GaN MOS-HEMT生物傳感器對于GOX的靈敏度檢測

沈 杭

（上海電力大學(xué)，上海 200000）

近十年來，由于全球傳播的各種威脅生命的疾病的爆發(fā)，生物分子的檢測得到了人們的廣泛關(guān)注和研究。目前已經(jīng)有了很多種生物分子檢測方法，其中包括熒光傳感器[1]、ELISA（酶聯(lián)免疫吸附測定）[2]、電化學(xué)方法[3]和質(zhì)譜法[4]。另一方面，Komarova等人[5]已經(jīng)研究出來了基于ISFET（離子敏場效應(yīng)晶體管）的傳感器，它們具有高靈敏度，快速響應(yīng)和高分辨率等優(yōu)點。此外，還有納米硅基器件傳感器，如硅納米線、碳納米管和石墨烯等，是現(xiàn)代智能醫(yī)療應(yīng)用中幾種比較常見的傳感器。然而，這些傳統(tǒng)的傳感器在長時間使用后性能會降低，并且會出現(xiàn)很多問題，如：溶液不穩(wěn)定、材料退化等，導(dǎo)致其可靠性降低。針對這些問題，本文中使用了具有生物相容性和穩(wěn)定性的GaN器件，可以解決這些問題。

在生物傳感器件的領(lǐng)域當(dāng)中，GaN基生物傳感器件和傳統(tǒng)的硅基生物傳感器相比，化學(xué)性能更穩(wěn)定，同時還具有無毒性、可降低吸附細胞退化等優(yōu)點[6]。在國外，HEMT發(fā)展速度比國內(nèi)要快很多，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于葡萄糖、MIG、C-erbB-2、蛋白質(zhì)和DNA等生物物質(zhì)的檢測[7-9]。

糖尿病是一種非常嚴重的疾病，患有糖尿病的患者體內(nèi)血液中的葡萄糖濃度遠高于正常值。GOX（葡萄糖氧化酶）是一種可以有效檢測患者是否患有糖尿病的生物標志物。它的檢測原理是通過葡萄糖氧化酶催化葡萄糖進行氧化，從而產(chǎn)生可以測量的電子流來檢測血液中的葡萄糖濃度。在本篇論文中，使用GaN基生物傳感器對葡萄糖氧化酶濃度進行檢測，從而達到檢測是否患有糖尿病的目的。

為了進一步研究，本文建立了一個HEMT模型，對于葡萄糖氧化酶GOX的靈敏度進行了建模和仿真。最近的研究表明，在AlGaN/GaN HEMT器件外延層中加入AlN中間層，可以最大程度提高器件的電流、頻率和功率性能。然而，到目前為止，還沒有建立準確的GaN HEMT物理模型來作為該器件與其生物傳感器之間的紐帶。因此，本文以HfO2作為HEMT模型的柵極電解質(zhì)，并在模型中加入了一個AlN中間層，通過器件對葡萄糖標志物葡萄糖氧化酶GOX的靈敏度分析，驗證了HEMT傳感器模型在具體應(yīng)用中的可行性。

1 基本原理及結(jié)構(gòu)建模

1.1 基本原理

ID可以由等式(1)得出，d是傳感區(qū)域與2DEG溝道之間的有效距離，等于AlGaN勢壘層（tbarrier），AlN中間層（tspacer/tAlN），介電氧化層（toxide），門極金屬粗糙度（mr），2DEG與異質(zhì)界面的橫向位移（△2DEGlat）和GaN帽厚度（tcap）之和。V（x）是2DEG溝道中的溝道電位，?b是肖特基勢壘高度，EF是有效費米能級，Z是溝道厚度，VGS是施加的柵偏壓，q是電子電荷，σAlN是間隔層中的極化電荷密度?！蔄lGaN（m）為摩爾分數(shù)為m的AlGaN層的介電常數(shù)。ΔEAlGaN（m）為摩爾分數(shù)為m的AlGaN層的能量變化。E（x）是x方向的電場，μ0是低電場遷移率，VS為飽和速度，可以有效地評估漂移速度。

在AlGaN/AlN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)中，由于自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，會有一個2DEG的表面通道在Al－GaN/AlN/GaN HEMT器件的界面處形成，通過控制柵極電壓從而可以控制勢阱中的2DEG[6]，AlGaN/AlN/GaN HEMT的柵極用生物分子膜來代替，當(dāng)器件工作的時候，由于引入了待測抗原，生物分子膜表面電壓會發(fā)生變化，從而使得勢阱中2DEG濃度也發(fā)生改變，而2DEG濃度的改變會引起晶體管中的源極和漏極之間電流（源漏電流）的變化，因此待測抗原的濃度變化可以通過源漏電流的變化來反應(yīng)。

當(dāng)沒有電場干擾時，E是GaN晶體的允許能量，Q是庫侖的電荷，E/Q是單位電荷的電壓。GaN晶體的允許能值為0.192×10-19。該模型的局限性在于模型的實現(xiàn)基于生物標記分子的電荷是均勻分布的。然而，在實際情況中，電荷并不是均勻分布的，這可能會降低器件的靈敏度。由式（2）（3）可以看出，在柵極中施加不同濃度的生物標記分子，改變的是柵極電壓的大小。

