Optimalisatie van Si-nanodraad FET-sensoren: Fotoconductiviteit, pH-gevoeligheid, ruis en kanaallengte-effecten

Samenvatting

Silicon nanodraad (ND) veld-effect-transistor (FET) sensoren van verschillende lengtes werden geproduceerd. Transport-eigenschappen van Si ND FET sensoren werden onderzocht met ruisspectroscopie en stroom-spanning (I-V) karakterisatie. De statische I-V-afhankelijkheden tonen de hoge kwaliteit van geproduceerde silicium FETs zonder lekkagestroom. Transport- en ruiseigenschappen van ND FET-structuren werden onderzocht onder verschillende lichtbelichtingscondities, alsook in sensorconfiguratie in een waterige oplossing met verschillende pH-waarden. Verder bestudeerden we kanaallengte-effecten op fotoconductiviteit, ruis en pH-gevoeligheid. De grootte van de kanaalstroom is ongeveer omgekeerd evenredig aan de lengte van het strookkanaal, en de pH-gevoeligheid neemt toe met de toename van kanaallengte, de Nernst-limietwaarde van 59,5 mV/pH benaderend. We demonstreren dat dominante 1/f-ruis kan worden afgeschermd door het generatie-recombinatie plateau bij bepaalde pH van de oplossing of externe optische excitatie. De karakteristieke frequentie van de generatie-recombinatie ruiscomponent neemt af met toenemende belichtingskracht. Bovendien wordt getoond dat de gemeten waarde van de helling van 1/f-ruisspectrale dichtheid afhankelijkheid van de strookkanaallengte 2,7 is, wat dicht bij de theoretisch voorspelde waarde van 3 ligt.

Achtergrond

De afgelopen decennium zijn nanogrote siliciumstructuren onder intensieve studie [1] vanwege hun veelbelovende elektrische, optische, chemische, thermische en mechanische eigenschappen. Vergeleken met grotere structuren laten nanoschaal veld-effect-transistoren (FETs) toe om elektrische, optische en andere typen van heel kleine signalen te meten door de verhoogde oppervlakte-tot-volume-verhouding van het monster. De kleine afmetingen van nano-structuren maken ze ideaal voor sensing van kleine monstervolumes met lage analyteconcentraties. De eigenschappen en kenmerken van pH-sensoren worden gedetailleerder besproken in [2–4]. Het wordt getoond dat de pH-gevoeligheid van bulk siliciummateriaal slecht is. Goede pH-sensing eigenschappen van Si nanodraden (ND), met een gevoeligheid van 58,3 mV/pH, werden waargenomen. Bijvoorbeeld, op het gebied van medische diagnostiek kunnen nanoschaal structuren gericht op het benutten van laag-dimensionale nano-structuren zoals koolstofnanobuizen, metalen, of halfgeleidende ND of atoom-dunne nanostroken (NS) geïmplementeerd worden voor een verscheidenheid aan toepassingen [5]. Onder de genoemde structuren openen silicium NS en ND FET-structuren perspectieven voor label-vrije, real-time en hoge-gevoelige detectie van biomoleculen met behulp van affiniteit-gebaseerde bindingsprincipes [6]. De gevoeligheid van verschillende NS-dimensies werd bestudeerd. Er werd getoond dat de nieuwe sensor met geïntegreerde referentie NS kan worden gebruikt voor real-time foutmonitoring tijdens pH-sensing [6]. Nieuwe functies en functies worden continu aan elektronische apparaten toegevoegd, zoals gezondheidsmonitoring mobiele systemen en draagbare apparaten. Ondanks de succes van dergelijke persoonlijke gezondheidsmonitoringssystemen [7], wordt verwacht dat de volgende generatie draagbare apparaten ook een draagbare "lab-on-a-chip"—set van medische biosensoren die gebruikt kunnen worden voor detectie en diagnose van verschillende medische stoffen [8, 9] zal omvatten. Om in staat te zijn om de vroege stadia van ziekte in ideaal geval op het niveau van enkel molecuul te monitoren en detecteren, moet de grootte van de sensor-transducer vergelijkbaar zijn met de biologische markers onder test. Daarom moeten biosensoren gebaseerd op NDs en NSs worden ontwikkeld voor de monitoring van biologische gebeurtenissen die op heel kleine dimensies plaatsvinden. Een ander belangrijk toepassingsgebied is opto-elektronica, waar de lichtinteractie met nano-structuren gebruikt kan worden voor toekomstige optische toepassingen. Sub-golfengte diameters en nabijheidseffecten kunnen leiden tot geavanceerde optische eigenschappen zoals lage reflectantie en dus hoge absorptie. Onderzoeksresultaten van Si ND optische absorptie hebben sterke grootte-afhankelijke effecten aangetoond [10–12]. Studies van de breedband optische absorptie toonden verhoogde totale optische absorptiespectra voor Si ND monsters [13]. Si NDs leiden tot een significante reductie van de reflectantie vergeleken met vaste siliciumfilms [13, 14]. Optische absorptie neemt toe terwijl de golfengte afneemt. Het moet worden opgemerkt dat, in tegenstelling tot bulk materiaal, nanoschaal Si-structuren directe bandkloof halfgeleiders kunnen zijn, wat ze uitstekende keuzes maakt voor optische toepassingen [11, 13, 15–18]. Aan de andere kant vergroot grootteverkleining de bandkloof [15]. Dit kan resulteren in een succesvolle verschuiving van de absorptiespectra naar korte golfengtes [11, 18]. Met afname van grootte moeten de beperkingen betreffende stroom en spanning ook overwogen worden. Voor apparaten die werken bij zwakke signaalniveaus, speelt interne ruis een cruciale rol [4, 19,20,21]. Het bepaalt een van de belangrijkste parameters van sensoren—signaal-tot-ruisverhouding (SNR). Zoals getoond voor dubbel-gepoorte SiND sensoren, neemt pH-gevoeligheid toe met de vloeistofgate-spanning en SNR heeft hogere waarde (~ 10⁵) [11, 18]. De nanostrook-benadering opent perspectieven voor grootschalige CMOS-fabricatie van hooggevoelige biomolecuul-chips voor potentieel gebruik in geneeskunde en biotechnologie [22].

