膜奈米級開口，並可維持跨該隔膜之電位差。該隔膜可以是單層或一多層隔膜。一多層隔膜包括兩層或更多層，所述層中之各者是非滲透性或半滲透性材料。
該隔膜可由生物源或非生物源之材料形成。屬於生物源之材料係指衍生自生物環境（諸如有機體或細胞）或自生物環境隔離之材料，或生物可得結構之合成製造版本（例如，仿生材料）。
由生物源之材料製成的實例隔膜包括由波勒脂質(bolalipid)形成的單層。由生物源之材料製成的另一實例隔膜包括脂質雙層。合適脂質雙層包括例如細胞之隔膜、細胞器之隔膜、脂質體、平面脂質雙層、及支撐脂質雙層。脂質雙層可例如由磷脂質之兩個相對層形成，該兩層經配置使得其疏水性尾端基(tail group)面朝向彼此，以形成疏水性內部，而脂質的親水性頭端基(head group)面對雙層各側上的水性環境。脂質雙層亦可例如藉由一種方法形成，其中一脂質單層承載在一水性溶液/空氣界面上、通過實質上垂直於該界面的孔隙之任一側。該脂質通常係藉由首先溶解在一有機溶劑中，並接著讓該溶劑之一滴在該孔隙之任一側上的水性溶液之表面上蒸發而添加至水性電解質溶液之表面。一旦有機溶劑已至少部分蒸發，孔隙之任一側上的溶液/空氣界面係經實體向上及向下移動而通過該孔隙，直到形成一雙層。其他合適之雙層形成方法包括：尖端浸漬、塗刷雙層、及脂質體雙層之箝膜術。亦可使用用於獲得或產生脂質雙層的任何其他方法。
不屬於生物源之材料亦可用作為隔膜。這些材料中的一些是固態材料且可形成固態隔膜，而這些材料中的其他者可形成薄液膜或隔膜。固態隔膜可以是單層，諸如在支撐基材（即，固體支撐件）上之塗層或膜或自存元件。固態隔膜亦可以是呈三明治組態的多層材料之複合物。可使用不屬於生物源之任何材料，只要所得之隔膜可包括一跨隔膜奈米級開口，並可維持跨該隔膜之電位差。所述隔膜可包括有機材料、無機材料、或兩者。適合的固態材料之實例包括例如微電子材料、絕緣材料（例如，氮化矽(Si3 N4 )、氧化鋁(Al2 O3 )、氧化鉿(HfO2 )、五氧化二鉭(Ta2 O5 )、氧化矽(SiO2 )等）、一些有機及無機聚合物（例如，聚醯胺、塑膠，諸如聚四氟乙烯(PTFE)）、或彈性體，諸如雙組分附加固化聚矽氧橡膠）、及玻璃。此外，固態隔膜可由單層石墨烯製成，該單層石墨烯係經緻密堆集成二維蜂巢格子的碳原子薄片材，多層石墨烯、或與一或多層其他固態材料混合的一或多層石墨烯。含石墨烯的固態隔膜可包括至少一個石墨烯層，其係石墨烯奈米帶或石墨烯奈米間隙，其可用作為電感測器以表徵目標多核苷酸。應理解，固態隔膜可藉由任何合適的方法製成，例如化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)。在一實例中，石墨烯隔膜可透過CVD或從石墨的剝離來製備。可使用之合適的薄液膜材料之實例包括：二嵌段共聚合物或三嵌段共聚物，諸如兩親PMOXA-PDMS-PMOXA ABA三嵌段共聚物。
如本文中所使用，用語「奈米孔(nanopore)」意欲指與隔膜離散、界定在隔膜中、或跨隔膜延伸的中空結構，該隔膜允許離子、電流、及/或流體從隔膜的一側穿越至隔膜的另一側。例如，抑制離子或水溶性分子通過的隔膜可包括跨隔膜延伸的奈米孔結構，以允許離子或水溶性分子（通過延伸通過奈米孔結構的奈米級開口）從隔膜的一側至隔膜的另一側通過。延伸通過奈米孔結構的奈米級開口之直徑可沿其長度（即，從隔膜的一側至隔膜的另一側）而變化，但在任何點上係奈米級（即，從約1 nm至約100 nm，或至小於1000 nm）。奈米孔之實例包括例如生物奈米孔、固態奈米孔、及生物與固態混合之奈米孔。
如本文中所使用，用語「直徑(diameter)」意欲指在可刻在通過奈米級開口的截面之質心的奈米級開口的截面上的最長筆直線。應理解，奈米級開口可具有或可不具有一圓形或實質上圓形的截面（奈米級開口的截面實質上與順式/反式電極平行）。進一步，截面可以是規則或不規則形狀。
如本文中所使用，用語「生物奈米孔(biological nanopore)」意欲指其結構部分由生物源之材料製成的奈米孔。生物源係指衍生自生物環境（諸如有機體或細胞）或自生物環境隔離之材料，或生物可得結構之合成製造版本。生物奈米孔包括例如多肽奈米孔及多核苷酸奈米孔。
如本文中所使用，用語「多肽奈米孔(polypeptide nanopore)」意欲指延伸跨隔膜且允許離子、電流、聚合物（諸如DNA或肽）、或適當尺寸及電荷的其他分子、及/或流體透過其從隔膜的一側至隔膜的另一側流動的蛋白質/多肽。多肽奈米孔可以是單體、均聚物、或異質聚合物。多肽奈米孔之結構包括例如α-螺旋束奈米孔及β-桶形奈米孔。實例多肽奈米孔包括α-溶血素、包皮垢分枝桿菌(Mycobacterium smegmatis) 孔蛋白A (MspA)、短桿菌素A、麥芽糖孔蛋白、OmpF、OmpC、PhoE、Tsx、F-絲狀附屬物等。在細胞膜中天然地發現蛋白α-溶血素，用作為供離子或分子進出細胞的孔。包皮垢分枝桿菌孔蛋白A (MspA)是由分枝桿菌所產的隔膜蛋白，其允許親水性分子進入細菌。MspA形成一緊密互連之八聚體及類似一杯狀的跨隔膜β-桶形且含有一中心孔。
可合成一多肽奈米孔。一種合成多肽奈米孔包括在本質上不會發生的類蛋白(protein-like)胺基酸序列。該類蛋白胺基酸序列可包括一些已知存在的胺基酸但不會形成蛋白質的鹼基（即，非蛋白胺基酸）。該類蛋白胺基酸序列可經人工合成，而非以有機體表示，然後將其純化/隔離。
如本文中所使用，用語「多核苷酸奈米孔(polynucleotide nanopore)」意欲包括延伸跨越隔膜的多核苷酸，且允許離子、電流、及/或流體從隔膜的一側流至隔膜的另一側。多核苷酸孔可包括例如多核苷酸摺紙（例如，奈米級摺疊DNA以產生奈米孔）。
同樣如本文中所使用，用語「固態奈米孔(solid-state nanopore)」意欲指其結構部分係由固態隔膜所界定且包括非生物源（即，非生物源）之材料的奈米孔。固態奈米孔可由無機或有機材料形成。固態奈米孔包括例如氮化矽奈米孔、二氧化矽奈米孔、及石墨烯奈米孔。
本文所揭示之奈米孔可以是混合奈米孔。「混合奈米孔(hybrid nanopore)」係指包括生物源及非生物源兩者的材料的奈米孔。一種混合奈米孔之實例包括多肽固態混合奈米孔及多核苷酸固態奈米孔。
如本文中所使用，用語「奈米孔定序器(nanopore sequencer)」係指本文中所揭示之可用於奈米孔定序的任何裝置。在本文所揭示之實例中，在奈米孔定序期間，奈米孔浸沒在本文所揭示電解質的實例中，且跨隔膜施加電位差。在一實例中，電位差係電位差或電化學電位差。可經由電壓源跨隔膜施加電位差，電壓源注入或投予電流至順式井或反式井之一或多者中所含有的電解質的離子之至少一者。電化學電位差可藉由順式井及反式井之離子組成物的差異與電位組合來建立。不同離子組成物可以是例如各井中之不同離子或各井中相同離子之不同濃度。
跨奈米孔之電位差的施加可迫使核酸易位通過過第一奈米級開口（23展示於例如圖2A中，並在以下更詳細描述）。產生對應於核苷酸易位通過奈米孔的一或多個信號。因此，作為目標多核苷酸、或作為單核苷酸、或衍生自目標多核苷酸或單核苷酸的探針運輸通過奈米孔，跨該隔膜的電流由於例如收縮之鹼基相依性（或探針相依性）阻塞而變化。可使用各種方法之任何者來測量來自電流變化的信號。各信號對於奈米孔中的（一或多個）核苷酸（或探針）的物種係獨特的，使得所得信號可用以判定多核苷酸的特性。例如，可判定產生特性訊號的（一或多個）核苷酸（或探針）的一或多個物種之識別。
