T E L KO M NIK A , V ol . 17 ,  No. 6,  Dec em be r   20 1 9,  p p.2 86 7~ 2 87 6   IS S N: 1 69 3 - 6 93 0 ,  accr ed ited   F irst  Gr ad e b y K em en r istekdikti,  Decr ee  No: 2 1/E/ K P T /20 18   DOI:   10.12928/TE LK OM N IK A .v 1 7 i 6 . 12852   ◼    28 67       Rec ei v ed   A pril   5 , 2 01 9 ; Re v i s ed   J ul y  2 , 2 0 1 9 ;  A c c ep t e d  J ul y  1 8 , 2 01 9   Per fo rma nce a n al y s is o f h i gh - k  mat erial s as s te rn la y er  in io n - se nsit i v e   field  e ff ec t t ra n sisto r    usin g co mm erci al TC A D       A h m ed M . Dinar * 1 ,  A S  M o h d  Zain 2 , F.  S ale h u d d in 3 ,   M o w afak K. M o h se n 4 ,    M o t h ana L.  A t t iah 5 ,  M . K. A b d u lham ee d 6   1 ,2 ,3 ,4 ,5 , 6 Fa c u l ty  o f  El e c tro n i c s  a n d  Co m p u te r  En g i n e e r i n g ,  Un i v e rs i ti  T e k n i k a l  M a l a y s i a  M e l a k a  (UT e M ),  M a l a c c a ,  M a l a y s i a   1 Com p u te r En g i n e e ri n g ,  Uni v e rs i ty  o f  T e c h n o l o g y ,  Ba g h d a d ,  Ira q   *C o rre s p o n d i n g  a u th o r,   e - m a i l :  a e a l z u b y d i @gm a i l . c o m       Ab strac t     Hig h - k   m a t e ri a l s   a s   a   STE RN   L a y e r  fo r  Io n - Se n s i ti v e - Fi e l d - E ff e c t - Tra n s i s to r  (IS FET )  h a v e   i m p ro v e d   ISF ET   s e n s i ti v i t y   a n d   s ta b i l i ty .   Th e s e   m a te r i a l s   d e c r e a s e   l e a k a g e   c u rre n t   a n d   i n c re a s e   c a p a c i t a n c e   o f  t h e   ISF ET  g a te   to ward   h i g h e s t   c u rr e n t   s e n s i ti v i ty .  So   fa r ,  m a n y   h i g h - k   m a t e ri a l s   h a v e   b e en  u ti l i z e d   fo r  ISF ET,   y e t  th e y   were   e x a m i n e d   i n d i v i d u a l l y ,  o r  u s i n g   n u m e ri c a l   s o l u ti o n s   r a th e r  th a n   u s i n g   i n te g r a te d   TCAD  e n v i ro n m e n t.   Ex p l o i t i n g   TCAD  e n v i ro n m e n t  l e a d s   to   e x tra c t  ISF ET   e q u i v a l e n t  c i rc u i t   p a ra m e te r s   a n d   p e r fo rm s   f u l l   a n a l y s i s   fo r  b o th   d e v i c e   a n d   c i rc u i t.   In   t h i s   s tu d y   w e   i n tro d u c e   a   c o m p re h e n s i v e   i n v e s ti g a ti o n   o f  d i ff e re n t  h i g h - k   m a t e ri a l ,  Ti o 2 ,  Ta 2 O 5 ,  ZrO 2 ,  A l 2 O 3 ,  HfO 2   a n d   Si 3 N 4  a s   wel l   a s   n o rm a l   s i l i c o n   d i o x i d e   a n d   th e i r  e ff e c t s   o n   ISF ET  s e n s i ti v i t y   a n d   s t a b i l i ty .  T h i s   was   i m p l e m e n te d   b y   d e v e l o p i n g   c o m m e rc i a l   Si l v a c o   TCAD  r a th e r   th a n   e x p e n s i v e   r e a l   fa b ri c a ti o n .   Th e   re s u l ts   c o n f i rm   th a t   e m p l o y i n g   h i g h - k   m a te ri a l s   i n   ISF ET  o u tp e rf o rm   n o rm a l   s i l i c o n   d i o x i d e   i n   t e rm s   o f  s e n s i ti v i ty   a n d   s ta b i l i t y .   Fu rth e r   a n a l y s i s   re v e a l e d   t h a t  Ti ta n i u m   d i o x i d e   s h o wed   th e   h i g h e s t  s e n s i ti v i t y   f o l l o wed   b y   tw o   g ro u p s   HfO 2 ,  Ta 2 O 5  a n d   ZrO 2 ,  A l 2 O 3   re s p e c ti v e l y .  An o th e r  n o ta b l e   e x c e p t i o n   o f  Si 3 N 4   t h a t  i s   l e s s   th a n   o th e r   m a te ri a l s ,  b u t   s ti l l   h a v e   h i g h e r s e n s i ti v i t y   th a n   n o rm a l   s i l i c o n  d i o x i d e .   We   b e l i e v e   th a t  t h i s  s t u d y   o p e n s   n e w   d i re c ti o n s  f o r f u rt h e r a n a l y s i s   a n d  o p t i m i z a ti o n  p ri o r t o   th e  r e a l  c o s t - i n e ff e c ti v e   fa b r i c a t i o n .       Key w ords :   h i g h - k  m a te ri a l s ,   I SFET  s e n s i ti v i ty ,  s t e rn  l a y e r,  ti ta n i u m  d i o x i d e       Copy righ t  ©  2 0 1 9   Uni v e rsi t a s  Ahm a d  D a hl a n.  All  rig ht s  r e s e rve d .       1.  Int r o d u ctio n   T he r e  ha s   be en   a  tr em en do us   c on v erg en c e  i n  th e  l as t  de c ad e  i n  c h em i c al   s en s i n g  ap p l i c at i on s ,  wi th  C MO S - b as ed   m i c r o - tec hn ol og y   p l a y i n g  a  c r uc i a l   r ol e  i n  t hi s   f i el d.  T hi s   ha s   be en   en ab l ed   us i n g  s o l i d - s tat e  s en s ors   t ha t  c a n   be   i m pl em en ted   i n  p l a na r   f or m   an d  m an uf ac tured  us i ng   CMO S   t ec hn o l o g y   to   m on ol i t h i c al l y   i nte gr ate   on   a   s i ng l e  c h i p.   T hi s   tec hn o l og y   no w  pro v i de s   an   op po r tu ni t y   f or  c h em i c al   s en s i n g  p l atf orm s   to  l e v era ge   s e m i c on du c tor  t ec hn o l o g y   tha t   m a y   of f er  ad v an ta ge s   s uc h  as   s c al ab i l i t y ,  m i ni atu r i s at i on ,   f ab r i c ati o n,  a nd   i nte grat i o n  w i t h  i nte l l i g en t  i ns tr um en tat i o n.  I S F E T   s en s ors   are  the   m os t   prom i s i ng   an d  m a y   s at i s f y   al l   th es e  o pp ort un i ti es .  T he   es s en ti al   pro pe r t y   of   IS F E T s   i s   s c al ab i l i t y   wi th  the   de v e l op i n g  s em i c on du c t or  f ab r i c ati on .  T hi s   propert y   pro v i d es   a   c on t i n uo us   tr en d  of   s en s or  m i ni m i s ati on ,  wi t h  r es ul ti ng   ad v a nta g es   f or  b i oc he m i c al   t es ts ,  e. g.  f as t  r es po ns e  an d     the   s m al l   v o l um e  of   an al y te  s ol uti on   r eq u i r ed .   