DE102016117555A1 - Biologisch empfindlicher dual-gate-feldeffekttransistor - Google Patents

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Yu-Jie Huang
Jui-Cheng Huang
Cheng-Hsiang Hsieh
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Abstract

Ein biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor umfasst ein Substrat, ein erstes Steuer-Gate und ein zweites Steuer-Gate. Das Substrat weist eine erste Seite und eine zweite Seite gegenüber der ersten Seite, einen Source-Bereich und einen Drain-Bereich auf. Das erste Steuer-Gate ist auf der ersten Seite des Substrats angeordnet. Das zweite Steuer-Gate ist auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet. Das zweite Steuer-Gate umfasst einen Messfilm, der auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist. Eine Vorspannung zwischen dem Source-Bereich und dem zweiten Steuer-Gate ist kleiner als eine Schwellenspannung des zweiten Steuer-Gate.

Description

  • HINTERGRUND
  • Biosensoren sind Bauelemente zum Messen und Detektieren von Biomolekülen und arbeiten auf der Grundlage von elektronischen, elektrochemischen, optischen und mechanischen Detektionsprinzipien. Biosensoren, die Transistoren enthalten, sind Sensoren, die elektrische Ladungen, Fotonen und mechanische Eigenschaften von biologischen Einheiten oder Biomolekülen messen. Der Sensor detektiert die Konzentration von biologischen Einheiten oder Biomolekülen oder Wechselwirkungen und Reaktionen zwischen bestimmten Reaktanten und biologischen Einheiten/Biomolekülen. Derartige Biosensoren haben eine schnelle Signalumwandlung und können unter Verwendung von Halbleiterverfahren hergestellt und einfach in integrierten Schaltkreisen und MEMS eingesetzt werden.
  • Ein Feldeffekttransistor (FET) umfasst einen Source-, einen Drain- und einen Gate-Bereich und kann als Sensor für verschiedene Targets verwendet werden. Ein biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor oder bio-organischer Feldeffekttransistor (BioFET) wird zum Detektieren von Biomolekülen, einschließlich beispielsweise H+, Ca2+, DNA, Proteinen und Glukose, vorgesehen. Als BioFET-Gate wird ein Elektrolyt mit dem fraglichen Molekül verwendet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren verstanden. Es sei angemerkt, dass im Einklang mit üblicher technischer Praxis bestimmte Merkmale nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind. Die Abmessungen verschiedener Merkmale können sogar zur Verdeutlichung von Aspekten willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
  • 1 ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das einen biologisch empfindlichen Dual-Gate- oder Doppelgate-Feldeffekttransistor (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 2A ist ein schematisches Querschnittsdiagramm, das einen biologisch empfindlichen Dual-Gate-Feldeffekttransistor (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 2B ist ein schematisches Diagramm, das einen vereinfachten Schaltweg eines biologisch empfindlichen Dual-Gate-Feldeffekttransistors (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 2C ist ein schematisches Diagramm, das einen vereinfachten Schaltplan eines biologisch empfindlichen Dual-Gate-Feldeffekttransistors (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 3A ist eine Kurve, die die Stromempfindlichkeit gegenüber pH-Schwankungen eines biologisch empfindlichen Dual-Gate-Feldeffekttransistors (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 3B ist eine Kurve, die die pH-Empfindlichkeit und den Übertragungsleitwert des Backgate eines biologisch empfindlichen Dual-Gate-Feldeffekttransistors (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 4 ist eine Kurve, die die Stromdriftrate bei verschiedenen pH-Werten eines biologisch empfindlichen Dual-Gate-Feldeffekttransistors (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 5 ist ein schematisches Diagramm, das einen vereinfachten Schaltplan eines biologisch empfindlichen Dual-Gate-Feldeffekttransistors (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 6 ist ein schematisches Diagramm, das einen vereinfachten Schaltplan einer Reihe biologisch empfindlicher Dual-Gate-Feldeffekttransistoren (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 7A ist ein schematisches Diagramm, das einen detaillierten Analogschaltplan eines biologisch empfindlichen Dual-Gate-Feldeffekttransistors (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 7B ist ein schematisches Diagramm, das einen detaillierten Digitalschaltplan eines biologisch empfindlichen Dual-Gate-Feldeffekttransistors (BioFET) gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
  • 8 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Kalibrieren der Schwellenfehlanpassung eines Sensorarrays gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Offenbarung stellt zahlreiche unterschiedliche Ausführungsformen oder Beispiele zum Umsetzen verschiedener Merkmale des Gegenstands der Erfindung bereit. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Offenbarung sind nachstehend spezifische Beispiele für Bauteile und Anordnungen beschrieben. Hierbei handelt es sich selbstverständlich nur um Beispiele, die nicht als Beschränkung anzusehen sind. Beispielsweise kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über oder auf einem zweiten Merkmal in der nachfolgenden Beschreibung Ausführungsformen enthalten, in denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt miteinander ausgebildet sind, kann aber ebenfalls Ausführungsformen enthalten, in denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet sein können, sodass das erste und das zweite Merkmal möglicherweise nicht in direktem Kontakt miteinander sind. Darüber hinaus können sich Bezugsziffern und/oder Bezugsbuchstaben in den verschiedenen Beispielen der vorliegenden Offenbarung wiederholen. Diese Wiederholung dient der Vereinfachung und Verdeutlichung und legt somit keine Beziehung zwischen den dargelegten verschiedenen Ausführungsformen und/oder Konfigurationen fest.
  • Weiterhin können hier zur Erleichterung der Beschreibung der Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren dargestellt räumliche Begriffe wie „unterhalb”, „unter”, „untere”, „über”, „obere” und dergleichen verwendet werden. Diese räumlichen Begriffe dienen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung zum Ausdruck verschiedener Ausrichtungen des Bauelements während der Nutzung oder des Betriebs. Das Bauelement kann anders ausgerichtet sein (um 90° gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlichen Begriffe können ebenfalls entsprechend ausgelegt werden.
