JP2017053794A - 電気化学センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】ＩＳＦＥＴの閾値の調整を可能とする電気化学センサを提供する。
【解決手段】実施形態の電気化学センサは、第１の絶縁膜と、電極と、第１の絶縁膜と電極との間に設けられた半導体層と、電極と半導体層との間に設けられた電荷蓄積層と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】実施形態の電気化学センサは、第１の絶縁膜と、電極と、第１の絶縁膜と電極との間に設けられた半導体層と、電極と半導体層との間に設けられた電荷蓄積層と、を備える。
【選択図】図１
Description
本発明の実施形態は、電気化学センサに関する。
例えば、ｐＨ値の測定、血液中の血糖値の測定等に用いられる電気化学センサとして、イオン感応性電界効果トランジスタ（Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，以下「ＩＳＦＥＴ」）を備えた電気化学センサがある。ＩＳＦＥＴは、イオン感応性膜を用いたトランジスタである。
従来のＩＳＦＥＴは、いわゆるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のゲート金属膜をイオン感応性膜に置き換えてサンプル溶液と直接接触させ、参照電極から溶液を介してゲート電位を与える構造としたトランジスタである。
ＩＳＦＥＴの閾値は、例えば、ＩＳＦＥＴの製造ばらつきによりばらつく恐れがある。また、測定試料の種類毎に、測定レンジを確保するためにＩＳＦＥＴの閾値の最適化が望まれる場合がある。このため、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能な電気化学センサが望まれる。
本発明が解決しようとする課題は、ＩＳＦＥＴの閾値の調整を可能とする電気化学センサを提供することにある。
本発明の一態様の電気化学センサは、第１の絶縁膜と、電極と、前記第１の絶縁膜と前記電極との間に設けられた半導体層と、前記電極と前記半導体層との間に設けられた電荷蓄積層と、を備える。
（第１の実施形態）
本実施形態の電気化学センサは、第１の絶縁膜と、電極と、第１の絶縁膜と電極との間に設けられた半導体層と、電極と半導体層との間に設けられた電荷蓄積層と、を備える。
本実施形態の電気化学センサは、第１の絶縁膜と、電極と、第１の絶縁膜と電極との間に設けられた半導体層と、電極と半導体層との間に設けられた電荷蓄積層と、を備える。
本実施形態の電気化学センサは、例えば、ｐＨセンサ、酵素センサである。本実施形態の電気化学センサは、例えば、センサ部、検出回路、制御回路等を備える。センサ部は、例えば、被測定試料（ｔａｒｇｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）のｐＨ値を電気信号に変換する。検出回路は、例えば、センサ部で得られた電気信号を増幅する。制御回路は、例えば、センサ部や検出回路の動作を制御する。
なお、被測定試料Ｔは、例えば、水溶液、酵素を含む電解液等である。
図１は、本実施形態の電気化学センサのセンサ部１００の模式図である。本実施形態の電気化学センサのセンサ部１００のトランジスタはＩＳＦＥＴである。
センサ部１００は、ＩＳＦＥＴを構成するイオン感応膜（第１の絶縁膜）１０、半導体層１２、トンネル絶縁膜（第３の絶縁膜）１４、フローティングゲート電極（電荷蓄積層）１６、ブロック絶縁膜（第２の絶縁膜）１８、参照電極（電極）２０を備える。本実施形態のＩＳＦＥＴは電子をキャリアとするｎチャネル型トランジスタである。
半導体層１２は、イオン感応膜１０と参照電極２０との間に設けられる。フローティングゲート電極１６は、半導体層１２と参照電極２０との間に設けられる。ブロック絶縁膜１８は、参照電極２０とフローティングゲート電極１６との間に設けられる。トンネル絶縁膜１４は、半導体層１２とフローティングゲート電極１６との間に設けられる。
イオン感応膜１０は、半導体層１２に接して設けられる。イオン感応膜（ｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｍｅｍｂｒａｎｃｅ）１０は、例えば、被測定試料（図１中“Ｔ”）中の特定のイオンを選択的に吸着する。イオン感応膜１０は、例えば、無機絶縁膜又は有機絶縁膜である。
イオン感応膜１０は、例えば、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜である。また、イオン感応膜１０は、例えば、酵素固定膜である。酵素固定膜は、高分子膜である。
半導体層１２は、例えば、単結晶シリコンである。半導体層１２は、ｎ型のソース領域（第１の不純物領域）１２ａ、ｎ型のドレイン領域（第２の不純物領域）１２ｂ、ｐ型のチャネル領域（第３の不純物領域）１２ｃを備える。ｐ型のチャネル領域１２ｃは、ｎ型のソース領域１２ａとｎ型のドレイン領域１２ｂとの間に設けられる。ｐ型のチャネル領域１２ｃは、イオン感応膜１０とフローティングゲート電極１６との間に設けられる。
