JP5273742B2 - 複合検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は複合検出装置に関する。この複合検出装置は例えば同一検出対象のｐＨと該検出対象からの光とを検出する。
同一の検出対象のｐＨ値と当該検出対象からの光を検出するための単一の検出装置が特許文献１に提案されている。
特許文献１に記載の複合検出装置は電荷転送型のｐＨ検出装置と同じく電荷転送型の光検出装置とを融合させた構成であるが、ｐＨ値の検出と光の検出とが時系列的に交互に行われている。即ち、ｐＨ値の検出時間と光の検出時間との間に僅かながらも差が生じている。
高いＳ/Ｎ比を確保するため、ｐＨ検出装置にはセンシング部の電荷を累積することが求められる。１回の電荷累積に要する時間を１ミリ秒とすると、１００回の累積を行えば０．１秒が必要になり、この間は光の検出をすることができない。
複合検出装置をマトリックス状に配置することにより、検出対象のｐＨ分布（ｐＨイメージ）や光分布（光イメージ）を測定することができる。
特許文献１に記載の複合検出装置は電荷転送型のｐＨ検出装置と同じく電荷転送型の光検出装置とを融合させた構成であるが、ｐＨ値の検出と光の検出とが時系列的に交互に行われている。即ち、ｐＨ値の検出時間と光の検出時間との間に僅かながらも差が生じている。
高いＳ/Ｎ比を確保するため、ｐＨ検出装置にはセンシング部の電荷を累積することが求められる。１回の電荷累積に要する時間を１ミリ秒とすると、１００回の累積を行えば０．１秒が必要になり、この間は光の検出をすることができない。
複合検出装置をマトリックス状に配置することにより、検出対象のｐＨ分布（ｐＨイメージ）や光分布（光イメージ）を測定することができる。
本件発明の参考文献として特許文献２、特許文献３を参照されたい。
特開平１１−２０１７７５号公報
特開２００４−２８７２３号公報
特開２００２−９８６６７号公報
小刻みに動く微生物や血液などの流体を測定する場合、光分布とｐＨ分布が同時に測定されなければ、実質的に、光分布とｐＨ分布を異なったエリアで測定することとなる。このように、光分布とｐＨ分布の測定時間の差は、動体測定するうえで大きな障害となる。
そこでこの発明は、ｐＨ等の物理・化学現象の値と光等のエネルギー線の量の検出とを同時に行うことのできる複合検出装置を提案することを目的とする。
そこでこの発明は、ｐＨ等の物理・化学現象の値と光等のエネルギー線の量の検出とを同時に行うことのできる複合検出装置を提案することを目的とする。
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねてきた結果、本願発明に想到した。即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
化学・物理現象に対応してポテンシャルが変化する第１のセンシング部と、
前記第１のセンシング部へ第１の電荷を供給する第１の電荷供給部と、
前記第１のセンシング部と第１の前記電荷供給部との間に形成される第１の電荷供給調節部と、
前記第１のセンシング部から転送された第１の電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部と、
前記第１のセンシング部と前記第１の電荷蓄積部との間に形成される第１の電荷転送調節部とを備えてなる、化学・物理現象検出系と、
前記第１のセンシング部は光その他のエネルギー線を受けて前記第１の電荷と第２の電荷とを生成する半導体電荷生成部を備え、
該半導体電荷生成部と、
該半導体電荷生成部で生成された第２の電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部であって、前記第１のセンシング部を基準にして前記第１の電荷蓄積部とは反対側の電位を有する第２の電荷蓄積部と、を備えてなるエネルギー線検出系と、
を具備する複合検出装置。
化学・物理現象に対応してポテンシャルが変化する第１のセンシング部と、
前記第１のセンシング部へ第１の電荷を供給する第１の電荷供給部と、
前記第１のセンシング部と第１の前記電荷供給部との間に形成される第１の電荷供給調節部と、
前記第１のセンシング部から転送された第１の電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部と、
前記第１のセンシング部と前記第１の電荷蓄積部との間に形成される第１の電荷転送調節部とを備えてなる、化学・物理現象検出系と、
