KR101128855B1 - 이중 게이트를 갖는 수평형 바이폴라 접합 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중 게이트를 갖는 수평형 바이폴라 접합 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자에 관한 것으로, 기준전극; 이온 수용액과 접촉하여 수소이온을 감지하는 감지부; 및 측면 콜렉터, 베이스, 에미터, 상기 수용액과 접촉하는 센싱 게이트 및 접촉하지 않는 보조 게이트를 구비하며, 상기 에미터를 상기 게이트 및 측면 콜렉터가 둘러싸는 고리 형상을 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터(LBJT: Lateral Bipolar Junction Transistor)를 포함하되, 상기 센싱 게이트 및 보조 게이트는 상기 고리 형상에서 반씩 양분되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 기존의 ISFET처럼 게이트 전압에 의해 동작점을 조정 가능할 뿐만 아니라, 에미터 전압(voltage)을 고정한 상태에서 베이스 전류에 의해 동작점의 조정이 가능하다.
또한, 개방 게이트(open gate) 방식의 LPCVD로 형성된 양질의 질화막을 사용할 수 있다는 장점과 소자에 알맞게 제작공정을 변경할 수 있다는 장점이 있다. 게이트 감지막에 병렬로 연결된 FET는 소자의 동작점을 조정시키고 기준전극과 수용액없이도 소자의 전기적 특성을 확인할 수 있으며, 측정간 소자에 축적되는 전하를 방전시켜 소자의 파괴방지 및 특성을 안정화시키는 장점이 있다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 기존의 ISFET처럼 게이트 전압에 의해 동작점을 조정 가능할 뿐만 아니라, 에미터 전압(voltage)을 고정한 상태에서 베이스 전류에 의해 동작점의 조정이 가능하다.
또한, 개방 게이트(open gate) 방식의 LPCVD로 형성된 양질의 질화막을 사용할 수 있다는 장점과 소자에 알맞게 제작공정을 변경할 수 있다는 장점이 있다. 게이트 감지막에 병렬로 연결된 FET는 소자의 동작점을 조정시키고 기준전극과 수용액없이도 소자의 전기적 특성을 확인할 수 있으며, 측정간 소자에 축적되는 전하를 방전시켜 소자의 파괴방지 및 특성을 안정화시키는 장점이 있다.
Description
본 발명은 이온 감지소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MOS 하이브리드 모드로 동작하고, 이중 게이트를 갖는 수평형 바이폴라 접합 트랜지스터를 이용한 수소 이온 감지소자에 관한 것이다.
수소 이온은 산업계뿐만 아니라 생물의 삶을 지속시키기 위한 여러가지 전해질이 존재하며, 각 전해질은 생명이 지속되는 동안 각각 일정한 범위의 농도 값을 유지한다. pH는 화학반응이나 물질의 화학적 성질을 이해함에 있어 중요한 요소이다. 측정 대상이 포함된 용액의 성질을 판단 시 중요한 파라미터는 pH이다. 이때 pH를 정량적으로 계측하기 위해 필요한 것이 pH 센서이다.
pH의 측정은 물질의 화학적 성질을 규명하는데 뿐만 아니라, 화학반응을 조절하기 위한 첫번째 단계이기도 하다. pH측정은 현재 많은 분야에서 응용되고 있는데, 물(water)과 관련된 산업 분야를 포함하여 화학산업, 공중 보건, 농업, 수산업, 생물학 관련 산업 등에서도 널리 쓰이고 있다.
이러한 수소이온농도의 대수 값인 pH(power of hydrogen)를 측정하는 센서로는 ISE(ion selective electrode), ISFET(ion selective field effect transistor), LAPS(light addressable potentiometric sensor) 등이 주로 연구되고 있다.
최근, 수소이온농도를 측정할 수 있는 새로운 개념의 반도체 소자들이 보고되고 있다. 예를 들면 전하전송기술, GaAs AlGaN/GaN HEMT 기법을 적용한 것이 대표적인 예가 된다. 이러한 연구들은 intrinsic FET 이론을 근간으로 하여 새로운 감지물질을 이용한 감도 향상 혹은 특정한 주변 회로를 부가하여 안정성을 향상시키려는 화학감지변환기에 관한 일반적인 연구와 다른 경향이다. 이러한 최근의 연구들은 감지막의 물리적인 한계인 Nernst 감도를 넘어서는 결과를 보여주고 있다.
