Design and Analysis of Junctionless VTFET Device for Sensing Applications

Abstract

У роботі повідомляється про стратегію діелектричної модуляції структури TFET для покращення зондування біомолекул. Безперехідна структура TFET запропонована для спрощення процесу виготовлення. Метали з певними роботами виходу електронів осаджуються на ділянках джерела та стоку для накопичення носіїв заряду та створення переходу. Для покращення ємності затвора використовується діелектричний high-k матеріал (HfO2). Експлуатаційні параметри пристрою визначаються співвідношенням струмів у вимкненому стані до увімкненого (IOFF/ION) і підпороговим коливанням (SS). Далі конструкцію роблять вертикальною для підсилення електричного поля, отже іонний струм збільшується до 10 – 4 А/мкм. Для покращення області захоплення біосенсора зроблена нанопорожнина біля нерухомого затвора. Моделі TCAD моделюються для діапазону чутливості шляхом заповнення біосенсора нейтральними/зарядженими біомолекулами з різними діелектричними сталими. Завдяки спільному впровадженню вертикального та бічного тунелювання чутливість пропонованого біосенсора зросла до 108. Струм стоку збільшувався зі збільшенням позитивного заряду та зменшувався зі збільшенням негативного заряду біомолекул. Чутливість у запропонованій структурі зросла в 104 рази порівняно з чутливістю, про яку повідомлялося в літературі. Це показує, що пропонований біосенсор може бути інтегрований з твердотільною схемою для використання в розумній електроніці.

A dielectric modulation strategy of a TFET structure is reported in this work to improve sensing of biomolecules. A junctionless TFET structure is proposed in order to make the fabrication process easier. Metals with specific work functions are deposited on the source and drain regions to accumulate charge carriers and create the junction. A high-k gate dielectric material (HfO2) is used to improve the gate capacitance. The performance parameters of the device are given by the OFF-state to ON-state current ratio (IOFF/ION) and sub-threshold swing (SS). Further, the structure is made vertical to enhance the electric field so that ION current will increase up to 10 – 4 A/µm. A nanocavity near the fixed gate is made to improve the capture area of the biosensor. TCAD models are simulated for the sensitivity range by filling the biosensor neutral/charged biomolecules with different dielectric constants. Due to the joint introduction of vertical and lateral tunnelling, the sensitivity of the proposed biosensor increased to 108. The drain current increased with an increase in the positive charge and decreased with an increase in the negative charge of biomolecules. The sensitivity in the proposed structure increased by a factor of 104 compared to the sensitivity reported till date in the literature. This shows that the proposed biosensor can be integrated with solid state circuit to be used in wearable electronics.