前記第１のセンシング部は光その他のエネルギー線を受けて前記第１の電荷と第２の電荷とを生成する半導体電荷生成部を備え、
該半導体電荷生成部と、
該半導体電荷生成部で生成された第２の電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部であって、前記第１のセンシング部を基準にして前記第１の電荷蓄積部とは反対側の電位を有する第２の電荷蓄積部と、を備えてなるエネルギー線検出系と、
を具備する複合検出装置。
このように規定される第１の局面の複合検出装置によれば、化学・物理現象検出系の第１の電荷蓄積部に第１の電荷が蓄積されることと独立して、エネルギー線検出系の第２の電荷蓄積部に第２の電荷が蓄積される。換言すれば、第１の電荷蓄積部には化学・物理現象検出系で検出された化学・物理現象の値（例えばｐＨ値）に対応した第１の電荷が蓄積され、それと同時進行的に第２の電荷蓄積部にはエネルギー線検出系で検出されたエネルギー線（たとえば光）の量（又は強さ）に対応した第２の電荷が蓄積される。
ここに、第１の電荷は電子又はホールとすることができ、これに対し第２の電荷はホール又は電子とすることができる。累積測定要求される化学・物理現象検出系では、この発明の第２の局面で規定するように、第１の電荷として転送動作が迅速な電子を採用することが好ましい。従って、エネルギー線検出系の第２の電荷蓄積部にはホールが蓄積されることとなる。
この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、第１又は第２の局面で規定される複合検出装置において、前記半導体電荷生成部では半導体基板表面に該基板と異なる導電形の埋め込みチャネル層が形成されている。ここに、ｐ型半導体基板を採用したときは、埋め込みチャネル層としてｎ層を基板の表面、少なくともセンシング部へ積層する。埋め込みチャネル層を形成することにより、図１に示すようなポテンシャルのプロファイルが得られる。
ここにおいて、光電効果により発生した電子は伝導帯へ、ホールは荷電子帯へ移動する。電子は電位が高いほうへ移動するので、電位の井戸へ移動する。逆にホールは電位が低い方へ移動する。基板表面（Ｓ）から遠いところで発生したホールは図１で右側方向（基板裏面側）へ逃げる。一方、基板表面（Ｓ）に近いところ（電位の谷（Ｖ）より基板表面（Ｓ）側）で発生したホールは基板表面（Ｓ）に形成される電位の山に蓄積される。このホールを光出力として読み出すことができる。
以上より、埋め込みチャネルの膜厚は（即ち、ｎドーパントのドープ深さは）、エネルギー線が侵入可能な厚さと等しいかそれより厚くする
ここにおいて、光電効果により発生した電子は伝導帯へ、ホールは荷電子帯へ移動する。電子は電位が高いほうへ移動するので、電位の井戸へ移動する。逆にホールは電位が低い方へ移動する。基板表面（Ｓ）から遠いところで発生したホールは図１で右側方向（基板裏面側）へ逃げる。一方、基板表面（Ｓ）に近いところ（電位の谷（Ｖ）より基板表面（Ｓ）側）で発生したホールは基板表面（Ｓ）に形成される電位の山に蓄積される。このホールを光出力として読み出すことができる。
以上より、埋め込みチャネルの膜厚は（即ち、ｎドーパントのドープ深さは）、エネルギー線が侵入可能な厚さと等しいかそれより厚くする
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜第３のいずれかの局面に規定の複合検出装置において、前記電荷供給部と前記第１の電荷蓄積部とは前記第１のセンシング部の対向する２辺に形成され、前記第２の電荷蓄積部は前記第１のセンシング部において残りの辺に形成される。
このように規定された複合検出装置によれば、化学・物理現象検出系として汎用的な構成が採用されるので、製造プロセスが容易である。
第１〜第３のいずれかの局面に規定の複合検出装置において、前記電荷供給部と前記第１の電荷蓄積部とは前記第１のセンシング部の対向する２辺に形成され、前記第２の電荷蓄積部は前記第１のセンシング部において残りの辺に形成される。
このように規定された複合検出装置によれば、化学・物理現象検出系として汎用的な構成が採用されるので、製造プロセスが容易である。
この発明の第５の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜第３のいずれかの局面に規定の複合検出装置において、前記電荷供給部と前記第１の電荷蓄積部とは前記第１のセンシング部において隣り合う２辺に形成され、前記第２の電荷蓄積部は前記第１のセンシング部において残りの隣り合う辺に形成される。
