Optimisation des capteurs FET à nanofils de Si : photoconductivité, sensibilité au pH, bruit et effets de la longueur de canal

Résumé

Des capteurs à transistor à effet de champ (FET) à nanofils (NW) de silicium de diverses longueurs ont été fabriqués. Les propriétés de transport des capteurs FET à NW de Si ont été investiguées impliquant la spectroscopie de bruit et la caractérisation courant-tension (I-V). Les dépendances I-V statiques démontrent la haute qualité des FET de silicium fabriqués sans courant de fuite. Les propriétés de transport et de bruit des structures FET NW ont été investiguées sous différentes conditions d'illumination lumineuse, ainsi qu'en configuration capteur dans une solution aqueuse avec différentes valeurs de pH. De plus, nous avons étudié les effets de la longueur de canal sur la photoconductivité, le bruit et la sensibilité au pH. L'amplitude du courant de canal est approximativement inversement proportionnelle à la longueur du canal de courant, et la sensibilité au pH augmente avec l'augmentation de la longueur de canal approchant la valeur limite de Nernst de 59,5 mV/pH. Nous démontrons que le bruit 1/f dominant peut être écranté par le plateau de génération-récombinaison à certains pH de la solution ou excitation optique externe. La fréquence caractéristique de la composante de bruit génération-récombinaison diminue avec l'augmentation de la puissance d'illumination. De plus, il est montré que la valeur mesurée de la pente de la dépendance de la densité spectrale de bruit 1/f sur la longueur du canal de courant est 2,7 ce qui est proche de la valeur théoriquement prédite de 3.

Contexte

Au cours de la dernière décennie, les structures de silicium à l'échelle nanométrique ont fait l'objet d'études intensives [1] en raison de leurs propriétés électriques, optiques, chimiques, thermiques et mécaniques prometteuses. Comparées 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'échantillon avec de faibles concentrations d'analytes. 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 massifs de silicium est faible. De bonnes propriétés de détection de pH des nanofils (NW) de Si, avec une sensibilité de 58,3 mV/pH, ont été observées. Par exemple, dans le domaine du diagnostic médical, les structures à l'échelle nanométrique visant l'utilisation de nanostructures de faible dimensionnalité telles que nanotubes de carbone, nanofils métalliques ou semi-conducteurs, ou nanorubans (NR) de taille atomique peuvent être implémentées pour une variété d'applications [5]. Parmi les structures mentionnées, les structures FET de NR et NW de silicium ouvrent des perspectives pour la détection sans étiquette, en temps réel et 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 montré que le nouveau capteur avec NR de référence intégré peut être utilisé pour la surveillance d'erreur en temps réel pendant la détection de pH [6]. De nouvelles caractéristiques et fonctions sont continuellement ajoutées aux dispositifs électroniques, tels que les systèmes mobiles de surveillance de santé et les dispositifs portables. Malgré le succès de tels systèmes de surveillance de santé personnelle [7], la prochaine génération de dispositifs portables devrait inclure aussi un « lab-on-a-chip » portable — ensemble de biosenseurs médicaux qui peuvent être utilisés pour la détection et le diagnostic de diverses substances médicales [8, 9]. Afin de pouvoir surveiller et détecter les stades précoces de la maladie dans le cas idéal au niveau de molécule unique, la taille du transducteur de capteur doit être comparable avec les marqueurs biologiques sous test. Par conséquent, les biosenseurs basés sur NW et NR doivent être développés pour la surveillance d'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 les nanostructures peut être utilisée pour de futures applications de dispositifs optiques. Les diamètres sous-longueur d'onde et les effets de proximité peuvent mener à des propriétés optiques avancées telle que faible réflectance et donc haute absorption. Les résultats d'investigation de l'absorption optique de NW de Si ont démontré des effets forts dépendants de la taille [10–12]. Les études de l'absorption optique à large bande ont montré une absorption optique totale accrue pour les échantillons de NW de Si [13]. Les NW de Si mènent à une réduction significative de la réflectance comparé aux films de silicium massifs [13, 14]. L'absorption optique augmente tandis que la longueur d'onde diminue. Il doit être noté que, contrairement au matériau massif, les structures de Si à l'échelle nanométrique 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'un autre côté, la mise à l'échelle de la taille augmente la bande interdite [15]. Cela peut résulter en un décalage réussi des spectres d'absorption vers les courtes longueurs d'onde [11, 18]. Avec la diminution de la taille, les limitations concernant le courant et la tension doivent être aussi considérées. Pour les dispositifs opérant à de faibles niveaux de signal, le bruit interne joue un rôle crucial [4, 19,20,21]. Il détermine l'un des paramètres les plus importants des capteurs — rapport signal/bruit (SNR). Comme il est montré pour les capteurs SiNW à double grille, la sensibilité au pH augmente avec la tension de grille liquide et le SNR a une valeur plus élevée (~ 10⁵) [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 biotechnologie [22].

