Fotokonduktivitas, Sensitivitas pH, Kebisingan, dan Efek Panjang Saluran di Sensor Si Nanowire FET

Hasil dan Diskusi

Karakteristik Tegangan Arus dan Sensitivitas pH

Gambar 3 dan 4 menunjukkan karakteristik arus-tegangan sumber-drain (I–V) sampel yang diteliti diukur pada tegangan gerbang belakang 1 dan 5 V, secara bersamaan. Karakteristik diukur dalam kondisi gelap serta di bawah iluminasi daya spesifik 0,85 dan 1,6 W/cm ² pada suhu kamar. Eksitasi cahaya dilakukan dengan menggunakan lampu pijar yang terletak pada jarak 15 cm dari sensor. Ketergantungan IV menunjukkan perilaku khas yang mirip dengan FET logam-oksida-semikonduktor (MOSFET) [24] karena sampel yang diselidiki memiliki dimensi yang relatif besar l × dengan × t = (2 ÷ 10) × 10 × 0,05 m (l , dengan , dan t adalah panjang, lebar, dan tebal saluran, secara berurutan). Kurva I-V pada Gambar. 3 dan 4 dapat digambarkan sebagai:

dimana Aku _{ds, d} dan Aku _{ds, ph} adalah komponen arus sumber-drain gelap dan foto. Arus gelap dapat dijelaskan dengan ekspresi terkenal untuk MOSFET untuk V _ds V _gs V _th [24]:

Karakteristik I–V dari NW FET, diukur pada eksitasi optik (V _BG =1 V). Karakteristik arus–tegangan keluaran sampel NW FET dengan panjang l = 10 m, diukur dalam gelap dan saat eksitasi dengan daya spesifik cahaya 0,85 dan 1,6 W/cm ² , di T = 300 K dan V _BG = − 1 V

Karakteristik I–V dari NW FET, diukur pada eksitasi optik (V _BG = − 5V). Karakteristik arus–tegangan keluaran sampel NW FET dengan panjang l = 10 m, diukur dalam gelap dan dengan eksitasi oleh daya spesifik cahaya 0,85 dan 1,6 W/cm ² di T = 300 K dan V _BG = − 5 V

Di sini, C _sapi = ε _sapi /t _sapi adalah kapasitansi lapisan oksida per satuan luas, ε _sapi dan t _sapi adalah permitivitas dan ketebalan lapisan oksida gerbang, μ _n adalah mobilitas elektron, dan V _ds , V _gs , dan V _th adalah tegangan source-drain, gate-source, dan threshold. Tingkat generasi pembawa foto sama dengan ηαN _ph , di mana N _ph = A /hν adalah intensitas penyinaran. Pada tingkat injeksi yang rendah dan umur lubang yang konstan, konsentrasi pembawa foto akan \( \Delta p=\eta \alpha {\tau}_p\frac{W}{h\nu} \) [25]. Pembawa hanyut pada tegangan yang diberikan V _ds . Dalam hal ini, arus foto dapat direpresentasikan sebagai:

Ini, A _ch = wt adalah area penampang saluran saat ini, e adalah muatan elektron, ∆p dan μ _p adalah konsentrasi dan mobilitas pembawa foto berlebih (lubang), α koefisien penyerapan iluminasi, η hasil kuantum, τ _p umur lubang, hν energi foton, dan A daya spesifik iluminasi dalam [W/cm ² ].

Dalam Persamaan. (3), diasumsikan bahwa kuat medan listrik terdistribusi secara merata sepanjang saluran dan nilai A _ch sedikit bervariasi di sepanjang saluran karena konduktivitas saluran yang tinggi. Perlu dicatat bahwa asumsi ini berlaku di bagian utama saluran, yang jauh dari kontak sumber dan saluran.

