JP2011220954A - Chemical sensor and detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学センサ及び検出方法に関する。 The present invention relates to a chemical sensor and a detection method.
被検出物質を捉えて電気信号を出力する化学センサとして、電界効果トランジスタを応用したＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive Field-Effect Transistor：イオン感応性電界効果トランジスタ）やＣＨＥＭＦＥＴ（Chemical Field-Effect Transistor：化学的電界効果トランジスタ）が提案されている。これらの化学センサは、例えば、電界効果トランジスタのゲートに感応膜が形成されたものであり、被検出物質によって引き起こされるゲート電位の変化に応じたドレイン電流に基づいて、被検出物質を検出する。 ISFETs (Ion Sensitive Field-Effect Transistors) and CHEMFETs (Chemical Field-Effect Transistors) that use field-effect transistors as chemical sensors that capture detected substances and output electrical signals Transistor) has been proposed. These chemical sensors, for example, have a sensitive film formed on the gate of a field effect transistor, and detect a substance to be detected based on a drain current corresponding to a change in gate potential caused by the substance to be detected.
下記の特許文献１には、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の埋め込み絶縁膜上に、ソース領域と、ドレイン領域と、イオンセンサ領域を含むチャネル領域とを形成したＩＳＦＥＴが記載されている。このＩＳＦＥＴにおいては、埋め込み絶縁膜によって、ソース領域、ドレイン領域及びチャネル・ボデイ領域（以下チャネル領域と記す）を他の素子と分離することにより、リーク電流の発生を防止している。
しかし、特許文献１においては、チャネル・ボデイ領域がフローティング状態となっている。このような場合には、ヒストリー効果と呼ばれる現象が生じる。ヒストリー効果とは、ゲート、ドレイン、ソースに印加されていた電圧の履歴によって、チャネル領域における残留電荷が変化する結果、デバイス特性が変化してしまう現象である。
However, in
本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明の幾つかの態様は、化学センサにおいて、被検出物質の安定した検出ができるようにすることに関連している。 The present invention has been made in view of the above technical problems. Some embodiments of the present invention are related to enabling stable detection of a substance to be detected in a chemical sensor.
本発明の幾つかの態様において、化学センサは、第１導電型のドレイン領域と第１導電型のソース領域との間に第２導電型のチャネル領域が形成された第１半導体領域と、第２導電型のチャネル領域上に形成された感応膜と、を含み、液体中の被検出物質を検出する感応素子と、第２導電型のチャネル領域の電位を制御し、且つフローティング化する制御機構と、を具備する。
この態様によれば、感応素子のチャネル領域に蓄積電荷がある場合でも、外部よりチャネル電位を任意の値に初期設定することができる。従って、同じ参照電位における感応膜の電位を一定にすることができるので、被検出物質の安定した検出ができる。
In some embodiments of the present invention, the chemical sensor includes: a first semiconductor region in which a second conductivity type channel region is formed between a first conductivity type drain region and a first conductivity type source region; A sensitive film formed on the two-conductivity type channel region, a sensing element for detecting a substance to be detected in the liquid, and a control mechanism for controlling the potential of the second-conductivity type channel region and making it floating And.
According to this aspect, even when there is an accumulated charge in the channel region of the sensitive element, the channel potential can be initialized to an arbitrary value from the outside. Therefore, since the potential of the sensitive film at the same reference potential can be made constant, the substance to be detected can be detected stably.
上述の態様において、感応素子の第１半導体領域が絶縁層上に形成され、感応素子の第２導電型のチャネル領域は部分空乏化する不純物濃度及び膜厚で形成されていることが望ましい。
これによれば、感応素子の第１半導体領域が絶縁層上に形成されるので、チャネル領域の電位を他の領域と独立に制御することができる。
In the above-described aspect, it is desirable that the first semiconductor region of the sensitive element is formed on the insulating layer, and the second conductivity type channel region of the sensitive element is formed with an impurity concentration and a film thickness that are partially depleted.
According to this, since the first semiconductor region of the sensitive element is formed on the insulating layer, the potential of the channel region can be controlled independently of other regions.
上述の態様において、制御機構は、第２導電型のソース領域と、第２導電型のソース領域と感応素子の第２導電型のチャネル領域との間に形成された第１導電型のチャネル領域と、第１導電型のチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を含んでおり、第２導電型のソース領域は電源装置に電気的に接続されることが望ましい。
これによれば、制御機構がトランジスタを含むことにより、感応素子の第２導電型のチャネル領域の電位の制御及びフローティング化を簡易な構成で行うことができる。
In the above-described aspect, the control mechanism includes a second conductivity type source region, and a first conductivity type channel region formed between the second conductivity type source region and the second conductivity type channel region of the sensitive element. A gate insulating film formed on the channel region of the first conductivity type and a gate electrode formed on the gate insulating film, and the source region of the second conductivity type is electrically connected to the power supply device. It is desirable to be connected.
