Single-trap phenomena in nanowire biosensors
Creators: name: Kutovyi, Yurii
Publisher: name: TU Dortmund
Year: 2021
Subjects: subject: Single-trap phenomena
subject: Nanowires
subject: Field-effect transistors
subject: Noise spectroscopy
subject: Noise suppression
subject: Gate-coupling effect
subject: Biosensors
subject: 530

description: Ein-Fallen-Phänomene (STP) in nanoskaligen Transistor-Bauelementen besitzen herausragende Eigenschaften, die für viele nützliche und wichtige Anwendungen, einschließlich der Informationstechnologien und Biosensorik, vielversprechend sind. In dieser Doktorarbeit wurde ein neuartiger Biosensor-Ansatz vorgeschlagen und demonstriert, der auf der Überwachung von STP-Parametern als Funktion von Ziel Biomolekülen auf der Oberfläche von flüssigkeitsgesteuerten (LG) Silizium (Si) Nanodraht (NW) Feldeffekttransistor (FET) Biosensoren basiert. Um die STP-Dynamik zu erhöhen und die Effizienz des vorgeschlagenen Ansatzes zu verbessern, wurden einzigartige zweischichtige (TL) NW FETs mit NW-Kanälen, die aus zwei Siliziumschichten mit unterschiedlichen Konzentrationen von Dotierstoffen bestehen, entworfen und hergestellt. Ein stabiler und leckfreier Betrieb in einer Flüssigkeit bestätigt die hohe Qualität der TL-NW-Bauelemente. Gleichzeitig unterscheiden sich die hergestellten TL Nanostrukturen konzeptionell von den konventionellen, gleichmäßig dotierten Si-NWs und zeigen, im Vergleich zur Vorhersage der klassische Shockley-Read-Hall-Theorie, statistisch ausgeprägtere STP mit wesentlich stärkeren Einfangzeitabhängigkeiten vom Drainstrom. Eine umfassende Analyse der experimentellen Daten, die bei tiefen Temperaturen aufgenommen/vermessen wurden, ermöglichte die Identifizierung des Ursprungs der einzelnen Fallen in den hergestellten TL NWs als einen Leerstellen-Bor-Komplex. Anhand der hergestellten TL NW FET Biosensoren wurden mehrere wichtige Effekte aufgedeckt, die eine Verbesserung der Sensorfähigkeiten von STP-basierten Bauelementen ermöglichen. Erstens wurde ein signifikanter Effekt der Kanaldotierung auf die Quantentunneldynamik von Ladungsträgern zu/von einer einzelnen Falle in TL-Nanostrukturen registriert, analysiert und im Rahmen des vorgeschlagenen analytischen Modells erklärt. Zweitens wurde ein ausgeprägter Feinabstimmungseffekt der STP-Parameter durch Anwendung eines Back-Gate-Potentials auf die LG TL NW FETs experimentell aufgedeckt und durch numerische Simulationen unterstützt. Diese einzigartige Eigenschaft von STP in TL NWs ermöglicht es, die Empfindlichkeit der STP-basierten Biosensoren auf eine gut kontrollierbareWeise zu verbessern. Darüber hinaus bieten STP in NW-FET-Bauelementen eine große Chance für die Unterdrückung des niederfrequenten Rauschens. Unter Berücksichtigung einer Trap Belegungswahrscheinlichkeit (g-Faktor) als Signal wurde eine neue Methode zur Abschätzung des g-Faktor-Rauschens vorgeschlagen und angewandt. Als Ergebnis wurde die effektive Unterdrückung des tieffrequenten Rauschens auch jenseits des thermischen Rauschgrenzpegels experimentell und numerisch nachgewiesen. Das abgeleitete analytische Modell zeigte eine hervorragende Übereinstimmung mit den Ergebnissen und unterstrich die Bedeutung von STP für Biosensorik-Anwendungen. Unter Ausnutzung der einzigartigen Vorteile von STP in den hergestellten TL-NW-FET-Biosensoren wurden mehrere Proof-of-Concept-Anwendungen einschließlich hochempfindlicher Detektion von chemischen und biologischen Zielanalyten demonstriert: mono- und divalente Ionen, Ascorbatmoleküle und Amyloid-beta-Peptide. Somit stellen die durchgeführten Experimente zusammen mit den entwickelten analytischen Modellen einen großen Fortschritt auf dem Gebiet der Biosensoren dar und ebnen den Weg für die nächste Generation neuartiger, ultrasensitiver bioelektronischer Sensoren, die Ein-Fallen-Phänomene nutzen.
description: Single-trap phenomena (STP) in nanoscale transistor devices possess outstanding properties that are promising for many useful and important applications including information technologies and biosensing. In this thesis, a novel biosensing approach based on monitoring of STP parameters as a function of target biomolecules on the surface of liquid-gated (LG) silicon (Si) nanowire (NW) field-effect transistor (FET) biosensors was proposed and demonstrated. To enhance STP dynamics and improve the efficiency of the approach, unique two-layer (TL) NW FETs with NW channels consisting of two Si layers with different concentrations of dopants were designed and fabricated. A stable and leakage-free operation in liquid confirms the high quality of TL NW devices. At the same time, fabricated TL nanostructures are conceptually different from the conventional uniformly doped Si NWs and demonstrate more statistically pronounced STP with considerably stronger capture time dependencies on drain current compared to that predicted by classical Shockley-Read-Hall theory. A comprehensive analysis of the experimental data measured at low temperatures allowed the identification of the origin of single traps in TL NWs as a vacancy-boron complex. Several important effects enabling the advancement of sensing capabilities of STP-based devices were revealed using fabricated TL NW FET biosensors. First, a significant effect of channel doping on the quantum tunneling dynamics of charge carriers to/from a single trap was registered in TL nanostructures, analyzed, and explained within the framework of the proposed analytical model. Second, a distinct fine-tuning effect of STP parameters by applying a back-gate potential to LG TL NW FETs was experimentally revealed and supported by numerical simulations. Such a unique feature of STP in TL NWs allows the sensitivity of STP-based biosensors to be enhanced in a well-controllable way. Furthermore, STP in NW FETs offer a great opportunity for the suppression of low-frequency noise. Considering a trap occupancy probability (g-factor) as a signal, a new method for the estimation of g-factor noise was proposed and utilized. As a result, the effective suppression of the low-frequency noise even beyond the thermal noise limit was experimentally and numerically demonstrated. The derived analytical model showed an excellent agreement with the obtained results underlining the importance of STP for biosensing applications. Utilizing the unique advantages of STP in fabricated TL NW FET biosensors, several proof-of-concept applications including high-sensitive detection of target chemical and biological analytes: mono- and divalent ions, ascorbate molecules, and amyloid-beta peptides were demonstrated. Thus, the performed experiments together with the developed analytical models represent a major advance in the field of biosensors and pave the way for the next generation of novel ultrasensitive bioelectronic sensors exploiting single-trap phenomena.