トンネル絶縁膜１４は、半導体層１２に接して設けられる。トンネル絶縁膜１４は、半導体層１２とフローティングゲート電極１６とを電気的に分離する機能を備える。トンネル絶縁膜１４は、例えば、酸化シリコン膜である。
フローティングゲート電極１６は、トンネル絶縁膜１４に接して設けられる。フローティングゲート電極１６は、電荷を蓄積する機能を備える。電荷は、例えば、電子又は正孔である。
フローティングゲート電極１６は、導電膜である。フローティングゲート電極１６は、例えば、導電性の不純物がドーピングされた多結晶シリコンである。
ブロック絶縁膜１８は、フローティングゲート電極１６に接して設けられる。ブロック絶縁膜１８は、フローティングゲート電極１６と参照電極２０とを電気的に分離する機能を備える。ブロック絶縁膜１８は、例えば、酸化シリコン膜である。また、ブロック絶縁膜１８は、例えば、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜等のＨｉｇｈ−ｋ絶縁膜（高誘電率絶縁膜）である。
参照電極２０は、ブロック絶縁膜１８に接して設けられる。参照電極２０には、被測定試料Ｔを測定する際に参照電圧（Ｖｒｅｆ）が印加される。また、参照電極２０には、フローティングゲート電極１６に電荷を蓄積したり、フローティングゲート電極１６から電荷を消去したりする際に、所望の電圧が印加される。
参照電極２０は、導電膜である。参照電極２０は、例えば、導電性の不純物がドーピングされた多結晶シリコンである。また、参照電極２０は、例えば、金属又は金属半導体化合物である。
ｎ型のソース領域１２ａは、例えば、グラウンド電位に固定される。ｎ型のドレイン領域１２ｂは、例えば、抵抗２２と電源２４に接続される。電源から電源電圧（Ｖｄｄ）が印加される。なお、ｎ型のソース領域１２ａの電位は、電源電圧（Ｖｄｄ）よりも低い遠位であれば、構わない。
また、ｎ型のドレイン領域１２ｂは、出力端子２６に接続される。出力端子２６から出力信号（Ｖｏｕｔ）が出力される。
参照電極２０は、参照端子２８に接続される。参照端子２８には、参照電圧（Ｖｒｅｆ）等が印加される。
以下、本実施形態の電気化学センサの作用及び効果について説明する。
ＩＳＦＥＴの閾値は、例えば、ＩＳＦＥＴの製造ばらつきによりばらつく恐れがある。また、被測定試料Ｔの種類に応じ、測定レンジを確保するためにＩＳＦＥＴの閾値の最適化が望まれる場合がある。
本実施形態の電気化学センサは、センサ部１００のＩＳＦＥＴがフローティングゲート電極１６を備える。ＩＳＦＥＴがフローティングゲート電極１６を備えることで、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となっている。
例えば、参照電極２０と半導体層１２との間に正の電圧を印加する。これにより、トンネル絶縁膜１４を流れるトンネル電流により、電子が半導体層１２からフローティングゲート電極１６に注入される。この電子の書き込みにより、ｎチャネル型のＩＳＦＥＴの閾値が上昇する。
フローティングゲート電極１６への電荷の注入条件を変えることにより、閾値を、所望の目標値に設定することが可能である。
したがって、ＩＳＦＥＴの製造ばらつきによる閾値ばらつきを補正することが可能となる。また、被測定試料Ｔの種類に応じ、測定レンジを確保するためにＩＳＦＥＴの閾値を最適化することも可能である。
また、本実施形態のＩＳＦＥＴは、半導体層１２に対し参照電極２０が存在する側を表面側とすると、イオン感応膜１０は半導体層１２の裏面側に設けられる。例えば、イオン感応膜１０に被測定試料Ｔ中の特定イオンが吸着することにより、ｐ型のチャネル領域１２ｃの電位が変化する。言い換えれば、ＩＳＦＥＴの基板電位が変化する。本実施形態のＩＳＦＥＴは、この基板電位の変化に伴うドレイン電圧の変化を出力信号（Ｖｏｕｔ）として検知する。
本実施形態のＩＳＦＥＴは半導体層１２の裏面側にイオン感応膜１０を設けることにより、参照電極２０とフローティングゲート電極１６及び半導体層１２との距離を短くすることが可能となる。したがって、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。よって、センサ部１００および電気化学センサの微細化や集積化が可能となる。
本実施形態の電気化学センサによれば、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となる。また、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。
（第２の実施形態）
本実施形態の電気化学センサは、電界蓄積層が絶縁膜である点以外は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