  • In einem biologisch empfindlichen Feldeffekttransistor (BioFET) wird der Gate-Bereich eines Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MOSFET) durch eine biologisch oder biochemisch kompatible Schicht oder eine biofunktionelle Schicht eines immobilisierten Sondenmoleküls ersetzt, das als Oberflächenrezeptor dient. Ein BioFET ist in erster Linie ein Feldeffekt-Biosensor mit einem Halbleiter-Transducer, wobei die Leitfähigkeit des Halbleiters zwischen Source- und Drain-Bereich über den Gate-Bereich gesteuert wird.
  • Ein typischer Detektionsmechanismus von BioFETs ist die Leitfähigkeitsmodulation des Transducers aufgrund der Bindung eines Zielbiomoleküls oder Target-Biomolekül an den Gate-Bereich oder ein im Gate-Bereich immobilisiertes Rezeptormolekül. Wenn sich das Zielbiomolekül an den Gate-Bereich oder ein im Gate-Bereich immobilisiertes Rezeptormolekül bindet, wird der Drain-Strom des BioFET durch das Gate-Potenzial geändert. Diese Schwankung des Drain-Stroms ist messbar, die Bindung zwischen Rezeptor und Zielbiomolekül kann identifiziert werden. Als Gate des BioFET kann eine große Vielfalt an Biomolekülen verwendet werden, wie Ionen, Enzyme, Antikörper, Liganden, Rezeptoren, Peptide, Oligonuldeotide, Zellen von Organen, Organismen oder Gewebestücken. Zum Detektieren beispielsweise einer einsträngigen Desoxyribonukleinsäure (ssDNA) ist der Gate-Bereich des BioFET mit immobilisierten komplementären ssDNA-Strängen besetzt. Zum Detektieren verschiedener Proteine, wie Tumormarker, können monoklonale Antikörper als Gate des BioFET eingesetzt werden.
  • Wenn an einem Werkstoffstück ein elektrisches Feld angelegt wird, reagieren die Elektronen mit Bewegung mit einer durchschnittlichen Geschwindigkeit, die als Driftrate bezeichnet wird. Dieses Phänomen ist als Elektronenmobilität bekannt. Ein Nachteil herkömmlicher BioFET-Sensoren ist der hohe, akkumulierende Drifteffekt. Der Drifteffekt ist das Ergebnis einer durch das elektrische Feld verstärkten Ionenwanderung innerhalb des Gate-Isolators, wobei es an der Grenzfläche von Isolator und Lösung zu einem elektrochemischen Ungleichgewicht kommt. In einem Beispiel beträgt die Driftrate unter Betriebsbedingungen bis zu 36 nA/min. Diese hohe Driftrate kann zu einer Verschlechterung der Empfindlichkeit des Sensors führen. Zur Abschwächung des Drifteffekts wurden zahlreiche Ansätze verwendet. Wenn ein BioFET beispielsweise kalibriert werden muss, wird eine Teststromquelle im Hintergrund angelegt und eine mit dem pH-Wert der Lösung in Bezug stehende Stromänderung detektiert. In Abhängigkeit von dieser Stromänderung wird eine Schwellensteigung (Strom/Zeit) gemessen. Das Signal wird dann einer Analog-Digital-Umwandlung in einer CPU unterworfen und die Daten der zeitlichen Drift werden extrahiert und im Speicher gespeichert. Die Daten der zeitlichen Drift werden zur Kalibrierung verwendet, wenn ein Analyttest durchgeführt wird. Der Zeitaufwand zum Erhalt von Hintergrunddaten der zeitlichen Drift ist jedoch relativ hoch und die gesammelten Daten der zeitlichen Drift führen zu einer akkumulierenden Abweichung. Außerdem verlangt das Verfahren einen komplexen Hardwareaufbau, beispielsweise den Analog-Digital-Wandler, die CPU und die Speichereinheit.
  • In einem weiteren Beispiel herkömmlicher BioFET-Kalibrierung wird ein Bezugs-FET (REFET) zusammen mit dem vorhandenen BioFET verwendet. Im Gegensatz zum BioFET ist der REFET biologisch nicht empfindlich. Mit dem REFET wird die Hintergrundspannung bei dem pH-Wert der Lösung in Abhängigkeit von der Zeit erhalten, während mit dem BioFET die biologisch empfindliche Spannung in Abhängigkeit von der Zeit erhalten wird. Mit diesem Paar wird dann eine Differenzmessung durchgeführt. Für dieses Kalibrierungssystem muss der REFET in einem zusätzlichen Verfahren hergestellt werden; sobald der Drifteffekt im REFET berücksichtigt ist, kann sich der Fehlerbereich erhöhen.
  • Noch ein weiteres Beispiel für ein herkömmliches BioFET-Kalibrierungssystem bedient sich eines pulsmodulierten Vorspannen, um das vertikale elektrische Feld mehrmals zurückzusetzen und so den Drifteffekt zu verringern. Dieser Ansatz verlangt ein hochfrequentes Vorspannen mit Wechselstrom. Dies wiederum verlangt das Entwickeln einer zeitdiskreten Probenausleseschnittstelle zur Interpretation der Daten.
  • Es wird auf 1 verwiesen. 1 zeigt einen Dual-Gate-BioFET-Sensor 100 gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Sensor 100 umfasst ein Substrat 110, ein erstes Steuer-Gate 120 und ein zweites Steuer-Gate 130. Es ist offensichtlich, dass die Anzahl erster und zweiter Steuer-Gates nicht auf eines begrenzt ist. Das gleiche System kann auf mehrere Steuer-Gate-Strukturen angewendet werden. Zur besseren Verständlichkeit sind in den Figuren nur ein erstes und ein zweites Steuer-Gate dargestellt. Das Substrat 110 weist eine erste Seite 111 und eine zweite Seite 113 gegenüber der ersten Seite auf. Das Substrat 110 kann ein Halbleitersubstrat (z. B. Wafer) sein. Das Halbleitersubstrat kann ein Siliziumsubstrat sein. Alternativ kann das Substrat 110 andere elementare Halbleiter enthalten, wie Germanium; einen Verbundhalbleiter, wie Siliziumcarbid, Galliumarsenid, Galliumphosphid, Indiumphosphid, Indiumarsenid und/oder Indiumantimonid; einen Legierungshalbleiter, wie SiGe, GaAsP, AlInAs, AlGaAs, GalnAs, GaInP und/oder GaInAsP; oder Kombinationen davon. In einer Ausführungsform ist das Substrat 110 ein Halbleiter auf einem Isolatorsubstrat (SOI). Das Substrat kann dotierte Bereiche wie p-Wells und n-Wells aufweisen.