Du e  t o  i ts   prom i s i ng   a pp l i c at i on   i n   bi ol og i c a l ,   bi oc h em i c al   an d  m ed i c a l   d e tec ti on   [1 - 5] ,  I S F E T   ha s   r ec ei v ed   m uc h  i nte r es t  s i n c e  i t  was   f i r s t   r ep orted   b y   B ergv el d  i n  1 97 2  [ 6] .  P art i c ul ar l y ,   m uc h  ef f ort  ha s   be en   m ad e  t o  i n v es ti ga te   pH  s en s i ti v e   I S F E T s   wi th   s tu di es   on   d ev i c e   s tr uc tur es   an d  pH - s en s i n g  m em bra ne s   a i m ed   at   i m prov i ng   the  s e ns i t i v i t y  a n d s tab i l i t y   of  IS F E T s   [7,  8] .   Uti l i z i n g  G ou y – Ch ap m an – S tern   m od el   c a n  i m prov e  I S F E T   s en s i t i v i t y   an d   s ta bi l i t y   us i n g  S tern  l a y e r   i n  d i r ec t  c on ta c t  w i t h  el ec tr ol y te  i n  IS F E T   s en s i ng   w i nd o w.  It  i s   wel l   k no w n  th at    the   ga t e  di e l ec tr i c   i s   i n   d i r e c t  c on tac t   w i th   the   e l ec tr o l y te  s o l ut i on ,  whi c h   de term i ne s   the   s tart i ng   s en s i ti v i t y   of   the s e  de v i c es .  A s   th e  S i O 2  ga t e  d i e l ec tr i c   s ho w s   a  l o w  r es po ns e  s en s i t i v i t y   an d  po or  s tab i l i t y ,  oth er  i no r g an i c   m ate r i al s   s uc h  as   A l 2 O 3   [7,  8] ,  S i 3 N 4   [6 ,  9] ,  T a 2 O 5   [ 9 - 11] ,    Hf O 2   [12 – 15]   a nd   Z r O 2   [12 - 14]   wi th   t he i r   en ha n c ed   s tab i l i t y   an d  s en s i t i v i t y   h av e  al s o     be en  i n v es t i ga ted .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N:  16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   28 6 7 - 2876   2868   T he   pe r v i ou s   wor k s   of   us i ng   h i g h - k   m ate r i al s   as   an   IS F E T s   ga te  us e d  nu m er i c al   or  m ath e m ati c al   m od el i ng   s i m ul ati on s   [ 16 - 1 9 ] .  Ho w e v er,  n o w   t ha t   th e  I S F E T   ha s   be c om e    the   m ai ns tr ea m   de v i c e  of   a  f ew   CMO S - ba s ed   s e ns i ng   p l atf orm s ,  ac c urate  an d  v ers ati l e   nu m eric al   de v i c e  s i m ul ati o ns   i n  a n  i nte grated   T CA D  en v i r o nm en t  are  de s i r a bl e  t o  s up po r t     the   I S F E T   de s i g n,  ex tr ac t  the   I S F E T   eq ui v a l en t  c i r c ui t  p aram ete r s ,  an d   p erf or m   m i x ed     de v i c e - c i r c ui t   an al y s i s .  A l s o,  th e  pre v i ou s   i n v es ti ga t i on s   th at  us e d  a   T CA D  e nv i r on m en t  f or     hi g h - k   ga ted   IS F E T   w hi l e  s om e  of  the m   tr ea t  i t  as   MO S F E T   [ 20 ] ,  ot he r s   us i n g  ne w   m eth od o l o g y   f or  el ec tr ol y te / i ns u l at or  i nte r f ac i ng   [2 1 ,  2 2 ] ,  b ut   r em ai n  c ha l l en ge d   to   c o m prehen s i v e  i n v es ti ga t i on  f or a l l  c om m on l y  us ed  hi gh - k   m ate r i al s  a s  an  IS F E T  s en s i ng  m em br an e.    In  thi s   s tu d y   we  i n tr od uc e   a  c om prehen s i v e  i n v es t i g ati o n  of   di f f erent  hi g h - k   ma teri a l ,   T i O 2 ,  T a 2 O 5 ,  Z r O 2 ,  A l 2 O 3 ,  Hf O 2   an d  S i 3 N 4   as   wel l   as   no r m al   s i l i c o n  di ox i de   a nd   the i r   ef f ec ts   on   IS F E T   s en s i t i v i t y   an d   s tab i l i t y .   T hi s   w as   i m pl em en ted   b y   de v e l op i n g  c om m erc i al   S i l v ac o  T CA D   r ath er  tha n  ex pe ns i v e  r ea l   f ab r i c ati on .  W e  be l i e v e  th i s   s tud y   op en s   ne w   d i r ec ti on s   f or  f urther  an a l y s i s   an d  op t i m i z ati on   p r i or the  r ea l  an d c os t - ef f ec ti v e f ab r i c at i o n  w a y .       2.     M ateri al  and   M eth o d s     2.1 .  S u r f a ce   P o t ent ial  M o d el   S urf ac e  c ha r ge   de ns i t y   th at  m a k es   the   IS F E T   s en s i ti v e  t o   pH  i s   c au s ed   b y   c h em i c al   r ea c ti on s   be t ween   the   IS F E T   ga te  d i e l ec tr i c   on   on e  s i de   an d  the   el ec tr ol y te   on   th e  ot he r     s i de   [1 4,  1 5 ] .  A s   a  f i r s t  s tep   to war d  the   de v e l op m en t  of   a  ge ne r al   m eth o do l og y ,  w e  w i l l   c he m i c al l y   an d  m ath em ati c al l y   i m prov e   th i s   r e l at i on s hi p.  C he m i c al l y ,   w he n  w e   c ho os e    the   i ns ul ato r   m ate r i a l   as   a  s en s i n g  m e m brane,   i o n s   wi l l   r es t  on   the   s urf ac e  m e m b r an e  of    the   i ns u l at or  ac c ordi n g  to   the   pH  c on c en tr a ti o n.  T he r ef ore,  the   s urf ac e  po t en t i al   ( ψ o )   i s   c al c ul a ted   b y   the   h y dro ge n   i o n  H +   ex c ha ng e   b et w e en   el ec tr o l y t e  s o l ut i o n  an d   s i t e   bi nd i ng   of   a n   i ns ul ato r .  T he   p H  s en s i t i v i t y   of   go o d  i ns ul ato r   s ho ul d  c ov er  wi de   r an g e  of   pH  s c a l e  b es i d es   l i ne r   r es po ns e t o  th i s  r an g e  [2 3 ] .  Ma th em ati c al l y , f or an  FET  de v i c e:      =  +   ,    +   ( , ) 2 2               ( 1)     where    i s   the   g ate   v o l tag e,      i s   f l atb an d  v ol t ag e,  q  i s   el ec tr on i c   c ha r ge ,  N A  i s   d en s i t y   of  c on c en tr at i on ,     i s   the   i ns ul a tor  c ap ac i t an c e  pe r   un i t  are a  c al c u l ate d  b y    =   ⁄ ,  an d  ,   i s  th e  de p l et i o n l a y er   w i dth   tha t c a n b e  f ou nd   b y   the  f ol l o wi ng :     . = √ 4     ∅                       ( 2)     where;  ∅ = s em i c on du c tor  wor k   f un c ti on   =       ln           ( 3)     A s s um e  tha t:   = 1. 