La recherche de pointe sur les matériaux à l'échelle nanométrique a révélé que les propriétés électroniques, magnétiques, thermiques et optiques peuvent différer dramatiquement quand leurs formes unidimensionnelles sont synthétisées. Les nanofils obtenus en utilisant des cristaux lamellaires mono- ou quelques-atomes d'épaisseur sont de nouvelles formes de matériaux nanométriques unidimensionnels et sont des systèmes idéaux pour l'investigation de la dépendance de la taille des propriétés fondamentales.

Une analyse détaillée des dernières réalisations sur les méthodes de synthèse et 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 réseaux FET NW n'ont pas été étudiés en détail. Cependant, la rugosité de surface et la contribution des couches diélectriques peuvent considérablement changer les propriétés de structure selon la technologie de fabrication appliquée pour différents ensembles de dispositifs. À cet égard, comprendre les effets de longueur de canal dans le même ensemble de FET NW est important pour le développement de dispositifs avec fonctionnalité avancée.

Le présent travail est consacré à l'étude de FET basés sur nanofils de silicium, incluant la technologie de fabrication d'échantillons, et la caractérisation de puce, leurs caractéristiques courant-tension (I-V) sombres et lumineuses et sensibilité au pH. Les effets de l'influence de la longueur de canal sur les courants source-drain, la sensibilité au pH, et le bruit de basse fréquence sont décrits. Nous démontrons que les nanofils de silicium, fabriqués sur la base d'une couche mince de silicium sur un substrat de silicium oxydé, peuvent avoir une haute sensibilité au pH assez proche de la limite de Nernst.

Méthodes/expérimental

Les structures NW de silicium ont été fabriquées sur la base de wafers silicium-sur-isolant (SOI) achetés chez SOITEC. Le processus commence par l'oxydation thermique pour former des masques durs d'oxyde de silicium de 20 nm d'épaisseur. L'épaisseur de la couche active de silicium est 50 nm. Des NW de diverses géométries sont ensuite 패턴nés dans le masque dur en utilisant la lithographie optique et transférés dans la couche SiO₂ en utilisant une étape de gravure ionique réactive. Le pattern est utilisé pour obtenir des nanorubans et nanofils de silicium par gravure chimique humide dans une solution d'hydroxyde de tétraéthylammonium (TMAH). La couche diélectrique de grille, qui sert aussi de protection du canal de l'environnement liquide, est thermiquement cultivée d'oxyde de silicium de 8 nm d'épaisseur. Le canal NW était du silicium presque non dopé avec une concentration de trous d'environ 10¹⁵ cm⁻³. Les contacts source et drain étaient hautement dopés pour former de bons contacts ohmiques. Pour la connexion à l'électronique, des contacts en aluminium étaient 패턴nés en utilisant un processus lift-off. Finalement, les puces étaient passivées avec une couche de polyimide (PI) pour protéger les lignes d'alimentation métalliques de l'environnement liquide. La Figure 1 montre des images schématiques des échantillons sous étude en mode de fonctionnement capteur pH (a) et mode photo-récepteur (b), et l'image MEB de NW investigué est présentée en Fig. 2.

Structures de transistor à effet de champ à nanofils de Si sous étude. Image schématique des échantillons sous étude : mode capteur pH (a) et mode photo-récepteur (b). PI couche polyimide, S source, D drain, FG grille avant (électrode de référence, RE), BG grille arrière

Image MEB de structure FET à NW de Si. Image typique de microscopie électronique à balayage (MEB) de structure FET à nanoruban de Si fabriquée

