Si 나노와이어 FET 센서의 광전도도, pH 감도, 노이즈 및 채널 길이 효과

결과 및 토론

전류-전압 특성 및 pH 감도

그림 3과 4는 − 1 및 − 5 V의 백 게이트 전압에서 측정된 연구 대상 샘플의 소스-드레인 전류-전압(I-V) 특성을 보여줍니다. 특성은 0.85 및 1.6 W/cm ² 의 특정 전력 조명과 어두운 조건에서 측정되었습니다. 실온에서. 광 여기는 센서에서 15cm 떨어진 곳에 위치한 백열등을 사용하여 수행됩니다. I–V 종속성은 금속 산화물 반도체 FET(MOSFET)[24]와 유사한 일반적인 동작을 보여줍니다. 조사 중인 샘플이 l의 상대적으로 큰 치수를 가지기 때문입니다. × w × 그 =(2 ÷ 10) × 10 × 0.05μm(l , w , 그리고 t 채널 길이, 너비 및 두께임). 그림의 I-V 곡선. 3과 4는 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

나 _{ds, d} 그리고 나 _{ds, ph} 어둡고 포토 소스-드레인 전류 구성 요소입니다. 암전류는 V용 MOSFET에 대해 잘 알려진 표현으로 설명할 수 있습니다. _ds ≤ V _gs − V _번째 [24]:

광학 여기에서 측정된 NW FET의 I–V 특성(V _BG =− 1V). 길이가 l인 NW FET 샘플의 출력 전류-전압 특성 =10 μm, 어두운 곳에서 여기에서 빛의 비전력 0.85 및 1.6 W/cm ² 로 측정됨 , T에서 =300K 및 V _BG =− 1V

광학 여기에서 측정된 NW FET의 I–V 특성(V _BG =− 5V). 길이가 l인 NW FET 샘플의 출력 전류-전압 특성 =10 μm, 어두운 곳에서 빛 비전력 0.85 및 1.6 W/cm ² 에 의해 여기로 측정됨 T에서 =300K 및 V _BG =− 5V

여기, C _소 =ε _소 /그 _소 는 단위 면적당 산화막 커패시턴스, ε _소 그리고 t _소 게이트 산화막의 유전율 및 두께, μ _n 는 전자 이동도, V _ds , V _gs , 및 V _번째 각각 소스-드레인, 게이트-소스 및 임계값 전압입니다. 광 캐리어의 생성 비율은 ηαN과 같습니다. _ph , 여기서 N _ph =W /hv 조사의 강도입니다. 낮은 주입 수준과 정공의 일정한 수명에서 광 캐리어의 농도는 \( \Delta p=\eta \alpha {\tau}_p\frac{W}{h\nu} \) [25]가 됩니다. 캐리어 드리프트는 적용된 전압 V에서 _ds . 이 경우 광전류는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

여기, A _채널 =무게 현재 채널 단면적, e 전자 전하, ∆p 그리고 μ _p 과잉 광 캐리어(홀)의 농도 및 이동성, α 조도 흡수 계수, η 양자 수율, τ _p 구멍의 수명, hν 광자 에너지 및 W 조명 비 전력([W/cm ² ) ].

식에서 (3) 채널 길이와 A 값을 따라 전계 강도가 균일하게 분포한다고 가정했습니다. _채널 높은 채널 전도도로 인해 채널 길이를 따라 약간 다릅니다. 이 가정은 소스 및 드레인 접점에서 멀리 떨어진 채널의 주요 부분에서 유효하다는 점에 유의해야 합니다.

낮은 전압에서 V _ds , 소스-드레인 전류 I _ds 전압과 거의 선형으로 증가합니다. 빛의 비출력이 증가함에 따라 I _ds 증가합니다. 그림 5와 6은 여러 전면 게이트 전압(V _FG =− 1 V, − 5 V) pH =6.2, 7 및 8.3의 수용액에서 측정. pH 값이 증가하면 채널 전류가 증가한다는 것을 알 수 있습니다.I _ds . 이것은 산화물 층 표면과의 용액 접촉 모델과 잘 일치하며, 산화물/용액 계면에서 수산기 SiOH를 유발합니다. 이러한 수산기의 농도와 거동은 pH 값에 따라 다릅니다. 표면이 대전되지 않은 경우를 영전하점이라고 합니다. SiO₂의 경우 유전층의 경우 pH =2.2에 도달합니다. 2.2보다 낮은 pH 값에서 산화물 표면은 양전하를 띤다. 더 높은 pH 값에서 산화물 표면은 음으로 대전됩니다. pH =7인 완충용액의 경우, 산화규소 표면 전하는 음전하를 띠게 됩니다. 따라서 인가된 음의 게이트 전위에서 표면 산화물의 음전하의 절대값이 증가합니다. 결과적으로 전류 채널(p-Si의 홀)에서 다수 캐리어 농도가 증가하여 채널 전류가 증가합니다.

