KR101515491B1 - 수소이온 감지센서 - Google Patents

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KR101515491B1
KR101515491B1 KR1020130140109A KR20130140109A KR101515491B1 KR 101515491 B1 KR101515491 B1 KR 101515491B1 KR 1020130140109 A KR1020130140109 A KR 1020130140109A KR 20130140109 A KR20130140109 A KR 20130140109A KR 101515491 B1 KR101515491 B1 KR 101515491B1
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KR
South Korea
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contact
hydrogen ion
field effect
bipolar junction
gate insulating
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KR1020130140109A
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Inventor
강신원
정현민
윤현지
권혁춘
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경북대학교 산학협력단
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
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    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells

Abstract

본 발명은 수소이온 감지센서에 관한 것으로, 수소이온 감지센서는, 제1 도전형의 기판(substrate); 기판상에 형성되는 제2 도전형의 웰(well) 및 제1 도전형의 제1 컨택(contact); 웰 상에 형성되는 제2 도전형의 제2 컨택과, 제1 도전형의 제3 컨택, 제4 컨택 및 제5 컨택; 제4 컨택과 제5 컨택 사이의 영역 상에 형성되는 제1 게이트 절연막(gate insulation layer); 제1 게이트 절연막 상에 형성되는 제1 도전막; 제3 컨택과 상기 제4 컨택 사이의 영역 상에 형성되는 제2 게이트 절연막; 제2 게이트 절연막 상에 형성되는 제2 도전막; 그리고 제1 게이트 절연막 상에 형성되며 대상 물질의 수소이온 농도에 따라 조절되는 전압 레벨을 제1 게이트 절연막으로 전달하는 수소이온 감지부를 포함한다.

Description

수소이온 감지센서{hydrogen ion sensor}
본 발명은 수소이온 감지센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수평형 양극성 접합 트랜지스터(GLBJT; Gated Lateral Bipolar Junction Transistor) 기반의 CMOS 반도체 수소이온 감지센서에 관한 것이다.
본 발명은 Gated Lateral Bipolar Junction Transistor를 이용한 센서시스템 개발과 관련한 연구(과제번호 201211820000) 및 미래창조과학부의 기능성 소자 융합 플랫폼 센터와 관련한 사업의 일환으로 수행한 연구(과제번호 201302570100)로부터 도출된 것이다.
수소이온 감지센서는 화학 산업, 공중 보건, 농업, 수산업, 생물학 관련 산업을 비롯한 다양한 산업 현장에서 공정 제어, 생체 및 임상 분석 또는 환경 모니터링 등을 위하여 수소이온(hydrogen ion)의 농도(예를 들어, pH)를 측정하기 위한 용도로 활용되고 있다. pH는 측정 대상 용액의 성질을 판단할 때 중요하게 고려되는 파라메터로서, 화학 반응이나 물질의 화학적 성질을 이해함에 있어 필수적인 요소이다. pH 센서는 측정 대상 용액의 수소이온 농도의 대수 값인 pH(power of Hydrogen)를 정량적으로 계측하기 위해 활용된다. 최근 들어, 수소이온 농도를 측정할 수 있는 새로운 개념의 반도체 소자들이 보고되고 있다. 일 예로, 대한민국 등록특허공보 1050761호에는 배열형 수평 바이폴라 트랜지스터(Gated Lateral BJT)를 이용한 수소이온 감지소자가 개시되어 있다.
KR 10-1050761 B1
본 발명은 수소이온 농도에 대한 민감도(sensitivity)를 비약적으로 향상시킬 수 있는 고감도 수소이온 감지센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 극소량의 수소이온의 농도를 정량적으로 감지하는 것이 가능한 고감도 수소이온 감지센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 수소이온 감지센서는, 제1 도전형의 기판; 상기 기판상에 형성되는 제2 도전형의 웰(well) 및 제1 도전형의 제1 컨택(contact); 상기 웰 상에 형성되는 제2 도전형의 제2 컨택과, 제1 도전형의 제3 컨택, 제4 컨택 및 제5 컨택; 상기 제4 컨택과 제5 컨택 사이의 영역 상에 형성되는 제1 게이트 절연막; 상기 제3 컨택과 상기 제4 컨택 사이의 영역 상에 형성되는 제2 게이트 절연막; 그리고 상기 제1 게이트 절연막 상에 형성되는 수소이온 감지부를 포함하며, 상기 수소이온 감지부는 대상 물질의 수소이온 농도에 따라 조절되는 전압 레벨을 상기 제1 게이트 절연막으로 전달한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 수소이온 감지센서는, 상기 제1 게이트 절연막 상에 형성되는 제1 도전막; 그리고 상기 제2 게이트 절연막 상에 형성되는 제2 도전막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 게이트 절연막 및 상기 제1 도전막은 상기 제5 컨택을 둘러싸는 고리 형상을 갖도록 형성되고, 상기 제2 게이트 절연막 및 상기 제2 도전막은 상기 제4 컨택을 둘러싸는 고리 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 수소이온 감지부는, 상기 대상 물질에 접촉하도록 구성되고, 미리 설정된 기준 전압이 인가되는 기준 전극; 상기 수소이온 농도에 따라 조절되는 상기 전압 레벨을 측정하는 측정 