Otimizando Sensores FET de Nanofios de Si: Fotocondutividade, Sensibilidade a pH, Ruído e Efeitos do Comprimento do Canal

Resumo

Sensores de transistor de efeito de campo (FET) de nanofios (NW) de silício de vários comprimentos foram fabricados. Propriedades de transporte de sensores FET de NW de Si foram investigadas envolvendo espectroscopia de ruído e caracterização corrente-tensão (I-V). As dependências I-V estáticas demonstram a alta qualidade dos FETs de silício fabricados sem corrente de fuga. Propriedades de transporte e ruído de estruturas FET NW foram investigadas sob diferentes condições de iluminação, bem como em configuração de sensor em solução aquosa com diferentes valores de pH. Além disso, estudamos efeitos do comprimento do canal na fotocondutividade, ruído e sensibilidade a pH. A magnitude da corrente do canal é aproximadamente inversamente proporcional ao comprimento do canal de corrente, e a sensibilidade a pH aumenta com o aumento do comprimento do canal aproximando-se do valor limite de Nernst de 59,5 mV/pH. Demonstramos que ruído 1/f dominante pode ser blindado pelo platô de geração-recombinação em certo pH da solução ou excitação óptica externa. A frequência característica do componente de ruído geração-recombinação diminui com o aumento da potência de iluminação. Além disso, mostra-se que o valor medido da inclinação da dependência da densidade espectral de ruído 1/f no comprimento do canal de corrente é 2,7, próximo ao valor teoricamente previsto de 3.

Introdução

Ao longo da última década, estruturas de silício nanoescaladas têm sido intensamente estudadas [1] devido às suas promissoras propriedades elétricas, ópticas, químicas, térmicas e mecânicas. Comparado a estruturas maiores, transistores de efeito de campo (FETs) nanoescalados permitem medir sinais elétricos, ópticos e outros de amplitude muito pequena devido à razão superfície-volume aumentada da amostra. Os pequenos tamanhos das nanoestruturas as tornam ideais para sensoriamento de pequenos volumes de amostra com baixas concentrações de analito. As características e propriedades de sensores de pH são discutidas mais detalhadamente em [2-4]. Mostra-se que a sensibilidade a pH de materiais de silício bulk é pobre. Boas propriedades de sensoriamento de pH de nanofios de Si (NW), com sensibilidade de 58,3 mV/pH, foram observadas. Por exemplo, no campo de diagnóstico médico, nanoestruturas visando utilização de nanoestruturas de baixa dimensionalidade como nanotubos de carbono, metálicos ou semicondutores NW ou nanofitas (NR) atômicas finas podem ser implementadas para variedade de aplicações [5]. Entre as estruturas mencionadas, estruturas FET de NR e NW de silício abrem perspectivas para detecção livre de marcador, em tempo real e de alta sensibilidade de biomoléculas usando princípios de ligação baseada em afinidade [6]. A sensibilidade de diferentes dimensões de NR foi estudada. Mostrou-se que novo sensor com NR de referência integrado pode ser utilizado para monitoramento de erro em tempo real durante sensoriamento de pH [6]. Novas características e funções são continuamente adicionadas a dispositivos eletrônicos, como sistemas móveis de monitoramento de saúde e dispositivos vestíveis. Apesar do sucesso de tais sistemas de monitoramento de saúde pessoal [7], a próxima geração de dispositivos vestíveis espera incluir também um "lab-on-a-chip" portátil — conjunto de biossensores médicos que podem ser usados para detecção e diagnóstico de várias substâncias médicas [8, 9]. Para ser capaz de monitorar e detectar estágios iniciais de doença no caso ideal no nível de molécula única, o tamanho do transdutor do sensor tem que ser comparável com os marcadores biológicos sob teste. Portanto, biossensores baseados em NWs e NRs têm que ser desenvolvidos para monitoramento de eventos biológicos que ocorrem em dimensões muito pequenas. Outra área importante de aplicação é optoeletrônica, onde a interação da luz com nanoestruturas pode ser usada para futuras aplicações de dispositivos ópticos. Diâmetros sub-comprimento de onda e efeitos de proximidade podem levar a propriedades ópticas avançadas como baixa reflectância e assim alta absorção. Resultados de investigação de absorção óptica de NW de Si demonstraram fortes efeitos dependentes do tamanho [10-12]. Estudos de absorção óptica de banda larga mostraram espectros de absorção óptica total aumentados para amostras de NW de Si [13]. NWs de Si levam a redução significativa de reflectância comparado a filmes de silício sólido [13, 14]. Absorção óptica aumenta enquanto comprimento de onda diminui. Deve-se notar que, diferente do material bulk, nanoestruturas de Si podem ser semicondutores de banda proibida direta, o que as torna excelente escolha para aplicações ópticas [11, 13, 15-18]. Por outro lado, o escalonamento de tamanho aumenta a banda proibida [15]. Isso pode resultar em deslocamento bem-sucedido dos espectros de absorção para comprimentos de onda curtos [11, 18]. Com diminuição do tamanho, limitações referentes a corrente e tensão também têm que ser consideradas. Para dispositivos operando em níveis de sinal fracos, ruído interno desempenha papel crucial [4, 19,20,21]. Determina um dos parâmetros mais importantes de sensores — razão sinal-ruído (SNR). Como mostrado para sensores SiNW de duplo gate, sensibilidade a pH aumenta com tensão de gate líquido e SNR tem valor mais alto (~ 10⁵) [11, 18]. A abordagem de nanofita abre para fabricação CMOS em larga escala de chips de biomoléculas altamente sensíveis para uso potencial em medicina e biotecnologia [22].

