Optimización de sensores FET de nanohilos de Si: Fotoconductividad, sensibilidad a pH, ruido y efectos de longitud de canal

Resumen

Se fabricaron sensores de transistor de efecto de campo (FET) basados en nanohilos (NW) de silicio de diversas longitudes. Se investigaron propiedades de transporte de sensores FET de NW de Si involucrando espectroscopía de ruido y caracterización corriente-voltaje (I-V). Las dependencias I-V estáticas demuestran la alta calidad de los FET de silicio fabricados sin corriente de fuga. Las propiedades de transporte y ruido de estructuras FET de NW se investigaron bajo diferentes condiciones de iluminación, así como en configuración de sensor en solución acuosa con diferentes valores de pH. Además, estudiamos efectos de longitud de canal en fotoconductividad, ruido y sensibilidad a pH. La magnitud de la corriente de canal es aproximadamente inversamente proporcional a la longitud del canal de corriente, y la sensibilidad a pH aumenta con el aumento de longitud de canal acercándose al valor límite de Nernst de 59,5 mV/pH. Demostramos que el ruido 1/f dominante puede ser apantallado por la meseta de generación-recombinación a cierto pH de la solución o excitación óptica externa. La frecuencia característica del componente de ruido de generación-recombinación disminuye con el aumento de potencia de iluminación. Además, se muestra que el valor medido de la pendiente de dependencia de densidad espectral de ruido 1/f en la longitud del canal de corriente es 2,7, cercano al valor teóricamente predicho de 3.

Antecedentes

Durante la última década, estructuras nanoestructuradas de silicio han sido objeto de estudio intensivo debido a sus prometedoras propiedades eléctricas, ópticas, químicas, térmicas y mecánicas. Comparado con estructuras mayores, transistores de efecto de campo (FET) a nanoescala permiten medir señales eléctricas, ópticas y otros tipos de señales muy pequeñas debido a la relación superficie-volumen aumentada de la muestra. Los pequeños tamaños de nanoestructuras los hacen ideales para detección de volúmenes de muestra pequeños con bajas concentraciones de analito. Las características y propiedades de sensores de pH se discuten más detalladamente en referencias. Se muestra que la sensibilidad a pH de materiales de silicio masivo es pobre. Buenas propiedades de detección de pH de nanohilos (NW) de Si, con sensibilidad de 58,3 mV/pH, fueron observadas. Por ejemplo, en diagnóstico médico, nanoestructuras de baja dimensionalidad como nanotubos de carbono, nanohilos metálicos o semiconductores, o nanocintas (NR) de espesor atómico pueden implementarse para variedad de aplicaciones. Entre las estructuras mencionadas, estructuras FET de NR y NW de silicio abren perspectivas para detección libre de etiquetas, en tiempo real y alta sensibilidad de biomoléculas usando principios de unión por afinidad. La sensibilidad de diferentes dimensiones de NR fue estudiada. Se mostró que nuevo sensor con NR de referencia integrado puede utilizarse para monitoreo de errores en tiempo real durante detección de pH. Nuevas características y funciones se añaden continuamente a dispositivos electrónicos, como sistemas móviles de monitoreo de salud y dispositivos vestibles. A pesar del éxito de tales sistemas de monitoreo de salud personal, la próxima generación de dispositivos vestibles se espera que incluya también un "laboratorio en un chip" portátil —conjunto de biosensores médicos que pueden usarse para detección y diagnóstico de diversas sustancias médicas. Para poder monitorear y detectar etapas tempranas de enfermedad en caso ideal a nivel de molécula única, el tamaño del transductor del sensor tiene que ser comparable con los marcadores biológicos bajo prueba. Por tanto, biosensores basados en NW y NR tienen que desarrollarse para monitoreo de eventos biológicos que ocurren a dimensiones muy pequeñas. Otra área importante de aplicación es optoelectrónica, donde interacción luz con nanoestructuras puede usarse para futuras aplicaciones de dispositivos ópticos. Diámetros sub-longitud de onda y efectos de proximidad pueden llevar a propiedades ópticas avanzadas como baja reflectancia y así alta absorción. Resultados de investigación de absorción óptica de NW de Si demostraron fuertes efectos dependientes del tamaño. Estudios de absorción óptica de banda ancha mostraron aumento de espectros de absorción óptica total para muestras de NW de Si. NW de Si conducen a reducción significativa de reflectancia comparado con películas de silicio sólido. La absorción óptica aumenta mientras la longitud de onda disminuye. Debe notarse que, a diferencia del material masivo, nanoestructuras de Si pueden ser semiconductores de banda prohibida directa, lo que las hace excelente elección para aplicaciones ópticas. Por otro lado, la escala de tamaño aumenta la banda prohibida. Esto puede resultar en desplazamiento exitoso de espectros de absorción a longitudes de onda cortas. Con disminución de tamaño, las limitaciones respecto a corriente y voltaje también deben considerarse. Para dispositivos operando en niveles de señal débiles, el ruido interno juega papel crucial. Determina uno de los parámetros más importantes de sensores —relación señal-ruido (SNR). Como se muestra para sensores SiNW de doble compuerta, la sensibilidad a pH aumenta con voltaje de compuerta líquida y SNR tiene valor más alto (~10⁵). El enfoque de nanocinta abre camino para fabricación CMOS a gran escala de chips de biomoléculas altamente sensibles para uso potencial en medicina y biotecnología.