전극; 그리고 상기 제1 게이트 절연막 상에 형성되고, 상기 전압 레벨을 상기 제1 도전막으로 전달하는 플로팅 게이트(floating gate)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 측정 전극은 금속층; 그리고 상기 금속층 상에 형성되는 패시베이션막을 포함하며, 상기 패시베이션막은 질화 실리콘층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 플로팅 게이트는 비아(via)를 통해 연결되는 다수의 금속막을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 웰, 상기 제4 컨택, 상기 제5 컨택 및 상기 제1 게이트 절연막은 제1 전계효과 트랜지스터(field effect transistor)를 구성하고, 상기 웰, 상기 제2 컨택, 상기 제4 컨택 및 상기 제5 컨택은 제1 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)를 구성하며, 상기 기판, 상기 웰, 상기 제1 컨택, 상기 제2 컨택 및 상기 제5 컨택은 제2 양극성 접합 트랜지스터를 구성하며, 상기 웰, 상기 제3 컨택, 상기 제4 컨택 및 상기 제2 게이트 절연막은 상기 제1 전계효과 트랜지스터 및 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터와 직렬(cascode) 연결되는 제2 전계효과 트랜지스터를 구성할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 전계효과 트랜지스터는 N채널형 또는 P채널형의 전계효과 트랜지스터일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 컨택은 상기 제2 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터단으로 동작하고, 상기 제2 컨택은 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터 및 상기 제2 양극성 접합 트랜지스터의 베이스단으로 동작하고, 상기 제3 컨택은 상기 제2 전계효과 트랜지스터의 드레인단으로 동작하고, 상기 제4 컨택은 상기 제1 전계효과 트랜지스터의 드레인단, 상기 제2 전계효과 트랜지스터의 소스단 및 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터단으로 동작하고, 상기 제5 컨택은 상기 제1 전계효과 트랜지스터의 소스단, 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터 및 상기 제2 양극성 접합 트랜지스터의 이미터단으로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 수소이온 감지센서는 상기 제2 컨택에 인가되는 바이어스 전류에 의하여 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터 및 상기 제2 양극성 접합 트랜지스터의 동작점이 조절될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 수소이온 감지센서는 상기 제5 컨택을 통해 흐르는 전류의 양을 검출함으로써 상기 수소이온의 농도를 검출할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 수소이온 농도에 대한 민감도를 비약적으로 향상시킬 수 있는 고감도 수소이온 감지센서가 제공된다.
또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 극소량의 수소이온의 농도를 정량적으로 감지하는 것이 가능한 고감도 수소이온 감지센서가 제공된다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서를 포함하는 수소이온 감지 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서를 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 등가 회로도를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서를 부분적으로 보여주는 평면도이다.
도 6은 종래의 수소이온 감지센서의 전달컨덕턴스의 변화를 게이트 전압별로 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 전달컨덕턴스를 게이트 전압별로 보여주는 그래프이다.
도 8은 종래의 수소이온 감지센서의 시간에 따른 이미터 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 시간에 따른 이미터 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 종래의 수소이온 감지센서와 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 민감도를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 11은 종래의 수소이온 감지센서의 시간에 따른 이미터 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 시간에 따른 이미터 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다.
본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서는 제1 도전형의 기판(substrate); 기판상에 형성되는 제2 도전형의 웰(well) 및 제1 도전형의 제1 컨택(contact); 웰 상에 형성되는 제2 도전형의 제2 컨택과, 제1 도전형의 제3 컨택, 제4 컨택 및 제5 컨택; 제4 컨택과 제5 컨택 사이의 영역 상에 형성되는 제1 게이트 절연막(gate insulation layer); 제3 컨택과 제4 컨택 사이의 영역 상에 형성되는 제2 게이트 절연막; 그리고 제1 게이트 절연막 상에 형성되는 수소이온 감지부를 포함한다. 본 발명의 실시 예에서, 제4 컨택과 제5 컨택은 제1 전계효과 트랜지스터(field effect transistor)를 구성하고, 제2 컨택과 제4 컨택 및 제5 컨택은 제1 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)를 구성하며, 제1 컨택과 제2 컨택 및 제5 컨택은 제2 양극성 접합 트랜지스터를 구성한다.
