CMOS技术在生物传感器中的应用

，
图1
0 器件的 ,%& F "(& 的转移特性曲线
另外， 7 型 ,$-./ 的阈值电压为负值，便于读 出电路使用地电势作为参考电势。因此，在 ,$-./ 基 的 生 物 传 感 器 中 通 常 应 用 7 型 ,$-./ 作 为 敏 感 元件；7 型 ,$-./ 的阈值电压的表达式为
［1， 5］
极；然而，利用标准 B"#$ 工艺难于将其集成化。 一 种 比 较 好 的 解 决 方 案 是 设 计 一 个 包 含 ,$-./ 和
4.-./ 的差分电路结构：将两个 -./ 源极差分信
号作为检测到的反映器件阈值电压变化的待处理
图*
C 器件的 ,%& F "(& 的转移特性曲线
信号。不过，此电路结构当中仍需要一个与溶液 直接接触的金属电极 （称为准参考电极） 。虽然金 属电极与溶液的接触电势会随溶液成分的变化而 发生变化，但是所采用的差分结构能够消除由此 产生的共模信号。
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图5
,$-./ 差分电路
上 述 电 路 当 中 ， ,$-./ 和 4.-./ 的 漏 源 电 流
,$-./ 三明治栅结构的表面电荷； $, 是单位面积栅
微纳电子技术
,0$ 以及漏源电压 "0$ 完全相同；在保持恒定偏置的 %’ !"#$%&’&%()(*+$%&"* ,(*-&%)%./0 !"#$"%& ’(()
收稿日期： ,//<[/3[,A
形成器件的栅极，溶液与栅介质表面产生的电化 学势将使 -%& 硅界面的沟道电导发生调制效应。
微纳电子技术
!""# 年第 $ 期
Байду номын сангаас
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!"!# 器件与技术
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不同之处在于，图中的 ,$-./ 与 4.-./ 是作为电 子 电 路 的 一 个 元 件 ， 而 不 是 附 加 传 感 器 ； 4.-./ 与 ,$-./ 结 构 基 本 相 同 ， 唯 一 不 同 之 处 在 于
4.-./ 的栅极钝化材料对 7@ 的灵敏系数极低
而 ,$-./ 恰恰相反。
［5］
（>?） ・ "/4 8!.$9#$$ ’ $:+9%, ’ $,;<!-;&’ ( )=+ （2） ・ （7@97@2AB） * 9 !<"&#?)+C <!-;"$C $:+ 上式中， !.$ 为与电极相连的电介质与半导体之间的 功 函 数 ； %$$ 是 绝 缘 层 电 荷 和 等 效 界 面 态 ； %, 是
转移特性曲线。
’()# 工 艺 的 制 作 方 法 ； 其 测 量 的 结 果 如 图 3 所
示， + 器件的阈值电压大约为 I23J7 E 。但是，其
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!""# 年第 $ 期
!"!# 器件与技术
器件 B 、 ’ 的栅极采用悬浮多晶硅层与具有敏 感作用的钝化层直接相接的方式；而器件 + 、 C 在 多晶硅与钝化层间布有导通金属层。设计 = 种结 构的目的是为比较各自的性能，以选择最佳的可 利用 ’()# 实现的传感单元。 通 过 实 验 得 出 B 器 件 的 &@. D !A. 的 转 移 特 性 曲
，在 ’()# 工艺研制成功性能极其稳定的 "#56& ［7］ 制作过程中，保留部分多晶硅作为悬浮电极实现 漏源区的自对准，多晶硅与钝化层之间布有导电 性极佳的金属层。还制作了 3 种不同几何结构的
"#56&，依次考察阈值电压 !& 的变化，取得显著成
果 。 鉴 于 亚 微 米 工 艺 的 吸 引 力 ， +89,0,: 采 用 ，如 ;2< !4 工艺设计了 = 种不同结 构 的 "#5%& ［=］ 图 1 所示。
!"!# 器件与技术
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!"#$ 技术在生物传感器中的应用
杨 振，颜永红，齐良颉
>;//B, ）
（湖南大学应用物理系，湖南 长沙
摘要：介绍了应用传统 *.+# 工艺实现 "#-%& 的设计方法，比较了四种不同结构 "#-%& 的传输 特性，提出了应用同一 *.+# 工艺实现衔接电路的差分结构形式，并通过实验验证了此电路设 计的合理性。传感单元 "#-%& 与衔接电路可整体集成于同一芯片，提高了生物传感器的品质。 关键词：离子敏场效应晶体管；敏感膜；差分结构；参考电极 中图分类号：&=<BCD; ； &),;,D< 文献标识码： ? 文章编号：;C3;E>33C （,//> ） /;E//<>E/>
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在测量过程中具有明显的不稳定性，并且可重复 性差。与 !"#$ 的 !%& ’ "(& 特性比较而言， ) 器件的 转移特性曲线如图 * 。由此可以看出，两者具有极 其 相 近 的 性 质 ， 三 明 治 结 构 不 会 影 响 + 型 ,$-./ 的阈值电压。 电容； $:+ 是单位面积栅的总电容； +C 为体掺杂浓 度； "$C 是源区与衬体的反相偏置电压； !- 是体硅 的费米势；* 是 7@ 敏感绝缘层的灵敏系数。此外，
7@2AB 是 ,$-./ 绝缘层零电荷的 7@ 值。
上 式 表 明 ， 固 定 结 构 的 ,$-./ 的 阈 值 电 压 能 反映 溶 液 7@ 值 的 变 化 ， 上 式 即 是 ,$-./ 检 测 7@ 值的机理。
D
,$-./ 衔接电路的差分设计
通常，,$-./ 采用 E( F E(B= 作为典型的参考电
图*
B 器件的 &@. ? !A. 的转移特性曲线
器件 ’ 的转移特性如图 = 所示：当 !A. 线性增 大时， &@. 非线性减小；相对于 B 而言 ， &@. 的 值 非 常小；同样， ’ 结构的器件不能应用于对 GH 值的 检测。
（, ） B 器件
（L ） + 器件
（K ） ’ 器件 图1
（@ ） C 器件
0 器 件 与 "#$-./ 的 !%& ’ "(& 的 转 移 特 性 如 图 1。与相同尺寸的 2"#$ 比较而言， 0 器件的阈值
电压 3/4 将减小 5* 63 。因此， 7 型 ,$-./ 相对 + 型 ,$-./ 具有更高的灵敏性。
%&$
电路工作原理 所设计的差分电路结构如图 5 所示。与以往
图!
"#$%& 结构
线如图 * 所示。在 !@.>3 E 的情况下， &@. 具有较大 的值约为 * 4B。电流值随 !A. 增大而呈线性下降关 系 ， 这 与 F()# 的 行 为 恰 好 相 反 。 通 常 情 况 下 ，
然而， "#$%& 栅极结构的独特性导致其制作过 程 与 标 准 ’()# 工 艺 不 相 容 。 ’()# 技 术 中 ，
图=
’ 器件的 &@. ? !A. 的转移特性曲线
采用 ’()# 实现的 = 种 "#5%& 结构