ABSTRACT In this study, we developed a high-performance extended-gate ion-sensitive field-effect transistor (EG-ISFET) sensor on a flexible polyethylene naphthalate (PEN) substrate. The EG-ISFET sensor comprises a tin dioxide (SnO2) extended gate, which acts as a detector, and an amorphous indium-gallium-zinc-oxide (a-IGZO) thin-film transistor (TFT) for a transducer. In order to self-amplify the sensitivity of the pH sensors, we designed a uniquely-structured a-IGZO TFT transducer with a high-k engineered top gate insulator consisting of a silicon dioxide/tantalum pentoxide (SiO2/Ta2O5) stack, a floating layer under the channel, and a control gate coplanar with the channel. The SiO2/Ta2O5 stacked top gate insulator and in-plane control gate significantly contribute to capacitive coupling, enabling the amplification of sensitivity to be enlarged compared to conventional dual-gate transducers. For a pH sensing method suitable for EG-ISFET sensors, we propose an in-plane control gate (IG) sensing mode, instead of conventional single-gate (SG) or dual-gate (DG) sensing modes. As a result, a pH sensitivity of 2364 mV/pH was achieved at room temperature – this is significantly superior to the Nernstian limit (59.15 mV/pH at room temperature). In addition, we found that non-ideal behavior was improved in hysteresis and drift measurements. Therefore, the proposed transparent EGISFFET sensor with an IG sensing mode is expected to become a promising platform for flexible and wearable biosensing applications.

中文翻译：

---

用于透明、柔性和可穿戴生物传感器的具有多栅极结构的高性能扩展栅极离子敏感场效应晶体管

摘要 在这项研究中，我们在柔性聚萘二甲酸乙二醇酯 (PEN) 基板上开发了一种高性能扩展栅离子敏感场效应晶体管 (EG-ISFET) 传感器。EG-ISFET 传感器包括一个用作检测器的二氧化锡 (SnO2) 扩展栅极和一个用于传感器的非晶铟镓锌氧化物 (a-IGZO) 薄膜晶体管 (TFT)。为了自放大 pH 传感器的灵敏度，我们设计了一种结构独特的 a-IGZO TFT 换能器，其具有高 k 工程顶栅绝缘体，由二氧化硅/五氧化二钽 (SiO2/Ta2O5) 堆叠、浮动通道下方的层，以及与通道共面的控制栅极。SiO2/Ta2O5 堆叠顶栅绝缘体和面内控制栅对电容耦合有显着贡献，与传统的双门换能器相比，能够放大灵敏度。对于适用于 EG-ISFET 传感器的 pH 传感方法，我们提出了面内控制栅极 (IG) 传感模式，而不是传统的单栅极 (SG) 或双栅极 (DG) 传感模式。因此，在室温下实现了 2364 mV/pH 的 pH 灵敏度——这明显优于能斯泰极限（室温下为 59.15 mV/pH）。此外，我们发现滞后和漂移测量中的非理想行为得到了改善。因此，所提出的具有 IG 传感模式的透明 EGISFFET 传感器有望成为灵活和可穿戴生物传感应用的有前途的平台。我们提出了一种面内控制栅极 (IG) 感应模式，而不是传统的单栅极 (SG) 或双栅极 (DG) 感应模式。因此，在室温下实现了 2364 mV/pH 的 pH 灵敏度——这明显优于能斯泰极限（室温下为 59.15 mV/pH）。此外，我们发现滞后和漂移测量中的非理想行为得到了改善。因此，所提出的具有 IG 传感模式的透明 EGISFFET 传感器有望成为灵活和可穿戴生物传感应用的有前途的平台。我们提出了一种面内控制栅极 (IG) 感应模式，而不是传统的单栅极 (SG) 或双栅极 (DG) 感应模式。因此，在室温下实现了 2364 mV/pH 的 pH 灵敏度——这明显优于能斯泰极限（室温下为 59.15 mV/pH）。此外，我们发现滞后和漂移测量中的非理想行为得到了改善。因此，所提出的具有 IG 传感模式的透明 EGISFFET 传感器有望成为灵活和可穿戴生物传感应用的有前途的平台。我们发现滞后和漂移测量中的非理想行为得到了改善。因此，所提出的具有 IG 传感模式的透明 EGISFFET 传感器有望成为灵活和可穿戴生物传感应用的有前途的平台。我们发现滞后和漂移测量中的非理想行为得到了改善。因此，所提出的具有 IG 传感模式的透明 EGISFFET 传感器有望成为灵活和可穿戴生物传感应用的有前途的平台。