誘電体変調デュアルソーストレンチゲートTFETバイオセンサーの高度シミュレーション：生体分子検出への応用

概要

本論文では、生体分子検出のための誘電体変調デュアルソーストレンチゲートトンネルFET（DM-DSTGTFET）バイオセンサーを提案する。DM-DSTGTFETは、デュアルソースとトレンチゲート構造を採用することで、オン状態電流を向上させ、双方向電流を生成する。提案構造では、1nmのゲート酸化膜上に2つのキャビティをエッチングし、そこに生体分子を充填する。感度解析には、TCAD（テクノロジーコンピュータ支援設計）による2次元シミュレーションを用いた。結果、低供給電圧下でDM-DSTGTFETの電流感度は最大1.38×10⁵、閾値電圧感度は1.2Vに達することが示された。したがって、DM-DSTGTFETバイオセンサーは低消費電力と高感度により、優れた応用展望を持つ。

はじめに

近年、シリコンベースの電界効果トランジスタ（FET）バイオセンサーは、高感度、最小遅延、微細寸法、低コストといった有望な特性により、多くの研究関心を集めている[1-6]。しかし、FETベースのバイオセンサーには熱電子放出の制限があり、サブスレッショルドスイング（SS）が60mV/decadeを超える。一方、トンネルFET（TFET）はバンドツーバンドトンネリング（BTBT）伝導機構により、この制限を克服し、短チャネル効果を低減する[7-10]。したがって、TFETベースのバイオセンサーは、FETベースのものより優れた感度と応答時間を持つ候補として浮上している[11-14]。

TFETを分子検出に用いる最も一般的な手法は誘電体変調に基づく。ゲート誘電体材料の一部をエッチングしてキャビティを形成し、そこに生体分子を充填すると、キャビティの誘電率が変化し、ドレイン電流と伝達特性に変化が現れる[15-17]。同時に、誘電体変調は帯電・中性の両分子のセンシングを可能にする。現在、誘電体変調の概念はTFETに応用され、誘電体変調TFET（DMTFET）ベースのバイオセンサーが研究者から高く評価されている。ラベルフリー生体分子検出用バイオセンサーとして機能するp-n-p-n TFETがデバイスシミュレーションで研究され、生体分子不在時に低オフ電流、誘電率と電荷の両方に対する高感度を示すことが明らかにされた[18]。文献[19]では、トンネル接合近くのキャビティに生体分子が存在すると効果的な結合が生じ、高感度をもたらし、またDM-TFETを低次元での感度低下に耐性があるものにすることが観察されている。様々な構造のTFETベースバイオセンサーが研究されている。従来のDGTFETと比較し、ショートゲート（SG）アーキテクチャをDMTFET構造に組み込むことで、感度を大幅に向上させコストを削減できる[20]。電荷プラズマベースのゲートアンダーラップ誘電体変調ジャンクションレストンネルFET（CPB DM-JLTFET）は、トンネル接合近くのキャビティの長さと厚きを適切に選択し、適切なバイアス下で中性・帯電生体分子の両方に対する最大感度を得られる[21]。垂直誘電体変調トンネルFET（V-DMTFET）では、高濃度フロントゲートn⁺ポケットとゲート・ソースオーバーラップを導入することでバイオセンサー感度を向上させている[22]。円形ゲートヘテロ接合トンネルFETは、非均一ゲートアーキテクチャにより均一ゲートHJ TFETより高い感度を示す[23]。ダブルチャネルトレンチゲートTFETは高い電流感度と過大な電圧感度を示す[24]。ダブルゲートとダブルメタル材料TFETバイオセンサーは、感度変化をより明確にする[25]。

しかし、ほとんどのバイオセンサーはダブルゲートTFETベースであり、生体分子を両端のゲート側面から添加する必要がある。提案構造では、デバイス上面から垂直に生体分子を添加するため、操作がより簡単である。さらに、ゲート・ソースオーバーラップ領域が大きいため、ソースと生体分子の相互作用が顕著で、DM-DSTGTFETバイオセンサーの感度は他デバイスより高い（表1参照）。表1は、本研究と他文献の研究結果との感度比較をまとめたものである。