43   e 10   cm − 3  f or  s i l i c on ,  an d   = 1.9 2   e 16  cm − 3  f or  hi gh - k   m ate r i al .   T he r ef ore,  ∅ = 4 .17   eV   f or  s i l i c on   an d  4.5 9  eV   f or  h i gh - k   m ate r i al .  T he   prev i ou s   e qu ati o n  s ho w s   tha t  we  c an   ob t ai n  d i f f erent   V FB   v a l ue s   f or  d i f f erent  V G  v a l ue s .  F or  IS F E T   de v i c e,  we  c an   r e w r i te   ( 1) as  f ol l o w s   [2 4 ] :     ℎ = . −   +    − Ǫ  − Ǫ    + Ǫ                   ( 4)     where    ,   ,  Ǫ    ,  an d  Ǫ      are  r ef eren c e  el ec tr od e  po ten t i a l ,  e l ec tr ol y t e – i ns u l at or  i nt erf ac e   di p ol e ,  wor k   f un c ti on   of   si l i c on ,  a nd   c h arge   l oc a ted   i n   the   ox i de ,   r es pe c ti v e l y .   Ǫ    a nd   C o x  are  eq u i v al e nt  i ns ul a tor – s i l i c o n  i nt erf ac e  c ha r ge   an d  t op - i ns u l at or  c ap ac i t an c e  pe r   un i t  area,   r es pe c ti v el y .  A s   m en ti on ed   i n  S ec t i on   1,  the   s urf ac e  po te nti al     m od ul ate s   t he   f l o at i n g  g ate   an d   s hi f ts   I S F E T   thres h ol d   v o l tag e  V T   . T he r ef ore,  th e  Ner ns t  e qu a ti on   c on tr o l   t he   prot on   ac ti v i t y   at  i nte r f ac e a r ea   tha t  r el ate s  to  po t en t i a l  i s   w r i tte n a s  f ol l o w s   [2 5 ] :     =    ln   +  +                 ( 5)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A     IS S N: 1 69 3 - 6 93 0   ◼     P erfor m an c e  an a l y s i s  of  h i gh - k  ma t eria l s  as  s tern  l ay e r … ( A hm ed   M.  D i na r )   2869   where   q   an d   k  ar e  e l em en tar y   c ha r g e  a nd   B ol t z m a nn   c o ns tan t,   r es pe c t i v el y .   a   i s   the   pro ton   ac ti v i t i es  i n g ate  di el ec tr i c – el ec tr o l y t e  i nt erf ac e a r ea   a nd  e l ec tr o l y t e.  T he r ef ore,  we  c an  c o nc l u de   f r o m   ( 4)  an d  ( 5)  tha t  the   s hi f t  i n  thres ho l d  v ol t ag e  f or  c on v en t i on al   I S F E T s   i s   gi v e n  b y     the  f ol l o wi ng :     ℎ = −   ∆                   ( 6)     T he   s i te - di s s oc i a ti on   m od el   de v e l op ed   b y   Y a tes   [2 6 ]   d es c r i be s   th e  r e l at i on s h i p  be twe en   the  c ha ng e  of  po te nti al   wi t h  pH  c ha ng e,  as  f ol l o w s :     0 ( 0 ) =  [  2 −  2 +  + ]               ( 7)     where      =   ( − 0  )                 ( 8)     where   N si l   i s   the   n um be r   of   am ph ote r i c   s i l an o l   s u r f ac e  s i t es ,  a nd   cH S   i s   t he   s urf ac e  H +  c on c en tr at i on .  K a  an d  K b  a r e t he  s urf ac e d i s s oc i ati on   c on s tan ts .     2.2 .  E le ctrol y t e p H  Ch ang e M o d el    A s   m en ti on ed   i n  s ec t i on   1,  the   m aj or  c ha l l e ng e   i s   the   e l ec tr o l y t e  s i m ul ati o n  i n   c o m m erc i al   T CA D  be c au s e  i t   i s   n ot  e qu i pp ed   wi t h   m od el s ,  m ate r i al s ,  an d  e l ec tr oc he m i c al   proc es s es   tha t  m an ag e  IS F E T   proc es s   an d  i ts   op er ati o ns   [15] .  T he r ef ore,  ou r   i de a  ex pl oi ts     the   us er - de f i n ed   m ate r i a l   propert y   of f ered  b y   S i l v ac o  to  s i m ul ate   el ec tr o l y te  s ol ut i on   [2 7 ] .    T he   properti es   of   a  us e r - de f i ne d  m ate r i al   of f ered  b y   S i l v ac o  are  ex pl oi t e d  to  s i m ul ate     the   el ec t r o l y t e  ( s o l ut i on )   be h av i or.  T he   pa r am ete r s   of   s i l i c on   s em i c on du c tor  m ate r i al     ( i .e. ,  en erg y   ba n dg a p,  p e r m i tti v i t y ,  af f i ni t y ,  a nd   d en s i t y   of   s tat es )   are  r ec on s tr uc ted   i n  a n  el ec tr o l y t e  s o l ut i o n.  T he r ef ore,  e l ec tr os ta ti c   s o l ut i on   o f   the   e l ec tr o l y t e  area   c an   b e  i nv es ti g ate d  b y   g i v i n g  a  nu m eric al   s ol ut i on   f or  the   s em i c on du c tor  eq ua ti o n  i ns i de   t hi s   are a.  T hree  t y pe s   of  m ate r i al s   are  a v a i l ab l e  i n   S i l v ac o  A t l as ,  n am el y ,  s em i c on du c tor,  i ns ul a tor,  a nd   c on du c tor.    T he   proc ed ure  of   de f i ni ng   a  ne w  m ate r i al   i n   A t l as   ( u s er - de f i ne d)  s pe c i f i es   the   m ate r i al   na m e,  the   us er  gro up   i t  be l on gs   t o,  an d  the   l as t  k no wn  at l a s   ab ou t  t he   d ef au l t  m ate r i a l .  W he n  t he s e   pa r am ete r s   are  s et  i n  the i r   c orr ec t  pl ac es   i n  the   S i l v a c o  i np ut  d ec k   c od e,  we  c a n  c ha ng e  a nd   m an i pu l at e  t he   m ate r i al   pro p erti es   us i ng   m ate r i al   s tat e m en ts   ( i .e. ,  pe r m i tti v i t y ,   en erg y   ba nd g ap ,   af f i ni t y ,  an d  de ns i t y   of  s tat e s )  as  i s  t y p i c al l y  do ne   [2 7 ] .   T he   m os t  i m po r tan t   p ara m ete r s   tha t  bi n d  th e  e l ec t r ol y t e  s ol uti on   ph y s i c al   pr op erti es   wi th  t he   i ntri ns i c   s em i c on du c tor  el ec tr i c al   pa r am ete r s   are  de ns i t y   of   s tat es ,  c o nd uc ti on   ba n d  NC,  an d  v al en c e  ba n d  N V .  