ПОЛЕВЫЕ ДАТЧИКИ Российский патент 2021 года по МПК G01N27/414 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №62/539,813, поданной 1 августа 2017 г., содержание которой полностью включено в настоящее описание посредством ссылки.

Уровень техники

[0002] Полевые транзисторы могут использоваться в качестве одномолекулярных датчиков заряда для идентификации молекул. Такие датчики могут работать в биологически релевантных солевых режимах. Дебаевская длина экранирования таких солевых растворов находится в диапазоне от приблизительно 0,3 нм до приблизительно 10 нм, что ограничивает чувствительную зону до нескольких нанометров за пределами поверхности канала и часто снижает уровни сигнала до предела обнаруживаемости. Решить эту проблему обходным способом можно, выполняя биологическую реакцию и измерения в двух разных буферах - с высоким и низким содержанием соли, соответственно. Однако такой подход обычно не подходит для одномолекулярных датчиков, где замена буфера невозможна.

Раскрытие сущности изобретения

[0003] В первом аспекте полупроводниковое устройство содержит исток; сток; канал, содержащий наноструктуру, причем наноструктура содержит модифицированную часть, имеющую повышенную плотность состояний ловушек, причем модифицированная часть функционализирована активным фрагментом; и вывод затвора, электрически связанный с наноструктурой.

[0004] В одном из примеров наноструктура содержит по меньшей мере одно из: нанопроволоки, нанотрубки и наноленты.

[0005] В другом примере наноструктура содержит по меньшей мере одно из: кремниевой нанопроволоки, углеродной нанотрубки, полимерной нанопроволоки, графеновой наноленты и наноленты из MoS₂.

[0006] В еще одном примере наноструктура содержит по меньшей мере одно из: графена, силицена и фосфорена.

[0007] В одном из примеров, модифицированная часть сформирована путем ионной имплантации, облучения энергетическим пучком, воздействия плазмы или их сочетания.

[0008] В одном из примеров активный фрагмент содержит фермент или аптамер, который связан с модифицированной частью наноструктуры; при этом связывание фермента или аптамера с модифицированной частью наноструктуры разрушает атомные связи наноструктуры для повышения плотности состояний ловушек модифицированной части наноструктуры. В некоторых случаях этого примера связанный фермент или аптамер ковалентно связан с модифицированной частью наноструктуры.

[0009] В одном из примеров активный фрагмент представляет собой одну молекулу одного из следующего: один фермент, одно антитело и один аптамер.

[0010] В одном из примеров, повышенная плотность состояний ловушек находится в диапазоне от приблизительно 1×10¹² ловушек/см² до приблизительно 1×10¹⁴ ловушек/см².

[0011] Следует понимать, что любые признаки этого первого аспекта могут сочетаться любым требуемым образом и/или конфигурацией.

[0012] Во втором аспекте устройство содержит полупроводниковое устройство по п. 1; и контейнер, по меньшей мере частично заключающий в себе наноструктуру, причем данный контейнер выполнен с возможностью приема раствора аналита, обеспечивающего электрическую связь между выводом затвора и наноструктурой.

[0013] В третьем аспекте устройство содержит полупроводниковое устройство по п. 1, причем полупроводниковое устройство дополнительно содержит вывод корпуса, соединенный с входом модулированного сигнала; и вывод затвора, соединенный с неизменным напряжением.

[0014] В четвертом аспекте устройство содержит датчик тока или кольцевой генератор, причем указанный датчик тока или кольцевой генератор содержит полупроводниковое устройство по п. 1.

[0015] Следует понимать, что любое сочетание признаков полупроводникового устройства может использоваться с любым из второго, третьего или четвертого аспектов. Кроме того, следует понимать, что любые признаки любого из устройств из второго, третьего или четвертого аспекта могут использоваться вместе, и/или что любые признаки любого из них могут сочетаться с любым из примеров, раскрытых в настоящем документе.

[0016] В пятом аспекте способ изготовления включает в себя нанесение наноструктуры на подложку, имеющую по меньшей мере одну область истока и по меньшей мере одну область стока внутри или поверх подложки, чтобы сформировать электропроводящий канал между областью истока и областью стока, причем наноструктура имеет повышенную плотность состояний ловушек для части, но не для всей наноструктуры; и связывание активного фрагмента с данной частью наноструктуры.

[0017] Пример способа дополнительно включает в себя создание повышенной плотности состояний ловушек путем ковалентного связывания активного фрагмента с частью наноструктуры.

[0018] Другой пример способа дополнительно включает в себя создание повышенной плотности состояний ловушек путем имплантации ионов в часть наноструктуры.

[0019] Еще один пример способа дополнительно включает в себя создание повышенной плотности состояний ловушек путем выполнения локализованного легирования части наноструктуры.

[0020] Еще один пример способа дополнительно включает в себя повышение плотности состояний ловушек части наноструктуры путем регулирования состава исходного материала в процессе химического осаждения из газовой фазы при нанесении наноструктуры на подложку.

[0021] В одном из примеров, наноструктура содержит по меньшей мере одно из: нанопроволоки, нанотрубки и наноленты.

[0022] В другом примере наноструктура содержит по меньшей мере одно из: кремниевой нанопроволоки, углеродной нанотрубки, полимерной нанопроволоки, графеновой наноленты и наноленты из MoS₂.

[0023] В еще одном примере наноструктура содержит по меньшей мере одно из: графена, силицена и фосфорена.

[0024] Пример способа дополнительно включает в себя выбор: требуемого параметра ΔС_ох, или требуемого отклика тока стока на напряжение затвора, или требуемого параметра ΔС_ох и требуемого отклика тока стока на напряжение затвора; при этом выбирают требуемую плотность состояний ловушек для части наноструктуры; и повышают плотность состояний ловушек в соответствии с выбранной требуемой плотностью состояний ловушек.

[0025] Пример способа дополнительно включает в себя выбор по меньшей мере одного из материала и дозы для части наноструктуры в соответствии с выбранной требуемой плотностью состояний ловушек.

[0026] Следует понимать, что любые признаки пятого аспекта могут сочетаться любым требуемым образом. Кроме того, следует понимать, что любое сочетание признаков первого аспекта, и/или второго аспекта, и/или третьего аспекта, и/или четвертого аспекта, и/или пятого аспекта можно использовать совместно, и/или что любые признаки любого из них могут сочетаться с любым из примеров, раскрытых в настоящем документе.

[0027] В шестом аспекте способ использования полупроводникового устройства включает в себя связывание фермента с каналом полевого транзистора вблизи чувствительной зоны, причем полевой транзистор содержит вывод истока, вывод стока и наноструктуру, образующую канал между выводом истока и выводом стока, при этом чувствительная зона содержит область относительно более высокой плотности состояний ловушек на наноструктуре; обеспечивают ионный раствор вблизи от чувствительной зоны; подают сигнал на вывод полевого транзистора; и обнаруживают изменения в протекании тока через полевой транзистор в ответ на поданный сигнал.

[0028] В одном из примеров сигнал модулируют с частотой, превышающей плазменную частоту раствора.

[0029] В одном из примеров раствор имеет соленость в диапазоне от приблизительно 1-миллимолярного (мМ) до приблизительно 500-миллимолярного (мМ).

[0030] В одном из примеров сигнал подают на вывод затвора или вывод корпуса полевого транзистора.

[0031] В одном из примеров обнаружение изменений в протекании тока включает в себя обнаружение изменения фазы выходного сигнала полевого транзистора относительно сигнала, поданного на указанный вывод.

[0032] Один из примеров этого способа дополнительно включает в себя секвенирование последовательности нуклеотидов в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновой кислоты (РНК) на основании обнаруженных изменений.

[0033] Следует понимать, что любые признаки шестого аспекта могут сочетаться любым требуемым образом. Кроме того, следует понимать, что любое сочетание признаков первого аспекта и/или второго аспекта, и/или третьего аспекта, и/или четвертого аспекта, и/или пятого аспекта, и/или шестого аспекта можно использовать вместе, и/или что любые признаки из любого из них можно сочетать с любым из примеров, раскрытых в настоящем документе.

[0034] Кроме того, следует понимать, что любые признаки любого из аспектов могут сочетаться любым требуемым образом и/или могут сочетаться с любым из примеров, раскрытых в настоящем документе.

Краткое описание чертежей

[0035] На фиг. 1А и 1В схематически представлен обобщенный пример полевого датчика, который можно использовать в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0036] На фиг. 2 показаны изменения тока, проходящего через полевой датчик обобщенного примера в ответ на биологические реакции на его поверхности.

[0037] На фиг. 3 показан пример случайного телеграфного шума в 20 нм полевом транзисторе.

[0038] На фиг. 4 представлено схематическое описание уровней энергии в акцепторных ловушках, донорных ловушках и смешанных ловушках с нейтральным уровнем Е₀.