Pesquisa de ponta em materiais nanoescalados revelou que propriedades eletrônicas, magnéticas, térmicas e ópticas podem diferir dramaticamente quando suas formas unidimensionais são sintetizadas. Nanofios obtidos utilizando cristais lamelares de espessura de um ou poucos átomos são novas formas de materiais nanoescalados unidimensionais e são sistemas ideais para investigação da dependência de tamanho de propriedades fundamentais.

Uma análise detalhada das últimas conquistas sobre métodos de síntese e estudos teóricos de NR são apresentados em [23]. Na literatura, fotocondutividade, sensibilidade a pH, ruído e efeitos do comprimento do canal no mesmo conjunto de arrays FET NW não foram estudados em detalhe. No entanto, rugosidade superficial e contribuição de camadas dielétricas podem mudar consideravelmente propriedades da estrutura dependendo da tecnologia de fabricação aplicada para diferentes conjuntos de dispositivos. A este respeito, entender efeitos do comprimento do canal no mesmo conjunto de FETs NW é importante para desenvolvimento de dispositivos com funcionalidade avançada.

O presente trabalho é dedicado ao estudo de FETs baseados em nanofios de silício, incluindo tecnologia de fabricação da amostra, e caracterização do chip, suas características corrente-tensão (I-V) no escuro e na luz e sensibilidade a pH. Efeitos da influência do comprimento do canal nas correntes fonte-dreno, sensibilidade a pH e ruído de baixa frequência são descritos. Demonstramos que nanofios de silício, fabricados com base em camada fina de silício em substrato de silício oxidado, podem ter alta sensibilidade a pH bastante próxima ao limite de Nernst.

Métodos/Experimental

Estruturas NW de silício foram fabricadas com base em wafers silicon-on-insulator (SOI) comprados da SOITEC. O processo começa da oxidação térmica para formar máscaras duras de óxido de silício de 20 nm de espessura. A espessura da camada ativa de silício é 50 nm. NWs de várias geometrias são então padronizadas em máscara dura usando litografia óptica e transferidas na camada SiO₂ usando etapa de processo de gravação por íons reativos. O padrão é utilizado para obter nanofitas e nanofios de silício usando gravação química úmida em solução de hidróxido de tetrametilamônio (TMAH). Camada dielétrica de gate, que também serve como proteção do canal do ambiente líquido, é termicamente crescida com 8 nm de espessura de óxido de silício. O canal NW era silício quase não dopado com concentração de lacunas de cerca de 10¹⁵ cm⁻³. Contatos de fonte e dreno eram altamente dopados para formar bons contatos ôhmicos. Para conexão à eletrônica, contatos de alumínio foram padronizados usando processo lift-off. Finalmente, chips foram passivados com camada de poliamida (PI) para proteger linhas de alimentação metálicas do ambiente líquido. A Figura 1 mostra imagens esquemáticas das amostras sob estudo no modo operacional pH-sensor (a) e modo operacional foto-receptor (b), e imagem SEM de NW investigado é apresentada na Fig. 2.

