JP6905701B2 - 化学・物理現象検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は化学・物理現象検出装置の改良に関する。
化学・物理現象検出装置として、特許文献１に開示のｐＨセンサが知られている。
一般的な化学・物理現象検出装置では、そのセンシング領域に存在する電荷を電荷蓄積領域へ移送してそこに蓄積し、蓄積された電荷の電荷量を測定して検出対象である化学現象若しくは物理現象を特定する。
センシング領域を所定の電位の堰で取り囲むことで、堰の電位（例えばＴＧ領域）とセンシング領域の電位との電位差がセンシング領域に存在できる電荷の量に比例する。検出対象である化学現象や物理現象（外部環境）の変化に応じてセンシング領域の電位は変化するので、外部環境の変化がセンシング領域の電位と堰の電位との電位差に反映し、もって、外部環境に応じた量の電荷がセンシング領域に存在する。堰を構成するＴＧ領域の電位を変化させてセンシング領域の電荷を電荷蓄積領域に移送する。
特許第４１７１８２０号公報 特表２０１０−５２５３６０号公報
上記一般的な化学・物理現象検出装置では、化学現象や物理現象を検出する際、センシング領域の周囲に電位の堰を設けて電荷を保持する電荷プールを形成している。
従って、この電荷プールへ電荷を供給する際、及び電荷プールから電荷を電荷蓄積領域へ移送する際に、それぞれ堰に設けられたゲートの電位を変化させる。一般的に、電荷を供給する際には、ＴＧ領域の電位を固定してＩＣＤ領域の電位を変化させ、その後電荷を移送する際には、ＩＣＤ領域の電位を固定してＴＧ領域の電位を変化させる。
このように、センシング領域の上に電荷プールを形成して、検出対象である化学現象や物理現象に応じて電荷プールの深さを変化させ、電荷プールに存在する電荷の量を測定するタイプの化学・物理現象検出装置では、電荷プールに対する電荷供給時及び電荷移送時にそれぞれゲートの制御が必要となる。よって、各制御のために時間を要し、また各ゲート制御用のデバイスも要求される。
上記課題の少なくとも一つを解決すべく本発明者らが鋭意検討をした結果、既述の電荷プール方式を用いずに、即ち、新規な方式で、検出対象である外部環境（化学現象や物理現象）によるセンシング領域の電位を反映した量の電荷を電荷蓄積領域に蓄積する化学・物理現象検出装置に想到した。
この発明の第１の局面は次のように規定される。
外部環境の変化に対応して電位が変化するセンシング領域と電荷蓄積領域とを区画した半導体基板を備え、前記センシング領域の電位が反映された量の電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積され、該電荷の量を検出する化学・物理現象検出装置であって、
前記電荷蓄積領域は前記センシング領域に連続した第１の電位井戸領域を含み、
前記第１の電位井戸領域に保持される電荷の境界電位を前記センシング領域の電位と等しくすることで、前記センシング領域の電位を前記第１の電位井戸領域に保持される電荷の電荷量に反映させる化学・物理現象検出装置。
ここに、第１の電位井戸領域に保持される電荷の境界電位とは、第１の電位井戸領域に保持される電荷の持つ電位において、第１の電位井戸領域の電位から最も離れた電位を差し、例えば電荷として電子を採用したときは、第１の電位井戸領域に保持された電子の持つ電位において最も低い値である。
このように規定される第１の局面の化学・物理現象検出装置によれば、第１の電位井戸領域に保持される電荷の境界電位をセンシング領域の電位と等しくし、もって、センシング領域の電位を第１の電位井戸領域に保持される電荷の電荷量に反映させる。第１の電位井戸領域に保持される電荷の電荷量を検出して検出対象とする化学現象若しくは物理現象が特定される。
ここに、センシング領域の上に電荷プールは何ら形成されないので、堰が不要となり、その結果、堰にゲートを設ける必要もなくなる。これにより、従来必要とされたゲート制御のためのデバイスやこのデバイスを駆動するためのリードタイムを不要とできる。
この発明の第２の局面は次のように規定される。即ち、第１の局面に規定の化学・物理現象検出装置において、前記電荷蓄積層は前記第１の電位井戸領域、第２の電位井戸領域及び前記第１の電位井戸領域と前記第２の電位井戸領域との間に配置されるアナログゲートＡＧ領域と備え、前記ＡＧ領域の電位を調節して前記第１の電位井戸領域に保持された電荷を前記第２の電位井戸領域へ移送し、該第２の電位井戸領域に累積された電荷量を検出する。
