Effets de photoconductivité, de sensibilité au pH, de bruit et de longueur de canal dans les capteurs FET à nanofil Si

Contexte

Au cours de la dernière décennie, les structures de silicium nanométriques ont fait l'objet d'études intensives [1] en raison de leurs propriétés électriques, optiques, chimiques, thermiques et mécaniques prometteuses. Par rapport aux structures plus grandes, les transistors à effet de champ (FET) à l'échelle nanométrique permettent de mesurer des signaux électriques, optiques et autres très petits en raison du rapport surface/volume accru de l'échantillon. Les petites tailles des nanostructures les rendent idéales pour la détection de petits volumes d'échantillons avec de faibles concentrations d'analyte. Les caractéristiques et propriétés des capteurs de pH sont discutées plus en détail dans [2–4]. Il est montré que la sensibilité au pH des matériaux en vrac de silicium est faible. De bonnes propriétés de détection du pH des nanofils de Si (NW), avec une sensibilité de 58,3 mV/pH, ont été observées. Par exemple, dans le domaine du diagnostic médical, des structures à l'échelle nanométrique visant l'utilisation de nanostructures de faible dimension telles que des nanotubes de carbone, métalliques ou semi-conducteurs NW ou des nanorubans minces (NR) de la taille d'un atome peuvent être mises en œuvre pour une variété d'applications [5] . Parmi les structures mentionnées, les structures de silicium NR et NW FET ouvrent des perspectives pour la détection sans marqueur, en temps réel et de haute sensibilité de biomolécules en utilisant des principes de liaison basés sur l'affinité [6]. La sensibilité de différentes dimensions de NR a été étudiée. Il a été démontré que le nouveau capteur avec référence NR intégrée peut être utilisé pour la surveillance des erreurs en temps réel lors de la détection du pH [6]. De nouvelles fonctionnalités et fonctions sont continuellement ajoutées aux appareils électroniques, tels que les systèmes mobiles de surveillance de la santé et les appareils portables. Malgré le succès de ces systèmes de surveillance de la santé personnelle [7], la prochaine génération d'appareils portables devrait également inclure un « laboratoire sur puce » portable, un ensemble de biocapteurs médicaux qui peuvent être utilisés pour la détection et le diagnostic de divers substances médicales [8, 9]. Afin de pouvoir surveiller et détecter les premiers stades de la maladie dans un cas idéal au niveau d'une seule molécule, la taille du transducteur du capteur doit être comparable aux marqueurs biologiques testés. Par conséquent, des biocapteurs basés sur les NW et les NR doivent être développés pour la surveillance des événements biologiques qui se produisent à de très petites dimensions. Un autre domaine d'application important est l'optoélectronique, où l'interaction de la lumière avec des nanostructures peut être utilisée pour de futures applications de dispositifs optiques. Les diamètres inférieurs à la longueur d'onde et les effets de proximité peuvent conduire à des propriétés optiques avancées telles qu'une faible réflectance et donc une absorption élevée. Les résultats de l'étude de l'absorption optique Si NW ont démontré les effets fortement dépendants de la taille [10–12]. Des études sur l'absorption optique à large bande ont montré une augmentation des spectres d'absorption optique totale pour les échantillons de Si NW [13]. Les Si NW conduisent à une réduction significative de la réflectance par rapport aux films de silicium solides [13, 14]. L'absorption optique augmente tandis que la longueur d'onde diminue. Il convient de noter que, contrairement au matériau en vrac, les structures Si nanométriques peuvent être des semi-conducteurs à bande interdite directe, ce qui en fait un excellent choix pour les applications optiques [11, 13, 15-18]. D'autre part, la mise à l'échelle de la taille augmente la bande interdite [15]. Cela peut entraîner un déplacement réussi des spectres d'absorption vers de courtes longueurs d'onde [11, 18]. Avec la diminution de la taille, les limitations concernant le courant et la tension doivent également être prises en compte. Pour les appareils fonctionnant à des niveaux de signal faibles, le bruit interne joue un rôle crucial [4, 19, 20, 21]. Il détermine l'un des paramètres les plus importants des capteurs :le rapport signal/bruit (SNR). Comme cela est montré pour les capteurs SiNW à double porte, la sensibilité du pH augmente avec la tension de porte du liquide et le SNR a une valeur plus élevée (~ 10 ⁵ ) [11, 18]. L'approche nanoruban ouvre la voie à la fabrication CMOS à grande échelle de puces biomoléculaires hautement sensibles pour une utilisation potentielle en médecine et en biotechnologie [22].