다양한 pH 용액에서 측정한 NW FET의 I–V 특성(V _FG =− 1V). 길이가 l인 NW FET의 출력 전류-전압 특성 =10 μm, 어두운 곳에서 측정 및 pH 농도:T에서 6.3, 7, 8.2 =300K, V_BG =− 5 V 및 V _FG =− 1V

pH 용액에서 측정한 NW FET의 I–V 특성(V _FG =− 5V). 길이가 l인 NW FET의 출력 전류-전압 특성 =10 μm, 어두운 곳에서 측정하고 T에서 pH 농도 6.3, 7, 8.2 =300K, V _BG =− 5 V 및 V _FG =− 5V

그림 5와 6은 생화학적 감지 모드에서 작동하는 Si NW 구조의 I-V 특성을 보여줍니다. 측정은 각 pH 값에 대해 4회 수행되었습니다. 반복성은 7% 이내였습니다. [26]에서 생화학 센서의 pH 감도는 다음과 같이 소개되었습니다.

여기, ∆I _ds 및 ∆pH는 I의 기본 변화입니다. _ds 및 pH. pH 감도는 측정 가능한 값입니다. pH 값이 증가된 용액 매질에서 소스-드레인 전류가 증가합니다. 이를 통해 모든 생체 액체(생리학적 용액과 관련된 용액 범위 내)의 pH 변화를 높은 정확도로 등록할 수 있습니다. 예를 들어, V _BG =− 5 V at V _ds =5 V, 감도는 R과 같습니다. _pH ≈ 56.4mV/pH. V에서 _BG =− 5 V, pH 감도는 59.3 mV/pH까지 증가하고 Nernst 한계 59.5 mV/pH에 접근합니다[24]. pH 감도는 백 게이트 전압이 증가함에 따라 증가합니다. 예를 들어 Fig. V에서 5와 6 _ds =8 V, 우리는 \( {\left({R}_{\mathrm{pH}}\right)}_{V_{\mathrm{BG}}=-5\ \mathrm{V}}/ {(R)}_{V_{BG}=-1\ \mathrm{V}}\approx 5.17 \), 즉 약 5배 향상된 감도.

저주파 노이즈 스펙트럼 및 조사 및 pH 변화로 인한 특징

Si NW 구조의 노이즈 스펙트럼은 옴 모드의 정전류에서 측정되었습니다. 그림 7은 V의 백 게이트 전압을 인가했을 때 뿐만 아니라 어두운 조건에서 측정한 드레인 전류 노이즈 전력 스펙트럼 밀도를 보여줍니다. _BG =− 1 V at I _ds =0.1μA. 어두운 곳에서 측정한 노이즈 스펙트럼은 1/f를 나타냅니다. ^γ 노이즈 매개변수가 γ인 노이즈 동작 =1. 저주파(LF) 노이즈 레벨은 광조사 강도가 증가함에 따라 증가합니다. 조도의 증가는 주요 캐리어 농도의 증가를 초래합니다. 이것은 차례로 서로 다른 불순물 트랩뿐만 아니라 캐리어와 음향 포논 사이의 산란으로 인한 상호 작용 및 산란 속도의 증가로 인해 채널에서 이동성 변동의 성장을 유발합니다[27].

광학 여기에서 측정된 NW FET의 노이즈 스펙트럼. l이 있는 NW FET 샘플에 대해 측정된 LF 노이즈의 스펙트럼 의존성 =10μm 조명:0.85W/cm ² , 1.6W/cm ² , 그리고 어둠 속에서; V _BG =− 1 V, T =300K

노이즈 측정은 오믹 모드에서 정전류로 수행되었기 때문에 채널 저항은 인가 전압 V에 따라 선형적으로 변합니다. _ds . 알려진 바와 같이 1/f-노이즈 스펙트럼 밀도 S _V 전력 2의 전압에 비례합니다.

