Fortschrittliche Simulation eines dielektrisch modulierten Dual-Source Trench-Gate TFET-Biosensors zur Biomolekül-Detektion

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird ein dielektrisch modulierter Dual-Source Trench-Gate Tunnel-FET (DM-DSTGTFET) als Biosensor zur Detektion von Biomolekülen vorgeschlagen. Der DM-DSTGTFET nutzt eine Dual-Source-Struktur und ein Trench-Gate, um den Einschaltstrom zu erhöhen und einen bidirektionalen Strom zu erzeugen. Im vorgeschlagenen Design werden zwei Kavitäten über dem 1 nm dünnen Gate-Oxid geätzt, die mit Biomolekülen gefüllt werden. Zur Analyse der Empfindlichkeit wird eine 2D-Simulation mit Technology Computer-Aided Design (TCAD) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei niedriger Versorgungsspannung die Stromempfindlichkeit des DM-DSTGTFET bis zu 1,38 × 10⁵ erreicht, während die Schwellenspannungsempfindlichkeit 1,2 V beträgt. Daher bietet der DM-DSTGTFET-Biosensor aufgrund seines geringen Stromverbrauchs und seiner hohen Empfindlichkeit vielversprechende Anwendungsaussichten.

Einleitung

In jüngster Zeit hat die Forschung an siliziumbasierten Feldeffekttransistor (FET)-Biosensoren stark zugenommen, da diese vielversprechende Eigenschaften wie hohe Empfindlichkeit, minimale Verzögerung, skalierbare Abmessungen und niedrige Kosten aufweisen [1-6]. FET-basierte Biosensoren unterliegen jedoch der thermischen Elektronenemission und besitzen eine Subschwellensteilheit (SS), die 60 mV/Dekade nicht unterschreiten kann. Durch den Band-zu-Band-Tunnelmechanismus (BTBT) überwindet der TFET diese Begrenzung und verringert den Kurzkanaleffekt [7-10]. Daher haben sich TFET-basierte Biosensoren als geeignete Kandidaten für bessere Empfindlichkeit und Ansprechzeit im Vergleich zu FET-basierten Biosensoren etabliert [11-14].

Die gängigste Methode in TFETs zur Moleküldetektion basiert auf dielektrischer Modulation. Ein Teil des Gate-Dielektrikums wird herausgeätzt, um eine Kavität zu bilden; wenn Biomoleküle diese füllen, ändert sich die Dielektrizitätskonstante der Kavität, was sich in Drainstrom und Übertragungscharakteristik widerspiegelt [15-17]. Gleichzeitig ermöglicht die dielektrische Modulation die Detektion sowohl geladener als auch neutraler Moleküle. In jüngster Zeit wurde das Konzept der dielektrischen Modulation in TFETs genutzt, und der dielektrisch modulierte TFET (DM-TFET) als Biosensor hat großes Forschungsinteresse geweckt. Ein p-n-p-n TFET als Biosensor für markierungsfreie Biomolekül-Detektion wurde mittels Gerätesimulation untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass ein TFET-basierter Biosensor im Fehlen von Biomolekülen einen niedrigen Ausschaltstrom und hohe Empfindlichkeit gegenüber sowohl Dielektrizitätskonstante als auch Ladung aufweist [18]. In [19] wurde beobachtet, dass die Anwesenheit von Biomolekülen in der Kavität nahe der Tunnelstelle zu effektiver Kopplung führt, was hohe Empfindlichkeit bewirkt und den DM-TFET gegen Empfindlichkeitsverlust bei kleineren Dimensionen resistent macht. Verschiedene TFET-Strukturen als Biosensoren werden untersucht. Im Vergleich zum herkömmlichen DGTFET kann die Integration der Short-Gate (SG)-Architektur in die DMTFET-Struktur die Empfindlichkeit signifikant verbessern und Kosten senken [20]. Ein ladungsplasmenbasierter Gate-Underlap dielektrisch modulierter Junctionless Tunnel-FET (CPB DM-JLTFET) erreicht maximale Empfindlichkeit (für neutrale und geladene Biomoleküle) durch geeignete Wahl von Kavitätslänge und -dicke nahe der Tunnelstelle unter passender Biasierung [21]. Um die Biosensor-Empfindlichkeit zu verbessern, wird in einem vertikalen dielektrisch modulierten Tunnel-FET (V-DMTFET) ein stark dotierter Front-Gate n⁺-Pocket und Gate-Source-Overlap eingeführt [22]. Ein Circular-Gate Heterojunction TFET zeigt höhere Empfindlichkeit als ein Uniform-Gate HJ-TFET aufgrund seiner nicht-uniformen Gate-Architektur [23]. Ein Dual-Channel Trench-Gate TFET weist hohe Strom- und exorbitante Spannungsempfindlichkeit auf [24]. Ein Dual-Gate und Dual-Metall-Material TFET-Biosensor macht die Empfindlichkeitsänderung deutlicher [25].

