CN113466792B - 一种用于氮化镓场效应传感器的低频噪声定位方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于氮化镓场效应传感器的低频噪声定位方法，所述氮化镓场效应传感器具有参比电极、源极和漏极，所述定位方法包括：检测参比电极与源极和漏极之间漏电是否小于阈值，如果超过阈值则判定由封装质量主导低频噪声来源；否则对参比电极上漏电和源极与漏极之间沟道电流做相关性检测，如果相关性大于预设值，则判定由参比电极主导低频噪声来源；否则检测不同参比电极电压下漏极和源极沟道电流的噪声频谱，如果噪声频谱与点比电极电压与开启电压的差值成正比，那么判定由沟道中载流子迁移率散射作用主导低频噪声，否则是由载流子数量变化作用主导低频噪声来源。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器建模方法，尤其涉及一种用于氮化镓场效应传感器的低频噪声定位方法。
背景技术
氮化镓场效应传感器是一种可小型化，高灵敏度，低成本的传感器，在食品检测，水质监测，土壤检测，DNA测序等领域具有重要作用。氮化镓场效应传感器虽然灵敏度很高，但是其分辨率或检出限(Limit of Detection)受限于器件本身的背景噪声。检出限即为传感器能够检测到的最小浓度的目标检测物。氮化镓场效应传感器在检测时，检测周期通常较长，因此低频噪声对其检测效果的影响更加明显，所以在不同频率噪声中，对低频噪声的建模和溯源尤为重要。
发明内容
为了解决上述现有技术的一个或多个技术问题，本发明提出一种用于氮化镓场效应传感器的低频噪声定位方法，通过对氮化镓场效应传感器进行建模，定位到其低频噪声的主导来源，从而从物理层面降低其背景噪声。
根据本发明的实施例提出了一种低频噪声定位方法，所述氮化镓场效应传感器具有参比电极、源极和漏极，所述定位方法包括：检测参比电极与源极和漏极之间漏电是否小于阈值，如果超过阈值则判定由封装质量主导低频噪声来源；如果没有超过阈值则，对参比电极上漏电和源极与漏极之间沟道电流做相关性检测，如果相关性大于一预设值，则判定由参比电极主导低频噪声来源；如果没有相关性小于该预设值则，检测不同参比电极电压下漏极和源极沟道电流的噪声频谱，如果噪声频谱与点比电极电压与开启电压的差值成正比，那么判定由沟道中载流子迁移率散射作用主导低频噪声，否则是由载流子数量变化作用主导低频噪声来源。
该噪声定位方法的特点在于有效定位传感器的低频噪声来源，从而帮助抑制低频噪声，提高传感器的信噪比。
附图说明
图1为根据本发明实施例的氮化镓场效应传感器截面图100；
图2为根据本发明实施例的低频噪声定位方法的流程图200。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了便于对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的元件。
图1为根据本发明实施例的氮化镓场效应传感器截面图，4是所述氮化镓场效应传感器，1是所述氮化镓场效应传感器的源极，2是所述氮化镓场效应传感器的漏极，6是氮化镓场效应传感器的栅极敏感膜，5是被检测的液体，3是所述的参比电极，7是氮化镓场效应传感器的封装材料。
在一个实施例中，所述的源极1和漏极2由Ti/Al/Ni/Au金属堆叠层经过高温退火与半导体形成欧姆接触。所述的栅极敏感膜6Ta2O5层，其厚度可以为10nm，用来检测被测溶液的pH值。所述的封装材料7为SU8光敏胶，用来保护源极和漏极不被溶液腐蚀。所述的参比电极3可以是Ag/AgCl参比电极，用来设定溶液电位。
图2为根据本发明实施例的一种低频噪声定位方法的流程图。第一步S1检测参比电极漏电Ig包括检测参比电极与源极1和漏极2之间漏电是否小于阈值IgT，如果超过阈值IgT则判定由封装质量主导低频噪声来源，所述阈值IgT为一预设电流值，可以根据实际情况调整。
传感器的背景噪声的测定方法为：在传感器的源极1和漏极2之间施加一个恒定的偏置电压Vds，然后采样测量源极1和漏极2之间的电流Ids随时间的变化。Ids值随时间的序列即为传感器的背景基线。对这个背景基线的波动即为传感器的背景噪声，通常可以用均方差值来对其量化。
