王钰妍，戴万玲
（上海电力大学，上海 200000）
离子敏感场效应晶体管（Ion-Sensitive Field Ef fect Transistor，ISFET）最早是在1970年，由BER教授提出[1]。它是在传统的金属氧化物场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）的基本结构上，通过改进栅极的构成得到的一种新型器件。与MOSFET相比，ISFET具有可以直接测量电解质溶液中特定离子浓度的特点，是目前生物化学信号传感器的重要组成元件。ISFET的灵敏度上限称之为能斯特极限，其值大约为59 mV/pH。
经过几十年的发展改进，ISFET目前被应用于各行各业。例如，医学研究中的酶测量传感器[2]、癌细胞周围环境测量[3]、T2免疫细胞测量[4]等。此外，还可应用于环境监测微型传统系统[5]、地表水质监测[6]、农药污染度检测[7-8]等。与传统的传感器相比，ISFET有高灵敏度、响应时间短、体积小、低成本、集成度高等优点。当离子浓度变化时，会直接导致栅极电压的改变，无需对待测离子进行额外标记[9]，使器件结构更加简单，利于大规模生产应用。
氮化镓材料是目前研究的新型第三代半导体材料，相比于第一代半导体材料硅来说，它的性能更加良好，工作电压高，耐高温，耐酸碱腐蚀。这些性质能够使其更好的在pH值测量元件中使用。本文结构分为如下部分：首先对ISFET的工作原理进行详细介绍与计算；然后用TCAD软件对pH值测量ISFET进行仿真建模，并且对于TCAD中无电解质溶液模型的问题用自定义材料的方式解决；最后，对氮化镓材料组成的器件进行仿真模拟，并与传统的器件进行对比分析。
1 ISFET的工作原理
1.1 结构
ISFET器件的结构组成与MOSFET的结构十分相似，将MOSFET栅极金属部分去除，然后用离子敏感膜、电解质溶液和参比电极取代即可得到ISFET，如图1所示。顶部施加电压的液体也可称为液栅。当电解质溶液中被测量的离子浓度发生变化时，与其直接接触的离子敏感膜会发生电位变化，接着会导致参比电极上的电压数值变化。最终，利用数据测量装置处理并分析所得的电压值，即可计算此时的离子浓度数值。
图1 ISFET结构图
1.2 工作原理
MOSFET阈值电压是指当器件沟道区恰好达到强反型时的栅极电压，公式如下，
其中：Δφ是金属与半导体功函数差；COX为栅极氧化物单位面积电容；QOX，QSS，QB分别为氧化物上的积累电荷、界面上的累积电荷、绝缘层中的耗尽电荷；2φF为沟道区衬底达到强反型时的电压。当采用同种材料组成器件时，这些参数都为固定值。
ISFET阈值电压的计算可以看做两部分组成，与MOSFET结构相同的部分，会有相同的电压。此外，ISFET中还有两个新的电势：参比电极上的恒定电势与电解质溶液界面势。计算公式如下，
其中：Eref是参比电极的初始设定恒定电势，为固定值；φ0为电解质与器件接触面的表面电势，与溶液中的pH值相关。可以看出，VT只与电解质溶液中的pH值有关，相关计算如下。
假设加入的是单价盐溶液，在电解液与器件接触面会发生如下反应，
通过上述两个公式即可计算出φ0与H+浓度之间的关系，即VT与电解质溶液pH值的变化关系。
2 氮化镓ISFET的建模
2.1 建模简述
对ISFET建模时，TCAD软件中无电解质溶液的模型可以使用。故将电解质溶液自定义为一种半导体材料进行建模仿真。TCAD软件自建材料时需要自行设定NC，NV两个参数。本文结合相关文献[11]采用Eg=1.5 eV的材料进行仿真，计算值见表1。
表1 有效状态密度计算
2.2 性能分析
硅ISFET器件与氮化镓ISFET的仿真结果如图2所示，展示了其在不同pH值下的转移特性曲线。器件的灵敏度计算如图3所示，折线的斜率为器件的灵敏度。经过计算，传统ISFET的灵敏度约为49 mV/pH，而氮化镓ISFET的灵敏度为70 mV/pH。结果表明，氮化镓器件突破了能斯特极限，提高了ISFET的性能。对于这种高灵敏度器件，可以用于精密设计的传感器中，使测量结果更加准确。
图2 不同ISFET的仿真结果
从图3中还可以看出，基于氮化镓的ISFET比传统SIFET的工作电压要高很多。在采集到数据后，需要经过放大，滤波等数据处理方式。采集到的数据较大时会使得在数据处理过程中减小误差，更适合于精度要求高的场合。
图3 灵敏度计算
3 结束语
本文基于氮化镓材料对离子敏感场效应管的结构进行了优化，在TCAD中仿真得到了一种工作电压更高，灵敏度更高的器件。作为第三代半导体材料，氮化镓有耐酸碱腐蚀，稳定性相比于硅更好的特点。在进行pH值测量时，其使用寿命会更长，且无需对其进行额外的防腐蚀封装镀层。基于上述特点，采用氮化镓材料会使得pH值测量的ISFET的制造工艺难度降低，造价成本下降，更有利于大规模生产制造。为了使ISFET的性能进一步提升，早日投入到商业使用中，未来还需要对其结构进行继续优化进步。
