Promotionsvortrag von Yurii Kutovyi

Ein-Fallen-Phänomene (STP) in nanoskaligen Transistor-Bauelemente 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 STPbasierten 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.

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