Die meisten Biosensoren basieren jedoch auf Dual-Gate TFETs, bei denen Biomoleküle von den Seiten beider Gates zugeführt werden müssen. Im vorgeschlagenen Design werden Biomoleküle vertikal von der Geräteoberseite zugeführt, was eine einfachere Handhabung ermöglicht. Zudem ist der Gate-Source-Overlap-Bereich groß, d.h. der Bereich, in dem Source und Biomoleküle interagieren, ist offensichtlich, weshalb die Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET-Biosensors höher ist als bei anderen Geräten, wie Tabelle 1 zeigt. Tabelle 1 fasst den Vergleich der verschiedenen Empfindlichkeiten zwischen dieser Arbeit und anderen Referenzen zusammen.

In dieser Arbeit wird die Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET-Biosensors untersucht. Der Aufbau ist wie folgt: Abschnitte 2 und 3 beschreiben die grundlegende Gerätestruktur, den Fertigungsprozess, das Simulationsmodell und die Methode. Abschnitt 4 charakterisiert den Einfluss verschiedener Faktoren auf die Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET-Biosensors. Konkret werden die Einflüsse unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, Kavitätsdicken und geladener Biomoleküle auf die Übertragungscharakteristik, die I_on/I_off-Empfindlichkeit und die ΔV_th-Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Geräts untersucht. Abschnitt 5 fasst die Forschungsergebnisse zusammen.

Gerätestrukturen

Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt des DM-DSTGTFET-basierten Biosensors. Das Gate-Elektrodenmaterial des DM-DSTGTFET hat eine Austrittsarbeit von 4,2 eV. Um den Einschaltstrom des TFET zu erhöhen, wird eine Dual-Source-Struktur verwendet. Zwei Source-Bereiche mit einer Dotierungskonzentration von 1 × 10²⁰ cm⁻³ sind symmetrisch auf beiden Seiten des Gates platziert. Der p-Kanal mit einer Höhe (H_c) von 37 nm und einer Dotierungskonzentration von 1 × 10¹⁵ cm⁻³ befindet sich unterhalb von Source und Gate. Der n-Drain mit einer Dotierungskonzentration von 1 × 10¹⁷ cm⁻³ und einer Höhe (H_d) von 18 nm liegt unterhalb des Kanals. Zwei Oxide auf den Source-Bereichen bestehen aus HfO₂ mit einer Dicke von 2 nm. Zwei Pocket-Bereiche mit einer Dicke (T_p) von 5 nm sind symmetrisch auf beiden Seiten des Gates mit einer Donator-Dotierungskonzentration von 1 × 10¹⁹ cm⁻³ platziert. Zusätzlich sind für den vorgeschlagenen Biosensor T_ox (1 nm) und T_c (5 nm) die Dicke des HfO₂ Gate-Oxids bzw. die Breite der Nanogap-Kavität. Um eine angemessene Änderung des Empfindlichkeitsparameters zu ermöglichen, wird die Gate-Metall-Austrittsarbeit so gewählt, dass Tunneln nur dann auftritt, wenn Biomoleküle in der Kavität akkumulieren. Deshalb wird Φ_MS = 4,2 eV (über dem HfO₂ Gate-Oxid) gewählt. Nun werden fünf verschiedene Arten kleiner Biomoleküle mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten (1, 2,5, 5, 11, 23) und fünf verschiedene Dicken der Nanogap-Kavität (5 nm, 7 nm, 9 nm, 11 nm, 13 nm) für den vorgeschlagenen Biosensor analysiert.