このように規定される第２の局面の化学・物理現象検出装置によれば、第１の電位井戸領域に保持された電荷を第２の電位井戸領域へ順次移送してそこに累積することにより、検出の精度が向上する。
この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、第２の局面に規定の化学・物理現象検出装置において、前記半導体基板は、更に
前記センシング領域へ電荷を供給する電荷供給領域と、
前記電荷供給領域と前記センシング領域との間に形成されて、前記電荷供給領域から前記センシング領域への電荷の供給を調整する電荷供給調整領域と、
前記電荷供給調整領域と前記センシング領域との間において前記センシング領域に連続して形成される第３の電位井戸領域と、を備える。
このように規定される第３の局面の化学・物理現象検出装置によれば、センシング領域が第１の電位井戸領域と第３の電位井戸領域に挟まれる。各電位井戸領域の電位（底の電位）はセンシング領域に存在する電荷を引き込む電位にあり、これにより、センシング領域に電荷は存在しなくなる。
換言すれば、センシング領域に連続してゲート領域が存在すると両者の間に電位障壁が生じることとなるが（詳細は特許文献１参照）、センシング領域とゲート領域との間に電位井戸領域を存在させることにより、この電位障壁が消失し、センシング領域に電荷が残存することを確実に予防できる。
上記において、第１〜第３の電位井戸領域は半導体基板へ不純物をドープすることにより形成され、その電位は安定しており、外部から何ら電圧を印加しなくてもセンシング領域の電位に比べて有意な電位差を持つものとする。
この発明の第４の局面は次のように規定される。即ち、
外部環境の変化に対応して電位が変化するセンシング領域と電荷蓄積領域とを区画した半導体基板を備え、前記センシング領域の電位が反映された量の電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積され、該電荷の量を検出する化学・物理現象検出装置であって、
前記電荷蓄積領域は前記センシング領域に連続した第１の電位井戸領域を含む化学・物理現象検出装置の制御方法において、
前記第１の電位井戸領域の電荷の境界電位を前記センシング領域の電位と等しくするセンシングステップと、
前記センシングステップにおいて前記第１の電位井戸領域に保持された電荷の量を検出する検出ステップと、を含む化学・物理現象検出装置の制御方法。
このように規定される第４の局面に規定の化学・物理現象検出装置の制御方法によれば、第１の局面で説明した効果と同様の効果が得られる。
この発明の第５の局面は次のように規定される、即ち、第４の局面に規定の化学・物理現象検出装置の制御方法において、前記電荷蓄積層は前記第１の電位井戸領域、第２の電位井戸領域及び前記第１の電位井戸領域と前記第２の電位井戸領域との間に配置されるＡＧ領域と備え、
前記ＡＧ領域の電位を調節して前記第１の電位井戸領域に保持された電荷を前記第２の電位井戸領域へ移送してそこに累積する累積ステップが更に含まれ、
前記検出ステップでは前記第２の電位井戸領域に累積された電荷の量を検出する。
このように規定される第５の局面に規定の化学・物理現象検出装置の制御方法によれば、第２の局面と同様に高精度の検出が可能となる。
この発明の第６の局面は次のように規定される、即ち、第４の局面に規定の化学・物理現象検出装置の制御方法において、前記電荷蓄積層は、前記第１の電位井戸領域、第２の電位井戸領域及び前記第１の電位井戸領域と前記第２の電位井戸領域との間に配置されるＡＧ領域と備え、
前記半導体基板は、前記センシング領域へ電荷を供給する電荷供給領域と、
前記電荷供給領域と前記センシング領域との間に形成されて、前記電荷供給領域から前記センシング領域への電荷の供給を調整する電荷供給調整領域と、を備え、
前記センシング領域が光感応性を有する該化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
前記ＡＧ領域と前記電荷供給調整領域の電位の絶対値を、
前記電荷供給調整領域＜前記ＡＧ領域≦前記センシング領域、
とするステップと、
入射した光に応じてセンシング領域に生じた電荷を、前記ＡＧ領域を介して、前記第２の電位井戸領域に移送するステップと、
が更に含まれる。
このように規定される第６の局面の化学・物理現象検出装置の制御方法によれば、ｐＨ等の化学現象を検出する装置を用いて光の検出も可能となる。