本論文では、DM-DSTGTFETバイオセンサーの感度を研究し、具体的内容は以下の通りである。セクション2と3では、基本デバイス構造、製造プロセス、シミュレーションモデルと手法を説明する。セクション4では、DM-DSTGTFETバイオセンサーの感度に対する様々な要因の影響を特徴づける。具体的には、異なる誘電率、キャビティ厚さ、帯電生体分子が伝達特性、I_on/I_off感度、ΔV_th感度に及ぼす影響を検討する。セクション5では、調査から得られた研究結果を結論づける。

デバイス構造

図1は、DM-DSTGTFETベースバイオセンサーの断面像を示す。DM-DSTGTFETのゲート電極仕事関数は4.2eVである。TFETのオン電流を増加させるため、デュアルソース構造を採用している。ドーピング濃度1×10²⁰cm⁻³の2つのソース領域がゲートの両側に対称的に配置される。高さH_c=37nm、ドーピング濃度1×10¹⁵cm⁻³のpチャネルがソースとゲートの下にある。ドーピング濃度1×10¹⁷cm⁻³、高さH_d=18nmのnドレインがチャネルの下にある。ソース領域上の2つの酸化膜は厚さ2nmのHfO₂である。厚さT_p=5nmの2つのポケット領域がゲートの両側に対称的に配置され、ドナー濃度1×10¹⁹cm⁻³でドーピングされている。さらに、提案バイオセンサーでは、T_ox（1nm）、T_c（5nm）はそれぞれHfO₂ゲート酸化膜の厚さとナノギャップキャビティの幅である。ゲート金属仕事関数の値は、生体分子がキャビティに蓄積したときのみトンネリングが発生するように選択されるべきである。そのため、HfO₂ゲート酸化膜上で金属仕事関数Φ_MS=4.2eVが選択されている。ここで、異なる誘電率（1、2.5、5、11、23）を持つ5種類の小さな生体分子と、異なるナノギャップキャビティ厚さ（5、7、9、11、13nm）の5種類を提案バイオセンサーで分析する。

DM-DSTGTFETの製造方法は文献[24]と類似している。図2は提案DM-DSTGTFETの製造手順を示す。第1ステップ（図2a）では、マスク、露光、エッチング、イオン注入、アニーリングにより、軽くドープされたシリコン基板上にデバイス底部のドレイン領域を形成する。形成されたドレイン領域のドーピング濃度は10¹⁷/cm³、ドーピングイオンは砒素である。その後、ドレイン領域上に本質シリコンをエピタキシャル成長させ、デバイスのチャネル領域を形成する。図2bに示すように、チャネル上部の2つのコーナーをエッチング除去する。同時に、図2cに記載の化学気相成長（CVD）法によりN⁺ドーピングを堆積し、DM-DSTGTFETのポケット領域を形成する。ソース領域では、CVD法によりSiベースのデュアルソース領域を成長させ、マスク、露光、エッチング、イオン注入、アニーリングを行い、ソース領域をP型高濃度ドープ（濃度10²⁰/cm³）する（図2d）。次のステップでは、チャネル層にトレンチを形成しSiO₂を堆積する（図2e）。その後トレンチを形成する（図2f）。メタライゼーションとパターニングを行いゲートコンタクトを得る（図2g）。さらに、ゲート両側のSiO₂にキャビティを彫り込む（図2h）。最終ステップでは、キャビティ側壁に1nmのHfO₂を成長させ、提案構造を得る（図2i）。

シミュレーション手法とモデル

DM-DSTGTFETバイオセンサーの性能をより明確に研究するため、TCADツール（Sentaurus）を用いてTFETセンサーの感度を研究する。正確なシミュレーションのために適切なモデルを採用する。

