中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
離子敏感場(chǎng)效應晶體管（ISFET）在化學(xué)、生物、環(huán)境、工業(yè)和醫療等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應用。然而，傳統體硅（Si）ISFET的電壓靈敏度通常低于Nernstian理論極限（~59.2 mV/pH），除非采用創(chuàng )新的傳感材料或測量配置。雙柵全耗盡絕緣體上硅（FDSOI）ISFET能夠利用本征電容耦合效應放大微弱信號，實(shí)現超越Nernstian極限的靈敏度。盡管減薄頂層Si膜能夠提高電容耦合效率，但是很薄且均勻的頂層Si膜的制造工藝非常復雜，且成本高昂。因此，利用相對較“厚”的頂層Si膜實(shí)現高靈敏度的FDSOI ISFET傳感器愈發(fā)重要。
這項研究設計了一種新型n/p-Si結型導電溝道用于雙柵FDSOI ISFET傳感器，旨在顯著(zhù)提高pH檢測靈敏度，同時(shí)降低靜態(tài)功耗。該pH傳感器采用AuNP/Si?N?/FDSOI MOSFET結構，其中液柵作為傳感端口，背柵作為測量端口。研究發(fā)現，對厚度為28 nm的原始p-Si溝道進(jìn)行砷離子注入和濕法腐蝕，可以形成耗盡型n/p-Si結型溝道。在響應分析物的電荷時(shí)，該溝道無(wú)需歷經(jīng)常見(jiàn)增強型器件的載流子積累過(guò)程，而是直接從耗盡狀態(tài)變化至反型狀態(tài)，因此使得生化-電學(xué)信號轉換效率達到100%，顯著(zhù)提高檢測靈敏度。此外，n/p-Si結型溝道中保留的p-Si層仍然使得溝道和源漏接觸之間形成p-n結，有效克服了n-Si層導致的漏電問(wèn)題，確保了較低的關(guān)斷電流。
圖1. 具有n/p-Si結型溝道的AuNP/Si?N?/FDSOI ISFET傳感器的（a）剖面結構圖與（b）制造工藝流程圖
TCAD仿真結果為FDSOI ISFET器件結構和參數優(yōu)化提供了有力支持。實(shí)驗結果進(jìn)一步表明，當pH傳感器的液柵處于接地和浮空兩種配置時(shí)，背柵靈敏度分別達到2.085 V/pH和1.089 V/pH，遠超Nernstian極限，而關(guān)斷電流低至約1 × 10?1? A，即具有較低靜態(tài)功耗。
圖2. AuNPs/Si?N?/FDSOI ISFET傳感器溝道摻雜濃度改變時(shí)（a）靈敏度與（b）關(guān)斷電流的TCAD仿真結果，以及（c）液柵接地與（d）液柵浮空時(shí)pH檢測靈敏度的實(shí)驗結果
該研究成果近日以“Fully depleted silicon-on-insulator MOSFET pH sensor with n/p-Si junction channel induced super-Nernstian sensitivity and low power”為題發(fā)表于國際儀器和測量領(lǐng)域權威期刊IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement。南京郵電大學(xué)青年教師王海華博士為論文第一作者，復旦大學(xué)萬(wàn)景研究員、蔣玉龍教授，以及南京郵電大學(xué)蔡志匡教授、王磊教授、陳秋夢(mèng)副教授為論文通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金和江蘇省高等學(xué)?；A科學(xué)研究項目等資助。
第一作者簡(jiǎn)介：
王海華，男，理學(xué)博士，講師，碩士生導師，1996年09月出生。2023年06月畢業(yè)于復旦大學(xué)微電子學(xué)院，榮獲上海市優(yōu)秀畢業(yè)生，隨后加入南京郵電大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院，主要從事先進(jìn)半導體器件與智能傳感器研究，迄今共發(fā)表論文20余篇，其中以第一/通訊作者在IEEE Electron Device Lett.、IEEE Trans. Electron Devices、IEEE Trans. Instrum. Meas.和Biosens. Bioelectron等期刊上發(fā)表高水平SCI論文10篇。主持國家自然科學(xué)基金青年項目、江蘇省自然科學(xué)基金青年項目、江蘇省高等學(xué)?；A科學(xué)研究面上項目和南京郵電大學(xué)高水平師資科研啟動(dòng)資金項目。