このように規定される第５の局面の複合検出装置によれば、第２の電荷蓄積部が第１のセンシング部において隣り合う辺に形成される。隣り合う辺にそれぞれ形成された第２の電荷蓄積部はこれを連続体とすることができるので、第２の電荷蓄積部の大容量化が可能となり、エネルギー線検出のダイナミックレンジが広くなる。
第１〜第３のいずれかの局面に規定の複合検出装置において、前記電荷供給部と前記第１の電荷蓄積部とは前記第１のセンシング部において隣り合う２辺に形成され、前記第２の電荷蓄積部は前記第１のセンシング部において残りの隣り合う辺に形成される。
このように規定される第５の局面の複合検出装置によれば、第２の電荷蓄積部が第１のセンシング部において隣り合う辺に形成される。隣り合う辺にそれぞれ形成された第２の電荷蓄積部はこれを連続体とすることができるので、第２の電荷蓄積部の大容量化が可能となり、エネルギー線検出のダイナミックレンジが広くなる。
この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜第５のいずれかの局面に規定の複合検出装置において、前記第２の電荷蓄積部には絶縁膜を介して出力ゲートが積層され、前記第２の電荷蓄積部に蓄積された前記第２の電荷に対応したキャパシタンスカップリングとして前記出力ゲートに生成された第１の電荷を読み出す手段が更に備えられている。
このようにして読み出された第１の電荷（第２の電荷蓄積部に蓄積された第２の電荷に対応している）は、例えば簡易な構成のソースフォロワー回路などにより電圧に変換され、出力とされる。即ち、この６の局面に規定の複合検出装置を採用することにより、第２の電荷蓄積部に蓄積された第２の電荷の量に基づき、エネルギー線の量を簡易に特定することが可能となる。
第１〜第５のいずれかの局面に規定の複合検出装置において、前記第２の電荷蓄積部には絶縁膜を介して出力ゲートが積層され、前記第２の電荷蓄積部に蓄積された前記第２の電荷に対応したキャパシタンスカップリングとして前記出力ゲートに生成された第１の電荷を読み出す手段が更に備えられている。
このようにして読み出された第１の電荷（第２の電荷蓄積部に蓄積された第２の電荷に対応している）は、例えば簡易な構成のソースフォロワー回路などにより電圧に変換され、出力とされる。即ち、この６の局面に規定の複合検出装置を採用することにより、第２の電荷蓄積部に蓄積された第２の電荷の量に基づき、エネルギー線の量を簡易に特定することが可能となる。
この発明の第７の局面は次のように規定される。即ち、
第１〜第５のいずれかの局面に規定の複合検出装置において、前記第２の電荷蓄積部の電位に基づきポテンシャルが変化する第２のセンシング部と、
前記第２のセンシング部へ第１又は第２の電荷を供給する第２の電荷供給部と、
前記第２のセンシング部と前記第２の電荷供給部との間に形成される第２の電荷供給調節部と、
前記第２のセンシング部から転送され前記第１又は第２の電荷を蓄積する第３の電荷蓄積部と、
前記第２のセンシング部と前記第３の電荷蓄積部との間に形成される第２の電荷転送調節部とを備え、
前記第２の電荷供給部から前記第２のセンシング部へ電荷を供給するタイミングは前記第１の電荷供給部から前記第１のセンシング部へ電荷を供給するタイミングと同期しており、前記第２のセンシング部から前記第３の電荷蓄積部へ電荷を転送するタイミングは前記第１のセンシング部から前記第１の電荷蓄積部へ電荷を転送するタイミングと同期している。
このように規定された第７の局面に記載の発明によれば、第２の電荷蓄積部の電位（ここに蓄積された第２の電荷に依存）を電荷転送型の電位センサで検出するので、第２の電荷蓄積部に蓄積される電荷の量を正確に測定できる。
このとき、電荷転送型の電位センサの構造を化学・物理現象検出系の構造と同一もしくは同種とすることにより、その製造が容易になる。
また、両者の動作のタイミングを同期させることにより、制御も容易になる。
第１〜第５のいずれかの局面に規定の複合検出装置において、前記第２の電荷蓄積部の電位に基づきポテンシャルが変化する第２のセンシング部と、
前記第２のセンシング部へ第１又は第２の電荷を供給する第２の電荷供給部と、
前記第２のセンシング部と前記第２の電荷供給部との間に形成される第２の電荷供給調節部と、
前記第２のセンシング部から転送され前記第１又は第２の電荷を蓄積する第３の電荷蓄積部と、
前記第２のセンシング部と前記第３の電荷蓄積部との間に形成される第２の電荷転送調節部とを備え、
