《Micro and Nanostructures》：Design of hetero-stacked source TFET for magnetic sensor application
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磁性传感器架构MAGHSSP-TFET通过异质源堆叠与口袋工程TFET结合，利用霍尔效应和洛伦兹力实现垂直基板磁通检测，双源极对称设计优化电流差响应，模拟显示24纳米沟道长度时相对灵敏度0.382 T-1，并通过温度与迟滞性分析验证稳定性。
乔治·米利（George Mili）| 马诺什·普罗蒂姆·戈戈伊（Manosh Protim Gogoi）| 布林达·鲍米克（Brinda Bhowmick）
印度阿萨姆邦西尔查尔国立技术学院电子与通信工程系，邮编788010
摘要
本研究提出了一种创新的磁场传感架构，称为“带有口袋工程TFET的磁异质源堆栈”（MAGHSSP-TFET），该架构在结构上基于传统的异质源堆栈与口袋工程TFET配置。该传感架构通过在漏极区域的对称两侧集成双接触点，实现了对垂直于衬底表面的磁通量的检测。其工作原理基于电流驱动的霍尔效应：外加磁场导致载流子发生横向重新分布，从而在相应的接触界面产生差分漏极电流。这是由于洛伦兹力使载流子在衬底和漏极路径之间发生偏转，导致输出端电流不平衡。在恒定漏极电流偏置和沿正y轴方向的外加磁场条件下，该器件能够实现精确的磁场检测。本文探讨了漏极长度变化、磁通量变化、温度影响以及磁滞现象等细节。灵敏度受恒定漏极电流偏置的大小、差分漏极电流以及磁场强度的影响。实验结果显示，当漏极长度为24纳米时，相对灵敏度（RS）为0.382 T-1。
引言
基于MOSFET的能够检测磁场的器件被称为MAGFET。该结构利用电流驱动的霍尔效应[1,2]来实现磁场检测，同时保持了MOSFET的基本架构。通过将器件配置为分裂漏极MOSFET，实现了由于磁场强度而产生的电流差分。其工作原理依赖于洛伦兹力对反型层内载流子的偏转，从而导致漏极电流的不对称性，这种不对称性与外加磁场的强度相关[3]。这种结构改进不仅与现有集成电路兼容，也是当前研究的重点[4,5]。然而，这些器件在磁场检测方面的应用还较为有限。其中，2004年推出的TFET[6]旨在实现陡峭的开关特性或低亚阈值摆幅（SS），突破了MOSFET及FinFET、NWFET等多通道器件60 mV/decade的极限[7]。降低SS对于高效低功耗应用至关重要。作为一种 abrupt-switching（突变开关）器件，TFET可以实现低至20–50 mV/decade的SS[8,9]，其工作原理是通过栅控带间隧穿实现，载流子穿过源极-通道势垒，从而实现低功耗和快速开关。
磁性TFET（MAG-TFET）是一种专为磁场检测设计的隧道场效应晶体管。它利用量子力学中的带间隧穿效应以及洛伦兹力引起的载流子偏转来调节漏极电流，以响应外部磁场。这种结构设计与栅控隧穿机制的结合，通过改变载流子在磁场作用下的传输路径来提高灵敏度。这种量子隧穿与磁场相互作用的集成，为高灵敏度磁传感器提供了一种低功耗的解决方案。本研究旨在展示并验证这种使用TFET进行磁场检测的方法的有效性，这是一种较少被研究的途径。研究通过TCAD（晶体管计算机辅助设计）仿真进行了验证，分析了不同偏置电流的影响。
本研究包括四个阶段：概念框架、器件设计与方法、结果分析以及器件稳定性分析，以验证其作为磁TFET传感器的功能。
部分内容摘要
TFET磁传感器的工作原理
基于TFET的磁传感器利用电流模式霍尔效应，通过结合带间隧穿（BTBT）和洛伦兹力对载流子的影响来工作。在传统的霍尔传感器中，霍尔电压是由于载流子在垂直磁场作用下的偏转而产生的电荷积累所形成的。而在基于TFET的设计中，磁场影响隧穿过程中的载流子，从而产生可测量的电流差（ΔID），而非电压信号。
器件结构与方法
图1(a)展示了基于异质源堆栈与口袋隧道FET（HSSP-TFET）构建的磁场传感晶体管的三维结构，图1(b)展示了其背面视图。该TFET结构的仿真采用了以下参数：栅极长度为26纳米，栅极氧化层厚度和栅极材料厚度分别为1.5纳米和2纳米。
结果与分析
研究结果分为两个主要部分：一是探讨载流子传输动态，以证实该器件作为典型新兴TFET的功能；二是分析其磁阻行为，以证明其作为MAG-TFET基磁场传感器的适用性。
通过磁滞分析评估器件稳定性
为了评估所提出的MAGHSSP-TFET传感器的热稳定性和重复性，通过绘制不同温度（300 K、350 K和400 K）下正向和反向扫描条件下的漏极电流（ID）与磁场（B）的关系进行了详细的磁滞分析（见图12(a)）。正向和反向ID- B曲线在所有温度下都有很好的重叠，表明磁滞现象很小。
结论
所提出的MAGHSSP-TFET架构是一种基于隧道场效应晶体管（TFET）的磁场传感器，具有异质结构设计的源区、空间分离的栅极以及双漏极端（D1和D2），能够量化磁场调制下的电流位移。该器件设计用于检测垂直于衬底平面的磁通量。其检测方法依赖于带间隧穿（BTBT）介导的电荷传输。
作者贡献声明
乔治·米利（George Mili）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论制定、数据分析、概念构思。马诺什·普罗蒂姆·戈戈伊（Manosh Protim Gogoi）：软件开发、数据分析。布林达·鲍米克（Brinda Bhowmick）：数据可视化、结果验证、项目监督。
资金来源
本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织的特定资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
