介电调制双源沟槽栅极 TFET 生物传感器的仿真和性能分析

介绍

最近，由于具有高灵敏度、最小延迟、可缩放尺寸和低成本的有前景的特性，基于硅的场效应晶体管 (FET) 生物传感器引起了重大的研究兴趣 [1,2,3,4,5, 6]。基于 FET 的生物传感器具有热电子发射的限制，并且具有超过 60 mV/decade 的亚阈值斜率 (SS)。由于带间隧道 (BTBT) 传导机制，TFET 克服了限制并降低了短沟道效应 [7,8,9,10]。因此，基于 TFET 的生物传感器已成为比基于 FET 的生物传感器具有更好灵敏度和响应时间的合适候选者 [11,12,13,14]。

用于分子检测的 TFET 中最常见的方法是基于介电调制。蚀刻掉一部分栅极介电材料，形成空腔；当生物分子填充到腔体中时，腔体的介电常数发生变化，这种变化反映在漏极电流和传输特性上 [15,16,17]。同时，介电调制有助于感测带电分子和中性分子。目前，介电调制的概念最近被用于TFET，基于介电调制TFET（DMTFET）的生物传感器受到了研究人员的高度重视。通过器件模拟研究了用作无标记生物分子检测的生物传感器的 p-n-p-n TFET。结果表明，基于 TFET 的生物传感器在没有生物分子的情况下具有低断态电流和对介电常数和电荷的高灵敏度 [18]。在 [19] 中观察到，在靠近生物分子的空腔中存在生物分子。隧道结可以导致有效耦合，从而导致高灵敏度，并且还使 DM-TFET 在较低尺寸上抵抗灵敏度降低。正在研究不同结构的基于 TFET 的生物传感器。与传统的 DGTFET 相比，将短栅极 (SG) 架构纳入 DMTFET 结构可以显着提高灵敏度并降低成本 [20]。基于电荷等离子体的栅极下划线电介质调制结隧道场效应晶体管（CPB DM-JLTFET）可以通过适当地选择适当的偏差下隧道结附近的腔的长度和厚度来获得最大灵敏度（中性和带电的生物分子） [21]。为了提高生物传感器的灵敏度，在垂直介电调制隧道场效应晶体管 (V-DMTFET) [22] 中引入了重掺杂前栅极 n + 口袋和栅源重叠。圆形栅极异质结隧道场效应晶体管由于其非均匀栅极架构而表现出比均匀栅极 HJ TFET 更高的灵敏度 [23]。双通道沟槽栅极 TFET 表现出高电流灵敏度以及过高的电压灵敏度 [24]。双栅双金属材料TFET生物传感器可使灵敏度变化更加明显[25]。

然而，大多数生物传感器都是基于双栅极TFET，其中生物分子需要从两端栅极的侧面加入。在提议的结构中，生物分子是从设备顶部垂直添加的，这是一个更简单的操作。此外，由于栅源重叠面积大，即源极与生物分子相互作用明显的区域，DM-DSTGTFET生物传感器的灵敏度高于其他器件，如表1所示。表1总结了本工作与其他参考文献研究结果的不同敏感性比较。

本文对DM-DSTGTFET生物传感器的灵敏度进行了研究，具体内容如下。第 2 节和第 3 节描述了基本器件结构、制造工艺、仿真模型和方法。第 4 节描述了不同因素对 DM-DSTGTFET 生物传感器灵敏度的影响。具体而言，不同介电常数、腔体厚度和带电生物分子对传输特性的影响，I 在/我 关闭灵敏度和△V 建议设备的灵敏度。第五部分总结了所进行的调查的研究结果。

设备结构

图 1 显示了基于 DM-DSTGTFET 的生物传感器的横截面图像。 DM-DSTGTFET 的栅极具有 4.2 的功函数。为了增加 TFET 的导通电流，采用了双源结构。掺杂浓度为1 × 10 ²⁰ 的两个源区 厘米 ⁻³ 对称地放置在门的两侧。高度(Hc)为37 nm，掺杂浓度为1 × 10 ¹⁵ 的p沟道 厘米 ⁻³ 位于源极和栅极下方。掺杂浓度为1 × 10 ¹⁷ 的n-drain 厘米 ⁻³ 和高度 (H d) 18 nm 位于通道下方。源区上的两种氧化物是厚度为 2 nm 的 HfO2。厚度的两个口袋区域 (T p) 5 nm 对称放置在栅极两侧，施主掺杂浓度为 1 × 10 ¹⁹ 厘米 ⁻³ .此外，对于提议的生物传感器，T 牛 (1 nm), T c (5 nm) 分别是 HfO2 栅极氧化物的厚度和纳米间隙腔的宽度。为了促进灵敏度参数的适当变化，选择的栅极金属功函数的值应该使得只有当生物分子在腔中积累时才会发生隧道效应。这就是为什么选择金属功函数 ΦMS =4.2 eV（在 HfO2 栅极氧化物上）的原因。现在，对具有不同介电常数（1、2.5、5、11、23）和五种不同纳米间隙腔厚度（5 nm、7 nm、9 nm、11 nm、13 nm）的五种不同类型的小生物分子进行了分析。提出的生物传感器。

