Optimierung von Si-Nanodraht-FET-Sensoren: Photoleitfähigkeit, pH-Empfindlichkeit, Rauschen und Kanallängeneffekte

Zusammenfassung

Silizium-Nanodraht (NW) Feldeffekttransistor (FET) Sensoren verschiedener Längen wurden gefertigt. Transporteigenschaften von Si NW FET Sensoren wurden untersucht, einschließlich Rauschenspektroskopie und Strom-Spannungs- (I-V) Charakterisierung. Die statischen I-V-Abhängigkeiten demonstrieren die hohe Qualität der gefertigten Silicium-FETs ohne Leckstrom. Transport- und Raucheigenschaften von NW FET Strukturen wurden unter verschiedenen Lichtbeleuchtungsbedingungen sowie in Sensorkonfiguration in wässriger Lösung mit verschiedenen pH-Werten untersucht. Darüber hinaus untersuchten wir Kanallängeneffekte auf Photoleitfähigkeit, Rauschen und pH-Empfindlichkeit. Die Größenordnung des Kanalstroms ist annähernd umgekehrt proportional zur Länge des Stromkanals, und die pH-Empfindlichkeit nimmt mit zunehmender Kanallänge zu, wobei sie sich dem Nernst-Limeswert von 59,5 mV/pH nähert. Wir demonstrieren, dass dominantes 1/f-Rauschen durch das Generations-Rekombinations-Plateau bei bestimmten pH der Lösung oder externer optischer Anregung abgeschirmt werden kann. Die charakteristische Frequenz der Generations-Rekombinations-Rauschkomponente nimmt mit zunehmender Beleuchtungsleistung ab. Zudem zeigt sich, dass der gemessene Wert der Steigung der 1/f-Rausch-Spektraldichte-Abhängigkeit von der Stromkanallänge 2,7 beträgt, was nahe am theoretisch vorhergesagten Wert von 3 liegt.

Hintergrund

Im vergangenen Jahrzehnt wurden nanoskalige Siliciumstrukturen intensiv untersucht aufgrund ihrer vielversprechenden elektrischen, optischen, chemischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften. Im Vergleich zu größeren Strukturen ermöglichen nanoskalige Feldeffekttransistoren (FETs) die Messung elektrischer, optischer und anderer sehr kleiner Signale aufgrund des erhöhten Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses. Die kleinen Abmessungen von Nanostrukturen machen sie ideal für das Sensieren kleiner Probenvolumen mit niedrigen Analytkonzentrationen. Die Eigenschaften und Merkmale von pH-Sensoren werden in [2-4] detaillierter diskutiert. Es wird gezeigt, dass die pH-Empfindlichkeit von Silicium-Bulk-Materialien gering ist. Gute pH-Sensoreigenschaften von Si-Nanodrähten (NW) mit einer Empfindlichkeit von 58,3 mV/pH wurden beobachtet. Zum Beispiel im Bereich der medizinischen Diagnostik können nanoskalierte Strukturen, die die Nutzung niedrigdimensionaler Nanostrukturen wie Kohlenstoffnanoröhren, metallische oder halbleitende NW oder atomdünne Nanobänder (NR) anstreben, für eine Vielzahl von Anwendungen implementiert werden. Unter den genannten Strukturen eröffnen Silicium-NR und NW FET-Strukturen Aussichten für markierungsfreie, Echtzeit- und hochempfindliche Detektion von Biomolekülen unter Verwendung affinitätsbasierter Bindungsprinzipien. Die Empfindlichkeit verschiedener NR-Dimensionen wurde untersucht. Es wurde gezeigt, dass der neue Sensor mit integrierter Referenz-NR für Echtzeit-Fehlerüberwachung während pH-Sensierung genutzt werden kann. Neue Features und Funktionen werden kontinuierlich zu elektronischen Geräten hinzugefügt, wie Gesundheitsüberwachungs-Mobil-Systeme und Wearables. Trotz des Erfolgs solcher persönlicher Gesundheitsüberwachungssysteme wird die nächste Generation von Wearables voraussichtlich auch ein tragbares "Lab-on-a-Chip" – Set von medizinischen Biosensoren – umfassen, das für Detektion und Diagnose verschiedener medizinischer Substanzen verwendet werden kann. Um in der Lage zu sein, Frühstadien von Krankheiten im Idealfall auf Einzelmolekülebene zu überwachen und zu detektieren, muss die Größe des Sensor-Transducers mit den biologischen Markern unter Test vergleichbar sein. Daher müssen Biosensoren basierend auf NWs und NRs für die Überwachung biologischer Ereignisse entwickelt werden, die bei sehr kleinen Dimensionen auftreten. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich ist Optoelektronik, wo die Lichtwechselwirkung mit Nanostrukturen für zukünftige optische Geräteanwendungen genutzt werden kann. Subwellenlängendurchmesser und Näheffekte können zu fortgeschrittenen optischen Eigenschaften wie geringer Reflektanz und damit hoher Absorption führen. Untersuchungen der optischen Absorption von Si NW haben starke größenabhängige Effekte demonstriert. Studien der breitbandigen optischen Absorption zeigten erhöhte Gesamtoptische Absorptionsspektren für Si NW Proben. Si NWs führen zu signifikanter Reduktion der Reflektanz im Vergleich zu festen Siliciumfilmen. Optische Absorption nimmt zu, während die Wellenlänge abnimmt. Es sei angemerkt, dass im Gegensatz zum Bulk-Material nanoskalierte Si-Strukturen direkte Bandlücken-Halbleiter sein können, was sie zu hervorragender Wahl für optische Anwendungen macht. Andererseits erhöht die Größenskalierung die Bandlücke. Dies kann zu einer erfolgreichen Verschiebung der Absorptionsspektren zu kurzen Wellenlängen führen. Mit Größenabnahme müssen auch die Begrenzungen bezüglich Strom und Spannung berücksichtigt werden. Für Geräte, die bei schwachen Signalen arbeiten, spielt internes Rauschen eine entscheidende Rolle. Es bestimmt einen der wichtigsten Parameter von Sensoren – Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Wie für doppelt-gesteuerte SiNW-Sensoren gezeigt, erhöht sich die pH-Empfindlichkeit mit der Flüssiggatspannung und SNR hat höheren Wert (~10⁵). Der Nanobänder-Ansatz eröffnet die großskalige CMOS-Fertigung hochempfindlicher Biomolekül-Chips für potenzielle Nutzung in Medizin und Biotechnologie.

