JP2022095481A - イオンセンサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高精度にイオン濃度を測定できるイオンセンサを実現する。【解決手段】イオンセンサ装置は、第１電界効果トランジスタと、第２電界効果トランジスタと、被検液に直接接触している 参照電極と、第１イオン感応膜と、第２イオン感応膜と、を含む。第１電界効果トランジスタ及び第２電界効果トランジスタは、それぞれ、ボトムゲート電極と、ボトムゲート絶縁膜と、トップゲート絶縁膜と、を含む。第１イオン感応膜及び前記第２イオン感応膜の接液材料は、同一である。第１電界効果トランジスタ及び第１イオン感応膜の組み合わせの感応度は、第２電界効果トランジスタ及び第２イオン感応膜の組み合わせの感応度より高い。【選択図】図３
Description
本開示はイオンセンサ装置に関する。
被検液内の特定イオンに選択的に応答し、その濃度に対応する電極電位を発生させるイオンセンサが、化学、生物及び医学等の様々な分野で利用されている。例えば、特許文献１は、液絡型のイオン電極及び参照電極を用いない構造として、ＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の差動動作を用いた全固体型のイオンセンサを開示している。
特許文献１が開示するイオンセンサは、イオン感応ＩＳＦＥＴとイオン不感応ＦＥＴの差動動作により、イオン濃度を検出する。このイオンセンサは、感度が（５９－α）ｍＶ／ｐＨに比例する全固体イオンセンサである。αは、イオン不感応膜が有する感度であり、理想的にはゼロである。しかし、完全なイオン不感応膜を形成することは技術的に非常に困難であり、このイオンセンサの感度を規定するαは、イオン不感応膜の不確定性を示す。つまり、この従来のイオンセンサの感度は、不確定なイオン不感応膜感度αに依存する。
また、被検液に接するイオン感応膜とイオン不感応膜はお互いに異なる材料であるため、両者のイオン選択性やドリフト傾向が異なり、精度の高い測定が難しい。例えば、水素イオン感応膜は水素イオンには感応するがナトリウムイオンには感応しない、水素イオン不感応膜は水素イオンには感応しないがナトリウムイオンには感応する、という性質を持っていた場合、被検液の水素イオン濃度とナトリウムイオン濃度が同時に変化すると、本来測定したい水素イオン濃度の変化を正しく測定できない。これは、水素イオン不感応膜がナトリウムイオン濃度の変化に応答してしまうためである。
本開示の一態様に係るイオンセンサ装置は、第１電界効果トランジスタと、第２電界効果トランジスタと、被検液に直接接触している参照電極と、第１イオン感応膜と、第２イオン感応膜と、を含む。前記第１電界効果トランジスタ及び前記第２電界効果トランジスタは、それぞれ、半導体膜と、ボトムゲート電極と、前記ボトムゲート電極と前記半導体膜との間のボトムゲート絶縁膜と、トップゲート絶縁膜と、を含む。前記第１イオン感応膜は、前記被検液と直接接触し、前記被検液のイオン濃度に応じた前記第１電界効果トランジスタの前記半導体膜に対するトップゲート電位を生成する。前記第２イオン感応膜は、前記被検液と直接接触し、前記被検液のイオン濃度に応じた前記第２電界効果トランジスタの前記半導体膜に対するトップゲート電位を生成する。前記参照電極の電位は、前記第１電界効果トランジスタ及び前記第２電界効果トランジスタの前記半導体膜のソース／ドレインに与えられる。前記第１イオン感応膜及び前記第２イオン感応膜の接液材料は、同一である。前記第１電界効果トランジスタ及び前記第１イオン感応膜の組み合わせの感応度は、前記第２電界効果トランジスタ及び前記第２イオン感応膜の組み合わせの感応度より高い。
本開示の一態様によれば、高精度にイオン濃度を測定できるイオンセンサを実現できる。
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。本実施形態は本開示を実現するための一例に過ぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。
特定イオン種の濃度を測定するイオンセンサ装置は、様々な分野、例えば、バイオテクノロジや医療分野等で利用されている。イオン感応ＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）とイオン不感応ＦＥＴの差動動作により、イオン濃度を検出するイオンセンサ装置が知られている。しかし、完全なイオン不感応膜を形成することは技術的に非常に困難であり、このイオンセンサ装置の感度はｍ不確定なイオン不感応膜感度αに依存する。
また、被検液に接するイオン感応膜とイオン不感応膜はお互いに異なる材料であるため、両者のイオン選択性やドリフト傾向が異なり、精度の高い測定が難しい。例えば、水素イオン感応膜は水素イオンには感応するがナトリウムイオンには感応しない、水素イオン不感応膜は水素イオンには感応しないがナトリウムイオンには感応する、という性質を持っていた場合、被検液の水素イオン濃度とナトリウムイオン濃度が同時に変化すると、本来測定したい水素イオン濃度の変化を正しく測定できない。
本明細書の一実施形態に係るイオンセンサ装置は、二つの電界効果トランジスタと、二つの電界効果トランジスタそれぞれに対応する接液材料が同一のイオン感応膜とを含む。イオン感応膜は、単層構造又は積層構造を有することができる。二つのイオン感応膜は、被検液に接する部分のイオン感応膜の材料（接液材料）が同一である。
