硅纳米线 FET 传感器中的光电导率、pH 灵敏度、噪声和通道长度效应

背景

在过去的十年中，纳米尺寸的硅结构由于具有良好的电学、光学、化学、热学和机械性能而受到广泛研究 [1]。与更大的结构相比，纳米级场效应晶体管 (FET) 允许测量电、光和其他类型的非常小的信号，因为它增加了样品的表面积与体积比。纳米结构的小尺寸使其成为检测分析物浓度低的小体积样品的理想选择。 pH 传感器的特性和特性在 [2-4] 中有更详细的讨论。结果表明，硅块体材料的pH敏感性较差。观察到 Si 纳米线 (NW) 具有良好的 pH 传感特性，灵敏度为 58.3 mV/pH。例如，在医学诊断领域，旨在利用低维纳米结构（如碳纳米管、金属或半导体 NW 或原子大小的薄纳米带 (NR)）的纳米级结构可用于各种应用 [5] .在提到的结构中，硅 NR 和 NW FET 结构为使用基于亲和力的结合原理的生物分子的无标记、实时和高灵敏度检测开辟了前景 [6]。研究了不同NR尺寸的灵敏度。结果表明，具有集成参考 NR 的新型传感器可用于 pH 传感期间的实时误差监测 [6]。电子设备不断增加新的特性和功能，例如健康监测移动系统和可穿戴设备。尽管此类个人健康监测系统取得了成功 [7]，但预计下一代可穿戴设备还包括便携式“芯片实验室”——一组可用于检测和诊断各种疾病的医学生物传感器。医用物质 [8, 9]。为了能够在理想情况下在单分子水平上监测和检测疾病的早期阶段，传感器换能器的尺寸必须与被测生物标志物相当。因此，必须开发基于 NW 和 NR 的生物传感器来监测发生在非常小的维度上的生物事件。另一个重要的应用领域是光电，其中与纳米结构的光相互作用可用于未来的光学器件应用。亚波长直径和邻近效应可能导致先进的光学特性，例如低反射率和高吸收率。 Si NW 光吸收的研究结果证明了强烈的尺寸依赖效应 [10-12]。宽带光吸收研究表明，Si NW 样品的总光吸收光谱增加 [13]。与固体硅膜相比，Si NW 导致反射率显着降低 [13, 14]。当波长减小时，光吸收增加。应该注意的是，与体材料不同，纳米尺寸的 Si 结构可能是直接带隙半导体，这使它们成为光学应用的绝佳选择 [11, 13, 15-18]。另一方面，尺寸缩放会增加带隙 [15]。这可能会导致吸收光谱成功地转移到短波长 [11, 18]。随着尺寸的减小，还必须考虑电流和电压的限制。对于在弱信号电平下运行的设备，内部噪声起着至关重要的作用 [4, 19,20,21]。它决定了传感器最重要的参数之一——信噪比 (SNR)。正如双栅极 SiNW 传感器所示，pH 灵敏度随着液体栅极电压的增加而增加，SNR 具有更高的值（~ 10 ⁵ ) [11, 18]。纳米带方法为高灵敏度生物分子芯片的大规模 CMOS 制造开辟了道路，可用于医学和生物技术 [22]。

对纳米级材料的最新研究表明，当合成一维形式时，它们的电子、磁、热和光学特性可能会显着不同。利用单原子或几原子厚的层状晶体获得的纳米线是一维纳米材料的新形式，是研究基本性质的尺寸依赖性的理想系统。

在[23]中详细分析了NR合成方法和理论研究的最新成果。在文献中，尚未详细研究同一组 NW FET 阵列中的光电导率、pH 敏感性、噪声和沟道长度效应。然而，取决于应用于不同设备组的制造技术，介电层的表面粗糙度和贡献可能会显着改变结构特性。在这方面，了解同一组 NW FET 中的沟道长度效应对于开发具有高级功能的器件非常重要。