Der Fertigungsprozess des DM-DSTGTFET ähnelt dem in [24] veröffentlichten. Abbildung 2 zeigt die Fertigungsschritte des vorgeschlagenen DM-DSTGTFET. Im ersten Schritt (Abb. 2a) wird durch Maske, Belichtung, Ätzen, Ionenimplantation und Glühen auf einem schwach dotierten Siliziumsubstrat ein Drain-Bereich am Geräteboden gebildet. Die Dotierungskonzentration beträgt 10¹⁷/cm³, das Dotierion ist Arsen. Anschließend wird intrinsisches Silizium epitaktisch auf den Drain-Bereich aufgewachsen, um den Kanalbereich zu bilden. Wie in Abb. 2b gezeigt, werden die beiden Ecken über dem Kanal weggeätzt. Gleichzeitig wird N⁺-Dotierung durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gemäß Abb. 2c abgeschieden, um die Pocket-Bereiche des DM-DSTGTFET zu bilden. Im Source-Bereich wird ein Si-basierter Dual-Source-Bereich durch CVD gewachsen, und durch Maskieren, Belichten, Ätzen, Ionenimplantation und Glühen wird eine p-Typ Hochdotierung im Source-Bereich mit einer Konzentration von 10²⁰/cm³ durchgeführt (Abb. 2d). Im nächsten Schritt wird ein Trench in die Kanalschicht geätzt und SiO₂ im Trench abgeschieden (Abb. 2e). Dann wird der Trench gebildet (Abb. 2f). Metallisierung und Strukturierung erfolgen, um die Gate-Kontakte zu erhalten (Abb. 2g). Weiterhin werden Kavitäten in das SiO₂ auf beiden Seiten des Gates geätzt (Abb. 2h). Im letzten Schritt wird 1 nm HfO₂ an den Seitenwänden der Kavitäten aufgewachsen, um die vorgeschlagene Struktur zu erhalten (Abb. 2i).

Simulationsmethode und Modell

Zur detaillierten Untersuchung der Leistung von DM-DSTGTFET-Biosensoren wird in dieser Arbeit das TCAD-Tool (Sentaurus) zur Analyse der Empfindlichkeit von TFET-Sensoren eingesetzt. Für eine präzise Simulation werden geeignete Modelle verwendet.

Das nicht-lokale BTBT-Modell betrachtet das elektrische Feld an jedem Punkt des Tunnelpfads als Variable, d.h. die BTBT-Tunnelwahrscheinlichkeit hängt von der Bandkrümmung an der Tunnelstelle ab. Das nicht-lokale Tunnelmodell entspricht besser der realen TFET-Simulation [29]. Daher wird in dieser Arbeit das nicht-lokale BTBT-Modell verwendet. In Sentaurus wird das Kane-Modell für das dynamische nicht-lokale BTBT-Tunnelmodell genutzt. Im Kane-Modell wird die BTBT-Tunnelrate wie folgt ausgedrückt [30]:

G_BTBT = A (E/E₀)^P exp(−B/E₀) (1)

wobei die Konstante E₀ = 1 V/cm, P = 2 für direkten Bandlückentunnel und P = 2,5 für phononenunterstützten indirekten Bandlückentunnel. Da die Geräte in dieser Arbeit hauptsächlich Silizium sind, wird P = 2,5 gewählt. Der Parameter A = 4 × 10¹⁴/cm³s, E ist das elektrische Feld und der exponentielle Faktor B = 9,9 × 10⁶ V/cm.

