王鈺妍，戴萬玲

（上海電力大學(xué)，上海 200000）

離子敏感場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）的基本結(jié)構(gòu)上，通過改進(jìn)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(cè)量電解質(zhì)溶液中特定離子濃度的特點(diǎn)，是目前生物化學(xué)信號(hào)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(jìn)，ISFET目前被應(yīng)用于各行各業(yè)。例如，醫(yī)學(xué)研究中的酶測(cè)量傳感器[2]、癌細(xì)胞周圍環(huán)境測(cè)量[3]、T2免疫細(xì)胞測(cè)量[4]等。此外，還可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)微型傳統(tǒng)系統(tǒng)[5]、地表水質(zhì)監(jiān)測(cè)[6]、農(nóng)藥污染度檢測(cè)[7-8]等。與傳統(tǒng)的傳感器相比，ISFET有高靈敏度、響應(yīng)時(shí)間短、體積小、低成本、集成度高等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)離子濃度變化時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致柵極電壓的改變，無需對(duì)待測(cè)離子進(jìn)行額外標(biāo)記[9]，使器件結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)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(dǎo)體材料，相比于第一代半導(dǎo)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(cè)量元件中使用。本文結(jié)構(gòu)分為如下部分：首先對(duì)ISFET的工作原理進(jìn)行詳細(xì)介紹與計(jì)算；然后用TCAD軟件對(duì)pH值測(cè)量ISFET進(jìn)行仿真建模，并且對(duì)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(duì)氮化鎵材料組成的器件進(jìn)行仿真模擬，并與傳統(tǒng)的器件進(jìn)行對(duì)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(dāng)電解質(zhì)溶液中被測(cè)量的離子濃度發(fā)生變化時(shí)，與其直接接觸的離子敏感膜會(huì)發(fā)生電位變化，接著會(huì)導(dǎo)致參比電極上的電壓數(shù)值變化。最終，利用數(shù)據(jù)測(cè)量裝置處理并分析所得的電壓值，即可計(jì)算此時(shí)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(dāng)器件溝道區(qū)恰好達(dá)到強(qiáng)反型時(shí)的柵極電壓，公式如下，

其中：Δφ是金屬與半導(dǎo)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(dá)到強(qiáng)反型時(shí)的電壓。當(dāng)采用同種材料組成器件時(shí)，這些參數(shù)都為固定值。

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

其中：Eref是參比電極的初始設(shè)定恒定電勢(shì)，為固定值；φ0為電解質(zhì)與器件接觸面的表面電勢(shì)，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(jì)算如下。

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

通過上述兩個(gè)公式即可計(jì)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(jiǎn)述

對(duì)ISFET建模時(shí)，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(dǎo)體材料進(jìn)行建模仿真。TCAD軟件自建材料時(shí)需要自行設(shè)定NC，NV兩個(gè)參數(shù)。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[11]采用Eg=1.5 eV的材料進(jìn)行仿真，計(jì)算值見表1。

表1 有效狀態(tài)密度計(jì)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(jì)算如圖3所示，折線的斜率為器件的靈敏度。經(jīng)過計(jì)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(duì)于這種高靈敏度器件，可以用于精密設(shè)計(jì)的傳感器中，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)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(shí)會(huì)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(chǎng)合。

圖3 靈敏度計(jì)算

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于氮化鎵材料對(duì)離子敏感場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dǎo)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(diǎn)。在進(jìn)行pH值測(cè)量時(shí)，其使用壽命會(huì)更長(zhǎng)，且無需對(duì)其進(jìn)行額外的防腐蝕封裝鍍層?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，采用氮化鎵材料會(huì)使得pH值測(cè)量的ISFET的制造工藝難度降低，造價(jià)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(jìn)一步提升，早日投入到商業(yè)使用中，未來還需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化進(jìn)步。