  • Source-, Drain- und/oder Kanalbereich 115, 117, 119 sind auf einem aktiven Bereich des Substrats 110 ausgebildet. Der FET kann ein FET vom n-Typ (nFET) oder ein FET vom p-Typ (pFET) sein. Der Source-/Drain-Bereich 115, 117 kann je nach FET-Konfiguration Dotierstoffe vom n-Typ oder Dotierstoffe vom p-Typ aufweisen. Das erste Steuer-Gate 120 ist auf der ersten Seite 111 des Substrats 110 angeordnet und weist eine dielektrische Gate-Schicht 121, eine Verbindungsschicht 123, eine erste Gate-Elektrode 125 und/oder andere geeignete Schichten auf. In einer Ausführungsform ist die Gate-Elektrode 125 ein Polysilizium. Zu weiteren beispielhaften Gate-Elektroden gehören Metall-Gate-Elektroden aus Materialien wie Cu, W, Ti, Ta, Cr, Pt, Ag, Au; geeigneten metallischen Verbindungen wie TiN, TaN, NiSi, CoSi; Kombinationen davon und/oder anderen geeigneten leitfähigen Materialien. In einer Ausführungsform ist die dielektrische Gate-Schicht 121 Siliziumoxid. Zu weiteren beispielhaften dielektrischen Gate-Schichten 121 gehören Siliziumnitrid, Siliziumoxinitrid, ein Dielektrikum mit einer hohen dielektrischen Konstante (hoher k-Wert) und/oder Kombinationen davon. Zu Beispielen für Materialien mit hohem k-Wert gehören Hafniumsilikat, Hafniumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Tantalpentoxid, Hafniumdioxid-Aluminiumoxid(HfO2-Al2O3)-Legierung oder Kombinationen davon. Das erste Steuer-Gate 120 kann mithilfe typischer CMOS-Verfahren ausgebildet sein, wie Fotolithografie; Ionenimplantation, Diffusion; Abscheideverfahren, einschließlich physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD), Metallaufdampfung oder -Sputtering, chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (PECVD), chemischer Gasphasenabscheidung unter Normaldruck (APCVD), chemischer Gasphasenabscheidung bei Niederdruck (LPCVD), chemischer Gasphasenabscheidung im hoch dichten Plasma (HDPCVD), Abscheidung einer Atomlage (ALD), Aufschleuderbeschichtung; Ätzen, einschließlich Nassätzen, Trockenätzen und Plasmaätzen; und/oder anderer geeigneter CMOS-Verfahren.
  • Das Substrat 110 umfasst weiterhin eine vergrabene Oxidschicht (BOX) 131, die mittels eines Verfahrens wie Trennung durch implantierten Sauerstoff (SIMOX) und/oder andere geeignete Verfahren ausgebildet wird. An der zweiten Seite 113 des Substrats 110 ist eine Öffnung 137 ausgebildet. Die Öffnung 137 kann einen Graben umfassen, der in einer oder mehreren Schichten ausgebildet ist, die auf der zweiten Seite 113 des Substrats 110, welches das erste Steuer-Gate 120 umfasst, angeordnet sind. Die Öffnung 137 legt einen Bereich unterhalb des ersten Steuer-Gate 120 und der Körperstruktur frei (beispielsweise neben dem Kanalbereich 119 des ersten Steuer-Gate 120). In einer Ausführungsform legt die Öffnung 137 einen aktiven Bereich (beispielsweise einen aktiven Siliziumbereich) unterhalb des ersten Steuer-Gate 120 und des aktiven Bereichs/Kanalbereichs 119 des Substrats 110 frei. Die Öffnung 137 kann unter Verwendung geeigneter fotolithografischer Verfahren unter Bereitstellen eines Musters auf dem Substrat und eines Ätzverfahrens zum Entfernen von Materialien von der vergrabenen Oxidschicht 131 bis zur Freilegung der zweiten Seite 113 des Substrats 110 ausgebildet werden. Die Ätzverfahren umfassen Nassätzen, Trockenätzen, Plasmaätzen und/oder andere geeignete Verfahren.
  • Konform mit der BOX 131 und der Öffnung 137 ist ein Sensorfilm oder Messfilm 133 ausgebildet. Der Messfilm 133 wird über den Seitenwänden und dem Boden der Öffnung 137 und dem freigelegten aktiven Bereich unterhalb des ersten Steuer-Gate 120 abgeschieden. Der Messfilm 133 ist mit dem Bindeverhalten von Biomolekülen und biologischen Einheiten kompatibel. So kann der Messfilm 133 beispielsweise eine Bindegrenzfläche für Biomoleküle oder biologische Einheiten bereitstellen. Der Messfilm 133 kann ein dielektrisches Material, ein leitfähiges Material und/oder andere geeignete Materialien zum Halten eines Rezeptors enthalten. Zu beispielhaften Messmaterialien gehören die elektrische Folien, Metalle, Metalloxide, Nichtleiter und/oder andere geeignete Materialien mit einem hohen k-Wert. Als weitere Beispiele gehören HfO2, Ta2O5, Pt, Au, W, Ti, Al, Cu, Oxide derartiger Metalle, SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2, TiN, SnO, SnO2, SrTiO3, ZrO2, La2O3 und oder andere geeignete Materialien zu beispielhaften Messmaterialien. Der Messfilm 133 kann mithilfe von CMOS-Verfahren ausgebildet sein, wie beispielsweise physikalischer Gasabscheidung (PVD) (Sputtering), chemischer Gasabscheidung (CVD), plasmagestützter chemischer Gasabscheidung (PECVD), chemischer Gasabscheidung unter Normaldruck (APCVD), chemischer Gasabscheidung bei Niederdruck (LPCVD), chemischer Gasabscheidung im hoch dichten Plasma (HDPCVD) oder Gasabscheidung einer Atomlage (ALD). In einigen Ausführungsformen kann der Messfilm 133 eine Mehrzahl von Schichten umfassen. Ein Rezeptor wie ein Enzym, ein Antikörper, ein Ligand, ein Peptid, ein Nukleotid, eine Zelle eines Organs, eines Organismus oder eines Gewebestücks wird zur Detektion eines Zielbiomoleküls auf dem Messfilm 133 angebracht.