Résultats et Discussion

Caractéristiques courant-tension et sensibilité au pH

Les Figures 3 et 4 montrent les caractéristiques courant-tension (I-V) source-drain des échantillons sous étude mesurées à des tensions de grille arrière de -1 et -5 V, respectivement. Les caractéristiques étaient mesurées dans conditions sombres ainsi que sous illuminations de puissance spécifique de 0,85 et 1,6 W/cm² à température ambiante. L'excitation lumineuse est effectuée en utilisant des 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 à semi-conducteur métal-oxyde (MOSFET) [24] puisque les échantillons sous investigation ont des dimensions relativement grandes de l × w × t = (2 ÷ 10) × 10 × 0,05 µm (l, w, et t sont la longueur, largeur et épaisseur du canal, respectivement). Les courbes I-V dans Figs. 3 et 4 peuvent être décrites comme :

où I_{ds, d} et I_{ds, ph} sont les composantes de courant source-drain sombres et photo. Le courant sombre peut être décrit par l'expression bien connue pour MOSFETs pour V_ds ≤ V_gs − V_th [24] :

Caractéristiques I-V de FET NW, mesurées à excitation optique (V_BG = -1 V). Caractéristiques courant-tension de sortie d'échantillon FET NW avec longueur l = 10 µm, mesurées dans le noir et à excitation par puissance spécifique lumineuse 0,85 et 1,6 W/cm², à T = 300 K et V_BG = -1 V

Caractéristiques I-V de FET NW, mesurées à excitation optique (V_BG = -5 V). Caractéristiques courant-tension de sortie d'échantillon FET NW avec longueur l = 10 µm, mesurées dans le noir et avec excitation par puissance spécifique lumineuse 0,85 et 1,6 W/cm² à T = 300 K et V_BG = -5 V

Ici, C_ox = ε_ox/t_ox est la capacitance de la couche d'oxyde par unité de surface, ε_ox et t_ox 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_th sont les tensions source-drain, grille-source et de seuil, respectivement. Le taux de génération de photo-porteurs est égal à ηαN_ph, où N_ph = W/hν est l'intensité d'irradiation. À de 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 comme :

Ici, A_ch = wt est la surface de section transversale du canal de courant, e est la charge électronique, ∆p et μ_p sont la concentration et la mobilité des photo-porteurs en excès (trous), α le coefficient d'absorption d'illumination, η le rendement quantique, τ_p la durée de vie des trous, hν l'énergie du photon, et W la puissance spécifique d'illumination en [W/cm²].

Dans l'Éq. (3), nous avons assumé que la force du champ électrique est uniformément distribuée le long de la longueur du canal et la valeur de A_ch varie légèrement le long de la longueur du canal due à la haute conductivité du canal. Il doit être noté que cette assumption est valide dans la partie principale du canal, qui est loin des contacts source et drain.

À de basses tensions V_ds, le courant source-drain I_ds croît approximativement linéairement avec la tension. Avec l'augmentation de la puissance spécifique lumineuse, l'amplitude du I_ds augmente. Les Figures 5 et 6 montrent les courbes I-V du dispositif investigué aux plusieurs tensions de grille avant (V_FG = -1 V, -5 V) mesurées dans une solution aqueuse avec pH = 6,2, 7 et 8,3. Nous pouvons voir qu'augmenter la valeur du pH résulte en l'augmentation du courant de 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 causée par les groupes hydroxyles SiOH. La concentration et le comportement de ces groupes hydroxyles dépendent de la valeur du pH. Le cas où la surface n'est pas chargée est appelé point de charge nulle. Pour la couche diélectrique SiO₂, le point est atteint à pH = 2,2. Aux valeurs de pH inférieures à 2,2, la surface d'oxyde est chargée positivement ; à des valeurs plus hautes du pH, la surface d'oxyde est chargée négativement. Dans le cas de solution tampon avec pH = 7, la surface d'oxyde de silicium sera chargée négativement. Par conséquent, au potentiel de grille négatif appliqué, la valeur absolue de la charge négative sur la surface d'oxyde augmente. Comme résultat, la concentration de porteurs majoritaires augmente dans le canal de courant (trous dans p-Si) et ainsi le courant de canal augmente.

Caractéristiques I-V de FET NW, mesurées dans différentes solutions pH (V_FG = -1 V). Caractéristiques courant-tension de sortie de FET NW avec longueur, l = 10 µm, mesurées dans le noir et concentrations pH : 6,3, 7, 8,2 à T = 300 K, V_BG = -5 V, et V_FG = -1 V

Caractéristiques I-V de FET NW, mesurées dans solutions pH (V_FG = -5 V). Caractéristiques courant-tension de sortie de FET NW avec longueur, l = 10 µm, mesurées dans le noir et concentrations 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 détection biochimique. Les mesures étaient effectuées quatre fois pour chaque valeur de pH. La répétabilité était dans 7%. Dans [26], la sensibilité au pH des capteurs biochimiques était introduite comme