State-of-the-art onderzoek op nanoschaal materialen heeft onthuld dat elektronische, magnetische, thermische en optische eigenschappen dramatisch kunnen verschillen wanneer hun eendimensionale vormen gesynthetiseerd worden. Nanodraden verkregen door gebruik te maken van enkele- of weinig-atoom-dikke lamellaire kristallen zijn nieuwe vormen van eendimensionale nanoschaal materialen en zijn ideale systemen voor onderzoek van de grootte-afhankelijkheid van fundamentele eigenschappen.

Een gedetailleerde analyse van de meest recente prestaties op de methoden van synthese en theoretische studies van NS worden gepresenteerd in [23]. In de literatuur zijn fotoconductiviteit, pH-gevoeligheid, ruis en kanaallengte-effecten in dezelfde set van ND FET-arrays niet in detail bestudeerd. Echter, oppervlakteruwheid en bijdrage van dielectrische lagen kunnen structuureigenschappen aanzienlijk veranderen afhankelijk van de fabricagetechnologie toegepast voor verschillende sets apparaten. In dit opzicht is het begrijpen van kanaallengte-effecten in dezelfde set van ND FETs belangrijk voor de ontwikkeling van apparaten met geavanceerde functionaliteit.

Het huidige werk is gewijd aan de bestudering van silicium-nanodraad-gebaseerde FETs, inclusief de monstervabricagetechnologie en chip-karakterisatie, hun donkere en lichte stroom-spanning (I-V) kenmerken en pH-gevoeligheid. Effecten van kanaallengte-invloed op de bron-drain stromen, pH-gevoeligheid en laagfrequente ruis worden beschreven. We demonstreren dat silicium nanodraden, geproduceerd op basis van een dunne siliciumlaag op een geoxideerd siliciumsubstraat, hoge pH-gevoeligheid kunnen hebben redelijk dicht bij de Nernst-limiet.