前記第２の電荷供給部から前記第２のセンシング部へ電荷を供給するタイミングは前記第１の電荷供給部から前記第１のセンシング部へ電荷を供給するタイミングと同期しており、前記第２のセンシング部から前記第３の電荷蓄積部へ電荷を転送するタイミングは前記第１のセンシング部から前記第１の電荷蓄積部へ電荷を転送するタイミングと同期している。
このように規定された第７の局面に記載の発明によれば、第２の電荷蓄積部の電位（ここに蓄積された第２の電荷に依存）を電荷転送型の電位センサで検出するので、第２の電荷蓄積部に蓄積される電荷の量を正確に測定できる。
このとき、電荷転送型の電位センサの構造を化学・物理現象検出系の構造と同一もしくは同種とすることにより、その製造が容易になる。
また、両者の動作のタイミングを同期させることにより、制御も容易になる。
１、２００、３００ 複合検出装置
１１ 半導体基板
１３ 絶縁層
２０ ｐＨ検出系
２１ センシング部
２２ 電荷供給部
２３ 電荷供給調節部
２６ 第１の電荷蓄積部
２７ 電荷転送調節部
３１ 第２の電荷蓄積部
１１ 半導体基板
１３ 絶縁層
２０ ｐＨ検出系
２１ センシング部
２２ 電荷供給部
２３ 電荷供給調節部
２６ 第１の電荷蓄積部
２７ 電荷転送調節部
３１ 第２の電荷蓄積部
図２に、この発明の実施例の複合検出装置１の平面図を示す。図２のＣ線断面図とＤ線断面図を図３（Ａ）に示す。また、図２のＥ線断面図を図４に示す。
図２に示す複合検出装置１はｐＨ検出系１０と光検出系３０とを備えている。
ｐＨ検出系１０は、図２においてＣ線に沿って形成されている。このｐＨ検出系１０は従来と同様な構成を採る。即ち、図３（Ａ）に示すように、シリコン基板（ｐ型）１１の表面にｎ層及びｎ＋層が形成される。シリコン基板１１の表面にはシリコン酸化膜（絶縁膜）１３が形成され、この絶縁膜１３の上に金属膜がパターニングされて各種の電極を形成する。ｎ層が埋め込みチャネル層１５となる。
図２に示す複合検出装置１はｐＨ検出系１０と光検出系３０とを備えている。
ｐＨ検出系１０は、図２においてＣ線に沿って形成されている。このｐＨ検出系１０は従来と同様な構成を採る。即ち、図３（Ａ）に示すように、シリコン基板（ｐ型）１１の表面にｎ層及びｎ＋層が形成される。シリコン基板１１の表面にはシリコン酸化膜（絶縁膜）１３が形成され、この絶縁膜１３の上に金属膜がパターニングされて各種の電極を形成する。ｎ層が埋め込みチャネル層１５となる。
図３において、参照番号２１はセンシング部、参照番号２２は電荷供給部、参照番号２３は電荷供給調節部を示す。
センシング部２１において絶縁膜１３の表面には検出対象にウエットな状態で接触できるように凹部が形成されるとともに、参照電極２５が配設される。センシング部２１において基板１１の表面には埋め込みチャネル層（ｎ層）が形成されている。
かかるセンシング部２１が検出対象に触れると、そのｐＨに応じてポテンシャルが変化する。また、センシング部２１へ光が導入されると光電効果により電子とホールが形成される。ここにセンシング部２１には埋め込みチャネル層が形成されているので、既述のように（図１参照）ホールの一部が基板表面のポテンシャルの山部へ蓄積される。他方電子はｐＨに応じて形成されたポテンシャルの井戸へ入り込む。
センシング部２１において絶縁膜１３の表面には検出対象にウエットな状態で接触できるように凹部が形成されるとともに、参照電極２５が配設される。センシング部２１において基板１１の表面には埋め込みチャネル層（ｎ層）が形成されている。
かかるセンシング部２１が検出対象に触れると、そのｐＨに応じてポテンシャルが変化する。また、センシング部２１へ光が導入されると光電効果により電子とホールが形成される。ここにセンシング部２１には埋め込みチャネル層が形成されているので、既述のように（図１参照）ホールの一部が基板表面のポテンシャルの山部へ蓄積される。他方電子はｐＨに応じて形成されたポテンシャルの井戸へ入り込む。
電荷供給部２２はｎ＋領域からなり、インプットダイオードＩＤが接続されている。電荷供給調節部２３はセンシング部２１と電荷供給部２２との間において、半導体基板１１に絶縁膜１３を介して入力調節ゲート電極ＩＣＧを対向させ、このゲート電極ＩＣＧへ所定の電圧を印加することにより、電荷供給部２２とセンシング部２１との間にポテンシャルの壁を形成する。
センシング部２１と入力調節ゲート電極ＩＣＧとの間に、独立に制御可能な第２の入力調節ゲート電極を形成することができる。当該第２の入力調節ゲート電極によりセンシング部２１に連続するポテンシャル井戸を形成し、センシング部２１に残存する電子を当該ポテンシャル井戸へ吸い込ませることができる。