According to this, since the control mechanism includes the transistor, the potential of the channel region of the second conductivity type of the sensitive element can be controlled and floated with a simple configuration.
上述の態様において、制御機構は、第２導電型のソース領域と第２導電型のドレイン領域との間に第１導電型のチャネル領域が形成された第２半導体領域と、第１導電型のチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を含んでおり、第２導電型のドレイン領域及び第２導電型のソース領域の内の一方は、感応素子の第２導電型のチャネル領域に電気的に接続され、第２ドレイン領域及び第２ソース領域の内の他方は、電源装置に電気的に接続されることが望ましい。
これによれば、制御機構がトランジスタを含むことにより、感応素子の第２導電型のチャネル領域の電位の制御及びフローティング化を簡易な構成で行うことができる。
In the above-described aspect, the control mechanism includes a second semiconductor region in which a channel region of the first conductivity type is formed between the source region of the second conductivity type and the drain region of the second conductivity type, and the first conductivity type. A gate insulating film formed on the channel region, and a gate electrode formed on the gate insulating film, wherein one of the second conductivity type drain region and the second conductivity type source region is It is desirable that the sensitive element is electrically connected to the channel region of the second conductivity type, and the other of the second drain region and the second source region is electrically connected to the power supply device.
According to this, since the control mechanism includes the transistor, the potential of the channel region of the second conductivity type of the sensitive element can be controlled and floated with a simple configuration.
上述の態様において、化学センサは、被検出物質が含まれる液体の電位を制御する参照電極をさらに具備することが望ましい。
これによれば、感応膜における被検出物質の捕獲量を制御することができる。
In the above-described aspect, it is desirable that the chemical sensor further includes a reference electrode that controls the potential of the liquid containing the substance to be detected.
According to this, the capture amount of the substance to be detected in the sensitive film can be controlled.
本発明の他の態様において、上述の化学センサを用いて参照電極と感応膜とに接触する液体中の被検出物質を検出する方法は、感応素子の第２導電型のチャネル領域を制御機構によって所定電位に接続するステップ（ａ）と、感応素子の第２導電型のチャネル領域を制御機構によってフローティング化するステップ（ｂ）と、第２導電型のチャネル領域をフローティング化された状態で、参照電極の電位と感応素子のドレイン・ソース間電圧とが所定条件である場合の感応素子のドレイン電流を計測するステップ（ｃ）と、を具備する。
これによれば、感応素子の第２導電型のチャネル領域を一定電位に調整し、この電位を保持できるので、被検出物質の安定した検出が可能となる
In another aspect of the present invention, a method for detecting a substance to be detected in a liquid that is in contact with a reference electrode and a sensitive film using the above-described chemical sensor includes: The step (a) of connecting to a predetermined potential, the step (b) of floating the second conductivity type channel region of the sensitive element by the control mechanism, and the second conductivity type channel region being floated are referred to (C) measuring the drain current of the sensitive element when the potential of the electrode and the drain-source voltage of the sensitive element are in a predetermined condition.
According to this, the channel region of the second conductivity type of the sensitive element can be adjusted to a constant potential, and this potential can be maintained, so that the detection target substance can be stably detected.
上述の態様において、ステップ（ｂ）の前に、第１導電型のソース領域の電位に対する感応膜の電位を参照電極によって所定電位に制御するステップ（ｄ）をさらに具備し、ステップ（ｃ）において、感応膜の電位を、参照電極によって上記所定電位より低下させるとともに、感応膜の電位の低下前後における感応素子のドレイン電流を計測することが望ましい。
これによれば、部分空乏化したチャネル領域がフローティング化されているので、電圧を逆スイープしたときのＳ値（サブスレッショルドスイング値）が小さく、急峻なＩ−Ｖカーブを描くため、被検出物質の検出感度を高めることができる。
In the above aspect, the method further includes a step (d) of controlling the potential of the sensitive film with respect to the potential of the source region of the first conductivity type to a predetermined potential by the reference electrode before the step (b). It is desirable that the potential of the sensitive film is lowered from the predetermined potential by the reference electrode, and the drain current of the sensitive element before and after the decrease of the potential of the sensitive film is measured.
