奈米碳管場效電晶體實現規模化單分子生物感測

比利時微電子研究中心（imec）運用晶圓級生物場效電晶體（bioFET）方法，實現生物分子的即時偵測應用，為基因體學與蛋白質體學的高通量感測發展取得一大進展。

2000年6月16日，人類基因體的初步定序結果出爐，為生物醫療研究劃下轉捩點。該研究蒐集了約20名自願者的基因資料，為人類基因體研究（Human Genome Project）長久以來的核心任務奠定了發展基礎：就是改善人類健康。

隨後幾年，新一代定序技術徹底改變了生物學的研究方式。透過為個別細胞定序，這些技術顛覆了我們對基因體變異、表觀遺傳調控與基因表現的認識。這些技術進展能用來進行癌症基因體解碼、實現非侵入式產前檢測，以及標示人腦內部種類繁多的細胞類型。

然而，健康衛生和生命科學的下一步進展將會需要更深入分析，跨越細胞等級，進入個別分子等級。不論是基因體學、蛋白質體學或未來的診斷技術，加速定序不再是唯一的挑戰，如何以超越以往的規模與分子級的精確度觀察生物過程也是一大難題。針對個別DNA單股、蛋白質或酵素進行檢測和監控的技術，為疾病早期檢測、更高靈敏度診斷等應用提供發展機會，還能更全面且深入了解健康衛生與疾病背後的分子運作機制。為了實現這項願景，未來會需要結合單分子級靈敏度、可調能力與可製造性的新型感測技術。

不過，目前佔有優勢的讀取技術（大多是光學技術）都受限於繞射極限和可調能力方面的挑戰。電子生物感測器提供一套截然不同的做法。這些感測器可以採用既定的半導體製程進行高密度整合和製造，甚至有望把單顆晶片的感測數量增加到數百萬甚至是數十億個。

基於場效電晶體（FET）的生物感測技術尤其具備發展潛力；電氣元件可以透過該技術直接把分子之間的交互作用轉換為電子訊號。於2025年IEEE國際電子會議（IEDM）發表的一篇研究中，imec研究人員展示了一套基於對準奈米碳管（ACNT）生物場效電晶體的新型生物感測平台，為具備高通量、可製造性與單分子尺度的生物感測技術取得關鍵進展。

推進imec矽基生物感測平台的後續開發

imec在CMOS相容的生物感測器領域累積了多年的開發經驗，包含矽基生物鰭式場效電晶體（bio-finFET）與矽基奈米井場效電晶體。透過積極擴展感測體積，這些平台已經能夠偵測數十個，甚至是更少量的DNA分子。不過要用矽基元件來進行單分子檢測，還有幾項挑戰需要克服。為了實現可靠的單分子運作，矽基感測器的開發潛力—尤其在晶圓級量產的發展條件下，主要受到表面電荷篩檢、氧化物相關的雜訊以及酸鹼值靈敏度的限制。這些限制驅使imec研究人員探索替代的半導體材料，可望用來克服上述的發展阻礙，同時仍能與大規模的整合技術相容。

奈米碳管：可靠的替代方案

奈米碳管（CNT）具備一系列獨特性質，因此成為生物感測應用的高潛力方案。不同於矽材，奈米碳管可以製出具備原子級厚度且狀態良好的半導體通道，這些通道在接觸液態環境時也不會自發形成氧化層。因此，奈米碳管可以降低表面電荷篩檢並減少酸鹼值干擾，這兩者是導致傳統生物場效電晶體（bioFET）訊噪比（SNR）增加的主因。

理論上，奈米碳管還能實現更具選擇性的表面功能化。imec開發的對準奈米碳管生物場效電晶體（Aligned CNT bioFET）平台透過芘基連接器來附著生物分子，這些連接器透過π-π交互作用，有選擇性地與奈米碳管的表面結合。在氧化矽表面則很難達到這樣的選擇性，因為非特定結合較為常見。但在整體功能化技術的成熟度與韌性方面，矽基平台目前仍勝過奈米碳管。

從系統的角度來看，奈米碳管提供另一項關鍵優勢：後段製程相容性。這表示基於奈米碳管的感測層原則上可以整合到先進邏輯與記憶體電路上，為緊湊型的高通量生物感測晶片提供發展條件。

從單一元件到具備製造可行性的陣列開發

奈米碳管元件目前的一大挑戰是其溶液處理過程所帶來的聚合物殘留問題。這些殘留物可能導致元件性能衰退，並干擾生物分子檢測。在一篇2025年IEEE國際電子會議（IEDM）論文中，imec研究人員把之前開發的暫態電漿輔助處理（TAP）清洗製程用於奈米碳管，以解決上述問題。

