Lab-on-a-Chip Skalierbare CNT-Transistoren für Biosensoren

Weg von aufwendiger Optik, hin zu CMOS-kompatibler Halbleitertechnik: Das Forschungszentrum Imec hat die Echtzeit-Detektion von Biomolekülen mithilfe von Kohlenstoffnanoröhren-FETs im Wafer-Maßstab demonstriert. Das ist ein entscheidender Schritt für massentaugliche Lab-on-a-Chip-Systeme.

Der nächste große Sprung in der medizinischen Diagnostik und Genomik erfordert es, Prozesse auf Einzelmolekülebene zu erfassen. Die heute vorherrschenden Auslesetechnologien für diese Aufgaben sind jedoch größtenteils optischer Natur. Sie sind teuer, durch Beugungsgrenzen limitiert und lassen sich nur schwer skalieren.

Elektrische Biosensoren bieten hier einen grundlegend anderen Ansatz. Sie lassen sich dicht integrieren, unter Verwendung etablierter Halbleiterprozesse in großen Stückzahlen herstellen und potenziell auf Millionen oder sogar Milliarden von Sensorstellen auf einem einzigen Chip skalieren. Ein besonders vielversprechender Ansatz ist die auf Feldeffekttransistoren (FET) basierende Biosensorik, bei der Bauelemente molekulare Wechselwirkungen direkt in elektronische Signale umwandeln. Auf dem jüngsten IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) demonstrierten Forscher von Imec nun eine neue Biosensorplattform auf Basis von BioFETs mit ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren (ACNT – Aligned Carbon Nanotubes). Damit vollziehen sie einen wichtigen Schritt von der reinen Laborforschung hin zu industriell herstellbarer Biosensorik. [1]

Die Grenzen klassischer Silizium-BioFETs

Imec verfügt über langjährige Erfahrung mit CMOS-kompatiblen Biosensoren, darunter Silizium-Bio-FinFETs [2] und Si-Nanowell-FETs [3]. Diese Plattformen haben bereits gezeigt, dass sie durch eine drastische Verkleinerung des Sensorvolumens in der Lage sind, wenige DNA-Moleküle nachzuweisen.

Dennoch stehen dem Erreichen einer zuverlässigen Einzelmoleküldetektion mit Siliziumbauelementen noch einige physikalische Hürden im Weg: Oberflächenladungsabschirmung, oxidbedingtes Rauschen und pH-Empfindlichkeit schränken siliziumbasierte Sensoren in flüssigen Umgebungen stark ein. Dies gilt insbesondere für die angestrebte Fertigung im Wafer-Maßstab. Diese Einschränkungen motivierten die Forscher, alternative Halbleitermaterialien zu nutzen.

Kohlenstoffnanoröhren als Halbleiterkanäle ohne Oxidschicht

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) bieten eine einzigartige Kombination von Eigenschaften für die Sensorik. Im Gegensatz zu Silizium bilden CNTs atomar dünne, defektfreie halbleitende Kanäle, die in flüssigen Umgebungen nicht spontan eine Oxidschicht bilden. Dadurch weisen sie eine deutlich geringere Störanfälligkeit durch den pH-Wert der Testflüssigkeit auf. Das ist ein wesentlicher Faktor, der das Signal-Rausch-Verhältnis in herkömmlichen BioFETs meist stark beeinträchtigt.

Aus Sicht des Elektronik-Designs bieten CNTs einen weiteren entscheidenden Vorteil: Sie sind Back-End-of-Line-kompatibel (BEOL). Das bedeutet, dass die CNT-basierten Sensorschichten direkt auf fortschrittliche Logik- und Speicherschaltungen integriert werden können. Dies ebnet den Weg für extrem kompakte Biosensor-Chips mit hohem Datendurchsatz, bei denen Sensorik und Auswerteelektronik auf demselben Die sitzen.

Vom Einzel-Bauteil zur Wafer-Skalierung

Zwar haben sich Einzel-CNT-BioFETs im Labor bereits bei der Einzelmolekül-Detektion bewährt, doch ist die Herstellung solcher Bauelemente kaum massentauglich. Der Ansatz von Imec unterscheidet sich daher grundlegend: Anstatt sich auf einzelne Nanoröhren zu verlassen, verwendet das Team dimensionsbegrenzte, sich selbst ausrichtende Arrays (DLSA - Dimension-limited Self-aligned) aus angeordneten CNTs [6]. Sie bilden Mehrfachkanäle mit nanoskaliger Breite und Länge. Dieser Ansatz bewahrt die vorteilhaften Sensor-Eigenschaften von CNTs, ermöglicht aber gleichzeitig eine reproduzierbare Fertigung im Wafer-Maßstab.

