用于生物分子传感器以及其它应用的纳米级场效应晶体管的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求Lieber等人2012年9月12日提交的、标题为"Nanoscale Field-EffectTransistorsforBiomolecularSensorsandOtherApplications''、序列 号为61/700, 201的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明通常涉及纳米线，包括用作传感器的纳米线。
【背景技术】
[0004] 对纳米技术的兴趣，尤其是对亚微电子技术（诸如半导体量子点和纳米线）的兴 趣已经被纳米级的化学和物理学挑战以及在电子装置和相关装置中利用这些结构的前景 所激发。纳米范围制品可非常适合于电荷载子和激子（例如电子、电子对等等）的运输，并 且因此可以用作在纳米级电子学应用中的构造块。纳米级线非常适合于电荷载子和激子的 高效运输，并且因此被期望是用于纳米级电子学设备和光电子学设备的重要构造块。
[0005] 在例如2006年10月31日颁布的Lieber等人的标题为"Nanosensors"的美国专 利No. 7, 129, 554 (其全部内容通过引用合并于此）中已经描述了具有选择性功能化表面的 纳米级线。如所描述的，纳米级线的功能化可以允许功能化的纳米级线与各种实体（诸如 分子实体）的相互作用，并且相互作用引起功能化纳米级线性质的改变，这为纳米级传感 器装置提供了用于检测怀疑存在于样本中的分析物存在与否的机制。
[0006] 然而，在相对"有噪"的环境中很难确定分析物何时与功能化纳米线相互作用，例 如，在分析物存在于生理流体（诸如血液）中的情况下。这种环境内的盐、离子、蛋白质、 碳水化合物等等的存在可能使其很难识别或者不可能识别分析物何时已与纳米级线结合 (bind)或者以其它方式与纳米级线相互作用。因此，仍然需要改善这种技术。
【发明内容】
[0007] 本发明通常涉及纳米级线，包括用作传感器的纳米级线。在一些情况下，本发明的 主题涉及特定问题的替代解决方案、相关的产品和/或一个或者多个系统和/或制品的多 个不同用途。
[0008] 在一个方面中，本发明涉及一种制品。在一组实施例中，制品包括：场效应晶体管， 该场效应晶体管包括源极、包括纳米级线的栅极和漏极；与源极电连通的第一周期性电压 发生器；以及与栅极电连接的第二周期性电压发生器。在另一组实施例中，制品包括：场效 应晶体管，该场效应晶体管包括源极、包括纳米级线的栅极和漏极；能够向源极和栅极施加 不同电压的电压发生器设备；以及与电压发生器和场效应晶体管的漏极电连通的锁定放大 器。
[0009] 在另一个方面中，本发明通常涉及一种方法。根据一组实施例，所述方法包括以下 动作：提供场效应晶体管，向源极施加具有第一频率的第一周期性电信号，以及向栅极施加 具有第二频率的第二周期性电信号，该场效应晶体管包括源极、包括纳米级线的栅极和漏 极。在一些实施例中，第二频率不同于第一频率。
[0010] 根据另一组实施例，方法包括以下动作：提供包括场效应晶体管的装置，向源极 施加第一周期性电压信号，向栅极施加第二周期性电压信号，确定由漏极产生的电压信号 以及通过确定由漏极产生的电压信号中的变化来确定栅极的改变，该场效应晶体管包括源 极、包括纳米级线的栅极和漏极。
[0011] 在另一个方面中，本发明包括制造此处描述的实施例中的一个或者多个（例如， 用作传感器的纳米级线）的方法。在又另一个方面中，本发明包括使用此处描述的实施例 中的一个或者多个（例如，用作传感器的纳米级线）的方法。
[0012] 当结合附图考虑时，本发明的其它优点和新颖的特征将从本发明的各种非限制性 实施例的下列详细说明中变得明显。如果本说明书和通过引用并入的文件包括矛盾和/或 不一致的公开内容，那么应当以本说明书为准。如果通过引用并入的两个或更多个文件包 括相对于彼此矛盾和/或不一致的公开内容，那么应当以生效日期较晚的文件为准。
【附图说明】
[0013] 将参考附图通过示例的方式对本发明的非限制性实施例进行描述，该附图是示意 性的并且不旨在按比例绘制。在图中，图示的每个相同或者几乎相同的组件通常由单个标 号表示。为了清楚起见，不是每个组件都在每个图中标记出来，当图示对于允许本领域普 通技术人员理解本发明来说并不必要时，也不必示出本发明每个实施例的每个组件。在图 中：
[0014] 图1示意性地图示了根据本发明一个实施例的传感器装置；以及
[0015] 图2A-2B图示了本发明另一个实施例中包括纳米线的传感器装置的使用。
【具体实施方式】
[0016] 本发明通常涉及纳米级线，包括用作传感器的纳米级线。不同于许多现有技术，在 某些情况下，纳米级线直接确定分析物，甚至可以用于在相对复杂环境（诸如血液）内直接 确定分析物。例如，纳米级线可以暴露于血液的样本，并且可以在血液内直接确定特异性蛋 白质，诸如PSA。相比之下，许多现有技术将很难在通常将包含多种蛋白质、离子、其它物质 (species)等等的血液样本中识别特异性蛋白质。
