Out-of-equilibrium body potential measurements on SOI substrates : implementation and applications for biochemical detection
Mesures de potentiel hors-équilibre sur substrats SOI : implémentation et applications pour la détection biochimique
Résumé
In this thesis we propose a new paradigm for biochemical detection based on the out-of-equilibrium body potential in silicon on insulator (SOI) substrates was used in the Ψ-MOSFET configuration. This is typically used for SOI characterization and is an upside-down transistor in which the current though the silicon film is measured by two metallic pressure probes and which is driven by the back gate voltage applied on the bulk of the SOI. The channel is close to the top structure of the SOI, allowing a straightforward influence of any deposited charges on the conduction of the pseudo transistor. The originality of our work resides in the fact that instead of measuring a shift due to charges on the static I-V characteristics, we developed a new method based on the out-of-equilibrium body potential, which appears due to the lack of carriers at the transition between the accumulation and inversion regimes. Charge injection through the metallic probes for channel formation is consequently critical for this effect. Surprisingly, the metal probes on the silicon film show experimentally an ohmic behaviour, which we explained using the emergence of the metallic metastable high pressure phase of silicon by nanoindentation, due to the pressure applied by the pressure probes. Furthermore, we presented a simplified setup for the body potential measurements, which showed a great versatility and stability with regard to the pressure applied on the probes and the position of the probes. The measurements were replicated through TCAD simulations, which ultimately showed that the influence of deposited charges on the silicon film can be measured using this method. Finally, the application of the body potential method for biosensing was realized by an incremental study starting from basic silicon functionalization methods to the detection of DNA. The electric response was proportional to the DNA concentration and a limit of detection of 1µM was estimated from the experimental results. The proof of concept for this new reading method can be implemented to other field-effect devices (i.e. nanowires) and for other biochemical applications.
Dans cette thèse, nous proposons un nouveau paradigme pour la détection biochimique basé sur le potentiel hors équilibre dans des substrats de silicium sur isolant (SOI) utilisé dans la configuration Ψ-MOSFET. Ceci est typiquement utilisé pour la caractérisation SOI et il a la structure d’un transistor inversé dans lequel le courant à travers le film de silicium est mesuré par deux pointes métalliques à pression contrôlée et qui est commandé par la tension de grille arrière appliquée sur le substrat mécanique du SOI. Le canal est proche de la surface supérieure de cette structure, permettant une influence directe des charges déposées sur la conduction du pseudo-transistor. L’originalité de notre travail réside dans le fait qu’au lieu de mesurer un décalage dû à des charges sur les caractéristiques statiques courant-tension, nous avons développé une nouvelle méthode basée sur le potentiel hors équilibre, qui apparaisse en raison du manque de porteurs au moment de la transition entre les régimes d’accumulation et d’inversion. L'injection de charge à travers les sondes métalliques pour la formation de canaux est par conséquent essentielle pour obtenir cet effet. Etonnamment, les pointes métalliques posées sur le film de silicium présentent expérimentalement un comportement ohmique, ce que nous avons pu expliquer en utilisant l'apparition de la phase métallique métastable trouvée à hautes contraintes du silicium par nanoindentation, crée suite à la pression appliquée par les pointes. De plus, nous avons présenté une configuration simplifiée pour les mesures de potentiel, qui a montré une grande polyvalence et une grande stabilité en par rapport à la pression appliquée et la position des pointes. Les mesures ont été répliquées par des simulations TCAD, qui ont réussi montrer que l’influence des charges déposées sur le film de silicium pouvait être mesurée par cette méthode. Enfin, l’application de la méthode du potentiel hors équilibre à la biodétection a été réalisée par une étude incrémentale allant de méthodes de fonctionnalisation de base sur silicium jusqu’à la détection d’ADN. La réponse électrique était proportionnelle à la concentration en ADN et une limite de détection de 1 µM a été estimée à partir des résultats expérimentaux. La preuve de concept de cette nouvelle méthode de lecture peut être appliquée à d’autres dispositifs à effet de champ (nanofils) et à d’autres applications biochimiques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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