Simulation und Leistungsanalyse eines dielektrischen modulierten Dual-Source-Trench-Gate-TFET-Biosensors

Einführung

In der jüngsten Vergangenheit hat sich aufgrund der vielversprechenden Eigenschaften hoher Empfindlichkeit, minimaler Verzögerung, skalierter Abmessungen und geringer Kosten ein erhebliches Forschungsinteresse auf siliziumbasierte Feldeffekttransistor-(FET)-Biosensoren konzentriert [1,2,3,4,5, 6]. Biosensoren auf FET-Basis haben die Begrenzung der thermischen Elektronenemission und haben eine unterschwellige Steigung (SS), die mehr als 60 mV/Dekade betragen kann. Aufgrund des Band-zu-Band-Tunneling-(BTBT)-Leitungsmechanismus überwindet der TFET die Beschränkung und verringert den Kurzkanaleffekt [7,8,9,10]. Daher hat sich ein TFET-basierter Biosensor als geeigneter Kandidat für eine bessere Empfindlichkeit und Reaktionszeit als ein FET-basierter Biosensor herausgestellt [11,12,13,14].

Die gebräuchlichste Methode in TFETs zur Moleküldetektion basiert auf dielektrischer Modulation. Ein Teil des Gatedielektrikumsmaterials wird herausgeätzt, um einen Hohlraum zu bilden; Wenn Biomoleküle in den Hohlraum gefüllt werden, ändert sich die Dielektrizitätskonstante des Hohlraums, und eine Änderung spiegelt sich in den Drainstrom- und Übertragungseigenschaften wider [15,16,17]. Gleichzeitig hilft die dielektrische Modulation beim Erfassen sowohl geladener als auch neutraler Moleküle. Gegenwärtig wurde das Konzept der dielektrischen Modulation in TFETs verwendet, und der Biosensor auf der Grundlage eines dielektrisch modulierten TFET (DMTFET) hat die hohe Wertschätzung von Forschern angezogen. Ein p-n-p-n-TFET, der als Biosensor für die markierungsfreie Biomoleküldetektion arbeitet, wird mit Gerätesimulation untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Biosensor auf TFET-Basis in Abwesenheit von Biomolekülen einen niedrigen Sperrstrom und eine hohe Empfindlichkeit sowohl gegenüber der Dielektrizitätskonstante als auch der Ladung aufweist[18]. Tunnelübergang kann zu einer effektiven Kopplung führen, was zu einer hohen Empfindlichkeit führt und den DM-TFET auch gegenüber einer Empfindlichkeitsverringerung bei einer geringeren Dimension widerstandsfähig macht. TFET-basierte Biosensoren unterschiedlicher Struktur werden untersucht. Im Vergleich zum herkömmlichen DGTFET kann die Integration der Short Gate (SG)-Architektur in die DMTFET-Struktur die Empfindlichkeit erheblich verbessern und die Kosten senken [20]. Der auf Ladungsplasma basierende Gate-Unterlappungs-Dielektrikum-modulierte übergangslose Tunnel-Feldeffekttransistor (CPB DM-JLTFET) kann die maximale Empfindlichkeit (neutrale und geladene Biomoleküle) erreichen, indem die Länge und Dicke des Hohlraums in der Nähe des Tunnelübergangs unter der entsprechenden Vorspannung entsprechend ausgewählt wird [21]. Um die Empfindlichkeit des Biosensors zu verbessern, wird in einem vertikalen dielektrisch modulierten Tunnel-Feldeffekttransistor (V-DMTFET) eine stark dotierte Front-Gate-n + -Tasche und eine Gate-zu-Source-Überlappung eingeführt [22]. Heteroübergangs-Tunnelfeldeffekttransistor mit kreisförmigem Gate weist aufgrund seiner nicht gleichförmigen Gate-Architektur eine höhere Empfindlichkeit als HJ-TFET mit einheitlichem Gate auf [23]. Der Doppelkanal-Trench-Gate-TFET weist eine hohe Stromempfindlichkeit sowie eine exorbitante Spannungsempfindlichkeit auf [24]. Der Doppelgate- und Doppelmetall-TFET-Biosensor kann die Empfindlichkeitsänderung deutlicher machen [25].

