Simulation avancée d'un biosenseur TFET à grille de tranchée double source modulé par diélectrique pour la détection de biomolécules

Résumé

Dans cet article, un biosenseur basé sur un TFET (transistor à effet de tunnel) à grille de tranchée double source modulé par diélectrique (DM-DSTGTFET) est proposé pour la détection de biomolécules. Le DM-DSTGTFET adopte une double source et une grille de tranchée pour améliorer le courant d'état passant et générer un courant bidirectionnel. Dans la structure proposée, deux cavités sont gravées au-dessus d'une grille d'oxyde de 1 nm pour le remplissage par les biomolécules. Une simulation 2D dans le cadre de la conception assistée par ordinateur (TCAD) est adoptée pour l'analyse de sensibilité. Les résultats montrent qu'à faible tension d'alimentation, la sensibilité en courant du DM-DSTGTFET atteint 1,38 × 10⁵, et la sensibilité en tension de seuil peut atteindre 1,2 V. Par conséquent, le biosenseur DM-DSTGTFET présente de bonnes perspectives d'application grâce à sa faible consommation d'énergie et sa haute sensibilité.

Introduction

Ces dernières années, un intérêt de recherche significatif s'est porté sur les biosenseurs à transistor à effet de champ (FET) à base de silicium en raison de leurs caractéristiques prometteuses : haute sensibilité, délai minimal, dimensions réduites et faible coût [1-6]. Les biosenseurs basés sur les FET présentent la limitation de l'émission thermique d'électrons et une pente de sous-seuil (SS) pouvant dépasser 60 mV/décade. Grâce au mécanisme de conduction par tunnel interbandes (BTBT), le TFET surmonte cette limitation et réduit l'effet de canal court [7-10]. Ainsi, les biosenseurs basés sur TFET sont apparus comme des candidats appropriés pour une meilleure sensibilité et un temps de réponse plus court que les biosenseurs basés sur FET [11-14].

La méthode la plus courante dans les TFETs appliqués à la détection de molécules repose sur la modulation diélectrique. Une partie du matériau diélectrique de la grille est gravée pour former une cavité ; lorsque des biomolécules remplissent la cavité, la constante diélectrique de celle-ci change, et ce changement se reflète dans le courant de drain et les caractéristiques de transfert [15-17]. Simultanément, la modulation diélectrique permet la détection de molécules chargées et neutres. Actuellement, le concept de modulation diélectrique a été récemment utilisé dans les TFET, et les biosenseurs basés sur TFET à modulation diélectrique (DMTFET) ont attiré l'attention des chercheurs. Un TFET p-n-p-n fonctionnant comme biosenseur pour la détection de biomolécules sans étiquetage a été étudié par simulation de dispositif. Les résultats révèlent qu'un biosenseur basé sur TFET a un courant d'état bloqué faible en l'absence de biomolécules et une haute sensibilité tant à la constante diélectrique qu'à la charge [18]. Il a été observé dans [19] que la présence de biomolécules dans la cavité près de la jonction de tunnel peut conduire à un couplage efficace, ce qui entraîne une haute sensibilité, et rend également le DM-TFET résistant à la réduction de sensibilité à des dimensions inférieures. Différentes structures de biosenseurs basés sur TFET sont étudiées. Par rapport au DGTFET traditionnel, l'incorporation de l'architecture à grille courte (SG) dans la structure DMTFET peut améliorer significativement la sensibilité et réduire le coût [20]. Le transistor à effet de champ à tunnel sans jonction à grille à plasma de charge et modulation diélectrique (CPB DM-JLTFET) peut obtenir la sensibilité maximale (biomolécules neutres et chargées) en sélectionnant appropriément la longueur et l'épaisseur de la cavité près de la jonction de tunnel sous le biais approprié [21]. Pour améliorer la sensibilité du biosenseur, une poche n+ lourdement dopée en grille avant et un chevauchement grille-source sont introduits dans un TFET à tunnel à modulation diélectrique vertical (V-DMTFET) [22]. Le transistor à effet de tunnel à hétérojonction à grille circulaire présente une sensibilité plus élevée que le HJ TFET à grille uniforme en raison de son architecture de grille non uniforme [23]. Le TFET à double canal et grille de tranchée présente une haute sensibilité en courant ainsi qu'une sensibilité en tension exorbitante [24]. Le biosenseur TFET à double grille et double matériau métallique peut rendre le changement de sensibilité plus évident [25].