Des recherches de pointe sur les matériaux à l'échelle nanométrique ont révélé que les propriétés électroniques, magnétiques, thermiques et optiques peuvent différer considérablement lorsque leurs formes unidimensionnelles sont synthétisées. Les nanofils obtenus en utilisant des cristaux lamellaires d'un seul ou de quelques atomes d'épaisseur sont de nouvelles formes de matériaux nanométriques unidimensionnels et sont des systèmes idéaux pour étudier la dépendance de la taille des propriétés fondamentales.

Une analyse détaillée des dernières réalisations sur les méthodes de synthèse et les études théoriques de NR sont présentées dans [23]. Dans la littérature, la photoconductivité, la sensibilité au pH, le bruit et les effets de longueur de canal dans le même ensemble de matrices NW FET n'ont pas été étudiés en détail. Cependant, la rugosité de surface et la contribution des couches diélectriques peuvent modifier considérablement les propriétés de la structure en fonction de la technologie de fabrication appliquée pour différents ensembles de dispositifs. À cet égard, la compréhension des effets de longueur de canal dans le même ensemble de FET NW est importante pour le développement de dispositifs dotés de fonctionnalités avancées.

Le présent travail est consacré à l'étude des FET à base de nanofils de silicium, y compris la technologie de fabrication d'échantillons et la caractérisation des puces, leurs caractéristiques courant-tension (I-V) d'obscurité et de lumière et leur sensibilité au pH. Les effets de l'influence de la longueur du canal sur les courants source-drain, la sensibilité au pH et le bruit à basse fréquence sont décrits. Nous démontrons que les nanofils de silicium, fabriqués à partir d'une fine couche de silicium sur un substrat de silicium oxydé, peuvent avoir une sensibilité au pH élevée assez proche de la limite de Nernst.

Méthodes/expérimental

Des structures de silicium NW ont été fabriquées à partir de plaquettes de silicium sur isolant (SOI) achetées auprès de SOITEC. Le processus commence à partir de l'oxydation thermique pour former des masques durs en oxyde de silicium de 20 nm d'épaisseur. L'épaisseur de la couche de silicium actif est de 50 nm. Des NW de différentes géométries sont ensuite modelés dans un masque dur en utilisant la lithographie optique et transférés dans SiO₂ couche utilisant une étape de processus de gravure ionique réactive. Le motif est utilisé pour obtenir des nanorubans et des nanofils de silicium en utilisant une gravure chimique humide dans la solution d'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH). La couche diélectrique de grille, qui sert également de protection de canal contre l'environnement liquide, est constituée d'oxyde de silicium de 8 nm d'épaisseur à croissance thermique. Le canal NW était du silicium presque non dopé avec une concentration de trous d'environ 10 ¹⁵ cm ⁻³ . Les contacts de source et de drain étaient fortement dopés pour former de bons contacts ohmiques. Pour la connexion à l'électronique, des contacts en aluminium ont été modelés à l'aide d'un processus de soulèvement. Enfin, les puces ont été passivées avec une couche de polyimide (PI) pour protéger les lignes d'alimentation en métal de l'environnement liquide. La figure 1 montre des images schématiques des échantillons à l'étude dans le mode de fonctionnement du capteur de pH (a) et du mode de fonctionnement du photo-récepteur (b), et l'image SEM du NW étudié est présentée sur la figure 2.