Methoden/experimenteel

Silicon ND-structuren werden geproduceerd op basis van silicon-on-insulator (SOI) wafers gekocht van SOITEC. Het proces begint met thermische oxidatie om 20-nm-dikke siliciumoxide hard masks te vormen. De actieve siliciumlaagdikte is 50 nm. NDs van diverse geometrieën worden vervolgens gepatent in hard mask met optische lithografie en overgedragen in SiO₂-laag met reactieve ion etching-processtap. Het patroon wordt gebruikt om silicium-nanostroken en nanodraden te verkrijgen via natte chemische etching in tetramethylammoniumhydroxide (TMAH) oplossing. Gate-dielectrische laag, die ook fungeert als kanaalbescherming van vloeibare omgeving, is thermisch uitgegroei-de 8-nm-dikke siliciumoxide. Het ND-kanaal was bijna ongedopeerd silicium met gatconcentratie van ongeveer 10¹⁵ cm⁻³. Bron- en draincontacten waren hoog gedopeerd om goede ohmische contacten te vormen. Voor de verbinding met elektronica werden aluminiumcontacten gepatent met een lift-off proces. Ten slotte werden chips gepassiveerd met polyimide-laag (PI) om metaal-voedingslijnen te beschermen van vloeibare omgeving. Figuur 1 toont schematische afbeeldingen van de monsters onder studie in de pH-sensor operatiemodus (a) en foto-ontvanger operatiemodus (b), en SEM-afbeelding van onderzochte ND wordt gepresenteerd in Fig. 2.

Optimalisatie van Si-nanodraad FET-sensoren: Fotoconductiviteit, pH-gevoeligheid, ruis en kanaallengte-effecten

Resultaten en Discussie

Stroom-Spanning Kenmerken en pH-Gevoeligheid

Figuren 3 en 4 tonen bron-drain stroom-spanning (I-V) kenmerken van monsters onder studie gemeten bij back-gate spanningen van -1 en -5 V, respectievelijk. Kenmerken werden gemeten in donkere condities alsook onder specifieke vermogensbelichtingen van 0,85 en 1,6 W/cm² bij kamertemperatuur. Licht-excitatie wordt uitgevoerd met gloeilampen op een afstand van 15 cm van de sensor. De I-V-afhankelijkheden tonen typisch gedrag wat vergelijkbaar is met metal-oxide-halfgeleider FETs (MOSFETs) [24] aangezien de monsters onder onderzoek relatief grote afmetingen hebben van l × w × t = (2 ÷ 10) × 10 × 0,05 µm (l, w en t zijn de kanaallengte, breedte en dikte, respectievelijk). I-V-krommen in Fig. 3 en 4 kunnen beschreven worden als:

$$ {I}_{\mathrm{ds}}={I}_{\mathrm{ds},\mathrm{d}}+{I}_{\mathrm{ds},\mathrm{ph}}, $$ (1)

waarbij I_{ds, d} en I_{ds, ph} de donkere en foto bron-drain stroomcomponenten zijn. Donkere stroom kan beschreven worden door de bekende uitdrukking voor MOSFETs voor V_ds ≤ V_gs − V_th [24]:

$$ {I}_{\mathrm{ds},\mathrm{d}}=\frac{w{\mu}_n{C}_{\mathrm{ox}}}{l}\left({V}_{\mathrm{gs}}-{V}_{\mathrm{th}}-\frac{V_{\mathrm{ds}}}{2}\right){V}_{\mathrm{ds}}. $$ (2)

Hierbij is C_ox = ε_ox/t_ox de oxidelaxcapaciteit per eenheidsoppervlakte, ε_ox en t_ox zijn de permittiviteit en dikte van de gate-oxidelax, μ_n is de elektronenmobiliteit, en V_ds, V_gs en V_th zijn bron-drain, gate-bron en drempelspanningen, respectievelijk. De generatiesnelheid van foto-dragers is gelijk aan ηαN_ph, waar N_ph = W/hν de intensiteit van bestraling is. Bij lage injectieniveaus en constante levensduur van gaten, zal de concentratie van foto-dragers $ \Delta p=\eta \alpha {\tau}_p\frac{W}{h\nu} $ zijn [25]. De dragers druipen bij toegepaste spanning V_ds. In dit geval kan de fotostroom voorgesteld worden als:

$$ {I}_{\mathrm{ds},\mathrm{ph}}={A}_{\mathrm{ch}}e{\mu}_p\Delta p\frac{V_{ds}}{l}={A}_{\mathrm{ch}}e{\mu}_p\eta \alpha {\tau}_p\frac{W}{h\nu}\frac{V_{\mathrm{ds}}}{l}. $$ (3)

Hierbij is A_ch = wt het strookkanaal-dwarsdoorsnede-oppervlak, e is de elektronenlading, Δp en μ_p zijn de concentratie en mobiliteit van overmaat foto-dragers (gaten), α de absorptiecoëfficiënt van belichting, η de kwantumopbrengst, τ_p de gat-levensduur, hν de fotonenergie, en W de specifieke belichtingsvermogen in [W/cm²].

