Optimisasi Sensor FET Nanokawat Si: Fotokonduktivitas, Sensitivitas pH, Kebisingan, dan Efek Panjang Saluran

Abstrak

Sensor FET nanokawat (NW) silikon dengan berbagai panjang telah dibuat. Sifat transport sensor FET NW silikon diselidiki melibatkan spektroskopi kebisingan dan karakterisasi arus-tegangan (I–V). Ketergantungan I–V statis menunjukkan kualitas tinggi FET silikon yang dibuat tanpa arus kebocoran. Sifat transport dan kebisingan struktur FET NW diselidiki dalam berbagai kondisi ilumini cahaya, serta dalam konfigurasi sensor dalam larutan air dengan berbagai nilai pH. Selain itu, kami mempelajari efek panjang saluran pada fotokonduktivitas, kebisingan, dan sensitivitas pH. Magnitudo arus saluran secara approximatif berbanding terbalik dengan panjang saluran arus, dan sensitivitas pH meningkat seiring dengan peningkatan panjang saluran mendekati nilai batas Nernst sebesar 59,5 mV/pH. Kami menunjukkan bahwa kebisingan 1/f yang dominan dapat difilter oleh plat generasi-rekombinasi pada pH larutan tertentu atau eksitasi cahaya eksternal. Frekensi karakteristik komponen kebisingan generasi-rekombinasi menurun seiring dengan peningkatan daya ilumini. Selain itu, ditunjukkan bahwa nilai ukuran kemiringan ketergantungan densitas spektral kebisingan 1/f pada panjang saluran arus adalah 2,7 yang dekat dengan nilai yang diprediksi secara teoretis sebesar 3.

Latar Belakang

Selama satu dekade terakhir, struktur silikon berukuran nano telah diteliti secara intensif [1] karena sifat listrik, optik, kimia, termal, dan mekanik yang menjanjikan. Dibandingkan dengan struktur yang lebih besar, FET skala nano memungkinkan pengukuran sinyal listrik, optik, dan jenis sinyal yang sangat kecil lainnya karena peningkatan rasio luas permukaan-volume sampel. Ukuran kecil struktur nano menjadikannya ideal untuk sensing volume sampel kecil dengan konsentrasi analit rendah. Fitur dan sifat sensor pH dibahas lebih detail dalam [2–4]. Ditunjukkan bahwa sensitivitas pH material bulk silikon buruk. Sifat sensing pH yang baik pada nanokawat silikon (NW), dengan sensitivitas 58,3 mV/pH, telah diamati. Misalnya, dalam bidang diagnosis medis, struktur skala nano yang bertujuan untuk pemanfaatan struktur nano berdimensi rendah seperti nanotub karbon, kawat nano logam, atau semiconductor, atau nanoribbon (NR) berukuran atom dapat diimplementasikan untuk berbagai aplikasi [5]. Di antara struktur yang disebutkan, struktur FET NR dan NW silikon membuka prospek untuk deteksi biomolekul yang bebas label, waktu nyata, dan tinggi sensitivitas menggunakan prinsip pengikatan afinitas [6]. Sensitivitas berbagai dimensi NR telah dipelajari. Ditunjukkan bahwa sensor baru dengan NR terintegrasi dapat digunakan untuk pemantauan kesalahan waktu nyata selama sensing pH [6]. Fitur dan fungsi baru terus ditambahkan ke perangkat elektronik, seperti sistem pemantauan kesehatan seluler dan perangkat wearable. Meskipun keberhasilan sistem pemantauan kesehatan pribadi seperti itu [7], generasi perangkat wearable berikutnya diharapkan mencakup juga “lab-on-a-chip” portabel—sejumlah biosensor medis yang dapat digunakan untuk deteksi dan diagnosis berbagai substansi medis [8, 9]. Untuk dapat memantau dan mendeteksi tahap awal penyakit dalam kasus ideal pada tingkat molekul tunggal, ukurai trasduser sensor harus dapat dibandingkan dengan markernya biologis yang diuji. Oleh karena itu, biosensor berbasis NW dan NR harus dikembangkan untuk memantau peristiwa biologis yang terjadi pada dimensi yang sangat kecil. Area aplikasi penting lainnya adalah optoelektronik, di mana interaksi cahaya dengan struktur nano dapat digunakan untuk aplikasi perangkat optik di masa depan. Diameter sub-panjang gelombang dan efek dekat dapat mengarah pada sifat optik lanjutan seperti refleksi rendah dan consequently penyerapan tinggi. Hasil penelitian penyerapan optik NW silikon telah menunjukkan efek yang sangat bergantung pada ukuran [10–12]. Studi penyerapan optik broadband menunjukkan peningkatan spektrum penyerapan optik total untuk sampel NW silikon [13]. NW silikon mengarah pada pengurangan signifikan refleksi dibandingkan film silikon padat [13, 14]. Penyerapan optik meningkat seiring dengan berkurangnya panjang gelombang. Harus diperhatikan bahwa, tidak seperti material bulk, struktur silikon berukuran nano dapat menjadi semiconductor bandgap langsung, yang menjadikannya pilihan yang baik untuk aplikasi optik [11, 13, 15–18]. Di sisi lain, skala ukuran meningkatkan bandgap [15]. Ini dapat menghasilkan pergeseran spektrum penyerapan ke panjang gelombang pendek [11, 18]. Seiring dengan berkurangnya ukuran, keterbatasan mengenai arus dan tegangan juga harus dipertimbangkan. Untuk perangkat yang beroperasi pada tingkat sinyal lemah, kebisingan internal memainkan peran krusial [4, 19,20,21]. Ini menentukan salah satu parameter terpenting sensor—rasio sinyal-ke-kebisingan (SNR). Seperti yang ditunjukkan untuk sensor SiNW ganda gate, sensitivitas pH meningkat dengan tegangan gate cair dan SNR memiliki nilai yang lebih tinggi (~ 10⁵) [11, 18]. Pendekatan nanoribbon membuka peluang untuk pembuatan CMOS skala besar dari chip biomolekul yang sangat sensitif untuk potensi penggunaan dalam kedokteran dan bioteknologi [22].

