基于金刚石基底抑制自热效应的双沟槽AlGaN/GaN MOS-HEMT异质结生物传感器设计及其生物分子检测性能分析

《Scientific Reports》：Self-heating effect analysis of a dual cavity AlGaN/GaN MOS-HEMT biosensor with AlN/diamond substrate

　　

摘要

本文设计并分析了用于生物分子检测的双腔体AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOS-HEMT）异质结生物传感器。所提出的生物传感器采用三重金属功函数（M₁、M₂和M₃）来改善电场分布和静电控制。该生物传感器通过Atlas Silvaco TCAD仿真工具，使用MCF-10 A（K?=?4.5）、角蛋白（K?=?8）、明胶（K?=?12）、Hs578T（K?=?22）、MCF-7（K?=?27.5）和T47D（K?=?32）生物分子进行评估。在250 K、300 K、350 K和400 K不同温度下考察了温度依赖行为，以评估其电学稳定性和传感性能。此外，采用蓝宝石和金刚石基底构型分析了自热效应（SHE）。自热效应会升高晶格温度，导致载流子散射增强和二维电子气（2DEG）迁移率降低，从而影响电学和传感性能。采用金刚石基底AlN/金刚石基底组合以改善散热并抑制自热效应。所提出的器件针对不同生物分子有效介电常数分析了晶格温度、漏极感应栅压调制（DIBL）、漏极电流灵敏度和亚阈值摆幅（SS）灵敏度。在K?=?32条件下，金刚石基底将晶格温度从422 K降至324 K，并将漏极电流灵敏度从5.392?×?10¹提升至9.99?×?10¹。结果表明，所提出的AlN/金刚石基底器件在热管理和传感性能方面均有显著提升，适用于生物医学应用。