前言

离子敏感场效应晶体管与高灵敏度和低功耗操作、低制造成本和互补金属氧化物半导体(CMOS)固有兼容性相关的优势已经在许多研究中得到探索和证明。最近，铁电材料显示的负电容(NC)效应已被提议将场效应晶体管的亚阈值斜率(SS)降低到热离子极限以下。由于铁电体的不稳定性，开发铁电体的NC区很困难。然而，如果铁电电容器与适当的正电容器串联，可能是具有可调栅极电容的金属氧化物半导体场效应晶体管，则可以稳定。到目前为止，到目前为止，这种NC结构已用于固态电子器件，但从未用于ISFET。

研究内容

印度理工学院的研究人员在一项研究中，他们设计、制造并进行了一项实验，这项实验是对SOI-ISFET与Fe-Caps连接。研究表明，通过将亚阈值斜率降低到热离子极限，NC效应可以显著提高传统ISFET的电流灵敏度。

实验方法

在铁电金属绝缘体半导体(FMIS)结构中，电流泄漏会使铁电层的极化放电，并影响NC效应。值得注意的是，最近的研究报道了使用脉冲测量来研究和证实FMIS结构中的NC效应，因为快速脉冲偏置和测量允许在泄漏会使电容器放电之前研究器件响应。因此，在这项工作中，他们的实验集中在NC-ISFET的脉冲模式特性上。

与传统ISFET相比，NC-ISFET的预期质量特性

比较了基础的ISFET和NC-ISFET在100ls脉冲宽度下提取的HT-Si:HfO2帽层的传输特性，并给出了相应的仿真结果。

模拟NC-ISFET的等效电容电路

结论

综上所述，他们的研究中实验演示了具有亚热离子转移特性的ISFET传感器， 20mV/decade的亚阈值斜率是Id的两个倍程，这是由于使用Si掺杂的HfO2的Fe帽层的NC效应。他们已经用校准的模拟验证了实验结果，并且能够在模型和实验数据之间获得非常好的一致性。总的来说，这项工作为进一步的研究铺平了道路，使用低亚阈值斜率的器件用于检测生物液体中的分析物，将具有更高的电流灵敏度。

https://doi.org/10.1063/5.0005411。