大学论文
摘要：基于半导体仿真软件TCAD设计了一种离子敏感场效应晶体管的模型，首先介绍了离子敏感场效应晶体管的结构及工作原理，其次分析了敏感场效应晶体管在仿真中存在的难题，在此基础上提出了相应的建模方式，最后在TCAD中成功搭建了仿真模型，通过仿真敏感场效应晶体管的灵敏度验证了该模型的准确性，解决了TCAD无法模拟溶液的难题，为离子敏感场效应晶体管的研究开辟了新的道路。
关键词：TCAD; 离子敏感场效应晶体管； p H传感器； 灵敏度；
Abstract:Based on the semiconductor simulation software TCAD, a model of ion sensitive field effect transistor is designed. Firstly, the structure and working principle of ion sensitive field effect transistor are introduced. Secondly, the problems existing in the simulation of ion sensitive field effect transistor are analyzed. On this basis, the corresponding modeling method is proposed. Finally, the simulation model is successfully built in TCAD The sensitivity of the transistor verifies the accuracy of the model, solves the problem that TCAD cannot simulate the solution, and opens up a new way for the research of sensitive field effect transistor.
Keyword:TCAD; ion sensitive field effect; p Hsensor; sensitivity;
引言
离子敏感场效应晶体管为一种主要的生物传感器平台，被研究者们广泛应用于监测电解质溶液中的离子活度（p H值）[1].这种高精度传感器具有响应速度快、成本低、体积小和CMOS制造技术兼容性强的特点。也常被应用于医疗保健、食品安全、环境监测以及最近DNA测序等生物反应检测等多种应用检测平台[2].正因为此，越来越多的研究者对离子敏感场效应晶体管产生了浓厚的兴趣[3].但由于离子敏感场效应晶体管的尺寸为纳米量级，一般只能通过仿真软件对其进行研究，而半导体仿真软件（TCAD）也不支持电解质溶液的模拟，这使得研究工作难以进行[4].如何准确建立一个可以适配仿TCD的数学模型成了离子敏感场效应晶体管的研究难题。
本文在研究离子敏感场效应晶体管的结构、原理的基础上，基于TCAD建立了一种可以模拟敏感场效应晶体管的模型。该模型将半导体中的电子/空穴和溶液中的阴离子/阳离子相结合，模拟了溶液p H值的变化以及溶液和绝缘层之间的界面反应，并通过仿真验证了模型的准确性，解决了TCAD不支持电解质溶液模拟的难题。
1 p H离子敏感场效应晶体管概述
p H值是电解质溶液的一个重要指标，它在实际生活中的应用非常的广泛。p H值的测量与现代工业、农业、医学、生物工程、环境及科学研究等领域息息相关[5].传统p H的测量方法一般是采用电位计或是p H试纸。但它们都有一些不足之处：电位计相对来说不是特别的方便携带，p H试纸虽然携带方便，但在p H值测量的灵敏度上仍有欠缺，只适用于日常家用或学校实验，无法胜任一些精密测量工作。而p H离子敏感场效应晶体管无论是从尺寸还是精确度上都要比前两者更有优势。理论上p H离子敏感场效应晶体管的尺寸可以达到纳米级别，并且在其通电工作时灵敏度可以达到毫伏级别。
1.1 p H离子敏感场效应晶体管工作原理