Die meisten Biosensoren basieren jedoch auf dem Doppelgate-TFET, bei dem die Biomoleküle von den Seiten der Gates an beiden Enden hinzugefügt werden müssen. Bei der vorgeschlagenen Struktur werden die Biomoleküle vertikal von der Oberseite des Geräts hinzugefügt, was ein einfacherer Vorgang ist. Da der Gate-Source-Überlappungsbereich groß ist, d Vergleich der unterschiedlichen Sensitivitäten zwischen dieser Arbeit und den Forschungsergebnissen in anderen Referenzen.

In diesem Artikel wird die Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET-Biosensors untersucht und der spezifische Inhalt ist wie folgt. Die Abschnitte 2 und 3 beschreiben die grundlegende Gerätestruktur, den Herstellungsprozess, das Simulationsmodell und die Methode. Abschnitt 4 charakterisiert die Wirkung verschiedener Faktoren auf die Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET-Biosensors. Insbesondere die Einflüsse unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, Kavitätendicken und geladener Biomoleküle auf die Transfereigenschaften, die I _an /Ich _aus Empfindlichkeit und △V _te Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Geräts. Abschnitt 5 schließt die Forschungsergebnisse aus der durchgeführten Untersuchung ab.

Gerätestrukturen

Abbildung 1 zeigt ein Querschnittsbild eines DM-DSTGTFET-basierten Biosensors. Die Gate-Elektrode des DM-DSTGTFET hat eine Austrittsarbeit von 4,2. Um den Durchlassstrom des TFET zu erhöhen, wird eine Dual-Source-Struktur verwendet. Die beiden Sourcegebiete mit einer Dotierungskonzentration von 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ sind symmetrisch auf beiden Seiten des Tores platziert. Der p-Kanal mit Höhe (H_c ) von 37 nm und einer Dotierungskonzentration von 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ befindet sich unterhalb von Source und Gate. Der n-Drain mit einer Dotierungskonzentration von 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ und Höhe (H _d ) von 18 nm liegt unterhalb des Kanals. Zwei Oxide auf den Sourcegebieten sind HfO₂ mit einer Dicke von 2 nm. Die beiden Taschenbereiche der Dicke (T _p ) 5 nm sind symmetrisch auf beiden Seiten des Gates mit einer Donor-Dotierungskonzentration von 1 × 10 ¹⁹ . angeordnet cm ⁻³ . Außerdem gilt für den vorgeschlagenen Biosensor T _Ochse (1 nm), T _c (5 nm) sind die Dicke des HfO₂ Gateoxid bzw. Breite des Nanogap-Hohlraums. Um eine geeignete Änderung des Empfindlichkeitsparameters zu erleichtern, sollte der Wert der Gate-Metallaustrittsarbeit so gewählt werden, dass ein Tunneln nur dann auftreten kann, wenn sich die Biomoleküle in der Kavität ansammeln. Deshalb Metallarbeitsfunktion Φ_MS = 4,2 eV (über HfO₂ Gateoxid) gewählt wird. Nun werden fünf verschiedene Typen kleiner Biomoleküle mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten (1, 2.5, 5, 11, 23) und fünf verschiedenen Dicken der Nanogap-Kavität (5 nm, 7 nm, 9 nm, 11 nm, 13 nm) auf die vorgeschlagener Biosensor.