检测参比电极漏电Ig的方法包括将器件的源极1和漏极2短接并接地，然后在参比电极3上施加一个恒定电压Vg，并检测流过参比电极3的电流Ig即为传感器的栅极漏电。如果传感器封装质量差，封装材料7无法有效保护传感器的源极1和漏极2的金属，那么金属将会与溶液接触发生电化学反应，产生巨大的噪声从而主导传感器的背景噪声。当电化学反应主导背景噪声时，其他噪声都会被淹没，因此首先要排除由封装失效引入的噪声。当金属与溶液发生电化学反应时，其漏电流也会相应呈数量级增大，通常可达10-5A级别，因此可以通过检测漏电流Ig是否超过设定阈值IgT来判断封装是否有效。
在一个实施例中，将源极1和漏极2短接，在参比电极3上施加-1V的恒定电压，并同时检测通过参比电极3的漏电流Ig。把Ig和预设的阈值IgT相比较，该阈值IgT大小与器件的引线面积等参数有关，在一次实验中设置为10nA。判断Ig是否小于IgT，如果Ig大于IgT，那么判断器件封装材料7的质量主导了器件漏电的大小。这是因为过大的漏电会引入电化学噪声，电化学噪声的数量级远高于其他类型的噪声。
如果Ig小于IgT，说明封装没有问题，那么进入第二步S2。第二步S2是检测参比电极漏电Ig与源极和漏极之间信号电流Ids的相关性σ，包括对参比电极上漏电和源极与漏极之间沟道电流Ids做Spearsman相关性检测，如果相关性大于σT，则判定由参比电极3主导低频噪声来源。其中Spearsman相关性检测σ的计算方法为：
其中，是x的平均值，/>是y的平均值。在计算Ids和Ig的相关性时，Ids序列为x，Ig序列为y。其中σT是一个预设值，通常可以取0.5。
理想的参比单极3应当与溶液之间无电势差，其电位等于溶液电位，且电位为一个恒定值。但是实际当中由于参比电极3不可能处于理想状态，与溶液之间存在一个电势差，这个电势差可能会随参比电极表面状态变化，溶液中液体流动等其他干扰因素发生变化，这个变化和波动会反应在传感器上主导了传感器的背景噪声。如果参比电极3的电极电势波动主导了传感器背景噪声，其机理是由于电势波动造成参比电极漏电Ig的波动，Ig会在溶液中形成一个波动电势，这个波动电势在传感器的敏感膜6上形成传感器栅极电势波动，从而改变传感器沟道电阻，最终在Ids上反应出来。因此，通过判断Ig与Ids的相关性σ就可以知道参比电极电势波动是否主导了传感器的背景噪声。如果Spearsman相关性σ很高，说明参比单极电势波动原因在传感器背景噪声中其很大作用。
在一个实施例中，将源极1和漏极2之间加1V偏置电压，在参比电极3上加-1V的恒定电压，并同时检测通过参比电极3的漏电流Ig与源极1和漏极2之间的信号电流Ids随时间变化，采样的速率为100ms/sample。通过计算Ig和Ids时间序列之间的Spearsman相关性σ，来定位低频噪声来源。Spearsman相关性检测结果σ大于0.5代表强相关，小于0.5是弱相关。因此我们把相关性标准σT设定为0.5。在一次实验中，其相关性为0.65，大于0.5，说明Ig与Ids呈现强正相关，判定低频噪声主导来源为参比电极。通过该方法计算出的噪声主要由大于10Hz的低频噪声主导，频率高于10Hz的噪声造成的影响可以忽略不计。因为在传感器应用中，检测时间通常为几十到几百秒，因此我们关心的评率范围大于10Hz。
如果Ig与Ids的Spearsman相关性在-1到0.5之间，说明参比电极并不是主导噪声来源，那么背景噪声来源一定是器件本身的沟道内部，要么是沟道中载流子迁移率散射作用主导低频噪声，要么是载流子数量变化作用主导低频噪声。载流子迁移率散射噪声是由于半导体内部存在的陷阱会随机俘获或释放载流子。电子被陷阱俘获后相当于一个固定电荷，对沟道内可以自由移动的载流子形成库伦散射作用，改变沟道的等效迁移率，从而形成了背景噪声。载流子数量变化噪声主要是由于沟道界面处的陷阱会随机捕获沟道内部载流子，造成沟道内载流子数量变化从而形成器件背景噪声。
