一种带有C状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器

本发明属于半导体器件，具体涉及一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器。

背景技术：

1、基于金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的生物传感器由于尺寸不断缩小，短沟道效应加重，恶化了器件的性能。传统的fet型生物传感器水平t形沟道材料主要是硅。在沟道材料相同时，通过已经发表的研究结果可知，相比于基于肖特基势垒场效应晶体管(sb-fet)的生物传感器，基于隧道场效应晶体管(tfet)的生物传感器导通电流较低。且隧道场效应晶体管存在双极性电流和工艺复杂性高等。sb-fet在生物传感器应用方面，具有工艺简单、灵敏度高和导通电流高等优势。

2、基于以上问题，有人提出了基于sb-fet的生物传感器，源区和漏区不需要突变掺杂，由金属或者金属硅化物组成，与水平t形沟道形成肖特基接触，简化了器件的制备工艺保持了良好的稳定性。且sb-fet具有较高的导通电流和灵敏度，在生物传感领域可以得到很好的应用。

3、申请号为202011516842.4的专利文件公开了一种“一种基于纳米片堆叠场效应晶体管的生物传感器及制备方法”方案，三个竖直堆叠的纳米片构成沟道，在靠近源端一侧刻蚀出纳米空腔。该结构克服了短沟道效应，但缺点是功耗较高，亚阈值摆幅也较大。

4、期刊《ieee transactions on nanobioscience》公开发表了一种“l-shaped highperformance schottky barrierfet as dielectrically modulated labelfreebiosensor”方案，采用l型垂直沟道结构，源极和漏极采用ersi1.7材料与沟道形成肖特基接触。该器件在对于不同介电常数产生的电学特性变化较小，具有较低的灵敏度且制备工艺复杂。

5、期刊《ieee transactions on nanotechnology》公开发表了一种“n+pocketdoped vertical tfet baseddielectric-modulated biosensor considering non-idealhybridization issue:a simulation study”方案，引入锗硅掺杂区，提高了灵敏度，但是相对于sb-fet灵敏度的数量级较低。且源极、漏极、沟道和掺杂区采用不同的掺杂浓度和类型，因此制备工艺复杂度大大增加。

6、基于金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的生物传感器由于尺寸不断缩小，短沟道效应加重，恶化了器件的性能传统的fet型生物传感器沟道材料主要是硅。在沟道材料相同时，通过已经发表的研究结果可知，基于隧道场效应晶体管(tfet)的生物传感器导通电流较低。且隧道场效应晶体管存在双极性电流和工艺复杂性高等。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，通过p型c状重掺杂区的引入，大大降低了灵敏度的参考基准；提高了器件的开启电流灵敏度和跨导灵敏度；为减少器件工艺复杂度和提高场效应晶体管检测生物分子的灵敏度提供解决方案。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，包括水平t形沟道1，水平t形沟道1大头一侧设有源极2，小头一侧设有漏极3；所述水平t形沟道1内靠近源极2的一侧设有p型c状重掺杂区4；水平t形沟道1大头侧与小头侧之间的表面设有栅极介质层5；栅极介质层5的表面设有栅极6，水平t形沟道1与栅极6之间，且栅极介质层5近源极2的一侧设有生物分子探测腔7，源极2和水平t形沟道1形成的肖特基接触8。

4、所述水平t形沟道长度为40-70nm。

5、所述p型c状重掺杂区4位于水平t形沟道1内距离肖特基接触8的1nm-5nm处，厚度为2nm-5nm。

6、所述水平t形沟道1为本征p型，采用宽带隙材料制成，所述宽带隙材料包括4h-sic、sic或gan。

7、所述源极2和漏极3材料均采用金属硅化物，包括ersi1.7或nisi。

8、所述p型c状重掺杂区4内掺杂有1×1017-1×1019cm-3浓度的硼离子。

9、所述栅极介质层5材料包括hfo2或sio2材料。

10、所述栅极6材料包括铪或铝材料；所述生物分子探测腔7的长度为10-15nm。

11、所述栅极6、栅介质层5和水平t形沟道1之间的耦合电容越大，生物分子的介电常数越大，介质层厚度越小，生物传感器灵敏度越高；耦合电容为：

12、

13、其中，k是绝缘体的介电常数，d是绝缘体的厚度，w是绝缘体的宽度，l是绝缘体的长度。

14、所述栅介质层5的厚度减小、栅介质层5的介电常数值增大、水平t形沟道1材料的介电常数值减小，则隧穿长度减小，即生物传感器的隧穿概率增大；所述生物传感器的电子隧穿长度为：

