Simulação Avançada de um Biossensor TFET de Porta Trincheira Dupla-Fonte Modulado por Dielétrico para Detecção de Biomoléculas

Resumo

Neste artigo, propõe-se um biossensor baseado em TFET de porta trincheira dupla-fonte modulado por dielétrico (DM-DSTGTFET) para detecção de biomoléculas. O DM-DSTGTFET adota estrutura de dupla fonte e porta trincheira para aumentar a corrente de estado ligado e gerar corrente bidirecional. Na estrutura proposta, duas cavidades são gravadas sobre óxido de porta de 1 nm para preenchimento com biomoléculas. Uma simulação 2D em Technology Computer-Aided Design (TCAD) é utilizada para análise de sensibilidade. Os resultados mostram que, sob baixa tensão de alimentação, a sensibilidade de corrente do DM-DSTGTFET atinge 1,38 × 10⁵, e a sensibilidade de tensão de limiar pode chegar a 1,2 V. Portanto, o biossensor DM-DSTGTFET possui boas perspectivas de aplicação devido ao seu baixo consumo de energia e alta sensibilidade.

Introdução

Recentemente, significativo interesse de pesquisa tem se concentrado em biossensores de transistor de efeito de campo (FET) baseados em silício, devido às suas características promissoras de alta sensibilidade, atraso mínimo, dimensões escaladas e baixo custo. Biossensores baseados em FET têm a limitação da emissão térmica de elétrons e uma inclinação de sublimiar (SS) que pode exceder 60 mV/década. Devido ao mecanismo de condução por tunelamento banda a banda (BTBT), o TFET supera essa limitação e reduz o efeito de canal curto. Portanto, biossensores baseados em TFET surgiram como candidatos adequados para melhor sensibilidade e tempo de resposta que biossensores baseados em FET.

O método mais comum em TFETs aplicados à detecção de moléculas baseia-se na modulação dielétrica. Uma porção do material dielétrico da porta é removida para formar uma cavidade; quando biomoléculas preenchem a cavidade, a constante dielétrica desta muda, e uma alteração é refletida na corrente de dreno e nas características de transferência. Ao mesmo tempo, a modulação dielétrica auxilia na detecção de moléculas carregadas e neutras. Atualmente, o conceito de modulação dielétrica tem sido utilizado em TFETs, e o biossensor baseado em TFET modulado dielétricamente (DMTFET) atraiu grande valor dos pesquisadores. Um TFET p-n-p-n funcionando como biossensor para detecção de biomoléculas sem marcador foi estudado com simulação de dispositivo. Os resultados revelam que um biossensor baseado em TFET tem baixa corrente de estado desligado na ausência de biomoléculas e alta sensibilidade tanto para constante dielétrica quanto para carga. Observou-se que a presença de biomoléculas na cavidade próxima à junção de tunelamento pode levar a um acoplamento efetivo, resultando em alta sensibilidade, e também torna o DM-TFET resistente à redução de sensibilidade em dimensões menores. Biossensores baseados em TFET de diferentes estruturas estão sendo estudados. Comparado com o DGTFET tradicional, incorporar a arquitetura de porta curta (SG) na estrutura DMTFET pode melhorar significativamente a sensibilidade e reduzir o custo. O TFET de tunelamento de junção sem junção com plasma de carga e porta subposta modulado dielétricamente (CPB DM-JLTFET) pode obter a sensibilidade máxima (biomoléculas neutras e carregadas) selecionando apropriadamente o comprimento e a espessura da cavidade próxima à junção de tunelamento sob polarização adequada. Para melhorar a sensibilidade do biossensor, uma região de bolso n+ fortemente dopada na porta frontal e sobreposição porta-fonte são introduzidas em um TFET de tunelamento modulado dielétricamente vertical (V-DMTFET). O TFET de tunelamento de heterojunção com porta circular exibe maior sensibilidade que o HJ TFET de porta uniforme devido à sua arquitetura de porta não uniforme. O TFET de porta trincheira de duplo canal exibe alta sensibilidade de corrente e sensibilidade de tensão exorbitante. O biossensor TFET de dupla porta e materiais metálicos duplos pode tornar a mudança de sensibilidade mais evidente.

No entanto, a maioria dos biossensores baseia-se no TFET de dupla porta, no qual as biomoléculas precisam ser adicionadas pelos lados das portas em ambas as extremidades. Na estrutura proposta, as biomoléculas são adicionadas verticalmente a partir do topo do dispositivo, o que é uma operação mais simples. Além disso, como a área de sobreposição porta-fonte é grande, ou seja, a área onde a interação entre fonte e biomoléculas é evidente, a sensibilidade do biossensor DM-DSTGTFET é maior que a de outros dispositivos, como mostrado na Tabela 1. A Tabela 1 resume a comparação das diferentes sensibilidades entre este trabalho e resultados de pesquisa de outras referências.

