VD Gold nano particle AEAPTMS Ground

4-3-1-2 矽奈米線經過表面修飾後的電性圖

圖(4-3)表示未經過 AEAPTMS 和金奈米粒子表面修飾前的表面電位圖，通 道表面電位大約位在0.05 V。

圖4-3、矽奈米線場效電晶體未經過 AEAPTMS 和金奈米粒子表面修飾前的表面 電位圖。

圖(4-4)為未經過 AEAPTMS 和金奈米粒子表面修飾前的通道電位分布圖，

可清楚看到通道部份表面電位很低，表示未經任何表面修飾，無帶電之上閘極效 應。

圖4-4、矽奈米線場效電晶體未經過 AEAPTMS 和金奈米粒子表面修飾前的通道 電位分布圖。

圖 4-5、矽奈米線場效電晶體未經過AEAPTMS 和金奈米粒子表面修飾前的能帶 圖。

圖(4-6)為金奈米粒子表面修飾後(帶負電的上閘極)的表面電位圖， 金奈米 粒子的密度為10¹² particles/cm²，相當於電荷密度-10¹² q/cm²，和修飾前的0.05 V 相比，金奈米粒子修飾的結果降低了0.45 V 的表面電位，意指密度為 10¹² particles/cm²的金奈米粒子等同於0.45 V 的帶負電的上閘極效應。

圖4-6、矽奈米線場效電晶體經金奈米粒子表面修飾後(帶負電的上閘極)的表面 電位圖。

圖(4-7)是經過金奈米粒子表面修飾後(帶負電的上閘極)的通道電位分布 圖，可清楚看到表面通道部份的電位和其他 Silicon 的地方的電位相比，表面通 道電位是最低的(呈深藍色的)，有 0.45 V 的負上閘極去空乏(Depletion)本為 N-type 參雜濃度為 10¹⁵ cm^-3通道，使得通道的表面電位最低。

圖 4-7、矽奈米線場效電晶體經過金奈米粒子表面修飾後(帶負電的上閘極)的通 道電位分布圖。

圖(4-8)為經過 AEAPTMS 修飾後(帶正電的上閘極)的表面電位圖，

AEAPTMS 密度為 10¹² particles/cm²，相當於電荷密度10¹² q/cm²，和修飾前的0.05 V 相比 AEAPTMS 修飾的結果提升了 0.35 V 的表面電位，意指密度為 10¹² particles/cm²的AEAPTMS 等同於 0.35 V 的帶正電的上閘極效應。

圖4-8、矽奈米線場效電晶體經過 AEAPTMS 修飾後(帶正電的上閘極)的表面電 位圖。

圖(4-9)為經過金奈米粒子表面修飾後(帶負電的上閘極)的能帶圖，由於 0.45 V 的負上閘極去空乏通道，使得同為 N-type 的源極和汲極端和通道相比，電位 能落差更大[32, 33]。

圖4-9、矽奈米線場效電晶體經過金奈米粒子表面修飾後(帶負電的上閘極)的能 帶圖。

圖(4-10)為經過 AEAPTMS 表面修飾後(帶正電的上閘極)的能帶圖，由於 0.35 V 的帶正電的上閘極去增強通道，使得同為 N-type 的源極和汲極端和通道相比，

電位能落差變小[32, 33]。

圖4-10、矽奈米線場效電晶體經過 AEAPTMS 修飾後(帶正電的上閘極)的能帶圖。

圖(4-11)是經 AEAPTMS 表面修飾後(帶正電的上閘極)的通道電位分布圖，

可清楚看到表面通道部份的電位和其他Silicon 的地方的電位相比，表面通道電 位是最高的(呈橘紅色)，有 0.35 V 的帶正電的上閘極去增強(Enhance)本為 N-type 參雜濃度為10¹⁵ cm^-3通道，使得通道的表面電位提高許多。

Positive Charge@Vbg=3V Negitive Charge@Vbg=3V No Charge@Vbg=3V

Q@Vd=0.5V

Sensitivity（靈敏度）的定義[34]：

S = (|G − G

|)/( G

) = ΔG/G

G

= [ q μ

N

(W)(H)]/ L= qN

WH/(L)