本実施形態の電気化学センサは、電界蓄積層が絶縁膜である点以外は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図２は、本実施形態の電気化学センサのセンサ部２００の模式図である。本実施形態の電気化学センサのセンサ部２００のトランジスタはＩＳＦＥＴである。
センサ部１００は、ＩＳＦＥＴを構成するイオン感応膜（第１の絶縁膜）１０、半導体層１２、トンネル絶縁膜（第３の絶縁膜）１４、電荷蓄積絶縁膜（電荷蓄積層）３６、ブロック絶縁膜（第２の絶縁膜）１８、参照電極（電極）２０を備える。本実施形態のＩＳＦＥＴは電子をキャリアとするｎチャネル型トランジスタである。
電荷蓄積絶縁膜３６は、トンネル絶縁膜１４に接して設けられる。また、電荷蓄積絶縁膜３６は、ブロック絶縁膜１８に接して設けられる。
電荷蓄積絶縁膜３６は、電荷を蓄積する機能を備える。電荷は、例えば、電子又は正孔である。電荷蓄積絶縁膜３６は、絶縁膜である。電荷蓄積絶縁膜３６は、例えば、窒化シリコン膜である。
本実施形態のＩＳＦＥＴは、いわゆる、ＭＯＮＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造を備える。
本実施形態の電気化学センサは、第１の実施形態同様、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となる。また、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。
更に、電荷蓄積層の薄膜化が可能になり、更なるＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。また、電荷蓄積層のパターニングが不要となり、ＩＳＦＥＴの製造が容易になる。
（第３の実施形態）
本実施形態の電気化学センサは、第１の不純物領域と第２の不純物領域が、半導体層１２の裏面側に設けられない点以外は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
本実施形態の電気化学センサは、第１の不純物領域と第２の不純物領域が、半導体層１２の裏面側に設けられない点以外は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図３は、本実施形態の電気化学センサのセンサ部３００の模式図である。本実施形態の電気化学センサのセンサ部３００のトランジスタはＩＳＦＥＴである。
センサ部３００は、ＩＳＦＥＴを構成するイオン感応膜（第１の絶縁膜）１０、半導体層１２、トンネル絶縁膜（第３の絶縁膜）１４、フローティングゲート電極（電荷蓄積層）１６、ブロック絶縁膜（第２の絶縁膜）１８、参照電極（電極）２０を備える。本実施形態のＩＳＦＥＴは電子をキャリアとするｎチャネル型トランジスタである。
半導体層１２は、例えば、単結晶シリコンである。半導体層１２は、ｎ型のソース領域（第１の不純物領域）１２ａ、ｎ型のドレイン領域（第２の不純物領域）１２ｂ、ｐ型のチャネル領域（第３の不純物領域）１２ｃを備える。ｐ型のチャネル領域１２ｃは、ｎ型のソース領域１２ａとｎ型のドレイン領域１２ｂとの間に設けられる。
ｎ型のソース領域１２ａとｎ型のドレイン領域１２ｂは、半導体層１２の裏面側に設けられない。言い換えれば、ｐ型のチャネル領域１２ｃは、ｎ型のソース領域１２ａとｎ型のドレイン領域１２ｂに完全に囲まれていない。
本実施形態の電気化学センサは、第１の実施形態同様、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となる。また、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。
更に、ｐ型のチャネル領域１２ｃに電圧を与えることが容易になり、電荷蓄積層への電荷の書き込み、消去が容易となる。
（第４の実施形態）
本実施形態の電気化学センサは、第１の絶縁膜と、第１の電極と、第２の電極と、第１の絶縁膜と第１の電極及び第２の電極との間に設けられた半導体層と、第１の電極と半導体層との間に設けられた第１の電荷蓄積層と、第２の電極と半導体層との間に設けられた第２の電荷蓄積層と、を備える。
本実施形態の電気化学センサは、第１の絶縁膜と、第１の電極と、第２の電極と、第１の絶縁膜と第１の電極及び第２の電極との間に設けられた半導体層と、第１の電極と半導体層との間に設けられた第１の電荷蓄積層と、第２の電極と半導体層との間に設けられた第２の電荷蓄積層と、を備える。
本実施形態の電気化学センサは、センサ部のトランジスタが２個のＩＳＦＥＴの直列接続となる点で、第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については、一部記述を省略する。
図４は、本実施形態の電気化学センサのセンサ部４００の模式図である。本実施形態の電気化学センサのセンサ部４００は２個のＩＳＦＥＴを備える。