According to this, since the partially depleted channel region is floated, the S value (subthreshold swing value) when the voltage is reversely swept is small, and a steep IV curve is drawn. The detection sensitivity can be increased.
上述の態様において、ステップ（ｂ）の前に、第１導電型のソース領域の電位に対する感応膜の電位を参照電極によって所定電位に制御するステップ（ｄ）をさらに具備し、ステップ（ｃ）において、感応膜の電位を、参照電極によって上記所定電位より上昇させるとともに、感応膜の電位の上昇前後における感応素子のドレイン電流を、第１導電型のソース領域と第１導電型のドレイン領域との間に１Ｖ以上の電圧を印加して計測することが望ましい。
これによれば、ドレイン電圧を１Ｖ以上としたことによってインパクトイオン化を生じさせ、大きなドレイン電流を得ることができるため、被検出物質の検出感度を高めることができる。
In the above aspect, the method further includes a step (d) of controlling the potential of the sensitive film with respect to the potential of the source region of the first conductivity type to a predetermined potential by the reference electrode before the step (b). The potential of the sensitive film is raised from the predetermined potential by the reference electrode, and the drain current of the sensitive element before and after the rise of the potential of the sensitive film is changed between the source region of the first conductivity type and the drain region of the first conductivity type. It is desirable to measure by applying a voltage of 1 V or more in between.
According to this, impact ionization can be caused by setting the drain voltage to 1 V or more, and a large drain current can be obtained, so that the detection sensitivity of the substance to be detected can be increased.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In addition, this embodiment demonstrated below does not unduly limit the content of this invention described in the claim. Further, not all of the configurations described in the present embodiment are essential as a solution means of the present invention. The same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
＜１．第１の実施形態の構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る化学センサを示す平面模式図である。また、図２（Ａ）は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図２（Ｂ）は図１のＢ−Ｂ線断面図である。図１に示す化学センサ１は、感応素子２と制御機構３とを具備している。
<1. Configuration of First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic plan view showing a chemical sensor according to the first embodiment of the present invention. 2A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. A
＜１−１．感応素子＞
感応素子２は、図１に示すように、第１導電型（例えばＮ型）のドレイン領域２１と、第１導電型（例えばＮ型）のソース領域２２と、第１導電型のドレイン領域２１と第１導電型のソース領域２２との間に形成された第２導電型（例えばＰ型）のチャネル領域２３とを含むＩＳＦＥＴである。
チャネル領域２３に隣接する位置には、チャネル領域２３より第２導電型の不純物濃度の高い第２導電型のコンタクト領域２７が形成されている。
<1-1. Sensitive element>
As shown in FIG. 1, the
A second conductivity
図２に示すように、第１導電型のドレイン領域２１、第１導電型のソース領域２２、第２導電型のチャネル領域２３、及び、第２導電型のコンタクト領域２７は、基板層１０上に形成されている。基板層１０は、半導体基板１１上に絶縁層１２が形成されたものである。第２導電型のチャネル領域２３上には、感応膜２５が成膜されている。
As shown in FIG. 2, the first conductivity
半導体基板１１、第１導電型のドレイン領域２１、第１導電型のソース領域２２、第２導電型のチャネル領域２３、第２導電型のコンタクト領域２７は、例えば単結晶シリコンによって形成されている。これらのうち、チャネル領域２３は、部分空乏化する不純物濃度及び膜厚で形成されている。
絶縁層１２は、例えば酸化シリコン膜によって形成されている。
第１導電型のドレイン領域２１及び第１導電型のソース領域２２の周辺には、素子分離膜１２０が形成されている。また、ドレイン領域２１及びソース領域２２の上面側には、パシベーション膜１６が形成されている。
The
The
An
感応膜２５は、検出しようとする物質（被検出物質）に応じて、例えば次に示すものを用いることができる。
As the
検出するイオンを水素イオン（Ｈ＋）とするならば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）や酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ２）を用いることができる。検出するイオンをカリウムイオン（Ｋ＋）とするならば、バリノマイシンを用いることができる。検出するイオンをナトリウムイオン（Ｎａ＋）とするならば、ビスクラウンエーテル誘導体を用いることができる。検出するイオンをカルシウムイオン（Ｃａ２＋）とするならば、非環状ポリエーテルアミド誘導体を用いることができる。検出するイオンをアンモニウムイオン（ＮＨ４ ＋）とするならば、ノナクチンや塩化テトラセチルアンモニウムを用いることができる。 If the ions to be detected are hydrogen ions (H + ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) or tantalum oxide (Ta 2 O 2 ) can be used. If the ion to be detected is potassium ion (K + ), valinomycin can be used. If the ion to be detected is sodium ion (Na + ), a biscrown ether derivative can be used. If the ion to be detected is calcium ion (Ca 2+ ), an acyclic polyetheramide derivative can be used. If the ion to be detected is ammonium ion (NH 4 + ), nonactin or tetracetylammonium chloride can be used.