Pada tegangan rendah V _ds , arus sumber-penguras I _ds tumbuh kira-kira linier dengan tegangan. Dengan meningkatnya kekuatan spesifik cahaya, besarnya I _ds meningkat. Gambar 5 dan 6 menunjukkan kurva I–V dari perangkat yang diselidiki pada beberapa tegangan gerbang depan (V _FG =  − 1 V, − 5 V) diukur dalam larutan berair dengan pH = 6.2, 7, dan 8.3. Kita dapat melihat bahwa peningkatan nilai pH menghasilkan peningkatan arus saluran,I _ds . Hal ini sesuai dengan model kontak larutan dengan permukaan lapisan oksida, kemudian pada antarmuka oksida/larutan menyebabkan gugus hidroksil SiOH. Konsentrasi dan perilaku gugus hidroksil tersebut bergantung pada nilai pH. Kasus ketika permukaan tidak bermuatan disebut titik muatan nol. Untuk SiO₂ lapisan dielektrik, titik tercapai pada pH = 2.2. Pada nilai pH lebih rendah dari 2,2, permukaan oksida bermuatan positif; pada nilai pH yang lebih tinggi, permukaan oksida bermuatan negatif. Dalam kasus larutan buffer dengan pH = 7, muatan permukaan silikon oksida akan bermuatan negatif. Oleh karena itu, pada potensial gerbang negatif yang diterapkan, nilai absolut muatan negatif pada permukaan oksida meningkat. Akibatnya, konsentrasi pembawa mayoritas meningkat di saluran saat ini (lubang di p-Si) dan dengan demikian arus saluran meningkat.

Karakteristik I–V dari NW FET, diukur dalam larutan pH yang berbeda (V _FG =1 V). Karakteristik arus–tegangan keluaran NW FET dengan panjang, l = 10 m, diukur dalam gelap dan konsentrasi pH:6,3, 7, 8,2 pada T = 300 K, V_BG = − 5 V, dan V _FG = − 1 V

Karakteristik I–V dari NW FET, diukur dalam larutan pH (V _FG = − 5V). Karakteristik arus–tegangan keluaran NW FET dengan panjang, l = 10 m, diukur dalam gelap dan konsentrasi pH 6,3, 7, 8,2 pada T = 300 K, V _BG = − 5 V, dan V _FG = − 5 V

Gambar 5 dan 6 menunjukkan karakteristik I–V dari struktur Si NW yang bekerja dalam mode penginderaan biokimia. Pengukuran dilakukan sebanyak empat kali untuk setiap nilai pH. Pengulangan berada dalam 7%. Dalam [26], sensitivitas pH sensor biokimia diperkenalkan sebagai

Di sini, ∆Aku _ds dan pH adalah perubahan dasar dalam I _ds dan pH-nya. Perhatikan bahwa sensitivitas pH adalah nilai terukur. Dalam media larutan dengan peningkatan nilai pH, arus sumber-drain meningkat. Hal ini memungkinkan pencatatan variasi pH dalam cairan bio apa pun (dalam kisaran larutan yang relevan dengan larutan fisiologis) dengan akurasi tinggi. Misalnya, untuk V _BG =  − 5 V di V _ds = 5 V, sensitivitasnya sama dengan R _pH 56,4 mV/pH. Di V _BG =  − 5 V, sensitivitas pH tumbuh hingga 59,3 mV/pH dan mendekati batas Nernst 59,5 mV/pH [24]. Sensitivitas pH tumbuh dengan peningkatan tegangan back-gate. Misalnya dari Gambar. 5 dan 6 di V _ds = 8 V, kita peroleh rasio \( {\left({R}_{\mathrm{pH}}\right)}_{V_{\mathrm{BG}}=-5\ \mathrm{V}}/ {(R)}_{V_{BG}=-1\ \mathrm{V}}\kira-kira 5,17 \), yaitu, sekitar lima kali peningkatan sensitivitas.

