High-k dielectrics as bioelectronic interface for field effect transistors

Borstlap, Dirk; Offenhäusser, Andreas

doi:0366-0885

High-k dielectrics as bioelectronic interface for field effect transistors = High-k Dielektrika als bioelektronische Grenzfläche für Feldeffekttransistoren

Borstlap, Dirk (Author)

2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dirk Borstlap

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibl., Verl. [u.a.] 2007

Umfang128 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheBerichte des Forschungszentrums Jülich ; 4247

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-10-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-18772
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61757/files/Borstlap_Dirk.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Feldeffekttransistor (Genormte SW) ; Bioelektronik (Genormte SW) ; Dielektrikum (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Zell-Transistor-Kopplung (frei) ; High-k Dielektrika (frei) ; Field-Effect Transistor (frei) ; Bioelectronics (frei) ; High-k Dielectrics (frei) ; Cell-Transistor Coupling (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) werden als bioelektronische Sensoren für die Zell-Transistor-Kopplung und für die Detektion von DNA-Sequenzen verwendet. Als Standard Gatedielektrikum kommen hierbei thermisch gewachsene SiO2 Schichten zum Einsatz. In der vorliegenden Dissertation wurde zunächst untersucht, inwiefern high k Dielektrika geeignet sind, die Gatekapazität und damit das Signal Rausch Verhältnis von bioelektronischen ISFETs zu erhöhen: Beim Kultivieren von primären Rattenneuronen auf den entsprechenden high k Dielektrika erwiesen sich Al2O3, yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), DyScO3, CeO2, LaAlO3, GdScO3 und LaScO3 als biokompatible Substrate. Zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften der high-k Dielektrika wurden umfangreiche elektrische und elektrochemische Strom-Spannungs-Messungen und Kapazitäts-Spannungs-Messungen durchgeführt. Hohe Dielektrizitätskonstanten der produzierten Al2O3-, YSZ- und DyScO3-Schichten ermöglichten die Herstellung von ISFETs mit deutlich höherer Eingangskapazität als die bisher verwendeten SiO2-Standard-ISFETs. Die erzielten Durchbruchsfeldstärken der Al2O3-, YSZ- und DyScO3- Schichten gewährleisteten ihren zuverlässigen Einsatz als ISFET-Gatedielektrika. Kleine Hysteresen in den Kapazitäts-Spannungs-Messungen ließen auf geringe Oberflächenzustandsdichten und gute Stabilität gegen elektrostatisches Aufladen schließen. Im zweiten Teil der Dissertation wurden Standard-SiO2-ISFETs mit geringerer Eingangsgatekapazität und high-k dielektrische Al2O3-, YSZ- und DyScO3-ISFETs umfassend in Bezug auf ihr Signal Rausch Verhältnis, ihre Ionensensitivität und ihr Driftverhalten charakterisiert und miteinander verglichen. Hierbei zeigte sich, dass sich die Transkonduktanz und das Signal-Rausch-Verhältnis der high-k ISFETs nicht ihrer höheren Eingangskapazität entsprechend verbesserten. Es wird angenommen, dass hohe Source- und Drain-Zuleitungswiderstände und die Ungültigkeit der Langkanal-Feldeffekttransistor-Gleichung für die verwendeten ISFETs die Ursachen hierfür sind. Bei den Ionensensitivitätsmessungen reagierten die YSZ-ISFETs erheblich empfindlicher auf K+- und Na+-Ionen als die SiO2-, Al2O3- und DyScO3-ISFETs. Daher sind YSZ-ISFETs geeignet, den Einfluss der Ionensensitivität des Gatedielektrikums im Zell-Transistor-Kopplungsmechanismus zu untersuchen. In Driftlangzeitmessungen drifteten die YSZ-ISFETs sehr viel länger und weiter als die anderen ISFETs. Als Ursache wird eine höhere Porosität der YSZ-Filme angenommen. Im abschließenden dritten Dissertationsteil wurden mit den high-k ISFETs bioelektronische Experimente durchgeführt. Die abwechselnde Abscheidung entgegengesetzt geladener Polyelektrolytschichten, ein Modellexperiment für die DNA-Detektion, wurde mit Al2O3- und DyScO3-ISFETs erfolgreich durchgeführt. Bei ersten DNA-Experimenten mit Al2O3-ISFETs wurden kleine Hybridisierungssignale gemessen. Die Kopplung zwischen YSZ- und DyScO3-ISFETs und der HL-1 Herzzelllinie wurden in proof of principle-Experimenten erfolgreich durchgeführt. Die von HL-1 Zellen mit YSZ-ISFETs gemessenen Signalformen wichen erheblich von den entsprechenden Messungen mit SiO2- und DyScO3-ISFETs ab: Nach dem Einsetzen des K+-Stromes zeigten die mit YSZ-ISFETs gemessenen Aktionspotentiale eine starke Drift in die dem K+-Stromsignal entgegengesetzte Richtung. In den YSZ-Ionensensitivitätsmessungen war gezeigt worden, dass diese Drift eine intrinsische Eigenschaft von YSZ ist. Daher wird in einer allgemeinen Schlussfolgerung angenommen, dass die bei der Zell-Transistor-Kopplung gemessenen Signalformen von den chemischen Eigenschaften der Gateoxidoberfläche beeinflusst werden. Erste Kopplungsexperimente zwischen HEK 293 Zellen, die mit einem K+-Ionenkanal transfisziert waren, und YSZ-ISFETs bestärkten die Vermutung von den HL-1 Experimenten, dass das charakteristische Driftverhalten der YSZ-ISFETs die gemessenen Signalformen beeinflusst. Zusammenfassend erwies sich insbesondere DyScO3 als hervorragendes bioelektronisches Interface für Feldeffekttransistoren mit hoher Eingangskapazität: Die DyScO3-Filme hatten eine hohe dielektrische Konstante und bewiesen bei den Ionensensitivitätsmessungen und den Driftlangzeitmessungen gute chemische Stabilität. Darüber hinaus wurde die Biokompatibilität der DyScO3-Filme in erfolgreichen Kopplungsexperimenten mit elektrisch aktiven Zellen demonstriert.