Eine typische Herausforderung bei der Verarbeitung von CNT-Lösungen in der Fertigung sind Polymerrückstände, welche die Transistorleistung beeinträchtigen. Imec nutzt hierfür ein speziell entwickeltes Reinigungsverfahren mit transientenunterstütztem Plasma (TAP) [4–5]. Es entfernt Polymere effektiv, während die Integrität der CNTs erhalten bleibt. Der Erfolg ließ sich elektrisch nachweisen: Durch In-situ-Vergleiche vor und nach der Reinigung zeigten sich deutliche Verbesserungen bei wichtigen Kennzahlen wie dem Subthreshold-Swing (< 80 mV/dec) und der Transkonduktanz (Steilheit) (g_m > 1,3 mS/µm). Solche optimierten Reinigungsbedingungen erhöhen die Ausbeute (Yield) massiv und sie sind damit ein kritischer Faktor für die Kommerzialisierung.

20 mV Signalhub pro Molekül

Mithilfe der optimierten Plattform konnte Imec einen zuverlässigen DNA-Nachweis in flüssiger Umgebung bestätigen. Modifizierte einzelsträngige DNA-Oligonukleotide lösten eine deutliche und reproduzierbare Verschiebung der Schwellenspannung (V_th) des Transistors aus. Sowohl Endpunktmessungen als auch Echtzeit-Experimente zeigten Spannungsverschiebungen in der Größenordnung von >20 mV (Bilder 1 und 2).

Rauschmessungen belegen zudem, dass die ACNT-BioFETs bereits auf dem Niveau modernster Silizium-Biosensoren arbeiten. Simulationen mit Quantentransportmodellen zeigen darüber hinaus das Potenzial der Technologie auf: Die Forscher prognostizieren, dass in vollständig optimierten Arrays Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) von über 10 bis nahe 30 für einzelne Moleküle erreichbar sind. Das ist auch dann der Fall, wenn man konservativ annimmt, dass nur ein einziges Nanoröhrchen im Array zum Signal beiträgt.

Zukünftige Forschungsarbeiten am Imec werden sich auf die weitere Reduzierung des Rauschens, die Verkleinerung der Sensorfläche und die Ausweitung der Plattform auf die Überwachung einzelner Enzyme konzentrieren. Das Forschungszentrum lädt Halbleiter- und Medizintechnikunternehmen ein, im Rahmen gemeinsamer Programme maßgeschneiderte Lab-on-a-Chip-Anwendungen auf Basis der Plattform zu entwickeln. (heh)

Referenzen

[1] L. Liu et al., "Aligned Carbon Nanotube BioFETs: Toward High-Throughput Single-Molecule Sensing," 2025 IEEE IEDM, doi: 10.1109/IEDM50572.2025.11353657.

[2] S. Santermans et al., "50 nm Gate Length FinFET Biosensor," 2020 IEEE IEDM, doi: 10.1109/IEDM13553.2020.9371908.

[3] L. Liu et al., "Nanowell Field-Effect Transistors for Highly Sensitive Molecular Detection," 2023 IEEE IEDM, doi: 10.1109/IEDM45741.2023.10413703.

[4] A. Fathzadeh et al. "Transient-assisted plasma etching (TAPE)..." J. Vac. Sci. Technol. A 42.3 (2024).

[5] L. Mana et al. “Transient-assisted plasma cleaning of carbon nanotubes”. Submitted.

[6] L. Liu, et al. "Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays..." Science 368.6493 (2020).

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* Dr. Lijun Liu ist Staff Researcher und Projektleiterin bei Imec. Sie treibt maßgeblich die Entwicklung von neuartigen Biosensor-Technologien und nanostrukturierten Bauelementen voran. Dr. Koen Martens ist Principal Scientist bei Imec. Er promovierte 2009 an der KU Leuven (Belgien) im Bereich Elektrotechnik und besitzt langjährige Expertise in der Erforschung modernster Halbleitertechnologien und Sensorkonzepte.

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