Schematische Querschnittsansicht des DM-DSTGTFET-Biosensors

Das Herstellungsverfahren des DM-DSTGTFET ist ähnlich dem veröffentlichten [24]. Abbildung 2 zeigt die Herstellungsschritte des vorgeschlagenen DM-DSTGTFET. Im ersten Schritt wird, wie in Fig. 2a gezeigt, durch eine Maske, Belichtung, Ätzen, Ionenimplantation und Tempern auf einem leicht dotierten Siliziumsubstrat ein Drain-Gebiet am Boden der Vorrichtung gebildet. Die Dotierungskonzentration des gebildeten Drain-Gebiets beträgt 10 ¹⁷ /cm ³ , und das Dotierungsion ist Arsen. Dann wird intrinsisches Silizium epitaktisch auf der Drain-Zone aufgewachsen, um die Kanalzone der Vorrichtung zu bilden. Wie in Abb. 2b gezeigt, sind die beiden Ecken über dem Kanal weggeätzt. Gleichzeitig N ⁺ Die Dotierung wird durch eine chemische Gasphasenabscheidungstechnik (CVD) abgeschieden, wie in Fig. 2c beschrieben, um die Taschenbereiche des DM-DSTGTFET zu bilden. Im Source-Bereich wird ein Si-basierter Dual-Source-Bereich durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gezüchtet, und Maskieren, Belichten, Ätzen, Ionenimplantation und Tempern werden für eine P-Typ-Hochdotierung im Source-Bereich mit einer Dotierung durchgeführt Konzentration von 10 ²⁰ /cm ³ , wie in Fig. 2d gezeigt. Im nächsten Schritt wird der Graben in Kanalschicht und SiO₂ . hergestellt wird im Graben abgeschieden, wie in Fig. 2e angegeben. Dann wird der Graben gebildet, wie in Fig. 2f dargestellt. Die Metallisierung und Strukturierung werden ausgeführt, um die Gate-Kontakte zu erhalten, wie in Fig. 2g gezeigt. Außerdem sind die Hohlräume in SiO₂ . eingearbeitet auf beiden Seiten des Tors wie in Abb. 2h angegeben. Im letzten Schritt 1 nm HfO₂ wird an der Seitenwand von Hohlräumen aufgewachsen, um die vorgeschlagene Struktur zu erhalten, wie sie in Abb. 2i dargestellt ist.

Herstellungsablauf für DM-DSTGTFET als Biosensor

Simulationsmethode und -modell

Um die Leistung von DM-DSTGTFET-Biosensoren genauer zu untersuchen, verwendet dieses Dokument das TCAD-Tool (sentaurus), um die Empfindlichkeit von TFET-Sensoren zu untersuchen. Für eine genaue Simulation werden die entsprechenden Modelle verwendet.

Das nichtlokale BTBT-Modell betrachtet das elektrische Feld an jedem Punkt im Tunnelpfad als Variable, was bedeutet, dass die BTBT-Tunnelwahrscheinlichkeit von der Bandkrümmung am Tunnelübergang abhängt. Das nicht-lokale Tunnelmodell entspricht eher der tatsächlichen Situation der TFET-Simulation [29]. Daher wird in diesem Papier das nichtlokale BTBT-Modell verwendet. Das Kane-Modell wird für das dynamische nicht-lokale BTBT-Tunnelmodell in sentaurus verwendet. Im Kane-Modell wird die Rate des BTBT-Tunnelings ausgedrückt als [30]:

wobei konstant E ₀ = 1 V/cm, P = 2 für direktes Bandlückentunneln und P =2,5 für phononenunterstütztes indirektes Bandlückentunneln. Da die Geräte in diesem Artikel hauptsächlich aus Silizium bestehen, P wählen Sie 2.5. Der Parameter A = 4 × 10 ¹⁴ /cm ³ s, E ist das elektrische Feld und der Exponentialfaktor B = 9.9 × 10 ⁶ V/cm.

Shockley-Read-Hall (SRH) wird gewählt, um die Rekombination von Trägern einzuschließen. Das Modell der Bandlückenverengung wird verwendet, um den Hochkonzentrationseffekt in der Bandlücke zu aktivieren. Die Fermi-Dirac-Statistik wird aufgerufen, um die Änderung der Eigenschaften einer hochdotierten Region einzuschließen. Das Mobilitätsmodell in Si-Material sollte das Streumodell ionisierter Verunreinigungen berücksichtigen (µ _dop ), das Grenzflächenstreuungsmodell (µ _InterSc ) und das Hochfeld-Sättigungsmodell (µ _F ) [31], und das endgültige effektive Mobilitätsmodell kann ausgedrückt werden durch:

