基于虛擬內(nèi)埋納米線的分子傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于多柵場效應(yīng)晶體管的方法和系統(tǒng)，用于感測氣體或液體樣本中的分子。所述FET晶體管包括位于活性區(qū)域兩側(cè)上的雙橫向柵電極(并且任選地背柵電極)和在所述活性區(qū)域頂部的感測表面。向所述橫向柵電極施加電壓，在該活性區(qū)域中產(chǎn)生導(dǎo)電通道，其中所述通道的寬度和橫向位置是可控制的。通過測量橫向方向的多個位置處的通道導(dǎo)電性獲得增強的感光靈敏度。本發(fā)明還公開了所述FET陣列用于電子鼻的用途。
【專利說明】基于虛擬內(nèi)埋納米線的分子傳感器
[0001]相關(guān)申請案
[0002]本申請案根據(jù)35 U.S.C.§ 119(e)主張2012年2月28日提交的第61/604，041號美國臨時專利申請案的權(quán)益，該申請案的內(nèi)容以引用方式并入本文中，如同全文再現(xiàn)一般。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]在本發(fā)明的一些實施例中，本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體化學傳感器，且更確切地說，但非排他地，涉及一種基于場效應(yīng)晶體管的氣體傳感器。

【背景技術(shù)】
[0004]可商購的氣體傳感器包含紅外傳感器、有毒氣體傳感器和催化燃燒式傳感器，所有這些傳感器都由城市技術(shù)有限公司(City Technology, Ltd.)出售；以及由美國費加羅股份有限公司(FIS，Inc.)出售的金屬氧化物氣體檢測器。由城市技術(shù)出售的傳感器(例如)在WWW.citytech.com有所描述,并且由費加羅出售的傳感器(例如)在www.figarosensor.com有所描述。制造成本可以較便宜且/或具有較大靈敏度和/或較大專一性的氣體傳感器將是非常有用的。
[0005]基于各種材料的納米線(例如，硅、氧化鋅、氧化錫以及其他材料)的氣體傳感器可以呈現(xiàn)格外高的分辨率和靈敏度。然而，基于此類納米線的商業(yè)氣體傳感器的制造目前并不可行，因為這些結(jié)構(gòu)利用(例如)VLS方法的制造無法適應(yīng)高容量制造(HVM)?；蛘?，納米線的高容量CMOS制造可以在將來實現(xiàn)，但同時成本大幅度增加，甚至增加若干個數(shù)量級。
[0006]額外【背景技術(shù)】包含:莫斯利(Moseley)的美國專利6，173，602, “過渡金屬氧化物氣體傳感器”;希思(Heath)的WO 2005/004204，“用于將分子和生物分子結(jié)構(gòu)附接到半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)上的電化學方法以及所得結(jié)構(gòu)”;阿莫里(Amori)的WO 2008/030395,“用于定量確定目標分子的設(shè)備和方法”;?？?Haick)的WO 2009/013754，“化學靈敏的場效應(yīng)晶體管以及其在電子噪音裝置中的使用”;佩內(nèi)(Penner)的美國專利7628959，“氫氣傳感器”;闕(Chueh)的美國專利7631540，“具有氧化鋅或銦/鋅混合氧化物的氣體傳感器以及檢測氮氧化物氣體的方法”；周(Zhou)的美國專利7662652，“使用半導(dǎo)電金屬氧化物納米線的化學傳感器”;?？?Haick)的US 2010/0198521，“化學靈敏的場效應(yīng)晶體管以及其在電子噪音裝置中的使用”;劉(Liu)的美國專利7，963，148，“由利用氧化鋅納米線制成的場效應(yīng)晶體管組成的氣體傳感器”;周等人(Zhou et al)的“如化學傳感器的硅納米線”，《化學物理學報》第369期第220頁(2003年)；艾略特等人(El1l et al)的“使用自頂向下制造的集成納米硅傳感器”，《應(yīng)用物理學報》第83期第4613頁(2003年)；西索夫等人(Sysoev et al)的“對于納米級‘電子鼻’:利用單個金屬氧化物納米線和內(nèi)消旋線對氫氣與一氧化碳的鑒別”，《納米快報》6 (8):1584-8 (2006年)；麥卡爾平等人(McAlpine et al)的“塑料襯底上用于超靈敏柔性化學傳感器的高度有序的納米線陣列”，《自然材料》6(5)第379至384頁(2007年)；西索夫等人(Sysoev et al)的“基于滲濾的二氧化錫納米線傳感元件的梯度微陣列電子鼻”，《納米快報》第7卷第10號，第3182至3188頁；麥卡爾平等人(McAlpine et al)的“用于小分子的選擇性感測的肽納米線混合材料” (2008年)；恩格爾等人(Engel et al)的“通過硅納米線陣列對爆炸物進行超靈敏檢測”，《德國應(yīng)用化學》第49期第6830至6835頁(2010年)；默佳瑞迪等人(Mojarradi et al)的美國專利8，010，591 “四柵晶體管模擬乘法器電路”;以及?？说热?Haick et al)的“非氧化甲基封端娃納米線(Non-Oxidized Methyl-Terminated Silicon Nanowires)的電特性和化學穩(wěn)定性”，《美國化學學會雜志》第128期，第8990至8991頁(2006年)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的一些實施例的一個方面涉及一種具有導(dǎo)電通道的多柵場效應(yīng)晶體管(mult1-gate field effect transistor) (FET),所述導(dǎo)電通道的作用像虛擬內(nèi)埋納米線(virtual buried nanowire),所述導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性對附著到FET表面上的氣體或液體樣本中的分子的局部濃度靈敏，并且所述導(dǎo)電通道的橫向位置可受柵極控制，從而使FET能夠充當具有改進靈敏度的分子傳感器。
[0008]因此根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例提供一種用于感測氣體或液體樣本中的分子的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0009]a)至少一個多柵場效應(yīng)晶體管，其包括:
[0010]I) 一塊半導(dǎo)體,其具有在源極區(qū)(source reg1n)與漏極區(qū)(drain reg1n)之間延伸的活性區(qū)域以及沿著不同側(cè)上的活性區(qū)域延伸的左橫向區(qū)域和右橫向區(qū)域(left andright lateral reg1ns)；
[0011]2)左橫向柵電極和右橫向柵電極(left and right lateral gate electrodes),其分別在左橫向區(qū)域和右橫向區(qū)域中產(chǎn)生電場，從而當施加有適當?shù)碾妷簳r在活性區(qū)域中產(chǎn)生導(dǎo)電通道，所述導(dǎo)電通道的位置取決于施加的電壓；
[0012]3)鄰近于分子所附著的活性區(qū)域的感測表面，在導(dǎo)電通道的位置附近的附著分子的局部濃度會影響導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性；以及
[0013]b)控制器，其經(jīng)適配以連續(xù)地向晶體管的橫向柵電極施加不同電壓并且將導(dǎo)電通道移動到多個不同位置，并且以在每個位置處測量導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性。
[0014]任選地，感測表面涂覆有特異性結(jié)合于所感測分子上的配體。
[0015]任選地，源極區(qū)和漏極區(qū)摻雜有符號相同摻雜劑，并且左橫向區(qū)域和右橫向區(qū)域摻雜有與源極區(qū)和漏極區(qū)符號相反的摻雜劑。
[0016]任選地，活性區(qū)域摻雜有與源極區(qū)和漏極區(qū)符號相同的摻雜劑。
[0017]任選地，橫向區(qū)域的摻雜劑的濃度延伸到活性區(qū)域中，從而在大于導(dǎo)電通道寬度的標度長度上逐漸減小。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例進一步提供一種制造根據(jù)本發(fā)明的實施例的系統(tǒng)中的場效應(yīng)晶體管的方法，所述方法包括在某些條件下熱處理晶體管，使得來自左橫向區(qū)域和右橫向區(qū)域中的一些摻雜劑擴散到活性區(qū)域中，從而在活性區(qū)域的最窄的點處將活性區(qū)域的有效寬度減小至少30%，但是在任何點處都不會將有效寬度減小到零。
[0019]任選地，在左橫向區(qū)域與右橫向區(qū)域之間活性區(qū)域窄于I微米。
[0020]任選地，場效應(yīng)晶體管還包括背柵電極，所述背柵電極位于遠離感測表面的方向上并且至少通過絕緣層與活性區(qū)域分離，背柵電極的電壓會影響導(dǎo)電通道與感測表面的平均距離以及距離范圍中的一者或兩者。
[0021]任選地，控制器經(jīng)適配以根據(jù)在每個位置處測量到的導(dǎo)電性來確定鄰近于導(dǎo)電通道的每個位置的附著分子的濃度。