Spektra dan Fitur Noise Frekuensi Rendah yang Disebabkan oleh Iradiasi dan Perubahan pH

Spektrum kebisingan struktur Si NW diukur pada arus konstan dalam mode ohmik. Gambar 7 menunjukkan kerapatan spektral daya kebisingan arus drain yang diukur dalam kondisi gelap serta di bawah iradiasi dengan tegangan gerbang belakang yang diterapkan V _BG =  − 1 V di I _ds = 0,1 A. Spektrum kebisingan, diukur dalam gelap, menunjukkan 1/f ^γ perilaku kebisingan dengan parameter kebisingan sama dengan γ = 1. Tingkat kebisingan frekuensi rendah (LF) meningkat dengan meningkatnya intensitas penyinaran cahaya. Peningkatan intensitas iluminasi menghasilkan pertumbuhan konsentrasi pembawa utama. Hal ini pada gilirannya menyebabkan tumbuhnya fluktuasi mobilitas pada saluran karena peningkatan interaksi dan laju hamburan sebagai akibat dari hamburan, pertama, antara pembawa, dan kedua, antara pembawa dan fonon akustik, serta pada perangkap pengotor yang berbeda [27].

Spektrum kebisingan NW FET, diukur pada eksitasi optik. Ketergantungan spektral kebisingan LF, diukur untuk sampel NW FET dengan l = 10 m di bawah iluminasi:0,85 W/cm ² , 1,6 W/cm ² , dan dalam gelap; V _BG = − 1 V, T = 300rb

Karena pengukuran kebisingan dilakukan pada arus konstan dalam mode ohmik, resistansi saluran berubah secara linier dengan tegangan yang diberikan V _ds . Seperti yang diketahui, kepadatan spektral 1/f-noise S _V sebanding dengan tegangan pada daya 2:

Di sini, α _H adalah parameter Hooge, R _ch adalah resistansi saluran saat ini; = A _ch l adalah volume saluran saat ini; ρ adalah hambatan spesifik saluran. Penurunan resistansi saluran menyebabkan pertumbuhan kerapatan spektral noise. Pada eksitasi ringan sampel FET kawat nano dengan kekuatan W , kami memiliki:

Di sini, p _d adalah konsentrasi lubang dalam kondisi gelap dan σ adalah konduktivitas spesifik. Tingkat kebisingan meningkat secara proporsional dengan intensitas penerangan.

Kami menghitung nilai parameter kebisingan γ , menggunakan kurva yang disajikan pada Gambar. 7. Parameter berikut diperoleh untuk sampel, diukur dalam eksitasi gelap dan terang dari kekuatan yang berbeda:

γ (gelap) ≈ 1.0, γ (0,85 W/cm ² ) ≈ 0,5, dan γ (1,6 W/cm ² ) ≈ 0.2.

Di bawah iradiasi, nilai parameter kebisingan γ menurun. Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan meningkatnya daya cahaya, konduktivitas saluran saat ini meningkat. Akibatnya, masa hidup efektif pembawa minoritas τ _ef naik dan mencapai nilai τ _ef (10 ⁻³ 10 ⁻² ) S. Setelah pasangan elektron-lubang dihasilkan oleh penyerapan dalam silikon, beberapa mekanisme rekombinasi harus dipertimbangkan. Proses-proses ini terjadi secara paralel, dan laju rekombinasi adalah jumlah laju yang sesuai dengan proses individu. Berbagai masa hidup dikaitkan dengan mekanisme rekombinasi yang berbeda. Masa pakai efektif pembawa harus ditentukan oleh permukaan pembawa, radiasi, volume (bulk), dan masa rekombinasi Auger. Diketahui bahwa umur radiasi berbanding terbalik dengan densitas pembawa, dan umur Auger berbanding terbalik dengan kuadrat densitas pembawa [28]. Masa pakai rekombinasi massal ditentukan oleh mekanisme rekombinasi Shockley-Read-Hall. Ini konstan untuk kepadatan pembawa tingkat rendah, dan meningkat untuk tingkat injeksi tinggi [29,30,31]. Diketahui bahwa umur rekombinasi permukaan sebanding dengan laju rekombinasi permukaan dan berbanding terbalik dengan ketebalan sampel [29, 32, 33].

Perilaku dari masa hidup efektif akan kompleks, tergantung pada kepadatan pembawa nonequilibrium dan mekanisme rekombinasi. Ketika densitas pembawa meningkat, masa efektif dapat berupa fungsi konstan atau menurun [29]. Dalam kawat nano dengan rasio permukaan terhadap volume yang tinggi, status antarmuka permukaan memainkan peran yang lebih penting dan kontribusinya mendominasi. Selain itu, ia dapat melampaui jenis rekombinasi lainnya. Di sisi lain, pada tingkat kepadatan pembawa yang sedang, masa pakai rekombinasi massal juga dapat meningkat. Untuk kasus pembawa silikon NW kami, masa pakai efektif pada dasarnya ditentukan oleh rekombinasi permukaan dan massal dan meningkat dengan pertumbuhan densitas pembawa.

