一種提高離子敏感場效應晶體管靈敏度的方法

馬逸晨 李國鑫

（上海電力大學 上海市 201306）

隨著微電子學的不斷發展，人們對場效應晶體管的研究也不斷深入。1970年P.Bergveld 將MOSFET 去掉金屬柵極，使絕緣體直接與電解質接觸，得到的源漏電流與電解質離子濃度呈線性關系，從此揭開了離子敏感場效應晶體管的研究（離子敏感場效應晶體管）[1]。目前該器件已經廣泛應用于pH 傳感器、生物醫療、環境監測等多個研究領域[2]。離子敏感場效應晶體管的快速發展歸功于他的尺寸小、靈敏度高，并且具有良好的CMOS 工藝兼容性，可簡化生產工藝的同時提高產量[3]。這使得離子敏感場效應晶體管有成為高精度、高靈敏度離子傳感器的潛力。盡管如此，離子敏感場效應晶體管仍有一些限制和功能需要完善。例如，人們會追求更高的靈敏度、更低的檢測下限，但是受能斯特極限的影響，離子敏感場效應晶體管的靈敏度被限制在59.16mV/pH[4]。

本文在研究離子敏感場效應晶體管的結構、原理的基礎上提出了一種新的研究方法。該方法需要在傳統離子敏感場效應晶體管的硅襯底下方加一層埋氧化層，然后加上對應金屬柵極（背柵），通過分析不同pH 值下背柵電壓和源漏電流之間的I-V 特性來研究器件的靈敏度。

1 離子敏感場效應晶體管簡介

離子敏感場效應晶體管是電極制造技術與固態微電子學相結合的產物，具有和MOSFET 相類似的結構。不同的是，MOSFET 采用金屬導電介質作為柵極材料，而離子敏感場效應晶體管則采用待測溶液作為柵極。離子敏感場效應晶體管根據敏感膜可以分為以下幾種[5]：

（1）無機離子敏感場效應晶體管：無機離子敏感場效應晶體管的敏感膜一般采用各種絕緣材料（SiO2）或是固態薄膜，常被設計為pH 傳感器用于檢測溶液中的H+濃度。

（2）酶型離子敏感場效應晶體管：酶型離子敏感場效應晶體管是一種典型的生物傳感器，其特點是在柵極表面有一層固定酶膜用于檢測待測底物的生物分子。器件工作時，固定酶膜會和待測底物發生反應釋放可以改變閾值電壓的H+離子。

（3）免疫離子敏感場效應晶體管：免疫離子敏感場效應晶體管是由具有免疫反應的分子識別功能敏感膜與離子敏感場效應晶體管相結合所構成。它分為非標記免疫和標記免疫兩種類型。非標記免疫離子敏感場效應晶體管是將抗體分子固定在敏感膜上，由此抗體可以和抗原在敏感膜表面相互結合，形成復合物，從而引起敏感膜上的電荷密度的變化，最終改變閾值電壓；而標記免疫離子敏感場效應晶體管是在抗原中加入一定量的酶標記抗原，酶標記抗原和未標記的抗原都可能會和膜表面的抗體結合，形成復合物，通過對標記酶量的檢測從而獲得待測物的信息。

（4）組織離子敏感場效應晶體管：組織離子敏感場效應晶體管是由動物或植物的組織切片作為識別物所形成的生物傳感器件。由于組織切片只是生物體的局部，組織細胞內的酶品種數量及比例可能和完整生命整體中微生物酶品種相差較大，因此組織離子敏感場效應晶體管具有較高的選擇性。組織離子敏感場效應晶體管本質上也是酶離子敏感場效應晶體管的一種，只不過這種酶存在于天然的動植物組織內，在其他生物分子的協同作用下狀態十分穩定。

（5）微生物離子敏感場效應晶體管：微生物離子敏感場效應晶體管是具有分子識別能力的傳感器件。他的原理是利用微生物與某些物質間的特定轉化，產生能被離子敏感場效應晶體管檢測到的電信號。微生物離子敏感場效應晶體管按照工作原理可以分為兩種：一種是利用微生物在同化底物的呼吸作用；另一種是利用微生物中的各種酶，這和組織離子敏感場效應晶體管類似。

2 離子敏感場效應晶體管工作原理

本文針對常見的無機離子敏感場效應晶體管（pH 傳感器）進行研究。在傳統離子敏感場效應晶體管的結構上稍作修改，如圖1所示。

從圖1中可以看出，pH 離子敏感場效應晶體管的溝道采用的是p 型硅。源極和漏極分別采用N+和P+重摻雜，這樣做的目的是為了讓測量結果更為精準。此外，在溝道的下方結構替換為一層SiO2埋氧化層（傳統器件采用p 型硅襯底）。絕緣層材料對器件的靈敏度會產生一定的影響，一般采用SiO2、Al2O3、Si3N4、Ta2O5等[6]。