例えば、一方の電界効果トランジスタに対応するイオン感応膜は、酸化タンタルの単層で構成され、もう一方の電界効果トランジスタに対応するイオン感応膜は、酸化タンタルの接液層と酸化シリコンの下層で構成することができる。この場合、いずれのイオン感応膜においても、被検液と接する部分は酸化タンタルである。被検液に接する部分のイオン感応膜は、測定したいイオン種に応じて適宜選択することができる。電界効果トランジスタは、ボトムゲート及びトップゲートを含むダブルゲート構造を有する。イオン感応膜は、被検体のイオン濃度に応じたトップゲート電位を対応する電界効果トランジスタに与える。
一方の電界効果トランジスタと対応するイオン感応膜とを含むデバイスのイオン濃度測定の感度と、他方の電界効果トランジスタと対応するイオン感応膜とを含むデバイスのイオン濃度測定の感度とは異なる。このように異なる感度のデバイスを使用することで、高精度にイオン濃度を測定できるイオンセンサ装置を実現することができる。
［イオンセンサ装置の全体構成］
図１は、本明細書の一実施形態のイオンセンサ装置の全体構成の例を模式的に示す。イオンセンサ装置１０は、イオンセンサ基板１２０及びイオンセンサ基板１２０を駆動する駆動回路モジュール１００を含む。駆動回路モジュール１００は、差動増幅回路１０３を含む。
図１は、本明細書の一実施形態のイオンセンサ装置の全体構成の例を模式的に示す。イオンセンサ装置１０は、イオンセンサ基板１２０及びイオンセンサ基板１２０を駆動する駆動回路モジュール１００を含む。駆動回路モジュール１００は、差動増幅回路１０３を含む。
イオンセンサ基板１２０は、ガラス又は樹脂で形成された可撓性又は不撓性の絶縁基板１２１を含む。高感応ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１２３及び低感応ＴＦＴ１２５が、絶縁基板１２１上に配置されている。高感応ＴＦＦ１２３及び低感応ＴＦＴ１２５は、それぞれ、被検液１４１の特定のイオンの濃度に応じた信号を駆動回路モジュールに出力する。高感応ＴＦＴ１２３の特定イオンに対する感度は、低感応ＴＦＴ１２５の感度より高い。
高感応ＴＦＴ１２３及び低感応ＴＦＴ１２５は、保護膜１３３により覆われている。後述するように、高感応ＴＦＦ１２３及び低感応ＴＦＴ１２５は、それぞれダブルゲート構造を有しており、活性半導体膜の下層に配置されたボトムゲートと、活性半導体膜の上層に配置されたトップゲート電極とを含む。
延長ゲート電極１２７は、高感応ＴＦＴ１２３のトップゲート電極及びトップゲート電極から延びている延在部を含み、絶縁基板１２１上で、保護膜１３３の外側まで延びている。延長ゲート電極１２９は、低感応ＴＦＴ１２５のトップゲート電極及びトップゲート電極から延びている延在部を含み、絶縁基板１２１上で、保護膜１３３の外側まで延びている。延長ゲート電極１２７及び１２９の保護膜１３３から露出している先端部は、それぞれ、イオン感応膜（単に感応膜とも呼ぶ）１３５及び１３７で覆われている。イオン感応膜１３５、１３７の最表面（接液面）は、同一材料で構成されている。
例えば、高感応ＴＦＴ１２３及び低感応ＴＦＴ１２５のソースは電気的に接続されており、さらに、それらのソースに金属参照電極１３１が電気的に接続されている。これらは同電位である。金属参照電極１３１は、高感応ＴＦＴ１２３及び低感応ＴＦＴ１２５のソースから、保護膜１３３の外側まで延びており、その先端部は露出している。
保護膜１３３の外側において、金属参照電極１３１、延長ゲート電極１２７の感応膜１３５、及び延長ゲート電極１２９の感応膜１３７が、被検液１４１と接触している。金属参照電極１３１の電位が、高感応ＴＦＴ１２３及び低感応ＴＦＴ１２５のソースに与えられる。感応膜１３５による電位が、延長ゲート電極１２７、つまり、高感応ＴＦＴ１２３のトップゲートに与えられる。感応膜１３７による電位が、延長ゲート電極１２９、つまり、低感応ＴＦＴ１２５のトップゲートに与えられる。
高感応ＴＦＴ１２３及び低感応ＴＦＴ１２５は、それぞれ、被検液１４１の特定のイオン濃度に対応した検出信号を、伝送線１１１及び１１３を介して、駆動回路モジュール１００に出力する。後述するように、高感応ＴＦＴ１２３及び低感応ＴＦＴ１２５のボトムゲート電位が検出信号である。
駆動回路モジュール１００の差動増幅回路１０３は、高感応ＴＦＴ１２３及び低感応ＴＦＴ１２５の検出信号の差を出力する。駆動回路モジュール１００は、差動増幅回路１０３の出力に基づき、イオン濃度を示す測定信号を出力する。
図１に示す構成例は、イオン濃度を測定するためのＴＦＴ１２３、１２５が絶縁基板１２１上に配置されており、それらを被検液１４１の近くに配置することができる。また、ＴＦＴ１２３、１２５は、保護膜１３３で覆われているため、イオンセンサ基板１２０の信頼性を高めることができる。なお、ＴＦＴと異なる電界効果トランジスタの例として、シリコン基板上のＭＯＳＦＥＴが使用されてもよい。この点は、以下に説明する二つのＴＦＴの構成例について同様である。
図２は、本明細書の一実施形態のイオンセンサ装置の全体構成の他の例を模式的に示す。図１に示す構成例は、絶縁基板上１２１の二つのＴＦＴ１２３、１２５を含む。一方、図２に示すイオンセンサ装置２０は、駆動回路モジュール２００内に、イオン測定のための二つのＴＦＴ２２３、２２５を含む。
