Н.В. Масальский1

1 ФГУ «Федеральный научный центр» Научно-исследовательский институт системных исследований РАН (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Для биомедицинских приложений в настоящее время прослеживается тенденция интеграции на кристалле широких возможностей химического зондирования с электронными компонентами для последующей обработки экспериментальных результатов. Рассматривается подход к повышению чувствительности биосенсоров выше предела Нернста. Подход основан на использовании комплементарных ионно-чувствительных транзисторов на базе кремниевых нанопроволок с цилиндрической геометрией, выполненных по стандартной КМОП-технологии. В данном случае уровень рH раствора будет регулировать пороговое напряжение сенсорного устройства. В результате амплитуда и ширина импульса выходного сигнала модулируется уровнем pH раствора. Использование комплементарных устройств для формирования преобразователя pH по времени обеспечивает наилучшую компактность для широкого внедрения, поскольку встроенный АЦП и другие аналоговые блоки, могут быть исключены.

Цель работы – оптимизация характеристик комплементарного сенсора с помощью 3D-моделирования, выполняемого посредством программного комплекса автоматизированного проектирования TCAD, в зависимости от топологических параметров транзисторов и уровня управляющих напряжений.

Результаты. Разработан сенсор с оптимизированными параметрами: длиной и радиусом чувствительной зоны 1860 и
22,6 нм, соответственно, и концентрацией легирования 1х1015 см−3. Его чувствительность выше предела Нернста примерно на 30% при напряжении питания 1,2 В. При этом чувствительность практически постоянна в широком диапазоне
рН – от 3 до 11. Выходное напряжение невосприимчиво к индивидуальной чувствительности одиночных транзисторов, ток утечки и энергопотребление достаточно низкие. В рассматриваемом подходе одновременно достигается и высокая чувствительность, и линейное преобразование выходного тока в выходное напряжение.

Практическая значимость. Полученные результаты могут использованы для эффективной интеграции комплементарных биосенсоров с сигнальными процессорами на основе промышленной КМОП-технологии из-за большого уровня выходного напряжения и низкого уровня напряжения питания.

Масальский Н.В. Сенсорные свойства комплементарной пары кремниевых полевых нанотранзисторов с цилиндрической геометрией // Биомедицинская радиоэлектроника. 2022. T. 25. № 6. С. 67-75. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604136-202206-08

1. Adeel M., Rahman M., Caligiuri I., Canzonieri V., Rizzolio F., Daniele S. Recent advances of electrochemical and optical enzyme-free glucose sensors operating at physiological conditions // Biosens. Bioelectron. 2020. V. 165. Article 112331.
2. Zeng J., Kuang L., Miscourides N., Georgiou P. A 128 × 128 current-mode ultra-high frame rate ISFET array with in-pixel calibration for real-time ion imaging // IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst. 2020. V. 14. P. 359–372.
3. Naresh V., Lee N. A Review on biosensors and recent development of nanostructured materials-enabled biosensors // Sensors 2021. V. 21. Article 1109.
4. Moser N., Lande T.S., Toumazou C., Georgiou P. ISFETs in CMOS and emergent trends in instrumentation: A review // IEEE Sens. J. 2016. V. 16. P. 6496–6514.
5. Hu Y., Moser N., Georgiou P. A 32 × 32 ISFET chemical sensing array with integrated trapped charge and gain compensation // IEEE Sens. J. 2017. V. 17. P. 5276–5284.
6. Paulovich F.V., de Oliveira M.C.F., Oliveira O.N. A future with ubiquitous sensing and intelligent systems // ACS Sens. 2018. V. 3. P. 1433–1438.
7. Liu Y., Al-Ahdal A., Georgiou P., Toumazou C. Minimal readout scheme for ISFET sensing arrays based on pulse width modulation // Electronics Letters. 2012. V. 48. P. 548.
8. Manjakkal L., Szwagierczak D., Dahiya R. Metal oxides based electrochemical pH sensors: Current progress and future perspectives // Prog. Mater. Sci. 2020. V. 109. P. 100635–100642.
9. Chan W.P., Premanode B., Toumazou C. An Integrated ISFETs Instrumentation System in Standard CMOS Technology // IEEE Solid-State Circuits. 2010. V. 45. P. 1923–1934.
10. Do A., Minkyu J., Yeo K. An improved inverter‑based readout scheme for low‑power ISFET sensing array // Electron. Lett. 2013. V. 49. P. 1517–1518.
11. Масальский Н.В. Наноразмерные кремниевые полевые транзисторы для биосенсоров // Биомедицинская радиоэлектроника. 2020. Т. 23. № 2. С. 74–79.
12. Nguyen N., Readout T.C. Concepts for label-free biomolecule detection with advanced ISFET and silicon nanowire biosensors. Technische Universität Kaiserslautern: Kaiserslautern, Germany. 2018. 176 p.
13. Al-Ahdal A., Toumazou C. ISFET-based chemical switch // IEEE Sens. J. 2011. V. 12. P. 1140–1146.
14. TCAD Sentaurus Device https://www.synopsys.com/silicon/tcad/device-simulation/sentaurus-device.hlmt/ (дата обращения 02.03.2021)
15. Bandiziol A., Palestri P., Pittino F., Esseni D., Selmi L. A TCAD-Based methodology to model the Site-binding charge at ISFET/electrolyte interfaces // IEEE Electron Devices. 2015. V. 62. P. 3379–3386.
16. Dinar A.M., Zain A.M., Salehuddin F., Attiah M.L., Abdulhameed M.K. Modeling and simulation of electrolyte pH change in conventional ISFET using commercial Silvaco TCAD // IOP Conf. Mater. Sci. Eng. 2019. P. 518–522.
17. Ferain I., Colinge C.A., Colinge J.-P. Multigate transistors as the future of classical metal–oxide–semiconductor field-effect transistors // Nature. 2011. V. 479. P. 310–316.