この発明の第１の実施形態のｐＨセンサ１の構成を示す断面図である。 同じくｐＨセンサ１の平面構造を示す。 同じくｐＨセンサ1の回路図である。 変形態様のｐＨセンサ２１の構成を示す断面図である。 第１の実施形態のｐＨセンサ１の動作を示す。 第１の実施形態のｐＨセンサ１が光センサとして動作することを示す。 この発明の第２の実施形態のｐＨセンサ３１の構成を示す断面図である。 同じくｐＨセンサ３１の回路図である。 同じくｐＨセンサ３１の動作を示す。 この発明の第３の実施形態のｐＨセンサ４１の構成を示す断面図である。 同じくｐＨセンサ４１の回路図である。 同じくｐＨセンサ４１の動作を示す。 この発明の第４の実施形態のｐＨセンサ５１の構成を示す断面図である。 同じくｐＨセンサ５１の回路図である。 同じくｐＨセンサ５１の動作を示す。 この発明の第５の実施形態のｐＨセンサ６１の構成を示す断面図である。 同じくｐＨセンサ６１の回路図である。 同じくｐＨセンサ６１の動作を示す。 この発明の第６の実施形態のｐＨセンサ７１の構成を示す断面図である。 同じくｐＨセンサ７１の回路図である。 同じくｐＨセンサ７１の動作を示す。
（第１の実施形態）
この発明の第１の実施形態の化学・物理現象検出装置としてｐＨセンサ１の原理的な構成を図１に示す。
このｐＨセンサ１は半導体基板１０とその上に積層される構造体とから構成される。
導体基板１０には、電荷が供給される電荷供給領域IDから電荷移送方向へ順に、第２のゲート領域ICG、第３の電位井戸領域ＦＤ３、センシング領域３、第１の電位井戸領域ＦＤ１、第1のゲート領域ＡＧ、第２の電位井戸領域ＦＤ２が区画される。
各領域の区画は半導体基板１０における伝導型の違いにより規定される。例えば、電荷として電子を用いた場合、電荷供給領域ＩＤ、第１〜第３電位井戸領域ＦＤ１〜ＦＤ３はｎ+型の領域であり、第２のゲート領域ＩＣＧ、第１のゲート領域ＡＧ及びセンシング領域３はｐ型の領域である。
半導体基板１０の表面には酸化シリコン絶縁膜１１が積層され、その上に、第２のゲート領域ＩＣＧの対向位置に当該第２のゲート領域ＩＣＧの電位を制御するICG電極１５が積層され、同様に第１のゲート領域ＡＧの対向位置にその電位を制御するＡG電極１７が積層される。センシング領域３に対応する部分には感応膜として窒化シリコン膜１３が積層される。この窒化シリコン膜１３は、ICG電極１５やＡG電極１７よりも後に形成されるため、これらの電極も被覆している。
各領域の面積や平面形状、ドーパントの導入量、更には感応膜の材質はセンサの測定対象、測定条件及び要求される感度等を考慮して任意に設計できる。
図２にｐＨセンサ１の平面構造を示す。図２の例に示すように、矩形のセンシング領域３を採用して、隣り合う２辺の一方の辺へ、その辺から順に第３の電位井戸領域ＦＤ３−第２のゲート領域ＩＣＧ−電荷供給領域ＩＤを形成し、他方の一辺へ、当該辺から順に第１の電位井戸領域ＦＤ１、第１のゲート領域ＡＧ、第２の電位井戸領域ＦＤ２を設けているが、各領域を直線状にならべてもよい。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ指示線の断面構造である。
上記において、第２のゲート領域ＩＣＧは電荷供給領域ＩＤからセンシング領域３へ供給される電荷の量を調整し、第１のゲート領域ＡＧは第１の電位井戸領域ＦＤ１に保持された電荷を第２の電位井戸領域ＦＤ２へ移送することを制御する。第１の電位井戸領域ＦＤ１、第１のゲート領域ＡＧ及び第２の電位井戸領域ＦＤ２により電荷蓄積領域５が規定される。
第２の電位井戸領域ＦＤ２にはこれに蓄積された電荷を排出するリセットゲートＲＧと蓄積された電荷量を検出する電荷量検出部９とが接続される。これらリセットゲートＲＧ及び電荷量検出部９には汎用的な回路を採用できる。
図３に、ｐＨセンサ１の回路図を示す。
なお、電荷供給領域ＩＤ及び第１〜第３の電位井戸領域ＦＤ１〜ＦＤ３はｎ型ドーパントでドープされている。当該ドープは、酸化シリコン絶縁膜１１を形成する前に、半導体基板１０の表面にマスクをしてｎ型ドーパントを打ち込んで行う。マスク処理の回数をできる限り少なくする見地から、電荷供給領域ＩＤ及び第１〜第３の電位井戸領域ＦＤ１〜ＦＤ３のドープ条件を同じにすることが好ましい。その結果、これら４層には１度のドープ処理により同一のドーパントが同一の濃度で導入される。
図１に示すｐＨセンサ１によれば、ＩＣＧ電極１５の側面側に窒化シリコン層１３が存在しても、これに対向する基板の領域は第３の電位井戸領域ＦＤ３とされ、この第３の電位井戸領域ＦＤ３の電位はセンシング領域の電位より高いので、電位障壁の形成が防止される。