In Eq. (3) veronderstelden we dat de elektrisch veldsterkte uniform verdeeld is langs de kanaallengte en de waarde van A_ch licht varieert langs de lengte van het kanaal door hoge kanaalgeleiding. Het moet worden opgemerkt dat deze veronderstelling geldig is in het hoofddel van het kanaal, wat ver van bron- en draincontacten is.

Bij lage spanningen V_ds groeit de bron-drain stroom I_ds ongeveer lineair met spanning. Met toenemende specifieke belichtingsvermogen neemt de grootte van I_ds toe. Fig. 5 en 6 tonen I-V-krommen van het onderzochte apparaat bij diverse front-gate spanningen (V_FG = -1 V, -5 V) gemeten in een waterige oplossing met pH = 6,2, 7 en 8,3. We zien dat het verhogen van de pH-waarde resulteert in toename van de kanaalstroom, I_ds. Dit is in goede overeenstemming met model van de oplossingscontact met het oxidelaxoppervlak, toen op de oxyde/oplossing-interface veroorzaakte hydroxyle groepen SiOH. Concentratie en gedrag van die hydroxyle groepen hangen af van de waarde van de pH. Het geval wanneer het oppervlak niet geladen is, wordt nul-lading punt genoemd. Voor de SiO₂-dielectrische laag wordt het punt bereikt bij pH = 2,2. Bij pH-waarden lager dan 2,2 is het oxyde-oppervlak positief geladen; bij hogere waarden van de pH is het oxyde-oppervlak negatief geladen. In het geval van bufferoplossing met pH = 7, zal het siliciumoxide-oppervlak negatief geladen zijn. Daarom, bij de toegepaste negatieve gate-potentiaal, neemt de absolute waarde van de negatieve lading op het oxyde-oppervlak toe. Als resultaat neemt de meerderheidsdrager-concentratie toe in het strookkanaal (gaten in p-Si) en dus neemt de kanaalstroom toe.

Fig. 5 en 6 tonen de I-V-kenmerken van de Si ND-structuren werkend in biochemische sensing-modus. Metingen werden vier keer uitgevoerd voor elke pH-waarde. De herhaalbaarheid was binnen 7%. In [26] werd pH-gevoeligheid van de biochemische sensoren geïntroduceerd als

$$ {R}_{\mathrm{pH}}=\frac{R_{\mathrm{ch}}\Delta {I}_{\mathrm{ds}}}{\Delta \mathrm{pH}}. $$ (4)

Hierbij zijn ΔI_ds en ΔpH de elementaire veranderingen in I_ds en pH. Let op dat pH-gevoeligheid de meetbare waarde is. In het oplossingsmedium met de verhoogde pH-waarde neemt de bron-drain stroom toe. Dit stelt de registratie van de pH-variatie in enige bio-vloeistoffen (binnen het oplossingsbereik relevant voor fysiologische oplossingen) met hoge nauwkeurigheid in. Bijvoorbeeld, voor V_BG = -5 V bij de V_ds = 5 V, is de gevoeligheid gelijk aan R_pH ≈ 56,4 mV/pH. Bij de V_BG = -5 V groeit de pH-gevoeligheid op tot 59,3 mV/pH en benadert de Nernst-limiet 59,5 mV/pH [24]. De pH-gevoeligheid groeit met toename van back-gate spanning. Bijvoorbeeld uit Fig. 5 en 6 bij V_ds = 8 V, verkregens de verhouding $ {\left({R}_{\mathrm{pH}}\right)}_{V_{\mathrm{BG}}=-5\ \mathrm{V}}/{(R)}_{V_{BG}=-1\ \mathrm{V}}\approx 5,17 $, dus ongeveer vijf keer verbeterde gevoeligheid.

