KR20110082111A - 분광장치 및 그 구동방법 - Google Patents

분광장치 및 그 구동방법 Download PDF

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KR20110082111A
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가즈아키 사와다
히로야스 이시이
유키 마루야마
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고꾸리쯔 다이가꾸 호우징 도요하시 기쥬쯔 가가꾸 다이가꾸
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Abstract

형광분석법에 있어서 검사대상인 ＤＮＡ 등으로부터 발생하고 있는 형광을 높은 정밀도로 검출하는 것데 적절한 신규 구성의 분광장치를 제안한다.
분광 대상광에 있어서 게이트 전압의 값으로 특정되는 파장이상의 파장성분의 빛의 세기에 대응하는 전하량을 출력하는 분광 센서 본체(21)와, 상기 분광 센서 본체(21)로부터 출력된 전하량에 따른 전압을 출력하는 플로팅 디퓨젼부(51)를 구비하여 이루어지는 분광장치(10)로서, 플로팅 디퓨젼부(51)는 직렬로 연결된 복수의 전하웰(53, 55)을 구비하고 전하웰 별로 출력전압이 검출된다.

Description

분광장치 및 그 구동방법{SPECTROSCOPIC DEVICE, AND METHOD FOR DRIVING THE DEVICE}
본 발명은 분광장치(分光裝置) 및 그 구동방법(驅動方法)에 관한 것이다.
입사광(入射光)에 의하여 전하(電荷)를 발생시키는 전하 발생층(電荷發生層)을 구비하는 분광 센서 본체(分光sensor 本體)로서, 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제1깊이까지 발생한 전하를 포획(捕獲)하는 제1전하 포획부(第電荷捕獲部)와, 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제2깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제2전하 포획부를 구비하는 분광 센서 본체가 특허문헌1에 개시되어 있다.
특허문헌1에 개시되는 분광 센서 본체는, 입력광(入力光)을 투과(透過)시키는 전극막(電極膜)을 반도체 기판(半導體基板) 상에 설치하고, 이 전극막에는 게이트 전극(gate電極)이 접합되어서 게이트 전압(gate電壓)이 인가(印加)된다. 반도체 기판과 전극막 사이에는 절연막(絶緣膜)이 삽입되고, 반도체 기판에 있어서 전극막과 대향하는 부분에는 확산층(擴散層)이 형성된다. 여기에서 반도체 기판을 일정한 전압으로 바이어스(bias) 하고 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압을 변화시키면, 확산층에서의 전하(전자)의 포획깊이가 변화한다. 한편, 입력광은 확산층 중으로 침투하여 전하를 발생시킨다. 입력광은 확산층을 구성하는 반도체에 흡수되어서 감쇠(減衰)한다. 이 감쇠의 정도는 입사광의 파장(波長)에 의존한다.
파장(λ1)의 광강도(光强度)를 A1이라고 하고 파장(λ2)의 광강도를 A2로 하고, 파장(λ1)과 파장(λ2)의 빛이 동시에 입사되었다고 하고, 확산층(전하 발생층)에 있어서 표면으로부터 제1깊이(W1)까지 발생한 전하량(전류량)을 I1, 마찬가지로 제2깊이(W2)까지 발생한 전하량(전류량)을 I2이라고 했을 때에, 다음의 관계식이 성립한다(상세한 것은 특허문헌1 참조).
[수1]
Figure pct00001
상기에 있어서, A1, A2 : 입사광 강도[W/cm2〕
S : 센서 면적[cm2〕
W1, W2 : 전자의 포획위치〔cm〕
α1, α2 : 각각의 파장의 흡수계수(吸收係數)〔cm-1〕
V1 : 전자의 포획위치를 W1로 했을 때의 출력전압
V2 : 전자의 포획위치를 W2로 했을 때의 출력전압
진동수(ν1) = c/λ1
진동수(ν2) = c/λ2
여기에서 c는 광속(光速), S는 수광부의 면적, hν은 빛의 에너지, q는 전자 볼트(electron volt)이다.
상기 식1에 있어서 W1 및 W2는 게이트 전압에 의거하여 정해지고, I1 및 I2는 측정이 가능하기 때문에 모두 이미 알고 있는 값이다. 따라서 미지(未知)인 입사광의 강도(A1, A2)는 수식1의 방정식을 품으로써 얻어진다. 즉 입사광에 있어서의 파장(λ1)의 성분의 강도(A1)와 파장(λ2)의 성분의 강도(A2)가 구해진다.
n개의 파장광(波長光)의 집합체로 이루어지는 입사광에 대하여는, 전하 발생층으로부터 n개의 깊이에 있어서 각각의 거리(W1∼Wn) 및 전하량(I1∼In)을 구함으로써 n개의 파장광의 각 강도(A1∼An)를 구할 수 있다.
DNA나 단백질의 유무(有無)나 양(量)을 조사함으로써 유전자 정보(遺傳子情報)의 해석의 범용적인 방법으로서 형광분석법(螢光分析法)을 들 수 있다. 이 형광분석법에서는, 예를 들면 검사대상이 되는 DNA를 플루오레세인(fluorescein)(형광색소(螢光色素))으로 표시하고, 490nm의 레이저광(laser光)(여기광(勵起光), 입력광)을 조사(照射)하고, 플루오레세인에 의하여 표시된 DAN로부터 방출되는 513nm의 형광을 측정한다.
플루오레세인이 강한 형광을 방출할 수 있다고 하여도 그 광강도는 여기광의 몇백분의 1정도이다. 따라서 종래에는, 여기광을 커트(cut)하는 필터(filter)를 준비하고, 이 필터로 여기광을 차단함과 아울러 통과된 형광의 세기를 측정함으로써 유전자 정보를 해석하고 있었다.