Das Poole-Frenkel-Mobilitätsmodell wird in das Material eingeführt, das die Kavität füllt, und die Mobilität als Funktion des elektrischen Felds ist gegeben durch:

wobei µ ₀ ist die Niederfeldmobilität, β und γ sind Anpassungsparameter, E ₀ die effektive Aktivierungsenergie und E die treibende Kraft (elektrisches Feld). K ist die Boltzmann-Konstante und T ist die Temperatur. Der Standardwert von E ₀ und 0 ist, β = 0,1.

Basierend auf dem oben kalibrierten physikalischen Modell werden die elektrischen Eigenschaften des DM-DSTGTFET-Biosensors analysiert.

Während der Simulation werden Biomoleküle mit vier verschiedenen Dielektrizitätskonstanten (k = 2,5, 5, 11, 23), fünf Kavitätendicke (T _c = 5, 7, 9, 11, 13 nm) und unterschiedliche Dichten geladener Biomoleküle werden in Simulation und Diskussion berücksichtigt. Im Allgemeinen wird eine Referenz verwendet, wenn die Empfindlichkeit des Sensors untersucht wird. Es wird die Referenz vorgeschlagen, die die Reaktion des Sensors auf die Zielsubstanz deutlich machen kann. Daher wird der Bezug genommen, wenn die Hohlräume mit Luft gefüllt sind, oder einfach der Zustand, wenn die Biomoleküle nicht in die Hohlräume gefüllt sind. Daher ist ein Maß für die Schwellenspannungsempfindlichkeit, die Drainstromempfindlichkeit und die unterschwellige Flankenempfindlichkeit des DM-DSTGTFET definiert als [22] [28] [32]:

wo V _th(Luft) ist die Schwellenspannung des Biosensors, wenn die Hohlräume mit Luft gefüllt sind, und V _th(bio) ist die Schwellenspannung, wenn die Hohlräume mit Biomolekülen gefüllt sind. In ähnlicher Weise ich _ds(Luft) und SS_Luft sind der Drainstrom im eingeschalteten Zustand bzw. der unterschwellige Swing des Biosensors, wenn die Hohlräume mit Luft gefüllt sind, und I _ds(bio) und SS_bio sind der Drainstrom im eingeschalteten Zustand bzw. der unterschwellige Swing, wenn die Hohlräume mit Biomolekülen gefüllt sind.

Durch die Analyse der elektrischen Eigenschaften des DM-DSTGTFET werden die Schwellenspannung, der Durchlass-Drain-Strom und der unterschwellige Ausschlag extrahiert, um die Empfindlichkeit des Biosensors zu analysieren.

Ergebnisse und Diskussion

Auswirkungen verschiedener Biomoleküle in DM-DSTGTFET

Abbildung 3 zeigt die Übertragungscharakteristik, Energiebandvariation, Schwellenspannungsempfindlichkeit und Stromempfindlichkeit des DM-DSTGTFET im eingeschalteten Zustand, wenn unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten von Biomolekülen den Hohlraum füllen. Durch die Wahl einer niedrigeren Gate-Metallaustrittsarbeit (Φ_MS = 4.2), kann die Sensitivität des Drainstroms durch Einstellen der verschiedenen k untersucht werden.

a Übertragungseigenschaften, b Variation der Energiebänder in Bezug auf die y-Achse, c Ich _an /Ich _aus Sensibilität und d Schwellenspannungsempfindlichkeit des DM-DSTGTFET-Biosensors für verschiedene Werte von k bei V_d = 0,5 V und T _c = 5 nm