State-of-the-art-Forschung zu nanoskaligen Materialien hat ergeben, dass elektronische, magnetische, thermische und optische Eigenschaften dramatisch abweichen können, wenn ihre eindimensionalen Formen synthetisiert werden. Nanodrähte, die durch Nutzung von Ein- oder Wenigen-Atom-dicken lamellaren Kristallen gewonnen werden, sind neuartige Formen eindimensionaler nanoskaliger Materialien und ideale Systeme für die Untersuchung der Größabhängigkeit fundamentaler Eigenschaften.

Eine detaillierte Analyse der neuesten Errungenschaften zu Synthesemethoden und theoretischen Studien von NR wird in [23] präsentiert. In der Literatur wurden Photoleitfähigkeit, pH-Empfindlichkeit, Rauschen und Kanallängeneffekte im gleichen Satz von NW FET-Arrays nicht detailliert untersucht. Allerdings können Oberflächenrauheit und Beitrag dielektrischer Schichten die Struktureigenschaften je nach angewandter Fertigungstechnologie für verschiedene Gerätesätze erheblich verändern. In diesem Zusammenhang ist das Verständnis von Kanallängeneffekten im gleichen Satz von NW FETs wichtig für die Entwicklung von Geräten mit fortschrittlicher Funktionalität.

Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung von Silicium-Nanodraht-basierten FETs, einschließlich der Probenfertigungstechnologie und Chip-Charakterisierung, ihrer dunklen und lichtabhängigen Strom-Spannungs- (I-V) Charakteristiken und pH-Empfindlichkeit. Effekte der Kanallänge auf Quell-Senken-Ströme, pH-Empfindlichkeit und Niederfrequenzrauschen werden beschrieben. Wir demonstrieren, dass Silicium-Nanodrähte, gefertigt auf Basis einer dünnen Siliciumschicht auf einem oxidierten Siliciumsubstrat, hohe pH-Empfindlichkeit ziemlich nahe am Nernst-Limes haben können.