第３の電位井戸領域ＦＤ３はＩＣＧ電極１５のセンシング領域側の側面を被覆する窒化シリコン膜１３を図１で下方の第３の電位井戸領域ＦＤ３に投影したとき、窒化シリコン膜１３が第3の電位井戸領域ＦＤ３内に収まるようにする。
第３の電位井戸領域ＦＤ３の幅は、エッチング変換差やマスクズレを考慮して任意に設定可能である。この実施形態では２．０μｍプロセス（即ち、最少チャンネル長が２．０μｍ）において、第３の電位井戸領域３の幅を１．２０μｍとした。
図４にはエクステンデッドタイプのｐＨセンサ２１を示す。
なお、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を部分的に省略する。
ダイレクトタイプの図１のｐＨセンサ１と図４のｐＨセンサ２１とは、半導体基板１０において同等の構成を採用し、その上に、酸化シリコン絶縁層２２を介して積層される構造体において異なる。
図４に示すｐＨセンサ２１では、酸化シリコン絶縁膜１１の全面に酸化シリコン絶縁層２２が積層され、この酸化シリコン層２２の表面に感応膜としての窒化シリコン膜２３が積層される。この窒化シリコン膜２３の電位変化は酸化シリコン絶縁層２２内に埋設された金属材料などからなる導電層２５、２６、２７を介してセンシング領域規定電極２８に伝達される。なお、感応層２３として五酸化タンタル膜を用いることもできる。
これにより、測定対象のｐＨに対応する窒化シリコン層２３の電位がセンシング領域３の電位に反映される。
なお、図４に示すエクステンデッドタイプのｐＨセンサ２１は汎用のプロセスで形成が可能であり、勿論、酸化シリコン絶縁層を多層とすることもできる（特表２０１０−５３５３６０号公報参照。この文献の記載はこの明細書の一部として取り入れられる。）。
次に、図５を参照しながらｐＨセンサ１の動作を説明する。なお、図４に示すｐＨセンサ２１の動作も同様である。
図示しないスタンバイ状態において、第２の電位井戸領域ＦＤ２に接続されたリセットゲートＲＧが高電位となり、第２の電位井戸領域ＦＤ２の電荷が外部へ排出されている。
（１）電荷充填ステップ
図５Ａでは、第1のゲートＡＧ領域の電位をセンシング領域３よりも充分低くして、電荷供給領域ＩＤから電荷を供給し、第１の電位井戸領域ＦＤ１を電荷で充満させる。このとき、第２のゲート領域ICGの電位はセンシング領域３よりも充分高く、この状態は以降維持される。
（２）センシングステップ
図５Ｂでは、電荷供給領域ＩＤの電位を高くして電子を排出させる。これにより、センシング領域３の電子も電荷供給領域ＩＤ側から排出されて、第１の電位井戸領域ＦＤ１のみに電荷が残置される（図５Ｃ参照）。ここに、第３の電位井戸領域ＦＤ３が存在するので、センシング領域３と第２のゲート領域との間に電位障壁が生ずることなく、センシング領域３の電子は完全に除去され、残存することはない。
このとき、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子の最低電位（境界電位）はセンシング領域３の電位に等しい。
（３）電荷累積ステップ
図５Ｄでは、第１のゲート領域ＡＧの電位を上げて所定値として、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子を第２の電位井戸領域ＦＤ２に移送する。移送された電荷量はセンシング領域３の電位と第１のゲート領域ＡＧの所定電位との電位差に対応し、後者が固定されておれば移送される電荷量はセンシング領域３の電位の高さに依存する。
換言すれば、センシング領域３の電位の高さが第２の電位井戸領域ＦＤ２に蓄積される電子の量に反映される（図５Ｅ）。
第２の電位井戸領域ＦＤ２に電子を蓄積した状態で、上記（１）〜（３）のステップを繰り返す（図５Ｆ〜図５Ｉ参照）。これにより、図５Ｊに示すように、第２の電位井戸領域ＦＤ２に電子が累積される。
第２の電位井戸領域ＦＤ２に累積された電子は、既述のように、センシング領域３の電位（即ち検出対象のｐＨ値）に対応しているので、当該第２の電位井戸領域ＦＤ２に蓄積された電子を電荷量検出部９で検出し、測定対象のｐＨを特定する。
その後、第２の電位井戸領域ＦＤ２の電荷はリセットゲートＲＧを介して排出され、スタンバイ状態に戻る。
このように構成された実施形態のｐＨセンサ１によれば、センシング領域３の上に電荷のプールを何ら形成することなく、検出対象のｐＨ値を測定できる。
図６を用いて、図１のｐＨセンサ１の光センサとしての動作を説明する。
（６−１）準備ステップ
図６Ａでは、スタンバイ状態（第２の電位井戸領域ＦＤ２が空の状態）から、第1のゲート領域ＡＧの電位をセンシング領域３よりも充分低くして、電荷供給領域ＩＤから電荷を供給し、第１の電位井戸領域ＦＤ１を電荷で充満させる。このとき、第２のゲート領域ICGの電位はセンシング領域３よりも充分高い。
