场效应晶体管、包含所述晶体管的装置及其形成和使用方法
【专利说明】场效应晶体管、包含所述晶体管的装置及其形成和使用方 法
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求 2012 年 4 月 9 日提交的名为 "FIELD EFFECT NANOPORE DEVICE AND CHEMICAL-STOP NANOPORE ETCHING FOR GENOME SEQUENCING, PROTEIN SEQUENCING AND OTHER APPLICATIONS(用于基因组测序、蛋白质测序和其它应用的场效应纳米孔装置和化 学终止纳米孔蚀刻）"的美国临时专利申请序列号No. 61/621，966的权益，以及2013年3月 15 日提交的名为"FIELD EFFECT NAN0P0RE TRANSISTOR DEVICE METHODS OF FORMING AND USING THE SAME(场效应纳米孔晶体管装置及其形成与使用方法）"的美国临时专利申请序 列号No. 61/802, 235的权益，上述文献的公开内容均以不与本公开内容冲突的方式通过引 用纳入本文。
[0003] 政府许可权利
[0004] 本申请经政府支持在NIH授予的基金号5R21HG006314下做出。美国政府享有本 发明的某些权利。
技术领域
[0005] 本发明一般涉及场效应晶体管以及包含所述晶体管的装置。更具体地，本发明涉 及适于检测不同材料的场效应晶体管、包含所述晶体管的装置以及形成和使用所述晶体管 和装置的方法。
【背景技术】
[0006] 可采用不同传感器来检测和表征材料，例如生物学、化学和/或放射性材料。例 如，已开发纳米孔或纳米通道传感器来检测并表征生物学材料。近年来，人们对用于检测和 表征生物学材料的基于纳米孔的测序方法很有兴趣，因为此类技术相较于其它技术平台具 有两个不同的优势，包括：（i)点转导能力和（ii)高速纳米孔移位。基于纳米孔测序生物 学材料的方法如下：离子电流封锁（ion current blockade)技术和更近期的横向电子传递 (transverse electron transport)技术。尽管这些技术对于递送能够以低成本和合理短 期读出三十亿个碱基对的溶液而言具有前景，但其障碍在于一些基本限制。
[0007] 离子电流封锁技术受限于当检测穿过纳米孔的离子流时的水性溶液中相对低的 离子活动性。近期研宄显示，在穿过纳米孔装置施加并检测输入步骤的IO 4微秒的时程中出 现电流反应，可能限制测序速率低于1000个碱基/秒。另一方面，横向电子传递法因量子 点机械噪音而受限于测序速度。在离子电流封锁和横向电子传递技术中，这些限制导致无 法开发纳米孔中高速DNA移位的最显著优势。因此，研宄者已采取方法使DNA从其在固态 纳米孔中数百万个碱基/秒和石墨烯纳米孔中至多1亿个碱基/秒的自然高速移位减慢。
[0008] -般而言，全基因组测序需要低成本高质量溶液。所述低成本的技术将导致真正 的个性化诊断和个性化治疗。不同的技术的目标在于提供采用不同技术方法的所述溶液。 然而，所述系统通常是昂贵的，因而是众多患者所不能负担的。因此，需要具有相对较低的 总成本、装置、仪表装置、试剂的积累、耗时和其它资源的装置和方法，即，能够监测一段时 间内肿瘤突变并且有利于在甚至穷困国家进行基因组测序的台式测序仪。
【发明内容】
[0009] 本发明提供一种改进的场效应晶体管和装置，所述场效应晶体管和装置能够用于 感测和表征不同材料。所述场效应晶体管和/或装置包括能够用于多种应用的晶体管，所 述应用包括基因组测序、蛋白质测序、生物分子测序和对于离子、分子、化学品、生物分子、 金属原子、聚合物、纳米颗粒等的检测。例如，所述方法可用于检测未经修饰的蛋白质、DNA 和其它生物分子，或已用化学标签和金属原子标签、纳米颗粒标签、杂交标志物等修饰的蛋 白质、DNA、生物分子。