また、検出するイオンをフッ素イオン（Ｆ−）とするならば、フッ化ランタン（ＬａＦ３）を用いることができる。検出するイオンを銀イオン（Ａｇ＋）や鉛イオン（Ｐｂ２＋）とするならば、カリックスアレンなどを用いることができる。また、感応膜２５を液膜型イオンセンサ溶媒とすることもでき、その場合は、ニトロベンゼンやニトロフェニルオチルエーテルなどを用いることができる。
また、種々の蛋白質やＤＮＡ（deoxyribonucleic acid）などの生体分子検出では、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の表面を感応化処理した膜を用いることができる。
Further, if the ion to be detected is a fluorine ion (F − ), lanthanum fluoride (LaF 3 ) can be used. If the ions to be detected are silver ions (Ag + ) or lead ions (Pb 2+ ), calixarene or the like can be used. Moreover, the sensitive film |
In the detection of biomolecules such as various proteins and DNA (deoxyribonucleic acid), a film obtained by sensitizing the surface of a silicon oxide film (SiO 2 ) can be used.
半導体基板１１には、参照電極４０が形成されていても良い。参照電極４０は、白金（Ｐｔ）等の導電性材料で形成され、図示しない外部電極に接続される。これにより、被検出物質が含まれる液体の電位を制御し、感応膜２５における被検出物質の捕獲感度を制御することができる。また、参照電極４０は、半導体基板１１とは別体に設けられても良い。
A
第１ドレイン領域２１は所定の電位（例えば正電位）に接続される。第１ソース領域２２は、第１ドレイン領域２１と異なる所定の電位（例えば接地電位）に接続される。
The
以上説明した感応素子２において、イオンなどの被検出物質が感応膜２５に捕獲されたとき、感応膜２５に電荷が蓄積される。感応膜２５に例えば正の電荷が蓄積されると、第２導電型のチャネル領域２３に存在する正孔が感応膜２５から離れる方向に移動し、電子が感応膜２５側に移動する。これにより、第２導電型のチャネル領域２３に、感応膜２５における電荷量に応じたチャネルが形成され、第１ドレイン領域２１と第１ソース領域２２との間の電気抵抗が変化し、ドレイン電流が変化する。これにより、被検出物質が検出される。
In the
＜１−２．制御機構＞
制御機構３は、トランジスタ３０を含んでいる。トランジスタ３０は、ソース領域及びドレイン領域がコンタクト領域２７と同一の導電型を有するＭＯＳトランジスタである。トランジスタ３０のドレイン領域は、コンタクト領域２７を介して感応素子２のチャネル領域２３に接続されている。トランジスタ３０のソース領域は、可変電源装置３８に接続されている。トランジスタ３０のゲート電極は、トランジスタ３０のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御信号の出力端子に接続される。
<1-2. Control mechanism>
The control mechanism 3 includes a
なお、本実施形態において、第１導電型をＮ型、第２導電型をＰ型とする例を示したが、第１導電型をＰ型、第２導電型をＮ型としても良い。
また、本実施形態において、制御機構３としてトランジスタ３０を可変電源装置３８に接続した例を示したが、トランジスタ３０の代わりに、他のスイッチング素子を用いても良い。
In the present embodiment, an example in which the first conductivity type is the N type and the second conductivity type is the P type is shown, but the first conductivity type may be the P type and the second conductivity type may be the N type.
In the present embodiment, an example in which the
化学センサ１は、制御機構３のトランジスタ３０をＯＮにすることにより、感応素子２のチャネル領域２３の電位を制御し、制御機構３のトランジスタ３０をＯＦＦにすることにより、感応素子２のチャネル領域２３をフローティング化することができる。
The
上述の構成によれば、感応素子２のチャネル領域２３の電位を制御し、且つフローティング化できるようにすることにより、チャネル領域２３の蓄積電荷量を制御することができる。従って、仮に化学センサ１の使用時にチャネル領域２３に電荷が蓄積したとしても、その蓄積電荷量を制御することにより、再現性のある初期値設定が可能になり、被検出物質の安定した検出ができる。
また、制御機構３がトランジスタ３０を含むことにより、感応素子２のチャネル領域２３の電位の制御及びフローティング化を簡易な構成で行うことができる。
According to the above-described configuration, the amount of accumulated charge in the
Further, since the control mechanism 3 includes the
＜２．第２の実施形態の構成＞
図３は、本発明の第２の実施形態に係る化学センサを示す平面模式図である。また、図４は図３のIV−IV線断面図である。図３のＡ−Ａ線断面図は、図２（Ａ）と同様であるので省略している。
図３に示す化学センサ１ａは、感応素子２と制御機構３ａとを具備している。
<2. Configuration of Second Embodiment>
FIG. 3 is a schematic plan view showing a chemical sensor according to the second embodiment of the present invention. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. A sectional view taken along line AA in FIG. 3 is omitted because it is the same as FIG.
