Simulation et analyse des performances d'un biocapteur TFET à grille de tranchée à double source modulée par diélectrique

Introduction

Dans un passé récent, un intérêt important de la recherche s'est concentré sur les biocapteurs à transistors à effet de champ (FET) à base de silicium en raison des caractéristiques prometteuses de haute sensibilité, de retard minimum, de dimensions à l'échelle et de faible coût [1,2,3,4,5, 6]. Les biocapteurs à base de FET ont la limitation de l'émission d'électrons thermiques et ont une pente sous le seuil (SS) qui peut être supérieure à 60 mV/décade. En raison du mécanisme de conduction bande à bande (BTBT), le TFET surmonte la limitation et réduit l'effet de canal court [7,8,9,10]. Par conséquent, le biocapteur à base de TFET est devenu un candidat approprié pour une meilleure sensibilité et un meilleur temps de réponse que le biocapteur à base de FET [11,12,13,14].

La méthode la plus courante dans les TFET appliquée pour la détection de molécules est basée sur la modulation diélectrique. Une partie du matériau diélectrique de grille est gravée pour former une cavité; lorsque des biomolécules sont remplies dans la cavité, la constante diélectrique de la cavité change et un changement se reflète dans le courant de drain et les caractéristiques de transfert [15,16,17]. Dans le même temps, la modulation diélectrique aide à détecter les molécules chargées et neutres. À l'heure actuelle, le concept de modulation diélectrique a été récemment utilisé dans le TFET, et le biocapteur basé sur le TFET à modulation diélectrique (DMTFET) a attiré des chercheurs très appréciés. Un TFET p-n-p-n fonctionnant comme un biocapteur pour la détection de biomolécules sans marqueur est étudié avec une simulation de dispositif. Les résultats révèlent qu'un biocapteur à base de TFET a un faible courant à l'état bloqué en l'absence de biomolécules et une sensibilité élevée à la fois à la constante diélectrique et à la charge [18]. Il a été observé dans [19] que la présence de biomolécules dans la cavité près de la La jonction tunnel peut conduire à un couplage efficace, ce qui conduit à une sensibilité élevée, et rend également le DM-TFET résistant à la réduction de sensibilité à une dimension inférieure. Des biocapteurs à base de TFET de différentes structures sont à l'étude. Par rapport au DGTFET traditionnel, l'incorporation de l'architecture à grille courte (SG) dans la structure DMTFET peut considérablement améliorer la sensibilité et réduire les coûts [20]. Le transistor à effet de champ tunnel sans jonction modulé diélectrique sous la grille à base de plasma de charge (CPB DM-JLTFET) peut obtenir la sensibilité maximale (biomolécules neutres et chargées) en sélectionnant de manière appropriée la longueur et l'épaisseur de la cavité près de la jonction tunnel sous la polarisation appropriée [21]. Pour améliorer la sensibilité du biocapteur, une grille avant fortement dopée n + poche et un chevauchement grille-source sont introduits dans un transistor à effet de champ tunnel modulé diélectriquement vertical (V-DMTFET) [22]. Le transistor à effet de champ tunnel à hétérojonction à grille circulaire présente une sensibilité plus élevée que le TFET HJ à grille uniforme en raison de son architecture de grille non uniforme [23]. Le TFET à grille à tranchée double canal présente une sensibilité élevée au courant ainsi qu'une sensibilité exorbitante à la tension [24]. Le biocapteur TFET à double grille et à double matériau métallique peut rendre le changement de sensibilité plus évident [25].

Cependant, la plupart des biocapteurs 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 par 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 entre la source et les biomolécules est évidente, la sensibilité du biocapteur DM-DSTGTFET est supérieure à celle des autres dispositifs, comme indiqué dans le tableau 1. Le tableau 1 résume les comparaison des différentes sensibilités entre ce travail et les résultats de la recherche dans d'autres références.