Shockley-Read-Hall (SRH) wird gewählt, um die Rekombination von Ladungsträgern einzubeziehen. Das Bandlückenverengungsmodell wird aktiviert, um den Hochkonzentrationseffekt in der Bandlücke zu berücksichtigen. Fermi-Dirac-Statistik wird herangezogen, um die Eigenschaftsänderung hochdotierter Bereiche einzubeziehen. Das Mobilitätsmodell im Si-Material sollte das Streumodell ionisierter Verunreinigungen (μ_dop), das Grenzflächenstreumodell (μ_InterSc) und das Hochfeld-Sättigungsmodell (μ_F) [31] berücksichtigen, und das endgültige effektive Mobilitätsmodell kann ausgedrückt werden als:

1/μ = 1/μ_dop + 1/μ_InterSc + 1/μ_F (2)

Das Poole-Frenkel-Mobilitätsmodell wird im die Kavität füllenden Material eingeführt, und die Mobilität als Funktion des elektrischen Feldes ist gegeben durch:

μ = μ₀ exp(−E₀/KT) exp(√E (β/T − γ)) (3)

wobei μ₀ die Niederfeldmobilität, β und γ Anpassungsparameter, E₀ die effektive Aktivierungsenergie und E die treibende Kraft (elektrisches Feld) ist. K ist die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur. Der Standardwert von E₀ und γ ist 0, β = 0,1.

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

Während der Simulation werden vier verschiedene Dielektrizitätskonstanten von Biomolekülen (k = 2,5, 5, 11, 23), fünf Kavitätsdicken (T_c = 5, 7, 9, 11, 13 nm) und verschiedene Dichten geladener Biomoleküle berücksichtigt. Allgemein wird als Referenz bei der Untersuchung der Sensorempfindlichkeit der Fall herangezogen, bei dem die Kavitäten mit Luft gefüllt sind, d.h. wenn keine Biomoleküle in den Kavitäten sind. Daher werden die Schwellenspannungsempfindlichkeit, die Drainstromempfindlichkeit und die Subschwellensteilheitsempfindlichkeit des DM-DSTGTFET wie folgt definiert [22, 28, 32]:

ΔV_th = V_th(air) − V_th(bio) (4)

S_drain = (I_ds(bio) − I_ds(air)) / I_ds(air) (5)

S_SS = (SS_air − SS_bio) / SS_air (6)

wobei V_th(air) die Schwellenspannung des Biosensors bei Luftgefüllten Kavitäten ist, und V_th(bio) die Schwellenspannung bei mit Biomolekülen gefüllten Kavitäten. Entsprechend sind I_ds(air) und SS_air der Einschaltdrainstrom bzw. die Subschwellensteilheit bei Luft, und I_ds(bio) und SS_bio die entsprechenden Werte bei Biomolekülen.

Durch Analyse der elektrischen Eigenschaften des DM-DSTGTFET werden Schwellenspannung, Einschaltdrainstrom und Subschwellensteilheit extrahiert, um die Biosensor-Empfindlichkeit zu analysieren.

Ergebnisse und Diskussion

Einfluss verschiedener Biomoleküle im DM-DSTGTFET

Abbildung 3 zeigt die Übertragungscharakteristik, Energiebandänderung, Schwellenspannungsempfindlichkeit und Stromempfindlichkeit des DM-DSTGTFET im Ein-Zustand, wenn Biomoleküle mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten die Kavität füllen. Durch Wahl einer niedrigeren Gate-Metall-Austrittsarbeit (Φ_MS = 4,2) kann die Drainstromeempfindlichkeit durch Variation von k untersucht werden.