Estruturas de transistor de efeito de campo de nanofio de Si sob estudo. Imagem esquemática das amostras sob estudo: modo operacional pH-sensor (a) e modo operacional foto-receptor (b). PI camada de poliamida, S fonte, D dreno, FG gate frontal (eletrodo de referência, RE), BG gate traseiro

Imagem SEM de estrutura FET NW de Si. Imagem típica de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de estrutura FET de nanofita de Si fabricada

Resultados e Discussão

Características Corrente-Tensão e Sensibilidade a pH

As Figuras 3 e 4 mostram características corrente-tensão (I-V) fonte-dreno de amostras sob estudo medidas em tensões de gate traseiro de -1 e -5 V, correspondentemente. Características foram medidas em condições de escuro bem como sob iluminações de potência específica de 0,85 e 1,6 W/cm² à temperatura ambiente. Excitação de luz é realizada usando lâmpadas incandescentes localizadas a distância de 15 cm do sensor. As dependências I-V demonstram comportamento típico similar a FETs metal-óxido-semicondutor (MOSFETs) [24] já que as amostras sob investigação têm dimensões relativamente grandes de l × w × t = (2 ÷ 10) × 10 × 0,05 µm (l, w, e t são o comprimento do canal, largura e espessura, correspondentemente). Curvas I-V nas Figs. 3 e 4 podem ser descritas como:

onde I_{ds, d} e I_{ds, ph} são os componentes de corrente fonte-dreno no escuro e foto. Corrente no escuro pode ser descrita pela expressão bem conhecida para MOSFETs para V_ds ≤ V_gs − V_th [24]:

Características I-V de FET NW, medidas em excitação óptica (V_BG = -1 V). Características de corrente-tensão de saída de amostra FET NW com comprimento l = 10 µm, medidas no escuro e em excitação por potência específica de luz 0,85 e 1,6 W/cm², a T = 300 K e V_BG = -1 V

Características I-V de FET NW, medidas em excitação óptica (V_BG = -5 V). Características de corrente-tensão de saída de amostra FET NW com comprimento l = 10 µm, medidas no escuro e com excitação por potência específica de luz 0,85 e 1,6 W/cm² a T = 300 K e V_BG = -5 V

Aqui, C_ox = ε_ox/t_ox é a capacitância da camada de óxido por unidade de área, ε_ox e t_ox são a permissividade e espessura da camada de óxido de gate, μ_n é a mobilidade eletrônica, e V_ds, V_gs, e V_th são tensões fonte-dreno, gate-fonte e limiar, correspondentemente. A taxa de geração de foto-portadores é igual a ηαN_ph, onde N_ph = W/hν é a intensidade de irradiação. Em níveis baixos de injeção e tempo de vida constante de lacunas, a concentração de foto-portadores será \( \Delta p=\eta \alpha {\tau}_p\frac{W}{h\nu} \) [25]. Os portadores derivam na tensão aplicada V_ds. Neste caso, a fotocorrente pode ser representada como:

Aqui, A_ch = wt é a área de seção transversal do canal de corrente, e é a carga do elétron, Δp e μ_p são a concentração e mobilidade de foto-portadores em excesso (lacunas), α o coeficiente de absorção de iluminação, η o rendimento quântico, τ_p o tempo de vida da lacuna, hν a energia do fóton, e W a potência específica de iluminação em [W/cm²].

Na Eq. (3), assumimos que a força do campo elétrico é uniformemente distribuída ao longo do comprimento do canal e o valor de A_ch varia ligeiramente ao longo do comprimento do canal devido à alta condutividade do canal. Deve-se notar que esta suposição é válida na parte principal do canal, que está longe dos contatos de fonte e dreno.