  • Eine Bezugselektrode 139 wird in die Analyt-Lösung oder Probenlösung 135 an der zweiten Seite 113 des Substrats 110 positioniert und dient als zweites Steuer-Gate 130. In einigen Ausführungsformen wird der Messfilm 133 der Probenlösung 135 ausgesetzt und die Bezugselektrode 139 in die Probenlösung derart eingetaucht, dass das zweite Steuer-Gate 130 ein fluidisches Gate ist. Das zweite Steuer-Gate 130 ist im Zustand Aus. Die Probenlösung kann als massives Substrat eines SOI-Transistor betrachtet werden. Mit anderen Worten wird das fluidische Gate 130 abgeschaltet, während das Standard-MOS-Gate 120 wie im eingeschalteten Zustand funktioniert. Die Potenzialänderung auf der Oberfläche des zweiten Steuer-Gate 130 moduliert die Schwellenspannung (VTH) des Transistors des ersten Steuer-Gate 120 über eine kapazitive Kupplung. Wenn das Gate des Sensors 100 (z. B. das zweite Steuer-Gate 130) durch die Gegenwart eines Biomoleküls ausgelöst wird, überträgt der Sensor 100 Elektronen und induziert die Feldeffektladung des ersten Steuer-Gate 120, wodurch der Strom (beispielsweise Ids) moduliert wird. Die Änderung des Stroms oder der Schwellenspannung (VTH) kann als Anzeige der Detektion der fraglichen Biomoleküle oder biologischen Einheiten dienen. Auf diese Weise wird der durch die Lösungsladung oder das große vertikale elektrische Feld verursachte Effekt der zeitlichen Drift deutlich verringert, da das zweite Steuer-Gate 130 im Aus-Zustand ist. Eine Vorspannung zwischen dem Source-Bereich 115, 117 und dem zweiten Steuer-Gate 130 ist kleiner als eine Schwellenspannung des zweiten Steuer-Gate 130. Genauer gesagt beträgt die Schwellenspannung am zweiten Steuer-Gate 130 etwa 0,5 V. In einem herkömmlichen Dual-Gate-BioFET-System ist die Einschaltspannung des Transistors mit fluidischem Gate sehr viel höher als die eines üblichen MOSFET. Da am zweiten Steuer-Gate 130 keine Spannung anliegt, bleibt die erforderliche Gesamtspannung deutlich unter der eines herkömmlichen Dual-Gate-BioFET. Aufgrund des Substrateffekts sind jedoch weiterhin Spuren einer Schwellenspannung am fluidischen Gate vorhanden.
  • Es wird auf 2A verwiesen. Der BioFET-Sensor 200 ist praktisch identisch mit dem Sensor 100. Das erste Steuer-Gate wird in 2A als unteres Gate (VBG) 220 bezeichnet und das zweite Steuer-Guide als vorderes Gate (VFG) 230. In einigen Ausführungsformen enthalten der Source-/Drain-Bereich Dotierungsmittel vom n-Typ. Der Kanalbereich 237 liegt zwischen dem vorderen Gate 230 und dem unteren Gate 220. Im Sensor 100 ist der Messfilm 133 auf der freigelegten BOX 131 und der Öffnung 137 ausgebildet. Im Sensor 200 ist der Messfilm 233 auf der gesamten BOX 131 abgeschieden und erhält ein Fotoresistmuster. Der Abschnitt über dem Kanalbereich 237 des Messfilms 233 ist geschützt. Ungeschützte Abschnitte des Messfilms 233 werden in einem Ätzverfahren entfernt. Das Ätzverfahren kann jedes bekannte Ätzverfahren beinhalten, einschließlich Plasmaätzen, da der PID-anfällige Abschnitt geschützt ist. 2A zeigt einen Messfilm 233, der auf der Oberfläche verbleibt. In 2A wird der Messfilm 233 nur an der unteren Fläche der Öffnung 137 gezeigt. In einigen Ausführungsformen können aber auch die Seitenwände der Öffnung 137 mit dem Messfilm 233 bedeckt sein. Der Messfilm 233 bedeckt den Kanalbereich 237 vollständig und den Source- und Drain-Bereich 115, 117 teilweise. Die Teilbedeckung von Source- und Drain-Bereich kann entsprechend des FET-Plans und der Flächenanforderungen des Messfilms 233 justiert werden. Um eine unspezifische Bindung von Biomolekülen auf anderen Flächen als dem Messfilm 233 zu verhindern, kann eine Blockierschicht oder eine Passivierungsschicht abgeschieden werden. Eine Passivierungsschicht kann aus Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder einer anderen festen dielektrischen Schicht sein. Zur Ausbildung der Passivierungsschicht kann ein Blockiermittel verwendet werden, das eine Festigkeit oder eine Flüssigkeit sein kann, an die ein Biomolekül nicht binden kann oder zu der es eine niedrige Affinität hat. Ein Beispiel hierfür ist Hexamethyldisiloxan (HMDS). In einem anderen Beispiel wird ein Protein, wie bovines Serumalbumin (BSA), als Blockiermittel verwendet. Die Blockierschicht/Passivierungsschicht kann dicker oder dünner sein als der Messfilm 233. In einigen Ausführungsformen ist das fragliche Molekül ein Proton (H+). Wenn sich Protonen auf dem Messfilm 233 des Rezeptors anlagern, ändert sich das ionenabhängige Oberflächenpotenzial des vorderen Gate 230. Der Sensor 200 überträgt Elektronen und induziert die Feldeffektladung des Bauelements, wodurch die Schwellenspannung am unteren Gate 220 durch kapazitive Kopplung moduliert wird.