[0039] На фиг. 5 показана зависимость смоделированного отклика 20 нм кремниевого (Si) нанопроволочного транзистора от локальной плотности состояний ловушек, что можно наблюдать в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0040] На фиг. 6 иллюстрируются конкурирующие эффекты модуляции ΔС_ох и понижения наклона I_DV_G, которые можно наблюдать в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0041] На фиг. 7 показано черно-белое представление изначально цветного рисунка, иллюстрирующего пример геометрии моделирования в соответствии с примером технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0042] На фиг. 8 показан вычисленный отклик для биодатчика в соответствии с примером технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0043] На фиг. 9 представлен график зависимости вычисленного ОСШ (отношения сигнал-шум) от плотности ловушек в соответствии с примером технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0044] На фиг. 10 показано ковалентное прикрепление чувствительного фрагмента к поверхности нанопроволоки, что может быть выполнено в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0045] На фиг. 11 иллюстрируется управление плотностью и положением состояний ловушек, осуществимых в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0046] На фиг. 12 показано, что плотностью и положением состояний ловушек можно управлять путем локализованного легирования в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0047] На фиг. 13 представлена схема измеренных энергий ионизации для различных примесей в Si в одном примере.

[0048] На фиг. 14 представлен график, показывающей отклик приблизительного углеродного нанотрубочного датчика.

[0049] На фиг. 15 показана измерительная цепь, используемая для высокочастотного обнаружения в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0050] На фиг. 16 представлен биодатчик с кольцевым генератором, который можно использовать в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0051] На фиг. 17 представлена схема инвертора, используемого в кольцевом генераторе в соответствии с некоторыми примерами технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0052] На фиг. 18 представлена цепь для генератора, управляемого биологически-обусловленным напряжением, в соответствии с некоторыми примерами технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0053] На фиг. 19 представлена цепь для управляемого напряжением генератора, предназначенного для обнаружения и имеющего фазовую синхронизацию, который может использоваться в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0054] На фиг. 20 представлен ряд графиков примеров сигналов, измеренных в различных точках в цепях по фиг. 17-19.

[0055] На фиг. 21 показан выходной сигнал трехступенчатого кольцевого генератора, который можно использовать в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0056] На фиг. 22 показана блок-схема, иллюстрирующая пример системы, которая может использоваться для анализа растворов аналитов с использованием датчиков на полевых транзисторах (FET-датчиков).

[0057] На фиг. 23 представлена блок-схема, описывающая пример способа изготовления, который может быть реализован в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе.

[0058] На фиг. 24 представлена блок-схема, описывающая пример использования полупроводникового устройства, которое может быть реализовано в соответствии с техническим решением, раскрытым в настоящем документе.

Подробное описание и осуществление изобретения

I. Общие положения

[0059] В настоящем документе раскрыты типовые примеры способов, устройств и систем для проектирования, изготовления и использования полупроводниковых устройств, имеющих наноструктурные каналы (например, каналы, реализованные с нанопроволоками, нанотрубками, нанолентами или с другой геометрией с критическими размерами, меньшими, чем приблизительно 100 нм), включая полупроводниковые устройства, в которых наноструктурный канал имеет модифицированную часть с регулируемой плотностью состояний ловушек в месте, где активный фрагмент связан с наноструктурой, или вблизи него. Способы, устройства и системы, в общем, относятся к обнаружению, основанному на биодатчиках, включая, например, биодатчики, которые можно использовать для секвенирования нуклеиновых кислот.

[0060] В контексте настоящего документа термин «нанопроволока» относится к структуре со сплошной цилиндрической формой, имеющей ширину, меньшую, чем приблизительно 100 нм, и длину, которая может значительно превосходить ширину. Электрическая проводимость присутствует по всему объему нанопроволоки. В контексте настоящего документа термин «нанотрубка» относится к структуре с полой цилиндрической формой, имеющей ширину, меньшую, чем приблизительно 100 нм, и длину, которая может значительно превышать ширину. В некоторых примерах нанотрубка представляет собой отдельный лист или ленту из графена, свернутый/свернутую в цилиндрическую форму. Цилиндр в середине является полым, и электрическая проводимость присутствует по трубчатой боковой стенке цилиндра. В контексте настоящего документа термин «нанолента» относится к структуре с плоской формой, имеющей ширину, меньшую, чем приблизительно 100 нм, и длину, которая может быть аналогичной или значительно большей, чем ширина. Толщина наноленты соответствует материалу, из которого она сделана. Однослойные графеновые наноленты имеют толщину в диапазоне от приблизительно 0,3 нм до приблизительно 0,4 нм. Электрическая проводимость присутствует по всему объему наноленты. Если не указано иное, термин «полупроводник» в контексте настоящего документа включает в себя такие материалы, как кремний (Si), германий (Ge), карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), а также материалы, которые ведут себя как полупроводники, когда находятся в наноструктуре, например, углеродные нанотрубки, нанотрубки нитрида бора или другие полупроводниковые наноструктуры.

[0061] Раскрытые в настоящем документе способы, устройства и системы не должны рассматриваться как ограничивающие каким-либо образом. Напротив, настоящее изобретение направлено на все новые и неочевидные признаки и аспекты различных раскрытых примеров, отдельно и в различных сочетаниях и подсочетаниях друг с другом. Раскрытые способы, устройства и системы не ограничиваются каким-либо конкретным аспектом, признаком или их сочетанием, а раскрытые примеры не требуют, чтобы обеспечивались или решались какие-либо конкретные одно/одна или более преимущества или задачи.

[0062] Хотя операции некоторых из способов, раскрытых в настоящем документе, раскрыты в конкретном последовательном порядке для удобства представления, следует понимать, что подобное описание включает в себя перегруппировку, если определенный язык изложения требует конкретного упорядочения. Например, действия, описанные последовательно, могут в некоторых случаях переставляться или выполняться одновременно. Кроме того, для простоты на прилагаемых чертежах могут быть не показаны различные пути, которыми системы, способы и устройства могут использоваться в сочетании с другими вещами и способами. Кроме того, в описании иногда используются такие термины, как «производить», «генерировать», «выбирать», «получать», «связывать» и «предоставлять» для описания способов, раскрытых в настоящем документе. Эти термины являются высокоуровневыми описаниями фактически выполняемых операций. Фактические операции, которые соответствуют этим терминам, могут изменяться в зависимости от конкретной реализации и могут быть с отчетливо видны специалистом в данной области техники, использующим преимущества настоящего изобретения.

[0063] В контексте настоящей заявки и формулы изобретения, формы единственного числа включают в себя формы множественного числа, если контекст явно не предписывает иное. Кроме того, термин «включает в себя» означает «содержит». Кроме того, если контекст не требует иного, термин «соединенный» означает механически, электрически или электромагнитно соединенный или связанный и включает в себя как непосредственные соединения и связи, так и опосредованные соединения и связи посредством одного или более промежуточных элементов, не влияющих на предполагаемую работу описанной системы.

[0064] Следует понимать, что диапазоны, представленные в настоящем документе, включают в себя заявленный диапазон и любое значение или поддиапазон в пределах заявленного диапазона, как если бы такие значения или поддиапазоны были явно указаны. Например, диапазон от приблизительно 10 кГц до приблизительно 100 кГц должен интерпретироваться как включающий в себя не только явно указанные пределы от приблизительно 10 кГц до приблизительно 100 кГц, но также и включать в себя отдельные значения, такие как приблизительно 78 кГц, приблизительно 94,5 кГц и т.д. и поддиапазоны, такие как от приблизительно 25 кГц до приблизительно 85 кГц, от приблизительно 15 кГц до приблизительно 80 кГц и т.д.

[0065] Термины «по существу» и «приблизительно», используемые в данном описании, используются для описания и учета небольших отклонений. Например, они могут относиться к меньшему или равному ±5%, например, меньшему или равному ±2%, например меньшему или равному ±1%, например меньшему или равному ±0,5%, например меньшему или равному ±0,2%, например меньшему или равному ±0,1%, или меньшему или равному ±0,05%.

[0066] Кроме того, могут использоваться некоторые термины, такие как «вверх», «вниз», «верхний», «нижний» и тому подобное. Эти термины используются, где это применимо, для обеспечения некоторой ясности описания при работе с относительными соотношениями. Однако эти термины не предназначены для обозначения абсолютных соотношений, положений и/или ориентаций.

[0067] Принципы действия, научные принципы или другие теоретические описания, представленные здесь со ссылкой на устройство или способы этого изобретения, были предоставлены в целях лучшего понимания и не предназначены для ограничения объема. Устройства и способы в прилагаемой формуле изобретения не ограничиваются теми устройствами и способами, которые работают таким образом, как, описано этими принципами действия.

[0068] Любой из компьютерно-реализуемых способов, раскрытых в настоящем документе, может быть реализован с использованием машиноисполняемых инструкций, хранящихся на одном или нескольких машиночитаемых носителях (например, таких машиночитаемых носителях, как один или более оптических носителей, компоненты энергозависимой памяти (такие как DRAM или SRAM), или компоненты энергонезависимой памяти (такие как флэш-память или жесткие диски)) и исполняются на компьютере (например, на любом коммерчески доступном компьютере, включая смартфоны или другие мобильные устройства, которые включают в себя вычислительное оборудование). Любая из машиноисполняемых инструкций для реализации раскрытых здесь способов, а также любые данные, созданные и используемые во время такой реализации, могут храниться на одном или нескольких машиночитаемых носителях данных (например, машиночитаемых носителях данных). Машиноисполняемые инструкции могут быть частью, например, специального программного приложения или программного приложения, доступ к которому осуществляется или загружается через веб-браузер или другое программное приложение (такое как приложение для удаленных вычислений). Такое программное обеспечение может быть исполняться, например, на одном локальном компьютере (например, с процессорами общего назначения и/или специализированными процессорами, работающими на любом подходящем коммерчески доступном компьютере) или в сетевой среде (например, через Интернет, глобальную сеть, локальную сеть, сеть клиент-сервер (такую как сеть облачных вычислений) или другую подобную сеть) с использованием одного или более сетевых компьютеров.

