具有改进的灵敏度和特异性的鳍型FET生物传感器制造技术

所要求权利的发明专利技术针对具有改进的灵敏度和选择性的鳍型FET生物传感器。本发明专利技术的实施例还针对鳍型FET生物传感器阵列，用于操作具有改进的灵敏度和选择性的鳍型FET生物传感器的方法，以及操作鳍型FET生物传感器阵列的方法。

Fin type FET biosensor with improved sensitivity and specificity

The invention of the claimed rights is directed to a fin type FET biosensor with improved sensitivity and selectivity. The embodiment of the invention also for fin type FET biosensor array method for fin FET biosensor operation with improved sensitivity and selectivity, and a method of operating a fin type FET biosensor array.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2010年9月29日提交的美国临时申请的61/387,903的U.S.C.§119(e)下的优先权利益。
本专利技术一般涉及基于离子灵敏的场效应晶体管(ISFET)的电子传感器。更具体地说，涉及具有纳米级宽度沟道作为感测元件的鳍型FET晶体管。
技术介绍
酶联免疫吸附测定(ELISA)是用于医学诊断的通常使用的测试，并测试诸如农药以及水和食物污染物的分子污染物的存在。ELISA测试是非常灵敏的(~微微克每毫升)，但要由技术精湛的技术人员花数小时运行。此外，ELISA测试需要几个顺序化学反应，它们是时间灵敏并且处理灵敏的。需要昂贵的光学设备来读取结果。电子传感器诸如例如生物化学和离子灵敏的场效应晶体管(生物FET和ISFET)克服了光学传感器的关键限制。它们是低成本的，一步测试在几分钟内就给出了结果，并且不需要训练有素的技术人员运行该测试或昂贵的光学设备来读取该测试。FET是带电荷分析物的基于电学的感测的自然候选，由于源自于生物分子与沟道表面的结合的沟道电导对栅极电压和表面电荷的依赖性。ISFET已经开发了超过30年了，并且是用于实时测量液体PH值以及牛奶、啤酒、酸奶等在线质量监测的可靠电子生物化学传感器。近来，已经开发了具有纳米宽度沟道的鳍型FET，它们为气体检测提供了下到十亿分之几(ppb)的检测极限，并为溶液中的检测提供了毫微微摩尔(fM)或毫微微克/毫升，这可比得上最先进的光学传感器。高灵敏度归因于鳍型FET沟道的纳米宽度(100nm或更小)，它们可比得上生物分子的装置德拜长度和大小。在纳米宽度鳍型FET中，整个沟道可由结合到栅极电介质的生物分子上的电荷充分调制，其大大增加了灵敏度。如上面所描述的，纳米宽度鳍型FET在变成用于满足未来生物感测应用的真正低成本、超便携并且高度灵敏的传感器平台方面显示出了极大潜力。然而，对于这种类型传感器实际上有用，仍存在重要的挑战。当使用生理学样本诸如例如全血、血清、唾液等时，挑战例如可能是差的稳定性、差的可再现性以差的可靠性。装置本身及其生物无机表面的差的可靠性意味着，目前不能可再现并且统一地制作鳍型FET生物传感器。
技术实现思路
下面呈现简化概述，以便提供本专利技术一个或多个方面的基本理解。这个概述不是本专利技术的广泛概观，并且不打算标识本专利技术的关键或决定性要素，也不阐明其范围。相反，概述的首要目的是以简化形式呈现本专利技术的一些概念，作为后面呈现的更详细描述的前序。本专利技术的实施例针对鳍型FET生物传感器，其包括：在绝缘体上硅(SOI)基底上的半导体层；晶体管源极；晶体管漏极；在所述半导体层中形成的一个或多个鳍型FET纳米沟道，其中所述纳米沟道连接所述晶体管源极和所述晶体管漏极；栅极电介质，其覆盖所述一个或多个纳米沟道的一部分；样本沟道；以及传感器区，其还包括传感器分子，其中所述传感器分子耦合到所述栅极电介质，并且另外其中所述传感器区位于所述样本沟道内。本专利技术的另一实施例针对操作鳍型FET生物传感器的方法，其包括如下步骤：将具有目标分子的样本流动通过所述鳍型FET生物传感器的样本沟道；测量所述鳍型FET生物传感器晶体管的样本电信号；以及将所述样本电信号与所述目标分子的样本浓度相关。本专利技术的另一实施例针对鳍型FET阵列，其包括：多个鳍型FET生物传感器晶体管装置，其具有多个传感器区，其中所述多个传感器区位于同一样本沟道内。本专利技术的其它实施例针对操作鳍型FET生物传感器的方法和操作鳍型FET生物传感器阵列的方法。