  • In 2B ist eine vereinfachte Kopplungsschaltung dargestellt. VFG stellt die Spannung am vorderen Gate dar, VBG die Spannung am unteren Gate. Zwischen dem vorderen und dem unteren Gate verläuft die kapazitive Kopplung durch das Gate-Oxid (Messfilm 233) des vorderen Gate (COX, FG) und kreuzt den Kanalbereich 237 des Substrats 110 (CSi), wobei vor dem Erreichen des unteren Gate 220 die dielektrische Schicht 121 des Gate passiert werden muss. Das Prinzip der kapazitiven Kopplung kann durch folgende Gleichungen erschlossen werden:
    Figure DE102016117555A1_0002
  • VTH,FG stellt die Schwellenspannung am vorderen Gate 230 dar, Eref stellt das Potenzial der Bezugselektrode dar, cps stellt das Oberflächenpotenzial in Bezug auf den pH-Wert dar, χsol ist das Oberflächen-Dipolpotenzial der Lösung, φm/q stammt aus der Halbleiter-Elektronenaustrittsarbeit und VTH,MOS stellt die Schwellenspannung am vorderen Gate 230 dar, wenn es als übliches MOSFET-Bauelement dient.
  • 2C ist eine weitere schematische Ansicht des Schaltplans des Sensors 200. Nach Aufnahme der Biomoleküle ändert sich das Oberflächenpotenzial des Messfilms 233 und aufgrund der kapazitiven Kopplung die Reaktion des unteren Gate (VBG) (z. B. MOS-Gate) auf die Stromänderung. D und S stellen den Drain- bzw. Source-Bereich 115, 117 dar.
  • Der pH-Wert im Sensor 100, 200 hat eine eindeutige Wirkung auf die Genauigkeit des Bauelements. Der Sensor weist ein Doppel-Steuer-Gate auf, das zweite Steuer-Gate ist im Aus-Zustand und das erste Steuer-Gate im Zustand Ein. In einem solchen System sind Störungen der Schwellenspannung vom zweiten Steuer-Gate geringer, das ein fluidisches Gate mit einer normalerweise höheren Vorspannung ist. Der Schaltplan ist einfacher ohne zusätzliche Schaltungen für Kalibrierzwecke. Es wird auf 3A und 3B verwiesen. 3A und 3B zeigen die Wirkung des pH-Werts auf die Spannung des Bauelements. 3A zeigt die Änderung des Stroms (z. B. IDS) unter unterschiedlichen pH-Bedingungen, beispielsweise pH 4, 6, 7, 8 und 10. Die Empfindlichkeit des Stroms gegenüber dem pH-Wert ändert sich in einer sauren Probenlösung oder einer basischen Probenlösung. pH-Schwankungen und somit Stromänderungen (IDS) haben einen großen Einfluss auf die Schwellenspannung.
  • Hier wird auf 3B verwiesen. Kurve 310 zeigt den Übertragungsleitwert des ersten Steuer-Gate (z. B. des Backgate) und Kurve 320 zeigt die pH-Empfindlichkeit, die von der Stromänderung in Abhängigkeit vom pH-Wert (ΔIDS/pH) abgeleitet ist. Die Stromempfindlichkeit ist optimiert, wenn der Übertragungsleitwert des Transistors einen Maximalwert erreicht hat. Genauer gesagt beträgt der Übertragungsleitwert am ersten Steuer-Gate etwa 90 μA/V und die Stromempfindlichkeit erreicht etwa 0,25 μA/pH. Dies legt eine Optimierung der Stromempfindlichkeit in einem Dual-Gate-BioFET-System nahe, in dem das zweite Steuer-Gate (beispielsweise das fluidische Gate) im Aus-Zustand ist.
  • Hier wird auf 4 verwiesen. 4 ist eine Kurve zur Darstellung der Stromänderung in Abhängigkeit von der Zeit in Sekunden am ersten Steuer-Gate (z. B. einem MOS-Gate) bei unterschiedlichen pH-Bedingungen. Kurve 410 stellt die Stromänderung (IDS)bei pH 4 dar, Kurve 420 stellt die Stromänderung bei pH 7 dar und Kurve 430 stellt die Stromänderung bei pH 10 dar. Die lineare Gleichung gibt die Steigung der Driftrate in jedem Fall an. Es wird auf Tabelle 1 verwiesen. Tabelle 1
    pH-Wert 4 7 10
    Durchschnittlicher Strom 12,9441E–6 11,9125E–6 11,0429E–6
    Empfindlichkeit (μA/pH) 0,344 0,290 0,290
    Driftrate (μA/W) –4,00E–5 1,00E–5 –1,00E–5
    Driftrate (pH/s) –1,16E–4 2,91E–5 –2,91E–5
  • Gemäß 4 in Verbindung mit Tabelle 1 ist die Driftrate im Zeitverlauf gleichbleibend und praktisch konstant. Bei verschiedenen pH-Werten kann keine gerichtete Drift, weder positiv noch negativ, beobachtet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Einfachgate-BioFET-Messsystemen zeigt dieses Dual-Gate-BioFET-System eine Senkung der Driftrate um das 20-Fache (bei pH 4) bis 50-Fache (bei pH 7). Der Drifteffekt wird aufgrund des Fehlens von Strom am zweiten Steuer-Gate (z. B. dem fluidischen Gate) deutlich reduziert.