如本文中所使用，「核苷酸(nucleotide)」包括含氮雜環鹼基、糖、及一或多個磷酸基。核苷酸係核酸序列的單體單元。核苷酸的實例包括例如核糖核苷酸或去氧核糖核苷酸。在核糖核苷酸(RNA)中，糖係核糖，且在去氧核糖核苷酸(DNA)中，糖係去氧核糖，即，缺乏存在於核糖中2'位置處之羥基的糖。含氮雜環鹼基可以是嘌呤鹼基或一嘧啶鹼基。嘌呤鹼基包括腺嘌呤(A)及鳥嘌呤(G)、及其經改質衍生物或類似物。嘧啶鹼基包括胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)、及尿嘧啶(U)、及其經改質衍生物或類似物。去氧核糖的C-1原子鍵結至一嘧啶之N-1或嘌呤之N-9。磷酸基可以是單、二或三磷酸鹽形式。這些核苷酸係天然核苷酸，但進一步理解為，亦可使用非天然核苷酸、經改質核苷酸或前述核苷酸之類似物。
如本文中所使用，用語「信號(signal)」意欲指表示資訊的指示器。信號包括例如一電信號及一光學信號。用語「電信號(electrical signal)」係指表示資訊的電品質之指示器。該指示器可以是例如電流、電壓、穿隧、電阻、電位、電壓、電導、或橫向電氣效應。「電子電流(electronic current)」或「電流(electric current)」係指電荷的流動。在一實例中，電信號可以是通過奈米孔的電流，且電流可在跨奈米孔施加電位差時流動。
用語「基材(substrate)」係指一剛性固體支撐物，其不溶於水性液體中，且在不存在孔隙、埠、或其他類似液體導管的情況中無法使液體通過。在本文所揭示之實例中，該基板可具有界定於其中之井或室。合適基材之實例包括玻璃及經改質或官能化玻璃、塑膠（包括丙烯酸、聚苯乙烯、及苯乙烯與其他材料的共聚物、聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚胺甲酸酯、聚四氟乙烯(PTFE)（諸如購自Chemours之TEFLON®）、環烯烴/環烯烴聚合物(cyclo-olefin polymer, COP)（諸如購自Zeon的ZEONOR®）、聚醯亞胺等）、尼龍、陶瓷、矽石或矽基材料、矽與經改質矽、碳、金屬、無機玻璃、及光纖束。
在本文中使用用語頂部(top)、底部(bottom)、下部(lower)、上部(upper)等描述裝置/奈米孔定序器及/或裝置之各種組件。應理解，這些方向性用語並非意指暗示特定定向，而是用於指定組件之間的相對定向。方向性用語的使用不應解讀為將本文所揭示之實例限制於任何特定定向。如本文中所使用，用語「上部(upper)」、「下部(lower)」、「垂直(vertical)」、「水平(horizontal)」、及類似者意指指示相對定向。
如本文中所使用，使用同義詞用語「井(well)」、「腔(cavity)」及「室(chamber)」，且係指可含有流體（例如，液體、凝膠、氣體）的裝置中所界定之離散特徵。一順式井係含有一順式電極或部分由一順式電極所界定的一室，且亦流體連接至一FET之流體系統，該FET繼而流體地連接至一反式井/室。所提出之裝置之一陣列的實例可具有一個順式井或多個順式井。反式井係含有反式電極或部分由其本身的反式電極界定的一單一室，且亦流體地連接至一順式井。在包括多個反式井的實例中，各反式井與其他反式井彼此電隔離。此外，應理解，平行於至少部分界定該井之基材表面的一井的截面可以是彎曲形、方形、多邊形、雙曲線、圓錐形、角形等。
如本文中所使用，「場效電晶體(field-effect transistor)」或「FET」一般包括由一半導體材料（例如，矽、鍺、砷化鎵、碳化矽等）所形成且被一通道區分離的經摻雜源極/汲極區。n-FET係具有n通道之FET，其中電流載子係電子。p-FET係具有p通道之FET，其中電流載子係電洞。n-FET裝置之源極/汲極區可包括不同於p-FET裝置之源極/汲極區的材料。在一些實例中，源極/汲極區或通道可不經摻雜。摻雜區可藉由將摻雜劑原子添加至一本質半導體而形成。此在熱平衡情況中改變本質半導體之電子及電洞載體濃度。一摻雜區可以是p型或n型。如本文中所使用，「p型」意指將雜質添加至本質半導體，其建立缺價電子。對於矽，實例p型摻雜劑（即，雜質）包括但不限於硼、鋁、鎵、及銦。如本文中所使用，「n型(n-type)」係指添加將自由電子貢獻至本質半導體的雜質。對於矽，實例n型摻雜劑（即，雜質）包括但不限於銻、砷、及磷。（多種）摻雜劑可藉由離子植入或電漿摻雜來引入。
例如，在具有複數個金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)之積體電路中，各MOSFET具有藉由在半導體材料層中植入n型或p型雜質而形成在一半導體層之一作用區中的一源極及一汲極。該源極與該汲極之間設置有一通道（或本體）區。一閘極電極設置在該本體區上方。該閘極電極及該本體係藉由一閘極介電（閘極氧化物）層間隔開。該通道區連接該源極與該汲極，且電流從該源極至該汲極流動通過該通道區。藉由施加於該閘極電極處的電壓，在通道區中誘導電流流動。
非平面電晶體裝置架構（諸如奈米片（或奈米線）電晶體）可提供優於平面電晶體的增加之裝置密度及增加的效能。「全環繞閘極(gate-all-around)」電晶體係其中閘經結構化以圍繞通道的電晶體。「奈米片電晶體(nanosheet transistor)」係指可包括延伸於形成一通道的一對源極/汲極區之間的複數個堆疊奈米片的FET。與習用的平面FET相比，奈米片電晶體可包括圍繞多個奈米片通道區之全周緣包覆的一閘極堆疊。奈米片電晶體組態實現在奈米片通道區中較完全空乏並減少短通道效應。「奈米線電晶體(Nanowire transistor)」可類似於奈米片電晶體，惟通道可包括奈米線而非奈米片除外。奈米片或奈米線電晶體中之全環繞閘極結構可提供具有較佳切換控制、較低洩漏電流、較快操作、及較低輸出電阻的非常小裝置。
增加通道導電性及減小FET大小之方式係將通道形成為一奈米結構。例如，全環繞閘極(GAA)奈米片FET是一種用於藉由將通道區形成為一系列奈米片而提供一相對小的FET佔用區域的架構。在GAA組態中，一基於奈米片之FET包括一源極區、一汲極區、及在該源極區與該汲極區之間的堆疊奈米片通道。一閘極環繞所述堆疊奈米片通道且調控流動通過該源極區與該汲極區之間的所述奈米片通道的電子。GAA奈米片FET可藉由形成通道奈米片與犧牲奈米片的交替層來製造。在完成FET裝置之前，從所述通道奈米片釋放所述犧牲奈米片。對於n型FET，所述通道奈米片一般係矽(Si)，且所述犧牲奈米片一般係矽鍺(SiGe)。對於p型FET，所述通道奈米片一般係SiGe，且所述犧牲奈米片一般係Si。在一些實施方案中，p-FET之通道奈米片可以是SiGe或Si，且犧牲奈米片可以是Si或SiGe。從由第一類型半導體材料（例如，Si用於n型FET，及SiGe用於p型FET）形成之通道奈米片與由第二類型半導體材料（例如，SiGe用於n型FET，及Si用於p型FET）形成之犧牲奈米片的交替層來形成GAA奈米片，提供優越的通道靜電控制，其有利於將閘極長度連續按比例縮小至七奈米CMOS技術及以下。使用多層SiGe/Si犧牲/通道奈米片（或Si/SiGe犧牲/通道奈米片）以在GAA FET半導體裝置中形成通道區提供所欲的裝置特性，包括在SiGe與Si之間的界面處引入應變。