該製程有效移除聚合物，並保留奈米碳管的完整性。透過在現場比對清洗步驟的前後變化，該研究團隊表示，幾大關鍵元件指標皆獲得明顯改善，例如次臨界擺幅（小於80 mV/dec）、跨導（g?小於1.3 mS/μm）與臨界電壓穩定性等直接影響生物感測靈敏度的參數。重點是具備更高酸鹼值的清洗製程大幅提升了良率，而良率對任何具備可調能力的健康衛生技術來說是一大關鍵考量。

此外，雖然具備單一奈米碳管的生物場效電晶體已經展示了單分子檢測應用案例，但這類元件本身就很難，甚至是不可能實現量產。imec採取的做法截然不同。與其仰賴個別奈米碳管，imec研究團隊採用由對準奈米碳管組成的有限尺寸自對準（dimension-limited self-aligned， DLSA）陣列，在奈米等級的長寬尺度下形成多管通道。這套方法保留了奈米碳管在單一分子感測應用的技術優勢，還能在未來實現晶圓級製造與可再現性—堪稱生物感測研究領域的一大創舉。

實現這套平台的關鍵推手是imec在奈米碳管材料和元件製造技術方面的專業知識，這些開發原隸屬於試驗性邏輯研究計畫。為未來邏輯應用所開發的對準奈米碳管材料目前也用來開發場效電晶體生物感測技術，顯示imec奈米電子元件與健康衛生研究之間存在緊密的跨域交流與啟發。

展示生物分子檢測技術

運用這套經過清洗步驟的對準奈米碳管生物場效電晶體平台，imec證實了在液態環境下可以實現穩定的DNA檢測。經過芘基修飾的單股DNA寡核?酸導致電晶體臨界電壓出現明顯且可再現的變化，而該變化可作為感測訊號。終點測量結果與即時實驗皆顯示，對準奈米碳管生物場效電晶體的電壓出現約數十瓦的變化（>20 mV），與最先進的矽基生物場效電晶體相當，為這類技術的首創成果（圖一）。

圖一 : 本示意圖為浸於磷酸緩衝生理鹽水（PBS）的對準奈米碳管生物場效電晶體（ACNT bioFET），以進行電氣特性分析，以及偵測芘基DNA寡核?酸分子結合。

雜訊測量結果進一步顯示，雖然對準奈米碳管生物場效電晶體仍處於僅限在實驗室環境的早期技術展示，其運作已可媲美先進的矽基生物感測器。

儘管目前的實驗涉及多個分子與各個元件結合，而非鎖定預定元件，模擬結果令人對未來充滿期待。透過採用耦合電子傳輸與電解質影響的量子傳輸模組，imec研究團隊預期，經過優化的對準奈米碳管生物場效電晶體有望達到超過10，甚至趨近30的單分子訊噪比（SNR）。（圖二）

圖二 : 芘基單股DNA寡核?酸（50T）感測實驗概覽。（a）無DNA訊號時的參考實際時間；（b）顯示系統注入DNA後的DNA訊號；（c）進行實驗時，固定電壓V0的變化，而V0的變化顯示出終點訊號（?20 mV）。對準奈米碳管生物場效電晶體隨後經過20次暫態電漿輔助處理（TAP）蝕刻循環。

值得注意的是，就算是在只有單一奈米碳管的陣列這種保守狀態下，這些預期結果也有機會實現。綜上所述，這些研究成果強調了imec開發的對準奈米碳管陣列能夠結合可調能力與單分子靈敏度，無須在兩者之間做出取捨，滿足未來健康衛生與生命科學感測應用的必要需求。

未來研究將聚焦進一步降低雜訊、持續縮小感測面積，以及將這套平台的應用從DNA檢測延伸到單一酵素監測。搭配imec在固態奈米孔和矽奈米井場效電晶體方面的補充研究，這些成果發展成為一套連貫的技術組合，鎖定具備可調能力的單分子生物感測應用；同時展示先進半導體研究的進展如何轉為健康衛生與生命科學應用的開發平台。

我們廣邀積極投入高通量單分子分析技術的產業成員，共同開發採用imec對準奈米碳管生物場效電晶體（CNT bioFET）平台的特定應用。透過共同研究計畫，我們希望能夠探索新型感測模式，並實現可規模化的分子診斷及資料驅動型的生命科學技術。

（本文由imec提供，作者Lijun Liu為 imec技術研究員，Koen Martens為imec主任研究員）