특허문헌1 : 일본국 공개특허 특개2005-10114호 공보
형광분석법에서는 형광의 발생의 유무를 정확하게 측정하기 위하여, 바꾸어 말하면 형광 만을 추출하여 그 빛의 세기를 정확하게 측정하기 위하여, 여기광을 차단하는 필터에 높은 신뢰성이 요구된다. 따라서 필터는 대단히 비싼 것이 되어 있다.
따라서 본 발명자들은, 비싼 필터의 사용을 생략하기 위하여, 특허문헌1에 개시되어 있는 분광장치를 사용하여 분석대상광으로부터 여기광의 영향을 배제하고, 형광 만의 강도를 측정하는 것에 대해서 검토를 하였다.
그 결과, 이하의 과제을 인식하게 되었다.
특허문헌1에 기재되어 있는 분광장치에서는, 분광 센서 본체로부터 출력되는 전하량을 전류로서 읽어 내고, 이것을 분석하고 있다. 이 경우에, 읽기 회로의 노이즈의 영향이 크고, 분광 센서 본체의 감도의 향상이 제한되어 있었다.
이러한 회로상의 노이즈의 영향을 피하기 위하여 플로팅 디퓨젼(floating diffusion)을 사용할 수 있다. 이 플로팅 디퓨젼은 전하웰(電荷 well)로 전하를 전송하고, 전하웰의 전압을 읽어냄으로써 전하량, 즉 전류량을 특정한다.
보통, 플로팅 디퓨젼에는 하나의 전하웰이 구비되어 있으므로, 분광 센서 본체에 플로팅 디퓨젼을 연결하는 경우에도, 우선 분광 센서 본체로부터의 전하를 이 하나의 전하웰로 전송하고, 당해 전하웰의 전압을 측정하는 것으로 생각된다. 일반적으로, 전하웰의 용량이 커지게 되면, 전하량의 차이에 대한 출력전압의 차이가 작아진다. 또한 형광분석법에 있어서는 입사광에서 차지하는 여기광의 강도가 크기 때문에, 전하웰은 당해 여기광에 따라 그 용량이 비교적 큰 것이 된다.
형광분석법은 DNA 등에 부가된 표시물질의 형광을 관찰하는 것이기 때문에, 형광에 의거하는 전하량 변화의 검출이 중요하게 된다. 그러나 입사광(여기광 + 형광)에 있어서 형광의 강도가 차지하는 비율이 작기 때문에, 여기광의 강도에 따라 비교적 큰 용량을 가지도록 설계된 하나의 전하웰에서는, 형광에 의거하는 전하량 변화는 작은 전압변화로 밖에 출력되지 않는다. 그 결과, 정확한 검출이 곤란하다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하도록 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 설명하는 본 발명을 착상하기에 이르렀다.
즉 본 발명의 제1국면은 다음과 같이 규정된다.
입사광에 의하여 전하를 발생시키는 전하 발생층을 구비하는 분광 센서 본체로서, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제1깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제1전하 포획부와, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제2깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제2전하 포획부를 구비하는 분광 센서 본체와,
상기 분광 센서 본체에 의하여 포획된 전하량에 따른 전압을 출력하는 플로팅 디퓨젼부로서, 상기 전하가 흐르는 하나의 패스에 대하여 간격을 두고 병렬로 연결된 복수의 전하웰을 구비하고, 상기 전하웰 별로 출력전압이 검출되는 플로팅 디퓨젼부를
구비하는 것을 특징으로 하는 분광장치.
이와 같이 규정되는 분광장치에 의하면, 분광 센서 본체로부터 패스로 전하를 전송하면, 당해 패스에 대하여 간격을 두고 병렬로 연결된 전하웰군에 그 상류로부터 순차적으로 전하가 충전된다. 그 결과, 하나의 전하웰이 전하에 의하여 가득 차면, 그것보다 하류측으로 연속된 전하웰에 전하가 순차적으로 충전된다. 여기에, 각 전하웰의 용량 및 그 수는 임의로 설정할 수 있기 때문에, 각 전하웰의 용량이 작아도 전하웰의 수를 많게 하면 분광 센서 본체로부터 다량의 전하의 전송이 가능하게 된다. 즉 검출범위(檢出範圍;檢出range)가 넓어지게 된다. 또한 전하웰의 용량이 작으면 전하량의 차이를 큰 전압차로서 출력할 수 있으므로, 그 검출감도(檢出感度)가 높아진다.
본 발명의 제2국면의 발명은 다음과 같이 규정된다. 즉 제1국면의 분광장치에 있어서, 상기 복수의 전하웰에 있어서 상류측의 전하웰의 용량을 하류측의 전하웰의 용량보다 크게 한다.
이렇게 규정된 제2국면의 분광장치에 의하면, 전하에 의하여 가득 차는 상류측의 전하웰의 용량을 비교적 크게 함으로써 전하량의 차이의 검출에 직접 기여하지 않는 전하웰의 수를 압축하여 장치를 간소화할 수 있다. 또한 전하량의 차이의 검출에 직접 기여하는 전하웰의 용량을 비교적 작게 함으로써 그 감도가 커지게 된다. 따라서, 더 정확한 검출을 할 수 있다.
본 발명의 제3의 국면은 다음과 같이 규정된다. 즉 제1 또는 제2국면에서 규정되는 분광장치에 있어서, 상기 분광 센서의 전하 발생층의 표면에는 투광성(透光性)의 절연막을 사이에 두고 게이트 전극이 설치되고, 상기 게이트 전극에 인가되는 전압에 따라 상기 제1깊이와 상기 제2깊이가 조정된다.
