石墨烯场效应晶体管

Archer Materials 生物技术高级研究员、悉尼科技大学校友、冲绳科学技术研究所前研究员 Alex Porkovich 博士解释了石墨烯场效应晶体管 (gFET) 的概念以及该公司如何将 gFET 器件纳入传感器用于生物芯片应用。

石墨烯卓越的灵敏度、电子可调性和快速的器件响应时间使其成为场效应晶体管传感器材料的绝佳候选者，从而能够开发出适用于各种应用的高灵敏度和多功能传感器件。

gFET 的工作原理是通过石墨烯操纵导电性。它包括三个主要部件：石墨烯沟道、连接到石墨烯沟道的源极和漏极、以及通过介电或电绝缘材料与石墨烯接触的栅极。

石墨烯是单层碳原子，充当导电通道。当电压施加到栅电极时，它会产生影响石墨烯沟道电导率的电场。

石墨烯以其独特的性质而闻名，包括双极性。这意味着它可以传导正电荷和负电荷，从而使其同时携带电子（负电荷）和空穴（正电荷）。这一属性导致狄拉克点的形成，有助于其在各种电子传感应用中的设备集成潜力。

狄拉克点是 gFET 传感中的关键概念，因为它代表石墨烯价带和导带的交汇点。环境的变化，例如掺杂、分子吸附或与其他材料的相互作用，可以改变狄拉克点的位置。这种敏感性使得 gFET 对外部刺激具有高度响应性。

可湿性芯片

当液体用于 gFET 栅极时，它本质上充当栅电极的电介质。通过将液体浸入或施加到石墨烯表面上，液体的特性可以调节石墨烯的电行为。

液体门控 gFET 在高度灵敏、微型化和适应性强的传感应用中占据一席之地，在这些应用中，与液体环境或生物物质的相互作用至关重要，例如在生物传感、环境监测和其他分析应用中。

液体的选择会显着影响 gFET 的行为。一些液体可以将电荷载体引入石墨烯甚至蛋白质或 DNA 等生物分子中，从而改变其电导率。例如，如果液体含有离子，这些离子可以与石墨烯相互作用并改变其载流子浓度，从而影响流经晶体管的电流。

gFET生物传感器

Archer 团队正在致力于让 gFET 在生物传感应用中有效发挥作用。这涉及石墨烯化学的进步、改进器件制造工艺以及开发增强选择性和灵敏度同时保持稳定性和再现性的策略。

存在一个根本性的挑战，需要破坏削弱 gFET 中生物传感信号的电子电荷筛选。在 Archer，我们通过电子控制 gFET 器件的灵敏度来解决电荷筛选问题。

由于生物相关液体中的屏蔽层小于 1 纳米 (nm)，因此一般来说，超出此距离的电子传感是不可能的。因此，为了在 Archer 的生物芯片中进行传感，不得筛选分析物电荷，因为它们的大部分电荷超出了液体中的 gFET 灵敏度范围。

克服这一技术挑战对于目标分子的选择性检测至关重要。因此，Archer 的传感器设计策略之一目前涉及使用一系列动态电场来消除 gFET 传感器由屏蔽层引起的信号干扰。

Archer 团队还设计和开发了硬件和软件系统，可在单个芯片上同时读取多个 gFET 传感器的信号。与一次读取一个传感器相比，这是一个重大进步。

铸造准备就绪

在半导体代工厂生产 gFET 是 Archer 当前的重点。代工制造的石墨烯的质量和一致性对于器件性能至关重要。大规模生产可能需要权衡晶圆或批次中石墨烯质量的一致性，从而导致器件特性的变化。

将石墨烯与传统的半导体制造工艺集成需要大量的工程设计。石墨烯的独特性质需要专门的工艺，这些工艺需要与半导体制造技术无缝结合。

Archer 目前正在与多家商业半导体代工合作伙伴合作开发各种 gFET 设计技术。这有可能增加生物芯片的应用、改善质量控制并增强公司的供应链弹性。

 Archer 专为液体浇口和多路复用设计的早期 gFET 芯片已通过与欧洲代工合作伙伴的多项目晶圆和整个晶圆运行进行验证。每个石墨烯代工厂的半导体芯片制造工艺和技术都不同，包括器件中石墨烯的特性。作为 gFET 芯片开发流程的一部分，需要在多家代工厂进行晶圆运行，以优化 gFET 设计和制造，实现代工厂准备就绪和兼容性。

Archer 和半导体代工厂之间的合作正在解决这些挑战，并为大规模生产用于生物传感应用的石墨烯设备铺平道路。

有关生物传感应用中液体门控 gFET 的更多信息：https://doi.org/10.1016/j.bios.2020.112419