[0069] Для ясности раскрыты только некоторые избранные аспекты реализаций, основанных на программном обеспечении. Другие подробности, которые хорошо известны в данной области техники, опущены. Например, следует понимать, что связанные с компьютером аспекты технического решения, раскрытого в настоящем документе, не ограничиваются каким-либо конкретным компьютерным языком или программой. Например, техническое решение, раскрытое в настоящем документе, может быть реализовано с помощью программного обеспечения, написанного на С, С++, Java или любом другом подходящем языке программирования. Аналогично, техническое решение, раскрытое в настоящем документе, не ограничивается каким-либо конкретным компьютером или типом аппаратного обеспечения. Некоторые подробности о подходящих компьютерах и оборудовании хорошо известны и не нуждаются в подробном изложении в этом раскрытии.

[0070] Кроме того, любой из основанных на программном обеспечении примеров (включающий в себя, например, машиноисполняемые инструкции, обеспечивающие выполнение компьютером любого из раскрытых в настоящем документе способов) может быть выгружен, загружен или удаленно доступен через подходящие средства связи. Такие подходящие средства связи включают в себя, например, Интернет, Всемирную паутину, корпоративную сеть, программные приложения, кабель (включая оптоволоконный кабель), магнитную связь, электромагнитную связь (включая радиочастотную, микроволновую и инфракрасную связь), электронную связь, или другие подобные средства связи.

II. Введение

[0071] Полевой транзистор (FET, от англ. field effect transistor), как предусмотрено в настоящем документе, содержит исток, сток и проводящий канал, которые могут быть функционализированы одним активным фрагментом. Например, в качестве одного активного фрагмента можно использовать фермент, антитело, аптамер или другую молекулу, которая может быть связана с проводящим каналом. Взаимодействие активного фрагмента с соответствующим биологическим субстратом приводит к изменению локального электрического поля или генерированию локализованных зарядов, которые изменяют ток, проходящий через канал, позволяя идентифицировать биологическую реакцию.

[0072] FET может представлять собой одномолекулярный полевой биодатчик. FET-биодатчики могут работать при биологически релевантных солевых режимах, например, в диапазоне от приблизительно 1 мМ до приблизительно 100 мМ. Дебаевская длина экранирования таких солевых растворов находится в диапазоне от приблизительно 0,3 нм до приблизительно 10 нм, что ограничивает чувствительную зону до нескольких нм за пределами поверхности канала и часто снижает уровни сигнала до предела обнаруживаемости.

[0073] Использование более низких солевых концентраций во время измерения увеличивает дебаевскую длину и усиливает сигнал. Однако снижение солевой концентрации в некоторых случаях обычно не подходит для датчиков, работающих в режиме реального времени, где замена буфера невозможна.

[0074] В некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе, чувствительность био-FET повышается за счет включения состояний ловушек в канал транзистора и, в частности, в пределах или вблизи чувствительной зоны. Другими словами, плотность состояний ловушек наноструктуры модифицируется для части наноструктуры, расположенной рядом (на расстоянии, меньшем, чем дебаевская длина экранирования) с местом, где активный фрагмент связан с наноструктурой. При каждом изменении дебаевской длины L_D на расстоянии электрический потенциал заряда в растворе уменьшается в 1/е раз. Повышенные состояния ловушек могут усиливать наблюдаемый выходной сигнал из био-FET в биологически релевантных режимах и улучшают предел обнаружения (LOD, от англ. limit of detection) сенсорного устройства.

III. Пример полевого датчика на основе полупроводникового устройства

[0075] На фиг. 1А и 1В показаны схематические изображения вида сбоку и вида сверху, 100 и 105, соответственно, полупроводникового устройства, которое может быть изготовлено и использовано в соответствии с техническим решением, раскрытым в настоящем документе. Схематические изображения 100 и 105 показывают относительные положения различных элементов, но не в масштабе. Полупроводниковое устройство включает в себя исток 110, сток 120 и затвор (например, вывод затвора) 130. Исток 110 и сток 120 соединены посредством проводящего канала, выполненного с наноструктурой 140. Фактически, наноструктура 140 может обеспечивать электропроводящий канал. Наноструктура 140 может включать в себя полупроводниковую нанопроволоку (такую как кремниевая нанопроволока), полупроводниковую нанотрубку (такую как углеродная нанотрубка или полимерная нанотрубка с полупроводниковыми свойствами), полупроводниковую наноленту (такую как графеновая или MoS₂ нанолента) или другую полупроводниковую наноструктуру или сочетание двух или более из вышеперечисленных. Часть 150 наноструктуры 140, но не вся она, модифицирована так, чтобы иметь повышенную плотность состояний ловушек по сравнению с другими (например, немодифицированными) частями наноструктуры 140. Модифицированная часть 150 может быть дополнительно функционализирована с помощью активного фрагмента, такого как чувствительный фрагмент 160. Один или более чувствительных фрагментов 160 связаны с наноструктурой 140 посредством линкера 165. Линкер 165 может быть частью чувствительного фрагмента 160 или конъюгирован с ним посредством соответствующих биохимических реакций. Например, связующий элемент 165 может быть использован для связи одного фрагмента 160 с модифицированной частью 150 наноструктуры 140. В некоторых примерах один или более чувствительных фрагментов 160 связаны с одной или более модифицированными областями (например, с частью (частями) 150) наноструктуры 140.

[0076] В некоторых примерах полупроводниковое устройство является частью устройства, которое дополнительно включает в себя контейнер 170, по меньшей мере частично заключающий в себе наноструктуру 140, причем контейнер 170 для приема раствора аналита обеспечивает электрическую связь между выводом затвора и наноструктурой 140. Контейнер 170 может представлять собой открытый или закрытый контейнер, заключающий в себе раствор 175 аналита, так что данный раствор находится в контакте с наноструктурой 140. Вступление химической частицы 179 (например, нуклеотида) из раствора 175 аналита в контакт с чувствительным фрагментом 160 вызывает изменение электрического заряда или электрического поля в проводящем канале наноструктуры 140. Таким образом, информация о частице 179 аналита может быть получена путем наблюдения изменений в заряде или электрическом поле полевого транзистора, содержащего исток 110, сток 120 и затвор 130. Как дополнительно будет обсуждаться ниже, поскольку модифицированная часть 150 наноструктуры 140 имеет другую плотность состояний ловушек, это можно эффективно использовать для повышения соотношения сигнал/шум для сигнала, генерируемого, когда частица 179 взаимодействует с чувствительным фрагментом 160.

[0077] Как показано на фиг. 1А и 1В, исток 110, сток 120 и/или наноструктура 140 расположены поверх изолирующего слоя 180, который содержит, например, диоксид кремния. В свою очередь, изолирующий слой 180 расположен поверх подложки, например кремниевой подложки 190. Кремниевая подложка 190 может включать в себя вывод 195 корпуса для приложения электрического потенциала к подложке 190, что, в свою очередь, можно использовать для регулировки рабочих характеристик полупроводникового устройства. В одном из примеров вывод 195 корпуса соединен с входом модулированного сигнала, а вывод 130 затвора соединен с неизменным напряжением (например, с питанием или с землей). В другом примере вывод 130 затвора соединен с входом модулированного сигнала, а вывод 195 корпуса соединен с неизменным напряжением (например, с питанием или с землей). В некоторых вариантах реализации исток 110, сток 120 и канал могут быть изготовлены в объемной полупроводниковой подложке и изолированы от остальной цепи посредством меза- или узкощелевой изоляции.

[0078] Кроме того, как показано в некоторых примерах, выводы 110 истока и стока 120, а также часть наноструктуры 140 может окружать изолирующий материал, например, полиметилметакрилат (РММА). Изолирующие оболочки 197 и 198 обеспечивают электрическую изоляцию истока 110 и стока 120, а также химическую стойкость. В некоторых примерах требуется, чтобы изолирующие оболочки 197 и 198 были химически инертны к раствору 175 аналита.