Ici, ∆I_ds et ∆pH sont les changements élémentaires en 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 quels bioliquides (dans la gamme de solution pertinente aux solutions physiologiques) avec une haute 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 grandit jusqu'à 59,3 mV/pH et approche la limite de Nernst 59,5 mV/pH [24]. La sensibilité au pH croît avec l'augmentation de la tension de grille arrière. Par exemple des Figs. 5 et 6 au V_ds = 8 V, nous avons obtenu le ratio (R_pH)_V_BG=-5 V / (R)_V_BG=-1 V ≈ 5,17, c'est-à-dire environ cinq fois sensibilité améliorée.

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

Les spectres de bruit de structures Si NW étaient mesurés au courant constant en mode ohmique. La Figure 7 montre la densité spectrale de puissance de bruit de courant de drain mesurée dans conditions sombres ainsi que sous irradiation avec tension de grille arrière appliquée de V_BG = -1 V à I_ds = 0,1 µA. Les spectres de bruit, mesurés dans le noir, démontrent un comportement de bruit 1/f^γ avec paramètre de bruit égal à γ = 1. Le niveau de bruit de basse fréquence (LF) augmente avec l'augmentation de l'intensité d'irradiation lumineuse. L'augmentation de l'intensité d'illumination résulte dans la croissance de la concentration des porteurs majoritaires. Ceci cause à son tour la croissance des fluctuations de mobilité dans le canal à cause des taux d'interaction et de diffusion augmentés comme résultat de la diffusion, premièrement entre porteurs, et deuxièmement entre les porteurs et phonons acoustiques, ainsi que sur différents pièges d'impuretés [27].

Spectres de bruit de FET NW, mesurés à excitation optique. Dépendance spectrale de bruit LF, mesurée pour échantillon FET NW avec l = 10 µm sous illuminations : 0,85 W/cm², 1,6 W/cm², et dans le noir ; V_BG = -1 V, T = 300 K

Puisque les mesures de bruit étaient effectuées au courant constant en mode ohmique, la résistance du canal change linéairement avec la tension appliquée V_ds. Comme il est connu, la densité spectrale de bruit 1/f S_V est proportionnelle à la tension en puissance 2 :

Ici, α_H est le paramètre de Hooge, R_ch est la résistance du canal de courant ; Ω = A_chl est le volume du canal de courant ; ρ est la résistance spécifique du canal. La diminution de la résistance du canal mène à la croissance de la densité spectrale de bruit. À l'excitation lumineuse de l'échantillon FET nanofil avec puissance W, nous avons :

Ici, p_d est la concentration de trous dans conditions sombres et σ est la conductivité spécifique. Le niveau de bruit augmente proportionnellement à l'intensité de l'illumination.

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

γ(sombre) ≈ 1,0, γ(0,85 W/cm²) ≈ 0,5, et γ(1,6 W/cm²) ≈ 0,2.

Sous irradiation, la valeur du paramètre de bruit γ diminue. Ceci peut être expliqué comme suit. Avec l'augmentation de la puissance lumineuse, la conductivité du canal de courant augmente. Comme résultat, la durée de vie effective des porteurs minoritaires τ_ef augmente et atteint des valeurs τ_ef ≥ (10⁻³ ÷ 10⁻²) s. Une fois que les paires électron-trou sont générées par absorption dans le silicium, plusieurs mécanismes de recombinaison doivent être considérés. Ces processus se produisent en parallèle, et le taux de recombinaison est la somme des taux correspondant aux processus individuels. Diverses durées de vie sont associées avec différents mécanismes de recombinaison. La durée de vie effective du porteur doit être déterminée par les durées de vie de recombinaison de surface, radiative, volumique (bulk), et 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 au carré de la densité de porteurs [28]. La durée de vie de recombinaison bulk est déterminée par le mécanisme de recombinaison Shockley-Read-Hall. Elle est constante pour de faibles densités de porteurs, et elle augmente pour niveau d'injection élevé [29,30,31]. Il est connu que la durée de vie de recombinaison de surface est proportionnelle au taux de recombinaison de surface et inversement proportionnelle à l'épaisseur de l'échantillon [29, 32, 33].

