石墨烯測序器件及其制造方法技術

本發明專利技術公開了一種石墨烯測序器件，包括：位于襯底上的絕緣層；位于絕緣層上的石墨烯納米帶，具有晶界；位于石墨烯納米帶中的納米孔，其中納米孔與晶界共同構成石墨烯電極；以及位于納米孔兩側的石墨烯納米帶上的金屬電極。依照本發明專利技術的石墨烯測序器件及其制造方法，制備工藝條件相對簡單，使用創新型的分布在晶界兩側的兩個半圓弧形電極有助于降低由于DNA分子結構波動產生的影響，提高測試的穩定性和可靠性。加之利用晶界對電流的抑制作用可以有效降低背景電流的大小提高信噪比。單層石墨烯的厚度僅約為0.35nm低于一個DNA堿基的長度，可以有效提高NDA測序的分辨率。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種半導體器件及其制造方法，特別是涉及一種使用多晶石墨烯晶界的石墨烯測序器件及其制造方法。
技術介紹
DNA作為生物存儲遺傳信息的介質記錄了各種生物的絕大部分的信息，換句話說生物多樣性在分子量級上的體現就是DNA的多樣性。如果要破譯DNA所承載的遺傳信息就必須首先測定DNA的序列。DNA測序技術作為現代生命科學的核心技術之一，自1977年“化學裂解法”和“鏈終止法”專利技術以來得到了快速的發展，然而時至今日快速準確的DNA測序仍然是一個世界性的難題。快速高分辨率的DNA測序方法對于推動現代生命科學更快的發展有著至關重要的作用。作為新一代的DNA測試技術，納米孔測序為DNA快速測序提供了可能性。使用納米孔的DNA測序技術主要包括使用測定縱向(垂直于納米孔表面的方向)的離子電流的強度變化與測定橫向隧穿電流的變化兩種方式。這兩種方式各自優缺點也比較明顯，使用縱向離子電流的方式由于納米孔深度的限制使得分辨率比較低，而橫向隧穿電流的方法因為對電極的要求較高導致工藝復雜。石墨烯自2004年被成功分離出來以后就受到了廣大科研人員的高度關注。石墨烯由一層按類似于蜂窩狀的結構排列的碳原子組成，厚度僅為0.35納米，具有良好的電學性能，機械和熱學特性，因而被廣泛研究應用于多種領域。CVD(化學氣相沉積)生長石墨烯的方法的出現使得石墨烯可以大規模的研究和應用。
技術實現思路
針對納米孔DNA測序存在的上述問題，例如：低分辨率、制備工藝復雜、對DNA結構波動性的抵抗力低等，本專利技術提出了一種使用多晶單層石墨烯晶界的DNA測序的器件結構和基本制備工藝。本專利技術提供了一種石墨烯測序器件，包括：位于襯底上的絕緣層；位于絕緣層上的石墨烯納米帶，具有晶界；位于石墨烯納米帶中的納米孔，其中納米孔與晶界共同構成石墨烯電極；以及位于納米孔兩側的石墨烯納米帶上的金屬電極。其中，襯底包括體Si、SOI、體鍺、GeOI、SiGe、Si:C、GaN、GaAs、InSb、InP。其中，絕緣層包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、類金剛石無定形碳(DLC)及其組合。其中，納米孔位于石墨烯納米帶中心。其中，納米孔為圓形、橢圓、雙曲形、橄欖形、矩形、扇形、梯形及其組合。其中，石墨烯納米帶的晶界方向不同于石墨烯納米帶的延伸方向。其中，納米孔的孔徑為0.1～10nm。一種石墨烯測序器件的制造方法，包括：在襯底上形成絕緣層；在襯底背面形成襯底開口；在絕緣層中形成第一納米孔，暴露襯底；在絕緣層上形成石墨烯納米層；在石墨烯納米層中形成第二納米孔，直至暴露襯底；圖案化石墨烯納米層，形成沿第一方向延伸的石墨烯納米帶；在第一和/或第二納米孔兩側的石墨烯納米帶上形成金屬電極。其中，襯底包括體Si、SOI、體鍺、GeOI、SiGe、Si:C、GaN、GaAs、InSb、InP。其中，絕緣層包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、類金剛石無定形碳(DLC)及其組合。其中，第一納米孔位于絕緣層中心，第二納米孔位于石墨烯納米層中心，并且第二納米孔與第一納米孔相對。其中，納米孔為半圓形、弧形、部分橢圓、部分雙曲形、月牙形、矩形、扇形、梯形及其組合。其中，石墨烯納米帶的晶界方向不同于石墨烯納米帶的延伸方向。其中，晶界為人工引入的電流阻隔邊界，或者多晶石墨烯天然存在的晶界。其中，采用干法刻蝕、離子流沖擊、TEM高能電子沖擊形成第一和/或第二納米孔。其中，形成第一納米孔、石墨烯納米層至形成第二納米孔的工藝步驟替換為：在襯底上形成絕緣層和石墨烯納米層；依次刻蝕石墨烯納米層和絕緣層，分別形成第二納米孔和第一納米孔。其中，第一納米孔和/或第二納米孔的孔徑為0.1～10nm。形成襯底開口的步驟進一步包括：背面減薄襯底；各向異性腐蝕襯底背面，形成襯底開口。依照本專利技術的石墨烯測序器件及其制造方法，制備工藝條件相對簡單，使用創新型的分布在晶界兩側的兩個半圓弧形電極有助于降低由于DNA分子結構波動產生的影響，提高測試的穩定性和可靠性。加之利用晶界對電流的抑制作用可以有效降低背景電流的大小提高信噪比。單層石墨烯的厚度僅約為0.35nm低于一個DNA堿基的長度，可以有效提高DNA測序的分辨率。附圖說明以下參照附圖來詳細說明本專利技術的技術方案，其中：圖1A和圖1B分別顯示了依照本專利技術的石墨烯測序器件的頂視圖和剖視圖；以及圖2至圖6為依照本專利技術的石墨烯測序器件制造方法各步驟的剖視圖。具體實施方式以下參照附圖并結合示意性的實施例來詳細說明本專利技術技術方案的特征及其技術效果，公開了能有效提高NDA測序的穩定性以及分辨率的石墨烯測序器件及其制造方法。需要指出的是，類似的附圖標記表示類似的結構，本申請中所用的術語“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結構或工藝步驟。這些修飾除非特別說明并非暗示所修飾器件結構或工藝步驟的空間、次序或層級關系。如圖1A所示為依照本專利技術的石墨烯測序器件的頂視圖，圖1B為圖1A沿平行于石墨烯納米帶的方向的剖視圖。石墨烯測序器件包括襯底1、襯底1上的絕緣層2、絕緣層2上的石墨烯納米帶3、石墨烯納米帶3(以及絕緣層2)中的納米孔4、納米孔4兩側的石墨烯納米帶3上的一對電極5。其中，納米孔4穿過石墨烯納米帶3以及絕緣層2直至暴露襯底1。石墨烯納米帶3中的晶界6可以是沿圖1A中紙面上“上下”方向，也即垂直于石墨烯納米帶3的延伸(長度)方向，此外還可以是不同于石墨烯納米帶3延伸方向的第二方向，例如與其傾斜相交。納米孔4以及晶界6共同將石墨烯納米帶3分為左右兩個部分，也稱作石墨烯電極，其形狀優選地為圓弧形。在兩個電極5之間加一直流偏置電壓，當一DNA分子單鏈(未示出)通過納米孔4時，由于不同堿基的結構不同導致兩電極5間的電流發生變化，從而讀出DNA的序列。圖2至圖6為依照本專利技術的石墨烯測序器件制造方法各步驟的剖視圖，其中沿圖1A中平行于石墨烯納米帶的方向剖視。如圖2所示，在襯底1上形成絕緣層2。提供襯底1，其材質可以是體Si、SOI、體鍺、GeOI、SiGe、Si:C、GaN、GaAs、InSb、InP等各種常用的半導體襯底1材料。優選地，為了降低制造成本以及與主流IC制造工藝兼容，采用單晶體Si或者SOI作為襯底1。優選地，襯底1具有例如(100)的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯測序器件，包括：位于襯底上的絕緣層；位于絕緣層上的石墨烯納米帶，具有晶界；位于石墨烯納米帶中的納米孔，其中納米孔與晶界共同構成石墨烯電極；以及位于納米孔兩側的石墨烯納米帶上的金屬電極。