본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서는 제2 컨택과 제4 컨택 사이에 제3 컨택이 형성되며, 제3 컨택은 제4 컨택과 함께 제2 전계효과 트랜지스터를 구성한다. 이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서는 제1 전계효과 트랜지스터(제4 내지 제5 컨택), 제1 양극성 접합 트랜지스터(제2 컨택, 제4 내지 제5 컨택) 및 제2 양극성 접합 트랜지스터(제1, 제2 및 제5 컨택)와 캐스코드(cascode) 직렬 구조로 제2 전계효과 트랜지스터(제3 내지 제4 컨택)가 형성되므로, CMOS 소자의 전달컨덕턴스(transconductance) 특성이 향상되고 이에 따라 수소이온에 대한 감도(sensitivity) 특성이 비약적으로 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서를 포함하는 수소이온 감지 시스템을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 수소이온 감지 시스템(10)은 반도체식 수소이온 센싱 시스템으로 제공될 수 있으며, 대상 물질(20)의 수소이온(hydrogen ion) 농도(예를 들어, pH)를 측정할 수 있다. 예시적으로, 대상 물질(20)은 전해질 용액일 수 있다. 수소이온 감지 시스템(10)은 수소이온 감지센서(100), 시험 고정부(200), 반도체 파라메터 분석기(300) 및 분석 컴퓨터(400)를 포함하여 구성될 수 있다. 수소이온 감지센서(100)는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 공정에 의하여 칩(chip) 형태로 제조되어 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 본딩(bonding)되어 제조될 수 있으며, 수소이온 감지부(도 2의 도면부호 160)를 제외한 부분이 에폭시(epoxy)로 봉인될 수 있다.
시험 고정부(test fixture)(200)는 전기적, 광학적 차폐 환경 하에서 대상 물질(20)의 수소이온 농도를 측정하기 위해 기준 전극(161)으로 기준 전압을 인가하고, 대상 물질(20)의 수소이온 농도에 따라 출력되는 수소이온 감지센서(100)의 측정값을 입력받아 반도체 파라메터 분석기(semiconductor parameter analyzer)(300)로 제공할 수 있다. 반도체 파라메터 분석기(300)는 수소이온 감지센서(100)의 측정값을 이용하여 대상 물질(20)의 수소이온 농도를 측정하고, 분석 결과를 분석 컴퓨터(400)에 제공할 수 있다. 분석 컴퓨터(400)는 대상 물질(20)의 수소이온 농도나, CMOS 칩의 각종 파라메터 등의 정보를 화면으로 표시하도록 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서를 보여주는 사시도이다. 본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서(100)는 기판(substrate)(110), 웰(well)(120), 제1 내지 제5 컨택(contact)(131~135), 제1 게이트 절연막(140), 제1 도전막(141), 제2 게이트 절연막(150), 제2 도전막(151) 및 수소이온 감지부(160)를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서(100)는 BJT(Bipolar Junction Transistor)와 모스펫(MOSFET; Metal Oxide Sillicon Field Effect Transistor)의 특성을 동시에 가지며, CMOS 공정에 의하여 제조되는 수평형 양극성 접합 트랜지스터(GLBJT; Gated Lateral Bipolar Junction Transistor) 구조로 제공될 수 있다. 이에 대하여는 이후 도 3 내지 도 4를 참조하여 보다 상세히 후술한다.
기판(110)은 제1 도전형(예를 들면, P 도전형)으로 도핑(doping)된 실리콘 기판일 수 있다. 웰(120)은 기판(110) 상에 제공된다. 웰(120)은 기판(110)과 상이한 제2 도전형(예를 들면, N 도전형)으로 도핑된 실리콘으로 제공될 수 있다. 예시적으로, 기판(110)에 인(P, Phosphorous)과 같은 5족 원소를 주입하여 웰(120)을 형성할 수 있다.
제1 컨택(131)은 기판(110) 상의 영역들 중 웰(120) 이외의 영역의 상층부에 제공될 수 있다. 제1 컨택(131)은 기판(110)과 마찬가지로 제1 도전형(예를 들면, P 도전형)으로 도핑된 실리콘으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 기판(110)에 붕소(B, Boron)와 같은 3족 원소를 도핑하여 제1 컨택(131)을 형성할 수 있다. 일 실시 예로, 제1 컨택(131)의 도핑 농도는 기판(110)의 도핑 농도보다 높을 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 컨택(131)은 기판(110)에 접지를 형성하기 위한 전극으로 사용될 수 있다.
제2 내지 제5 컨택(132 내지 135)은 웰(120)의 상층부에 제공될 수 있다. 예시적으로, 제2 컨택(132)으로부터 제5 컨택(135)을 향하는 방향으로 제3 컨택(133)과 제4 컨택(134) 및 제5 컨택(135)이 순차적으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제5 컨택(135)을 중심으로 고리 형태로 둘러싸면서 제5 컨택(135)으로부터 이격된 위치에 제4 컨택(134)이 형성되고, 제4 컨택(134)을 고리 형태로 둘러싸면서 제4 컨택(134)으로부터 이격된 위치에 제3 컨택(133)이 형성되고, 제3 컨택(133)을 고리 형태로 둘러싸면서 제3 컨택(133)으로부터 이격된 위치에 제2 컨택(132)이 형성될 수 있다.
