纳米间隙腔体在介电材料和电荷调制金属条构成的无掺杂高温场效应晶体管（HTFET）中的放置对其性能的影响

《Micro and Nanostructures》：Impact of nano-gap cavity placement in dielectric and charge-modulated metal strip loaded doping-less HTFETs

纳米间隙腔（NGC）位置对掺杂少金属 stripe 负载高k介质隧穿场效应晶体管（DCM-MS-DL-HTFET）生物传感器性能的影响研究。通过TCAD仿真分析四种NGC配置（C/D/源区/双结点），发现源区NGC（Case 4）在灵敏度（6.7×101?）、亚阈值摆幅（9mV/dec）和选择性（ΔS-max=60.66）方面最优，源于高k介质增强的隧穿效率和电场调控能力。

　　本文探讨了一种新型的异质结隧道场效应晶体管（DCM-MS-DL-HTFET）在生物传感应用中的性能优化。该晶体管采用了GaSb/Si异质结结构，并结合了金属条加载的门介质层，旨在提高载流子在通道与漏极之间通过的效率。通过引入纳米间隙腔（NGC）的不同布局方式，研究分析了其对器件性能和生物分子检测能力的影响。这项研究特别关注了NGC放置在源极区域时所表现出的优越性能，因为它在检测中性与带电生物分子时提供了更高的灵敏度、更强的选择性和良好的线性响应。

随着医疗诊断、环境监测和食品安全等领域对准确、低功耗、实时检测工具的需求不断增长，研究者们致力于开发更先进的生物传感器技术。传统金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）在检测带电和中性生物分子方面具有一定的优势，但由于其高关断电流、阈值电压的稳定性不足以及短沟道效应，这些传感器在某些应用条件下表现受限。因此，基于隧道场效应晶体管（TFET）的生物传感器逐渐成为一种替代方案，因其可以实现更陡峭的亚阈值斜率、低功耗和高灵敏度，尤其是在低电压供应条件下。

然而，TFET生物传感器仍然面临一些实际挑战，如低导通电流、反向门偏压下的反型传导、复杂的制造过程、中等灵敏度以及较慢的响应时间。为了克服这些问题，研究人员探索了多种设计策略，例如使用高介电常数（k）的门介质层、异质结、凹槽区域、门与沟道的重叠/不重叠结构、无掺杂架构、垂直堆叠以及金属条加载等。最近，纳米间隙腔的优化布局吸引了大量研究关注，因为它可以有效提升生物传感器的性能。将NGC放置在关键区域，如通道/漏极（C/D）结或源极/通道（S/C）结，已被证明可以改善电流灵敏度和静电控制。值得注意的是，将NGC放置在源极区域的配置已被证明具有更优的隧道效率，从而显著增强生物传感能力。

尽管已有研究在灵敏度这一主要性能指标上取得了进展，但往往忽略了其他重要的性能参数，如选择性和线性。在实际的生物传感应用中，选择性对于准确区分目标生物分子和相似的干扰分子至关重要，而线性则确保了传感器在不同分析物浓度下的可靠响应。本文旨在填补这一空白，通过综合分析不同NGC布局对无掺杂、金属条加载的异质结隧道场效应晶体管（DCM-MS-DL-HTFET）性能的影响，评估其对生物传感器性能指标——包括导通状态漏极电流（I_ON）、导通/关断电流比（I_ratio）、亚阈值斜率（SS）和阈值电压（V_th）——以及关键的生物传感参数如灵敏度、选择性和线性的影响。基于这一分析，本文确定了一种优化的器件配置，显著提升了生物传感器的整体性能。

在具体结构设计中，本文提出了一种DCM-MS-DL-HTFET生物传感器，其横截面示意图如图1所示，展示了四种不同的NGC布局方式：（a）在通道/漏极（C/D）结处（Case 1），（b）在源极/通道（S/C）结处（Case 2），（c）在两个结处（Case 3）和（d）在源极区域（Case 4）。为了评估NGC布局对器件行为的影响，纳米间隙腔被引入到HfO?门介质层中，放置在各个情况的指定位置。此外，一个薄薄的1纳米SiO?界面层被插入到纳米间隙腔与半导体通道之间，以减少直接隧穿泄漏，从而提升门电荷的静电控制并保持器件的结构完整性。

GaSb/Si异质结被用于S/C界面，以增强BTBT效率。由于GaSb（带隙0.726 eV）和Si（带隙1.12 eV）之间的能带对齐，形成了更陡峭的隧穿结。这种异质结构显著提升了亚阈值性能并降低了功耗，使器件在生物传感操作中更加敏感和节能。此外，将金属条整合到SiO?门氧化层中，有助于改善隧穿结处的电场调制，从而加强门电荷与隧穿区域之间的静电耦合，提高器件的开关性能和导通电流。

所有模拟均在20×20纳米2的硅基板上进行，特定的几何参数如表1所示。该表总结了DCM-MS-DL-HTFET生物传感器的几何参数，包括腔体长度、腔体厚度、门长、体厚、M1门长、M2门长、GaSb源长、Si漏长以及源和漏间隔层等。在模拟过程中，研究人员还考虑了各种参数，如M1和M2的功函数，SiO?和HfO?的厚度，以及基板和体掺杂浓度等。