DM-DSTGTFET生物传感器剖面示意图

DM-DSTGTFET 的制造方法与已发表的 [24] 类似。图 2 显示了建议的 DM-DSTGTFET 的制造步骤。第一步，如图2a所示，在轻掺杂硅衬底上通过掩膜、曝光、刻蚀、离子注入和退火，在器件底部形成漏区。形成的漏区掺杂浓度为10 ¹⁷ /cm ³ , 掺杂离子是砷。然后在漏区顶部外延生长本征硅以形成器件的沟道区。如图 2b 所示，通道上方的两个角被蚀刻掉。同时，N ⁺ 掺杂是通过化学气相沉积 (CVD) 技术沉积的，如图 2c 所示，以形成 DM-DSTGTFET 的口袋区域。在源区，通过化学气相沉积(CVD)生长Si基双源区，在源区进行掩蔽、曝光、刻蚀、离子注入和退火，进行P型高掺杂，掺杂浓度为 10 ²⁰ /cm ³ ，如图 2d 所示。在下一步中，在沟道层中制作沟槽，并在沟槽中沉积 SiO2，如图 2e 所示。然后形成如图 2f 所示的沟槽。进行金属化和图案化以获得如图 2g 所示的栅极接触。此外，如图 2h 所示，在栅极的两侧用 SiO2 雕刻空腔。在最后一步中，在腔的侧壁上生长 1 nm HfO2 以获得如图 2i 所示的建议结构。

DM-DSTGTFET作为生物传感器的制作流程

仿真方法与模型

为了更清楚地研究DM-DSTGTFET生物传感器的性能，本文利用TCAD工具（sentaurus）来研究TFET传感器的灵敏度。采用合适的模型进行精确仿真。

非局部 BTBT 模型将隧道路径中每个点的电场视为一个变量，这意味着 BTBT 隧道概率取决于隧道结处的能带弯曲。非局部隧穿模型更符合TFET仿真的实际情况[29]。因此，本文采用非本地BTBT模型。 Sentaurus 中的动态非本地 BTBT 隧道模型使用 Kane 模型。在Kane模型中，BTBT隧穿率表示为[30]：

其中常数 E 0 =1 V/cm，对于直接带隙隧穿，P =2，P =2.5 对于声子辅助的间接带隙隧穿。由于本文中的器件主要是硅，P 选择 2.5。参数A =4 × 10 ¹⁴ /cm ³ s, E 是电场和指数因子 B =9.9 × 10 ⁶ 伏/厘米。

选择 Shockley-Read-Hall (SRH) 以包括载流子的重组。采用带隙变窄模型来激活带隙中的高浓度效应。调用 Fermi-Dirac 统计以包括高掺杂区域的特性变化。 Si 材料中的迁移率模型应考虑电离杂质 (µ dop), 界面散射模型 (µ InterSc) 和高场饱和模型 (µ F) [31]，最终的有效移动模型可以表示为：

在填充腔体的材料中引入了 Poole-Frenkel 迁移率模型，迁移率作为电场的函数由下式给出：

其中 µ 0 是低场迁移率，β 和 γ 是拟合参数，E 0 是有效活化能，E 是驱动力（电场）。 K 是玻尔兹曼常数，T 是温度。 E 的默认值 0且γ为0，β =0.1。

基于上述标定的物理模型，分析了DM-DSTGTFET生物传感器的电学特性。

在模拟过程中，四种不同介电常数的生物分子 (k =2.5, 5, 11, 23），五个腔体厚度（T c =5, 7, 9, 11, 13 nm)，并且在模拟和讨论中考虑了不同密度的带电生物分子。一般在研究传感器的灵敏度时采用参考。提出了可以使传感器对目标物质的响应明显的参考。因此，参考是在空腔充满空气的情况下，或者简单地，当生物分子没有填充在空腔中的情况下。因此，DM-DSTGTFET 的阈值电压灵敏度、漏极电流灵敏度和亚阈值斜率灵敏度的度量定义为 [22] [28] [32]：

其中 V th(air) 是腔体充满空气时生物传感器的阈值电压，V th(bio) 是腔体充满生物分子时的阈值电压。同样，I ds(air) 和 SSair 分别是腔体充满空气时生物传感器的导通漏电流和亚阈值摆幅，I ds(bio) 和 SSbio 分别是腔体充满生物分子时的导通漏电流和亚阈值摆幅。