Seperti diketahui, noise rekombinasi generasi (g-r) berbentuk Lorentzian [19, 34]:

Di sini, f adalah frekuensi. Jelas bahwa bagian dataran tinggi ketergantungan S _{V , g r} (f ) ditentukan oleh kondisi

dimana f _c adalah frekuensi karakteristik. Perlu dicatat bahwa dengan bertambahnya umur elektron, nilai frekuensi cutoff f _c menurun. Frekuensi karakteristik derau g-r bergeser ke wilayah frekuensi rendah. Karena konduktivitas σ dan seumur hidup τ _n meningkat dengan meningkatnya daya iluminasi, f _c menurun dengan meningkatnya W , dengan demikian:

Proses g-r mengarah pada penyaringan komponen 1/f-noise di bawah dataran tinggi kebisingan g-r. Fakta menjelaskan penurunan nilai parameter noise γ dengan peningkatan daya iluminasi.

Gambar 8 mengilustrasikan ketergantungan spektral dari spektrum daya kebisingan LF sampel Si NW FET, diukur pada V _FG =  − 1 V, Aku _ds = 0,1 A dalam larutan pada beberapa nilai pH:6,3, 7,0, dan 8,2. Parameter kebisingan menurun dengan meningkatnya nilai pH:γ (pH = 6.3) ≈ 1.0; γ (pH = 7.0) ≈ 0.5; γ (pH = 8.2) ≈ 0.4. Kemiringannya dihitung dalam kisaran 10 hingga 500 Hz. Tingkat kebisingan LF meningkat dan kemiringannya menurun dengan meningkatnya nilai pH. Peningkatan nilai pH menyebabkan penurunan resistansi saluran, yang disebabkan oleh akumulasi muatan negatif pada antarmuka semikonduktor-oksida. Penurunan kemiringan S _V (f ) ketergantungan dengan peningkatan pH dapat dijelaskan dengan mempertimbangkan efek peningkatan konduktivitas saluran.

Spektrum kebisingan NW FET, diukur dalam larutan pH yang berbeda. Ketergantungan spektral kebisingan LF untuk NW dengan panjang, l = 10 m, diukur pada T = 300 K dan beberapa nilai pH:6,3, 7,0, dan 8,2 pada V _BG = − 5 V, V _FG = − 1 V

Pengaruh Panjang Saluran

Pada bagian ini, kami menyajikan hasil pengaruh panjang saluran saat ini pada mekanisme transportasi, sensitivitas pH, dan juga pada perilaku kebisingan LF dari sensor berbasis Si NW. Besarnya arus berbanding terbalik dengan panjang saluran arus, yang membenarkan penerapan pendekatan drift untuk mekanisme transportasi, serta asumsi distribusi seragam kekuatan medan listrik di sepanjang saluran arus ( Gambar 9). Pengaruh eksitasi cahaya menyebabkan peningkatan besarnya arus source-drain. Sensitivitas pH meningkat dengan panjang saluran saat ini dan cenderung ke batas Nernst 59,5 mV/pH (Gbr. 10), yang sesuai dengan nilai yang diperoleh untuk sensor ukuran mikro [27]. Hasil kami mendukung juga pengamatan perilaku sensitivitas pH yang diperoleh untuk sampel NW dengan geometri yang berbeda [6]. Efek panjang yang dipelajari secara sistematis dalam pekerjaan kami dapat dijelaskan sebagai berikut. Karena panjang saluran l menurun, luas permukaan sensitif pH menurun, dan akibatnya jumlah H ⁺ yang terukur ion dalam larutan air berkurang. Menurut Persamaan. (2), I . saat ini _ds meningkat dengan menurunnya l , yang menyebabkan penurunan resistansi saluran arus pada tegangan konstan V _ds . Sebagai perlawanan dari saluran R _ch menurun, modulasinya terhambat di bawah pengaruh H ⁺ ion; karenanya, sensitivitas pH menurun.