[0079] В некоторых примерах модифицированная часть 150 наноструктуры 140 создана частью, функционализированной активным фрагментом 165, что, в свою очередь, увеличивает плотность состояний ловушек в этой части наноструктуры 140 из-за разрушения наноструктурной решетки. В некоторых примерах модифицированная часть 150 наноструктуры 140 сформирована путем ионной имплантации, облучения энергетическим пучком, воздействия плазмы или их сочетания. В некоторых примерах модифицированная часть 150 наноструктуры 140 сформирована путем ионной имплантации. В некоторых примерах модифицированная часть 150 наноструктуры 140 сформирована путем диффузии. В некоторых примерах модифицированная часть 150 наноструктуры 140 сформирована путем плазменной обработки. В некоторых примерах модифицированная часть 150 наноструктуры 140 сформирована путем облучения энергетическим пучком, например пучком электронов или ионов гелия (Не). В некоторых примерах модифицированная часть 150 сформирована путем соединения фермента или аптамера с модифицированной частью 150, что разрушает атомные связи наноструктуры 140. В некоторых примерах присоединенный фермент или аптамер ковалентно связан с модифицированной частью 150 наноструктура 140. В некоторых примерах активный фрагмент 165 представляет собой одну частицу одного из следующего: один фермент, одно антитело и один аптамер. В других примерах активный фрагмент 165 включает в себя две или более молекул фермента, антитела и/или аптамера. В некоторых примерах активный фрагмент 165 является частью антитела, аптамера или полимеразы. В некоторых примерах требуется, чтобы повышенная плотность состояний ловушек находилась в диапазоне от приблизительно 1×10¹² ловушек/см² до приблизительно 1×10¹⁴ ловушек/см² (например, в любом из: от приблизительно 1×10¹² ловушек/см² до приблизительно 1×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 1×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 1×10¹⁴ ловушек/см², от приблизительно 5×10¹² ловушек/см² до приблизительно 5×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 1×10¹² ловушек/см² до приблизительно 5×10¹² ловушек/см², от приблизительно 5×10¹² ловушек/см² до приблизительно 1×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 1×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 5×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 5×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 1×10¹⁴ ловушек/см², от приблизительно 2×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 6×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 3×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 7×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 4×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 8×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 5×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 9×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 1x1 о¹³ ловушек/см² до приблизительно 2×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 2×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 3×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 3×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 4×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 4×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 5×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 5×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 6×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 6×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 7×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 7×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 8×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 8×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 9×10¹³ ловушек/см² и от приблизительно 9×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 1×10¹⁴ ловушек/см²). В некоторых примерах желательно, чтобы повышенная плотность состояний ловушек находилась в диапазоне от приблизительно 1×10¹² ловушек/см² до приблизительно 1x1 о¹⁴ ловушек/см² (например, в любом из: от приблизительно 1×10¹² ловушек/см² до приблизительно 1x1 о¹³ ловушек/см², от приблизительно 1×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 1×10¹⁴ ловушек/см², от приблизительно 5×10¹² ловушек/см² до приблизительно 5×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 1×10¹² ловушек/см² до приблизительно 5×10¹² ловушек/см², от приблизительно 5×10¹² ловушек/см² до приблизительно 1x1 о¹³ ловушек/см², от приблизительно 1×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 5×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 5×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 1x1 о¹⁴ ловушек/см², от приблизительно 2×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 6×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 3×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 7×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 4×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 8×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 5×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 9×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 1×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 2×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 2×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 3×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 3×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 4×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 4×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 5×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 5×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 6×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 6×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 7×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 7×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 8×10¹³ ловушек/см², от приблизительно 8×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 9×10¹³ ловушек/см² и от приблизительно 9×10¹³ до приблизительно 1×10¹⁴ ловушек/см²). В некоторых примерах желательно, чтобы повышенная плотность состояний ловушек находилась в диапазоне от приблизительно 3×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 4×10¹³ ловушек/см² (например, от приблизительно 3×10¹³ ловушек/см² до приблизительно 4×10¹³ ловушек/см²).

[0080] Когда полупроводниковое устройство работает, разность потенциалов прикладывается к истоку 110 и стоку 120. Например, исток 110 может поддерживаться с потенциалом заземления, а более высокий потенциал прикладывается к стоку 120, например, от источника питания или от другого транзистора, который, в свою очередь, связан с источником питания. Полупроводниковое устройство придет во включенное состояние (например, линейное или насыщенное рабочее состояние), когда напряжение, приложенное к затвору 130, превысит пороговое значение напряжение для полупроводникового устройства. Пороговое значение напряжения обычно измеряют между затвором 130 и истоком 110. В некоторых примерах на затвор 130 подают изменяющийся во времени электрический сигнал (например, изменяющийся по напряжению сигнал), что, в свою очередь, вызывает соответствующее изменение тока, проходящего между истоком 110 и стоком 120 полупроводникового устройства. В некоторых примерах изменяющийся во времени электрический сигнал (например, изменяющийся по напряжению сигнал) подают на исток 110 или сток 120, что, в свою очередь, вызывает изменение тока, проходящего между истоком 110 и стоком 120 полупроводникового устройства. Когда молекулы, такие как молекула 179, взаимодействуют с чувствительным фрагментом 160, возникает небольшое изменение порогового значения напряжения полупроводникового устройства. Таким образом, наблюдая и измеряя изменения порогового значения напряжения, например, наблюдая за изменениями тока, проходящего через устройство, или напряжения на стоке 120, можно получить информацию о взаимодействующей молекуле 179 и растворе 175 аналита. В примерах, когда затвор 130 принимает изменяющийся во времени электрический сигнал, вывод 195 корпуса может поддерживаться при постоянном потенциале, например, при потенциале заземления. В других примерах затвор 130 поддерживается при постоянном потенциале, а изменяющийся во времени электрический сигнал подают для изменения напряжения на выводе 195 корпуса, наблюдая изменения тока, проходящего через устройство, или напряжения на стоке 120.

[0081] Хотя в примере по фиг. А и 1В показана горизонтальная ориентация наноструктуры 140 относительно подложки 190, для специалиста в данной области техники будет очевидно, что преимущество настоящего изобретения состоит в том, что в технических решениях, раскрытых в настоящем документе, также можно использовать другие ориентации наноструктуры 140, например, вертикальные ориентации относительно подложки 190. В наноструктурах с вертикальной ориентацией плотности состояний ловушек можно регулировать аналогичным образом, как описано выше, например, путем имплантации ионов в часть наноструктуры 140, путем выполнения локализованного легирования части наноструктуры или путем регулирования состава исходного материала в процессе химического осаждения из газовой фазы, когда наноструктуру 140 наносят на подложку 190.

[0082] Подходящие линкерные молекулы 165 могут быть выбраны в зависимости от природы оксида затвора. Для SiO₂ можно использовать силаны или другие молекулы, подходящие для биохимической конъюгации. Для материалов затвора из оксидов металлов (таких как HfO₂ и AlO₃) можно использовать фосфонаты, гидроксаматы, гидразин и их сочетания или другие молекулы, подходящие для биохимической конъюгации. Для материалов на основе углерода можно использовать пирен, антрацен, карбоксилат (и их сочетания) или другие молекулы, подходящие для биохимической конъюгации. Тип выбранной легирующей примеси зависит от того, должны ли требуемые состояния ловушек быть донорами, акцепторами или нейтральными. Соответствующие виды легирующих примесей можно выбрать из схемы 1300, рассматриваемой ниже в связи с фиг. 13. Например, имплантированный углерод (С) может создавать краевые состояния проводимости, в то время как имплантированный индий (In) может создавать краевые валентные состояния.

IV. Пример полупроводникового устройства с модифицированной плотностью состояний ловушек

[0083] В традиционных полевых транзисторах (FET), когда размер одного или более измерений (например, длины, эффективной ширины или длины канала) полевого транзистора превышает приблизительно 100 нм, присутствие (неизбежное) состояний ловушек проявляется в шуме 1/f. Однако когда размер полевого транзистора становится менее приблизительно 50 нм, спектр шума резко изменяется и проявляется в виде бистабильного уровня тока, называемого случайным телеграфным шумом (RTN, от англ. random telegraph noise).

[0084] График 200, изображающий пример изменений тока, проходящего в функционализированном полевом транзисторе, представлен на фиг. 2.

[0085] График 300 проходящего тока, демонстрирующий RTN в 20 нм FET, представлен на фиг. 3. Как показано, сигнал является бистабильным и колеблется случайным образом между двумя дискретными уровнями.

[0086] Источником RTN является захват ловушкой и освобождение из ловушки одного носителя заряда в канале FET. На фиг. 4 иллюстрируются энергетические уровни, которые могут быть заняты носителями заряда в полупроводниковом материале, как это может использоваться в техническом решении, раскрытом в настоящем документе. Ловушки обычно классифицируются как акцепторные ловушки 400 или донорные ловушки 410. Состояния ловушек влекут за собой энергии, превышающие тепловую энергию полупроводникового материала для ионизации и, таким образом, не стремятся вносить свободные носители в полупроводниковый материал. Таким образом, состояния ловушек в материале стремятся ограничивать поток заряда. При наличии ловушек обоих типов удобным обозначением для описания зонной структуры полупроводника является понятие нейтрального уровня Е₀. Все состояния выше или ниже Е₀ считаются акцепторными или донорными состояниями, соответственно. Когда уровень Ферми E_F выше или ниже Е₀, результирующий заряд ловушек является отрицательным или положительным, соответственно, как показано на графике 420.

[0087] Когда к поверхности полупроводника прикладывают напряжение, например, в результате биохимической реакции, которая наносит заряд рядом с поверхностью датчика, ловушки (и, следовательно, нейтральный уровень Е₀) границы раздела перемещаются вверх или вниз с краями зоны проводимости и валентной зоны, в то время как уровень Ферми E_F остается неизменным. Это приводит к относительному изменению смещения между E_F и Е₀ и, следовательно, изменению фиксированного заряда на границе раздела оксид/полупроводник, ΔC_ox, что, в свою очередь, сдвигает пороговое напряжение транзистора, как описано Уравнением 1:

[0088] Этот сдвиг V_T превышает сдвиг, вызванный биохимической реакцией. Поэтому, основываясь только на Уравнении 1, можно ожидать, что датчик с состояниями ловушек будет демонстрировать превосходную чувствительность. Однако также известно, что состояния ловушек уменьшают отклик транзистора, снижая наклон на кривой перехода I_DV_G, как показано на графике 500, представленном на фиг. 5. Ось х соответствует напряжению затвор-исток (V_G), а ось у соответствует току (I_D) стока FET. Для увеличения локальных плотностей состояний ловушек ток стока снижается, как показано (плотность состояний ловушек 0,0 (номер позиции 510); 1×10¹³ (520); 5×10¹³ (530) и 1×10¹⁴ (540)).