[0022]任選地，對于柵電極電壓的至少一個選擇，系統(tǒng)具有導(dǎo)電通道的寬度以及導(dǎo)電通道與感測表面的距離，使得當感測表面所暴露的空氣中的分子濃度僅為萬分之一(10parts per mill1n)時可以確定附著分子的平衡濃度。
[0023]在本發(fā)明的一個實施例中，至少一個場效應(yīng)晶體管包括多個場效應(yīng)晶體管，并且控制器經(jīng)適配以改變每個晶體管中的導(dǎo)電通道的位置并且在多個不同位置處測量導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性，以發(fā)現(xiàn)在每個晶體管的任何位置附近的附著分子的最大濃度并且發(fā)現(xiàn)晶體管上的附著氣體分子的最大濃度的平均值。
[0024]任選地，所述系統(tǒng)用作用于感測多個不同類型的分子的電子鼻，并且至少一個場效應(yīng)晶體管包括具有感測表面的多個場效應(yīng)晶體管，所述感測表面具有不同化學特性，使得所述場效應(yīng)晶體管對于不同分子具有附著到其上的不同相對趨勢，并且控制器經(jīng)適配以改變導(dǎo)電通道的位置并且根據(jù)在每個晶體管的每個位置處測量到的導(dǎo)電性來確定導(dǎo)電通道的每個位置附近的附著分子的濃度，并且以發(fā)現(xiàn)通過將附著到每個場效應(yīng)晶體管上的分子濃度的圖案與每個類型的分子的附著分子濃度的預(yù)期圖案相比較所呈現(xiàn)的分子類型。
[0025]任選地，場效應(yīng)晶體管還包括位于活性區(qū)域上方的電介質(zhì)層，并且感測表面包括電介質(zhì)層的表面。
[0026]任選地，晶體管的感測表面包括活性區(qū)域的暴露表面。
[0027]任選地，半導(dǎo)體包括硅，并且活性區(qū)域的暴露表面包括甲基封端的硅。
[0028]任選地,感測表面被適配用于暴露于氣體樣本中。
[0029]或者，系統(tǒng)還包括儲槽，所述儲槽被適配用于保持液體樣本并且用于將感測表面暴露于液體樣本。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例進一步提供一種利用多柵場效應(yīng)晶體管感測氣體或液體樣本中的分子的方法，所述多柵場效應(yīng)晶體管具有將源極區(qū)連接到漏極區(qū)的導(dǎo)電通道，導(dǎo)電通道在橫向方向上的位置是通過改變兩個橫向柵電壓可控制的，并且導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性受到在導(dǎo)電通道附近的位置處附著到晶體管的感測表面上的分子影響，所述方法包括:
[0031]a)將感測表面暴露于氣體或液體樣本中；
[0032]b)改變導(dǎo)電通道在橫向方向上的位置，并且在通道的多個位置處測量通道的導(dǎo)電性；以及
[0033]c)當導(dǎo)電通道處于某一位置，使得導(dǎo)電通道接近附著分子中的一者，或接近感測表面上的附著分子濃度的波動通過時，通過觀察導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性變化來檢測分子。
[0034]任選地，多柵場效應(yīng)晶體管是包括背柵電極的場效應(yīng)晶體管，所述背柵電極會影響導(dǎo)電通道與感測表面的平均距離和距離范圍中的一者或兩者，所述方法還包括調(diào)節(jié)背柵電極的電壓以提高導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性對附著分子的靈敏度。
[0035]任選地，改變兩個橫向柵電壓會至少部分地獨立于導(dǎo)電通道在橫向方向上的位置影響導(dǎo)電通道的截面面積、導(dǎo)電通道的截面形狀或兩者，以及影響導(dǎo)電通道在橫向方向上的位置。
[0036]任選地，改變導(dǎo)電通道在橫向方向上的位置包括將兩個橫向柵電壓保持在某些值，使得導(dǎo)電通道在橫向方向上具有某一寬度，該寬度不超過導(dǎo)電通道可以在橫向方向上移動到的位置的全距的50%。
[0037]任選地，改變導(dǎo)電通道在橫向方向上的位置包括將兩個橫向柵電壓保持在某些值，使得導(dǎo)電通道在橫向方向上具有不超過200納米的寬度。
[0038]任選地,樣本包括氣體樣本。
[0039]或者，樣本包括液體樣本，并且使感測表面暴露于液體樣本中包括將液體樣本保持在儲槽中。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例進一步提供一種在多柵場效應(yīng)晶體管中移動導(dǎo)電通道的方法，所述多柵場效應(yīng)晶體管具有源極區(qū)與漏極區(qū)之間的活性區(qū)域；以及在活性區(qū)域的部分中創(chuàng)建空乏區(qū)域的至少橫向柵電極，所述方法包括:
[0041]a)設(shè)置柵電極的電壓以創(chuàng)建窄于活性區(qū)域的非空乏導(dǎo)電通道，從而通過活性區(qū)域連接源極區(qū)和漏極區(qū)；以及
[0042]b)改變橫向柵電極的電壓以在橫向于導(dǎo)電通道的長度的方向上將導(dǎo)電通道移動到不同位置。
[0043]除非另外規(guī)定，否則本文中所用的所有技術(shù)和/或科學術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員通常所理解相同的含義。盡管與本文所述的方法和材料類似或等效的材料和方法可以用于本發(fā)明的實施例的實踐或測試，但下文描述示例性方法和/或材料。倘若有沖突，本說明書(包含定義)將占主導(dǎo)。另外，材料、方法和實例僅為說明性的且不意欲為必定限制性的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]本文中僅借助于實例參考附圖描述本發(fā)明的一些實施例?，F(xiàn)特定詳細地參考附圖，強調(diào)細節(jié)通過實例的方式且出于對本發(fā)明的實施例的說明性論述的目的示出。就此而言，結(jié)合附圖進行的描述使可以如何實踐本發(fā)明的實施例對所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員而言變得顯而易見。
[0045]在附圖中:
[0046]圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的虛擬內(nèi)埋納米線氣體傳感器的透視圖；
[0047]圖2示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的在通道的中間與導(dǎo)電通道的方向垂直的圖1的傳感器的截面；
[0048]圖3A到3C示意性地示出圖1和2中的傳感器的截面(未按比例繪制)的透視圖，所述透視圖示出了通過改變橫向柵電壓而移動到不同橫向位置的導(dǎo)電通道以及當通道接近附著分子通過時通道截面的響應(yīng)；
[0049]圖3D到3F示意性地示出從上方看到的圖1和2中的傳感器的截面(未按比例繪制)，所述截面示出通過改變橫向柵電壓而移動到不同橫向位置的導(dǎo)電通道；
[0050]圖3G示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于使用圖1和2中所示的傳感器的程序的流程圖；
[0051]圖4A示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于有效通道寬度的模擬結(jié)果以及用于源極到漏極閾值電壓變換的測試結(jié)果的曲線圖，所述源極到漏極閾值電壓變換隨與圖1和2中所示類似的虛擬內(nèi)埋納米線氣體傳感器的橫向柵電壓而變化，在含水條件下且在具有參考電極的情況下用于特定的反肌鈣蛋白檢測；
[0052]圖4B示出根據(jù)用于圖4A的傳感器的模擬的活性區(qū)域中用于不同柵電壓值的載流密度的輪廓曲線圖；
[0053]圖5是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于導(dǎo)電通道寬度Weff以及活性區(qū)域的上表面的平均勢由于置于導(dǎo)電通道中心上方的柵電介質(zhì)頂部上的給定電荷而發(fā)生的變換的模擬結(jié)果的曲線圖，所述變換隨與圖1和2中所示類似的虛擬內(nèi)埋納米線氣體傳感器的橫向柵電壓Vej而變化；
[0054]圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于隨X而變化的活性區(qū)域表面附近的載流密度的模擬結(jié)果的曲線圖，所述載流密度用于通過改變左橫向柵電壓和右橫向柵電壓而居中于五個不同橫向位置處的載流通道；
[0055]圖7A和7B是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的示出針對橫向柵電壓的兩個不同值的活性區(qū)域的截面中的載流密度的輪廓曲線圖、示出針對與圖1和2中所示類似的虛擬內(nèi)埋納米線氣體傳感器可以如何調(diào)節(jié)通道寬度的模擬結(jié)果；以及
[0056]圖8A和8B是與圖7A和7B中所示的那些輪廓曲線圖類似，但是用于虛擬內(nèi)埋納米線氣體傳感器的輪廓曲線圖的模擬結(jié)果，在所述虛擬內(nèi)埋納米線氣體傳感器中，已使用熱處理來使摻雜劑從橫向柵區(qū)域移動到活性區(qū)域中，從而使活性區(qū)域變得更窄并且使導(dǎo)電通道變得更窄。

