場效應(yīng)晶體管（FET）型生物傳感器具有高靈敏度、快速響應(yīng)和無需標(biāo)記檢測等顯著優(yōu)勢，在醫(yī)療即時檢測（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、柵控特性優(yōu)良等優(yōu)勢，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-肖夢夢助理研究員團(tuán)隊，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FET生物傳感器工程化的基礎(chǔ)，進(jìn)而推動其在POCT領(lǐng)域的應(yīng)用。

團(tuán)隊逐點(diǎn)解決CNT材料制備、生物傳感器制造、芯片封裝和信號讀取等技術(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)用開發(fā)堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。具體而言，在材料制備上，通過改進(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%以內(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)一步驗證了基于CNT FET的離子傳感器的可重復(fù)性，在每個固定的離子濃度下，所測試的傳感器（100個）閾值電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差在5.1 mV以內(nèi)，這意味能夠通過直接測試傳感器的漏極電流來讀取待測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，并專門開發(fā)了用于FET生物傳感器信號讀出的專用便攜式設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)生物傳感芯片的即插即用，操作界面友好，非專業(yè)人員亦可根據(jù)簡單的說明書實(shí)現(xiàn)生物目標(biāo)的探測。課題組還展示了通過該便攜式高效檢測系統(tǒng)，優(yōu)化檢測方式和數(shù)據(jù)處理方式，CNT FET生物傳感器可在空白背景下檢測濃度低至100 aM的生物信號（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)研究中心肖夢夢助理研究員、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。

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