[0010] 如下文更详细地描述，本发明不同实施方式的示例性装置利用一个或多个场效 应晶体管传导机理和电场聚焦（例如，以双特征（bi-feature)，例如，圆锥形或锥形的 亚-1000 nm~亚-IOnm纳米孔）。本文所述的场效应晶体管和装置可以积聚、贫化、部分贫 化、完全贫化、反型或体反型（volume inversion)模式操作。
[0011] 根据本公开内容的不同实施方式，装置包括基质、在所述基质的部分内形成的 蚀刻区、在所述蚀刻区附近形成的绝缘区、覆盖所述绝缘区和所述基质的第一表面的源 区（source region)，以及覆盖所述绝缘区和所述基质的第二表面所形成的漏区（drain region)。根据这些实施方式的不同示例性方面，所述装置能够感测并区分生物物质、化学 物质和/或放射性物质。所述基质可包括导电材料，例如金属，半导电材料和/或绝缘材料。 所述装置可在所述绝缘区的近端包括额外的半导电、金属或绝缘层。根据其它方面，所述基 质选自下组：硅、绝缘体上的硅、蓝宝石上的硅、金刚砂上的硅、钻石上的硅、氮化镓（GaN)、 绝缘体上的GaN、砷化镓（GaAs)、绝缘体上的GaAs、锗或绝缘体上的锗。根据其它方面，所述 蚀刻区包括选自下组的形状：圆锥形、锥形、球形或具有圆形、矩形、多边形或缝隙的形状的 截面。根据本公开内容的其它方面，所述装置还包括覆盖所述源区和/或所述漏区的部分 的电介质层。根据其它方面，所述装置包括薄膜材料被覆（例如有机、无机或生物材料）， 以便于检测一种或多种化学材料、生物学材料和/或放射性材料。所述薄膜覆层可被覆所 述装置表面（例如蚀刻区内的表面）的部分。所述装置可包括穿过所述蚀刻区的直径为约 Inm~约1000 nm的纳米孔。
[0012] 根据本公开内容的其它实施方式，装置包括绝缘基质、在所述绝缘基质的部分中 形成的蚀刻区、由一种或多种半导体、导体或拓扑绝缘材料形成的覆盖绝缘层的层、覆盖所 述层和所述基质的第一表面所形成的源区，以及覆盖所述层和所述基质的第二表面所形成 的漏区。根据这些实施方式的装置的不同的层可用上述用于对应装置层的相同材料形成。 根据其它方面，所述装置包括薄膜材料被覆（例如有机、无机或生物材料），以便于检测一 种或多种化学材料、生物学材料和/或放射性材料。所述薄膜覆层可被覆所述装置表面（例 如蚀刻区内的表面）的部分。所述装置可包括穿过所述蚀刻区的直径为约Inm~约1000 nm 的纳米孔。
[0013] 根据本公开内容的其它实施方式，形成装置的方法包括如下步骤：提供基质（例 如，半导体、导体或绝缘体），蚀刻所述基质的部分以形成蚀刻区，在所述蚀刻区附近形成 绝缘区，形成覆盖所述绝缘区和所述基质的第一表面的源区，以及形成覆盖所述绝缘区和 所述基质的第二表面的漏区。根据这些实施方式的示例性方面，提供基质的步骤包括提供 包含半导体材料（如硅、绝缘体上的硅、蓝宝石上的硅、金刚砂上的硅、钻石上的硅、氮化镓 (GaN)、绝缘体上的GaN、砷化镓（GaAs)、绝缘体上的GaAs、锗或绝缘体上的锗）的基质。根 据其它方面，形成绝缘区的步骤包括选自下组的一种或多种技术，植入（例如，氧植入）、热 敏氧化、化学气相沉积、旋涂、蒸汽涂覆、喷涂，以及浸渍涂覆。根据其它方面，蚀刻步骤包括 沿基质的结晶平面蚀刻。所述蚀刻可以是自限制的。所述方法还可包括退火步骤，以获得 所需的层和/或装置性质。根据这些实施方式的其它方面，所述方法还包括如下步骤：形成 所述蚀刻区内的第一表面和/或第二表面上的掩模，其可采用自对准技术完成。所述方法 还可包括形成通过所述基质的纳米孔（例如，直径是约Inm~1000 nm)的步骤。根据这些 实施方式的不同方面，所述纳米孔可以采用如下一种或多种方式形成：离子研磨、电子束研 磨、激光技术；化学终止湿蚀刻以及湿蚀刻。根据这些实施方式的其它方面，所述方法还可 包括如下步骤：使半导体层、金属层和/或第二绝缘层沉淀覆盖所述绝缘层。所述方法还可 包括形成至少一个生物纳米孔和/或化学纳米孔，其可以接近固态纳米孔。