在一些實例中，「奈米線(nanowire)」的特徵在於小於約30 nm的一臨界尺寸，而「奈米片(nanosheet)」特徵在於約30 nm或更大的一臨界尺寸。在例示性裝置中，沿閘極測量臨界尺寸。在該方向上，若通道寬度小，則通道截面如同「線材」，而如果通道寬度大，則通道截面如同「片材」。
在一些實例中，奈米片或奈米線的最小尺寸係介於約1至10、約1至50、約1至100、約1至500、或約1至1000 nm之間。在一些實例中，奈米片或奈米線的最小尺寸係介於約1至5、約3至10、約5至15、約10至20、約15至30、約20至40、約30至50、約40至75、約50至100、約75至150、約100至200、約150至300、約200至400、約300至500、約400至750、或約500至1000 nm之間。在一些實例中，奈米片之最小尺寸比奈米片之另兩個尺寸小至少約3、約5、約7、約10、約15、約20、約50、約100、約150、約200、約250、約300、約350、約400、約450、約500、約600、約700、約800、約900、約1000、約2000、約2500、約3000、約4000、或約5000倍。在一些實例中，奈米片之最小尺寸比奈米片之另兩個尺寸小介於約2至5、約3至7、約5至10、約7至15、約10至20、約15至50、約20至100、約50至150、約100至200、約150至250、約200至300、約250至350、約300至400、約350至450、約400至500、約450至600、約500至700、約600至800、約700至900、約800至1000、約900至2000、約1000至2500、約2000至3000、約2500至4000、或約3000至5000倍之間。在一些實例中，奈米片之最小尺寸比奈米片之另兩個尺寸小至多約3、約5、約7、約10、約15、約20、約50、約100、約150、約200、約250、約300、約350、約400、約450、約500、約600、約700、約800、約900、約1000、約2000、約2500、約3000、約4000、或約5000倍。在一些實例中，奈米線之最大尺寸比奈米線之另兩個尺寸大至少約3、約5、約7、約10、約15、約20、約50、約100、約150、約200、約250、約300、約350、約400、約450、約500、約600、約700、約800、約900、約1000、約2000、約2500、約3000、約4000、或約5000倍。在一些實例中，奈米線之最大尺寸比奈米線之另兩個尺寸大介於約2至5、約3至7、約5至10、約7至15、約10至20、約15至50、約20至100、約50至150、約100至200、約150至250、約200至300、約250至350、約300至400、約350至450、約400至500、約450至600、約500至700、約600至800、約700至900、約800至1000、約900至2000、約1000至2500、約2000至3000、約2500至4000、或約3000至5000倍之間。在一些實例中，奈米線之最大尺寸比奈米線之另兩個尺寸大至多約3、約5、約7、約10、約15、約20、約50、約100、約150、約200、約250、約300、約350、約400、約450、約500、約600、約700、約800、約900、約1000、約2000、約2500、約3000、約4000、或約5000倍。
如本文中所使用，「多孔結構(porous structure)」或「玻璃料(frit)」係指具有孔部分的本體。孔部分之典型孔大小可以是例如約100 µm或更小、約50 µm或更小、約10 µm或更小、約5 µm或更小、約1 µm或更小、約500 nm或更小、約100 nm或更小、約50 nm或更小、約10 nm或更小、約5 nm或更小、約1 nm或更小、約500 Å或更小、約100 Å或更小、約50 Å或更小、約10 Å或更小、約5 Å或更小、約100 µm或更大、約50 µm或更大、約10 µm或更大、約5 µm或更大、約1 µm或更大、約500 nm或更大、約100 nm或更大、約50 nm或更大、約10 nm或更大、約5 nm或更大、約1 nm或更大、約500 Å或更大、約100 Å或更大、約50 Å或更大、約10 Å或更大、約5 Å或更大、介於約500與約100 µm之間、介於約250與約50 µm之間、介於約125與約25 µm之間、介於約50與約10 µm之間、介於約25與約5 µm之間、介於約12.5與約2.5 µm之間、介於約5.5與約0.5 µm之間、介於約500與約100 nm之間、介於約250與約50 nm之間、介於約125與約25 nm之間、介於約50與約10 nm之間、介於約25與約5 nm之間、介於約12.5與約2.5 nm之間、介於約5.5與約0.5 nm之間、介於約500與約100 Å之間、介於約250與約50 Å之間、介於約125與約25 Å之間、介於約50與約10 Å之間、介於約25與約5 Å之間、介於約12.5與約2.5 Å之間、或介於約5.5與約1 Å之間。可有不同孔大小的分布。
該多孔結構可由包含一基質之一多孔材料形成，該基質界定具有一孔隙度的一孔陣列，該孔隙度足以實現該多孔材料之該所欲功能。如本文中所使用，用語「孔隙度(porosity)」係指包含基質之多孔材料中的空隙空間量。因此，包含基質之多孔材料的總容積係基於基質空間及空隙空間。如本文中所使用，用語「空隙空間(void space)」係指包含基質之多孔材料中的實際空間或實體空間。因此，本文所揭示之包含基質之多孔材料的總容積係基於基質空間及空隙空間。例如，包含界定孔陣列之基質的多孔材料可具有下列孔隙度例如：基質總容積的約40%、基質總容積的約50%、基質總容積的約60%、基質總容積的約70%、基質總容積的約80%、基質總容積的約90%、基質總容積的約95%、或基質總容積的約97%、基質總容積的至少約40%、基質總容積的至少約50%、基質總容積的至少約60%、基質總容積的至少約70%、基質總容積的至少約80%、基質總容積的至少約90%、基質總容積的至少約95%、或基質總容積的至少約97%、基質總容積的至多約40%、基質總容積的至多約50%、基質總容積的至多約60%、基質總容積的至多約70%、基質總容積的至多約80%、基質總容積的至多約90%、基質總容積的至多約95%、或基質總容積的至多約97%、基質總容積的約40%至約97%、基質總容積的約50%至約97%、基質總容積的約60%至約97%、基質總容積的約70%至約97%、基質總容積的約80%至約97%、基質總容積的約90%至約97%、基質總容積的約40%至約95%、基質總容積的約50%至約95%、基質總容積的約60%至約95%、基質總容積的約70%至約95%、基質總容積的約80%至約95%、基質總容積的約90%至約95%、基質總容積的約40%至約90%、基質總容積的約50%至約90%、基質總容積的約60%至約90%、基質總容積的約70%至約90%、或基質總容積的約80%至約90%。