p H离子敏感场效应晶体管的结构与MOSFET相似，通常都是在一块p型硅的两端进行n+重掺杂，形成源极和漏极，然后在恰当的位置加上绝缘层和金属电极。和MOSFET不同的是离子敏感场效应晶体管的绝缘层并不直接与金属电极进行接触，而是用待检测的电解质溶液和它接触，如图1所示。
可以从图1中看到，待检测的电解质溶液直接与绝缘层接触，并通过参比电极（一般采用银或者氯化银）将器件连接至电路。当参比电极插入待检测溶液中后会和待检测溶液发生反应形成一个半电池[6].同时，在待检测溶液和绝缘层接触后会和绝缘层发生界面反应产生表面电荷，形成斯特恩双电层。此外p H值代表着待检测溶液中氢离子的浓度，它会影响待检测溶液与绝缘层之间的界面反应，从而改变绝缘层表面的电荷密度。这就使得待检测的电解质溶液像一个溶液栅一样，p H值的变化会对电路的电流、电压产生不同的影响。反之，人们可以通过器件的I-V特性来检测待溶液的p H值。
图1 离子敏感场效应晶体管结构图
1.2 p H离子敏感场效应晶体管的灵敏度
灵敏度是p H离子敏感场效应晶体管的重要指标，代表器件对p H值的敏感程度，与器件的检测上限直接挂钩。灵敏度越高，器件的检测上限也越高。一般会通过分析器件的转移特性对灵敏度进行研究。
2 基于TCAD的器件模型设计
Silvaco TCAD是一款常用的半导体仿真软件，通常被用来研究各种半导体器件如：MOSFET、IGBT、太阳能电池等。由于TCAD软件只支持导体、半导体、绝缘体三种材料的仿真，要想在TCAD中仿真离子敏感场效应晶体管就必须建立一个适当的物理模型对电解质溶液进行模拟。
2.1 模型的构建
器件结构如图2所示，该结构的源极和漏极掺有不同的杂质，这种结构的特点是不管通过什么样的方式对流体栅极施加电压，器件都会导通。当流体栅极电压增加时，栅极下方的电子浓度会增加，从漏极到源极会形成p-n-n结构（n-沟道），而降低流体栅极电压则会形成pp-n结构p-沟道）。这两种状态都可以传导电流，阈值电压（Vth）会在沟道载流子耗尽时出现。
相较于传统离子敏感场效应晶体管，该结构在仿真结果上更为准确。而传统离子敏感场效应晶体管的Vth可以视为电流为0时的最大电压，在扫描流体栅极电压分析器件转移特性时，仿真总会存在一些细微的误差导致不存在电流绝对为0的点，这就需要人为拟定一个阈值将其视为0,再去确定Vth,从而增大数据误差。同时为了模拟离子敏感场效应晶体管，使用了TCAD工具中的一系列模型：费米-狄拉克载流子统计、klassen、Shirahata、载流子迁移率、带隙变窄、SRH和Auger复合模型[5].
图2 基于TCAD的离子敏感场效应晶体管结构图
2.2 pH值的确定
考虑到电解质溶液中的阴离子/阳离子和半导体中的电子/空穴具有极度相似的特点，所以在TCAD中将电解质溶液视为具有水的介电常数（ε=78）的半导体，并将低温下电子迁移率设置为水中Cl-离子的值（6.88×10-4cm2·v-1·s-1），空穴迁移率设置为水中Na+离子的值（4.98×10-4cm2·v-1·s-1）[9].
水是一种既能释放质子也能接受质子的两性物质，在一定程度上可以微弱地离解，其电离方程为：
其中Kω为水的离子积（在温度t=25℃时Kω=1×10-14），定义为：
水的质量作用规律与本征半导体中的质量作用规律相似。质量作用定律表明，在热平衡条件下，自由空穴浓度p与自由电子n的乘积等于本征载流子浓度ni的平方。载流子浓度可以用玻尔兹曼统计来给出：
其中k是玻尔兹曼常数，Nc是导带的最低能级，Nv是价带的最高能级，Eg为禁带宽度。
溶液的p H值描述的是溶液的酸碱性强弱程度，定义为氢离子浓度指数。它是溶液中氢离子活度的一种标度，电解质溶解中的离子摩尔浓度与p H的关系式为：
为了在TCAD中定义电解质溶液中的离子摩尔浓度，令半导体中的电子/空穴浓度等于电解质溶液中的正负电荷浓度，即n=[OH-],p=[H+].再将公式（4）代入公式（3）计算并进行单位转换就能得到半导体中有效态密度与电解质溶液p H值的关系式：
其中NA是阿伏伽德罗常数。由此，就可以通过Nc和Nv来确定溶液的p H.