イオンセンサ装置２０は、イオンセンサ基板２２０及びイオンセンサ基板２２０を駆動する駆動回路モジュール２００を含む。駆動回路モジュール２００は、差動増幅回路２０３を含む。
イオンセンサ基板２２０は、ガラス又は樹脂で形成された可撓性又は不撓性の絶縁基板２２１を含む。電極２２７及び２２９並びに金属参照電極２３１が、絶縁基板２２１上に配置されている。電極２２７及び２２９の一部は保護膜２３３に覆われ、他の一部は保護膜２２３の外側に露出している。同様に、金属参照電極２３１の一部は保護膜２３３に覆われ、他の一部は保護膜２２３の外側に露出している。電極２２７及び２２９の保護膜２３３から露出している先端部は、それぞれ、イオン感応膜２３５及び２３７で覆われている。イオン感応膜２３５及び２３７は、同一材料で構成されている。
高感応ＴＦＦ２２３及び低感応ＴＦＴ２２５が、駆動回路モジュール２００の基板上に配置されている。高感応ＴＦＦ２２３及び低感応ＴＦＴ２２５は、それぞれ、被検液１４１の特定のイオンの濃度に応じた信号を、駆動回路モジュール２００内の差動増幅回路２０３に出力する。高感応ＴＦＦ２２３の感度は、低感応ＴＦＴ２２５の感度より高い。
後述するように、高感応ＴＦＦ２２３及び低感応ＴＦＴ２２５は、それぞれダブルゲート構造を有しており、活性半導体膜の下層に配置されたボトムゲートと、活性半導体膜の上層に配置されたトップゲート電極とを含む。
電極２２７は、配線２１１を介して、高感応ＴＦＦ２２３のトップゲート電極に電気的に接続されている。これらは同電位である。電極２２９は、配線２１３を介して、低感応ＴＦＦ２２５のトップゲート電極に電気的に接続されている。これらは同電位である。
例えば、高感応ＴＦＴ２２３及び低感応ＴＦＴ２２５のソースは電気的に接続されており、さらに、それらのソースに、金属参照電極２３１は、配線２１２を介して電気的に接続されている。これらは同電位である。
保護膜２３３の外側において、金属参照電極２３１、電極２２７の感応膜２３５、及び電極２２９の感応膜２３７が、被検液２４１と接触している。金属参照電極２３１の電位が、高感応ＴＦＴ２２３及び低感応ＴＦＴ２２５のソースに与えられる。感応膜２３５による電位が、電極２２７、つまり、高感応ＴＦＴ２２３のトップゲートに与えられる。感応膜２３７による電位が、電極２２９、つまり、低感応ＴＦＴ２２５のトップゲートに与えられる。
高感応ＴＦＴ２２３及び低感応ＴＦＴ２２５は、それぞれ、被検液２４１の特定のイオン濃度に対応した検出信号を、差動増幅回路２０３に出力する。後述するように、高感応ＴＦＴ２２３及び低感応ＴＦＴ２２５のボトムゲート電位が検出信号である。
差動増幅回路２０３は、高感応ＴＦＴ２２３及び低感応ＴＦＴ２２５の検出信号の差を出力する。駆動回路モジュール２００は、差動増幅回路２０３の出力に基づき、イオン濃度を示す測定信号を出力する。
［センサＴＦＴペアの構成］
図３は、被検液の特定イオンの濃度を測定するための二つのＴＦＴ（センサＴＦＴペアとも呼ぶ）の構造例を模式的に示す断面図である。図４は、それら二つのＴＦＴの構造例を模式的に示す平面図である。図３及び４に示す構成例は、図１に示す構成例のように、保護膜に覆われた絶縁基板上の二つのＴＦＴと、それらから延びる延長ゲート電極とを含む。
図３は、被検液の特定イオンの濃度を測定するための二つのＴＦＴ（センサＴＦＴペアとも呼ぶ）の構造例を模式的に示す断面図である。図４は、それら二つのＴＦＴの構造例を模式的に示す平面図である。図３及び４に示す構成例は、図１に示す構成例のように、保護膜に覆われた絶縁基板上の二つのＴＦＴと、それらから延びる延長ゲート電極とを含む。
絶縁基板３０１上に、高感応ＴＦＴ３１０及び低感応ＴＦＴ３３０が配置されている。高感応ＴＦＴ３１０の被検液３７１内の特定イオンに対する感度は相対的に高く、低感応ＴＦＴ３３０の被検液３７１内の特定イオンに対する感度は相対的に低い。
高感応ＴＦＴ３１０は、絶縁基板３０１上のボトムゲート電極３１１と、ボトムゲート電極３１１より上層の酸化物半導体膜３１２とを含む。平面視において（基板法線に沿って見て）、ボトムゲート電極３１１は、酸化物半導体膜３１２と重なっている。ボトムゲート絶縁層３０２の一部が、ボトムゲート電極３１１と酸化物半導体膜３１２との間に存在する。ボトムゲート絶縁層３０２は、ボトムゲート電極３１１と酸化物半導体膜３１２それぞれと直接接触している。
ボトムゲート電極３１１の材料として、例えば、タンタル、モリブデン、タングステン、アルミニウム等を使用することができる。ボトムゲート絶縁層３０２は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコン、あるいはそれらを複数積層した複合膜で形成される。酸化物半導体の例は、非晶質ＩｎＧａＺｎＯ（ａ－ＩｎＧａＺｎＯ）や微結晶ＩｎＧａＺｎＯである。この他、ａ－ＩｎＳｎＺｎＯ、ａ－ＩｎＧａＺｎＳｎＯ、ＺｎＯ等の酸化物半導体を使用することができる。なお、酸化物半導体に代えて、アモルファスシリコンやポリシリコンを使用してもよい。
高感応ＴＦＴ３１０は、酸化物半導体膜３１２の両端それぞれに直接に接触するソース電極３１３及びドレイン電極３１４を含む。酸化物半導体膜３１２の一部は、ソース電極３１３とドレイン電極３１４との間のスペースから露出している。ソース電極３１３とドレイン電極３１４の材料として、ボトムゲート電極３１１と同様の材料を使用できる。