Dans cet article, la sensibilité du biocapteur DM-DSTGTFET est étudiée et le contenu spécifique est le suivant. Les sections 2 et 3 décrivent la structure de base du dispositif, le processus de fabrication, le modèle de simulation et la méthode. La section 4 caractérise l'effet de différents facteurs sur la sensibilité du biocapteur DM-DSTGTFET. Plus précisément, les influences de différentes constantes diélectriques, de l'épaisseur de la cavité et des biomolécules chargées sur les caractéristiques de transfert, le I _sur /Je _désactivé sensibilité et △V _ème sensibilité de l'appareil proposé. La section 5 conclut les résultats de recherche de l'enquête effectuée.

Structures de périphériques

La figure 1 montre une image en coupe transversale du biocapteur à base de DM-DSTGTFET. L'électrode de grille du DM-DSTGTFET a un travail de sortie de 4,2. Afin d'augmenter le courant à l'état passant du TFET, une structure à double source est utilisée. Les deux régions sources avec une concentration de dopage de 1 × 10 ²⁰ cm ⁻³ sont placés symétriquement des deux côtés du portail. Le canal p avec hauteur (H_c ) de 37 nm et concentration de dopage de 1 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ est en dessous de la source et de la porte. Le n-drain avec une concentration de dopage de 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ et hauteur (H _d ) de 18 nm est en dessous du canal. Deux oxydes sur les régions sources sont HfO₂ avec une épaisseur de 2 nm. Les deux régions de poche d'épaisseur (T _p ) 5 nm sont placés symétriquement de part et d'autre de la grille avec une concentration de dopage donneur de 1 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ . De plus, pour le biocapteur proposé, T _bœuf (1 nm), T _c (5 nm) sont l'épaisseur du HfO₂ oxyde de grille et largeur de la cavité nanogap, respectivement. Pour faciliter une modification appropriée du paramètre de sensibilité, la valeur de la fonction de sortie du métal de grille choisie doit être telle que l'effet tunnel ne puisse se produire qu'à chaque fois que les biomolécules s'accumulent dans la cavité. C'est pourquoi la fonction de travail du métal Φ_MS = 4,2 eV (sur le HfO₂ oxyde de grille) est choisi. Maintenant, cinq types différents de petites biomolécules avec différentes constantes diélectriques (1, 2,5, 5, 11, 23) et cinq épaisseurs différentes de cavité nanogap (5 nm, 7 nm, 9 nm, 11 nm, 13 nm) sont analysés pour le biocapteur proposé.

Vue en coupe schématique du biocapteur DM-DSTGTFET

La méthode de fabrication du DM-DSTGTFET est similaire à celle publiée [24]. La figure 2 montre les étapes de fabrication du DM-DSTGTFET proposé. Dans la première étape, comme le montre la figure 2a, à travers un masque, une exposition, une gravure, une implantation ionique et un recuit sur un substrat de silicium légèrement dopé, une région de drain au bas du dispositif est formée. La concentration de dopage de la région de drain formée est de 10 ¹⁷ /cm ³ , et l'ion dopant est l'arsenic. Ensuite, le silicium intrinsèque est développé par épitaxie au-dessus de la région de drain pour former la région de canal du dispositif. Comme le montre la figure 2b, les deux coins au-dessus du canal sont gravés. Simultanément, N ⁺ le dopage est déposé par une technique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) comme décrit sur la figure 2c pour former les régions de poche du DM-DSTGTFET. Dans la région source, une région source double à base de Si est développée par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), et le masquage, l'exposition, la gravure, l'implantation ionique et le recuit sont effectués pour le type P fortement dopant dans la région source, avec un dopage concentration de 10 ²⁰ /cm ³ , comme le montre la figure 2d. Dans l'étape suivante, la tranchée est réalisée en couche canal et SiO₂ est déposé dans la tranchée comme indiqué sur la figure 2e. Ensuite, la tranchée est formée comme illustré sur la figure 2f. La métallisation et la structuration sont effectuées pour obtenir les contacts de grille comme indiqué sur la figure 2g. De plus, les cavités sont sculptées dans SiO₂ des deux côtés de la porte comme indiqué sur la Fig. 2h. Dans la dernière étape, 1 nm HfO₂ est développé sur la paroi latérale des cavités pour obtenir la structure proposée comme illustré dans la Fig. 2i.

