设计和研究了一种基于Si–Mg2Si异质结构的源极型TFET（HS-TFET）生物传感器，该传感器具有超陡的亚阈值摆幅（20 mV/dec），能够实现高灵敏度的生物分子检测

《Micro and Nanostructures》：Design and Investigation of a Si–Mg 2Si Heterostructure Source TFET (HS-TFET) Biosensor with Ultra-Steep Subthreshold Swing of 20 mV/dec for High-Sensitivity Biomolecule Detection

生物传感异质结源隧穿FET设计研究：采用Si-Mg?Si异质结构源提升载流子隧穿效率，通过纳米空腔电介质调制增强生物分子识别灵敏度，实验测得器件具有3.25×10?? A/μm高导通电流、1.13×1013的开关比及20.5 mV/dec超低亚阈值斜率，验证了该结构在低功耗高灵敏度生物检测中的优越性。

　　

Maryam Raza | Imran Ahmed Khan | M. Nizamuddin

电子与通信工程系，工程与技术学院，贾米亚·米利亚·伊斯兰大学，新德里-110025，印度

摘要

本研究介绍了一种新型Si–Mg₂Si异质结构源隧穿场效应晶体管（HS-TFET）的设计和生物传感分析。该器件使用Si作为沟道和漏极，而源极则采用双层Mg₂Si/Si堆叠结构。选择Mg₂Si的原因是其窄带隙（E_G = 0.77 eV）和较高的电子亲和能（3.59 eV），这些特性使其与Si沟道形成II型（错位）异质结，从而调节源极-沟道界面的能带对齐，增强载流子隧穿效应并提升器件性能。在生物传感应用中，通过在源极附近引入纳米腔体来实现介电调制（DM）效应，以模拟生物分子的固定过程。器件性能和传感行为通过关键性能指标进行评估，包括阈值电压灵敏度（SV_TH）、亚阈值斜率（SS）和漏极电流灵敏度（SI_D）。所提出的HS-TFET表现出I_ON = 3.25×10^-4 A/μm、I_OFF = 2.88×10^-17 A/μm、SS = 20.5 mV/dec、I_ON/I_OFF = 1.13×10¹³以及V_T = 0.19 V，相比传统的Si源TFET具有更好的开关特性。

引言

近年来，尤其是COVID-19疫情的爆发引发了全球性的危机，凸显了快速准确检测病原体的迫切需求，加速了生物传感器在医疗保健、农业、环境监测、法医学和食品工业中的应用。随着生物传感器使用的不断扩大，对低成本且高可靠性的生物传感器的需求也在增加。在生物传感器中，传感层中的带电生物分子（如生物标记物和受体）通过与传感器的相互作用改变其电学响应，从而实现高检测灵敏度。生物传感主要采用两种策略：（1）基于标记的检测和（2）无标记检测。基于标记的检测方法通过给分析物添加荧光或放射性标记物来产生与其浓度成比例的可测量信号；而无标记生物传感器则利用材料的天然电学或光学性质来识别目标分子，无需额外标记。场效应晶体管（FET）生物传感器，包括离子敏感FET（ISFET）和介电调制FET（DMFET），是无标记传感器的代表，相比基于标记的传感器具有更高的灵敏度和更低的成本。现代生物传感器的发展始于1962年，当时Clark和Lyons发明了“葡萄糖酶电极”。Sarkar等人提出了基于TFET的Bio-FETD设计。Guan等人研究了不同操作条件对纳米级Bio-FETD的影响。Shinwari等人利用有限元建模方法研究了生物晶体管的特性和物理机制。最近，Bio-FETD已被应用于多种领域，如pH值测量和SARS-CoV-2检测。

随着晶体管尺寸的缩小，芯片密度增加，从而提升了处理能力，如更快的开关速度、更小的芯片面积和更低的功耗。这种缩放通常通过比例减小器件尺寸和/或降低供电电压来实现。然而，缩短沟道长度会加剧短沟道问题，包括漏极诱导的势垒降低（DIBL）、亚阈值斜率（SS）的下降以及热载流子效应。这些挑战，加上现代CMOS技术中的漏电流增加，在纳米尺度上构成了重大障碍。为了解决这些问题，人们探索了替代的器件架构。其中，TFET因其能够显著减少漏电流和抑制短沟道效应而成为有前景的选择，其工作原理基于能带间的隧穿效应。尽管如此，TFET器件仍存在一些固有问题，如双极性导电和较低的导通态电流。在需要低待机功耗的应用中，TFET被认为是传统MOSFET的潜在替代品，因为它们具有更低的关断电流和更陡的亚阈值斜率。最近，基于BTBT（双带隧穿）的隧穿场效应晶体管（TFET）受到了关注，因为它们可以利用量子力学的BTBT效应实现载流子注入，从而超越传统MOSFET每十倍频程60 mV的亚阈值斜率限制，实现低功耗集成。

