上海交大集成电路学院4篇研究论文入选IEDM 2025大会

12月6日至12月10日，微电子器件领域的顶级会议第71届国际电子器件大会（IEEE International Electron Devices Meeting，以下简称“IEDM 2025”）在美国旧金山召开。上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）微纳器件与集成系统研究所郭小军团队和刘景全团队共有4篇论文入选，报道了新型晶体管技术应用于光电传感、生化传感、生物合成等方向的研究进展。

成果一： 超高灵敏度离子敏感双栅铁电场效应晶体管

实现高灵敏pH传感在生物医学诊断和环境监测等领域至关重要，但传统离子敏感场效应晶体管（ISFET）受限于Nernst理论极限（~59 mV/pH）或高压操作（>15 V），难以在微纳尺度下实现低功耗高效检测。

针对这一挑战，研究团队在IEDM 2025会议上报道了基于离子敏感双栅铁电场效应晶体管（DG-ISFeFET）的创新工作，通过引入反铁电HfxZr1-xO2（HZO）薄膜、浮栅结构和In₂O₃沟道材料，首次实现了超Nernstian极限>1000 mV/pH灵敏度和<3 V低工作电压的突破。该器件采用双栅结构，其中顶部为Al₂O₃ pH敏感层，底部为反铁电HZO栅介质，通过优化双栅电容比以及采用极化反转效应放大沟道电流。实验表明，反铁电HZO在正向扫描中通过极化翻转注入负电荷，显著增强灵敏度，而反向扫描则抑制响应。在同样的工作电压下和电容比条件下，较传统双栅ISFET提升3倍以上。该工作所研制的DG-ISFeFET展现了新的调控传感灵敏度的物理机制，并展现出超高灵敏度、低工作电压、CMOS工艺兼容等显著优势，为开发微型化、低功耗、高性能pH传感系统提供了创新的技术方案。

双栅离子敏感铁电场效应晶体管（DG-ISFeFET）工艺流程与结构

针对器件进行传统理论验证与参数优化

DG-ISFeFET器件pH传感性能表征

pH传感灵敏度额外提升的物理解释

成果二：超高分辨率超能斯特极限双栅离子敏感薄膜晶体管阵列芯片

在病原体精准鉴定、疾病标志物筛查以及现场快速检测等关键领域，电化学离子敏感薄膜晶体管（ISTFT）技术作为核酸（DNA）分子检测的潜力平台备受瞩目。但当下ISTFT技术面临“高灵敏度与高密度难以两全”的限制，制约了微量分子反应体系待测信号的精准捕捉，难以满足快速并行分子检测的迫切需求。

针对上述挑战，研究团队在 IEDM 2025会议上报道了一种单片集成的超灵敏双栅（DG）氧化铟镓锌（IGZO）离子敏感薄膜晶体管(DGISTFT) 阵列芯片。该芯片采用兼容G4.5产线的创新结构设计，通过非对称电容耦合效应将电位灵敏度提升至110 mV/pH，超越传统单栅结构的能斯特检测灵敏度极限（59 mV/pH）。同时，该新型双栅器件展现出极其卓越的微缩特性，即灵敏度放大系数不依赖栅极及其与源漏间距等几何尺寸，器件具备向更小物理尺寸微缩以进一步提升阵列分辨率并保持高灵敏度增益的潜力。得益于此，团队设计了基于1-T（单晶体管）紧凑像素电路的DGISTFT 阵列芯片，集成超过 6.5 万个传感像素，空间分辨率高达 800 PPI，并同步集成了片上门驱动电路（GOA），实现对溶液中氢离子浓度和空间分布的实时动态监测。在应用层面，设计了一款具备6个独立微流控通道的生物传感芯片，借助对环介导等温扩增（LAMP）反应过程中所释放氢离子的快速捕捉和检测，实现对大肠杆菌 O157:H7、副溶血性弧菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌等 4 种主要食源性致病菌的片上实时并行检测，阴性对照结果表明在 5-10 分钟内即可显著区分阳性样本，检测速度优于传统的 LAMP和聚合酶链式反应（PCR）等方法。