附图说明图1A和1B表示鳍型FET生物传感器的视图；图2A是根据本专利技术实施例的鳍型FET增强模式生物传感器；图2B是增强模式鳍型FET生物传感器的IV曲线；图3A是根据本专利技术实施例的鳍型FET耗尽模式生物传感器；图3B是耗尽模式鳍型FET生物传感器的IV曲线；图4A是根据本专利技术实施例的鳍型FET增强模式肖特基势垒生物传感器；图4B是增强模式肖特基势垒鳍型FET生物传感器的IV曲线；图5A至5C是根据本专利技术实施例形成鳍型FET生物传感器的步骤；图6A至6B是根据本专利技术实施例形成的鳍型FET生物传感器的图示；图7、8和9是根据本专利技术实施例形成的具有栅极偏置电极的鳍型FET生物传感器的图示；图10是使用鳍型FET检测目标分子的图示；图11是使用竞争性结合测定与鳍型FET检测目标分子的方法；图12是使用竞争性结合测定中的目标半抗原分子与鳍型FET检测目标分子的方法；图13是使用目标分子的电荷PH相关性或依赖性检测目标分子的二维方法；图14是测量目标分子的电荷PH相关性的设备；图15是使用其电荷PH相关性并用两个半正交抗体检测目标分子的方法；图16是根据本专利技术实施例形成的具有栅极偏置电极的鳍型FET生物传感器的图示；图17是根据本专利技术实施例形成的鳍型FET生物传感器阵列；以及图18是根据本专利技术实施例形成的鳍型FET生物传感器阵列的类型。具体实施方式参考附图描述所要求权利的专利技术，其中图至始至终使用相似的参考数字来标明类似的或等效的要素。图未按比例绘制，并且提供它们只是图示本专利技术。下面参考示例应用描述本专利技术的几个方面用于图示。应该理解，阐述了众多特定细节、关系和方法以提供本专利技术的理解。然而，相关领域的技术人员将容易认识到没有一个或多个特定细节或用其它方法也能实践本专利技术。在其它情形中，未详细示出众所周知的结构或操作以避免使本专利技术模糊不清。本专利技术不受所图示的动作或事件的排序的限制，因为一些动作可按不同顺序发生和/或与其它动作或事件同时发生。而且，并不是需要所有图示的动作或事件来实现根据本专利技术的方法论。术语“传感器分子”是指有选择地与其浓度要在样本中测量的分子结合的分子。例如，传感器分子可以是抗体、抗原、蛋白质、受体、适体、肽、DNA链或酶。传感器分子附连到鳍型FET的栅极电介质。当传感器分子与其目标分子结合时，可改变鳍型FET晶体管的沟道周围的电荷。电荷的这种改变使鳍型FET晶体管沟道的电导改变。当在子阈值区中偏置鳍型FET生物传感器晶体管时，来自附连到鳍型FET纳米沟道周围的传感器分子的目标分子的电荷的线性改变引起鳍型FET纳米沟道电导的对数改变。术语“目标分子”是指其浓度要在样本中测量的分子。传感器分子有选择地与目标分子结合。在许多情形中，可形成传感器分子诸如抗体，其是对目标分子诸如蛋白质是特定的。然而，有时，如在甲状腺激素T4的情况下，分子是小的并且不带电荷的，并且通过将T4分子直接注入到动物中不能形成抗体。对于这些情况，T4附连到半抗原分子，诸如牛血清白蛋白(BSA)，形成被注入到宿主动物中的目标半抗原分子。对T4-BSA(目标半抗原)分子的免疫响应是强的，并且由此形成的抗体对T4-BSA分子和单独T4分子都是有选择的。例如，如果传感器分子是甲状腺激素T4的抗体，则它将有选择地结合到T4激素，尽管样本可含有许多其它类似激素分子，诸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种鳍型FET生物传感器，包括：在绝缘体上硅(SOI)基底上的半导体层；晶体管源极；晶体管漏极；在所述半导体层中形成的一个或多个鳍型FET纳米沟道，其中所述纳米沟道连接所述晶体管源极和所述晶体管漏极；栅极电介质，其覆盖所述一个或多个纳米沟道的一部分；样本沟道；以及传感器区，其还包括传感器分子，其中所述传感器分子耦合到所述栅极电介质，并且另外其中所述传感器区位于所述样本沟道内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.29 US 61/3879031.一种鳍型FET生物传感器，包括：
在绝缘体上硅(SOI)基底上的半导体层；
晶体管源极；
晶体管漏极；
在所述半导体层中形成的一个或多个鳍型FET纳米沟道，其中所述纳米沟道连接所述晶体管源极和所述晶体管漏极；
栅极电介质，其覆盖所述一个或多个纳米沟道的一部分；
样本沟道；以及
传感器区，其还包括传感器分子，其中所述传感器分子耦合到所述栅极电介质，并且另外其中所述传感器区位于所述样本沟道内。
2.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，还包括涂敷所述传感器区外部所述样本沟道的表面的抗粘附保护分子层。
3.如权利要求2所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述抗粘附保护分子层由聚乙二醇(PEG)封端的自组装单层、苯封端的自组装单层、氟碳分子或薄层抗蚀剂诸如聚乙烯(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或S1813组成。
4.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述传感器分子是抗体、抗原、蛋白质、受体、适体、肽、DNA链或酶。
5.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述传感器分子是抗体。
6.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述传感器分子是抗原。
7.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，还包括偏置电极。