【具體實施方式】
[0057]在本發(fā)明的一些實施例中，本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體化學傳感器，且更確切地說，但非排他地，涉及一種基于場效應(yīng)晶體管的氣體傳感器。
[0058]本發(fā)明的一些示例性實施例的一個方面涉及一種用于感測氣體或液體樣本中的分子的多柵場效應(yīng)晶體管(FET)。分子附著到FET的暴露表面上并且會影響通過活性區(qū)域的導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性，所述導(dǎo)電通道的作用就像虛擬內(nèi)埋納米線，從而將源極區(qū)連接到漏極區(qū)。橫向柵電極任選地用于控制導(dǎo)電通道在橫向于導(dǎo)電通道的長度的方向上的位置。隨著導(dǎo)電通道的位置在橫向方向上變化，通過測量導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性，可以檢測到附著分子的濃度(例如)由于較少數(shù)目的分子或分子傳感器產(chǎn)生的波動，所述較少數(shù)目的分子潛在地使傳感器比具有不改變位置的導(dǎo)電通道的FET靈敏得多，所述分子傳感器使用由不同材料組成且在固定位置內(nèi)埋入硅中的真實納米線。例如，在本發(fā)明的一些實施例中，傳感器產(chǎn)生響應(yīng)信號，所述響應(yīng)信號取決于在導(dǎo)電通道中附著分子的濃度最大的位置處的導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性。批量生產(chǎn)使用虛擬內(nèi)埋納米線的此種多柵FET分子傳感器還可能比批量生產(chǎn)使用真實內(nèi)埋納米線(real buried nanowire)的常規(guī)納米線分子傳感器便宜得多。例如，所述多柵FET分子傳感器可以用常規(guī)的高容量、低成本CMOS制造方法來生產(chǎn)，因為任選地不需要低維設(shè)計規(guī)則。
[0059]虛擬內(nèi)埋納米線分子傳感器優(yōu)于常規(guī)納米線分子傳感器的其他潛在優(yōu)勢包含SNR提高、增益增加、分辨率提高并且裝置特征化和發(fā)展加快。對于基于常規(guī)內(nèi)埋納米線的傳感器，根據(jù)待檢測的有機系統(tǒng)需要對納米線的尺寸進行最優(yōu)化。這意味著冗長的特征化以及發(fā)展階段，在該階段中需要對各種組成和尺寸的納米線進行測試。在虛擬內(nèi)埋納米線方法中，裝置任選地僅一次成型。用于檢測特定分析物的裝置的最優(yōu)化任選地通過調(diào)節(jié)柵電壓以產(chǎn)生具有不同截面區(qū)域和形狀的虛擬納米線并且測試所述虛擬納米線來實現(xiàn)。
[0060]在本發(fā)明的不同實施例中，對虛擬內(nèi)埋納米線分子傳感器進行最優(yōu)化，以感測(例如)用于醫(yī)療診斷應(yīng)用、用于環(huán)境應(yīng)用、用于軍事應(yīng)用或用于其他應(yīng)用的不同分析物。
[0061]本發(fā)明的一些實施例的一個方面涉及一種具有虛擬內(nèi)埋納米線的多柵FET，其中通過增加活性區(qū)域中的摻雜劑濃度使導(dǎo)電通道變得更窄，同時使用熱處理以使異號摻雜劑從側(cè)面從橫向柵區(qū)域部分擴散到活性區(qū)域中。這樣使活性區(qū)域有效地變得更窄，同時避免橫向區(qū)域與活性區(qū)域之間的PN接合點處的損壞，并且導(dǎo)電通道中的載流密度潛在地極少地減小或不減小。如果FET用作分子傳感器，其中導(dǎo)電通道橫向地掃描活性區(qū)域，那么較窄的通道潛在地使傳感器具有提高的靈敏度、分辨率和/或SNR。
[0062]沙萊夫等人(Shalev et al)的美國專利8，007，727 “虛擬半導(dǎo)體納米線以及使用虛擬半導(dǎo)體納米線的方法”描述了一種多柵場效應(yīng)晶體管，所述多柵場效應(yīng)晶體管包含頂柵、兩個橫向柵以及底柵中的流體。多柵場效應(yīng)晶體管還包含經(jīng)圖案化空乏區(qū)域以及虛擬空乏區(qū)域，所述虛擬空乏區(qū)域具有小于經(jīng)圖案化空乏區(qū)域的寬度。虛擬空乏區(qū)域?qū)挾犬a(chǎn)生了寬度小于經(jīng)圖案化空乏區(qū)域的虛擬半導(dǎo)體納米線。此專利與本申請案具有共同的發(fā)明人，但具有不同的受讓人。
[0063]在詳細解釋本發(fā)明的至少一個實施例之前，應(yīng)理解，本發(fā)明在其申請案中不必限于在以下描述中闡述和/或在附圖和/或?qū)嵗兴f明的組件和/或方法的結(jié)構(gòu)以及布置的細節(jié)。本發(fā)明能夠具有其他實施方案或以各種方式實踐或執(zhí)行。
[0064]現(xiàn)參考附圖，圖1示出示例性多柵FET 100，其包括建立在絕緣層102頂部上的半導(dǎo)體層，例如，氧化硅的內(nèi)埋氧化物(BOX)層，任選地建立在襯底104的頂部上，任選地由與半導(dǎo)體層相同的材料組成，例如，硅。絕緣層上方的半導(dǎo)體層在本文中有時被稱為SOI (絕緣體上硅)層，盡管在本發(fā)明的一些實施例中使用其他半導(dǎo)體材料替代硅，并且除氧化硅以外的材料任選地用于絕緣層。應(yīng)理解，本文中使用的術(shù)語，例如，“在頂部”、“在上面”以及“在上方”參考在附圖中示為垂直的方向，但不需要相對于重力準確地垂直；通常裝置可以相對于重力定向在任何方向上，而不會影響其操作。
[0065]半導(dǎo)體層包括在一端處的源極區(qū)106以及在另一端處的漏極區(qū)108，兩者均摻雜有相同電荷的插入物，例如，N插入物。右橫向柵區(qū)域110以及左橫向柵區(qū)域112兩者均摻雜有與源極區(qū)和漏極區(qū)的插入物電荷相反的插入物，例如，P插入物?；蛘?，源極區(qū)和漏極區(qū)摻雜有P插入物并且柵區(qū)域摻雜有N插入物。剩余的半導(dǎo)體層包括鄰近于源極區(qū)的部分114、鄰近于漏極區(qū)的部分116，以及將源極區(qū)連接到漏極區(qū)的較窄活性區(qū)域118。部分114和116以及活性區(qū)域118任選地摻雜有與源極區(qū)和漏極區(qū)的插入物具有同號電荷的插入物，但是明顯比源極區(qū)和漏極區(qū)摻雜得少。源極電極120連接到源極區(qū)106，漏極電極122連接到漏極區(qū)108，右橫向柵電極124連接到右柵區(qū)域110，并且左橫向柵電極126連接到左柵區(qū)域112。連接器128使電極能夠連接到外部電路，所述外部電路可以控制每個電極上的電壓并且可以測量源極電極與漏極電極之間的電流。任選地，如果在絕緣層下方不存在襯底104，那么存在附接到襯底104的底部上或絕緣層102的底部上的背柵電極(圖1中未示出)。背柵電極與其他電極之間的絕緣層102的存在使背柵電極可以影響電場并且因此影響活性區(qū)域中的載流分布，而不會抽出任何電流。在制造FET 100的一些方法中，襯底層104可以作為制造方法的結(jié)果而存在。
[0066]任選地，在活性區(qū)域118上方存在柵電介質(zhì)層，圖1中未示出。柵電介質(zhì)任選地由氧化硅組成?；蛘?，其他材料用于柵電介質(zhì)，包含(例如)Hf02、Si3N4、Al2O3以及Ta2O5中的任一者。
[0067]應(yīng)理解，F(xiàn)ET不需要具有圖1所示的長方體幾何形狀，其中活性區(qū)域沿y方向定向，橫向柵區(qū)域在X方向上圍繞活性區(qū)域并且不同層布置在Z方向上。替代地，只要存在特定特征，例如，通過活性區(qū)域的路徑連接源極區(qū)和漏極區(qū)，并且橫向柵區(qū)域鄰近于其側(cè)面上的活性區(qū)域，F(xiàn)ET就可以以任何方式彎曲或扭曲，例如，其中活性區(qū)域為C形或S形，或?qū)泳哂斜砻媲省Ｈ欢?，長方體幾何形狀使FET通過半導(dǎo)體裝置的常規(guī)制造方法更易于制造。在普通操作中通常不具有流過其中的大量電流的柵電極不需要與半導(dǎo)體層或絕緣層物理接觸，但是可以通過氣隙與所述半導(dǎo)體層或絕緣層分離，盡管出于機械強度的原因，使任何電極與半導(dǎo)體或絕緣體直接接觸是潛在有利的。
[0068]圖2示出垂直于從源極到水槽的方向并且在源極與水槽之間一半處的FET 100的截面200。電介質(zhì)層202任選地覆蓋活性區(qū)域118，并且背柵電極204任選地附接到襯底104的底部上。通過活性區(qū)域118連接源極區(qū)和漏極區(qū)的導(dǎo)電通道206通過將適當?shù)碾妷菏┘拥綎烹姌O上，即，將電壓Vejl施加到左柵電極上，將電壓Vej2施加到右柵電極上，并且任選地將電壓Veb施加到背電極上而產(chǎn)生。例如，相對于地面測量這些電壓并且通常將源極電極接地。橫向柵電極上的電壓在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電場，所述電場在橫向區(qū)域與活性區(qū)域的界面處產(chǎn)生不具有電荷載流子的延伸到活性區(qū)域中的空乏區(qū)域，而背電極上的電壓在絕緣層與活性區(qū)域之間的界面處產(chǎn)生延伸到活性區(qū)域中的空乏區(qū)域。對于適當?shù)臇烹妷褐?，空乏區(qū)域覆蓋許多活性區(qū)域，僅留下相對較窄的非空乏導(dǎo)電通道206。當電壓Vsd隨后被施加在源極電極與漏極電極之間時，取決于導(dǎo)電通道的截面面積，電流在源極電極與漏極電極之間流動。
