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        基于氮化鎵的離子敏感場效應(yīng)管建模分析

        2022-05-17 07:56:44王鈺妍戴萬玲
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2022年13期
        關(guān)鍵詞:柵極氮化電解質(zhì)

        王鈺妍,戴萬玲

        (上海電力大學,上海 200000)

        離子敏感場效應(yīng)晶體管(Ion-Sensitive Field Ef fect Transistor,ISFET)最早是在1970年,由BER教授提出[1]。它是在傳統(tǒng)的金屬氧化物場效應(yīng)管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)的基本結(jié)構(gòu)上,通過改進柵極的構(gòu)成得到的一種新型器件。與MOSFET相比,ISFET具有可以直接測量電解質(zhì)溶液中特定離子濃度的特點,是目前生物化學信號傳感器的重要組成元件。ISFET的靈敏度上限稱之為能斯特極限,其值大約為59 mV/pH。

        經(jīng)過幾十年的發(fā)展改進,ISFET目前被應(yīng)用于各行各業(yè)。例如,醫(yī)學研究中的酶測量傳感器[2]、癌細胞周圍環(huán)境測量[3]、T2免疫細胞測量[4]等。此外,還可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測微型傳統(tǒng)系統(tǒng)[5]、地表水質(zhì)監(jiān)測[6]、農(nóng)藥污染度檢測[7-8]等。與傳統(tǒng)的傳感器相比,ISFET有高靈敏度、響應(yīng)時間短、體積小、低成本、集成度高等優(yōu)點。當離子濃度變化時,會直接導致柵極電壓的改變,無需對待測離子進行額外標記[9],使器件結(jié)構(gòu)更加簡單,利于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

        氮化鎵材料是目前研究的新型第三代半導體材料,相比于第一代半導體材料硅來說,它的性能更加良好,工作電壓高,耐高溫,耐酸堿腐蝕。這些性質(zhì)能夠使其更好的在pH值測量元件中使用。本文結(jié)構(gòu)分為如下部分:首先對ISFET的工作原理進行詳細介紹與計算;然后用TCAD軟件對pH值測量ISFET進行仿真建模,并且對于TCAD中無電解質(zhì)溶液模型的問題用自定義材料的方式解決;最后,對氮化鎵材料組成的器件進行仿真模擬,并與傳統(tǒng)的器件進行對比分析。

        1 ISFET的工作原理

        1.1 結(jié)構(gòu)

        ISFET器件的結(jié)構(gòu)組成與MOSFET的結(jié)構(gòu)十分相似,將MOSFET柵極金屬部分去除,然后用離子敏感膜、電解質(zhì)溶液和參比電極取代即可得到ISFET,如圖1所示。頂部施加電壓的液體也可稱為液柵。當電解質(zhì)溶液中被測量的離子濃度發(fā)生變化時,與其直接接觸的離子敏感膜會發(fā)生電位變化,接著會導致參比電極上的電壓數(shù)值變化。最終,利用數(shù)據(jù)測量裝置處理并分析所得的電壓值,即可計算此時的離子濃度數(shù)值。

        圖1 ISFET結(jié)構(gòu)圖

        1.2 工作原理

        MOSFET閾值電壓是指當器件溝道區(qū)恰好達到強反型時的柵極電壓,公式如下,

        其中:Δφ是金屬與半導體功函數(shù)差;COX為柵極氧化物單位面積電容;QOX,QSS,QB分別為氧化物上的積累電荷、界面上的累積電荷、絕緣層中的耗盡電荷;2φF為溝道區(qū)襯底達到強反型時的電壓。當采用同種材料組成器件時,這些參數(shù)都為固定值。

        ISFET閾值電壓的計算可以看做兩部分組成,與MOSFET結(jié)構(gòu)相同的部分,會有相同的電壓。此外,ISFET中還有兩個新的電勢:參比電極上的恒定電勢與電解質(zhì)溶液界面勢。計算公式如下,

        其中:Eref是參比電極的初始設(shè)定恒定電勢,為固定值;φ0為電解質(zhì)與器件接觸面的表面電勢,與溶液中的pH值相關(guān)。可以看出,VT只與電解質(zhì)溶液中的pH值有關(guān),相關(guān)計算如下。

        假設(shè)加入的是單價鹽溶液,在電解液與器件接觸面會發(fā)生如下反應(yīng),

        通過上述兩個公式即可計算出φ0與H+濃度之間的關(guān)系,即VT與電解質(zhì)溶液pH值的變化關(guān)系。

        2 氮化鎵ISFET的建模

        2.1 建模簡述

        對ISFET建模時,TCAD軟件中無電解質(zhì)溶液的模型可以使用。故將電解質(zhì)溶液自定義為一種半導體材料進行建模仿真。TCAD軟件自建材料時需要自行設(shè)定NC,NV兩個參數(shù)。本文結(jié)合相關(guān)文獻[11]采用Eg=1.5 eV的材料進行仿真,計算值見表1。

        表1 有效狀態(tài)密度計算

        2.2 性能分析

        硅ISFET器件與氮化鎵ISFET的仿真結(jié)果如圖2所示,展示了其在不同pH值下的轉(zhuǎn)移特性曲線。器件的靈敏度計算如圖3所示,折線的斜率為器件的靈敏度。經(jīng)過計算,傳統(tǒng)ISFET的靈敏度約為49 mV/pH,而氮化鎵ISFET的靈敏度為70 mV/pH。結(jié)果表明,氮化鎵器件突破了能斯特極限,提高了ISFET的性能。對于這種高靈敏度器件,可以用于精密設(shè)計的傳感器中,使測量結(jié)果更加準確。

        圖2 不同ISFET的仿真結(jié)果

        從圖3中還可以看出,基于氮化鎵的ISFET比傳統(tǒng)SIFET的工作電壓要高很多。在采集到數(shù)據(jù)后,需要經(jīng)過放大,濾波等數(shù)據(jù)處理方式。采集到的數(shù)據(jù)較大時會使得在數(shù)據(jù)處理過程中減小誤差,更適合于精度要求高的場合。

        圖3 靈敏度計算

        3 結(jié)束語

        本文基于氮化鎵材料對離子敏感場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化,在TCAD中仿真得到了一種工作電壓更高,靈敏度更高的器件。作為第三代半導體材料,氮化鎵有耐酸堿腐蝕,穩(wěn)定性相比于硅更好的特點。在進行pH值測量時,其使用壽命會更長,且無需對其進行額外的防腐蝕封裝鍍層?;谏鲜鎏攸c,采用氮化鎵材料會使得pH值測量的ISFET的制造工藝難度降低,造價成本下降,更有利于大規(guī)模生產(chǎn)制造。為了使ISFET的性能進一步提升,早日投入到商業(yè)使用中,未來還需要對其結(jié)構(gòu)進行繼續(xù)優(yōu)化進步。

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