제2 컨택(132)은 웰(120)과 마찬가지로 제2 도전형(예를 들면, N 도전형)으로 도핑된 실리콘으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 웰(120)의 상층부에 인(P)과 같은 5족 원소를 도핑하여 제2 컨택(132)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 제2 컨택(132)의 도핑 농도는 웰(120)보다 높을 수 있다. 예를 들면, 제2 컨택(133)은 웰(120)에 전원(예컨대, 베이스 전류)를 공급하는 전극으로 사용될 수 있다. 제3 내지 제5 컨택(133 내지 135)은 기판(110)과 마찬가지로 제1 도전형(예를 들면, P 도전형)으로 도핑된 실리콘으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 웰(120)의 상층부에 붕소(B)와 같은 3족 원소를 주입하여 제3 내지 제5 컨택(133 내지 135)을 형성할 수 있다.
제1 게이트 절연막(140)은 제4 컨택(134)과 제5 컨택(135) 사이의 영역 상에 형성될 수 있다. 제1 도전막(141)은 제1 게이트 절연막(140) 상에 형성될 수 있다. 일 실시 예로, 제1 게이트 절연막(140)과 제1 도전막(141)은 제5 컨택(135)을 둘러싸는 고리 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
제2 게이트 절연막(150)은 제3 컨택(133)과 제4 컨택(134) 사이의 영역 상에 형성될 수 있다. 제2 도전막(151)은 제2 게이트 절연막(150) 상에 형성될 수 있다. 제2 게이트 절연막(150)과 제2 도전막(151)은 제4 컨택(134)을 둘러싸는 고리 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 예시적으로, 제1 내지 제2 게이트 절연막(140, 150)은 실리콘 옥사이드(SiO2)를 포함할 수 있다. 예시적으로, 제1 내지 제2 도전막(141, 151)은 폴리 실리콘(poly sillicon)을 포함할 수 있다.
수소이온 감지부(160)는 제1 도전막(141) 상에 형성될 수 있다. 수소이온 감지부(160)는 대상 물질(도 1의 도면부호 20)의 수소이온 농도에 따라 조절되는 전압 레벨을 제1 도전막(141)과 제1 게이트 절연막(140)으로 전달할 수 있다. 수소이온 감지부(160)는 기준 전극(161), 측정 전극(162) 및 플로팅 게이트(163)를 포함할 수 있다.
기준 전극(161)은 대상 물질(20)에 접촉하도록 그리고 측정 전극(162)으로부터 이격되도록 제공될 수 있다. 기준 전극(161)에는 미리 설정된 기준 전압(reference voltage)이 인가될 수 있다. 기준 전극(161)은 은(Ag)/염화은(AgCl), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 등과 같은 도전성 물질, 예를 들면 귀금속으로 제공될 수 있다. 측정 전극(162)은 수소이온 농도에 따라 표면 전위가 조절될 수 있다. 즉, 대상 물질(20)의 수소 이온 농도에 따라 전기 화학적 반응에 의하여 측정 전극(162)의 표면 전위(surface potential)가 변화되며, 이에 따라 제5 컨택(135)에서 흐르는 전류량이 변화되는 것으로부터 수소이온 농도를 검출할 수 있다. 예시적으로, 측정 전극(162)은 금(Au), 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 등의 금속을 포함할 수 있다. 일 실시 예로, 게이트단(G)으로 동작하는 제1 도전막(141)보다 큰 면적을 갖도록 측정 전극(162)을 형성하는 것에 의해 수소이온 감지센서(100)의 검출 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 측정 전극(162)은 금속층(metal layer)(1621)과 패시베이션막(passivation layer)(1622)을 구비할 수 있다. 패시베이션막(1622)은 금속층(1621)의 상부에 위치할 수 있으며, 상용 CMOS 프로세스에서 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 방식으로 적층될 수 있다. 패시베이션막(1622)은 이산화 실리콘층(silicon dioxide layer), 질화 실리콘층(silicon nitride layer)(예를 들어, Si3N4) 또는 금층(Au layer)을 포함할 수 있다. 패시베이션막(1622)은 위치 접합(site-binding) 현상을 이끌어내며, 표면 전위의 변화에 따라 플로팅 게이트(163)의 전위가 변화될 수 있다.