Laagfrequente Ruisspectra en Kenmerken Veroorzaakt door Bestraling en pH-Veranderingen

De ruisspectra van Si ND-structuren werden gemeten bij constante stroom in de ohmische modus. Figuur 7 toont de drain-stroom ruis-energiespectrale dichtheid gemeten in donkere condities alsook onder bestraling met toegepaste back-gate spanning van V_BG = -1 V bij I_ds = 0,1 µA. Ruisspectra, gemeten in het donker, demonstreren 1/f^γ ruisgedrag met ruisparameter gelijk aan γ = 1. Laagfrequente (LF) ruisniveau stijgt met de toename van de lichte bestralingsintensiteit. De toename van de belichtingsintensiteit resulteert in de groei van de meerderheidsdrager-concentratie. Dit ziet zijn beurt veroorzaakt de groei van mobiliteitsfluctuaties in het kanaal vanwege verhoogde interactie en verstrooiingssnelheden als resultaat van verstrooiing, eerst tussen dragers, en tweedens, tussen de dragers en akoestische fononen, alsook op verschillende onzuiverheidsvallen [27].

Omdat de ruismetingen werden uitgevoerd bij constante stroom in de ohmische modus, verandert de kanaalweerstand lineair met de toegepaste spanning V_ds. Zoals bekend is, is de 1/f-ruisspectrale dichtheid S_V evenredig aan de spanning in macht 2:

$$ {S}_V=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{ds}}^2}{N{R}_{\mathrm{ch}}^2{f}^{\gamma }}=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{ds}}^2}{p\Omega {R}_{\mathrm{ch}}^2{f}^{\gamma }}=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{ds}}^2}{R_{\mathrm{ch}}^2{f}^{\gamma }}\frac{e{\mu}_p\rho }{A_{\mathrm{ch}}l}=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{ds}}^2}{f^{\gamma }}\frac{e{\mu}_p}{l^2}\frac{1}{R_{\mathrm{ch}}}\propto \frac{1}{R_{\mathrm{ch}}},\kern1.75em \frac{f^{\gamma }{S}_V}{V_{\mathrm{ds}}^2}\propto \frac{1}{R_{\mathrm{ch}}}. $$ (6)

Hierbij is α_H de Hooge-parameter, R_ch is de strookkanaalweerstand; Ω = A_chl is het volume van het strookkanaal; ρ is de kanaal-specifieke weerstand. De afname van de kanaalweerstand leidt tot groei van de ruisspectrale dichtheid. Bij lichtexcitatie van nanodraad FET-monster met vermogen W, hebben we:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}{S}_{V,L}=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{d}\mathrm{s}}^2}{NR_{\mathrm{ch}}^2{f}^{\gamma }}=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{d}\mathrm{s}}^2}{p\Omega {R}_{\mathrm{ch}}^2{f}^{\gamma }}=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{d}\mathrm{s}}^2}{\Omega {f}^{\gamma }}\frac{1}{p{\left(\rho l/{A}_{\mathrm{ch}}\right)}^2}=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{d}\mathrm{s}}^2}{\Omega {f}^{\gamma }}\frac{A_{\mathrm{ch}}^2{\sigma}^2}{pl^2}=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{d}\mathrm{s}}^2}{A_{\mathrm{ch}}{lf}^{\gamma }}\frac{A_{\mathrm{ch}}^2{e}^2p{\mu}_p^2}{l^2}=\\ {}\kern11.5em =\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{d}\mathrm{s}}^2}{f^{\gamma }}\frac{A_{\mathrm{ch}}}{l^3}{e}^2{\mu}_p^2\left({p}_{\mathrm{d}}+\Delta p\right)=\frac{\alpha_{\mathrm{H}}{V}_{\mathrm{d}\mathrm{s}}^2}{f^{\gamma }}\frac{A_{\mathrm{ch}}}{l^3}{e}^2{\mu}_p^2\left({p}_{\mathrm{d}}+{\eta \alpha \tau}_p\frac{W}{h\nu}\right)\end{array}} $$ (7)

Hierbij is p_d de concentratie van gaten in donkere condities en σ de specifieke geleiding. Het ruisniveau neemt evenredig toe met de intensiteit van de belichting.

We berekenen waarden van de ruisparameter γ, gebruikmakend van de krommen gepresenteerd in Fig. 7. De volgende parameters worden verkregen voor monsters, gemeten in het donker en bij lichtexcitatie van verschillende vermogens:

γ(donker) ≈ 1,0, γ(0,85 W/cm²) ≈ 0,5, en γ(1,6 W/cm²) ≈ 0,2.