例如，包含界定孔陣列之基質的多孔材料可具有下列空隙空間例如：基質總容積的約50%、基質總容積的約60%、基質總容積的約70%、基質總容積的約80%、基質總容積的約90%、基質總容積的約95%、或基質總容積的約97%、基質總容積的至少約50%、基質總容積的至少約60%、基質總容積的至少約70%、基質總容積的至少約80%、基質總容積的至少約90%、基質總容積的至少約95%、或基質總容積的至少約97%、基質總容積的至多約50%、基質總容積的至多約60%、基質總容積的至多約70%、基質總容積的至多約80%、基質總容積的至多約90%、基質總容積的至多約95%、或基質總容積的至多97%、基質總容積的約50%至約97%、基質總容積的約60%至約97%、基質總容積的約70%至約97%、基質總容積的約80%至約97%、基質總容積的約90%至約97%、基質總容積的約50%至約95%、基質總容積的約60%至約95%、基質總容積的約70%至約95%、基質總容積的約80%至約95%、基質總容積的約90%至約95%、基質總容積的約50%至約90%、基質總容積的約60%至約90%、基質總容積的約70%至約90%、或基質總容積的約80%至約90%。
多孔結構可以是多孔基質、多孔隔膜、可滲透某些類型離子的離子聚合物、多孔玻璃料、離子選擇性隔膜、離子傳導玻璃、聚合物隔膜、或離子傳導隔膜。多孔結構可由微孔材料（諸如陶瓷或玻璃料、陶瓷或玻璃隔膜）、或固態多孔基材（諸如從聚合物或無機材料所製備的玻璃料或晶圓）形成。玻璃料可含有例如氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇、氧化銫、氧化鈉、氧化鉀、氧化硼、氧化釩、氧化鋅、氧化碲、氧化鋁、二氧化矽、氧化鉛、氧化錫、氧化磷、氧化釕、氧化銠、氧化鐵、氧化銅、二氧化錳、氧化鉬、氧化鈮、氧化鈦、氧化鎢、氧化鉍、氧化鋯、氧化鋰、氧化銻、硼酸鉛玻璃、磷酸錫玻璃、釩酸鹽玻璃、或硼矽酸鹽玻璃。
在一些實例中，多孔結構可包括由聚碸、聚醚碸、或聚二氟亞乙烯所形成的微孔隔膜。在一些實例中，多孔結構可由樹脂材料形成，諸如聚烯烴，諸如聚乙烯(PE)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT),、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、或類似者。此外，可使用在層壓結構中之中空纖維隔膜，該層壓結構具有非多孔膜及多孔膜，所述多孔膜經提供以將該非多孔膜固持在其間。在一些實例中，多孔結構可由以下形成：PEDOT:PSS (聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸酯)、聚矽氧、聚四氟乙烯、聚乙烯-共-四氟乙烯、聚烯烴、聚酯、聚碳酸酯、生物穩定聚四氟乙烯、均聚物、共聚物、聚胺甲酸酯之三聚物、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚二氟亞乙烯(PVDF)、聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醚醚酮(PEEK)、聚胺甲酸酯、纖維素聚合物、聚碸及其嵌段共聚物，包括例如兩嵌段、三嵌段、交替、隨機、及接枝共聚物。
在一些實例中，多孔結構可由以下形成：多孔二氧化矽、有機矽酸鹽玻璃（碳摻雜氧化物）、氧化銦錫(ITO)、或低κ（低介電常數）介電質，包括氮化矽碳硼(SiCBN)、氧碳氮化矽(SiOCN)、氟摻雜二氧化矽、碳摻雜二氧化矽、類鑽碳(diamond-like carbon, DLC)、及其組合。此類多孔低κ材料可以商業名稱諸如Orion™購自Trikon、BDIIx™購自AMAT、及Aurora™購自ASMi，以用於化學氣相沉積(chemical vapour deposition, CVD)生長。可藉由旋塗沉積替代材料，此類材料包括購自Dow Chemical的SiLK™及購自JSR的LKD™。例如，低κ多孔有機矽酸鹽玻璃可具有大約2.7之介電常數，及大於10%的孔隙度（定義為孔之容積除以總容積，該總容積包括孔及所述孔之間的材料）。例如，多孔二氧化矽可具有介於約15至40%之間或介於約30至35%之間的孔隙度。多孔二氧化矽可具有遵循＜100＞矽本體之結晶取向的垂直及水平孔之組態。多孔二氧化矽可由基材材料形成，例如基於多孔矽。在一些實例中，多孔結構可由藉由多孔化所形成之多孔材料形成。在一些實例中，多孔材料可以是奈米多孔材料，其係以奈米級之孔大小或直徑來表達。藉由多孔化所形成之多孔材料可具備例如在約2 nm與約100 nm之間的小直徑之孔。由多孔化所形成之多孔材料可經製作而具有大於30%之開孔孔隙度。在一些實例中，多孔結構可由藉由多孔化低κ材料所形成之多孔材料來形成，包括但不限於：氮化矽硼(SiBN)、氮化矽碳(SiCN)、氮化矽硼碳(SiBCN)、氫矽倍半氧烷聚合物(HSQ)、甲基矽倍半氧烷聚合物(MSQ)、聚苯寡聚物、摻雜甲基矽石或SiOx(CH3)y、SiCxOyHy或SiOCH、有機矽酸鹽玻璃(SiCOH)、氧化矽、氮化硼、及氮氧化矽。
本文所述及申請專利範圍中所提出之態樣及實例可鑒於上述定義來了解。額外說明
應理解，下文更詳細論述的前述概念及額外概念的全部組合（假設此類概念並未相互不一致）被設想為本文所揭示之本發明標的之一部分。具體而言，本揭露之結尾處出現的所主張標的之全部組合皆被設想為本文所揭示之本發明標的之一部分。亦應理解，本文中明確採用的用語（其亦可出現在以引用方式併入的任何揭露中）應符合與本文所揭示之特定概念最一致的意義。
本說明書通篇提及「一個實例(one example)」、「另一實例(another example)」、「一實例(an example)」等等，意指結合該實例描述之一特定元件（例如特徵、結構、及/或特性）被包括在本文所述之至少一實例中，且可或可不存在於其他實例中。此外，應理解，在各種實例中，用於任何實例之所述元件可以任何合適的方式組合，除非上下文另有明確規定。
應理解，本文所提供的範圍包括所述範圍及在所述範選內之任何值或子範圍，如同此類值或子範圍被明確陳述。例如，從約2 nm至約20 nm的範圍應解讀為不僅包括從約2 nm至約20 nm的明確敘述限制，亦包括個別值，諸如約3.5 nm、約8 nm、約18.2 nm等，及子範圍，諸如約5 nm至約10 nm等。再者，當使用「約(about)」及/或「實質上(substantially)」來描述一值時，此意欲涵蓋來自所述值之微小變化（至多+/-10%）。
雖然已詳細描述若干實例，但是應理解，可修改所揭示之實例。因此，前述說明應視為非限制性的。
雖然已經描述某些實例，但是這些實例僅以實例的方式呈現，且不意欲限制本揭露之範圍。實際上，本文所述之新穎方法及系統可以多種其他形式體現。此外，可在不悖離本揭露之精神的情況中，在本文所描述之系統及方法中進行各種省略、取代、及變化。隨附申請專利範圍及其均等物意欲涵蓋此類形式或修改，其等將落入本揭露之範圍及精神內。
