ФІЗИЧНА МОДЕЛЬ ТИМЧАСОВОЇ НЕСТАБІЛЬНОСТІ СТРУМУ В ІОН-СЕЛЕКТИВНИХ ПОЛЬОВИХ ТРАНЗИСТОРАХ З ДІЕЛЕКТРИЧНИМИ ШАРАМИ ОКСИДУ/НІТРИДУ КРЕМНІЮ
DOI:
https://doi.org/10.18524/1815-7459.2023.3.288163Ключові слова:
іон-селективний польовий транзистор, рН-чутливий електрод, порогова напруга, дрейф, нітрид кремнію, кулонівські пастки, дірковий перенос зарядуАнотація
Робота присвячена дослідженню нестабільності (дрейфу) порогової напруги p-канальних іон-селективних польових транзисторів (ІСПТ) з індукованим каналом, викликаної тривалим впливом негативної напруги, що прикладається на ділянку каналу транзистора через двошаровий діелектрик SiO2/Si3N4. На основі отриманих експериментальних даних запропоновано фізичну модель спостережуваної нестабільності, згідно якої вона обумовлена процесом накопичення нерівноважного позитивного заряду в приповерхневому шарі нітриду кремнію. Для кількісного розрахунку параметрів моделі залучено механізми надбар’єрної іонізації Пула–Френкеля та багатофононної іонізації глибоких центрів. Окреслено конструктивні та технологічні вдосконалення, що можуть покращити стабільність ІСПТ датчиків для тривалих безперервних вимірювань у розчинах.
Посилання
O. O. Soldatkin, S. V. Marchenko, O. L. Kukla, O. S. Pavliuchenko, S. V. Dzyadevych, O. P. Soldatkin. Multybiosensorna systema na osnovi rN-chutlyvykh polovykh tranzystoriv dlia odnochasnoho vyznachennia hliukozy, kreatyninu ta sechovyny // Sens. elektron. mikrosist. tehnol., 2018, 15 (2), p. 54–66 (in Ukrainian).
O. L. Kukla, S. V. Marchenko, O. A. Zinchenko, O. S. Pavluchenko, S. V. Dzyadevych, O. P. Soldatkin. Biosensor Measurement of Urea Concentration in Human Blood Serum // Proceedings of World Academy of Science, Engineering and Technology, Issue 68, August 2012, Oslo, Norway, pp. 147–151.
S. V. Marchenko, O. A. Zinchenko, O. L. Kukla, O. S. Pavliuchenko, S. V. Dzyadevych, O. P. Soldatkin. Optymizatsiia biosensornoho vyznachennia kontsentratsii sechovyny v syrovattsi krovi liudyny // Sens. elektron. mikrosist. tehnol., 2012, Vol. 3(9), No. 1, p. 53–61 (in Ukrainian).
O. A. Zinchenko, S. V. Marchenko, T. A. Sergeyeva, A. L. Kukla, A. S. Pavlyuchenko, E. K. Krasyuk, A. P. Soldatkin, A. V. El’skaya. Application of creatinine-sensitive biosensor for hemodialysis control // Biosensors and Bioelectronics, 2012, 35, pp. 466–469.
S. V. Marchenko, O. A. Nazarenko, O. L. Kukla, O. S. Pavliuchenko, E. K. Krasiuk, O. P. Soldatkin. Rozrobka kreatynin-chutlyvoho biosensora dlia medychnoho zastosuvannia // Sens. elektron. mikrosist. tehnol., 2009, No. 4, p. 55–62 (in Ukrainian).
O. L. Kukla, O. O. Soldatkin, A. S. Pavluchenko, I. S. Kucherenko, V. M. Peshkova, V. N. Arkhypova, S. V. Dzyadevych. Toxicity Analysis of Real Water Samples of Different Origin with ISFET Multibiosensor // Biochemistry and Biophysics, 2014, 2, Iss. 1, pp. 7–12.
A. L. Kukla, A. S. Pavluchenko, Yu. V. Goltvianskyi, O. O. Soldatkin, V. M. Arkhypova. Express Monitoring of Overall Toxicity and Separate Chemicals in Water Solutions with the ISFET Arrays // Report on the 34th AMOP Technical Seminar on Environmental Contamination and Response, Alberta, Canada, October 4–6, 2011, pp. 966–975.