非局所BTBTモデルは、トンネリング経路の各点における電界を変数として考慮し、BTBTトンネリング確率がトンネル接合でのバンド曲がりに依存することを意味する。非局所トンネルモデルは、TFETシミュレーションの実際の状況により適合する[29]。したがって、本論文では非局所BTBTモデルを採用する。Sentaurusでは、Kaneモデルを動的非局所BTBTトンネルモデルとして使用する。Kaneモデルでは、BTBTトンネリング率は以下のように表される[30]：

$$G_{\text{BTBT}} = A\left( \frac{E}{E_0} \right)^P \exp\left( -\frac{B}{E_0} \right) \tag{1}$$

ここで、定数E₀=1V/cm、直接バンドギャップトンネリングではP=2、フォノン補助間接バンドギャップトンネリングではP=2.5である。本論文のデバイスは主にシリコンであるため、P=2.5を選択する。パラメータA=4×10¹⁴/cm³·s、Eは電界、指数因子B=9.9×10⁶V/cmである。

キャリア再結合を含めるため、ショックリー・リード・ホール（SRH）モデルを選択する。バンドギャップ縮小モデルを採用し、バンドギャップにおける高濃度効果を活性化する。フェルミ・ディラック統計を呼び出し、高ドープ領域の特性変化を含める。Si材料の移動度モデルは、イオン化不純物散乱モデル（μ_dop）、界面散乱モデル（μ_InterSc）、高電界飽和モデル（μ_F）を考慮すべきであり[31]、最終的な有効移動度モデルは以下のように表せる：

$$\frac{1}{\mu} = \frac{1}{\mu_{\text{dop}}} + \frac{1}{\mu_{\text{InterSc}}} + \frac{1}{\mu_F} \tag{2}$$

キャビティ充填材料にはプール・フレンケル移動度モデルを導入し、電界の関数としての移動度は以下で与えられる：

$$\mu = \mu_0 \exp\left( -\frac{E_0}{KT} \right) \exp\left( \sqrt{E} \left( \frac{\beta}{T} - \gamma \right) \right) \tag{3}$$

ここでμ₀は低電界移動度、βとγはフィッティングパラメータ、E₀は有効活性化エネルギー、Eは駆動力（電界）である。Kはボルツマン定数、Tは温度。E₀とγのデフォルト値は0、β=0.1である。

上記の較正済み物理モデルに基づき、DM-DSTGTFETバイオセンサーの電気特性を分析する。

シミュレーションでは、4種類の誘電率を持つ生体分子（k=2.5、5、11、23）、5種類のキャビティ厚さ（T_c=5、7、9、11、13nm）、異なる密度の帯電生体分子を考慮する。一般に、センサーの感度を研究する際には参照条件を採用する。参照条件は、センサーが標的物質に対する応答を明確にするものでなければならない。したがって、キャビティが空気で充填されている場合、つまり生体分子がキャビティに充填されていない条件を参照とする。それにより、DM-DSTGTFETの閾値電圧感度、ドレイン電流感度、サブスレッショルドスイング感度を以下のように定義する[22][28][32]：

$$\Delta V_{\text{th}} = V_{\text{th(air)}} - V_{\text{th(bio)}} \tag{4}$$ $$S_{\text{drain}} = \frac{I_{\text{ds(bio)}} - I_{\text{ds(air)}}}{I_{\text{ds(air)}}} \tag{5}$$ $$S_{\text{SS}} = \frac{SS_{\text{air}} - SS_{\text{bio}}}{SS_{\text{air}}} \tag{6}$$

ここで、V_th(air)はキャビティが空気で充填されているときのバイオセンサーの閾値電圧、V_th(bio)は生体分子充填時の閾値電圧である。同様に、I_ds(air)とSS_airはそれぞれ空気充填時のオン状態ドレイン電流とサブスレッショルドスイング、I_ds(bio)とSS_bioは生体分子充填時のそれらである。