トップゲート絶縁層３１５は、酸化物半導体膜３１２、ソース電極３１３及びドレイン電極３１４を覆う。さらに、延長トップゲート電極３１６が、トップゲート絶縁層３１５上に配置されている。トップゲート絶縁層３１５は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物又はこれらの積層で構成することができる。延長トップゲート電極３１６は、例えば、アルミニウム、モリブデン、チタン、タンタル、タングステン、銅、クロム等で形成できる。
延長トップゲート電極３１６の一部は高感応ＴＦＴ３１０のトップゲート電極を構成し、図４に示すように、平面視において、ソース電極３１３とドレイン電極３１４との間のスペースから露出している部分を含む、酸化物半導体膜３１２の一部と重なっている。トップゲート絶縁層３１５において、高感応ＴＦＴ３１０のトップゲート電極と酸化物半導体膜３１２との間の部分は、高感応ＴＦＴ３１０のトップゲート絶縁膜を構成する。
保護膜３５１は、図４に示すように、高感応ＴＦＴ３１０の全体を覆うように形成されている。保護膜３５１は、例えば、エポキシ樹脂で形成することができる。保護膜３５１は、延長トップゲート電極３１６の一部及びトップゲート絶縁層３１５と接触している。感応膜３１７は、延長トップゲート電極３１６の保護膜３５１の外側の部分（保護膜３５１から露出している部分）上に、直接配置されている。
感応膜３１７は、被検液３７１に対して露出しており、直接接触している。感応膜３１７は、有機材料又は無機材料で形成される。感応膜３１７は特定のイオンに反応し、被検液３７１と感応膜３１７との界面に電気二重層が形成される。電気二重層は、延長トップゲート電極３１６を介して、酸化物半導体膜３１２のチャネルの界面電位を変化させる。電気二重層による電位変化は、被検液３７１のイオン濃度に依存する。
低感応ＴＦＴ３３０は、絶縁基板３０１上のボトムゲート電極３３１と、ボトムゲート電極３３１より上層の酸化物半導体膜３３２とを含む。平面視において、ボトムゲート電極３３１は、酸化物半導体膜３３２と重なっている。ボトムゲート絶縁層３０２の一部が、ボトムゲート電極３３１と酸化物半導体膜３３２との間に存在する。ボトムゲート絶縁層３０２は、ボトムゲート電極３３１と酸化物半導体膜３３２それぞれと直接接触している。ボトムゲート電極３３１の材料は、ボトムゲート電極３１１の材料と同様でよい。酸化物半導体膜３３２の材料は、酸化物半導体膜３１２の材料と同様でよい。
低感応ＴＦＴ３３０は、酸化物半導体膜３３２の両端それぞれに直接に接触するソース電極３３３及びドレイン電極３３４を含む。酸化物半導体膜３３２の一部は、ソース電極３３３とドレイン電極３３４との間のスペースから露出している。ソース電極３３３、ドレイン電極３３４の材料は、ソース電極３１３、ドレイン電極３１４の材料と同様でよい。
トップゲート絶縁層３３５は、酸化物半導体膜３３２、ソース電極３３３及びドレイン電極３３４を覆う。さらに、延長トップゲート電極３３６が、トップゲート絶縁層３３５上に配置されている。図３及び４に示す構成例において、トップゲート絶縁層３３５の材料は、高感応ＴＦＴ３１０のトップゲート絶縁層３１５の材料と同様である。トップゲート絶縁層３３５の厚みは、高感応ＴＦＴ３１０のトップゲート絶縁層３１５の厚みより大きい。延長トップゲート電極３３６の材料は、延長トップゲート電極３１６と同様でよい。
延長トップゲート電極３３６の一部は低感応ＴＦＴ３３０のトップゲート電極を構成し、図４に示すように、平面視において、ソース電極３３３とドレイン電極３３４との間のスペースから露出している部分を含む、酸化物半導体膜３３２の一部と重なっている。トップゲート絶縁層３３５において、低感応ＴＦＴ３３０のトップゲート電極と酸化物半導体膜３３２との間の部分は、低感応ＴＦＴ３３０のトップゲート絶縁膜を構成する。
保護膜３５３は、図４に示すように、低感応ＴＦＴ３３０の全体を覆うように形成されている。保護膜３５３の材料は、保護膜３５１の材料と同じでよい。保護膜３５３は、延長トップゲート電極３３６の一部及びトップゲート絶縁層３３５と接触している。保護膜３５１、３５３は、分離された異なる膜でもよく、一つの連続した膜の一部でもよい。
感応膜３３７は、延長トップゲート電極３３６の保護膜３５３の外側の部分（保護膜３５３から露出している部分）上に、直接配置されている。感応膜３３７は、被検液３７１に対して露出しており、直接接触している。感応膜３３７の材料は、感応膜３１７の材料と同一である。図３の構成例において、感応膜３３７と感応膜３１７の厚みは同一である。
感応膜３３７は、被検液３７１に対して露出しており、直接接触している。感応膜３３７は特定のイオンに反応し、被検液３７１と感応膜３３７との界面に電気二重層が形成される。電気二重層は、延長トップゲート電極３３６を介して、酸化物半導体膜３３２のチャネルの界面電位を変化させる。電気二重層による電位変化は、被検液３７１のイオン濃度に依存する。
高感応ＴＦＴのソース電極３１３及び低感応ＴＦＴのソース電極３３３は、金属参照電極３０５により電気的に接続されており、それらは同電位である。金属参照電極３０５は、例えば、金又はプラチナで形成できる。
金属参照電極３０５は、トップゲート絶縁層３１５内のコンタクトホールを介して、高感応ＴＦＴのソース電極３１３に直接接触している。金属参照電極３０５は、トップゲート絶縁層３３５内のコンタクトホールを介して、低感応ＴＦＴのソース電極３３３に直接接触している。図３の構成例において、金属参照電極３０５の一部は保護膜３５１及び３５３から被検液３７１に対して露出しており、被検液３７１に直接接触している。