Neste artigo, a sensibilidade do biossensor DM-DSTGTFET é estudada e o conteúdo específico é o seguinte. As Seções 2 e 3 descrevem a estrutura básica do dispositivo, processo de fabricação, modelo e método de simulação. A Seção 4 caracteriza o efeito de diferentes fatores na sensibilidade do biossensor DM-DSTGTFET. Especificamente, as influências de diferentes constantes dielétricas, espessura da cavidade e biomoléculas carregadas nas características de transferência, na sensibilidade I_on/I_off e na sensibilidade ΔV_th do dispositivo proposto. A Seção 5 conclui os achados da investigação realizada.

Estruturas do Dispositivo

A Figura 1 mostra uma imagem transversal do biossensor baseado em DM-DSTGTFET. O eletrodo de porta do DM-DSTGTFET tem função de trabalho de 4,2. Para aumentar a corrente de estado ligado do TFET, utiliza-se uma estrutura de dupla fonte. As duas regiões de fonte com concentração de dopagem de 1 × 10²⁰ cm⁻³ são colocadas simetricamente em ambos os lados da porta. O canal do tipo p com altura (H_c) de 37 nm e concentração de dopagem de 1 × 10¹⁵ cm⁻³ está abaixo da fonte e da porta. O dreno do tipo n com concentração de dopagem de 1 × 10¹⁷ cm⁻³ e altura (H_d) de 18 nm está abaixo do canal. Dois óxidos nas regiões de fonte são HfO₂ com espessura de 2 nm. As duas regiões de bolso de espessura (T_p) 5 nm são colocadas simetricamente em ambos os lados da porta com concentração de dopagem doadora de 1 × 10¹⁹ cm⁻³. Além disso, para o biossensor proposto, T_ox (1 nm), T_c (5 nm) são a espessura do óxido de porta HfO₂ e largura da nanocavidade, respectivamente. Para facilitar uma mudança apropriada no parâmetro de sensibilidade, o valor da função de trabalho do metal da porta deve ser escolhido de forma que o tunelamento ocorra apenas quando as biomoléculas se acumulam na cavidade. Por isso, a função de trabalho do metal Φ_MS = 4,2 eV (sobre o óxido de porta HfO₂) é escolhida. Agora, cinco tipos diferentes de pequenas biomoléculas com diferentes constantes dielétricas (1, 2,5, 5, 11, 23) e cinco diferentes espessuras de nanocavidade (5 nm, 7 nm, 9 nm, 11 nm, 13 nm) são analisados para o biossensor proposto.

O método de fabricação do DM-DSTGTFET é semelhante ao publicado. A Figura 2 mostra as etapas de fabricação do DM-DSTGTFET proposto. Na primeira etapa, conforme mostrado na Fig. 2a, através de uma máscara, exposição, gravação, implantação de íons e recozimento em um substrato de silício levemente dopado, uma região de dreno na parte inferior do dispositivo é formada. A concentração de dopagem da região de dreno formada é 10¹⁷/cm³, e o íon de dopagem é arsênio. Em seguida, silício intrínseco é crescido epitaxialmente sobre a região de dreno para formar a região de canal do dispositivo. Conforme mostrado na Fig. 2b, os dois cantos acima do canal são gravados. Simultaneamente, dopagem N+ é depositada por técnica de deposição química de vapor (CVD) conforme descrito na Fig. 2c para formar as regiões de bolso do DM-DSTGTFET. Na região de fonte, uma região de dupla fonte baseada em Si é crescida por CVD, e mascaramento, exposição, gravação, implantação de íons e recozimento são realizados para dopagem do tipo P de alta concentração na região de fonte, com concentração de dopagem de 10²⁰/cm³, conforme mostrado na Fig. 2d. Na próxima etapa, a trincheira é feita na camada de canal e SiO₂ é depositado na trincheira conforme dado na Fig. 2e. Então a trincheira é formada como mostrado na Fig. 2f. A metalização e padronização são realizadas para obter os contatos de porta conforme mostrado na Fig. 2g. Além disso, as cavidades são gravadas no SiO₂ em ambos os lados da porta conforme dado na Fig. 2h. Na etapa final, 1 nm de HfO₂ é crescido na parede lateral das cavidades para obter a estrutura proposta como mostrado na Fig. 2i.