Cependant, la plupart des biosenseurs sont basés sur le TFET à double grille, dans lequel les biomolécules doivent être ajoutées des côtés des grilles aux deux extrémités. Dans la structure proposée, les biomolécules sont ajoutées verticalement depuis le haut du dispositif, ce qui est une opération plus simple. De plus, comme la zone de chevauchement grille-source est grande, c'est-à-dire la zone où l'interaction source-biomolécules est évidente, la sensibilité du biosenseur DM-DSTGTFET est supérieure à celle des autres dispositifs, comme le montre le Tableau 1. Le Tableau 1 résume la comparaison des différentes sensibilités entre ce travail et les résultats de recherche d'autres références.

Structures du dispositif

La Figure 1 montre une image en coupe transversale du biosenseur basé sur DM-DSTGTFET. L'électrode de grille du DM-DSTGTFET a une fonction de travail de 4,2. Afin d'augmenter le courant d'état passant du TFET, une structure à double source est utilisée. Les deux régions de source avec une concentration de dopage de 1 × 10²⁰ cm⁻³ sont placées symétriquement de part et d'autre de la grille. Le canal de type p avec une hauteur (Hc) de 37 nm et une concentration de dopage de 1 × 10¹⁵ cm⁻³ est placé sous la source et la grille. Le drain de type n avec une concentration de dopage de 1 × 10¹⁷ cm⁻³ et une hauteur (Hd) de 18 nm est sous le canal. Deux oxydes sur les régions de source sont du HfO₂ avec une épaisseur de 2 nm. Les deux régions de poche d'épaisseur (Tp) 5 nm sont placées symétriquement de chaque côté de la grille avec une concentration de dopage donneur de 1 × 10¹⁹ cm⁻³. De plus, pour le biosenseur proposé, Tox (1 nm), Tc (5 nm) sont l'épaisseur de l'oxyde de grille HfO₂ et la largeur de la nanocavité, respectivement. Pour faciliter un changement approprié du paramètre de sensibilité, la valeur de la fonction de travail du métal de grille choisie doit être telle que le tunnel ne puisse se produire que lorsque les biomolécules s'accumulent dans la cavité. C'est pourquoi la fonction de travail du métal ΦMS = 4,2 eV (sur l'oxyde de grille HfO₂) est choisie. Maintenant, cinq types différents de petites biomolécules avec différentes constantes diélectriques (1, 2,5, 5, 11, 23) et cinq épaisseurs différentes de nanocavité (5 nm, 7 nm, 9 nm, 11 nm, 13 nm) sont analysées pour le biosenseur proposé.

Méthode et modèle de simulation

Dans le but d'étudier les performances des biosenseurs DM-DSTGTFET plus clairement, cet article utilise l'outil TCAD (Sentaurus) pour étudier la sensibilité des capteurs TFET. Les modèles appropriés sont adoptés pour une simulation précise.

Le modèle BTBT non local considère le champ électrique à chaque point du chemin de tunnel comme une variable, ce qui signifie que la probabilité de tunnel BTBT dépend de la courbure de bande à la jonction de tunnel. Le modèle de tunnel non local est plus en accord avec la situation réelle de la simulation TFET [29]. Donc, le modèle BTBT non local est adopté dans cet article. Le modèle de Kane est utilisé pour le modèle dynamique de tunnel BTBT non local dans Sentaurus. Dans le modèle de Kane, le taux de tunnel BTBT est exprimé comme suit [30] :

G_BTBT = A (E/E₀)^P exp(-B/E₀)

où la constante E₀ = 1 V/cm, P = 2 pour le tunnel à bande interdite directe, et P = 2,5 pour le tunnel à bande interdite indirecte assisté par phonon. Puisque les dispositifs dans cet article sont principalement en silicium, P est choisi à 2,5. Le paramètre A = 4 × 10¹⁴/cm³·s, E est le champ électrique et le facteur exponentiel B = 9,9 × 10⁶ V/cm.

