基于介质调制双源沟槽栅TFET的生物传感器：生物分子高灵敏度检测的先进仿真研究

摘要

本文提出了一种基于介质调制双源沟槽栅隧穿场效应晶体管（DM-DSTGTFET）的生物传感器，用于生物分子检测。该器件采用双源和沟槽栅结构，可增强开态电流并产生双向电流。在提议的结构中，在1 nm栅极氧化层上刻蚀形成两个空腔用于填充生物分子。通过技术计算机辅助设计（TCAD）进行二维仿真分析灵敏度。结果显示，在低供电电压下，DM-DSTGTFET的电流灵敏度高达1.38 × 10⁵，阈值电压灵敏度可达1.2 V。因此，该生物传感器因其低功耗和高灵敏度而具有良好的应用前景。

引言

近年来，硅基场效应晶体管（FET）生物传感器因其高灵敏度、最小延迟、尺寸可缩放和低成本等优势而受到广泛关注。然而，FET生物传感器受限于热电子发射，其亚阈值摆幅（SS）难以低于60 mV/decade。由于带间隧穿（BTBT）传导机制，隧穿场效应晶体管（TFET）克服了这一限制并降低了短沟道效应。因此，基于TFET的生物传感器成为比FET生物传感器具有更好灵敏度和响应时间的合适候选者。

应用于分子检测的TFET最常用方法基于介质调制。将部分栅极介质材料刻蚀形成空腔；当生物分子填充空腔时，空腔的介电常数发生变化，这种变化会反映在漏极电流和传输特性中。同时，介质调制有助于同时检测带电和中性分子。目前，介质调制概念已应用于TFET，介质调制TFET（DMTFET）生物传感器备受研究者青睐。研究表明，p-n-p-n TFET作为生物传感器可实现无标记生物分子检测，在无生物分子时具有低关态电流，对介电常数和电荷均表现出高灵敏度。有研究发现，隧穿结附近空腔内的生物分子可产生有效耦合，带来高灵敏度，且使DM-TFET在低尺寸下抵抗灵敏度下降。各种结构的TFET生物传感器正在被研究：与传统DGTFET相比，将短栅（SG）架构引入DMTFET可显著提高灵敏度并降低成本；基于电荷等离子体的栅下介质调制结节隧穿场效应晶体管（CPB DM-JLTFET）可通过适当选择隧穿结附近空腔的长度和厚度获得最大灵敏度；垂直介质调制隧穿场效应晶体管（V-DMTFET）引入重掺杂前栅n⁺袋区和栅源重叠以提高灵敏度；圆栅异质结隧穿场效应晶体管因其非均匀栅架构表现出比均匀栅HJ TFET更高的灵敏度；双沟道沟槽栅TFET表现出高电流灵敏度和极高电压灵敏度；双栅双金属材料TFET生物传感器可使灵敏度变化更明显。

然而，大多数生物传感器基于双栅TFET，生物分子需从两端栅极侧面加入。本文提出的结构中，生物分子从器件顶部垂直加入，操作更简单。此外，由于栅源重叠面积大，即源极与生物分子相互作用区域明显，DM-DSTGTFET生物传感器的灵敏度高于其他器件（见表1）。表1总结了本工作与其他参考文献研究结果的不同灵敏度对比。

器件结构

图1展示了基于DM-DSTGTFET生物传感器的截面图。DM-DSTGTFET的栅极电极功函数为4.2 eV。为增加TFET的开态电流，采用了双源结构。两个掺杂浓度为1 × 10²⁰ cm⁻³的源区对称放置在栅极两侧。高度（Hc）为37 nm、掺杂浓度为1 × 10¹⁵ cm⁻³的p型沟道位于源极和栅极下方。掺杂浓度为1 × 10¹⁷ cm⁻³、高度（Hd）为18 nm的n型漏极位于沟道下方。源区上的两个氧化层为厚度2 nm的HfO₂。厚度（Tp）为5 nm的两个袋区对称放置在栅极两侧，施主掺杂浓度为1 × 10¹⁹ cm⁻³。此外，针对该生物传感器，Tox（1 nm）、Tc（5 nm）分别为HfO₂栅极氧化层厚度和纳米间隙空腔宽度。为促进灵敏度参数的适当变化，栅极金属功函数的选择应使隧穿仅在生物分子积累在空腔时发生，因此选择金属功函数ΦMS = 4.2 eV（在HfO₂栅极氧化层上）。本文分析了五种不同介电常数（1, 2.5, 5, 11, 23）的小生物分子和五种不同纳米间隙空腔厚度（5, 7, 9, 11, 13 nm）对该生物传感器的影响。

DM-DSTGTFET的制造方法与文献[24]类似。图2展示了提议的DM-DSTGTFET制造步骤。第一步（图2a），通过掩膜、曝光、刻蚀、离子注入和退火，在轻掺杂硅衬底上形成器件底部的漏极区，掺杂浓度为10¹⁷/cm³，掺杂离子为砷。然后在漏极区顶部外延生长本征硅形成沟道区。如图2b所示，刻蚀掉沟道上方的两个角落。同时，如图2c所示，通过化学气相沉积（CVD）技术沉积N⁺掺杂形成DM-DSTGTFET的袋区。在源区，通过CVD生长基于Si的双源区，并进行掩膜、曝光、刻蚀、离子注入和退火，对源区进行P型高掺杂，掺杂浓度为10²⁰/cm³（图2d）。下一步，在沟道层制作沟槽并沉积SiO₂（图2e），然后形成沟槽（图2f）。进行冶金和图案化以获得栅极接触（图2g）。进一步在栅极两侧的SiO₂上刻蚀空腔（图2h）。最后一步，在空腔侧壁上生长1 nm HfO₂获得提议结构（图2i）。

仿真方法与模型

为更清晰地研究DM-DSTGTFET生物传感器性能，本文利用TCAD工具（Sentaurus）研究TFET传感器的灵敏度，并采用适当模型进行精确仿真。

非局域BTBT模型将隧穿路径上每一点的电场视为变量，即BTBT隧穿概率取决于隧穿结处的能带弯曲。非局域隧穿模型更符合TFET仿真的实际情况，因此本文采用非局域BTBT模型。Sentaurus中使用Kane模型作为动态非局域BTBT隧穿模型。在Kane模型中，BTBT隧穿速率表示为：

G_BTBT = A(E/E₀)ᴾ exp(-B/E₀)

其中常数E₀ = 1 V/cm，直接带隙隧穿P = 2，声子辅助间接带隙隧穿P = 2.5。本文器件主要为硅，故P取2.5。参数A = 4 × 10¹⁴/cm³·s，E为电场，指数因子B = 9.9 × 10⁶ V/cm。

选择Shockley-Read-Hall (SRH) 模型包含载流子复合。采用带隙变窄模型激活高浓度下的带隙效应。调用费米-狄拉克统计包含高掺杂区域性质的变化。硅材料的迁移率模型应考虑电离杂质散射模型（μ_dop）、界面散射模型（μ_InterSc）和高场饱和模型（μ_F），最终有效迁移率模型表示为：

1/μ = 1/μ_dop + 1/μ_InterSc + 1/μ_F

空腔填充材料引入Poole-Frenkel迁移率模型，迁移率作为电场函数由下式给出：

μ = μ₀ exp(-E₀/KT) exp(√E (β/T - γ))

其中μ₀为低场迁移率，β和γ为拟合参数，E₀为有效活化能，E为驱动力（电场）。K为玻尔兹曼常数，T为温度。E₀和γ默认值为0，β = 0.1。

基于上述校准的物理模型，分析DM-DSTGTFET生物传感器的电学特性。仿真中考虑四种不同介电常数生物分子（k = 2.5, 5, 11, 23）、五种空腔厚度（Tc = 5, 7, 9, 11, 13 nm）和不同密度的带电生物分子。研究传感器灵敏度时通常采用参考条件，以使传感器对目标物质的响应明显。参考条件取空腔填充空气，即无生物分子填充时的条件。因此，DM-DSTGTFET的阈值电压灵敏度、漏极电流灵敏度和亚阈值摆幅灵敏度定义为：

ΔVth = Vth(air) - Vth(bio)

S_drain = (Ids(bio) - Ids(air)) / Ids(air)

S_SS = (SS_air - SS_bio) / SS_air

其中Vth(air)为空腔填充空气时的阈值电压，Vth(bio)为填充生物分子时的阈值电压。同理，Ids(air)和SS_air分别为填充空气时的开态漏极电流和亚阈值摆幅，Ids(bio)和SS_bio为填充生物分子时的相应值。通过分析DM-DSTGTFET的电学特性，提取阈值电压、开态漏极电流和亚阈值摆幅来分析生物传感器灵敏度。

结果与讨论

不同生物分子对DM-DSTGTFET的影响

图3展示了不同介电常数生物分子填充空腔时DM-DSTGTFET的传输特性、能带变化、阈值电压灵敏度和开态电流灵敏度。通过选择较低的栅极金属功函数（ΦMS = 4.2），可通过调整不同k值研究漏极电流灵敏度。

如图3a所示，随着栅极介质介电常数增加，栅极控制能力增强，开态电流也随之增加。图3b描述了不同k值生物分子的能带图。当k=1时表示空腔无生物分子填充，此时能带扭曲最小。随着空腔内生物分子介电常数增加，能带弯曲越来越严重，意味着更高k值下隧穿结处的势垒宽度减小。图3c展示了生物分子介电常数对Ion和Ion/Ioff灵敏度的影响。随着k增加，Ion和Ion/Ioff灵敏度均提高。这是因为k增加导致能带弯曲更严重，源极-沟道结处势垒宽度减小，隧穿概率增加，电子BTBT隧穿产生率增加（图4清晰显示）。在k=23时，器件提供高达1.1 × 10¹⁰的Ion/Ioff灵敏度，明显高于已发表的基于TFET的生物传感器。图3d给出了Vth和ΔVth灵敏度随生物分子k值的变化。显然，随着k增加，器件Ion增加越快，阈值电压越低。同时，ΔVth随k升高呈上升趋势，原因是不同生物分子填充时的Vth与无生物分子填充时的Vth差值增大。通常填充空气时的Vth大于其他k值。DM-DSTGTFET在k=23时表现出最大1.2 V的ΔVth灵敏度。因此，DM-DSTGTFET为生物分子提供高电流灵敏度和阈值电压灵敏度。

图5a展示了不同生物分子填充空腔时DM-DSTGTFET的SS和SS灵敏度。可见介电常数增加导致SS减小和SS灵敏度提高。SS越小，TFET功耗越低，性能越好。因此，随着k值增加，SS减小，S_SS增加，栅极控制能力增强。图5b展示了提议DM-DSTGTFET的漏极电流灵敏度随k的变化。灵敏度随k增加而增加，这是由于k增加导致隧穿结处电场增强，隧穿宽度减小，从而增加S_drain。

不同空腔厚度对DM-DSTGTFET的影响

由于k=23时DM-DSTGTFET生物传感器的S_drain、ΔVth灵敏度和S_SS最大（前节结论），本节在k=23条件下研究空腔厚度对灵敏度的影响。

图6描述了不同空腔厚度（Tc）下DM-DSTGTFET生物传感器的传输特性。随着Tc增加，开态电流变小。图7a绘制了不同Tc对Ion和Ion/Ioff灵敏度的影响。Tc增加时，栅极-沟道电容减小，导致源极-沟道结处隧穿宽度变大，漏极电流降低。对于k=23，Ion和Ion/Ioff灵敏度随Tc增加而降低，这是由于较大Tc改善了栅极-沟道电容耦合。另一方面，如图7b所示，Vth和ΔVth灵敏度随Tc增加呈上升趋势。这是因为Tc增加降低了Ion，从而增加了Vth。换句话说，更宽空腔导致栅极对沟道控制减弱，引起更高Vth。因此，DM-DSTGTFET在较窄空腔下作为电压生物传感器效果更好。

带电生物分子对DM-DSTGTFET的影响

为研究不同电荷生物分子对传感器灵敏度的影响，首先研究了动态范围和检测限。本文中DM-DSTGTFET可检测电荷密度范围从10¹⁰ cm⁻²到10¹³ cm⁻²的感应材料，检测范围比其他传感器更宽。因此后续仿真使用该动态范围内的电荷密度进行灵敏度研究。

图8展示了在不同k值下，填充不同正负电荷生物分子对DM-DSTGTFET传输特性的影响。可见在k=2.5时，带正负电荷的生物分子使传输曲线变化范围较大。因此后续讨论聚焦于k=2.5时不同正负电荷对DM-DSTGTFET生物传感器灵敏度的影响。

图9a描述了正电荷生物分子对Ion和Ion/Ioff灵敏度的影响。生物分子正电荷增加导致器件Ion和Ion/Ioff灵敏度提高。空腔内正电荷增加有效栅极氧化层介电常数，增强栅极控制能力，减小源极-沟道结隧穿宽度，提高Ion和Ion/Ioff灵敏度。图9b展示了正电荷对Vth和ΔVth灵敏度的影响。观察到Vth降低且ΔVth灵敏度随正电荷增加而改善。这是由于分子正电荷增加Ion并降低Vth，Vth降低增大了生物分子相对于空气的阈值电压差，从而改善ΔVth。

图10a展示了k=2.5时负电荷生物分子对Ion和Ion/Ioff灵敏度的影响。负电荷增加导致Ion和Ion/Ioff灵敏度降低。空腔内负电荷降低有效栅极氧化层介电常数，削弱栅极控制能力，增加源极-沟道结隧穿宽度，降低Ion和Ion/Ioff灵敏度。图10b展示了负电荷对Vth和ΔVth灵敏度的影响。对于k=2.5，Vth升高且ΔVth灵敏度随负电荷增加而降低。这是由于分子负电荷降低Ion并增加Vth，Vth增加减小了生物分子相对于空气的阈值电压差，导致ΔVth降低。

结论

总之，DM-DSTGTFET在生物传感器应用中对生物分子检测具有高灵敏度。通过检查相对介电常数、空腔厚度、带电生物分子、Ion/Ioff灵敏度、SS和S_SS引入的效应，评估了DM-DSTGTFET结构的检测能力。结果表明：介电常数越大、空腔厚度越小、正电荷越多，提议器件的灵敏度越大。仿真结果表明，该结构可用于超高灵敏度和低功耗生物传感器件。