A chemical sensor 1a shown in FIG. 3 includes a
制御機構３ａは、図３に示すように、第２導電型（チャネル領域２３と同じ導電型）のソース領域３２と、第２導電型のソース領域３２と第２導電型のチャネル領域２３との間に形成された第１導電型（ドレイン領域２１及びソース領域２２と同じ導電型）のチャネル領域３３と、を有するトランジスタを含んでいる。
制御機構３ａにおけるトランジスタのドレイン領域は、感応素子２のチャネル領域２３によって構成されている。ソース領域３２は、上述の可変電源装置の出力電極に接続される。
As shown in FIG. 3, the
The drain region of the transistor in the
図４に示すように、ソース領域３２及びチャネル領域３３は、基板層１０上に形成されている。また、チャネル領域３３上には、ゲート絶縁膜３４を介してゲート電極３５が形成されている。
第２導電型のソース領域３２及び第１導電型のチャネル領域３３の周辺には、素子分離膜１２０が形成されている。
As shown in FIG. 4, the
An
図３に示すように、化学センサ１ａは、感応素子２のドレイン・ソース間のチャネルにおける電荷の移動方向（Ａ−Ａ方向）に対して、トランジスタのドレイン・ソース間のチャネルにおける電荷の移動方向（IV−IV方向）が直交するように配置されている。
他の点については第１の実施形態において説明した通りである。
As shown in FIG. 3, the chemical sensor 1a has a charge movement direction in the channel between the drain and the source of the transistor with respect to the charge movement direction (A-A direction) in the channel between the drain and the source of the
Other points are as described in the first embodiment.
＜３．第１の検出方法＞
図５は、上記化学センサを用いた第１の検出方法を説明する図である。第１の検出方法においては、感応素子２のチャネル領域２３を所定電位に初期設定した後、チャネル領域２３をフローティング化する。そして、第１の検出方法においては、チャネル領域２３をフローティング化した状態で、参照電極４０の参照電位Ｖｒｅｆを高電位から０に低下させながら、感応素子２のドレイン電流を計測する。
<3. First detection method>
FIG. 5 is a diagram for explaining a first detection method using the chemical sensor. In the first detection method, after the
まず、被検出物質を含む液体に参照電極４０及び感応膜２５を接触させた状態で、図５（Ａ）に示すように、トランジスタ３０をＯＮにして、感応素子２のチャネル領域２３を所定電位（例えば接地電位）に接続する。これにより、チャネル領域２３の電位Ｖｃが上記所定電位に調整される。このとき、参照電位Ｖｒｅｆを例えば正電位に設定すると、感応素子２のソース電位に対して液体の電位が高くなるので、正電荷をもつ被検出物質がより多く感応膜２５に蓄積される。被検出物質の蓄積量は、液体における被検出物質の濃度に依存する。
次に、図５（Ｂ）に示すように、トランジスタ３０をＯＦＦにして、感応素子２のチャネル領域２３をフローティング化する。これにより、チャネル領域２３に蓄積していた電荷をほぼ０にした状態でフローティング化することができる。
First, in a state where the
Next, as shown in FIG. 5B, the
次に、図５（Ｃ）に示すように、ドレイン電位Ｖｄを正の一定電位に、ソース電位Ｖｓを接地電位にそれぞれ接続し、感応素子２のドレイン電流を計測する。ここで、ドレイン電位Ｖｄは０．８Ｖ以下であることが望ましい。ドレイン電位Ｖｄを０．８Ｖ以下とすることにより、チャネル領域２３におけるインパクトイオン化を抑制することができる。
このとき、参照電位Ｖｒｅｆを例えば高電位から０に掃引変化させながらドレイン電流を計測すると、参照電位Ｖｒｅｆが低下するにつれて、正電荷をもつ被検出物質が感応膜２５から離脱し、それに応じてドレイン電流が変化する。
Next, as shown in FIG. 5C, the drain potential Vd is connected to a positive constant potential, the source potential Vs is connected to the ground potential, and the drain current of the
At this time, when the drain current is measured while the reference potential Vref is swept from, for example, a high potential to 0, the detected substance having a positive charge is detached from the
以上のようにして得られた参照電位Ｖｒｅｆとドレイン電流との間の関係に基づいて、目的とするイオンや生体分子を検出することができる。また、水には水素イオン（Ｈ＋）や水酸化物イオン（ＯＨ−）が含まれるので、何れかのイオンを検出することによって水分の検出もできる。
また、以上のようにして得られた参照電位Ｖｒｅｆとドレイン電流との間の関係を、別途得られた基礎データと比較することにより、目的とするイオン又は生体分子の濃度を測定することができる。また、水素イオン（Ｈ＋）又は水酸化物イオン（ＯＨ−）の濃度から、水溶液やコンクリートのｐＨを測定することもできる。
Based on the relationship between the reference potential Vref and the drain current obtained as described above, target ions and biomolecules can be detected. Further, since water contains hydrogen ions (H + ) and hydroxide ions (OH − ), moisture can be detected by detecting any one of the ions.