이러한 경향의 연장선에서 기존의 개발된 실리콘 기반의 MOS기술을 이용하여 새로운 전기 특성을 나타내는 소자를 개발하여 새로운 응용분야를 개척하고 고감도를 구현하는 새로운 전자 소자의 개발이 필요한 실정이다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는 기존의 ISFET처럼 게이트 전압에 의해 동작점을 조정 가능할 뿐만 아니라, 에미터 전압(voltage)을 고정한 상태에서 베이스 전류에 의해 동작점의 조정이 가능하며, 소자는 전류형식으로 pH값을 출력 가능한 이온감지소자를 제공하기 위함이다.
또한, 전류형식의 출력은 외부잡음의 유입에 강한 처리 방식이며, 또한 전압형식의 측정은 기존의 방식인 pH에 따른 문턱전압의 변동을 이용해서 측정을 하며 이때 바이폴라 소자의 출력성분으로 인해 파일럿신호로 이용할 수 있어 신호처리에 유용한 이온감지소자를 제공하기 위함이다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 특징은 기준전극; 이온 수용액과 접촉하여 수소이온을 감지하는 감지부; 및 측면 콜렉터, 베이스, 에미터, 수직 콜렉터, 상기 수용액과 접촉하는 센싱 게이트 및 접촉하지 않는 보조 게이트를 구비하며, 상기 에미터를 상기 게이트 및 측면 콜렉터가 둘러싸는 고리 형상을 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터(LBJT: Lateral Bipolar Junction Transistor)를 포함하되, 상기 센싱 게이트 및 보조 게이트는 상기 고리 형상에서 반씩 양분되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 감지부는, 상기 센싱 게이트가 위치한 영역으로 게이트 산화막 위에 형성된 질화 실리콘막인 것이 바람직하고, 상기 보조게이트는 폴리실리콘을 재질로 하고, 상기 수용액 및 상기 기준전극이 없이도 상기 소자의 동작여부를 측정할 수 있는 것이 바람직하다.
더하여, 바람직하게는 상기 트랜지스터는 PNP형 또는 NPN형 수평형 바이폴라 트랜지스터(LBJT: Lateral Bipolar Junction Transistor)인 것일 수 있다.
이와 같은 본 발명을 제공하면, 기존의 ISFET처럼 게이트 전압에 의해 동작점을 조정 가능할 뿐만 아니라, 에미터 전압(voltage)을 고정한 상태에서 베이스 전류에 의해 동작점의 조정이 가능하다.
소자는 전류형식으로 pH값을 출력하며, 이 전류형식의 출력은 외부잡음의 유입에 강한 처리 방식이며, 또한 전압형식의 측정은 기존의 방식인 pH에 따른 문턱전압의 변동을 이용해서 측정을 하며 이때 바이폴라 소자의 출력성분으로 인해 파일럿신호로 이용할 수 있어 신호처리에 유용하다.