因此下一步检测不同参比电极电压Vg下的噪声，包括检测不同参比电极电压Vg下漏极2和源极1之间沟道电流Ids的噪声功率密度谱，如果噪声功率密度谱中1Hz处噪声值与参比电极电压Vg与器件开启电压Vth的差值成正相关，那么判定由沟道中载流子迁移率散射作用主导低频噪声，否则是由载流子数量变化作用主导低频噪声来源。
Ids噪声功率密度谱是由Ids随时间的序列通过傅里叶变换得到的。横轴为频率，纵轴为噪声功率密度。噪声功率密度普通常为1/f噪声模式，即功率密度值与f成反比。因此，只要选定一个相同频率进行分析即可。通常选取1Hz下噪声功率密度值计算。当传感器沟道噪声由载流子迁移率散射作用主导时，其特定频率下噪声功率值应当与(Vg-Vth)大小正相关。而载流子数量变化主导的噪声特征与(Vg-Vth)大小几乎无关。因此通过判断不同Vg下噪声功率密度谱在1Hz时功率密度值是否与(Vg-Vth)大小成正相关就可以区分两种噪声来源。
所述的正相关可以通过计算Spearsman相关系数，如果其值大于阈值即可认为是正相关，阈值通常选取0.5。
在一个实施例中，将源极1和漏极2之间加1V偏置电压，在参比电极3上加-1V，-2V，-3V，-4V，-5V的恒定电压，并同时检测源极1和漏极2之间的信号电流Ids分别为Ids1,Ids2,Ids3,Ids4,Ids5。实验中氮化镓场效应传感器的开启电压Vth为-10V，因此Vg-Vth是+9V，+8V，+7V，+6V，+5V。计算Ids1到Ids5的噪声功率密度谱，通常可以用采样1000秒的Ids时间序列，采样速率为100ms/sample，通过傅里叶变化得到噪声功率密度谱，然后选取1Hz时功率密度值，得到NIds1，NIds2,NIds3,NIds4,NIds5。如果噪声功率密度大小与Vg-Vth成正比，那么判定由沟道中载流子迁移率散射作用主导低频噪声，否则是由载流子数量变化作用主导低频噪声来源。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种用于氮化镓场效应传感器的低频噪声定位方法，所述氮化镓场效应传感器具有参比电极、源极和漏极，所述定位方法包括：1）检测参比电极与源极和漏极之间漏电是否小于阈值，如果超过阈值则判定由封装质量主导低频噪声来源；如果没有超过阈值，则进行步骤2）；
2）对参比电极上漏电和源极与漏极之间沟道电流做相关性检测，如果相关性大于一预设值，则判定由参比电极主导低频噪声来源；如果没有相关性小于该预设值，则进行步骤3）；
3）检测不同参比电极电压下漏极和源极沟道电流的噪声频谱，如果噪声功率密度谱中特定频率下噪声功率密度值与参比电极电压和开启电压的差值成正比，那么判定由沟道中载流子迁移率散射作用主导低频噪声，否则是由载流子数量变化作用主导低频噪声来源。
2.如权利要求 1 所述的低频噪声定位方法，其中相关性检测为Spearsman 相关性检测。
3.如权利要求 1所述的低频噪声定位方法，其中低频噪声频率小于 10Hz。
4.如权利要求 1 所述的低频噪声定位方法，其中检测参比电极与源极和漏极之间漏电是否小于阈值包括：传感器的源极和漏极短接并接地，在参比电极上施加一个恒定电压，并检测流过参比电极的电流即为传感器的栅极漏电。
5.如权利要求 1 所述的低频噪声定位方法，其中对参比电极上漏电和源极与漏极之间沟道电流做相关性检测包括：在传感器的源极和漏极之间施加一个恒定的偏置电压，采样测量源极和漏极之间的沟道电流随时间的变化序列，同时采样测量参比单极上电流随时间的变化序列，以及对两个序列进行相关性检测。
6.如权利要求 1 所述的低频噪声定位方法，其中检测不同参比电极电压下漏极和源极沟道电流的噪声频谱包括：将参比电极施加不同数值的恒定电压，同时采样测量源极和漏极之间的沟道电流随时间的变化序列，以及对沟道电流随时间的变化序列进行傅里叶变换得到功率密度谱。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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