[0014] 根据本公开内容的其它实施方式，形成装置的方法包括如下步骤：提供基质（例 如半导体、导体或绝缘体），蚀刻所述基质的部分以形成蚀刻区，以及形成选自下组的层： 所述蚀刻区附近的半导体层、金属层和第二绝缘层。根据这些实施方式的不同方面，所述方 法还包括形成覆盖所述基质的第一表面的源区和/或形成覆盖所述基质的第二表面的漏 区。根据其它方面，所述蚀刻沿所述基质的结晶平面进行。所述蚀刻方法可以是自限制的。 根据其它方面，所述方法包括退火步骤。所述方法还可包括如下步骤：形成选自下组的层： 所述蚀刻区附近的半导体层、金属层和第二绝缘层。所述方法还可包括形成掩模的步骤，其 可以是自对准方法。根据其它方面，所述方法包括形成通过所述基质的至少一个纳米孔。所 述纳米孔可采用如下一种或多种方式形成，例如，离子研磨、电子束研磨、激光、化学终止湿 蚀刻，以及湿蚀刻。根据其它方面，所述方法包括形成覆盖纳米孔的至少一个脂质双层。所 述方法还可包括形成至少一个生物纳米孔和/或化学纳米孔，其可以接近固态纳米孔。
[0015] 根据本公开内容的其它示例性实施方式，感测材料（例如化学材料、生物学材料 或放射性材料（例如离子、原子或分子））的方法包括如下步骤：提供如本文所述的装置， 提供待感测的材料，使所述材料通过所述装置的纳米孔；以及检测所述材料通过所述纳米 孔时所述装置的电学特性变化。所述材料可以是有机材料、纳米颗粒、离子物质、分子物质， 例如选自下组的材料：DNA分子、蛋白质分子、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。待感测的材料可用选自下组的至少一种标签修饰：金属物 质、金属有机物质、化学修饰物、生物分子标签、互补杂交链分子、肽、多肽、寡核苷酸、锌指、 纳米颗粒、量子点、有机染料、珠、纳米线、纳米管。
[0016] 附图简要描沐
[0017] 将结合附图对本发明的示例性实施方式进行描述。
[0018] 图1说明根据本公开内容的示例性实施方式的场效应晶体管装置。
[0019] 图2说明根据本公开内容的示例性实施方式的另一种示例性场效应晶体管装置。
[0020] 图3说明根据本公开内容的示例性实施方式形成场效应晶体管装置的步骤。
[0021] 图4说明根据本公开内容的示例性实施方式形成场效应晶体管装置的步骤。
[0022] 图5说明根据本公开内容的示例性实施方式形成场效应晶体管装置的步骤。
[0023] 图6说明根据本公开内容的不同示例性实施方式形成的纳米孔。
[0024] 图7说明响应浮动栅（纳米孔）电势的0.0 lv变化的一个纳安培反型电流的模拟。
[0025] 图8说明根据本公开内容的其它示例性实施方式检测材料的方法。
[0026] 图9说明根据本公开内容的示例性实施方式的另一种示例性场效应晶体管装置。
[0027] 图10说明根据本公开示例性实施方式的另一种示例性纳米孔。
[0028] 应理解，这些图不必按比例绘制。例如，附图中某些要素的尺寸可以相对其它要素 放大，有助于更好地理解所显示的本发明的这些实施方式。
[0029] 本发最侔实施方式的详细描沐
[0030] 下面提供的本公开内容的示例性实施方式的描述只是示例性的，且只用于举