高感応ＴＦＴ３１０及び低感応ＴＦＴ３３０は、それぞれトップゲート電極及びボトムゲート電極を含む。これらのイオン濃度検出の感度は、ボトムゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量ＢＣとトップゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量ＴＣの比に依存する。トップゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量ＴＣのボトムゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量ＢＣの比の値（ＴＣ／ＢＣ）が大きい程、感度が高くなる。ＴＦＴの感度を高めるため、例えば、トップゲート絶縁膜の静電容量ＴＣは、ボトムゲート絶縁膜の静電容量ＢＣより大きい。
図３の構成例において、トップゲート絶縁層３１５は、トップゲート絶縁層３３５より薄く、これらの材料は同一である。したがって、高感応ＴＦＴ３１０のトップゲート絶縁膜の静電容量は、低感応ＴＦＴ３３０のトップゲート絶縁膜の静電容量より大きい。高感応ＴＦＴ３１０と低感応ＴＦＴ３３０のボトムゲート絶縁膜の静電容量は同一である。そのため、高感応ＴＦＴ３１０の感度は、低感応ＴＦＴ３３０の感度より高い。
図３及び４を参照して説明した構成において、第１電界効果トランジスタである高感応ＴＦＴ３１０のトップゲート絶縁膜は、第２電界効果トランジスタでる低感応ＴＦＴ３３０のトップゲート絶縁膜より薄い。これにより、高感応ＴＦＴ３１０と第１イオン感応膜である感応膜３１７の組み合わせの感度は、低感応ＴＦＴ３３０と第２イオン感応膜であるイオン感応膜３３７の組み合わせの感度より高くなっている。
［センサＴＦＴペアの駆動］
図５は、高感応ＴＦＴ３１０からのセンシング信号と低感応ＴＦＴ３３０からのセンシング信号から、被検液３７１における特定イオンのイオン濃度を測定するための回路構成例を示す。図５は回路構成の一例を示すに過ぎず、他の回路構成が採用されてもよい。
図５は、高感応ＴＦＴ３１０からのセンシング信号と低感応ＴＦＴ３３０からのセンシング信号から、被検液３７１における特定イオンのイオン濃度を測定するための回路構成例を示す。図５は回路構成の一例を示すに過ぎず、他の回路構成が採用されてもよい。
駆動回路モジュール５００は、マイクロプロセッサ（ＭＰ）５２１、５２３、定電圧発生回路５０１、電流電圧変換回路５１１、５１３、及び差動増幅回路５２７を含む。定電圧発生回路５０１が生成した定電圧は、高感応ＴＦＴ３１０及び低感応ＴＦＴ３３０それぞれの、ソースとドレインとの間に与えられる。
電流電圧変換回路５１１は、高感応ＴＦＴ３１０のソースとドレインとの間を流れる電流Ｉ１を電圧として検出する。マイクロプロセッサ５２１は、電流電圧変換回路５１１にて検出した電圧が一定となる、つまり、高感応ＴＦＴ３１０のドレイン電流が一定となるように、高感応ＴＦＴ３１０のボトムゲート電位（ボトムゲートとソースと間の電圧）を制御する。
電流電圧変換回路５１３は、低感応ＴＦＴ３３０のソースとドレインとの間を流れる電流Ｉ２を電圧として検出する。マイクロプロセッサ５２３は、電流電圧変換回路５１３にて検出した電圧が一定となる、つまり、低感応ＴＦＴ３３０のドレイン電流が一定となるように、低感応ＴＦＴ３３０のボトムゲート電位（ボトムゲートとソースと間の電圧）を制御する。
高感応ＴＦＴ３１０のボトムゲート電位と、低感応ＴＦＴ３３０のボトムゲート電位とが、差動増幅回路５２７に入力される。差動増幅回路５２７は、高感応ＴＦＴ３１０のボトムゲート電位と低感応ＴＦＴ３３０のボトムゲート電位との差に応じた電圧（電位）Ｖｏを出力する。電圧Ｖｏは、被検液３７１のイオン濃度に応じて変化する。本構成例のイオンセンサの感度は、高感応ＴＦＴ３１０と低感応ＴＦＴ３３０の感度の差に比例する。
図６は、トップゲート絶縁膜とボトムゲート絶縁膜の静電容量比（ＴＣ／ＢＣ）が異なるＴＦＴの、被検液のｐＨとゲート－ソース間電圧Ｖｇｓとの関係の測定結果の例を示す。ｐＨは特定イオンの濃度を表す。図５のグラフは、４３ｍＶ／ｐＨ、１８０ｍＶ／ｐＨ、１８５ｍＶ／ｐＨ、２７０ｍＶ／ｐＨ、及び６１０ｍＶ／ｐＨのＴＦＴの測定結果を示す。
図６に示されるように、トップゲート絶縁膜とボトムゲート絶縁膜の静電容量比に依存するＴＦＴの感度は、高い線形性を示す。そのため、図５を参照して説明したように異なる感度のＴＦＴの出力の差を測定することにより、高い精度でイオン濃度を測定することが可能である。
［センサＴＦＴペアの他の構成例］
以下において、センサＴＦＴペアの異なる構成例を説明する。図７は、センサＴＦＴペアの構成例を示す。以下においては、図３に示す構成例との相違点を主に説明する。図３に示す構成例と比較して、感応膜３１７、３３７、保護膜３５１、３５３、延長トップゲート電極３１６、３３６が省略されている。さらに、図３に示す構成例のトップゲート絶縁層３１５、３３５に代えて、トップゲート絶縁層４１５、４３５が配置されている。
