基于生物分子定位的电解质栅控负电容垂直TFET pH传感器研究

《Micro and Nano Engineering》：Investigation of Electrolyte Gated Negative Capacitance Vertical TFET pH Sensor Based on Biomolecule Position

提出了一种步进栅极负电容垂直TFET（SG NC VTFET）结构，通过铁电材料HFO2建模和仿真，发现生物分子位置变化（因腔内扩散）能提升传感器电流（S_ID）和电压灵敏度（S_V），其中S_V达753 mV/pH，远超能斯特极限（59.2 mV/pH），且电流增强约一个数量级。

　　

Nagalakshmi Yarlagadda | Girish Wadhwa | Pawandeep Kaur | Anchal Thakur | Sruti Suvadarsini Singh | Prashant Mani

Geethanjali 工程与技术学院

摘要

在本研究中，提出了一种具有阶梯栅结构的负电容垂直TFET（SG NC VTFET），并对其性能进行了研究。为了引入负电容，我们在栅极堆栈中加入了铁电材料。研究了生物分子的位置及其对SG NC VTFET灵敏度的影响。由于生物分子在腔体内的扩散过程，其位置会发生变化。在SG NC VTFET pH传感器的仿真中，采用了铁电材料HFO2作为模型。负电容和生物分子的位置改善了传感器的电流灵敏度（S_ID）和电压灵敏度（S_V）。对于$$ = 8 nm的情况，改进后的电压灵敏度（S_V）约为753 mV/pH，这是Nernst极限（59.2 mV/pH）的十倍；同时，电流灵敏度（S_ID）也提高了大约五个数量级。

章节摘录

引言

检测氢离子浓度（pH值）在生物化学和生物医学研究中具有重要意义，可用于诊断各种慢性疾病[1]。传统上，通过电化学中的电位法和伏安法来测量溶液的pH值。尽管这些方法具有高灵敏度和准确性，但由于仪器体积庞大且响应时间慢，限制了其在大规模生产中的应用[2][3]。此外，离子敏感型传感器的开发也面临着挑战。

SG NC VTFET的结构及其仿真参数

图1(a)展示了SG-NC VTFET的示意图。目标传感区域位于金属栅极（M1）下方，金属栅极（M2）用于控制通道的静电特性。电解质层的厚度分别为T₁ = 10 nm和T₂ = 30 nm。采用双栅极配置，其中M1和M2分别具有特定的结构（见示意图）。阶梯栅结构通过增强对通道的控制，提高了传感器的灵敏度。

电解质的pH建模

当pH值发生变化时，FE/电解质界面的表面电位（φ）也会随之改变，具体表达式如下[19]：$$

V_T = K_BT/q，其中K_B是热电压常数，q是电子电荷。V_T是一个无量纲量，其取值范围在0到1之间。在TCAD（Transcriptome-CAD）仿真中，半导体被视为本征材料，其带隙为零；水的介电常数（ε=80）用于描述单价对称分析物（1:1离子溶液）的情况。分析物中的离子（盐的摩尔浓度）通过有效模型进行模拟。

结果与讨论

本节讨论了负电容以及生物分子位置对电解质pH值变化的影响。研究了不同pH值下，各种电气和物理参数随电解质pH值及生物分子在腔体内扩散位置的变化而变化的情况。所提出的器件集成了阶梯栅结构和负电容层（铁电层），这种配置提升了传感器的性能。

结论

在本文中，我们研究了基于SG NC VTFET的pH传感器的电气和物理特性。在pH传感器中，测量pH值时，由于电解质pH值的变化导致界面电荷密度的变化，从而引起传感表面电位的变化。由于生物分子在腔体内的扩散作用，传感表面的结合程度降低，因此随着pH值的增加，漏电流也随之减小。

作者贡献声明

Nagalakshmi Yarlagadda： 资源获取、项目管理、方法论制定、实验研究。 Girish Wadhwa： 文章撰写与审稿、初稿编写、数据可视化、结果验证。 Pawandeep Kaur： 资金筹集、正式数据分析、数据管理、概念构思。 Anchal Thakur： 资源获取、项目管理、方法论制定、实验研究。 Sruti Suvadarsini Singh： 文章撰写、软件开发、资源协调。 Prashant Mani： 正式数据分析、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。