离子敏感场效应晶体管（ISFET）在化学、生物、环境、工业和医疗等多个领域得到了广泛应用。然而，传统体硅（Si）ISFET的电压灵敏度通常低于Nernstian理论极限（~59.2 mV/pH），除非采用创新的传感材料或测量配置。双栅全耗尽绝缘体上硅（FDSOI）ISFET能够利用本征电容耦合效应放大微弱信号，实现超越Nernstian极限的灵敏度。尽管减薄顶层Si膜能够提高电容耦合效率，但是很薄且均匀的顶层Si膜的制造工艺非常复杂，且成本高昂。因此，利用相对较“厚”的顶层Si膜实现高灵敏度的FDSOI ISFET传感器愈发重要。
据麦姆斯咨询报道，这项研究设计了一种新型n/p-Si结型导电沟道用于双栅FDSOI ISFET传感器，旨在显著提高pH检测灵敏度，同时降低静态功耗。该pH传感器采用AuNP/Si₃N₄/FDSOI MOSFET结构，其中液栅作为传感端口，背栅作为测量端口。研究发现，对厚度为28 nm的原始p-Si沟道进行砷离子注入和湿法腐蚀，可以形成耗尽型n/p-Si结型沟道。在响应分析物的电荷时，该沟道无需历经常见增强型器件的载流子积累过程，而是直接从耗尽状态变化至反型状态，因此使得生化-电学信号转换效率达到100%，显著提高检测灵敏度。此外，n/p-Si结型沟道中保留的p-Si层仍然使得沟道和源漏接触之间形成p-n结，有效克服了n-Si层导致的漏电问题，确保了较低的关断电流。
图1. 具有n/p-Si结型沟道的AuNP/Si₃N₄/FDSOI ISFET传感器的（a）剖面结构图与（b）制造工艺流程图
TCAD仿真结果为FDSOI ISFET器件结构和参数优化提供了有力支持。实验结果进一步表明，当pH传感器的液栅处于接地和浮空两种配置时，背栅灵敏度分别达到2.085 V/pH和1.089 V/pH，远超Nernstian极限，而关断电流低至约1 × 10⁻¹⁰ A，即具有较低静态功耗。
图2. AuNPs/Si₃N₄/FDSOI ISFET传感器沟道掺杂浓度改变时（a）灵敏度与（b）关断电流的TCAD仿真结果，以及（c）液栅接地与（d）液栅浮空时pH检测灵敏度的实验结果
该研究成果近日以“Fully depleted silicon-on-insulator MOSFET pH sensor with n/p-Si junction channel induced super-Nernstian sensitivity and low power”为题发表于国际仪器和测量领域权威期刊IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement。南京邮电大学青年教师王海华博士为论文第一作者，复旦大学万景研究员、蒋玉龙教授，以及南京邮电大学蔡志匡教授、王磊教授、陈秋梦副教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和江苏省高等学校基础科学研究项目等资助。
原文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10919114
第一作者简介：
王海华，男，理学博士，讲师，硕士生导师，1996年09月出生。2023年06月毕业于复旦大学微电子学院，荣获上海市优秀毕业生，随后加入南京邮电大学集成电路科学与工程学院，主要从事先进半导体器件与智能传感器研究，迄今共发表论文20余篇，其中以第一/通讯作者在IEEE Electron Device Lett.、IEEE Trans. Electron Devices、IEEE Trans. Instrum. Meas.和Biosens. Bioelectron等期刊上发表高水平SCI论文10篇。主持国家自然科学基金青年项目、江苏省自然科学基金青年项目、江苏省高等学校基础科学研究面上项目和南京邮电大学高水平师资科研启动资金项目。
