GaN MOS-HEMT生物传感器对于GOX的灵敏度检测

沈 杭

（上海电力大学，上海 200000）

近十年来，由于全球传播的各种威胁生命的疾病的爆发，生物分子的检测得到了人们的广泛关注和研究。目前已经有了很多种生物分子检测方法，其中包括荧光传感器[1]、ELISA（酶联免疫吸附测定）[2]、电化学方法[3]和质谱法[4]。另一方面，Komarova等人[5]已经研究出来了基于ISFET（离子敏场效应晶体管）的传感器，它们具有高灵敏度，快速响应和高分辨率等优点。此外，还有纳米硅基器件传感器，如硅纳米线、碳纳米管和石墨烯等，是现代智能医疗应用中几种比较常见的传感器。然而，这些传统的传感器在长时间使用后性能会降低，并且会出现很多问题，如：溶液不稳定、材料退化等，导致其可靠性降低。针对这些问题，本文中使用了具有生物相容性和稳定性的GaN器件，可以解决这些问题。

在生物传感器件的领域当中，GaN基生物传感器件和传统的硅基生物传感器相比，化学性能更稳定，同时还具有无毒性、可降低吸附细胞退化等优点[6]。在国外，HEMT发展速度比国内要快很多，现在已经广泛应用于葡萄糖、MIG、C-erbB-2、蛋白质和DNA等生物物质的检测[7-9]。

糖尿病是一种非常严重的疾病，患有糖尿病的患者体内血液中的葡萄糖浓度远高于正常值。GOX（葡萄糖氧化酶）是一种可以有效检测患者是否患有糖尿病的生物标志物。它的检测原理是通过葡萄糖氧化酶催化葡萄糖进行氧化，从而产生可以测量的电子流来检测血液中的葡萄糖浓度。在本篇论文中，使用GaN基生物传感器对葡萄糖氧化酶浓度进行检测，从而达到检测是否患有糖尿病的目的。

为了进一步研究，本文建立了一个HEMT模型，对于葡萄糖氧化酶GOX的灵敏度进行了建模和仿真。最近的研究表明，在AlGaN/GaN HEMT器件外延层中加入AlN中间层，可以最大程度提高器件的电流、频率和功率性能。然而，到目前为止，还没有建立准确的GaN HEMT物理模型来作为该器件与其生物传感器之间的纽带。因此，本文以HfO2作为HEMT模型的栅极电解质，并在模型中加入了一个AlN中间层，通过器件对葡萄糖标志物葡萄糖氧化酶GOX的灵敏度分析，验证了HEMT传感器模型在具体应用中的可行性。

1 基本原理及结构建模

1.1 基本原理

ID可以由等式(1)得出，d是传感区域与2DEG沟道之间的有效距离，等于AlGaN势垒层（tbarrier），AlN中间层（tspacer/tAlN），介电氧化层（toxide），门极金属粗糙度（mr），2DEG与异质界面的横向位移（△2DEGlat）和GaN帽厚度（tcap）之和。V（x）是2DEG沟道中的沟道电位，Øb是肖特基势垒高度，EF是有效费米能级，Z是沟道厚度，VGS是施加的栅偏压，q是电子电荷，σAlN是间隔层中的极化电荷密度。∈AlGaN（m）为摩尔分数为m的AlGaN层的介电常数。ΔEAlGaN（m）为摩尔分数为m的AlGaN层的能量变化。E（x）是x方向的电场，μ0是低电场迁移率，VS为饱和速度，可以有效地评估漂移速度。

在AlGaN/AlN/GaN HEMT结构中，由于自发极化和压电极化效应，会有一个2DEG的表面通道在Al－GaN/AlN/GaN HEMT器件的界面处形成，通过控制栅极电压从而可以控制势阱中的2DEG[6]，AlGaN/AlN/GaN HEMT的栅极用生物分子膜来代替，当器件工作的时候，由于引入了待测抗原，生物分子膜表面电压会发生变化，从而使得势阱中2DEG浓度也发生改变，而2DEG浓度的改变会引起晶体管中的源极和漏极之间电流（源漏电流）的变化，因此待测抗原的浓度变化可以通过源漏电流的变化来反应。

当没有电场干扰时，E是GaN晶体的允许能量，Q是库仑的电荷，E/Q是单位电荷的电压。GaN晶体的允许能值为0.192×10-19。该模型的局限性在于模型的实现基于生物标记分子的电荷是均匀分布的。然而，在实际情况中，电荷并不是均匀分布的，这可能会降低器件的灵敏度。由式（2）（3）可以看出，在栅极中施加不同浓度的生物标记分子，改变的是栅极电压的大小。