Le modèle Shockley-Read-Hall (SRH) est choisi pour inclure la recombinaison des porteurs. Le modèle de rétrécissement de la bande interdite est pris pour activer l'effet de haute concentration dans la bande interdite. Les statistiques de Fermi-Dirac sont invoquées pour inclure le changement de propriétés d'une région fortement dopée. Le modèle de mobilité dans le matériau Si doit considérer le modèle de diffusion des impuretés ionisées (μ_dop), le modèle de diffusion d'interface (μ_InterSc) et le modèle de saturation à champ élevé (μ_F) [31], et le modèle de mobilité effective final peut être exprimé par :

1/μ = 1/μ_dop + 1/μ_InterSc + 1/μ_F

Le modèle de mobilité Poole-Frenkel est introduit dans le matériau remplissant la cavité, et la mobilité en fonction du champ électrique est donnée par :

μ = μ₀ exp(-E₀/KT) exp(√E (β/T - γ))

où μ₀ est la mobilité à bas champ, β et γ sont des paramètres d'ajustement, E₀ est l'énergie d'activation effective, et E est la force motrice (champ électrique). K est la constante de Boltzmann, et T est la température. La valeur par défaut de E₀ et γ est 0, β = 0,1.

Basé sur le modèle physique calibré ci-dessus, les caractéristiques électriques du biosenseur DM-DSTGTFET sont analysées.

Pendant la simulation, quatre constantes diélectriques différentes de biomolécules (k = 2,5, 5, 11, 23), cinq épaisseurs de cavité (Tc = 5, 7, 9, 11, 13 nm) et différentes densités de biomolécules chargées sont considérées dans la simulation et la discussion. En général, une référence est adoptée lors de l'étude de la sensibilité du capteur. La référence est proposée pour rendre la réponse du capteur à la substance cible évidente. Donc, la référence est prise dans le cas où les cavités sont remplies d'air, ou simplement, la condition où les biomolécules ne sont pas remplies dans les cavités. Par conséquent, une mesure de la sensibilité en tension de seuil, de la sensibilité en courant de drain et de la sensibilité en pente de sous-seuil du DM-DSTGTFET est définie comme [22] [28] [32] :

ΔV_th = V_th(air) - V_th(bio)

S_drain = (I_ds(bio) - I_ds(air)) / I_ds(air)

S_SS = (SS_air - SS_bio) / SS_air

où V_th(air) est la tension de seuil du biosenseur lorsque les cavités sont remplies d'air, et V_th(bio) est la tension de seuil lorsque les cavités sont remplies de biomolécules. De même, I_ds(air) et SS_air sont respectivement le courant de drain d'état passant et la pente de sous-seuil du biosenseur lorsque les cavités sont remplies d'air, et I_ds(bio) et SS_bio sont respectivement le courant de drain d'état passant et la pente de sous-seuil lorsque les cavités sont remplies de biomolécules.

À travers l'analyse des caractéristiques électriques du DM-DSTGTFET, la tension de seuil, le courant de drain d'état passant et la pente de sous-seuil sont extraits pour analyser la sensibilité du biosenseur.

Résultats et discussion

Impact de différentes biomolécules dans le DM-DSTGTFET

La Figure 3 montre la caractéristique de transfert, la variation de bande d'énergie, la sensibilité en tension de seuil et la sensibilité en courant du DM-DSTGTFET à l'état passant lorsque différentes constantes diélectriques de biomolécules remplissent la cavité. En choisissant une fonction de travail de métal de grille plus faible (ΦMS = 4,2), la sensibilité du courant de drain peut être étudiée en ajustant les différents k.