Wie in Abb. 3a zu sehen ist, nimmt mit steigender Dielektrizitätskonstante des Gate-Dielektrikums die Gate-Kontrollfähigkeit zu, und der Einschaltstrom steigt ebenfalls. Abbildung 3b beschreibt das Energiebanddiagramm bei verschiedenen k der Biomoleküle. Wenn k = 1, bedeutet dies, dass keine Biomoleküle in der Kavität sind. In diesem Fall ist die Verdrehung des Energiebands minimal. Wenn die Dielektrizitätskonstante der Biomoleküle in der Kavität zunimmt, biegt sich das Energieband immer stärker. Das bedeutet, dass bei höherem k mehr Energiebandanpassung an der Stelle stattfindet, und somit die Barrierebreite über der Stelle abnimmt. Abbildung 3c zeigt den Einfluss der Dielektrizitätskonstante der Biomoleküle auf I_on und I_on/I_off Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET. Mit steigendem k verbessern sich sowohl I_on als auch I_on/I_off Empfindlichkeit. Dies liegt daran, dass mit zunehmendem k die Energiebandkrümmung stärker wird, die Barrierebreite an der Source-Kanal-Stelle abnimmt und somit die Tunnelwahrscheinlichkeit zunimmt. Mit steigender Tunnelwahrscheinlichkeit nimmt die BTBT-Elektronengenerierung zu, was in Abb. 4 deutlich zu sehen ist. Das vorgeschlagene Gerät erreicht die höchste I_on/I_off Empfindlichkeit von 1,1 × 10¹⁰ bei k = 23, was offensichtlich höher ist als bei veröffentlichten TFET-basierten Biosensoren. Abbildung 3d zeigt die Variation von V_th und ΔV_th Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET in Abhängigkeit vom k der Biomoleküle. Offensichtlich sinkt die Schwellenspannung, je schneller der I_on des vorgeschlagenen Geräts mit zunehmendem k ansteigt. Gleichzeitig zeigt ΔV_th einen steigenden Trend mit steigendem k. Der Grund ist, dass der Unterschied zwischen der V_th bei verschiedenen Biomolekülen und der V_th ohne Biomoleküle größer wird. Im Allgemeinen ist die V_th bei Luftfüllung größer als bei anderen k-Werten. Der vorgeschlagene DM-DSTGTFET erreicht eine maximale ΔV_th Empfindlichkeit von 1,2 V bei k = 23. Daher bietet der DM-DSTGTFET hohe Strom- und Schwellenspannungsempfindlichkeit für Biomoleküle.

Abbildung 5a zeigt SS und SS-Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET, wenn die Kavitäten mit verschiedenen Biomolekülen gefüllt sind. Hier ist zu sehen, dass die Erhöhung der Dielektrizitätskonstante zu einer Abnahme von SS und einer Verbesserung von S_SS führt. Je kleiner der SS, desto geringer der Stromverbrauch des TFET und desto besser die TFET-Leistung. Daher nimmt mit zunehmendem k der SS ab, S_SS steigt, und die Gate-Kontrollfähigkeit nimmt zu.

Die Drainstromeempfindlichkeit variiert als Funktion von k für den vorgeschlagenen DM-DSTGTFET in Abb. 5b. Die Empfindlichkeit steigt mit zunehmendem k. Dies liegt daran, dass die Erhöhung von k zu einer Verstärkung des elektrischen Feldes an der Tunnelstelle führt, was die Tunnelbreite verringert und somit S_drain erhöht.

Einfluss verschiedener Kavitätsdicken im DM-DSTGTFET

Da bei k = 23 die S_drain, ΔV_th Empfindlichkeit und S_SS des DM-DSTGTFET-Biosensors am größten sind (Schlussfolgerung aus dem vorherigen Abschnitt), wird in diesem Abschnitt der Einfluss der Kavitätsdicke auf die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Biosensors unter der Bedingung k = 23 genauer untersucht.

Abbildung 6 beschreibt die Übertragungscharakteristiken des DM-DSTGTFET-Biosensors bei verschiedenen Kavitätsdicken (T_c). Mit steigendem T_c wird der Einschaltstrom kleiner. Der Einfluss verschiedener T_c auf I_on und I_on/I_off Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET ist in Abb. 7a dargestellt. Wenn T_c erhöht wird, verringert sich die Kapazität zwischen Gate und Kanal, was zu einer größeren Tunnelbreite an der Source-Kanal-Stelle und damit zu einem niedrigeren Drainstrom führt. Für k = 23 nehmen I_on und I_on/I_off Empfindlichkeit mit steigendem T_c ab, aufgrund verbesserter kapazitiver Kopplung zwischen Gate und Kanal bei höherem T_c. Andererseits zeigt das vorgeschlagene Gerät einen steigenden Trend in V_th und damit in ΔV_th Empfindlichkeit mit steigendem T_c, wie in Abb. 7b illustriert. Dies liegt daran, dass die Erhöhung von T_c den I_on verringert und damit V_th erhöht. Mit anderen Worten: Die Kontrolle des Gates über den Kanal nimmt bei breiterer Kavität ab, was zu höherer V_th führt. Daher funktioniert der DM-DSTGTFET als besserer Spannungsbiosensor für schmalere Kavitäten.

