专利名称：感测电解质中的生物分子和带电离子的制作方法
技术领域：
本公开一般地涉及感测电解质溶液中的生物分子和带电离子的领域。
背景技术：
包括源极、漏极和栅极的场效应晶体管(FET)可以通过使用包含生物分子的电解质作为FET的栅极，用作对于不同类型的生物分子的传感器，所述生物分子包括但不局限于诸如H+或Ca++的带电离子、蛋白质、葡萄糖或病毒(更多信息见P. Bergveld, Sensorsand Actuators B 88 (2003)1-20)。在操作中，通过将电极浸入电解质、并将电极与电压源连接，向FET栅极电解质施加电压。电极的存在可能造成传感器具有相对难处理的设置，并可能制约传感器的小型化和自动化。可包括涂敷有氯化银涂层的银线的电极还可能随时间的经过而导致传感器的可靠性问题，这是由于伴随长期使用而可能出现的电极材料的化学变化而引起的。 不需要将电极浸入电解质中的基于FET的传感器可包括背栅极硅纳米线FET结构(更多信息见 E. Stern et al, Nature, Vol. 445, page 519(2007))。背栅极 FET 使用一层隐埋(buried)氧化物作为栅极电介质。隐埋氧化物可以相对厚，使得次阈值斜率相对大(大于300mV/十年(decade))且阈值电压高，结果，传感器的灵敏度可能劣化且感测电压高。为了改善灵敏度，可以使得硅纳米线的直径越来越细；然而，相对细的硅纳米线可能导致出现传感器制造的问题。为了降低感测电压，可以使得隐埋氧化物的厚度更薄，并且可以降低隐埋氧化物层中的固定电荷密度。相比常规的FET的制造工艺，细的硅纳米线和固定电荷密度降低的薄隐埋氧化物层的制造过程可能相对复杂且开销大。

发明内容
在一方面，用于生物分子或带电离子的传感器包括衬底；位于衬底内的第一节点、第二节点和第三节点；位于衬底、第一节点、第二节点和第三节点之上的栅极电介质；第一场效应晶体管(FET)，所述第一 FET包含位于栅极电介质上的控制栅极、以及第一节点和第二节点；还有第二 FET，第二 FET包含位于栅极电介质上的感测表面、以及第二节点和第三节点，其中所述感测表面被配置为特别地结合要检测的生物分子或带电离子。在一个方面，一种用于操作用于生物分子或带电离子的传感器的方法，所述传感器包括第一场效应晶体管(FET)和第二 FET，其中第一 FET和第二 FET包括共享节点，所述方法包括在传感器的感测表面上放置包含生物分子或带电离子的电解质，所述电解质包括第二 FET的栅极；对第一 FET的栅极施加反转电压；形成到第一 FET的非共享节点的第一电连接；形成到第二 FET的非共享节点的第二电连接；确定第一 FET的非共享节点与第二 FET的非共享节点之间流动的漏极电流的变化；以及，基于已确定的漏极电流的变化，确定电解质中包含的生物分子或带电离子的数量。附加的特征是通过当前的示例性实施例的技术实现的。这里详细说明其他实施例，其被视为所要求保护的一部分。为了更好地理解示例性实施例的特征，参考说明书和附图。


现在参考附图，在附图中，相似的元素在若干附图中的编号类似图I图示了双FET传感器的实施例；图2图示了双FET传感器的实施例；
图3图示了双FET传感器的实施例；图4图示了操作双FET传感器的方法的实施例。
具体实施例方式提供了用于生物分子和带电离子的双FET传感器的系统和方法的实施例，下面详细讨论示例性实施例。基于FET的传感器结构可以包括两个串联连接的η型或P型金属氧化物场效应晶体管(M0SFET，或FET)，其中第一 FET是控制FET，并且第二 FET是用电解质作为栅极的感测FET。控制FET和感测FET可以共享节点。感测FET的栅极电介质表面可以被功能化(functionalized),使得栅极电介质的表面特别地结合用所述双FET传感器检测的类型的生物分子。电解质中的生物分子与感测FET的功能化的栅极电介质表面结合，弓丨起传感器的漏极电流的变化。电解质中出现的生物分子的数量可以基于漏极电流的变化而确定。双FET传感器的使用使得不需要将电极浸入电解质。图I图示了包括控制FET和感测FET的双FET传感器100的实施例。感测FET包括共享节点102和传感器节点101，其充当感测FET的源极/漏极；以及包含电解质108的栅极。栅极电介质105的与电解质108接触的表面被功能化形成感测表面106。控制FET包括共享节点102和控制节点103，其充当控制FET的源极/漏极；以及控制栅极107。双FET传感器100被构造在衬底104上；传感器节点101、共享节点102和控制节点103形成于衬底104内。绝缘材料109可以位于衬底104之上。栅极电介质105位于衬底104、传感器节点101、共享节点102和控制节点103之上。在操作中，形成到传感器节点101、控制节点103和控制栅极107的电连接，所述电连接可以包括金属线(未示出)，并且，漏极电流(Id)流经传感器节点101和控制节点103之间的双FET传感器100。图2图示了双FET传感器200的替代实施例。双FET传感器200也包括控制FET和感测FET。感测FET包括共享节点202和传感器节点201，这些节点充当感测FET的源极/漏极；以及感测栅极电介质205A上的包括电解质208的栅极。栅极电介质205A的与电解质208接触的表面被功能化形成感测表面206。控制FET包括共享节点202和控制节点203，这些节点充当控制FET的源极/漏极；以及控制栅极电介质205B上的控制栅极207。双FET传感器200被构造在衬底204上；传感器节点201、共享节点202和控制节点203形成于衬底204内。绝缘材料209可以位于衬底204之上。在操作中，形成到传感器节点201、控制节点203和控制栅极207的电连接，所述电连接可以包括金属线(未示出)，并且漏极电流(Id)流经传感器节点201和控制节点203之间的双FET传感器200。图3图示了双FET传感器200的替代实施例。双FET传感器300也包括控制FET和感测FET。感测FET包括感测共享节点302A和传感器节点301，这些节点充当感测FET的源极/漏极；以及栅极电介质305上的包括电解质308的栅极。栅极电介质305的与电解质308接触的表面被功能化形成感测表面306。控制FET包括控制共享节点302B和控制节点303，这些节点充当控制FET的源极/漏极；以及栅极电介质305上的控制栅极307。感测共享节点302A连接到控制共享节点302B。双FET传感器300被构造在衬底304上；传感器节点301、共享节点302A-B和控制节点303形成于衬底304内。绝缘材料309可以位于衬底304之上。在操作中，形成到传感器节点301、控制节点303和控制栅极307的电连接，所述电连接可以包括金属线(未示出)，并且漏极电流(Id)流经传感器节点301和控制节点303之间的双FET传感器300。在一些实施例中，控制栅极(107、207和307)可以包括多晶硅或金属。在一些实施例中，传感器节点(101、201、301)、共享节点(102、202、302么-8)以及控制节点(103、203、 303 )各自具有相同的掺杂型(η+型或ρ+型)。在一些实施例中，衬底104、204和304可以包括块状硅或绝缘体上硅(silicon-on-insulator)，且可以具有与节点(101-103、201-203、301-303)的掺杂型相反的掺杂型(η型或ρ型)。在一些实施例中，栅极电介质(105、205A-B、305)可以包括Si02、SiON、高k材料、或双层(SiO2和高k)，其具有大于20埃(A)的等效氧化层厚度(EOT)。图4图示了操作双FET传感器100的方法的实施例。参考图I讨论图4 ;方法400还可以结合图2和图3中所示的双FET传感器200和300使用。在块401，感测FET的栅极电介质表面被功能化形成感测表面106。在一些实施例中，功能化栅极电介质105的表面以形成感测表面106的步骤可以包括用抗体或适当的化学制品涂敷感测FET的栅极电介质表面，所述抗体或适当的化学制品可以特别地结合传感器被用于检测的特定生物分子。在块402，电解质108放置于感测表面106上。在块403，形成到控制栅极107、传感器节点101和控制节点103的电连接。所述电连接可以通过连接到控制栅极107、传感器节点101和控制节点103的每一个的金属线形成。将足以导通控制FET的栅极电压施加到控制栅极107。在一些实施例中，所述栅极电压可以包括恒定的反转电压，并且可以在大约|1.0|伏特(V)和|1.5|V之间。控制节点103可以保持在恒定的电压Vd，在一些实施例中，其为大约0. IV。在一些实施例中，传感器节点101可以保持在大约0V。共享节点102和包括电解质108的感测FET栅极被浮置。在块404，电解质108中的生物分子与感测表面106结合。与感测表面106结合的生物分子引起感测表面106与电解质108之间的接触面的功函数(workfuntion)的变化,这又依次引起传感器节点101和控制节点103之间流动的Id的变化。在块405，确定Id的变化。Id的变化是关于没有生物分子时流经传感器100的漏极电流而确定的。在块406，根据Id的变化，确定电解质108中存在的生物分子的数量。控制FET的沟道长度是控制节点103与共享节点102之间的距离。感测FET的沟道长度也是传感器节点101与共享节点102之间的距离。在双FET传感器100的一些实施例中，控制FET的沟道长度可以比感测FET的沟道长度短。此外，控制FET的沟道宽度是在与漏极电流流动方向垂直的方向上与控制节点103 —起测量的控制FET的传导沟道的宽度。感测FET的沟道宽度也是在与漏极电流流动方向垂直的方向上与传感器节点101 —起测量的感测FET的传导沟道的宽度。在双FET传感器100的一些实施例中，控制FET的沟道宽度可以比感测FET的沟道宽度短。示例性实施例的技术效果和好处包括在不需要将电极浸入电解质的情况下检测电解质中的生物分子或离子。
这里使用的术语仅仅是为了说明具体实施例的目的，并不是意图限制本发明。如这里使用的，单数形式的“一(a)”、“一个(an)”以及“该(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文明确另有所指。还应该理解，在本说明书中使用的术语“包括(comprise)”和/或“包含(comprising)”,说明阐述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其集合的存在或增加。权利要求中的对应的结构、材料、行为和所有方法或步骤加上功能元件的等效物 都旨在包括具体要求保护的、用于与其他要求保护的元件结合执行功能的任何结构、材料或行为。本发明的说明书已经为了列举和说明的目的呈现，而不是意图详尽或使本发明局限于公开的形式。在不脱离本发明的范围的情况下，很多修改和变动对于本领域的普通技术人员将是明显的。这里选择和说明实施例，以便最好地解释本发明的原理和实际应用，以及使本领域其他普通技术人员能够理解本发明为适合预期的特定使用而具有多种修改的不同实施例。