Em baixas tensões V_ds, a corrente fonte-dreno I_ds cresce aproximadamente linearmente com a tensão. Com o aumento da potência específica de luz, a magnitude de I_ds aumenta. As Figuras 5 e 6 mostram curvas I-V do dispositivo investigado em várias tensões de gate frontal (V_FG = -1 V, -5 V) medidas em solução aquosa com pH = 6,2, 7 e 8,3. Podemos ver que o aumento do valor de pH resulta no aumento da corrente do canal, I_ds. Isso está em bom acordo com modelo do contato da solução com a superfície da camada de óxido, então na interface óxido/solução causam grupos hidroxila SiOH. Concentração e comportamento desses grupos hidroxila dependem do valor de pH. O caso quando a superfície não está carregada é chamado ponto de carga zero. Para a camada dielétrica de SiO₂, o ponto é alcançado a pH = 2,2. Em valores de pH menores que 2,2, a superfície do óxido é carregada positivamente; em valores mais altos de pH, a superfície do óxido é carregada negativamente. No caso de solução tampão com pH = 7, a superfície de óxido de silício será carregada negativamente. Portanto, no potencial de gate negativo aplicado, o valor absoluto da carga negativa na superfície do óxido aumenta. Como resultado, a concentração de portadores majoritários aumenta no canal de corrente (lacunas em p-Si) e assim a corrente do canal aumenta.

Características I-V de FET NW, medidas em diferentes soluções de pH (V_FG = -1 V). Características de corrente-tensão de saída de FET NW com comprimento l = 10 µm, medidas no escuro e concentrações de pH: 6,3, 7, 8,2 a T = 300 K, V_BG = -5 V, e V_FG = -1 V

Características I-V de FET NW, medidas em soluções de pH (V_FG = -5 V). Características de corrente-tensão de saída de FET NW com comprimento l = 10 µm, medidas no escuro e concentrações de pH 6,3, 7, 8,2 a T = 300 K, V_BG = -5 V, e V_FG = -5 V

As Figuras 5 e 6 mostram as características I-V das estruturas de NW de Si operando em modo de sensoriamento bioquímico. Medidas foram realizadas quatro vezes para cada valor de pH. A repetibilidade foi dentro de 7%. Em [26], sensibilidade a pH de sensores bioquímicos foi introduzida como

Aqui, ΔI_ds e ΔpH são as mudanças elementares em I_ds e pH. Note que sensibilidade a pH é o valor mensurável. No meio de solução com valor de pH aumentado, a corrente fonte-dreno aumenta. Isso permite o registro da variação de pH em quaisquer bio-líquidos (dentro da faixa de solução relevante a soluções fisiológicas) com alta precisão. Por exemplo, para V_BG = -5 V no V_ds = 5 V, a sensibilidade é igual a R_pH ≈ 56,4 mV/pH. No V_BG = -5 V, a sensibilidade a pH cresce até 59,3 mV/pH e aproxima-se do limite de Nernst 59,5 mV/pH [24]. A sensibilidade a pH cresce com aumento da tensão de gate traseiro. Por exemplo, das Figs. 5 e 6 no V_ds = 8 V, obtivemos a razão \( {\left({R}_{\mathrm{pH}}\right)}_{V_{\mathrm{BG}}=-5\ \mathrm{V}}/{(R)}_{V_{BG}=-1\ \mathrm{V}}\approx 5,17 \), ou seja, aproximadamente cinco vezes sensibilidade melhorada.

Espectros de Ruído de Baixa Frequência e Características Causadas por Irradiação e Mudanças de pH

Os espectros de ruído de estruturas de Si NW foram medidos em corrente constante no modo ôhmico. A Figura 7 mostra a densidade espectral de potência de ruído de corrente de dreno medida em condições de escuro bem como sob irradiação com tensão de gate traseiro aplicada de V_BG = -1 V a I_ds = 0,1 µA. Espectros de ruído, medidos no escuro, demonstram comportamento de ruído 1/f^γ com parâmetro de ruído igual a γ = 1. Nível de ruído de baixa frequência (LF) sobe com o aumento da intensidade de irradiação de luz. O aumento da intensidade de iluminação resulta no crescimento da concentração do portador majoritário. Isso por sua vez causa crescimento de flutuações de mobilidade no canal devido a taxas aumentadas de interação e espalhamento como resultado de espalhamento, primeiro, entre portadores, e segundo, entre os portadores e fônons acústicos, bem como em diferentes armadilhas de impureza [27].

