王鈺妍

（上海電力大學(xué)，上海 200120）

離子敏感場效應(yīng)晶體管（Ion-Sensitive Field Effect Transistor，ISFET）作為一種微型的離子濃度選擇元件，是目前使用十分廣泛的檢測生物化學(xué)信號(hào)的敏感器件。1970年BERGVELD首次提出了ISFET的概念[1]，它是在MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，基于電化學(xué)與生物環(huán)境的離子活動(dòng)的基本原理，對(duì)柵極進(jìn)行改進(jìn)得到的新型器件。后續(xù)，1979年，ABE對(duì)采用了不同的柵極材料制成的ISFET分析其靈敏度與穩(wěn)定性，大大增強(qiáng)了其性能[2]。

ISFET在各個(gè)領(lǐng)域中都有廣泛應(yīng)用。目前主要的應(yīng)用是在生物醫(yī)學(xué)中，如人體內(nèi)血糖濃度動(dòng)態(tài)監(jiān)測[3]、大型無脊椎動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞的電生理活動(dòng)的檢測[4]、麥芽糖結(jié)合蛋白的表面結(jié)構(gòu)改變監(jiān)測[5]等方面。此外，ISFET在地表水和廢水以及地質(zhì)屏障的檢測[6]、爆炸物濃度檢測[7]和有毒物質(zhì)的探測等方面也有不俗的表現(xiàn)。本文基于TCAD仿真建模軟件對(duì)ISFET進(jìn)行建模，由于該軟件素材庫中沒有直接給出液體電解質(zhì)模型，首先根據(jù)電解質(zhì)溶液與半導(dǎo)體材料中的相似性在TCAD軟件中進(jìn)行自建材料，然后采用了無結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于ISFET上，對(duì)ISFET結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提升了其器件的精度與靈敏度。

1 ISFET簡介

ISFET的基本器件結(jié)構(gòu)與MOSFET非常相似，在ISFET的結(jié)構(gòu)中，用一層離子敏感傳感膜代替了MOSFET的金屬柵。該膜與電解質(zhì)直接接觸，用于檢測分析物中離子的濃度。其柵連接與芯片分離，以參比電極的形式插入在與柵氧化物接觸的水溶液中，鈍化的氮氧化物可以作為離子敏感膜[8]。ISFET的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電解液中離子濃度的變化導(dǎo)致柵極電壓的變化。其中最常用的是測量溶液中pH數(shù)值變化的器件。

圖1 ISFET結(jié)構(gòu)圖

ISFET靈敏度在數(shù)值上采用閾值電壓的變化量與溶液pH變化的導(dǎo)數(shù)求得，物理上則表示為每變化1個(gè)pH造成的閾值電壓的偏移量。

靈敏度簡化計(jì)算公式為：

2 建模理論與計(jì)算

2.1 電解質(zhì)溶液

半導(dǎo)體材料中電子與空穴和電解質(zhì)溶液里的陰陽離子濃度的相似性，可將陰陽離子視為電子與空穴進(jìn)行仿真，將其模擬為本征半導(dǎo)體材料[8]。對(duì)pH值不同的電解質(zhì)溶液分別建模。

本征半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶、價(jià)帶、費(fèi)米能級(jí)滿足：

以測量pH值的ISFET為例進(jìn)行建模。

水溶液中會(huì)發(fā)生微弱的電離如下：

且在T=300 K時(shí)，該電解質(zhì)溶液都需要滿足電離平衡條件：

且有：

類似于半導(dǎo)體中的載流子計(jì)算：ni=np=[H+][OH-]=KW（NA10-3）2，其中NA為阿伏伽德羅常數(shù)。

電解液中的電荷分布滿足玻爾茲曼分布，有效態(tài)密度與載流子密度有如下關(guān)系：

本文選擇帶隙為2 eV的半導(dǎo)體材料進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 有效狀態(tài)密度計(jì)算