Ion-sensitive field-effect transistors (ISFETs) are employed as bioelectronic sensors for the cell-transistor coupling and for the detection of DNA sequences. For these applications, thermally grown SiO2 films are used as standard gate dielectric. In the first part of this dissertation, the suitability of high-k dielectrics was studied to increase the gate capacitance and hence the signal-to-noise ratio of bioelectronic ISFETs: Upon culturing primary rat neurons on the corresponding high-k dielectrics, Al2O3, yttria stabilised zirkonia (YSZ), DyScO3, CeO2, LaAlO3, GdScO3 and LaScO3 proved to be biocompatible substrates. Comprehensive electrical and electrochemical current-voltage measurements and capacitance-voltage measurements were performed for the determination of the dielectric properties of the high-k dielectrics. High dielectric constants of the produced Al2O3, YSZ and DyScO3 films facilitated the processing of ISFETs with considerably higher input capacitances than the standard SiO2 ISFETs. The achieved breakdown fields of the Al2O3, YSZ und DyScO3 films ensured their reliable employment as ISFET gate dielectric. Good stability against electrostatic charging and small interface state densities were concluded from small hysteresis in the capacitance-voltage measurements. In the second part of the dissertation, standard SiO2 ISFETs with lower input capacitance and high-k dielectric Al2O3, YSZ und DyScO3 ISFETs were comprehensively characterised and compared with each other regarding their signal-to-noise ratio, their ion sensitivity and their drift behaviour. One of the results was that the transconductance and the signal-to-noise ratio of the high-k ISFETs did not improve according to their higher input capacitance. It is assumed that high source and drain feed line resistances and the invalidity of the long-channel field-effect transistor equation for the employed ISFETs are the underlying reasons. The ion sensitivity measurements showed that the YSZ ISFETs were considerably more sensitive to K+ and Na+ ions than the SiO2, Al2O3 und DyScO3 ISFETs. Hence YSZ ISFETs are suited to study the impact of the ion sensitivity of the gate dielectric in the cell-transistor coupling mechanism. In long-term drift measurements, the YSZ ISFETs drifted much longer and further than the other ISFETs. Higher porosity of the YSZ films is assumed as underlying reason. In the final third part of the dissertation, bioelectronic experiments were performed with the high-k ISFETs. Alternating deposition of oppositely charged polyelectrolyte layers, a model experiment for DNA detection, was successfully carried out with Al2O3 and DyScO3 ISFETs. In first DNA detection experiments with Al2O3 ISFETs, small hybridisation signals were measured. Coupling between YSZ and DyScO3 ISFETs and the HL-1 heart cell line was performed successfully in proof of principle experiments. The shape of the signals, which were measured from HL-1 cells with YSZ ISFETs, differed considerably from the corresponding measurements with SiO2 and DyScO3 ISFETs: After the onset of the K+ current, the action potentials measured with YSZ ISFETs showed a strong drift in the direction opposite to the K+ current signal. In the YSZ ion sensitivity measurements, it was shown that this drift is an intrinsic property of YSZ. Therefore, in a general conclusion, it is assumed that the signal shapes measured in cell-transistor coupling experiments are influenced by the chemical properties of the gate oxide surface. First coupling experiments between HEK 293 cells, which were transfected with a K+ ion channel, and YSZ ISFETs affirmed the assumption from the HL-1 experiments that the characteristic drift behaviour of YSZ ISFETs influences the measured signal shapes. In summary, especially DyScO3 has proven to constitute an excellent bioelectronic interface for field-effect transistors with high input capacitance: The DyScO3 films exhibited a high dielectric constant and good chemical stability in the ion sensitivity measurements and the long-term drift measurements. Furthermore, the biocompatibility of the DyScO3 films was demonstrated in successful coupling experiments with electrically active cells.

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