Investigating the influence of pH on the transport characteristics of the silicon carbide nanowires-based field-effect transistors for environmental sensing

Abstract

Teknolojideki ilerlemenin her geçen gün artmasıyla elektronik dünyası, yenilikçi cihaz tasarımı, küçük numune boyutu ve geometrisi ile düşük güç tüketimi ile daha yüksek frekanslarda çalışacak daha verimli elektronik cihazlar aramaktadır. Son yıllarda, mevcut cihazların çoğu Si'ye dayandığından, silikon (Si), entegre teknolojide ana yarı iletken malzemelerden biri olarak kullanılmıştır. Ancak zorlu ortamlarda çalışabilen, yüksek frekanslı ve düşük güçte çalışabilen cihazlara olan talep arttıkça Si bu gereksinimleri karşılayamamaktadır. Son yıllarda silikona alternatif olarak, mükemmel fiziksel ve elektriksel taşınım özelliklerinden dolayı geniş bant aralıklı yarı iletken yapılar yaygın olarak kullanılmaktadır. Çeşitli geniş bant aralıklı yarı iletkenler arasında, tek kristalli kübik silisyum karbür (3C-SiC), yüksek kanal hareketliliği ve daha küçük enerji bant aralığı nedeniyle 200'den fazla politip arasında önemli araştırmalara konu oluyor ve bu da onu yüksek güç ve yüksek sıcaklık elektronikcihazların tasarımı için daha üstün politip haline getiriyor. Bu araştırma, 2 ila 13 arasında değişen pH değerlerine sahip çeşitli çözeltilerde transkondüktans, hareketlilik ve direnç dahil olmak üzere katkılı ve katkısız silikon karbür nanotel alan etkili transistörlerin (SiCNW-FET'ler) performans özellikleri üzerindeki pH etkisini araştırmayı amaçlamaktadır. Nitrojen katkılı SiC NWFET cihazı, pH 5'te ve 2 V'luk bir gerilimde 4,5 mS'lik yüksek bir iletkenlik ve 0,065 mΩ.cm'lik çok düşük bir özdirenç gösterirken, katkısız SiC NWFET cihazı, pH 13’te ve 2 V’luk bir gerilim altında 7,13 nS'lik daha yüksek bir iletkenlik ve nispeten daha yüksek bir özdirenç (40 Ω.cm) ortaya çıkardı. Bunun sebeib SiC nanotellerinin farklı iletkenlik tiplerine sahip olması olabilir. Ayrıca, katkısız SiCNW-FET'lerin ve nitrojen katkılı SiCNW-FET'in taşınım özellikleri üzerindeki pH etkilerinin kapsamlı bir karşılaştırması sunuldu. Ölçümler, çok çeşitli pH çözeltileri için açıkça zıt eğilimleri olduğunu ortaya koydu. Bu çalışmanın sonuçları, yüksek hassasiyete, yüksek stabiliteye ve küçük numune hacmine sahip SiCNW-FET'lerimizin kimyasal, biyokimyasal ve çevresel algılama uygulamaları için zorlu çevre uyumlu nanosensörlerin geliştirilmesi için çözümler sağlayabileceğini göstermektedir.

As the advancement in technology is increasing day by day, the electronic global is searching for more efficient electronic devices with an innovative device design, small sampling size and geometry to operate at higher frequencies with low power consumption. In past decades, silicon (Si) has been employed as one of the main semiconductor materials in integrated technology as most of the current devices are based on Si. However, with time, as the demand for withstanding harsh environments is increased, Si cannot meet these requirements mainly due to limitations in chemical and physical stability. In recent years, as an alternative to silicon, wide bandgap semiconductor nanostructures have been used extensively due to their unique physical and electrical transport properties. Among various wide bandgap semiconductors, single-crystalline cubic silicon carbide (3C-SiC) is receiving substantial research attention among more than 200 polytypes due to its higher channel mobility and smaller energy bandgap making it more supreme polytype for designing high power and high temperature electronic devices. This research aims to investigate the pH effect on the performance characteristics of doped and undoped silicon carbide nanowire field-effect transistors (SiC NWFETs) including transconductance, mobility, and resistivity at various solutions with pH values ranging from 2 to 13. The nitrogen doped SiC NWFET device demonstrates a high transconductance of 4.5 mS and very low resistivity of 0.065 mΩ.cm at pH 5 and a bias voltage of 2 V, while undoped SiC NWFET device revealed a higher transconductance of 7.13 nS and lower resistivity of 40 Ω.cm at pH 13, which is likely due to the SiC nanowire’s different conductivity types. Moreover, a comprehensive comparison of the pH effects on the transport properties of the undoped SiC NWFETs and nitrogen-doped SiC NWFET was presented and the measurements clearly revealed opposite trends for a wide range of pH solutions. The results from this study imply that our SiC NWFETs with high sensitivity, high stability, and minuscule sample volume can provide solutions for the development of harsh environment compatible nanosensors for chemical, biochemical, and environmental sensing applications.