以下において、センサＴＦＴペアの異なる構成例を説明する。図７は、センサＴＦＴペアの構成例を示す。以下においては、図３に示す構成例との相違点を主に説明する。図３に示す構成例と比較して、感応膜３１７、３３７、保護膜３５１、３５３、延長トップゲート電極３１６、３３６が省略されている。さらに、図３に示す構成例のトップゲート絶縁層３１５、３３５に代えて、トップゲート絶縁層４１５、４３５が配置されている。
トップゲート絶縁層４１５、４３５は、被検液３７１に直接接触しており、イオン感応膜としても機能する。トップゲート絶縁層４１５、４３５は、同一材料で形成されており、例えば、シリコン酸化物で形成することができる。トップゲート絶縁層４１５、４３５は異なる厚みを有し、トップゲート絶縁層４１５はトップゲート絶縁層４３５より薄い。そのため、図３に示す構成例と同様に、高感応ＴＦＴ４１０は、低感応ＴＦＴ４３０よりも高い感度を有する。
図７を参照して説明した構成において、第１電界効果トランジスタである高感応ＴＦＴ４１０のトップゲート絶縁膜は、トップゲート絶縁層４１５のイオン感応膜として機能する部分に含まれ、第２電界効果トランジスタである低感応ＴＦＴ４３０のトップゲート絶縁膜は、トップゲート絶縁層４３５のイオン感応膜として機能する部分に含まれている。トップゲート絶縁層４１５は、トップゲート絶縁層４３５より薄い。
図８は、センサＴＦＴペアの他の構成例を示す。以下においては、図３に示す構成例との相違点を主に説明する。図８の構成例は、図３に示す構成例のトップゲート絶縁層３１５、３３５に代えて、トップゲート絶縁層５１５、５３５を含む。トップゲート絶縁層５１５、５３５異なる材料で形成されており、それらの比誘電率は異なる。具体的には、トップゲート絶縁層５１５の比誘電率は、トップゲート絶縁層５３５の比誘電率より高い。例えば、高比誘電率の材料としてｈｉｇｈ－ｋ絶縁体を使用し、低誘電率材料としてシリコン酸化物やシリコン窒化物を使用することができる。ｈｉｇｈ－ｋ絶縁体の例としては、酸化タンタル、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウムなどを用いることができる。
高感応ＴＦＴ５１０のトップゲート絶縁膜は、トップゲート絶縁層５１５の一部であり、トップゲート電極と酸化物半導体膜３１２との間の部分である。低感応ＴＦＴ５３０のトップゲート絶縁膜は、トップゲート絶縁層５３５の一部であり、トップゲート電極と酸化物半導体膜３３２との間の部分である。図８の構成例において、高感応ＴＦＴ５１０のトップゲート絶縁膜の厚みは、低感応ＴＦＴ５３０のトップゲート絶縁膜の厚みと同一である。
トップゲート絶縁膜の比誘電率が高いことは、トップゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が大きいことを意味する。従って、高感応ＴＦＴ５１０の感度は、低感応ＴＦＴ５３０の感度よりも高い。
図８の構成例において、トップゲート絶縁層５３５は、二つのＴＦＴ５１０、５３０の間の領域において、突出部を含む。金属参照電極５０５は、この突出部を覆うように形成されている。
上述のように、図８の構成例において、第１電界効果トランジスタである高感応ＴＦＴ５１０のトップゲート絶縁膜の比誘電率は、第２電界効果トランジスタである低感応ＴＦＴ５３０のトップゲート絶縁膜の比誘電率より高い。高感応ＴＦＴ５１０と感応膜３１７との組み合わせの感度は、低感応ＴＦＴ５３０と感応膜３３７との組み合わせの感度より高い。
図３及び８を参照して説明したように、二つのＴＦＴのトップゲート絶縁膜の厚み又は比誘電率が異なることで、二つのＴＦＴの感度を異なるものとすることができる。二つのＴＦＴのトップゲート絶縁膜の厚み及び比誘電率の双方が異なっていてもよい。ＴＦＴの感度は、ボトムゲート絶縁膜とトップゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量の比に依存する。したがって、二つのＴＦＴのボトムゲート絶縁膜の特性を異なるものとすることで、二つのＴＦＴの感度を異なるものとしてもよい。
図９は、センサＴＦＴペアの他の構成例を示す。以下においては、図３に示す構成例との相違点を主に説明する。図９の構成例において、二つのセンサＴＦＴのための感応膜は、異なる厚みを有する。感応膜が厚くなるほど、センサＴＦＴと感応膜とからなるセンサデバイスの感度は低くなる。
図９の構成例において、ＴＦＴ６１０とＴＦＴ６３０は同様の構成を有しており、ＴＦＴ６１０のトップゲート電位を与える感応膜６１７は、ＴＦＴ６３０のトップゲート電位を与える感応膜６３７の厚みより薄い。感応膜６１７、６３７の材料は同一である。したがって、ＴＦＴ６１０及び感応膜６１７の組み合わせの感度は、ＴＦＴ６３０及び感応膜６３７の組み合わせの感度より高い。
図９の構成例において、ＴＦＴ６１０及び６３０のトップゲート絶縁膜は、同一のトップゲート絶縁層６２５に含まれている。したがって、ＴＦＴ６１０及び６３０のトップゲート絶縁膜の材料及び厚みは同一である。
図９の構成例において、ＴＦＴ６１０及び６３０のソース電極６１３及び６３３は、それぞれ、導体膜６２３の一部である。導体膜６２３の材料は、図３に示す構成例と同様でよい。金属参照電極６０５は、トップゲート絶縁層６２５に形成されたコンタクトホールを介して、導体膜６２３に電気的に接続されている。
上述のように、図９の構成例において、第１電界効果トランジスタであるＴＦＴ６１０と第１感応膜である感応膜６１７との組み合わせの感度は、第２電界効果トランジスタであるＴＦＴ６３０と第２感応膜である感応膜６３７との組み合わせの感度より高い。
