Порівняльне дослідження та аналітичне моделювання біосенсоров на основі AlGaN/GaN HEMT та MOSHEMT для виявлення біомолекул

  • Абделла Бугенна Електротехнічна лабораторія Орана, Відділ електроніки, Факультет електротехніки, Науково-технічний університет Орана (MB-USTO), Оран, Алжир https://orcid.org/0000-0003-3492-5418
  • Абдельхаді Феддаг Кафедра електроніки. Факультет електротехніки Університет наук і технологій Орана, Лабораторія мікросистем і вбудованих систем, Оран, Алжир https://orcid.org/0009-0004-3817-0539
  • Дріс Бугенна Лабораторія геоматики, екології та навколишнього середовища, факультет природознавства та життя, Університет Мустафи Стамбулі, Маскара, Туш, Алжир; Common Core Science and Technology Department, Science and Technology Faculty, Mustapha Stambouli University of Mascara, Mascara, Algeria https://orcid.org/0000-0002-0660-9576
  • Ібрагім Фарук Бугенна Кафедра електротехніки, Факультет науки та технологій, Університет Мустафи Стамбулі в Маскара, Маскара, Алжир https://orcid.org/0000-0001-8631-8172
DOI: https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-33
Ключові слова: AlGaN/GaN, HEMT, MOSHEMT, біосенсори, біомолекули

Анотація

У цьому дослідженні була розроблена модель для аналізу біосенсорів на основі високоелектронних транзисторів AlGaN/GaN (HEMT) і металооксидних напівпровідникових високоелектронних транзисторів (MOSHEMT). Модель фокусується на виявленні біомолекул, таких як ChOx, протеїн, стрептавідин і уриказа, шляхом модуляції діелектричної проникності. Параметри чутливості, що використовуються для виявлення біомолекул, включають струм стоку, транспровідність і чутливість стоку. Діелектрична проникність регулюється на основі конкретної біомолекули, яку відчуває біосенсор. Зміна діелектрика призводить до змін струму витоку зі збільшенням або зменшенням залежно від позитивного заряду біомолекул. Пристрій HEMT демонструє більші варіації струму стоку, транспровідності та чутливості стоку порівняно з пристроєм MOSHEMT, коли біомолекула присутня в області порожнини. Результати моделювання підтверджуються шляхом їх порівняння з Atlas-TCAD (система автоматизованого проектування атласної технології) та експериментальними даними, що демонструє чудову згоду.

Завантаження

Посилання

H.M. Shaveta, A. Maali, and C. Rishu, “Rapid detection of biomolecules in a dielectric modulated GaN MOSHEMT,” J. Mater. Sci: Mater Electron, 31, 16609–16615 (2020). https://doi.org/10.1007/s10854-020-04216-7

S. Verma, S.A. Loan, and A.G. Alharbi, “Polarization engineered enhancement Mode GaN HEMT: Design and Investigation,” Superlattices Microstruct. 119, 181–193 (2018). https://doi.org/10.1016/j.spmi.2018.04.041

S.A. Loan, S. Verma, and A.R.M. Alamoud, “High performance charge plasma based normally-Off GaN MOSFET,” IET Electron. Lett. 52(8), 656–658 (2016). https://doi.org/10.1049/el.2015.4517

Z. Gu, J. Wang, B. Miao, L. Zhao, X. Liu, D. Wu, and J. Li, “Highly sensitive AlGaN/GaN HEMT biosensors using an ethanolamine modification strategy for bioassay applications,” RSC Advance, 9, 15341–15349 (2019). https://doi.org/10.1039/C9RA02055A

S.N. Mishra, R. Saha, and K. Jena, “Normally-Off AlGaN/GaN MOSHEMT as lebel free biosensor,” ECS J. Solid State Sci. Technol. 9, 1–15 (2020). https://doi.org/10.1149/2162- 8777/aba1cd

S.J. Pearton, B.S. Kang, Kim S. Kim, F. Ren, B.P. Gila, C.R. Abernathy, et al., “GaN-based diodes and transistors for chemical, gas, biological and pressure sensing,” J. Phys: Condens. Matter, 16, R961–R994 (2004). https://doi.org/10.1088/0953-8984/16/29/R02/meta

A. Varghese, C. Periasamy, and L. Bhargava, “Fabrication and charge deduction-based sensitivity analysis of GaN MOS-HEMT device for glucose, MIG, C-erbB-2, KIM-1 and PSA detection,” IEEE Trans. Nanotechnol. 18, 747–755 (2019). https://doi.org/10.1109/TNANO.2019.2928308

A. Koudymov, H. Fatima, G. Simin, J. Yang, M.A. Khan, A. Tarakji, X. Hu, et al., “Maximum current in nitride-based heterostructure Field-Effect Transistors,” Appl. Phys. Lett, 80, 3216–3218 (2002). https://doi.org//10.1063/1.1476054

M.A. Khan, X. Hu, G. Sumin, A. Lunev, J. Yang, R. Gaska, and M.S. Shur, “AlGaN/GaN Metal Oxide Semiconductor Heterostructure Field Effect Transistor,” IEEE Elec. Dev. Letters, 21, 63–65 (2000). https://doi.org//10.1109/55.821668

C.C. Huang, G.Y. Lee, J.I. Chyi, H.T Cheng, C.P Hsu, Y.R Hsu, C.H. Hsu, et al., “AlGaN/GaN high electron mobility transistors for protein–peptide binding affinity study,” Biosens. Bioelectron. 41, 717–722 (2012). https://doi.org/10.1016/j.bios.2012.09.066