[0017] 在一些方面中，纳米级线形成场效应晶体管的栅极的至少一部分，以及在某些方 面，可以向场效应晶体管施加不同的周期性变化的电压或者其它电信号。例如，在一组实施 例中，可以向场效应晶体管的源极电极和纳米级线施加不同频率的正弦变化电压。于是，可 以确定响应于周期性变化的电压的纳米级线的电导或者其它性质，并且纳米级线的电导或 者其它性质可以用于确定物质的结合。
[0018] 现在参考图1讨论本发明的一个实施例。在该图中，传感器装置10包括具有由栅 极24连接的源极（S) 22和漏极（D) 26的场效应晶体管。由于栅极24暴露于微流体通道 29内的水，因此栅极24在图1中标记为"水-栅极"。然而，应当注意，由于可以在其它实 施例中使用任何其它合适的流体，因此这里使用"水"仅用于说明性目的；例如，微流体通道 29内的流体可以是水性流体、盐溶液、有机流体、生理流体（诸如血液、尿、唾液、眼液等等） 等。栅极24可以包括纳米级线，诸如半导体纳米线或者碳纳米管。在某些情况下，栅极24 可以是扭曲的（kinked)纳米线。下面对纳米级线的非限制性示例（包括扭曲的纳米线） 进行更详细的讨论。
[0019] 另外，图1图示了第一电压发生器31和第二电压发生器32。第一电压发生器31 以第一频率（如图所示的《 + △?)向源极22提供周期性变化的电压信号，而第二电压发 生器32以第二频率（《)向栅极24提供周期性变化的电压信号。第二频率与第一频率相 差量A?。因此，施加至源极22的电压是￥3(1sin((? +A?)t)，而施加至栅极24的电压 是Vwesin(?t)。如这里所表明的，这些电压可以由第一电压发生器31和第二电压发生器 32产生，或者在其它实施例中由能够产生具有不同周期（即《和《+A?)的电压的其它 合适的电压发生器设备产生。
[0020] 图1还示出了锁定放大器46,该锁定放大器46将由电压发生器产生的基准信号与 来自漏极26的电信号（例如，漏极26的电压测量值）进行比较。在图1中，通过使用混频 器42将来自电压发生器31和32的频率混合以产生基准信号，可选地将信号通过低通滤波 器44传递到锁定放大器46。因此，锁定放大器46可以基于基准信号和来自漏极的信号产 生输出信号。因此，通过比较这些信号，可以确定栅极24的电导。
[0021] 在某些情况下，栅极24的至少一部分可以暴露于外部环境。例如，如图1所示，栅 极24位于微流体通道29内，该微流体通道29可以将流体传送（或者传递）至栅极24。流 体内的分析物可以与栅极24内的纳米级线的至少一部分结合，并且这种结合可以引起纳 米级线的一个或者多个电气性质的变化。因此，可以由锁定放大器46例如根据信号的电气 性质的变化（例如，电导、阻抗、电抗等等的变化）确定栅极24的电气性质。因此，通过将 来自漏极26的信号与基准信号相比较，图1中的传感器装置10可以用于确定微流体通道 29内的流体内的分析物。这种确定也可以是定性的（例如，分析物是否存在）和/或定量 的（例如，分析物的量和/或浓度）。
[0022] 上面的讨论是根据本发明一个实施例的传感器装置的非限制性示例。然而，也可 以有其它实施例。例如，更一般地说，本发明的多种不同方面涉及传感器装置以及用于确定 纳米级线（例如，当暴露于分析物时）的特性的其它系统和方法。例如，分析物可以存在于 任何合适的流体中，包括具有除分析物以外的其它物质的流体。
[0023] 在本发明的一个方面中，纳米级线可以是晶体管（诸如，场效应晶体管）的一部 分。通常，在场效应晶体管中，电荷载子（诸如电子）从源极电极（或者就"源极"）流至漏 极电极（或者就"漏极"）。源极和漏极通常由半导电通路（称为"栅极"）连接，并且栅极 的多种性质可以用于控制源极与漏极之间电荷载子的流动。例如，呈现较高电导的栅极可 以促进源极与漏极之间的电流流动，而呈现较高电阻的栅极（或者较低电导）的栅极可以 抑制这种电流流动。
[0024] 另外，栅极的电气行为可以至少部分地由栅极所暴露到的电气环境和物理环境控 制。因此，例如，可以通过向栅极施加合适的电压或者电势来控制栅极的电导，和/或可以 由邻近栅极的各种分子和/或离子影响栅极的电导。例如，结合栅极的一部分或者靠近栅 极设置的分析物可以引起栅极的电气行为的变更，其可以如下面讨论的进行确定。
[0025] 栅极可以包括一个或者多个纳米级线，例如，硅纳米线。在一些情况下，如下面讨 论的，可以对硅纳米线（或者其它纳米级线）进行弯曲或者扭曲，然而在其它情况下，不需 要对纳米级线进行弯曲或者扭曲。因此，在一些实施例中，纳米级线可以暴露于合适的分析 物，并且分析物可以以某种方式与纳米级线相互作用，改变纳米级线的电气性质，并且因此 改变栅极的电气性质。例如，分析物可以与纳米级线非特异性地结合，或者，能够与分析物 结合或者相互作用的反应实体可以与纳米级线表面结合和/或