Onder bestraling daalt de waarde van de ruisparameter γ. Dit kan als volgt worden verklaard. Met toenemend lichtvermogen neemt de geleiding van het strookkanaal toe. Als resultaat stijgt de effectieve levensduur van minderheidsdragers τ_ef en bereikt waarden τ_ef ≥ (10⁻³ ÷ 10⁻²) s. Eenmaal de elektronen-gaten-paren gegenereerd zijn door absorptie in silicium, moeten verschillende hercombinatiemechanismen overwogen worden. Deze processen gebeuren parallel, en de snelheid van hercombinatie is de som van snelheden corresponderend met het individuele proces. Verschillende levensduur zijn geassocieerd met verschillende hercombinatiemechanismen. De effectieve dragerlevensduur moet worden bepaald door de drager-oppervlakte, radiatieve, volume (bulk) en Auger-hercombinatielevensduur. Het is bekend dat de radiatieve levensduur omgekeerd evenredig is met de dragerdichtheid, en de Auger-levensduur omgekeerd evenredig is met de dragerdichtheid in het kwadraat [28]. De bulk-hercombinatielevensduur wordt bepaald door het Shockley-Read-Hall hercombinatiemechanisme. Het is constant voor lage injectieniveaus en neemt toe voor hoog injectieniveau [29,30,31]. Het is bekend dat de oppervlakte-hercombinatielevensduur evenredig is met de snelheid van oppervlakte-hercombinatie en omgekeerd evenredig met de dikte van het monster [29, 32, 33].

Het gedrag van de effectieve levensduur zal complex zijn, afhankelijk van de nonevenwichts-dragerdichtheid en mechanismen van hercombinatie. Naarmate de dragerdichtheid toeneemt, kan de effectieve levensduur constant of dalende functie zijn [29]. In de nanodraden bij hoge verhouding van oppervlakte tot volume, spelen de oppervlakte-interface-staten een belangrijkere rol en hun bijdrage domineert. Verder kan het andere typen hercombinatie overstijgen. Aan de andere kant, bij matig niveau van dragerdichtheid, kan bulk-hercombinatielevensduur ook toenemen. Voor ons geval van silicium ND-dragers wordt de effectieve levensduur in de basis bepaald door oppervlakte- en bulk-hercombinatie en neemt toe met groei van dragerdichtheid.

Zoals bekend is, heeft generatie-hercombinatie (g-r) ruis de Lorentziaanse vorm [19, 34]:

$$ {S}_{V,g-r}\sim \frac{1}{1+{\left(2\pi f{\tau}_{\mathrm{ef}}\right)}^2}. $$ (8)

Hierbij is f de frequentie. Het is duidelijk dat het plateau-deel op afhankelijkheid S_{V, g-r}(f) wordt bepaald door de voorwaarde

$$ 2\pi {f}_c{\tau}_{\mathrm{ef}}\le 1, $$ (9)

waarbij f_c de karakteristieke frequentie is. Het moet worden opgemerkt dat met de toename van elektronen-levensduur de waarde van de afsnijfrequentie f_c afneemt. De karakteristieke frequentie van de g-r-ruis verschuift naar het laagfrequente gebied. Aangezien de geleiding σ en levensduur τ_n toenemen met toenemende belichtingsvermogen, neemt f_c af met toenemende W, respectievelijk:

$$ {f}_c\propto \frac{1}{\tau_{\mathrm{ef}}}\propto \frac{1}{W}. $$ (10)

De g-r-processen leiden tot het afschermen van de 1/f-ruiscomponent onder het g-r-ruisplateau. Het feit verklaart de afname van de waarde van de ruisparameter γ met toenemende belichtingsvermogen.