  • Für den Dual-Gate-BioFET wurde eine Ausleseschnittstelle entwickelt. Herkömmliche Biosensoren haben beispielsweise Einfachgate-FET, die eine Struktur mit konstanter Spannung und konstantem Strom (CVCC) zum Extrahieren von Schwellenvariationen (ΔVTH) des BioFET nutzen. Eine derartige Konfiguration verlangt eine große Schaltung mit mindestens zwei operationellen Verstärkern (OP AMP), einem Widerstand und zwei Stromquellen. Der Körpereffekt hat großen Einfluss auf die Drift der Stromquelle, weswegen sie aufgrund der Größe und Genauigkeit nicht für ein Sensorarray geeignet ist. Ein weiteres Beispiel betrifft eine Differenzialpaarung von ISFET/MOSFET mit indirekter Spannungsrückkopplungsschleife zum MOSFET, um die Schwellenspannungsschwankung des BioFET (ΔVTH,Bio) zu extrahieren. Die Drain-/Source-Spannung schwankt entsprechend den Biosignalen vom ISFET und auch die Stromquelle wird durch den Körpereffekt negativ beeinflusst. Der Spannungswert hängt von zwei FET-Sätzen ab, sodass auch Abweichungen das Ergebnis beeinflussen. In einem weiteren Beispiel für eine herkömmliche Ausleseschnittstelle wird eine einfachere Schaltung mit einem operationellen Verstärker und einem Widerstand sowie direkter Spannungsrückkopplung zur Bezugselektrode in der Lösung verwendet, um Signale zu extrahieren. In dieser Konfiguration kann der Körpereffekt zwar geringer sein, die Ausgabespannung ist aber mit der Bezugselektrode in der Lösung verknüpft, weswegen die direkte Spannungsrückkopplung nur für einen einzigen Sensor verwendet werden kann. Diese Konfiguration zeigt einen konstanten Drain-Strom und eine konstante Drain-Spannung, eignet sich aber aufgrund von Konstruktionsproblemen nicht für ein Sensorarray.
  • Der BioFET-Sensor 100, 200 kann in einer Ausleseschnittstelle eines Sensorarrays implementiert werden, wobei die Schwellenspannung wirksam von der BioFET-Serie erfasst werden kann, ohne dass gleichzeitig die zeitliche Empfindlichkeit verringert wird. Der BioFET-Sensor 100, 200 kann beispielsweise durch einen Einfachgate-BioFET mit FET-Gegenstücken ersetzt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass alle Drain-Anschlüsse der FET miteinander verbunden sind und dass alle Source-Anschlüsse davon miteinander verbunden sind. Hier wird auf 5 verwiesen, in der ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer BioFET-Schaltung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dargestellt ist. VBG stellt das erste Steuer-Gate (z. B. das Backgate) dar, VFG stellt das zweite Steuer-Gate (z. B. das vordere Gate) dar, D stellt Drain dar und S stellt Source dar. Ein Bezugsstrom IREF ist mit dem Drain D verbunden. Der Bezugsstrom kann durch einen Widerstand zwischen Drain und der Quelle für konstante Spannung (z. B. VDD) ersetzt sein. Ein operationeller Verstärker ist in der Konfiguration angeordnet, um die Drain-Spannung zu sperren. Der operationelle Verstärker (d. h. der Rückkopplungsverstärker) umfasst einen ersten Eingangsanschluss, einen zweiten Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss. Der erste Eingangsanschluss ist mit dem Drain-Anschluss D des BioFET verbunden und der zweite Eingangsanschluss ist mit der Bezugsspannung VD verbunden. Der Ausgangsanschluss ist mit einem der Steuer-Gates verbunden, das kein fluidisches Gate ist (z. B. dem ersten Steuer-Gate). Die Ausleseschnittstelle kann auch einen Konstantstrom-Eingangsanschluss aufweisen, der mit dem Drain-Anschluss verbunden ist. Während des Betriebs wird der Konstantstrom-Eingangsanschluss als konstante Bezugsquelle mit einem konstanten Strom versorgt.
  • In einigen Ausführungsformen ist das zweite Steuer-Gate im Zustand Ein und das erste Steuer-Gate im Zustand Aus. Die Aufnahme der fraglichen Moleküle auf dem Messfilm des BioFET leitet eine Änderung des Oberflächenpotenzials des Messfilms am zweiten Steuer-Gate ein. Über die kapazitive Kopplung induziert die Spannungsänderung am ersten Steuer-Gate, das im Aus-Zustand ist, die Kopplungswirkung am zweiten Steuer-Gate. Die Änderung der Schwellenspannung (ΔVTH(PH)) tritt am zweiten Steuer-Gate auf und wird vom pH-Wert beeinflusst. Außerdem führt die Spannungsänderung am ersten Steuer-Gate (ΔVBG) auch zu einer Änderung der Schwellenspannung ΔVTH (VBG) am zweiten Steuer-Gate. Die ΔVTH am zweiten Steuer-Gate aufgrund des pH-Werts wird somit durch die am ersten Steuer-Gate aufgrund der Kopplungswirkung verursachten ΔVTH ausgelöscht. Folglich ist ΔVOUT, die gleich ΔVBG ist, größer als ΔVTH(PH), was zu einer Verstärkungszunahme von mehr als 1 führt. Die Kopplungswirkung wird durch die Dicke der Oxidschicht beeinflusst, die in 2B dargestellte Kapazität des Oxids ist in hohem Maße von der Dicke der Oxidschicht abhängig. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 5 dargestellte Schaltung als Doppel-MOSFET-Struktur oder als ISFET zusammen mit einem MOSFET verwendet werden kann.