図６Ｂでは、第２のゲート領域ＩＣＧの電位を下げて、電荷供領域ＩＤと第３の電位井戸領域ＦＤ３を分離し、その間の電子の移動を禁止する。その後、電荷供給領域ＩＤの電荷を排出する。
次に、図６Ｃに示すように、第１のゲート領域ＡＧの電位を上げて、第３の電位井戸領域ＦＤ３、センシング領域３及び第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子であって、第１のゲート領域ＡＧの電位より低い電位のものを第２の電位井戸領域ＦＤ２へ移送する。このとき、第１のゲート領域ＡＧの電位はセンシング領域３の電位より低いか、等しくする。
その後、第２の電位井戸領域ＦＤ２の電子はリセットトゲートＲＧを介して外部へ排出される（図６Ｅ）。
（６−２）センシングステップ
この状態で、例えばシャッタを開いてセンシング領域３に光を入射させると、入射された光はセンシング領域下に形成される空乏層領域及びその近傍で入射光用に対応した電子を生成する。このようにして生成された電子は第１のゲート領域ＡＧを乗り越えて第２の電位井戸領域ＦＤ２に累積される（図６Ｅ〜Ｇ）。
このようにして第２の電位井戸領域ＦＤ２に蓄積された電子量を検出して、センシング領域に入射した光量を特定する。
その後、第２の電位井戸領域ＦＤ２の電子はリセットゲートＲＧを介して排出され、スタンバイ状態に戻る。
第１のゲート領域ＡＧの電位≦センシング領域３の電位とする。ここに、第１のゲート領域ＡＧの電位をセンシング領域３の電位より低くすることがより好ましい。例えば、第３の電位井戸領域ＦＤ３を省略したとき生じる電位障壁をセンシング領域３の上に形成される電子プールに埋没させられるからである。
図７に他の実施形態のｐＨセンサ３１を示す。図８はその回路図である。
このｐＨセンサ３１は図１に示すｐＨセンサ１から第３の電位井戸領域ＦＤ３を省略したものである。ｐＨセンサ３１において図１に示すｐＨセンサ１と同一の要素には同一の参照番号を付してその説明を省略する。
このｐＨセンサ３１のｐＨ検出動作において、電荷供給領域ＩＤ、第２のゲート領域ＩＣＧ、第１のゲート領域ＡＧ、電荷量検出部９及びリセットゲートＲＧの動作は図５と同じである。
このｐＨセンサ３１を光センサとして動作を図９に示す。
図９Ａ〜図９Ｇにおいて、電荷供給領域ＩＤ、第２のゲート領域ＩＣＧ、第１のゲート領域ＡＧ、電荷量検出部９及びリセットゲートＲＧの各動作は全て図６Ａ〜図６Ｇで説明した動作と同一である。
図１０に他の実施形態のｐＨセンサ４１を示す。図１１はその回路図である。
このｐＨセンサ４１は図１に示すｐＨセンサ１から第２のゲート領域ＩＣＧ及び第３の電位井戸領域ＦＤ３を省略したものである。ｐＨセンサ４１において図１に示すｐＨセンサ１と同一の要素には同一の参照番号を付してその説明を省略する。
このように構成されたｐＨセンサ４１は、図１に示すｐＨセンサ１に比べ、ＩＣＧ電極１５が省略できるので、高集積化に適したものとなる。
ｐＨセンサ４１のｐＨ検出動作を図１２に示す。
図示しないスタンバイ状態において、第２の電位井戸領域ＦＤ２に接続されたリセットゲートＲＧが高電位となり、第２の電位井戸領域ＦＤ２の電荷が外部へ排出されている。
（１）電荷充填ステップ
図１２Ａでは、第２のゲート領域ＡＧの電位をセンシング領域３よりも充分低くして、電荷供給領域ＩＤから電子を供給し、第１の電位井戸領域ＦＤ１を電子で充満させる。
（２）センシングステップ
図１２Ｂでは、電荷供給領域ＩＤの電位を高くして電子を排出させる。これにより、センシング領域３の電子も電荷供給領域ＩＤ側から排出されて、第１の電位井戸領域ＦＤ１のみに電子が残置される（図１２Ｃ参照）。
このとき、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子の最低電位（境界電位）はセンシング領域３の電位に等しい。
（３）電荷累積ステップ
図１２Ｄでは、第１のゲート領域ＡＧの電位を上げて所定値として、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子を第２の電位井戸領域ＦＤ２に移送する。移送された電子量はセンシング領域３の電位と第１のゲート領域ＡＧの所定電位との電位差に対応し、後者が固定されておれば移送される電子量はセンシング領域３の電位の高さに依存する。
換言すれば、センシング領域３の電位の高さが第２の電位井戸領域ＦＤ２に蓄積される電子の量に反映される（図１２Ｅ）。