Methoden/Experimentell

Silicium NW Strukturen wurden auf Basis von Silicium-auf-Isolator (SOI) Wafern von SOITEC gefertigt. Der Prozess beginnt mit thermischer Oxidation zur Bildung 20-nm-dicker Siliciumoxid-Hartmasken. Die aktive Siliciumschichtdicke beträgt 50 nm. NWs verschiedener Geometrien werden dann in der Hartmaske mittels optischer Lithographie strukturiert und in die SiO₂-Schicht mittels reaktiver Ionenätzprozess übertragen. Das Muster wird genutzt, um Silicium-Nanobänder und Nanodrähte durch nasschemisches Ätzen in Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) Lösung zu erhalten. Gate-Dielektrikumsschicht, die auch als Kanalschutz vor flüssiger Umgebung dient, ist thermisch gewachsenes 8-nm-dickes Siliciumoxid. Der NW-Kanal war fast undotiertes Silicium mit Lochkonzentration von etwa 10¹⁵ cm⁻³. Quelle und Senke Kontakte waren hochdotiert, um gute ohmsche Kontakte zu bilden. Für die Verbindung zur Elektronik wurden Aluminiumkontakte mittels Lift-off-Prozess strukturiert. Schließlich wurden Chips mit Polyimidschicht (PI) passiviert, um Metallzuführungen vor flüssiger Umgebung zu schützen. Abbildung 1 zeigt schematische Bilder der untersuchten Proben im pH-Sensor-Betriebsmodus (a) und Photoempfänger-Betriebsmodus (b), und SEM-Bild des untersuchten NW ist in Abb. 2 dargestellt.

Si-Nanodraht-Feldeffekttransistor-Strukturen unter Untersuchung. Schematische Abbildung der untersuchten Proben: pH-Sensor-Betriebsmodus (a) und Photoempfänger-Betriebsmodus (b). PI Polyimidschicht, S Quelle, D Senke, FG Frontgate (Referenzelektrode, RE), BG Backgate

SEM-Bild von Si NW FET Struktur. Typisches Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bild von gefertigtem Si-Nanobänder-Feldeffekttransistor-Struktur

Ergebnisse und Diskussion

Strom-Spannungs-Kennlinien und pH-Empfindlichkeit

Abbildungen 3 und 4 zeigen Quell-Senken-Strom-Spannungs- (I-V) Charakteristiken der untersuchten Proben gemessen bei Backgate-Spannungen von -1 und -5 V. Charakteristiken wurden in Dunkelbedingungen sowie unter spezifischen Bestrahlungsleistungen von 0,85 und 1,6 W/cm² bei Raumtemperatur gemessen. Lichtexzitation wird mit Glühlampen in 15 cm Entfernung vom Sensor durchgeführt. Die I-V-Abhängigkeiten demonstrieren typisches Verhalten, ähnlich wie Metall-Oxid-Halbleiter-FETs (MOSFETs), da die untersuchten Proben relativ große Abmessungen von l × w × t = (2 ÷ 10) × 10 × 0,05 µm haben (l, w und t sind Kanallänge, -breite und -dicke). I-V-Kurven in Abb. 3 und 4 können beschrieben werden als:

wobei I_{ds, d} und I_{ds, ph} die dunklen und photo Quell-Senken-Stromkomponenten sind. Dunkler Strom kann durch den bekannten Ausdruck für MOSFETs für V_ds ≤ V_gs − V_th beschrieben werden:

I-V-Kennlinien von NW FET, gemessen bei optischer Anregung (V_BG = -1 V). Ausgangs-Strom-Spannungs-Kennlinien von NW FET Probe mit Länge l = 10 µm, gemessen im Dunkeln und bei Anregung durch Licht spezifische Leistung 0,85 und 1,6 W/cm², bei T = 300 K und V_BG = -1 V

I-V-Kennlinien von NW FET, gemessen bei optischer Anregung (V_BG = -5 V). Ausgangs-Strom-Spannungs-Kennlinien von NW FET Probe mit Länge l = 10 µm, gemessen im Dunkeln und mit Anregung durch Licht spezifische Leistung 0,85 und 1,6 W/cm² bei T = 300 K und V_BG = -5 V

Hier ist C_ox = ε_ox/t_ox die Oxidschichtkapazität pro Flächeneinheit, ε_ox und t_ox sind Permittivität und Dicke der Gate-Oxidschicht, μ_n ist die Elektronenbeweglichkeit, und V_ds, V_gs und V_th sind Quell-Senken-, Gate-Quell- und Schwellenspannungen. Die Generationsrate von Photo-Ladungsträgern ist gleich ηαN_ph, wobei N_ph = W/hν die Bestrahlungsintensität ist. Bei niedrigen Injektionsniveaus und konstanter Lebensdauer von Löchern wird die Konzentration von Photo-Ladungsträgern \( \Delta p=\eta \alpha {\tau}_p\frac{W}{h\nu} \). Die Ladungsträger driften bei angelegter Spannung V_ds. In diesem Fall kann der Photostrom dargestellt werden als:

Hier ist A_ch = wt der Querschnittsfläche des Stromkanals, e die Elementarladung, Δp und μ_p Konzentration und Beweglichkeit der überschüssigen Photo-Ladungsträger (Löcher), α der Absorptionskoeffizient der Beleuchtung, η der Quantenausbeute, τ_p der Lebensdauer der Löcher, hν die Photonenenergie und W die spezifische Bestrahlungsleistung in [W/cm²].