T he s e  pa r am ete r s   pl a y   k e y   r o l es   i n  th e  m ol ar  c on c en tr at i o n  of     the   s ol uti on   b as ed   on   th e  f ol l o w i ng   m eth od o l o g y .  A t  t h e  c he m i c al   eq u i l i bri um ,  the   di s s oc i at i on   of  H2O   i s   ( H+   +   O H− ) .  T hu s ,  the   m as s   ac ti on   l a w   a t   25 °C  an d  pu r e  wate r   i s   i ntrod uc ed   b y     the  f ol l o wi ng   [2 8 ] :      = [ +   ]   [  − ]                 ( 9)     + =  − = 1 . 0   − 07  /               ( 10 )     thus ,     = 1 . 0   − 14                   ( 11 )     T he   m as s   ac ti on   l a w   s t ate s   tha t  m ul ti pl y i ng   t he   f r ee   ho l e  c on c e ntrat i on   p  an d   t he   f r ee   e l ec tr on   n  is   eq u al   t o  th e  s qu are  of   the   i ntri ns i c   c arr i er  c on c en tr ati on   n i  un de r   th erm al   eq u i l i bri um .  T he   c arr i er  c on c en tr at i on   c an   b e  gi v en   as   f ol l o w s ,  ba s ed   on   B o l t z m an n     s tat i s ti c s   [2 9 ] :     =   −   −                    ( 12 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N:  16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   28 6 7 - 2876   2870   = − −                    ( 13 )     where   E V ,  E C ,  a nd   E   f   ar e   t he   u pp er  e ne r g y   l e v el   of   th e  v a l e nc e  b an d,   the   l o wer   v a l ue   l e v e l   of  the   c on du c ti on   ba n d,  a nd   t he   F erm i   l ev el ,  r es pe c ti v e l y .   If   p= [H + ] ,   n = [O H - ] ,   an d   n = p  fr o m  ( 10 ) ;   if   E C − E f = E f – E v = E g /2  f r om   [ 30 ]   T hu s , w e c a n re w r i te  ( 12 )   a nd  ( 13 )   as  f ol l o w s :     = 2                    ( 14 )     = 2                    ( 15 )     T he r ef ore,  ( 14 )   an d  ( 1 5)  c l ea r l y   de m on s tr ate   th e  r el ati o ns hi p  be t w ee n  p H  c ha ng e  i n   el ec tr o l y t e  an d  the   d en s i t y   of   s tat e  f or   v al e nc e  an d  c on du c ti on   b an d.  T he   s i te - bi n di n g  m od el   s i de   c an   be   u pd at ed   b as ed   on   the   r el a ti on   tha t  de s c r i be d  f r o m   ( 9)  to  ( 15 )   b y   r e pl ac i ng   e ac h  H +  wi th  i ts   s em i c on du c tor  c ou nte r p art.  T he   m as s   ac ti on   l a w   i n  ( 9)  i s   th e  s am e  as   the   r el ati on   2 =  . T he r ef ore, w e  c an  r e w r i te  ( 7) as  f ol l o w s :     0   =  (   2 −   2 +   2 + )               ( 16 )     w he r e t he   n i   i s  a  c o ns tan t , a nd  o nl y   p   an d   n   wi l l  c ha ng e  wi th  pH.     2.3 . T C A D   S imu la t ion   Com m e r c i al   T CA D  al l o w s   us ers   to   i ntrod uc e  b i as - de pe nd e nt  s urf ac e  c ha r g es   i n     the   f or m   of   i nte r f ac e  do no r   or  ac c ep tor  tr ap s .  T he   c ha l l en g e  i s   s i m ul ati ng   th e  u pd at ed   s urf ac e  c ha r ge   d en s i t y   eq u ati on   de s c r i be d  b y   ( 1 6)  i n  th e  e l ec tr ol y te  pH  c ha ng e  m od el   [3 1 ] .  T o  i ntrod uc e  thi s   e qu a ti o n  t o  th e  s i m ul at or,  i n terf ac e  tr ap   s t ate m en ts   are  ut i l i z ed   to  m i m i c   the   s urf ac e  c ha r ge   ac c uratel y , a s  f ol l o w s   [2 7 ] :      I N TT R A P   <typ e>  E .   LEV E L=   <r > D E N S I TY = <r> <c a p tu r e  p a r a mete r s >     “ INT T RA P   ac ti v ate s   i n terf ac e  de f ec t  tr ap s   at  di s c r ete   en erg y   l ev el s   w i t hi n  th e  ba nd ga p  of    the   s em i c on du c tor  a nd   s ets   the i r   pa r am ete r   v a l ue s .  De v i c e   ph y s i c s   ha s   es tab l i s he d     the   ex i s ten c e  of   three  di f f erent  m ec ha ni s m s ,  w hi c h  a dd   to   th e  s pa c e  c h arge  ter m   i n  P oi s s on ’ s   eq ua ti o n  i n  a dd i ti on   t o  th e  i on i z ed   do n or  an d  ac c ep t o r   i m pu r i ti es ”   [2 7 ] .  In terf ac e  tr ap s   w i l l   ad d   s pa c e  c ha r ge   d i r ec tl y   i nto   the   r i gh t - h an d   s i d e  of   P o i s s on ’ s   e qu at i o n.  T o  c al c u l at e  the   tr ap pe d  c ha r ge  i n  P oi s s on ’ s  e qu at i o n,  th e t ot al  c h arge  v a l u e i s   de f i ne d  b y  th e f ol l o w i ng :     0 = (  + −  − )                 ( 17 )     where   +   and    −   are  th e  de ns i ti es   of   i on i z ed   do no r - l i k e  an d  ac c ep t or - l i k e  tr ap s ,  r es p ec ti v el y .   DE N S IT Y   a nd   i ts   prob ab i l i t y   of   i on i z at i on   are  r ep r es en te d  as   F tA   a nd   F tD ,  r e s pe c ti v el y .  F or   donor - l i k e  an d  ac c ep t or - l i k e  tr ap s ,  the   i on i z ed   de ns i ti es   are   c al c ul ate d   b y     the  f ol l o wi ng   eq u at i on s :      + = DE N SIT Y   ×                    ( 18 )      − = DE N SIT Y   ×                    ( 19 )     where   F t A   a nd   F tD   are  gi v e n b y  th e f ol l o w i ng  e qu ati on s :      =       +        +       +  +                ( 20 )      =       +        +       +  +                ( 21 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A     IS S N: 1 69 3 - 6 93 0   ◼     P erfor m an c e  an a l y s i s  of  h i gh - k  ma t eria l s  as  s tern  l ay e r … ( A hm ed   M.  D i na r )   2871   where  S IG N   i s   the   c arr i er  c ap ture  c r os s   s ec ti on s   f or  el ec tr on s   a nd   S IG P   h ol es .  