本研究通过研究DG-TFET中的Mg₂Si/Si异质结构源配置，探索了在Si上集成Mg₂Si层的潜力。选择Mg₂Si作为源材料的两个主要原因是：首先，其带隙为0.77 eV，比其他硅化物更窄；其次，其较低的电子亲和能（3.59 eV）与硅形成较大的导带偏移，有效降低了隧穿势垒宽度，从而增强了导通态电流。此外，Mg₂Si具有p型和n型掺杂的灵活性，使其成为基于Si的异质结构TFET的理想候选材料。Si/Mg₂Si异质结构的能带对齐显示了明显的导带和价带偏移，这些不连续性在结处产生了明显的能带弯曲，最小化了隧穿势垒，提高了TFET的电流驱动能力。

本文分析了TFET生物传感器在生物分子检测中的应用，研究了介电常数从1到12的变化对其性能的影响。检测机制涉及通过部分刻蚀氧化层在纳米腔体内固定生物分子。鉴于介电调制TFET（DM-TFET）在生物传感中的潜力，本研究对DG-Mg₂Si TFET（DG-TFET）的性能进行了全面评估。新提出的DG-TFET架构在直流和模拟/射频特性上实现了显著改进，同时保持了较低的制造复杂性，并表现出对温度变化的强抵抗力。为了优化传感性能，系统研究了腔体位置对DG-TFET生物传感器的影响，考虑了四种配置：源极边缘的阶梯状腔体（INC-DG-TFET）、源极边缘的逐渐减小阶梯状腔体（DEC-DG-TFET）以及源极边缘的凹凸形状腔体（CNCV-DG-TFET和CNVX-DG-TFET）。灵敏度通过关键直流参数进行量化，包括导通电流（I_ON）、阈值电压灵敏度（v_TH）和亚阈值斜率（SS）。分析涵盖了中性及正负电荷生物分子的检测。结果验证了DG-TFET架构在可靠生物传感中的稳健性和适用性。

本文的其余部分结构如下：第2节详细介绍了器件架构和仿真框架；第3节展示了所提器件的结果和性能评估；第3.1节讨论了中性生物分子对器件直流特性的影响以及温度变化对导通态电流灵敏度的影响；第3.2节比较了所提HS-TFET结构与传统Si-TFET的结构参数；第3.3节分析了5nm × 25nm腔体间隙对Mg₂Si源HS-TFET生物传感器的影响；第3.4节探讨了带电生物分子对直流特性和灵敏度的影响；第3.5节考虑了非理想因素（包括空间位阻和生物分子的不对称杂化）对灵敏度指标的影响；第3.6节将所提出的HS-TFET与其他文献中的TFET设计进行了对比分析。最后，第4节总结了本研究的主要发现和结论。

节选内容

器件结构与仿真方法

图1(a)展示了所提出的DGTFET架构示意图。该器件由硅（Si）沟道和漏极区域组成，源极的上部为镁硅化物（Mg₂Si），下部为硅。选择Mg₂Si作为源材料是因为其窄带隙（Eg = 0.77 eV）和低电子亲和能（3.59 eV），这些特性使其能与Si沟道形成错位的II型异质结。

结果分析与讨论

为了公平比较，所有对比结果（包括导通电流和亚阈值斜率）都是在相同的偏置条件（V_GS, V_DS）和统一的器件尺寸下获得的，使用与参考DM-TFET设计相同的沟道长度和材料参数。研究了栅极功函数对Mg₂Si源TFET特性的影响。栅极功函数的变化控制了平带电压，从而影响源极-沟道的能带对齐，进而影响传感性能。

结论

总之，HS-TFET生物传感器表现出高灵敏度，非常适合超灵敏度和低功耗的生物传感应用。灵敏度分析通过考察不同介电常数、腔体形状和电荷状态下的器件传输特性、漏极电流灵敏度和阈值电压灵敏度来进行。仿真结果显示，较高的介电常数和正电荷增强了传感响应。

CRediT作者贡献声明

Imran Ahmed Khan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。 M Nizamuddin：撰写 – 审稿与编辑、监督、软件开发、资源协调、实验研究、数据分析、数据整理、概念构思。 Maryam Raza：初稿撰写、可视化设计、结果验证、软件开发、资源协调、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。