A. S. Pavlyuchenko, A. L. Kukla, YU. V. Goltvyanskij. Primenenie ionoselektivnyh polevyh tranzistorov dlya fermentnogo analiza toksichnyh primesej v vodnyh rastvorah // Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoj apparature, 2010, No. 3 (87), s. 35–46 (in russian).
O. O. Soldatkin, O. S. Pavlyuchenko, O. L. Kukla, V. M. Arkhypova, S. V. Dzyadevych. Rozroblennia protsedury multybiosensornoho vyznachennia vazhkykh metaliv i pestytsydiv u dovkilli // Biotekhnolohiia, 2010, t. 3, No. 2, p. 71–81 (in Ukrainian).
O. O. Soldatkin, O. S. Pavlyuchenko, O. L. Kukla, I. S. Kucherenko, V. M. Pieshkova, V. M. Arkhypova, S. V. Dzyadevych, O. P. Soldatkin, H. V. Yelska. Vykorystannia fermentnoho multybiosensora pry analizi toksychnosti realnykh vodnykh zrazkiv riznoho pokhodzhennia // Biopolymers and Cell, 2009, 25, No. 3, pr. 204–209 (in Ukrainian).
O. O. Soldatkin, O. S. Pavlyuchenko, O. L. Kukla, V. M. Arkhypova, S. V. Dzyadevych, O. P. Soldatkin, H. V. Yelska. Optymizatsiia roboty multybiosensora pry inhibitornomu analizi toksyniv // Biopolimery i klityna, 2008, Vol. 24, No. 6, s. 494–502 (in Ukrainian).
O. L. Kukla, O. S. Pavlyuchenko, Yu. V. Holtvianskyi, O. O. Soldatkin, V. M. Arkhypova, S. V. Dzyadevych, O. P. Soldatkin. Sensorni masyvy na osnovi dyferentsiinykh ISPT-elementiv dlia monitorynhu toksychnykh rechovyn pryrodnoho ta shtuchnoho pokhodzhennia // Sens. elektron. mikrosist. tehnol., 2008, No. 2, p. 58–68 (in Ukrainian).
W. Sui and R. Cobbold. Basic properties of the electrolyte- SiO 2 -Si system: Physical and theoretical aspects // IEEE Trans. on Electron Devices, 1979, Vol. ED-26, No. 11, pp. 1805–1815.
G. T. Yu, S. K. Yen. Hydrogen ion diffusion coefficient of silicon nitride thin films // Applied Surface Science, 2002, 202, pp. 68–72.
R. Kühnhold, H. Ryssel. Modeling the pH response of silicon nitride ISFET devices // Sensors and Actuators, B, 2000, 68, pp. 307–312.
D. J. Breed, R. P. Kramer. Charge trapping in MOS systems // Thin Solid Films, 1972, 13, No. 1, pp. 1–4.
C. Zi. Fizika poluprovodnikovyh priborov, M.: Mir, 1984, Vol. 1, 455s. (in russian)
A. S. Pavlyuchenko, A. L. Kukla, Yu. V. Gol tvyanskij, V. M. Arhipova, S. V. Dzya devich, A. P. Soldatkin/ Issledovanie stabil’nosti harakteristik pN-chuvstvitel’nyh polevyh tranzistorov // Optoelektronika i poluprovodnikovaya tekhnika, Kiev, Naukova dumka, 2010, 45, s. 90–99 (in russian).
A. S. Pavluchenko, A. L. Kukla, Yu. V. Goltvianskyi, O. O. Soldatkin, V. M. Arkhypova, S. V. Dzyadevych, A. P. Soldatkin. Investigation of stability of the pH-sensitive field-effect transistor characteristics // Sensor Letters, 2011, 9(6), pp. 2392–2396.
S. Lozovoy, A. Kukla, A. Pavluchenko. Investigation of Metrological Performance of the ISFET-Based pH Sensors // Sensors and Transducers Journal, 2014, 27, pp. 225–232.
A. L. Kukla, S. V. Lozovoj, A. S. Pavlyuchenko, S. N. Nagibin. Issledovanie metrologicheskih parametrov datchikov na osnove rN-chuvstvitel’nyh polevyh tranzistorov // Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoj apparature, 2013, № 2–3, s. 61–68 (in russian).
S. V. Lozovyi, O. L. Kukla, O. S. Pavlyuchenko, Yu. V. Holtvianskyi, M. M. Pry shchepa. Rozrakhunok elektro-fizychnykh parametriv ionoselektyvnykh polovykh tranzystoriv: teoretychni ta praktychni aspekty // Sens. elektron. mikrosist. tehnol., 2013, Vol. 10, No. 2, p. 50–61 (in Ukrainian).
O. O. Soldatkin, O. A. Nazarenko, O. S. Pavlyuchenko, O. L. Kukla, V. M. Arkhipova, S. V. Dzyadevych, O. P. Soldatkin, H. V. Yelska. Optymizatsiia roboty fermentnykh bioselektyvnykh elementiv yak skladovykh potentsiometrychnoho multybiosensora // Biopolimery i klityna, 2008, Vol. 24, No. 1, s. 41–50 (in Ukrainian).
A. L. Kukla, A. S. Pavlyuchenko, Yu. V. Goltvyanskij, YU. M. Shirshov. Mnogoelementnye sensornye massivy na osnove integral’nyh kremnievyh ionoselektivnyh polevyh tranzistorov dlya sistem himicheskogo monitoringa // Optoelektronika i poluprovodnikovaya tekhnika, Kiev, Naukova dumka, 2007, 42, s. 72–79 (in russian).
B. H. Yun. Measurements of charge propagation in Si 3 N 4 films // Applied Physics Letters, 1974, 25, Iss. 6, pp. 340–342.
B. H. Yun. Electron and hole transport in CVD Si 3 N 4 films // Applied Physics Letters, 1975, 27, Iss. 4, pp. 256–258.
P. C. Arnett, Z. A. Weinberg. A review of recent experiments pertaining to hole transport in Si3N4 // IEEE Transactions on Electron Devices, 1978, ED-25, pp. 1014–1018.
S. M. J. Sze. Current Transport and Maximum Dielectric Strength of Silicon Nitride Films // Appl. Phys, 1967, 38, No. 7, pp. 2951–2956.
P. C. Arnett, B. H. Yun. Silicon nitride trap properties as revealed by charge- centroid measurements on MNOS devices // Applied Physics Letters, 1975, 26, Iss. 3, pp. 94–96.
C. M. Svensson. The conduction mechanism in silicon nitride films // Journal of Applied Physics, 1977, 48, Iss. 1, pp. 329–335.
V. M. Maslovskij, A. P. Nagin, Yu. R. Chernyshev. Mikroelektronika // 1985, Vol. 14, No. 3, s. 239 (in russian).
Ya. I. Frenkel’. K teorii elektricheskogo proboya v dielektrikah i elektronnyh poluprovodnikah // ZHETF, 1938, Vol. 8. No. 12, s. 1292–1301 (in russian).
Yu. N. Morokov. Modelirovanie perenosa zaryada v nitride kremniya // Trudy Mezhdunarodnoj konferencii RDAMM, 2001, Vol. 6, ch. 2, s. 450–457 (in russian).
Yu. N. Novikov. Effekt Pula-Frenkelya s uchetom mnogofononnoj ionizacii glubokih centrov v amorfnom nitride kremniya // Fizika tverdogo tela, 2005, Vol. 47, vyp. 12, s. 2142–2145 (in russian).
V. N. Abakumov, V. Karpus., V. I. Perel’, I. N. Yasievich // FTP, 1988, Vol. 22, No. 2, s. 262 (in russian).
L. K. Meixner, S. Koch. Simulation of ISFET operation based on the site-binding model // Sensors and Actuators, B, 1992, 6, No. 1–3, pp. 315–318.
R. E. G. van Hal, J. C. T. Eijkel, P. Bergveld. A novel description of ISFET sensitivity with the buffer capacity and double-layer capacitance as key parameters // Sensors and Actuators, B, 1995, 24–25, pp. 201–205.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Авторське право переходить Видавцю.
