基于堆叠分裂栅氧化层双栅P-I-N异质结垂直隧穿场效应晶体管的高灵敏度O2 、H2 和NH3 气体传感器研究

针对传统MOSFET气体传感器灵敏度低、功耗高等问题，研究人员提出了一种新型无掺杂沟道分裂栅氧化层双栅异质结垂直隧穿场效应晶体管（SG-DG-PIN-Hetero-VTFET）气体传感器。通过TCAD仿真验证，该传感器利用催化金属（Co/Ag/Pd）吸附气体分子改变功函数，实现了超高ION /IOFF 比（1012 量级）和21.16 mV/dec的亚阈值摆幅（SS），为生物医学、环境监测等领域提供了高灵敏度检测方案。

　　

在半导体传感器领域，传统MOSFET器件面临短沟道效应（SCE）和功耗瓶颈的严峻挑战，尤其当检测氢气（H₂
）、氧气（O₂
）等气体时，灵敏度随尺寸缩小急剧下降。隧穿场效应晶体管（TFET）因其带带隧穿（BTBT）机制带来的低关态电流（I_OFF
）和陡峭亚阈值斜率（SS）被视为革命性替代方案，但低开态电流（I_ON
）始终制约其发展。为此，来自中国的研究团队Sourav Das和Kunal Singh在《Micro and Nanostructures》发表论文，提出了一种创新性的堆叠分裂栅氧化层双栅P-I-N异质结垂直TFET（SG-DG-PIN-Hetero-VTFET）气体传感器，通过无掺杂沟道设计和多材料协同工程，实现了对三种关键气体的超高灵敏度检测。

研究采用TCAD仿真工具，核心技术创新在于：1）无掺杂本征沟道增强气体吸附引起的能带弯曲效应；2）分裂栅氧化层结构（Ta₂
O₅
/SiO₂
堆叠）抑制栅致漏极泄漏（GIDL）；3）垂直异质结设计节约芯片面积；4）钴（Co）、银（Ag）、钯（Pd）催化金属靶向吸附特定气体分子。

结果部分显示：

1. 器件设计：垂直结构中，高κ介质（Ta₂
   O₅
   ）与SiO₂
   的3nm/0.5nm堆叠优化了表面钝化，使未暴露气体时I_ON
   /I_OFF
   比达9.46×10¹²
   （Co-NH₃
   系统）。
2. 传感机制：200meV功函数变化使Ag-O₂
   系统的I_ON
   /I_OFF
   降至4×10¹¹
   ，证实气体浓度与电流响应的线性关联。
3. 性能优势：21.16mV/dec的SS值超越传统MOSFET传感器，Pd-H₂
   系统展现最高电流灵敏度S_id(ON)
   。

结论指出，该传感器通过异质结能带工程和分裂栅结构，将气体分子吸附转化为显著的电学信号变化，其I_ON
/I_OFF
比较CMOS器件提升多个数量级。特别值得注意的是，无掺杂设计避免了陷阱辅助隧穿，而垂直架构为芯片集成密度树立新标杆。这项工作不仅为环境监测、医疗诊断提供了新工具，更为后摩尔时代低功耗传感器设计开辟了道路。