[0089] Поскольку отклик датчика прямо пропорционален и, как показано на графике 600 на фиг. 6, состояния ловушек уменьшают наклон кривой I_DV_G, при этом имеются два конкурирующих воздействия на чувствительность датчика -повышающее из-за дополнительной модуляции ΔC_ox и понижающее из-за уменьшения наклона кривой I_DV_G, что приводит к общему максимуму при определенной плотности ловушек. Ось х соответствует плотности ловушек, а ось у соответствует зарядной чувствительности FET в чувствительной области. Показана чувствительность FET для повышения ΔC_ox (610) и для соответствующего понижения тока I_D стока (620). Также показана комбинированная чувствительность, основанная на этих двух факторах (630), которая демонстрирует максимум (640).

[0090] Как будет очевидно специалисту в данной области техники, использующему преимущества настоящего изобретения, локализация ловушек вблизи измеряемой биохимической реакции увеличивает расчетное повышение чувствительности, так как состояния ловушек за пределами более чем нескольких дебаевских длин от локали биохимической реакции способствуют снижению I_DV_G, но не модуляции ΔC_ox.

[0091] Ожидаемое поведение датчика при наличии состояний ловушек может быть подтверждено подробным моделированием. Пример геометрии моделирования полупроводникового устройства, которая может быть реализована в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе, показана на чертеже 700 на фиг. 7. На рисунке показана кремниевая нанопроволока (710) шириной 20 нм и длиной 100 нм с высоколегированными областями (720 и 725, соответственно) истока/стока, при этом оксид затвора толщиной 2 нм погружен в 10 мМ солевой раствор (730). Отклик датчика оценивали путем вычисления разности ΔI на кривых I_DV_G с внешним зарядом +2е (740) (где е - элементарный заряд электрона), расположенным на расстоянии 1 нм от поверхности оксида затвора, и без внешнего заряда. Отношение сигнал/шум (ОСШ) вычисляется как ΔI/δI, где δI - расчетный шум от нанопроволоки, аппроксимированный по компоненту шума Джонсона, дробового эффекта и 1/f. Шум 1/f вычисляют по модели Хуга S²(f) = α/Nf, где α - постоянная Хуга (2,1×10^-3), N - число носителей в канале, a f - частота. В этом примере моделирования была принята полоса измерения 100 кГц. Плотность состояний ловушек увеличивается до величин, изменяющихся между 10¹² и 10¹⁴/см² в показанной чувствительной области 750, которая находится между внешним зарядом 740 и нанопроволокой 710.

[0092] На фиг. 8 представлен график 800, изображающий зависимость ΔI от V_G (810) для датчика, изображенного на фиг. 7 с плотностью ловушек N_t = 10¹²/см². Вычисленное ОСШ (ΔI/δI) как функция V_G также отображено (820). Сильный пик 825 возле точки максимальной крутизны наблюдается при V_G ~ 0,4 В.

[0093] На фиг. 9 представлен график 900 с кривой 910 зависимости ОСШ от N_t для серии таких вычислений, выполненных для состояний со средним зазором с N_t = 0-10¹⁴/см². Наблюдается пиковый ответ, как и ожидалось, исходя из предыдущего обсуждения, с почти 3-кратным повышением ОСШ по сравнению со случаем без ловушек.

[0094] Следует отметить, что величина повышения ОСШ и удельная плотность ловушек максимального ОСШ зависят от большого числа факторов - деталей конструкции транзистора, солености электролита, положения состояний ловушек относительно внешнего заряда и границы раздела канал/оксид затвора, положения состояний ловушек относительно зоны проводимости и валентной зоны полупроводника и других соответствующих факторов. В то время как пиковое усиление ОСШ может меняться и может быть эмпирически отрегулировано для факторов, влияющих на характеристики FET (например, легирование истока, легирование канала, расстояние перекрытия, толщина оксида затвора, глубина области истока, стока и перекрытия и т.д.), общая форма отклика меняться не будет. Другими словами, намеренное введение соответствующих целевых состояний ловушек в чувствительной зоне обычно улучшает отклик датчика.

[0095] На фиг. 10 представлена схема 1000 ковалентного прикрепления чувствительного фрагмента к поверхности нанопроволоки. Создание ковалентных связей разрушает атомные связи вблизи места 1010 присоединения и создает локализованные состояния ловушек. Выбор используемых линкерных молекул зависит от природы поверхности FET-датчика. Подходящие примеры линкерных молекул, которые можно использовать, включают в себя, но не ограничиваются этим: силаны для SiO₂; фосфонаты, гидраматы и гидразины для оксидов металлов, таких как HfO₂; пирен, антрацен и карбоксилат для поверхностей на основе углерода или любого другого ряда из множества подходящих реакций биоконъюгации.

[0096] На фиг. 11 представлена схема 1100, иллюстрирующая, что плотность и положение состояний ловушек можно регулировать сверху вниз с помощью уже существующих технологий изготовления полупроводников или с использованием облучения заряженным пучком (например, электронным пучком, ионным пучком, плазменным облучением или ионной имплантацией нелегирующих частиц).

[0097] На фиг. 12 представлено схематическое изображение 1200, иллюстрирующее, что плотность и положение состояний ловушки также можно регулировать с помощью локализованного легирования. Для горизонтальных нанопроволок легирование обеспечивается посредством имплантации или диффузионного легирования. Для вертикальных нанопроволок легирование также можно регулировать во время выращивания.

[0098] Как показано на схеме 1300 на фиг. 13, частицы и доза имплантата могут быть выбраны для создания ловушек требуемого типа в соответствии с измеренными энергиями ионизации для различных примесей в Si и с учетом других ограничений оптимизации, налагаемых выбранной технологией изготовления FET.

V. Пример использования подачи сигнала, используемого для преодоления дебаевского экранирования

[0099] В одном примере, с точки зрения физики, ионный раствор, такой как Na+Cl- или K+Cl-, неотличим от любой совокупности положительных и отрицательных ионов и может быть описан в более общем виде как плазма. Все плазмы имеют характерную частоту, называемую «плазменная частота» (PF, от англ. plasma frequency), выше которой они становятся прозрачными для приложенного электрического сигнала. Частота плазмы пропорциональна m^-1/2, где m - масса заряженных частиц. Выше плазменной частоты электрическое поле изменяется слишком быстро, и инерция заряженных частиц не позволяет им перемещаться вместе с электрическим полем и поглощать энергию из него.

[00100] Металлы являются распространенным примером мишеней, используемых для генерирования плазмы. Металлы полностью непрозрачны для видимого излучения, но могут быть прозрачными для рентгеновских лучей. Газовая плазма (например, Ar+/е-) непрозрачна до нескольких сотен кГц, но становится прозрачной в МГц-диапазоне. Аналогично, можно ожидать, что ионные растворы солей, в которых носители заряда имеют массу, аналогичную N, Ar, станут прозрачными в МГц-диапазоне.

[00101] С точки зрения измерения переход ионного раствора из непрозрачного состояния в прозрачное имеет важное значение. Ниже плазменной частоты электрические поля в растворе затухают как exp(-x/L_D)/x, где L_D - дебаевская длина плазмы. Выше плазменной частоты электрические поля в растворе затухают как 1/х, с гораздо меньшей скоростью затухания. Отношение скорости затухания ниже/выше плазменной частоты составляет exp(-x/L_D).

[00102] Вернемся к фиг. 1, раствор 175 аналита, который находится в контакте с наноструктурой, в общем может быть описан как плазма. Такие плазмы имеют характерную частоту, называемую плазменной частотой, выше которой они становятся прозрачными для аналитов в растворе. Путем приложения электрического сигнала выше плазменной частоты к затвору 130, инерция заряженных частиц в растворе препятствует их движению с электрическим полем и, таким образом, прекращает поглощение энергии, тем самым становясь прозрачным.

[00103] Для биологических растворов в диапазоне от приблизительно 10 мМ до приблизительно 100 мМ, L_D находится в диапазоне от приблизительно 0,3 нм до приблизительно 3 нм. Это может иметь значение для биодатчиков, работающих по принципу полевого эффекта, поскольку во многих примерах биодатчики реагируют на поля, создаваемые в пределах от 1 нм до 3 нм от поверхности датчика. Даже тогда поля ослабляются до достижения поверхности датчика до такой степени, которая ограничивает или сводит на нет обнаружение датчиком соответствующего полевого эффекта. Например, электрическое поле заряда на расстоянии 2 нм от датчика, погруженного в раствор 50 мМ, будет ослаблено в ~7х (е^-2) раз сильнее ниже плазменной частоты, чем выше нее. Таким образом, потенциал для повышения ОСШ при работе выше плазменной частоты является значительным.