Espectros de ruído de FET NW, medidas em excitação óptica. Dependência espectral de ruído LF, medida para amostra FET NW com l = 10 µm sob iluminações: 0,85 W/cm², 1,6 W/cm², e no escuro; V_BG = -1 V, T = 300 K

Como as medições de ruído foram realizadas em corrente constante no modo ôhmico, a resistência do canal muda linearmente com a tensão aplicada V_ds. Como é conhecido, a densidade espectral de ruído 1/f S_V é proporcional à tensão na potência 2:

Aqui, α_H é o parâmetro de Hooge, R_ch é a resistência do canal de corrente; Ω = A_chl é o volume do canal de corrente; ρ é a resistência específica do canal. A diminuição da resistência do canal leva ao crescimento da densidade espectral de ruído. Na excitação de luz da amostra FET nanofio com potência W, temos:

Aqui, p_d é a concentração de lacunas em condições de escuro e σ é a condutividade específica. O nível de ruído aumenta proporcionalmente à intensidade da iluminação.

Calculamos valores do parâmetro de ruído γ, usando as curvas apresentadas na Fig. 7. Os seguintes parâmetros são obtidos para amostras, medidas no escuro e em excitação de luz de diferentes potências:

γ(escuro) ≈ 1,0, γ(0,85 W/cm²) ≈ 0,5, e γ(1,6 W/cm²) ≈ 0,2.

Sob irradiação, o valor do parâmetro de ruído γ diminui. Isso pode ser explicado da seguinte forma. Com o aumento da potência de luz, a condutividade do canal de corrente aumenta. Como resultado, o tempo de vida efetivo de portadores minoritários τ_ef sobe e atinge valores τ_ef ≥ (10⁻³ ÷ 10⁻²) s. Uma vez que pares elétron-lacuna são gerados por absorção em silício, vários mecanismos de recombinação têm que ser considerados. Esses processos ocorrem em paralelo, e a taxa de recombinação é a soma das taxas correspondentes aos processos individuais. Vários tempos de vida são associados com diferentes mecanismos de recombinação. O tempo de vida efetivo do portador tem que ser determinado pelo tempo de vida de recombinação de superfície, raditiva, volume (bulk) e Auger. Sabe-se que o tempo de vida raditivo é inversamente proporcional à densidade de portadores, e o tempo de vida Auger é inversamente proporcional ao quadrado da densidade de portadores [28]. O tempo de vida de recombinação de bulk é determinado pelo mecanismo de recombinação Shockley-Read-Hall. É constante para densidades de portadores de baixo nível, e aumenta para alto nível de injeção [29,30,31]. Sabe-se que o tempo de vida de recombinação de superfície é proporcional à taxa de recombinação de superfície e inversamente proporcional à espessura da amostra [29, 32, 33].

O comportamento do tempo de vida efetivo será complexo, dependendo da densidade de portadores de não-equilíbrio e mecanismos de recombinação. À medida que a densidade de portadores aumenta, o tempo de vida efetivo pode ser função constante ou decrescente [29]. No caso de NWs de silício com alta razão superfície-volume, os estados de interface de superfície desempenham papel mais importante e sua contribuição domina. Além disso, pode superar outros tipos de recombinação. Por outro lado, no nível moderado de densidade de portadores, tempo de vida de recombinação de bulk também pode aumentar. Para nosso caso de portadores de NW de silício, tempo de vida efetivo é determinado basicamente pela recombinação de superfície e bulk e aumenta com crescimento da densidade de portadores.

Como é conhecido, ruído geração-recombinação (g-r) tem forma de Lorentziana [19, 34]:

Aqui, f é a frequência. É claro que a seção do platô na dependência S_{V, g-r}(f) é determinada pela condição

onde f_c é a frequência característica. Deve-se notar que com o aumento do tempo de vida dos elétrons o valor da frequência de corte f_c diminui. A frequência característica do ruído g-r desloca para região de baixa frequência. Como a condutividade σ e tempo de vida τ_n aumentam com aumento da potência de iluminação, o f_c diminui com aumento de W, correspondentemente:

Os processos g-r levam à blindagem do componente de ruído 1/f sob o platô de ruído g-r. O fato explica a diminuição no valor do parâmetro de ruído γ com aumento da potência de iluminação.