Penelitian terbaru pada material skala nano telah menunjukkan bahwa sifat elektronik, magnetik, termal, dan optik dapat berbeda secara dramatis ketika bentuk satu dimensi mereka disintesis. Nanokawat yang diperoleh dengan menggunakan kristal lamelar tebal satu atau beberapa atom adalah bentuk baru dari material skala nano satu dimensi dan sistem ideal untuk penyelidikan ketergantungan ukuran pada sifat dasar.

Analisis detail dari pencapaian terbaru pada metode sintesis dan studi teoretis NR disajikan dalam [23]. Dalam literatur, fotokonduktivitas, sensitivitas pH, kebisingan, dan efek panjang saluran dalam satu set array FET NW yang sama belum diteliti secara detail. Namun, kekasaran permukaan dan kontribusi lapis dielektrik dapat secara signifikan mengubah sifat struktur tergantung pada teknologi pembuatan yang diterapkan untuk berbagai perangkat. Dalam hal ini, pemahaman efek panjang saluran dalam satu set FET NW yang sama penting untuk pengembangan perangkat dengan fungsionalitas canggih.

Karya ini berfokus pada studi FET berbasis nanokawat silikon, termasuk teknologi pembuatan sampel, dan karakterisasi chip, karakteristik arus-tegangan (I–V) gelap dan cahaya serta sensitivitas pH. Efek pengaruh panjang saluran pada arus sumber-rainap, sensitivitas pH, dan kebisingan frekuensi rendah dijelaskan. Kami menunjukkan bahwa nanokawat silikon, yang dibuat berdasarkan lapis silikon tipis pada substrat silikon yang dioksidasi, dapat memiliki sensitivitas pH yang cukup dekat dengan batas Nernst.

Metode/eksperimental

Struktur NW silikon dibuat berdasarkan wafers silikon-on-insulator (SOI) yang dibeli dari SOITEC. Proses dimulai dengan oksidasi termal untuk membentuk masker keras oksida silikon tebal 20 nm. Ketebalan lapis silikon aktif adalah 50 nm. NW dengan berbagai geometri kemudian dipola pada masker keras menggunakan litografi optik dan ditransfer pada lapis SiO₂ menggunakan langkah etching ion reaktif. Pola digunakan untuk mendapatkan nanoribbon dan nanokawat silikon menggunakan etching kimia basah dalam larutan tetrametilammonium hidroksida (TMAH). Lapis dielektrik gate, yang juga berfungsi sebagai perlindungan saluran dari lingkungan cair, dianil termal 8 nm oksida silikon tebal. Saluran NW hampir tidak di-dop silikon dengan konsentrasi lubang sekitar 10¹⁵ cm⁻³. Kontak sumber dan drain di-dop tinggi untuk membentuk kontak ohmik yang baik. Untuk koneksi ke elektronik, kontak aluminium dipola menggunakan proses lift-off. Akhirnya, chip dilapisi dengan lapisan polimid (PI) untuk melindungi jalur logam dari lingkungan cair. Gambar 1 menunjukkan gambar skematis sampel yang diteliti dalam mode operasi sensor pH (a) dan mode penerima foto (b), dan citra SEM dari NW yang diteliti disajikan dalam Gambar 2.

