Н.В. Масальский – к.-ф.м.н., вед. науч. сотрудник, ФГУ «Федеральный научный центр 

«Научно-исследовательский институт системных исследований РАН» (Москва)

E-mail: volkov@niisi.ras.ru

Постановка проблемы. Для реализации эффективной биомедицинской диагностики важно оценить потенциал неравномерно-легированных кремниевых цилиндрических полевых нанотранзисторов, которые сопоставимы по своим размерам с биологическими нанообъектами. При помощи такого специального инженеринга рабочей области транзистора, когда высоколегированная зона граничит с истоком, а низколегированная со стоком, можно значительно повысить чувствительность сенсора, из-за того, что стробирующий механизм молекул, связанных на его поверхности, становится более результативным за счет полной экранировки носителей в рабочей области. При этом улучшается проводимость транзистора, что обеспечивает приемлемый электрический отклик.

Цель работы – исследование детектрирующих свойств продольно неравномерно легированных кремниевых транзисторных биосенсоров с цилиндрической геометрией, которые функционируют в режиме обеднения, при помощи компьютерного моделирования на основе разработанной математической модели электрического тока транзистора в подпороговом режиме с учетом требований к проведению натурных экспериментов.

Результаты. Разработана квазианалитическая модель подпорогового тока кремниевого полевого транзистора с неравномерно легированной рабочей областью, в которой высоколегированная зона граничит с истоком, а низколегированная со стоком, на основе аналитического решения 2D-уравнения Пуассона. На примере измерения рН растворов при помощи компьютерного моделирования исследованы несколько прототипов с разными концентрационными условиями легирования между зонами: от трех порядков до пятикратного превышения. При этом рабочий режим биосенсоров регулировался стробированием электролита. Во всех случаях стробирующий механизм молекул, связанных на поверхности сенсоров, будет более результативен за счет полной экранировки носителей в рабочей области. При определенной форме концентрации примеси в рабочей области потенциально позволяет увеличить чувствительность в десять раз и обеспечивать приемлемый уровень отклика. Также немаловажным преимуществом рассматриваемых неравномерно легированных сенсоров является их очень низкий предел детектирование заряда. Можно сделать вывод, что снижение крутизны подпороговой характеристики - одна из главных целей при разработке биосенсоров на основе кремниевых полевых транзисторов. И эффективным подходом является специальный инженеринг рабочей области транзисторной структуры сенсора, связанный ее неравномерным легированием. Практическая значимость. Разработанная модель и полученные результаты показывают, что дальнейшая оптимизация структуры кремниевых цилиндрических полевых нанотранзисторных сенсоров может обеспечить значительное улучшение их чувствительности, также получить достоверную оценку ее пределов и послужить фактором для развития аппаратуры для биомедицинской диагностики

1. Stern E., Klemic J.F., Routenberg D.A., Wyrembak P.N., Turner-Evans D. B., Hamilton A.D., LaVan D.A., FahmyT.M., Reed M.A. Label-free immunodetection with CMOS-compatible semiconducting nanowires. Nature. 2007. V. 445. P. 519−522.
2. Nair P.R., Alam M.A. Design considerations of silicon nanowire biosensors. IEEE Trans Electron Devices. 2007. V. 54.  P. 3400–3408.
3. Lu W. Nanowire transistor performance limits and applications. IEEE Transactions on Electron Devices. 2008. V. 55. № 11.  P. 2859–2876.
4. Cui Y., Wei Q.Q., Park H.K., Lieber C.M. Functional nanoscale electronic devices assembled using silicon nanowire building blocks. Science. 2001. V. 293. P. 1289–1292.
5. Grieshaber D., MacKenzie R., Voros J., Reimhult E. Electrochemical biosensors – sensor principles and architectures. Sensors. 2008. V.8. № 3. P. 1400–1458.
6. Chen K., Li B., Chen Y. Silicon nanowire field-effect transistor-based biosensors for biomedical diagnosis and cellular recording investigation. NanoToday. 2011. V. 6. № 2. P. 131–154.
7. Shoorideh K., Chui C.O. Optimization of the sensitivity of FET-based biosensors via biasing and surface charge engineering. IEEE Transact Electron Dev. 2012. V. 59. P. 3104–3110.
8. Ferain I., C. Colinge A., Colinge J. Multigate transistors as the future of classical metal–oxide–semiconductor field-effect transistors. Nature. 2011. V. 479. P. 310–316.
9. Kim S., Rim T., Kim K., Lee U., Baek E., Lee H., Baek C., Meyyappan M., Deen M.J., Lee J. Silicon nanowire ion sensitive field effect transistor with integrated Ag/AgCl electrode: pH sensing and noise characteristics. Analyst. 2011. V. 136. P. 5012–5016.
10. Nanoelectronics: Devices, Circuits and Systems. Editor by Brajesh Kumar Kaushik. Elsevier. 2018.
11. Tomar G., Barwari A. Fundamental of electronic devices and circuits. Springer. 2019
12. Масальский Н.В. Проблемы моделирования 3D затворных полевых нанотранзисторов архитектура с полностью охватывающим затвором // Нанотехнологии разработка, применение – XXI век. 2019. Т. 11. № 3. С. 14–24.
13. Galup-Montoro C., Schneider M.C. MOSFET Modeling for Circuit Analysis and Design; London: World Scientific. 2007.
14. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М.: Мир. 1984.
15. Knopfmacher O., Tarasov A., Fu W.Y., Wipf M., Niesen B., Calame M., Schonenberger C. Nernst limit in dual-gated Si-nanowire FET sensors. Nano Lett. 2010. V. 10. P. 2268–2274.
16. Ahn J., Kim J., Seol M., Baek D., Guo Z., Kim C., Choi S., Choi Y. A pH sensor with a double-gate silicon nanowire field effect transistor. Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. P. 083701–083705.
17. Go J., Nair P.R., Reddy B., Dorvel B., Bashir R., Alam M.A. Coupled heterogeneous nanowire–nanoplate planar transistor sensors for giant (>10 V/pH) Nernst response. ACS Nano. 2012. V. 6. P. 5972–5979.
18. Jayakumar G., Asadollahi A., Hellström P.-E., Garidis K., Östling M. Silicon nanowires integrated with CMOS circuits for biosensing application. Solid-State Electronics. 2014. V 98. № 6. P 26–31.
19. Zwillinger, D. CRC Standard Mathematical Tables and Formulae, 31st ed.; Chapman & Hall/CRC: Boca Raton, FL, 2002.