センシング部２１と入力調節ゲート電極ＩＣＧとの間に、独立に制御可能な第２の入力調節ゲート電極を形成することができる。当該第２の入力調節ゲート電極によりセンシング部２１に連続するポテンシャル井戸を形成し、センシング部２１に残存する電子を当該ポテンシャル井戸へ吸い込ませることができる。
図３（Ａ）において、符号２６は第１の電荷蓄積部を示し、符号２７は電荷転送調節部を示す。第１の電荷蓄積部２６はフォローティングディフュージョン領域とも呼ばれ、基板１１のｎ＋領域からなる。電荷転送調節部２７はセンシング部２１と第１の電荷蓄積部２６との間において、半導体基板１１に絶縁膜１３を介して転送ゲート電極ＴＧを対向させ、この転送ゲート電極ＴＧへ所定の電圧を印加することにより、センシング部２１と第１の電荷蓄積部２６との間にポテンシャルの壁を形成する。そしてこのポテンシャルの壁の高さを変化させることにより、センシング部２１の電荷を第１の電荷蓄積部２６へ転送する。
第１の電荷蓄積部２６に蓄積された電子は、所定のタイミングで図５に示すソースフォロワー回路に読み出され、出力電圧Ｖoutに変換される。即ち、第1の電荷蓄積部２６に蓄積された電荷に応じてＭＯＳのゲート電圧が変化すると抵抗に流れる電流が変化し、その結果、出力電圧Ｖoutが変化する。
リセットゲート電極ＲＧ及びリセットダイオードは第１の電荷蓄積部２６の電荷をリセットするためのものである。
第１の電荷蓄積部２６に蓄積された電子は、所定のタイミングで図５に示すソースフォロワー回路に読み出され、出力電圧Ｖoutに変換される。即ち、第1の電荷蓄積部２６に蓄積された電荷に応じてＭＯＳのゲート電圧が変化すると抵抗に流れる電流が変化し、その結果、出力電圧Ｖoutが変化する。
リセットゲート電極ＲＧ及びリセットダイオードは第１の電荷蓄積部２６の電荷をリセットするためのものである。
光検出系３０は、図２においてＤ線にそって形成されている。
図３（Ａ）に示す符号３１は第２の電荷蓄積部である。センシング部２１の電位からみたとき、第２の電荷蓄積部３１のポテンシャルは第１の電荷蓄積部２６と反対側にある。これにより、センシング２１の表面側において光電効果により生成されたホールであって、当該第２の電荷蓄積部３１に近いものがこの第２の電荷蓄積部３１へ蓄積される（図１参照）。
第２の電荷蓄積部３１は半導体基板１１へ、絶縁膜１３を介してフローティングゲート電極ＦGを対向させてなる。
符号３３はｎ＋領域である。
図３（Ａ）に示す符号３１は第２の電荷蓄積部である。センシング部２１の電位からみたとき、第２の電荷蓄積部３１のポテンシャルは第１の電荷蓄積部２６と反対側にある。これにより、センシング２１の表面側において光電効果により生成されたホールであって、当該第２の電荷蓄積部３１に近いものがこの第２の電荷蓄積部３１へ蓄積される（図１参照）。
第２の電荷蓄積部３１は半導体基板１１へ、絶縁膜１３を介してフローティングゲート電極ＦGを対向させてなる。
符号３３はｎ＋領域である。
図２のＥ線断面図を図４に示す。
図４からわかるように、第２の電荷蓄積部３１は、比較的高電位の入力調節ゲート電極ＩＣＧとリセットゲート電極ＲＧ２ではさまれている。これら電極によるポテンシャルの井戸３６、３７と、ｎ＋領域３３によるポテンシャルの井戸により、第２の電荷蓄積部３１は他の領域から独立している。換言すれば、どのタイミングにおいてもホールを蓄積することができる。
図４からわかるように、第２の電荷蓄積部３１は、比較的高電位の入力調節ゲート電極ＩＣＧとリセットゲート電極ＲＧ２ではさまれている。これら電極によるポテンシャルの井戸３６、３７と、ｎ＋領域３３によるポテンシャルの井戸により、第２の電荷蓄積部３１は他の領域から独立している。換言すれば、どのタイミングにおいてもホールを蓄積することができる。
ホールを蓄積した半導体基板の表面へ絶縁膜（薄膜）１３を介して対向するフローティングゲート電極ＦＧには、キャパシタンスカップリングにより電子が生成される。この電子を図５に示すソースフォロア回路で読み出して出力電圧Ｖoutに変換する。即ち、フローティングゲート電極ＦＧに生成された電荷に応じてＭＯＳのゲート電圧が変化すると抵抗に流れる電流が変化し、その結果、出力電圧Ｖoutが変化する。
次に、実施例の複合検出装置１の動作について説明する（図３参照）。
図３（Ｂ）は前回の検出結果として電子が第１の電荷蓄積部２６に存在し、第２の電荷蓄積部３１にはホールが蓄積されている。