Struktur FET nanokawat silikon yang diteliti. Gambar skematis sampel yang diteliti: mode operasi sensor pH (a) dan mode penerima foto (b). PI lapisan polimid, S sumber, D drain, FG gate depan (elektroda referensi, RE), BG gate belakang

Citra SEM struktur FET NW silikon. Citra mikroskop elektron pemindaian (SEM) typikal dari struktur FET nanoribbon silikon yang dibuat

Hasil dan Diskusi

Karakteristik Arus-Tegangan dan Sensitivitas pH

Gambar 3 dan 4 menunjukkan karakteristik arus-tegangan sumber-rainap (I–V) sampel yang diteliti yang diukur pada tegangan gate belakang − 1 dan − 5 V, masing-masing. Karakteristik diukur dalam kondisi gelap serta di bawah ilumini daya tertentu 0,85 dan 1,6 W/cm² pada suhu kamar. Eksitasi cahaya dilakukan menggunakan lampu pijar yang terletak pada jarak 15 cm dari sensor. Ketergantungan I–V menunjukkan perilaku tipikal yang mirip dengan FET oksida-semikonduktor-logam (MOSFET) [24] karena sampel yang diteliti memiliki dimensi yang cukup besar l × w × t = (2 ÷ 10) × 10 × 0,05 µm (l, w, dan t adalah panjang saluran, lebar, dan tebal, masing-masing). Kurva I–V dalam Gambar 3 dan 4 dapat dijelaskan sebagai:

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

di mana I_{ds, d} dan I_{ds, ph} adalah komponen arus sumber-rainap gelap dan foto. Arus gelap dapat dijelaskan oleh ekspresi yang dikenal untuk MOSFET untuk 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)

Karakteristik I–V FET NW, diukur pada eksitasi optik (V_BG = − 1 V). Karakteristik output arus-tegangan FET NW dengan panjang l = 10 µm, diukur dalam gelap dan pada eksitasi oleh daya cahaya spesifik 0,85 dan 1,6 W/cm², pada T = 300 K dan V_BG = − 1 V

Karakteristik I–V FET NW, diukur pada eksitasi optik (V_BG = − 5 V). Karakteristik output arus-tegangan FET NW dengan panjang l = 10 µm, diukur dalam gelap dan dengan eksitasi oleh daya cahaya spesifik 0,85 dan 1,6 W/cm² pada T = 300 K dan V_BG = − 5 V

Di sini, C_ox = ε_ox/t_ox adalah kapasitansi lapis oksida per satuan luas, ε_ox dan t_ox adalah permitivitas dan tebal lapis oksida gate, μ _n adalah mobilitas elektron, dan V_ds, V_gs, dan V_th adalah tegangan sumber-rainap, gate-sumber, dan ambang, masing-masing. Laju generasi foto-karier sama dengan ηαN_ph, di mana N_ph = W/hν adalah intensitas iradiasi. Pada tingkat injeksi rendah dan waktu hayat lubang konstan, konsentrasi foto-karier akan menjadi \( \Delta p=\eta \alpha {\tau}_p\frac{W}{h\nu} \) [25]. Karier berejuang pada tegangan yang diterapkan V_ds. Dalam hal ini, arus foto dapat direpresentasikan sebagai:

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

Di sini, A_ch = wt adalah area penampang saluran arus, e adalah muatan elektron, ∆p dan μ _p adalah konsentrasi dan mobilitas foto-karier berlebih (lubang), α koefisien serapan ilumini, η hasil kuantum, τ _p waktu hayat lubang, hν energi foton, dan W daya spesifik ilumini dalam [W/cm²].

