Наносенсоры на основе полевых и одноэлектронных транзисторов (1104016), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Автором лично разработан оригинальный метод изготовления полевого транзистора с омическимиконтактами к каналу-нанопроводу на основе неравномерно легированногокремния на изоляторе. Совместно с соавторами исследованы транспортныеи шумовые характеристики сильно легированных кремниевых одноэлектронных транзисторов в диапазоне температур 15 мК-4,2 К. Совместно с соавторами автором создан одноэлектронный одноатомный транзистор на основеединичных атомов мышьяка в кремнии.
Совместно с соавторами автор непосредственно участвовал в написании научных статей, а также подготовке ипредставлении докладов и постеров на научных конференциях.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии.Общий объем диссертации составляет 143 страницы, включая 64 рисунка.Библиография включает 114 наименований.9Содержание работыВо Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показанапрактическая значимость полученных результатов.В первой главе на основе изучения данных научно-технической литературы анализируется состояние исследований и разработок в области наноразмерных полевых/зарядовых сенсоров, базирующихся на полевых и одноэлектронных транзисторах.
Анализ накопленного в этом направлении опыта позволил сделать ряд выводов, определивших общее направление исследований,а также определить конкретные технологические методы экспериментальногосоздания наноструктур, рассмотренных в данной работе:• полевой транзистор на основе НП и одноэлектронный транзистор являются наиболее чувствительными полевыми/зарядовыми сенсорами спересекающимися диапазонами рабочих температур, охватывающимиобласть от единиц миликельвин до 300 К;• наиболее перспективным способом создания транзисторов являются традиционные для микро- и наноэлектроники методы, такие как электронная и оптическая литографии, напыление тонких пленок, реактивноеионное и жидкостное травление,• для изготовления наноструктур, как наиболее технологичный, выбранматериал «кремний на изоляторе» (КНИ), состоящий из тонкого, ∼100 нм,верхнего слоя кремния, отделённого от толстой подложки слоем SiO2 ;• использование транзисторов в роли полевого/зарядового сенсора накладывает требование прямого доступа к его чувствительному элементу,поэтому конструкция сенсора требует специальной разработки и существенно отличается от используемой в традиционной полупроводниковой электронике.10ИстокTi электродSi нанопроводСтокTi электродРис.
3. Изображения изготовленной структуры транзистора и нанопровода.Вторая глава посвящена созданию биохимического сенсора на основекремниевого НП для проведения измерений в жидких проводящих средах(специальных солевых, буферных, растворах с различным уровнем кислотности — pH). В первой части второй главы описан разработанный методсоздания полевого транзистора с каналом-нанопроводом и металлическими(Ti) контактами к областям стока и истока, а также метод изоляции проводящих электродов транзистора для проведения измерений в жидких средах(Рисунок 3).
Метод состоит из последовательных процессов электронной литографии в слое резиста полиметилметакрилата (ПММА), формирующегорисунок канала транзистора и контактных площадок, напыления алюминиячерез созданную полимерную маску и её удаления в т.н. процессе «взрыва»,переноса рисунка полученной алюминиевой маски в верхний слой пластиныКНИ путём реактивного ионного травления, напыления подводящих Ti электродов, образующих барьер Шоттки к кремнию, и последующего напылениядиэлектрического слоя SiO2 поверх Ti электродов.
Использование металлических электродов позволяет значительно упростить изготовление транзистора и избежать трудоемких процессов легирования и термической активациипримесей в случае формирования транзистора традиционными способами.11Такой транзистор, с длинным и узким каналом, функционирует аналогично обычному полевому транзистору (в роли затвора выступает нижнийслой кремния пластины КНИ), однако малые поперечные размеры НП позволяют значительно повысить чувствительность сенсора. Измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) происходили в режиме задания напряжениямежду стоком и истоком транзистора и измерения тока через нанопровод приразличных напряжениях на подложке-затворе транзистора.
При измерении вжидкой среде, для управления током транзистора помимо затвора-подложкипластины КНИ, использовался электрод сравнения (ЭС), опущенный в раствор. Электрод сравнения был изготовлен из серебряной проволоки, покрытойслоем хлорида серебра, и выполнял роль второго затвора транзистора.Были изучены вопросы работы транзистора в зависимости от pH среды иеё стабильности (ионной силы). Оценка чувствительности разработанного иизготовленного сенсора проведена путем измерения отклика транзистора наизменение pH, который достиг предельного теоретически возможного уровняв ∼60 мВ/pH (Рисунок 4,ΔэсΔ=500−380 мВ8−6 = 60 мВ/).