目前的工作致力于研究基于硅纳米线的 FET，包括样品制造技术和芯片表征、它们的暗和亮电流 - 电压 (I-V) 特性和 pH 敏感性。描述了通道长度对源漏电流、pH 敏感性和低频噪声的影响。我们证明了基于氧化硅衬底上的薄硅层制造的硅纳米线可以具有相当接近能斯特极限的高 pH 敏感性。

方法/实验

硅 NW 结构是在从 SOITEC 购买的绝缘体上硅 (SOI) 晶片的基础上制造的。该工艺从热氧化开始，形成 20 纳米厚的氧化硅硬掩模。有源硅层厚度为 50 nm。然后使用光刻在硬掩模中图案化各种几何形状的 NW，并使用反应离子蚀刻工艺步骤将其转移到 SiO2 层中。该图案用于在四甲基氢氧化铵 (TMAH) 溶液中使用湿法化学蚀刻获得硅纳米带和纳米线。栅极介电层也用作通道保护免受液体环境影响，它是热生长的 8 纳米厚的氧化硅。 NW 沟道几乎是未掺杂的硅，空穴浓度约为 10 ¹⁵ 厘米 ⁻³ .源极和漏极接触被高度掺杂以形成良好的欧姆接触。对于与电子设备的连接，铝触点使用剥离工艺进行了图案化。最后，芯片用聚酰亚胺层 (PI) 钝化，以保护金属馈线免受液体环境的影响。图1显示了在pH传感器工作模式（a）和光接收器工作模式（b）下研究样品的示意图，研究的NW的SEM照片如图2所示。

正在研究的硅纳米线场效应晶体管结构。所研究样品的示意图：pH—传感器工作模式（a ) 和光接收器操作模式 (b ）。 PI聚酰亚胺层、S源极、D漏极、FG前栅（参考电极、RE）、BG背栅

Si NW FET结构的SEM图像。制备的硅纳米带场效应晶体管结构的典型扫描电子显微照片

结果与讨论

电流-电压特性和 pH 敏感性

图 3 和图 4 分别显示了在 - 1 和 - 5 V 的背栅电压下测量的所研究样品的源极-漏极电流-电压 (I-V) 特性。在黑暗条件下以及在 0.85 和 1.6 W/cm ² 的特定功率照明下测量特性 在室温下。使用距离传感器 15 cm 的白炽灯进行光激发。 I-V 相关性表现出类似于金属氧化物半导体 FET (MOSFET) [24] 的典型行为，因为所研究的样品具有相对较大的 l 尺寸 × w × t =(2 ÷ 10) × 10 × 0.05 μm (l , w , 和 t 分别为通道长度、宽度和厚度）。图中的 I-V 曲线。 3和4可以描述为：

其中我 ds, d 和 I ds, ph 是暗电流和光源-漏电流分量。暗电流可以用众所周知的 V MOSFET 表达式来描述 ds ≤ V gs − V 第 [24]:

NW FET 的 I-V 特性，在光激发下测量 (V BG =− 1 V）。长度为 l 的 NW FET 样本的输出电流-电压特性 =10 μm，在黑暗中和在光比功率 0.85 和 1.6 W/cm ² 激发下测量 , 在 T =300 K 和 V BG =− 1 V

NW FET 的 I-V 特性，在光激发下测量 (V BG =− 5 V）。长度为 l 的 NW FET 样本的输出电流-电压特性 =10 μm，在黑暗中测量，在光比功率 0.85 和 1.6 W/cm ² 在 T =300 K 和 V BG =− 5 V

在这里，C ox =ε 牛/t ox 是单位面积的氧化层电容，ε 牛和t ox 是栅极氧化层的介电常数和厚度，μ n 是电子迁移率，V ds, V gs 和 V th 分别是源-漏、栅-源和阈值电压。光载流子的产生率等于ηαN ph，其中 N ph =W /hν 是辐照强度。在低注入水平和恒定的空穴寿命下，光载流子的浓度将为 \( \Delta p=\eta \alpha {\tau}_p\frac{W}{h\nu} \) [25]。载流子在外加电压V下漂移 ds。在这种情况下，光电流可以表示为：

在这里，A ch =wt 是当前通道截面积，e 是电子电荷，∆p 和 μ p 是过量光载流子（空穴）的浓度和迁移率，α 光照吸收系数，η 量子产率，τ p 孔的寿命，hν 光子能量和 W 以 [W/cm ² 为单位的照明比功率 ].