この状態から第１の電荷蓄積部２６の電荷及びフォローティングゲート電極ＦＧの電荷をそれぞれに接続されたソースフォロア回路へ読み出して、出力電圧Ｖoutを得る。
その後、図３（Ｃ）に示すように、リセットゲート電極ＲＧの電位を調節して第１の電荷蓄積部２６の電荷をリセットダイオードＲＤから外部へ排出する。一方、第２の電荷蓄積部３１に蓄積されたホールは、第２のリセットゲート電極ＲＧ２の電位を調整してポテンシャルの井戸３７を消失させる。これにより、ホールは基板表面へ拡散し、消滅する。
これにより、複合検出装置１はリセットされる。
図３（Ｂ）は前回の検出結果として電子が第１の電荷蓄積部２６に存在し、第２の電荷蓄積部３１にはホールが蓄積されている。
この状態から第１の電荷蓄積部２６の電荷及びフォローティングゲート電極ＦＧの電荷をそれぞれに接続されたソースフォロア回路へ読み出して、出力電圧Ｖoutを得る。
その後、図３（Ｃ）に示すように、リセットゲート電極ＲＧの電位を調節して第１の電荷蓄積部２６の電荷をリセットダイオードＲＤから外部へ排出する。一方、第２の電荷蓄積部３１に蓄積されたホールは、第２のリセットゲート電極ＲＧ２の電位を調整してポテンシャルの井戸３７を消失させる。これにより、ホールは基板表面へ拡散し、消滅する。
これにより、複合検出装置１はリセットされる。
複合検出装置１によるｐＨ値及び光の新たな検出は図３（Ｄ）より再開される。
図３（Ｄ）では電荷供給部２２から電子をあふれ出させてセンシング部２１を電子で充満する。次に、図３（Ｅ）に示すように、電荷供給部２２の電子を減少させると、電荷供給調節部２３のポテンシャルの壁により、センシング部２１の電子がすり切られて、センシング部２１には、そのポテンシャルの深さ（ｐＨに依存）に対応した量の電子が残存する。
図３（Ｆ）では転送ゲート電極ＴＧの電位を調節して、センシング部２１に残存した電子を第１の電荷蓄積部２６へ転送し、そこに蓄積する。
図３（Ｄ）〜図３（Ｆ）までの動作を繰り返すことにより、第１の電荷蓄積部には電子が累積されることとなる。
この間（図３（Ｄ）〜図３（Ｆ）を繰り返す間）、センシング部２１へ入射した光により形成されるホールは継続して、即ち何ら途切れることなく、第２の電荷蓄積部３１へ蓄積される。ホールの形成は入射された光の量に比例する。即ち、ｐＨ値の検出を行うと同時にセンシング部へ入射された光の量が検出されることとなる。
この状態から、第１の電荷蓄積部２６の電荷及びフォローティングゲート電極ＦＧの電荷をそれぞれに接続されたソースフォロア回路へ読み出せば、同時に、ｐＨ値に対応した出力電圧ＶoutとｐＨ値を測定した間にセンシング部へ入射された光の量に対応した出力電圧Ｖoutを得ることができる。
図３（Ｄ）では電荷供給部２２から電子をあふれ出させてセンシング部２１を電子で充満する。次に、図３（Ｅ）に示すように、電荷供給部２２の電子を減少させると、電荷供給調節部２３のポテンシャルの壁により、センシング部２１の電子がすり切られて、センシング部２１には、そのポテンシャルの深さ（ｐＨに依存）に対応した量の電子が残存する。
図３（Ｆ）では転送ゲート電極ＴＧの電位を調節して、センシング部２１に残存した電子を第１の電荷蓄積部２６へ転送し、そこに蓄積する。
図３（Ｄ）〜図３（Ｆ）までの動作を繰り返すことにより、第１の電荷蓄積部には電子が累積されることとなる。
この間（図３（Ｄ）〜図３（Ｆ）を繰り返す間）、センシング部２１へ入射した光により形成されるホールは継続して、即ち何ら途切れることなく、第２の電荷蓄積部３１へ蓄積される。ホールの形成は入射された光の量に比例する。即ち、ｐＨ値の検出を行うと同時にセンシング部へ入射された光の量が検出されることとなる。
この状態から、第１の電荷蓄積部２６の電荷及びフォローティングゲート電極ＦＧの電荷をそれぞれに接続されたソースフォロア回路へ読み出せば、同時に、ｐＨ値に対応した出力電圧ＶoutとｐＨ値を測定した間にセンシング部へ入射された光の量に対応した出力電圧Ｖoutを得ることができる。
図６にはフローティングゲート電極ＦＧの電荷を測定する他のシステムを示す。なお、図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。なお、図６において符号１２１は電荷測定部である。
この例では、フローティングゲート電極ＦＧの電荷量を、汎用的な化学・物理現象測定装置を用いて測定するものであり、当該化学・物理現象測定装置には、実施例のｐＨ検出系１０と同種の構成を採用している。これにより、製造工程の共通化が達成でき測定装置の製造コストが削減される。
