吴传健，王轶卿，杨敏

（南京工业大学 电气工程与控制科学学院，江苏 南京 211816）

0 引言

基于离子敏场效应晶体管（ISFET）的生物传感器具有广阔的应用前景，有望成为现场诊断的优选 设 备［1］。ISFET 是 由Piet Bergveld 于1970 年 首先提出，并用于pH 值的检测［2］，具有响应速度快，灵敏度高和易于小型化等优势［3-5］。基于ISFET 的pH 检测在化学、农业、食品加工、制药、环境科学和生物医学工程等领域中极为重要［6-10］。

近年来，随着材料学和光刻技术的发展，IS⁃FET 逐渐变得更加小型化，并向纳米级发展［11］。具有纳米结构的离子敏感金属氧化物（MOx）具有优异的生物相容性，基于MOx构造的ISFET 器件常被用于各种离子浓度的检测，因而在电化学传感、生物医学科学、水和食品质量监测以及疾病检测等领域被广泛关注［12-15］。其中，用于检测氢离子（H+）浓度的pH 传感器应用最为广泛［16］。然而基于半导体FET 的pH 传感器加工成本高，消耗时间长。在进行器件加工之前，使用仿真软件来进行器件设计、分析结构和尺寸参数等条件对器件性能的影响，并优化器件结构和参数，这是一种科学合理的研究方法。

本文首先设计了基于MOx的双层沟道的FET器件，使用Silvaco TCAD 仿真软件，分析和比较不同的敏感膜材料、氧化物纳米材料以及沟道尺寸等条件下FET 器件的电气特性，进一步优化对所设计的FET 器件的结构和尺寸，最后通过比较制备的ISFET 器件和仿真器件的电气特性，验证了仿真ISFET 结构的可行性。

1 设备结构与仿真

使用Silvaco TCAD 模拟了纳米沟道FET，图1（a）显示了In2O3纳米带FET 的截面图，纳米带FET 的各项参数如表1 所示。……