奈米碳管场效电晶体实现规模化单分子生物感测

比利时微电子研究中心（imec）运用晶圆级生物场效电晶体（bioFET）方法，实现生物分子的即时侦测应用，为基因体学与蛋白质体学的高通量感测发展取得一大进展。

2000年6月16日，人类基因体的初步定序结果出炉，为生物医疗研究划下转捩点。该研究搜集了约20名自愿者的基因资料，为人类基因体研究（Human Genome Project）长久以来的核心任务奠定了发展基础：就是改善人类健康。

随後几年，新一代定序技术彻底改变了生物学的研究方式。透过为个别细胞定序，这些技术颠覆了我们对基因体变异、表观遗传调控与基因表现的认识。这些技术进展能用来进行癌症基因体解码、实现非侵入式产前检测，以及标示人脑内部种类繁多的细胞类型。

然而，健康卫生和生命科学的下一步进展将会需要更深入分析，跨越细胞等级，进入个别分子等级。不论是基因体学、蛋白质体学或未来的诊断技术，加速定序不再是唯一的挑战，如何以超越以往的规模与分子级的精确度观察生物过程也是一大难题。针对个别DNA单股、蛋白质或酵素进行检测和监控的技术，为疾病早期检测、更高灵敏度诊断等应用提供发展机会，还能更全面且深入了解健康卫生与疾病背後的分子运作机制。为了实现这项愿景，未来会需要结合单分子级灵敏度、可调能力与可制造性的新型感测技术。

不过，目前占有优势的读取技术（大多是光学技术）都受限於绕射极限和可调能力方面的挑战。电子生物感测器提供一套截然不同的做法。这些感测器可以采用既定的半导体制程进行高密度整合和制造，甚至有??把单颗晶片的感测数量增加到数百万甚至是数十亿个。

基於场效电晶体（FET）的生物感测技术尤其具备发展潜力；电气元件可以透过该技术直接把分子之间的交互作用转换为电子讯号。於2025年IEEE国际电子会议（IEDM）发表的一篇研究中，imec研究人员展示了一套基於对准奈米碳管（ACNT）生物场效电晶体的新型生物感测平台，为具备高通量、可制造性与单分子尺度的生物感测技术取得关键进展。

推进imec矽基生物感测平台的後续开发

imec在CMOS相容的生物感测器领域累积了多年的开发经验，包含矽基生物鳍式场效电晶体（bio-finFET）与矽基奈米井场效电晶体。透过积极扩展感测体积，这些平台已经能够侦测数十个，甚至是更少量的DNA分子。不过要用矽基元件来进行单分子检测，还有几项挑战需要克服。为了实现可靠的单分子运作，矽基感测器的开发潜力尤其在晶圆级量产的发展条件下，主要受到表面电荷筛检、氧化物相关的杂讯以及酸硷值灵敏度的限制。这些限制驱使imec研究人员探索替代的半导体材料，可??用来克服上述的发展阻碍，同时仍能与大规模的整合技术相容。

奈米碳管：可靠的替代方案

奈米碳管（CNT）具备一系列独特性质，因此成为生物感测应用的高潜力方案。不同於矽材，奈米碳管可以制出具备原子级厚度且状态良好的半导体通道，这些通道在接触液态环境时也不会自发形成氧化层。因此，奈米碳管可以降低表面电荷筛检并减少酸硷值干扰，这两者是导致传统生物场效电晶体（bioFET）讯噪比（SNR）增加的主因。

理论上，奈米碳管还能实现更具选择性的表面功能化。imec开发的对准奈米碳管生物场效电晶体（Aligned CNT bioFET）平台透过耷基连接器来附着生物分子，这些连接器透过π-π交互作用，有选择性地与奈米碳管的表面结合。在氧化矽表面则很难达到这样的选择性，因为非特定结合较为常见。但在整体功能化技术的成熟度与韧性方面，矽基平台目前仍胜过奈米碳管。

从系统的角度来看，奈米碳管提供另一项关键优势：後段制程相容性。这表示基於奈米碳管的感测层原则上可以整合到先进逻辑与记忆体电路上，为紧凑型的高通量生物感测晶片提供发展条件。

从单一元件到具备制造可行性的阵列开发

奈米碳管元件目前的一大挑战是其溶液处理过程所带来的聚合物残留问题。这些残留物可能导致元件性能衰退，并干扰生物分子检测。在一篇2025年IEEE国际电子会议（IEDM）论文中，imec研究人员把之前开发的暂态电浆辅助处理（TAP）清洗制程用於奈米碳管，以解决上述问题。