図６の測定装置において、電荷供給のタイミング及び電荷転送のタイミングは、図２の複合検出装置１におけるそれらのタイミングと同期させることが好ましい。なお、電荷を転送するタイミング（図６（Ｆ）参照）で第２のリセットゲート電極ＲＧ２をオンして、第２の電荷蓄積部３１に蓄積されたホールを一旦リセットすることが好ましい。これにより、ｐＨ値の検出と光の検出とをより精密に同期させられる。
この例では、フローティングゲート電極ＦＧの電荷量を、汎用的な化学・物理現象測定装置を用いて測定するものであり、当該化学・物理現象測定装置には、実施例のｐＨ検出系１０と同種の構成を採用している。これにより、製造工程の共通化が達成でき測定装置の製造コストが削減される。
図６の測定装置において、電荷供給のタイミング及び電荷転送のタイミングは、図２の複合検出装置１におけるそれらのタイミングと同期させることが好ましい。なお、電荷を転送するタイミング（図６（Ｆ）参照）で第２のリセットゲート電極ＲＧ２をオンして、第２の電荷蓄積部３１に蓄積されたホールを一旦リセットすることが好ましい。これにより、ｐＨ値の検出と光の検出とをより精密に同期させられる。
図７には、他の実施例の複合測定装置２００を示す。図７において図２と同一の要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
図２の複合測定装置１では、矩形のセンシング部２１に対してその対向する２辺の一方側に電荷供給部及び電荷供給調節部を配置し、他方の辺に第１の電荷蓄積部及び電荷転送調節部を配置し、センシング部２１において残りの一辺に第２の電荷蓄積部が配設されている。
図７の例では、センシング部２１において相対向する２辺に第２の電荷蓄積部を配設させた。即ち、図２との比較において、センシング部２１の下側辺に沿って第２のフローティングゲート電極ＦＧ２、第３のリセットゲート電極ＲＧ３、及び第２のｎ＋領域が形成されている。
第２のフローティングゲート電極ＦＧ２は、図５に示したソースフォロワー回路若しくは図６に示した測定装置へ接続される。
図２の複合測定装置１では、矩形のセンシング部２１に対してその対向する２辺の一方側に電荷供給部及び電荷供給調節部を配置し、他方の辺に第１の電荷蓄積部及び電荷転送調節部を配置し、センシング部２１において残りの一辺に第２の電荷蓄積部が配設されている。
図７の例では、センシング部２１において相対向する２辺に第２の電荷蓄積部を配設させた。即ち、図２との比較において、センシング部２１の下側辺に沿って第２のフローティングゲート電極ＦＧ２、第３のリセットゲート電極ＲＧ３、及び第２のｎ＋領域が形成されている。
第２のフローティングゲート電極ＦＧ２は、図５に示したソースフォロワー回路若しくは図６に示した測定装置へ接続される。
図８には、他の実施例の複合測定装置３００を示す。図８において図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図８の例では、矩形のセンシング部２１において隣り合う辺の一方側に電荷供給部及び電荷供給調節部を配置し、他方の辺に第１の電荷蓄積部及び電荷転送調節部を配置し、センシング部２１において残りの隣り合う２辺に第２の電荷蓄積部が配設されている。
これにより、第２の電荷蓄積部の容積が大きくなり、より多くのホールを蓄積可能となる。これにより、大きなダイナミックレンジを確保できる。また、図７の例に比べて図８の例では、フローティングゲートが1本に集約されるので、構成が簡素化され、小型を達成できる。
図８の例では、矩形のセンシング部２１において隣り合う辺の一方側に電荷供給部及び電荷供給調節部を配置し、他方の辺に第１の電荷蓄積部及び電荷転送調節部を配置し、センシング部２１において残りの隣り合う２辺に第２の電荷蓄積部が配設されている。
これにより、第２の電荷蓄積部の容積が大きくなり、より多くのホールを蓄積可能となる。これにより、大きなダイナミックレンジを確保できる。また、図７の例に比べて図８の例では、フローティングゲートが1本に集約されるので、構成が簡素化され、小型を達成できる。
以上説明した各例の複合測定装置は、センシング部を中心にして電極及び高濃度ドープ領域を当該センシング部の周辺へ直線的に配置すればよい。従って、この発明の複合測定装置は高密度のアレイ化に適しており、検出対象における同時刻のｐＨ値及び光量の各分布を高精度でイメージ化可能となる。
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