【技術特征摘要】
1.一種石墨烯測序器件，包括：
位于襯底上的絕緣層；
位于絕緣層上的石墨烯納米帶，具有晶界；
位于石墨烯納米帶中的納米孔，其中納米孔與晶界共同構成石
墨烯電極；以及
位于納米孔兩側的石墨烯納米帶上的金屬電極。
2.如權利要求1的石墨烯測序器件，其中，襯底包括體Si、SOI、體
鍺、GeOI、SiGe、Si:C、GaN、GaAs、InSb、InP。
3.如權利要求1的石墨烯測序器件，其中，絕緣層包括氧化硅、氮
化硅、氮氧化硅、類金剛石無定形碳(DLC)及其組合。
4.如權利要求1的石墨烯測序器件，其中，納米孔位于石墨烯納米
帶中心。
5.如權利要求1的石墨烯測序器件，其中，納米孔為圓形、橢圓、
雙曲形、橄欖形、矩形、扇形、梯形及其組合。
6.如權利要求1的石墨烯測序器件，其中，石墨烯納米帶的晶界方
向不同于石墨烯納米帶的延伸方向。
7.如權利要求1的石墨烯測序器件，其中，納米孔的孔徑為0.1～
10nm。
8.一種石墨烯測序器件的制造方法，包括：
在襯底上形成絕緣層；
在襯底背面形成襯底開口；
在絕緣層中形成第一納米孔，暴露襯底；
在絕緣層上形成石墨烯納米層；
在石墨烯納米層中形成第二納米孔，直至暴露襯底；
圖案化石墨烯納米層，形成沿第一方向延伸的石墨烯納米帶；
在第一和/或第二納米孔兩側的石墨烯納米帶上形成金屬電極。
9.如權利要求8的石墨烯測序器件的制造方法，其中，襯底包括體
Si、SOI、體鍺、GeOI、SiGe、S...

【專利技術屬性】
技術研發人員：賈昆鵬，粟雅娟，聶鵬飛，
申請(專利權)人：中國科學院微電子研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11