플로팅 게이트(floating gate)(163)는 이온 검출 게이트(gate)로서 동작하도록 제1 도전막(141) 상에 형성되며, 측정 전극(162)으로 인가된 전압 레벨을 제1 도전막(141)과 제1 게이트 절연막(140)으로 전달한다. 플로팅 게이트(163)는 다수의 비아(via)(1631)를 통해 연결되는 다수의 금속막(1632)으로 이루어질 수 있다. 플로팅 게이트(163) 구조는 오픈 게이트 형태에 비해 게이트 폭이 나노단위 크기인 공정에 적용하는데 적합하다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서를 보여주는 단면도이다. 도 3에서, 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 웰(120), 제4 컨택(134), 제5 컨택(135), 제1 게이트 절연막(140) 및 제1 도전막(141)에 의하여 구성되는 제1 전계효과 트랜지스터(field effect transistor)(FET1)와, 웰(120), 제2 컨택(132), 제4 컨택(134) 및 제5 컨택(135)에 의하여 구성되는 제1 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)(BJT1)와, 기판(110), 웰(120), 제1 컨택(131), 제2 컨택(132) 및 제5 컨택(135)에 의하여 구성되는 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT2) 및 웰(120), 제3 컨택(133), 제4 컨택(134), 제2 게이트 절연막(150) 및 제2 도전막(151)에 의하여 구성되는 제2 전계효과 트랜지스터(BJT2)의 등가 회로가 파선으로 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 등가 회로도를 보여주는 도면이다. 도 3 내지 도 4를 참조하면, 웰(120), 제3 컨택(133), 제4 컨택(134), 제2 게이트 절연막(150) 및 제2 도전막(151)에 의하여 구성되는 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)는 제1 전계효과 트랜지스터(FET1) 및 제1 양극성 접합 트랜지스터(BJT1)와 캐스코드(cascode) 구조로 직렬 연결된다. 이에 따라, CMOS 반도체의 전달컨덕턴스(transconductance) 특성이 향상되므로, 수소이온에 대한 감도(sensitivity)가 향상되며, 극소량의 수소이온의 농도를 정량적으로 감지할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에서, 웰(120)은 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 바디(body)로 동작하고, 제4 컨택(134)과 제5 컨택(135)은 각각 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 드레인(drain)단과 소스(source)단으로 동작하고, 제1 게이트 절연막(140)은 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 게이트 절연층으로 동작하며, 제1 도전막(141)은 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 게이트(gate)단으로 동작할 수 있다. 일 실시 예에서, 웰(120), 제4 컨택(134), 제5 컨택(135), 제1 게이트 절연막(140) 및 제1 도전막(141)은 P채널형의 전계효과 트랜지스터로 동작할 수 있다. 다만, 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)는 N채널형의 전계효과 트랜지스터로 설계될 수도 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에서, 웰(120) 및 제2 컨택(132)은 제1 양극성 접합 트랜지스터(BJT1)의 베이스단(B)으로 동작하고, 제4 컨택(134)은 제1 양극성 접합 트랜지스터(BJT1)의 컬렉터단(C)으로 동작하고, 제5 컨택(135)은 제1 양극성 접합 트랜지스터(BJT1)의 이미터단(E)으로 동작할 수 있다. 웰(120), 제2 컨택(132), 제4 컨택(134) 및 제5 컨택(135)에 의해 형성되는 제1 접합형 트랜지스터(BJT1)의 컬렉터단(C)과 이미터단(E)은 수평 형태로 배치되므로, 제1 접합형 트랜지스터(BJT1)는 수평 접합형 트랜지스터라 칭할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 기판(110), 웰(120) 및 제2 컨택(132)은 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT2)의 베이스단(B)으로 동작하고, 제1 컨택(131)은 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT2)의 컬렉터단(S)으로 동작하고, 제5 컨택(135)은 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1)의 이미터단(E)으로 동작할 수 있다. 기판(110), 웰(120), 제1 컨택(131), 제2 컨택(132) 및 제5 컨택(135)에 의해 형성되는 제2 접합형 트랜지스터(BJT2)의 컬렉터단(S)과 이미터단(E)은 수직 형태로 배치되므로, 제2 접합형 트랜지스터(BJT2)는 수직 접합형 트랜지스터라 칭할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 웰(120)은 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 바디(body)로 동작하고, 제3 컨택(133)과 제4 컨택(134)은 각각 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 드레인단(D)과 소스단으로 동작하고, 제2 게이트 절연막(150)은 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 게이트 절연층으로 동작하고, 제2 도전막(151)은 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 게이트단(GCASCODE)으로 동작할 수 있다. 일 실시 예에서, 웰(120), 제3 컨택(133), 제4 컨택(134), 제2 게이트 절연막(150) 및 제2 도전막(151)은 P채널형의 전계효과 트랜지스터로 동작할 수 있다. 다만, 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)는 N채널형의 전계효과 트랜지스터로 설계될 수도 있을 것이다. 도 2에 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 채널 전류(channel current)(C1), 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 채널 전류(C5), 제1 양극성 접합 트랜지스터(BJT1)의 이미터 전류(emitter current)(Ie)(C2), 제1 양극성 접합 트랜지스터(BJT1)와 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT2)의 베이스단으로 흐르는 베이스 전류(base current)(C3), 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT2)의 컬렉터 전류(collector current)(C4)의 흐름이 파선 화살표로 도시되어 있다. 본 발명의 실시 예에서, 수소이온 감지부(160)를 제외한 부분, 즉 기판(110), 웰(120), 제1 내지 제5 컨택(131~135), 제1 내지 제2 게이트 절연막(140, 150), 그리고 제1 내지 제2 도전막(141, 151)을 포함하는 부분을 트랜지스터부(TR)라 칭할 수 있다.
수소이온 감지센서(100)는 FET 모드, BJT 모드 또는 하이브리드 모드(hybrid mode)로 동작할 수 있다. 예시적으로, BJT 모드에서 제1 내지 제2 전계효과 트랜지스터(FET1,FET2)는 동작하지 않을 것이다. 예를 들면, 기준 전극(161)에 양(+)의 전압이 인가될 때, 기준 전극(161)으로부터 대상 물질(20)을 통해 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 게이트단으로 양의 전압이 전달되므로, 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)에 채널(channel)이 형성되지 않을 것이다. 따라서, 대상 물질(20) 내의 수소 이온의 존재 여부와 관계없이, 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)는 턴-오프(turn-off) 상태를 유지할 것이다.