図１３に他の実施形態のｐＨセンサ５１を示す。図１４は回路図である。
このｐＨセンサ５１は図１に示すｐＨセンサ１から第１のゲート領域ＡＧ及び第２の電位井戸領域ＦＤ２を省略したものである。ｐＨセンサ５１において図１に示すｐＨセンサ１と同一の要素には同一の参照番号を付してその説明を省略する。この例では、第１の電位井戸領域ＦＤ１が電荷蓄積領域５５となる。
ｐＨセンサ４１のｐＨ検出動作を図１５に示す。
（１）電荷充填ステップ
図１５Ａでは、電荷供給領域ＩＤから電荷を供給し、第１の電位井戸領域ＦＤ１を電荷で充満させる。このとき、第２のゲート領域ICGの電位はセンシング領域３よりも充分高く、この状態は以降維持される。
（２）センシングステップ
図１５Ｂでは、電荷供給領域ＩＤの電位を高くして電子を排出させる。これにより、センシング領域３の電子も電荷供給領域ＩＤ側から排出されて、第１の電位井戸領域ＦＤ１のみに電荷が残置される（図１５Ｃ参照）。ここに、第３の電位井戸領域ＦＤ３が存在するので、センシング領域３と第２のゲート領域ＩＣＧとの間に電位障壁が生ずることなく、センシング領域３の電子は完全に除去され、残存することはない。
このとき、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子の最低電位（境界電位）はセンシング領域３の電位に等しい。
第１の電位井戸領域ＦＤ１の最大電位（図では底面電位）は固定なので（不純物の種類、量による）、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在しうる電子の量はセンシング領域３の電位に依存する。
換言すれば、センシング領域３の電位の高さが第１の電位井戸領域ＦＤ１に蓄積される電子の量に反映される。
（３）電荷量検出ステップ
第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子の量を電子量検出部９で検出し、ｐＨ値を特定する。その後、リセットゲートＲＧを動作させて第１の電位井戸領域ＦＤ１の電子を排出し、スタンバイ状態とする（図１５Ｄ参照）。
このように構成されたｐＨセンサ５１は、第１に示すｐＨセンサ１に比べ、ＩＣＧ電極１５が省略され、その結果当該電極を制御するためのトランジスタ及びそれに関する配線を省略できるので、高集積化に適したものとなる。
図１６に他の実施形態のｐＨセンサ６１を示す。図１７はその回路図である。
このｐＨセンサ６１は図１に示すｐＨセンサ１から第１のゲート領域ＡＧ及び第２の電位井戸領域ＦＤ２並びに第２のゲート領域ＩＣＧ及び第３の電位井戸領域ＦＤ３を省略したものである。ｐＨセンサ６１において図１に示すｐＨセンサ１と同一の要素には同一の参照番号を付してその説明を省略する。この例では、第１の電位井戸領域ＦＤ１が電荷蓄積領域６５となる。
ｐＨセンサ６１のｐＨ検出動作を図１８に示す。
図示しないスタンバイ状態において、第１の電位井戸領域ＦＤ１に接続されたリセットゲートＲＧが高電位となり、第１の電位井戸領域ＦＤ１の電荷が外部へ排出されている。
（１）電荷充填ステップ
図１８Ａでは、電荷供給領域ＩＤから電荷を供給し、第１の電位井戸領域ＦＤ１を電荷で充満させる。
（２）センシングステップ
図１８Ｂでは、電荷供給領域ＩＤの電位を高くして電子を排出させる。これにより、センシング領域３の電子も電荷供給領域ＩＤ側から排出されて、第１の電位井戸領域ＦＤ１のみに電荷が残置される（図１８Ｃ参照）。
このとき、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子の最低電位（境界電位）はセンシング領域３の電位に等しい。
第１の電位井戸領域ＦＤ１の最大電位（図では底面電位）は固定なので（不純物の種類、量による）、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在しうる電子の量はセンシング領域３の電位に依存する。
換言すれば、センシング領域３の電位の高さが第１の電位井戸領域ＦＤ１に蓄積される電子の量に反映される。
（３）電荷量検出ステップ
第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子の量を電子量検出部９で検出し、ｐＨ値を特定する。その後、リセットゲートＲＧを動作させて第１の電位井戸領域ＦＤ１の電子を排出し、スタンバイ状態とする（図１８Ｄ参照）。
このように構成されたｐＨセンサ６１は、図１に示すｐＨセンサ１に比べ、２つの電極（ＩＣＧ電極１５、ＡＧ電極）が省略され、その結果、これら電極を制御する電子デバイス及びそれに関する配線を省略できるので、高集積化に適したものとなる。
