[发明专利]场效应传感器

说明书

公开了具有使用单个活性部分被官能化的导电沟道的单分子场效应传感器的装置和方法。纳米结构的区域(例如，诸如硅纳米线或碳纳米管)提供导电沟道。对于活性部分被链接到纳米结构的位置附近的纳米结构的一部分，纳米结构的陷阱态密度被修改。在一个示例中，半导体器件包括：源极；漏极；沟道，其包括纳米结构，该纳米结构具有陷阱态密度增加的修改部分，该修改部分还使用活性部分被官能化。栅极端子与纳米结构电连通。在将变化的电信号施加到与纳米结构沟道接触的离子溶液时，从半导体器件观察到的电流改变可以用于标识分析物的成分。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月1日提交的美国临时专利申请第62/539,813号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

背景技术

场效应晶体管可以用作单分子电荷传感器以标识分子。这种传感器可以在生物学相关的盐条件下操作。这种盐溶液的德拜(Debye)屏蔽长度的范围为约0.3nm至约10nm，这将感测区限制在沟道表面之外几纳米，并且经常将信号水平降低到可检测性的极限。解决这个难题的方法是在两种不同的缓冲液(分别为高盐和低盐)中执行生物反应和测量。然而，这种方法通常不适用于不可能进行缓冲液交换的单分子传感器。

发明内容

在第一方面中，一种半导体器件包括：源极；漏极；沟道，包括纳米结构，该纳米结构包括陷阱态密度增加的修改部分，该修改部分使用活性部分被官能化；以及栅极端子，与纳米结构电连通。

在一个示例中，纳米结构包括以下中的至少一项：纳米线、纳米管以及纳米带。

在另一示例中，纳米结构包括以下中的至少一项：硅纳米线、碳纳米管、聚合物纳米线、石墨烯纳米带以及MoS₂纳米带。

在又一示例中，纳米结构包括以下中的至少一项：石墨烯、硅烯以及磷烯。

在一个示例中，修改部分通过离子注入、高能束辐照、等离子体暴露或其组合而被形成。

在一个示例中，活性部分包括酶或适体，该酶或适体链接到纳米结构的修改部分；并且酶或适体与纳米结构的修改部分的链接破坏了纳米结构的原子键，以增加纳米结构的修改部分的陷阱态密度。在该示例的一些实例中，链接的酶或适体被共价键合到纳米结构的修改部分。

在一个示例中，活性部分是以下中的一项的单个分子：单个酶、单个抗体以及单个适体。

在一个示例中，增加的陷阱态密度的范围为约1×10^-12个陷阱/cm²至约1×10^-14个陷阱/cm²。

应当理解，该第一方面的任何特征可以以任何期望的方式和/或配置被组合在一起。

在第二方面中，一种装置包括：权利要求1的半导体器件；以及容器，该容器至少部分地围合纳米结构，该容器用以接收分析物溶液，该分析物溶液提供栅极端子与纳米结构之间的电连通。

在第三方面中，一种装置包括：权利要求1的半导体器件，其中半导体器件还包括被耦合到调制信号输入的体端子；并且栅极端子被耦合到固定电压。

在第四方面中，一种装置包括电流传感器或环形振荡器，该电流传感器或环形振荡器包括权利要求1的半导体器件。

应当理解，半导体器件的特征的任何组合可以与第二方面、第三方面或第四方面中的任何方面一起使用。而且，应当理解，第二方面、第三方面或第四方面的装置中的任何装置的任何特征可以一起使用，和/或来自这些装置中的任何装置的任何特征可以与本文中所公开的示例中的任何示例组合。