AlGaN/AlN/GaN HEMT标准结构中，势阱中2DEG的密度可以用一个电荷控制模型近似来表述，即：

其中εN为AlGaN的介电常数，Vg为栅极电压，Voff为阈值电压，V（x）为任意一点沿沟道方向的电势，它与源漏电压Vds有关，d为AlGaN的厚度。源漏极之间任意一点电流I为：

其中vd为载流子漂移速度，μ为2DEG的迁移率，W为沟道宽度，L为沟道长度，将（5）式对沟道长度积分可得：

在线性区中（Vds≪（Vg-Voff）），（6）式可以简化为：

从式（7）可以看出，器件栅极电压的变化直接体现在源极与漏极之间电流上。

1.2 结构建模

由上述推导过程建立HEMT模型如图1所示。

图1 描绘目标生物分子固定在栅电极上的器件示意图

利用SILVACO ATLAS TCAD对该装置进行了数值模拟。在实验中使用了浓度依赖迁移率模型、AUGER模型、SRH模型和CONSRH模型，可以精确计算迁移率。在模拟过程中引入了ALBRCT模型，用于模拟温度对低电场迁移率的影响。由于器件是无掺杂的，分析掺杂对器件迁移率影响的复杂性被消除。在器件模拟中，定义了源漏触点的功函数为4eV，这是HEMT器件中常用的Ti/AI/Ni/Au堆叠的等效功函数。

2 呼气冷凝物中的Gox仿真与分析

GOX（葡萄糖氧化酶）可以有效地作为预测糖尿病患者的生物标志物，通过评估酶的电子数可以预测葡萄糖浓度。近十年来，葡萄糖检测技术有了很大的发展，碳纳米管、氧化锌纳米材料以及金颗粒被有效地用于葡萄糖的固定化[10]。

在健康与患病情况下，GOX的临床相关浓度见表1。所以，本文将对0.2、2.04、4 mmol/l这3个不同浓度的GOX进行建模和仿真。

表1 葡萄糖在疾病和健康状态下的等效界面电荷

2.1 感应电流IDS

从式（7）可以看出，源极与漏极之间电流的变化可以直接由HEMT器件栅极电压的变化来反应。由图2可知，漏极电流随漏源电压增加而增加，且在漏源电压大于1 V时，不同浓度的GOX的漏极电流相差较为明显。

图2 GOX生物固定后的器件漏极电流

2.2 通道电导gd

由于电导是一种性能指标，因此器件的高电导值保证了良好的传感性能。如图3所示，由于生物固定，通道电导（gd）随着栅极表面电荷的增加而减小。这证明了由于附加电荷作用在栅极上的电容耦合，器件在线性区域的电阻增强。当VDS=8 V时，所有通道的电导都低于5 mS/mm，表明器件具有良好的稳定性。当VDS小于2 V时，患者在健康与患病情况下的电导差别较为明显。

图3 GOX生物固定后的器件电导

2.3 gd/IDS

GOX生物固定化导致的器件gd/IDS如图4所示。随着生物分子浓度的升高，gd/IDS的值越高。当VDS为1 V时，0.2 mmol/l电荷当量浓度的GOX的gd/IDS值为4.9 mS/mm。2.04 mmol/l电荷当量浓度的GOX的gd/IDS值为18 mS/mm。4 mmol/l电荷当量浓度的GOX的gd/IDS值为54 mS/mm。沟道电导除以电流的这种变化给出了比率gd/IDS，该比率作为检测指标可以有效地表现器件的灵敏度。

图4 GOX生物固定后的电导/源漏电流

3 结束语

本篇论文研究了AlGaN/AlN/GaN MOS-HEMT生物传感器器件，提高了检测葡萄糖氧化酶的灵敏度，重点研究了其在电荷控制模型的辅助下的生物传感能力。在本篇论文中，GOX（葡萄糖氧化酶）的等效电荷已被推导出来，并将其应用于器件的传感区/门。在HEMT模型中，以HfO2作为栅极电解质，并加入了AlN层，改善了器件的性能，增加了敏感度。结果表明，该器件对于GOX的浓度变化较为敏感，在生物传感领域具有良好的应用前景。当考虑实时物理检测时，该模型的灵敏度可能会低一些，但对于不同浓度的GOX仍可以进行有效的检测。