Moreover, the concentration of the target ion or biomolecule can be measured by comparing the relationship between the reference potential Vref obtained as described above and the drain current with the basic data obtained separately. . Moreover, pH of aqueous solution or concrete can also be measured from the density | concentration of hydrogen ion (H <+> ) or hydroxide ion (OH < - > ).
上述のように、第１の検出方法においては、参照電位Ｖｒｅｆを高電位から０に掃引変化させながらドレイン電流を計測する。このとき、チャネル領域２３がフローティング化されているので、参照電位Ｖｒｅｆを逆スイープしたときのＳ値（サブスレッショルドスイング値）が小さく、急峻なＩ−Ｖ特性を示す。従って、感応膜２５におけるイオン量の変化に対してドレイン電流の大きな変化が得られるので、高感度な化学センサになるとともに、低電圧での動作が可能となるので消費電力が低減される。
As described above, in the first detection method, the drain current is measured while the reference potential Vref is swept from the high potential to zero. At this time, since the
＜４．第２の検出方法＞
図６は、上記化学センサを用いた第２の検出方法を説明する図である。第２の検出方法においても、第１の検出方法と同様に、感応素子２のチャネル領域２３を所定電位に初期設定した後、チャネル領域２３をフローティング化する。そして、第２の検出方法においては、チャネル領域２３をフローティング化した状態で、参照電極４０の参照電位Ｖｒｅｆを０から高電位に上昇させながら、感応素子２のドレイン電流を計測する。
<4. Second detection method>
FIG. 6 is a diagram for explaining a second detection method using the chemical sensor. Also in the second detection method, as in the first detection method, after the
まず、被検出物質を含む液体に参照電極４０及び感応膜２５を接触させた状態で、図６（Ａ）に示すように、トランジスタ３０をＯＮにして、感応素子２のチャネル領域２３を所定電位（例えば接地電位）に接続する。これにより、チャネル領域２３の電位Ｖｃが上記所定電位に調整される。このとき、参照電位Ｖｒｅｆを例えば０（接地電位）に設定すると、感応素子２の感応膜２５の電位が０となる。
次に、図６（Ｂ）に示すように、トランジスタ３０をＯＦＦにして、感応素子２のチャネル領域２３をフローティング化する。これにより、チャネル・ボデイ領域２３の電位をほぼ０にした状態でフローティング化することができる。
First, in a state where the
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、図６（Ｃ）に示すように、ドレイン電位Ｖｄを正の一定電位に、ソース電位Ｖｓを接地電位にそれぞれ接続し、感応素子２のドレイン電流を計測する。ここで、ドレイン電位Ｖｄは１Ｖ以上であることが望ましい。ドレイン電位Ｖｄを１Ｖ以上とすることにより、チャネル領域２３におけるインパクトイオン化を生じさせることができる。
このとき、参照電位Ｖｒｅｆを例えば０から正電位に掃引変化させながらドレイン電流を計測すると、参照電位Ｖｒｅｆが上昇するにつれて、正電荷をもつ被検出物質が感応膜２５に捕獲され、それに応じてドレイン電流が変化する。
Next, as shown in FIG. 6C, the drain potential Vd is connected to a positive constant potential, the source potential Vs is connected to the ground potential, and the drain current of the
At this time, if the drain current is measured while sweeping and changing the reference potential Vref from 0 to a positive potential, for example, the detected substance having a positive charge is captured by the
以上のようにして得られた参照電位Ｖｒｅｆとドレイン電流との間の関係に基づいて、目的とするイオンや生体分子を検出することができる。また、水には水素イオン（Ｈ＋）や水酸化物イオン（ＯＨ−）が含まれるので、何れかのイオンを検出することによって水分の検出もできる。
また、以上のようにして得られた参照電位Ｖｒｅｆとドレイン電流との間の関係を、別途得られた基礎データと比較することにより、目的とするイオン又は生体分子の濃度を測定することができる。また、水素イオン（Ｈ＋）又は水酸化物イオン（ＯＨ−）の濃度から、水溶液やコンクリートのｐＨを測定することもできる。
Based on the relationship between the reference potential Vref and the drain current obtained as described above, target ions and biomolecules can be detected. Further, since water contains hydrogen ions (H + ) and hydroxide ions (OH − ), moisture can be detected by detecting any one of the ions.
