基于氮化鎵的離子敏感場效應(yīng)管建模分析

王鈺妍，戴萬玲

（上海電力大學(xué)，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(xué)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(xué)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(dāng)離子濃度變化時，會直接導(dǎo)致柵極電壓的改變，無需對待測離子進行額外標(biāo)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(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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(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)襯底達到強反型時的電壓。當(dāng)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)?？梢钥闯?，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(dǎo)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(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(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。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。