Dalam Eq. (3), kami mengasumsikan bahwa kekuatan medan listrik terdistribusi secara merata sepanjang panjang saluran dan nilai A_ch sedikit bervariasi sepanjang panjang saluran karena konduktivitas saluran yang tinggi. Harus diperhatikan bahwa asumsinya valid pada bagian utama saluran, yang jauh dari kontak sumber dan drain.

Pada tegangan rendah V_ds, arus sumber-rainap I_ds bertambah secara approximatif linier dengan tegangan. Dengan meningkatnya daya spesifik cahaya, magnitudo I_ds meningkat. Gambar 5 dan 6 menunjukkan kurva I–V dari perangkat yang diteliti pada beberapa tegangan gate depan (V_FG = − 1 V, − 5 V) yang diukur dalam larutan air dengan pH = 6,2, 7, dan 8,3. Kami dapat melihat bahwa meningkatnya nilai pH mengakibatkan peningkatan arus saluran,I_ds.. Ini sejalan dengan model kontak larutan dengan permukaan lapis oksida, kemudian pada antarmuka oksida/larutan menyebabkan grup hidroksil SiOH. Konsentrasi dan perilaku grup hidroksil tersebut bergantung pada nilai pH. Kasus ketika permukaan tidak bermuatan disebut titik nol muatan. Untuk lapis dielektrik SiO₂, titiknya tercapai pada pH = 2,2. Pada nilai pH di bawah 2,2, permukaan oksida bermuatan positif; pada nilai pH yang lebih tinggi, permukaan oksida bermuatan negatif. Dalam kasus larutan penyangga dengan pH = 7, muatan permukaan oksida silikon akan bermuatan negatif. Oleh karena itu, pada potensi gate negatif yang diterapkan, nilai mutlak muatan negatif pada permukaan oksida meningkat. Akibatnya, konsentrasi mayor karier meningkat pada saluran arus (lubang dalam p-Si) dan arus saluran meningkat.

Karakteristik I–V FET NW, diukur dalam larutan pH yang berbeda (V_FG = − 1 V). Karakteristik output arus-tegangan FET NW dengan panjang, l = 10 µm, 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 FET NW, diukur dalam larutan pH (V_FG = − 5 V). Karakteristik output arus-tegangan FET NW dengan panjang, l = 10 µm, 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 NW silikon yang bekerja dalam mode sensing biokimia. Pengukuran dilakukan empat kali untuk setiap nilai pH. Keulangan berada dalam 7 persen. Dalam [26], sensitivitas pH sensor biokimia diperkenalkan sebagai

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

Di sini, ∆I_ds dan ∆pH adalah perubahan dasar dalam I_ds dan pH. Harap diperhatikan bahwa sensitivitas pH adalah nilai yang dapat diukur. Dalam medium larutan dengan nilai pH yang meningkat, arus sumber-rainap meningkat. Ini memungkinkan pendaftaran variasi pH dalam cairan bio apa pun (dalam rentang larutan yang relevan dengan larutan fisiologis) dengan akurasi tinggi. Misalnya, untuk V_BG = − 5 V pada V_ds = 5 V, sensitivitas sama dengan R_pH ≈ 56,4 mV/pH. Pada 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 meningkatnya tegangan gate belakang. Misalnya dari Gambar 5 dan 6 pada V_ds = 8 V, kami mendapatkan rasio \( {\left({R}_{\mathrm{pH}}\right)}_{V_{\mathrm{BG}}=-5\ \mathrm{V}}/{(R)}_{V_{BG}=-1\ \mathrm{V}}\approx 5.17 \), yaitu sekitar lima kali peningkatan sensitivitas.

Spektrum Kebisingan Frekuensi Rendah dan Fitur yang Disebabkan oleh Iradiasi dan Perubahan pH

Spektrum kebisingan struktur NW silikon diukur pada arus konstan dalam mode ohmik. Gambar 7 menunjukkan densitas spektral daya kebisingan arus drain yang diukur dalam kondisi gelap serta di bawah iradiasi dengan tegangan gate belakang V_BG = − 1 V pada I_ds = 0,1 µA. Spektrum kebisingan, yang diukur dalam gelap, menunjukkan perilaku kebisingan 1/f^γ dengan parameter kebisingan sama dengan γ = 1. Tingkat kebisingan frekuensi rendah (LF) meningkat dengan peningkatan intensitas iradiasi cahaya. Peningkatan intensitas ilumini mengakibatkan pertumbuhan konsentrasi mayor karier. Ini gaya menyebabkan pertumbuhan fluktuasi mobilitas pada saluran karena peningkatan interaksi dan laju pencaran sebagai hasil pencarian, pertama, antara karier, dan kedua, antara karier dan fonon akustik, serta pada jebakan pengotor berbeda [27].

