应用于生物传感器的MOS2材料电介质调制场效应管的制作方法

本发明涉及一种mos2材料的场效应管，特别是一种应用于生物传感器的mos2材料电介质调制场效应管。

背景技术：

将微电子和集成电路应用于生物传感，近来已成为一个广泛研究的领域。例如，在医学领域，可以设计一种稳健、选择性强和高灵敏度的基于电学特性变化而感知的生物传感器，它可以用于检测早期指示致癌疾病的生物标志物。由于目标生物分子的不同而导致包含目标生物分子区域的介电常数发生了轻微变化，导致了所在器件阈值电压和电流等电特性轻微改变，基于电学特性变化而感知的生物传感器就是要通过捕捉这些电学特性的变化来实现对生物分子的探测。但是如何敏锐地捕捉这些轻微的电学特性变化是一个非常困难的任务。

技术实现要素：

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种应用于生物传感器的mos2材料电介质调制场效应管，它能够高灵敏度地感知由于当器件包含目标生物分子不同时而引起的电学特性变化。

技术方案：本发明所述的一种应用于生物传感器的mos2材料电介质调制场效应管，包括导电沟道、源区、漏区、栅极氧化层、源极、漏极和栅极，所述的导电沟道、源区、漏区采用mos2材料，所述的栅极氧化层内部设置有空腔，栅极氧化层的外表面设置有可供生物分子进出的出入口。

为了防止电流干扰，空腔设置在栅极氧化层的上半部分或者下半部分。

为了得到更高的生物传感灵敏度和更好的抗噪性，所述的导电沟道、源区、漏区为多层mos2材料。

为了获得更多的有效载流子浓度，增大导通电流，所述的源区和漏区采用分子或金属离子进行n型重掺杂。

有益效果：本发明能够敏锐感知器件的阈值电压和电流的电特性变化，当空腔区域中存在目标生物分子的情况下，器件的阈值电压和电流的电特性根据目标生物分子的介电常数或电荷的不同而改变，发明通过敏锐捕捉这些电学特性的变化从而实现对目标生物分子的探测。

附图说明

图1是本发明的纵向截面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明应用于生物传感器的mos2材料电介质调制场效应管包括了导电沟道1、源区2、漏区3、栅极氧化层4、源极5、漏极6和栅极7，导电沟道1、源区2和漏区3均采用多层mos2材料制作，在所述的导电沟道1、源区2和漏区3外，采用原子沉积等方法生成一层栅极氧化层4，在栅极氧化层4外再沉淀一层金属电极作为栅极7，所述的栅极氧化层4上半部分的内部设置有空腔8，空腔8也可以设置在栅极氧化层4的下半部分，设置有空腔8的栅极氧化层4的外表面设置有一个可供生物分子进出空腔8的出入口9。源极5和漏极6均由导电金属制作。

为揭示纳米尺度该类器件的量子输运特性，验证本发明的实际效果，验证过程使用了一种量子力学模型原理，通过自洽全量子数值求解二维非平衡格林函数(negf)方程和泊松(poisson)方程，构建了适用于生物传感器的mos2材料电介质调制场效应管的输运模型。该模型基于多层mos2场效应管中的电势和电荷密度的自洽计算。具体过程是在栅极7给定一个栅极电压，利用negf方程计算出其电荷密度，再将电荷密度代入泊松方程求解出多层mos2沟道中的静电势，然后又将求得的电势重新代入negf方程中进行计算，如此反复迭代直到得到自洽解为止。电荷密度的计算是利用非平衡格林函数方法。器件的迟滞格林函数为[dattas.nanoscaledevicemodeling:thegreen’sfunctionmethod[j].superlatticesmicrostruct,2000,28(4):253–278.]：

g(e)＝[ei-h-∑s-∑d]^-1.(1)

式中，e为源极2与漏极3的电势差，i是单位矩阵，σs和σd分别为器件源和漏电极贡献的自能项，可根据表面格林函数通过迭代求出。扩展矩阵гsгd和谱密度asad分别为[venugopalr,paulssonm,goasguens,etal.asimplequantummechanicaltreatmentofscatteringnanoscaletransistors[j].japplphys,2003,93(9):5613-5625.]：

用于解泊松方程的密度矩阵为:

其中a(ek，x)是谱密度矩阵，ek，x是导电电平的能量，η是触点的化学势，f0是费米函数。

将由negf方程计算得到的载流子密度放入泊松方程中，以计算更准确的自洽电位猜测值去计算更好的ntot，用于计算传输矩阵t(e)的收敛值为：

t(e)＝trace[asγd]＝trace[adγs].

(5)

由此可计算得到导电沟道1的电流id为：

其中e是电子电荷，h是普朗克常数，fs和fd是源极和漏极触点中的费米函数。

ηs和ηd分别是源和化学势，数字4表示多层mos2中的自旋简并性和谷简并性。

通道电导可计算得：

其中gv是谷简并度，数字2表示自旋简并度，f是费米函数。

通过蚀刻了顶部氧化物层的一部分以形成空腔，其中适当的生物受体可以被功能化以提供生物分子的选择性结合。在纳米间隙空腔区域中不存在目标生物分子的情况下，空穴充满空气，因此空腔区域的介电常数与氧化层的介电常数不同，并且阈值电压从其初始值变化。当目标生物分子(如链霉抗生物素蛋白，生物素，抗生物素蛋白，酶，细胞，dna，aptes)存在并固定在结合位点时，介电常数变化并且装置的栅极电容也发生变化。因此，诸如器件的阈值电压和电流的电特性根据目标生物分子的介电常数或电荷而改变，由此可通过捕捉这些电学特性的变化实现对生物分子的探测。