図１９に他の実施形態のｐＨセンサ７１を示す。図２０はその回路図である。
このｐＨセンサ７１は図１６に示すｐＨセンサ６１からリセットゲートＲＧを省略したものである。ｐＨセンサ７１において図１６に示すｐＨセンサ６１と同一の要素には同一の参照番号を付してその説明を省略する。
ｐＨセンサ７１のｐＨ検出動作を図２１に示す。
（１）電荷充填ステップ
図２１Ａでは、電荷供給領域ＩＤから電荷を供給し、第１の電位井戸領域ＦＤ１を電荷で充満させる。
（２）センシングステップ
図２１Ｂでは、電荷供給領域ＩＤの電位を高くして電子を排出させる。これにより、センシング領域３の電子も電荷供給領域ＩＤ側から排出されて、第１の電位井戸領域ＦＤ１のみに電荷が残置される（図２１Ｃ参照）。
このとき、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子の最低電位（境界電位）はセンシング領域３の電位に等しい。
第１の電位井戸領域ＦＤ１の最大電位（図では底面電位）は固定なので（不純物の種類、量による）、第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在しうる電子の量はセンシング領域３の電位に依存する。
換言すれば、センシング領域３の電位の高さが第１の電位井戸領域ＦＤ１に蓄積される電子の量に反映される。
（３）電荷量検出ステップ
第１の電位井戸領域ＦＤ１に存在する電子の量を電子量検出部９で検出し、ｐＨ値を特定する。
図１６のｐＨセンサ６１では、第１の電位井戸領域ＦＤ１に蓄積された電荷をリセットゲートＲＧにより排出していたが、このｐＨセンサ７１ではかかる排出作業は省略される。即ち、第１の電位井戸領域ＦＤ１に電荷を蓄積した状態で、電荷供給領域ＩＤから電荷を供給して図２１Ａの状態を実現する。
このように構成されたｐＨセンサ７１は、図１６に示すｐＨセンサ６１に比べ、リセットゲートＲＧが省略されるので、更に高集積化に適したものとなる。また、電荷を排出する工程が省略されるので、高速化にも適したものとなる。
なお、図１３に示すｐＨセンサ５１においても、上記と同様に、リセットゲートＲＧを省略できる。
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。特許請求に範囲の記載の趣旨を逸脱せず、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。
１、２１、３１、４１、５１、６１、７１ 化学・物理現象検出装置（ｐＨセンサ）
３ センシング領域
５、４５、５５ 電荷蓄積領域
９ 電荷量検出部
１０ 半導体基板
１１ シリコン酸化膜（絶縁膜）
１３ 窒化シリコン膜（感応膜）
１５ ＩＣＧ電極
１７ ＡＧ電極
ＩＤ 電荷供給領域
ＩＣＧ 第２のゲート領域（電荷供給調整領域）
ＡＧ 第１のゲート領域
ＦＤ１〜ＦＤ３ 第１の電位井戸領域〜第３の電位井戸領域
ＲＧ リセットゲート

Claims (7)

  1. 外部環境の変化に対応して電位が変化するセンシング領域と電荷蓄積領域とを区画した半導体基板を備え、前記センシング領域の電位が反映された量の電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積され、該電荷の量を検出する化学・物理現象検出装置であって、
    前記電荷蓄積領域は前記センシング領域に連続した第１の電位井戸領域を含み、
    前記第１の電位井戸領域に保持される電荷の境界電位を前記センシング領域の電位と等しくすることで、前記センシング領域の電位を前記第１の電位井戸領域に保持される電荷の電荷量に反映させる、化学・物理現象検出装置であって、
    前記センシング領域と前記第１の電位井戸領域に電荷を供給し、該供給した電荷を排出する電荷供給領域が更に備えられ、該電荷供給領域による電荷の排出により前記第１の電位井戸領域に保持される電荷の境界電位と前記センシング領域の電位とが等しくされる、化学・物理現象検出装置。
  2. 前記電荷蓄積領域は前記第１の電位井戸領域、第２の電位井戸領域及び前記第１の電位井戸領域と前記第２の電位井戸領域との間に配置されるＡＧ領域と備え、前記ＡＧ領域の電位を調節して前記第１の電位井戸領域に保持された電荷を前記第２の電位井戸領域へ移送し、該第２の電位井戸領域に累積された電荷量を検出する、請求項１に記載の化学・物理現象検出装置。
  3. 前記半導体基板は、更に