[0069]FET充當氣體傳感器，因為導(dǎo)電通道的截面面積對附著到電介質(zhì)層表面(在本文中有時稱為感測表面)上的氣體分子的電荷靈敏。應(yīng)理解，盡管我們在本文中描述用作氣體傳感器的本發(fā)明的實施例，但是本發(fā)明的其他實施例用于檢測液體樣本中的分子，例如，通過將用于保持液體樣本的儲槽添加到感測表面的頂部。這些附著氣體分子的電荷改變電介質(zhì)層202表面的電勢，就像此處存在另一柵電極，并且這樣會改變導(dǎo)電通道的截面面積。因此，電介質(zhì)層202在本文中有時稱為柵電介質(zhì)，盡管在描述的實施例中，任選地在活性區(qū)域頂部不存在物理柵電極。通常，對于給定的一組柵電壓，源極與漏極之間的電流基本上從零增加到源極與漏極之間的閾值電壓，并且快速增加到閾值電壓之上。任選地，在柵電介質(zhì)上不存在附著氣體分子的情況下，源極與漏極之間的電壓設(shè)置為剛好低于閾值電壓，因此甚至由較小數(shù)目的附著氣體分子引起的閾值電壓的較少減少可以顯著增加源極與漏極之間的電流，從而使得FET潛在地成為氣體分子的極靈敏檢測器。通常，源極與漏極之間的閾值電壓在1mV與10mV之間，并且源極到漏極電壓任選地保持在此類較低水平，遠低于通常為幾個伏特的橫向柵電極電壓以及背柵電極電壓。
[0070]改變導(dǎo)電通道的橫向位置
[0071]圖3A到3C圖示了將不同電壓施加到左橫向柵電極和右橫向柵電極上如何任選地控制導(dǎo)電通道的橫向位置，以及改變導(dǎo)電通道的橫向位置如何任選地用于增加作為氣體傳感器的FET 100的靈敏度。在圖3A到3C中，在柵電介質(zhì)202上方存在相對較低的氣體濃度，并且以及幾個氣體分子附著到表面上。左柵電極和右柵電極任選地保持在某些電壓值，使得導(dǎo)電通道非常狹窄，例如，是活性區(qū)域?qū)挾鹊奈宸种?、十分之一、二十分之一、五十分之一、或更低值、更高值或中間值，并且在導(dǎo)電通道的給定橫向位置處，平均存在一個以下直接附著到導(dǎo)電通道的任何部分上方的分子。在絕對尺寸中，導(dǎo)電通道的寬度是，例如，500nm、200nm> lOOnm、50nm、20nm、10nm、5nm或更低值、更高值或中間值。如本文所使用，導(dǎo)電通道的寬度表示在載流密度的半最大值處在y方向上的全部寬度。
[0072]由于通過相對于右橫向電極的電壓改變左橫向電極的電壓而從左到右掃描導(dǎo)電通道的橫向位置，因此每當通道接近吸附的分子通過時通道的截面面積增加。例如，在圖3A中，通道在氣體分子302下方通過，并且其截面面積相對較大。在圖3B中，通道并不接近任何氣體分子通過，并且其截面面積較小。在圖3C中，通道接近氣體分子304通過，并且其截面面積再次增加。在本發(fā)明的其他實施例中，當導(dǎo)電通道接近附著氣體分子通過時，電流減小而不是增加。通過穿過活性區(qū)域掃描導(dǎo)電通道并且在通道的每個橫向位置處測量源極與漏極之間的電流，可以精確地確定附著到柵電介質(zhì)上的氣體分子的密度。如果僅在導(dǎo)電通道的固定橫向位置處測量源極與漏極之間的電流，那么這將是不可能實現(xiàn)的，因為在通道不接近任何氣體分子通過的情況下，電流將很可能極小，不與附著氣體分子對應(yīng)，或者在通道接近氣體分子中的一者通過的情況下，電流將很可能極大，與比實際存在的附著氣體分子的密度高得多的密度相對應(yīng)。
[0073]圖3D、3E和3F分別示出從上方看到的在半導(dǎo)體層的表面處或在所述表面下方的導(dǎo)電通道206所位于的深度處、在導(dǎo)電通道的三個不同位置處的半導(dǎo)體層的截面?；钚詤^(qū)域118以及導(dǎo)電通道206不必按比例繪制，但是被示為比通常相對于源極、漏極和橫向柵區(qū)域的尺寸的寬度寬，因此可以清楚地看到導(dǎo)電通道的位置變化。應(yīng)注意，只要以比源極與橫向柵電極和背柵電極之間的電壓小得多的源極到漏極電壓操作FET，例如，為所述電壓的十分之一或百分之一，導(dǎo)電通道將通常在沿著橫向區(qū)域之間的活性區(qū)域的截面中非常均勻，如圖3D到3F所示，盡管導(dǎo)電通道可以超出橫向區(qū)域的末端成扇形散開。
[0074]為了穿過活性區(qū)域橫向地掃描導(dǎo)電通道，橫向柵電壓以及任選地背柵電壓由控制器306控制，所述控制器控制提供左橫向柵電壓的電源308、提供右橫向柵電壓的電源310，以及任選地提供背柵電壓的電源312，電源都相對于地面(例如)連接到源極電極上。在導(dǎo)電通道的位置穿過活性區(qū)域橫向地移動時，例如，通過運行實施控制算法的軟件或通過使用產(chǎn)生柵電壓之間的正確關(guān)系的電子電路，控制器306任選地調(diào)節(jié)柵電壓以保持基本上恒定的導(dǎo)電通道的深度以及截面尺寸。例如，通過下文在圖6所描述的模擬，或通過在不存在附著氣體分子的情況下測試FET而發(fā)現(xiàn)了將實現(xiàn)此目的的不同柵電壓之間的關(guān)系。在導(dǎo)電通道的不同橫向位置處，源極到漏極電流的差異隨后主要由于附著在導(dǎo)電通道上方的氣體分子的濃度差異而產(chǎn)生，并且任選地傳感器的靈敏度在導(dǎo)電通道的所有位置處進行最優(yōu)化。
[0075]控制器306或不同控制器根據(jù)隨導(dǎo)電通道的橫向位置而變化的測量到的源極到漏極電流任選地計算柵電介質(zhì)表面上的附著氣體分子的平均密度。例如，對于導(dǎo)電通道的所有位置，當不存在附著氣體分子時，平均密度與閾值電壓的平均變換相對于閾值電壓成比例，并且比例常數(shù)通過使用具有已知的氣體分子濃度的樣本進行校準?；蛘?，通過在導(dǎo)電通道掃描穿過活性區(qū)域的寬度時計數(shù)導(dǎo)電通道中的電流具有顯著上升以及降低的次數(shù)來計數(shù)附著氣體分子的數(shù)目，從而指示出通道已穿過一個附著氣體分子，并且通過將附著分子的數(shù)目除以活性區(qū)域的表面積獲得密度。當密度相對較高，或甚至當密度相對較低時，如果每當通道通過一個附著分子時隨通道位置而變化的閾值電壓變化總是具有相同寬度和高度，那么閾值電壓的平均變換可以產(chǎn)生對附著氣體分子的密度的更精確測量。如果存在相對較少的附著分子，那么對附著分子的數(shù)目進行計數(shù)可以產(chǎn)生更精確結(jié)果，因此導(dǎo)電通道通常將不會一次接近一個以上附著分子通過。
[0076]圖3G示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于用以測量附著氣體分子的密度的程序的流程圖320。在322處，在不存在附著氣體分子的情況下，源極到漏極電壓任選地設(shè)置為剛好低于閾值，因此通過將源極到漏極電壓減小到閾值電壓之下，鄰近于導(dǎo)電通道的附著氣體分子的存在將增加源極到漏極電流。在附著氣體分子減小給定電壓處的電流的實施例中，替代地源極到漏極電壓任選地為剛好高于閾值電壓，因此附著氣體分子將減小電流。在324處，橫向柵電壓以及任選地背柵電壓設(shè)置為某一值，為此導(dǎo)電通道將處于活性區(qū)域中的初始位置，例如，在橫向方向上通向活性區(qū)域的一側(cè)的所有路線，或處于位置范圍開始時的所有路線，導(dǎo)電通道將在所述位置范圍內(nèi)進行掃描。在326處，在柵電介質(zhì)暴露于氣體樣本中時或之后，測量并且記錄源極到漏極電流。在本發(fā)明的另一實施例中，替代于在322處將源極到漏極電壓設(shè)置為常數(shù)值，并且在326處測量由附著氣體分子引起的電流變化，源極到漏極電流保持在常數(shù)值，例如，根據(jù)剛好高于閾值電壓的電壓保持在電流的最大斜率，并且測量由于附著氣體分子引起的電壓變化。實際上，這類似于測量閾值電壓的變化?；蛘撸娏饕约半妷旱墓δ鼙３趾愣?，并且測量電流以及電壓的不同功能的變化。
[0077]在328處，如果不進行此種掃描，那么在330處，橫向柵電壓以及任選地背柵電壓經(jīng)調(diào)節(jié)以將導(dǎo)電通道移動到下一位置。任選地，這通過某一方式完成，該方式為使得如上所述通道的寬度以及深度不發(fā)生變化，或變化極小。導(dǎo)電通道的位置不需要適時地單調(diào)變化，但可以跳躍。然而，在解釋數(shù)據(jù)以及控制柵電極的電壓時，在掃描過程中使導(dǎo)電通道的位置按順序從活性區(qū)域的一側(cè)移動到另一側(cè)可能是最簡單的，從而以頻繁的間隔進行測量。在330處柵電壓已設(shè)置成新的值之后，將導(dǎo)電通道移動到新的位置，在326處測量并且記錄源極到漏極電流。繼續(xù)此回路直到在328處完成掃描為止，例如因為導(dǎo)電通道的位置是從初始位置開始的活性區(qū)域的另一側(cè)上的所有路線，或位置范圍的另一側(cè)上的所有路線，在所述位置范圍內(nèi)掃描導(dǎo)電通道。
[0078]當完成掃描時，通過使用上述用于獲得附著氣體分子的數(shù)目或密度的方法中的任一者，根據(jù)在326處記錄的數(shù)據(jù)在332處獲得附著氣體分子的數(shù)目或密度，例如，根據(jù)恒定電壓下的通道位置的源極到漏極電流，或根據(jù)通道位置的閾值電壓。在334處，如果進行更多掃描，那么在324處柵電壓返回到將導(dǎo)電通道置于其初始位置處的值，并且進行新的掃描。任選地，重復(fù)地進行掃描，同時柵電介質(zhì)暴露于氣體分子中，并且附著氣體分子的密度隨時間而變化。當在334處完成所有掃描時，在336處，隨時間而變化的附著氣體分子的密度任選地作為輸出供應(yīng)給用戶。通常，當傳感器首先暴露于氣體分子中時，附著氣體分子的密度將初始地隨時間線性增加，并且在柵電介質(zhì)充滿氣體分子時，或在氣體分子的附著率通過從表面的附著氣體分子的缺失率進行平衡時，附著氣體分子的密度隨后將飽和。樣本中的氣體分子的濃度可以根據(jù)初始上升率和/或根據(jù)飽和度進行推斷。
