用于測量在生物的、化學(xué)的或者其他試樣處的小的電壓和電勢的設(shè)備和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于測量在生物的、化學(xué)的和其他試樣處的小的電壓和電勢的設(shè) 備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 生物試樣的許多特性與電荷的吸收、發(fā)出或者空間重組有關(guān)，并且因此可W間接 地和非侵入地通過電勢的改變被測量，所述電荷在靠近測量設(shè)備時引起所述電勢的改變。 運樣的運種類型的測量設(shè)備經(jīng)常包含場效應(yīng)晶體管，所述場效應(yīng)晶體管的柵極與試樣接 觸。試樣在柵極處改變電勢并且因此調(diào)制在預(yù)先給定的漏極源極電壓的情況下通過晶體管 驅(qū)動的電流。不利的是，用于研究在生物的、化學(xué)的和其他試樣處的小的電壓和電勢的運種 測量的信號太小。
[0003] 由（S. Sorgenfrei'C.畑iu, M. Johnston'C. Nuckolls'K. L.化epard， ('Debye Screening in Single-Molecule Carbon Nanotube Field-Effect Sensors"， Nano Letters 2011 (11)，3739-3743( 2011))已知一種測量設(shè)備，所述測量設(shè)備使用碳納米 小管（NanorShrchen)作為場效應(yīng)晶體管。納米小管被功能化用于積聚具有晶格缺陷 (Fehlstelle)的生物分子。生物分子與該晶格缺陷的結(jié)合W及生物分子與所述晶格缺陷的 去禪在通過納米小管驅(qū)動的電流中產(chǎn)生雙能級電報噪聲，利用所述雙能級電報噪聲可W研 究結(jié)合和去禪的動力學(xué)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 任務(wù)和解決方案 本發(fā)明的任務(wù)是，除與晶格缺陷的結(jié)合和去禪的動力學(xué)之外，能夠定量地W比按照迄 今的現(xiàn)有技術(shù)更好的精度測定試樣的其他特性，所述其他特性能夠引起電勢變化。
[0005] 所述任務(wù)按照本發(fā)明通過按照獨立權(quán)利要求的設(shè)備和通過按照并列權(quán)利要求的 方法被解決。其他的有利擴展方案由對其回引的從屬權(quán)利要求得出。
[0006] 發(fā)明主題 在本發(fā)明的范圍中闡明用于測量試樣的小的電壓和電勢或者其他電參量的設(shè)備。所述 設(shè)備包括至少一個具有源極、漏極和柵極的場效應(yīng)晶體管W及用于在源極和漏極之間施加 電壓的裝置W及用于對柵極加載偏置電壓的裝置，其中所述柵極與試樣接觸并且通過柵極 電介質(zhì)與場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電的溝道絕緣。
[0007] 按照本發(fā)明，柵極電介質(zhì)在其內(nèi)部具有至少一個積聚點(Anlagerstel Ie)，所述積 聚點能夠從溝道中捕獲載流子并且能夠相反地將載流子發(fā)出給溝道。
[000引通過運樣的積聚點永久地W統(tǒng)計方式與溝道交換載流子，所述積聚點將流過溝道 并且由此流過晶體管的電流與在兩個能級之間的統(tǒng)計的分級波動疊加。所述能級對應(yīng)于兩 種可能的狀態(tài)，即積聚點用載流子占用或者不被占用。運樣的波動在半導(dǎo)體電子設(shè)備中通 常是不期望的，從而采取努力W便將所述波動最小化。因為波動的時間變化過程與在電報 線路上的莫爾斯信號的時間變化過程相似，所W為所述波動引進(jìn)名稱"電報噪聲"（random telegraph noise(隨機電報噪聲））。
[0009] 已認(rèn)識到的是，對于載流子交換的可能性非常靈敏地取決于在積聚點的位置處的 電勢如何與費米能級有關(guān)。通過生物分子的靠近引起的小的電勢變化已經(jīng)劇烈地改變所述 可能性。運在波動的表示特性的特征參量中、尤其在用于通過積聚點捕獲和/或用于發(fā)出載 流子的時間常數(shù)中表現(xiàn)出來。所述時間常數(shù)分別通過兩個電流能級中的每個電流能級所存 在的持續(xù)時間確定。在生物分子結(jié)合到柵極上或者僅僅觸碰所述柵極之前，明顯的信號已 經(jīng)是可測量的。柵極在此情況下一般不被金屬化。使試樣直接與柵極電介質(zhì)接觸，所述柵極 電介質(zhì)可選地可W在一些點處利用附加的分子被功能化用于結(jié)合感興趣的試樣分子。
[0010] 由波動引起的、由在離散電流能級之間的突然的分級躍遷構(gòu)成的有效信號在下面 被稱為電報調(diào)制信號，其中所述躍遷的時間點分別W統(tǒng)計方式分布。