Flux de fabrication pour DM-DSTGTFET en tant que biocapteur

Méthode et modèle de simulation

Dans le but d'étudier plus clairement les performances des biocapteurs DM-DSTGTFET, 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 tunneling non local est plus conforme à la situation réelle de la simulation TFET [29]. Par conséquent, le modèle BTBT non local est adopté dans cet article. Le modèle Kane est utilisé pour le modèle de tunneling BTBT dynamique non local dans sentaurus. Dans le modèle Kane, le taux de tunneling BTBT est exprimé par [30] :

où constante E ₀ = 1 V/cm, P = 2 pour l'effet tunnel direct à bande interdite, et P = 2,5 pour l'effet tunnel indirect à bande interdite assisté par phonons. Étant donné que les dispositifs de cet article sont principalement en silicium, P choisissez 2.5. Le paramètre A = 4 × 10 ¹⁴ /cm ³ s, E est le champ électrique et le facteur exponentiel B = 9.9 × 10 ⁶ V/cm.

Shockley–Read–Hall (SRH) est choisi pour inclure la recombinaison des porteurs. Le modèle de rétrécissement de la bande interdite est utilisé pour activer l'effet de concentration élevée 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 haut champ (µ _F ) [31], et le modèle final de mobilité effective peut être exprimé par :

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

où µ ₀ est la mobilité à faible champ, β et γ sont des paramètres d'ajustement, E ₀ 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 E ₀ et vaut 0, = 0.1.

Sur la base du modèle physique calibré ci-dessus, les caractéristiques électriques du biocapteur DM-DSTGTFET sont analysées.

Pendant la simulation, quatre biomolécules à constantes diélectriques différentes (k = 2,5, 5, 11, 23), cinq épaisseurs de cavité (T _c =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 qui peut rendre évidente la réponse du capteur à la substance cible. Ainsi, 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 de la tension de seuil, de la sensibilité du courant de drain et de la sensibilité de la pente sous le seuil du DM-DSTGTFET est définie comme [22] [28] [32] :

où V _th(air) est la tension de seuil du biocapteur 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, Je _ds(air) et SS_air sont le courant de drain à l'état passant et l'oscillation sous le seuil, respectivement, du biocapteur lorsque les cavités sont remplies d'air, et I _ds(bio) et SS_bio sont le courant de drain à l'état passant et l'oscillation sous le seuil, respectivement, lorsque les cavités sont remplies de biomolécules.

Grâce à l'analyse des caractéristiques électriques du DM-DSTGTFET, la tension de seuil, le courant de drain à l'état passant et l'oscillation sous le seuil sont extraits pour analyser la sensibilité du biocapteur.

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 à la tension de seuil et la sensibilité au courant du DM-DSTGTFET à l'état passant lorsque différentes constantes diélectriques de biomolécules remplissent la cavité. En choisissant une fonction de travail du métal de grille inférieure (Φ_MS = 4.2), la sensibilité du courant de drain peut être étudiée en ajustant les différents k.

un Caractéristiques de transfert, b variation des bandes d'énergie par rapport à l'axe y, c Je _sur /Je _désactivé sensibilité et d sensibilité à la tension de seuil du biocapteur DM-DSTGTFET pour différentes valeurs de k à V_d = 0,5 V et T _c = 5 nm