이렇게 게이트 전압을 제어함으로써 전하 발생층에 있어서의 전하포획 깊이의 범위(표면으로부터의 깊이)를 정할 수 있다. 즉 게이트 전압을 제어함으로써 단일의 전하 발생층에 제1전하 포획부와 제2전하 포획부의 양 기능을 발휘시킬 수 있다. 분광 센서 본체의 구성이 간소화되어 분광장치를 저렴하게 제공 가능하게 된다.
또, 확산층으로 이루어지는 전하 발생층이 형성되는 기판에 인가하는 전위를 변화시킴으로써 전하 발생층에 있어서의 전하포획범위를 제어할 수도 있다.
본 발명의 제4의 국면에서는, 제1전하 포획부와 제2전하 포획부를 분리하여 구성하고 있다. 예를 들면 기판에 있어서 2개의 확산층을 형성하여 각 확산층의 불순물 농도를 다르게 한다. 불순물 농도가 다르게 되면, 확산층(즉, 전하 발생층)에 있어서 전하를 포획할 수 있는 범위(표면으로부터 깊이방향의 범위)가 다르게 된다. 이에 따라 제1전하 포획부와 제2전하 포획부가 구성된다.
제4의 국면에서 규정되는 분광장치에 의하면, 제3의 국면에서 규정되는 분광장치에 비하여 게이트 전압의 인가조절이 불필요하므로, 분광 센서 본체의 구성을 보다 간소화 할 수 있다.
제1국면의 발명에서는 각 전하웰의 출력전압이 검출 가능하게 되어 있으므로, 넓은 검출범위를 유지한 상태에서 높은 검출감도가 얻어진다.
형광분석법의 경우에는, 여기광에 검사대상으로부터의 형광이 중첩되었을 때의, 당해 형광의 검출이 중요하게 된다. 즉 형광의 유무에 의거하는 전하량의 변화를 정확하게 검출할 필요가 있다. 그러나 입사광에 있어서의 형광이 차지하는 비율이 작으므로, 형광에 기인하는 전하량의 변화의 비율은 플로팅 디퓨젼부로 송출되는 총전하량에 있어서 작은 것이 된다.
여기에서 플로팅 디퓨젼부로 송출되는 전하량을 고정량 부분과 변화량 부분으로 분할하고, 각각을 제1전하웰과 그 하류에 직렬결합 되는 제2전하웰에 충전(充塡)하도록 하면, 형광에 기인하는 전하의 변화를 제2전하웰에 충전되는 전하량의 변화, 즉 제2전하웰의 전압변화로서 얻을 수 있다. 여기에, 형광에 기인하는 광강도의 변화는 작으므로, 제2전하웰의 용량을 비교적 작게 함으로써 그 감도가 향상된다. 제1전하웰은 항상 전하에 의하여 가득 찬 상태에 있으므로, 그 전압을 검출할 필요는 없으므로 장치 구성을 간소화할 수 있다.
본 발명의 제5의 국면은 상기 지식에 의거하여 이루어졌다. 즉,
검사대상을 투과한 여기광과 상기 여기광에 의하여 여기된 상기 검사대상으로부터 방출되는 형광을 포함하는 빛을 분광 대상광으로 하고 상기 분광 대상광이 입사되어서 전하를 발생시키는 전하 발생층을 구비하는 분광 센서 본체로서, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제1깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제1전하 포획부와, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제2깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제2전하 포획부를 구비하는 분광 센서 본체와,
상기 분광 센서 본체에 의하여 포획된 전하량에 따른 전압을 출력하는 플로팅 디퓨젼부로서, 상기 전하가 흐르는 하나의 패스에 대하여 간격을 두고 병렬로 연결된 제1전하웰 및 제2전하웰을 구비하고, 상기 제1전하웰은 상기 패스에 있어서 상기 제2전하웰보다 상류측에 위치하고, 상기 제1전하웰은 상기 제2전하웰보다 용량이 크고 또한 상기 분광 대상광에 의하여 발생하는 전하에 의하여 항상 가득 차고, 상기 제2전하웰의 출력전압이 검출되는 것을 특징으로 하는 형광분석용의 분광장치.
본 발명의 제6의 국면은 다음과 같이 규정된다. 즉, 제5의 국면에서 규정되는 형광분석용의 분광장치에 있어서, 상기 분광 센서의 전하 발생층의 표면에는 투광성의 절연막을 사이에 두고 게이트 전극이 설치되고, 상기 게이트 전극에 제1게이트 전압을 인가함으로써 상기 전하 발생층이 상기 제1전하 포획부가 되고 제2게이트 전압을 인가함으로써 상기 전하 발생층이 상기 제2전하 포획부가 된다.
이렇게 게이트 전압을 제어함으로써 전하 발생층에 있어서의 전하포획 깊이의 범위(표면으로부터의 깊이)를 정할 수 있다. 즉 게이트 전압을 제어함으로써 단일의 전하 발생층에 제1전하 포획부와 제2전하 포획부의 양 기능을 발휘시킬 수 있다. 분광 센서 본체의 구성이 간소화되어, 분광장치를 저렴하게 제공 가능하게 된다.
본 발명의 제7의 국면은 다음과 같이 규정된다. 즉, 제5의 국면에서 규정되는 분광장치에 있어서, 상기 분광 센서 본체의 제1전하 포획부와 제2전하 포획부는 분리되어 있고, 서로 다른 불순물 농도의 전하 발생층을 구비한다.
이렇게 규정되는 제7의 국면의 분광장치에 의하면, 제6의 국면에서 규정되는 분광장치에 비하여, 게이트 전압의 인가제어가 불필요하므로, 분광 센서 본체의 구성을 보다 간소화 할 수 있다.