Método e Modelo de Simulação

Para estudar o desempenho de biossensores DM-DSTGTFET mais claramente, este artigo utiliza ferramenta TCAD (Sentaurus) para estudar a sensibilidade de sensores TFET. Modelos apropriados são adotados para simulação precisa.

O modelo BTBT não local considera o campo elétrico em cada ponto no caminho de tunelamento como variável, o que significa que a probabilidade de tunelamento BTBT depende da curvatura das bandas na junção de tunelamento. O modelo de tunelamento não local está mais alinhado com a situação real de simulação de TFET. Portanto, o modelo BTBT não local é adotado neste artigo. O modelo de Kane é usado para o modelo dinâmico de tunelamento BTBT não local no Sentaurus. No modelo de Kane, a taxa de tunelamento BTBT é expressa como:

G_BTBT = A (E/E₀)^P exp(-B/E₀)

onde a constante E₀ = 1 V/cm, P = 2 para tunelamento de banda direta, e P = 2,5 para tunelamento de banda indireta assistido por fônons. Como os dispositivos neste artigo são principalmente de silício, P escolhe 2,5. O parâmetro A = 4 × 10¹⁴/cm³s, E é o campo elétrico e o fator exponencial B = 9,9 × 10⁶ V/cm.

Shockley-Read-Hall (SRH) é escolhido para incluir a recombinação de portadores. Modelo de estreitamento de banda é considerado para ativar o efeito de alta concentração na banda. Estatísticas de Fermi-Dirac são invocadas para incluir a mudança nas propriedades de uma região altamente dopada. O modelo de mobilidade no material Si deve considerar o modelo de espalhamento de impurezas ionizadas (µ_dop), o modelo de espalhamento de interface (µ_InterSc) e o modelo de saturação de alto campo (µ_F), e o modelo final de mobilidade efetiva pode ser expresso por:

1/µ = 1/µ_dop + 1/µ_InterSc + 1/µ_F

O modelo de mobilidade Poole-Frenkel é introduzido no material que preenche a cavidade, e a mobilidade como função do campo elétrico é dada por:

µ = µ₀ exp(-E₀/KT) exp(√E (β/T - γ))

onde µ₀ é a mobilidade de baixo campo, β e γ são parâmetros de ajuste, E₀ é a energia de ativação efetiva, e E é a força motriz (campo elétrico). K é a constante de Boltzmann, e T é a temperatura. O valor padrão de E₀ e γ é 0, β = 0,1.

Baseado no modelo físico calibrado acima, as características elétricas do biossensor DM-DSTGTFET são analisadas.

Durante a simulação, quatro diferentes constantes dielétricas de biomoléculas (k = 2,5, 5, 11, 23), cinco espessuras de cavidade (T_c = 5, 7, 9, 11, 13 nm) e diferentes densidades de biomoléculas carregadas são consideradas na simulação e discussão. Em geral, uma referência é adotada ao estudar a sensibilidade do sensor. A referência é proposta para tornar a resposta do sensor à substância alvo óbvia. Portanto, a referência é tomada no caso em que as cavidades são preenchidas com ar, ou simplesmente, a condição quando as biomoléculas não são preenchidas nas cavidades. Portanto, uma medida de sensibilidade de tensão de limiar, sensibilidade de corrente de dreno e sensibilidade de inclinação de sublimiar do DM-DSTGTFET é definida como:

ΔV_th = V_th(ar) - V_th(bio)

S_dreno = (I_ds(bio) - I_ds(ar)) / I_ds(ar)

S_SS = (SS_ar - SS_bio) / SS_ar

onde V_th(ar) é a tensão de limiar do biossensor quando as cavidades são preenchidas com ar, e V_th(bio) é a tensão de limiar quando as cavidades são preenchidas com biomoléculas. Similarmente, I_ds(ar) e SS_ar são a corrente de dreno de estado ligado e inclinação de sublimiar, respectivamente, do biossensor quando as cavidades são preenchidas com ar, e I_ds(bio) e SS_bio são a corrente de dreno de estado ligado e inclinação de sublimiar, respectivamente, quando as cavidades são preenchidas com biomoléculas.

Através da análise das características elétricas do DM-DSTGTFET, a tensão de limiar, corrente de dreno de estado ligado e inclinação de sublimiar são extraídas para analisar a sensibilidade do biossensor.

Resultados e Discussão

Impacto de Diferentes Biomoléculas no DM-DSTGTFET

A Figura 3 mostra a característica de transferência, variação da banda de energia, sensibilidade de tensão de limiar e sensibilidade de corrente do DM-DSTGTFET no estado ligado quando diferentes constantes dielétricas de biomoléculas preenchem a cavidade. Ao escolher uma função de trabalho de metal de porta mais baixa (Φ_MS = 4,2), a sensibilidade da corrente de dreno pode ser estudada ajustando diferentes k.