VI. Первый пример цепи для приложения и измерения сигнала полевых транзисторов

[00104] На фиг. 14 представлен график 1400, отображающий ток I_D примерного полевого датчика (углеродная нанотрубка), погруженного в 100 мМ NaCl, при отсутствии (1410) и при наличии (1420) связывания стрептавидин/биотин на его поверхности. График показывает связывание биотин-стрептавидин на его поверхности в зависимости от частоты измерения. Концентрация NaCl составляет 100 мМ, а дебаевская длина составляет ~0,3 нм. Как показано, из-за сильного экранирования (L_D~0,3 нм) датчик не способен обнаружить присутствие биотина ниже 2 МГц. Напротив, четкий дифференциальный отклик наблюдается выше 10 МГц, что превышает расчетную плазменную частоту раствора NaCl.

[00105] В некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе, для измерения ID может использоваться цепь 1510 измерения тока смешения с амплитудно-модулированным (AM) входным сигналом, как показано на схеме 1500 на фиг. 15. Однако для больших матриц датчиков (например, матриц с сотнями или тысячами или более датчиков) использование таких цепей может стать громоздким, и использование таких цепей может оказаться невозможным в современных технологических процессах для матриц, состоящих из миллионов датчиков.

[00106] Кроме того, могут возникнуть по меньшей мере две проблемы со схемами измерения, которые используют такую цепь измерения тока смешения. Во-первых, высокочастотный РЧ-сигнал подается на каждый датчик при управлении фазовым сдвигом сигнала. Эта проблема аналогична проблеме распределения тактовых сигналов в современном микропроцессоре. Тогда как проблемы с цепью можно решить путем использования подходящих цепей и методов проектирования, имеется стоимость полезной площади на чипе, которую нельзя использовать для измерения. Вторая проблема - это использование усиления с попиксельной синхронизацией. Синхронизирующие усилители представляют собой сложные цепи, которые при реализации приводят к значительным накладным расходам с точки зрения площади на интегральной схеме.

VII. Второй пример цепи для приложения и измерения сигнала полевых транзисторов, раскрытых в настоящем документе

[00107] В некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе, цепи с управляемыми напряжением генераторами (VCO, от англ. voltage-controlled oscillator) в конфигурации с фазовой автоподстройкой частоты (PLL, от англ. phase-locked loop) используются для генерирования и детектирования высокочастотного сигнала на датчике. Схематическая иллюстрация 1600 примерного датчика показана на фиг. 16. Нечетное число инверторов (на показанном рисунке три: 1610, 1611 и 1612) образуют кольцевой генератор 1620, который резонирует с неизменной частотой. Биологическая реакция, представленная в обобщенном виде как фермент 1630, присоединенный к затвору одного из транзисторов в инверторах генератора, таким образом, обеспечивает переменную нагрузку на один или более затворов полевых транзисторов в кольцевом генераторе, что смещает его резонансную частоту. В других примерах к одному затвору транзистора можно присоединить более одного фермента. Частота колебаний кольцевого генератора (RO, от англ. ring oscillator) зависит от технологии, используемой для изготовления инверторов, и количества инверторов в генераторе. Для современных технологий изготовления комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (CMOS, от англ. complementary metal-oxide-semiconductor) резонансная частота трехступенчатого генератора может достигать нескольких ГГц. В некоторых примерах более чем одна ступень инвертора кольцевого генератора функционализирована посредством различных фрагментов, которые оказывают различное влияние на частоту колебаний в присутствии биологической реакции -например, одна ступень может отвечать путем увеличения частоты колебаний генератора, а другая может отвечать уменьшением частоты колебаний. Такие реализации могут быть особенно востребованы в некоторых примерах мультиплексного измерения.

[00108] Пример подходящей цепи для каждой из ступеней инвертора показан на схеме 1700 на фиг. 17. Два транзистора, один PMOS 1710 и один NMOS 1720, соответственно называемые нагрузочным (PU, от англ. pull-up) и разгрузочным (PD от англ. pull down) транзисторами, соединены, как показано на фиг. 17. Когда сигнал на порте IN (входа) высокий, PU-транзистор будет отключен, а PD-транзистор включен, что приводит к низкому потенциалу на порте OUT (выхода). И наоборот, когда сигнал IN низкий, PD-транзистор будет отключен, а PU-транзистор включен, что приводит к высокому потенциалу на порте OUT. Таким образом эта цепь инвертирует полярность входного сигнала, отсюда и название «инвертор».

[00109] В некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе, фермент, например, полимераза, будет прикреплен к затвору либо PU-, либо PD-транзистора одной из ступеней инвертора RO. Электрическое поле, создаваемое ферментом, работающим на его субстрате дикого типа (например, дезоксинуклеотидах (dNTP), или на модифицированном субстрате (например, dNTPs с меткой заряда, в качестве неограничивающего примера), изменит характеристики конкретной ступени инвертора зависящим от времени образом и, таким образом, изменит резонансную частоту кольцевого генератора 1620. В некоторых примерах полевой транзистор, к которому прикреплен фермент, может иметь повышенную локальную плотность состояний ловушек рядом или там, где фермент связан с наноструктурным каналом. В инвертор по фиг. 17 можно добавить дополнительный компонент 1730 для моделирования фермента, связанного с транзисторным каналом вблизи или в области повышенной локальной плотности состояний ловушек. Таким образом, в этом примере кольцевой генератор 1620 ведет себя как генератор, управляемый биологически-обусловленным напряжением (b-VCO, от англ. biologically-driven voltage controlled oscillator). В некоторых примерах только FET, связанный с ферментом, имеет наноструктурный канал, а другие FET являются транзисторами PMOS или NMOS с металлическим или поликремниевым затвором. В некоторых примерах все FET в кольцевом генераторе 1620 имеют наноструктурные каналы (например, нанотрубочный или нанопроволочный канал). В некоторых примерах только FET, связанный с ферментом, контактирует с раствором аналита, тогда как в других примерах один или более или все FET контактируют с раствором аналита.

[00110] Одним из эффективных способов обнаружения небольших изменений резонансной частоты b-VCO является использование контура фазовой автоподстройки частоты (PLL, от англ. phase-locked loop). В некоторых примерах PLL включает в себя два VCO: один b-VCO, частотой которого управляет измеряемая биологическая реакция, и один генератор, который отслеживает изменения частоты b-VCO путем регулировки напряжения, подаваемого извне, для поддержания постоянной разности фаз между собственным колебанием и колебанием b-VCO. В настоящем документе, этот второй VCO называется VCO обнаружения или s-VCO (от англ. sense VCO).

[00111] Как показано на схеме 1800 на фиг. 18, работа цепи такого типа может быть подтверждена с помощью SPICE-моделирования. Указанный b-VCO можно смоделировать как кольцевой генератор 1810, где внешний источник 1820 подает небольшое возмущение на вход одной из ступеней 1830 инвертора, как показано на фиг. 18.

[00112] Небольшое напряжение V_{сигнала} от источника 1820 напряжения подается на вход второй ступени 1830 инвертора параллельно с нормальным сигналом от основного контура RO. Сигнал от b-VCO отводится в точке ОБНАРУЖЕНИЕ и подается на s-VCO для отслеживания фазы.

[00113] Остальная часть PLL моделируется, как показано на схеме 1900 на фиг. 19. Сумматор напряжения, обозначенный как PD, добавляет выходы b-VCO и s-VCO. Фильтр нижних частот, содержащий резисторы R1 и конденсатор С1, преобразует высокочастотный сигнал в напряжение постоянного тока, которое пропорционально разности фаз между колебаниями b-VCO и s-VCO. Усилитель, обозначенный как FG, усиливает этот сигнал постоянного тока и передает его обратно в s-VCO, обеспечивая тем самым контур обратной связи, в котором частота s-VCO регулируется для поддержания нулевого градуса смещения посредством сигнала от b-VCO. Выход усилителя FG также контролируется триггером А1 Шмидта, который запускается, при создании заданного напряжения, логической единицей (1), когда напряжение от FG выше определенного уровня, и логическим нулем (0) в противном случае. Следует отметить, что усилитель FG и триггер Шмидта добавляются к моделируемой цепи для моделирования приборов и не обязательно используются при фактической реализации. Следует также отметить, что реализация цепи PLL, описанная в настоящем документе, является иллюстративным примером, и что могут быть использованы другие реализации цепи, что будет легко понятно для специалистов в данной области техники, использующих преимущества настоящего раскрытия.

[00114] На фиг. 20 представлено несколько графиков (2000, 2010, 2020 и 2030), показывающих сигналы напряжения, наблюдаемые в различных точках в цепи, показанной на схеме 1900 на фиг. 19. Входной сигнал 2000 имеет ОСШ 0,3 и не может быть вызван одноуровневым триггером. Выходной сигнал 2010 имеет ОСШ>10 и легко вызывается с помощью одноуровневого триггера. Триггер выдает логику 1 выше 28 мВ и логику 0 ниже этого уровня. Промежуточный сигнал, наблюдаемый на выходе усилителя FG, также показан на графике 2020. Идеализированный отклик от фермента моделируется в виде смоделированного изменения выходного напряжения с помощью сумматора напряжения PD, используемого для моделирования взаимодействия с ферментом обнаружения, что показано на графике 2030, а также показано на фиг. 20.