A Figura 8 ilustra dependência espectral do espectro de potência de ruído LF de amostra FET NW de Si, medida no V_FG = -1 V, I_ds = 0,1 µA em solução em vários valores de pH: 6,3, 7,0 e 8,2. Parâmetro de ruído diminui com o aumento do valor de pH: γ(pH = 6,3) ≈ 1,0; γ(pH = 7,0) ≈ 0,5; γ(pH = 8,2) ≈ 0,4. As inclinações foram calculadas na faixa de 10 a 500 Hz. Nível de ruído LF aumenta e sua inclinação diminui com aumento do valor de pH. O aumento no valor de pH leva a diminuição na resistência do canal, causada pelo acúmulo de cargas negativas na interface semicondutor-óxido. Diminuição da inclinação da dependência S_V(f) com pH aumentando pode ser explicada levando em conta o efeito da condutividade do canal aumentando.

Espectros de ruído de FET NW, medidas em diferentes soluções de pH. Dependência espectral de ruído LF para NW com comprimento l = 10 µm, medida a T = 300 K e vários valores de pH: 6,3, 7,0 e 8,2 a V_BG = -5 V, V_FG = -1 V

Efeitos do Comprimento do Canal

Nesta seção, apresentamos os resultados da influência do comprimento do canal de corrente nos mecanismos de transporte, sensibilidade a pH, e também no comportamento de ruído LF dos sensores baseados em NW de Si. A magnitude da corrente é inversamente proporcional ao comprimento do canal de corrente, o que justifica a aplicação da aproximação de deriva para mecanismo de transporte, bem como a suposição de distribuição uniforme da força do campo elétrico ao longo do comprimento do canal de corrente (Fig. 9). A influência da excitação de luz leva a aumento na magnitude da corrente fonte-dreno. A sensibilidade a pH aumenta com o comprimento do canal de corrente e tende ao limite de Nernst de 59,5 mV/pH (Fig. 10), o que está em bom acordo com valores obtidos para sensores de micro-tamanho [27]. Nossos resultados suportam também observações do comportamento de sensibilidade a pH obtidas para amostras NW com diferentes geometrias [6]. O efeito do comprimento estudado sistematicamente em nosso trabalho pode ser explicado da seguinte forma. Como o comprimento do canal l diminui, a área da superfície sensível a pH diminui, e consequentemente o número de íons H⁺ mensuráveis na solução aquosa diminui. De acordo com Eq. (2), a corrente I_ds aumenta com diminuição de l, o que leva a diminuição na resistência do canal de corrente a tensão constante V_ds. Como a resistência do canal R_ch diminui, sua modulação é dificultada sob influência dos íons H⁺; portanto, a sensibilidade a pH diminui.

Corrente do canal de FET NW vs comprimento. Gráfico de corrente do canal como função do comprimento do canal. V_BG = -5 V, V_ds = -5 V, R_ch = 1,26 MΩ

Sensibilidade a pH vs comprimento do canal. Gráfico de sensibilidade a pH como função do comprimento do canal. V_FG = -10 V, V_BG = -5 V, V_ds = -5 V, R_ch = 1,26 MΩ

A Figura 11 ilustra a dependência da densidade espectral de ruído LF no comprimento do canal de corrente.

Densidade espectral de ruído vs comprimento do canal de corrente. Gráfico de densidade espectral de ruído como função do comprimento do canal de corrente. Para medições de pH V_FG = -10 V

Estas curvas são plotadas usando as dependências espectrais do ruído LF medido para NWs de Si com diferentes comprimentos em condições de escuro, sob iluminação com intensidade de 0,85 V/cm², e em solução aquosa com pH = 7. Valor calculado da inclinação das curvas paralelas (Fig. 10) é igual a log(500/10) ≈ 2,7. Este valor é próximo ao valor (igual a 3) obtido teoricamente usando Eqs. (6) e (7), S_V ∝ l⁻³ com erro cerca de 10%. Os resultados demonstram que dependências S_V(l) teoricamente previstas estão em bom acordo com características medidas levando em conta nível relativamente alto de ruído térmico. De acordo com Eq. (6), escalar o comprimento do canal l para baixo leva a diminuição de resistência e aumento de corrente, o que corresponde a aumento de portadores de carga no canal. Isso, por sua vez, resulta em interação aumentada de portadores de carga com armadilhas na interface entre silício e camada dielétrica. Assim, o nível de ruído aumenta, o que também é confirmado por dependências experimentais (veja Fig. 11).