Spektrum kebisingan FET NW, diukur pada eksitasi optik. Ketergantungan spektral kebisingan LF, yang diukur untuk sampel FET NW dengan l = 10 µm di bawah ilumini: 0,85 W/cm², 1,6 W/cm², dan dalam gelap; V_BG = − 1 V, T = 300 K

Karena pengukuran kebisingan dilakukan pada arus konstan dalam mode ohmik, resistansi saluran berubah linier dengan tegangan yang diterapkan V_ds. Seperti yang diketahui, densitas spektral kebisingan 1/f S _V berbanding dengan tegangan dalam kuadrat 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)

Di sini, α_H adalah parameter Hooge, R_ch adalah resistansi saluran arus; Ω = A_chl adalah volume saluran arus; ρ adalah resistansi spesifik saluran. Penurunan resistansi saluran mengakibatkan pertumbuhan densitas spektral kebisingan. Pada eksitasi cahaya sampel FET nanokawat dengan daya W, kita memiliki:

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

Di sini, p_d adalah konsentrasi lubang dalam kondisi gelap dan σ adalah konduktivitas spesifik. Tingkat kebisingan meningkat proporsional dengan intensitas ilumini.

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

γ(gelap) ≈ 1.0, γ(0,85 W/cm²) ≈ 0.5, dan γ(1,6 W/cm²) ≈ 0.2.

Di bawah iradiasi, nilai parameter kebisingan γ menurun. Ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan meningkatnya daya cahaya, konduktivitas saluran arus meningkat. Akibatnya, waktu hayat efektif karier minor τ_ef meningkat 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 individual. Berbagai waktu hayat terkait dengan berbagai mekanisme rekombinasi. Waktu hayat efektif karier harus ditentukan oleh waktu hayat rekombinasi permukaan, radiatif, volume (bulk), dan Auger karier. Diketahui bahwa waktu hayat radiatif berbanding terbalik dengan densitas karier, dan waktu hayat Auger berbanding terbalik dengan kuadrat densitas karier [28]. Waktu hayat rekombinasi volume ditentukan oleh mekanisme rekombinasi Shockley-Read-Hall. Ini konstan untuk densitas karier tingkat rendah, dan meningkat untuk tingkat injeksi tinggi [29,30,31]. Diketahui bahwa waktu hayat rekombinasi permukaan berbanding dengan laju rekombinasi permukaan dan berbanding terbalik dengan tebal sampel [29, 32, 33].

Perilaku waktu hayat efektif akan kompleks, tergantung pada densitas karier non-equalibrium dan mekanisme rekombinasi. Seiring dengan meningkatnya densitas karier, waktu hayat efektif dapat berupa fungsi konstan atau menurun [29]. Pada nanokawat dengan rasio permukaan-volume yang tinggi, status antarmuka permainkan peran yang lebih penting dan kontribusinya mendominasi. Selain itu, dapat melebihi jenis rekombinasi lainnya. Di sisi lain, pada tingkat densitas karier yang sedang, waktu hayat rekombinasi volume juga dapat meningkat. Untuk kasus karier NW silikon kami, waktu hayat efektif ditentukan pada dasarnya oleh rekombinasi permukaan dan volume dan meningkat dengan pertumbuhan densitas karier.

Seperti yang diketahui, kebisingan generasi-rekombinasi (g-r) memiliki bentuk Lorentzia [19, 34]:

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

Di sini, f adalah frekuensi. Jelas bahwa bagian plat pada ketergantungan S_{V, g − r}(f) ditentukan oleh kondisi

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

di mana f _c adalah frekuensi karakteristik. Harus diperhatikan bahwa dengan meningkatnya waktu hayat elektron, nilai frekuensi potong f _c menurun. Frekuensi karakteristik kebisingan g-r bergeser ke wilayah frekuensi rendah. Karena konduktivitas σ dan waktu hayat τ _n meningkat dengan meningkatnya daya ilumini, f _c menurun dengan meningkatnya W, sesuai:

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

Proses g-r menghasilkan penyaringan komponen kebisingan 1/f di bawah plat kebisingan g-r. Fakta ini menjelaskan penurunan nilai parameter kebisingan γ dengan meningkatnya daya ilumini.