또한, 개방 게이트(open gate) 방식의 LPCVD로 형성된 양질의 질화막을 사용할 수 있다는 장점과 소자에 알맞게 제작공정을 변경할 수 있다는 장점이 있으며, 게이트 감지막에 병렬로 연결된 FET 소자의 동작점을 조정시키고 수용액에서 측정 전에 소자의 전기적 특성을 조사할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 게이트(duo-gate)를 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자의 구성을 나타낸 평면도와 실제 제작된 소자 사진,
도 2는 본 발명에 따른 이중 게이트(duo-gate)를 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자의 구성의 측면을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 이중 gate를 갖는 LBJT를 이용한 이온 감지소자의 등가회로와 심볼을 나타낸 도면,
도 4는 베이스 바이어스에 대한 본 발명에 따른 이온 감지소자의 전압 및 전류 특성을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 이온 감지소자의 에미터 베이스 순바이어스에 따른 IC-IB Gummel 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 이온 감지소자를 MOSFET 모드로 구동한 VRG-ID특성을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 이온 감지소자의 ID-VDS에 따른 pH 응답을 나타낸 그래프,
도 8은 베이스 전류 및 pH 변화에 따른 본 발명에 따른 이온 감지소자의 ID-VG 특성을 나타낸 그래프,
도 9는 폴리실리콘 게이트가 포함된 베이스 전류 및 pH 변화에 따른 본 발명의 이온 감지소자의 에미터 공통모드(Common emitter)특성을 나타낸 그래프,
도 10은 콜렉터 공통모드(common collector)로 pH 변화에 따른 이온 감지소자의 IE-VEC 특성을 나타낸 그래프,
도 11은 실제 제작된 소자를 위에서 본 광학현미경 사진(a), 센싱에리어 주변을 FIB(focused ion beam)으로 절단하여 본 전자현미경 사진(b)이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중 게이트(duo-gate)를 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자의 구성의 측면을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 이중 gate를 갖는 LBJT를 이용한 이온 감지소자의 등가회로와 심볼을 나타낸 도면,
도 4는 베이스 바이어스에 대한 본 발명에 따른 이온 감지소자의 전압 및 전류 특성을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 이온 감지소자의 에미터 베이스 순바이어스에 따른 IC-IB Gummel 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 이온 감지소자를 MOSFET 모드로 구동한 VRG-ID특성을 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 이온 감지소자의 ID-VDS에 따른 pH 응답을 나타낸 그래프,
도 8은 베이스 전류 및 pH 변화에 따른 본 발명에 따른 이온 감지소자의 ID-VG 특성을 나타낸 그래프,
도 9는 폴리실리콘 게이트가 포함된 베이스 전류 및 pH 변화에 따른 본 발명의 이온 감지소자의 에미터 공통모드(Common emitter)특성을 나타낸 그래프,
도 10은 콜렉터 공통모드(common collector)로 pH 변화에 따른 이온 감지소자의 IE-VEC 특성을 나타낸 그래프,
도 11은 실제 제작된 소자를 위에서 본 광학현미경 사진(a), 센싱에리어 주변을 FIB(focused ion beam)으로 절단하여 본 전자현미경 사진(b)이다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 게이트(duo-gate)를 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자의 구성을 나타낸 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이중 게이트(duo-gate)를 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자의 구성의 측면을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 6단자로 구성되어 있는데, N형 기판(100)에 P웰 영역(110)을 갖는 NPN 수평형 바이폴라 트랜지스터 소자로서, 기준전극(reference electrode); 이온 수용액과 접촉하여 수소이온을 감지하는 감지부; 및 에미터(180), 측면 콜렉터(170), 베이스(150), 상기 수용액과 접촉하는 센싱 게이트 및 접촉하지 않는 보조 게이트(160)를 구비하며, 상기 에미터(180)를 상기 게이트 및 측면 콜렉터가 둘러싸는 고리 형상을 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터(LBJT: Lateral Bipolar Junction Transistor)를 포함하되, 상기 센싱 게이트 및 보조 게이트(160)는 상기 고리 형상에서 반씩 양분되는 것을 특징으로 한다.
여기서 에미터(180)는 사각형 고리 링의 반쪽을 차지하는 센싱 게이트와 나머지 반쪽을 차지하는 폴리실리콘 게이트(160)에 둘러싸여 콜렉터 C(170)와 결합된다. 여기서 보조 게이트로 사용된 폴리실리콘 게이트(160)는 수용액과 기준전극(RG) 없이도 소자의 동작여부 확인 및 축적전하로 부터 소자의 파괴를 막으며, 평상시에는 역 바이어스 시켜 동작을 중단시킨다. 베이스 폭(CMOS의 채널길이 L에 해당)은 12μm의 센싱 게이트와 12μm의 폴리실리콘 게이트에 의해 정의된다.