    前記センシング領域へ電荷を供給する電荷供給領域と、
    前記電荷供給領域と前記センシング領域との間に形成されて、前記電荷供給領域から前記センシング領域への電荷の供給を調整する電荷供給調整領域と、
    前記電荷供給調整領域と前記センシング領域との間において前記センシング領域に連続して形成される第３の電位井戸領域と、を備える請求項１又は２に記載の化学・物理現象検出装置。
  4. 外部環境の変化に対応して電位が変化するセンシング領域と電荷蓄積領域とを区画した半導体基板を備え、前記センシング領域の電位が反映された量の電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積され、該電荷の量を検出する化学・物理現象検出装置であって、
    前記電荷蓄積領域は前記センシング領域に連続した第１の電位井戸領域と電荷供給領域とを含む化学・物理現象検出装置の制御方法において、
    前記電荷供給領域から前記センシング領域と前記第１の電位井戸領域に電荷を供給し、該供給した電荷を排出するステップと、
    電荷排出後の前記第１の電位井戸領域の電荷の境界電位を前記センシング領域の電位と等しくするセンシングステップと、
    前記センシングステップにおいて前記第１の電位井戸領域に保持された電荷の量を検出する検出ステップと、を含む化学・物理現象検出装置の制御方法。
  5. 前記電荷蓄積領域は前記第１の電位井戸領域、第２の電位井戸領域及び前記第１の電位井戸領域と前記第２の電位井戸領域との間に配置されるＡＧ領域と備え、
    前記ＡＧ領域の電位を調節して前記第１の電位井戸領域に保持された電荷を前記第２の電位井戸領域へ移送してそこに累積する累積ステップが更に含まれ、
    前記検出ステップでは前記第２の電位井戸領域に累積された電荷の量を検出する、請求項４に記載の化学・物理現象検出装置の制御方法。
  6. 外部環境の変化に対応して電位が変化するセンシング領域と電荷蓄積領域とを区画した半導体基板を備え、前記センシング領域の電位が反映された量の電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積され、該電荷の量を検出する化学・物理現象検出装置であって、
    前記電荷蓄積領域は前記センシング領域に連続した第１の電位井戸領域、第２の電位井戸領域及び前記第１の電位井戸領域と前記第２の電位井戸領域との間に配置されるＡＧ領域と備え、
    前記半導体基板は、更に、
    前記センシング領域へ電荷を供給する電荷供給領域と、
    前記電荷供給領域と前記センシング領域との間に形成されて、前記電荷供給領域から前記センシング領域への電荷の供給を調整する電荷供給調整領域と、を備え、
    前記センシング領域は光感応性を有する該化学・物理現象検出装置の制御方法であって、
    前記電荷供給領域及び前記電荷供給調整領域を介して電荷を前記センシング領域と前記第１の電位井戸領域に供給するステップと、
    前記ＡＧ領域を介して前記供給された電荷を前記第２の電位井戸領域から排出するステップであって、前記ＡＧ領域と前記電荷供給調整領域の電位の絶対値を、
    前記電荷供給調整領域＜前記ＡＧ領域≦前記センシング領域、
    とするステップと、
    入射した光に応じてセンシング領域に生じた電荷を、前記ＡＧ領域を介して、前記第２の電位井戸領域に移送するステップと、
    該第２の電位井戸領域に移送された電荷の電荷量を検出するステップと、
    が含まれる化学・物理現象検出装置の制御方法。
  7. 外部環境の変化に対応して電位が変化するセンシング領域と電荷蓄積領域とを区画した半導体基板を備え、前記センシング領域の電位が反映された量の電荷が前記電荷蓄積領域に蓄積され、該電荷の量を検出する化学・物理現象検出装置であって、
    前記電荷蓄積領域は前記センシング領域に連続した第１の電位井戸領域を含む化学・物理現象検出装置の制御方法において、
    前記センシング領域と前記第１の電位井戸領域に電荷がともに供給されている状態から、前記第１の電位井戸領域とは異なる井戸領域を介して前記電荷を排出し、前記第１の電位井戸領域の電荷の境界電位を前記センシング領域の電位と等しくするセンシングステップと、
    前記センシングステップにおいて前記第１の電位井戸領域に保持された電荷の量を検出する検出ステップと、を含む化学・物理現象検出装置の制御方法。
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