Gambar 8 menggambarkan ketergantungan spektral spektrum daya kebisingan LF sampel FET NW silikon, yang diukur pada V _FG = − 1 V, I_ds = 0,1 µA 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. Kemiringan dihitung dalam rentang dari 10 hingga 500 Hz. Tingkat kebisingan LF meningkat dan kemiringannya menurun dengan meningkatnya nilai pH. Peningkatan nilai pH mengakibatkan penurunan resistansi saluran, yang disebabkan oleh akumulasi muatan negatif pada antarmuka semikonduktor-oksida. Penurunan kemiringan ketergantungan S _V (f) dengan meningkatnya pH dapat dijelaskan dengan mempertimbangkan efek peningkatan konduktivitas saluran.

Spektrum kebisingan FET NW, diukur dalam larutan pH yang berbeda. Ketergantungan spektral kebisingan LF untuk NW dengan panjang, l = 10 µm, 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

Efek Panjang Saluran

Dalam bagian ini, kami menyajikan hasil pengaruh panjang saluran arus pada mekanisme transportasi, sensitivitas pH, dan juga pada perilaku kebisingan LF sensor berbasis NW silikon. Magnitudo arus berbanding terbalik dengan panjang saluran arus, yang memanjakan aplikasi perkiraan drift untuk mekanisme transportasi, serta asumsi distribusi seragam kekuatan medan listrik sepanjang panjang saluran arus (Gambar 9). Pengaruh eksitasi cahaya mengakibatkan peningkatan magnitudo arus sumber-rainap. Sensitivitas pH meningkat dengan panjang saluran arus dan cenderung mendekati batas Nernst sebesar 59,5 mV/pH (Gambar 10), yang sejalan dengan nilai yang diperoleh untuk sensor berukuran mikro [27]. Hasil kami juga mendukung pengamatan perilaku sensitivitas pH yang diperoleh untuk sampel NW dengan geometri yang berbeda [6]. Efek panjang yang dipelajari secara sistematis dalam karya kami dapat dijelaskan sebagai berikut. Karena panjang saluran l menurun, luas permukaan sensitif pH berkurang, dan akibatnya jumlah ion H⁺ yang dapat diukur dalam larutan air berkurang. Menurut Eq. (2), arus I_ds meningkat dengan berkurangnya l, yang mengakibatkan penurunan resistansi saluran arus pada tegangan konstan V_ds. Seiring dengan berkurangnya resistansi saluran R_ch, modulasi-nya terhalang di bawah pengaruh ion H⁺; oleh karena itu, sensitivitas pH menurun.

Arus saluran FET NW vs panjang. Plot arus saluran sebagai fungsi 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 panjang saluran. V_FG = − 10 V, V_BG = − 5 V, V_ds = − 5 V, R_ch = 1,26 MΩ

Gambar 11 menggambarkan ketergantungan densitas spektral kebisingan LF pada panjang saluran arus.

Densitas spektral kebisingan vs panjang saluran arus. Plot densitas spektral kebisingan sebagai fungsi panjang saluran arus. Untuk pengukuran pH V_FG = − 10 V

Kurva-kurva ini dibuat menggunakan ketergantungan spektral kebisingan LF yang diukur untuk NW silikon dengan berbagai panjang dalam kondisi gelap, di bawah ilumini dengan intensitas 0,85 V/cm², dan dalam larutan air dengan pH = 7. Nilai ukuran yang dihitung dari kemiringan kurva paralel (Gambar 10) sama dengan log(500/10) ≈ 2,7. Nilai ini dekat dengan nilai (yang sama dengan 3) yang diperoleh secara teoretis menggunakan Eqs. (6) dan (7), S _V ∝ l⁻³ dengan kesalahan sekitar 10 persen. Hasil menunjukkan bahwa ketergantungan S_V(l) yang diprediksi secara teoretis sejalan dengan karakteristik yang diukur dengan mempertimbangkan tingkat kebisingan termal yang cukup tinggi. Menurut Eq. (6), penskalaan panjang saluran l ke bawah mengakibatkan penurunan resistansi dan peningkatan arus, yang sesuai dengan peningkatan muatan carrier pada saluran. Ini gaya mengarah pada peningkatan interaksi carrier muatan dengan jebakan pada antarmuka antara silikon dan lapis dielektrik. Akibatnya, tingkat kebisingan meningkat, yang juga dikonfirmasi oleh ketergantungan eksperimental (lihat Gambar 11).