  • 6 zeigt eine Implementierung des BioFET in einem Sensorarray. Jede Schwellenspannung durchlauft zuerst eine Schwellenfehlanpassung, ehe ein übliches Messverfahren durchgeführt wird. Im Kalibriermodus ist die Probenahmeschleife eingeschaltet, während die Schleife für die Auslöschung der Fehlanpassung ausgeschaltet ist. Die Daten für die ursprüngliche Fehlanpassung der Schwellenspannung jedes Pixels werden dann in einer Speichereinheit für die Schwellenspannung gespeichert. Das Sensorarray umfasst eine Mehrzahl von Sensoreinheiten und der Prozess für den Fehlanpassungsabgleich wird für jede Sensoreinheit separat durchgeführt, um ein gemeinsames Ergebnis zu erhalten. Aus diesem Grund kommt es während der Schwellenfehlanpassung zu einem Schalten zwischen jeder der Sensoreinheiten, um alle Fehlanpassungsdaten der Sensoreinheiten zu erfassen. Genauer gesagt kann ein Sensorarray, wie in 6 dargestellt, mehr als eine Sensoreinheit enthalten. Die Schwellenfehlanpassung durchläuft 1 – n der Sensoreinheiten und das System schaltet von Sel<1>, Sel<2> ... bis Sel<n>, um eine Fehlanpassungsdaten zu erfassen. Der Mechanismus des Kalibrierungsprozesses ist in 7A und 7B ausführlich dargestellt. Im Messmodus ist die Probenahmeschleife ausgeschaltet, während die Schleife für die Auslöschung der Fehlanpassung eingeschaltet ist und ein normaler Messvorgang durchgeführt wird.
  • Hier wird auf 7A verwiesen. 7A zeigt eine schematische Darstellung der Analogschaltung der Probenahmeschleife und der Schleife für die Auslöschung der Fehlanpassung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Während bei einem Sensor eine Schwellenfehlanpassung durchgeführt wird, durchläuft ein erstes Signal (Spannung oder Strom) die Probenahmeschleife. Mit anderen Worten geht ein Signal durch Cal. Anschließend wird eine Fehlanpassung jeder Sensoreinheit des Sensorarrays geschätzt und gespeichert. Die Fehlanpassungsdaten werden in Übereinstimmung mit dem ersten Signal der Probenahmeschleife erzeugt. Anschließend wird ein Fehlanpassungsabgleich für jede Sensoreinheit durchgefüht und ein zweites Signal durchläuft die Schleife für die Auslöschung der Fehlanpassung. Auf diese Weise wird die ursprüngliche Fehlanpassung der Schwellenspannung jeder Sensoreinheit des Sensorarrays korrigiert. 7B zeigt eine Digitalschaltung der Probenahmeschleife und der Schleife für die Auslöschung der Fehlanpassung gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Während der Schwellenfehlanpassung durchlauft ein Signal den Cal-Pfad, in dem sich ein Analog-Digital-Wandler befindet, und die Fehlanpassung der Schwellenspannung wird über die digitale Schnittstelle im Speicher gespeichert. Im Messmodus des Sensors durchlauft ein Signal den anderen Pfad, in dem sich eine Digital-Analog-Wandler befindet, und die Daten werden nach Verarbeitung gemäß den im Speicher gespeicherten Schwellenspannungsdaten ausgegeben.
  • Die vorliegende Offenbarung benutzt eine Dual-Gate-Struktur und ermöglicht die Nutzung einer kapazitiven Kopplung. Eines der Gates ist im Zustand Aus, weswegen die Vorspannung der Lösung gering und der Effekt der zeitlichen Drift auf ein Minimum beschränkt ist. Die Detektionsauflösung des Bauelements ist erhöht, da Schwankungen aufgrund der Struktur verhindert oder verringert werden. Bei der Umsetzung der Struktur in einer Ausleseschnittstelle kann die Verstärkungszunahme größer als 1 sein. 8 zeigt den Ablauf der Kalibrierung des Sensorarrays, in dem jeder Sensor zwei Gates aufweist. In Schritt 810 wird ein erstes Signal erzeugt und durchläuft eine Probenahmeschleife. Das erste Signal kann ein Strom- oder ein Spannungssignal sein. In Schritt 830 wird eine Fehlanpassung jeder der Sensoreinheiten geschätzt und entsprechend dem ersten Signal der Probenahmeschleife gespeichert. Die Fehlanpassungsdaten jeder der Sensoreinheiten werden in einem Sensorarray erfasst. Die Fehlanpassungsdaten werden in der entsprechenden Speichereinheit jeder Sensoreinheit gespeichert. In Schritt 850 wird ein Fehlanpassungsabgleich jeder Sensoreinheit durchgeführt und ein zweites Signal durch eine Schleife für die Auslöschung der Fehlanpassung erzeugt, um das Sensorarray zu kalibrieren.
  • In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor ein Substrat, ein erstes Steuer-Gate und ein zweites Steuer-Gate. Das Substrat weist eine erste Seite und eine zweite Seite gegenüber der ersten Seite, einen Source-Bereich und einen Drain-Bereich auf. Das erste Steuer-Gate ist auf der ersten Seite des Substrats angeordnet. Das zweite Steuer-Gate ist auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet. Das zweite Steuer-Gate umfasst einen Messfilm, der auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist. Eine Vorspannung zwischen dem Source-Bereich und dem zweiten Steuer-Gate ist kleiner als eine Schwellenspannung des zweiten Steuer-Gate.
  • In einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Ausleseschnittstelle eines Dual-Gate-Feldeffekttransistors einen Feldeffekttransistor mit mindestens zwei Gate-Anschlüssen, einem Drain-Anschluss und einem Source-Anschluss. Die Ausleseschnittstelle umfasst weiterhin einen Rückkopplungsverstärker, der einen ersten Eingangsanschluss umfasst, der mit dem Drain-Anschluss verbunden ist, einen zweiten Eingangsanschluss, der an dem eine Bezugsspannung als Vorspannung anliegt, und einen Ausgangsanschluss, der mit einem der Steuer-Gates verbunden ist.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren das Erzeugen eines ersten Signals durch eine Probenahmeschleife, das Schätzen und Speichern einer Fehlanpassung jeder Einheit auf der Grundlage des ersten Signals von der Probenahmeschleife und das Durchführen eines Fehlanpassungsabgleichs und das Erzeugen eines zweiten Signals durch eine Schleife zur Auslöschung der Fehlanpassung.
