前言

现代生物传感器是一个研究热点，可以在许多不同的材料平台上检测各种各样的分析物。其中，AlGaN/GaN HEMTs(高电子迁移率晶体管)为构建生物传感器提供了一个有吸引力的平台。AlGaN/GaN异质结构提供了与细胞和生物元素的良好生物相容性、宽带隙、在各种热条件和化学环境中的良好稳定性以及高度灵敏的通道。此类器件已证明能够检测低浓度下的大量分析物，如DNA和蛋白质。生物传感器通常由几个指标，包括灵敏度、选择性、成本和操作简单性。

研究内容

灵敏度通常是决定生物传感器能否用于给定应用的关键品质因数。为了开发高灵敏度的生物传感器，必须解决一个关键的指标——噪声对器件信号的有害影响。系统固有的噪声是决定器件动态范围或器件正常工作的关键因素。这有时也被称为LOD(检测极限)或MDL(最小可检测极限)。系统不可避免或固有的噪声可以有多种形式，例如(1)由于离子运动引起的热噪声，(2)来自设备本身的固有噪声，(3)由于溶液中或活性区域界面处生物分子的离子运动引起的噪声，以及(4)由于电极-电解质界面处的电化学反应或法拉第过程引起的噪声。这种噪声可以表现为经常讨论的1/f或低频噪声。低频噪声是生物传感器装置的主要问题，因为它们通常在DC偏置条件下工作，此外，分析物与受体的结合和脱离是低频事件。然而，这些现象对各种设置中的整体器件灵敏度的影响尚未得到很好的研究。通过检查特定设备平台的低频噪声特性，可以了解该平台可以实现的假设最大灵敏度，以及在什么条件下噪声考虑会产生重大影响。俄亥俄州立大学的研究人员对这方面的影响进行了研究。

实验方法

AlGaN/GaN HEMT由于其在可变条件下固有的化学稳定性，成为噪声相关研究的理想平台。

器件是用一个23纳米的氮化镓阻挡层和碳化硅衬底上的2微米氮化镓的氮化镓/氮化镓晶片制作的。台面隔离通过使用三氯化硼/二氯化硅等离子体的干法蚀刻来完成。在台面隔离之后，通过CHA金属蒸发器放下钛/铝/钼/金金属叠层，并在850欧姆接触剥离后退火。钛/金覆盖层用于源极/漏极探测的坚固性。

去离子水中氮化镓/氮化镓异质结场效应晶体管的器件结构和DC特性

饱和区的低频噪声结果

亚阈值状态下的低频噪声和噪声频率指数

结论

总之，该研究已经展示了AlGaN/GaN生物传感器平台的噪声特性如何根据测量条件在不同程度上影响实际的传感应用。结果表明，栅压偏置以及所用水溶液的离子强度影响着器件的最大灵敏度和传感器系统的噪声。在测试的离子强度范围内，在饱和和亚阈值范围内都观察到信噪比有大约一个数量级的变化。在饱和状态下，由于电屏蔽，器件信噪比与离子强度成反比。此外，与导通状态相比，该器件在亚阈值范围内的信噪比更高。该器件显示出1/f噪声特性，这种特性通常在电子器件中，在很宽的离子强度范围内，在足够低的栅极偏置下观察到。虽然这项工作只在AlGaN/GaN HEMT平台上完成，但本文的发现将适用于其他基于场效应晶体管的传感平台。

文章来源

https://doi.org/10.1063/5.0014495。