여기, α _H Hooge 매개변수, R _채널 현재 채널 저항입니다. Ω =A _채널 나 현재 채널의 볼륨입니다. ρ 채널 특정 저항입니다. 채널 저항의 감소는 노이즈 스펙트럼 밀도의 증가로 이어집니다. W 전력으로 나노와이어 FET 샘플의 광 여기 , 우리는:

여기, p _d 는 어두운 조건에서 구멍의 농도이고 σ 는 특정 전도도입니다. 노이즈 레벨은 조명의 강도에 비례하여 증가합니다.

노이즈 매개변수 γ의 값을 계산합니다. , 그림 7에 제시된 곡선을 사용하여 다음과 같은 매개변수를 얻습니다. 샘플에 대해 다음 매개변수를 얻었습니다. 이 매개변수는 어두운 곳에서 다양한 전력의 밝은 여기에서 측정되었습니다.

γ (어두운) ≈ 1.0, γ (0.85W/cm ² ) ≈ 0.5 및 γ (1.6W/cm ² ) ≈ 0.2.

조사 시 노이즈 매개변수 γ의 값 감소합니다. 이것은 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 광 전력이 증가함에 따라 전류 채널의 전도도가 증가합니다. 결과적으로 소수 캐리어의 유효 수명 τ _ef 상승하고 값 τ에 도달 _ef ≥ (10 ⁻³ ÷ 10 ⁻² ) s. 전자-정공 쌍이 실리콘에서 흡수에 의해 생성되면 몇 가지 재결합 메커니즘을 고려해야 합니다. 이러한 프로세스는 병렬로 발생하며 재조합 속도는 개별 프로세스에 해당하는 속도의 합입니다. 다양한 수명은 다양한 재조합 메커니즘과 관련이 있습니다. 캐리어 유효 수명은 캐리어의 표면, 복사, 부피(벌크) 및 Auger 재결합 수명에 의해 결정되어야 합니다. 복사 수명은 캐리어 밀도에 반비례하고 Auger 수명은 캐리어 밀도 제곱에 반비례하는 것으로 알려져 있습니다[28]. 대량 재결합 수명은 Shockley-Read-Hall 재결합 메커니즘에 의해 결정됩니다. 낮은 수준의 캐리어 밀도에서는 일정하고 높은 주입 수준에서는 증가합니다[29,30,31]. 표면 재결합 수명은 표면 재결합 속도에 비례하고 시료의 두께에 반비례하는 것으로 알려져 있습니다[29, 32, 33].

유효 수명의 동작은 비평형 캐리어의 밀도와 재결합 메커니즘에 따라 복잡할 것입니다. 캐리어 밀도가 증가함에 따라 유효 수명은 일정하거나 함수를 감소시킬 수 있습니다[29]. 표면 대 부피 비율이 높은 나노와이어에서 표면 계면 상태가 더 중요한 역할을 하고 그 기여도가 우세합니다. 또한, 다른 유형의 재조합을 능가할 수 있습니다. 반면에 중간 수준의 캐리어 밀도에서는 벌크 재결합 수명도 증가할 수 있습니다. 우리의 실리콘 NW 캐리어의 경우 유효 수명은 기본적으로 표면과 벌크 재결합에 의해 결정되며 캐리어의 밀도 증가에 따라 증가합니다.

알려진 바와 같이 세대-재결합(g-r) 노이즈는 로렌츠 형태를 갖습니다[19, 34]:

여기서 f 는 주파수입니다. 의존성 S에 대한 고원 섹션이 분명합니다. _{V , 지 − r} (f )는 조건에 의해 결정됩니다.

여기서 f _ㄷ 는 특성 주파수입니다. 전자 수명이 증가함에 따라 차단 주파수 값 f _ㄷ 감소합니다. g-r 노이즈의 특성 주파수는 저주파 영역으로 이동합니다. 전도도 σ 및 수명 τ _n 조명 전력이 증가함에 따라 증가합니다. <>f _ㄷ W 증가에 따라 감소 , 해당:

g-r 프로세스는 g-r 노이즈 안정기 아래에서 1/f-노이즈 구성요소의 스크리닝으로 이어집니다. 사실은 노이즈 매개변수 γ 값의 감소를 설명합니다. 증가하는 조명 전력으로.