为了更准确地模拟器件行为，本文采用了TCAD ATLAS Silvaco工具，该工具基于非局部BTBT模型，可以准确捕捉隧穿电流，这对TFET的运行至关重要。同时，Shockley–Read–Hall（SRH）模型用于考虑材料缺陷引起的载流子复合效应。为了进一步提升模拟精度，研究人员还引入了与电场和浓度相关的迁移率模型、带隙收缩模型以及Auger复合模型。Newton–Raphson陷阱方法被用于确保稳定和精确的数值计算，从而实现对器件电气行为的现实分析。

在结果与讨论部分，本文评估了四种NGC布局对器件电气性能的影响，如图3所示。在本研究中，门到源电压（V_gs）被设置为2V，漏到源电压（V_ds）固定为0.5V。这些偏置条件的选择是为了确保高效的BTBT和在生物传感过程中可观察到的电流变化。DCM-MS-DL-HTFET生物传感器通过两种主要机制检测生物分子：（1）中性生物分子的检测基于纳米间隙腔中填充材料的介电常数（k）；（2）带电生物分子的检测则通过监测表面电荷密度（ρ）变化引起的器件特性偏移。在本研究中，考虑了介电常数为1、2和4的情况，以代表不同的生物分子条件。模拟中还使用了正负电荷密度为±1×1011 cm?2和±1×1012 cm?2的情况，以评估器件对阳离子和阴离子生物分子的灵敏度。

在图4中，展示了不同NGC布局对导通电流（I_ON）和最大漏极电流灵敏度（S_Ids-max）的影响。结果表明，当表面电荷密度从负到正变化时，导通电流显著增加，最大灵敏度在Case 4中达到最高值。这一增强的灵敏度主要归因于生物分子填充腔与空腔之间的电流比，显著提升了生物传感器的检测能力。

接下来，分析了器件效率（DE），这反映了器件的内在增益和整体运行性能。如图5所示，Case 4的器件效率最高，这归因于源极区域NGC腔体中更有效的载流子注入和生物分子引起的调制。

在选择性分析部分，图6展示了漏极电流选择性变化，其中不同NGC布局下的最大选择性（ΔS-max）如图所示。结果表明，选择性高度依赖于NGC的布局。Case 1和Case 2的选择性值相对较低，约为10?，而Case 3则显著提升，达到10?。Case 4表现出最高选择性，接近10?。这表明Case 4是提升生物传感器选择性的最佳配置。

在图7中，展示了器件的线性分析，通过皮尔逊相关系数（r2）评估了漏极电流与生物分子介电常数之间的线性关系。r2系数反映了漏极电流与生物分子介电常数之间的线性程度，这对可靠的生物传感至关重要。随着介电常数的增加，r2系数在所有配置中均持续上升，表明在更可极化的环境中线性性能得到改善。在四种配置中，Case 4表现出最强的相关性，达到0.992。

在图4中，表4展示了以往报道的TFET生物传感器的比较总结。本文提出的DCM-MS-DL-HTFET生物传感器在源极区域NGC配置下表现出显著优越的性能。该器件在k=4时实现了高响应，灵敏度达到6.7×101?，同时亚阈值斜率达到0.64，显示出出色的灵敏度和增强的检测能力。

在图5中，表5展示了本文提出的DCM-MS-DL-HTFET生物传感器与最近报道的TFET设计的性能比较。该器件在源极区域NGC配置下实现了超低的亚阈值斜率（约9 mV/dec）和高灵敏度（6.7×101?），优于以前的设计，如基于磷的无掺杂TFET、堆叠氧化层的JLTFET以及Ge/Si JL-HTFET。在包含陷阱辅助隧穿（TAT）模型时，导通电流略有下降，但器件仍保持了出色的灵敏度和运行稳定性。在包含门泄漏模型时，亚阈值性能略有下降，但整体的检测能力依然很强。在所有情况下，源极区域NGC配置（Case 4）在低关断电流、陡峭的开关性能和强介电调制之间提供了最佳的平衡。这些结果清楚地确认了本文提出结构的稳健性和高生物传感效率。

在结论部分，本文总结了DCM-MS-DL-HTFET生物传感器的性能，重点关注了四种不同的NGC布局：在通道/漏极（C/D）结处、源极/通道（S/C）结处、两个结处和在源极区域。研究系统地探讨了这些配置如何影响器件的电气特性和生物分子检测能力。模拟结果表明，将NGC放置在源极区域提供了最优化的性能，显著提升了灵敏度和检测效率。在这种配置下，器件实现了关键的性能指标，如灵敏度达到6.7×101?，导通/关断电流比达到40.2，阈值电压达到0.65，亚阈值斜率达到0.64，以及器件效率达到1.8 MV?1。除了灵敏度之外，源极区域的NGC布局还提供了优越的选择性，能够准确区分目标分子和干扰分子，并改善线性，确保在不同分析物浓度下的稳定响应。这些优势使DCM-MS-DL-HTFET成为下一代生物传感应用的有前途的平台。