[0079]為了估計通過改變導(dǎo)電通道的位置可以增加多少靈敏度，應(yīng)注意，一般而言導(dǎo)電通道的有效寬度越窄，靈敏度可以變得越高，并且假設(shè)噪音級足夠低，因此對于導(dǎo)電通道寬度W。，單個附著氣體分子可以檢測其是否處于導(dǎo)電通道的1/2內(nèi)。隨后，如果活性區(qū)域的寬度是Λχ，那么可以在導(dǎo)電通道的給定位置處平均地檢測氣體分子，只要至少Λχ/W。氣體分子附著到FET的上表面上。如果導(dǎo)電通道掃描穿過活性區(qū)域，并且在任何位置處測量到最大響應(yīng)，那么原則上甚至可以檢測到單個附著氣體分子、Λχ/W。的靈敏度的增加，例如，所述靈敏度可以增加5倍、或10倍、或20倍、或30倍或更多。盡管由于掃描導(dǎo)電通道可以發(fā)生最大的電勢增加，但是如果可以在導(dǎo)電通道上直接檢測單個附著氣體分子，那么將會發(fā)生靈敏度的增加，即使(例如)最少2或3個附著分子需要用于通道的給定位置處的檢測，因為如果在通道的給定位置處的平均數(shù)目是相對較小的數(shù)目，例如，2或3，那么由于泊松統(tǒng)計導(dǎo)電通道上方的附著分子的數(shù)目將會產(chǎn)生較大波動。可以發(fā)生由于掃描導(dǎo)電通道而引起的靈敏度的相對較小的增加，因為需要用于給定位置處的檢測的附著分子的最小數(shù)目增加，并且因為Δχ/W。減小。
[0080]肓接附著到不具有柵電介質(zhì)的半導(dǎo)體上的氣體分子
[0081]在本發(fā)明的一些實施例中，氣體分子所附著到的感測表面至少部分是活性區(qū)域本身的上表面，并且不需要在活性區(qū)域上方存在任何電介質(zhì)層。任選地，在那些實施例中，半導(dǎo)體包括硅并且對于常規(guī)硅納米線，氣體分子所附著到的活性區(qū)域的上表面包括甲基封端硅，如上文引用的由?？说热?Haick et al)，《美國化學學會雜志》第128期，第8990至8991頁(2006年)所描述?；蛘撸柰扛灿袠O性單層有機分子，如由帕斯卡(Paska)和?？?Haick)的“通過分子偶極的分子間交聯(lián)控制場效應(yīng)晶體管的特性”，《應(yīng)用物理學報》第95期，233103 (2009)年以及由相同作者的“通過平行的自組裝分子偶極之間的分子間交互控制硅的表面能量轉(zhuǎn)換”，《化學物理學報C》第113期第1993至1997頁(2009年)所描述。或者，硅涂覆有密集的疏水性有機正己基三氯硅烷單層，該單層尤其適合于非極性分子，如由帕斯卡等人(Paska et al)的“通過硅納米線場效應(yīng)晶體管的非極性揮發(fā)性有機化合物的增強感測”，《美國化學學會.納米》第5期，第5620至5626頁(2011年)所描述。帕斯卡等人(Paska et al)還描述了用于此目的的其他合適的涂層。
[0082]使氣體分子直接附著到活性區(qū)域的上表面上具有提高氣體傳感器的靈敏度的潛在優(yōu)勢。使用活性區(qū)域上方的電介質(zhì)層，具體而言二氧化硅電介質(zhì)層具有以下潛在優(yōu)勢:設(shè)計更接近常規(guī)FET的設(shè)計并且可以使用更常規(guī)的制造方法。此外，對用于結(jié)合于特定的氣體分子上的電介質(zhì)表面進行化學修改的技術(shù)可能比化學修改半導(dǎo)體表面的技術(shù)更先進，從而在對于使用電介質(zhì)層的傳感器選擇待檢測的氣體分子時潛在地允許更大靈活性。但應(yīng)理解，附圖中示出的裝置以及方法中的任一者也可以在活性區(qū)域上方不具有電介質(zhì)層的情況下實施，并且使氣體分子直接附著到活性區(qū)域的上表面上。
[0083]控制導(dǎo)電通道尺寸
[0084]任選地，橫向柵電極還至少部分地獨立于通道的位置控制橫向方向上的通道寬度。如果獨立地控制左橫向柵電極和右橫向柵電極的電壓，那么可以完成此動作。任選地，背柵電極的電壓可能與橫向柵電極的電壓一起控制導(dǎo)電通道與氣體分子所附著的感測表面的距離，和/或?qū)щ娡ǖ琅c感測表面的距離范圍。對于圖2中所示的幾何形狀，這意味著控制導(dǎo)電通道的垂直位置和/或垂直寬度。這具有以下潛在優(yōu)勢:對于增強的靈敏度，導(dǎo)電通道可以處于合理地接近頂部電介質(zhì)層，但不是太接近頂部電介質(zhì)層的垂直位置，傳感器遭受由半導(dǎo)體與頂部電介質(zhì)層之間的界面處的噪音中心產(chǎn)生的噪音。任選地，導(dǎo)電通道的橫向?qū)挾群痛怪睂挾群?或?qū)щ娡ǖ赖拇怪蔽恢迷O(shè)置在使氣體傳感器比對于其他值具有更高靈敏度的值處。例如，橫向地和/或垂直地，通道在其最窄點處或平均地在活性區(qū)域的長度上的寬度大于200納米，或在200納米與100納米之間，或在100納米與30納米之間，或在30納米與10納米之間，或在10納米與3納米之間，或小于3納米，或大于活性區(qū)域在橫向方向上的寬度的50%，或在寬度的50%與30%之間，或在寬度的20%與10%之間，或在寬度的10%與5%之間，或小于寬度的5%。任選地，活性區(qū)域在橫向方向上在其最窄點處或平均地在其長度上的寬度大于I微米，或在I微米與500納米之間，或在500納米與200納米之間，或在200納米與100納米之間，或小于100納米。任選地，在存在電介質(zhì)層的情況下，導(dǎo)電通道接近活性區(qū)域的頂部，即接近電介質(zhì)層垂直定位，所述導(dǎo)電通道與活性層的頂部相距200納米、100納米、30納米、10納米或3納米的距離，或更大、更小或中間距離，或與活性區(qū)域的頂部相距活性區(qū)域的垂直厚度的50%、30%、20%、10%或5%的距離，或更大、更小或中間距離。
[0085]應(yīng)理解，如果活性區(qū)域太寬，那么施加到橫向柵電極上以便創(chuàng)建給定寬度的導(dǎo)電通道的電壓可以大于橫向柵區(qū)域與活性區(qū)域之間的PN接合點的擊穿電壓。使導(dǎo)電通道更寬可以使所述導(dǎo)電通道對附著氣體分子較不靈敏。使導(dǎo)電通道太狹可能會引起平均地在給定時間處，導(dǎo)電通道中不具有任何載流。通過增加活性區(qū)域中的摻雜劑濃度可以增加載流的數(shù)目，但是如果摻雜劑濃度太高，那么PN接合點的擊穿電壓可能會降低，并且可能會在施加到橫向柵電極上的電壓下發(fā)生擊穿。使活性區(qū)域更長可以使導(dǎo)電通道對附著分子更靈敏，因為沿著導(dǎo)電通道的長度附著在任何地方的分子可以顯著影響導(dǎo)電性。但是增加活性區(qū)域的長度還可以增加源極與漏極之間的閾值電壓，并且如果源極與漏極之間的電壓相對于橫向柵電壓并非足夠小，那么導(dǎo)電通道的寬度沿著其長度可能并不均勻，并且導(dǎo)電通道可能對附著分子較不靈敏。在以下“實例”部分中給出的尺寸以及摻雜劑濃度表示已發(fā)現(xiàn)在實驗上并且根據(jù)模擬有效地起作用的一組參數(shù)。
[0086]具有較窄活性區(qū)域以及導(dǎo)電通道的實施例
[0087]在本發(fā)明的一些實施例中，對FET進行熱處理，使摻雜劑從側(cè)面從左橫向柵區(qū)域以及右橫向柵區(qū)域部分擴散到活性區(qū)域中，從而使活性區(qū)域鄰近于橫向柵區(qū)域的一部分具有與橫向柵區(qū)域同號并且與剩余活性區(qū)域異號的凈摻雜劑濃度。摻雜劑的此種擴散實際上引起橫向柵區(qū)域部分延伸到活性區(qū)域中，從而使活性區(qū)域在橫向方向上更窄并且允許導(dǎo)電通道變得更窄，如下文將在“實例”部分中描述?；钚詤^(qū)域的有效寬度在本文中定義為原始活性區(qū)域的一部分的寬度，其中凈摻雜劑濃度(P摻雜劑濃度減去N摻雜劑濃度)具有與活性區(qū)域中原始具有的凈摻雜劑濃度相同的符號，在熱處理之前，所述符號與橫向柵區(qū)域中的凈摻雜劑濃度的符號相反。任選地，熱處理在活性區(qū)域的最窄點處將活性區(qū)域的有效寬度減小了至少20%、或至少30%、或至少40%、或至少50%、或至少60%、或至少70%、或大于70%。任選地，在某一溫度下進行熱處理，在所述溫度下，半導(dǎo)體中的橫向柵區(qū)域摻雜劑(例如，作為硅中的摻雜劑側(cè)硼)的擴散率為所需擴散距離除以熱處理的所需時間所得的值的平方。所需時間，例如，小于15秒，或在15秒與30秒之間、或在30秒與60秒之間、或在60秒與90秒之間、或在90秒與150秒之間、或在150秒與300秒之間、或大于300秒。所需擴散距離，例如，小于活性區(qū)域的寬度的5%、或在活性區(qū)域的寬度的5%與10%之間、或在10%與20%之間、或在20%與30%之間、或在30%與40%之間、或在40%與50%之間、或大于活性區(qū)域的寬度的50%。