Investigación de vanguardia en materiales nanoescala ha revelado que propiedades electrónicas, magnéticas, térmicas y ópticas pueden diferir dramáticamente cuando sus formas unidimensionales se sintetizan. Nanohilos obtenidos utilizando cristales laminares de uno o pocos átomos de espesor son formas novedosas de materiales nanoescala unidimensionales y son sistemas ideales para investigación de dependencia del tamaño de propiedades fundamentales.

Un análisis detallado de últimos logros en métodos de síntesis y estudios teóricos de NR se presenta en referencia. En la literatura, fotoconductividad, sensibilidad a pH, ruido y efectos de longitud de canal en el mismo conjunto de arreglos FET de NW no han sido estudiados en detalle. Sin embargo, rugosidad superficial y contribución de capas dieléctricas pueden cambiar considerablemente propiedades de estructura dependiendo de tecnología de fabricación aplicada para diferentes conjuntos de dispositivos. En este sentido, entender efectos de longitud de canal en el mismo conjunto de FET de NW es importante para desarrollo de dispositivos con funcionalidad avanzada.

El presente trabajo se dedica al estudio de FET basados en nanohilos de silicio, incluyendo tecnología de fabricación de muestra, caracterización de chip, sus características corriente-voltaje (I-V) en oscuridad y luz y sensibilidad a pH. Efectos de influencia de longitud de canal en corrientes fuente-drenaje, sensibilidad a pH y ruido de baja frecuencia se describen. Demostramos que nanohilos de silicio, fabricados sobre base de capa delgada de silicio sobre sustrato de silicio oxidado, pueden tener alta sensibilidad a pH bastante cercana al límite de Nernst.

Métodos/experimental

Estructuras NW de silicio se fabricaron sobre base de obleas silicon-on-insulator (SOI) compradas de SOITEC. El proceso comienza con oxidación térmica para formar máscaras duras de óxido de silicio de 20 nm de espesor. El espesor de capa activa de silicio es 50 nm. NW de varias geometrías se patronan en máscara dura usando litografía óptica y se transfieren en capa SiO₂ usando proceso de grabado por iones reactivos. El patrón se utiliza para obtener nanocintas y nanohilos de silicio usando grabado químico húmedo en solución de hidróxido de tetrametilamonio (TMAH). Capa dieléctrica de compuerta, que también sirve como protección de canal de ambiente líquido, se crece térmicamente como óxido de silicio de 8 nm de espesor. El canal NW era silicio casi no dopado con concentración de huecos ~10¹⁵ cm⁻³. Contactos de fuente y drenaje estaban altamente dopados para formar buenos contactos óhmicos. Para conexión a electrónica, contactos de aluminio se patronaron usando proceso lift-off. Finalmente, chips se pasivaron con capa de poliamida (PI) para proteger líneas de alimentación metálicas de ambiente líquido. Figura 1 muestra imágenes esquemáticas de muestras bajo estudio en modo operación sensor pH (a) y modo foto-receptor (b), y imagen SEM de NW investigado se presenta en Fig. 2.