T he   the r m al   v e l oc i t i es   f or  e l ec tr o ns   an d   ho l es   are     an d    ,  r es pe c t i v el y .  F or   do no r - l i k e  tr ap s ,  t h e  e l ec tr on   an d  ho l e e m i s s i on  r at es ,     a n d    , a r e d ef i ne d b y  t he  f ol l o wi ng   [2 7 ] :      = 1  .          −  ⁄             ( 22 )      =  .          −  ⁄             ( 23 )     where  E t  an d  E i   are   the   tr ap   en erg y   l e v e l   a nd   t he   i n tr i ns i c   F erm i   l ev el   p os i t i on ,   r es pe c ti v el y .   DE G E N .FAC  i s   th e  d eg e n erac y   f ac tor  of   the   tr ap   c e nte r .  F or  ac c ep tor  tr a ps ,  th e  el ec tr on   an d   ho l e e m i s s i on   r ate s ,     a n d      , a r e  d ef i ne d  b y   the  f ol l o wi n g  [2 7 ] :       =  .          −  ⁄             ( 24 )      = 1  .          −  ⁄             ( 25 )     f or  ex a m pl e,  th e a c c ep t or i nte r f ac e t r ap  s tat em en t a nd  i ts  pa r am ete r s  are as  f ol l o wi ng :         Cons i d erin g  al l   e qu a ti o ns   m en ti on ed   ab ov e,  we  c a n   r e w r i t e  t he   s i t - bi nd i ng   m o de l   ( 1)  ba s ed   on   T CA D  m od el .  W e  f i r s t  as s um e  tha t  ac c ep to r   an d  do n or  tr ap s   ex c ha ng e  c arr i ers   on l y   wi th  th e  c on du c t i o n  an d  v a l en c e  b an d  of   the   s em i c on d uc tor  r ep r es en t i ng   t h e  el ec tr o l y t e,  r es pe c ti v el y .  Henc e,   w e   c a n re w r i t e (7)  i n t erm s  of   T C A D m od el  as  f ol l o w s :     (  ) = ×   (       −           +      + 2 )           ( 26 )     f or m ore  de t ai l s   a bo ut   T CA D  s i m ul ati on   an d  m od el l i ng ,  th e  prev i o us   w ork   w as   we l l   de s c r i b ed   a l l   m od el l i n g m eth od o l o g i es  [ 3 2 ].        3.  Re sult s a n d  di sc u s sio n   In  thi s   s ec ti o n  a  c om pa r i s on   r es ul ts   of   di f f erent  hi g h - k   m ate r i al s   as   IS F E T   s en s i n g   m e m b r an e  w i l l   i ntr od uc e.   T ab l e  1  an d   T ab l e  2   are  the   T CA D  s i m ul ati o n   pa r am ete r s .     T he   pa r am ete r s   r eq ui r ed   f o r   v al i da t i o n  an d  s i m ul at i o n  are  ea s i l y   d eri v ed   f r om   the   l i t erature  d ata   as  s ho w n  i n T ab l e 2 .         T ab l e 1 . T CA D  P aram ete r s   of  IS F E T   P a r a m e t e r   V a lue   U n it   P a r a m e t e r   V a lue   U n it   t St e rn     -   C h a n n e l  len g t h   200   nm   T   300   K   S / D   d o p ing   10 17   cm −3   k   1 . 3 8 0 6 4 9 ×1 0 −2 3   J / K   S / D   len g t h   50   nm   t  e l e ct ro l yt e   1000   nm   E lec t r o ly t e   c o n c e n t r a t ion   10 −3   M o l/ L   t ox   3   nm   Ox ide   p e r m it t iv it y   3 . 9   -   E lec t r o ly t e   p e r m i t t iv i t y   80   -   V DS   50   mV       T he   di f f erenc e  i n  th i s   wor k   w i th  ot he r   w ork s   an d  i nv es t i ga ti o ns ,  the   r es ea r c h  da t a  ex tr ac ted   d i r ec tl y   f r o m   T CA D  as   a  tr an s f er  c ha r ac teri s t i c .  T he r ef ore,  the   eq ua t i on s   f r o m   1  to  26   i s   i nte r pret ed   as   S i l v ac o  A T HE NA   an d  A T LA S   c od es   [2 7 ] .  A n   IS F E T   de v i c e   i s   s i m ul ate d   to   c he c k   the   s ui tab i l i t y   of   th e  m od el i n g  proc ed ure.  T he   c r os s - s ec ti on   of   the   IS F E T   s i m ul ati o n  s tr uc ture  i s   s h o w n   i n  F i g ure  1 .  T he   pa r am ete r s   r eq ui r e d  f or  v a l i d ati on   an d  s i m ul ati on   f or  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N:  16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   28 6 7 - 2876   2872   ex am pl e  S i O 2   ga te  d i el ec tr i c   to  c he c k   the   v al i di t y   of   ou r   m od el   an d  to  s h o w   th e  ag r ee m en t  of   m od el s   wi th   t he   the oret i c al   m od el s   an d   wi th   ex pe r i m en tal   w ork .  T he   f i r s t  s et  of   m o de l   v al i d ati on   ex am i ne s   the   ef f ec t  of   c ha ng i n g  p H  o n  c h arge  de ns i t y   i n   s i t e - bi n di ng   m od e l .  T hi s   i s  ac c o m pl i s he d  b y   c om pa r i n g  ou r   m od el s   wi th  t he   t he oreti c a l   m od el   d ev el o pe d  b y   Y at  [2 6 ]   as   s ho w n  i n   F i gu r e  2.   F urth e r m ore,  the   de ns i t y   of   s tat es   NC  an d   N V   ac c ordi n g  to  p H  c ha ng e  v a l ue s  s ho wn  i n F i gu r e  3.       T ab l e 2 .  Ma t eria l s   P ar am et ers   us ed  i n T CA D  S i m ul ati on   [ 9 ,  16 , 25 ]     M a t e r ial   D il e c t r i c   C o n s t a n t   D e n s it y   K a   K b   S io 2   3 . 9   5   .   1 0 14   ( 1 / c m 2 )   10 - 6   10 2   Ta 2 O5   22   1 0   .   1 0 14   ( 1 / c m 2 )   10 - 4   10 - 2   TiO 2   80   1 . 2   .   1 0 14   ( 1 / c m 2 )   10 - 9   2 . 5   .   1 0 - 3   Si 3 N 4   7 . 5   3 .   1 0 14   ( 1 / c m 2 )   10 - 6   10 2   Al 2 O 5   14   8   .   1 0 14   ( 1 / c m 2 )   10 - 10   10 - 6   H f O 2   25   8   .   1 0 14   ( 1 / c m 2 )   10 - 10   10 - 6   Zr O 2   22   9   .   1 0 14   ( 1 / c m 2 )   2 . 8   .   1 0 - 8   2 . 2 5   .   1 0 - 4           F i gu r e  1.  2 D c r os s  s ec ti on   of  IS F E T       T he   el ec tr os t ati c   be ha v i or   ( tr an s f er  c ha r ac teri s ti c s )   of   a   c on v en t i o na l   I S F E T   d ev i c e  i s   s i m ul ate d.  