DM-DSTGTFETの電気特性を解析することで、閾値電圧、オン状態ドレイン電流、サブスレッショルドスイングを抽出し、バイオセンサーの感度を分析する。

結果と考察

DM-DSTGTFETにおける異なる生体分子の影響

図3は、異なる誘電率の生体分子がキャビティを充填したときの、DM-DSTGTFETのオン状態における伝達特性、エネルギーバンド変化、閾値電圧感度、電流感度を示す。より低いゲート金属仕事関数（Φ_MS=4.2）を選択することで、異なるkを調整してドレイン電流感度を研究できる。

図3aに見られるように、ゲート誘電体のkが増加するとゲート制御能力が強まり、オン電流も増加する。図3bは、生体分子の異なるkにおけるエネルギーバンド図を示す。k=1のとき、キャビティに生体分子が充填されていないことを意味し、エネルギーバンドのねじれは最小化される。キャビティ内の生体分子誘電率が増加し始めると、エネルギーバンドはより激しく曲がる。これは、より高いkでより多くのエネルギーバンド整列が起こり、接合部のバリア幅が減少することを意味する。図3cは、生体分子の誘電率がDM-DSTGTFETのI_onとI_on/I_off感度に及ぼす影響を示す。kの増加に伴い、I_onとI_on/I_off感度も向上する。これは、kの増加によりエネルギーバンド曲がりが激しくなり、ソース・チャネル接合のバリア幅が減少し、トンネリング確率が増加するためである。トンネリング確率の増加により、電子BTBTトンネリング生成が増加し、これは図4で明確に確認できる。提案デバイスは、k=23で最大1.1×10¹⁰のI_on/I_off感度を示し、これは公表されているTFETベースバイオセンサーより明らかに高い。図3dは、生体分子のkに対するV_thとΔV_th感度の変化を示す。明らかに、kが増加すると提案デバイスのI_onがより速く増加し、閾値電圧が低下する。同時に、ΔV_thはkの上昇に伴い増加傾向を示す。理由は、異なる生体分子充填時のV_thと、生体分子なしのV_thとの差が大きくなるためである。一般に、空気充填時のV_thは他のk値より大きい。提案DM-DSTGTFETは、k=23で最大1.2VのΔV_th感度を示す。したがって、DM-DSTGTFETは生体分子に対して高い電流感度と閾値電圧感度を提供する。

図5aは、キャビティが異なる生体分子で充填されたときのDM-DSTGTFETのSSとSS感度を示す。ここでは、誘電率の増加によりSSが減少し、S_SSが向上することが分かる。SSが小さいほどTFETの消費電力は小さく、性能は良くなる。したがって、kの値が増加するとSSが減少し、S_SSが増加し、ゲート制御能力が向上する。

図5bは、提案DM-DSTGTFETのドレイン電流感度がkの関数としてどのように変化するかを示す。感度はkの増加とともに増加する。これは、kの増加がトンネル接合での電界を増強し、トンネル幅を減少させ、結果としてS_drainを増加させるためである。

DM-DSTGTFETにおける異なるキャビティ厚さの影響

前セクションの結論から、k=23のときDM-DSTGTFETバイオセンサーのS_drain、ΔV_th感度、S_SSが最大となる。したがって、提案バイオセンサーの感度に対するキャビティ厚さの影響をより明確に研究するため、このセクションではk=23の条件下で行う。

図6は、異なるキャビティ厚さ（T_c）におけるDM-DSTGTFETバイオセンサーの伝達特性を示す。T_cが増加すると、オン電流は小さくなる。異なるT_cがDM-DSTGTFETのI_onとI_on/I_off感度に及ぼす影響を図7aにプロットした。T_cが増加すると、ゲートとチャネル間の容量が減少し、ソース・チャネル接合でのトンネル幅が大きくなり、ドレイン電流が低下する。k=23の場合、I_onとI_on/I_off感度はT_cの増加とともに減少する。これは、より高いT_cでゲートとチャネルの容量結合が改善されるためである。一方、図7bに示すように、提案デバイスはT_cの増加に伴いV_thが増加し、したがってΔV_th感度も増加傾向を示す。これは、T_cの増加がI_onを減少させ、結果としてV_thを増加させるためである。言い換えれば、より広いキャビティではゲートのチャネル制御が低下し、V_thが高くなる。したがって、DM-DSTGTFETはより狭いキャビティでより優れた電圧バイオセンサーとして機能する。