전류 소스(current source)에 의하여 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)의 베이스단으로 동작하는 제2 컨택(132)으로부터 전류가 유출되면, 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)는 순바이어스(forward bias)될 것이다. 기준 전극(161)에 양(+)의 전압이 인가되고 제2 컨택(132)으로부터 전류가 유출되는 BJT 모드에서, 수소이온 감지센서(100)는 대상 물질(20) 내의 수소 이온의 존재 여부와 관계없이, 수소이온 감지센서(100)의 구조 자체에 따른 동작 특성을 나타낼 것이다. 따라서, BJT 모드는 수소이온 감지센서(100) 자체의 동작 특성을 검출하는 파일럿 모드(pilot mode)로 사용될 수 있다.
FET 모드에서 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)는 동작하지 않을 것이다. 예를 들면, 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)의 베이스단으로 동작하는 제2 컨택(132)에 전류가 주입될 때, 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)는 역바이어스(reverse bias)될 것이다. 기준 전극(161)에 음(-)의 전압이 인가될 때, 기준 전극(161)으로부터 대상 물질(20)을 통해 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 게이트단에 음의 전압이 전달될 것이다. 즉, 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)는 대상 물질(20) 내의 수소 이온의 농도에 따라 채널 전류의 양을 가변할 것이다.
하이브리드 모드(hybrid mode)에서, 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2) 및 제1 내지 제2 전계효과 트랜지스터(FET1,FET2)는 모두 동작할 것이다. 예를 들면, 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)의 베이스단으로 동작하는 제2 컨택(132)으로부터 전류가 유출되면, 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)는 순바이어스되고, 동시에 기준 전극(161)에 음의 전압이 인가되면 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)는 대상 물질(20) 내의 수소이온 농도에 따라 채널 전류를 가변할 것이다. 하이브리드 모드에서, 제5 컨택(135) 및 제4 컨택(134) 사이에 흐르는 전류는 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)에 의한 전류 흐름 및 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)에 의한 전류 흐름의 합으로 나타난다. 따라서, 베이스 전류(Ib)에 의해 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)가 순바이어스되는 경우, 수소이온 감지센서(100)는 공핍형 전계효과 트랜지스터처럼 동작한다.
제2 컨택(132)에 인가되는 바이어스 전류에 의하여 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)의 동작점(operating point)이 조절될 수 있다. 이미터단(E)으로 동작하는 제5 컨택(135)에는 이미터 전압을 인가하는 전압 소스가 제공될 수 있다. 컬렉터단(S)으로 동작하는 제1 컨택(131)은 접지 노드에 연결될 수 있다. 이미터단(E)으로 동작하는 제5 컨택(135)은 감지 노드로 이용될 수 있다. 예를 들면, 수소이온 감지센서(100)는 제5 컨택(135)으로 흐르는 이미터 전류(Ie)를 검출함으로써 대상 물질(20) 내의 수소이온의 농도를 검출할 수 있다. 전류 신호는 전압 신호보다 외부 잡음에 강한 특성을 가지므로, 이미터 전류에 기초하여 수소이온 농도를 검출할 경우, 수소이온 감지센서(100)의 신뢰성이 향상된다. 수소이온 감지센서(100)의 동작점(또는 감도)은 기준 전극(161)에 인가되는 기준 전압을 가변하거나 베이스단(B)으로 동작하는 제2 컨택(132)에 바이어스되는 베이스 전류(Ib)를 가변함으로써 조절될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서를 부분적으로 보여주는 평면도이다. 도 5는 수소이온 감지부(160)를 제외한 수소이온 감지센서(100), 즉 트랜지스터부(TR)의 평면 레이아웃을 보여준다. 트랜지스터부(TR)는 CMOS 공정에 의해 제조될 수 있다. 도 5를 참조하면, 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)의 이미터단(E) 및 제1 전계효과 트랜지스터(TR1)의 소스단으로 동작하는 제5 컨택(135)이 중심에 배치된다. 제5 컨택(135)의 외부에 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 게이트 절연층으로 동작하는 제1 게이트 절연막(140)과 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 게이트단(G)으로 동작하는 제1 도전막(141)이 링(예를 들면, 사각 링) 형태로 배치된다. 제1 도전막(141)의 외부에, 제1 양극성 접합 트랜지스터(BJT1)의 컬렉터단(C)과 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)의 드레인단 및 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 소스단으로 동작하는 제4 컨택(134)이 링(예를 들면, 사각 링) 형태로 배치된다.