该制程有效移除聚合物，并保留奈米碳管的完整性。透过在现场比对清洗步骤的前後变化，该研究团队表示，几大关键元件指标皆获得明显改善，例如次临界摆幅（小於80 mV/dec）、跨导（g?小於1.3 mS/μm）与临界电压稳定性等直接影响生物感测灵敏度的叁数。重点是具备更高酸硷值的清洗制程大幅提升了良率，而良率对任何具备可调能力的健康卫生技术来说是一大关键考量。

此外，虽然具备单一奈米碳管的生物场效电晶体已经展示了单分子检测应用案例，但这类元件本身就很难，甚至是不可能实现量产。imec采取的做法截然不同。与其仰赖个别奈米碳管，imec研究团队采用由对准奈米碳管组成的有限尺寸自对准（dimension-limited self-aligned， DLSA）阵列，在奈米等级的长宽尺度下形成多管通道。这套方法保留了奈米碳管在单一分子感测应用的技术优势，还能在未来实现晶圆级制造与可再现性堪称生物感测研究领域的一大创举。

实现这套平台的关键推手是imec在奈米碳管材料和元件制造技术方面的专业知识，这些开发原隶属於试验性逻辑研究计画。为未来逻辑应用所开发的对准奈米碳管材料目前也用来开发场效电晶体生物感测技术，显示imec奈米电子元件与健康卫生研究之间存在紧密的跨域交流与启发。

展示生物分子检测技术

运用这套经过清洗步骤的对准奈米碳管生物场效电晶体平台，imec证实了在液态环境下可以实现稳定的DNA检测。经过耷基修饰的单股DNA寡核?酸导致电晶体临界电压出现明显且可再现的变化，而该变化可作为感测讯号。终点测量结果与即时实验皆显示，对准奈米碳管生物场效电晶体的电压出现约数十瓦的变化（>20 mV），与最先进的矽基生物场效电晶体相当，为这类技术的首创成果（图一）。

图一 : 本示意图为浸於磷酸缓冲生理盐水（PBS）的对准奈米碳管生物场效电晶体（ACNT bioFET），以进行电气特性分析，以及侦测耷基DNA寡核?酸分子结合。

杂讯测量结果进一步显示，虽然对准奈米碳管生物场效电晶体仍处於仅限在实验室环境的早期技术展示，其运作已可媲美先进的矽基生物感测器。

尽管目前的实验涉及多个分子与各个元件结合，而非锁定预定元件，模拟结果令人对未来充满期待。透过采用耦合电子传输与电解质影响的量子传输模组，imec研究团队预期，经过优化的对准奈米碳管生物场效电晶体有??达到超过10，甚至趋近30的单分子讯噪比（SNR）。（图二）

图二 : 耷基单股DNA寡核?酸（50T）感测实验概览。（a）无DNA讯号时的叁考实际时间；（b）显示系统注入DNA後的DNA讯号；（c）进行实验时，固定电压V0的变化，而V0的变化显示出终点讯号（?20 mV）。对准奈米碳管生物场效电晶体随後经过20次暂态电浆辅助处理（TAP）蚀刻循环。

值得注意的是，就算是在只有单一奈米碳管的阵列这种保守状态下，这些预期结果也有机会实现。综上所述，这些研究成果强调了imec开发的对准奈米碳管阵列能够结合可调能力与单分子灵敏度，无须在两者之间做出取舍，满足未来健康卫生与生命科学感测应用的必要需求。

未来研究将聚焦进一步降低杂讯、持续缩小感测面积，以及将这套平台的应用从DNA检测延伸到单一酵素监测。搭配imec在固态奈米孔和矽奈米井场效电晶体方面的补充研究，这些成果发展成为一套连贯的技术组合，锁定具备可调能力的单分子生物感测应用；同时展示先进半导体研究的进展如何转为健康卫生与生命科学应用的开发平台。

我们广邀积极投入高通量单分子分析技术的产业成员，共同开发采用imec对准奈米碳管生物场效电晶体（CNT bioFET）平台的特定应用。透过共同研究计画，我们希??能够探索新型感测模式，并实现可规模化的分子诊断及资料驱动型的生命科学技术。

（本文由imec提供，作者Lijun Liu为 imec技术研究员，Koen Martens为imec主任研究员）