Structures de transistors à effet de champ en nanofil de silicium à l'étude. Représentation schématique des échantillons à l'étude :pH-mode de fonctionnement du capteur (a ) et le mode de fonctionnement du photo-récepteur (b ). Couche de polyimide PI, source S, drain D, grille avant FG (électrode de référence, RE), grille arrière BG

Image SEM de la structure Si NW FET. Image typique de micrographie électronique à balayage (MEB) d'une structure de transistor à effet de champ à nanoruban de silicium fabriqué

Résultats et discussion

Caractéristiques courant-tension et sensibilité au pH

Les figures 3 et 4 montrent les caractéristiques courant-tension source-drain (I-V) des échantillons à l'étude mesurées à des tensions de grille arrière de − 1 et − 5 V, de manière correspondante. Les caractéristiques ont été mesurées dans l'obscurité ainsi que sous des éclairages de puissance spécifique de 0,85 et 1,6 W/cm ² à température ambiante. L'excitation lumineuse est réalisée à l'aide de lampes à incandescence situées à une distance de 15 cm du capteur. Les dépendances I-V démontrent un comportement typique qui est similaire aux FET métal-oxyde-semi-conducteur (MOSFET) [24] puisque les échantillons à l'étude ont des dimensions relativement grandes de l × w × t = (2 ÷ 10) × 10 × 0,05 m (l , w , et t sont la longueur, la largeur et l'épaisseur du canal, en conséquence). Les courbes I–V des Figs. 3 et 4 peuvent être décrits comme :

où je _{ds, d} et Je _{ds, ph} sont les composantes de courant source-drain d'obscurité et photo. Le courant d'obscurité peut être décrit par l'expression bien connue des MOSFET pour V _ds ≤ V _gs − V _ème [24] :

Caractéristiques I-V du FET NW, mesurées à l'excitation optique (V _BG = − 1V). Caractéristiques courant-tension de sortie de l'échantillon FET NW de longueur l = 10 m, mesuré dans l'obscurité et à l'excitation par la puissance lumineuse spécifique 0,85 et 1,6 W/cm ² , à T = 300 K et V _BG = − 1 V

Caractéristiques I-V du FET NW, mesurées à l'excitation optique (V _BG = − 5 V). Caractéristiques courant-tension de sortie de l'échantillon FET NW de longueur l = 10 m, mesuré dans l'obscurité et avec excitation par la lumière puissance spécifique 0,85 et 1,6 W/cm ² à T = 300 K et V _BG = − 5 V

Ici, C _bœuf = ε _bœuf /t _bœuf est la capacité de la couche d'oxyde par unité de surface, ε _bœuf et t _bœuf sont la permittivité et l'épaisseur de la couche d'oxyde de grille, μ _n est la mobilité électronique, et V _ds , V _gs , et V _ème sont les tensions source-drain, grille-source et seuil, en conséquence. Le taux de génération de photo-porteurs est égal à ηαN _ph , où N _ph = W /hν est l'intensité de l'irradiation. A faibles niveaux d'injection et durée de vie constante des trous, la concentration de photo-porteurs sera \( \Delta p=\eta \alpha {\tau}_p\frac{W}{h\nu} \) [25]. Les porteurs dérivent à la tension appliquée V _ds . Dans ce cas, le photocourant peut être représenté par :

Ici, A _ch = poids est la section actuelle du canal, e est la charge électronique, ∆p et μ _p sont la concentration et la mobilité des photoporteurs en excès (trous), α le coefficient d'absorption d'éclairage, η le rendement quantique, τ _p la durée de vie du trou, hν l'énergie du photon, et W la puissance spécifique d'éclairage en [W/cm ² ].

