离子选择场效应管中非线性和非理想性的补偿研究

Because of the good compatibility with the traditional semiconductor process, ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) perform its characteristic size on nanometer level, so the ion sensing system based on this can not only reduce the area of the whole system, but also avoid the coupling and noise caused by the connection between different chips. However, due to the nonlinearity of its sensing mechanism " Electrolyte-Insulator-Semiconductor Boundary " itself and the non-ideal of the native semiconductor process, the sensing accuracy and range of this kind of sensor have been relatively poor. This project intends to detect the differential capacitance in the boundary model in real time by means of "charge method" and "voltage method", and then use its calibration curve to compensate the sensor linearly. For the non-ideal of semiconductor processes, such as trap charges, this project will attempt to use the "direct tunnelling leakage Current" to modify the trap charge locked in the floating gate, and then design the supporting front-end circuit and system. Combining the two different fields of electrochemistry and integrated circuit engineering, this project will strive to further improve the accuracy of ion sensors and promote their application in different key fields.

由于离子选择场效应管与传统半导体工艺良好的兼容性，其特征尺寸可以进入纳米级别，因此以此为基础的离子传感系统不仅能够减小整体系统的面积，更能够避免不同芯片间连接所带来的耦合和噪声。但是由于其传感机制“电解绝缘半导体边界”本身所特有的非线性，以及原生半导体工艺所带来的非理想性，该类传感器的传感精度和范围一直相对较差。本项目拟通过“电荷法”和“电压法”等多种手段对边界模型中的差动电容进行实时检测，并随之利用其标定曲线对传感器进行线性补偿。对于半导体工艺所带来的非理想性，比如陷阱电荷，本项目将尝试利用“直接隧穿漏电流”对被锁在悬浮栅结构中的陷阱电荷进行修正，同时设计与之配套的前端电路与系统。本项目将结合电化学与集成电路工程两个不同领域，争取进一步提高离子传感器的精度, 推进其在不同关键领域中的应用。

本项目提出利用直接隧穿电流来消除ISFET中的陷阱电荷这一前端结构，研究人员进行了仿真测试与实验验证，并通过0.18um工艺实现这一前端结构。对芯片进行相应的功能验证以及性能分析，结果证明这一前端结构能够有效实现项目的预期目标，即消除钝化层中捕获电荷的影响，并能够展示出良好的高通滤波特性，其时间常数取决于晶体管的沟道宽度和顶层钝化电容的面积。在源极跟随器前端的基础上，将输出信号反馈到ISFET晶体管的漏极，可以实现对时间常数的调控，原则上可以通过合理配置实现任意系数的调节，可应用于更多场合。首先我们对直接隧穿电流模型进行定量分析，并将其合理的简化，使其适用于我们的前端结构分析。为了使仿真数据更可靠，且对今后的设计更具有建设性，通过对比仿真与实验数据结果，对仿真中的两个BSIM4晶体管模型参数进行了修改。我们对所提出的前端结构进行了噪声、V-I线性度、温度特性的分析与探究。栅极的净隧穿电流随着栅极电压的变化而变化，宽度为20μm的ISFET其栅极等效阻抗约为80TΩ，单位面积阻抗近似为214MΩ/µm2。本项目提出的带反馈调控ISFET系统可以在50倍的范围内操纵时间常数，即从4.7s到243.4s。相应地，若将此系统视为高通滤波器，能够实现极低的截止频率（本项目33.8mHz 至0.65mHz），有效抑制闪烁噪声的影响，这表明所提出的前端结构可以应用于其他需要高通滤波器的场合。同时，经过化学测试可得，ISFET在溶液的pH值在4到7的范围内递增或递减时的敏感度分别为29.5 mV/pH和35.4 mV/pH，表现出合理的化学传感能力。