Dr a i n i ng   to   s ou r c e  c urr en t  I ds   v ers us   the   r ef erenc e  ga t e  v o l ta ge   V Ref.   at  v ari ou s   p H  v a l ue s   f or  T i o 2 ,  T a 2 O 5 ,  Z r O 2 ,A l 2 O 3 , Hf O 2   an d  S i 3 N 4   S tern  La y er  i s   s ho wn  i n  F i gu r e s   4  ( a - f ) .    T he   ob s erv e d  i nc r ea s e  i n  thres ho l d  v o l tag e  c ou l d  be   att r i b ute d  to   the   i nc r e as e   i n  pH  v al ue s .   F i gu r e s   4  ( a - f )   s ho w s   th a t  the   l o w es t  a nd   th e  h i gh es t  v a l ue s   of   pH  r ep ort  l es s   s en s i ti v i t y   c o m pa r ed   w i th  v a l ue s   i n t h e rang e p H  5 – 9,  w h i c h  i s  c on s i s ten t  w i th  t he  t he or i es   [ 9] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A     IS S N: 1 69 3 - 6 93 0   ◼     P erfor m an c e  an a l y s i s  of  h i gh - k  ma t eria l s  as  s tern  l ay e r … ( A hm ed   M.  D i na r )   2873       F i gu r e  2.  C om pa r i s on  be t w ee n t he  T CA D m od el   an d  t he oret i c al  s i t - bi nd i ng  m od el           F i gu r e  3.  V ari ati on  of  de ns i t y   of  s tat e  of  v a l en c e  an d  c o nd uc ta nc e b a nd   ac c ordi n g  to  pH c h an g e       F or  m ore  an al y s i s ,  th e  a v erage  s en s v i t y   of   c on v en t i na l   S t ern - IS F E T   f or  S i x   hi g h - k  m ate r i al s   s en s i n g  m e m ba r an e  i s   c om pa r ed   wi th   ea c h   as   w e l l   as   t he   a v erag e  s n es ti v i t y   of   S i O 2  i ntrod uc ed   i n  F i gu r e   5 .  A s   s ho w n   the   h i g h - k   s en s i ng   m e m b r an es   are   h i t  the   Ne arns t  l i m i t  an d   the   s tab i l i t y   a l s o  c on tr i bu t e d  i n  ac c ep ti bl e  w a y   c o m pa r i ng   wi th  no r m al   s i l i c o n  de ox i de .  F i g ure  6   di s c r i be   th e  s h i f t  i n  t hres h ol d   v ol tag e  i n   f r on t  of   pH   bu l k   c ha ng e  f r on   1→ 14 .   S l i tl y   di f f r en c e   be t w e en   h i g h - k   m ate r i al s   c o m pa r i ng   wi th  no r m al   s i l i c on   de ox i de   an d  t he   s ta bi l i t y   of   the m   are   r ea c h e x tr em l y  b y  9 9.9 9% .   S pe c i f i c a l l y ,  the   c on tr i bu t i o n  of   ea c h   s e ns i n g  m e m brane  f r om   the   the or ati c a l   s ne s ti v i t y   ba s ed   on   N ea r ns t  eq ua t i on   ob s erv e d  i n  F i gu r e  7 .  A s   s ho w n,  t he   m os t  c on tr i bu ted   on e  i s   T i O 2   b y   59 .0 65   m V /pH,   ne x t   t w o   m ate r i al s   are   Hf O 2   an d   T a 2 O 5   b y   ~ 5 9.0 3  m V / pH.  T he   l o wes t  t wo  m ate r i al s   are  Z r O 2   an d   A l 2 O 3   by   5 9.0 0 7  m V /pH  an d   59 .0 2  m V /ph ,  r es pe c ti v i l y .  F i na l l y ,  S i 3 N 4   i s   no ta bl e   ex c ep t i on   as   s ho wn  be c a us e  of   th e  S i O H   groups   f orm ed   b y   ox i da t i on   of   s i l i c o n,    the   S i 3 N 4   s urf ac e  i s   c h arac teri z ed   b y   ad d i t i on al   ba s i c   s i tes   f or m ed   b y   prim ar y   am i ne     groups   [1 0] .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N:  16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   28 6 7 - 2876   2874         ( a)         ( b)         ( c )         ( d)         ( e)       ( f )     F i gu r e  4 . T r an s f er c ha r ac teri s ti c s  wi th  r es pe c t to  th e  r e f erenc e g ate   v ol t ag e f or th e  S en s i ng   Me m branes  as  IS F E T  s tern l a y er,   ( a)  Al 2 O 3 ,   ( b)  Si 3 N 4 ,   ( c )   Hf O 2 ,   ( d)  Ta 2 O 5 ,   ( e)  ZrO 2 ,   ( f )   T i o 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NIK A     IS S N: 1 69 3 - 6 93 0   ◼     P erfor m an c e  an a l y s i s  of  h i gh - k  ma t eria l s  as  s tern  l ay e r … ( A hm ed   M.  D i na r )   2875           F i gu r e  7 .  A v erage  s en s i t i v i t y   of  al l  s en s i ng  m em ba r an es  wi th  ne arns t  l i m i t       4.  Co n clus ion   In  th i s   s tu d y   we   i n tr od uc e   a  c om prehen s i v e  i n v es t i ga t i on   of   di f f erent  h i g h - k   m ate r i al   as   wel l   as   no r m al   s i l i c on   d i o x i de   an d   th ei r   ef f ec ts   on   I S F E T   s en s i t i v i t y   an d   s tab i l i t y .   T hi s   w as   i m pl em en ted   b y   d ev el op i n g  c om m er c i al   S i l v ac o  T CA D  r ath er  th an   ex pe ns i v e  r ea l   f ab r i c ati on .  T he   r es ul ts   c on f i r m   tha t  em pl o y i n g  hi g h - k   m ate r i al s   i n  IS F E T   ou tp erf or m   no r m a l   s i l i c on   di ox i d e  i n  term s   o f   s en s i ti v i t y   a nd   s tab i l i t y .  F urth er  an a l y s i s   r ev e al ed  th at  T i tan i um   di ox i de   s ho w e d  the   hi g he s t  s en s i ti v i t y   f ol l o wed   b y   t w o  grou ps   Hf O 2 ,  T a 2 O 5   an d  Z r O 2 ,  A l 2 O 3   r es pe c ti v e l y .   F urth er  s tud i es   s ho u l d   i nv es ti g ate   the   pe r f orm an c e  an al y s i s   of   c om m on l y   us ed   h i gh - k   m ate r i al s   us i ng   s a m e  ap proac h.  A l th ou gh   the   s i m ul at i on   ap proac h  s ti l l   c on s i d ered  no t   r ea l   f ab r i c at i on   an d  m ea s ure m en ts ,  thi s   s tud y   op en s   ne w  d i r ec ti o ns   f o r   further  a na l y s i s   an d  o pti m i z ati o n  pr i or  t he   r ea l  a nd  c os t - ef f ec ti v e f ab r i c ati on   w a y .       