제4 컨택(134)의 외부에 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 게이트 절연층으로 동작하는 제2 게이트 절연막(150)과 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 게이트단(GCASCODE)으로 동작하는 제2 도전막(151)이 링(예를 들면, 사각 링) 형태로 배치된다. 제2 도전막(151)의 외부에, 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)의 드레인단(D)으로 동작하는 제3 컨택(133)이 링(예를 들면, 사각 링) 형태로 배치된다. 제3 컨택(133)의 외측에, 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)의 베이스단으로 동작하는 제2 컨택(132)이 링(예를 들면, 사각 링) 형태로 배치된다. 제2 컨택(132)의 외측에, 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1,BJT2)의 베이스단으로 동작하는 웰(120)이 배치된다. 웰(120)의 외부에, 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT2)의 컬렉터단으로 동작하는 기판(110)이 배치된다. 추가적으로 기판(110)에는 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT2)의 컬렉터단(S)으로 동작하는 제1 컨택(131)이 배치될 수 있다.
도 6은 종래의 수소이온 감지센서의 전달컨덕턴스(transconductance)의 변화를 게이트 전압(gate voltage)별로 보여주는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 전달컨덕턴스를 게이트 전압별로 보여주는 그래프이다. 종래의 수소이온 감지센서로서, 제3 컨택(133)과 제2 게이트 절연막(150) 및 제2 도전막(151)을 구비하지 않은 수평형 양극성 접합 트랜지스터가 사용되었다. 즉, 종래의 수소이온 감지센서는 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)와 제1 양극성 접합 트랜지스터(BJT1)에 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)가 캐스코드 연결되지 않은 구조가 사용되었다. 베이스단(B)의 베이스 전류(Ib)는 -150 ~ 150 (㎂) 범위에서 변화시켰으며, 게이트단(G)의 전압(VG)은 종래의 수소이온 감지센서의 경우 -12 ~ 2 (V) 범위에서, 본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 경우 -4 ~ 2 (V) 범위에서 변화시켰다. 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서(100)의 경우 제2 전계효과 트랜지스터가 캐스코드 연결되지 않은 종래의 수소이온 감지센서에 비해 전달컨덕턴스(gm)가 평균 3배 정도로 향상된다. 이러한 결과는 본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서(100)가 수소이온을 훨씬 민감하게 감지할 수 있는 것을 의미한다.
도 8은 종래의 수소이온 감지센서의 시간에 따른 이미터 전류의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 시간에 따른 이미터 전류의 변화를 보여주는 그래프이다. pH 5.0인 대상 물질과 pH 7.0인 대상 물질과 pH 9.18인 대상 물질을 차례로 공급하여 이미터단(E)으로 흐르는 이미터 전류(Ie)를 측정하였다. 도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 수소이온의 농도가 낮을수록, 즉 pH가 큰 값을 가질수록 이미터 전류(Ie)가 증가한다. 도 8 내지 도 9에 도시된 바로부터, 본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서는 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)가 캐스코드 연결되지 않은 종래의 수소이온 감지센서에 비해, 이미터 전류의 변화 폭이 훨씬 더 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서(100)가 pH 변화를 보다 민감하게 검출할 수 있는 것을 의미한다.
도 10은 종래의 수소이온 감지센서와 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 민감도를 비교하여 보여주는 그래프이다. 수소이온 감지센서의 민감도(sensitivity)는 대상 물질의 pH 변화량에 대한 이미터 전류(Ie)의 변화량의 비율로부터 산출하였다. 도 10에 도시된 바로부터, 대상 물질이 산성(acid)(pH 5.0)인 경우와, 알칼리성(alkaline)(pH9.18)인 경우 모두, 본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서는 제2 전계효과 트랜지스터(제3 컨택, 제2 게이트 절연막 및 제2 도전막)가 캐스코드 연결되지 않은 종래의 수소이온 감지센서에 비해 대략 4.5배 정도 수준으로 민감도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 종래의 수소이온 감지센서의 시간에 따른 이미터 전류의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소이온 감지센서의 시간에 따른 이미터 전류의 변화를 보여주는 그래프이다. 대상 물질의 pH를 1.68 ~ 12.46 범위 내에서 변화시키면서 이미터 전류를 측정한 결과, 본 발명의 실시 예에 따른 수소이온 감지센서는 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)가 캐스코드 연결되지 않은 종래의 수소이온 감지센서에 비해, 이미터 전류(emitter current)(Ie)의 변화 폭이 대략 3배 정도로 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 도 6 내지 도 12의 도시로부터 알 수 있듯이, 제1 전계효과 트랜지스터(FET1)와 제1 내지 제2 양극성 접합 트랜지스터(BJT1, BJT2)에 제2 전계효과 트랜지스터(FET2)를 캐스코드(cascode) 구조로 직렬 연결함으로써 수소이온 농도에 대해 높은 민감도를 갖는 고감도 수소이온 감지센서를 얻을 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 수소이온 감지센서 110: 기판