センサ部４００は、ＩＳＦＥＴを構成するイオン感応膜（第１の絶縁膜）１０、半導体層１２、第１のトンネル絶縁膜（第４の絶縁膜）１５、第１のフローティングゲート電極（第１の電荷蓄積層）１７、第１のブロック絶縁膜（第２の絶縁膜）１９、第１の参照電極（第１の電極）２１、第２のトンネル絶縁膜（第５の絶縁膜）４４、第２のフローティングゲート電極（第２の電荷蓄積層）４６、第２のブロック絶縁膜（第３の絶縁膜）４８、第２の参照電極（第２の電極）５０、を備える。本実施形態のＩＳＦＥＴは電子をキャリアとするｎチャネル型トランジスタである。
半導体層１２は、イオン感応膜１０と第１の参照電極２１との間に設けられる。第１のフローティングゲート電極１７は、半導体層１２と第１の参照電極２１との間に設けられる。第１のブロック絶縁膜１９は、第１の参照電極２１と第１のローティングゲート電極１６との間に設けられる。第１のトンネル絶縁膜１５は、半導体層１２と第１のフローティングゲート電極１７との間に設けられる。
半導体層１２は、イオン感応膜１０と第２の参照電極５０との間に設けられる。第２のフローティングゲート電極４６は、半導体層１２と第２の参照電極５０との間に設けられる。第２のブロック絶縁膜４８は、第２の参照電極５０と第２のフローティングゲート電極４６との間に設けられる。第２のトンネル絶縁膜４４は、半導体層１２と第２のフローティングゲート電極４６との間に設けられる。
半導体層１２は、例えば、単結晶シリコンである。半導体層１２は、ｎ型のソース領域（第１の不純物領域）１２ａ、第１のｎ型のドレイン領域（第２の不純物領域）１２ｂ、第１のｐ型のチャネル領域（第３の不純物領域）１２ｃを備える。第１のｐ型のチャネル領域１２ｃは、ｎ型のソース領域１２ａと第１のｎ型のドレイン領域１２ｂとの間に設けられる。第１のｐ型のチャネル領域１２ｃは、イオン感応膜１０と第１のフローティングゲート電極１７との間に設けられる。
また、半導体層１２は、第２のｎ型のドレイン領域（第４の不純物領域）１２ｄ、第２のｐ型のチャネル領域（第５の不純物領域）１２ｅを備える。第２のｐ型のチャネル領域１２ｅは、第１のｎ型のドレイン領域１２ｂと第２のｎ型のドレイン領域１２ｄとの間に設けられる。第２のｐ型のチャネル領域１２ｅは、イオン感応膜１０と第２のフローティングゲート電極４６との間に設けられる。
なお、第１のトンネル絶縁膜１５と第２のトンネル絶縁膜４４とは同時に形成された膜である。
ｎ型のソース領域１２ａは、例えば、グラウンド電位に固定される。第２のｎ型のドレイン領域１２ｄは、例えば、抵抗２２と電源２４に接続される。電源から電源電圧（Ｖｄｄ）が印加される。
また、第２のｎ型のドレイン領域１２ｄは、出力端子２６に接続される。出力端子２６から出力信号（Ｖｏｕｔ）が出力される。
第１の参照電極２１は、第１の参照端子２８に接続される。第１の参照端子２８には、第１の参照電圧（Ｖｒｅｆ１）等が印加される。
第２の参照電極５０は、第２の参照端子４８に接続される。第２の参照端子４８には、第２の参照電圧（Ｖｒｅｆ２）等が印加される。
第１の参照電極２１と第２の参照電極５０は電気的に分離されている。
図５は、本実施形態のセンサ部のトランジスタの等価回路図である。
図５に示すように、２個のＩＳＦＥＴが直列に接続される。被検査試料Ｔの測定時には、第１のフローティングゲート電極１６の電圧（Ｖｆｇ１）と第２のフローティングゲート電極４６の電圧（Ｖｆｇ２）とが、Ｖｆｇ１＞Ｖｆｇ２の関係を充足するよう、それぞれのフローティングゲート電極の電荷の量を調整する。これにより、第２のフローティングゲート電極４６を備えるＩＳＦＥＴの閾値が、第１のフローティングゲート電極１７を備えるＩＳＦＥＴの閾値よりも高くなる。
また、被検査試料Ｔの測定時には、第１の参照電圧（Ｖｒｅｆ１）と第２の参照電圧（Ｖｒｅｆ２）は等しい電圧とする。
被測定試料Ｔにより、第１のｐ型のチャネル領域１２ｃ及び第２のｐ型のチャネル領域１２ｅに印加される電圧が入力電圧（Ｖｉｎ）となる。
図６は、本実施形態の電気化学センサの作用及び効果の説明図である。本実施形態のセンサ部４００のトランジスタ、すなわち、ＩＳＦＥＴが直列接続されたトランジスタの動作特性のシミュレーション結果を示す。
横軸がドレイン電圧、縦軸がドレイン電流である。実線がＶｆｇ１＞Ｖｆｇ２の場合の電流−電圧特性、点線がＶｆｇ１＝Ｖｆｇ２の場合の電流−電圧特性である。それぞれの場合について、基板電圧（Ｖｓｕｂ）を５０ｍＶさせた電流−電圧特性を示している。
図中白両矢印が、Ｖｆｇ１＞Ｖｆｇ２の場合の出力電圧変化を示す。図中黒両矢印が、Ｖｆｇ１＝Ｖｆｇ２の場合の出力電圧変化を示す。Ｖｆｇ１＞Ｖｆｇ２の場合の出力電圧変化が大きい。すなわち、Ｖｆｇ１＞Ｖｆｇ２の場合、Ｖｆｇ１＝Ｖｆｇ２の場合と比較して測定感度が向上する。
本実施形態の電気化学センサは、第１の実施形態同様、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となる。また、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。