J. Cheng, J. Li, B. Miao, J. Wang, Z. Wu, D. Wu, and R. Pei, “Ultrasensitive detection of Hg2+ using oligo nucleotide functionalized AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor,” Appl. Phys. Lett, 105, 083121-1–083121-4 (2014). https://doi.org//abs/10.1063/1.4894277

S.U. Schwarz, S. Linkohr, P. Lorenz, S. Krischok, T. Nakamura, V. Cimalla, C.E. Nebel, and O. Ambacher, “DNA-sensor based on AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistor,” Phys. Status Solidi A, 208, 1626–1629 (2011). https://doi.org/10.1002/pssa.201001041

B.S. Kang, H.T. Wang, T.P. Lele, Y. Tseng, F. Ren, S.J. Pearton, J.W. Johnson, et al., “Prostate specific antigen detection using high electron mobility transistors,” Appl. Phys. Lett. 91, 112106 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2772192

K.H. Chen, B.S. Kang, H.T. Wang, T.P. Lele, F. Ren, Y.L. Wang, C.Y. Chang, et al., “C-erbB-2 sensing using AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors for breast cancer detection,” Appl. Phys. Lett. 92, 192103-1–192103-3 (2008), https://doi.org/abs/10.1063/1.2926656

A. Bouguenna, D. Bouguenna, A.B. Stambouli, and S.A. Loan, “Comparative Study and Modeling of AlGaN/GaN Heterostructure HEMT and MOSHEMT Biosensors,” Ijneam, 16(3), 511–522 (2023). https://doi.org/10.58915/ijneam.v16i3.1268

K. Jena, R. Swain, and T.R. Lenka, “Effect of thin gate dielectrics on dc, radio frequency and linearity characteristics of lattice-matched AlInN/AlN/GaN metal–oxide–semiconductor high electron mobility transistor,” IET Circuits Devices Syst. 10, 423 432 (2016). https://doi.org/10.1049/iet-cds.2015.0332

S. Baskaran, A. Mohanbabu, N. Anbuselvan, N. Mohankumar, D. Godwinraj, and C.K. Sarkar, “Modeling of 2DEG sheet carrier density and DC characteristics in spacer based AlGaN/AlN/GaN HEMT devices,” Superlattices Microstruct. 64, 470–482 (2013). http://dx.doi.org/10.1016/j.spmi.2013.10.019

P. Dwivedi, and A. Kranti, “Applicability of transconductance-to-current ratio (gm/Ids) as a sensing metric for tunnel FET biosensors,” IEEE Sensors J. 17, 1030–1036 (2017). https://doi.org/10.1109/JSEN.2016.2640192

A. Varghese, C. Periasamy, and L. Bhargava, “Analytical modeling and simulation-based investigation of AlGaN/AlN/GaN bio-HEMT sensor for C-erbB-2 detection,” IEEE Sens. J. 18, 9595–9602 (2018). https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2871718

Y.F. Wu, S. Keller, P. Kozodoy, B.P. Keller, P. Parikh, D. Kapolnek, S.P. Denbaars, and U.K. Mishra, “Bias dependent microwave performance of AlGaN/GaN MODFET’s up to 100 V,” IEEE Electron. Dev. Lett. 18, 290–292 (1997). https://doi.org/10.1109/55.585362

W.D. Hu, X.S. Chen, Z.J. Quan, X.M. Zhang, Y. Huang, C.S. Xia, W. Lu, and P.D. Ye, “Simulation and optimization of GaN-based metal-oxide-semiconductor high electromobility-transistor using field-dependent drift velocity model,” J. Appl. Phys. 102, 034502 (2007). http://dx.doi.org/10.1063/1.2764206

O. Ambacher, J. Smart, J.R. Shealy, N.G. Weimann, K. Chu, M. Murphy, W.J. Schaff, et al., “Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face AlGaN/GaN heterostructures,” J. Appl. Phys. 85, 3222–3233 (1999). https://doi.org/10.1063/1.369664

A.M. Bhat, A. Varghese, N. Shafi, and C. Periasamy, “A Dielectrically modulated GaN/AlN/AlGaN MOSHEMT with a nanogap embedded cavity for biosensing applications,” IETE J. Res. 69(3), 1419-1428 (2023). https://doi.org/10.1080/03772063.2020.1869593

Y. Liu, X. He, Y. Dong, S. Fu, Y. Liu, and D. Chen, “The sensing mechanism of InAlN/GaN HEMT,” Cryst. 12, 401 (2022). https://doi.org/10.3390/cryst12030401

Опубліковано
2025-03-03
Цитовано
Як цитувати
Бугенна, А., Феддаг, А., Бугенна, Д., & Бугенна, І. Ф. (2025). Порівняльне дослідження та аналітичне моделювання біосенсоров на основі AlGaN/GaN HEMT та MOSHEMT для виявлення біомолекул. Східно-європейський фізичний журнал, (1), 284-289. https://doi.org/10.26565/2312-4334-2025-1-33
Номер
№ 1 (2025): East European Journal of Physics
Розділ
Статті

Авторське право (c) 2025 Абделла Бугенна, Абдельхаді Феддаг, Дріс Бугенна, Ібрагім Фарук Бугенна

Ліцезія Creative Commons

Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

    • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
    • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).