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Transport and noise properties of nanostructure transistors for biosensor applications = Transport- und Lärmeigenschaften von Nanostruktur-Transistoren für Biosensor-Anwendungen
2015
Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014
Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-07-04
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-019857
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466234/files/466234.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/466234/files/466234.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; silicon nanowires (frei) ; nanoimprint lithography (frei) ; chemical etching (frei) ; nanowire (frei) ; biosensor (frei) ; field effect transistor (frei) ; single trap (frei) ; random telegraph signal (rts) noise (frei) ; 1/f noise (frei) ; mosfets (frei) ; Coulomb blockade (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Auf Nanoelektronik basierende Biosensoren können biomolekulare Vorgänge mit hoher Empfindlichkeit nachweisen. Der vielversprechendste Sensor im Hinblick auf Eigenschaften wie Bio-Kompatibilität, einem hohen Verhältnis zwischen der Oberfläche und dem Volumen, Schnelligkeit und Zuverlässigkeit, ist der Silizium-Nanodraht-Feldeffekt-Transistor (SiNW-FET „Silicon nanowire field effect transistor“). In den letzten Jahren haben sowohl „bottom-up“ als auch „top-down“ Ansätze zu guten Resultaten geführt.Dennoch sind die entscheidenden Effekte, welche das Signal-Rausch Verhältnis dieser BioFETs bestimmen, noch nicht vollkommen verstanden.Das Ziel dieser Arbeit war es den „top-down“ Ansatz zu nutzen um SiNW FETs herzustellen und zu optimieren, sowie die elektrischen Transporteigenschaften der „Silicium Nanodraht FETs“ bezüglich verschiedener Kanalgrößen zu untersuchen. Dies erlaubt die intrinsischen Tieffrequenz-Eigenschaften zu verstehen und die Herstellung der Sensoren zu optimieren. Die Herstellung der Proben wurde mit lithographischem Nanoimprint-Verfahren und anisotropem Ätzen durchgeführt. Außerdem wurde Nassätzen mit KOH benutzt um die Auflösung und Reproduzierbarkeit, sowie die Stabilität der Proben zu erhöhen.Vier verschiedene Arten von Si-Nanodrähten wurden im Reinraum der „Helmholtz Nanoelectronic Facility“ im Forschungszentrum Jülich, Deutschland, mit optimiertem, CMOS-kompatiblem Verfahren hergestellt.Durch Strom-Spannungskurven-Kurven und Tieffrequenz-Rauschmessungen wurden die elektrischen Transporteigenschaften untersucht. Dabei wurde das elektrische Verhalten des SiNW FETs durch Rückseiten-Steuerelektroden („back-gate“) und Vorderseiten-Steuerelektroden („front-gate“) in gasförmiger und flüssiger Umgebung kontrolliert.Diese Messungen zeigen, dass die Größenordnung des „Flicker“-Rauschens von der Größe des Kanals abhängt, und dass die Empfindlichkeit mit zunehmender Verkleinerung des Kanals steigt. In Proben mit kurzen Kanälen wurden „Random telegraph“- Signale (RTS) registriert.Die Position und Energie im Regime der Coulomb-Blockade wurde aus Messungen im „back-gate“-Betrieb bei verschiedenen Temperaturen bestimmt. Auch im „front-gate“-Betrieb wurde das RTS-Rauschen bei verschiedenen pH-Werten und angelegten Spannungen gemessen. Dabei wurde gezeigt, dassstatt der üblichen Leitfähigkeitsmessungen die Erfassungszeit der RTS als Parameter genutzt werden kann um die Empfindlichkeit der Signalerfassung zu steigern.Biosensors based on nano-scale electronic devices have the potential to achieve exquisite sensitivity for the direct detection of biomolecular interactions. Silicon nanowire field effect transistors (Si NW FET) are the most promising candidates for these purposes because of their biocompatibility, very high surface-to-volume ratio, fast response, and good reliability of the signal. In the last decade, several promising results based on Si NW sensors, which were either fabricated by “top-down” or “bottom-up” approaches, have been reported. However, a fundamental understanding of the principle determining the signal-to-noise ratio (SNR) of the Si NW FET biosensors is still not well understood.The aim of this PhD thesis was to fabricate Si NW FETs with optimized techniques based on the “top-down” approach and to study the electrical transport characteristics of Si NW FETs with different channel dimensions in order to disclose the intrinsic low frequency noise properties and hence give the inspiration for biosensor fabrication and application.Nanoimprint lithography (NIL) and wet anisotropic etching were employed in the fabrication of our devices. In order to increase the size resolution, reproducibility and stable electrical operation properties, KOH chemical etching was used to fabricate imprint mold.Four kinds of Si NW FETs were fabricated using the optimized CMOS compatible technologies in the cleanroom of the Helmholtz Nanoelectronic Facility (HNF), Forschungszentrum Juelich, Germany.The electrical transport properties of Si NW FETs were characterized by both current-voltage characteristics and low frequency noise measurements using different configurations, including back gate control (VBG) and front gate control (VFG) in ambient conditions and in liquid environments, respectively. It was demonstrated that the magnitude of the flicker noise depends on the channel dimensions and that the signal to noise ratio increases with the shrinking of the channel dimensions. Furthermore, random telegraph signals (RTSs) were registered in devices with short channels and Coulomb Blockade energy was evaluated from the real time and low frequency noise measurements at different temperatures in a back gate configuration. RTS noise was also found in the front gate configuration at different pH values and different gate voltages. It was demonstrated that the capture time constant of the RTS can be used as a sensor analysis with a higher sensitivity of signal detection in sensor applications than conventional drain current measurements and the sensitivity can be further improved by a special design of the structures.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT018683418
Interne Identnummern
RWTH-2015-01985
Datensatz-ID: 466234
Beteiligte Länder
Germany
