[发明专利]一种基于锗纳米线场效应晶体管的生物传感器、方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于锗纳米线场效应晶体管的生物传感器、方法及应用，特别涉及一种基于锗浓缩技术制备的锗纳米线场效应晶体管的生物传感器及其制备方法及应用，属于纳米生物传感技术领域。

背景技术

近年来，一维纳米材料如纳米线、纳米管等因其具有传统材料所不具备的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特殊性能正成为纳米科学、微电子学和生物医学等交叉学科研究的热点。相比较而言，宏观平面电极表面的电荷变化只会引起表面载流子的耗尽或积累，而纳米线由于其高表体比和可调的电子传输特性，表面轻微的电荷扰动都会引起其内部载流子的耗尽或积累，从而引起电学性能强烈的变化[Wanekaya,A.K.,et al.,Nanowire-based electrochemical biosensors.Electroanalysis,2006.18(6):p.533-550.]。理论上表面单个电荷的变化就会引起纳米线电学性能非常大的变化，而且这种变化是定向的，背景噪声远小于平面电极表面电荷向四周分散变化产生的干扰。此外，蛋白、核酸分子等典型的生物大分子的尺寸与一维纳米结构相当，这些生物分子若在一维纳米结构表面发生相互作用，可以通过观察一维纳米材料相关电学性能的变化实现有效检测。一维纳米材料这些优良特性为我们实现高灵敏度生化检测提供了新思路。

与此同时，场效应晶体管作为微电子学中典型的结构，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、易集成等优点，尤其场效应管的栅极或沟道表面容易功能化修饰固定生物分子，可从源漏电流变化反应出生物分子性质。比如，以半导体纳米线为沟道的场效应管，在栅极电压和源漏电压固定的情况下，纳米线表面固定的核酸探针因其带负电荷会抑制n型纳米线内电子或引发p型纳米线产生更多空穴，线内载流子数量发生改变，从而源漏电流发生变化。基于以上认识，半导体纳米线场效应管以其独特的一维单晶与半导体能带结构，高效的电荷输运与调控性质，丰富的表面化学功能化方法和快速、实时、灵敏、无标记的性质，已被初步应用于对核酸等多种生物或化学分子的检测。

目前，纳米线场效应晶体管主要研究目标是硅纳米线，究其原因是硅纳米线的制作工艺已经成熟，能实现制备流程与CMOS工艺的有效兼容，提高器件制备的均一性与规模化。相比较而言，其他材料的纳米线制作大多依赖“自下向上”的方法，在场效应管中的应用受到限制。但与硅相比，作为同族半导体材料的锗，具有激子波尔半径、载流子浓度大以及载流子迁移率高等优良的电学性能。这些优异的电学性能使得锗纳米线更容易呈现量子限制效应，有望实现敏感性更高、检测反应时间更快的传感应用。

但目前在锗纳米线的研究与应用中还存在一些问题急需解决。首先，目前制备锗纳米线的方法主要是“自下而上”的方法，采用化学气相淀积、物理气相淀积、激光烧蚀等方法，催化剂的辅助下在大面积的衬底上随机地或部分定向地生长出纳米线，再接上电极就可以制作出各种纳米器件。但该方法加工效率相对较低，可重复性较差，操作不便，难以定位，无法满足大规模集成制造的要求。此外，由于锗材料对应的氧化物成分复杂且不稳定(例如二氧化锗甚至溶于水)，这使得采用“自下而上”方法制备的锗纳米线由于表面缺少有效的钝化保护层，进而使得锗纳米线电子器件的电学性能并不稳定，极大的抑制了其后续的应用。在本发明中，拟针对目前“自下而上”的方法制备锗纳米线的不足，试图借鉴近年来发展的锗浓缩技术[Lai,W.T.and P.W.Li,Growth kinetics and related physical/electrical properties of Ge quantum dots formed by thermal oxidation of Si1-xGex-on-insulator.Nanotechnology,2007.18(14).]制备性能稳定的锗纳米线阵列，而且所述的制备过程能与传统的CMOS工艺(如光刻、氧化、沉积等)兼容，具有大规模制备的前景。与此同时，制备得到的锗纳米线阵列表面具有稳定的钝化保护层，确保了其电学性能的稳定性。最后，基于制备的锗纳米线阵列制备出了相应的锗纳米线场效应晶体管，并以此为平台发展一种基于锗纳米线场效应晶体管的生物传感器。从而形成本发明的构思。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于锗浓缩技术制备的的锗纳米线场效应晶体管的生物传感器及其制备方法，用于解决现有技术中锗纳米线制备过程与传统CMOS工艺不兼容，定位不准确，电学性能不稳定等问题。