본 발명의 제8의 국면은 다음과 같이 규정된다. 즉,
입사광에 의하여 전하를 발생시키는 전하 발생층을 구비하는 분광 센서 본체로서, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제1깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제1전하 포획부와, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 상기 제1깊이보다도 깊은 제2깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제2전하 포획부를 구비하는 분광 센서 본체와,
상기 전하가 흐르는 하나의 패스에 대하여 간격을 두고 병렬로 연결된 복수의 전하웰을 구비하고, 상기 분광 센서 본체에 의하여 포획된 전하량에 따른 전압을 출력하는 플로팅 디퓨젼부를
구비하는 분광장치를 구동하는 방법으로서,
상기 제1전하 포획부에 의하여 포획한 전하를 상기 분광 센서 본체로부터 상기 플로팅 디퓨젼부로 송출했을 때에, 전하에 의하여 가득 차지 않은 최상류의 전하웰을 특정하고, 그 출력전압을 제1전압으로서 저장하는 스텝과,
상기 제2전하 포획부에 의하여 포획한 전하를 상기 센서 본체로부터 상기 플로팅 디퓨젼부로 송출하고, 상기 특정된 전하웰의 출력전압의 제2전압으로서 저장하는 스텝을 포함하는 구동방법.
분광 센서 본체로부터 패스로 전하를 전송하면, 당해 패스에 대하여 간격을 두고 병렬로 연결된 전하웰군에 그 상류로부터 순차적으로 전하가 충전된다. 그 결과, 하나의 전하웰이 전하에 의하여 가득 차면, 그것보다 하류측으로 연속된 전하웰에 전하가 순차적으로 충전된다. 여기에서, 각 전하웰의 용량 및 그 수는 임의로 설정할 수 있기 때문에, 각 전하웰의 용량이 작아도 전하웰의 수를 많게 하면 분광 센서 본체로부터 다량의 전하의 전송이 가능하게 된다. 즉 검출범위가 넓어지게 된다. 또한 전하웰의 용량이 작으면 전하량의 차이를 큰 전압차로서 출력할 수 있으므로, 그 검출감도도 높아진다.
제8의 국면에서 규정되는 구동방법에 의하면, 플로팅 디퓨젼부에 있어서 전하에 의하여 가득 차지 않은 최상류의 전하웰을 특정하고, 그 전하웰의 출력전압을 저장하고 있다. 바꾸어 말하면, 전하에 의하여 가득 찬 전하웰의 데이터를 저장할 필요는 없다. 이에 따라 장치를 간소화할 수 있음과 아울러 데이터의 처리량이 압축된다.
도1은, 분광 센서 본체의 원리도다.
도2는, 분광 센서 본체의 특성도다.
도3은, 형광분석법에 있어서의 여기광과 형광이 분광 센서 본체의 확산층으로 침투하는 깊이를 나타내는 개념도다.
도4는, 분광 센서 본체의 출력전류 특성도다.
도5는, 실시예의 분광장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도6은, 반도체 기판의 등가회로를 나타내는 도면이다.
도7은, 다른 실시예의 플로팅 디퓨젼부의 구성을 나타내는 도면이다.
도8은, 다른 실시예의 분광장치의 구성을 나타내는 모식도다.
분광 센서 본체의 특성에 대해서 설명한다(상세한 것은 특허문헌1을 참조).
도1은 분광 센서 본체(分光 sensor 本體)(1)의 기본구조를 나타낸다. 이러한 분광 센서 본체(1)에서는, 입사광(入射光)을 투과(透過)시킴과 아울러 게이트 전압(gate電壓)이 인가(印加)되는 전극막(電極膜)(7)과, 그 하부에 절연막(絶緣膜)(4)을 사이에 두고 입사광에 의하여 발생한 전자를 포획하는 제1확산층(第1擴散層)(2)과, 상기 제1확산층(2)의 일단측에 형성되고 상기 제1확산층(2)내에 포획된 전자를 외부로 반출하는 제2확산층(3)과, 상기 제2확산층(3)에 접속되고 또한 포획한 전자를 외부로 반출하는 제1전극(第1電極)(5)과, 제1확산층(2)에 형성되고 제2확산층(3)과 대향하는 타단측에 접속되고 또한 제1확산층(2)의 전위를 인가하는 제2전극(6)이 설치된다.
도2의 A∼D는 게이트 전압의 값과 확산층에서 발생하는 전하의 포획깊이(z축)를 나타내고 있다. 각 도면에 있어서, 제1확산층(2)에 있어서의 전자의 포획깊이는 W로 나타나 있다. 제1확산층(2)의 표면으로부터 당해 포획깊이(W)까지 발생한 전하(전자)가 출력으로서 얻어진다.
분석대상광(分析對象光)에, 490nm의 여기광(勵起光)과 513nm의 형광(螢光)이 혼합되어 있는 경우의 예를 도3에 나타낸다.
여기에, 포획깊이(W1)에 대응하는 게이트 전압은 제1게이트 전압(Vg1)이며, 포획깊이(W2)에 대응하는 게이트 전압은 제2게이트 전압(Vg2)이다.
분광 센서 본체(1)의 게이트 전극(8)에 제1게이트 전압(Vg1)이 인가되었을 때(포획깊이(W1))에는, 확산층 표면으로부터 깊이(W1)까지 침투한 빛에 기인한 전하가 포획되어서 출력된다. 한편, 게이트 전극(8)에 제2게이트 전압(Vg2)을 인가했을 때(포획깊이(W2))에는, 포획깊이(W1)를 넘어서 깊이(W2)까지 확산층내로 침투한 빛에 기인한 전하가 포획된다.