結合一特定態樣所描述之特徵、材料、特性、或群組，或實例係應理解為可適用於本說明書中或本說明書中其他處所述之任何其他的態樣實例，除非其等不相容。本說明書中所揭露之所有特徵（包括任何隨附申請專利範圍、摘要、及圖式）、及/或如此揭示的任何方法或程序的所有步驟可以任何組合結合，除了至少一些此等特徵及/或步驟互相排斥的組合。保護不限於任何前述實例之細節。保護延伸至本說明書所揭露之特徵的任何新穎一者、或任何新穎的組合（包括任何隨附之申請專利範圍、摘要、及圖示）、或如此揭示之任何方法或程序之步驟的任何新穎一者、或任何新穎的組合。
此外，亦可在單一實施方案中組合地實施在分開之實施方案的上下文中描述在本揭露中的某些特徵。相反地，亦可在多個實施方案分開地或以任何合適的次組合來實施在單一實施方案之上下文中描述的各種特徵。此外，雖然可如上所述描述特徵為在某些組合中作用，然而在一些情況中，來自所主張組合的一或多個特徵可從組合刪除，且組合可作為次組合或次組合的變化來主張。
此外，雖然操作可在圖中依特定順序描繪或在說明書中依特定順序描述，但不需要依所示的特定順序或依循序順序執行此操作，或執行所有操作，以達成所欲的結果。在實例方法及程序中可合併未描繪或描述之其他操作。例如，可在所描述操作之任何者之前、之後、同時、或之間執行一或多個額外操作。此外，在其他實施方案中，所述操作可經重新配置或重新定序。所屬技術領域中具有通常知識者將理解，在一些實例中，所繪示及/或揭示之程序中所取得的實際步驟可不同於圖式中所示者。取決於實例，可移除上述步驟之某些，或可新增其他步驟。此外，上文所揭示之具體實例的特徵及屬性可以不同方式組合以形成額外實例，所有實例皆屬於本揭露之範圍內。同樣地，在上文所描述之實施方案中的各種系統組件之分離不應理解為在所有實施方案中需要此類分離，且應理解，所述組件及系統通常可一起整合在一單一產品中或封裝至多個產品中。例如，本文所述之能量儲存系統之組件中之任何者可分開地提供、或整合在一起（例如，包裝在一起、或附接在一起）以形成能量儲存系統。
為了本揭露之目的，在本文中描述某些態樣、優點、及新穎特徵。非必然所有此類優點可根據任何特定實例來達成。因此，例如所屬技術領域中具有通常知識者將認知到，本揭示可以達成如本文所教示之一項優點或優點群組的方式體現或實行，而不必然達成如本文所教示或建議的其他優點。
在所使用的上下文內，諸如「可以(can)」、「可能(could)」、「會(might)」、或「可(may)」的條件語言通常意欲傳達某些實例包括某些特徵、元件、及/或步驟，而其他實例不包括某些特徵、元件、及/或步驟，除非另有明確說明。因此，此類條件語言通常非意欲隱含特徵、元件、及/或步驟係以一或多個實例所需的任何方式，或一或多個實例必然包括在有或無使用者輸入或提示的情況中用於決定的邏輯，無論這些特徵、元件、及/或步驟被包括在任何特定實例中或在任何特定實例中執行。
除非另有說明，否則諸如用語「X、Y、及Z中之至少一者(at least one of X, Y, and Z)」的連接語言係以上下文來理解，如通常用來傳達項目、用語等可以是X、Y、或Z。因此，此類連接語言通常非意欲暗示某些實例需要至少一個X、至少一個Y、及至少一個Z的存在。
本文所用之程度語言（諸如用語「大約(approximately)」、「約(about)」、「大致上(generally)」、及「實質上(substantially)」表示接近所述值、量、或特性的一值、量或特性，其仍執行所欲功能或達成所欲結果。
本揭露之範圍不意欲受限於本說明書或本說明書他處之較佳實例的具體揭露，且可由本說明書中或本說明書其他地方呈現的申請專利範圍所定義，或如未來呈現。申請專利範圍之語言係基於申請專利範圍中所採用之語言而廣泛地解讀，並不限於本說明書中或申請的審查期間所述之實例，所述實例應解讀為非排他性的。
3-3:線 3'-3':線 10:奈米孔裝置 10A:裝置；奈米孔定序裝置 10B:裝置；奈米孔定序裝置 10C:裝置；奈米孔定序裝置 10D:裝置；奈米孔定序裝置 10E:裝置；奈米孔定序裝置 10F:裝置；奈米孔定序裝置 14A:順式井 14B:順式井 14C:順式井 14D:順式井 14E:順式井 14F:順式井 15A:中間井 15B:中間井 15C:中間井 15D:中間井 15E:中間井 15F:中間井 16:反式井 16A:反式井 16B:反式井 16C:反式井 16D:反式井 16E:反式井 16F:反式井 17A:較窄區域 17C:較窄區域 17D:較窄區域 17E:較窄區域 17F:窄區域 18A:第一奈米孔 18B:第一奈米孔 18C:第一奈米孔 18D:第一奈米孔 18E:第一奈米孔 18F:第一奈米孔 20A:電解質 20B:電解質 20B':電解質 20C:電解質 20D:電解質 20E:電解質 20F:電解質 21A:流體隧道 21B:流體隧道 21B':流體隧道 21C:流體隧道 21D:流體隧道 21E:流體隧道 21F:流體隧道 22A:場效電晶體(FET)感測器；FET 22B:場效電晶體(FET)感測器 22B':FET感測器 22C:場效電晶體(FET)感測器；FET 22D:場效電晶體(FET)感測器；FET 22E:場效電晶體(FET)感測器；FET 22F:場效電晶體(FET)感測器；FET 23:第一奈米級開口 23A:第一奈米級開口；內直徑；奈米級開口 23B:第一奈米級開口 23C:第一奈米級開口 23D:第一奈米級開口 23E:第一奈米級開口 23F:第一奈米級開口 24:隔膜 24A:隔膜 24B:隔膜 24C:隔膜 24D:隔膜 24E:隔膜 24F:隔膜 25A:第二奈米級開口；內直徑 25B:第二奈米級開口 25C:第二奈米級開口 25D:第二奈米級開口 25F:第二奈米級開口 30A:順式電極 30B:順式電極 30C:順式電極 30D:順式電極 30E:順式電極 30F:順式電極 34A:反式電極 34B:反式電極 34C:反式電極 34D:反式電極 34E:反式電極 34F:反式電極 38A:蝕刻停止層 38B:蝕刻停止層 38C:蝕刻停止層 38D:蝕刻停止層 38E:蝕刻停止層 38F:蝕刻停止層 50A:源極(S) 50B:源極(S) 50B':源極(S) 50C:源極(S) 50D:源極(S) 50E:源極(S) 50F:源極(S) 52A:汲極(D) 52B:汲極(D) 52B':汲極(D) 52C:汲極(D) 52D:汲極(D) 52E:汲極(D) 52F:汲極(D) 54A:通道 54B:通道 54B':通道 54C:通道；作用區 54D:通道 54E:通道 54F:通道；作用區 55A:上表面 55B:上表面 55C:上表面 55D:上表面 55F:上表面 56A:閘極氧化物 56B:閘極氧化物 56B':閘極氧化物 56C:閘極氧化物 56D:閘極氧化物 56E:閘極氧化物 56F:閘極氧化物 58C:下表面 58F:下表面 62A:基材材料；基底結構 62B:基材材料；基底結構 62C:基材材料；基底結構 62F:基材材料；基底結構 64A:金屬互連件 64B:金屬互連件 64C:金屬互連件 64D:金屬互連件 64E:金屬互連件 64F:金屬互連件 66A:金屬互連件 66B:金屬互連件 66C:金屬互連件 66D:金屬互連件 66E:金屬互連件 66F:金屬互連件 68A:層間介電質 68B:層間介電質 68C:層間介電質 68F:層間介電質 601:通道 605:通道 