一种提高离子敏感场效应晶体管灵敏度的方法

马逸晨 李国鑫

（上海电力大学 上海市 201306）

随着微电子学的不断发展，人们对场效应晶体管的研究也不断深入。1970年P.Bergveld 将MOSFET 去掉金属栅极，使绝缘体直接与电解质接触，得到的源漏电流与电解质离子浓度呈线性关系，从此揭开了离子敏感场效应晶体管的研究（离子敏感场效应晶体管）[1]。目前该器件已经广泛应用于pH 传感器、生物医疗、环境监测等多个研究领域[2]。离子敏感场效应晶体管的快速发展归功于他的尺寸小、灵敏度高，并且具有良好的CMOS 工艺兼容性，可简化生产工艺的同时提高产量[3]。这使得离子敏感场效应晶体管有成为高精度、高灵敏度离子传感器的潜力。尽管如此，离子敏感场效应晶体管仍有一些限制和功能需要完善。例如，人们会追求更高的灵敏度、更低的检测下限，但是受能斯特极限的影响，离子敏感场效应晶体管的灵敏度被限制在59.16mV/pH[4]。

本文在研究离子敏感场效应晶体管的结构、原理的基础上提出了一种新的研究方法。该方法需要在传统离子敏感场效应晶体管的硅衬底下方加一层埋氧化层，然后加上对应金属栅极（背栅），通过分析不同pH 值下背栅电压和源漏电流之间的I-V 特性来研究器件的灵敏度。

1 离子敏感场效应晶体管简介

离子敏感场效应晶体管是电极制造技术与固态微电子学相结合的产物，具有和MOSFET 相类似的结构。不同的是，MOSFET 采用金属导电介质作为栅极材料，而离子敏感场效应晶体管则采用待测溶液作为栅极。离子敏感场效应晶体管根据敏感膜可以分为以下几种[5]：

（1）无机离子敏感场效应晶体管：无机离子敏感场效应晶体管的敏感膜一般采用各种绝缘材料（SiO2）或是固态薄膜，常被设计为pH 传感器用于检测溶液中的H+浓度。

（2）酶型离子敏感场效应晶体管：酶型离子敏感场效应晶体管是一种典型的生物传感器，其特点是在栅极表面有一层固定酶膜用于检测待测底物的生物分子。器件工作时，固定酶膜会和待测底物发生反应释放可以改变阈值电压的H+离子。

（3）免疫离子敏感场效应晶体管：免疫离子敏感场效应晶体管是由具有免疫反应的分子识别功能敏感膜与离子敏感场效应晶体管相结合所构成。它分为非标记免疫和标记免疫两种类型。非标记免疫离子敏感场效应晶体管是将抗体分子固定在敏感膜上，由此抗体可以和抗原在敏感膜表面相互结合，形成复合物，从而引起敏感膜上的电荷密度的变化，最终改变阈值电压；而标记免疫离子敏感场效应晶体管是在抗原中加入一定量的酶标记抗原，酶标记抗原和未标记的抗原都可能会和膜表面的抗体结合，形成复合物，通过对标记酶量的检测从而获得待测物的信息。

（4）组织离子敏感场效应晶体管：组织离子敏感场效应晶体管是由动物或植物的组织切片作为识别物所形成的生物传感器件。由于组织切片只是生物体的局部，组织细胞内的酶品种数量及比例可能和完整生命整体中微生物酶品种相差较大，因此组织离子敏感场效应晶体管具有较高的选择性。组织离子敏感场效应晶体管本质上也是酶离子敏感场效应晶体管的一种，只不过这种酶存在于天然的动植物组织内，在其他生物分子的协同作用下状态十分稳定。

（5）微生物离子敏感场效应晶体管：微生物离子敏感场效应晶体管是具有分子识别能力的传感器件。他的原理是利用微生物与某些物质间的特定转化，产生能被离子敏感场效应晶体管检测到的电信号。微生物离子敏感场效应晶体管按照工作原理可以分为两种：一种是利用微生物在同化底物的呼吸作用；另一种是利用微生物中的各种酶，这和组织离子敏感场效应晶体管类似。

2 离子敏感场效应晶体管工作原理

本文针对常见的无机离子敏感场效应晶体管（pH 传感器）进行研究。在传统离子敏感场效应晶体管的结构上稍作修改，如图1所示。

从图1中可以看出，pH 离子敏感场效应晶体管的沟道采用的是p 型硅。源极和漏极分别采用N+和P+重掺杂，这样做的目的是为了让测量结果更为精准。此外，在沟道的下方结构替换为一层SiO2埋氧化层（传统器件采用p 型硅衬底）。绝缘层材料对器件的灵敏度会产生一定的影响，一般采用SiO2、Al2O3、Si3N4、Ta2O5等[6]。