여기에서, 여기광의 광량에 대하여 형광의 광량은 극단적으로 작기 때문에, 형광이 가해지지 않고 있는 입사광에 대한 전하량(I01)(게이트 전압 : Vg1) 및 전하량(I02)(게이트 전압 : Vg2)과 형광이 가해진 입사광에 대한 전하량(I11)(게이트 전압 : Vg1) 및 전하량(I12)(게이트 전압 : Vg2)의 차이는 작은 값이 된다.
도4에는, 여기광에 형광이 가해진 입사광을 사용했을 때의 게이트 전압과 출력전류(전하량)의 관계를 나타낸다. 여기에서, 여기광 만으로 이루어지는 입사광을 사용했을 때의 게이트 전압과 출력전류의 관계는, 도4의 스케일에서는 여기광에 형광을 가했을 경우의 그것과 겹쳐버린다.
도4로부터, 출력전류(전하량)는 전체로서 크지만 변화량은 작은 것을 알 수 있다.
이 실시예에서는, 분광 센서 본체로부터 출력되는 전하량이 큰 부분(도4의 A부분)을 제1전하웰에 충전한다. 그리고 출력 전하량의 변화 부분(도4의 B부분)을 제2전하웰에 충전한다. 여기에서, 제2전하웰의 용량을 비교적 작게 함으로써 변화부분(B)의 전하량의 검출감도가 향상되고, 강한 여기광 안에 포함되는 약한 형광의 강도를 정밀하게 얻을 수 있다.
도5에 본 발명의 실시예의 분광장치(10)의 기본구성을 나타낸다. 이 분광장치(10)는 분광 센서 본체(21)와 플로팅 디퓨젼부(51)를 연결한 구성이다.
실시예의 분광장치(10)는 n형 실리콘 반도체 기판(n型 silicon 半導體 基板)(11)상의 표면을 보론(boron) 등에 의하여 얇게 p형화(p型化)하고, 또한 인(燐) 등의 n형 도펀트(n型 dopant)를 도프(dope)하여 제1 및 제2전하웰(53, 55)을 형성하고 있다.
분광 센서 본체(21)의 확산층(22)은 보론 등에 의하여 p형으로 깊게 도프되어 있고, 그 위에는 실리콘 산화막(silicon 酸化膜)(절연막)(23)이 적층되고, 또한 폴리실리콘(polysilicon)으로 이루어지고 투광성(透光性)과 도전성(導電性)을 갖는 게이트막(gate膜)(24)이 적층되어 있다. 이 게이트막(24)에는 게이트 전극(gate電極)(25)이 부설(附設)되어서 게이트 전압이 인가된다. 게이트 전극(25)의 설치위치는 특별하게 한정되는 것은 아니지만, 빛의 차폐(遮蔽)를 억제하기 위하여 게이트막(24)의 테두리부에 형성하는 것이 바람직하다.
도면 중의 부호 31은 리셋 드레인(reset drain)이다. 측정 이전에는 리셋 게이트(reset gate)(33)의 전위를 높여서 전하 발생부(電荷發生部)(22)(확산층)에 존재하는 전하가 리셋 드레인으로 폐기되고, 이에 따라 전하 발생부(22)가 초기화된다.
전하 발생부(22)와 제1전하웰(53) 사이에는 제1트랜스퍼 게이트 영역(第1transfer gate 領域)(41)이 형성되고, 제1전하웰(53)과 제2전하웰(55) 사이에는 제2트랜스퍼 게이트 영역(43)이 형성되어 있다.
제1 및 제2트랜스퍼 게이트 영역에는 절연막을 사이에 두고 제1트랜스퍼 게이트 전극(第1transfer gate 電極)(35) 및 제2트랜스퍼 게이트 전극(54)이 대향하도록 배치되어 있다.
도5의 장치에 있어서 기판(11)의 각 층에 의하여 형성되는 등가회로를 도6에 나타낸다. 도6에 있어서, 도5에 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
도6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 플로팅 디퓨젼부(51)는 하나의 도전 패스(導電 path)(52)에 대하여 제1전하웰(53)과 제2전하웰(55)이 병렬로 또한 간격을 두고, 그 사이에 트랜스퍼 게이트(35, 54)를 설치하고 연결된 구성이다. 이러한 구성을 채용함으로써 분광 센서 본체(21)로분터 송출되는 전하는 패스(52)에 연결된 상류측의 전하웰로부터 순차적으로 충전되어 간다.
도전 패스(52)는 전하웰(53, 55) 및 리셋 드레인(57)을 연결하는 도전 패스(52)는 반도체 기판(11)의 표면이 그 기능을 담당하고 있다. 따라서 반도체 기판(11)에 있어서 각 전하웰은 확산층(22)으로부터 보아서 하나의 가상선상에 나란히 있으면 좋다.
게이트막(24) 및 절연막(23)을 통하여 확산층(22)으로 분광 대상광이 입사하면, 당해 입사광의 세기에 따라 전자가 발생된다. 확산층(22)에 있어서 전자를 포획할 수 있는 깊이방향의 범위는 게이트 전극(25)에 인가되는 게이트 전압의 세기에 의하여 조정된다(도2 참조).
확산층(22)에 있어서 포획된 전자는, 제1트랜스퍼 게이트 전극(35)의 전위를 올림으로써 플로팅 디퓨젼부(51)로 전송(轉送)된다. 여기에서 게이트 전압은 플로팅 디퓨젼부(51)를 구성하는 각 전극의 전압보다 낮다. 그 때문에 확산층(22)에서 포획된 전자의 전부가 플로팅 디퓨젼부(51)로 전송된다. 즉 확산층(22)의 퍼텐셜 에너지(potential energy)가 플로팅 디퓨젼부(51)의 퍼텐셜 에너지보다도 높게 설정되어 있기 때문에, 확산층(22)에 존재하는 전자는 전부 플로팅 디퓨젼부(51)로 보내진다.