Claims (9)
- 化学・物理現象に対応してポテンシャルが変化する第１のセンシング部と、
前記第１のセンシング部へ第１の電荷を供給する第１の電荷供給部と、
前記第１のセンシング部と第１の前記電荷供給部との間に形成される第１の電荷供給調節部と、
前記第１のセンシング部から転送された第１の電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部と、
前記第１のセンシング部と前記第１の電荷蓄積部との間に形成される第１の電荷転送調節部とを備える、化学・物理現象検出系と、
前記第１のセンシング部に設けられ、光を含むエネルギー線を受けて前記第１の電荷と極性の異なる第２の電荷とを生成する半導体電荷生成部と、
前記第１のセンシング部を基準にして前記第１の電荷蓄積部とは反対側の電位を有し、該半導体電荷生成部で生成された第２の電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部と、を備えるエネルギー線検出系と、
を具備することを特徴とする複合検出装置。 - 前記第２の電荷蓄積部が、前記第１の電荷供給調節部に隣接して配置される、ことを特徴とする請求項１に記載の複合検出装置。
- 前記第２の電荷蓄積部に隣接して、前記第２の電荷蓄積部に蓄積した前記第２の電荷を除去するためのリセット部と前記第２の電荷蓄積部と反対側の電位を有する高不純物領域とを備え、
前記第２の電荷蓄積部は、前記半導体電荷生成部、前記第１の電荷供給調節部、前記リセット部及び前記高不純物領域とに囲まれて配置されることにより、前記第１のセンシング部を基準にして前記第１の電荷蓄積部とは反対側の電位を有し、前記半導体電荷生成部で生成された前記第２の電荷を蓄積する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合検出装置。 - 前記第１の電荷は電子であり、前記第２の電荷はホールである、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合検出装置。
- 前記半導体電荷生成部では半導体基板表面に該基板と異なる導電形の埋め込みチャネル層が形成されている、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の複合検出装置。
- 前記第１の電荷供給部と前記第１の電荷蓄積部とは前記第１のセンシング部の対向する２辺に形成され、前記第２の電荷蓄積部は前記第１のセンシング部において残りの辺に形成される、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の複合検出装置。
- 前記第１の電荷供給部と前記第１の電荷蓄積部とは前記センシング部において隣り合う２辺に形成され、前記第２の電荷蓄積部は前記センシング部において残りの辺に形成される、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の複合検出装置。
- 前記第２の電荷蓄積部には絶縁膜を介して出力ゲートが積層され、前記第２の電荷蓄積部に蓄積された前記第２の電荷に対応したキャパシタンスカップリングとして前記出力ゲートに生成された第１の電荷を読み出す手段が更に備えられている、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の複合検出装置。
- 前記第２の電荷蓄積部の電位に基づきポテンシャルが変化する第２のセンシング部と、
前記第２のセンシング部へ第１又は第２の電荷を供給する第２の電荷供給部と、
前記第２のセンシング部と前記第２の電荷供給部との間に形成される第２の電荷供給調節部と、
前記第２のセンシング部から転送され前記第１又は第２の電荷を蓄積する第３の電荷蓄積部と、
前記第２のセンシング部と前記第３の電荷蓄積部との間に形成される第２の電荷転送調節部とを備え、
前記第２の電荷供給部から前記第２のセンシング部へ電荷を供給するタイミングは前記第１の電荷供給部から前記第１のセンシング部へ電荷を供給するタイミングと同期しており、前記第２のセンシング部から前記第３の電荷蓄積部へ電荷を転送するタイミングは前記第１のセンシング部から前記第１の電荷蓄積部へ電荷を転送するタイミングと同期している、ことを特長とする請求項１〜７のいずれかに記載の複合検出装置。
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