15、

16、λ为电子隧穿长度，εsi为水平t形沟道1材料的介电常数值，εox为栅介质层5的介电常数值，tsi为水平t形沟道1厚度，tox为栅介质层5的厚度。

17、相对于现有技术，本发明有益效果如下：

18、(1)p型c状重掺杂区的引入使生物分子介电常数为12时的开启电流基本不变，同时降低了生物分子介电常数为1时的开启电流，且降低的幅度更大，即大大降低了灵敏度的参考基准；因此提高了器件的开启电流灵敏度和跨导灵敏度；掺杂区位于距离源极1nm-5nm的生物分子探测腔下方，使得不同生物分子对于器件水平t形沟道的调制效应差异更加明显，因此使得器件的传感性能更佳。

19、(2)使用4h-sic作为水平t形沟道材料，4h-sic具有更宽的禁带宽度，相比于传统的si水平t形沟道，降低了4h-sic sb-fet的关态电流，降低了器件的静态功耗。也使得器件的开启电流有所降低，但是生物分子探测腔内进入不同介电常数的生物分子时，4h-sicsb-fet检测到的开启电流变化量更大，因此4h-sic sb-fet在生物分子检测方面具有更高的灵敏度。

20、(3)本发明生物传感器，源极和漏极由金属或金属硅化物形成，与水平t形沟道形成肖特基接触，工艺更加简单，避免了载流子扩散带来的不利影响，也降低了源极-漏极的串联电阻。

技术特征：

1.一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，包括水平t形沟道(1)，水平t形沟道(1)大头一侧设有源极(2)，小头一侧设有漏极(3)；其特征在于：所述水平t形沟道(1)内靠近源极(2)的一侧设有p型c状重掺杂区(4)；水平t形沟道(1)大头侧与小头侧之间的表面设有栅极介质层(5)；栅极介质层(5)的表面设有栅极(6)，水平t形沟道(1)与栅极(6)之间，且栅极介质层(5)近源极(2)的一侧设有生物分子探测腔(7)，源极(2)和水平t形沟道(1)形成肖特基接触(8)。

2.根据权利要求1所述的一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述水平t形沟道(1)长度为40-70nm。

3.根据权利要求1所述的一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述p型c状重掺杂区(4)位于水平t形沟道(1)内距离肖特基接触(8)的1nm-5nm处，厚度为2nm-5nm。

4.根据权利要求1所述的一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述水平t形沟道(1)为本征p型，采用宽带隙材料制成，所述宽带隙材料包括4h-sic、sic或gan。

5.根据权利要求2所述的一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述源极(2)和漏极(3)材料均采用金属硅化物，包括ersi1.7或nisi。

6.根据权利要求1所述的一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述p型c状重掺杂区(4)内掺杂有1×1017-1×1019cm-3浓度的硼离子。

7.根据权利要求1所述的一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述栅极介质层(5)材料包括hfo2或al2o3材料。

8.根据权利要求1所述的一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述栅极(6)材料包括铪或铝材料；所述生物分子探测腔(7)的长度为10-15nm。

9.根据权利要求1所述的一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述栅极(6)、栅介质层(5)和水平t形沟道(1)之间的耦合电容越大，生物分子的介电常数越大，介质层厚度越小，生物传感器灵敏度越高；耦合电容为：

10.根据权利要求1所述的一种带有c状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，其特征在于：所述栅介质层(5)的厚度减小、栅介质层(5)的介电常数值增大、水平t形沟道(1)材料的介电常数值减小，则隧穿长度减小，即生物传感器发生隧穿的概率增大；所述生物传感器的电子隧穿长度为：

技术总结
一种带有C状掺杂区的肖特基隧穿场效应晶体管生物传感器，包括水平T形的沟道，水平T形沟道两侧分别设有源极和漏极；所述沟道内靠近源极的一侧设有P型C状重掺杂区，沟道的上下表面均设有栅极介质层，栅极介质层的表面设有栅极，沟道与栅极之间，且栅极介质层近源极的一侧设有生物分子探测腔，源极和沟道形成肖特基接触；水平T形的沟道，使得源极侧的沟道厚度更大，因此增大了肖特基接触的面积，增大了肖特基隧穿的概率；P型C状重掺杂区的引入，大大降低了灵敏度的参考基准；提高了器件的开启电流灵敏度和跨导灵敏度；使用4H‑SiC作为沟道材料，4H‑SiC具有更宽的禁带宽度，相比于传统的Si沟道，降低了4H‑SiC肖特基势垒场效应晶体管SB‑FET的关态电流，降低了传感器的静态功耗；在生物分子检测方面具有更高的灵敏度。

技术研发人员：贾护军,赵淋娜,苏琪钰,曹伟涛,杨万里,韦星语,曹震,杨银堂
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/18