AlGaN/AlN/GaN HEMT標準結(jié)構(gòu)中，勢阱中2DEG的密度可以用一個電荷控制模型近似來表述，即：

其中εN為AlGaN的介電常數(shù)，Vg為柵極電壓，Voff為閾值電壓，V（x）為任意一點沿溝道方向的電勢，它與源漏電壓Vds有關(guān)，d為AlGaN的厚度。源漏極之間任意一點電流I為：

其中vd為載流子漂移速度，μ為2DEG的遷移率，W為溝道寬度，L為溝道長度，將（5）式對溝道長度積分可得：

在線性區(qū)中（Vds?（Vg-Voff）），（6）式可以簡化為：

從式（7）可以看出，器件柵極電壓的變化直接體現(xiàn)在源極與漏極之間電流上。

1.2 結(jié)構(gòu)建模

由上述推導(dǎo)過程建立HEMT模型如圖1所示。

圖1 描繪目標生物分子固定在柵電極上的器件示意圖

利用SILVACO ATLAS TCAD對該裝置進行了數(shù)值模擬。在實驗中使用了濃度依賴遷移率模型、AUGER模型、SRH模型和CONSRH模型，可以精確計算遷移率。在模擬過程中引入了ALBRCT模型，用于模擬溫度對低電場遷移率的影響。由于器件是無摻雜的，分析摻雜對器件遷移率影響的復(fù)雜性被消除。在器件模擬中，定義了源漏觸點的功函數(shù)為4eV，這是HEMT器件中常用的Ti/AI/Ni/Au堆疊的等效功函數(shù)。

2 呼氣冷凝物中的Gox仿真與分析

GOX（葡萄糖氧化酶）可以有效地作為預(yù)測糖尿病患者的生物標志物，通過評估酶的電子數(shù)可以預(yù)測葡萄糖濃度。近十年來，葡萄糖檢測技術(shù)有了很大的發(fā)展，碳納米管、氧化鋅納米材料以及金顆粒被有效地用于葡萄糖的固定化[10]。

在健康與患病情況下，GOX的臨床相關(guān)濃度見表1。所以，本文將對0.2、2.04、4 mmol/l這3個不同濃度的GOX進行建模和仿真。

表1 葡萄糖在疾病和健康狀態(tài)下的等效界面電荷

2.1 感應(yīng)電流IDS

從式（7）可以看出，源極與漏極之間電流的變化可以直接由HEMT器件柵極電壓的變化來反應(yīng)。由圖2可知，漏極電流隨漏源電壓增加而增加，且在漏源電壓大于1 V時，不同濃度的GOX的漏極電流相差較為明顯。

圖2 GOX生物固定后的器件漏極電流

2.2 通道電導(dǎo)gd

由于電導(dǎo)是一種性能指標，因此器件的高電導(dǎo)值保證了良好的傳感性能。如圖3所示，由于生物固定，通道電導(dǎo)（gd）隨著柵極表面電荷的增加而減小。這證明了由于附加電荷作用在柵極上的電容耦合，器件在線性區(qū)域的電阻增強。當(dāng)VDS=8 V時，所有通道的電導(dǎo)都低于5 mS/mm，表明器件具有良好的穩(wěn)定性。當(dāng)VDS小于2 V時，患者在健康與患病情況下的電導(dǎo)差別較為明顯。

圖3 GOX生物固定后的器件電導(dǎo)

2.3 gd/IDS

GOX生物固定化導(dǎo)致的器件gd/IDS如圖4所示。隨著生物分子濃度的升高，gd/IDS的值越高。當(dāng)VDS為1 V時，0.2 mmol/l電荷當(dāng)量濃度的GOX的gd/IDS值為4.9 mS/mm。2.04 mmol/l電荷當(dāng)量濃度的GOX的gd/IDS值為18 mS/mm。4 mmol/l電荷當(dāng)量濃度的GOX的gd/IDS值為54 mS/mm。溝道電導(dǎo)除以電流的這種變化給出了比率gd/IDS，該比率作為檢測指標可以有效地表現(xiàn)器件的靈敏度。

圖4 GOX生物固定后的電導(dǎo)/源漏電流

3 結(jié)束語

本篇論文研究了AlGaN/AlN/GaN MOS-HEMT生物傳感器器件，提高了檢測葡萄糖氧化酶的靈敏度，重點研究了其在電荷控制模型的輔助下的生物傳感能力。在本篇論文中，GOX（葡萄糖氧化酶）的等效電荷已被推導(dǎo)出來，并將其應(yīng)用于器件的傳感區(qū)/門。在HEMT模型中，以HfO2作為柵極電解質(zhì)，并加入了AlN層，改善了器件的性能，增加了敏感度。結(jié)果表明，該器件對于GOX的濃度變化較為敏感，在生物傳感領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。當(dāng)考慮實時物理檢測時，該模型的靈敏度可能會低一些，但對于不同濃度的GOX仍可以進行有效的檢測。