607:上表面 608:下表面 810G:奈米孔定序裝置；裝置 814G:順式井 815G:中間井 816G:反式井 817G:較窄區域 818G:第一奈米孔 820G:電解質 823G:第一奈米級開口 824G:隔膜 825G:第二奈米級開口 830G:順式電極 834G:反式電極 850G:源極(SRC) 852G:汲極(DRN) 856G:閘極氧化物 862G:基材材料 864G:金屬互連件 866G:金屬互連件 868G:層間介電質 910H:奈米孔定序裝置；裝置 914H:順式井 915H:中間井 916H:反式井 917H:較窄區域 918H:第一奈米孔 920H:電解質 922H:場效電晶體(FET)感測器 923H:第一奈米級開口 924H:隔膜 925H:第二奈米級開口 930H:順式電極 934H:反式電極 950H:源極(SRC) 952H:汲極(DRN) 954H:通道 956H:閘極氧化物 962H:基材材料 964H:金屬互連件 966H:金屬互連件 968H:層間介電質 999H:非法拉第金屬電極結構；金屬結構 1110:奈米孔定序裝置 1114:順式井 1115:第一腔 1116:反式井 1117:第二腔 1118:奈米孔 1120:電解質 1121:流體隧道 1122:場效電晶體(FET)；FET感測器 1123:第一奈米級開口 1123':內直徑 1124:隔膜 1125:第二奈米級開口 1125':內直徑 1129:多核苷酸 1130:順式電極 1134:反式電極 1150:源極 1152:汲極 1154:通道 1156:邊界 1162':基底基材 1164':金屬互連件 1166':金屬互連件 1168:層間介電質 2500D:多孔結構 2500E:多孔結構 M:點 Rpore:電阻 Rprotein:電阻
本揭露之實例的特徵將藉由參照下列實施方式與圖式而顯而易見，其中相似的參考數字對應於相似，但可能不相同的組件。為了簡潔起見，具有先前描述功能之參考數字或特徵可或可不結合其所出現的其他圖式來描述。 [圖1A]係先前技術奈米孔定序裝置的截面側視圖。 [圖1B]展示由圖1A之先前技術奈米孔定序裝置所提供之電阻的示意電路圖。 [圖2A]係根據一個實例之奈米孔定序裝置的截面側視圖。 [圖2B]係取自圖2A之奈米孔定序裝置之線3-3的截面俯視圖。 [圖2B']係取自圖2A之奈米孔定序裝置之線3'-3'的截面俯視圖。 [圖3A]展示根據一個實例之奈米孔定序裝置之替代實例的截面側視圖。 [圖3B]係取自圖3A之奈米孔定序裝置之線3-3及FET感測器的截面俯視圖。 [圖3C]係取自圖3A之奈米孔定序裝置之線3'-3'及FET感測器的截面側視圖。 [圖3D]係取自類似於圖3A之奈米孔定序裝置之線3-3、但具有FET感測器之較寬實例的截面俯視圖的替代實例。 [圖3E]係取自類似於圖3A之奈米孔定序裝置之線3'-3'、但具有FET感測器之較寬實例的截面側視圖的替代實例。 [圖4A]係奈米孔定序裝置之替代實例的另一截面側視圖。 [圖4B]係取自圖4A之奈米孔定序裝置的線3-3的截面俯視圖。 [圖4B']係取自圖4A之奈米孔定序裝置的線3'-3'的截面俯視圖。 [圖5A]係奈米孔定序裝置之又另一替代實例的截面側視圖。 [圖5B]係取自圖5A之奈米孔定序裝置的線3-3的截面俯視圖。 [圖5B']係取自圖5A之奈米孔定序裝置的線3'-3'的截面俯視圖。 [圖6]係奈米孔定序裝置之另一例示性替代實例的截面側視圖。 [圖7A]係具有偏移開口之奈米孔定序裝置之又另一例示性替代實例的截面側視圖。 [圖7B]係取自圖7A之奈米孔定序裝置之線3-3的截面俯視圖，其展示偏移開口。 [圖7B']係取自圖7A之奈米孔定序裝置的線3'-3'的截面俯視圖，其展示偏移開口。 [圖8]係具有垂直場效電晶體之奈米孔定序裝置之進一步例示性替代實例的截面側視圖。 [圖9]係具有一具有非法拉第金屬電極之場效電晶體的奈米孔定序裝置之又另一進一步例示性替代實例的截面側視圖。
20A:電解質
21A:流體隧道
22A:場效電晶體(FET)感測器/FET
50A:源極(S)
52A:汲極(D)
56A:閘極氧化物

Claims (65)

  1. 一種裝置，其包含： 中間井，其包含流體隧道； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中第二奈米級開口設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該第二奈米級開口之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有流體地曝露於該中間井的上表面， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且其中該流體隧道延伸通過該通道。
  2. 一種裝置，其包含： 中間井，其包含流體隧道； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中第二奈米級開口設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該第二奈米級開口之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有上表面及下表面，所述表面流體地曝露於該中間井， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且其中該流體隧道延伸通過該通道。
  3. 一種裝置，其包含： 中間井，其包含流體隧道； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中多孔結構設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該多孔結構之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有流體地曝露於該中間井的上表面， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且其中該流體隧道延伸通過該通道。
  4. 一種裝置，其包含： 中間井，其包含流體隧道； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中第二奈米級開口設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該第二奈米級開口之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有流體地曝露於該中間井的上表面， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且其中該流體隧道不延伸通過該通道。
  5. 一種裝置，其包含： 中間井，其包含流體隧道； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中第二奈米級開口設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該第二奈米級開口之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有上表面及下表面，所述表面流體地曝露於該中間井， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且其中該流體隧道不延伸通過該通道。