Comme on peut le voir dans la Fig. 3a, avec l'augmentation de k du diélectrique de grille, la capacité de contrôle de la grille est plus forte, le courant d'état passant augmente également. La Figure 3b décrit le diagramme de bande d'énergie aux différentes valeurs de k des biomolécules. Lorsque k = 1, cela signifie qu'il n'y a pas de biomolécules remplies dans la cavité. Dans ce cas, la torsion dans la bande d'énergie est minimisée. De plus, lorsque la constante diélectrique des biomolécules dans la cavité commence à augmenter, la bande d'énergie se courbe de plus en plus sévèrement. Cela signifie qu'un plus grand alignement de bande d'énergie a lieu à des k plus élevés, et donc la largeur de barrière à travers la jonction diminue. La Figure 3c montre l'effet de la constante diélectrique des biomolécules sur la sensibilité I_on et I_on/I_off du DM-DSTGTFET. Avec l'augmentation de k, la sensibilité I_on et I_on/I_off s'améliore également. Cela est dû au fait qu'avec l'augmentation de k, la courbure de la bande d'énergie est plus sévère, la largeur de barrière à la jonction source-canal diminue et donc la possibilité de tunnel augmente. Comme la probabilité de tunnel augmente, la génération de tunnel BTBT d'électrons augmente, ce qui peut être vu clairement dans la Fig. 4. Le dispositif proposé fournit la plus haute sensibilité I_on/I_off de 1,1 × 10¹⁰ à k = 23, ce qui est évidemment plus élevé que les biosenseurs basés sur TFET publiés. La Figure 3d donne la variation de V_th et de la sensibilité ΔV_th du DM-DSTGTFET par rapport au k des biomolécules. Évidemment, à mesure que k augmente, plus le I_on du dispositif proposé augmente rapidement, plus la tension de seuil est basse. Pendant ce temps, la sensibilité ΔV_th montre une tendance croissante avec l'augmentation de k. La raison est que la différence entre le V_th lorsque différentes biomolécules sont remplies et le V_th lorsqu'aucune biomolécule n'est remplie devient plus grande. En général, le V_th lorsqu'il est rempli d'air est plus grand que les autres valeurs de k. Le DM-DSTGTFET proposé atteint une sensibilité maximale ΔV_th de 1,2 V à k = 23. Par conséquent, le DM-DSTGTFET fournit une haute sensibilité en courant ainsi qu'en tension de seuil pour les biomolécules.

La Figure 5a montre le SS et la sensibilité SS du DM-DSTGTFET lorsque les cavités sont remplies avec différentes biomolécules. Ici, on voit que l'augmentation de la constante diélectrique entraîne une diminution du SS et une amélioration de S_SS. Plus le SS est petit, plus la consommation d'énergie du TFET est faible, et meilleures sont les performances du TFET. Par conséquent, à mesure que la valeur de k augmente, SS diminue, S_SS augmente, et la capacité de contrôle de la grille augmente.

La sensibilité en courant de drain varie en fonction de k pour le DM-DSTGTFET proposé dans la Fig. 5b. La sensibilité augmente avec l'augmentation de k. Cela est dû au fait que l'augmentation de k entraîne une amélioration du champ électrique à la jonction de tunnel, ce qui conduit à une réduction de la largeur de tunnel et donc à une augmentation de S_drain.

Impact de différentes épaisseurs de cavité dans le DM-DSTGTFET

Puisque lorsque k = 23, la sensibilité S_drain, la sensibilité ΔV_th et S_SS du biosenseur DM-DSTGTFET sont les plus grandes (conclusion tirée de la section précédente). Par conséquent, afin d'étudier l'influence de l'épaisseur de la cavité sur la sensibilité du biosenseur proposé plus clairement, cette section est menée sous la condition de k = 23.

La Figure 6 décrit les caractéristiques de transfert du biosenseur DM-DSTGTFET à différentes épaisseurs de cavité (Tc). À mesure que Tc augmente, le courant d'état passant devient plus petit. L'effet de différents Tc sur la sensibilité I_on et I_on/I_off du DM-DSTGTFET est tracé dans la Fig. 7a. Lorsque Tc augmente, la capacité entre la grille et le canal est réduite, ce qui conduit à une largeur de tunnel plus grande à la jonction source-canal, résultant en un courant de drain plus faible. Pour k = 23, la sensibilité I_on et I_on/I_off diminue avec l'augmentation de Tc en raison de l'amélioration du couplage capacitif entre la grille et le canal pour un Tc plus élevé. D'autre part, le dispositif proposé présente une tendance croissante en V_th et donc en sensibilité ΔV_th avec l'augmentation de Tc comme illustré dans la Fig. 7b. Cela est dû au fait que l'augmentation de Tc réduit le I_on et donc augmente le V_th. En d'autres termes, le contrôle de la grille sur le canal diminue pour une cavité plus large, ce qui conduit à un V_th plus élevé. Par conséquent, le DM-DSTGTFET fonctionne comme un meilleur biosenseur de tension pour une cavité plus étroite.