In Gleichung (3) nahmen wir an, dass die elektrische Feldstärke gleichmäßig entlang der Kanallänge verteilt ist und der Wert von A_ch aufgrund der hohen Kanalleitfähigkeit leicht entlang der Kanallänge variiert. Es sei angemerkt, dass diese Annahme im Hauptteil des Kanals gültig ist, der weit von Quelle und Senke Kontakten entfernt ist.

Bei niedrigen Spannungen V_ds wächst der Quell-Senken-Strom I_ds annähernd linear mit der Spannung. Mit zunehmender spezifischer Bestrahlungsleistung nimmt die Größenordnung von I_ds zu. Abbildungen 5 und 6 zeigen I-V-Kurven des untersuchten Geräts bei mehreren Frontgate-Spannungen (V_FG = -1 V, -5 V) gemessen in wässriger Lösung mit pH = 6,2, 7 und 8,3. Wir sehen, dass Erhöhung des pH-Werts zu Erhöhung des Kanalstroms I_ds führt. Dies stimmt gut mit dem Modell des Lösungscontakts mit der Oxidschicht-Oberfläche überein, dann an der Oxid/Lösung-Grenzfläche verursachte Hydroxylgruppen SiOH. Konzentration und Verhalten dieser Hydroxylgruppen hängen vom pH-Wert ab. Der Fall, wenn die Oberfläche nicht geladen ist, wird Null-Ladungspunkt genannt. Für die SiO₂-Dielektrikumsschicht wird der Punkt bei pH = 2,2 erreicht. Bei pH-Werten niedriger als 2,2 ist die Oxid-Oberfläche positiv geladen; bei höheren pH-Werten ist die Oxid-Oberfläche negativ geladen. Im Fall von Pufferlösung mit pH = 7 wird die Siliciumoxid-Oberfläche negativ geladen sein. Daher erhöht sich bei angelegter negativer Gate-Potenzial der Absolutwert der negativen Ladung auf der Oxid-Oberfläche. Als Ergebnis steigt die Majoritäts-Ladungsträgerkonzentration im Stromkanal (Löcher in p-Si) und damit der Kanalstrom.

I-V-Kennlinien von NW FET, gemessen in verschiedenen pH-Lösungen (V_FG = -1 V). Ausgangs-Strom-Spannungs-Kennlinien von NW FET mit Länge l = 10 µm, gemessen im Dunkeln und pH-Konzentrationen: 6,3, 7, 8,2 bei T = 300 K, V_BG = -5 V, und V_FG = -1 V

I-V-Kennlinien von NW FET, gemessen in pH-Lösungen (V_FG = -5 V). Ausgangs-Strom-Spannungs-Kennlinien von NW FET mit Länge l = 10 µm, gemessen im Dunkeln und pH-Konzentrationen 6,3, 7, 8,2 bei T = 300 K, V_BG = -5 V, und V_FG = -5 V

Abbildungen 5 und 6 zeigen die I-V-Kennlinien der Si NW Strukturen im biochemischen Sensorbetrieb. Messungen wurden für jeden pH-Wert viermal durchgeführt. Die Wiederholbarkeit lag innerhalb von 7%. In [26] wurde pH-Empfindlichkeit biochemischer Sensoren eingeführt als

