生物传感器是一类将生物信号转换为可量测物理信号的元器件,在食品安全、环境监测、疾病预防预警以及基因工程等领域应用广泛。其中,场效应晶体管（field-effect transistor,FET）生物传感器可将生物信号转换为电信号,且具有体积小、集成度高、敏感度高、抗干扰能力强、信号放大能力显著以及与外电路匹配等优势,引起了研究人员的广泛关注。生物传感器主要由生物敏感识别区域与能量转换单元两部分构成,其中生物敏感区域的设计非常重要。目前报道的FET生物传感器大多以晶体管的沟道、栅介质或栅电极作为生物敏感区域,晶体管直接与待测生物溶液接触,会对晶体管的稳定性造成影响,产生的噪声信号易干扰检测结果,同时减少晶体管寿命,进而增加传感器的使用成本。针对上述问题,研究人员设计出新的器件构型,包括延伸栅式FET生物传感器、浮栅型FET生物传感器以及分离延伸栅式FET生物传感器。其中,分离延伸栅构型将生物敏感区域（探测板）与晶体管彻底分离,不仅可以避免溶液与晶体管接触所带来的问题,而且晶体管以及生物敏感区域的设计也更为灵活,从而为优化器件性能提供了更多的创新方案。然而,分离延伸栅式FET生物传感器目前尚处于起步阶段,存在敏感度较低、可靠性不高以及相关理论知识不完善等问题,需要针对性地进行系统深入研究。本文围绕上述问题展开了分析讨论,主要研究内容及成果如下:（1）分离延伸栅式高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor,HEMT）生物传感器的构筑与性能研究。本工作采用Al Ga As/Ga As HEMT作为能量转换单元,构筑分离延伸栅式HEMT生物传感器用于检测前列腺癌标志物——前列腺特异性抗原（prostate specific antigen,PSA）。将带有生物敏感区域的探测板设计成“电极对构型”,可实现优异的生物检测性能。此构型的生物传感器在PSA浓度为100 fg/m L～10 ng/m L中（PSA分散在0.1倍或1倍﹝0.1×或1×﹞的磷酸缓冲液﹝phosphate buffer solution,PBS﹞）均表现出良好的线性电流/电压响应。特别是在人体正常PSA水平附近的临界范围（2～8 ng/m L）内,敏感度变化接近8.7%dec-1,高于常规构型的生物传感器(敏感度变化为1.3%dec-1)。通过深入研究HEMT和探测板之间的电容匹配问题,明确了该构型下的检测原理是基于电容调控机制。高敏感度、低成本和使用便捷等优点使HEMT生物传感器成为未来前列腺癌体外监测的潜在候选元器件。（2）分离延伸栅式HEMT生物传感器中探测板功能化方案的研究。探测板作为生物传感器的检测前端,对传感器的敏感度和可靠性影响巨大。本工作将具有特殊四脚针状结构的氧化锌纳米晶须（zinc oxide nanotetrapod,T-Zn O）引入至分离延伸栅式Al Ga As/Ga As HEMT生物传感器中的探测板上,形成三维结构的检测前端,用于PSA的检测。相较于普通的二维平面结构,该三维结构对应的生物传感器在检测性能以及稳定性方面都实现了一定的提升。通过深入对比研究二/三维检测前端,认为检测性能的提升可能源于三维检测前端可以提供更多的生物修饰位点并增加德拜屏蔽长度,从而提高器件的检测敏感度。亲水的、方向各异的四脚针状T-Zn O可以有效减小生物溶液对Au平面膜的应力和侵蚀作用可能是此构型生物传感器的检测可靠性提升的重要原因。为了进一步优化分离延伸栅式FET生物传感器的检测性能,通过水热法在Au表面直接生长氧化锌纳米棒以提高纳米材料与衬底的结合力,对应的生物传感器的检测敏感度有所提升,相关研究需要进一步深入开展。（3）柔性透明金属氧化物薄膜晶体管（thin film transistor,TFT）生物传感器初步探索研究。本工作构筑分离延伸栅式In2O3基TFT生物传感器用于PSA的检测。采用透明柔性壳聚糖质子导体作为TFT的栅介质层,不仅有效降低TFT工作电压,还将该生物传感器向透明柔性可穿戴领域推进。根据TFT与探测板是否共用同一衬底将其分为一体化延伸栅式以及分离延伸栅式TFT生物传感器,检测范围均为100 fg/m L～10 ng/m L,敏感度变化量分别为3.14%dec-1及2.75%dec-1,表现出了良好的检测性能。不仅如此,TFT器件相较于HEMT制备成本更低,有助于向消费类电子领域推广。