通过对DM-DSTGTFET的电学特性分析，提取阈值电压、导通漏电流和亚阈值摆幅来分析生物传感器的灵敏度。

结果与讨论

DM-DSTGTFET 中不同生物分子的影响

图3显示了不同介电常数的生物分子填充腔体时DM-DSTGTFET在导通状态下的转移特性、能带变化、阈值电压灵敏度和电流灵敏度。通过选择较低的栅极金属功函数（ΦMS =4.2），可以通过调整不同的k来研究漏极电流的灵敏度。

一个 传输特性，b 相对于 y 轴的能带变化，c 我 在/我 关闭灵敏度和 d 在 Vd =0.5 V 和 T 下，DM-DSTGTFET 生物传感器对不同 k 值的阈值电压灵敏度 c =5纳米

从图 3a 中可以看出，随着栅极电介质的 k 增加，栅极控制能力越强，导通电流也增加。图 3b 描述了不同 k 生物分子的能带图。当 k =1，表示空腔内没有生物分子填充。在这种情况下，能带中的扭曲被最小化。此外，当腔中生物分子的介电常数开始增加时，能带弯曲越来越严重。这意味着更高的 k 会发生更多的能带对齐 ，因此跨结的势垒宽度减小。图3c显示了生物分子介电常数对I的影响 在和我 在/我 DM-DSTGTFET 的关断灵敏度。随着 k 的增加 ，我 在和我 在/我 关闭灵敏度也提高了。这是因为随着 k 的增加，能带弯曲越严重，源 - 沟道结处的势垒宽度减小，因此隧道可能性增加。随着隧穿概率的增加，电子 BTBT 隧穿产生增加，这在图 4 中可以清楚地看到。所提出的器件提供最高的 I 在/我 关断灵敏度 1.1 × 10 ¹⁰ 在 k =23，明显高于已发表的基于 TFET 的生物传感器。图 3d 给出了 V 的变化 th 和 △V DM-DSTGTFET 对生物分子 k 的敏感性。显然，由于 k 增加，I 越快 所建议的器件增加，阈值电压越低。同时，△V 随着 k 的增加，th 呈现增加的趋势 .原因在于 V th 当不同的生物分子被填充并且 V 当没有生物分子被填充时，体积会越来越大。一般来说，V 充满空气时的 th 大于其他 k 值。建议的 DM-DSTGTFET 执行最大 △V k 时灵敏度为 1.2 V =23.因此，DM-DSTGTFET为生物分子提供了高电流灵敏度和阈值电压灵敏度。

Vd =0.5 V、T时DM-DSTGTFET生物传感器中不同生物分子的BTBT电子生成 c =5 nm 和 Vg =1.5 V

图 5a 显示了空腔填充不同生物分子时 DM-DSTGTFET 的 SS 和 SS 灵敏度。在这里，可以看出介电常数的增加导致 SS 降低和 SSS 提高。 SS越小，TFET的功耗越小，TFET的性能越好。因此，随着k值的增大，SS减小，SSS增大，栅极控制能力增强。

一 亚阈值斜率、亚阈值斜率灵敏度和b 当 Vd =0.5 V, T 时，不同生物分子的漏极电流灵敏度 c =5 nm 和 Vg =1.5 V

对于图 5b 中提出的 DM-DSTGTFET，漏极电流灵敏度作为 k 的函数而变化。灵敏度随着 k 的增加而增加。这是因为 k 的增加导致隧道结处的电场增强，导致隧道宽度减小，从而增加 S 排水。

DM-DSTGTFET 中不同腔体厚度的影响

因为当 k =23，S 漏，△V DM-DSTGTFET生物传感器的灵敏度和SSS最大（上节得出的结论）。因此，为了更清楚地研究腔体厚度对所提出的生物传感器灵敏度的影响，本节在 k 条件下进行 =23.

图 6 描述了 DM-DSTGTFET 生物传感器在不同腔体厚度 (T C）。作为 T c 增大，导通电流变小。不同T的效果 c on I 在和我 在/我 DM-DSTGTFET 的关断灵敏度绘制在图 7a 中。当 T c 增加，栅极和沟道之间的电容减小，这导致源极-沟道结处的隧道宽度变大，从而导致漏极电流降低。对于 k =23，I 在和我 在/我 关闭灵敏度随着 T 的增加而降低 c 由于提高了 T 栅极和沟道之间的电容耦合 C。另一方面，所提出的器件在 V 中表现出增加的趋势 th 因而在 △V 随着 T 的增加，th 灵敏度 c 如图 7b 所示。这是因为 T 的增加 c 减少了 I 并因此增加 V 日。换句话说，对于更宽的腔，栅极对沟道的控制减少，从而导致更高的 V 日。因此，DM-DSTGTFET可作为更窄腔体的更好电压生物传感器。