Hier sind ΔI_ds und ΔpH die elementaren Änderungen in I_ds und pH. Beachten Sie, dass pH-Empfindlichkeit der messbare Wert ist. In dem Lösungsmedium mit erhöhtem pH-Wert steigt der Quell-Senken-Strom. Dies ermöglicht die Registrierung der pH-Variation in beliebigen Bioflüssigkeiten (innerhalb des für physiologische Lösungen relevanten Lösungsbereichs) mit hoher Genauigkeit. Zum Beispiel für V_BG = -5 V bei V_ds = 5 V beträgt die Empfindlichkeit R_pH ≈ 56,4 mV/pH. Bei V_BG = -5 V wächst die pH-Empfindlichkeit bis zu 59,3 mV/pH und nähert sich dem Nernst-Limes 59,5 mV/pH. Die pH-Empfindlichkeit wächst mit Erhöhung der Backgate-Spannung. Zum Beispiel aus Abb. 5 und 6 bei V_ds = 8 V erhielten wir das Verhältnis \( {\left({R}_{\mathrm{pH}}\right)}_{V_{\mathrm{BG}}=-5\ \mathrm{V}}/{(R)}_{V_{BG}=-1\ \mathrm{V}}\approx 5,17 \), d.h. ungefähr fünfmal verbesserte Empfindlichkeit.

Niederfrequenz-Rauschenspektren und Merkmale durch Bestrahlung und pH-Änderungen

Die Rauschenspektren von Si NW Strukturen wurden bei konstantem Strom im ohmschen Modus gemessen. Abbildung 7 zeigt die Drain-Strom-Rauschleistungs-Spektraldichte gemessen in Dunkelbedingungen sowie unter Bestrahlung mit angelegter Backgate-Spannung V_BG = -1 V bei I_ds = 0,1 µA. Rauschenspektren, gemessen im Dunkeln, demonstrieren 1/f^γ Rauschen-Verhalten mit Rauschparameter gleich γ = 1. Niederfrequenz (NF) Rauschen-Pegel steigt mit Erhöhung der Lichtbestrahlungsintensität. Die Erhöhung der Beleuchtungsintensität führt zum Wachstum der Majoritäts-Ladungsträgerkonzentration. Dies wiederum verursacht Wachstum von Beweglichkeitsfluktuationen im Kanal wegen erhöhter Interaktions- und Streuraten als Ergebnis von Streuung, erstens zwischen Ladungsträgern, und zweitens zwischen Ladungsträgern und akustischen Phononen sowie an verschiedenen Verunreinigungsfallen.

Rauschenspektren von NW FET, gemessen bei optischer Anregung. Spektrale Abhängigkeit von NF-Rauschen, gemessen für NW FET Probe mit l = 10 µm unter Bestrahlung: 0,85 W/cm², 1,6 W/cm² und im Dunkeln; V_BG = -1 V, T = 300 K

Da die Rauschmessungen bei konstantem Strom im ohmschen Modus durchgeführt wurden, ändert sich der Kanalwiderstand linear mit der angewendeten Spannung V_ds. Wie bekannt, ist die 1/f-Rauschen-Spektraldichte S_V proportional zur Spannung in Potenz 2:

Hier ist α_H der Hooge-Parameter, R_ch der Stromkanalwiderstand; Ω = A_chl das Volumen des Stromkanals; ρ der spezifische Kanalwiderstand. Die Abnahme des Kanalwiderstands führt zum Wachstum der Rauschen-Spektraldichte. Bei Lichtexzitation des Nanodraht-FET-Probes mit Leistung W haben wir:

Hier ist p_d die Konzentration von Löchern in Dunkelbedingungen und σ die spezifische Leitfähigkeit. Der Rauschen-Pegel steigt proportional zur Intensität der Beleuchtung.

Wir berechnen Werte des Rauschen-Parameters γ, باستخدام die Kurven in Abb. 7. Die folgenden Parameter werden für Proben erhalten, gemessen im Dunkeln und bei Lichtexzitation verschiedener Leistungen:

γ(dunkel) ≈ 1,0, γ(0,85 W/cm²) ≈ 0,5 und γ(1,6 W/cm²) ≈ 0,2.

Unter Bestrahlung nimmt der Wert des Rauschen-Parameters γ ab. Dies kann wie folgt erklärt werden. Mit zunehmender Lichtleistung erhöht sich die Leitfähigkeit des Stromkanals. Als Ergebnis steigt die effektive Lebensdauer von Minoritätsladungsträgern τ_ef und erreicht Werte τ_ef ≥ (10⁻³ ÷ 10⁻²) s. Einmal werden Elektron-Loch-Paare durch Absorption in Silicium generiert, mehrere Rekombinationsmechanismen müssen berücksichtigt werden. Diese Prozesse erfolgen parallel, und die Rekombinationsrate ist die Summe der Raten entsprechend den einzelnen Prozessen. Verschiedene Lebensdauern sind mit verschiedenen Rekombinationsmechanismen assoziiert. Die effektive Ladungsträgerlebensdauer muss durch die Ladungsträger-Oberflächen-, radiative-, Volumen- (Bulk-) und Auger-Rekombinationslebensdauern bestimmt werden. Es ist bekannt, dass die radiative Lebensdauer umgekehrt proportional zur Ladungsträgerdichte ist, und die Auger-Lebensdauer umgekehrt proportional zum Quadrat der Ladungsträgerdichte. Die Bulk-Rekombinationslebensdauer wird durch den Shockley-Read-Hall-Rekombinationsmechanismus bestimmt. Sie ist konstant für niedrige Ladungsträgerdichten und steigt für hohe Injektionsniveaus. Es ist bekannt, dass die Oberflächenrekombinationslebensdauer proportional zur Rate der Oberflächenrekombination und umgekehrt proportional zur Probenstärke ist.

