AlGaN, GaN sensors for direct monitoring of fluids and bioreactions [Elektronische Ressource] / Irina Nicoleta Cimalla. Gutachter: Oliver Ambacher ; Frank Schwierz. Betreuer: Andreas Schober

AlGaN, GaN sensors for direct monitoring of fluids and bioreactions [Elektronische Ressource] / Irina Nicoleta Cimalla. Gutachter: Oliver Ambacher ; Frank Schwierz. Betreuer: Andreas Schober

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Irina Nicoleta Cimalla AlGaN/GaN sensors for direct monitoring of fluids and bioreactions AlGaN/GaN sensors for direct monitoring of fluids and bioreactions Irina Nicoleta Cimalla Universitätsverlag Ilmenau 2011 Impressum Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Angaben sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Diese Arbeit hat der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Ilmenau als Dissertation vorgelegen. Tag der Einreichung: 23. November 2009 1. Gutachter: PD Dr. rer. nat. habil. Andreas Schober (Technische Universität Ilmenau) 2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Oliver Ambacher (Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik Freiburg) 3. Gutachter: PD Dr.-Ing. habil. Frank Schwierz (Technische Universität Ilmenau) Tag der Verteidigung: 15. Juli 2010 Technische Universität Ilmenau/Universitätsbibliothek Universitätsverlag Ilmenau Postfach 10 05 65 98684 Ilmenau www.tu-ilmenau.de/universitaetsverlag Herstellung und Auslieferung Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG Am Hawerkamp 31 48155 Münster www.mv-verlag.de ISBN 978-3-86360-003-7 (Druckausgabe) URN urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000519 Titelfoto: photocase.

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Irina Nicoleta Cimalla

AlGaN/GaN sensors for direct monitoring
of fluids and bioreactions



AlGaN/GaN sensors for
direct monitoring of fluids
and bioreactions





Irina Nicoleta Cimalla




Universitätsverlag Ilmenau
2011 Impressum

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Angaben sind
im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Diese Arbeit hat der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der
Technischen Universität Ilmenau als Dissertation vorgelegen.
Tag der Einreichung: 23. November 2009
1. Gutachter: PD Dr. rer. nat. habil. Andreas Schober
(Technische Universität Ilmenau)
2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Oliver Ambacher
(Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik Freiburg)
3. Gutachter: PD Dr.-Ing. habil. Frank Schwierz
(Technische Universität Ilmenau)
Tag der Verteidigung: 15. Juli 2010




Technische Universität Ilmenau/Universitätsbibliothek
Universitätsverlag Ilmenau
Postfach 10 05 65
98684 Ilmenau
www.tu-ilmenau.de/universitaetsverlag


Herstellung und Auslieferung
Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG
Am Hawerkamp 31
48155 Münster
www.mv-verlag.de


ISBN 978-3-86360-003-7 (Druckausgabe)
URN urn:nbn:de:gbv:ilm1-2010000519


Titelfoto: photocase.com | AlexFlint
„Unde dragoste nu e, nimic nu e”
„Wo Liebe nicht ist, ist gar nichts“

Marin Preda:
„Cel mai iubit dintre pamanteni“
5 6 Abstract

In this thesis, AlGaN/GaN heterostructures, which have shown to be
reliable pH sensors, have been characterized and further developed for the
in situ monitoring of cell reactions. For this reason, NG108-15 nerve cells
were cultivated on sensor surfaces and their response on different
neuroinhibitors was clearly monitored.
First, a measurement setup for extracellular recording was designed in
connection with an improved chip design and sensor technology. To select
optimal sensors for the cell-transistor coupling, heterostructures grown by
PIMBE and MOCVD were characterized with respect to electronic
transport properties and their performance as pH sensor in well defined pH
buffer solutions.
Generally, a good proliferation of different cell lines was observed on
AlGaN and GaN surfaces without using any kind of thin films of organic
material for improving of the cellular adhesion and biocompatibility. The
impact of several technology- and sensing-relevant treatments on the
surface properties of AlGaN/GaN sensors was studied. For a deeper
understanding of the mechanisms in cell-transistor coupling, the stability of
the media for cell-transistor measurements was studied. In an open setup
with contact to normal atmosphere, the monitoring of the spontaneous cell
activity (“breathing”) was recorded, that is not the case for covered
measurement setup due to reduced gas exchange with the environment. The
+ + sensor sensitivity to potential changes by Na and K ions and their
reactions with neurotoxin were also confirmed. By titration in complex
electrolytes and by cultivating NG108-15 nerve cells on the sensor surface,
it was demonstrated that these sensors are able to monitor complex cell
reactions. The calculations using simulation of the heterostructure as well as
simplified expressions for the ion flux give strong evidence that the signal
+in the cell-transistor coupling experiments is primarily generated by the Na
flux. A fairy good agreement between the experimental observations and
the model could be found.
In conclusion, the AlGaN/GaN-ISFETs show stable operation under
physiological conditions, exhibit a very good signal resolution and are
suitable for long-time monitoring of cell reactions on different stimuli.
7 Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden AlGaN/GaN-Heterostrukturen, die ein hohes
Potenzial für pH-Sensoren aufweisen, charakterisiert und weiterentwickelt
für die elektronische Erfassung von Zellreaktionen. Dazu wurden NG108-
15 Nervenzellen auf den Sensoroberflächen kultiviert und deren Antwort
auf Stimulierung mit verschiedenen Neuroinhibitoren aufgezeichnet.
Zunächst wurde ein Messaufbau für das Erfassen extrazellularer
Potenzialänderugen entworfen und das bestehende Chipdesign sowie die
Herstellungstechnologie weiterentwickelt. Für die Auswahl optimaler
Sensoren für die Transistor-Zell-Kopplung wurden sowohl mittels PIMBE
und MOCVD gewachsene Heterostrukturen charakterisiert bezüglich ihrer
elektronischen Transporteigenschaften und ihres Verhaltens als pH-Sensor.
Auf AlGaN- und GaN-Oberflächen konnte eine sehr gute Kultivierung
verschiedener Zelllinien erzielt werden ohne die sie sonst übliche
Verwendung organischer Zwischenschichten zur Erhöhung von Adhäsion
(z.B. Fibroplasten). Der Einfluss verschiedener Technologie- und
sensorrelevanter Behandlungsschritte auf die Oberflächeneigenschaften der
AlGaN/GaN-Sensoren wurde untersucht und die Medienstabilität bzw.
Wechselwirkungen wurden analysiert. In einem offenen Setup mit
Gasaustausch zur Umgebung wurde eine spontane Zellaktivität erfasst
(„Zellatmung“), die in einem abgeschlossenen Setup aufgrund des
reduzierten Gasaustausches nicht auftrat. Weiterhin wurde die
+ + Empfindlichkeit des Sensors auf Potenzialänderungen durch Na and K
Ionen und deren Reaktionen mit Neurotoxinen bestätigt. Durch Titration in
komplexe Elektrolyte und durch Kultivierung von NG108-15 Nervenzellen
auf der Sensoroberfläche wurde demonstriert, dass die Sensoren in der Lage
sind, komplexe Zellreaktionen zu erfassen. Berechnungen mit Hilfe von
Simulationen und vereinfachten analytischen Beschreibungen für die
Ionenflüsse belegten, dass bei der Zell-Transistor-Kopplung das
+Sensorsignal im Wesentlichen durch die Na -Flüsse erzeugt wird. Die
experimentellen Beobachtungen und die theoretischen Modellierung zeigte
dafür eine gute Übereinstimmung. Zusammenfassend wurde in dieser
Arbeit gezeigt, dass AlGaN/GaN-ISFETs stabil unter physiologischen
Bedingungen arbeiten, sehr gute Signalauflösung ermöglichen und für
Langzeitmessungen mit lebenden Zellen geeignet sind.
8 i Table of contents