Le comportement de la durée de vie effective sera complexe, dépendant de la densité de porteurs hors équilibre et mécanismes de recombinaison. Comme la densité de porteurs augmente, la durée de vie effective peut être soit constante soit fonction décroissante [29]. Dans les nanofils à haut rapport surface/volume, les états d'interface de surface jouent un rôle plus important et leur contribution domine. En outre, elle peut surpasser d'autres types de recombinaison. D'un autre côté, au niveau modéré de densité de porteurs, la durée de vie de recombinaison bulk peut aussi augmenter. Pour notre cas de porteurs de NW de silicium, la durée de vie effective est déterminée basically par la recombinaison de surface et bulk et augmente avec la croissance de la densité de porteurs.

Comme il est connu, le bruit génération-récombinaison (g-r) a la forme de Lorentz [19, 34] :

Ici, f est la fréquence. Il est clair que la section du plateau sur la dépendance S_V,g-r(f) est déterminée par la condition

où f_c est la fréquence caractéristique. Il doit être noté 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 de basse fréquence. Puisque la conductivité σ et la durée de vie τ_n augmentent avec l'augmentation de la puissance d'illumination, f_c diminue avec l'augmentation de W, correspondamment :

Les processus g-r mènent à l'écrantage de la composante de bruit 1/f sous le plateau de bruit g-r. Ce fait explique la diminution de la valeur du paramètre de bruit γ avec l'augmentation de la puissance d'illumination.

La Figure 8 illustre la dépendance spectrale du spectre de puissance de bruit LF de l'échantillon FET NW de Si, mesuré au V_FG = -1 V, I_ds = 0,1 µA en solution aux plusieurs 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 étaient calculées dans la gamme 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 mène à une diminution de la résistance du canal, qui est causée par l'accumulation de charges négatives à l'interface semi-conducteur-oxyde. La diminution de la pente de la dépendance S_V(f) 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 FET NW, mesurés dans différentes solutions pH. Dépendance spectrale de bruit LF pour NW avec longueur, l = 10 µm, mesurée à T = 300 K et plusieurs valeurs pH : 6,3, 7,0 et 8,2 à V_BG = -5 V, V_FG = -1 V

Effets de la longueur de 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 de bruit LF des capteurs basés sur NW de Si. L'amplitude du courant est inversement proportionnelle à la longueur du canal de courant, ce qui justifie l'application de l'approximation de dérive pour le mécanisme de transport, ainsi que l'assumption d'une distribution uniforme de la force du champ électrique le long de la longueur du canal de courant (Fig. 9). L'influence de l'excitation lumineuse mène à une augmentation de l'amplitude du courant source-drain. La sensibilité au pH augmente avec la longueur du canal de courant 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 des capteurs de taille micro [27]. Nos résultats supportent aussi les observations du comportement de sensibilité au pH obtenues pour des échantillons NW avec différentes géométries [6]. L'effet de longueur étudié systématiquement dans notre travail peut être expliqué comme suit. Puisque la longueur du canal l diminue, la surface de la surface sensible au pH diminue, et par conséquent le nombre d'ions H⁺ mesurables dans la solution aqueuse diminue. Selon l'Éq. (2), le courant I_ds augmente avec la diminution de l, ce qui mène 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 des ions H⁺ ; donc, la sensibilité au pH diminue.

Courant de canal de FET NW vs longueur. Graphique du courant de canal en fonction de la longueur du canal. V_BG = -5 V, V_ds = -5 V, R_ch = 1,26 MΩ

Sensibilité pH vs longueur de canal. Graphique de la sensibilité 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 de courant.

Densité spectrale de bruit vs longueur de canal de courant. Graphique de la densité spectrale de bruit en fonction de la longueur du canal de courant. Pour mesures pH V_FG = -10 V

Ces courbes sont tracées en utilisant les dépendances spectrales du bruit LF mesurées pour des NW de Si avec différentes longueurs dans conditions sombres, sous illumination avec une intensité de 0,85 V/cm², 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 en utilisant les Éqs. (6) et (7), S_V ∝ l⁻³ avec erreur environ 10%. Les résultats démontrent que les dépendances S_V(l) théoriquement prédites sont en bon accord avec les caractéristiques mesurées en tenant compte du niveau relativement haut de bruit thermique. Selon l'Éq. (6), la mise à l'échelle de la longueur du canal l vers le bas mène à la diminution de la résistance et l'augmentation du courant, ce qui correspond à l'augmentation des porteurs de charge dans le canal. Ceci, à son tour, résulte en interaction accrue des porteurs de charge avec les pièges sur l'interface entre silicium et couche diélectrique. Ainsi, le niveau de bruit augmente, ce qui est aussi confirmé par les dépendances expérimentales (voir Fig. 11).