更に、本実施形態の電気化学センサは、電荷蓄積層へ所定の条件で電荷を書き込むことにより、測定感度が向上する。
（第５の実施形態）
本実施形態の電気化学センサは、電界蓄積層が絶縁膜である点以外は第４の実施形態と同様である。したがって、第４の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
本実施形態の電気化学センサは、電界蓄積層が絶縁膜である点以外は第４の実施形態と同様である。したがって、第４の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図７は、本実施形態の電気化学センサのセンサ部５００の模式図である。本実施形態の電気化学センサのセンサ部５００は２個のＩＳＦＥＴを備える。
センサ部５００は、ＩＳＦＥＴを構成するイオン感応膜（第１の絶縁膜）１０、半導体層１２、第１のトンネル絶縁膜（第４の絶縁膜）１５、第１の電荷蓄積絶縁膜（第１の電荷蓄積層）３７、第１のブロック絶縁膜（第２の絶縁膜）１８、第１の参照電極（第１の電極）２０、第２のトンネル絶縁膜（第５の絶縁膜）４４、第２の電荷蓄積絶縁膜（第２の電荷蓄積層）６６、第２のブロック絶縁膜（第３の絶縁膜）４８、第２の参照電極（第２の電極）５０、を備える。本実施形態のＩＳＦＥＴは電子をキャリアとするｎチャネル型トランジスタである。
半導体層１２は、イオン感応膜１０と第１の参照電極２１との間に設けられる。第１の電荷蓄積絶縁膜３７は、半導体層１２と第１の参照電極２１との間に設けられる。第１のブロック絶縁膜１９は、第１の参照電極２１と第１の電荷蓄積絶縁膜３７との間に設けられる。第１のトンネル絶縁膜１５は、半導体層１２と第１の電荷蓄積絶縁膜３７との間に設けられる。
半導体層１２は、イオン感応膜１０と第２の参照電極５０との間に設けられる。第２の電荷蓄積絶縁膜６６は、半導体層１２と第２の参照電極５０との間に設けられる。第２のブロック絶縁膜４８は、第２の参照電極５０と第２の電荷蓄積絶縁膜６６との間に設けられる。第２のトンネル絶縁膜４４は、半導体層１２と第２の電荷蓄積絶縁膜６６との間に設けられる。
第１の電荷蓄積絶縁膜３７は、第１のトンネル絶縁膜１５に接して設けられる。また、第１の電荷蓄積絶縁膜３７は、第１のブロック絶縁膜１９に接して設けられる。
第１の電荷蓄積絶縁膜３７は、電荷を蓄積する機能を備える。電荷は、例えば、電子又は正孔である。第１の電荷蓄積絶縁膜３７は、絶縁膜である。第１の電荷蓄積絶縁膜３７は、例えば、窒化シリコン膜である。
第２の電荷蓄積絶縁膜６６は、第２のトンネル絶縁膜４４に接して設けられる。また、第２の電荷蓄積絶縁膜６６は、第２のブロック絶縁膜４８に接して設けられる。
第２の電荷蓄積絶縁膜６６は、電荷を蓄積する機能を備える。電荷は、例えば、電子又は正孔である。第２の電荷蓄積絶縁膜６６は、絶縁膜である。第２の電荷蓄積絶縁膜６６は、例えば、窒化シリコン膜である。
なお、第１の電荷蓄積絶縁膜３７と第２の電荷蓄積絶縁膜６６とは同時に形成された膜である。
本実施形態のＩＳＦＥＴは、いわゆる、ＭＯＮＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ）構造を備える。
本実施形態の電気化学センサは、第４の実施形態同様、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となる。また、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。また、電荷蓄積層へ所定の条件で電荷を書き込むことにより、測定感度が向上する。
更に、電荷蓄積層の薄膜化が可能になり、更なるＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。また、電荷蓄積層のパターニングが不要となり、ＩＳＦＥＴの製造が容易になる。
（第６の実施形態）
本実施形態の電気化学センサは、第１の電極と第２の電極とが電気的に接続された点以外は第４の実施形態と同様である。したがって、第４の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
本実施形態の電気化学センサは、第１の電極と第２の電極とが電気的に接続された点以外は第４の実施形態と同様である。したがって、第４の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図８は、本実施形態の電気化学センサのセンサ部６００の模式図である。本実施形態の電気化学センサのセンサ部６００は２個のＩＳＦＥＴを備える。
第１の参照電極（第１の電極）２１と第２の参照電極（第２の電極）５０とが電気的に接続される。第１の参照電極２１と第２の参照電極５０は、参照端子２８に接続される。
第１の参照電極２１と第２の参照電極５０とが電気的に接続されることで、参照電圧の制御回路等の回路構成が簡易となる。