[00115] Следует отметить, что частота колебаний трехступенчатых кольцевых генераторов, используемых в этом моделировании, составляет приблизительно 6 ГГц, как показано на графике 2100 на фиг. 21. Это значительно выше плазменной частоты используемого ионного раствора NaCl, которая составляет приблизительно 2 МГц (см. фиг. 14). Таким образом, демонстрируется повышенная чувствительность для датчика по фиг. 1А-1В. Частота примерного кольцевого генератора также значительно выше полосы пропускания расчетного сигнала (приблизительно 100 кГц - 1 МГц), который настроен таким образом, чтобы PLL могла отвечать.

[00116] В заключение следует отметить, что фазовые автоподстройки частоты с генераторами b-VCO могут быть использованы для измерения шумовых биологических сигналов, особенно при биологически релевантных концентрациях соли. В некоторых примерах используется плотность состояний ловушек FET-биодатчика, используемого в конфигурациях кольцевого генератора, раскрытых в настоящем документе. Цепи могут преимущественно демонстрировать меньшее использование площади интегральных схем и могут быть реализованы в узлах освоенной технологии. Например, на фиг. 16-20, два VCO используют в общей сложности 6 транзисторов, плюс дополнительные 6-10 транзисторов для фазового детектора. Выходной сигнал цепи изменяется с частотой в диапазоне от приблизительно 10 кГц до приблизительно 100 кГц, что значительно ниже частот МГц+, используемых для реализации способа синхронизации. Таким образом, способ позволяет расширить схему высокочастотного обнаружения до тысяч и, возможно, миллионов датчиков в одной матрице интегральной схемы.

VIII. Пример реализации системы с использованием полевых датчиков, раскрытых в настоящем документе

[00117] На фиг. 22 представлена блок-схема 2200, иллюстрирующая систему, которая может использоваться для анализа растворов аналитов с использованием FET-датчиков, имеющих повышенную чувствительность за счет локализованных изменений плотности состояний ловушек, что может использоваться в определенных примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе. Как показано, матрица 2210 полупроводниковых устройств имеет проводящие каналы с модифицированными плотностями состояний ловушек в соответствии с техническими решениями, рассмотренными в настоящем документе. В некоторых примерах каждое из полупроводниковых устройств или групп устройств из матрицы 2210 имеет соответствующий контейнер для приема раствора аналита. Такая реализация была бы полезна для мультиплексированных измерений на одном чипе. В других примерах контейнер может принимать раствор аналита и быть выполненным с возможностью контакта с проводящими каналами двух или более полупроводниковых устройств. Провода, ведущие к выводам полупроводникового устройства и от них, соединены с измерительной цепью 2220, как раскрыто в настоящем документе. Например, цепь фазового обнаружения, включающая в себя реализации кольцевого генератора, раскрытые в настоящем документе, может быть соединена с каждым соответствующим полупроводниковым устройством матрицы. В некоторых примерах измерительная цепь реализована на той же подложке, что и матрица. В других примерах вся или часть полупроводниковой цепи реализована на отдельной интегральной схеме, которая соединена с подложкой, поддерживающей матрицу. Например, измерительная цепь может быть подключена к матрице посредством проводящих дорожек на печатной плате, внутри многочипового модуля или в мультикристаллическом блоке.

[00118] Интерфейсная цепь 2230 передает аналоговые сигналы в измерительную цепь 2220 и принимает указанные сигналы из нее, чтобы управлять работой и обнаруживать электрические изменения, вызванные в полупроводниковых устройствах матрицы. В некоторых примерах измерительная цепь включает в себя кольцевой генератор, соединенный с каждым из полупроводниковых устройств, реализующих FET-биодатчик. В других примерах измерительная цепь 2220 принимает выходные сигналы от двух или более FET-биодатчиков. Интерфейс, в свою очередь, может преобразовывать аналоговые сигналы в подходящее цифровое кодирование для использования одним или более процессорами 2245 в компьютере 2240 секвенатора. Секвенатор 2240 может также включать в себя память 2250, энергонезависимое запоминающее устройство 2255, а также участки 2260 ввода-вывода.

IX. Пример способа изготовления полупроводниковых устройств

[00119] На фиг. 23 представлена блок-схема 2300, очерчивающая примерный способ изготовления, который может быть выполнен в некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе. Например, полупроводниковые устройства, такие как раскрытые выше, могут быть изготовлены с использованием проиллюстрированного способа.

[00120] В технологическом блоке 2310 наноструктуру наносят на подложку, имеющую по меньшей мере одну область истока и по меньшей мере одну область стока внутри или поверх подложки для формирования электропроводящего канала между областью истока и областью стока. Наноструктура имеет отрегулированную плотность состояний ловушек для части, но не для всей наноструктуры. Например, плотность состояния ловушек можно повысить или понизить в соответствии с выбранной плотностью состояний ловушек. В некоторых примерах повышенная плотность состояний ловушек индуцируется в наноструктуре путем ковалентного связывания активного фрагмента с частью наноструктуры. Таким образом, связывание с активным фрагментом создает состояния ловушек, которые являются самосовмещаемыми с местоположением фрагмента. В некоторых примерах плотность состояний ловушек повышают путем имплантации ионов в наноструктурную часть. В некоторых примерах выполняют локализованное легирование, чтобы повысить плотность состояний ловушек части наноструктуры. В некоторых примерах плотность состояний ловушек повышают, регулируя состав исходного материала в процессе химического осаждения из газовой фазы при нанесении наноструктуры на подложку. В некоторых примерах наноструктура содержит одну или более кремниевых нанопроволок, графеновых нанолент, нанолент из MoS₂ и/или углеродных нанотрубок.

[00121] В некоторых примерах способа для полупроводникового устройства выбирают один или более параметров. Например, выбирают требуемый параметр ΔC_ox, требуемый ток стока для измерения отклика напряжения или оба параметра. Выбирают требуемую плотность состояний ловушек, соответствующую модифицированному параметру (параметрам) для части наноструктуры. Плотность состояний ловушек можно повысить в соответствии с выбранной плотностью состояний ловушек. В некоторых примерах материал и/или дозу выбирают в соответствии с требуемой плотностью состояний ловушек.

[00122] В технологическом блоке 2320 активный фрагмент одной молекулы связывают с частью наноструктуры. Например, активный фрагмент может быть ковалентно связан с наноструктурой. В некоторых примерах с частью наноструктуры связывают более одной молекулы.

X. Пример способа использования полупроводниковых устройств

[00123] На фиг. 24 представлена блок-схема 2400, очерчивающая пример использования полупроводникового устройства, которое может быть выполнено в соответствии с техническим решением, раскрытым в настоящем документе. Например, полупроводниковые устройства, как обсуждалось выше, могут использоваться для реализации проиллюстрированного способа.

[00124] В технологическом блоке 2410 фермент связывают с каналом полевого транзистора рядом с чувствительной зоной. Полевой транзистор имеет вывод истока, вывод стока и наноструктуру для обеспечения проводящего канала между выводом истока и выводом стока. Чувствительная зона включает в себя область с относительно более высокой плотностью состояний ловушек на наноструктуре.

[00125] В технологическом блоке 2420 обеспечивают ионный раствор рядом с чувствительной зоной. Например, ионный раствор может включать в себя солевой раствор, имеющий выбранную соленость, и порции одного или более аналитов в растворе. В некоторых примерах раствор имеет соленость в диапазоне от приблизительно 1 мМ до приблизительно 500 мМ. Контейнер можно использовать для приведения ионного раствора в контакт с наноструктурой, включая чувствительную зону наноструктуры.

[00126] В технологическом блоке 2430 на вывод полевого транзистора подают сигнал. Например, изменяющийся во времени сигнал может быть подан на вывод затвора или ввод корпуса полупроводникового устройства. В некоторых примерах сигнал модулируют на частоте, превышающей по меньшей мере плазменную частоту используемого ионного раствора. Для одного примера подаваемый сигнал модулируют на частоте, превышающей приблизительно 1 МГц. Для другого примера частота может значительно превышать 10 МГц. Сигнал может подаваться на вывод затвора или вывод корпуса полевого транзистора. Например, сигнал подают на вывод корпуса полевого транзистора, а вывод затвора поддерживают при неизменном напряжении. В некоторых примерах изменяющийся во времени сигнал генерирует сама биологическая реакция, происходящая вблизи зоны обнаружения. Фактически, в примерах, раскрытых в настоящем документе, источником переменного сигнала может быть либо прикладываемый извне потенциал, либо переменный заряд или электрическое поле, создаваемое самой биологической реакцией.

[00127] В технологическом блоке 2440 детектируются изменения тока, протекающего через полевой транзистор, возникающие в ответ на подаваемый сигнал. Изменения протекающего тока вызваны изменениями проводимости устройства, которые будут наблюдаться, когда молекулы и аналит взаимодействуют со связанным фрагментом в зоне обнаружения. Эти изменения могут быть обнаружены с использованием, например, кольцевого генератора, в котором по меньшей мере один инвертор кольцевого генератора включает в себя полевой транзистор, имеющий зону обнаружения. В других примерах предусмотрены различные цепи для обнаружения фазовых изменений выходного сигнала полевого транзистора относительно сигнала, подаваемого на вывод транзистора. В некоторых примерах способ дополнительно включает в себя секвенирование последовательности нуклеотидов в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновой кислоты (РНК) на основании обнаруженных изменений. В других примерах способ дополнительно включает в себя обнаружение нуклеотида на основании обнаруженных изменений.