[0088]通過使用此種熱處理減少活性區(qū)域的寬度，而不是開始使活性區(qū)域變窄(即使利用使用的光刻是可能的)的潛在優(yōu)勢在于，摻雜劑的凈濃度在橫向柵區(qū)域與活性區(qū)域之間更平緩地變化，從而使得不太可能在橫向柵區(qū)域與活性區(qū)域之間的PN接合點處發(fā)生擊穿。在本發(fā)明的一些實施例中，活性區(qū)域原始地以較高濃度摻雜，因此在熱處理之后，甚至在導(dǎo)電通道非常窄，例如窄于50nm或30nm或20nm或1nm時，活性區(qū)域在其中心處仍具有處于足夠高水平的凈摻雜劑濃度，以在導(dǎo)電通道中產(chǎn)生所需的載流密度，例如，足夠高以產(chǎn)生大于 1018cm_3、或大于 5xl017 或 3xl017 或 2xl017 或 IxlO17Cm-3 的載流密度。
[0089]在本發(fā)明的示例性實施例中，SOI層是硅，橫向柵區(qū)域摻雜有硼，活性區(qū)域的寬度是400 nm，并且熱處理在1050°C的溫度下進行且持續(xù)75秒，從而使硼從橫向柵區(qū)域足夠遠地擴散到活性區(qū)域中，以在其最窄點處將活性區(qū)域的有效寬度減小至僅90nm，并且在鄰近于柵電介質(zhì)的頂部減小至130nm。任選地，熱處理在低于900°C、或在900°C與1000°C之間、或在1000°C與1100°C之間、或在1100°C與1200°C之間、或高于1200°C的溫度下進行。任選地，熱處理持續(xù)時間小于15秒，或在15秒與30秒之間、或在30秒與60秒之間、或在60秒與90秒之間、或在90秒與150秒之間、或在150秒與300秒之間、或大于300秒。為了獲得給定量的摻雜劑擴散，如果溫度較高，那么可以需要較少時間，并且熱處理的溫度和時間取決于所使用的摻雜劑可能極大地不同，因為不同摻雜劑在給定溫度下可能以極不同的速率擴散。使用更容易擴散的摻雜劑具有以下潛在優(yōu)勢:熱處理可以比較便宜，因為熱處理花費較少時間并且可以使用較低溫度。使用較不容易擴散的摻雜劑具有以下潛在優(yōu)勢:可以更容易地控制擴散并且獲得可重復(fù)結(jié)果。使用較低溫度下的較長熱處理還可以使過程更加可控制且可重復(fù)。但是如果溫度太低，或如果摻雜劑具有太低的擴散率，那么獲得給定擴散程度所需的時間可能不切實際地長。
[0090]氣體傳感器的靈敏度
[0091]任選地，導(dǎo)電通道經(jīng)控制以足夠窄，并且足夠接近(但不是太接近)電介質(zhì)層，使得氣體傳感器對電介質(zhì)層所暴露的空氣中的氣體分子具有足夠高的靈敏度，因此在傳感器暴露于空氣中足夠長時間之后，傳感器可以檢測小于氣體的萬分之一(PPm)，使得附著氣體分子的濃度(例如)在至少幾秒內(nèi)，或在至少幾十秒內(nèi)達到平衡。任選地，靈敏度足夠高以檢測小于氣體的30ppm、或小于lOppm、或小于3ppm、或小于lppm、或小于千萬分之三(ppb)、或小于lOOppb、或小于30ppb、或小于lOppb、或小于3ppb、或小于lppb、或小于0.3ppb、或小于 0.1ppb0
[0092]柵電介質(zhì)的化學處理
[0093]任選地，對柵電介質(zhì)進行化學處理，例如，Si02柵電介質(zhì)用APTMS、或用AUTES、或以其他方式進行修改。任選地，通過用配體涂覆柵電介質(zhì)對柵電介質(zhì)進行修改，使得柵電介質(zhì)以“鎖和鑰匙”配置特異性結(jié)合于所感測的氣體分子上?；蛘撸瑬烹娊橘|(zhì)利用并不僅結(jié)合于所感測的氣體分子上的配體進行化學處理。例如，配體還結(jié)合于潛在地存在于傳感器所設(shè)計用于的環(huán)境中的一個或多個其他氣體分子上。在本發(fā)明的一些實施例中，使用FET的陣列，有時稱為電子鼻或“e-nose”，其中不同F(xiàn)ET的柵電介質(zhì)具有不同的化學處理，并且不同類型的氣體分子具有結(jié)合于陣列中的不同F(xiàn)ET上的不同相對趨勢，并且/或者陣列中的不同F(xiàn)ET對一種類型的分子具有不同的靈敏度，即使這是傳感器設(shè)計用于檢測的唯一類型的分子。隨后任選地(例如)使用算法根據(jù)氣體從陣列中的FET的每一者產(chǎn)生的響應(yīng)標記確定存在的一種或多種類型的氣體。
[0094]其他材料的使用
[0095]FET可以使用活性區(qū)域的多種半導(dǎo)體中的任一者，以及柵電介質(zhì)和活性區(qū)域與背柵電極(如果存在一者)之間的絕緣層的多種電介質(zhì)材料中的任一者。為方便起見，半導(dǎo)體在本文中可以稱為“硅”并且電介質(zhì)材料在本文中可以稱為“氧化物”，例如“柵氧化物”或“內(nèi)埋氧化物”，但是應(yīng)理解可以替代地使用其他合適的材料。
[0096]制誥方法
[0097]FET 100的示例性制造方法以絕緣體上硅(SOI)晶片開始。硅島任選地經(jīng)成形，其中圍繞島的硅被完全蝕刻掉，直到可接觸內(nèi)埋氧化物(BOX)為止，如圖1和2中可以看到，其中硅島是半導(dǎo)體層。在此制造方法中，任選地不存在硅襯底層104，但是絕緣層為襯底?；蛘?，硅島可以在SOI晶片的絕緣體側(cè)上生長為(例如)多晶硅，從而使作為襯底104的硅層位于絕緣層下方，如圖1和2中。硅島沿著圖1中示為y軸的軸具有長度L并且沿著圖1中示為X軸的橫向軸具有寬度W。在本發(fā)明的示例性實施例中，裝置的臨界尺寸是兩個橫向柵區(qū)域之間的距離。此距離可以任選地利用g線路光刻、i線路光刻或較小波長來界定。在本發(fā)明的示例性實施例中，經(jīng)由用于摻雜硅的插入物在硅島的每一端上創(chuàng)建源極區(qū)和漏極區(qū)，以允許導(dǎo)電通道平行于I軸在源極區(qū)與漏極區(qū)之間通過。經(jīng)由插入物在X方向上將左橫向柵區(qū)域和右橫向柵區(qū)域界定在活性區(qū)域的每一側(cè)上，包含導(dǎo)電通道。任選地，橫向柵的插入物符號與源極/漏極插入物的符號相反，即，如果它們中的一者是P，那么另一者是N。活性區(qū)域任選地插入有與源極/漏極插入物種類相同的插入物，即，兩者都是P或兩者都是N。在本發(fā)明的示例性實施例中，金屬觸點隨后創(chuàng)建用于源極和漏極以及橫向柵，以及任選地背柵。任選地，并入有層間電介質(zhì)(ILD)和鈍化以便將觸點與氣體樣本隔離。柵電介質(zhì)層任選地被添加到導(dǎo)電通道的頂部上。
[0098]導(dǎo)電通道的深度
[0099]納米線本身因表面狀態(tài)受到損壞。就增益以及SNR而言，這些表面狀態(tài)可以引起傳感器性能的降級。在虛擬內(nèi)埋納米線裝置中，通過使用柵電壓來調(diào)節(jié)導(dǎo)電通道的深度并且調(diào)節(jié)半導(dǎo)體中的插入物的深度，任選地將導(dǎo)電通道從Si/Si02界面處的噪音中心中移除，這可以潛在地獲得傳感器的較大增益和SNR。
[0100]本文所使用的術(shù)語“約”是指±10%。
[0101]術(shù)語“包括”、“包含”、“具有”以及它們的共軛物表示“包含但不限于”。
[0102]術(shù)語“由…組成”表示“包含且限于”。
[0103]術(shù)語“主要由…組成”表示組成、方法或結(jié)構(gòu)可以包含額外成分、步驟和/或部件，但是只要所述額外成分、步驟和/或部件不會實質(zhì)上更改所主張的組成、方法或結(jié)構(gòu)的基本且新穎特征。
[0104]除非上下文另外明確指出，否則本文所用的單數(shù)形式“一”、“一個”和“所述”包含復(fù)數(shù)個參考物。例如，術(shù)語“一個化合物”或“至少一個化合物”可以包含多個化合物，包含其混合物。
[0105]本申請中，本發(fā)明的各種實施例可以以范圍格式呈現(xiàn)。應(yīng)理解，范圍格式中的描述僅為了方便和簡潔起見并且不應(yīng)該被解釋為對本發(fā)明的范圍的固定限制。因此，范圍的描述應(yīng)被認為具有具體揭示的所有可能子范圍以及該范圍內(nèi)的單個數(shù)字值。例如，從I到6的范圍的描述應(yīng)被認為具有具體揭示的子范圍，例如，從I到3、從I到4、從I到5、從2到
4、從2到6、從3到6等，以及該范圍內(nèi)的單個數(shù)字，例如，1、2、3、4、5和6。不管范圍的廣度如何這都適用。
[0106]本文中每當指示數(shù)字范圍時，表示包含所指示范圍內(nèi)的任何引用數(shù)字(部分的或完整的)。短語“在第一指示數(shù)字與第二指示數(shù)字之間的測距/范圍”以及“從第一指示數(shù)字到第二指示數(shù)字的測距/范圍”在本文中互換使用并且表示包含第一指示數(shù)字和第二指示數(shù)字以及其之間的所有部分和完整的數(shù)字。
[0107]應(yīng)了解，本發(fā)明出于清楚的目的在分開的實施例的情形中描述的某些特征還可以組合形式提供于單個實施例中。相反，本發(fā)明出于簡潔的目的在單個實施例的情形中描述的各個特征還可以單獨地或以任何合適的子組合提供或在本發(fā)明的任何其他描述的實施例中提供為合適的。在各種實施例的情形中描述的某些特征并非被認為是那些實施例的基本特征，除非所述實施例在不具有那些元件的情況下不起作用。
[0108]上文所描繪且以上權(quán)利要求書部分中所主張的本發(fā)明的各實施例和方面在以下實例中發(fā)現(xiàn)實驗和計算支撐。
[0109]實例
[0110]現(xiàn)參考以下實例，所述實例與上文的描述一起以非限制方式說明本發(fā)明的一些實施例。