図１０は、センサＴＦＴペアの他の構成例を示す。以下においては、図３に示す構成例との相違点を主に説明する。図１０に示す構成例において、図３に示す構成例から、延長トップゲート電極３１６、３３６が省略されている。二つのＴＦＴのチャネルは、感応膜と共に被検液３７１に浸漬される。
図１０に示す構成例において、感応膜７１７はトップゲート絶縁層３１５上に直接配置され、それらは直接接触している。感応膜７３７はトップゲート絶縁層３３５上に直接配置され、それらは直接接触している。平面視において、感応膜７１７は高感応ＴＦＴ７１０のチャネル領域を覆い、感応膜７３７は低感応ＴＦＴ７３０のチャネル領域を覆う。感応膜７１７、７３７は、対応するチャネル領域の一部とのみ平面視において重なっていてもよい。
感応膜７１７と被検液３７１との界面の電気二重層が、高感応ＴＦＴ７１０のトップゲート電位を与える。また、感応膜７３７と被検液３７１との界面の電気二重層が、低感応ＴＦＴ７３０のトップゲート電位を与える。図１０に示す構成例において、図３に示す構成例と同様に、高感応ＴＦＴ７１０のトップゲート絶縁膜は、低感応ＴＦＴ７３０のトップゲート絶縁膜より薄い。これにより、高感応ＴＦＴ７１０の感度を低感応ＴＦＴ７３０の感度より高くしている。図１０の構成例において、図９の構成例と同様に、ＴＦＴ７１０及び７３０のソース電極６１３及び６３３は、それぞれ、導体膜６２３の一部である。
図１１は、センサＴＦＴペアの他の構成例を示す。以下においては、図８に示す構成例との相違点を主に説明する。図１１に示す構成例において、図８に示す構成例から、延長トップゲート電極３１６、３３６が省略されている。二つのＴＦＴのチャネルは、感応膜と共に被検液３７１に浸漬される。
図１１に示す構成例において、感応膜７１７はトップゲート絶縁層５１５上に直接配置され、それらは直接接触している。感応膜７３７はトップゲート絶縁層５３５上に直接配置され、それらは直接接触している。平面視において、感応膜７１７は高感応ＴＦＴ８１０のチャネル領域を覆い、感応膜７３７は低感応ＴＦＴ８３０のチャネル領域を覆う。感応膜７１７、７３７は、対応するチャネル領域の一部とのみ平面視において重なっていてもよい。
感応膜７１７と被検液３７１との界面の電気二重層が、高感応ＴＦＴ８１０のトップゲート電位を与える。また、感応膜７３７と被検液３７１との界面の電気二重層が、低感応ＴＦＴ８３０のトップゲート電位を与える。図１１に示す構成例において、図８に示す構成例と同様に、高感応ＴＦＴ８１０のトップゲート絶縁膜の比誘電率は、低感応ＴＦＴ８３０のトップゲート絶縁膜の比誘電率より高い。これにより、高感応ＴＦＴ８１０の感度を低感応ＴＦＴ８３０の感度より高くしている。
図１１の構成例において、図９の構成例と同様に、ＴＦＴ８１０及び８３０のソース電極６１３及び６３３は、それぞれ、導体膜６２３の一部である。金属参照電極６０５は、トップゲート絶縁層５１５とトップゲート絶縁層５３５との境界に形成されているコンタクトホールを介して、導体膜６２３に電気的に接続されている。
図１２は、センサＴＦＴペアの他の構成例を示す。以下においては、図３に示す構成例との相違点を主に説明する。図１２に示す構成例において、図３に示す構成例から、金属参照電極３０５が省略されている。二つのＴＦＴ９１０、９３０のソース電極９１３、９３３は、導体膜９２３に含まれる。導体膜９２３の一部９０５が保護膜から被検液３７１に対して露出し、直接接触している。この導体膜９２３の一部９０５は、金属参照電極として機能する。導体膜９２３は、例えば、金又は白金で形成してもよい。このように、第１電界効果トランジスタであるＴＦＴ９１０及び第２電界効果トランジスタであるＴＦＴ９３０のソース／ドレイン電極は一つの導体膜９２３に含まれ、その導体膜９２３において被検液３７１に直接接触している部分が、参照電極として機能する。
図１２に示す構成例において、図３に示す構成例と同様に、高感応ＴＦＴ９１０のトップゲート絶縁膜は、低感応ＴＦＴ９３０のトップゲート絶縁膜より薄い。これにより、高感応ＴＦＴ９１０の感度を低感応ＴＦＴ９３０の感度より高くしている。
以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示が上記の実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、上記の実施形態の各要素を、本開示の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。
１０、２０ イオンセンサ装置、１００、２００、５００ 駆動回路モジュール、１０３、２０３、５２７ 差動増幅回路、１２０、２２０ イオンセンサ基板、１２１、２２１ 絶縁基板、１２３、２２３、３１０、４１０、５１０、７１０、８１０、９１０ 高感応ＴＦＴ、６１０、６３０ ＴＦＴ、１２５、２２５、３３０、４３０、５３０、７３０、８３０、９３０ 低感応ＴＦＴ、１２７、１２９ 延長ゲート電極、１３１、２３１、６０５ 金属参照電極、１３３、２２３、３５１、３５３ 保護膜、１３５、１３７、２３５、２３７、３１７、３３７、６１７、６３７、７１７、７３７ イオン感応膜、１４１、２４１、３７１ 被検液、２２７、２２９ 電極、３０１ 絶縁基板、３０２ ボトムゲート絶縁層、３０５、５０５ 金属参照電極、３１１、３３１ ボトムゲート電極、３１２、３３２ 酸化物半導体膜、３１３、３３３、６１３、９１３、９３３ ソース電極、３１４、３３４ ドレイン電極、３１５、３３５、４１５、４３５、５３５、６２５ トップゲート絶縁層、３１６、３３６ 延長トップゲート電極、５０１ 定電圧発生回路、５１１、５１３ 電流電圧変換回路、５１５、５３５ トップゲート絶縁層、５２１、５２３ マイクロプロセッサ、６２３、９２３ 導体膜