Moreover, the concentration of the target ion or biomolecule can be measured by comparing the relationship between the reference potential Vref obtained as described above and the drain current with the basic data obtained separately. . Moreover, pH of aqueous solution or concrete can also be measured from the density | concentration of hydrogen ion (H <+> ) or hydroxide ion (OH < - > ).
図７は、インパクトイオン化について説明するグラフである。
上述のように、第２の検出方法においては、ドレイン電位Ｖｄを１Ｖ以上とした状態で、参照電位Ｖｒｅｆを０から正電位に掃引変化させながらドレイン電流を計測する。このとき、ドレイン電位Ｖｄによってチャネル領域２３に大きな電位差が生じているため、電子がシリコン原子に衝突したエネルギーによって、シリコン原子が電子を放出する。これにより、新たな電子と正孔の組が発生して、正孔がフローテイング状態のチャネル・ボデイ領域に蓄積する。このため、閾値電圧が低下し、ドレイン電流値が飛躍的に増加する。
このようなインパクトイオン化により、感応膜２５におけるイオン量の変化に対してドレイン電流の大きな変化が得られるので、高感度な化学センサとなるとともに、低電圧での動作が可能となるので消費電力が低減される。
FIG. 7 is a graph for explaining impact ionization.
As described above, in the second detection method, the drain current is measured while the reference potential Vref is swept from 0 to a positive potential in a state where the drain potential Vd is 1 V or more. At this time, since a large potential difference is generated in the
By such impact ionization, a large change in the drain current is obtained with respect to the change in the amount of ions in the
１、１ａ…化学センサ、２…感応素子、３、３ａ…制御機構、１０…基板層、１１…半導体基板、１２…絶縁層、１６…パシベーション膜、２１…ドレイン領域、２２…ソース領域、２３…チャネル領域、２５…感応膜、２７…コンタクト領域、３０…トランジスタ、３２…ソース領域、３３…チャネル領域、３４…ゲート絶縁膜、３５…ゲート電極、３８…可変電源装置、４０…参照電極、１２０…素子分離膜、Ｖｃ…チャネル領域の電位、Ｖｄ…ドレイン電位、Ｖｒｅｆ…参照電位、Ｖｓ…ソース電位
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第２導電型のチャネル領域の電位を制御し、且つフローティング化する制御機構と、
を具備する化学センサ。 A first semiconductor region in which a channel region of the second conductivity type is formed between the drain region of the first conductivity type and the source region of the first conductivity type; and a sensitivity formed on the channel region of the second conductivity type. A sensitive element for detecting a substance to be detected in the liquid,
A control mechanism for controlling the potential of the channel region of the second conductivity type and for floating;
A chemical sensor comprising:
前記感応素子の第１半導体領域が絶縁層上に形成され、前記感応素子の第２導電型のチャネル領域は部分空乏化する不純物濃度及び膜厚で形成されている化学センサ。 In claim 1,
A chemical sensor in which a first semiconductor region of the sensitive element is formed on an insulating layer, and a channel region of the second conductivity type of the sensitive element is formed with an impurity concentration and a film thickness that are partially depleted.
前記制御機構は、第２導電型のソース領域と、前記第２導電型のソース領域と前記感応素子の第２導電型のチャネル領域との間に形成された第１導電型のチャネル領域と、前記第１導電型のチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を含み、
前記第２導電型のソース領域は電源装置に電気的に接続された化学センサ。 In claim 1 or 2,
The control mechanism includes: a second conductivity type source region; a first conductivity type channel region formed between the second conductivity type source region and the second conductivity type channel region of the sensitive element; A gate insulating film formed on the channel region of the first conductivity type, and a gate electrode formed on the gate insulating film,
The second conductivity type source region is a chemical sensor electrically connected to a power supply device.