8.如权利要求7所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述偏置电极是偏置线，其延伸到所述样本沟道中；偏置板，其位于所述样本沟道中并且其置于所述传感器区上；SOI基底，其包括掩埋氧化物(BOX)层；或SOI基底的顶部表面上并且位于所述纳米沟道旁边的微图案的金属电极。
9.如权利要求7所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述偏置电极由铂或银/氯化银混合物形成。
10.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述鳍型FET是nmos或pmos增强模式晶体管。
11.如权利要求10所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述鳍型FET是nmos增强模式晶体管，其中所述半导体层具有小于大约1E18/cm3的p型掺杂；并且所述晶体管源极和所述晶体管漏极具有大于大约1E19/cm3的n型掺杂。
12.如权利要求10所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述鳍型FET是pmos增强模式晶体管，其中所述半导体层具有小于大约1E18/cm3的n型掺杂；并且所述晶体管源极和所述晶体管漏极具有大于大约1E19/cm3的p型掺杂。
13.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述鳍型FET是nmos或pmos耗尽模式晶体管。
14.如权利要求13所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述鳍型FET是nmos耗尽模式晶体管，其中所述半导体层具有小于大约1E17/cm3的n型掺杂；并且所述晶体管源极和所述晶体管漏极具有大于大约1E19/cm3的n型掺杂。
15.如权利要求13所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述鳍型FET是pmos耗尽模式晶体管，其中所述半导体层具有小于大约1E17/cm3的p型掺杂；并且所述晶体管源极和所述晶体管漏极具有大于大约1E19/cm3的p型掺杂。
16.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述鳍型FET是nmos或pmos肖特基势垒增强模式晶体管。
17.如权利要求16所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述鳍型FET是nmos肖特基势垒增强模式晶体管，其中所述半导体层具有小于大约1E18/cm3的p型掺杂；并且所述晶体管源极和所述晶体管漏极形成与所述半导体层的肖特基接触。
18.如权利要求16所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述鳍型FET是pmos肖特基势垒增强模式晶体管，其中所述半导体层具有小于大约1E18/cm3的n型掺杂；并且所述晶体管源极和所述晶体管漏极形成与所述半导体层的肖特基接触。
19.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述栅极电介质由二氧化硅、氮化硅、Al2O3、HfO2或氮氧化硅组成，并且所述栅极电介质具有0.5-20nm的厚度。
20.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述传感器分子使用交联剂分子耦合到所述栅极电介质。
21.如权利要求20所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述交联剂分子是具有附连所述传感器分子的2到20个碳-碳链和功能团的硅烷。
22.如权利要求1所述的鳍型FET生物传感器，其中，所述样本沟道是样本管道或样本阱。
23.一种操作鳍型FET生物传感器的方法，包括如下步骤：
将具有目标分子的样本流动通过所述鳍型FET生物传感器的样本沟道；
测量所述鳍型FET生物传感器晶体管的样本电信号；以及
将所述样本电信号与所述目标分子的样本浓度相关。
24.如权利要求23所述的方法，包括如下步骤：
将具有所述目标分子的第一标准浓度的第一样本流动通过所述样本沟道，并测量第一标准样本电信号值；
将具有所述目标分子的第二标准浓度的第二样本流动通过所述样本沟道，并测量第二标准样本电信号值；
通过第一图轴上的所述第一和所述第二标准电信号值和第二图轴上的所述第一和第二标准浓度，绘制标准曲线图；以及
通过在所述标准曲线图上绘制所述样本电信号将所述样本电信号与所述样本浓度相关。
25.如权利要求23所述的方法，包括如下步骤：
给鳍型FET生物传感器提供耦合到所述鳍型FET生物传感器的栅极的抗原；以及
向每个样本添加固定浓度的抗体，其中在流动所述样本的所述步骤之前所述抗体对所述抗原是特定的。
26.如权利要求23所述的方法，包括如下步骤：
给鳍型FET生物传感器提供耦合到所述鳍型FET生物传感器的栅极的目标半抗原；以及
向每个样本添加固定浓度的抗体，其中在流动所述样本的所述步骤之前所述抗体对所述目标半抗原和对...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文闯，田如海，S雷冈达，K特里维迪，
申请(专利权)人：得克萨斯系统大学评议会，
类型：发明
国别省市：美国;US