2.3 吸附键结模型
离子敏感场效应晶体管之所以能对离子敏感是因为电解质溶液会和绝缘体在其表面发生反应产生表面电荷，该反应可以用吸附键结模型理论进行描述[7]:
其中q是基本电荷，Nsil是单位面积同时具有正负电荷的两性位点数，Ka和Kb是绝缘体的解离常数ni为本征载流子浓度，值为6.022×1013.同时由于缺乏空间效应的特定模型会给仿真带来各种误差。为了减少误差，对界面反应产生的双电层-斯特恩层进行了特定的建模。参考已知的斯特恩层电容（Cstern=20μF/cm2），将斯特恩层模拟成介电常数ε=2.25的半导体来让其与模型适配[8].
3 仿真分析
p H值的变化会改变沟道中载流子的浓度，从而改变p-n结特性，引起漏极至源极之间电流的变化，不同的p H值会对应不同的Vth,通过检测Vth的变化来计算器件的灵敏度，器件的灵敏度定义为：
为了验证模型的准确性，测试了p H=4至p H=10时以二氧化硅为绝缘层的器件的灵敏度，如图3所示。仿真时，令器件的源极接地，源漏电压设置为400m V,并将溶液定义为禁带宽度为1.5e V的半导体。
图3
可以从图3看到，增加p H的值可以提高阈值电压，使整体趋势向右平移。插图将各p H值与对应的阈值电压进行了线性拟合，直线的斜率就是对应的器件灵敏度。结果表明，以二氧化硅为绝缘层的器件灵敏度为59.5m V/p H,与斯特理论极限（59m V/p H）基本一致，验证了模型的准确性。
4 结论
本文基于半导体仿真软件TCAD对离子敏感场效应晶体管进行了研究。首先针对离子敏感场效应晶体管的结构、工作原理进行了分析，得出了灵敏度可以通过器件转移特性的阈值电压进行表征。随后把电解质溶液模拟为具有水的介电常数的半导体。将水中的阴离子/阳离子和半导体中的电子/空穴进行类比，在TCAD中构建了器件模型。最后离子敏感场效应晶体管采用源极和漏极不同掺杂的方式对模型进行仿真验证。结果表明使用该模型仿真得到的灵敏度为59.5m V/p H,与斯特极限相吻合，验证了该模型的准确性，为离子敏感场效应晶体管的研究提供了新道路。
参考文献
[1]Bergveld P.Development of an ion sensitive solid state device for neurophysical measurements.IEEE Trans.Biomed.Eng.BME-17:70[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,1970,17（1）：70-71.
[2]Nair P R,Alam M A.Design Considerations of Silicon Nanowire Biosensors[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2008,54（12）：3400-3408.
[3]Moser N,Lande T S,Toumazou C,et al.ISFETs in CMOS and Emergent Trends in Instrumentation:A Review[J].IEEE Sensors Journal,2016,16（17）：6496-6514.
[4]Lu C H,Hou T H,Pan T M.High-Performance DoubleGate alpha-In Ga Zn O ISFET p H Sensor Using a Hf O2 Gate Dielectric[J].IEEE Transactions on Electron Devices,2017,65（1）：237-242.
[5]戴雅琼，黄德佳，邢洁莹，等。全固态Al Ga N/Ga NISFET p H传感器的温度特性[J].半导体技术，2018（10）：734-739.
[6]张玉海。H+-ISFET传感器及其工作特性研究[J].医疗卫生装备，2004,25（5）：21-21.
[7]Yates D E,Levine S,Healy T W.Site-binding model of the electrical double layer at the oxide/water interface[J].Journal of the Chemical Society Faraday Transactions,1974,70.
[8]Pittino F,Palestri P,Scarbolo P,et al.Models for the use of commercial TCAD in the analysis of silicon-based integrated biosensors[J].Solid State Electronics,2014,98:63-69.
[9]Koneshan S,Rasaiah J C,Lynden-Bell R M,et al.Solvent Structure,Dynamics,and Ion Mobility in Aqueous Solutions at 25°C[J].J.phys.chem.b,1998,102 （21）：4193-4204.