扩展栅场效应晶体管化学与生物传感器现状与展望

转自Next Nanotechnology

论文信息：Janićijević Ž, Nguyen-Le T A, Baraban L. Extended-gate field-effect transistor chemo-and biosensors: State of the art and perspectives[J]. Next Nanotechnology, 2023, 3: 100025.

论文链接：www.sciencedirect.com/journal/next-nanotechnology.

研究背景

扩展栅场效应晶体管(EG-FET)化学和生物传感器是广泛应用于生物医学的新兴工具。通过开发小型化传感晶体管，设计和优化扩展栅极传感层，探索EG-FET结构的多路复用能力以及先进的数据分析，为使其对生物分子超敏感做出了重大努力。

在过去的几十年里，微纳米加工的革命促进了电子构件的发展，减小了它们的尺寸，提高了它们的性能。从贝尔实验室的单一宏观原型，到拥有数百万个设备的集成芯片，晶体管是可扩展性演变的最突出的例证。虽然它们主要用作逻辑门元件，但晶体管也显示出在用作传感器时跟踪模拟信号的能力。这种类型的传感器得益于表面效应，因为它们的化学和生物门控是传感器表面电位变化的结果。经过几十年的探索，基于场效应晶体管(FET)的传感器由于其众多优势，包括微型尺寸，卓越的灵敏度，快速响应和无标签检测能力，仍然经历着高度动态的发展。

研究内容

本文将特别关注与EG-FET传感器的结构和当前应用相关的几个重要方面。也就是说，本文回顾了材料，制造，换能器的特性，调节电子的特性和信号分析。同时，我们讨论了这些传感器目前的缺点，如输出信号的变化和响应的非线性，阻碍了它们的直接商业化。我们还综述了近年来FET传感器在早期医学诊断、生态、食品和化学工业等领域的主要应用。最后，我们简要讨论了这类传感器的未来发展前景。

基于FET的传感器的发展历程如图1所示。值得注意的是，基于FET的传感器的发展传统上是由传感器架构的增强和材料科学的重要进步驱动的，从而提高了不同传感器组件的性能。第一个基于场效应晶体管的传感器起源于1970年由Bergveld引入的离子敏感场效应晶体管(ISFET)结构。从那时起，我们见证了ISFET在大量应用中的发展，包括pH传感，早期疾病检测，药物筛选等。虽然典型的基于FET的器件与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)具有相同的基本结构，具有嵌入式源(S)，漏极(D)和栅极(G)金属化接触端子，但ISFET传感器和后来引入的Bio FET将金属栅极去掉，取而代之的是包含离子敏感或离子敏感的结构，生物受体层，分析物溶液，浸没参比电极。分析物分子在氧化层附近的沉积改变了电表面电位并调节流过通道的电流。当使用纳米材料作为晶体管的构建块时，可以实现超过传统诊断技术的卓越灵敏度。尽管取得了巨大的成功，但电解栅方法仍然存在一些局限性，包括由于离子渗透到氧化层而导致的表面电位漂移，对环境因素(光、温度等)的敏感性，涉及复杂纳米结构设施的制造过程要求高，以及器件之间的强可变性。

图1 基于场效应效应的传感器的发展与重要里程碑的插图

为了解决上述问题并概述未来发展方向，本文将首先关注与EG -FET传感器设计和构建相关的主要方面，如材料选择、制造、功能化、FET换能器的特性、电子接口的特殊性、测量方法和采集数据的分析(见图2中的概述)。 我们将回顾EG - FET传感器在早期医疗诊断、食品和化学品测试、环境监测、机器人等领域的应用。 最后，我们简要概述了EG - FET传感器的主要挑战，并提到了这类传感器发展的未来前景。

EG-FET的概念依赖于传感(扩展)栅极与FET换能器的空间分离，而传感栅极电极与FET换能器的栅极终端之间的电气连接(信号线)被保留(见图3)。 EG-FET系统的工作原理类似于ISFET和BioFET。 在传感层和含有目标分析物的电解质之间的界面上发生的过程产生可测量的电信号。 这种电信号通常是结合事件、(电)化学反应或传感层结构改变导致表面电位变化的结果。 表面电位的变化可以调节FET换能器的阈值电压(VT)。 阈值电压被定义为极源电压(VGS)的最小值，在该值下，漏极电流(ID)流过半导体通道。

传感元件(即EG)直接与分析物接触，通常包括支撑衬底、连接到FET换能器栅极的导电层和选择性响应感兴趣的分析物(如离子、抗原、抗体、核酸等)的识别层(图4A)。 EG配置允许在材料、几何形状和加工方法方面有多种传感层(图4B)。 EG的设计应最佳地响应所要进行的测定的要求。 同时，必须考虑EG层在连续暴露于具有潜在可变性质(如温度、pH值、离子强度等)的分析物溶液下的稳定性。 金(Au)因其耐化学性和众所周知的加工方案而成为制造EG导电层的通用材料。 其他受欢迎的材料包括石墨烯和金属氧化物，如氧化铟锡(ITO)，InZnO，MgZnO和Ga2O3，因为它们具有良好的电学和/或光学特性(高光学透射率)。 根据目标分析物和选择的导电层，应用不同的功能化方法(图4C)。 对于pH传感器，通过原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、溅射、电化学沉积或溶胶-凝胶工艺，在传感电极上沉积金属氧化物层，如ITO、SnO2或Al2O3。 决定溶液pH值的水合氢离子(H30+)可逆地与金属氧化物的活性羟基(OH-)结合，并引起表面电位的变化。 为了获得最高的灵敏度和稳定性，许多研究都集中在调整材料组成和沉积参数上。

总结与展望

综上所述，本文简要总结了EG-FET化学和生物传感器的现代概念、结构和应用，重点介绍了FET换能器的材料、制造技术、性能、支持电子器件的设计考虑、测量模式和信号分析。毫无疑问，EG-FET传感系统具有重要的优势，包括设计传感元件的灵活性(在电极几何形状、材料选择和接口方面)、多路传感器阵列的易于集成、一次性传感元件和成本效益。这些优势使得EG-FET传感器能够有效地应用于各种领域，如早期医疗诊断、环境监测、食品和化学工业、机器人等，正如所描述的大量EG-FET传感平台的例子所证明的那样。尽管EG-FET传感器仍需要克服一些挑战才能实现广泛的实际应用，但有许多有趣的机会可以提高传感性能并将这类设备推向市场。我们相信我们的综述将为从事跨学科研究领域的不同受众提供有价值的见解和指导，包括生物传感，纳米和微制造，以及电气和生物医学工程。