場效應(yīng)晶體管、包含所述晶體管的裝置及其形成和使用方法
【專利說明】場效應(yīng)晶體管、包含所述晶體管的裝置及其形成和使用方 法
[0001] 相關(guān)申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求 2012 年 4 月 9 日提交的名為 "FIELD EFFECT NANOPORE DEVICE AND CHEMICAL-STOP NANOPORE ETCHING FOR GENOME SEQUENCING, PROTEIN SEQUENCING AND OTHER APPLICATIONS(用于基因組測序、蛋白質(zhì)測序和其它應(yīng)用的場效應(yīng)納米孔裝置和化 學(xué)終止納米孔蝕刻）"的美國臨時專利申請序列號No. 61/621，966的權(quán)益，以及2013年3月 15 日提交的名為"FIELD EFFECT NAN0P0RE TRANSISTOR DEVICE METHODS OF FORMING AND USING THE SAME(場效應(yīng)納米孔晶體管裝置及其形成與使用方法）"的美國臨時專利申請序 列號No. 61/802, 235的權(quán)益，上述文獻(xiàn)的公開內(nèi)容均以不與本公開內(nèi)容沖突的方式通過引 用納入本文。
[0003] 政府許可權(quán)利
[0004] 本申請經(jīng)政府支持在NIH授予的基金號5R21HG006314下做出。美國政府享有本 發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明一般涉及場效應(yīng)晶體管以及包含所述晶體管的裝置。更具體地，本發(fā)明涉 及適于檢測不同材料的場效應(yīng)晶體管、包含所述晶體管的裝置以及形成和使用所述晶體管 和裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0006] 可采用不同傳感器來檢測和表征材料，例如生物學(xué)、化學(xué)和/或放射性材料。例 如，已開發(fā)納米孔或納米通道傳感器來檢測并表征生物學(xué)材料。近年來，人們對用于檢測和 表征生物學(xué)材料的基于納米孔的測序方法很有興趣，因?yàn)榇祟惣夹g(shù)相較于其它技術(shù)平臺具 有兩個不同的優(yōu)勢，包括：（i)點(diǎn)轉(zhuǎn)導(dǎo)能力和（ii)高速納米孔移位。基于納米孔測序生物 學(xué)材料的方法如下：離子電流封鎖（ion current blockade)技術(shù)和更近期的橫向電子傳遞 (transverse electron transport)技術(shù)。盡管這些技術(shù)對于遞送能夠以低成本和合理短 期讀出三十億個堿基對的溶液而言具有前景，但其障礙在于一些基本限制。
[0007] 離子電流封鎖技術(shù)受限于當(dāng)檢測穿過納米孔的離子流時的水性溶液中相對低的 離子活動性。近期研宄顯示，在穿過納米孔裝置施加并檢測輸入步驟的IO 4微秒的時程中出 現(xiàn)電流反應(yīng)，可能限制測序速率低于1000個堿基/秒。另一方面，橫向電子傳遞法因量子 點(diǎn)機(jī)械噪音而受限于測序速度。在離子電流封鎖和橫向電子傳遞技術(shù)中，這些限制導(dǎo)致無 法開發(fā)納米孔中高速DNA移位的最顯著優(yōu)勢。因此，研宄者已采取方法使DNA從其在固態(tài) 納米孔中數(shù)百萬個堿基/秒和石墨烯納米孔中至多1億個堿基/秒的自然高速移位減慢。