Comme on peut le voir sur la figure 3a, avec l'augmentation du k du diélectrique de grille, plus la capacité de commande de grille est forte, plus le courant à l'état passant augmente également. La figure 3b décrit le diagramme de bande d'énergie aux différents k de biomolécules. Quand k = 1, cela signifie qu'il n'y a pas de biomolécules remplies dans la cavité. Dans ce cas, la torsion de 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 plie de plus en plus sévèrement. Cela signifie que plus d'alignement de bande d'énergie a lieu à un k plus élevé , et donc la largeur de barrière à travers la jonction diminue. La figure 3c montre l'effet de la constante diélectrique des biomolécules sur I _sur et Je _sur /Je _désactivé sensibilité du DM-DSTGTFET. Avec l'augmentation de k , le Je _sur et Je _sur /Je _désactivé la sensibilité s'améliore également. Ceci est dû au fait qu'avec l'augmentation de k, plus la courbure de la bande d'énergie est sévère, plus la largeur de barrière à la jonction source-canal diminue et donc la possibilité de tunnel augmente. Au fur et à mesure que la probabilité d'effet tunnel augmente, la génération d'effet tunnel BTBT d'électrons augmente, ce qui est clairement visible sur la figure 4. Le dispositif proposé fournit le I le plus élevé. _sur /Je _désactivé sensibilité de 1,1 × 10 ¹⁰ à k =23, ce qui est évidemment supérieur aux biocapteurs publiés à base de TFET. La figure 3d donne la variation de V _ème et △V _ème sensibilité du DM-DSTGTFET vis-à-vis du k des biomolécules. Évidemment, comme le k augmente, plus le I est rapide _sur du dispositif proposé augmente, plus la tension de seuil est basse. Pendant ce temps, le △V _ème montre une tendance à la hausse avec une augmentation de k . La raison en est que la différence entre le V _ème lorsque différentes biomolécules sont remplies et que le V _ème lorsqu'aucune biomolécule n'est remplie, devient de plus en plus grande. En général, le V _ème lorsqu'il est rempli d'air est plus grand que les autres valeurs de k. Le DM-DSTGTFET proposé effectue un maximum de △V _ème sensibilité de 1,2 V à k =  23. Par conséquent, le DM-DSTGTFET offre une sensibilité élevée au courant ainsi qu'une sensibilité à la tension de seuil pour les biomolécules.

Génération d'électrons BTBT dans le biocapteur DM-DSTGTFET pour différentes biomolécules lorsque Vd = 0,5 V, T _c = 5 nm et Vg = 1,5 V

La figure 5a montre la sensibilité SS et SS du DM-DSTGTFET lorsque les cavités sont remplies de différentes biomolécules. Ici, on voit que l'augmentation de la constante diélectrique entraîne une diminution de SS et une amélioration de S_SS . Plus le SS est petit, plus la consommation électrique 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 porte augmente.

un Pente sous-seuil, sensibilité de la pente sous-seuil et b drainer la sensibilité au courant avec différentes biomolécules lorsque V_d = 0,5 V, T _c = 5 nm et V_g = 1,5V

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

Impact de différentes épaisseurs de cavité dans DM-DSTGTFET

Parce que quand k = 23, le S _vider , V _ème sensibilité et S_SS du biocapteur DM-DSTGTFET sont les plus grands (conclusion tirée de la section précédente). Par conséquent, afin d'étudier plus clairement l'influence de l'épaisseur de la cavité sur la sensibilité du biocapteur proposé, cette section est réalisée sous la condition de k = 23.

La figure 6 décrit les caractéristiques de transfert du biocapteur DM-DSTGTFET à différentes épaisseurs de cavité (T _c ). En tant que T _c augmente, le courant à l'état passant devient plus petit. L'effet de différents T _c sur Je _sur et Je _sur /Je _désactivé la sensibilité du DM-DSTGTFET est représentée sur la figure 7a. Lorsque T _c est augmentée, la capacité entre la grille et le canal est réduite, ce qui conduit à une plus grande largeur de tunnel à la jonction source-canal, ce qui entraîne un courant de drain plus faible. Pour k = 23, le Je _sur et Je _sur /Je _désactivé la sensibilité diminue avec l'augmentation de T _c grâce à l'amélioration du couplage capacitif entre la porte et le canal pour un T plus élevé _c . D'autre part, le dispositif proposé présente une tendance à la hausse en V _ème et donc dans △V _ème sensibilité avec augmentation de T _c comme illustré sur la figure 7b. C'est parce que l'augmentation de T _c réduit le I _sur et augmente donc le V _ème . En d'autres termes, le contrôle de la porte sur le canal diminue pour une cavité plus large, ce qui conduit à un V plus élevé _ème . Par conséquent, le DM-DSTGTFET fonctionne comme un meilleur biocapteur de tension pour une cavité plus étroite.

