Н.В. Масальский – к.ф.-м.н., вед. науч. сотрудник,
Федеральный научный центр «Научно-исследовательский институт системных исследований РАН» (Москва)
E-mail: volkov@niisi.ras.ru

Постановка проблемы. Кремниевые цилиндрические полевые нанотранзисторы привлекают огромное внимание как перспективный инструмент для разработки компактных биосенсоров из-за их сверхчувствительности и селективности, которые обусловлены исключительной восприимчивостью к изменению электрического потенциала вблизи поверхности рабочей области (канала) транзистора. Концепция с полностью охватывающим (кольцевым) затвором характеризуется двукратным превосходством по подавлению коротко-канальных эффектов (главных механизмов деградации электрофизических характеристик полевых транзисторов) по сравнению с традиционными транзисторными архитектурами. Рассматриваемая конструкция также отличается улучшенной подпороговой характеристикой и повышенной плотностью тока в режиме сильной инверсии. Сенсоры на ее основе позволяют с высокой точностью детектировать клеточную активность, определять исключительно низкие концентрации элементов биологических сред, рН молекул аналита без применения дополнительных маркеров и с большей чувствительностью и за меньшее время, чем традиционные приборы.

Цель работы – обосновать применимости кремниевых цилиндрических полевых нанотранзисторов с полностью охватывающим затвором, выполненных на основе отечественного современного технологического процесса с топологическими нормами 65 нм для разработки компактных биосенсоров.

Результаты. При помощи компьютерного моделирования, выполненного при помощи программы TCAD, предназначенного для моделирования технологических процессов производства интегральных схем, рассчитаны электрофизические характеристики транзисторов с длиной канала, который является сенсорным элементом, в диапазоне 25…65 нм и радиусом 3...10 нм. Показана возможность достижения высокой чувствительности сенсорного элемента к изменению управляющего напряжения и установлено, что чувствительность линейно зависит от размеров канала. Обоснована перспективность использования кремниевых цилиндрических полевых нанотранзисторов, выполненных по отечественной технологии с топологическими нормами 65 нм, для разработки биосенсоров.

Практическая значимость. Развитие и внедрение измерительных технологий на основе кремниевых цилиндрических полевых нанотранзисторов представляет интерес и с научной, и с прикладной точек зрения.

Масальский Н.В. Наноразмерные кремниевые полевые транзисторы для биосенсоров // Биомедицинская радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 2. С. 74–79. DOI: 10.18127/j15604136-202002-10.

1. Grieshaber D., MacKenzie R., Voros J., Reimhult E. Electrochemical biosensors – sensor principles and architectures. Sensors. 2008. V. 8. № 3. P. 1400–1458.
2. Patolsky F., Zheng G., Lieber C. Fabrication of silicon nanowire devices for ultrasensitive, label-free, real-time detection of biological and chemical species. Nature Protocols. 2006. V. 1. № 4. P. 1711–1724.
3. Appenzeller J. Toward nanowire electronics. IEEE Transactions on Electron Devices. 2008. V. 55. № 11. P. 2827–2845.
4. Colinge J.-P. FinFETs and Other Multi-Gate Transistor. NewYork, Springer-Verlag. 2008.
5. Lu W. Nanowire transistor performance limits and applications. IEEE Transactions on Electron Devices. 2008. V. 55. № 11.
   P. 2859–2876.
6. Ferain I., Colinge C.A., Colinge J.-P. Multigate transistors as the future of classical metal–oxide–semiconductor field-effect transistors. Nature. 2011. V. 479. P. 310–316.
7. Chen K., Li B., Chen Y. Silicon nanowire field-effect transistor-based biosensors for biomedical diagnosis and cellular recording investigation. Nano Today. 2011. V. 6. № 2. P. 131–154.
8. Zhang Y., Xiong Y., Yang X., Wang Y., Han W., Yang F. Single-crystalline kinked semiconductor nanowire superstructures. 2009.
   V. 4. № 12. P. 824–829.
9. Elfstrom N., Juhasz R., Sychugov I., Engfeldt T., Karlstrom A., Linnros J. Surface charge sensitivity of silicon nanowires: Size dependence. Nano Letters. 2007. V. 7. № 9. P. 2608–2612.
10. TCAD Sentaurus Device https://www.synopsys.com/silicon/tcad/device-simulation/sentaurus-device.hlmt/ (дата обращения 12.12.2019)
11. Robinson J., Jorgolli M., Shalek A., Yoon M., Gertner R., Park H. Vertical nanowire electrode arrays as a scalable platform for intracellular interfacing to neuronal circuits. Nature Nanotechnology. 2012. V. 7. № 3. P. 180–184.
12. Cohen-Karni T., Qing Q., Li Q., Fang Y., Lieber Y. Graphene and nanowire transistors for cellular interfaces and electrical recor­ding. Nano Letters. 2010. V. 10. № 3. P. 1098–1102.