Impact des biomolécules chargées sur le DM-DSTGTFET

Pour étudier l'influence des différentes charges des biomolécules sur la sensibilité du capteur proposé, la plage dynamique et la limite de détection ont été d'abord étudiées. Dans cet article, le DM-DSTGTFET peut détecter le matériau de détection avec une densité de charge variant de 10¹⁰ cm⁻² à 10¹³ cm⁻², une plage de détection plus large comparée à d'autres capteurs [32]. Par conséquent, dans la simulation suivante, la densité de charge dans la plage de la limite dynamique est utilisée pour la recherche de sensibilité.

La Figure 8 représente l'effet du remplissage de la cavité avec des biomolécules avec différentes charges positives et négatives sur les caractéristiques de transfert du DM-DSTGTFET sous différents k. Comme on peut le voir, à k = 2,5, sous des biomolécules chargées positivement et négativement, la courbe de transfert a une plus grande plage de changement. Par conséquent, la discussion suivante se concentre sur l'effet de différentes charges positives et négatives sur la sensibilité du biosenseur DM-DSTGTFET lorsque k = 2,5.

La Figure 9a décrit la variation de I_on et de la sensibilité I_on/I_off du DM-DSTGTFET en fonction des charges positives. L'augmentation de la charge positive des biomolécules entraîne une amélioration de I_on et de la sensibilité I_on/I_off du dispositif proposé. La charge positive dans la cavité augmente le diélectrique d'oxyde de grille effectif, ce qui résulte en une amélioration de la capacité de contrôle de la grille. Cette augmentation de la capacité de contrôle de la grille cause une diminution de la largeur de tunnel de la jonction source-canal, conduisant à une amélioration de la sensibilité I_on et I_on/I_off. La Figure 9b démontre l'effet de la charge positive des biomolécules sur V_th et la sensibilité ΔV_th du DM-DSTGTFET. On observe que le V_th diminue et la sensibilité ΔV_th s'améliore avec l'augmentation de la charge positive. Cela est dû au fait que la charge positive sur la molécule augmente le I_on et diminue le V_th. La diminution du V_th améliore la différence entre la tension de seuil de la biomolécule par rapport à l'air, conduisant à une amélioration de ΔV_th.

La Figure 10a montre la variation de I_on et de la sensibilité I_on/I_off du DM-DSTGTFET en fonction des charges positives pour k = 2,5. L'augmentation de la charge négative des biomolécules entraîne une diminution de I_on et de la sensibilité I_on/I_off du dispositif proposé. La charge négative dans la cavité diminue le diélectrique d'oxyde de grille effectif, ce qui résulte en une amélioration de la capacité de contrôle de la grille. Cette diminution de la capacité de contrôle de la grille cause une augmentation de la largeur de tunnel de la jonction source-canal, conduisant à une diminution de la sensibilité I_on et I_on/I_off.

La Figure 10b démontre l'effet de la charge négative des biomolécules sur V_th et la sensibilité ΔV_th du DM-DSTGTFET. On observe sur la figure que pour k = 2,5, le V_th s'améliore et la sensibilité ΔV_th diminue avec l'augmentation de la charge négative. Cela est dû au fait que la charge négative sur la molécule diminue le I_on et augmente le V_th. L'augmentation du V_th améliore la différence entre la tension de seuil de la biomolécule par rapport à l'air, conduisant à une diminution de ΔV_th.

Conclusions

En conclusion, le DM-DSTGTFET a une haute sensibilité pour la détection de biomolécules dans les applications de biosenseurs. Cependant, la capacité de détection de la structure DM-DSTGTFET est évaluée en examinant les effets introduits par la permittivité relative, l'épaisseur de la cavité, les biomolécules chargées, la sensibilité I_on/I_off, SS et S_SS. Les résultats montrent que plus la constante diélectrique est grande, plus l'épaisseur de la cavité est petite, plus la charge est positive, et plus la sensibilité du dispositif proposé est grande. Les résultats de simulation montrent que la structure proposée peut être appliquée pour un dispositif de biosenseur ultra-sensible et à faible consommation.

Abréviations

DM-DSTGTFET :

Transistors à effet de tunnel à grille de tranchée double source modulés par diélectrique

TCAD :

Conception assistée par ordinateur pour la technologie

BTBT :

Tunnel interbandes

DGTFET :

Transistors à effet de tunnel à double grille

SS :

Pente de sous-seuil