前記制御機構は、第２導電型のソース領域と第２導電型のドレイン領域との間に第１導電型のチャネル領域が形成された第２半導体領域と、前記第１導電型のチャネル領域上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、を含み、
前記第２導電型のドレイン領域及び前記第２導電型のソース領域の内の一方は、前記感応素子の第２導電型のチャネル領域に電気的に接続され、前記第２ドレイン領域及び第２ソース領域の内の他方は、電源装置に電気的に接続された化学センサ。 In claim 1 or 2,
The control mechanism includes a second semiconductor region in which a channel region of the first conductivity type is formed between a source region of the second conductivity type and a drain region of the second conductivity type, and the channel region of the first conductivity type. A gate insulating film formed on the gate insulating film, and a gate electrode formed on the gate insulating film,
One of the drain region of the second conductivity type and the source region of the second conductivity type is electrically connected to the channel region of the second conductivity type of the sensitive element, and the second drain region and the second source The other of the areas is a chemical sensor electrically connected to a power supply.
前記被検出物質が含まれる液体の電位を制御する参照電極をさらに具備する化学センサ。 In any one of Claims 1 thru | or 4,
A chemical sensor further comprising a reference electrode for controlling a potential of a liquid containing the substance to be detected.
前記感応素子の第２導電型のチャネル領域を前記制御機構によって所定電位に接続するステップ（ａ）と、
前記感応素子の第２導電型のチャネル領域を前記制御機構によってフローティング化するステップ（ｂ）と、
前記第２導電型のチャネル領域がフローティング化された状態で、前記参照電極の電位と前記感応素子のドレイン・ソース間電圧とが所定条件である場合の前記感応素子のドレイン電流を計測するステップ（ｃ）と、
を具備する検出方法。 A method for detecting a substance to be detected in a liquid in contact with the reference electrode and the sensitive film using the chemical sensor according to claim 5,
Connecting the channel region of the second conductivity type of the sensitive element to a predetermined potential by the control mechanism;
(B) floating the channel region of the second conductivity type of the sensitive element by the control mechanism;
A step of measuring a drain current of the sensitive element when a potential of the reference electrode and a drain-source voltage of the sensitive element are in a predetermined condition in a state where the channel region of the second conductivity type is floated ( c) and
A detection method comprising:
ステップ（ｂ）の前に、前記第１導電型のソース領域の電位に対する前記感応膜の電位を前記参照電極によって所定電位に制御するステップ（ｄ）をさらに具備し、
ステップ（ｃ）において、前記感応膜の電位を、前記参照電極によって前記所定電位より低下させるとともに、前記感応膜の電位の低下前後における前記感応素子のドレイン電流を計測する検出方法。 In claim 6,
Before step (b), the method further comprises a step (d) of controlling the potential of the sensitive film with respect to the potential of the source region of the first conductivity type to a predetermined potential by the reference electrode,
In step (c), the potential of the sensitive film is lowered from the predetermined potential by the reference electrode, and the drain current of the sensitive element is measured before and after the potential of the sensitive film is lowered.
ステップ（ｂ）の前に、前記第１導電型のソース領域の電位に対する前記感応膜の電位を前記参照電極によって所定電位に制御するステップ（ｄ）をさらに具備し、
ステップ（ｃ）において、前記感応膜の電位を、前記参照電極によって前記所定電位より上昇させるとともに、前記感応膜の電位の上昇前後における前記感応素子のドレイン電流を、前記第１導電型のソース領域と前記第１導電型のドレイン領域との間に１Ｖ以上の電圧を印加して計測する検出方法。 In claim 6,
Before step (b), the method further comprises a step (d) of controlling the potential of the sensitive film with respect to the potential of the source region of the first conductivity type to a predetermined potential by the reference electrode,
In step (c), the potential of the sensitive film is raised above the predetermined potential by the reference electrode, and the drain current of the sensitive element before and after the rise of the potential of the sensitive film is changed to the source region of the first conductivity type. And a method of measuring by applying a voltage of 1 V or more between the first conductivity type drain region and the drain region of the first conductivity type.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010092915A JP2011220954A (en) | 2010-04-14 | 2010-04-14 | Chemical sensor and detection method |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019230917A1 (en) * | 2018-05-31 | 2019-12-05 | 国立大学法人静岡大学 | Ion concentration measuring device |
-
2010
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