Optimización de sensores FET de nanohilos de Si: Fotoconductividad, sensibilidad a pH, ruido y efectos de longitud de canal

Resultados y Discusión

Características Corriente-Voltaje y Sensibilidad a pH

Figuras 3 y 4 muestran características corriente-voltaje (I-V) fuente-drenaje de muestras bajo estudio medidas en voltajes de compuerta trasera de -1 y -5 V, correspondientemente. Características medidas en condiciones de oscuridad así como bajo iluminaciones de potencia específica 0,85 y 1,6 W/cm² a temperatura ambiente. La excitación lumínica se realiza usando lámparas incandescentes ubicadas a 15 cm del sensor. Las dependencias I-V demuestran comportamiento típico similar a FET de semiconductor-óxido-metal (MOSFET) ya que las muestras bajo investigación tienen dimensiones relativamente grandes de l × w × t = (2 ÷ 10) × 10 × 0,05 µm (l, w, t son longitud, ancho y espesor de canal, correspondientemente). Curvas I-V en Figs. 3 y 4 pueden describirse como:

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

donde I_{ds, d} e I_{ds, ph} son componentes de corriente fuente-drenaje oscura y foto. Corriente oscura puede describirse por expresión conocida para MOSFETs para V_ds ≤ V_gs − V_th:

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

Aquí, C_ox = ε_ox/t_ox es capacitancia de capa de óxido por unidad de área, ε_ox y t_ox son permitividad y espesor de capa de óxido de compuerta, µ_n es movilidad electrónica, y V_ds, V_gs, V_th son voltajes fuente-drenaje, compuerta-fuente y umbral, correspondientemente. La tasa de generación de foto-portadores es igual a ηαN_ph, donde N_ph = W/hν es intensidad de irradiación. En niveles bajos de inyección y vida media constante de huecos, la concentración de foto-portadores será Δp = ηα τ_p W/hν. Los portadores derivan a voltaje aplicado V_ds. En este caso, la fotocorriente puede representarse como:

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

Aquí, A_ch = wt es área de sección transversal del canal de corriente, e es carga electrónica, Δp y µ_p son concentración y movilidad de foto-portadores en exceso (huecos), α coeficiente de absorción de iluminación, η rendimiento cuántico, τ_p vida media de huecos, hν energía de fotón, y W potencia específica de iluminación en [W/cm²].

En Ec. (3), asumimos que la intensidad de campo eléctrico se distribuye uniformemente a lo largo de longitud de canal y valor de A_ch varía ligeramente a lo largo de longitud de canal debido a alta conductividad de canal. Debe notarse que esta suposición es válida en la parte principal del canal, lejos de contactos fuente y drenaje.

En voltajes bajos V_ds, la corriente fuente-drenaje I_ds crece aproximadamente linealmente con voltaje. Con aumento de potencia específica de luz, la magnitud de I_ds aumenta. Figuras 5 y 6 muestran curvas I-V del dispositivo investigado en varios voltajes de compuerta frontal (V_FG = -1 V, -5 V) medidos en solución acuosa con pH = 6,2, 7 y 8,3. Vemos que aumentar valor de pH resulta en aumento de corriente de canal, I_ds. Esto concuerda bien con modelo de contacto de solución con superficie de capa de óxido, luego en interfaz óxido/solución causan grupos hidroxilo SiOH. Concentración y comportamiento de esos grupos hidroxilo dependen de valor de pH. El caso cuando superficie no está cargada se llama punto de carga cero. Para capa dieléctrica de SiO₂, el punto se alcanza en pH = 2,2. En valores de pH menores que 2,2, superficie de óxido se carga positivamente; en valores de pH mayores, superficie de óxido se carga negativamente. En caso de solución tampón con pH = 7, superficie de óxido de silicio se cargará negativamente. Por tanto, en potencial de compuerta negativo aplicado, el valor absoluto de carga negativa en superficie de óxido aumenta. Como resultado, concentración de portadores mayoritarios aumenta en canal de corriente (huecos en p-Si) y así corriente de canal aumenta.

Figuras 5 y 6 muestran características I-V de estructuras de NW de Si trabajando en modo detección bioquímica. Medidas se realizaron cuatro veces para cada valor de pH. La repetibilidad fue dentro de 7%. En referencia, sensibilidad de pH de sensores bioquímicos se introdujo como

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

Aquí, ΔI_ds y ΔpH son cambios elementales en I_ds y pH. Nótese que sensibilidad a pH es valor medible. En medio de solución con valor de pH aumentado, la corriente fuente-drenaje aumenta. Esto permite registro de variación de pH en cualquier biolíquido (dentro del rango de solución relevante a soluciones fisiológicas) con alta precisión. Por ejemplo, para V_BG = -5 V en V_ds = 5 V, sensibilidad es igual a R_pH ≈ 56,4 mV/pH. En V_BG = -5 V, la sensibilidad a pH crece hasta 59,3 mV/pH y se acerca al límite de Nernst 59,5 mV/pH. La sensibilidad a pH crece con aumento de voltaje de compuerta trasera. Por ejemplo, de Figs. 5 y 6 en V_ds = 8 V, obtuvimos razón (R_pH)_{V_BG=-5 V}/(R)_{V_BG=-1 V} ≈ 5,17, es decir, sensibilidad mejorada aproximadamente cinco veces.

Espectros de ruido de baja frecuencia y características causadas por irradiación y cambios de pH

Los espectros de ruido de estructuras de NW de Si se midieron a corriente constante en modo óhmico. Figura 7 muestra densidad espectral de potencia de ruido de corriente de drenaje medida en condiciones de oscuridad así como bajo irradiación con voltaje de compuerta trasera aplicado V_BG = -1 V en I_ds = 0,1 µA. Espectros de ruido, medidos en oscuridad, demuestran comportamiento de ruido 1/f^γ con parámetro de ruido γ = 1. Nivel de ruido de baja frecuencia (LF) aumenta con aumento de intensidad de irradiación lumínica. El aumento de intensidad de iluminación resulta en crecimiento de concentración de portadores mayoritarios. Esto a su vez causa crecimiento de fluctuaciones de movilidad en canal debido a tasas de interacción y dispersión aumentadas como resultado de dispersión, primero, entre portadores, y segundo, entre portadores y fonones acústicos, así como en diferentes trampas de impurezas.

Dado que las mediciones de ruido se realizaron a corriente constante en modo óhmico, la resistencia de canal cambia linealmente con voltaje aplicado V_ds. Como se sabe, la densidad espectral de ruido 1/f S_V es proporcional al voltaje en potencia 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)

Aquí, α_H es parámetro de Hooge, R_ch es resistencia de canal de corriente; Ω = A_chl es volumen de canal de corriente; ρ es resistividad específica de canal. La disminución de resistencia de canal conduce a crecimiento de densidad espectral de ruido. En excitación lumínica de muestra FET de nanohilo con potencia W, tenemos:

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

Aquí, p_d es concentración de huecos en condiciones de oscuridad y σ es conductividad específica. El nivel de ruido aumenta proporcionalmente a intensidad de iluminación.

Calculamos valores de parámetro de ruido γ, usando curvas presentadas en Fig. 7. Se obtienen siguientes parámetros para muestras, medidas en oscuridad y en excitación lumínica de diferentes potencias:

γ(oscuridad) ≈ 1,0, γ(0,85 W/cm²) ≈ 0,5, y γ(1,6 W/cm²) ≈ 0,2.

Bajo irradiación, el valor de parámetro de ruido γ disminuye. Esto puede explicarse así. Con aumento de potencia lumínica, la conductividad del canal de corriente aumenta. Como resultado, la vida media efectiva de portadores minoritarios τ_ef sube y alcanza valores τ_ef ≥ (10⁻³ ÷ 10⁻²) s. Una vez que pares electrón-hueco son generados por absorción en silicio, varios mecanismos de recombinación deben considerarse. Estos procesos ocurren en paralelo, y la tasa de recombinación es la suma de tasas correspondientes a procesos individuales. Varias vidas medias están asociadas con diferentes mecanismos de recombinación. La vida media efectiva del portador tiene que determinarse por vida media de recombinación de superficie, radiactiva, volumétrica (masa) y Auger. Se sabe que vida media radiactiva es inversamente proporcional a densidad de portadores, y vida media Auger es inversamente proporcional a densidad de portadores al cuadrado. La vida media de recombinación volumétrica está determinada por mecanismo de recombinación Shockley-Read-Hall. Es constante para bajas densidades de portadores, y aumenta para alto nivel de inyección. Se sabe que vida media de recombinación de superficie es proporcional a tasa de recombinación de superficie e inversamente proporcional a espesor de muestra.

El comportamiento de la vida media efectiva será complejo, dependiendo de densidad de portadores no equilibrio y mecanismos de recombinación. A medida que densidad de portadores aumenta, la vida media efectiva puede ser función constante o decreciente. En nanohilos con alta relación superficie-volumen, estados de interfaz de superficie juegan papel más importante y su contribución domina. Además, puede superar otros tipos de recombinación. Por otro lado, en nivel moderado de densidad de portadores, vida media de recombinación volumétrica también puede aumentar. Para nuestro caso de portadores de NW de silicio, la vida media efectiva se determina básicamente por recombinación de superficie y volumétrica y aumenta con crecimiento de densidad de portadores.

Como se sabe, ruido de generación-recombinación (g-r) tiene forma de Lorentziana:

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

Aquí, f es frecuencia. Es claro que la sección de meseta en dependencia S_{V, g-r}(f) está determinada por condición

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

donde f_c es frecuencia característica. Debe notarse que con aumento de vida media de electrones el valor de frecuencia de corte f_c disminuye. La frecuencia característica de ruido g-r se desplaza a región de baja frecuencia. Dado que la conductividad σ y vida media τ_n aumentan con aumento de potencia de iluminación, f_c disminuye con aumento de W, correspondientemente:

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

Los procesos g-r conducen a apantallamiento del componente de ruido 1/f bajo meseta de ruido g-r. Este hecho explica la disminución en valor de parámetro de ruido γ con aumento de potencia de iluminación.

Figura 8 ilustra dependencia espectral de espectro de potencia de ruido LF de muestra FET NW de Si, medida en V_FG = -1 V, I_ds = 0,1 µA en solución en varios valores de pH: 6,3, 7,0 y 8,2. Parámetro de ruido disminuye con aumento de valor de pH: γ(pH = 6,3) ≈ 1,0; γ(pH = 7,0) ≈ 0,5; γ(pH = 8,2) ≈ 0,4. Las pendientes se calcularon en rango de 10 a 500 Hz. Nivel de ruido LF aumenta y su pendiente disminuye con aumento de valor de pH. El aumento en valor de pH conduce a disminución de resistencia de canal, causada por acumulación de cargas negativas en interfaz semiconductor-óxido. Disminución de pendiente de dependencia S_V(f) con aumento de pH puede explicarse teniendo en cuenta efecto de aumento de conductividad de canal.

Efectos de la Longitud del Canal

En esta sección, presentamos resultados de influencia de longitud de canal de corriente en mecanismos de transporte, sensibilidad a pH y también en comportamiento de ruido LF de sensores basados en NW de Si. La magnitud de la corriente es inversamente proporcional a la longitud del canal de corriente, lo que justifica aplicación de aproximación de deriva para mecanismo de transporte, así como suposición de distribución uniforme de intensidad de campo eléctrico a lo largo de longitud de canal de corriente (Fig. 9). La influencia de excitación lumínica conduce a aumento en magnitud de corriente fuente-drenaje. La sensibilidad a pH aumenta con longitud de canal de corriente y tiende al límite de Nernst de 59,5 mV/pH (Fig. 10), lo que concuerda bien con valores obtenidos para sensores de tamaño micro. Nuestros resultados apoyan también observaciones de comportamiento de sensibilidad a pH obtenidas para muestras NW con diferentes geometrías. El efecto de longitud estudiado sistemáticamente en nuestro trabajo puede explicarse así. Dado que longitud de canal l disminuye, el área de superficie sensible a pH disminuye, y consecuentemente el número de iones H⁺ medibles en solución acuosa disminuye. Según Ec. (2), la corriente I_ds aumenta con disminución de l, lo que conduce a disminución de resistencia de canal de corriente a voltaje constante V_ds. A medida que resistencia de canal R_ch disminuye, su modulación se ve obstaculizada bajo influencia de iones H⁺; por tanto, sensibilidad a pH disminuye.

Figura 11 ilustra dependencia de densidad espectral de ruido LF en longitud de canal de corriente.

Estas curvas se trazan usando dependencias espectrales de ruido LF medido para NW de Si con diferentes longitudes en condiciones de oscuridad, bajo iluminación con intensidad 0,85 V/cm², y en solución acuosa con pH = 7. Valor calculado de pendiente de curvas paralelas (Fig. 10) es igual a log(500/10) ≈ 2,7. Este valor es cercano al valor (igual a 3) obtenido teóricamente usando Ecs. (6) y (7), S_V ∝ l⁻³ con error ~10 %. Los resultados demuestran que dependencias teóricamente predichas S_V(l) concuerdan bien con características medidas teniendo en cuenta nivel relativamente alto de ruido térmico. Según Ec. (6), escalar longitud de canal l hacia abajo conduce a disminución de resistencia y aumento de corriente, lo que corresponde a aumento de portadores de carga en canal. Esto, a su vez, resulta en aumento de interacción de portadores de carga con trampas en interfaz entre silicio y capa dieléctrica. Así, nivel de ruido aumenta, lo que también confirman dependencias experimentales (ver Fig. 11).

La respuesta de pH no nernstiana de sensores basados en FET con compuerta de SiO₂ ha sido tema mayor desde introducción del concepto de FET sensible a iones (ISFET). La sensibilidad del sensor FET de NR de Si a cambios en pH puede cuantificarse midiendo desplazamiento de voltaje de umbral del dispositivo y se define por ecuación de Nernst:

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

donde δΨ₀ es potencial en superficie. El parámetro adimensional a que depende de capacidad de tampón intrínseca de superficie de óxido y capacitancia diferencial de doble capa puede ser valor entre 0 y 1.

Cambios en pH de solución inducen variaciones en densidad de carga superficial y potencial superficial. Esto conduce a cambio en conductancia de canal NR. En general, sensibilidad se define como mayor respuesta de salida posible a cierto evento biológico. La sensibilidad a pH de BioFETs surge de reacciones ácido/base en interfaz óxido/electrolito y la máxima respuesta de pH alcanzable por ISFET convencional es límite de Nernst de 59 mV/pH. A lo largo de años, ha habido numerosos reportes sobre dispositivos con respuesta casi nernstiana. La alta sensibilidad se logró ya sea por optimización de características de transferencia intrínsecas del dispositivo (como reducción de swing subumbral o ajuste de potencial de compuerta) o por modificaciones químicas de superficie. Disminuir espesor de silicio conduce a mayor sensibilidad a carga superficial. En referencia, se muestra que en espesor óptimo de 30 nm la sensibilidad alcanza valor máximo, y para capa de dispositivo más gruesa la respuesta de pH disminuye y la mayor respuesta se obtiene del FET NR más ancho con mayor área superficial. La plataforma más popular para modificación química de superficie de SiO₂ es quimisorción de monocapas autoensambladas de pocos nanómetros de espesor, no solo para mejorar sensibilidad a pH de nanosensores con compuerta Si/SiO₂, sino también porque biomoléculas como proteínas o ADN, que pueden acoplarse al otro extremo funcional de ciertas monocapas. Autores de referencia discutieron resultados sobre funcionalización y modificación de sensores FET de NW de Si.

Conclusiones

Se fabricaron sensores bioquímicos FET de nanohilos de silicio de diversas longitudes. Se investigaron curvas I-V estáticas en oscuridad e iluminadas así como comportamiento de estos sensores en solución acuosa con diferentes valores de pH. Las dependencias I-V estáticas en oscuridad demuestran comportamiento FET. Con aumento de intensidad lumínica, la corriente fuente-drenaje crece debido a aumento de conducción del canal de corriente. La sensibilidad a pH aumenta con aumento de voltaje de compuerta trasera y se acerca a 59,5 mV/pH. La magnitud de la corriente de canal es aproximadamente inversamente proporcional a la longitud del canal de corriente y la sensibilidad a pH aumenta con aumento de longitud de canal acercándose al valor límite de Nernst, indicando que dispositivos de mayor área son más adecuados para detección de pH.

La densidad espectral de ruido LF aumenta tanto bajo acción de solución de pH como de iluminación, y en ambos casos, la dependencia de frecuencia del ruido se debilita y el valor del parámetro de ruido γ disminuye. Con aumento de valor de pH y potencia de iluminación, el ruido 1/f es apantallado por meseta g-r. La frecuencia característica del componente de ruido g-r disminuye con aumento de potencia de iluminación. Nivel de ruido LF aumenta y su pendiente disminuye con aumento de valor de pH. Se muestra que el valor medido de la pendiente de dependencia de densidad espectral de ruido en longitud de canal de corriente es 2,7 que es cercano al valor teóricamente predecible 3 dentro de 10 % de error.

Abreviaturas

FET: Transistor de efecto de campo
LF: Baja frecuencia
NW: Nanohilo
TMAH: Hidróxido de tetrametilamonio

Aptasensor fluorescente de óxido de grafeno de alta sensibilidad para detección rápida de células leucémicas CCRF-CEM Membrana nanofibrilar TPU-PANI altamente elástica y conductor para sensores de deformación flexibles avanzados

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias