用于高靈敏度分子檢測的納米孔場效應(yīng)晶體管

自 2003 年人類基因組計(jì)劃首次測序人類基因組以來，高通量測序取得了顯著進(jìn)展。DNA 檢測和測序的關(guān)鍵作用在 COVID-19 大流行期間凸顯出來，它在診斷檢測和了解 SARS-CoV-2 病毒方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。除此之外，DNA 篩查的成本曾經(jīng)高達(dá) 1 億美元，如今已降至 1,000 美元，為非侵入性產(chǎn)前檢測 (NIPT) 等經(jīng)濟(jì)高效的應(yīng)用開辟了道路。

短讀測序技術(shù)的挑戰(zhàn)在于需要擴(kuò)增初始樣本并同步相同的分子，從而限制每次識別不超過 300 個堿基對。然而，單分子傳感可以通過消除這種擴(kuò)增需求來提供解決方案。此外，高效的讀取技術(shù)可以促進(jìn) DNA 用作檔案數(shù)據(jù)存儲，而這目前是一項(xiàng)非常昂貴的工作。因此，生命科學(xué)研究仍在尋找能夠提供快速且經(jīng)濟(jì)高效的單分子傳感解決方案的平臺，不僅包括 DNA，還包括其他分子。

例如，蛋白質(zhì)是醫(yī)學(xué)診斷的基石，因?yàn)樗鼈兣c個體的表型直接相關(guān)。與約兩萬個基因的靜態(tài)基因組相比，由數(shù)百萬種蛋白質(zhì)組成的動態(tài)蛋白質(zhì)組對疾病具有顯著的特異性。然而，它帶來了獨(dú)特的閱讀挑戰(zhàn)。蛋白質(zhì)以二十種不同的氨基酸為組成部分，無法復(fù)制，血漿濃度水平可以跨越十六個數(shù)量級。因此，高通量單分子傳感變得勢在必行，尤其是對于低流行蛋白質(zhì)感興趣的疾病，例如早期癌癥。

進(jìn)入基于芯片的生命科學(xué)

基于芯片的生命科學(xué)應(yīng)用將生物傳感或測序與半導(dǎo)體行業(yè)在納米級設(shè)備方面的實(shí)力相結(jié)合，有可能徹底改變我們對生物學(xué)的理解。盡管如此，其在基因組和蛋白質(zhì)組測序等方面的應(yīng)用仍處于開發(fā)階段。

目前市場上單分子傳感的典型例子包括零模式波導(dǎo)和納米孔。雖然這些技術(shù)為短讀技術(shù)提供了顯著的優(yōu)勢，但光學(xué)衍射和吞吐量有限等挑戰(zhàn)仍然存在，導(dǎo)致它們體積相對較大或輸出有限。

Imec 的創(chuàng)新方法

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，imec 正在利用其 CMOS 技術(shù)和 300 毫米潔凈室來實(shí)現(xiàn)生化傳感器的電氣化。與傳統(tǒng)的光學(xué)方法不同，讀出電路直接集成到生物傳感器中，從而實(shí)現(xiàn)更快的處理速度。此外，由于數(shù)十億個晶體管可以安裝在一個芯片上，因此可以實(shí)現(xiàn)前所未有的并行化。這可能為高通量傳感平臺鋪平道路，例如用于 DNA 檢測，大大超過目前可用的吞吐量，或用于蛋白質(zhì)檢測，目前尚不存在。

更具體地說，imec 正在研究將傳統(tǒng)的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 改造為液柵場效應(yīng)晶體管。當(dāng)生物分子附著在柵極經(jīng)過化學(xué)改性的介電表面上時，由此產(chǎn)生的裝置會發(fā)出可測量的“開關(guān)”電信號，從而導(dǎo)致其閾值電壓發(fā)生變化。對于這種液柵 FET 或兼容 CMOS 的生物傳感器，“納米線”柵極的寬度和長度最好縮小到幾十納米(再小一點(diǎn)，信號就會飽和并最終下降)，以優(yōu)化單分子傳感。這提高了靈敏度，因?yàn)榫w管的單分子信號與表面成反比，這對其噪聲的影響較小。

在液體環(huán)境中獲得性能良好的納米級 CMOS 器件極具挑戰(zhàn)性。部分原因是液體環(huán)境中帶反電荷的離子會被帶電的生物分子吸引，從而屏蔽要檢測的電荷(因此稱為“電荷屏蔽”)。

2020 年，imec 通過解決這些挑戰(zhàn)取得了突破。成果是：最小的基于硅 FinFET 的生物傳感器，具有前所未有的 50 納米長通道，能夠檢測極少量的 DNA 分子。

納米孔場效應(yīng)晶體管 (FET)：新篇章

在 2023 年 IEDM 會議上，imec 推出了另一項(xiàng)開創(chuàng)性的設(shè)計(jì)——納米井 FET(圖 1)。這項(xiàng)創(chuàng)新基于傳統(tǒng)的 FinFET 原理，在納米線中引入了一個額外的井，進(jìn)一步提高了器件的靈敏度。該器件采用 35-40nm 寬的硅 FinFET，以 25nm 納米井作為有源傳感區(qū)域。

圖 1：納米井 FET 核心區(qū)域的縱向 3D 剖面示意圖，不包括金屬布線和鈍化

在孔內(nèi)，估計(jì)有十個短單鏈 DNA 分子的結(jié)合產(chǎn)生了 40 mV 的清晰信號，這是之前 FinFET 器件信號的兩倍(圖 2)。值得注意的是，其電氣特性接近理想狀態(tài)(圖 3)，亞閾值擺幅為 66 mV/dec，接近理論最小值 60。這表明電解質(zhì)門控在納米孔內(nèi)有效發(fā)生。

圖 2：完整的 20T ssDNA 傳感實(shí)驗(yàn)概覽。(a)、(b) 和 (c) 表示三種不同的實(shí)時測試：僅在測試二 (b) 期間注入 DNA;(a) 和 (c) 為參考測試。(d)。實(shí)驗(yàn)期間恒定電流電壓 V0 的變化以及紅色和藍(lán)色標(biāo)記之間的 V0 偏移表示終點(diǎn)信號 (≈ 40 mV)

圖 3：傳輸特性：不同 Vds(從 1 V 到 0.1 V)的 Ids-Vgs 曲線

制造這種納米井 FET 的挑戰(zhàn)在于需要在保留整個半導(dǎo)體器件完整性的同時去除材料。Imec 的創(chuàng)新加工技術(shù)(例如用于形成自對準(zhǔn)納米井的犧牲層)和精確的材料選擇(包括 C 3 N 3自組裝單層涂層)有助于實(shí)現(xiàn)器件的可重復(fù)性、可靠性和開創(chuàng)性設(shè)計(jì)。

挑戰(zhàn)與未來前沿

未來的步驟包括對當(dāng)前納米孔和早期開發(fā)的 FinFET 生物傳感器的單分子檢測潛力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以及 DNA 傳感以外的探索。Imec 還旨在探索納米孔 FET，實(shí)現(xiàn) DNA 測序和蛋白質(zhì)組學(xué)