[0111]利用生物檢測在實驗上證實虛擬內(nèi)埋納米線氣體傳感器的普遍硅配置。在此實驗中，SOI層的厚度是260nm，其中具有1.6xl014Cm_3的硼摻雜，從而使所述SOI層具有13至22 Qcm的電阻率。內(nèi)埋氧化物的厚度是I μ m。S12柵電介質(zhì)的厚度是5nm?；钚詤^(qū)域，包含鄰近于源極區(qū)和漏極區(qū)的較寬部分摻雜有在1.6X1017cm_3范圍內(nèi)的砷。源極區(qū)和漏極區(qū)摻雜有在5xl019Cm_3的范圍內(nèi)的砷，并且橫向柵區(qū)域摻雜有在5xl019Cm_3的范圍內(nèi)的硼。從源極區(qū)到漏極區(qū)的距離是10 μ m，并且被定義為橫向柵區(qū)域的長度的活性區(qū)域的長度是7μπι?；钚詤^(qū)域的寬度是400nm。
[0112]在圖4A中，曲線圖400呈現(xiàn)反肌鈣蛋白的特定檢測的結(jié)果。水平軸402示出相對于地面施加到左橫向柵電極和右橫向柵電極兩者上的電壓Vej(以伏特為單位)，其中源極電極接地。背柵電極保持在-7伏特的電壓。曲線404以在曲線圖右側(cè)的垂直軸406上示出的值(以納米為單位)描繪隨橫向柵電壓而變的導(dǎo)電通道的有效寬度Wrff (以納米為單位)。曲線408以在曲線圖左側(cè)的垂直軸410上示出的值(以毫伏為單位)描繪由反肌鈣蛋白的存在引起的隨橫向柵電壓Vej而變的源極到漏極閾值電壓的變化。應(yīng)注意，導(dǎo)電通道越窄，由反肌鈣蛋白的存在引起的源極與漏極之間的閾值電壓的變換越高。
[0113]圖4B示出針對不同的橫向柵電壓Vej值的活性區(qū)域的橫截面中的載流密度(在這種情況下為電子密度)的輪廓曲線圖，所述橫截面為250nm高以及400nm寬、垂直于導(dǎo)電通道的方向、在源極區(qū)與漏極區(qū)之間的一半處。曲線412、414、416、418和420分別示出Vej等于-2.0、-1.5、-1.0、-0.5以及0.0伏特時的載流密度。輪廓422、424和426分別對應(yīng)于4xl019cnT3、2xl016cnT3 以及 IxlO13Cm-3 的載流密度。
[0114]此外，虛擬內(nèi)埋納米線氣體傳感器的操作原理使用由新思科技公司售出的‘Sentaurus’軟件模擬。模擬中使用的參數(shù)與上文針對實驗描述的參數(shù)相同，除了活性區(qū)域以及橫向柵區(qū)域的長度僅為3μπι以便節(jié)約計算時間。在此模擬中將具有119ecnT3的固定電荷密度的1nm側(cè)的S12立方體放置在柵電介質(zhì)頂部上的通道的中心處，以表示附著在該位置處的分子。SOI區(qū)域的平均電勢由于電荷的存在而產(chǎn)生的變換針對各種通道寬度進行計算。在圖5中在曲線圖500中呈現(xiàn)結(jié)果。如在曲線圖400中，水平軸502示出相對于接地的源極電極施加到左橫向柵電極以及右橫向柵電極兩者上的電壓Vej(以伏特為單位)，并且與曲線圖400中的曲線404吻合的曲線504以曲線圖右側(cè)的垂直軸506上示出的值示出導(dǎo)電通道的隨Vej而變化的有效寬度Weff (以納米為單位)。曲線508以在曲線圖左側(cè)的垂直軸510上示出的值(以毫伏為單位)示出由1nm寬的帶電Si02立方體(表示模擬中的附著氣體分子)的存在所引起的活性區(qū)域的平均電勢的變化。平均數(shù)在活性區(qū)域的全部400nm寬度以及260nm深度的范圍內(nèi)獲取并且在從源極區(qū)到漏極區(qū)的全長范圍內(nèi)延伸。應(yīng)注意，導(dǎo)電通道的寬度越小，由于模擬的附著分子的存在而產(chǎn)生的活性區(qū)域范圍內(nèi)的平均電勢的變化越大。在通道寬度較窄的情況下，僅在導(dǎo)電通道上平均的電勢變化(盡管在圖5中未示出)甚至更加顯著地增長。
[0115]圖6示出曲線圖600，其說明通過改變左橫向柵電極上的電壓Vejl以及右橫向柵電極上的電壓Vej2穿過活性區(qū)域掃描導(dǎo)電通道的模擬結(jié)果。在此模擬中，參數(shù)與上述實驗的參數(shù)相同。曲線602示出當Vejl = O伏特且Vej2 = -5.16伏特時，在活性區(qū)域中隨橫向位置X而變化的歸一化載波(電子)密度。曲線604示出當Vejl = -0.85伏特且Vej2 = -3.43伏特時的載流密度。曲線606示出當Vwi = -2.0伏特且Vw2 = -2.0伏特時的載流密度。曲線608示出當Vejl = -3.43伏特且Vej2 = -0.85伏特時的載流密度。曲線610示出當Vejl=-5.16伏特且Vej2 = O伏特時的載流密度。通過以此方式改變左橫向柵電壓以及右橫向柵電壓，導(dǎo)電通道的位置在200nm的距離內(nèi)從左側(cè)移動到右側(cè)，而導(dǎo)電通道的寬度在10nm處保持恒定。活性區(qū)域從X = -200nm延伸到x = +200nm。
[0116]圖7A示出當橫向柵電壓都為零時，根據(jù)模擬的隨橫截面中的位置而變化的活性區(qū)域中的載流密度的輪廓曲線圖700，所述橫截面垂直于導(dǎo)電通道的方向，S卩，y軸。X和z的值以納米為單位提供。參數(shù)類似于上述實驗的那些參數(shù)，除了仍取平均值1.6xl017cm-3的活性區(qū)域中的砷摻雜并不是均質(zhì)的，但是更高地接近柵電介質(zhì)且更低地接近絕緣層，這使得鄰近于柵電介質(zhì)形式導(dǎo)電通道。
[0117]圖7A中的曲線702和704分別示出活性區(qū)域與左橫向柵區(qū)域和右橫向柵區(qū)域的接合點。曲線706是活性區(qū)域中的空乏區(qū)域的邊界，其中載流密度轉(zhuǎn)至零。曲線708、710、712,714 和 716 分別示出針對 0.SxlO1W3U.0x11WU.5xl017cnT3、2.0xlO1W 以及
2.5xl017Cm_3的載流密度的輪廓。導(dǎo)電通道的直徑約為150nm，較大部分的活性區(qū)域的寬度在其最窄點處約為220nm。
[0118]圖7B針對左橫向柵電壓以及右橫向柵電壓都為-2.0伏特的情況示出類似的輪廓曲線圖718。此處曲線720是活性區(qū)域中的空乏區(qū)域的邊界，其中載流密度轉(zhuǎn)至零并且曲線720內(nèi)部的兩個輪廓是針對0.SxlO1W以及1.0xl017cm^3的載流密度的輪廓。導(dǎo)電通道的直徑現(xiàn)在約為40nm。
[0119]圖8A和SB根據(jù)模擬示出活性區(qū)域中的載流密度的輪廓曲線圖800和802，所述模擬具有與圖7A和7B中的曲線圖中的那些參數(shù)類似的參數(shù)以及插入到活性區(qū)域中的摻雜劑的較高密度，即，1018cm_3，但是針對其中FET已進行熱處理，使得來自橫向柵區(qū)域的摻雜劑已少量擴散到活性區(qū)域中的情況。在1050°C的溫度下的熱處理施加75秒，從而使硼從橫向柵區(qū)域擴散到活性區(qū)域中。
[0120]圖8A和8B中的曲線804和806示出有效活性區(qū)域的左邊界和右邊界，其中凈摻雜劑密度在熱處理之前仍具有相同符號。有效活性區(qū)域在其最窄點處具有僅90nm的寬度，但在導(dǎo)電通道的中心的深度處具有約130nm的寬度。圖8A示出橫向柵電壓都為零的情況。曲線808是活性區(qū)域中的空乏區(qū)域的邊界，其中載流密度轉(zhuǎn)至零。曲線810、814和816分別是2xl018cm 3、4xl018cm 3、6xl018cm 3以及8xl018cm 3的密度輪廓。導(dǎo)電通道約90nm寬。圖SB示出橫向柵電壓都為-2.0伏特的情況。曲線818是空乏區(qū)域的邊界，并且所述空乏區(qū)域內(nèi)部的兩條曲線是2xl018cnT3和4xl018cnT3的密度輪廓。在未對FET進行熱處理的情況下，導(dǎo)電通道比圖7B中的導(dǎo)電通道窄得多，僅為約25nm。
[0121]盡管已結(jié)合本發(fā)明的特定實施例描述本發(fā)明，但顯而易見對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，許多替代方案、修改以及變化將是清楚的。因此，預(yù)期涵蓋落入所附權(quán)利要求書的精神和廣泛范圍內(nèi)的所有此類替代方案、修改以及變化。
[0122]本說明書中所提及的所有公開案、專利和專利申請案在此以引用方式全文并入到本說明書中，達到如同每一單獨的公開案、專利或?qū)＠暾埌副粚ｉT并且單獨地指示以弓I用方式并入到本文中的相同的程度。此外，本申請案中對任何參考文件的引用或鑒別不應(yīng)理解為承認該參考文件是作為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)可獲得的。