  6. 一種裝置，其包含： 中間井，其包含流體隧道； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中多孔結構設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該多孔結構之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有經流體地曝露於該中間井的上表面， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且其中該流體隧道不延伸通過該通道。
  7. 如請求項1至6中任一項之裝置，其中該FET是奈米線電晶體。
  8. 如請求項7之裝置，其中該通道具有沿著從該源極至該汲極之方向的長度、沿著從該順式電極至該反式電極之方向的高度、及沿著至少實質上正交於該長度及該高度兩者之方向的寬度，且其中該長度是該寬度或該高度的至少約10倍。
  9. 如請求項8之裝置，其中在由該長度與該寬度界定之平面中的該流體隧道與該通道之間的交叉點是圓盤形。
  10. 如請求項1至6中任一項之裝置，其中該FET是奈米片電晶體。
  11. 如請求項10之裝置，其中該通道具有沿著從該源極至該汲極之方向的長度、沿著從該順式電極至該反式電極之方向的高度以及沿著至少部分正交於該長度及該高度兩者之方向的寬度，其中該長度是該高度的至少約5倍，且其中該寬度是該高度的至少約5倍。
  12. 如請求項11之裝置，其中在由該長度與該寬度界定之平面中的該流體隧道與該通道之間的交叉點是橢圓形。
  13. 如請求項1至6中任一項之裝置，其中該FET進一步包含複數個通道，其中該複數個通道之各者包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有上表面及下表面，該上表面及該下表面流體地曝露於該中間井，且其中該流體隧道延伸通過該複數個通道之各者。
  14. 如請求項3或6之裝置，其中該多孔結構包含SiCOH膜。
  15. 如請求項1至6中任一項之裝置，其進一步包含定位在該順式井與該中間井之間的隔膜，其中該第一奈米級開口延伸通過該隔膜。
  16. 如請求項15之裝置，其中該隔膜是從由脂質及脂質之仿生等效物所組成的群組中選擇。
  17. 如請求項15之裝置，其中該第一奈米級開口延伸通過設置在該隔膜中的：多核苷酸奈米孔、多肽奈米孔或碳奈米管。
  18. 如請求項15之裝置，其中該隔膜是合成隔膜，且其中該第一奈米級開口是固態奈米孔。
  19. 如請求項1至6中任一項之裝置，其中該裝置包含奈米孔定序器。
  20. 如請求項1至6中任一項之裝置，其中該閘極氧化物層具有介於約1 nm至約10 nm之間的厚度。
  21. 如請求項1至6中任一項之裝置，其中該閘極氧化物層具有介於約2 nm與約4 nm之間的厚度。
  22. 2或3之裝置，其中該閘極氧化物層進一步包含流體地曝露於該流體隧道的垂直表面。
  23. 一種複數個如請求項19之奈米孔定序器的陣列，其中： 該複數個奈米孔定序器之各者共用共同順式電極及共同反式電極；或 該複數個奈米孔定序器之各者具有相異順式電極及相異反式電極；或 該複數個奈米孔定序器之各者共用共同順式電極且具有相異反式電極；或 該複數個奈米孔定序器之各者具有相異順式電極並共用共同反式電極。
  24. 一種使用如請求項1至6中任一項之裝置的方法，該方法包含： 將電解質引入至該順式井、該反式井、該中間井及該流體隧道之各者中； 在該順式電極與該反式電極之間施加電壓偏壓，其中該第一奈米級開口之電阻回應於在該第一奈米級開口處的多核苷酸中之鹼基之識別而變化，且其中該流體隧道中的該電解質之電位回應於該第一奈米級開口之電阻之變化而變化；及 測量隨在該第一奈米級開口處之該多核苷酸中之鹼基而變化的該FET之回應，以識別該多核苷酸中之所述鹼基。
  25. 如請求項24之方法，其中測量該FET之該回應包含測量： 源極-汲極電流；或 在該源極、該汲極或該源極與該汲極兩者處的電位；或 該通道之電阻；或 其任何組合。
  26. 一種裝置，其包含： 中間井； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中第二奈米級開口設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該第二奈米級開口之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該源極、該汲極及該通道被垂直堆疊，且其中該通道包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有流體地曝露於該中間井的垂直表面， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且 其中該垂直方向是從該順式電極至該反式電極的方向。
  27. 一種裝置，其包含： 中間井； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中多孔結構設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該多孔結構之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該源極、該汲極及該通道被垂直堆疊，且其中該通道包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有流體地曝露於該中間井的垂直表面， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且 其中該垂直方向是從該順式電極至該反式電極的方向。
  28. 如請求項26或27中任一項之裝置，其中該FET是奈米線電晶體。
  29. 如請求項26或27中任一項之裝置，其中該FET是奈米片電晶體。
  30. 如請求項26或27中任一項之裝置，其中該FET進一步包含複數個通道，其中該複數個通道之各者包含閘極氧化物層，該閘極氧化物層具有流體地曝露於該中間井的兩個額外垂直表面。
  31. 如請求項27之裝置，其中該多孔結構包含SiCOH膜。
  32. 如請求項26或27中任一項之裝置，其進一步包含定位在該順式井與該中間井之間的隔膜，其中該第一奈米級開口延伸通過該隔膜。
  33. 如請求項32之裝置，其中該隔膜是從由脂質及脂質之仿生等效物所組成的群組中選擇。
  34. 如請求項32之裝置，其中該第一奈米級開口延伸通過設置在該隔膜中的：多核苷酸奈米孔、多肽奈米孔或碳奈米管。
  35. 如請求項32之裝置，其中該隔膜是合成隔膜，且其中該第一奈米級開口是固態奈米孔。
  36. 如請求項26或27中任一項之裝置，其中該閘極氧化物層具有介於約1 nm至約10 nm之間的厚度。
