Н.В. Масальский

ФГУ «ФНЦ «Научно-исследовательский институт системных исследований РАН» (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Кремниевые плавниковые полевые нанотранзисторы широко применяются как перспективный инструмент для разработки компактных биосенсоров из-за их высокой чувствительности, в частности, в качестве детектора поверхностного заряда для детектирования рН раствора. Сложность технологии изготовления данных сенсоров требует их детального моделирования для оптимизации всех затрат. Всесторонний учет технологических требований обеспечивает необходимый уровень контроля над технологическими вариациями и позволяет изготавливать реальные транзисторные структуры с высокой точностью в широком диапазоне топологических параметров.

Цель. Исследовать при помощи TCAD-моделирования сенсорные свойства кремниевых плавниковых полевых нанотранзисторов с полностью охватывающим затвором, выполненных на основе отечественного современного технологического процесса «кремний на изоляторе» (КНИ), а также показать их применение для разработки компактных высокоэффективных детекторов рН электролита.

Результаты. В программной среде TCAD, предназначенной для моделирования технологических процессов производства интегральных схем, разработаны TCAD-модели наноразмерных низковольтных плавниковых кремниевых транзисторов и численно исследованы их электрофизические характеристики, применимые для зондирования рН электролита. Показано, что транзисторные структуры шириной 150 нм и высотой 40 нм с пониженным уровнем легирования обладают перспективными сенсорными свойствами: высокой относительной чувствительностью, высоким током насыщения, крутизной подпороговой характеристики, близкой к идеальной, низкой потребляемой мощностью. Обоснована перспективность их использования для разработки биосенсоров, выполненных по отечественной КНИ-технологии.

Практическая значимость. Показан эффективный подход к масштабированию сенсора для измерения рН. При этом обеспечивается высокое разрешение на единицу занимаемой площади при минимальной потребляемой мощности. Эти свойства представляют особый интерес для интегрированной рН-биоаналитики на основе КНИ КМОП-технологии. Даны полезные рекомендации по разработке нанопроволочных датчиков на основе плавниковых полевых транзисторов, которые могут быть интегрированы в миниатюрные маломощные биосенсорные системы.

Масальский Н.В. Сенсорные свойства плавниковых полевых нанотранзисторов с полностью охватывающим затвором // Электромагнитные волны и электронные системы. 2021. Т. 26. № 6. С. 37−43. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202106-04

1. Mu L., Chang Y., Sawtell S., Wipf M., Duan X., Reed M. Silicon nanowire field-effect transistors–A versatile class of potentiometric nanobiosensors // IEEE Access. 2015. V. 3. P. 287−302.
2. Manjakkal L., Szwagierczak D., Dahiya R. Metal oxides based electrochemical pH sensors: Current progress and future perspectives // Prog. Mater. Sci. 2020. V. 109. P. 100635−100642.
3. Li B.-R., Chen C.-C., Kumar U.R., Chen Y.-T. Advances in nanowire transistors for biological analysis and cellular investigation // Analyst. 2014. V. 139. № 7. P. 1589−1608.
4. Synopsys TCAD Tools. Режим доступа: http://www.synopsys.com/Tools/TCAD.
5. Ferain I.,Colinge C.A., Colinge J. Multigate transistors as the future of classical metal–oxide–semiconductor field-effect transistors // Nature. 2011. V. 479. P. 310−316.
6. Gao N., Zhou W., Jiang X., Hong G.,Fu T.-M., Lieber C.M. General strategy for biodetection in high ionic strength solutions using transistor-based nanoelectronic sensors // Nano Lett. 2015. V. 15. № 3. P. 2143−2148.
7. Nguyen N., Readout T.C. Concepts for label-free biomolecule detection with advanced ISFET and silicon nanowire biosensors. Technische Universität Kaiserslautern: Kaiserslautern. Germany. 2018.
8. Dinar A.M., Zain A.M., Salehuddin F., Attiah M.L., Abdulhameed M.K. Modeling and simulation of electrolyte pH change in conventional ISFET using commercial Silvaco TCAD // IOP Conf. Mater. Sci. Eng. 2019. P. 518−522.
9. Chaudhary R., Mukhiya R., Patel G., Mudimela P., Sharma R. Simulation of MOSFET with different dielectric films // Proceedings of the 2018 International Conference on Intelligent Circuits and Systems(ICICS). 2018. P. 315.
10. Захаров С.М., Масальский Н.В., Шаффигуллин М.М. Проблемы схемотехнического моделирования интегральных схем // Успехи радиоэлектроники. 2005. Т. 12. № 2. С. 43−50.
11. Chen H., Bomer J.G., Carlen E.T., van den Berg A. Al2O3/silicon nano ISFET with near ideal Nernstian response // Nano Lett. 2011. V. 11. № 6. P. 2334−2341.
12. Nazarov A., Balestra F., Kilchytska V., Flandre D. Functional nanomaterials and devices for electronics, sensors and energy harvesting. Springer Int. Publishing Switzerland. 2014.
13. Tran D., Winter M., Yang C.-T., Stockmann R., Offenhäusser A., Thierry B. Silicon nanowires field effect transistors: A comparative sensing performance between electrical impedance and potentiometric measurement paradigms // Anal. Chem. 2019. V. 91. P. 12568−12573.
14. Масальский Н.В. Наноразмерные кремниевые полевые транзисторы для биосенсоров. Биомедецинская радиоэлектроника // 2020. Т. 23. № 2. С. 74−79.