플로팅 디퓨젼부(51)로 보내진 전자의 대부분은 제1전하웰(53)에 충전된다. 제1전하웰(53)과 제2전하웰(55) 사이의 제2트랜스퍼 게이트 영역(43)의 포텐셜은 확산층(22)의 그것보다 낮게 설정되어 있다. 이에 따라 이 제1전하웰(53)이 전자에 의하여 가득 차면, 제1전하웰(53)로부터 전자가 넘치기 시작하여 제2전하웰(55)을 충전한다. 부호57은 리셋 드레인으로서, 제2트랜스퍼 게이트 전극(54), 리셋 게이트 전극(56)의 전위를 올림으로써 제1전하웰(53) 및 제2전하웰(55)에 충전되어 있는 전자를 리셋 드레인(57)으로 내보내고, 또한 외부로 배출한다.
각 전하웰(53, 55)에는 각각 전압검출회로가 설치되어 전자의 충전량에 따라 전압이 출력된다. 이러한 전압검출회로에는 주지의 구성의 용량형의 것을 채용할 수 있다.
이들의 전압을 측정함으로써 플로팅 디퓨젼부에 전송된 전자의 양(즉 전류량)을 특정할 수 있다.
제1전하웰(53)이 항상 가득 찬 상태이면 그 출력전압은 항상 일정하므로, 그 전압측정을 생략할 수 있다.
이러한 분광장치(1)를 사용하는 형광분석에 대해서 설명한다.
형광분석의 단위 시료에 대하여 도5의 분광장치를 준비하고, 시료(試料)를 투과한 여기광을, 어떠한 필터도 통과시키지 않고 분광 센서 본체(21)의 확산층(22)에 입사시킨다. 이 때에, 시료에 있어서 형광이 발생하고 있으면, 형광도 당해 확산층(22)에 입사되게 된다.
게이트 전극(25)에 인가되는 게이트 전압을 제1게이트 전압으로 함으로써 확산층(22)에 있어서의 전자포획 영역의 깊이는 W1이 된다. 이에 따라 확산층(22)이 제1전하 포획부로서 기능한다. 포획된 전자는 플로팅 디퓨젼부(51)으로 전송되어서 제1전하웰(53)과 제2전하웰(55)에 충전되어, 각각의 출력전압이 저장된다. 이 출력전압은 전하량에 대응하고 있으므로, 상기한 수식1의 I1이 구해진다.
마찬가지로, 게이트 전극(25)에 인가되는 게이트 전압을 제2게이트 전압으로 함으로써 확산층(22)에 있어서의 전자포획 영역의 깊이는 W2기 된다. 이에 따라 확산층(22)이 제2전하 포획부로서 기능한다. 포획된 전자는 플로팅 디퓨젼부(51)로 전송되어서 제1전하웰(53)과 제2전하웰(55)에 충전되어, 각각의 출력전압이 저장된다. 이 출력전압은 전하량에 대응하고 있으므로, 상기한 수식1의 I2가 구해진다.
확산층(22)에 있어서의 전자포획 영역의 깊이(W)는, 주어진 게이트 전압에 대응하여 미리 정해진다(도2 참조). 또한 확산층(22)의 불순물 농도 등에 따라 이 깊이(W)는 변화시킬 수 있다.
이상에 의하여, 수식1의 파라미터인 I1, I2 및 W1 및 W2를 결정할 수 있으므로, 수식1을 풀어 여기광의 강도(A1)와 형광의 강도(A2)를 구할 수 있다.
수식1은, 범용적인 컴퓨터에 갖추어진 소프트웨어를 실행함으로써 풀 수 있다.
이 컴퓨터는 CPU, 메모리 장치, 데이터 입력장치, 데이터 출력 장치 및 그것을 연결하는 버스(bus)를 구비하고 있다. 전하웰의 출력전압은 메모리 장치에 저장되어, 상기 수식1에 대입된다.
또한 전류량(I1)을 제1전하웰(53)의 출력전압(Vout1)에 대응하는 부분 I1out1과 제2전하웰(55)의 출력전압(Vout2)에 대응하는 부분 I1out2으로 분할하고, 마찬가지로 전류량(I2)을 제1전하웰(53)의 출력전압(Vout1)에 대응하는 부분 I2out1과 제2전하웰(55)의 출력전압(Vout2)에 대응하는 부분 I2out2으로 분할하면, 수식1의 좌변은 다음과 같이 나타내어진다.
I1 = I1out1 + I1out2
I2 = I2out1 + I2out2
여기에서, 제1전하웰(53)은 항상 가득 차기 때문에, I1out1 및 I2out1은 상수가 된다. 따라서 수식1은 제2전하웰(55)의 출력전압에 대응하는 전하량(전류)(I1out2, I2out2) 만으로부터 구할 수 있다.
이상에서, 여기광의 강도가 안정되어 있어, 항상 제1전하웰(53)이 전자에 의하여 가득 차도록 제어된 조건에 있어서는, 제1전하웰(53)의 출력전압의 검출을 생략할 수 있다. 이에 따라 장치구성을 간소화할 수 있다.
한편, 제1전하웰(53)의 출력전압을 검출함으로써 여기광의 강도가 다소 불안정하더라도 형광의 강도를 특별히 지정할 수 있다. 따라서 형광분석장치의 유지보수가 번거롭지 않게 된다.