[0008] -般而言，全基因組測序需要低成本高質(zhì)量溶液。所述低成本的技術(shù)將導(dǎo)致真正 的個性化診斷和個性化治療。不同的技術(shù)的目標(biāo)在于提供采用不同技術(shù)方法的所述溶液。 然而，所述系統(tǒng)通常是昂貴的，因而是眾多患者所不能負(fù)擔(dān)的。因此，需要具有相對較低的 總成本、裝置、儀表裝置、試劑的積累、耗時和其它資源的裝置和方法，即，能夠監(jiān)測一段時 間內(nèi)腫瘤突變并且有利于在甚至窮困國家進(jìn)行基因組測序的臺式測序儀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供一種改進(jìn)的場效應(yīng)晶體管和裝置，所述場效應(yīng)晶體管和裝置能夠用于 感測和表征不同材料。所述場效應(yīng)晶體管和/或裝置包括能夠用于多種應(yīng)用的晶體管，所 述應(yīng)用包括基因組測序、蛋白質(zhì)測序、生物分子測序和對于離子、分子、化學(xué)品、生物分子、 金屬原子、聚合物、納米顆粒等的檢測。例如，所述方法可用于檢測未經(jīng)修飾的蛋白質(zhì)、DNA 和其它生物分子，或已用化學(xué)標(biāo)簽和金屬原子標(biāo)簽、納米顆粒標(biāo)簽、雜交標(biāo)志物等修飾的蛋 白質(zhì)、DNA、生物分子。
[0010] 如下文更詳細(xì)地描述，本發(fā)明不同實(shí)施方式的示例性裝置利用一個或多個場效 應(yīng)晶體管傳導(dǎo)機(jī)理和電場聚焦（例如，以雙特征（bi-feature)，例如，圓錐形或錐形的 亞-1000 nm~亞-IOnm納米孔）。本文所述的場效應(yīng)晶體管和裝置可以積聚、貧化、部分貧 化、完全貧化、反型或體反型（volume inversion)模式操作。
[0011] 根據(jù)本公開內(nèi)容的不同實(shí)施方式，裝置包括基質(zhì)、在所述基質(zhì)的部分內(nèi)形成的 蝕刻區(qū)、在所述蝕刻區(qū)附近形成的絕緣區(qū)、覆蓋所述絕緣區(qū)和所述基質(zhì)的第一表面的源 區(qū)（source region)，以及覆蓋所述絕緣區(qū)和所述基質(zhì)的第二表面所形成的漏區(qū)（drain region)。根據(jù)這些實(shí)施方式的不同示例性方面，所述裝置能夠感測并區(qū)分生物物質(zhì)、化學(xué) 物質(zhì)和/或放射性物質(zhì)。所述基質(zhì)可包括導(dǎo)電材料，例如金屬，半導(dǎo)電材料和/或絕緣材料。 所述裝置可在所述絕緣區(qū)的近端包括額外的半導(dǎo)電、金屬或絕緣層。根據(jù)其它方面，所述基 質(zhì)選自下組：硅、絕緣體上的硅、藍(lán)寶石上的硅、金剛砂上的硅、鉆石上的硅、氮化鎵（GaN)、 絕緣體上的GaN、砷化鎵（GaAs)、絕緣體上的GaAs、鍺或絕緣體上的鍺。根據(jù)其它方面，所述 蝕刻區(qū)包括選自下組的形狀：圓錐形、錐形、球形或具有圓形、矩形、多邊形或縫隙的形狀的 截面。根據(jù)本公開內(nèi)容的其它方面，所述裝置還包括覆蓋所述源區(qū)和/或所述漏區(qū)的部分 的電介質(zhì)層。根據(jù)其它方面，所述裝置包括薄膜材料被覆（例如有機(jī)、無機(jī)或生物材料）， 以便于檢測一種或多種化學(xué)材料、生物學(xué)材料和/或放射性材料。所述薄膜覆層可被覆所 述裝置表面（例如蝕刻區(qū)內(nèi)的表面）的部分。所述裝置可包括穿過所述蝕刻區(qū)的直徑為約 Inm~約1000 nm的納米孔。