在器件工作時,離子敏感場效應晶體管的絕緣層直接與待檢測溶液接觸，待測溶液中需要放置一個參比電極來施加電壓。這樣就可以將待檢測溶液視為一個溶液柵（也叫流體柵）,它和絕緣層界面處產生的界面反應會對離子敏感場效應晶體管的p 型硅溝道表面反型層的形成起到調制作用，從而改變流體柵壓和源漏電流I-V 特性的閾值電壓[7]。所以離子敏感場效應晶體管對溶液中離子活度的響應可由電化學勢對閾值電壓（Vth）的影響來表征。對于結構確定了的離子敏感場效應晶體管來說閾值電壓的變化只取決于待檢測溶液和絕緣柵界面的電化學勢變化，而電化學勢的大小取決于絕緣層材料以及溶液的離子活度，這種關系可以用能斯特響應進行描述：

其中φ1是待檢測溶液和絕緣柵界面的電化學勢，φ0是常數，F是法拉第常數，R 是氣體常數，T 是熱力學溫標下的溫度，ai是待檢測溶液的離子活度，Zi是離子價數。

根據能斯特響應可知，閾值電壓和待檢測溶液中離子活度的對數（pH 值）具有線性關系，該直線的斜率就是離子敏感場效應晶體管的靈敏度。在室溫下（25℃），一價離子的響應斜率為59.16mV/pH（能斯特極限）。

2.1 流體柵壓測量法

由上一節可知閾值電壓的變化與pH 值的變化呈線性關系，離子敏感場效應晶體管的靈敏度就可以用閾值電壓來表征：

其中Sensitivity 是器件的靈敏度。離子敏感場效應晶體管閾值電壓的通常與MOSFET 類似，定義為器件導通（源極漏極間的溝道開始產生電流）時的流體柵臨界電壓，這就是離子敏感場效應晶體管測量pH 值的傳統方法，該方法受能斯特極限的影響，器件的靈敏度只能達到59.16mV/pH。也就是說在pH 值發生變化時，器件的閾值電壓變化僅有59.16mV。在從事一些高精度測量工作時，使用該方法顯然會帶來較大的誤差。

2.2 背柵電壓測量法

由于流體柵壓測量法的靈敏度受能斯特極限的影響，我們考慮采用測量背柵電壓來替代流體柵壓。該方法的前提是需要將傳統的p 型硅襯底替換為一層較厚SiO2的埋氧化層。由于埋氧化層的厚度相對絕緣層來說更厚，pH 變化時，相較流體柵極而言需要往背柵施加更多的電壓才能在溝道中形成導電溝道，器件才會導通。這就意味著pH 改變時，閾值電壓的變化趨勢將會變得更大。

圖1：離子敏感場效應晶體管結構圖

圖2：流體柵壓和背柵電壓測量法對比圖

3 仿真分析

為了驗證背柵電壓測量法的可行性，使用TCAD 仿真平臺的ATLAS 工具對圖1的結構進行了仿真分析。這里將源極和漏極采用不同的摻雜方式，這樣無論施加多少流體柵（或背柵）電壓器件都會導通，閾值電壓會出現在溝道載流子耗盡時電流的最低點，對于閾值電壓的確定更加準確。

仿真時將源極接地，絕緣層材料采用SiO2，溝道厚度為20nm，源漏電壓設置為400mV，分別仿真了pH=4 至pH=10 時流體柵壓測量法和背柵電壓測量法的I-V 特性，如圖2所示。可以從圖中得出，采用流體柵壓測量法仿真得到的靈敏度為59.5mV/pH，與能斯特極限基本一致，證明了仿真結果的準確性。采用背柵電壓測量法仿真得到的I-V 特性與流體柵壓測量法的I-V 特性具有類似的特征，但曲線的變化趨勢更加明顯，且器件的靈敏度也提高至了209.04mV/pH，是能斯特極限的3 倍之多。證明了背柵電壓測量法可以提高離子敏感場效應晶體管靈敏度的可行性。

4 結論

本文在傳統離子敏感場效應晶體管的基礎上對其結構進行改進，對提升器件的靈敏度進行了研究。首先對離子敏感場效應場效應晶體管進行了簡單的介紹，其次基于離子敏感場效應晶體管的工作原理對傳統的流體柵壓測量法進行了分析，由于受能斯特極限的影響，流體柵壓測量法所得到的器件靈敏度約為59mV/pH，然后將傳統離子敏感場效應晶體管溝道下方的p 型硅襯底替換為SiO2埋氧化層，采用背柵電壓測量法分析靈敏度。在理論成立的基礎上通過仿真實驗驗證了該方法可以將離子敏感場效應晶體管的靈敏度提升至209.04mV/pH，為離子敏感場效應晶體管的研究提供了新的思路。