Figuur 8 illustreert spectrale afhankelijkheid van de LF-ruis-energiespectrum van Si ND FET-monster, gemeten bij V_FG = -1 V, I_ds = 0,1 µA in oplossing bij diverse pH-waarden: 6,3, 7,0 en 8,2. Ruisparameter neemt af met de toename van de pH-waarde: γ(pH = 6,3) ≈ 1,0; γ(pH = 7,0) ≈ 0,5; γ(pH = 8,2) ≈ 0,4. De hellingen werden berekend in het bereik van 10 tot 500 Hz. LF-ruisniveau neemt toe en de helling neemt af met toename van de pH-waarde. De toename van de pH-waarde leidt tot een afname van kanaalweerstand, wat veroorzaakt wordt door de accumulatie van negatieve ladingen aan de halfgeleider-oxyde interface. Het afnemen van de helling van S_V(f) afhankelijkheid met pH-toename kan worden verklaard rekening houdend met het effect van de toename van kanaalgeleiding.

Effecten van de Kanaallengte

In deze sectie presenteren we de resultaten van de invloed van de strookkanaallengte op de transportmechanismen, pH-gevoeligheid en ook op het gedrag van LF-ruis van de Si ND-gebaseerde sensoren. De grootte van de stroom is omgekeerd evenredig aan de lengte van het strookkanaal, wat de toepassing van de drift-benadering voor transportmechanisme rechtvaardigt, alsook de veronderstelling van een uniforme verdeling van de elektrisch veldsterkte langs de lengte van het strookkanaal (Fig. 9). De invloed van lichtexcitatie leidt tot een toename van de grootte van de bron-drain stroom. De pH-gevoeligheid neemt toe met de strookkanaallengte en neigt tot de Nernst-limiet van 59,5 mV/pH (Fig. 10), wat in goede overeenstemming is met waarden verkregen voor micro-grote sensoren [27]. Onze resultaten ondersteunen ook waarnemingen van het pH-gevoeligheidsgedrag verkregen voor ND-monsters met verschillende geometrieën [6]. Het lengte-effect systematisch bestudeerd in ons werk kan als volgt worden verklaard. Aangezien de lengte van het kanaal l afneemt, neemt het oppervlak van de pH-gevoelige oppervlakte af, en consequent het aantal meetbare H⁺-ionen in de waterige oplossing af. Volgens Eq. (2) neemt de stroom I_ds toe met afnemende l, wat leidt tot een afname van de weerstand van het strookkanaal bij constante spanning V_ds. Als de weerstand van het kanaal R_ch afneemt, wordt zijn modulatie belemmerd onder de invloed van de H⁺-ionen; dus neemt de pH-gevoeligheid af.

Figuur 11 illustreert de LF-ruisspectrale dichtheid afhankelijkheid van de lengte van het strookkanaal.

Deze krommen worden geplot gebruikmakend van de spectrale afhankelijkheden van de LF-ruis gemeten voor Si NDs met verschillende lengtes in donkere condities, onder belichting met een intensiteit van 0,85 V/cm², en in een waterige oplossing met pH = 7. Berekende waarde van de helling van de parallele krommen (Fig. 10) is gelijk aan log(500/10) ≈ 2,7. Deze waarde is dicht bij de waarde (gelijk aan 3) verkregen theoretisch met Eqs. (6) en (7), S_V ∝ l⁻³ met fout ongeveer 10%. De resultaten demonstreren dat theoretisch voorspelde S_V(l) afhankelijkheden in goede overeenstemming zijn gemeten kenmerken rekening houdend met relatief hoog niveau van thermische ruis. Volgens Eq. (6) leidt schalen van de kanaallengte l omlaag tot afname van weerstand en stroomtoename, wat correspondeert met toename van laddragers in het kanaal. Dit ziet zijn beurt resulteert in verhoogde interactie van laddragers met vallen op de interface tussen silicium en dielectrische laag. Dus neemt het ruisniveau toe, wat ook bevestigd wordt door experimentele afhankelijkheden (zie Fig. 11).

De non-Nernstiaanse pH-reactie van SiO₂-gepoorte FET-gebaseerde sensoren is een belangrijk onderwerp geweest sinds de introductie van het ion-gevoelige FET (ISFET) concept. De gevoeligheid van de SiNS FET-sensor voor veranderingen in pH kan gekwantificeerd worden door de verschuiving van de drempelspanning van het apparaat te meten en wordt gedefinieerd door de Nernst-vergelijking [35]:

$ \frac{\delta {\Psi}_0}{\delta \mathrm{pH}}=-2.3\frac{kT}{q}\alpha \le 59\ \frac{mV}{\mathrm{pH}} $,

waarbij δΨ₀ het potentiaal aan het oppervlak is. De dimensieloze parameter a die afhangt van de intrinsieke buffer-capaciteit van het oxyde-oppervlak en de differentiële dubbele-laag capaciteit kan een waarde tussen 0 en 1 zijn.