Dans l'éq. (3), nous avons supposé que l'intensité du champ électrique est uniformément répartie le long de la longueur du canal et la valeur de A _ch varie légèrement le long du canal en raison de la conductivité élevée du canal. Il est à noter que cette hypothèse est valable dans la partie principale du canal, qui est éloignée des contacts source et drain.

Aux basses tensions V _ds , le courant source-drain I _ds croît approximativement linéairement avec la tension. Avec l'augmentation de la puissance spécifique de la lumière, l'amplitude du I _ds augmente. Les figures 5 et 6 montrent les courbes I-V du dispositif étudié aux différentes tensions de grille avant (V _FG =  − 1 V, − 5 V) mesuré en solution aqueuse à pH = 6,2, 7 et 8,3. Nous pouvons voir que l'augmentation de la valeur du pH entraîne l'augmentation du courant du canal,I _ds . Ceci est en bon accord avec le modèle du contact de la solution avec la surface de la couche d'oxyde, puis sur l'interface oxyde/solution provoqué des groupes hydroxyle SiOH. La concentration et le comportement de ces groupes hydroxyle dépendent de la valeur du pH. Le cas où la surface n'est pas chargée est appelé point de charge nul. Pour le SiO₂ couche diélectrique, le point est atteint à pH = 2,2. Aux valeurs de pH inférieures à 2,2, la surface de l'oxyde est chargée positivement; à des valeurs plus élevées du pH, la surface de l'oxyde est chargée négativement. Dans le cas d'une solution tampon avec pH = 7, la charge superficielle d'oxyde de silicium sera chargée négativement. Par conséquent, au potentiel de grille négatif appliqué, la valeur absolue de la charge négative sur l'oxyde de surface augmente. En conséquence, la concentration de porteurs majoritaires augmente dans le canal de courant (trous dans p-Si) et donc le courant de canal augmente.

Caractéristiques I-V du FET NW, mesurées dans différentes solutions de pH (V _FG = − 1V). Caractéristiques courant-tension de sortie du FET NW avec longueur, l = 10 m, mesuré dans l'obscurité et concentrations pH :6,3, 7, 8,2 à T = 300 K, V_BG = − 5 V, et V _FG = − 1 V

Caractéristiques I-V du FET NW, mesurées dans des solutions de pH (V _FG = − 5 V). Caractéristiques courant-tension de sortie du FET NW avec longueur, l = 10 μm, mesuré dans l'obscurité et pH 6,3, 7, 8,2 à T = 300 K, V _BG = − 5 V, et V _FG = − 5 V

Les figures 5 et 6 montrent les caractéristiques I-V des structures Si NW fonctionnant en mode de détection biochimique. Les mesures ont été effectuées quatre fois pour chaque valeur de pH. La répétabilité était de moins de 7%. Dans [26], la sensibilité au pH des capteurs biochimiques a été introduite comme

Ici, ∆Je _ds et ∆pH sont les changements élémentaires de I _ds et pH. Notez que la sensibilité au pH est la valeur mesurable. Dans le milieu de solution avec la valeur de pH augmentée, le courant source-drain augmente. Cela permet l'enregistrement de la variation de pH dans n'importe quel bioliquide (dans la plage de solution pertinente pour les solutions physiologiques) avec une grande précision. Par exemple, pour V _BG =  − 5 V au V _ds = 5 V, la sensibilité est égale à R _pH 56,4 mV/pH. Au V _BG =  − 5 V, la sensibilité au pH augmente jusqu'à 59,3 mV/pH et approche la limite de Nernst à 59,5 mV/pH [24]. La sensibilité au pH augmente avec l'augmentation de la tension de la grille arrière. Par exemple à partir des Fig. 5 et 6 à V _ds = 8 V, nous avons obtenu le rapport \( {\left({R}_{\mathrm{pH}}\right)}_{V_{\mathrm{BG}}=-5\ \mathrm{V}}/ {(R)}_{V_{BG}=-1\ \mathrm{V}}\approx 5.17 \), c'est-à-dire une sensibilité environ cinq fois améliorée.

Spectres de bruit basse fréquence et caractéristiques causés par l'irradiation et les changements de pH

Les spectres de bruit des structures Si NW ont été mesurés à courant constant en mode ohmique. La figure 7 montre la densité spectrale de puissance de bruit du courant de drain mesurée dans des conditions sombres ainsi que sous irradiation avec une tension de grille arrière appliquée de V _BG =  − 1 V à I _ds = 0.1 A. Les spectres de bruit, mesurés dans l'obscurité, démontrent 1/f ^γ comportement au bruit avec un paramètre de bruit égal à γ =1. Le niveau de bruit basse fréquence (LF) augmente avec l'augmentation de l'intensité de l'irradiation lumineuse. L'augmentation de l'intensité d'éclairage entraîne une augmentation de la concentration du porteur principal. Cela provoque à son tour la croissance des fluctuations de mobilité dans le canal en raison de l'augmentation des taux d'interaction et de diffusion résultant de la diffusion, d'une part entre les porteurs et d'autre part entre les porteurs et les phonons acoustiques, ainsi que sur différents pièges à impuretés [27].

Spectres de bruit de NW FET, mesurés à l'excitation optique. Dépendance spectrale du bruit LF, mesurée pour l'échantillon NW FET avec l = 10 m sous illuminations :0.85 W/cm ² , 1,6 W/cm ² , et dans l'obscurité ; V _BG = − 1 V, T = 300 K

Étant donné que les mesures de bruit ont été effectuées à courant constant en mode ohmique, la résistance du canal change linéairement avec la tension appliquée V _ds . Comme on le sait, la densité spectrale de bruit 1/f S _V est proportionnel à la tension en puissance 2 :

Ici, α _H est le paramètre Hooge, R _ch est la résistance actuelle du canal ; Ω = A _ch l est le volume de la chaîne actuelle ; ρ est la résistance spécifique du canal. La diminution de la résistance du canal entraîne une croissance de la densité spectrale de bruit. À l'excitation lumineuse d'un échantillon de nanofil FET avec une puissance W , nous avons :

Ici, p _d est la concentration de trous dans l'obscurité et σ est la conductivité spécifique. Le niveau de bruit augmente proportionnellement à l'intensité de l'éclairage.

Nous calculons les valeurs du paramètre de bruit γ , en utilisant les courbes présentées dans la Fig. 7. Les paramètres suivants sont obtenus pour des échantillons, mesurés dans l'obscurité et à une excitation lumineuse de différentes puissances :

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

Sous irradiation, la valeur du paramètre de bruit γ diminue. Cela peut s'expliquer comme suit. Avec l'augmentation de la puissance lumineuse, la conductivité du canal de courant augmente. En conséquence, la durée de vie effective des porteurs minoritaires τ _ef monte et atteint des valeurs τ _ef (10 ⁻³ ÷ 10 ⁻² ) s. Une fois les paires électron-trou générées par absorption dans le silicium, plusieurs mécanismes de recombinaison sont à considérer. Ces processus se déroulent en parallèle et le taux de recombinaison est la somme des taux correspondant au processus individuel. Différentes durées de vie sont associées à différents mécanismes de recombinaison. La durée de vie effective du support doit être déterminée par la surface du support, son rayonnement, son volume (en vrac) et les durées de vie de recombinaison Auger. Il est connu que la durée de vie radiative est inversement proportionnelle à la densité de porteurs, et la durée de vie Auger est inversement proportionnelle à la densité de porteurs au carré [28]. La durée de vie de la recombinaison globale est déterminée par le mécanisme de recombinaison Shockley-Read-Hall. Elle est constante pour les faibles densités de porteurs, et elle augmente pour les fortes injections [29,30,31]. Il est connu que la durée de vie de recombinaison surfacique est proportionnelle au taux de recombinaison surfacique et inversement proportionnelle à l'épaisseur de l'échantillon [29, 32, 33].