2.2 電解質(zhì)溶液/半導(dǎo)體界面邊界條件

由于分子尺寸不可能無限小，在接近電解質(zhì)/器件接觸面上，會(huì)存在一層薄薄的無電荷分布區(qū)域，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)近似于電容，稱之為stern層。Bergveld的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)其厚度為1 nm，其值為20μF/cm2的時(shí)候[9]，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響最小。ISFET的轉(zhuǎn)移特性曲線仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 ISFET的轉(zhuǎn)移特性曲線仿真結(jié)果

從該轉(zhuǎn)移特性曲線上可以看出，隨著pH值的增加，該器件的閾值電壓在隨之線性增加，因此可以通過閾值電壓的數(shù)值來反推出該電解質(zhì)溶液的pH值，說明建模成功。

3 無結(jié)型離子敏感場效應(yīng)管的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的MOSFET器件的襯底與電極區(qū)摻雜相反，器件內(nèi)部有兩個(gè)pn結(jié)，分別是源極柵極結(jié)與漏極柵極結(jié)。在無結(jié)型ISFET中，源極漏級(jí)以及襯底的摻雜極性相同，無pn結(jié)。傳統(tǒng)的離子敏感場效應(yīng)管在靈敏度于工藝復(fù)雜等原因上已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的需要，沒有競爭優(yōu)勢。本文采用了無結(jié)型場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)來仿真模擬離子敏感場效應(yīng)管，以提升器件性能。無結(jié)型場效應(yīng)管具有如下優(yōu)點(diǎn)：①無結(jié)型ISFET擴(kuò)散程度小。傳統(tǒng)的MOSFET器件柵源兩端摻雜與襯底會(huì)存在濃度差故而產(chǎn)生擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致?lián)诫s濃度降低影響器件精度，導(dǎo)致器件使用時(shí)間受限。無結(jié)型的場效應(yīng)管在源漏極與襯底有相同的摻雜類型與摻雜濃度，因此不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散效應(yīng)，可以有效提高器件使用壽命。②與隨著工藝的進(jìn)步，器件的尺寸越來越小，要想在納米級(jí)別的MOS管的兩邊進(jìn)行極高的摻雜濃度梯度摻雜，必須使用非常低的熱預(yù)算處理，例如閃速退火技術(shù)，目前用于在很短的時(shí)間內(nèi)加熱硅[10]。而無結(jié)型的場效應(yīng)管可以通過整體化的制造方式，工藝簡單，便于大量生產(chǎn)。

無結(jié)型ISFET的轉(zhuǎn)移特性曲線仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 無結(jié)型ISFET的轉(zhuǎn)移特性曲線仿真結(jié)果

4 結(jié)論

在兩器件上施加相同的柵源電壓的情況下（如1.4 V），從仿真結(jié)果可以看出無結(jié)型ISFET的漏源電流大于普通型ISFET。由于器件在工作時(shí)需要讀取、處理的數(shù)據(jù)是器件剛導(dǎo)通時(shí)的電壓，即漏源電流開始變化時(shí)的電壓數(shù)值，故較大的漏源電流會(huì)使后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過程產(chǎn)生的誤差減小，有利于提高器件運(yùn)行的精度。

閾值電壓與pH值的變化關(guān)系如圖5所示，器件的靈敏度大小為圖5中折線的斜率。計(jì)算得知傳統(tǒng)ISFET的靈敏度為S1=58.75 mV/pH，無結(jié)型ISFET的靈敏度為S2=81.25 mV/pH。結(jié)果顯示，采用無結(jié)型的ISFET有效提升了器件的靈敏性，突破了能斯特極限。在實(shí)際應(yīng)用中，高靈敏度的ISFET器件更適合用于對(duì)于測量結(jié)果精確程度要求較高，或者是待測量溶液中離子濃度變化較小的情況。

圖5 閾值電壓與pH值的變化關(guān)系

本文成功設(shè)計(jì)出了一種靈敏度高的場效應(yīng)管器件，該器件的工業(yè)生產(chǎn)工藝要求相比傳統(tǒng)的ISFET器件也有一定降低。目前還沒有正式商業(yè)生產(chǎn)的無結(jié)型ISFET器件，為了使該器件能夠盡快進(jìn)入商用階段，將來還需要對(duì)其在各個(gè)方面的性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。