DGISTFT阵列芯片器件结构、电路原理图及实物照片

DGISTFT阵列芯片对氢离子扩散过程中浓度及分布的实时动态监测图

DGISTFT生物芯片读取系统及其对食源性致病菌的快速并行筛选

成果三：柔性全有机三维集成高分辨率图像传感芯片

实现柔性、轻量化的光图像传感芯片，是未来穿戴式设备、电子皮肤等领域的重要发展方向。然而，现有的柔性图像传感芯片依赖无机器件或外部驱动芯片，难以在实现全柔性的同时，兼顾高分辨率与系统集成度。

针对上述挑战，研究团队在IEDM 2025会议上报道了首款基于全有机薄膜晶体管(TFT)的柔性光学成像芯片。该芯片采用了全有机TFT体系，构建了有源矩阵背板和栅极驱动电路，并在其上层堆叠高灵敏度的有机光电TFT作为传感层。成功实现了256×256像素规模和213 PPI的高分辨率。通过在柔性PEN基板上直接集成栅极驱动电路，大幅减少了外部连接引脚数量，显著提升了芯片的机械柔韧性和鲁棒性。所研制的柔性全有机TFT芯片不仅成功实现了实时指纹采集，还演示了其在弯曲状态下的低畸变成像能力，该成果为大面积、低成本、真柔性传感系统的集成与应用提供了可靠的技术路径。

柔性全有机TFT光传感芯片与器件三维集成结构示意图

光图像传感芯片阵列与像素电路、驱动电路照片

所搭建的实时成像系统与弯曲状态下的低畸变成像示意图

成果四：薄膜晶体管高通量DNA合成芯片

在新兴的DNA合成技术领域，相较于依赖复杂光控条件的光致酸脱保护DNA合成法以及光敏单体介导的光控脱保护DNA合成法，基于晶体管技术的电化学DNA合成法展现出大规模并行反应控制灵活、无需复杂光控条件、仪器设计与操作相对简便等优势。然而，在薄膜晶体管（TFT）所具备的强大产能与生物合成创新技术需求之间仍存在显著差距，兼容显示产线工艺可量产的低成本、高通量、高产率DNA合成生物芯片仍未实现。

针对上述挑战，研究团队在IEDM 2025会议上报道了利用成熟量产TFT技术实现高通量DNA片上合成的研究成果。该DNA合成生物芯片由兼容G4.5产线的IGZO TFT设计而成，共计含有6.5万个合成位点并集成GOA电路实现主动矩阵驱动，在加载多种生化试剂后保持电稳定，通过精确控制电压实现选择性电化学反应，利用电化学原位产酸（EGA）控制脱保护过程，从而实现独立像素上DNA寡核苷酸的合成。研究团队借助多物理场仿真，设计优化了阴极宽度和阳极空心区域宽度以抑制相邻像素间的串扰，提升了DNA寡核苷酸合成的均匀性。荧光原位杂交凝胶电泳图像结合凝胶电泳图像结果表明，所合成的高质量寡核苷酸序列达到150 nt，单像素产量达fmol级，耦合效率高达98.5%，且通过Sanger测序验证了基因拼接功能。该研究成果为大规模高通量DNA合成提供了可扩展且经济的解决方案，促进了半导体制造与生物技术的融合，为经济高效、规模化的DNA生产奠定了基础。

薄膜晶体管DNA合成芯片电路原理图及实物

薄膜晶体管DNA合成芯片模组及电化学法合成DNA寡核苷酸流程图

电位对DNA寡核苷酸合成效率调制研究及合成产物序列荧光表征

关于IEDM

IEDM在国际半导体技术界享有较高的学术地位和广泛的影响力，是产业界和学术界展现集成电路器件领域最新研究进展和成果的重要平台，它与ISSCC（国际固态电路会议）、VLSI（超大规模集成电路研讨会）并称集成电路领域的“奥林匹克盛会”。本次会议的主题为“塑造未来的器件创新”（ SHAPING the FUTURE of DEVICE INNOVATIONS）。

作者： 集成电路学院（信息与电子工程学院） 供稿单位： 集成电路学院（信息与电子工程学院）