Abstract....................................................................................................5

Zusammenfassung....................................................................................8

i Table of contents..................................................................................9
ii List of acronyms12
iii List of symbols15

1. Introduction..........................................................................................19

2. Cellular function and response.............................................................23
2.1. Cellular construction..................................................................23
2.1.1. Biomembranes.....................................................................25
2.1.2. Transmembrane proteins .....................................................27
2.2. Nerve cells and membrane potential in neurons ........................28
2.3. Neurotransmitters - acetylcholine ..............................................34
2.4. Neuroinhibitors ..........................................................................37

3. Group III Nitrides: from material to device .........................................41
3.1. Basic properties of group III nitrides41
3.1.1. Crystal structure ..................................................................42
3.1.2. Spontaneous and piezoelectric polarization.........................44
3.1.3. AlGaN/GaN heterostructure................................................46
3.2. AlGaN field effect sensors.........................................................49
3.2.1. AlGaN/GaN ion sensitive FETs ..........................................49
3.2.2. AlGaN/GaN electrolyte gate FET .......................................51

4. Fabrication and characterization of AlGaN/GaN sensors ....................57
4.1. AlGaN/GaN sensor technology .................................................57
4.1.1. PIMBE and MOCVD growth of the structures ...................57
4.1.2. Device fabrication ...............................................................59
4.1.2.1. Photolithography .......................................................60
4.1.2.2. Mesa etching .............................................................60
4.1.2.3. Ohmic contacts..........................................................61
9 4.1.2.4. Passivation.................................................................62
4.1.2.5. Encapsulation ............................................................64
4.2. Characterization of AlGaN/GaN structures................................65
4.2.1. Measurements methods .......................................................65
4.2.1.1. C-V measurements.....................................................65
4.2.1.2. Hall ments ....................................................67
4.2.2. Characterization of MBE and MOCVD grown structures...68

5. AlGaN/GaN heterostructures as pH sensors ........................................75
5.1. Introduction to the pH value.......................................................75
5.1.1. Acids, bases and pH scale76
5.1.2. Nernst law............................................................................78
5.1.3. Buffer solutions ...................................................................80
5.2. Setup for the sensor characterization..........................................82
5.3. AlGaN/GaN sensor characterization84
5.3.1. Sensors characteristics.........................................................84
5.3.2. Sensors sensitivity ...............................................................89
5.3.3. Working point......................................................................93
5.3.4. Noise and drift .....................................................................95

6. AlGaN/GaN based biosensors..............................................................105
6.1. Functionalization of sensor surface............................................105
6.1.1. Oxidation .............................................................................110
6.1.2. Technology impact on the surface properties ......................111
6.1.3. Ion selective membranes......................................................119
6.1.4. Biomolecules .......................................................................121
6.2. Cells and biocompatibility .........................................................125
6.3. Biosensors ..................................................................................127
6.3.1. Immunologically modified sensor - ImmunoFET ...............128
6.3.2. Enzyme modified sensor - EnFET.......................................129
6.3.3. DNA – modified sensor – DNA-FET ..................................131
6.3.4. Cell-based sensor – CPFET.................................................133

7. Cell-AlGaN/GaN ISFET coupling measurements................................137
7.1. NG 108-15 nerve cell line ..........................................................139
7.2. Cell media ..................................................................................141
7.2.1. Components of cell media ...................................................141
7.2.2. Introduction to pH value in cell media ................................143
10