Wie in Fig. 3a zu sehen ist, nimmt mit steigendem k des Gatedielektrikums, je stärker die Gatesteuerfähigkeit ist, auch der Durchlassstrom zu. Abbildung 3b beschreibt das Energiebanddiagramm bei den verschiedenen k von Biomolekülen. Wenn k = 1, bedeutet, dass keine Biomoleküle in die Kavität eingefüllt sind. In diesem Fall wird die Verdrehung im Energieband minimiert. Darüber hinaus verbiegt sich das Energieband immer stärker, wenn die Dielektrizitätskonstante der Biomoleküle in der Kavität zunimmt. Dies bedeutet, dass bei höheren k . eine stärkere Ausrichtung der Energiebänder stattfindet , und somit verringert sich die Barrierenbreite über den Übergang. Abbildung 3c zeigt den Einfluss der Dielektrizitätskonstante von Biomolekülen auf I _an und ich _an /Ich _aus Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET. Mit der Zunahme von k , das Ich _an und ich _an /Ich _aus Auch die Sensibilität verbessert sich. Dies liegt an der Tatsache, dass mit Zunahme von k die Barrierenbreite am Source-Kanal-Übergang verringert wird, je stärker die Energiebandverbiegung ist, und somit die Tunnelmöglichkeit zunimmt. Mit zunehmender Tunnelwahrscheinlichkeit nimmt die Elektronen-BTBT-Tunnelbildung zu, was in Abb. 4 deutlich zu sehen ist. Die vorgeschlagene Vorrichtung liefert das höchste I _an /Ich _aus Empfindlichkeit von 1,1 × 10 ¹⁰ um k = 23, was offensichtlich höher ist als bei den veröffentlichten TFET-basierten Biosensoren. Abbildung 3d zeigt die Variation in V _te und △V _te Sensitivität von DM-DSTGTFET in Bezug auf das k von Biomolekülen. Offensichtlich, da die k steigt, je schneller das I _an der vorgeschlagenen Vorrichtung steigt, je niedriger die Schwellenspannung ist. Inzwischen ist das △V _te zeigt einen steigenden Trend mit Anstieg von k . Der Grund dafür ist, dass der Unterschied zwischen dem V _te wenn verschiedene Biomoleküle gefüllt sind und das V _te wenn kein Biomolekül gefüllt ist, wird größer. Im Allgemeinen ist das V _te wenn mit Luft gefüllt ist größer als andere k-Werte. Der vorgeschlagene DM-DSTGTFET führt eine maximale △V _te Empfindlichkeit von 1,2 V bei k =23. Daher bietet der DM-DSTGTFET eine hohe Stromempfindlichkeit sowie Schwellenspannungsempfindlichkeit für Biomoleküle.

Elektronen-BTBT-Erzeugung im DM-DSTGTFET-Biosensor für verschiedene Biomoleküle bei Vd = 0.5 V, T _c = 5 nm und Vg = 1,5 V

Abbildung 5a zeigt die SS- und SS-Empfindlichkeit von DM-DSTGTFET, wenn die Hohlräume mit verschiedenen Biomolekülen gefüllt sind. Hier ist zu sehen, dass die Zunahme der Dielektrizitätskonstante zu einer Abnahme von SS und einer Verbesserung von S_SS . führt . Je kleiner die SS, desto geringer die Leistungsaufnahme des TFET und desto besser die Leistung des TFET. Daher gilt:Wenn der Wert von k zunimmt, nimmt SS ab, S_SS erhöht und die Gate-Steuerungsfähigkeit steigt.

a Subthreshold-Steigung, Subthreshold-Slope-Empfindlichkeit und b Senken Sie die Stromempfindlichkeit mit verschiedenen Biomolekülen, wenn V_d = 0,5 V, T _c = 5 nm und V_g = 1,5 V

Die Sensitivität des Drainstroms variiert als Funktion von k für den vorgeschlagenen DM-DSTGTFET in Fig. 5b. Die Empfindlichkeit nimmt mit Zunahme von k zu. Dies liegt daran, dass eine Erhöhung von k zu einer Verstärkung des elektrischen Felds am Tunnelübergang führt, was zu einer Verringerung der Tunnelbreite führt und somit S . erhöht _ablassen.