Le comportement de la durée de vie effective sera complexe, en fonction de la densité du porteur hors équilibre et des mécanismes de recombinaison. À mesure que la densité de porteurs augmente, la durée de vie effective peut être constante ou décroissante [29]. Dans les nanofils à rapport surface/volume élevé, les états d'interface de surface jouent un rôle plus important et leur contribution domine. De plus, il peut surpasser d'autres types de recombinaison. D'autre part, au niveau modéré de la densité du support, la durée de vie de la recombinaison en vrac peut également augmenter. Pour notre cas de support de silicium NW, la durée de vie effective est déterminée essentiellement par la recombinaison de surface et de volume et augmente avec la croissance de la densité du support.

Comme on le sait, le bruit de génération-recombinaison (g-r) a la forme lorentzienne [19, 34] :

Ici, f est la fréquence. Il est clair que la section du plateau en dépendance S _{V , g − r} (f ) est déterminé par la condition

où f _c est la fréquence caractéristique. Il est à noter qu'avec l'augmentation de la durée de vie des électrons la valeur de la fréquence de coupure f _c diminue. La fréquence caractéristique du bruit g-r se déplace vers la région des basses fréquences. Depuis la conductivité σ et à vie τ _n augmente avec l'augmentation de la puissance d'éclairage, le f _c diminue avec l'augmentation de W , en conséquence :

Les processus g-r conduisent au filtrage de la composante 1/f-bruit sous le plateau de bruit g-r. Le fait explique la diminution de la valeur du paramètre de bruit γ avec une puissance d'éclairage croissante.

La figure 8 illustre la dépendance spectrale du spectre de puissance de bruit LF de l'échantillon Si NW FET, mesuré au V _FG =  − 1 V, I _ds = 0,1 A en solution aux différentes valeurs de pH :6,3, 7,0 et 8,2. Le paramètre de bruit diminue avec l'augmentation de la valeur du pH :γ (pH = 6,3) ≈ 1,0; γ (pH = 7,0) ≈ 0,5; γ (pH = 8,2) ≈ 0,4. Les pentes ont été calculées dans la plage de 10 à 500 Hz. Le niveau de bruit LF augmente et sa pente diminue avec l'augmentation de la valeur du pH. L'augmentation de la valeur du pH entraîne une diminution de la résistance du canal, qui est causée par l'accumulation de charges négatives à l'interface semi-conducteur-oxyde. Diminution de la pente du S _V (f ) la dépendance avec l'augmentation du pH peut être expliquée en tenant compte de l'effet de l'augmentation de la conductivité du canal.

Spectres de bruit de NW FET, mesurés dans différentes solutions de pH. Dépendance spectrale du bruit LF pour NW avec la longueur, l = 10 m, mesuré à T = 300 K et plusieurs valeurs de pH :6,3, 7,0 et 8,2 à V _BG = − 5 V, V _FG = − 1 V

Effets de la longueur du canal

Dans cette section, nous présentons les résultats de l'influence de la longueur du canal de courant sur les mécanismes de transport, la sensibilité au pH, et aussi sur le comportement du bruit LF des capteurs basés sur Si NW. L'amplitude du courant est inversement proportionnelle à la longueur du canal de courant, ce qui justifie l'application de l'approximation de la dérive pour le mécanisme de transport, ainsi que l'hypothèse d'une distribution uniforme de l'intensité du champ électrique le long de la longueur du canal de courant ( 9). L'influence de l'excitation lumineuse conduit à une augmentation de l'amplitude du courant source-drain. La sensibilité au pH augmente avec la longueur du canal actuel et tend vers la limite de Nernst de 59,5 mV/pH (Fig. 10), ce qui est en bon accord avec les valeurs obtenues pour les capteurs de taille microscopique [27]. Nos résultats soutiennent également les observations du comportement de sensibilité au pH obtenu pour des échantillons NW avec différentes géométries [6]. L'effet de longueur étudié systématiquement dans notre travail peut s'expliquer comme suit. Depuis la longueur du canal l diminue, la surface de la surface sensible au pH diminue, et par conséquent le nombre de H ⁺ mesurables ions dans la solution aqueuse diminue. Selon l'éq. (2), l'actuel I _ds augmente avec la diminution de l , ce qui conduit à une diminution de la résistance du canal de courant à tension constante V _ds . Comme la résistance du canal R _ch diminue, sa modulation est entravée sous l'influence du H ⁺ ions; par conséquent, la sensibilité au pH diminue.

