离子敏感场效应管的结构优化建模

王钰妍

（上海电力大学，上海 200120）

离子敏感场效应晶体管（Ion-Sensitive Field Effect Transistor，ISFET）作为一种微型的离子浓度选择元件，是目前使用十分广泛的检测生物化学信号的敏感器件。1970年BERGVELD首次提出了ISFET的概念[1]，它是在MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）的结构基础上，基于电化学与生物环境的离子活动的基本原理，对栅极进行改进得到的新型器件。后续，1979年，ABE对采用了不同的栅极材料制成的ISFET分析其灵敏度与稳定性，大大增强了其性能[2]。

ISFET在各个领域中都有广泛应用。目前主要的应用是在生物医学中，如人体内血糖浓度动态监测[3]、大型无脊椎动物神经细胞的电生理活动的检测[4]、麦芽糖结合蛋白的表面结构改变监测[5]等方面。此外，ISFET在地表水和废水以及地质屏障的检测[6]、爆炸物浓度检测[7]和有毒物质的探测等方面也有不俗的表现。本文基于TCAD仿真建模软件对ISFET进行建模，由于该软件素材库中没有直接给出液体电解质模型，首先根据电解质溶液与半导体材料中的相似性在TCAD软件中进行自建材料，然后采用了无结型场效应管的结构应用于ISFET上，对ISFET结构进行改进，提升了其器件的精度与灵敏度。

1 ISFET简介

ISFET的基本器件结构与MOSFET非常相似，在ISFET的结构中，用一层离子敏感传感膜代替了MOSFET的金属栅。该膜与电解质直接接触，用于检测分析物中离子的浓度。其栅连接与芯片分离，以参比电极的形式插入在与栅氧化物接触的水溶液中，钝化的氮氧化物可以作为离子敏感膜[8]。ISFET的结构如图1所示。电解液中离子浓度的变化导致栅极电压的变化。其中最常用的是测量溶液中pH数值变化的器件。

图1 ISFET结构图

ISFET灵敏度在数值上采用阈值电压的变化量与溶液pH变化的导数求得，物理上则表示为每变化1个pH造成的阈值电压的偏移量。

灵敏度简化计算公式为：

2 建模理论与计算

2.1 电解质溶液

半导体材料中电子与空穴和电解质溶液里的阴阳离子浓度的相似性，可将阴阳离子视为电子与空穴进行仿真，将其模拟为本征半导体材料[8]。对pH值不同的电解质溶液分别建模。

本征半导体中，导带、价带、费米能级满足：

以测量pH值的ISFET为例进行建模。

水溶液中会发生微弱的电离如下：

且在T=300 K时，该电解质溶液都需要满足电离平衡条件：

且有：

类似于半导体中的载流子计算：ni=np=[H+][OH-]=KW（NA10-3）2，其中NA为阿伏伽德罗常数。

电解液中的电荷分布满足玻尔兹曼分布，有效态密度与载流子密度有如下关系：

本文选择带隙为2 eV的半导体材料进行仿真计算，结果如图2所示。

图2 有效状态密度计算

2.2 电解质溶液/半导体界面边界条件

由于分子尺寸不可能无限小，在接近电解质/器件接触面上，会存在一层薄薄的无电荷分布区域，其结构特点近似于电容，称之为stern层。Bergveld的实验结果显示，当其厚度为1 nm，其值为20μF/cm2的时候[9]，对实验数据的影响最小。ISFET的转移特性曲线仿真结果如图3所示。

图3 ISFET的转移特性曲线仿真结果

从该转移特性曲线上可以看出，随着pH值的增加，该器件的阈值电压在随之线性增加，因此可以通过阈值电压的数值来反推出该电解质溶液的pH值，说明建模成功。

3 无结型离子敏感场效应管的设计

传统的MOSFET器件的衬底与电极区掺杂相反，器件内部有两个pn结，分别是源极栅极结与漏极栅极结。在无结型ISFET中，源极漏级以及衬底的掺杂极性相同，无pn结。传统的离子敏感场效应管在灵敏度于工艺复杂等原因上已经不能满足现代社会的需要，没有竞争优势。本文采用了无结型场效应管的结构来仿真模拟离子敏感场效应管，以提升器件性能。无结型场效应管具有如下优点：①无结型ISFET扩散程度小。传统的MOSFET器件栅源两端掺杂与衬底会存在浓度差故而产生扩散效应，导致掺杂浓度降低影响器件精度，导致器件使用时间受限。无结型的场效应管在源漏极与衬底有相同的掺杂类型与掺杂浓度，因此不会产生扩散效应，可以有效提高器件使用寿命。②与随着工艺的进步，器件的尺寸越来越小，要想在纳米级别的MOS管的两边进行极高的掺杂浓度梯度掺杂，必须使用非常低的热预算处理，例如闪速退火技术，目前用于在很短的时间内加热硅[10]。而无结型的场效应管可以通过整体化的制造方式，工艺简单，便于大量生产。

无结型ISFET的转移特性曲线仿真结果如图4所示。

图4 无结型ISFET的转移特性曲线仿真结果

4 结论

在两器件上施加相同的栅源电压的情况下（如1.4 V），从仿真结果可以看出无结型ISFET的漏源电流大于普通型ISFET。由于器件在工作时需要读取、处理的数据是器件刚导通时的电压，即漏源电流开始变化时的电压数值，故较大的漏源电流会使后续的数据处理过程产生的误差减小，有利于提高器件运行的精度。

阈值电压与pH值的变化关系如图5所示，器件的灵敏度大小为图5中折线的斜率。计算得知传统ISFET的灵敏度为S1=58.75 mV/pH，无结型ISFET的灵敏度为S2=81.25 mV/pH。结果显示，采用无结型的ISFET有效提升了器件的灵敏性，突破了能斯特极限。在实际应用中，高灵敏度的ISFET器件更适合用于对于测量结果精确程度要求较高，或者是待测量溶液中离子浓度变化较小的情况。

图5 阈值电压与pH值的变化关系

本文成功设计出了一种灵敏度高的场效应管器件，该器件的工业生产工艺要求相比传统的ISFET器件也有一定降低。目前还没有正式商业生产的无结型ISFET器件，为了使该器件能够尽快进入商用阶段，将来还需要对其在各个方面的性能进行进一步优化。