在使用段落標題的程度上，它們不應(yīng)被解釋為必定限制性的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于感測氣體或液體樣本中的分子的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: a)至少一個多柵場效應(yīng)晶體管，其包括: 1)一塊半導(dǎo)體，其具有在源極區(qū)與漏極區(qū)之間延伸的活性區(qū)域以及沿著不同側(cè)上的所述活性區(qū)域延伸的左橫向區(qū)域和右橫向區(qū)域； 2)左橫向柵電極和右橫向柵電極，其分別在所述左橫向區(qū)域和所述右橫向區(qū)域中產(chǎn)生電場，從而當施加有適當?shù)碾妷簳r在所述活性區(qū)域中產(chǎn)生導(dǎo)電通道，所述導(dǎo)電通道的位置取決于所述施加的電壓； 3)鄰近于所述分子所附著的所述活性區(qū)域的感測表面，在所述導(dǎo)電通道的所述位置附近的所述附著分子的局部濃度會影響所述導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性；以及 b)控制器，其經(jīng)適配以連續(xù)地向所述晶體管的所述橫向柵電極施加不同電壓并且將所述導(dǎo)電通道移動到多個不同位置，并且以在每個位置處測量所述導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述感測表面涂覆有特異性結(jié)合于所感測的所述分子上的配體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)摻雜有符號相同的摻雜齊U，并且所述左橫向區(qū)域和所述右橫向區(qū)域摻雜有與所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)符號相反的摻雜劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述活性區(qū)域摻雜有與所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)符號相同的摻雜劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述橫向區(qū)域的摻雜劑的所述濃度延伸到所述活性區(qū)域中，從而在大于所述導(dǎo)電通道的寬度的標度長度上逐漸減小。
6.一種制造權(quán)利要求4的系統(tǒng)中的場效應(yīng)晶體管的方法，其包括在某些條件下對所述晶體管進行熱處理，使得所述摻雜劑中的一些從所述左橫向區(qū)域和所述右橫向區(qū)域擴散到所述活性區(qū)域中，從而在所述活性區(qū)域的最窄點處將所述活性區(qū)域的有效寬度減小至少30%,但是不會在任何點處將所述有效寬度減小到零。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述活性區(qū)域在所述左橫向區(qū)域與所述右橫向區(qū)域之間窄于I微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述場效應(yīng)晶體管還包括背柵電極，所述背柵電極在遠離所述感測表面的方向上定位并且至少通過絕緣層與所述活性區(qū)域分離，所述背柵電極的電壓會影響所述導(dǎo)電通道與所述感測表面的平均距離以及距離范圍中的一者或兩者。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制器經(jīng)適配以根據(jù)在每個位置處測量到的所述導(dǎo)電性確定鄰近于所述導(dǎo)電通道的每個所述位置的附著分子的濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，對于柵電極電壓的至少一個選擇來說，所述系統(tǒng)具有所述導(dǎo)電通道的寬度以及所述導(dǎo)電通道與所述感測表面的距離，使得當所述感測表面所暴露的空氣中的所述分子濃度僅為萬分之一時可以確定所述附著分子的平衡濃度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個場效應(yīng)晶體管包括多個場效應(yīng)晶體管，并且所述控制器經(jīng)適配以改變每個晶體管中的所述導(dǎo)電通道的所述位置并且在多個不同位置處測量導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性，以發(fā)現(xiàn)在每個晶體管的任何位置附近的附著分子的最大濃度并且發(fā)現(xiàn)所述晶體管上的附著氣體分子的所述最大濃度的平均值。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)用作用于感測多個不同類型的分子的電子鼻，其中所述至少一個場效應(yīng)晶體管包括具有感測表面的多個場效應(yīng)晶體管，所述感測表面具有不同化學特性，使得所述場效應(yīng)晶體管對于所述不同分子具有附著到其上的不同相對趨勢，所述控制器經(jīng)適配以改變所述導(dǎo)電通道的所述位置并且根據(jù)在每個晶體管的每個位置處測量到的導(dǎo)電性來確定所述導(dǎo)電通道的每個位置附近的附著分子的濃度，并且以發(fā)現(xiàn)通過將附著到每個場效應(yīng)晶體管上的所述分子濃度的圖案與每個類型的分子的附著分子濃度的預(yù)期圖案相比較所呈現(xiàn)的分子類型。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述場效應(yīng)晶體管還包括位于所述活性區(qū)域上方的電介質(zhì)層，其中所述感測表面包括所述電介質(zhì)層的表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述晶體管的所述感測表面包括所述活性區(qū)域的暴露表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體包括硅，并且所述活性區(qū)域的所述暴露表面包括甲基封端娃。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述感測表面被適配用于暴露于氣體樣本中。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其還包括儲槽，所述儲槽被適配用于保持液體樣本并且用于將所述感測表面暴露于所述液體樣本中。
18.一種利用具有導(dǎo)電通道的多柵場效應(yīng)晶體管感測氣體或液體樣本中的分子的方法，所述導(dǎo)電通道將源極區(qū)連接到漏極區(qū)，所述導(dǎo)電通道在橫向方向上的位置通過改變兩個橫向柵電壓是可控制的，并且所述導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性受到在所述導(dǎo)電通道附近的位置處附著到所述晶體管的感測表面上的所述分子的影響，所述方法包括: a)將所述感測表面暴露于所述氣體或液體樣本中； b)改變所述導(dǎo)電通道在所述橫向方向上的所述位置，并且在所述通道的多個位置處測量所述通道的導(dǎo)電性；以及 c)當所述導(dǎo)電通道處于某一位置，使得所述導(dǎo)電通道接近所述附著分子中的一者，或接近所述感測表面上的所述附著分子的濃度波動通過時，通過觀察所述導(dǎo)電通道的導(dǎo)電性變化來檢測所述分子。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述多柵場效應(yīng)晶體管是包括背柵電極的場效應(yīng)晶體管，所述背柵電極會影響所述導(dǎo)電通道與所述感測表面的平均距離和距離范圍中的一者或兩者，所述方法還包括調(diào)節(jié)所述背柵電極的電壓，以提高所述導(dǎo)電通道的所述導(dǎo)電性對所述附著分子的靈敏度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中改變所述兩個橫向柵電壓會至少部分地獨立于所述導(dǎo)電通道在所述橫向方向上的所述位置影響所述導(dǎo)電通道的截面面積、所述導(dǎo)電通道的截面形狀或兩者，以及影響所述導(dǎo)電通道在所述橫向方向上的所述位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中改變所述導(dǎo)電通道在所述橫向方向上的位置包括將所述兩個橫向柵電壓保持在某些值，使得所述導(dǎo)電通道在所述橫向方向上具有某一寬度，所述寬度不超過所述導(dǎo)電通道可以在所述橫向方向上移動到的所述位置的全距的50%。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其中改變所述導(dǎo)電通道在所述橫向方向上的位置包括將所述兩個橫向柵電壓保持在某些值，使得所述導(dǎo)電通道在所述橫向方向上具有不超過200納米的寬度。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述樣本包括氣體樣本。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述樣本包括液體樣本，并且將所述感測表面暴露于所述液體樣本中包括將所述液體樣本保持在儲槽中。
25.—種移動多柵場效應(yīng)晶體管中的導(dǎo)電通道的方法，所述多柵場效應(yīng)晶體管具有在源極區(qū)與漏極區(qū)之間的活性區(qū)域，以及在所述活性區(qū)域的一部分中創(chuàng)建空乏區(qū)域的至少橫向柵電極，所述方法包括: a)設(shè)置所述柵電極的電壓以創(chuàng)建窄于所述活性區(qū)域的非空乏導(dǎo)電通道，從而通過所述活性區(qū)域連接所述源極區(qū)和所述漏極區(qū)；以及 b)改變所述橫向柵電極的電壓以在橫向于導(dǎo)電通道的長度的方向上將所述導(dǎo)電通道移動到不同位置。
【文檔編號】G01N27/414GK104204789SQ201380013517
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月28日
【發(fā)明者】吉爾·沙萊夫, 約西·羅森瓦克斯 申請人:雷蒙特亞特特拉維夫大學有限公司