Caractéristiques de transfert du biocapteur DM-DSTGTFET pour différentes valeurs d'épaisseur de cavité (T _c ) à V_d = 0,5 V, V_g = 1,5 V et k = 23

un Effet de différentes valeurs d'épaisseur de cavité (T _c ) sur I _sur , Je _sur /Je _désactivé sensibilité, b V _ème et △V _ème de DM-DSTGTFET à V_g = 1,5 V, V_d = 0,5 V et k = 23

Impact des biomolécules chargées sur le DM-DSTGTFET

Pour étudier l'influence des différentes charges de biomolécules sur la sensibilité du capteur proposé, la plage dynamique et la limite de détection ont d'abord été étudiées. Dans cet article, le DM-DSTGTFET peut détecter le matériau de détection avec une densité de charge allant de 10 ¹⁰ cm ⁻² à 10 ¹³ cm ⁻² , une plage de détection plus large par rapport aux autres capteurs [32]. Par conséquent, dans la simulation suivante, la densité de charge dans la plage de limite dynamique est utilisée pour la recherche de sensibilité.

La figure 8 illustre 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 biocapteur DM-DSTGTFET lorsque k = 2.5.

Caractéristiques de transfert du biocapteur DM-DSTGTFET pour la constante diélectrique des biomolécules, a charge positive différente et b charge négative différente des biomolécules à V_d = 0,5 V, V_g = 1,5 V et T _c = 5 nm

La figure 9a décrit la variation d'Ion et de I _sur /Je _désactivé sensibilité du DM-DSTGTFET en fonction des charges positives. La charge positive croissante des biomolécules entraîne une amélioration des ions et I _sur /Je _désactivé sensibilité de l'appareil proposé. La charge positive dans la cavité augmente le diélectrique efficace de l'oxyde de grille, ce qui améliore la capacité de contrôle de la grille. Cette augmentation de la capacité de contrôle de grille entraîne une diminution de la largeur de tunnel de la jonction source-canal conduisant à une amélioration de I _sur et Je _sur /Je _désactivé sensibilité. La figure 9b démontre l'effet de la charge positive des biomolécules sur V _ème et △V _ème sensibilité du DM-DSTGTFET. On observe que le V _ème réduit et △V _ème la sensibilité s'améliore avec l'augmentation de la charge positive. Cela est dû au fait que la charge positive sur la molécule augmente le I _sur et diminue V _ème . La diminution de V _ème améliore la différence entre la tension de seuil de la biomolécule par rapport à l'air conduisant à une amélioration de △V _ème .

un Effet de différentes charges positives de biomolécules sur I _sur , Je _sur / Je _désactivé sensibilité, b V _ème et △V _ème de DM-DSTGTFET à V_g = 1,5 V, V_d = 0,5 V, k = 2.5 et T _c = 5 nm

La figure 10a montre la variation de I _sur et Je _sur /Je _désactivé sensibilité du DM-DSTGTFET en fonction des charges positives pour k = 2,5. La charge négative croissante des biomolécules entraîne une diminution des ions et I _sur / Je _désactivé sensibilité de l'appareil proposé. La charge négative dans la cavité diminue le diélectrique efficace de l'oxyde de grille, ce qui améliore la capacité de contrôle de la grille. Cette diminution de la capacité de contrôle de grille entraîne une augmentation de la largeur du tunnel de la jonction source-canal entraînant une diminution des ions et I _sur /Je _désactivé sensibilité.

un Effet de différentes charges négatives de biomolécules sur I _sur , Je _sur / Je _désactivé sensibilité, b V _ème et △V _ème de DM-DSTGTFET à V_g = 1,5 V, V_d = 0,5 V, k = 2.5 et T _c = 5 nm

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

Conclusions

En conclusion, le DM-DSTGTFET a une sensibilité élevée pour la détection de biomolécules dans les applications de biocapteurs. 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, I _sur /Je _désactivé sensibilité, 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 positive est élevée 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 biocapteur ultra-sensible et à faible consommation.

Abréviations

DM-DSTGTFETS :

Transistors à effet de champ tunnel à grille en tranchée à double source modulée diélectrique

TCAD :

Technologie conception assistée par ordinateur

BTBT :

Tunneling bande à bande

DGTFET :

Transistors à effet de champ tunnel à double grille

SS :

Pente sous le seuil