第１のフローティングゲート電極１７の電圧（Ｖｆｇ１）と第２のフローティングゲート電極４６の電圧（Ｖｆｇ２）とを異なる電圧に調整することは、例えば、以下のように行われる。
トンネル電流で第１のフローティングゲート電極１７に書き込む場合、参照端子２８に書き込み電圧を印加する。次に、図８の左の電源電圧をＬｏｗレベルとし、右の電源電圧を書き込み電圧、または開放とする。
トンネル電流で第２のフローティングゲート電極４６に書き込む場合、参照端子２８に書き込み電圧を印加する。次に、図８の右の電源電圧をＬｏｗレベルとし、左の電源電圧を書き込み電圧、または開放とする。
熱電子で第１のフローティングゲート電極１７に書き込む場合、参照端子２８に書き込み電圧を印加する。次に、図８の左の電源電圧をＨｉｇｈレベルとし、右の電源電圧をＬｏｗレベルとする。
熱電子で第２のフローティングゲート電極４６に書き込む場合、参照端子２８に書き込み電圧を印加する。次に、図８の右の電源電圧をＨｉｇｈレベルとし、左の電源電圧をＬｏｗレベルとする。
なお、消去は一括で行われる。
本実施形態の電気化学センサは、第４の実施形態同様、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となる。また、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。また、電荷蓄積層へ所定の条件で電荷を書き込むことにより、測定感度が向上する。
更に、回路構成を簡易にすることが可能となる。
（第７の実施形態）
本実施形態の電気化学センサは、第４の不純物領域と第５の不純物領域を備えない点で、第４の実施形態と異なっている。以下、第４の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
は記述を省略する。
本実施形態の電気化学センサは、第４の不純物領域と第５の不純物領域を備えない点で、第４の実施形態と異なっている。以下、第４の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
は記述を省略する。
図９は、本実施形態の電気化学センサのセンサ部７００の模式図である。本実施形態の電気化学センサのセンサ部７００は２個のＩＳＦＥＴを備える。
半導体層１２は、ｎ型のソース領域（第１の不純物領域）１２ａ、ｎ型のドレイン領域（第２の不純物領域）１２ｂ、ｐ型のチャネル領域（第３の不純物領域）１２ｃを備える。ｐ型のチャネル領域１２ｃは、ｎ型のソース領域１２ａとｎ型のドレイン領域１２ｂとの間に設けられる。
ｐ型のチャネル領域１２ｃは、イオン感応膜１０と第１のフローティングゲート電極１７との間、及び、イオン感応膜１０と第２のフローティングゲート電極４６との間に設けられる。
言い換えれば、直列接続される２個のＩＳＦＥＴの間の半導体層１２中に、ｎ型の不純物領域が存在しない。ｎ型の不純物領域が存在しないことで、トランジスタの駆動力が向上する。したがって、電気化学センサの測定感度が更に向上する。
本実施形態の電気化学センサは、第４の実施形態同様、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となる。また、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。また、電荷蓄積層へ所定の条件で電荷を書き込むことにより、測定感度が向上する。
そして、トランジスタの駆動力向上により電気化学センサの測定感度が更に向上する。
（第８の実施形態）
図１０は、本実施形態の電気化学センサの模式図である。本実施形態の電気化学センサは、第４の実施形態のセンサ部４００のトランジスタが、複数直列に接続される。
図１０は、本実施形態の電気化学センサの模式図である。本実施形態の電気化学センサは、第４の実施形態のセンサ部４００のトランジスタが、複数直列に接続される。
図１０中、点線で囲まれる領域が、第４の実施形態のセンサ部４００のトランジスタに相当する。
直列接続される複数のトランジスタの内の一端のトランジスタのソース領域が、例えば、グラウンド電位に固定される。複数のトランジスタの内の他端のトランジスタのドレイン領域が、出力端子７５に接続される。出力端子７５から出力信号（Ｖｏｕｔ）が出力される。
また、周辺回路７０が、トランジスタの参照電極側に設けられる。周辺回路７０は、例えば、検出回路、制御回路等である。
本実施形態の電気化学センサは、第４の実施形態同様、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となる。また、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。また、電荷蓄積層へ所定の条件で電荷を書き込むことにより、測定感度が向上する。
更に、複数のトランジスタを直列に接続することで、イオン感応膜１０上の電荷の分布と、電荷の量を測定することが可能となる。