Veranderingen in de pH van de oplossing induceren variaties in de oppervlakteladingsdichtheid en oppervlaktepotentiaal. Het leidt tot een verandering in de NS-kanaalgeleiding. In het algemeen wordt gevoeligheid gedefinieerd als de grootste mogelijke uitgangsreactie op een bepaalde biologische gebeurtenis. De pH-gevoeligheid van BioFETs ontstaat uit de zuur/base-reacties aan de oxyde/elektrolyt-interface en de maximale pH-reactie bereikbaar door een conventionele ISFET is de Nernst-limiet van 59 mV/pH. Over de jaren zijn er talloze rapporten [36,37,38,39,40,41,42,45] over apparaten met nabij-Nernstiaanse. De hoge gevoeligheid werd bereikt of door optimalisatie van de intrinsieke apparaatoverdrachtskennmerken (zoals verlaging van de subdrempel-swing of door afstemmen van de gate-potentiaal) of door chemische oppervlaktemodificaties. Vermindering van siliciumdikte leidt tot hogere oppervlakteladingsgevoeligheid [45]. In [6] wordt getoond dat bij een optimale dikte van 30 nm de gevoeligheid maximaal bereikt, en voor een dikker apparaatlaag de pH-reactie afneemt en de grootste reactie wordt verkregen van de breedste ND FET met de hoogste oppervlakte. Het meest populaire platform voor chemische modificatie van SiO₂-oppervlak is chemisorptie van een paar nanometer dikke zelf-geassembleerde monolagen [46], niet alleen om de pH-gevoeligheid van Si/SiO₂-gepoorte nanosensoren te verbeteren [47], maar ook omdat biomoleculen zoals eiwitten [48] of DNA [49], die gekoppeld kunnen worden aan het andere functionele einde van bepaalde monolagen. Auteurs van Ref. [50] bespraken de resultaten betreffende de functionalisatie en modificatie van SiND FET-sensoren.

Conclusies

Silicon nanodraad FET bio-chemische sensoren van verschillende lengtes werden geproduceerd. De statische donkere en licht-gebelichte I-V-krommen alsook het gedrag van deze sensoren in een waterige oplossing met verschillende waarden van pH worden onderzocht. De statische donkere I-V-afhankelijkheden tonen FET-gedrag. Met toenemende lichtintensiteit groeit de bron-drain stroom vanwege de toename in de geleiding van het strookkanaal. De pH-gevoeligheid neemt toe met de toename van de back-gate spanning en benadert 59,5 mV/pH. De grootte van de kanaalstroom is ongeveer omgekeerd evenredig aan de lengte van het strookkanaal en de pH-gevoeligheid neemt toe met toename van kanaallengte, de Nernst-limietwaarde benaderend, wat aangeeft dat grotere oppervlakte-apparaten meer geschikt zijn voor pH-sensing.

De spectrale dichtheid van de LF-ruis neemt toe zowel onder de werking van de pH-oplossing als de belichting, en in beide gevallen wordt de frequentie-afhankelijkheid van de ruis verzwakt en de waarde van de ruisparameter γ neemt af. Met toename van de pH-waarde en belichtingsvermogen wordt de 1/f-ruis afgeschermd door het g-r-plateau. De karakteristieke frequentie van de g-r-ruiscomponent neemt af met toenemende belichtingsvermogen. LF-ruisniveau neemt toe en de helling neemt af met toename van de pH-waarde. Er wordt getoond dat de gemeten waarde van de helling van ruisspectrale dichtheid afhankelijkheid van de strookkanaallengte 2,7 is, wat dicht bij de theoretisch voorspelbare waarde 3 ligt binnen 10% fout.

Afkortingen

FETs:: Veld-effect-transistoren
LF:: Laagfrequente
NDs:: Nanodraden
TMAH:: Tetramethylammoniumhydroxide

Hoge-gevoeligheid grafene-oxide fluorescentie aptasensor voor snelle detectie van CCRF-CEM leukemiecellen Hoog rekbare, elektrisch geleidende TPU-PANI nanovezel-membraan voor geavanceerde flexibele rek-sensoren

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal