Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4247
Borstlap, Dirk
High-k Dielectrics as Bioelectronic Interface for Field-Effect Transistors
128 S., 2007
Ionensensitive Feld-Effektransistoren (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 Sourceund
Drain-Zuleitungswiderstände und die Ungültigkeit der Langkanal-Feld-Effekt-
Transistor-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 YSZISFETs
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 DNADetektion,
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 YSZISFETs
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 Feld-Effekt-Transistoren 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 und 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 capacitancevoltage
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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