Тестирование процесса детектирования молекул в жидкости происходило методом сорбции наповерхности НП сильно заряженных молекул (полиэлектролитов) хлоридаполидиметидиаллиламмония и полианетолсульфоната натрия. После сменыраствора с полиэлектролитами на исходный буфер в обоих случаях исследуемые структуры транзисторов детектировали сигнал, соответствующий сорбировавшимся на поверхности молекулам. Проводимость канала изменялась(увеличивалась/уменьшалась) в соответствии со знаком заряда сорбировавшихся на его поверхности молекул.
Таким образом, транзисторы демонстрировали чувствительность к изменению поля, созданного заряженными молекулами, расположенными на поверхности канала-нанопровода.После модификации поверхности НП и привязки к ней органическогокомплекса на основе белка G, способного к биоспецифическому связываниюантиген-антитело с моноклональными мышиными антителами к трансферри12pH 6pH 6−1,2I (нА)−1−0,8Vэс =0,50 ВVэс =0,38 В−0,6−0,4−0,2pH 626002800pH 830003200Время (с)34003600Рис. 4. Отклик сенсора на изменение pH раствора при различных напряжениях на электродесравнения, напряжение Vсток-исток =−0,5 В, Vз =6 В.ну, транзистор стал способен детектировать специфические взаимодействияна поверхности его канала. Химическая реакция связывания белков с антителами приводила к изменению электрического поля вблизи НП, воздействиюполя на канал транзистора, и, как результат, к изменению его транспортного тока.
Пример отклика на специфическое связывание приведен на Рисунке 5. Для определения количества центров связывания на поверхности НПбелковый комплекс был помечен золотыми наночастицами размером 5 нм,хорошо различимыми при исследовании поверхности при помощи растровогоэлектронного микроскопа. Полученные изображения показывают, что откликтранзистора на пришивку антител обеспечивается всего несколькими сотнями центров связывания (400 центров на 1 мкм2 поверхности), что позволяетговорить о высокой чувствительности полученного биосенсора, а способностьбезмаркерного детектирования открывает широкие возможности его применения.Основные результаты второй главы опубликованы в работах [1–3, 7].13Специфическое связываниеНеспецифическое связывание−0,07I (нА)−0,06−0,05−0,04−0,030300 600 900 1200 1500 1800 2100Время (с)Рис.
5. Отклик биосенсора на основе нанопровода (ширина НП – 85 нм) при наличии врастворе 5 мкг/мл специфических антител и 5 мкг/мл неспецифического белка бычьегосывороточного альбумина (БСА), напряжение Vсток-исток =−0,5 В, Vз =6 В, pH 6, Vэс =0,4 В.В третьей главе проведено исследование шумовых характеристик транзисторов с барьерами Шоттки, аналогичных описанным во второй главе. Принормальных условиях изучались структуры с различной геометрией НП (прямой и V-образной) и различными материалами подводящих электродов (Ti иPt).
Измерения происходили в режиме задания напряжения между стоком иистоком транзистора и измерения тока через нанопровод. Измерялись флуктуации тока и анализировались соответствующие им спектральные плотностив диапазоне частот 0,2-100 Гц при более чем 400 различных значениях напряжений исток-сток (от -2 В до 6 В) и исток-затвор (от -1 В до 3 В). На основеизмеренных данных предложен метод поиска оптимальной рабочей точкитранзистора, заключающийся в поиске области с максимальным отношениемкрутизны сигнальной характеристики транзистора к плотности флуктуацийтока в единичной полосе.
Для рабочей точки с максимальным значением данного отношения значение крутизны составило 1,2 нА/В, а плотность флукту14√аций тока — 0,3 пА/ Гц на частоте 10 Гц. Проведённый анализ подтвердилпредположение о наличии рабочей точки в области малых напряжений —в подпороговом режиме работы транзистора, при несформировавшемся канале носителей заряда. На основании экспериментальных данных проведена оценка характерной зарядовой чувствительности транзисторов, полученызначения менее 1 /Гц на частоте 10 Гц при T=300 К.В четвертой главе исследуются полевые транзисторы с каналом-нанопроводом из неравномерно легированного КНИ. Для создания неравномернойпо глубине концентрации допантов пластины КНИ подвергались бомбардировке пучком ионов As малой энергии (6 кэВ, процесс ионной имплантации)и быстрому термическому отжигу.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