A resposta de pH não-Nernstiana de sensores baseados em FET com gate SiO₂ tem sido tópico principal desde a introdução do conceito de FET sensível a íons (ISFET). A sensibilidade do sensor FET SiNR a mudanças de pH pode ser quantificada medindo o deslocamento da tensão de limiar do dispositivo e é definida pela equação de Nernst [35]:

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

onde δΨ₀ é o potencial na superfície. O parâmetro adimensional a que depende da capacidade de buffer intrínseca da superfície do óxido e a capacitância diferencial da camada dupla pode ser valor entre 0 e 1.

Mudanças no pH da solução induzem variações na densidade de carga superficial e potencial superficial. Isso leva a mudança na condutância do canal NR. Em geral, sensibilidade é definida como a maior resposta de saída possível a certo evento biológico. A sensibilidade a pH de BioFETs surge das reações ácido/base na interface óxido/eletrólito e a máxima resposta de pH alcançável por um ISFET convencional é o limite de Nernst de 59 mV/pH. Ao longo dos anos, houve numerosos relatórios [36,37,38,39,40,41,42,45] sobre dispositivos com resposta quase Nernstiana. A alta sensibilidade foi alcançada ou por otimização das características de transferência intrínsecas do dispositivo (como redução do swing subthreshold ou ajuste do potencial de gate) ou por modificações químicas de superfície. Diminuição da espessura de silício leva a maior sensibilidade de carga superficial [45]. Em [6], mostra-se que em espessura ótima de 30 nm a sensibilidade atinge valor máximo, e para camada de dispositivo mais espessa a resposta de pH diminui e a maior resposta é obtida do FET NR mais largo com maior área superficial. A plataforma mais popular para modificação química de superfície SiO₂ é quimissorção de monocamadas auto-organizadas de poucos nanômetros [46], não apenas para aprimorar sensibilidade a pH de nanosensores com gate Si/SiO₂ [47], mas também porque biomoléculas como proteínas [48] ou DNA [49], que podem ser acopladas à outra extremidade funcional de certas monocamadas. Autores da Ref. [50] discutiram resultados sobre funcionalização e modificação de sensores FET SiNW.

Conclusões

Sensores bioquímicos FET de nanofios de silício de vários comprimentos foram fabricados. As curvas I-V estáticas no escuro e iluminadas por luz bem como o comportamento desses sensores em solução aquosa com diferentes valores de pH são investigadas. As dependências I-V estáticas no escuro demonstram comportamento FET. Com aumento da intensidade de luz, a corrente fonte-dreno cresce devido ao aumento na condução do canal de corrente. A sensibilidade a pH aumenta com o aumento da tensão de gate traseiro e aproxima-se de 59,5 mV/pH. A magnitude da corrente do canal é aproximadamente inversamente proporcional ao comprimento do canal de corrente e a sensibilidade a pH aumenta com aumento do comprimento do canal aproximando-se do valor limite de Nernst, indicando que dispositivos de área maior são mais adequados para sensoriamento de pH.

A densidade espectral de ruído LF aumenta tanto sob ação da solução de pH quanto da iluminação, e em ambos os casos, a dependência de frequência do ruído é enfraquecida e o valor do parâmetro de ruído γ diminui. Com o aumento do valor de pH e potência de iluminação, o ruído 1/f é blindado pelo platô g-r. A frequência característica do componente de ruído g-r diminui com aumento da potência de iluminação. Nível de ruído LF aumenta e sua inclinação diminui com aumento do valor de pH. Mostra-se que o valor medido da inclinação da dependência da densidade espectral de ruído no comprimento do canal de corrente é 2,7 que é próximo ao valor teoricamente previsível 3 dentro de 10% de erro.

Abreviações

FETs

Transistores de efeito de campo

LF

Baixa frequência

NWs

Nanofios

TMAH

Hidróxido de tetrametilamônio