Auswirkung unterschiedlicher Kavitätendicken in DM-DSTGTFET

Denn wenn k = 23, das S _ablassen , △V _te Empfindlichkeit und S_SS des DM-DSTGTFET-Biosensors sind die größten (die Schlussfolgerung aus dem vorherigen Abschnitt). Um den Einfluss der Kavitätendicke auf die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Biosensors genauer zu untersuchen, wird dieser Abschnitt daher unter der Bedingung k . durchgeführt = 23.

Abbildung 6 beschreibt die Übertragungseigenschaften des DM-DSTGTFET-Biosensors bei verschiedenen Kavitätendicken (T _c ). Als T _c steigt, wird der Durchlassstrom kleiner. Die Wirkung verschiedener T _c auf ich _an und ich _an /Ich _aus Die Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET ist in Fig. 7a aufgetragen. Wenn T _c erhöht wird, wird die Kapazität zwischen Gate und Kanal verringert, was zu einer größeren Tunnelbreite am Source-Kanal-Übergang führt, was zu einem geringeren Drainstrom führt. Für k = 23, das Ich _an und ich _an /Ich _aus Sensitivität nimmt mit Zunahme von T . ab _c durch Verbesserung der kapazitiven Kopplung zwischen Gate und Kanal für höhere T _c . Andererseits zeigt das vorgeschlagene Gerät einen zunehmenden Trend bei V _te und damit in △V _te Empfindlichkeit mit Zunahme von T _c wie in Fig. 7b dargestellt. Dies liegt daran, dass der Anstieg von T _c reduziert das Ich _an und erhöht somit das V _te . Mit anderen Worten, die Steuerung von Gate over Channel verringert sich für breitere Kavitäten, was zu einem höheren V . führt _te . Daher funktioniert der DM-DSTGTFET als besserer Spannungsbiosensor für eine schmalere Kavität.

Übertragungseigenschaften des DM-DSTGTFET-Biosensors für verschiedene Werte der Kavitätendicke (T _c ) bei V_d = 0,5 V, V_g = 1,5 V und k = 23

a Einfluss verschiedener Werte der Kavitätendicke (T _c ) aufIch _an , ich _an /Ich _aus Sensibilität, b V _te und △V _te von DM-DSTGTFET bei V_g = 1,5 V, V_d = 0,5 V und k = 23

Einfluss geladener Biomoleküle auf DM-DSTGTFET

Um den Einfluss der unterschiedlichen Ladungen von Biomolekülen auf die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Sensors zu untersuchen, wurden zunächst der dynamische Bereich und die Nachweisgrenze untersucht. In diesem Artikel kann der DM-DSTGTFET das Sensormaterial mit einer Ladungsdichte von 10 ¹⁰ . erkennen cm ⁻² bis 10 ¹³ cm ⁻² , einen größeren Erfassungsbereich im Vergleich zu anderen Sensoren [32]. Daher wird in der folgenden Simulation die Ladungsdichte innerhalb des dynamischen Grenzbereichs für die Sensitivitätsforschung verwendet.

Abbildung 8 zeigt die Auswirkung des Füllens der Kavität mit Biomolekülen mit unterschiedlichen positiven Ladungen und negativen Ladungen auf die Übertragungseigenschaften des DM-DSTGTFET unter verschiedenen k . Wie zu sehen ist, bei k = 2,5, unter positiv und negativ geladenen Biomolekülen hat die Transferkurve einen größeren Änderungsbereich. Daher konzentriert sich die folgende Diskussion auf die Wirkung unterschiedlicher positiver Ladungen und negativer Ladungen auf die Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET-Biosensors, wenn k = 2.5.

