一种基于超陡坡面和低压分裂栅氧化层双栅结构垂直TFET的多气体传感器

《Scientific Reports》：An ultra steep slope and low voltage split gate oxide dual gate vertical TFET based multi gas sensor

　　

摘要

本文介绍了一种基于超陡坡度和低电压分栅氧化物双栅垂直隧穿场效应晶体管（USS-LV-SGO-VTFET）的多气体传感器，用于检测氨（NH?）、氧气（O?）和氢气（H?）。该传感器在不同功函数变化（0–200 meV）下，能够在\(V_{DS}=1\) V和\(V_{GS}=1.5\) V的条件下实现对这三种气体的有效探测。其垂直结构采用双栅配置，以在气体导致的栅极功函数变化时实现强烈的静电控制和有效的带间隧穿（BTBT）调制。传感机制依赖于气体吸附引起的功函数变化（范围为50–200 meV），这种变化直接调节了源-通道（S-C）结处的隧穿窗口。优化后的器件在功函数（\(\Delta WF\)）增加时表现出显著的输运特性变化，从而提高了传感灵敏度。分别采用功函数为4.7 eV的钴（Co）、5.0 eV的银（Ag）和5.1 eV的钯（Pd）作为催化栅极材料，实现选择性探测NH?、O?和H?。USS-LV-SGO-VTFET气体传感器的关断电流极低，约为\(10^{-18}\) A/μm，亚阈值摆幅为17.5 mV/dec。在功函数变化200 meV的情况下，其对NH?的导通电流灵敏度为0.594，O?为0.933，H?为0.987。双栅垂直结构显著增强了气体作用下的隧穿势垒调制，提高了BTBT概率，并改善了导通态电流和能带特性分析。这些结果表明，USS-LV-SGO-VTFET设计为下一代气体传感应用提供了一个低功耗、高效率的平台。