場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）型生物傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)和無(wú)需標(biāo)記檢測(cè)等顯著優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療即時(shí)檢測(cè)（POCT）領(lǐng)域顯示出巨大潛力�；�于薄膜半導(dǎo)體材料的FET，更是具有工藝兼容性好、柵控特性?xún)?yōu)良等優(yōu)勢(shì)，因此在生物傳感器應(yīng)用上被寄予厚望。半導(dǎo)體碳納米管（CNT）薄膜更是被證明是構(gòu)建高性能FET生物傳感器的理想溝道材料，盡管有大量相關(guān)的研究工作發(fā)表，但是尚未發(fā)展成為真正的工程化技術(shù)，其主要原因是存在關(guān)鍵技術(shù)有待解決，尚未發(fā)展出CNT FET生物傳感器的完整技術(shù)鏈條，這使得碳基生物傳感器研究依然被限制在實(shí)驗(yàn)室階段。

近期，北京大學(xué)電子學(xué)院、碳基電子學(xué)研究中心張志勇教授-肖夢(mèng)夢(mèng)助理研究員團(tuán)隊(duì)，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，剖析出規(guī)模制造FET生物傳感器完整的技術(shù)鏈條需要解決至少兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：（i）發(fā)展出可靠和可擴(kuò)展的制造方法，獲得批次之間的一致性，以及（ii）實(shí)現(xiàn)讀取微弱信號(hào)的可靠方法和可讀取封裝傳感器芯片的便攜式終端系統(tǒng)。克服這些挑戰(zhàn)并構(gòu)建完整的技術(shù)鏈條是推動(dòng)FET生物傳感器工程化的基礎(chǔ)，進(jìn)而推動(dòng)其在POCT領(lǐng)域的應(yīng)用。

團(tuán)隊(duì)逐點(diǎn)解決CNT材料制備、生物傳感器制造、芯片封裝和信號(hào)讀取等技術(shù)難點(diǎn)，打造CNT FET生物傳感器的完整鏈技術(shù)，并為其在POCT領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。具體而言，在材料制備上，通過(guò)改進(jìn)的浸漬涂層技術(shù)制備了高質(zhì)量和均勻性的隨機(jī)取向半導(dǎo)體CNT薄膜（圖1）。

圖1：CNT FET生物傳感器的完整的技術(shù)鏈

在器件制備上，通過(guò)優(yōu)化CNT FET生物傳感器的制備工藝，實(shí)現(xiàn)了4英寸晶圓碳基FET批量制備，并大幅度提升了器件均勻性，晶圓內(nèi)器件性能變化系數(shù)優(yōu)于6%，晶圓間器件性能變化系數(shù)在9%以?xún)?nèi)（圖2、圖3）。

圖2：標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備的CNT FET的電學(xué)特性

圖3：晶圓與晶圓之間CNT FET的均勻性

課題組進(jìn)一步驗(yàn)證了基于CNT FET的離子傳感器的可重復(fù)性，在每個(gè)固定的離子濃度下，所測(cè)試的傳感器（100個(gè)）閾值電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差在5.1 mV以?xún)?nèi)，這意味能夠通過(guò)直接測(cè)試傳感器的漏極電流來(lái)讀取待測(cè)溶液的離子濃度信息（圖4）。

圖4：CNT FET離子傳感器的性能

在此基礎(chǔ)上，課題組發(fā)展了CNT FET生物傳感器劃片、封裝的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程，并專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了用于FET生物傳感器信號(hào)讀出的專(zhuān)用便攜式設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)生物傳感芯片的即插即用，操作界面友好，非專(zhuān)業(yè)人員亦可根據(jù)簡(jiǎn)單的說(shuō)明書(shū)實(shí)現(xiàn)生物目標(biāo)的探測(cè)。課題組還展示了通過(guò)該便攜式高效檢測(cè)系統(tǒng)，優(yōu)化檢測(cè)方式和數(shù)據(jù)處理方式，CNT FET生物傳感器可在空白背景下檢測(cè)濃度低至100 aM的生物信號(hào)（圖5）。

圖5：CNT FET生物傳感器的性能

該工作打通了碳基FET生物傳感器的完整技術(shù)鏈條，為推動(dòng)其在POCT領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)成果以題為“Mass Production of Carbon Nanotube Transistor Biosensors for Point-of-Care Tests”的論文，于8月15日在線(xiàn)發(fā)表于《Nano letters》(doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02518)。北京大學(xué)電子學(xué)院2021級(jí)博士研究生劉海洋為該論文的第一作者，北京大學(xué)電子學(xué)院、碳基電子學(xué)研究中心肖夢(mèng)夢(mèng)助理研究員、張志勇教授為共同通訊作者，湘潭大學(xué)湖南先進(jìn)傳感與信息技術(shù)創(chuàng)新研究院何建平博士等人作為合作作者參與了該工作。

工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（No. 2022YFB3204402）、國(guó)家自然科學(xué)基金（Nos. 62225101 and 62174007）和北京大學(xué)微納加工公共實(shí)驗(yàn)室的支持。