在方程式中。 (3)，我们假设电场强度沿沟道长度均匀分布，A的值 由于高通道电导率，ch 沿通道长度略有变化。需要注意的是，该假设在远离源漏接触的沟道主要部分是有效的。

在低电压 V ds，源漏电流I ds 随电压近似线性增长。随着光比功率的增加，I ds 增加。图 5 和图 6 显示了在几个前栅极电压 (V FG =− 1 V, − 5 V)在pH =6.2、7和8.3的水溶液中测量。可以看出，增加pH值导致通道电流增加，I ds. 这与溶液与氧化物层表面接触的模型非常吻合，然后在氧化物/溶液界面上产生羟基SiOH。这些羟基的浓度和行为取决于 pH 值。表面不带电的情况称为零电荷点。对于 SiO2 介电层，该点在 pH =2.2 时达到。 pH值低于2.2时，氧化物表面带正电；在较高的 pH 值下，氧化物表面带负电。在pH =7的缓冲溶液中，氧化硅表面带负电荷。因此，在施加负栅极电位时，表面氧化物上负电荷的绝对值增加。结果，电流沟道（p-Si中的空穴）中的多数载流子浓度增加，从而沟道电流增加。

NW FET 的 I-V 特性，在不同 pH 溶液中测量 (V FG =− 1 V）。具有长度的 NW FET 的输出电流-电压特性，l =10 μm，在黑暗中测量，pH 浓度：6.3、7、8.2 在 T =300 K, VBG =− 5 V, 和 V FG =− 1 V

NW FET 的 I-V 特性，在 pH 溶液中测量 (V FG =− 5 V）。具有长度的 NW FET 的输出电流-电压特性，l =10 μm，在黑暗中测量，pH 浓度为 6.3、7、8.2，T =300 K, V BG =− 5 V，并且V FG =− 5 V

图 5 和图 6 显示了在生化传感模式下工作的 Si NW 结构的 I-V 特性。对每个 pH 值进行四次测量。重复性在 7% 以内。在[26]中，生化传感器的pH敏感性被介绍为

这里，ΔI ds 和 ∆pH 是 I 的基本变化 ds 和 pH 值。请注意，pH 灵敏度是可测量值。在pH值升高的溶液介质中，源漏电流增加。这允许以高精度记录任何生物液体（在与生理溶液相关的溶液范围内）的 pH 变化。例如，对于 V 在 V 处 BG =− 5 V ds =5 V，灵敏度等于R pH ≈ 56.4 mV/pH。在 V BG =− 5 V，pH 灵敏度增长到 59.3 mV/pH 并接近 Nernst 极限 59.5 mV/pH [24]。 pH 敏感性随着背栅电压的增加而增加。例如从图。 5 和 6 在 V ds =8 V，我们得到了比值 \( {\left({R}_{\mathrm{pH}}\right)}_{V_{\mathrm{BG}}=-5\ \mathrm{V}} /{(R)}_{V_{BG}=-1\ \mathrm{V}}\approx 5.17 \)，即灵敏度提高了大约五倍。