[0012] 根據(jù)本公開內(nèi)容的其它實(shí)施方式，裝置包括絕緣基質(zhì)、在所述絕緣基質(zhì)的部分中 形成的蝕刻區(qū)、由一種或多種半導(dǎo)體、導(dǎo)體或拓?fù)浣^緣材料形成的覆蓋絕緣層的層、覆蓋所 述層和所述基質(zhì)的第一表面所形成的源區(qū)，以及覆蓋所述層和所述基質(zhì)的第二表面所形成 的漏區(qū)。根據(jù)這些實(shí)施方式的裝置的不同的層可用上述用于對應(yīng)裝置層的相同材料形成。 根據(jù)其它方面，所述裝置包括薄膜材料被覆（例如有機(jī)、無機(jī)或生物材料），以便于檢測一 種或多種化學(xué)材料、生物學(xué)材料和/或放射性材料。所述薄膜覆層可被覆所述裝置表面（例 如蝕刻區(qū)內(nèi)的表面）的部分。所述裝置可包括穿過所述蝕刻區(qū)的直徑為約Inm~約1000 nm 的納米孔。
[0013] 根據(jù)本公開內(nèi)容的其它實(shí)施方式，形成裝置的方法包括如下步驟：提供基質(zhì)（例 如，半導(dǎo)體、導(dǎo)體或絕緣體），蝕刻所述基質(zhì)的部分以形成蝕刻區(qū)，在所述蝕刻區(qū)附近形成 絕緣區(qū)，形成覆蓋所述絕緣區(qū)和所述基質(zhì)的第一表面的源區(qū)，以及形成覆蓋所述絕緣區(qū)和 所述基質(zhì)的第二表面的漏區(qū)。根據(jù)這些實(shí)施方式的示例性方面，提供基質(zhì)的步驟包括提供 包含半導(dǎo)體材料（如硅、絕緣體上的硅、藍(lán)寶石上的硅、金剛砂上的硅、鉆石上的硅、氮化鎵 (GaN)、絕緣體上的GaN、砷化鎵（GaAs)、絕緣體上的GaAs、鍺或絕緣體上的鍺）的基質(zhì)。根 據(jù)其它方面，形成絕緣區(qū)的步驟包括選自下組的一種或多種技術(shù)，植入（例如，氧植入）、熱 敏氧化、化學(xué)氣相沉積、旋涂、蒸汽涂覆、噴涂，以及浸漬涂覆。根據(jù)其它方面，蝕刻步驟包括 沿基質(zhì)的結(jié)晶平面蝕刻。所述蝕刻可以是自限制的。所述方法還可包括退火步驟，以獲得 所需的層和/或裝置性質(zhì)。根據(jù)這些實(shí)施方式的其它方面，所述方法還包括如下步驟：形成 所述蝕刻區(qū)內(nèi)的第一表面和/或第二表面上的掩模，其可采用自對準(zhǔn)技術(shù)完成。所述方法 還可包括形成通過所述基質(zhì)的納米孔（例如，直徑是約Inm~1000 nm)的步驟。根據(jù)這些 實(shí)施方式的不同方面，所述納米孔可以采用如下一種或多種方式形成：離子研磨、電子束研 磨、激光技術(shù)；化學(xué)終止?jié)裎g刻以及濕蝕刻。根據(jù)這些實(shí)施方式的其它方面，所述方法還可 包括如下步驟：使半導(dǎo)體層、金屬層和/或第二絕緣層沉淀覆蓋所述絕緣層。所述方法還可 包括形成至少一個生物納米孔和/或化學(xué)納米孔，其可以接近固態(tài)納米孔。
[0014] 根據(jù)本公開內(nèi)容的其它實(shí)施方式，形成裝置的方法包括如下步驟：提供基質(zhì)（例 如半導(dǎo)體、導(dǎo)體或絕緣體），蝕刻所述基質(zhì)的部分以形成蝕刻區(qū)，以及形成選自下組的層： 所述蝕刻區(qū)附近的半導(dǎo)體層、金屬層和第二絕緣層。根據(jù)這些實(shí)施方式的不同方面，所述方 法還包括形成覆蓋所述基質(zhì)的第一表面的源區(qū)和/或形成覆蓋所述基質(zhì)的第二表面的漏 區(qū)。根據(jù)其它方面，所述蝕刻沿所述基質(zhì)的結(jié)晶平面進(jìn)行。所述蝕刻方法可以是自限制的。 根據(jù)其它方面，所述方法包括退火步驟。所述方法還可包括如下步驟：形成選自下組的層： 所述蝕刻區(qū)附近的半導(dǎo)體層、金屬層和第二絕緣層。所述方法還可包括形成掩模的步驟，其 可以是自對準(zhǔn)方法。根據(jù)其它方面，所述方法包括形成通過所述基質(zhì)的至少一個納米孔。所 述納米孔可采用如下一種或多種方式形成，例如，離子研磨、電子束研磨、激光、化學(xué)終止?jié)?蝕刻，以及濕蝕刻。根據(jù)其它方面，所述方法包括形成覆蓋納米孔的至少一個脂質(zhì)雙層。所 述方法還可包括形成至少一個生物納米孔和/或化學(xué)納米孔，其可以接近固態(tài)納米孔。