DM-DSTGTFET生物传感器在不同腔体厚度(T c) 在 Vd =0.5 V、Vg =1.5 V 和 k =23

一 不同腔体厚度值的影响 (T c) 在 I 在，我 在/我 关闭灵敏度，b V th 和 △V DM-DSTGTFET 在 Vg =1.5 V、Vd =0.5 V 和 k 时的 th =23

带电生物分子对 DM-DSTGTFET 的影响

为了研究生物分子的不同电荷对所提出的传感器灵敏度的影响，首先研究了动态范围和检测限。在本文中，DM-DSTGTFET 可以检测电荷密度范围为 10 ¹⁰ 的传感材料。 cm ⁻² 到 10 ¹³ cm ⁻² ，与其他传感器相比，检测范围更广[32]。因此，在下面的仿真中，采用动态极限范围内的电荷密度进行灵敏度研究。

图8描绘了在不同k下用不同正电荷和负电荷的生物分子填充空腔对DM-DSTGTFET转移特性的影响 .可以看出，在 k =2.5，生物分子在带正负电荷的情况下，转移曲线有较大的变化范围。因此，下面的讨论集中在k时不同正电荷和负电荷对DM-DSTGTFET生物传感器灵敏度的影响。 =2.5。

DM-DSTGTFET生物传感器对生物分子介电常数的传递特性，a Vd =0.5 V、Vg =1.5 V和T时生物分子的不同正电荷和b不同负电荷 c =5纳米

图 9a 描述了 Ion 和 I 的变化 在/我 作为正电荷函数的 DM-DSTGTFET 的关断灵敏度。生物分子正电荷的增加导致 Ion 和 I 的改善 在/我 关闭建议设备的灵敏度。腔中的正电荷增加了有效的栅极氧化层电介质，从而增强了栅极控制能力。栅极控制能力的增加导致源极-沟道结的隧穿宽度减小，从而导致 I 在和我 在/我 关闭灵敏度。图 9b 展示了生物分子正电荷对 V 的影响 th 和 △V DM-DSTGTFET 的灵敏度。观察到 V th 减少 △V 灵敏度随着正电荷的增加而提高。这是因为分子上的正电荷增加了 I 开启并降低 V 日。 V 的减少 th 增加了生物分子相对于空气的阈值电压之间的差异，从而导致 △V

一 生物分子不同正电荷对 I的影响 在，我 在/我 关闭灵敏度，b V th 和 △V DM-DSTGTFET 在 Vg =1.5 V、Vd =0.5 V、k 时的 th =2.5 和 T c =5纳米

图 10a 显示了 I 的变化 在和我 在/我 作为 k 正电荷的函数的 DM-DSTGTFET 的关断灵敏度 =2.5。生物分子负电荷的增加导致 Ion 和 I 的减少 在/我 关闭建议设备的灵敏度。腔中的负电荷降低了有效的栅极氧化层电介质，从而增强了栅极控制能力。栅极控制能力的降低导致源-沟道结的隧道宽度增加，从而导致 Ion 和 I 在/我 关闭灵敏度。

一 生物分子不同负电荷对I的影响 在，我 在/我 关闭灵敏度，b V th 和 △V DM-DSTGTFET 在 Vg =1.5 V、Vd =0.5 V、k 时的 th =2.5 和 T c =5纳米

图 10b 展示了生物分子的负电荷对 V 的影响 th 和 △V DM-DSTGTFET 的灵敏度。从图中可以看出，对于 k =2.5，V th 改善 △V 灵敏度随着负电荷的增加而降低。这是因为分子上的负电荷降低了 I 并增加 V 日。 V 的增加 th 增加了生物分子相对于空气的阈值电压之间的差异，导致 △V

结论

总之，DM-DSTGTFET 对生物传感器应用中的生物分子检测具有高灵敏度。然而，DM-DSTGTFET 结构的检测能力是通过检查相对介电常数、腔体厚度、带电生物分子、I 引入的影响来评估的。 在/我 关闭灵敏度，SS 和 SSS。结果表明，介电常数越大，腔体厚度越小，带正电越多，所提出器件的灵敏度越高。仿真结果表明，所提出的结构可用于超灵敏、低功耗的生物传感器装置。

缩写

DM-DSTGTFETS：

介电调制双源沟道栅隧道场效应晶体管

TCAD：

技术计算机辅助设计

BTBT：

带间隧道

DGTFET：

双栅隧道场效应晶体管

SS：

亚阈值斜率