Übertragungseigenschaften des DM-DSTGTFET-Biosensors für Dielektrizitätskonstante von Biomolekülen, a unterschiedliche positive Ladung und b unterschiedliche negative Ladung von Biomolekülen bei V_d = 0,5 V, V_g = 1,5 V und T _c = 5 nm

Abbildung 9a beschreibt die Variation von Ion und I _an /Ich _aus Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET als Funktion positiver Ladungen. Die zunehmende positive Ladung von Biomolekülen führt zu einer Verbesserung von Ion und I _an /Ich _aus Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Geräts. Die positive Ladung in der Kavität erhöht das effektive Gate-Oxid-Dielektrikum, was zu einer Verbesserung der Gate-Steuerungsfähigkeit führt. Diese Erhöhung der Gate-Steuerungsfähigkeit führt zu einer Verringerung der Tunnelbreite des Source-Kanal-Übergangs, was zu einer Verbesserung von I . führt _an und ich _an /Ich _aus Empfindlichkeit. Abbildung 9b zeigt die Wirkung einer positiven Ladung von Biomolekülen auf V _te und △V _te Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET. Es wird beobachtet, dass die V _te reduziert und △V _te die Empfindlichkeit verbessert sich mit zunehmender positiver Ladung. Dies liegt daran, dass die positive Ladung des Moleküls das I . erhöht _an und verringert V _te . Die Abnahme von V _te erhöht die Differenz zwischen der Schwellenspannung des Biomoleküls in Bezug auf Luft, was zu einer Verbesserung von △V . führt _te .

a Einfluss unterschiedlicher positiver Ladung von Biomolekülen auf I _an , ich _an /Ich _aus Sensibilität, b V _te und △V _te von DM-DSTGTFET bei V_g = 1,5 V, V_d = 0,5 V, k = 2,5 und T _c = 5 nm

Abbildung 10a zeigt die Variation von I _an und ich _an /Ich _aus Empfindlichkeit von DM-DSTGTFET als Funktion positiver Ladungen für k = 2,5. Die zunehmende negative Ladung von Biomolekülen führt zu einer Abnahme von Ion und I _an /Ich _aus Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Geräts. Die negative Ladung in der Kavität verringert das effektive Gate-Oxid-Dielektrikum, was zu einer Verbesserung der Gate-Steuerungsfähigkeit führt. Diese Abnahme der Gate-Steuerungsfähigkeit verursacht eine Zunahme der Tunnelbreite des Source-Kanal-Übergangs, was zu einer Abnahme von Ion und I . führt _an /Ich _aus Empfindlichkeit.

a Einfluss unterschiedlicher negativer Ladung von Biomolekülen auf I _an , ich _an /Ich _aus Sensibilität, b V _te und △V _te von DM-DSTGTFET bei V_g = 1,5 V, V_d = 0,5 V, k = 2,5 und T _c = 5 nm

Abbildung 10b zeigt die Wirkung negativer Ladung von Biomolekülen auf V _te und △V _te Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass für k = 2,5, das V _te verbessert und △V _te Die Empfindlichkeit nimmt mit zunehmender negativer Ladung ab. Dies liegt daran, dass die negative Ladung des Moleküls das I . verringert _an und V erhöhen _te . Der Anstieg von V _te erhöht die Differenz zwischen der Schwellenspannung des Biomoleküls in Bezug auf Luft, was zu einer Abnahme von △V . führt _te .

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DM-DSTGTFET eine hohe Sensitivität für den Nachweis von Biomolekülen in Biosensoranwendungen aufweist. Die Nachweisfähigkeit der DM-DSTGTFET-Struktur wird jedoch bewertet, indem die Auswirkungen untersucht werden, die durch relative Permittivität, Hohlraumdicke, geladene Biomoleküle, I . eingeführt werden _an /Ich _aus Empfindlichkeit, SS und S_SS . Die Ergebnisse zeigen, dass je größer die Dielektrizitätskonstante, desto geringer die Dicke des Hohlraums, desto positiver geladen und desto größer die Empfindlichkeit der vorgeschlagenen Vorrichtung. Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Struktur für ultraempfindliche und verbrauchsarme Biosensorgeräte angewendet werden kann.

Abkürzungen

DM-DSTGTFETS:

Dielektrisch modulierte Dual-Source-Trench-Gate-Tunnel-Feldeffekttransistoren

TCAD:

Technologie computergestütztes Design

BTBT:

Band-zu-Band-Tunneling

DGTFET:

Dual-Gate-Tunnel-Feldeffekttransistoren

SS:

Unterschwellige Steigung