A c kno w ledg men t s   T he   au tho r s   gratef ul l y   ac k no w l ed g e  th e  UT eM   Z am al a h  S c he m e,  Uni v ers i ti   T ek ni k al   Ma l a y s i a  Me l ak a  ( UT eM ) ,  an d  t he   s u pp orts   f r o m   the   C en tr e   f or  Res ea r c h   an d   Inn ov ati on   Ma na ge m en t (C RIM),  Cent r e o f  E x c el l en c e,  U ni v ers i t i   T e k ni k al  Ma l a y s i a  Me l ak a (UT eM ) .       Ref er en ce     [1 ]   A  Bra to v ,  N   Ab r a m o v a ,   C   Dom ín g u e z .  In v e s ti g a ti o n   o f   c h l o r i d e   s e n s i ti v e   ISF ET s   w i th   d i f fe re n t   m e m b ra n e  c o m p o s i ti o n s   s u i t a b l e  f o r m e d i c a l   a p p l i c a ti o n s .   A n a l .  Ch i m .  Ac ta .  2 0 0 4 ;  514 ( 1 ) :  9 9 - 106 .   [2 ]   C S   L e e ,  S  Ky u   Ki m ,  M   Ki m .  Io n - s e n s i t i v e   fi e l d - e ff e c t  tr a n s i s t o r  fo r  b i o l o g i c a l   s e n s i n g .   Se n s o rs .  2 0 0 9 ;   9 ( 9 ):  7 1 1 1 – 7 1 3 1 .   [3 ]   T   Sa k u ra i ,   Y   Hus i m i .  R e a l - T i m e   M o n i to ri n g   o f  DN A  Po l y m e ra s e   R e a c ti o n s   b y   a   M i c ro   I SFET   p H  Se n s o r .   An a l .  Che m .   1 9 9 2 ;   64 ( 17 ):  1 9 9 6 – 1 9 9 7 .           F i gu r e  5 .  A v er ag e  s en s i t i v i t y   of  al l  s en s i ng   Me m ba r an es   w i t h S i o 2   F i gu r e  6 . T CA D s i m ul at i on   thres ho l d  v o l tag e  s hi f t o f   al l  s e ns i ng  m e m ba r an es   wi th  S i o 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ◼                IS S N:  16 93 - 6 93 0   T E L KO M NIK A     V ol .   17 ,  No .  6,  D ec em be r  20 19 :   28 6 7 - 2876   2876   [4 ]   A M   Din a r,  AS M   Za i n ,  F   Sa l e h u d d i n .  CM O S   ISF ET  d e v i c e   fo r  DN A  Se q u e n c i n g  :  Dev i c e   Com p e n s a t i o n ,   Ap p l i c a ti o n   R e q u i re m e n ts   a n d   Re c o m m e n d a ti o n s .   In t.   J .  Ap p l .  En g .  R e s .   20 1 7 ;   12 ( 21 ):  1 1 0 1 5 – 1 1 0 2 8 .   [5 ]   A M   Din a r,  AS M   Za i n ,  F   Sa l e h u d d i n .  Uti l i z i n g   O f  C m o s   I s fe t   Se n s o r s   I n   Dn a   Ap p l i c a t i o n s   Det e c t i o n :   A   Sy s te m a t i c  Re v i e w .   J o u r Ad v   Res .  Dy n .  Con tr o l  S y s t .   2 0 1 8 ;  10 ( 4 ):  5 6 9 – 583.     [6 ]   P   Be rg v e l d .  Dev e l o p m e n t,   o p e ra ti o n ,  a n d   a p p l i c a ti o n   o f  th e   i o n - s e n s i ti v e   fi e l d - e ff e c t  tra n s i s to r  a s   a   to o l  f o r e l e c tr o p h y s i o l o g y .  IEE E T ra n s .  Bi o m e d .  En g .   1 9 7 2 ;  19 ( 5 ):  3 4 2 – 351 .   [7 ]   M N   Niu ,  X F   Din g ,  Q Y   T o n g .  Eff e c t  o f  tw o   ty p e s   o f  s u rfa c e   s i te s   o n   th e   c h a ra c t e ri s ti c s   o f  Si 3 N4 - g a t e   pH - ISF ET s .   Se n s o rs  A c tu a to r s  B  Che m .   1 9 9 6 ;   37 ( 1 – 2 ):  1 3 – 17 .   [8 ]   S  Che n ,  J G   Bo m e r,  E T   Carl e n ,  A   Va n   Den   B e rg .  Al 2 O 3 /s i l i c o n   n a n o IS FET   w i th   n e a r  i d e a l   n e rn s ti a n   re s p o n s e .   Nan o  L e t t.   2 0 1 1 ;   11 ( 6 ):  2 3 3 4 – 2 3 4 1 .   [9 ]   RE G   Va n   Hal ,   J C T   Ei j k e l ,  P   Be rg v e l d .  A  g e n e ra l   m o d e l   t o   d e s c r i b e   th e   e l e c tr o s t a ti c   p o te n t i a l   a t   e l e c tro l y te   o x i d e  i n te rf a c e s .   A d v .  Col l o i d  I n t e rfa c e  Sc i .   1 9 9 6 ;   6 9 ( 1 – 3 ) :  3 1 – 62 .   [1 0 ]   D L   Hara m e ,  L J   Bo u s s e ,  J D   Sh o tt ,  J D   M e i n d l .  I o n - Se n s i n g   Dev i c e s   w i th   Si l i c o n   Nit ri d e   a n d   Bo ro s i l i c a te  Grl a s s  I n s u l a to r s .   IEEE  Tra n s .  El e c tro n  De v i c e s .  1 9 8 7 ;   34 ( 8 ):  1 7 0 0 – 1707 .   [1 1 ]   DH   K w o n ,  B W   Cho ,  C S   Ki m ,  B K   So h n .  Eff e c ts   o f  h e a t  tre a tm e n t  o n   T a 2 O 5   s e n s i n g   m e m b ra n e   fo r   l o w  d ri ft  a n d  h i g h   s e n s i t i v i ty  p H - ISF ET .   Se n s o rs  Ac t u a to r s  B  Ch e m .   1 9 9 6 ;   34 ( 1 – 3 ) :  4 4 1 – 4 4 5 .   [1 2 ]   T  Ak i y a m a ,  Y  Uj i h i r a ,  Y  Ok a b e ,  T   Su g a n o ,  E   N i k i .  Io n - S e n s i ti v e  F i e l d - Ef fe c t  T ra n s i s to r s  w i th  I n o rg a n i c   G a te  Ox i d e  f o r p H Se n s i n g .   IE EE T ra n s .  El e c tro n  De v i c e s .  1 9 8 2 ;  29 ( 12 ) :  1 9 3 6 – 1 9 4 1 .   [1 3 ]   H R  T h a k u r,  G   Ke s h w a n i ,  J C   Dut ta ,  C   En g i n e e ri n g .  S e n s i ti v i ty   o f  Carb o n   Na n o tu b e   Ba s e d   J u n c ti o n l e s s   Io n   Se n s i ti v e   Fi e l d   Eff e c t   T ra n s i s to r   (CN T J L ISF ET )  fo r  HfO 2   a n d   ZrO2   g a t e   d i e l e c tri c s :   Ex p e ri m e n ta l   a n d   Th e o re ti c a l  I n v e s ti g a ti o n .   2 0 1 7 :  1 3 7 – 142 .   [1 4 ]   V.  J a n k o v i c   a n d   J .  P.  C h a n g .  HfO 2   a n d   ZrO2 – Ba s e d   M i c ro c h e m i c a l   Io n   Se n s i ti v e   Fi e l d   Ef fe c t   T ra n s i s t o r  (ISF ET )  Se n s o rs :   Si m u l a ti o n   &  Ex p e ri m e n t .   J .  El e c tr o c h e m .  So c .   2 0 1 1 ;  158 ( 10 ) :     115 - P1 1 7 .   [1 5 ]   A   T a ra s o v   e t  a l . .  Und e r s ta n d i n g   th e   e l e c tro l y te   b a c k g r o u n d   fo r  b i o c h e m i c a l   s e n s i n g   w i th   i o n - s e n s i t i v e   fi e l d - e ff e c t  tr a n s i s t o rs .   ACS Nan o .   