前言

生物分子在每个生命周期中都扮演着不可或缺的角色。生物分子的精确识别对于疾病的分析和治疗非常重要。因此，监测疾病和控制环境中的传染性物质在识别的初始阶段非常重要。响应性和检测速度是设计生物传感器的主要参数。基于场效应晶体管的生物传感器对医疗保健行业有着深远的影响，因为生物电子学中的无标记电检测。场效应晶体管的优点包括尺寸小、低成本批量生产、可扩展性和更低的功耗。与互补金属氧化物半导体工艺兼容。基于场效应晶体管的生物传感器有硅纳米线场效应晶体管、绝缘体上硅场效应晶体管和鳍场效应晶体管。1970年，贝尔维尔德研究了第一个基于场效应晶体管的生物传感器，即离子敏感场效应晶体管。当带电分子存在于电解质和栅极电介质之间时，ISFET基于电特性变化的概念工作。因此，带电荷的生物分子被ISFET正确地检测到，但它无法识别不带电荷的生物分子。为了克服场效应晶体管的局限性，引入了介质调制场效应晶体管。基于介电调制场效应晶体管的生物传感器可以检测带电和中性生物分子，因为在栅电极下方的介电材料中形成空腔来捕获生物分子。因此，沟道栅极控制的变化构成了介质调制场效应晶体管的工作原理。各种基于糖尿病场效应晶体管的生物传感器是砷化镓场效应晶体管，碰撞电离场效应晶体管和隧道场效应晶体管。

研究内容

印度的研究人员提出了一种双金属栅双空穴电荷转移TFET(DMG-DC-共面波导)，其中空穴形成于两个隧道结处。所提出的装置可用作无标记生物传感器，用于识别生物分子，如生物素、明胶、DNA、双金属门双腔电荷等离子体的设计和分析。在两个隧道结处考虑空穴会导致以几乎相等的电流水平同时感测两种不同种类的生物分子。栅极已被用来实现最大的灵敏度，最高的开电流，最低的关电流，并利用双极性质的生物传感应用。考虑电场、表面电势、转移特性和亚阈值摆幅来分析所提出器件的性能。

实验方法

在DMG-DC-CPTFET的制作工艺流程中，原子层沉积(ALD)可以用来生长二氧化铪栅氧化层。低压化学气相沉积(LPCVD)可用于沉积栅电极。干法蚀刻可用于在源极和漏极侧形成空腔。在干氧化的帮助下，可以在纳米间隙腔和源漏区形成0.5纳米二氧化硅。纳米间隙空腔下的二氧化硅层充当生物分子的结合材料。源电极和漏电极通过化学气相沉积形成。不同种类的生物分子，如尿酸酶、链霉亲和素、生物素、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)、亚铁细胞色素c、T7噬菌体、角蛋白和具有不同介电常数的明胶用于测试生物传感器的功能。

DMG-DC-光子晶体光纤传感器的截面图

带正电荷生物分子的DMG-DC-光子晶体光纤的能带图。

不同生物分子对DMG-DC-光子晶体光纤传输特性的影响。

不同介电常数下的输出特性

结论

所提出的DMG-DC-光子晶体场效应晶体管生物传感器模型可用于不同生物分子的直观检测。通过考虑两个隧道结处的空穴，可以同时检测不同种类的生物分子。获得了16.4毫伏/秒的亚阈值摆幅，由此获得了更高的灵敏度。所提出的生物传感器不受随机掺杂剂波动的影响，同时具有极好的灵敏度和更快的检测速度。

DOI: 10.1109/JSEN.2020.2979016。