[0011] 與迄今的現(xiàn)有技術(shù)不同，電報調(diào)制信號不是在試樣與測量設(shè)備相互作用的位置 處、而是在柵極電介質(zhì)的內(nèi)部被產(chǎn)生。積聚點不與試樣直接地觸碰。當(dāng)電報調(diào)制信號的特征 改變時，運因此僅通過由試樣引起的電勢變化而決定并且不受試樣的另外的特性影響。因 此在不同試樣處的相繼的測量可W定量地彼此被比較。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比更強的信號的原因一方面是電報調(diào)制信號的兩個能級通過較大 的能隙彼此分開。按照現(xiàn)有技術(shù)，兩種狀態(tài)僅相差別生物分子到納米小管中的晶格缺陷的 結(jié)合能。為了在柵極電介質(zhì)中的按照本發(fā)明所使用的晶格缺陷與溝道之間交換電荷，明顯 較高的能量數(shù)值(庫倫(coulomb)能)是必要的。另一方面，所述兩個能級之間的差別也較強 地對通過晶體管的電流采取有力措施(durchgreifen)，其方式是積聚點處于溝道附近。相 反地，按照現(xiàn)有技術(shù)生物分子在納米小管處的積聚僅通過圖像電荷效應(yīng)被傳送 (vermitteln)給溝道并且因此明顯較弱地對電流采取有力措施。
[0013] 積聚點的作用可W W不同的方式被定制，W便使設(shè)備對于電勢的特定的測量范圍 是特別靈敏的。為此，例如可W使用在柵極電介質(zhì)的材料內(nèi)的屏蔽效應(yīng)。對于在積聚點和溝 道之間的電荷的交換是必要的能量數(shù)值W及用于所述電荷交換的作用橫截面可W尤其通 過積聚點在柵極電介質(zhì)內(nèi)的位置來預(yù)先給定。同時費米能級可W通過在柵極處的偏置電壓 在寬的界限中被推移。柵極電介質(zhì)可W有利地包含多個積聚點，所述積聚點在用于電荷交 換的能量數(shù)值方面相區(qū)分，使得測量可W在多個測量范圍中同時被執(zhí)行。然而為了仍能夠 安全地彼此區(qū)分信號數(shù)值，多于五個的積聚點不應(yīng)該同時是有效的。
[0014] 在本發(fā)明的一種特別有利的擴展方案中，積聚點是柵極電介質(zhì)中的局部缺陷。所 述局部缺陷可W有利地尤其通過W下方式被引入到柵極電介質(zhì)中： ?通過柵極電介質(zhì)的化合物元素的局部耗盡和/或晶格缺陷、尤其通過氧的局部耗盡 和/或晶格缺陷，和/或 ?通過退火，和/或 ?通過不同介電材料的組合、諸如二氧化娃/Ta2化、Si〇2/Al2〇3或者Si〇2/高K電介質(zhì)等 等， ?通過機械應(yīng)力或者在溝道和其他材料之間、諸如在Si和Sii-xGex之間的其他表面狀 態(tài)， ?通過利用電離福射或者電子福射對柵極電介質(zhì)的局部損害，和/或 ?通過將異質(zhì)離子植入到柵極電介質(zhì)中，和/或 ?通過機械壓應(yīng)力和/或拉應(yīng)力，和/或 ?通過在場效應(yīng)晶體管臨時過載的情況下將來自溝道的熱的載流子注入到柵極電介質(zhì) 中。
[0015] 在不同的介電材料堆積的情況下，由于不同的晶格常數(shù)W及機械張力 (Verspannungen)在兩個介電層之間可能存在互相擴散。雜質(zhì)（StSrstelle)也可W在兩個 不同的介電層之間被交換。將對電介質(zhì)施加影響的該可能性和其他可能性W總稱"介電工 矛呈（dielectric en邑ineerin邑）"?示。
[0016] 作為表面狀態(tài)的機械張力例如可W通過兩種材料的晶格常數(shù)的差別而形成或者 也可W通過彎曲襯底故意地被引入。一些晶格缺陷可W通過機械應(yīng)力產(chǎn)生。
[0017] 積聚點有利地與場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電的溝道相距最多2 nm，W便增強在積聚點處 的電荷交換對通過溝道的電流采取有力措施(Durchgriff)。運與常見的場效應(yīng)晶體管情況 下的設(shè)計目的不一致，在常見的場效應(yīng)晶體管情況下的設(shè)計目的中應(yīng)當(dāng)使在缺陷處的電報 噪聲對通過晶體管的電流的影響最小化。
[0018] 在本發(fā)明的一種特別有利的擴展方案中，設(shè)備具有用于由漏極電流的統(tǒng)計的分級 波動（電報調(diào)制信號)分析用于通過積聚點捕獲載流子的時間常數(shù)早和/或用于通過積聚點 發(fā)出載流子的時間常數(shù)了6的裝置，所述波動從積聚點出發(fā)。與'^：-有關(guān)的唯一的未知數(shù)是要 測量的電勢或者要測量的電壓。而毎不取決于電勢或者電壓，而是基本上只取決于溫度。通 過改善統(tǒng)計的方式，精度隨著測量時間增加而升高，其中利用所述精度可W確定時間常數(shù)。
[0019] 如果設(shè)備具有用于分析在漏極電流的時間變化過程中不同長度的峰和/或谷的頻 率分布的裝置，那么對于時間常數(shù)的統(tǒng)計分析是特別有利的。于是不僅用于最后確定時間 常數(shù)的不同方法可供使用(例如平均值和中值），而且分布的形狀和擴展附加地提供關(guān)于運 樣確定的值的可靠性和質(zhì)量的信息。頻率分布理想地是洛倫茲分布。
[0020] 設(shè)備有利地具有用于分析漏極電流的頻譜的裝置。由該頻譜可W確定截止頻率 fo,利用