在器件工作时,离子敏感场效应晶体管的绝缘层直接与待检测溶液接触，待测溶液中需要放置一个参比电极来施加电压。这样就可以将待检测溶液视为一个溶液栅（也叫流体栅）,它和绝缘层界面处产生的界面反应会对离子敏感场效应晶体管的p 型硅沟道表面反型层的形成起到调制作用，从而改变流体栅压和源漏电流I-V 特性的阈值电压[7]。所以离子敏感场效应晶体管对溶液中离子活度的响应可由电化学势对阈值电压（Vth）的影响来表征。对于结构确定了的离子敏感场效应晶体管来说阈值电压的变化只取决于待检测溶液和绝缘栅界面的电化学势变化，而电化学势的大小取决于绝缘层材料以及溶液的离子活度，这种关系可以用能斯特响应进行描述：

其中φ1是待检测溶液和绝缘栅界面的电化学势，φ0是常数，F是法拉第常数，R 是气体常数，T 是热力学温标下的温度，ai是待检测溶液的离子活度，Zi是离子价数。

根据能斯特响应可知，阈值电压和待检测溶液中离子活度的对数（pH 值）具有线性关系，该直线的斜率就是离子敏感场效应晶体管的灵敏度。在室温下（25℃），一价离子的响应斜率为59.16mV/pH（能斯特极限）。

2.1 流体栅压测量法

由上一节可知阈值电压的变化与pH 值的变化呈线性关系，离子敏感场效应晶体管的灵敏度就可以用阈值电压来表征：

其中Sensitivity 是器件的灵敏度。离子敏感场效应晶体管阈值电压的通常与MOSFET 类似，定义为器件导通（源极漏极间的沟道开始产生电流）时的流体栅临界电压，这就是离子敏感场效应晶体管测量pH 值的传统方法，该方法受能斯特极限的影响，器件的灵敏度只能达到59.16mV/pH。也就是说在pH 值发生变化时，器件的阈值电压变化仅有59.16mV。在从事一些高精度测量工作时，使用该方法显然会带来较大的误差。

2.2 背栅电压测量法

由于流体栅压测量法的灵敏度受能斯特极限的影响，我们考虑采用测量背栅电压来替代流体栅压。该方法的前提是需要将传统的p 型硅衬底替换为一层较厚SiO2的埋氧化层。由于埋氧化层的厚度相对绝缘层来说更厚，pH 变化时，相较流体栅极而言需要往背栅施加更多的电压才能在沟道中形成导电沟道，器件才会导通。这就意味着pH 改变时，阈值电压的变化趋势将会变得更大。

图1：离子敏感场效应晶体管结构图

图2：流体栅压和背栅电压测量法对比图

3 仿真分析

为了验证背栅电压测量法的可行性，使用TCAD 仿真平台的ATLAS 工具对图1的结构进行了仿真分析。这里将源极和漏极采用不同的掺杂方式，这样无论施加多少流体栅（或背栅）电压器件都会导通，阈值电压会出现在沟道载流子耗尽时电流的最低点，对于阈值电压的确定更加准确。

仿真时将源极接地，绝缘层材料采用SiO2，沟道厚度为20nm，源漏电压设置为400mV，分别仿真了pH=4 至pH=10 时流体栅压测量法和背栅电压测量法的I-V 特性，如图2所示。可以从图中得出，采用流体栅压测量法仿真得到的灵敏度为59.5mV/pH，与能斯特极限基本一致，证明了仿真结果的准确性。采用背栅电压测量法仿真得到的I-V 特性与流体栅压测量法的I-V 特性具有类似的特征，但曲线的变化趋势更加明显，且器件的灵敏度也提高至了209.04mV/pH，是能斯特极限的3 倍之多。证明了背栅电压测量法可以提高离子敏感场效应晶体管灵敏度的可行性。

4 结论

本文在传统离子敏感场效应晶体管的基础上对其结构进行改进，对提升器件的灵敏度进行了研究。首先对离子敏感场效应场效应晶体管进行了简单的介绍，其次基于离子敏感场效应晶体管的工作原理对传统的流体栅压测量法进行了分析，由于受能斯特极限的影响，流体栅压测量法所得到的器件灵敏度约为59mV/pH，然后将传统离子敏感场效应晶体管沟道下方的p 型硅衬底替换为SiO2埋氧化层，采用背栅电压测量法分析灵敏度。在理论成立的基础上通过仿真实验验证了该方法可以将离子敏感场效应晶体管的灵敏度提升至209.04mV/pH，为离子敏感场效应晶体管的研究提供了新的思路。