Respons pH non-Nernstian sensor berbasis FET oksida SiO₂ merupakan topik utama sejak memperkenalkan konsep FET sensitif ion (ISFET). Sensitivitas sensor FET NR silikon terhadap perubahan pH dapat diukur dengan mengukur pergeseran tegangan ambang perangkat dan didefinisikan oleh persamaan Nernst [35]:

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

di mana δΨ₀ adalah potensi pada permukaan. Parameter dimensi nol a yang bergantung pada kapasitas penahan intrinsik permukaan oksida dan kapasitansi lapis ganda diferensial dapat bernilai antara 0 dan 1.

Perubahan pH larutan menginduksi variasi densitas muatan permukaan dan potensi permukaan. Ini mengarah pada perubahan konduktivitas saluran NR. Secara umum, sensitivitas didefinisikan sebagai respons output terbesar yang mungkin terhadap peristiwa biologis tertentu. Sensitivitas pH BioFET timbul dari reaksi asam/basa pada antarmuka oksida/elektrolit dan respons pH maksimum yang dapat dicapai oleh ISFET konvensional adalah batas Nernst sebesar 59 mV/pH. Selama bertahun-tahun, telah banyak laporan [36,37,38,39,40,41,42,45] tentang perangkat dengan Nernstian dekat. Sensitivitas tinggi dicapai baik dengan optimisasi karakteristik transfer intrinsik perangkat (seperti penurunan ambang subthreshold atau dengan menyetel potensi gate) atau dengan modifikasi kimia permukaan. Pengurangan tebal silikon mengarah pada sensitivitas muatan permukaan yang lebih tinggi [45]. Dalam [6], ditunjukkan bahwa pada tebal optimal 30 nm sensitivitas mencapai nilai maksimum, dan untuk lapis perangkat yang lebih tebal respons pH menurun dan respons terbesar didapatkan dari FET NR terlebar dengan luas permukaan tertinggi. Platform terpopuler untuk modifikasi kimia permukaan SiO₂ adalah chemisorpsi monolaer terorganisasi beberapa nanometer tebal [46], tidak hanya untuk meningkatkan sensitivitas pH nanosensor gate Si/SiO₂ [47], tetapi juga karena biomolekul seperti protein [48] atau DNA [49], yang dapat dikaitkan dengan ujung fungsional lain dari beberapa monolaer tertentu. Penulis Ref. [50] membahas hasil mengenai fungsionalisasi dan modifikasi sensor FET NW silikon.

Kesimpulan

Sensor FET biokimia nanokawat silikon dengan berbagai panjang telah dibuat. Karakteristik I–V gelap dan terang statis serta perilaku sensor ini dalam larutan air dengan berbagai nilai pH diselidiki. Ketergantungan I–V gelap statis menunjukkan perilaku FET. Dengan meningkatnya intensitas cahaya, arus sumber-rainap tumbuh karena peningkatan konduktivitas saluran arus. Sensitivitas pH meningkat dengan meningkatnya tegangan gate belakang dan mendekati 59,5 mV/pH. Magnitudo arus saluran secara approximatif berbanding terbalik dengan panjang saluran arus dan sensitivitas pH meningkat dengan peningkatan panjang saluran mendekati nilai batas Nernst, yang menunjukkan bahwa perangkat dengan luas lebih besar lebih cocok untuk sensing pH.

Densitas spektral kebisingan LF meningkat baik di bawah aksi larutan pH maupun ilumini cahaya, dan dalam kedua kasus, ketergantungan frekuensi kebisingan melemah dan nilai parameter kebisingan γ menurun. Dengan meningkatnya nilai pH dan daya ilumini, kebisingan 1/f difilter oleh plat g-r. Frekuensi karakteristik komponen kebisingan g-r menurun dengan meningkatnya daya ilumini. Tingkat kebisingan LF meningkat dan kemiringannya menurun dengan meningkatnya nilai pH. Ditunjukkan bahwa nilai ukuran kemiringan ketergantungan densitas spektral kebisingan pada panjang saluran arus adalah 2,7 yang dekat dengan nilai yang dapat diprediksi secara teoretis sebesar 3 dalam kesalahan 10 persen.

Singkatan

FETs:

Field-effect transistors

LF:

Low-frequency

NWs:

Nanowires

TMAH:

Tetramethylammonium hydroxide