Como pode ser visto na Fig. 3a, com o aumento de k do dielétrico da porta, mais forte a capacidade de controle da porta, a corrente de estado ligado também aumenta. A Figura 3b descreve o diagrama de banda de energia nas diferentes k de biomoléculas. Quando k = 1, significa que não há biomoléculas preenchidas na cavidade. Neste caso, a torção na banda de energia é minimizada. Além disso, quando a constante dielétrica das biomoléculas na cavidade começa a aumentar, a banda de energia se curva cada vez mais severamente. Significa que mais alinhamento de banda de energia ocorre em k mais alto, e assim a largura da barreira através da junção reduz. A Figura 3c mostra o efeito da constante dielétrica de biomoléculas na sensibilidade I_on e I_on/I_off do DM-DSTGTFET. Com o aumento de k, a sensibilidade I_on e I_on/I_off também melhora. Isso se deve ao fato de que com o aumento de k, mais severa a curvatura da banda de energia, a largura da barreira na junção fonte-canal diminui e, portanto, a possibilidade de tunelamento aumenta. Como a probabilidade de tunelamento aumenta, a geração de tunelamento BTBT de elétrons aumenta, o que pode ser visto claramente na Fig. 4. O dispositivo proposto fornece a mais alta sensibilidade I_on/I_off de 1,1 × 10¹⁰ em k = 23, que é obviamente maior que biossensores baseados em TFET publicados. A Figura 3d dá a variação em V_th e sensibilidade ΔV_th do DM-DSTGTFET em relação a k de biomoléculas. Obviamente, à medida que k aumenta, mais rápido o I_on do dispositivo proposto aumenta, menor a tensão de limiar. Enquanto isso, a ΔV_th mostra uma tendência crescente com o aumento de k. A razão é que a diferença entre o V_th quando diferentes biomoléculas são preenchidas e o V_th quando nenhuma biomolécula é preenchida está ficando maior. Em geral, o V_th quando preenchido com ar é maior que outros valores de k. O DM-DSTGTFET proposto apresenta uma sensibilidade máxima ΔV_th de 1,2 V em k = 23. Portanto, o DM-DSTGTFET fornece alta sensibilidade de corrente e sensibilidade de tensão de limiar para biomoléculas.

A Figura 5a mostra SS e sensibilidade SS do DM-DSTGTFET quando as cavidades são preenchidas com diferentes biomoléculas. Aqui, vê-se que o incremento na constante dielétrica resulta em diminuição de SS e melhoria de S_SS. Quanto menor o SS, menor o consumo de energia do TFET, e melhor o desempenho do TFET. Portanto, à medida que o valor de k aumenta, SS diminui, S_SS aumenta, e a capacidade de controle da porta aumenta.

A sensibilidade de corrente de dreno varia como função de k para o DM-DSTGTFET proposto na Fig. 5b. A sensibilidade aumenta com o aumento de k. Isso se deve ao fato de que o aumento de k resulta em aumento do campo elétrico na junção de tunelamento, o que leva à redução da largura de tunelamento e, portanto, aumenta S_dreno.

Impacto de Diferentes Espessuras de Cavidade no DM-DSTGTFET

Como quando k = 23, a sensibilidade S_dreno, sensibilidade ΔV_th e S_SS do biossensor DM-DSTGTFET são as maiores (conclusão da seção anterior). Portanto, para estudar a influência da espessura da cavidade na sensibilidade do biossensor proposto mais claramente, esta seção é conduzida sob a condição de k = 23.

A Figura 6 descreve as características de transferência do biossensor DM-DSTGTFET em diferentes espessuras de cavidade (T_c). À medida que T_c aumenta, a corrente de estado ligado torna-se menor. O efeito de diferentes T_c na sensibilidade I_on e I_on/I_off do DM-DSTGTFET é plotado na Fig. 7a. Quando T_c é aumentado, a capacitância entre porta e canal é reduzida, o que leva a maior largura de tunelamento na junção fonte-canal resultando em menor corrente de dreno. Para k = 23, a sensibilidade I_on e I_on/I_off diminui com o aumento de T_c devido à melhoria no acoplamento capacitivo entre porta e canal para T_c mais alto. Por outro lado, o dispositivo proposto exibe uma tendência crescente em V_th e, portanto, na sensibilidade ΔV_th com o aumento de T_c como ilustrado na Fig. 7b. Isso ocorre porque o aumento de T_c reduz o I_on e, portanto, aumenta o V_th. Em outras palavras, o controle da porta sobre o canal reduz para cavidade mais larga, o que leva a maior V_th. Portanto, o DM-DSTGTFET funciona como um melhor biossensor de tensão para uma cavidade mais estreita.