  • Die vorstehenden Ausführungen beschreiben Merkmale verschiedener Ausführungsformen, sodass der Fachmann die Aspekte der vorliegenden Offenbarung besser verstehen kann. Dem Fachmann sollte bewusst sein, dass er die vorliegende Offenbarung einfach als Grundlage zum Entwerfen und Modifizieren andere Verfahren und Strukturen zum Erreichen derselben Zwecke und/oder zum Erhalt derselben Vorteile der hier vorgestellten Ausführungsformen nutzen kann. Dem Fachmann sollte ebenfalls bewusst sein, dass derartige gleichwertige Konstruktionen nicht vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abweichen und dass er verschiedene Änderungen, Substitutionen und Modifikationen vornehmen kann.

Claims (20)

  1. Biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor (BioFET), umfassend ein Substrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite gegenüber der ersten Seite, wobei das Substrat einen Source-Bereich und einen Drain-Bereich aufweist, mindestens ein erstes Steuer-Gate, das auf der ersten Seite des Substrats angeordnet ist; und mindestens ein zweites Steuer-Gate, das auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist, wobei das zweite Steuer-Gate einen Messfilm umfasst, der auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist, wobei eine Vorspannung zwischen dem Source-Bereich und dem zweiten Steuer-Gate kleiner ist als eine Schwellenspannung des zweiten Steuer-Gate.
  2. Biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, wobei das erste Steuer-Gate eine dielektrische Gate-Schicht und eine Verbindungsschicht aufweist, die in der ersten dielektrischen Schicht angeordnet ist.
  3. Biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schwellenspannung des zweiten Steuer-Gate kleiner als 0,5 V ist.
  4. Biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine vergrabene Oxidschicht, die auf der zweiten Seite des Substrats angeordnet ist, wobei eine Öffnung in der vergrabenen Oxidschicht ausgebildet ist, um die zweite Seite des Substrats freizulegen, und die am ersten Steuer-Gate ausgerichtet ist.
  5. Biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor nach Anspruch 4, wobei der Messfilm konform auf der vergrabenen Oxidschicht angeordnet ist und die freigelegte zweite Seite des Substrats auskleidet.
  6. Biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Steuer-Gate und das zweite Steuer-Gate denselben Source-Bereich und denselben Drain-Bereich aufweisen.
  7. Biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Steuer-Gate ein Metalloxid-Halbleiter-Steuer-Gate ist und das zweite Steuer-Gate ein fluidisches Steuer-Gate ist.
  8. Biologisch empfindlicher Feldeffekttransistor nach Anspruch 7, wobei das fluidische Steuer-Gate eine Probenlösung und eine Bezugselektrode umfasst, die in der Probenlösung angeordnet ist.
  9. Ausleseschnittstelle eines Dual-Gate-Feldeffekttransistor, umfassend einen Feldeffekttransistor mit mindestens zwei Gate-Anschlüssen, einem Drain-Anschluss und einem Source-Anschluss; einen Rückkopplungsverstärker, wobei der Rückkopplungsverstärker einen ersten Eingangsanschluss, einen zweiten Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss umfasst, wobei der erste Eingangsanschluss mit dem Drain-Anschluss verbunden ist, am zweiten Eingangsanschluss eine Bezugsspannung als Vorspannung anliegt und der Ausgangsanschluss mit einem der Steuer-Gates verbunden ist; und ein Konstantstrom-Eingangsanschluss Strom mit dem Drain-Anschluss verbunden ist.
  10. Ausleseschnittstelle eines Dual-Gate-Feldeffekttransistor nach Anspruch 9, wobei der Konstantstrom-Eingangsanschluss das Einspeisen von einer konstanten Bezugsquelle zulässt.
  11. Ausleseschnittstelle eines Dual-Gate-Feldeffekttransistor nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Steuer-Gates über eine kapazitive Kopplung elektrisch miteinander in Bezug stehen.
  12. Ausleseschnittstelle eines Dual-Gate-Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine Vorspannung zwischen dem Source-Anschluss und einem der Gate-Anschlüsse kleiner als 0,5 V ist.
  13. Ausleseschnittstelle eines Dual-Gate-Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Steuer-Gates des Feldeffekttransistors denselben Drain-Anschluss und denselben Source-Anschluss haben.
  14. Ausleseschnittstelle eines Dual-Gate-Feldeffekttransistor nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei eines der Steuer-Gates ein fluidisches Gate ist und das andere Steuer-Gate ein MOS-Gate ist.
  15. Ausleseschnittstelle eines Dual-Gate-Feldeffekttransistor nach Anspruch 14, wobei eine Vorspannung zwischen dem Source-Anschluss und dem MOS-Gate kleiner ist als eine Schwellenspannung des MOS-Gate.
  16. Verfahren zum Kalibrieren der Schwellenfehlanpassung eines Sensorarrays, wobei jeder der Sensoren mindestens zwei Steuer-Gates aufweist, umfassend: Erzeugen eines ersten Signals durch eine Probenahmeschleife; Schätzen und Speichern einer Fehlanpassung jeder Einheit auf der Grundlage des ersten Signals von der Probenahmeschleife; und Durchführen eines Fehlanpassungsabgleichs jedes Sensors und Erzeugen eines zweiten Signals durch eine Schleife zur Auslöschung der Fehlanpassung.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: Schalten zwischen jedem der Sensoren; und Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 16.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei jeder der Sensoren des Sensorarrays eine Speichereinheit für die Schwellenspannung umfasst.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Erzeugen eines ersten Signals durch die Probenahmeschleife weiterhin umfasst: Erzeugen einer Schwellenspannungsschwankung an jedem der Sensoren; und Speichern der Schwellenspannungsschwankung in der entsprechenden Speichereinheit.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei eines der Steuer-Gates im Aus-Zustand ist.
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