通过介电调制的GOSC-SOI-TFET实现超灵敏的无标记生物检测

《Scientific Reports》：Ultra-sensitive label-free bio-detection via dielectric-modulated GOSC-SOI-TFET

　　

摘要

本文提出了一种基于栅极在源极上方通道结构（Gate-Over-Source-Channel, GOSC-SOI-TFET）的高灵敏度、无标记的介电调制生物传感器，并对其进行了系统研究。该设计的创新之处在于采用了非对称的栅极结构，并在栅极-源极界面附近策略性地设置了纳米腔，从而增强了静电控制效果并提高了带间隧穿效率。我们构建了一个基于TCAD（Transcranial Computer-Aided Design）的仿真框架，该框架包含了非局域BTBT（Backscattering Tunneling Barrier）模型和陷阱辅助隧穿模型，用于评估该传感器对中性及带电生物分子的反应。为了实现真实可靠的实验结果，还考虑了诸如空间位阻和非均匀探针扩散等非理想因素。实验结果表明，传感器的灵敏度受到生物分子位置的影响显著：当分析物位于源极-通道隧穿结附近时，传感器性能最佳。所提出的生物传感器对明胶生物分子的检测灵敏度达到\(6.09 \times 10^{8}\)，这一数值大约是传统基于TFET的生物传感器的1.7倍，且工作时的漏极电压仅为\(V_{\textrm{ds}} = 0.7~\textrm{V}\)（约低30%）。这凸显了该传感器在低功耗和高性能生物医学传感应用中的潜力。