Arus saluran NW FET vs panjang. Plot arus saluran sebagai fungsi dari panjang saluran. V _BG = − 5 V, V _ds = − 5 V, R _ch = 1,26 MΩ

sensitivitas pH vs panjang saluran. Plot sensitivitas pH sebagai fungsi dari panjang saluran. V _FG = − 10 V, V _BG = − 5 V, V _ds = − 5 V, R _ch = 1,26 MΩ

Gambar 11 mengilustrasikan ketergantungan kerapatan spektral noise LF pada panjang saluran saat ini.

Kerapatan spektral kebisingan vs panjang saluran saat ini. Plot kerapatan spektral noise sebagai fungsi dari panjang saluran arus. Untuk pengukuran pH V _FG = − 10 V

Kurva ini diplot menggunakan ketergantungan spektral dari kebisingan LF yang diukur untuk Si NWs dengan panjang yang berbeda dalam kondisi gelap, di bawah penerangan dengan intensitas 0,85 V/cm ² , dan dalam larutan berair dengan pH = 7. Nilai kemiringan kurva paralel yang dihitung (Gbr. 10) sama dengan log(500/10) ≈ 2.7. Nilai ini mendekati nilai (sama dengan 3) yang diperoleh secara teoritis menggunakan Persamaan. (6) dan (7), S _V l ⁻³ dengan kesalahan sekitar 10%. Hasilnya menunjukkan bahwa secara teoritis diprediksi S_V (l ) dependensi sesuai dengan karakteristik terukur dengan mempertimbangkan tingkat kebisingan termal yang relatif tinggi. Menurut Persamaan. (6), menskalakan panjang saluran l turun menyebabkan penurunan resistensi dan peningkatan arus, yang sesuai dengan peningkatan pembawa muatan di saluran. Ini, pada gilirannya, menghasilkan peningkatan interaksi pembawa muatan dengan perangkap pada antarmuka antara silikon dan lapisan dielektrik. Dengan demikian, tingkat kebisingan meningkat, yang juga dikonfirmasi oleh ketergantungan eksperimental (lihat Gambar 11).

Respon pH non-Nernstian dari SiO₂ -gated FET-based sensors has been a major topic since the introduction of the ion-sensitive FET (ISFET) concept. The sensitivity of the SiNR FET sensor to changes in pH can be quantified by measuring the shift of the threshold voltage of the device and is defined by the Nernst equation [35]:

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

where δ Ψ₀ is the potential at the surface. The dimensionless parameter a which depends on the intrinsic buffer capacity of the oxide surface and the differential double-layer capacitance can be a value between 0 and 1.

Changes in the pH of the solution induce variations in the surface charge density and surface potential. It leads to a change in the NR channel conductance. In general, sensitivity is defined as the largest possible output response to a certain biological event. The pH sensitivity of BioFETs arises from the acid/base reactions at the oxide/electrolyte interface and the maximum pH response achievable by a conventional ISFET is the Nernst limit of 59 mV/pH. Over the years, there have been numerous reports [36,37,38,39,40,41,42,45] on devices with near Nernstian. The high sensitivity was achieved either by optimization of the intrinsic device transfer characteristics (such as lowering of the subthreshold swing or by tuning the gate potential) or by chemical surface modifications. Decreasing silicon thickness leads to higher surface charge sensitivity [45]. In [6], it is shown that at an optimum thickness of 30 nm the sensitivity reaches maximum value, and for a thicker device layer the pH response decreases and the largest response is obtained from the widest NR FET with the highest surface area. The most popular platform for chemical modification of SiO₂ surface is chemisorption of a few nanometer thick self-assembled monolayers [46], not only to enhance the pH sensitivity of Si/SiO₂ gated nanosensors [47], but also because biomolecules such as proteins [48] or DNA [49], which can be coupled to the other functional end of certain monolayers. Authors of Ref. [50] discussed the results concerning the functionalization and modification of SiNW FET sensors.