中科大校友研发亚10nm级晶体管，有望检测人体内数千种分子和离子

他叫胡奇涛，今年27岁，来自安徽省安庆市。本科毕业于中国科学技术大学物理系凝聚态物理方向，期间接触到半导体知识，并开始产生浓厚的兴趣。

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图|胡奇涛（来源：胡奇涛）
本科毕业后，他来到瑞典乌普萨拉大学固态电子系章贞教授组读博，学习半导体器件的制备并探索它们在信号检测中的应用。 2021年5月，他在该校获得博士学位，并继续在乌普萨拉大学从事博后研究。
【中科大校友研发亚10nm级晶体管，有望检测人体内数千种分子和离子】最近，他研发出一款可直接检测溶液中单个电荷的固态电子器件：亚10nm级的双电层栅控硅纳米线场效应晶体管（SiNWET ， siliconnanowirefield-effecttransistor），具体来说它可直接检测到固液界面上单个氢离子的行为。

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图|器件（来源：ScienceAdvances）
亚10nm级双电层栅控SiNWFET的三维示意图如上图所示，它是用标准CMOS工艺技术在绝缘体上硅晶片上制备而来。
SiNWFET的源极和漏极区域是图中黄色部分，这部分是重n型掺杂的，而硅纳米线通道由一个150nm长的轻掺杂p型区域即图中灰色部分组成。
它是一种采用互补金属氧化物半导体（CMOS ， ComplementaryMetalOxideSemiconductor）兼容工艺制造的器件，可灵敏地检测人体或生物体里的离子或者带电分子。
胡奇涛的最终目标是把不同功能的SiNWFET传感器，高密度地集成到单个芯片上，然后用它同时检测人体或生物体里成百上千种分子和离子。
一些疾病在早期并不会出现症状，但在人体中会存在特定的标记物质，这些物质的浓度极低，对它们的高灵敏的检测有利于疾病的早期诊断和治疗。

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（来源：ScienceAdvances）
研究中，他采用硅纳米线表面重构造的方法，来降低器件噪声。在硅纳米线表面，一个单独激活的硅悬空键，可以捕捉溶液中单个氢离子。单个氢离子和表面硅悬空键的相互作用通过调节局部库仑散射强度，产生离散的电流信号，进而被SiNWFET传感器直接检测到。
12月3日，相关论文以《基于亚10nm级双电层栅控硅纳米线晶体管的单电荷分辨率的离子检测》（Ionsensingwithsinglechargeresolutionusingsub–10-nmelectricaldoublelayer–gatedsiliconnanowiretransistors）为题，发表在ScienceAdvances上。

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图|相关论文（来源：ScienceAdvances）
备受欢迎的单电荷级分辨率的离子检测
用于生化物质检测的固态电子传感器，由于其具备无标签、实时和快速分析能力、以及可小型化等特性，引起了人们的极大兴趣。
其中，单电荷级分辨率的离子检测，是这类电子传感器分辨率的终极目标。
而纳米级场效应晶体管（FET ， FieldEffectTransistor）由于其优越的电荷灵敏度，是实现这一目标的理想候选器件。
有研究显示，基于自下而上制备的自组装纳米结构例如碳纳米管，可制成纳米级场效应晶体管传感器，对溶液中的单个DNA或蛋白质分子进行电学检测。
然而，这些研究并没有直接检测到溶液中的单个电荷。此外，这类基于自组装技术的晶体管与标准半导体工艺兼容度低,因而大规模集成的难度大，这限制了它们的实际应用。
而本次研究同时攻克了上述两大难题。研究中，胡奇涛借助与CMOS工艺兼容的器件来做检测，并实现了溶液中单个电荷的检测。