Das Verhalten der effektiven Lebensdauer wird komplex, abhängig von der Nichtgleichgewichts-Ladungsträgerdichte und Rekombinationsmechanismen. Wenn die Ladungsträgerdichte zunimmt, kann die effektive Lebensdauer entweder konstant oder abnehmende Funktion sein. In den Nanodrähten bei hohem Verhältnis von Oberfläche zu Volumen spielen Oberflächengrenzflächenzustände eine wichtigere Rolle und ihr Beitrag dominiert. Darüber hinaus kann er andere Rekombinationstypen übertreffen. Andererseits kann bei moderatem Niveau der Ladungsträgerdichte auch die Bulk-Rekombinationslebensdauer zunehmen. Für unseren Fall von Silicium NW Ladungsträgern wird die effektive Lebensdauer im Wesentlichen durch Oberflächen- und Bulk-Rekombination bestimmt und nimmt mit Ladungsträgerdichtewachstum zu.

Wie bekannt, hat Generations-Rekombinations- (g-r) Rauschen die Lorentz-Form:

Hier ist f die Frequenz. Es ist klar, dass der Abschnitt des Plateaus auf der Abhängigkeit S_{V, g-r}(f) durch die Bedingung bestimmt wird

wo f_c die charakteristische Frequenz ist. Es sei angemerkt, dass mit der Erhöhung der Elektronenlebensdauer der Wert der Abschneidefrequenz f_c abnimmt. Die charakteristische Frequenz des g-r-Rauschens verschiebt sich in den Niederfrequenzbereich. Da die Leitfähigkeit σ und Lebensdauer τ_n mit zunehmender Bestrahlungsleistung zunehmen, nimmt f_c mit zunehmendem W entsprechend ab:

Die g-r-Prozesse führen zur Abschirmung der 1/f-Rauschen-Komponente unter dem g-r-Rauschen-Plateau. Die Tatsache erklärt die Abnahme des Wertes des Rauschen-Parameters γ mit zunehmender Bestrahlungsleistung.

Abbildung 8 illustriert die spektrale Abhängigkeit der NF-Rauschen-Leistungsspektrum von Si NW FET Probe, gemessen bei V_FG = -1 V, I_ds = 0,1 µA in Lösung bei verschiedenen pH-Werten: 6,3, 7,0 und 8,2. Rauschen-Parameter nimmt mit Erhöhung des pH-Werts ab: γ(pH = 6,3) ≈ 1,0; γ(pH = 7,0) ≈ 0,5; γ(pH = 8,2) ≈ 0,4. Die Steigungen wurden im Bereich von 10 bis 500 Hz berechnet. NF-Rauschen-Pegel steigt und seine Steigung nimmt ab mit Erhöhung des pH-Werts. Die Erhöhung des pH-Werts führt zu einer Abnahme des Kanalwiderstands, verursacht durch Akkumulation negativer Ladungen an der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche. Die Abnahme der Steigung von S_V(f) Abhängigkeit mit pH-Erhöhung kann erklärt werden, indem der Effekt der Kanal-Leitfähigkeitserhöhung berücksichtigt wird.