  37. 如請求項26或27中任一項之裝置，其中該閘極氧化物層具有介於約2 nm與約4 nm之間的厚度。
  38. 如請求項26或27中任一項之裝置，其中該裝置包含奈米孔定序器。
  39. 一種複數個如請求項38之奈米孔定序器的陣列，其中： 該複數個奈米孔定序器之各者共用共同順式電極及共同反式電極；或 該複數個奈米孔定序器之各者具有相異順式電極及相異反式電極；或 該複數個奈米孔定序器之各者共用共同順式電極且具有相異反式電極；或 該複數個奈米孔定序器之各者具有相異順式電極並共用共同反式電極。
  40. 一種使用如請求項26或27中任一項之裝置的方法，該方法包含： 將電解質引入至該裝置之該順式井、該反式井及該中間井中之各者中； 在該順式電極與該反式電極之間施加電壓偏壓，其中該第一奈米級開口之電阻回應於在該第一奈米級開口處的多核苷酸中之鹼基之識別而變化，且其中該中間井中的該電解質之電位回應於該第一奈米級開口之電阻之變化而變化；及 測量隨在該第一奈米級開口處之該多核苷酸中之鹼基而變化的該FET之回應，以識別該多核苷酸中之所述鹼基。
  41. 如請求項40之方法，其中測量該FET之該回應包含測量： 源極-汲極電流；或 在該源極、該汲極或該源極與該汲極兩者處的電位；或 該通道之電阻；或 其任何組合。
  42. 一種裝置，其包含： 中間井； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中第二奈米級開口設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該第二奈米級開口之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含可操作地連接至金屬結構的閘極氧化物層， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且 其中該金屬結構具有流體地曝露於該中間井的至少一個表面。
  43. 一種裝置，其包含： 中間井； 順式井，其與順式電極相關聯，其中第一奈米級開口設置在該順式井與該中間井之間； 反式井，其與反式電極相關聯，其中多孔結構設置在該反式井與該中間井之間；及 場效電晶體(FET)，其定位在該第一奈米級開口與該多孔結構之間，該FET包含： 源極、汲極及通道，該通道將該源極連接至該汲極，其中該通道包含可操作地連接至金屬結構的閘極氧化物層， 其中該中間井將該順式井流體地連接至該反式井，且 其中該金屬結構具有流體地曝露於該中間井的至少一個表面。
  44. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中該閘極氧化物層沒有被流體地曝露。
  45. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中該金屬結構之該至少一個流體曝露表面是由抗腐蝕材料形成。
  46. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中該金屬結構具有流體地曝露於該中間井的至少一個部分垂直表面、至少兩個部分垂直表面、至少一個部分水平表面、至少兩個部分水平表面、或其任何組合，其中該垂直方向是從該順式電極至該反式電極的方向，且其中該水平方向正交於該垂直方向。
  47. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中該金屬結構具有流體地曝露於該中間井的至少一個杯狀子結構。
  48. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中流體地曝露於該中間井的該金屬結構之該部分包含至少一個孔或開口。
  49. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中流體地曝露於該中間井的該金屬結構之該部分包含至少兩個孔或開口。
  50. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中該FET是奈米線電晶體。
  51. 如請求項50之裝置，其中該通道具有沿著從該源極至該汲極之方向的長度、沿著至少部分正交於該長度的方向的高度、及沿著至少部分正交於該長度及該高度兩者之方向的寬度，其中該長度是該寬度或該高度的至少約10倍。
  52. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中該FET是奈米片電晶體。
  53. 如請求項52之裝置，其中該通道具有沿從該源極至該汲極之方向的長度、沿至少實質上正交於該長度的方向的高度、及沿至少部分正交於該長度及該高度兩者之方向的寬度，其中該長度是該高度的至少約5倍，且其中該寬度是該高度的至少約5倍。
  54. 如請求項43之裝置，其中該多孔結構包含SiCOH膜。
  55. 如請求項42或43中任一項之裝置，其進一步包含定位在該順式井與該中間井之間的隔膜，其中該第一奈米級開口延伸通過該隔膜。
  56. 如請求項55之裝置，其中該隔膜是從由脂質及脂質之仿生等效物所組成的群組中選擇。
  57. 如請求項55之裝置，其中該第一奈米級開口延伸通過設置在該隔膜中的：多核苷酸奈米孔、多肽奈米孔或碳奈米管。
  58. 如請求項55之裝置，其中該隔膜是合成隔膜，且其中該第一奈米級開口是固態奈米孔。
  59. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中該閘極氧化物層具有介於約1 nm至約10 nm之間的厚度。
  60. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中該閘極氧化物層具有介於約2 nm與約4 nm之間的厚度。
  61. 如請求項42或43中任一項之裝置，其中該裝置包含奈米孔定序器。
  62. 一種複數個如請求項61之奈米孔定序器的陣列，其中： 該複數個奈米孔定序器之各者共用共同順式電極及共同反式電極；或 該複數個奈米孔定序器之各者具有相異順式電極及相異反式電極；或 該複數個奈米孔定序器之各者共用共同順式電極且具有相異反式電極；或 該複數個奈米孔定序器之各者具有相異順式電極並共用共同反式電極。
  63. 一種使用如請求項42或43中任一項之裝置的方法，該方法包含： 將電解質引入至該裝置之該順式井、該反式井及該中間井中之各者中； 在該順式電極與該反式電極之間施加電壓偏壓，其中該第一奈米級開口之一電阻回應於在該第一奈米級開口處的多核苷酸中之鹼基之識別而變化，且其中該中間井中的該電解質之電位回應於該第一奈米級開口之電阻之變化而變化；及 測量隨在該第一奈米級開口處之該多核苷酸中之鹼基而變化的該FET之回應，以識別該多核苷酸中之所述鹼基。
  64. 如請求項63之方法，其中測量該FET之該回應包含測量： 源極-汲極電流；或 在該源極、該汲極或該源極與該汲極兩者處的電位；或 該通道之電阻；或 其任何組合。
  65. 如請求項63之方法，其中在該金屬結構之該至少一個流體曝露表面處沒有電化學反應發生。
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