도7에는, 다른 실시예의 분광장치에 있어서의 플로팅 디퓨젼부(61)의 구성을 나타내고 있다. 이 플로팅 디퓨젼부(61)에서는 다수의 작은 용량의 전하웰(63-1, 63-2, ……)을 배열하여 분광 센서 본체로부터 전송되는 모든 전하를 분광 센서 본체에 가까운 측의 전하웰(63-1)로부터 순차적으로 충전해 간다. 그 결과, n-1번째의 전하웰(63-n-1)까지는 모든 전하웰이 전하에 의하여 가득 찬다. 그리고 n번째의 전하웰(63-n)에 있어서 전하량의 차이가 나타난다.
이 실시예에 의하면, 그 세기를 모르는 분광 대상광에 대하여도, 다수의 전하웰을 준비함으로써 대응할 수 있다. 또한 하나하나의 용량을 작게 했으므로 차이가 나타나는 전하웰에 있어서, 당해 차이를 높은 감도로 검출할 수 있다.
여기에서 각 전하웰의 용량은 동일하지 않아도 좋다.
여기에서, 차이가 나타나는 전하웰의 특정은 다음과 같이 하여 할 수 있다. 즉 각 전하웰에 있어서는, 전하가 가득 차게 되었을 때와 전하가 비었을 때의 출력전압(Vout-full, Vout-empty)이 미리 정해진다. 분광 센서 본체(21)로부터 플로팅 디퓨젼부(61)로 전하가 전송된 후에 각 전하웰의 출력전압을 조사하면, 전하에 의하여 가득 찬 전하웰(63-1∼63-n-1)로부터는 전하가 가득 찬 출력전압(Vout-full)이 출력되고, 전하웰(63-n+1)로부터는 전하가 빈 출력전압(Vout-empty)가 출력된다. 그리고 전하웰(63-n)의 출력전압(Vout-63-n)은 그 전하가 가득 찬 출력전압(Vout-full)과 전하가 빈 출력전압(Vout-empty)의 중간의 전압값을 취하므로, 이러한 값을 출력하는 전하웰을 특정한다.
이러한 전하웰은, 전하에 의하여 가득 차지 않은 최상류의 전하웰이 된다.
이상의 예에서는, 게이트 전압을 제어함으로써 동일한 확산층(22)을 제1전하 포획부 및 제2전하 포획부로서 기능시켰다.
제1전하 포획부는 그 표면으로부터 W1의 깊이까지 존재하는 전하를 포획하고 또한 제2전하 포획부는 그 표면으로부터 W2의 깊이까지 존재하는 전하를 포획하여 각각 플로팅 디퓨젼부로 전송한다.
확산층에 있어서 전하를 포획하는 깊이는 확산층에 도프되는 불순물의 농도에 의해서도 제어할 수 있다.
이러한 지식에 의거하여 이하에 설명하는 분광장치(100)가 설계되어 있다.
도8은 다른 실시예의 분광장치(100)의 구성을 나타내는 블럭도다.
이 분광장치(100)는 분광 센서 본체(101)와 플로팅 디퓨젼부(110)를 구비한다. 분광 센서 본체(101)는 분리된 2개의 전하 포획부(102, 103)를 구비한다. 제1전하 포획부(102)와 제2전하 포획부(103)는 동일한 반도체 기판 상에 아이소레이트(isolate)되어 형성되어 있고, 동일 면적 및 동일 깊이에서 서로 다른 농도의 불순물이 도프되어 있다. 이에 따라 제1전하 포획부(102)에서는 그 표면으로부터 W1의 깊이까지 전하가 포획되고, 한편 제2전하 포획부(103)에서는 그 표면으로부터 W2의 깊이까지 전하가 포획된다. 이들 깊이(W1, W2)는 불순물의 종류, 도프량(dope量) 등에 의하여 제어할 수 있고 또한 특정이 가능하다.
제1 및 제2전하 포획부(102, 103)의 전하는 플로팅 디퓨젼부(110)로 보내진다. 제1 및 제2전하 포획부(102, 103)로부터 플로팅 디퓨젼부(110)로 보내지는 전하의 양(전류)은 측정이 가능하다.
이에 따라 상기한 식1에 있어서의 파라미터 W1, W2 및 전류량(I1, I2)이 특정된다. 따라서 서로 다른 파장의 빛의 강도(A1, A2)를 구할 수 있다.
도8에 있어서 부호 104 및 105는 리셋 게이트로서, 측정전에 제1 및 제2전하 포획부(102, 103)에 존재하는 전하를 리셋 드레인(108)으로 폐기하여 이들을 초기화한다.
제1 및 제2전하 포획부(102, 103)로부터 플로팅 디퓨젼부(110)에 대한 전하의 전송은 전송 게이트(轉送 gate)(106, 107)의 전위를 제어함으로써 이루어진다.
플로팅 디퓨젼부(110)를 구성하는 각 요소에 있어서 도5의 요소와 동일한 작용을 하는 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명을 생략한다.
본 발명은, 상기 발명의 실시형태 및 실시예의 설명에 의하여 조금도 한정되는 것이 아니다. 특허청구범위의 기재를 일탈하지 않고, 당업자가 용이하게 착상할 수 있는 범위에서 여러가지의 변형태양도 본 발명에 포함된다.
각 실시예에서는 전하로서 전자를 취급하고 있지만, 반도체 기판 및 거기에 도프되는 불순물의 도전형을 변경함으로써 정공(正孔)(hole)을 전하로서 취급할 수 있다.