Rauschenspektren von NW FET, gemessen in verschiedenen pH-Lösungen. Spektrale Abhängigkeit von NF-Rauschen für NW mit Länge l = 10 µm, gemessen bei T = 300 K und verschiedenen pH-Werten: 6,3, 7,0 und 8,2 bei V_BG = -5 V, V_FG = -1 V

Effekte der Kanallänge

In diesem Abschnitt präsentieren wir die Ergebnisse des Einflusses der Stromkanallänge auf Transportmechanismen, pH-Empfindlichkeit und auch auf das Verhalten von NF-Rauschen der Si NW-basierten Sensoren. Die Größenordnung des Stroms ist umgekehrt proportional zur Länge des Stromkanals, was die Anwendung der Drift-Näherung für den Transportmechanismus rechtfertigt, sowie die Annahme einer gleichmäßigen Verteilung der elektrischen Feldstärke entlang der Länge des Stromkanals (Abb. 9). Der Einfluss der Lichtexzitation führt zu einer Erhöhung der Größenordnung des Quell-Senken-Stroms. Die pH-Empfindlichkeit nimmt mit der Stromkanallänge zu und tendiert zum Nernst-Limes von 59,5 mV/pH (Abb. 10), was in guter Übereinstimmung mit Werten steht, die für mikroskalige Sensoren erhalten wurden. Unsere Ergebnisse unterstützen auch Beobachtungen des pH-Empfindlichkeitsverhaltens für NW-Proben mit verschiedenen Geometrien. Der Längeneffekt, der systematisch in unserer Arbeit untersucht wurde, kann wie folgt erklärt werden. Da die Länge des Kanals l abnimmt, verringert sich die Fläche der pH-empfindlichen Oberfläche, und folglich verringert sich die Anzahl der messbaren H⁺-Ionen in der wässrigen Lösung. Gemäß Gleichung (2) steigt der Strom I_ds mit abnehmendem l, was zu einer Abnahme des Widerstands des Stromkanals bei konstanter Spannung V_ds führt. Da der Widerstand des Kanals R_ch abnimmt, wird seine Modulation unter dem Einfluss der H⁺-Ionen behindert; daher nimmt die pH-Empfindlichkeit ab.

Kanalstrom von NW FET vs Länge. Plot des Kanalstroms als Funktion der Kanallänge. V_BG = -5 V, V_ds = -5 V, R_ch = 1,26 MΩ

pH-Empfindlichkeit vs Kanallänge. Plot der pH-Empfindlichkeit als Funktion der Kanallänge. V_FG = -10 V, V_BG = -5 V, V_ds = -5 V, R_ch = 1,26 MΩ

Abbildung 11 illustriert die NF-Rauschen-Spektraldichte-Abhängigkeit von der Länge des Stromkanals.

Rauschen-Spektraldichte vs Stromkanallänge. Plot der Rauschen-Spektraldichte als Funktion der Stromkanallänge. Für pH-Messungen V_FG = -10 V

Diese Kurven werden unter Verwendung der spektralen Abhängigkeiten des NF-Rauschens gezeichnet, gemessen für Si NWs mit verschiedenen Längen in Dunkelbedingungen, unter Beleuchtung mit einer Intensität von 0,85 V/cm² und in wässriger Lösung mit pH = 7. Der berechnete Wert der Steigung der parallelen Kurven (Abb. 10) beträgt log(500/10) ≈ 2,7. Dieser Wert ist nahe an dem Wert (gleich 3), der theoretisch mittels Gleichungen (6) und (7) erhalten wurde, S_V ∝ l⁻³ mit Fehler von etwa 10%. Die Ergebnisse demonstrieren, dass theoretisch vorhergesagte S_V(l) Abhängigkeiten in guter Übereinstimmung mit gemessenen Charakteristiken stehen, unter Berücksichtigung des relativ hohen thermischen Rauschen-Niveaus. Gemäß Gleichung (6) führt Skalierung der Kanallänge l nach unten zu Abnahme des Widerstands und Stromzunahme, was Zunahme von Ladungsträgern im Kanal entspricht. Dies wiederum resultiert in erhöhter Interaktion von Ladungsträgern mit Fallen an der Grenzfläche zwischen Silicium und Dielektrikumsschicht. Daher steigt der Rauschen-Pegel, was auch durch experimentelle Abhängigkeiten bestätigt wird (siehe Abb. 11).

Die nicht-Nernstsche pH-Antwort von SiO₂-gesteuerten FET-basierten Sensoren war ein Hauptthema seit der Einführung des ionensensitiven FET (ISFET) Konzepts. Die Empfindlichkeit des SiNR FET Sensors auf pH-Änderungen kann durch Messung der Verschiebung der Schwellenspannung des Geräts quantifiziert werden und wird durch die Nernst-Gleichung definiert:

\( \frac{\delta {\Psi}_0}{\delta \mathrm{pH}}=-2,3\frac{kT}{q}\alpha \le 59\ \frac{mV}{\mathrm{pH}} \),

wo δΨ₀ das Potential an der Oberfläche ist. Der dimensionslose Parameter a, der von der intrinsischen Pufferkapazität der Oxid-Oberfläche und der differentiellen Doppelschichtkapazität abhängt, kann einen Wert zwischen 0 und 1 haben.