帯電生体分子がDM-DSTGTFETに及ぼす影響

提案センサーの感度に対する生体分子の異なる電荷の影響を調べるため、まずダイナミックレンジと検出限界を研究した。本論文では、DM-DSTGTFETは10¹⁰cm⁻²から10¹³cm⁻²の電荷密度範囲のセンシング材料を検出でき、他のセンサー[32]より広い検出範囲を持つ。したがって、以下のシミュレーションでは、ダイナミックリミット範囲内の電荷密度を感度研究に用いる。

図8は、異なるkの下で、異なる正電荷と負電荷を持つ生体分子をキャビティに充填したときのDM-DSTGTFET伝達特性への影響を示す。見て取れるように、k=2.5において、正・負に帯電した生体分子の下で伝達曲線により大きな変化範囲が見られる。したがって、以下の議論では、k=2.5のときの異なる正電荷と負電荷がDM-DSTGTFETバイオセンサーの感度に及ぼす影響に焦点を当てる。

図9aは、DM-DSTGTFETのI_onとI_on/I_off感度が正電荷の関数としてどのように変化するかを示す。生体分子の正電荷増加は、提案デバイスのI_onとI_on/I_off感度の向上をもたらす。キャビティ内の正電荷は実効ゲート酸化膜誘電率を増加させ、ゲート制御能力を向上させる。このゲート制御能力の向上により、ソース・チャネル接合のトンネル幅が減少し、I_onとI_on/I_off感度が改善される。図9bは、生体分子の正電荷がDM-DSTGTFETのV_thとΔV_th感度に及ぼす影響を示す。正電荷の増加に伴いV_thが減少し、ΔV_th感度が向上することが観察される。これは、分子上の正電荷がI_onを増加させV_thを減少させるためである。V_thの減少は、生体分子の閾値電圧と空気の閾値電圧の差を拡大し、ΔV_thの向上につながる。

図10aは、k=2.5におけるDM-DSTGTFETのI_onとI_on/I_off感度が負電荷の関数としてどのように変化するかを示す。生体分子の負電荷増加は、提案デバイスのI_onとI_on/I_off感度の低下をもたらす。キャビティ内の負電荷は実効ゲート酸化膜誘電率を減少させ、ゲート制御能力を低下させる。このゲート制御能力の低下により、ソース・チャネル接合のトンネル幅が増加し、I_onとI_on/I_off感度が低下する。

図10bは、生体分子の負電荷がDM-DSTGTFETのV_thとΔV_th感度に及ぼす影響を示す。図から、k=2.5において、負電荷の増加に伴いV_thが増加し、ΔV_th感度が減少することが分かる。これは、分子上の負電荷がI_onを減少させV_thを増加させるためである。V_thの増加は、生体分子の閾値電圧と空気の閾値電圧の差を拡大し、ΔV_thを減少させる。

結論

結論として、DM-DSTGTFETはバイオセンサー応用における生体分子検出に高い感度を持つ。しかし、DM-DSTGTFET構造の検出能力は、相対誘電率、キャビティ厚さ、帯電生体分子、I_on/I_off感度、SS、S_SSによってもたらされる影響を調べることで評価される。結果は、誘電率が大きいほど、キャビティ厚さが小さいほど、より正に帯電しているほど、提案デバイスの感度が大きくなることを示している。シミュレーション結果は、提案構造が超高感度かつ低消費電力のバイオセンサーデバイスとして応用可能であることを示している。

略語

DM-DSTGTFET

誘電体変調デュアルソーストレンチゲートトンネル電界効果トランジスタ

TCAD

テクノロジーコンピュータ支援設計

BTBT

バンドツーバンドトンネリング

DGTFET

デュアルゲートトンネル電界効果トランジスタ

SS

サブスレッショルドスロープ