Claims (10)
- イオンセンサ装置であって、
第１電界効果トランジスタと、
第２電界効果トランジスタと、
被検液に直接接触している参照電極と、
第１イオン感応膜と、
第２イオン感応膜と、
を含み、
前記第１電界効果トランジスタ及び前記第２電界効果トランジスタは、それぞれ、
半導体膜と、
ボトムゲート電極と、
前記ボトムゲート電極と前記半導体膜との間のボトムゲート絶縁膜と、
トップゲート絶縁膜と、
を含み、
前記第１イオン感応膜は、前記被検液と直接接触し、前記被検液のイオン濃度に応じた前記第１電界効果トランジスタの前記半導体膜に対するトップゲート電位を生成し、
前記第２イオン感応膜は、前記被検液と直接接触し、前記被検液のイオン濃度に応じた前記第２電界効果トランジスタの前記半導体膜に対するトップゲート電位を生成し、
前記参照電極の電位は、前記第１電界効果トランジスタ及び前記第２電界効果トランジスタの前記半導体膜のソース／ドレインに与えられ、
前記第１イオン感応膜及び前記第２イオン感応膜の接液材料は、同一であり、
前記第１電界効果トランジスタ及び前記第１イオン感応膜の組み合わせの感応度は、前記第２電界効果トランジスタ及び前記第２イオン感応膜の組み合わせの感応度より高い、
イオンセンサ装置。 - 請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
前記第１電界効果トランジスタの単位面積当たりのトップゲート絶縁膜静電容量の単位面積当たりのボトムゲート絶縁膜静電容量に対する比の値は、前記第２電界効果トランジスタの単位面積当たりのトップゲート絶縁膜静電容量の単位面積当たりのボトムゲート絶縁膜静電容量に対する比の値、より大きい、
イオンセンサ装置。 - 請求項２に記載のイオンセンサ装置であって、
前記第１電界効果トランジスタの前記トップゲート絶縁膜は、前記第２電界効果トランジスタの前記トップゲート絶縁膜より薄い、
イオンセンサ装置。 - 請求項２に記載のイオンセンサ装置であって、
前記第１電界効果トランジスタのトップゲート絶縁膜は、前記第１イオン感応膜に含まれ、
前記第２電界効果トランジスタのトップゲート絶縁膜は、前記第２イオン感応膜に含まれ、
前記第１電界効果トランジスタのトップゲート絶縁膜は、前記第２電界効果トランジスタのトップゲート絶縁膜より薄い、
イオンセンサ装置。 - 請求項２に記載のイオンセンサ装置であって、
前記第１電界効果トランジスタのトップゲート絶縁膜の誘電率は、前記第２電界効果トランジスタのトップゲート絶縁膜の誘電率より高い、
イオンセンサ装置。 - 請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
前記第１イオン感応膜は、前記第２イオン感応膜より薄い、
イオンセンサ装置。 - 請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
前記第１電界効果トランジスタ及び前記第２電界効果トランジスタは、それぞれ、
トップゲート電極と、
前記トップゲート電極から延びる延長電極と、をさらに含み、
前記第１イオン感応膜は、前記第１電界効果トランジスタの延長電極上に直接接触して配置されており、
前記第２イオン感応膜は、前記第２電界効果トランジスタの延長電極上に直接接触して配置されている、
イオンセンサ装置。 - 請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
前記参照電極は、前記トップゲート絶縁膜を含む絶縁層上に形成され、
前記参照電極は、前記絶縁層のコンタクトホールを介して前記第１電界効果トランジスタ及び前記第２電界効果トランジスタのソース／ドレインに電気的に接続されている、
イオンセンサ装置。 - 請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
前記第１電界効果トランジスタ及び前記第２電界効果トランジスタのソース／ドレイン電極は、一つの導体膜に含まれ、
前記参照電極は、前記導体膜の一部であって、前記被検液に直接に接触している部分である、
イオンセンサ装置。 - 請求項１に記載のイオンセンサ装置であって、
さらに駆動回路を含み、
前記第１電界効果トランジスタのソース／ドレイン、前記第２電界効果トランジスタのソース／ドレイン、及び前記参照電極が同電位になるように、前記第１電界効果トランジスタ、前記第２電界効果トランジスタ及び前記参照電極が電気的に接続されており、
前記駆動回路は、
前記第１電界効果トランジスタのドレイン電流が一定になるように前記第１電界効果トランジスタのボトムゲート電位を制御し、
前記第２電界効果トランジスタのドレイン電流が一定になるように前記第２電界効果トランジスタのボトムゲート電位を制御し、
前記第１電界効果トランジスタのボトムゲート電位と前記第２電界効果トランジスタのボトムゲート電位との差を出力する、
イオンセンサ装置。
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