Änderungen im pH der Lösung induzieren Variationen in der Oberflächenladungsdichte und dem Oberflächenpotential. Dies führt zu einer Änderung der NR-Kanalleitfähigkeit. Im Allgemeinen ist Empfindlichkeit definiert als die größtmögliche Ausgangsantwort auf ein bestimmtes biologisches Ereignis. Die pH-Empfindlichkeit von BioFETs entsteht aus Säure/Basis-Reaktionen an der Oxid/Elektrolyt-Grenzfläche und die maximal erreichbare pH-Antwort eines konventionellen ISFET ist der Nernst-Limes von 59 mV/pH. Über die Jahre gab es zahlreiche Berichte über Geräte mit nahezu Nernstscher Antwort. Die hohe Empfindlichkeit wurde entweder durch Optimierung der intrinsischen Geräte-Transfercharakteristiken (wie Senkung des Subthreshold-Swings oder Abstimmung des Gate-Potenzials) oder durch chemische Oberflächenmodifikationen erreicht. Verringerung der Siliciumdicke führt zu höherer Oberflächenladungsempfindlichkeit. In [6] wird gezeigt, dass bei optimaler Dicke von 30 nm die Empfindlichkeit den Maximalwert erreicht, und für dickere Geräteschichten die pH-Antwort abnimmt und die größte Antwort vom breitesten NR FET mit der höchsten Oberfläche erhalten wird. Die beliebteste Plattform für chemische Modifikation der SiO₂-Oberfläche ist Chemisorption einiger Nanometer dicker selbstassemblierter Monolagen, nicht nur zur Verbesserung der pH-Empfindlichkeit von Si/SiO₂-gesteuerten Nanosensoren, sondern auch weil Biomoleküle wie Proteine oder DNA an das andere funktionale Ende bestimmter Monolagen gekoppelt werden können. Autoren von Ref. [50] diskutierten Ergebnisse zur Funktionalisierung und Modifikation von SiNW FET Sensoren.

Schlussfolgerungen

Silicium-Nanodraht-FET-Biochemische Sensoren verschiedener Längen wurden gefertigt. Die statischen dunklen und lichtbeleuchteten I-V-Kurven sowie das Verhalten dieser Sensoren in wässriger Lösung mit verschiedenen pH-Werten wurden untersucht. Die statischen dunklen I-V-Abhängigkeiten demonstrieren FET-Verhalten. Mit zunehmender Lichtintensität wächst der Quell-Senken-Strom wegen der Erhöhung der Leitfähigkeit des Stromkanals. Die pH-Empfindlichkeit nimmt mit Erhöhung der Backgate-Spannung zu und nähert sich 59,5 mV/pH. Die Größenordnung des Kanalstroms ist annähernd umgekehrt proportional zur Länge des Stromkanals und die pH-Empfindlichkeit nimmt mit Erhöhung der Kanallänge zu, sich dem Nernst-Limeswert nähernd, was zeigt, dass größere Flächen-Geräte besser für pH-Sensierung geeignet sind.

Die Spektraldichte des NF-Rauschens steigt sowohl unter der Wirkung der pH-Lösung als auch der Beleuchtung, und in beiden Fällen wird die Frequenzabhängigkeit des Rauschens abgeschwächt und der Wert des Rauschen-Parameters γ nimmt ab. Mit Erhöhung des pH-Werts und der Bestrahlungsleistung wird das 1/f-Rauschen durch das g-r-Plateau abgeschirmt. Die charakteristische Frequenz der g-r-Rauschen-Komponente nimmt mit zunehmender Beleuchtungsleistung ab. NF-Rauschen-Pegel steigt und seine Steigung nimmt ab mit Erhöhung des pH-Werts. Es wird gezeigt, dass der gemessene Wert der Steigung der Rauschen-Spektraldichte-Abhängigkeit von der Stromkanallänge 2,7 beträgt, was nahe am theoretisch vorhersagbaren Wert 3 innerhalb von 10% Fehler liegt.

Abkürzungen

FETs

Feldeffekttransistoren

NF

Niederfrequenz

NWs

Nanodrähte

TMAH

Tetramethylammoniumhydroxid