[0015] 根據(jù)本公開內(nèi)容的其它示例性實(shí)施方式，感測材料（例如化學(xué)材料、生物學(xué)材料 或放射性材料（例如離子、原子或分子））的方法包括如下步驟：提供如本文所述的裝置， 提供待感測的材料，使所述材料通過所述裝置的納米孔；以及檢測所述材料通過所述納米 孔時所述裝置的電學(xué)特性變化。所述材料可以是有機(jī)材料、納米顆粒、離子物質(zhì)、分子物質(zhì)， 例如選自下組的材料：DNA分子、蛋白質(zhì)分子、肽分子、多肽分子、RNA分子、合成的寡核苷酸 分子以及合成的肽或多肽分子。待感測的材料可用選自下組的至少一種標(biāo)簽修飾：金屬物 質(zhì)、金屬有機(jī)物質(zhì)、化學(xué)修飾物、生物分子標(biāo)簽、互補(bǔ)雜交鏈分子、肽、多肽、寡核苷酸、鋅指、 納米顆粒、量子點(diǎn)、有機(jī)染料、珠、納米線、納米管。
[0016] 附圖簡要描沐
[0017] 將結(jié)合附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施方式進(jìn)行描述。
[0018] 圖1說明根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實(shí)施方式的場效應(yīng)晶體管裝置。
[0019] 圖2說明根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實(shí)施方式的另一種示例性場效應(yīng)晶體管裝置。
[0020] 圖3說明根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實(shí)施方式形成場效應(yīng)晶體管裝置的步驟。
[0021] 圖4說明根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實(shí)施方式形成場效應(yīng)晶體管裝置的步驟。
[0022] 圖5說明根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實(shí)施方式形成場效應(yīng)晶體管裝置的步驟。
[0023] 圖6說明根據(jù)本公開內(nèi)容的不同示例性實(shí)施方式形成的納米孔。
[0024] 圖7說明響應(yīng)浮動?xùn)牛{米孔）電勢的0.0 lv變化的一個納安培反型電流的模擬。
[0025] 圖8說明根據(jù)本公開內(nèi)容的其它示例性實(shí)施方式檢測材料的方法。
[0026] 圖9說明根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實(shí)施方式的另一種示例性場效應(yīng)晶體管裝置。
[0027] 圖10說明根據(jù)本公開示例性實(shí)施方式的另一種示例性納米孔。
[0028] 應(yīng)理解，這些圖不必按比例繪制。例如，附圖中某些要素的尺寸可以相對其它要素 放大，有助于更好地理解所顯示的本發(fā)明的這些實(shí)施方式。
[0029] 本發(fā)最侔實(shí)施方式的詳細(xì)描沐
[0030] 下面提供的本公開內(nèi)容的示例性實(shí)施方式的描述只是示例性的，且只用于舉