1 , 21 , 101 : 분광 센서 본체
2 , 22 : 확산층
4, 23 : 절연층
7, 24 : 게이트막
8, 25 : 게이트 전극
10, 100 : 분광장치
51, 110 : 플로팅 디퓨젼부
53 : 제1전하웰
55 : 제2전하웰

Claims (9)

  1. 입사광에 의하여 전하를 발생시키는 전하 발생층을 구비하는 분광 센서 본체로서, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제1깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제1전하 포획부와, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제2깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제2전하 포획부를 구비하는 분광 센서 본체와,
    상기 분광 센서 본체에 의하여 포획된 전하량에 따른 전압을 출력하는 플로팅 디퓨젼부로서, 상기 전하가 흐르는 하나의 패스에 대하여 간격을 두고 병렬로 연결된 복수의 전하웰을 구비하고, 상기 전하웰 별로 출력전압이 검출되는 플로팅 디퓨젼부를
    구비하는 것을 특징으로 하는 분광장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전하웰에 있어서 상류측의 전하웰의 용량이 하류측의 전하웰의 용량보다 큰 것을 특징으로 하는 분광장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분광 센서의 전하 발생층의 표면에는 투광성(透光性)의 절연막을 사이에 두고 게이트 전극이 설치되고,
    상기 게이트 전극에 제1게이트 전압을 인가함으로써 상기 전하 발생층을 상기 제1전하 포획부로서 기능시키고, 제2게이트 전압을 인가함으로써 상기 전하 발생층을 상기 제2전하 포획부로서 기능시키는 것을 특징으로 하는 분광장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 분광 센서 본체의 제1전하 포획부와 제2전하 포획부는 분리되어 있고, 서로 다른 불순물 농도의 전하 발생층을 구비하는 것을 특징으로 하는 분광장치.
  5. 검사대상을 투과한 여기광과 상기 여기광에 의하여 여기되고 상기 검사대상으로부터 방출되는 형광을 포함하는 빛을 분광 대상광으로 하고 상기 분광 대상광이 입사되어서 전하를 발생시키는 전하 발생층을 구비하는 분광 센서 본체로서, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제1깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제1전하 포획부와, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제2깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제2전하 포획부를 구비하는 분광 센서 본체와,
    상기 분광 센서 본체에 의하여 포획된 전하량에 따른 전압을 출력하는 플로팅 디퓨젼부로서, 상기 전하가 흐르는 하나의 패스에 대하여 간격을 두고 병렬로 연결된 제1전하웰 및 제2전하웰을 구비하고, 상기 제1전하웰은 상기 패스에 있어서 상기 제2전하웰보다 상류측에 위치하고, 상기 제1전하웰은 상기 제2전하웰보다 용량이 크고 또한 상기 분광 대상광에 의하여 발생하는 전하에 의하여 항상 가득 차고, 상기 제2전하웰의 출력전압이 검출되는 것을 특징으로 하는 형광분석용의 분광장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 분광 센서의 전하 발생층의 표면에는 투광성(透光性)의 절연막(絶緣膜)을 사이에 두고 게이트 전극(gate電極)이 설치되고,
    상기 게이트 전극에, 제1게이트 전압을 인가함으로써 상기 전하 발생층을 상기 제1전하 포획부로서 기능시키고, 제2게이트 전압을 인가함으로써 상기 전하 발생층을 상기 제2전하 포획부로서 기능시키는 것을 특징으로 하는 분광장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 분광 센서 본체의 제1전하 포획부와 제2전하 포획부는 분리되어 있고, 서로 다른 불순물 농도(不純物濃度)의 전하 발생층을 구비하는 것을 특징으로 하는 분광장치.
  8. 입사광에 의하여 전하를 발생시키는 전하 발생층을 구비하는 분광 센서 본체로서, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제1깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제1전하 포획부와, 상기 전하 발생층에 있어서 그 표면으로부터 제2깊이까지 발생한 전하를 포획하는 제2전하 포획부를 구비하는 분광 센서 본체와,
    상기 전하가 흐르는 하나의 패스에 대하여 간격을 두고 병렬로 연결된 복수의 전하웰을 구비하고, 상기 분광 센서 본체에 의하여 포획된 전하량에 따른 전압을 출력하는 플로팅 디퓨젼부를
    구비하는 분광장치를 구동하는 방법으로서,
    상기 제1전하 포획부에 의하여 포획한 전하를 상기 분광 센서 본체로부터 상기 패스로 송출했을 때에, 전하에 의하여 가득 차지 않은 최상류의 전하웰을 특정하고, 그 출력전압을 제1전압으로서 저장하는 스텝과,
    상기 제2전하 포획부에 의하여 포획한 전하를 상기 센서 본체로부터 상기 패스로 송출하고, 상기 특정된 전하웰의 출력전압의 제2전압으로서 저장하는 스텝을
    포함하는 구동방법.
  9. 입사광에 의하여 전하를 발생시키는 전하 발생층을 구비하는 분광 센서 본체와, 상기 분광 센서 본체에 의하여 포획된 전하량에 따른 전압을 출력하는 플로팅 디퓨젼부를 구비하는 분광장치로서,
    상기 분광 센서 본체와 상기 플로팅 디퓨젼부는 반도체 기판 표면에 형성되고, 상기 전하 발생층은 제1도전형으로 도프(dope)되고, 상기 플로팅 디퓨젼부를 구성하는 제1전하웰 및 제2전하웰은 제2도전형으로 도프되고,
    상기 전하 발생층, 상기 제1전하웰 및 상기 제2전하웰은 가상 동일선상에 각각 제1 및 제2트랜스퍼 게이트 영역을 사이에 두고 형성되고,
    상기 전하 발생층의 표면에는 투광성의 절연막을 사이에 두고 게이트 전극이 배치되고, 상기 제1 및 제2전하웰에는 각각 전압검출회로가 접속되고, 상기 제1 및 제2트랜스퍼 게이트 영역에는 각각 절연막을 사이에 두고 제1 및 제2트랜스퍼 게이트 전극이 배치되는 것을 특징으로 하는 분광장치.
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