辐照和 pH 变化引起的低频噪声光谱和特征

Si NW 结构的噪声光谱是在欧姆模式下的恒定电流下测量的。图 7 显示了在黑暗条件下以及在施加 V 背栅电压的照射下测量的漏极电流噪声功率谱密度 BG =− 1 V at I ds =0.1 μA。在黑暗中测量的噪声光谱显示 1/f ^γ 噪声参数等于γ的噪声行为 =1. 低频（LF）噪声水平随着光照射强度的增加而升高。光照强度的增加导致主要载流子浓度的增加。这反过来又会导致通道中迁移率波动的增长，这是由于散射导致的相互作用和散射率增加，首先是载流子之间，其次是载流子和声子之间以及不同的杂质陷阱 [27]。

NW FET 的噪声光谱，在光激发下测量。 LF 噪声的频谱相关性，使用 l 测量 NW FET 样本 =10 μm 光照下：0.85 W/cm ² , 1.6 瓦/厘米 ² ，在黑暗中； V BG =− 1 V, T =300 K

由于噪声测量是在欧姆模式的恒定电流下进行的，通道电阻随施加的电压V线性变化 ds。众所周知，1/f-噪声谱密度S V 正比于幂 2 中的电压：

这里，α H 是 Hooge 参数，R ch 是电流通道电阻； Ω =A chl 是当前频道的音量； ρ 是通道比电阻。沟道电阻的降低导致噪声谱密度的增长。在功率W的纳米线FET样品的光激发下 ，我们有：

在这里，p d 是黑暗条件下空穴的浓度，σ 是比电导率。噪声水平与光照强度成正比。

我们计算噪声参数γ的值 , 使用图 7 所示的曲线。在黑暗和不同功率的光激发下测量的样品获得以下参数：

γ (暗) ≈ 1.0, γ (0.85 瓦/厘米 ² ) ≈ 0.5，并且 γ (1.6 瓦/厘米 ² ) ≈ 0.2。

在辐照下，噪声参数γ的值 减少。这可以解释如下。随着光功率的增加，电流通道的电导率增加。因此，少数载流子的有效寿命τ ef 上升并达到 τ 值 ef ≥ (10 ⁻³ ÷ 10 ⁻² ) 。一旦通过硅中的吸收产生电子-空穴对，就必须考虑几种复合机制。这些过程并行发生，重组率是各个过程对应的速率之和。不同的生命周期与不同的重组机制相关。载流子有效寿命必须由载流子的表面、辐射、体积（体积）和俄歇复合寿命决定。众所周知，辐射寿命与载流子密度成反比，俄歇寿命与载流子密度的平方成反比 [28]。体复合寿命由 Shockley-Read-Hall 复合机制决定。它对于低水平载流子密度是恒定的，对于高注入水平它会增加 [29,30,31]。已知表面复合寿命与表面复合速率成正比，与样品厚度成反比[29,32,33]。

有效寿命的行为将是复杂的，取决于非平衡载流子的密度和复合机制。随着载流子密度的增加，有效寿命可以是常数或递减函数 [29]。在高表面积体积比的纳米线中，表面界面态起着更重要的作用，它们的贡献占主导地位。此外，它可以超越其他类型的重组。另一方面，在中等水平的载流子密度下，体复合寿命也可以增加。对于我们的硅 NW 载流子，有效寿命基本上由表面和体复合决定，并随着载流子密度的增长而增加。

众所周知，生成重组 (g-r) 噪声具有洛伦兹形状 [19, 34]：

在这里，f 是频率。很明显，依赖S的高原部分 V , g − r (f ) 由条件决定

其中 f c 是特征频率。需要注意的是，随着电子寿命的增加，截止频率f的值 c 减少。 g-r 噪声的特征频率向低频区域移动。由于电导率σ 和生命周期 τ n 随着光照功率的增加，f c 随着 W 的增加而减少 ，相应地：

g-r 过程导致在 g-r 噪声平台下筛选 1/f-噪声分量。这个事实解释了噪声参数γ值的减小 随着照明功率的增加。

图 8 说明了在 V 处测量的 Si NW FET 样品的 LF 噪声功率谱的谱相关性 FG =− 1 V, I 在几个 pH 值：6.3、7.0 和 8.2 的溶液中，ds =0.1 μA。噪声参数随着pH值的增加而减小：γ (pH =6.3) ≈ 1.0； γ (pH =7.0) ≈ 0.5； γ (pH =8.2) ≈ 0.4。斜率的计算范围为 10 到 500 Hz。 LF 噪声水平增加，其斜率随着 pH 值的增加而减小。 pH值的增加导致沟道电阻的降低，这是由于半导体-氧化物界面处负电荷的积累造成的。 S 的斜率减小 V (f ) 与 pH 增加的相关性可以解释为考虑到通道电导率增加的影响。