베이스 영역 위에 위치한 1/2 사각 링 형태의 센싱 게이트는 전해액과 기준전극을 통해 바이어스된다(도2의 IE1의 전류 형성). 나머지 1/2 게이트(160)는 폴리실리콘을 통해 바이어스된다(도2의 IE2의 전류 형성). 감지막은 게이트 산화막 위에 LPCVD로 형성한 질화실리콘(silicon nitride)막 (130)으로 하여 사용된다.
Open gate 상의 감지막의 W/L은 220μm/12μm 이며, 소자는 710μm by 740μm의 다이 면적을 점유하여 설계된다. 이와 같인 본 발명의 실시예에서 적용되는 각 단자 또는 막의 두께는 소자의 효율 및 공정의 편의를 위해 다양하게 적용될 수 있음은 물론이다.
이처럼, 지금까지의 이온감지소자들에 대한 대부분의 연구가 감도를 높이기 위해 감지필름의 재료선택과 같은 1차 변환기(first transducer)에 초점이 맞추어있었으나, 본 발명에서는 2차 변환기(second transducer) 즉 MOS 모드가 아닌 Bipolar mode 혹은 MOS hybrid mode로 구동하는 2차 변환기(second transducer)에 초점을 맞추고 있다.
본 발명에 따른 이온 감지소자는 MOS hybrid 모드 동작으로 구동하는데 필요한 LBJT 구조(2차 변환기)와, 이온센서 제작을 위해 CMOS 프로세스를 채택하기 위해 필요하고, 이온 검출 게이트(gate)로써 동작하는 개방된 게이트(open gate : 1차 변환기) 및 보조 게이트(폴리실리콘 게이트)가 포함되어 있다.
이하에서 본 발명에 따른 MOS 하이브리드 모드 동작을 수행하는 이중 게이트(duo-gated)를 갖는 수평형 바이폴라 접합 트랜지스터(LBJT)의 동작원리, 설계 및 실험결과를 상세히 살펴보기로 한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 전계 효과(Field effect) 이론을 기반으로 한 ISFET와 BiCMOS 공정에서 BJT 특성을 물려받은 LBJT들은 전자회로의 응용분야에서 뚜렷한 차이가 있다.
측면 또는 수평형 바이폴라 접합 트랜지스터(LBJT)는 1960년대 후반에 보고되었으며, 전자회로의 일부분으로 적용하기 위해 소자의 특성에 대해 심도 있게 연구되었다. 기존의 CMOS 기술에 의해 구현되는 바이폴라 소자는 시스템의 성능향상과 다이(die)의 비용 절감을 보장한다.
이러한 관점에서 gated LBJT는 디지털 CMOS 응용에 적용되었는데, 이는 LBJT의 bipolar 특성이 상용 CMOS 공정상의 아무런 변경 없이 구현가능하기 때문이다. Gated LBJT는 게이트, 소스, 드레인, 웰 사이의 MOSFET의 접합이 본질적으로 이용가능하다.
화학감지 소자로써 적용된 ISFET와 비교해, gated LBJT는 band gap voltage reference, variable gain amplifier, radio frequency mixer, photo-detector 등의 특정목적의 전자부품으로만 쓰여왔다.
소자 동작 원리는 이차변환기에 대해 bipolar junction transistor theory가 적용되고, 전계효과 이론이 1차변환기에 적용되었다. 일반적으로 N기판은 positive power supply voltage에 연결되고, 소스에 이어진 P웰은 ground voltage에 연결되는데 이것은 reverse bias라고 불려진다. 왜냐하면 이 방법이 회로들을 포함한 어떤 웰(well)과 또 다른 회로들을 포함한 다른 웰(well)들과 전기적으로 각각 격리시키기 위함이다.
하지만 본 발명의 소자의 경우, 베이스 역할의 P웰만 단독으로 양으로 바이어스 되어 있는데 이는 N기판과 P웰 사이의 MOSFET에 잠재적으로 감춰진 수평형 NPN BJT를 활성화시키기 위해서이다. 이것은 forward bias로 불려진다. 이점이 ISFET 바이어스와 비교한 또 하나의 차이점이다.