[00128] Некоторые примеры способа могут дополнительно включать в себя обеспечение цепи кольцевого генератора, имеющей по меньшей мере один инвертор кольцевого генератора, включающий в себя полевой транзистор, имеющий модифицированную зону обнаружения, как раскрыто в настоящем документе.

[00129] В некоторых примерах технического решения, раскрытого в настоящем документе, предусмотрены одно или более машиночитаемых запоминающих устройств или память, хранящие машиночитаемые инструкции, которые при исполнении компьютером, вынуждают компьютер выполнять по меньшей мере один из способов, раскрытых в настоящем документе. В некоторых примерах система выполнена с возможностью выполнения по меньшей мере части любого из способов, раскрытых в настоящем документе. В некоторых примерах система связана с машиночитаемыми запоминающими устройствами или памятью, хранящей машиночитаемые инструкции, которые при исполнении вынуждают систему выполнять по меньшей мере один из способов, раскрытых в настоящем документе.

[00130] Следует понимать, что все комбинации вышеупомянутых концепций и дополнительных концепций, рассмотренных более подробно ниже (при условии, что такие концепции не являются взаимно несовместимыми), рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящем документе. В частности, все комбинации заявленного объекта изобретения, приведенные в конце этого раскрытия, рассматриваются как часть объекта изобретения, раскрытого в настоящем документе. Следует также принимать во внимание, что терминология, непосредственно используемая в настоящем документе, которая также может присутствовать в любом документе, включенном посредством ссылки, должна соответствовать значению, наиболее совместимому с конкретными концепциями, раскрытыми в настоящем документе.

[00131] Во всем описании ссылка на «один пример», «другой пример», «пример» и т.д. означает, что конкретный элемент (например, признак, структура и/или характеристика) раскрытый в связи с указанным примером, включен по меньшей мере в один пример, раскрытый в настоящем документе, и может присутствовать или отсутствовать в других примерах. Кроме того, следует понимать, что описанные элементы для любого примера могут комбинироваться любым подходящим образом в различных примерах, если контекст явно не предписывает иное.

[00132] Несмотря на то, что несколько примеров были описаны подробно, следует понимать, что раскрытые примеры могут быть изменены. Следовательно, вышеприведенное описание следует считать неограничивающим.

Использование: для анализа растворов аналита. Сущность изобретения заключается в том, что раскрыты устройство и способы для одномолекулярных полевых датчиков, содержащих проводящие каналы, функционализированные одним активным фрагментом. Проводящий канал обеспечивает область наноструктуры (например, такой как кремниевая нанопроволока или углеродная нанотрубка). Плотность состояний ловушек наноструктуры изменяется для части наноструктуры рядом с местом, где активный фрагмент связан с наноструктурой. В одном примере полупроводниковое устройство включает в себя исток, сток, канал, содержащий наноструктуру, имеющую модифицированную часть с повышенной плотностью состояний ловушек, причем модифицированная часть дополнительно функционализирована активным фрагментом. Вывод затвора электрически связан с наноструктурой. Поскольку переменный электрический сигнал подается на ионный раствор при контакте с наноструктурным каналом, изменения тока, полученные от полупроводникового устройства, можно использовать для идентификации состава аналита. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности одномолекулярных полевых датчиков. 6 н. и 20 з.п. ф-лы, 25 ил.

1. Полупроводниковое устройство для анализа растворов аналита, содержащее:

исток;

сток;

канал, содержащий наноструктуру, причем наноструктура содержит немодифицированную часть и модифицированную часть, включающую в себя локализованные легирующие примеси, причем модифицированная часть имеет повышенную плотность состояний ловушек по сравнению с немодифицированной частью, причем модифицированная часть функционализирована активным фрагментом; и вывод затвора, электрически связанный с наноструктурой.

2. Устройство по п. 1, в котором наноструктура содержит по меньшей мере одно из: нанопроволоки, нанотрубки и наноленты.

3. Устройство по п. 1, в котором наноструктура содержит по меньшей мере одно из: кремниевой нанопроволоки, углеродной нанотрубки, полимерной нанопроволоки, графеновой наноленты и наноленты из MoS₂.

4. Устройство по п. 1, в котором наноструктура содержит по меньшей мере одно из: графена, силицена и фосфорена.

5. Устройство по п. 1, в котором модифицированная часть сформирована путем ионной имплантации, диффузионного легирования, облучения энергетическим пучком, воздействия плазмы или их сочетания.

6. Устройство по п. 1, в котором:

активный фрагмент содержит фермент или аптамер, который связан с модифицированной частью наноструктуры.

7. Устройство по п. 6, в котором связанный фермент или аптамер ковалентно связан с модифицированной частью наноструктуры.

8. Устройство по п. 1, в котором активный фрагмент представляет собой одну молекулу одного из следующего: один фермент, одно антитело и один аптамер.

9. Устройство по п. 1, в котором повышенная плотность состояний ловушек

находится в диапазоне от приблизительно 1×10¹² ловушек/см² до приблизительно

1×10¹⁴ ловушек/см².

10. Устройство для анализа растворов аналита, содержащее:

полупроводниковое устройство по п. 1; и

контейнер, по меньшей мере частично заключающий в себе наноструктуру, причем данный контейнер выполнен с возможностью приема раствора аналита, обеспечивающего электрическую связь между выводом затвора и наноструктурой.

11. Устройство для анализа растворов аналита, содержащее полупроводниковое устройство по п. 1, в котором:

полупроводниковое устройство дополнительно содержит вывод корпуса, соединенный с входом модулированного сигнала; причем вывод затвора соединен с неизменным напряжением.

12. Устройство для анализа растворов аналита, содержащее датчик тока или кольцевой генератор, причем датчик тока или кольцевой генератор содержит полупроводниковое устройство по п. 1.

13. Способ изготовления полупроводникового устройства для анализа растворов аналита, включающий в себя следующее:

наносят наноструктуру на подложку, имеющую по меньшей мере одну область истока и по меньшей мере одну область стока внутри или поверх подложки, чтобы сформировать электропроводящий канал между областью истока и областью стока, причем наноструктура содержит немодифицированную часть и модифицированную часть, включающую в себя локализованные легирующие примеси, причем модифицированная часть имеет повышенную плотность состояний ловушек по сравнению с немодифицированной частью;

связывают активный фрагмент с модифицированной частью; и обеспечивают вывод затвора, электрически связанный с наноструктурой.

14. Способ по п. 13, дополнительно включающий в себя создание модифицированной части, имеющей повышенную плотность состояний ловушек путем имплантации ионов в часть наноструктуры.

15. Способ по п. 13, дополнительно включающий в себя создание модифицированной части, имеющей повышенную плотность состояний ловушек путем выполнения локализованного легирования части наноструктуры.

16. Способ по п. 13, дополнительно включающий в себя создание модифицированной части, имеющей повышенную плотность состояний ловушек, путем регулирования состава исходного материала в процессе химического осаждения из газовой фазы при нанесении наноструктуры на подложку.

17. Способ по п. 13, в котором наноструктура содержит по меньшей мере одно из: нанопроволоки, нанотрубки и наноленты.

18. Способ по п. 13, в котором наноструктура содержит по меньшей мере одно из: кремниевой нанопроволоки, углеродной нанотрубки, полимерной нанопроволоки, графеновой наноленты и наноленты из MoS₂.

19. Способ по п. 13, в котором наноструктура содержит по меньшей мере одно из: графена, силицена и фосфорена.

20. Способ по п. 13, дополнительно включающий в себя следующее:

выбирают требуемый параметр ΔCox или требуемый отклик тока стока на напряжение затвора, или требуемый параметр ΔCox и требуемый отклик тока стока на напряжение затвора;

выбирают требуемую плотность состояний ловушек для модифицированной части; и повышают плотность состояний ловушек в соответствии с выбранной требуемой плотностью состояний ловушек.

21. Способ по п. 20, дополнительно включающий в себя выбор по меньшей мере одного из материала и дозы для модифицированной части в соответствии с выбранной требуемой плотностью состояний ловушек.

22. Способ использования полупроводникового устройства по п. 1,

включающий в себя следующее:

обеспечивают ионный раствор вблизи от канала;

подают сигнал на вывод затвора или на вывод корпуса, соединенный с входом модулированного сигнала, в то время как вывод затвора соединен с неизменным напряжением; и

обнаруживают изменения в протекании тока через канал в ответ на поданный сигнал.

23. Способ по п. 22, в котором сигнал модулируют с частотой, превышающей плазменную частоту раствора.

24. Способ по п. 22, в котором раствор имеет соленость в диапазоне от приблизительно 1-миллимолярного (мМ) до приблизительно 500-миллимолярного (мМ).

25. Способ по п. 22, в котором обнаружение изменений в протекании тока включает в себя обнаружение изменения фазы выходного сигнала относительно сигнала, поданного на вывод затвора или вывод корпуса.

26. Способ по п. 22, дополнительно включающий в себя секвенирование последовательности нуклеотидов в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) или рибонуклеиновой кислоты (РНК) на основании обнаруженных изменений.