组成图示
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传感器类型
场效应晶体管(FET)生物传感器
检测对象
pH（pH，磷酸盐缓冲液）、DNA引物（primer DNA，DNA溶液）
检测原理
该器件为底栅多晶硅纳米线FET。溶液中的H+/OH-与表面氧化物发生离子耦合，改变纳米线表面势和沟道阈值电压Vth，使漏极电流Ion随pH升高而增大，pH灵敏度>100 mV/pH，电流变化约10%/pH。DNA检测时，纳米线表面经3-APTES和戊二醛修饰并固定DNA-NH2探针，目标引物DNA杂交后改变界面电荷与表面势，引起Vth偏移，10 pM时仍约100 mV。ONO埋氧层可存储氮化物陷阱电荷，通过编程/擦除电学调节Vth，补偿器件差异并实现非易失记录。信号以Id-Vg曲线读出，无酶标放大，主要依赖高比表面积和底栅耦合增强。
检测灵敏度
pH灵敏度: >100 mV/pH；电流灵敏度: 10%/pH；DNA检测能力: 100 pM（摘要）；Vth shift >100 mV at 10 pM；R^2 = 0.9753/0.9683/0.9998（不同Vth状态归一化pH响应）
效应效果
纳米线缩窄工艺改善了表面粗糙度引起的器件差异，pH测试后Id-Vg特性无明显退化，pH 5/7/9顺序切换可逆且电流正移约10%/pH。DNA检测以15个器件中位数和标准差表征，10 pM时Vth偏移约100 mV，作者认为浓度灵敏度显著高于常规PCR限制。ONO埋氧器件编程/擦除窗口>2 V，10 ms内Vth偏移可>3 V，10^5次循环和3天存储后窗口仍>2 V。整体为CMOS兼容SoC方案，支持便携式生理监测和原位记录，但未报告实际样品加标回收率或RSD数值。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：p型硅晶圆（p-type Si wafer）与底部栅极（bottom gate），提供栅控电场和器件集成基础
- 栅介质/存储层：埋氧层（buried oxide）及氧化物-氮化物-氧化物（ONO）埋氧，作为栅介质并存储氮化物陷阱电荷，实现Vth电学调节
- 半导体通道：多晶硅纳米线（poly-Si nanowire，宽约50 nm），作为FET沟道，将表面势变化转换为漏极电流变化
- 源漏电极：n+源漏区（N+ S/D，P31+离子注入并600 °C退火），降低寄生电阻并连接电路
- 表面传感层：表面氧化物（surface oxide/SiO2），提供pH敏感表面态，介导溶液离子与沟道耦合
- 生物识别修饰层：3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-APTES）与戊二醛（glutaraldehyde）交联固定氨基化寡核苷酸探针（DNA-NH2），用于捕获互补引物DNA
- 保护/封装层：PECVD氧化物（PECVD oxide）/钝化层（passivation），保护器件并允许溶液接触通道区域
中文摘要
本文报道了一种基于“自上而下”多晶硅纳米线场效应晶体管（FET）的通用纳米传感技术，采用传统互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容半导体工艺制备。该纳米线制造技术无需额外光刻设备即可将纳米线宽度缩小至50 nm，并表现出优异的器件均匀性。所制备的n型多晶硅纳米线FET在常规系统工作电压下具有正pH灵敏度（100 mV/pH）和灵敏的脱氧核糖核酸（DNA）检测能力（100 pM）。特别设计的氧化物-氮化物-氧化物（ONO）埋氧纳米线实现了可通过电学调节阈值电压（Vth）的传感器，用于补偿器件差异。这些纳米线FET还可用于非易失存储器应用，具有较大且稳定的Vth调节窗口（编程/擦除窗口>2 V）。多晶硅纳米线FET的CMOS兼容制造技术为商用片上系统（SoC）生物传感器应用提供了可能方案，可实现便携式生理监测和原位记录。
英文摘要
This paper reports a versatile nano-sensor technology using "top-down" poly-silicon nanowire field-effect transistors (FETs) in the conventional Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS)-compatible semiconductor process. The nanowire manufacturing technique reduced nanowire width scaling to 50 nm without use of extra lithography equipment, and exhibited superior device uniformity. These n type polysilicon nanowire FETs have positive pH sensitivity (100 mV/pH) and sensitive deoxyribonucleic acid (DNA) detection ability (100 pM) at normal system operation voltages. Specially designed oxide-nitride-oxide buried oxide nanowire realizes an electrically V(th)-adjustable sensor to compensate device variation. These nanowire FETs also enable non-volatile memory application for a large and steady V(th) adjustment window (>2 V Programming/Erasing window). The CMOS-compatible manufacturing technique of polysilicon nanowire FETs offers a possible solution for commercial System-on-Chip biosensor application, which enables portable physiology monitoring and in situ recording.