에미터와 측면 콜렉터 사이의 gated LBJT 전류 IC는 폴리실리콘 게이트에 영향을 받는데 이 소자는 MOSFET에서 기원하기 때문이다. 보통 음으로 바이어스된 field plate 혹은 NPN으로 구성된 gated LBJT의 게이트는 에미터(180)(MOSFET의 Source에 해당)에 연결된다. 왜냐하면 게이트의 ground voltage가 전하 산발 효과(charge spreading effects)의 원인에 의한 채널 반전(channel inversion)을 방지한다. 또한 이 전위는 확산 캐리어의 흐름을 P-well의 표면으로부터 P-well의 벌크로 밀어내어 양호한 BJT 특성을 얻을 수 있기 때문이다.
본 발명의 경우 MOS 하이브리드 모드로 동작시키기 위해 게이트(160)는 에미터(180)에 연결되지 않고 이온 수용액(electrolyte)을 거쳐서 기준 전극 전위(VRG)에 의해 양으로 바이어스 되어있다.
또한 일반적인 MOS 구조는 전기적 분리(isolation)을 목적으로 N기판은 positive power supply voltage에 연결하고 소스에 연결된 P-well은 접지 전압(ground voltage)에 연결하는 reverse bias를 사용한다. 이에 반해 MOS구조에서 수평형 BJT로 만들기 위해 베이스 역할의 P-well은 양으로 forward bias 시켜 N 기판과 P웰 사이에서 잠재적으로 감춰진 수평형 NPN-BJT를 활성화시킨 것이 기존 MOS 구조의 ISFET와 차이점이다.
반면에 이 포워드 바이어스는 원하지 않는 기생 수직 콜렉터(parasitic vertical collector) S를 형성하여 디바이스의 바이어스 configuration을 제한하며 또한 수십 퍼센트의 에미터 전류 IE를 소모할 뿐만 아니라, 이 바이어스에 따라 디바이스의 문턱전압(threshold voltage)을 변하게 한다.
즉, 달리 말하자면 본 발명의 소자는 순 바이어스된 웰(well) 제어 MOSFET이다. LBJT 혹은 forward body bias로 driving 되는 n-MOSFET는 화학물질이나 생물학적 반응 정보(biological reaction information)을 포함하는 낮은 주파수 영역(low frequency region)에서의 노이즈 특성(1/f 노이즈)을 MOSFET을 기반으로 하는 기존의 CHEMFET보다 원리적으로 향상시킬 수 있다.
실험 및 방법
본 발명에 따른 이온 감지소자의 설계에는 반도체 설계 툴인 케이던스(Cadence)사의 Virtuso와 SpectraS를 이용하였다. 즉, 상용 라이브러리를 쓰지 않고 Full custom으로 설계 및 하였다. 설계된 개별 다이의 크기는 5mm by 5mm의 9개의 다이를 가지며 각 다이는 64핀으로 구성되어 있다. 각 핀은 소자의 보호를 위해 PN 접합 다이오드형 ESD 보호회로를 갖는다.
사진식각공정용 5인치 크롬 Reticle은 E-beam 리소를 하여 wet방식으로 현상한 13장 사용하였다. 이 레티클을 이용하여 0.5μm 해상도의 스테퍼로 사진식각공정을 수행하였다. 공정은 n형 (100) 4인체 웨이퍼로 제작 되었다. 설계의 핵심인 gated LBJT에서의 이온을 감지하는 부분인 게이트에 대한 설계는 개방 게이트(open gate)로 설계하였다.
pH
측정설정
본 발명에 따른 이온 감지소자는 전기적 특성 및 pH 감지특성 모두 반도체 파라메터 측정기로 이루어진다. 소자의 동작에 필요한 전원도 파라메터 측정기에서 공급된다. 소자는 웨이퍼 단위의 소자를 개별 다이로 다이싱 이후 패키지에 실버 페이스트로 고정시킨 후 골드 와이어로 다이의 각 패드와 패키지 패드 사이를 본딩하였다. 그 후 실리콘 에폭시로 봉인되었다. 전기적, 광학적 차폐를 위해 측정은 Test fixture라는 금속 통에서 이루어진다.
