双栅AlGaN/GaN MOS-HEMT生物传感器模型：pH值与带电生物分子的高灵敏度检测新方法

本研究针对传统硅基FET生物传感器易受化学降解影响的问题，开发了基于双栅AlGaN/GaN MOS-HEMT的解析模型，通过介电调制原理和纳米空腔设计，实现了对pH分析物（灵敏度达586.5 mV/pH，超越能斯特极限10倍）和带电生物分子（最大电流灵敏度0.225）的高精度检测，为极端环境下的生物医学监测提供了创新解决方案。

　　

在生物医学检测领域，pH值和带电生物分子的实时监测至关重要，但传统硅基场效应晶体管（FET）传感器存在化学稳定性差、灵敏度不足等问题。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）因其优异的电学特性和耐腐蚀性成为理想替代品，然而现有模型多忽略天然氧化层的影响，且缺乏针对双栅（DG）结构的解析方法。

为解决这一技术瓶颈，研究人员提出了一种创新的双栅AlGaN/GaN金属氧化物半导体HEMT（MOS-HEMT）生物传感器模型。该研究通过建立表面电位（φ_d）与界面电荷（Q_sc）的数学关系，结合介电调制原理，首次将天然氧化层（β-Ga₂O₃结构）纳入计算体系。通过数值模拟验证，该传感器对pH分析物展现出586.5 mV/pH的阈值电压灵敏度（S_V），是能斯特极限的10倍；在V_G=-2V、V_D=5V条件下，电流灵敏度（S_I）达135.5 mA/mm/pH。对于带电生物分子（如DNA），在电荷密度ρ=1×10¹²/cm²时获得1.488V的阈值电压偏移和0.225的电流灵敏度。相关成果发表于《Sensors International》，为开发高性能生物传感器提供了理论基石。

研究采用三项关键技术：1）基于Gouy-Chapman-Stern（GCS）模型建立pH值与表面电位的量化关系；2）通过量子限制效应修正的二维电子气（2DEG）密度计算；3）结合压电极化（P_PE）和自发极化（P_SP）的异质结能带建模。

研究结果
1. 表面电位与阈值电压模型
通过对比实验数据验证，表面电位φ_d在pH 2-12范围内呈线性变化（图3a）。当AlGaN层厚度（d_AlGaN）从20 nm增至30 nm时，阈值电压（V_th）负向偏移（图3b），但灵敏度保持稳定（图3c），证实模型对器件几何参数的适应性。

2. 电流灵敏度优化
在峰值跨导（g_{m_max}=240 mS/mm）条件下，pH=2时获得135.5 mA/mm/pH的最高灵敏度（图5b）。研究发现离子摩尔浓度每增加10倍，灵敏度提升18%（图7b），而空腔长度（L_cavity）从300 nm增至700 nm可使灵敏度提高22%（图6c）。

3. 带电生物分子检测
正电荷生物分子（ρ=+1×10¹²/cm²）使2DEG密度增加，驱动电流上升；负电荷则产生相反效应（图8a）。通过优化双栅耦合效应，该模型对DNA的检测灵敏度比单栅器件提高28.86%（图8e）。

结论与意义
该研究首次建立了包含天然氧化层的双栅MOS-HEMT全解析模型，突破性地将pH检测灵敏度提升至传统器件的10倍。通过量化空腔尺寸、AlGaN厚度与灵敏度的关联规律（图6f, 8f），为定制化生物传感器设计提供指导。未来可应用于心血管疾病标志物检测、环境监测等领域，推动第三代半导体在生物电子学的跨界融合。