权利要求
1.一种用于生物分子或带电离子的传感器，包括 衬底； 位于衬底内的第一节点、第二节点和第三节点； 位于衬底、第一节点、第二节点和第三节点之上的栅极电介质； 第一场效应晶体管FET，所述第一 FET包括位于栅极电介质上的控制栅极、以及第一节点和第二节点；以及 第二 FET，所述第二 FET包括位于栅极电介质上的感测表面、以及第二节点和第三节点，其中所述感测表面被配置为特别地结合要检测的生物分子或带电离子。
2.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，还包括电解质，所述电解质包括位于感测表面上的生物分子或带电离子。
3.如权利要求2所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中感测表面包括抗体或化学制品的涂层，其被配置用于特别地与电解质中的生物分子或带电离子结合。
4.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中一个或多个生物分子或带电离子与感测表面的结合引起在第一节点和第三节点之间流动的漏极电流的变化，并且，基于漏极电流的变化确定电解质中的生物分子或带电离子的数量。
5.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中衬底包括硅或绝缘体上硅。
6.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中第一节点、第二节点和 第三节点各自具有相同的掺杂型，并且所述衬底包括与第一节点、第二节点和第三节点的掺杂型相反的掺杂型。
7.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中栅极电介质包括以下之一 =SiO2, SiON、诸如HfO2的高k材料和SiO2/高K堆。
8.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中栅极电介质具有大于20埃的等效氧化层厚度EOT。
9.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中控制栅极包括多晶硅或金属。
10.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中控制栅极被配置为接收栅极电压，所述栅极电压被配置为导通第一 FET。
11.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，还包括到第一节点的第一电连接、以及到第三节点的第二电连接。
12.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中第一FET的沟道长度比第二 FET的沟道长度短。
13.如权利要求I所述的用于生物分子或带电离子的传感器，其中第一FET的沟道宽度比第二 FET的沟道宽度短。
14.一种用于操作用于生物分子或带电离子的传感器的方法，所述传感器包括第一场效应晶体管FET和第二 FET，其中第一 FET和第二 FET包括共享节点，所述方法包括 在传感器的感测表面上放置包含生物分子或带电离子的电解质，所述电解质包括第二FET的栅极； 对第一 FET的栅极施加反转电压；形成到第一 FET的非共享节点的第一电连接； 形成到第二 FET的非共享节点的第二电连接； 确定第一 FET的非共享节点与第二 FET的非共享节点之间流动的漏极电流的变化；以及 基于已确定的漏极电流的变化，确定电解质中包含的生物分子或带电离子的数量。
15.如权利要求14所述的方法，其中感测表面包括抗体或化学制品的涂层，其被配置用于与电解质中包含的生物分子或带电离子结合。
16.如权利要求14所述的方法，其中用于生物分子或带电离子的传感器包括衬底，所述衬底包括娃或绝缘体上娃。
17.如权利要求16所述的方法，其中共享节点、第一FET的非共享节点以及第二 FET的非共享节点位于衬底内，并且各自具有相同的掺杂型，且所述衬底包括与共享节点、第一FET的非共享节点以及第二 FET的非共享节点的掺杂型相反的掺杂型。
18.如权利要求14所述的方法，其中用于生物分子或带电离子的传感器包括栅极电介质，所述栅极电介质包括以下之一 Si02、SiON、诸如HfO2的高k材料和SiO2/高K堆。
19.如权利要求18所述的方法，其中栅极电介质具有大于20埃的等效氧化层厚度EOT。
20.如权利要求14所述的方法，其中第一FET的栅极包括多晶硅或金属。
全文摘要
一种用于生物分子或带电离子的传感器包括衬底；位于衬底内的第一节点、第二节点和第三节点；位于衬底、第一节点、第二节点和第三节点之上的栅极电介质；第一场效应晶体管(FET)，所述第一FET包含位于栅极电介质上的控制栅极、以及第一节点和第二节点；以及第二FET，第二FET包含位于栅极电介质上的感测表面、以及第二节点和第三节点，其中所述感测表面被配置为特别地结合要检测的生物分子或带电离子。
文档编号G01N27/414GK102812351SQ201180015550
公开日2012年12月5日 申请日期2011年3月1日 优先权日2010年4月8日
发明者S.扎法, T.H.宁, D.R.多尔曼 申请人:国际商业机器公司