전기적 특성은 설계 시 포함된 더미소자를 이용하여 측정하였다. 이 더미는 전원인가용 게이트를 제외하고는 본 발명에 따른 이온 감지소자와 동일한 기하학적 구조를 가진다.
이렇게 함으로써 수용액에서 측정 시 발생할 수 있는 비정상적 측정 오류를 배제시켜 정확한 전기적 특성을 알 수 있다. 소자는 에미터(소스)와 콜렉터(드레인)사이를 포워드 활성(forward active) 모드로 구동시킨다. well에 적용된 gated lateral BJT의 특성을 고려했기 때문에, 공통 콜렉터 설정이 소자의 바이어스를 시키기 위해 채택된다. 이유는 공통 에미터 설정과 비교해 이 설정이 nMOSFET와 동일하게 양극성 출력 신호를 주기 때문이다.
Ag/AgCl 기준전극은 게이트전위 VRG를 통해 채널의 반전 혹은 축적을 형성시키도록 바이어스 되었다. 수용액에서는 이중 게이트(duo-gated)를 갖는 LBJT를 이용하여 실제의 응답특성을 측정하였다. 그리고 도3은 본 발명에 따른 이중 게이트(duo-gated)를 갖는 LBJT를 이용한 이온 감지소자의 등가회로를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 이온 감지소자의 실험결과 및 효과
본 발명에 따른 이온 감지소자의 게이트 바이어스, 공통 콜렉터 설정으로 바이어스가 인가된다. 도 4는 베이스 바이어스에 대한 본 발명에 따른 이온 감지소자의 전압 및 전류 특성을 나타낸 그래프이다. 이때 사용된 소자는 sensing gate가 poly silicon gate로 대치되어 gate와 연결된 dummy gate 를 사용하여 전기적 특성에서 electrolyte영향을 배제한 순수한 소자특성을 확인하였다.
도 4에 나타낸 바와 같이, BJT특성을 확인하기 위하여 게이트 전압을 -1V를 인가하여 채널을 공핍시킨 상태에서 베이스 전류를 -10μA에서 +30μA까지 10μA 간격으로 변화시킨다. 이때 이미터 전압이 0.5V에서 -3V까지 변화할 때의 전압에 대한 에미터 전류를 나타낸다.
이 결과는 베이스전류가 음의 값 즉 에미터와 웰이 역바이어스인 MOSFET 동작 모드에서는 전류가 흐르지 않다가 베이스 전류가 +10μA, 양의 값일때 즉 에미터와 베이스가 순 바이어스일때 베이스 전류에 비례해서 전류가 증가한다. 하지만 gated lateral BJT의 단점인 낮은 Early 전압이 관찰되는데 여기서는 약 10V의 값을 가진다.
또한 바이폴라 특성을 확인하기 위해 게이트 전압을 -3V로 인가한 상태에서 도 5에 나타낸 바와 같이, 에미터 베이스 순 바이어스에 따른 대수(logarithm) 값으로 표현된 IC-IB Gummel plot을 확인됨을 알 수 있다.
본 발명에 따른 감지소자의 측정에 앞서 감지막의 감도를 알기 위해 MOS형 구동 즉 ISFET 형으로 구동시켜 소자의 특성을 확인하였다. 먼저 게이트 전압에 따른 특성을 확인하였으며 그 결과는 도 6에 나타나 있다. 문턱전압은 pH4에서 1.31V pH7에서 1.5V, pH10에서 1.62V가 나타났다. 이에 따른 감지막의 감도는 51.66mV/pH이다. 도 7은 본 발명에 따른 이온 감지소자의 VDS에 따른 pH 응답을 나타낸 그래프이며 전형적인 ISFET의 특징을 나타낸다.
본 발명에 따른 2개의 병렬 게이트를 갖는 이온 감지소자는 다양한 이온 수용액에서 비교하였는데, 바이어스 설정은 공통 에미터 모드로 구성하여 1사분면에서 동작시켰다. 서로 분리된 소자의 게이트 중 감지막의 게이트는 기준 전극과 용량적으로 결합되고, 폴리실리콘 게이트는 전원에 바로 연결된다. 전해액에서의 소자특성을 조사하기 위하여 소자는 pH4, pH7, pH10의 버퍼용액에 담가진다.