Courant de canal du FET NW en fonction de la longueur. Tracé du courant du canal en fonction de la longueur du canal. V _BG = − 5 V, V _ds = − 5 V, R _ch = 1,26 MΩ

Sensibilité au pH en fonction de la longueur du canal. Graphique de la sensibilité au pH en fonction de la longueur du canal. V _FG = − 10 V, V _BG = − 5 V, V _ds = − 5 V, R _ch = 1,26 MΩ

La figure 11 illustre la dépendance de la densité spectrale de bruit LF sur la longueur du canal actuel.

Densité spectrale de bruit par rapport à la longueur actuelle du canal. Tracé de la densité spectrale de bruit en fonction de la longueur actuelle du canal. Pour les mesures de pH V _FG = − 10 V

Ces courbes sont tracées en utilisant les dépendances spectrales du bruit LF mesuré pour des Si NW de différentes longueurs dans l'obscurité, sous un éclairage avec une intensité de 0,85 V/cm ² , et dans une solution aqueuse avec un pH =7. La valeur calculée de la pente des courbes parallèles (Fig. 10) est égale à log(500/10) 2,7. Cette valeur est proche de la valeur (égale à 3) obtenue théoriquement à l'aide des Eqs. (6) et (7), S _V ∝ l ⁻³ avec une erreur d'environ 10 %. Les résultats démontrent que théoriquement prédit S_V (l ) les dépendances sont en bon accord avec les caractéristiques mesurées compte tenu d'un niveau de bruit thermique relativement élevé. Selon l'éq. (6), mise à l'échelle de la longueur du canal l vers le bas entraîne une diminution de la résistance et une augmentation du courant, ce qui correspond à une augmentation des porteurs de charge dans le canal. This, in turn, results in increased interaction of charge carriers with traps on the interface between silicon and dielectric layer. Thus, the noise level increases, which is also confirmed by experimental dependences (see Fig. 11).

The non-Nernstian pH-response of 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.

Conclusions

Silicon nanowire FET biochemical sensors of various lengths were fabricated. The static dark and light-illuminated I–V curves as well as the behavior of these sensors in an aqueous solution with different values of pH are investigated. The static dark I–V dependencies demonstrate FET behavior. With increasing light intensity, the source-drain current grows because of the increase in the conduction of the current channel. The pH sensitivity increases with the increasing of the back-gate voltage and approaches to 59.5 mV/pH. The magnitude of the channel current is approximately inversely proportional to the length of the current channel and the pH sensitivity increases with increase of channel length approaching to the Nernst limit value, indicating that larger area devices are more suitable for the pH sensing.

The spectral density of the LF noise increases both under the action of the pH solution and the illumination, and in both cases, the frequency dependence of the noise is weakened and the value of the noise parameter γ decreases. With increasing of the pH value and illumination power, the 1/f-noise is screened by the g-r plateau. The characteristic frequency of the g-r noise component decreases with increasing illumination power. LF noise level increases and its slope decreases with increase of the pH value. It is shown that the measured value of the slope of noise spectral density dependence on the current channel length is 2.7 that is close to the theoretically predictable value 3 within 10% error.

Abréviations

FETs:

Field-effect transistors

LF:

Low-frequency

NWs:

Nanowires

TMAH:

Tetramethylammonium hydroxide