La réponse pH non-nernstienne des capteurs basés sur FET à grille SiO₂ a été un sujet majeur depuis l'introduction du concept de FET sensible aux ions (ISFET). La sensibilité du capteur FET NR de Si aux changements de pH peut être quantifiée en mesurant le décalage de la tension de seuil du dispositif et est définie par l'équation de Nernst [35] :

\( \frac{\delta {\Psi}_0}{\delta \mathrm{pH}}=-2,3\frac{kT}{q}\alpha \le 59\ \frac{mV}{\mathrm{pH}} \),

où δΨ₀ est le potentiel à la surface. Le paramètre adimensionnel a qui dépend de la capacité tampon intrinsèque de la surface d'oxyde et la capacitance différentielle de double couche peut être une valeur entre 0 et 1.

Les changements dans le pH de la solution induisent des variations dans la densité de charge de surface et le potentiel de surface. Cela mène à un changement dans la conductance du canal NR. En général, la sensibilité est définie comme la plus grande réponse de sortie possible à un certain événement biologique. La sensibilité au pH des BioFETs provient des réactions acide/base à l'interface oxyde/électrolyte et la réponse pH maximale atteignable par un ISFET conventionnel est la limite de Nernst de 59 mV/pH. Au fil des ans, il y a eu de nombreux rapports [36,37,38,39,40,41,42,45] sur des dispositifs avec réponse quasi-nernstienne. La haute sensibilité a été atteinte soit par optimisation des caractéristiques de transfert intrinsèques du dispositif (tel que l'abaissement du swing de sous-seuil ou par accord du potentiel de grille) soit par modifications chimiques de surface. La diminution de l'épaisseur de silicium mène à une sensibilité de charge de surface plus élevée [45]. Dans [6], il est montré qu'à une épaisseur optimale de 30 nm la sensibilité atteint la valeur maximale, et pour une couche de dispositif plus épaisse la réponse pH diminue et la plus grande réponse est obtenue du FET NR le plus large avec la plus grande surface. La plateforme la plus populaire pour la modification chimique de la surface SiO₂ est la chimisorption de monocouches auto-assemblées de quelques nanomètres d'épaisseur [46], non seulement pour améliorer la sensibilité au pH des nanosenseurs à grille Si/SiO₂ [47], mais aussi parce que les biomolécules telles que protéines [48] ou ADN [49], qui peuvent être couplées à l'autre extrémité fonctionnelle de certaines monocouches. Les auteurs de la Réf. [50] ont discuté les résultats concernant la fonctionnalisation et modification de capteurs FET NW de Si.

Conclusions

Des capteurs biochimiques FET à nanofils de silicium de diverses longueurs ont été fabriqués. Les courbes I-V statiques sombres et illuminées ainsi que le comportement de ces capteurs dans une solution aqueuse avec différentes valeurs de pH sont investigués. Les dépendances I-V statiques sombres démontrent un comportement FET. Avec l'augmentation de l'intensité lumineuse, le courant source-drain croît à cause de l'augmentation de la conduction du canal de courant. La sensibilité au pH augmente avec l'augmentation de la tension de grille arrière et approche 59,5 mV/pH. L'amplitude du courant de canal est approximativement inversement proportionnelle à la longueur du canal de courant et la sensibilité au pH augmente avec l'augmentation de la longueur du canal approchant la valeur limite de Nernst, indiquant que les dispositifs à plus grande surface sont plus appropriés pour la détection de pH.

La densité spectrale de bruit LF augmente sous l'action de la solution pH et de l'illumination, et dans les deux cas, la dépendance en fréquence du bruit est affaiblie et la valeur du paramètre de bruit γ diminue. Avec l'augmentation de la valeur du pH et de la puissance d'illumination, le bruit 1/f est écranté par le plateau g-r. La fréquence caractéristique de la composante de bruit g-r diminue avec l'augmentation de la puissance d'illumination. Le niveau de bruit LF augmente et sa pente diminue avec l'augmentation de la valeur du pH. Il est montré que la valeur mesurée de la pente de la dépendance de la densité spectrale de bruit sur la longueur du canal de courant est 2,7 qui est proche de la valeur théoriquement prévisible 3 dans les 10% d'erreur.

Abréviations

FET

Transistors à effet de champ

LF

Basse fréquence

NW

Nanofils

TMAH

Hydroxyde de tétraéthylammonium