NW FET 的噪声光谱，在不同 pH 溶液中测量。 NW 的低频噪声与长度的频谱相关性，l =10 μm，在 T 处测量 =300 K 和几个 pH 值：6.3、7.0 和 8.2 在 V BG =− 5 V, V FG =− 1 V

通道长度的影响

在本节中，我们展示了当前通道长度对传输机制、pH 敏感性以及基于 Si NW 的传感器的 LF 噪声行为的影响的结果。电流的大小与电流通道的长度成反比，这证明了将漂移近似应用于传输机制的合理性，以及电场强度沿电流通道长度均匀分布的假设（图 9）。光激发的影响导致源漏电流幅度的增加。 pH 灵敏度随着当前通道长度的增加而增加，并趋向于 59.5 mV/pH 的 Nernst 极限（图 10），这与微型传感器获得的值非常吻合 [27]。我们的结果还支持对具有不同几何形状的 NW 样品获得的 pH 敏感性行为的观察 [6]。在我们的工作中系统研究的长度效应可以解释如下。由于通道的长度 l 减少，pH 敏感表面的面积减少，因此可测量 H ⁺ 的数量 水溶液中的离子减少。根据方程。 (2)、当前的I ds 随着 l 的减少而增加 ，这导致恒压V下电流通道的电阻降低 ds。由于通道R的阻力 ch 减小，其调制受到 H ⁺ 的影响 离子；因此，pH敏感性降低。

NW FET 的沟道电流与长度的关系。作为通道长度函数的通道电流图。 V BG =− 5 V, V ds =− 5 V, R ch =1.26 MΩ

pH 灵敏度与通道长度。作为通道长度函数的 pH 敏感性图。 V FG =− 10 V, V BG =− 5 V, V ds =− 5 V, R ch =1.26 MΩ

图11说明了低频噪声谱密度与电流通道长度的关系。

噪声频谱密度与当前通道长度的关系。作为当前通道长度的函数的噪声谱密度图。用于 pH 测量 V FG =− 10 V

这些曲线是使用在黑暗条件下，在强度为 0.85 V/cm ² 的光照下对不同长度的 Si NW 测量的 LF 噪声的光谱依赖性绘制的 , 在 pH =7 的水溶液中，平行曲线的斜率计算值（图 10）等于 log(500/10) ≈ 2.7。该值接近使用方程理论上获得的值（等于 3）。 (6) 和 (7), S V ∝ l ⁻³ 大约有 10% 的误差。结果表明，理论上预测的 SV(l ) 相关性与考虑到相对较高的热噪声水平的测量特性非常一致。根据方程。 (6)、缩放通道长度l down 导致电阻降低和电流增加，这对应于通道中载流子的增加。这又导致载流子与硅和介电层之间界面上的陷阱的相互作用增加。因此，噪声水平增加，这也由实验依赖性证实（见图 11）。

自从引入离子敏感 FET (ISFET) 概念以来，基于 SiO2 门控 FET 的传感器的非能斯特 pH 响应一直是一个主要话题。 SiNR FET 传感器对 pH 值变化的灵敏度可以通过测量器件阈值电压的变化来量化，并由 Nernst 方程 [35] 定义：

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

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.

结论

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.

缩写

FETs:

Field-effect transistors

LF:

Low-frequency

NWs:

Nanowires

TMAH:

Tetramethylammonium hydroxide