用于生物传感的晶圆级 CMOS 集成石墨烯场效应晶体管阵列

研究人员报告称，CMOS 集成石墨烯场效应晶体管 (GFET) 阵列的晶圆级制造具有极高的产量和均匀性。这一成就对于生物传感、气体和化学传感以及红外成像等许多应用都非常重要。研究结果发表在《ACS 应用电子材料》杂志上。

图片：（左）粘合到芯片载体上的 CMOS 集成 GFET 芯片。（右）GFET 的电气测量配置。资料来源：Soikkeli 等人，ACS Appl。电子。马特。2023年。

来自芬兰 VTT 技术研究中心和 Graphenea 的研究人员采用了一种工艺，产生了带有嵌入式石墨烯器件的 CMOS 读出电路。复杂的制造工艺与当今半导体制造标准的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 技术兼容，利用 Graphenea 石墨烯，最终良率达到 99.9%，在测量的 2560 个器件中生产出了 2558 个器件跨越 5 个微芯片。此外，工艺的均匀性很高，器件和芯片之间的电阻变化很小。

图片：（左）CMOS 读出电路顶部的 GFET 照片。（右）CMOS 读出上的 GFET 的示意性横切图。资料来源：Soikkeli 等人，ACS Appl。电子。马特。2023年。

为了展示传感性能，该设备用于检测缓冲溶液中氯化钠的浓度。氯化钠检测表现出高稳定性和重复性，在 1 至 100 mM 范围内平均灵敏度为 42 mV/dec。该演示只是一个概念验证，旨在展示该方法的可靠性，预期用于特定生物分子检测，例如在即时诊断情况下。

所采用的制造策略将在基于 GFET 的生物传感器的商业化中发挥关键作用。它将提高检测多种分析物的能力，并为精确的芯片生物测定进行必要的统计评估。展望未来，这种片上多分析物传感方法有可能简化多种病毒的筛查过程。这可以从微小的分析物样本中提供可靠的检测，并有大量统计数据的支持。

所描述的技术有利于各种尺寸的 GFET 沟道的利用，适应从数千到数百万个器件的 GFET 数量的潜在范围。这种变化取决于 ASIC 电路的设计和技术。这种有关设备数量和尺寸的适应性为更广泛的应用打开了大门。这在必须评估大量生物数据（包括基因测序等领域）的情况下尤其有利。

基于 FET 的生物传感开发中最常见的问题与单个设备和分析的可靠性和可重复性有关。在许多情况下，传感器芯片仅用于单次测量；因此，个别有缺陷的设备、功能化中的空隙和小气泡可能会导致结果的误解。单芯片上的 CMOS 多路传感器阵列提供的大规模统计数据将提高分析的总体可靠性，并能够轻松地从数据中删除有缺陷的器件。

如前所述，所展示的技术进一步释放了在晶圆级生产与 CMOS 技术集成的气体传感器阵列和红外相机的机会。在此背景下，GFET 作为一种多功能基础的进步，可以根据功能化选择进行定制，为将该技术应用于不同的应用铺平了道路。