도 8은 베이스 전류 및 pH 변화에 따른 본 발명에 따른 이온 감지소자의 ID-VG 특성을 나타낸 그래프이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 이때 폴리실리콘 게이트 -1V를 인가하여 소자를 OFF시켜 영향을 배제하고, 먼저 베이스 전류가 -10μA가 인가되었을 경우, 수직 콜렉터와(N기판)과 베이스(P-well)사이는 역 바이어스 관계로 전류가 흐르지 않다가, 게이트 전압이 4V이상에서 전류가 흐르는 latch-up 현상에 의한 비정상적인 반응이 나타남을 알 수 있다.
또한 베이스 전류가 0A에서는 MOSFET 동작과 동일한 문턱전압을 가진다. 그러나 베이스 전류가 10μA에서는 MOS-hybrid모드의 전형적인 특성이 나타난다. 이 특성은 내부의 작은 박스의 세미 로그(semi-logarithm)로 변환한 그래프에서 확연히 나타남을 알 수 있다.
도 9는 폴리실리콘 게이트가 포함된 베이스 전류 및 pH 변화에 따른 본 발명의 이온 감지소자의 IC-VRG 특성을 나타낸 그래프이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 베이스 전류는 10μA로 순방향 바이어스 시킨 상태에서 콜렉터 전압을 증가시키면서 특성변화를 나타낸다. 폴리 게이트 전압이 +1V 일때는 감지막 하부에 채널이 형성되어 off-set 전류가 존재하며, VG=0V에서도 형성된 채널에 의한 전류를 관찰할 수 있다. 이 특성은 내부의 작은 박스의 세미 로그(semi-logarithm)로 변환한 그래프에서 명확히 구분됨을 확인할 수 있다.
도 10은 콜렉터 공통모드로 구동 시켰을 때의 동작이며, 이때의 바이어스 설정은 베이스 전류 10μA, poly gate 전압 VG를 -1V를 가할 때, VRG값의 변화에 따른 출력특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 2.5um CMOS 디자인 룰을 적용하여 설계 및 제작된 소자를 정면의 광학현미경 사진(a) 및 감지막 부위의 측면구조를 전자현미경(Scanning electron microscopy)으로 촬영하였다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
100: 기판, 110: P 웰, 120: 게이트 옥사이드, 130: 질화 실리콘막
140: 기판 전극, 150: 베이스 전극, 160: 게이트 전극,
170: 콜렉터 전극, 180: 에미터 전극
140: 기판 전극, 150: 베이스 전극, 160: 게이트 전극,
170: 콜렉터 전극, 180: 에미터 전극
Claims (4)
- 기준전극;
이온 수용액과 접촉하여 수소이온을 감지하는 감지부; 및
측면 콜렉터, 베이스, 에미터, 상기 수용액과 접촉하는 센싱 게이트 및 접촉하지 않는 보조 게이트를 구비하며, 상기 에미터를 상기 게이트 및 측면 콜렉터가 둘러싸는 고리 형상을 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터(LBJT: Lateral Bipolar Junction Transistor)를 포함하되,
상기 센싱 게이트 및 보조 게이트는 상기 고리 형상에서 반씩 양분되는 것을 특징으로 하는 이중 게이트(duo-gate)를 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자.
- 제1항에 있어서,
상기 감지부는,
상기 센싱 게이트가 위치한 영역으로 게이트 산화막 위에 형성된 질화 실리콘막인 것을 특징으로 하는 이중 게이트(duo-gate)를 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 보조게이트는 폴리실리콘을 재질로 하고, 상기 수용액 및 상기 기준전극이 없이도 상기 소자의 동작여부 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 이중 게이트(duo-gate)를 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자.
- 제1항에 있어서,
상기 트랜지스터는 PNP형 또는 NPN형 수평형 바이폴라 트랜지스터(LBJT: Lateral Bipolar Junction Transistor)인 것을 특징으로 하는 이중 게이트(duo-gate)를 갖는 수평형 바이폴라 트랜지스터를 이용한 이온 감지소자.
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