120: 웰 131: 제1 컨택
132: 제2 컨택 133: 제3 컨택
134: 제4 컨택 135: 제5 컨택
140: 제1 게이트 절연막 141: 제1 도전막
150: 제2 게이트 절연막 151: 제2 도전막
160: 수소이온 감지부 161: 기준 전극
162: 측정 전극 1621: 금속층
1622: 패시베이션층 163: 플로팅 게이트
1631: 비아 1632: 금속막
FET1: 제1 전계효과 트랜지스터 FET2: 제2 전계효과 트랜지스터
BJT1: 제1 양극성 접합 트랜지스터 BJT2: 제2 양극성 접합 트랜지스터
TR: 트랜지스터부

Claims (11)

  1. 제1 도전형의 기판;
    상기 기판상에 형성되는 제2 도전형의 웰(well) 및 제1 도전형의 제1 컨택(contact);
    상기 웰 상에 형성되는 제2 도전형의 제2 컨택과, 제1 도전형의 제3 컨택, 제4 컨택 및 제5 컨택;
    상기 제4 컨택과 제5 컨택 사이의 영역 상에 형성되는 제1 게이트 절연막;
    상기 제3 컨택과 상기 제4 컨택 사이의 영역 상에 형성되는 제2 게이트 절연막; 그리고
    상기 제1 게이트 절연막 상에 형성되는 수소이온 감지부를 포함하며,
    상기 제2 컨택과 상기 제5 컨택은 상기 웰 상에서 이격되어 형성되고,
    상기 제3 컨택은 상기 제2 컨택과 상기 제5 컨택 사이에 형성되고,
    상기 제4 컨택은 상기 제3 컨택과 상기 제5 컨택 사이에 형성되며,
    상기 수소이온 감지부는 대상 물질의 수소이온 농도에 따라 조절되는 전압 레벨을 상기 제1 게이트 절연막으로 전달하는 수소이온 감지센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 게이트 절연막 상에 형성되는 제1 도전막; 그리고
    상기 제2 게이트 절연막 상에 형성되는 제2 도전막을 더 포함하는 수소이온 감지센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 게이트 절연막 및 상기 제1 도전막은 상기 제5 컨택을 둘러싸는 고리 형상을 갖도록 형성되고,
    상기 제2 게이트 절연막 및 상기 제2 도전막은 상기 제4 컨택을 둘러싸는 고리 형상을 갖도록 형성되는 수소이온 감지센서.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 수소이온 감지부는,
    상기 대상 물질에 접촉하도록 구성되고, 미리 설정된 기준 전압이 인가되는 기준 전극;
    상기 수소이온 농도에 따라 조절되는 상기 전압 레벨을 측정하는 측정 전극; 그리고
    상기 제1 게이트 절연막 상에 형성되고, 상기 전압 레벨을 상기 제1 도전막으로 전달하는 플로팅 게이트(floating gate)를 포함하는 수소이온 감지센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 측정 전극은,
    금속층; 그리고
    상기 금속층 상에 형성되는 패시베이션막을 포함하며,
    상기 패시베이션막은 질화 실리콘층을 포함하는 수소이온 감지센서.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 플로팅 게이트는 비아(via)를 통해 연결되는 다수의 금속막을 포함하는 수소이온 감지센서.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웰, 상기 제4 컨택, 상기 제5 컨택 및 상기 제1 게이트 절연막은 제1 전계효과 트랜지스터(field effect transistor)를 구성하고,
    상기 웰, 상기 제2 컨택, 상기 제4 컨택 및 상기 제5 컨택은 제1 양극성 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)를 구성하며,
    상기 기판, 상기 웰, 상기 제1 컨택, 상기 제2 컨택 및 상기 제5 컨택은 제2 양극성 접합 트랜지스터를 구성하며,
    상기 웰, 상기 제3 컨택, 상기 제4 컨택 및 상기 제2 게이트 절연막은 상기 제1 전계효과 트랜지스터 및 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터와 캐스코드(cascode) 구조로 연결되는 제2 전계효과 트랜지스터를 구성하는 수소이온 감지센서.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 전계효과 트랜지스터는 N채널형 또는 P채널형의 전계효과 트랜지스터인 수소이온 감지센서.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 컨택은 상기 제2 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터단으로 동작하고,
    상기 제2 컨택은 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터 및 상기 제2 양극성 접합 트랜지스터의 베이스단으로 동작하고,
    상기 제3 컨택은 상기 제2 전계효과 트랜지스터의 드레인단으로 동작하고,
    상기 제4 컨택은 상기 제1 전계효과 트랜지스터의 드레인단, 상기 제2 전계효과 트랜지스터의 소스단 및 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터의 컬렉터단으로 동작하고,
    상기 제5 컨택은 상기 제1 전계효과 트랜지스터의 소스단, 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터 및 상기 제2 양극성 접합 트랜지스터의 이미터단으로 동작하는 수소이온 감지센서.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 컨택에 인가되는 바이어스 전류에 의하여 상기 제1 양극성 접합 트랜지스터 및 상기 제2 양극성 접합 트랜지스터의 동작점이 조절되는 수소이온 감지센서.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제5 컨택을 통해 흐르는 전류의 양을 검출함으로써 상기 수소이온의 농도를 검출하는 수소이온 감지센서.
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