離子敏感場效應管的結構優(yōu)化建模

王鈺妍

（上海電力大學，上海 200120）

離子敏感場效應晶體管（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信號的敏感器件。1970年BERGVELD首次提出了ISFET的概念[1]，它是在MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）的結構基礎上，基于電化學與生物環(huán)境的離子活動的基本原理，對柵極進行改進得到的新型器件。后續(xù)，1979年，ABE對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，大大增強了其性能[2]。

ISFET在各個領域中都有廣泛應用。目前主要的應用是在生物醫(yī)學中，如人體內血糖濃度動態(tài)監(jiān)測[3]、大型無脊椎動物神經細胞的電生理活動的檢測[4]、麥芽糖結合蛋白的表面結構改變監(jiān)測[5]等方面。此外，ISFET在地表水和廢水以及地質屏障的檢測[6]、爆炸物濃度檢測[7]和有毒物質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ISFET進行建模，由于該軟件素材庫中沒有直接給出液體電解質模型，首先根據電解質溶液與半導體材料中的相似性在TCAD軟件中進行自建材料，然后采用了無結型場效應管的結構應用于ISFET上，對ISFET結構進行改進，提升了其器件的精度與靈敏度。

1 ISFET簡介

ISFET的基本器件結構與MOSFET非常相似，在ISFET的結構中，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的結構如圖1所示。電解液中離子濃度的變化導致柵極電壓的變化。其中最常用的是測量溶液中pH數(shù)值變化的器件。

圖1 ISFET結構圖

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

靈敏度簡化計算公式為：

2 建模理論與計算

2.1 電解質溶液

半導體材料中電子與空穴和電解質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行仿真，將其模擬為本征半導體材料[8]。對pH值不同的電解質溶液分別建模。

本征半導體中，導帶、價帶、費米能級滿足：

以測量pH值的ISFET為例進行建模。

水溶液中會發(fā)生微弱的電離如下：

且在T=300 K時，該電解質溶液都需要滿足電離平衡條件：

且有：

類似于半導體中的載流子計算：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系：

本文選擇帶隙為2 eV的半導體材料進行仿真計算，結果如圖2所示。

圖2 有效狀態(tài)密度計算

2.2 電解質溶液/半導體界面邊界條件

由于分子尺寸不可能無限小，在接近電解質/器件接觸面上，會存在一層薄薄的無電荷分布區(qū)域，其結構特點近似于電容，稱之為stern層。Bergveld的實驗結果顯示，當其厚度為1 nm，其值為20μF/cm2的時候[9]，對實驗數(shù)據的影響最小。ISFET的轉移特性曲線仿真結果如圖3所示。

圖3 ISFET的轉移特性曲線仿真結果

從該轉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溶液的pH值，說明建模成功。

3 無結型離子敏感場效應管的設計

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

無結型ISFET的轉移特性曲線仿真結果如圖4所示。

圖4 無結型ISFET的轉移特性曲線仿真結果

4 結論

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

閾值電壓與pH值的變化關系如圖5所示，器件的靈敏度大小為圖5中折線的斜率。計算得知傳統(tǒng)ISFET的靈敏度為S1=58.75 mV/pH，無結型ISFET的靈敏度為S2=81.25 mV/pH。結果顯示，采用無結型的ISFET有效提升了器件的靈敏性，突破了能斯特極限。在實際應用中，高靈敏度的ISFET器件更適合用于對于測量結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值的變化關系

本文成功設計出了一種靈敏度高的場效應管器件，該器件的工業(yè)生產工藝要求相比傳統(tǒng)的ISFET器件也有一定降低。目前還沒有正式商業(yè)生產的無結型ISFET器件，為了使該器件能夠盡快進入商用階段，將來還需要對其在各個方面的性能進行進一步優(yōu)化。