Impacto de Biomoléculas Carregadas no DM-DSTGTFET

Para investigar a influência das diferentes cargas de biomoléculas na sensibilidade do sensor proposto, a faixa dinâmica e limite de detecção foram estudados primeiro. Neste artigo, o DM-DSTGTFET pode detectar material sensor com densidade de carga variando de 10¹⁰ cm⁻² a 10¹³ cm⁻², uma faixa de detecção mais ampla comparada a outros sensores. Portanto, na simulação seguinte, a densidade de carga dentro do limite de faixa dinâmica é usada para pesquisa de sensibilidade.

A Figura 8 descreve o efeito do preenchimento da cavidade com biomoléculas com diferentes cargas positivas e negativas nas características de transferência do DM-DSTGTFET sob diferentes k. Como pode ser visto, em k = 2,5, sob biomoléculas carregadas positiva e negativamente, a curva de transferência tem uma faixa de mudança maior. Portanto, a discussão seguinte foca no efeito de diferentes cargas positivas e negativas na sensibilidade do biossensor DM-DSTGTFET quando k = 2,5.

A Figura 9a descreve a variação de I_on e sensibilidade I_on/I_off do DM-DSTGTFET como função de cargas positivas. O aumento da carga positiva de biomoléculas leva a melhoria em I_on e sensibilidade I_on/I_off do dispositivo proposto. A carga positiva na cavidade aumenta o dielétrico efetivo do óxido de porta, o que resulta em aumento da capacidade de controle da porta. Este aumento na capacidade de controle da porta causa diminuição na largura de tunelamento da junção fonte-canal levando à melhoria na sensibilidade I_on e I_on/I_off. A Figura 9b demonstra o efeito da carga positiva de biomoléculas em V_th e sensibilidade ΔV_th do DM-DSTGTFET. Observa-se que o V_th reduz e a sensibilidade ΔV_th melhora com o aumento da carga positiva. Isso se deve ao fato de que a carga positiva na molécula aumenta o I_on e diminui o V_th. A diminuição no V_th aumenta a diferença entre a tensão de limiar da biomolécula em relação ao ar, levando à melhoria em ΔV_th.

A Figura 10a mostra a variação de I_on e sensibilidade I_on/I_off do DM-DSTGTFET como função de cargas positivas para k = 2,5. O aumento da carga negativa de biomoléculas leva à diminuição em I_on e sensibilidade I_on/I_off do dispositivo proposto. A carga negativa na cavidade diminui o dielétrico efetivo do óxido de porta, o que resulta em aumento da capacidade de controle da porta. Esta diminuição na capacidade de controle da porta causa aumento na largura de tunelamento da junção fonte-canal levando à diminuição em I_on e sensibilidade I_on/I_off.

A Figura 10b demonstra o efeito da carga negativa de biomoléculas em V_th e sensibilidade ΔV_th do DM-DSTGTFET. Observa-se na figura que para k = 2,5, o V_th melhora e a sensibilidade ΔV_th reduz com o aumento da carga negativa. Isso se deve ao fato de que a carga negativa na molécula diminui o I_on e aumenta o V_th. O aumento no V_th aumenta a diferença entre a tensão de limiar da biomolécula em relação ao ar, levando à diminuição em ΔV_th.

Conclusões

Em conclusão, o DM-DSTGTFET tem alta sensibilidade para detecção de biomoléculas em aplicações de biossensor. No entanto, a capacidade de detecção da estrutura DM-DSTGTFET é avaliada examinando os efeitos introduzidos pela permissividade relativa, espessura da cavidade, biomoléculas carregadas, sensibilidade I_on/I_off, SS e S_SS. Os resultados mostram que quanto maior a constante dielétrica, menor a espessura da cavidade, mais positivamente carregada, e maior a sensibilidade do dispositivo proposto. Resultados de simulação mostram que a estrutura proposta pode ser aplicada para dispositivo biossensor ultra-sensível e de baixo consumo.

Abreviações

DM-DSTGTFETs:

Transistores de efeito de campo de tunelamento de porta trincheira dupla-fonte modulados dielétricamente

TCAD:

Design auxiliado por tecnologia computacional

BTBT:

Tunelamento banda a banda

DGTFET:

Transistores de efeito de campo de tunelamento de dupla porta

SS:

Inclinação de sublimiar