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Oct 22, 2023

Graphen-FET testet mehrere Krankheiten gleichzeitig auf dem Chip

Mit dem Ziel einer umfassenden Lab-on-Chip-Lösung hat Archer Materials einen neuen Biochip mit Graphen-FETs (gFETs) angekündigt. Seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 hat sich die Gitterstruktur von Graphen bewährt

Mit dem Ziel einer umfassenden Lab-on-Chip-Lösung hat Archer Materials einen neuen Biochip mit Graphen-FETs (gFETs) angekündigt. Seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 hat die Gitterstruktur von Graphen zahlreiche einzigartige Vorteile gezeigt, von denen einige bei der Transistorherstellung zur Herstellung hochempfindlicher Geräte genutzt werden können.

gFETs erfreuen sich besonders großer Beliebtheit bei Biosensoranwendungen, da sie durch Wechselwirkungen auf molekularer Ebene zwischen dem Graphen und den Zielbiopartikeln Erkenntnisse über die Gesundheit des Patienten liefern können. Archer hat kürzlich im Rahmen eines MPW-Laufs einen Biochip-Graphensensor bei einer kommerziellen Gießerei eingereicht. Das Unternehmen gab bekannt, dass mit dieser Lösung mehrere Krankheiten auf einem Chip getestet werden können.

Da Graphen-basierte Technologien wie gFETs noch relativ neu sind, geht dieser Artikel auf die Details der gFET-Herstellung ein und bietet den Lesern einen Kontext dazu, wie Graphen zur Erkennung mehrerer Krankheiten mithilfe eines einzigen Chips verwendet werden könnte.

gFETs sind anderen Feldeffekttransistoren wie MOSFETs bemerkenswert ähnlich, unterscheiden sich jedoch im Material, das als leitfähiges Medium verwendet wird. Während MOSFETs Materialien wie Silizium verwenden, um Strom von Drain zu Source zu leiten, verwenden gFETs eine Graphenschicht mit einer Dicke von nur mehreren zehn Mikrometern.

Die dünne Graphenschicht bietet zahlreiche Vorteile, wie z. B. thermische und elektrische Leitfähigkeit, und verbessert außerdem die Empfindlichkeit des Geräts gegenüber äußeren Faktoren erheblich. Daher verwenden Labore häufig gFETs zur Charakterisierung benachbarter Flüssigkeiten, da die inhärente Empfindlichkeit von Graphen auf molekularer Ebene Krankheitserreger leicht erkennen kann.

Um flüssige Proben zum Testen unterzubringen, entwickelte Archer zunächst „benetzbare“ gFETs, die dem Kontakt mit flüssigen Materialien standhalten können. Archer erweiterte diese gFETs dann, um einzelne Krankheiten zu testen, wobei die neueste Entwicklung darauf abzielt, mehrere Krankheiten auf einem einzigen Chip zu testen.

Während Graphen im Vergleich zur herkömmlichen Siliziumelektronik zahlreiche Vorteile bietet, hat es auch einige Nachteile. Der Hauptgrund dafür ist ein komplexer Herstellungsprozess, bei dem gFETs extrem dünne Graphenschichten benötigen, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

Typische Graphenprozesse nutzen die chemische Gasphasenabscheidung (CVD), um Graphen auf einem Substrat „wachsen zu lassen“, wonach es vorsichtig entfernt werden kann. Anschließend werden in einem lithografischen Prozess die Metallkontakte der gFETs abgeschieden, um sie mit externen Schaltkreisen zu verbinden. Lithographie kann auch verwendet werden, um Graphenschichten zu modifizieren, um gewünschte Formen zu erzeugen.

Bei der Implementierung eines ähnlichen Prozesses nutzen die gFET-Geräte von Archer Single-Device-Multiplexing, bei dem jeder gFET-Sensor einzeln ausgelesen werden kann, um auf demselben Chip auf mehrere Krankheiten zu testen. Archer hofft, irgendwann eine Echtzeit-Tuning-Funktion für gFET-Parameter anbieten zu können, um gFET-Sensoren möglicherweise zu einer wiederverwendbaren Lösung zu machen.

Archer geht davon aus, dass sowohl die MPW- als auch die gesamten Waferserien bis Ende 2023 zur Auslieferung verfügbar sein werden. Zu diesem Zeitpunkt kann das Unternehmen die Chips validieren und bewerten, um Archer ein besseres Verständnis dafür zu vermitteln, wie die Chips in einer praktischen Umgebung funktionieren werden.

Während gFETs häufig in Biosensoranwendungen eingesetzt werden, können sich die Vorteile von Graphentransistoren auf RFIC-Designs oder Hochgeschwindigkeitsschaltungen erstrecken. Letztendlich hängt der Anwendungsbereich von gFETs jedoch davon ab, ob Hersteller Graphen-Bauelemente zuverlässig in Silizium integrieren können.

Trotz dieser Unsicherheit bieten Graphen-FETs klare Vorteile, und es wird erwartet, dass nach der Auslieferung der neuesten Shuttle-Fahrten von Archer weitere ans Licht kommen.