Silicon nanowire transistor arrays for biomolecular detection

Vu, Xuan Thang; Offenhäusser, Andreas

doi:3856

Silicon nanowire transistor arrays for biomolecular detection = Silizium-Nanodraht-Transistor-Arrays für Detektion von Biomolekülen

Vu, Xuan Thang (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Xuan Thang Vu

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibl. 2011

UmfangVII, 174 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Schlüsseltechnologien ; 29

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-09-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38568
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/82681/files/3856.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biosensor (Genormte SW) ; Nanodraht (Genormte SW) ; Nanoprägen (Genormte SW) ; Nanostruktur (Genormte SW) ; Feldeffekttransistor (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Silicon-Nanodraht (frei) ; Nanoimprint (frei) ; FET (frei) ; biosensors (frei) ; Silicon nanowire (frei) ; field-effect transistor (frei) ; nanostructures (frei) ; nanoimprint (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Nano-Scale Biosensoren haben das Potential hervorragender Sensitivität für die direkte Detektion von biomolekularen Interaktionen. Aufgrund der guten Biokompatibilität, dem hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis, der schnellen Antwortzeit und der guten Zuverlässigkeit sind die sogenannten Silizium-Nanodraht-Feldeffekt-Transistoren (SiNW-FETs) von allen Ansätzen die vielversprechendsten Kandidaten. In den letzten Jahren wurde über verschiedene vielversprechende Ergebnisse basierend auf SiNWs zur DNA Hybridisierung oder zur extrazellulären Detektion von Aktionspotentialen berichtet. Die Fabrikation erfolgte entweder durch “top down“- oder “bottom up“-Methoden. Ziel dieser Arbeit war die Erstellung einer Methode zur Fabrikation eines großen Arrays von SiNWs auf einem Chip für die Anwendung in der Biosensorik. Um dieses Ziel zu erreichen wurde ein neuer “top down”-Ansatz entwickelt, der die Prozessierung ganzer Wafer ermöglichte und auf der Kombination der neuartigen Nanoimprint-Lithographie mit hohem Durchsatz und anisotropem Ätzen von Silizium basiert. Die Chips wurden vollständig im Institut für Bio- und Nanosysteme des Forschungszentrums Jülich gefertigt. Im gesamten Fabrikationsprozess kamen neben der Nanoimprint-Lithographie und dem anisotropen Ätzen mittels TMAH noch weitere Mikrofabrikationsschritte, wie nasschemisches Ätzen, Trockenätzen oder Photolithographie zum Einsatz. Das Chip-Design bestand entweder aus einer 4x4 Matrix, oder einer 28x2 Matrix. Durch den hier entwickelten Ansatz können die Dimensionen der Drähte, durch die Verwendung unterschiedlicher Ätzzeiten, einfach modifiziert und angepasst werden. Dies ermöglicht die volle Kontrolle der Drahtgrößen, bei gleichzeitig minimalen Kosten, da keine zusätzlichen Masken oder komplizierten Nanostrukturierungen verwendet werden müssen. Weiterhin erfolgt noch die Passivierung der Leiterbahnen mit einem hochqualitativen SiO2. Hierzu wurde die SiO2-Schicht mittels “low pressure chemical vapor deposition” (LPCVD) abgeschieden. Den letzten Schritt stellen das Drahtbonden der Chips und die Verkapselung mittels Epoxy-Kleber dar. Dies führte zu einem stabilen Chip, der in Elektrolyt-Umgebung betrieben werden kann. Hauptvorteil unseres Fabrikationsprotokolls ist die Möglichkeit der Massenproduktion mit guter Reproduzierbarkeit in Kombination mit der hohen Sensitivität der Sensoren. Die Nanodrähte wurden sorgfältig mittels verschiedener Konfigurationen wie “front gate“- und „back gate“-Kontaktierung charakterisiert und die Unterschiede in Bezug auf Stabilität des elektrischen Signals analysiert. Die Demonstration der Leistung der Chips erfolgte auch anhand der Detektion chemischer und biologischer Signale. Mit der „front gate“-Konfiguration wurde eine pH-Sensitivität von 41 mV/pH gemessen, die unabhängig von den Drahtdimensionen war. In weiteren Experimenten kamen die Chips zur Detektion von Ca2+-Ionen und zum Online-Monitoring des Aufbaus von Polyelektrolyt-Stapeln zum Einsatz. Dies wurde zur Erstellung eines Funktionsmodells zur Analyse der hohen Sensitivität der Drähte verwendet. Schließlich konnte noch die Bindung von Biotin-Streptavidin sowie die Immobilisierung und Hybridisierung von DNA mittels des Chips verfolgt werden. Die hier produzierten SiNWs zeigten ein viel größeres Signal bei der Detektion von DNA als in vergangenen Experimenten mit Standard micro-ISFETS, über die früher berichtet wurde.

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 transistor (SiNW-FET) is 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 few years, several promising results based on SiNW sensors, which were either fabricated by “top-down” or “bottom-up” methods, have been reported, such as biosensors for protein binding, DNA hybridization or the detection of extracellular signals from electrogenic cell. The aim of this work was to fabricate SiNW arrays in a large scale with robust methods and then apply for the detection of biomolecules. To achieve these tasks, we have developed a novel “top-down” approach for wafer-scale processes of SiNW arrays based on a combination of two technologies: the novel and high throughput nanoimprint lithography and wet anisotropic etching of silicon. Devices were fabricated at the clean room facility at the Institute of Bio- and Nanosystems (IBN), Research Center Juelich, Germany. By our approach, the dimensions of the SiNWs can simply be tuned using different etching times of the sub-processes. This process offers a large dimension control of the desired nanowire structures without using an expensive mask or highly complicated nanostructuring of the devices. For the full fabrication process, we employed thermal nanoimprint lithography and anisotropic etching of Si by tetramethylammonium hydroxide (TMAH) in combination with other micro-fabrication techniques such as wet etching, dry etching and photolithography to create the SiNW array sensors. Two complete fabrication rounds were finalized including top-down structuring, implantation and silicidation of contact lines, passivation of the devices with a high quality SiO2 layer deposited by a “low pressure chemical vapor deposition” (LPCVD) process to enable device operation in liquid environments, gate oxide formation, metallization. Finally, chips were wire bonded and encapsulated with epoxy glue enabling stable and reliable operation within electrolyte environments. Main advantages of our fabrication protocol are that the sensors could achieve high sensitivity, while possible mass production and reproducibility of the devices are guaranteed. The chip designs were based on either 4×4 arrays for the first round or 28×2 arrays for the second round. The SiNWs were thoroughly electronically characterized by using different configurations such as back gate control (VBG) or front gate control (VFG). We also studied the difference between front-gate and back-gate operation of the devices with respect to the stability of the electric signal. The SiNW sensors were then further applied for the detection of chemical and biological substances. First, we demonstrated the pH sensitivity of the devices and found that with front-gate operation, the pH sensitivity of the devices was 41 mV/pH and did not depend on the wire dimensions. In further experiments the devices were used for detection of Ca2+ ions and for monitoring the buildup of polyelectrolyte multilayer as a model to understand the sensitivity and detection mechanism of the SiNWs. It was also demonstrated that the SiNW arrays were sensitive to biotin-streptavidin binding and DNA immobilization and hybridization. The SiNW sensors generally showed approximately 8 times larger signals for biomolecular detection in term of flat-band voltage change in comparison to past experiments with our standard microscale ISFETs reported previously.

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