中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
離子敏感場效應晶體管（ISFET）在化學、生物、環(huán)境、工業(yè)和醫(yī)療等多個領域得到了廣泛應用。然而，傳統(tǒng)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，實現(xiàn)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膜實現(xiàn)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(jié)型導電溝道用于雙柵FDSOI ISFET傳感器，旨在顯著提高pH檢測靈敏度，同時降低靜態(tài)功耗。該pH傳感器采用AuNP/Si?N?/FDSOI MOSFET結(jié)構(gòu)，其中液柵作為傳感端口，背柵作為測量端口。研究發(fā)現(xiàn)，對厚度為28 nm的原始p-Si溝道進行砷離子注入和濕法腐蝕，可以形成耗盡型n/p-Si結(jié)型溝道。在響應分析物的電荷時，該溝道無需歷經(jīng)常見增強型器件的載流子積累過程，而是直接從耗盡狀態(tài)變化至反型狀態(tài)，因此使得生化-電學信號轉(zhuǎn)換效率達到100%，顯著提高檢測靈敏度。此外，n/p-Si結(jié)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(jié)，有效克服了n-Si層導致的漏電問題，確保了較低的關斷電流。
圖1. 具有n/p-Si結(jié)型溝道的AuNP/Si?N?/FDSOI ISFET傳感器的（a）剖面結(jié)構(gòu)圖與（b）制造工藝流程圖
TCAD仿真結(jié)果為FDSOI ISFET器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化提供了有力支持。實驗結(jié)果進一步表明，當pH傳感器的液柵處于接地和浮空兩種配置時，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（a）靈敏度與（b）關斷電流的TCAD仿真結(jié)果，以及（c）液柵接地與（d）液柵浮空時pH檢測靈敏度的實驗結(jié)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域權(quán)威期刊IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement。南京郵電大學青年教師王海華博士為論文第一作者，復旦大學萬景研究員、蔣玉龍教授，以及南京郵電大學蔡志匡教授、王磊教授、陳秋夢副教授為論文通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和江蘇省高等學?；A科學研究項目等資助。
第一作者簡介：
王海華，男，理學博士，講師，碩士生導師，1996年09月出生。2023年06月畢業(yè)于復旦大學微電子學院，榮獲上海市優(yōu)秀畢業(yè)生，隨后加入南京郵電大學集成電路科學與工程學院，主要從事先進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。主持國家自然科學基金青年項目、江蘇省自然科學基金青年項目、江蘇省高等學?；A科學研究面上項目和南京郵電大學高水平師資科研啟動資金項目。
