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新冠疫情严峻，SARS-CoV-2 持续变异。研究人员研发基于介电调制双栅异质结隧道场效应晶体管（DG-bioHTFET）的生物传感器检测其生物分子。该器件在Vgs=1.5 V时，Ids=2.32×10?5 A/μm ，对高介电常数分子更敏感，有望用于精准生物传感。
新冠疫情给全球带来了巨大挑战，SARS-CoV-2 不断发生基因变异，这可能会无意地增加病毒在人群中的传播能力、导致更高的死亡率以及病情的加重。目前，针对新冠病毒，既没有特效的药物治疗方案，也缺乏完全有效的疫苗。在这样的背景下，快速且准确地检测出病毒，对于疫情防控和患者的有效治疗就显得至关重要。
为了解决新冠病毒检测的难题，来自印度多所高校（如 Dayananda Sagar College of Engineering、Symbiosis Institute of Technology、National Engineering College 等）的研究人员开展了一项研究。他们致力于研发一种新型的生物传感器，旨在能够更灵敏、更快速地检测出 SARS-CoV-2 的生物分子。研究的成果发表在《Scientific Reports》上，其意义重大，有望为新冠病毒检测以及生物传感领域带来新的突破和发展。
研究人员在这项研究中主要运用了以下关键技术方法：首先是器件模拟技术，通过 Atlas Silvaco TCAD 模拟器对双栅异质结隧道场效应晶体管（DG-bioHTFET）进行模拟研究；其次是结构设计技术，精心设计了传感器的结构，选用HfO2作为高介电常数的氧化物材料，采用锗（Ge）和硅（Si）作为源极和沟道 / 漏极的异质材料等；还利用了性能分析技术，对器件的表面电位、电场、漏极电流等性能指标进行分析。
性能特征研究
研究人员通过分析 DG-bioHTFET 的能带图发现，当器件关闭时，隧穿电流极小，存在较大的势垒阻碍电子从源极流向沟道。当施加足够的栅极电压后，源极材料的导带与沟道材料的价带对齐，势垒宽度减小，隧穿电流增加，从而使器件能够导通。而且，引入 SARS-CoV-2 生物分子（k=5 ）后，能带间隙减小，隧穿电流进一步增大。
通过研究表面电位在有无生物分子情况下的变化，发现存在生物分子（k=5 ）时，栅极下方的沟道电位会升高，静电沟道电位促使更多电子从 Ge-Si 界面隧穿，进而增加了隧穿电流，提高了漏极电流。
研究电场沿沟道长度的变化发现，存在 SARS-CoV-2 生物分子（k=5 ）时，在0.02μm 处会出现尖锐的峰值，表明隧穿概率更高，高表面电位降低了带隙，使得更多载流子能够在较低的势垒下从源极隧穿到漏极，产生更高的导通电流（ION ）。
随着栅极电压的增加，有生物分子样本的漏极电流明显高于无生物分子的样本。在存在生物分子时，漏极电流可达约2.32×10?5 A ，而无生物分子（k=1 ）时，漏极电流仅约为1.13×10?7 A 。不同介电常数（k值）的生物分子会使漏极电流产生显著变化，通过检测漏极电流的大小，就能够判断样本中是否存在 SARS-CoV-2 生物分子。
灵敏度分析研究
当生物分子填充纳米间隙时，有效栅极电容增加，导致沟道电导率发生显著变化，漏极电流增大。研究人员定义了漏极电流灵敏度，通过计算不同生物分子情况下的灵敏度发现，对于高介电常数（k=5 ）的生物分子，该器件的灵敏度相比低k值生物分子有显著提高，且比之前的一些检测设备灵敏度更高。
不同的生物分子与器件的沟道或栅极相互作用不同，会产生各自独特的跨导 - 栅极比（∣gm/Ids∣ ）曲线。较高的∣gm/Ids∣ 比值意味着在特定情况下，栅极电压对漏极电流的控制效果更好，生物传感器的响应性更强，对生物分子浓度的检测更灵敏。对于k值较大的生物分子，∣gm/Ids∣ 值更高，更有利于生物分子的检测。
随着纳米间隙长度（Lcavity ）的增加，DG-bioHTFET 的漏极导通灵敏度也随之增加，在Lcavity=150nm 时达到最大值。较长的纳米间隙为生物分子与 Ge 势垒表面电荷的相互作用提供了更大的面积，降低了相互作用的高度，从而提高了隧穿漏极电流和检测灵敏度。而且，器件对高介电常数生物分子的灵敏度要高于低介电常数的生物分子。
研究还对不同生物分子的ION/IOFF 比值进行了分析，发现随着生物分子k值从1.9 增加到5 ，ION/IOFF 比值呈上升趋势，在k=5 时达到最大值，这表明该器件对高介电常数的生物分子更为敏感，而在无生物分子时，ION/IOFF 比值最小。
研究结论与讨论
研究人员成功研发出基于 DG-bioHTFET 的生物传感器，该传感器在检测 SARS-CoV-2 生物分子方面展现出了卓越的性能。在Vgs=1.5 V 时，器件能够获得2.32×10?5 A/μm 的漏极电流，并且通过多种性能指标的分析发现，其对高介电常数的生物分子具有更高的灵敏度。较高的跨导 - 栅极比增强了传感器的检测能力，能够更准确地识别生物分子，降低检测限。
介电调制技术在提高器件性能方面发挥了重要作用，显著增加了跨导 - 栅极比。在k=5 和k=3.64 时，ION/IOFF 比值分别达到3.550×105 和3.403×105 ，进一步证明了器件对高介电常数生物分子的敏感性优势。
总体而言，这项研究充分展示了 DG-bioHTFET 在生物传感领域的巨大潜力和优越性。它为高灵敏度、快速且无标记的生物分子检测提供了一种新的解决方案，有望在未来的临床诊断、疫情防控等健康医学领域发挥重要作用，为精准医疗和疾病监测提供有力的技术支持。