2 0 1 2 ;   6 ( 10 ):  9 2 9 1 – 9298 .   [1 6 ]   T M   Ab d o l k a d e r ,   AG .  Al a h d a l .  Pe rfo rm a n c e   o p t i m i z a ti o n   o f  s i n g l e - l a y e r  a n d   d o u b l e - l a y e r  h i g h - k   g a te   n a n o s c a l e   i o n - s e n s i t i v e  f i e l d - e ff e c t  tra n s i s to rs .   Se n s o r s  Ac t u a to rs ,  B  Che m .   2 0 1 8 ;  259 :  3 6 – 43 .   [1 7 ]   G   M a s s o b ri o ,   S   M a rti n o i a .  M o d e l l i n g   th e   ISF ET   b e h a v i o u r  u n d e r   te m p e r a tu re   v a ri a ti o n s   u s i n g   BIO SPICE .   El e c tr o n .  L e tt .   2 0 0 2 ;  3 2 ( 10 ):  9 3 6 - 9 3 8 .   [1 8 ]   A   Po d o l s k a   e t  a l . .  M e th o d   t o   Pre d i c t   a n d   O p ti m i z e   Ch a rg e   Se n s i t i v i ty   o f  U n g a t e d   A l G a N/G a N    HE M T - Ba s e d   Io n   Se n s o r  W i th o u t  Us e   o f  Ref e re n c e   El e c tro d e .   IEEE  Se n s .  J .   2 0 1 5 ;  15 ( 9 ) :     5320 – 5 3 2 6 .   [1 9 ]   A M   Din a r,  AS  M o h d   Za i n ,  F   Sa l e h u d d i n .  Co m p re h e n s i v e   i d e n ti fi c a ti o n   o f   s e n s i ti v e   a n d   s ta b l e   i s fe t   s e n s i n g   l a y e r  h i g h - k   g a t e   b a s e d   o n   i s fe t/ e l e c tr o l y te   m o d e l s .   In t.   J .  E l e c tr.   Com p u t.   E n g .   2 0 1 9 ;   9 ( 2 ):    926 – 9 3 3 .   [2 0 ]   R   M u k h i y a   e t  a l . .  Fa b r i c a ti o n   a n d   c h a r a c t e ri s a ti o n   o f   Al   g a te   n - m e t a l – o x i d e – s e m i c o n d u c to r     fi e l d - ef fe c t  tra n s i s to r,  o n - c h i p   fa b ri c a te d   w i th   s i l i c o n   n i tr i d e   i o n - s e n s i ti v e   fi e l d - e f fe c t  tra n s i s t o r .   IE T   Com p u t.  Di g i t.  T e c h .   2 0 1 6 ;  10 ( 5 ):  2 6 8 – 2 7 2 .   [2 1 ]   A  Ba n d i z i o l ,  P   Pa l e s tr i ,  F   Pi tt i n o ,  D  E s s e n i ,   L   Se l m i .  A  T CAD - b a s e d   m e th o d o l o g y   to   m o d e l     th e   s i te - b i n d i n g   c h a r g e   a t  ISF ET /e l e c tro l y te   i n t e rfa c e s .   IEE E  Tra n s .   El e c tro n   Dev i c e s .  2 0 1 5 ;  62 ( 10 ):   3379 – 3 3 8 6 .   [2 2 ]   B   Cho i   e t  a l . .  T CAD - b a s e d   s i m u l a ti o n   m e th o d   fo r  th e   e l e c tr o l y te - i n s u l a to r - s e m i c o n d u c to r  fi e l d - e ff e c t   tra n s i s t o r .   IEEE  Tr a n s .  El e c tro n  De v i c e s .   2 0 1 5 ;  62 ( 3 ) :  1 0 7 2 – 1075 .   [2 3 ]   M J   Sp i j k m a n   e t  a l . .  Du a l - g a te   o rg a n i c   f i e l d - e ff e c t  tr a n s i s t o r s   a s   p o te n ti o m e t ri e   s e n s o r s   i n   a q u e o u s   s o l u ti o n .   Ad v .  Fu n c t.  M a te r.   2 0 1 0 ;  20 ( 6 ):   8 9 8 – 905 .   [2 4 ]   J C   Cho u ,   L P   L i a o .  Stu d y   o n   p H  a t  t h e   p o i n t  o f  z e r o   c h a rg e   o f  T i O 2 p H  i o n - s e n s i t i v e   f i e l d   e ff e c t   tra n s i s t o r   m a d e   b y  t h e   s p u tt e ri n g  m e th o d .   Th i n  So l i d  F i l m s .   2 0 0 5 ;  4 7 6 ( 1 ) :  1 5 7 – 1 6 1 .   [2 5 ]   H J   J a n g ,   W J   Cho .  F a b ri c a t i o n  o f  h i g h - p e rf o rm a n c e   fu l l y   d e p l e te d  s i l i c o n - on - i n s u l a t o r  b a s e d   d u a l - g a t e   ion - s e n s i ti v e  f i e l d - e ff e c t  tra n s i s to r b e y o n d  t h e  Ne r n s t i a n   l i m i t .   Ap p l .  Ph y s .  L e tt .   2 0 1 2 ;  1 0 0 ( 7 ) .   [2 6 ]   W   H e a l y ,  D E   Y a te s ,  S   L e v i n e .  Si t e - b i n d i n g   M o d e l   o f   th e   El e c tri c a l   Dou b l e   L a y e r  a t   th e   O x i d e / W a t e r   In te rfa c e .   Tra n s .  F a ra d .  S o c .  I .   1 9 7 4 ;   70 :  1 8 0 7 - 1 8 1 8 .   [2 7 ]   D S.  So ft w a re .  AT L AS Us e r’ s   M a n u a l .   2 0 1 6 ;  4 0 8 :  5 6 7 – 1 0 0 0 .     [2 8 ]   P  Fro m h e rz ,  A  O ff e n h ä u s s e r,   T   V e tt e r,  J   W e i s .  A  Neu r o n - Si l i c o n   J u n c ti o n :  A  Ret z i u s   Cel l   o f  t h e   L e e c h  o n  a n  I n s u l a t e d - G a te   Fi e l d - Eff e c t  T ra n s i s to r .   S c i e n c e .  1991;   252 ( 5010 ):  1 2 9 0 – 1293 .   [2 9 ]   D  Pa s s e r i ,  A  M o ro z z i ,  K   Ka n x h e ri ,  A   Sc o rz o n i .  Nu m e ri c a l   s i m u l a t i o n   o f  ISF ET   s tru c tu re s   fo r   b i o s e n s i n g  d e v i c e s  w i th  T CAD  t o o l s .   Bi o m e d .  En g .  O n l i n e .  2 0 1 5 ;  14 ( 2 ):   1 – 1 6 .   [3 0 ]   RF   Pi e rre t .  Se m i c o n d u c to r D e v i c e  F u n d a m e n t a l s .   New  Y o rk .  1 9 9 6 :  7 9 2 .   [3 1 ]   E   M o h a m m a d i ,  N   M a n a v i z a d e h .  Pe r fo rm a n c e   a n d   s e n s i t i v i ty   a n a l y s i s   o f   Dua l - g a te d   i o n   s e n s i t i v e   FET .   2 0 1 7  2 5 th   Ira n .  Con f.  El e c tr.  En g .  ICEE 2 0 1 7 ,   n o .  l CEE20  1 7 .  2 0 1 7 :  4 4 0 – 444 .   [3 2 ]   A M   Din a r,   A  M o h d   Za i n ,  F   S a l e h u d d i n ,  M L   Att i a h ,   M K  Ab d u l h a m e e d ,   M K   M o h s e n .  M o d e l i n g   a n d   s i m u l a t i o n   o f  e l e c tro l y te   p H  c h a n g e   i n   c o n v e n ti o n a l   IS FET   u s i n g   c o m m e rc i a l   Si l v a c o   TC AD .   i n   IOP   Con fe re n c e  S e ri e s :  M a te ri a l s   Sc i e n c e   a n d  E n g i n e e ri n g .  2 0 1 9 ;  518 :  0 4 2 0 2 0 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.