未加電荷前的矽奈米線電導值:

ΔG=(I-I

)/(ΔV

)

G: Conductance (S)

q : the Electronic Charge(1.6x10^-19 C)

μn : the Mobility of the Electron(1450 cm²/V-s)

ND :Uniform Continuous Donor Doping Density(cm^-3) W: Nano-wire Channel Width (cm)

H: Nano-wire Channel Thickness (cm) L: Nano-wire Channel Length (cm)

圖（4-12）模擬的結構條件為最佳化後之條件：

L=1 μm，W=50 nm，H=35 nm，ND=1e15 cm^-3:

G

= [q μ

ND (W)(H)]/ L= qμ

N

WH/(L)

G0=0.0406 S

z Positive Charge: (C=1e12 q/cm²)

△G=[Adding Positive Charge (I)]-[ No Charge (I)]=2.740196078 S=(2.740196078)/(0.0406)=67.49251424

加上相當於正電荷濃度為 1e12 q/cm²後的電導值變化量為2.740196078;參雜 濃度1e15 cm^-3，通道長度為1 μm，寬度為 50 nm 的最佳化的情況下，未加電荷前 的矽奈米線電導值為0.0406 S，根據上述靈敏度公式定義計算，此條件下外加正 電荷後的靈敏度極限為67.49251424。

z Negative charge: (C=-1e12 q/cm²)

△G=[Adding Negative Charge (I)]-[ No Charge (I)]=0.924016862 S=(0.924016862)/(0.0406)=2.275903616

加上相當於負電荷濃度為 1e12 q/cm²後的電導值變化量為0.924016862;參雜 濃度1e15 cm^-3，通道長度為1 μm，寬度為 50 nm 的最佳化的情況下，未加電荷前 的矽奈米線電導值為0.0406 S，根據上述靈敏度公式定義計算，此條件下外加正 電荷後的靈敏度極限為2.275903616。

奈米線用來作為生物分子感應器早已被廣泛應用，由於奈米尺度下具有高 的表面積比，當有生物分子吸附在奈米線上時，生物分子上面所帶的電荷會改變 奈米線場效電晶體的電性。

4-3-2 蕭特基接面奈米線之生物感測器 4-3-2-1 元件結構和參數

1. Device: Schottky Barrier Nanowire 2. Workfunction: NiSi: 4.65 eV 3. Channel width: 50 nm

元件最佳化後，選定通道寬度為50 nm。

4. Channel length: 1 μm

元件最佳化後，選定通道長度為1 μm。

5. Channel thickness: 35 nm

6. Si Doping concentration: n-type 10¹⁵ cm^-3

元件最佳化後，選定通道參雜濃度為10¹⁵cm^-3。 7. Source/Drain concentration: n-type 10²⁰ cm-³ 8. Bulk Oxide thickness: 150 nm

9. Substrate Si Doping concentration: p-type 10¹⁵cm^-3 10. AEAPTMS thickness: 1 nm

根據實驗數據，SAM 上 AEAPTMS 後的膜厚度為 1nm，由於實際 AEAPTMS 分子密度目前尚未能確定，在此論文討論時先設定10¹² particles/cm²。^，

→AEAPTMS: 10¹² particles/cm² → C=10¹² q/cm²

11. Gold Nano Particles density: 1.3x10¹¹ particles / cm²~ 2.71x10¹² particles /cm² 根據實驗數據，金奈米粒子的密度範圍，在此論文先設定10¹² particles / cm² 10¹² particles/cm²→C=-10¹² q/cm² 。

圖4-13、在蕭特基奈米線通道上經過表面修飾(AEAPTMS 和金奈米粒子)示意 圖。

圖4-14、蕭特基奈米線通道上經過表面修飾(AEAPTMS 和金奈米粒子)相當於有 一個上電極極(副閘極)示意圖。

VD Ground

AEAPTMS