また、本実施形態のＩＳＦＥＴは半導体層１２の裏面側にイオン感応膜１０が設けられるため、複数のトランジスタを制御する周辺回路７０の形成が容易となる。
なお、図１０では、複数のトランジスタが１列に接続される場合を例に説明したが、複数のトランジスタを複数列設けて、２次元的な電荷の分布と、電荷の量を測定する電気化学センサを形成することも可能である。
（第９の実施形態）
図１１は、本実施形態の電気化学センサの模式図である。本実施形態の電気化学センサは、第４の実施形態のセンサ部４００のトランジスタが、複数直列に接続される。各トランジスタに、端子が設けられる点で、第８の実施形態と異なっている。
図１１は、本実施形態の電気化学センサの模式図である。本実施形態の電気化学センサは、第４の実施形態のセンサ部４００のトランジスタが、複数直列に接続される。各トランジスタに、端子が設けられる点で、第８の実施形態と異なっている。
図１１中、点線で囲まれる領域が、第４の実施形態のセンサ部４００のトランジスタに相当する。
直列接続される複数のトランジスタのそれぞれが、両端に端子８０を備える。例えば、トランジスタの両端の端子８０の一方を、グラウンド電位に固定し、他方を出力端子とする。例えば。グラウンド電位に固定される端子と出力端子が交互に配置される。
また、周辺回路７０が、トランジスタの参照電極側に設けられる。周辺回路７０は、例えば、検出回路、制御回路等である。
本実施形態の電気化学センサは、第８の実施形態同様、ＩＳＦＥＴの閾値の調整が可能となる。また、ＩＳＦＥＴの微細化や集積化が可能となる。また、電荷蓄積層へ所定の条件で電荷を書き込むことにより、測定感度が向上する。また、イオン感応膜１０上の電荷の分布と、電荷の量を測定することが可能となる。
更に、複数のトランジスタの両端に端子を設けることで、イオン感応膜１０上の電荷の分布と、電荷の量をそれぞれのトランジスタで即時に測定することが可能となる。したがって、イオン感応膜１０上の被測定試料Ｔの電荷状態が安定しない場合でも、イオン感応膜１０上の電荷の分布と、電荷の量を測定することが可能となる。また、イオン感応膜１０上の電荷の分布と、電荷の量の時間変化を測定することも可能となる。
また、本実施形態のＩＳＦＥＴは半導体層１２の裏面側にイオン感応膜１０が設けられるため、複数のトランジスタを制御する周辺回路７０の形成が容易となる。
なお、図１１では、複数のトランジスタが１列に接続される場合を例に説明したが、複数のトランジスタを複数列設けて、２次元的な電荷の分布と、電荷の量を測定する電気化学センサを形成することも可能である。
以上、第１乃至第９の実施形態では、ｐＨセンサ、酵素センサを電気化学センサの一例として説明したが、本発明の電気化学センサは、ｐＨセンサ又は酵素センサに限られるものではない。例えば、血糖値センサ、細胞センサ、ガスセンサ等、種々の電気化学センサに本発明を適用することが可能である。
また、第１乃至第９の実施形態では、第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型の場合を例に説明したが、第１導電型をｐ型、第２導電型をｎ型としても構わない。この場合、ＩＳＦＥＴは正孔をキャリアとするｐチャネル型トランジスタとなる。
なお、第３の実施形態では、第１の不純物領域と第２の不純物領域が、半導体層１２の裏面側に設けられないトランジスタについて、単体のＩＳＦＥＴの場合を記載したが、第３の実施形態のＩＳＦＥＴを２個直列接続して、第４の実施形態と同様に機能させることも可能である。更に、第８の実施形態や第９の実施形態のように２個直列接続したＩＳＦＥＴを複数接続して用いることも可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換え又は変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０ イオン感応膜（第１の絶縁膜）
１２ 半導体層
１２ａ ｎ型のソース領域、ソース領域（第１の不純物領域）
１２ｂ ｎ型のドレイン領域、第１のｎ型のドレイン領域（第２の不純物領域）
１２ｃ ｐ型のチャネル領域、第１のｐ型のチャネル領域（第３の不純物領域）
１２ｄ 第２のｎ型のドレイン領域（第４の不純物領域）
１２ｅ 第２のｐ型のチャネル領域（第５の不純物領域）
１４ トンネル絶縁膜（第３の絶縁膜）
１５ 第１のトンネル絶縁膜（第４の絶縁膜）
１６ フローティングゲート電極（電荷蓄積層）
１７ 第１のフローティングゲート電極（第１の電荷蓄積層）
１８ ブロック絶縁膜（第２の絶縁膜）
１９ 第１のブロック絶縁膜（第２の絶縁膜）
２０ 参照電極（電極）
２１ 第１の参照電極（第１の電極）
３６ 電荷蓄積絶縁膜（電荷蓄積層）
３７ 第１の電荷蓄積絶縁膜（第１の電荷蓄積層）
４４ 第２のトンネル絶縁膜（第５の絶縁膜）
４６ 第２のフローティングゲート電極（第２の電荷蓄積層）
４８ 第２のブロック絶縁膜（第３の絶縁膜）
５０ 第２の参照電極（第２の電極）
６６ 第２の電荷蓄積絶縁膜（第２の電荷蓄積層）
１２ 半導体層