Einfluss geladener Biomoleküle auf den DM-DSTGTFET

Um den Einfluss verschiedener Ladungen von Biomolekülen auf die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Sensors zu untersuchen, wurden zunächst der dynamische Bereich und die Detektionsgrenze untersucht. In dieser Arbeit kann der DM-DSTGTFET Sensormaterial mit einer Ladungsdichte von 10¹⁰ cm⁻² bis 10¹³ cm⁻² detektieren, einen breiteren Detektionsbereich im Vergleich zu anderen Sensoren [32]. Daher wird in der folgenden Simulation die Ladungsdichte innerhalb des dynamischen Grenzbereichs für die Empfindlichkeitsforschung verwendet.

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

Abbildung 9a beschreibt die Variation von I_on und I_on/I_off Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET als Funktion positiver Ladungen. Die zunehmende positive Ladung der Biomoleküle führt zu einer Verbesserung von I_on und I_on/I_off Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Geräts. Die positive Ladung in der Kavität erhöht die effektive Gate-Oxid-Dielektrizität, was zu einer Verstärkung der Gate-Kontrollfähigkeit führt. Diese Zunahme der Gate-Kontrollfähigkeit verursacht eine Verringerung der Tunnelbreite an der Source-Kanal-Stelle, was zu einer Verbesserung von I_on und I_on/I_off Empfindlichkeit führt. Abbildung 9b demonstriert den Einfluss positiver Ladung der Biomoleküle auf V_th und ΔV_th Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET. Es wird beobachtet, dass V_th sinkt und ΔV_th Empfindlichkeit mit steigender positiver Ladung verbessert wird. Dies liegt daran, dass die positive Ladung auf dem Molekül den I_on erhöht und V_th verringert. Die Abnahme von V_th verstärkt den Unterschied zwischen der Schwellenspannung des Biomoleküls bezüglich Luft, was zu einer Verbesserung von ΔV_th führt.

Abbildung 10a zeigt die Variation von I_on und I_on/I_off Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET als Funktion negativer Ladungen für k = 2,5. Die zunehmende negative Ladung der Biomoleküle führt zu einer Abnahme von I_on und I_on/I_off Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Geräts. Die negative Ladung in der Kavität verringert die effektive Gate-Oxid-Dielektrizität, was zu einer Verstärkung der Gate-Kontrollfähigkeit führt. Diese Abnahme der Gate-Kontrollfähigkeit verursacht eine Zunahme der Tunnelbreite an der Source-Kanal-Stelle, was zu einer Abnahme von I_on und I_on/I_off Empfindlichkeit führt.

Abbildung 10b demonstriert den Einfluss negativer Ladung der Biomoleküle auf V_th und ΔV_th Empfindlichkeit des DM-DSTGTFET. Aus der Abbildung geht hervor, dass für k = 2,5 V_th steigt und ΔV_th Empfindlichkeit mit steigender negativer Ladung abnimmt. Dies liegt daran, dass die negative Ladung auf dem Molekül den I_on verringert und V_th erhöht. Die Erhöhung von V_th verstärkt den Unterschied zwischen der Schwellenspannung des Biomoleküls bezüglich Luft, was zu einer Abnahme von ΔV_th führt.

Fazit

Zusammenfassend zeigt der DM-DSTGTFET hohe Empfindlichkeit für die Detektion von Biomolekülen in Biosensor-Anwendungen. Die Detektionsfähigkeit der DM-DSTGTFET-Struktur wird durch Untersuchung der Effekte, die durch relative Permittivität, Kavitätsdicke, geladene Biomoleküle, I_on/I_off Empfindlichkeit, SS und S_SS eingeführt werden, bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass je größer die Dielektrizitätskonstante, je kleiner die Kavitätsdicke, je stärker die positive Ladung, desto größer die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Geräts. Simulationsergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagene Struktur für ultra-empfindliche und niedrigverbrauchende Biosensor-Geräte angewendet werden kann.

Abkürzungen

DM-DSTGTFETs:

Dielektrisch modulierte Dual-Source Trench-Gate Tunnel-Feldeffekttransistoren

TCAD:

Technology Computer-Aided Design

BTBT:

Band-zu-Band-Tunneln

DGTFET:

Dual-Gate Tunnel-Feldeffekttransistoren

SS:

Subschwellensteilheit