그림 8은 V에서 측정된 Si NW FET 샘플의 LF 노이즈 전력 스펙트럼의 스펙트럼 의존성을 보여줍니다. _FG =− 1 V, I _ds =6.3, 7.0 및 8.2의 여러 pH 값에서 용액에서 0.1μA. 노이즈 매개변수는 pH 값이 증가함에 따라 감소합니다. γ (pH =6.3) ≈ 1.0; γ (pH =7.0) ≈ 0.5; γ (pH =8.2) ≈ 0.4. 기울기는 10~500Hz 범위에서 계산되었습니다. LF 노이즈 레벨은 pH 값이 증가함에 따라 증가하고 기울기는 감소합니다. pH 값이 증가하면 반도체-산화물 계면에 음전하가 축적되어 채널 저항이 감소합니다. S의 기울기 감소 _V (f ) pH 증가에 따른 의존성은 채널 전도도 증가의 영향을 고려하여 설명할 수 있습니다.

다양한 pH 용액에서 측정한 NW FET의 노이즈 스펙트럼. 길이가 l인 NW에 대한 LF 노이즈의 스펙트럼 의존성 =10 μm, T에서 측정 =300K 및 여러 pH 값:V에서 6.3, 7.0 및 8.2 _BG =− 5V, V _FG =− 1V

채널 길이의 영향

이 섹션에서는 현재 채널 길이가 전송 메커니즘, pH 감도 및 Si NW 기반 센서의 LF 노이즈 거동에 미치는 영향의 결과를 제시합니다. 전류의 크기는 전류 채널의 길이에 반비례하며, 이는 전송 메커니즘에 대한 드리프트 근사의 적용과 전류 채널의 길이를 따라 전계 강도의 균일한 분포의 가정을 정당화합니다( 그림 9). 광 여기의 영향은 소스-드레인 전류의 크기를 증가시킵니다. pH 민감도는 현재 채널 길이에 따라 증가하고 Nernst 한계인 59.5mV/pH(그림 10)로 경향이 있는데, 이는 마이크로 크기 센서에 대해 얻은 값과 잘 일치합니다[27]. 우리의 결과는 또한 다양한 기하학적 구조를 가진 NW 샘플에 대해 얻은 pH 민감도 거동의 관찰을 뒷받침합니다[6]. 우리 연구에서 체계적으로 연구된 길이 효과는 다음과 같이 설명할 수 있다. 채널의 길이가 l이기 때문에 감소하면 pH에 민감한 표면의 면적이 감소하고 결과적으로 측정 가능한 H ⁺ 의 수가 감소합니다. 수용액의 이온이 감소합니다. 식에 따르면 (2) 현재 나 _ds l 감소에 따라 증가 , 이는 일정한 전압 V에서 전류 채널의 저항을 감소시킵니다. _ds . 채널 R의 저항으로 _채널 감소하면 H ⁺ 의 영향으로 변조가 방해받습니다. 이온; 따라서 pH 감도가 감소합니다.

NW FET의 채널 전류 대 길이. 채널 길이의 함수로서의 채널 전류 플롯. V _BG =− 5V, V _ds =− 5 V, R _채널 =1.26MΩ

pH 감도 대 채널 길이. 채널 길이의 함수로서의 pH 감도 플롯. V _FG =− 10V, V _BG =− 5V, V _ds =− 5 V, R _채널 =1.26MΩ

그림 11은 현재 채널의 길이에 따른 LF 노이즈 스펙트럼 밀도 의존성을 보여줍니다.

노이즈 스펙트럼 밀도 대 현재 채널 길이. 현재 채널 길이의 함수로 노이즈 스펙트럼 밀도 플롯. pH 측정용 V _FG =− 10V

이 곡선은 0.85V/cm ² 강도의 조명 아래 어두운 조건에서 길이가 다른 Si NW에 대해 측정된 LF 노이즈의 스펙트럼 종속성을 사용하여 표시됩니다. , 그리고 pH =7인 수용액에서 평행 곡선의 기울기의 계산된 값(그림 10)은 log(500/10) ≈ 2.7과 같습니다. 이 값은 Eqs를 사용하여 이론적으로 얻은 값(3과 동일)에 가깝습니다. (6) 및 (7), S _V ∝ l ⁻³ 약 10%의 오차가 있습니다. 결과는 이론적으로 예측된 ​​S_V (나 ) 종속성은 상대적으로 높은 수준의 열 잡음을 고려하여 측정된 특성과 잘 일치합니다. 식에 따르면 (6) 채널 길이 l 스케일링 다운은 저항의 감소와 전류 증가로 이어지며, 이는 채널의 전하 캐리어 증가에 해당합니다. 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.