Otimização de transistores BESOI MOSFET como plataforma para aplicação em biossensores.

Autor(es)

Leonardo Shimizu Yojo

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC)
• Data de defesa: 2022-03-08

Membros da banca

João Antonio Martino; Salvador Pinillos Gimenez; Sebastião Gomes dos Santos Filho; Ana Neilde Rodrigues da Silva

• Orientador: João Antonio Martino

Resumo

Define-se biossensores como aqueles dispositivos que são capazes de transformar reações químicas derivados de reações biológicas em sinais elétricos, são utilizados em diversas aplicações, como na área médica ou indústria alimentícia, para promover melhoria na qualidade de vida das pessoas. Dentre os múltiplos tipos de biossensores, os construídos baseados em transistores por efeito de campo (BioFET) são particularmente interessantes devido a todos os benefícios proporcionados pela evolução da micro e nanoeletrônica nas últimas décadas. O BESOI MOSFET (Back- Enhanced Silicon-On-Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) foi desenvolvido e fabricado no Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP). Este transistor planar construído com tecnologia de silício sobre isolante se diferencia pela simplicidade de fabricação e flexibilidade de operação, ou seja, dependendo da polarização aplicada na segunda porta (porta de programação), um mesmo dispositivo pode funcionar como transistor de canal do tipo n ou do tipo p. Este trabalho propõe utilizar o BESOI MOSFET para a aplicação como biossensor, aproveitando as características de sua estrutura, em particular as regiões de subposição do canal (entre a porta e os contatos de fonte/dreno), para depositar um composto biossensível, criando assim um dispositivo sensível a diferentes materiais biológicos. Numa primeira etapa, simulações numéricas baseadas em transistores fabricados forneceram dados a respeito do comportamento elétrico deste tipo de dispositivo quando inserida uma amostra biológica, variando-se a permissividade (k) e as cargas (Qbio) no material biossensível. As simulações mostraram alterações nas correntes de dreno em função dos parâmetros analisados. A avaliação das dimensões físicas mostrou que o comprimento das regiões de subposição do canal tem maior influência na sensibilidade dos sensores. A otimização das dimensões resultou no aumento da sensibilidade (segundo definição adotada) do dispositivo baseado em permissividade polarizado tipo n de 1,43 para 18,43 unidades, enquanto que para os dispositivos polarizados tipo p, o aumento foi de 1,62 para 13,82 unidades no melhor caso. Já a otimização dos sensores baseados nas cargas produzidas pela reação biológica permitiu o aumento da sensibilidade em duas vezes nos dispositivos do tipo n, indo de 0,79 para 1,78 unidades; e de 12,69 para 1812 unidades para dispositivos do tipo p no melhor caso. A partir das metas propostas e parâmetros analisados, em uma segunda etapa do trabalho foi fabricado um sensor propriamente dito, seguido de sua caracterização elétrica e análise de sua aplicação como dispositivo biossensor. A prova de conceito foi realizada por meio de um sensor baseado em cargas elétricas de glicose. Dentre os métodos de imobilização da enzima glicose oxidase adotados, o método por meio de ligação cruzada resultou em maior sensibilidade (1,8 adimensional no melhor caso) do que o método por ligação covalente da enzima com a superfície do sensor (0,52 adimensional no melhor caso), porém o segundo método apresentou melhor uniformidade de deposição. Ambos os métodos resultaram no aumento da corrente de dreno em função da polarização de porta de forma proporcional à concentração de glicose na solução aplicada sobre os sensores. (AU)

• Processo FAPESP: 18/01568-4 - Otimização de transistores BE SOI MOSFET como plataforma para aplicação em biossensores
• Beneficiário: Leonardo Shimizu Yojo
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado