基于氮化鎵的離子敏感場效應管建模分析

王鈺妍，戴萬玲

（上海電力大學，上海 200000）

離子敏感場效應晶體管（Ion-Sensitive Field Ef fect Transistor，ISFET）最早是在1970年，由BER教授提出[1]。它是在傳統的金屬氧化物場效應管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）的基本結構上，通過改進柵極的構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溶液中特定離子濃度的特點，是目前生物化學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。

經過幾十年的發展改進，ISFET目前被應用于各行各業。例如，醫學研究中的酶測量傳感器[2]、癌細胞周圍環境測量[3]、T2免疫細胞測量[4]等。此外，還可應用于環境監測微型傳統系統[5]、地表水質監測[6]、農藥污染度檢測[7-8]等。與傳統的傳感器相比，ISFET有高靈敏度、響應時間短、體積小、低成本、集成度高等優點。當離子濃度變化時，會直接導致柵極電壓的改變，無需對待測離子進行額外標記[9]，使器件結構更加簡單，利于大規模生產應用。

氮化鎵材料是目前研究的新型第三代半導體材料，相比于第一代半導體材料硅來說，它的性能更加良好，工作電壓高，耐高溫，耐酸堿腐蝕。這些性質能夠使其更好的在pH值測量元件中使用。本文結構分為如下部分：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，并與傳統的器件進行對比分析。

1 ISFET的工作原理

1.1 結構

ISFET器件的結構組成與MOSFET的結構十分相似，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。當電解質溶液中被測量的離子濃度發生變化時，與其直接接觸的離子敏感膜會發生電位變化，接著會導致參比電極上的電壓數值變化。最終，利用數據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值。

圖1 ISFET結構圖

1.2 工作原理

MOSFET閾值電壓是指當器件溝道區恰好達到強反型時的柵極電壓，公式如下，

其中：Δφ是金屬與半導體功函數差；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為溝道區襯底達到強反型時的電壓。當采用同種材料組成器件時，這些參數都為固定值。

ISFET閾值電壓的計算可以看做兩部分組成，與MOSFET結構相同的部分，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溶液界面勢。計算公式如下，

其中：Eref是參比電極的初始設定恒定電勢，為固定值；φ0為電解質與器件接觸面的表面電勢，與溶液中的pH值相關。可以看出，VT只與電解質溶液中的pH值有關，相關計算如下。

假設加入的是單價鹽溶液，在電解液與器件接觸面會發生如下反應，

通過上述兩個公式即可計算出φ0與H+濃度之間的關系，即VT與電解質溶液pH值的變化關系。

2 氮化鎵ISFET的建模

2.1 建模簡述

對ISFET建模時，TCAD軟件中無電解質溶液的模型可以使用。故將電解質溶液自定義為一種半導體材料進行建模仿真。TCAD軟件自建材料時需要自行設定NC，NV兩個參數。本文結合相關文獻[11]采用Eg=1.5 eV的材料進行仿真，計算值見表1。

表1 有效狀態密度計算

2.2 性能分析

硅ISFET器件與氮化鎵ISFET的仿真結果如圖2所示，展示了其在不同pH值下的轉移特性曲線。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。經過計算，傳統ISFET的靈敏度約為49 mV/pH，而氮化鎵ISFET的靈敏度為70 mV/pH。結果表明，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，可以用于精密設計的傳感器中，使測量結果更加準確。

圖2 不同ISFET的仿真結果

從圖3中還可以看出，基于氮化鎵的ISFET比傳統SIFET的工作電壓要高很多。在采集到數據后，需要經過放大，濾波等數據處理方式。采集到的數據較大時會使得在數據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 結束語

本文基于氮化鎵材料對離子敏感場效應管的結構進行了優化，在TCAD中仿真得到了一種工作電壓更高，靈敏度更高的器件。作為第三代半導體材料，氮化鎵有耐酸堿腐蝕，穩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。基于上述特點，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，更有利于大規模生產制造。為了使ISFET的性能進一步提升，早日投入到商業使用中，未來還需要對其結構進行繼續優化進步。