１２ａ ｎ型のソース領域、ソース領域（第１の不純物領域）
１２ｂ ｎ型のドレイン領域、第１のｎ型のドレイン領域（第２の不純物領域）
１２ｃ ｐ型のチャネル領域、第１のｐ型のチャネル領域（第３の不純物領域）
１２ｄ 第２のｎ型のドレイン領域（第４の不純物領域）
１２ｅ 第２のｐ型のチャネル領域（第５の不純物領域）
１４ トンネル絶縁膜（第３の絶縁膜）
１５ 第１のトンネル絶縁膜（第４の絶縁膜）
１６ フローティングゲート電極（電荷蓄積層）
１７ 第１のフローティングゲート電極（第１の電荷蓄積層）
１８ ブロック絶縁膜（第２の絶縁膜）
１９ 第１のブロック絶縁膜（第２の絶縁膜）
２０ 参照電極（電極）
２１ 第１の参照電極（第１の電極）
３６ 電荷蓄積絶縁膜（電荷蓄積層）
３７ 第１の電荷蓄積絶縁膜（第１の電荷蓄積層）
４４ 第２のトンネル絶縁膜（第５の絶縁膜）
４６ 第２のフローティングゲート電極（第２の電荷蓄積層）
４８ 第２のブロック絶縁膜（第３の絶縁膜）
５０ 第２の参照電極（第２の電極）
６６ 第２の電荷蓄積絶縁膜（第２の電荷蓄積層）
Claims (17)
- 第１の絶縁膜と、
電極と、
前記第１の絶縁膜と前記電極との間に設けられた半導体層と、
前記電極と前記半導体層との間に設けられた電荷蓄積層と、
を備える電気化学センサ。 - 前記第１の絶縁膜はイオン感応膜である請求項１記載の電気化学センサ。
- 前記半導体層が、第１導電型の第１の不純物領域、第１導電型の第２の不純物領域、前記第１の不純物領域と前記第２の不純物領域との間に設けられた第２導電型の第３の不純物領域を有し、
前記第３の不純物領域が前記第１の絶縁膜と前記電荷蓄積層との間に設けられた請求項１又は請求項２記載の電気化学センサ。 - 前記電荷蓄積層は導電膜である請求項１乃至請求項３いずれか一項記載の電気化学センサ。
- 前記電荷蓄積層は絶縁膜である請求項１乃至請求項３いずれか一項記載の電気化学センサ。
- 前記電極と前記電荷蓄積層との間に設けられた第２の絶縁膜を、更に備える請求項１乃至請求項５いずれか一項記載の電気化学センサ。
- 前記半導体層と前記電荷蓄積層との間に設けられた第３の絶縁膜を、更に備える請求項１乃至請求項６いずれか一項記載の電気化学センサ。
- 第１の絶縁膜と、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の絶縁膜と前記第１の電極及び前記第２の電極との間に設けられた半導体層と、
前記第１の電極と前記半導体層との間に設けられた第１の電荷蓄積層と、
前記第２の電極と前記半導体層との間に設けられた第２の電荷蓄積層と、
を備える電気化学センサ。 - 前記第１の絶縁膜はイオン感応膜である請求項８記載の電気化学センサ。
- 前記半導体層が、第１導電型の第１の不純物領域、第１導電型の第２の不純物領域、前記第１の不純物領域と前記第２の不純物領域との間に設けられた第２導電型の第３不純物領域、第１導電型の第４の不純物領域、前記第２の不純物領域と前記第４の不純物領域との間に設けられた第２導電型の第５の不純物領域、を有し、
前記第３の不純物領域が前記第１の絶縁膜と前記第１の電荷蓄積層との間に設けられ、前記第５の不純物領域が前記第１の絶縁膜と前記第２の電荷蓄積層との間に設けられた請求項８又は請求項９記載の電気化学センサ。 - 前記半導体層が、第１導電型の第１の不純物領域、第１導電型の第２の不純物領域、前記第１の不純物領域と前記第２の不純物領域との間に設けられた第２導電型の第３不純物領域、を有し、
前記第３の不純物領域が前記第１の絶縁膜と前記第１の電荷蓄積層との間、及び、前記第１の絶縁膜と前記第２の電荷蓄積層との間に設けられた請求項８又は請求項９記載の電気化学センサ。 - 前記第１の電荷蓄積層及び前記第２の電荷蓄積層は導電膜である請求項８乃至請求項１１いずれか一項記載の電気化学センサ。
- 前記第１の電荷蓄積層及び前記第２の電荷蓄積層は絶縁膜である請求項８乃至請求項１１いずれか一項記載の電気化学センサ。
- 前記第１の電極と前記第１の電荷蓄積層との間に設けられた第２の絶縁膜と、
前記第２の電極と前記第２の電荷蓄積層との間に設けられた第３の絶縁膜とを、
更に備える請求項８乃至請求項１３いずれか一項記載の電気化学センサ。 - 前記半導体層と前記第１の電荷蓄積層との間に設けられた第４の絶縁膜と、
前記半導体層と前記第２の電荷蓄積層との間に設けられた第５の絶縁膜とを、
更に備える請求項８乃至請求項１４いずれか一項記載の電気化学センサ。 - 前記第１の電極と前記第２の電極とが電気的に分離された請求項８乃至請求項１５いずれか一項記載の電気化学センサ。
- 前記第１の電極と前記第２の電極とが電気的に接続された請求項８乃至請求項１５いずれか一項記載の電気化学センサ。
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2016
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