TWI386644B - Ion sensing field effect transistor and ion sensing electrode having the ion sensing field effect transistor - Google Patents

Description

離子感測場效電晶體與具有該離子感測場效電晶體的離子感測電極

本發明是有關於一種場效電晶體(Field Effect Transistor)與具有該場效電晶體的感測電極，特別是指一種用於感測酸鹼值的離子感測場效電晶體(Ion Sensitive Field Effect Transistor)與具有該離子感測場效電晶體的離子感測電極。

參閱圖1，離子感測場效電晶體1(Ion Sensitive Field Effect Transistor，以下簡稱IFET)的結構與金屬-氧化物-半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，以下簡稱MOSFET)相似，其包含有一由半導體材料構成的半導體層11、一形成在該半導體層11上的導電層12，及一形成在該半導體層11相反於該導電層12的另一表面的感測層13，該感測層13會因待測物的酸鹼度而產生一相對的電位變化，該導電層12與該感測層13電連接而可將該感測層13的電位變化向外輸出，藉此，可以量測待測物的酸鹼值。

參閱圖2，圖2是將上述離子感測場效電晶體1經過封裝製程後而可實際應用於測量待測物酸鹼值變化的離子感測電極，在結構上包含一與該離子場效電晶體1連結的封裝絕緣膜14，及一與該離子場效電晶體1電連接的封裝座15。

該絕緣封裝膜14形成在該離子感測場效電晶體1上，且將該感測層13表面界定出一接觸待測物的測試面131，該封裝座15與該離子感測場效電晶體1的導電層12電連接，並將該感測層13的電位變化向外輸出。

當將上述的離子感測電極與待測物接觸，例如置入具有預定酸鹼值的酸/或鹼性水溶液中時，該測試面131與該水溶液接觸，藉由該測試面131與溶液中的氫離子產生吸附鍵結而使該測試面131的電位產生變化，之後經過導電層12、封裝座15向外輸出電信號後，即可由此等電信號得知待測物的氫離子濃度，進而精確得知待測物的酸鹼值。

由於氮化矽(Si₃ N₄ )或氧化矽(SiO₂ )與半導體層11的晶格匹配度高，且製程容易控制，因此是最常用在感測層13的構成材料；然而以氮化矽或二氧化矽為材料構成的單一感測層13與待測物接觸時，其穩定度及線性度的表現較差，所以得到的結果並不理想。

目前，則有以高介電常數的材料，例如氧化鋁(Al₂ O₃ )、氧化鉭(Ta₂ O₅ )、氧化鋯(ZrO₂ )、氧化鉿(HfO₂ )，或氧化鐠(Pr₂ O₃ )構成感測層13，來增加感測層13的穩定性及靈敏度，進而提昇離子感測電極的性能，然而這些材料的種類及選擇性均不多，因此如何提供更多樣化的材料選擇，以改善感測層的穩定性、靈敏度與線性度，以得到可靠度、精確度，及性能均佳的離子感測電極，是本技術領域研究者持續不斷研究的目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種穩定性、靈敏度與線性度均佳的離子感測場效電晶體。

另外，本發明之另一目的，亦在提供一種可靠度、精確度，及性能均佳的具有離子感測場效電晶體的離子感測電極。

於是，本發明一種離子感測場效電晶體，在接觸待測物後因待測物的酸鹼值而可產生對應的電位，包含一半導體層、一感測層，及一導電層。

該半導體層具有相反的一上表面與一下表面。

該感測層設置於該上表面，且至少包括一氧化釤的材料，可在接觸待測物時因待測物的酸鹼值而可產生對應的電位。

該導電層可導電並設置於該下表面，且與該感測層電連接而可將該感測層的電位向外輸出。

另外，本發明一種具有離子感測場效電晶體的離子感測電極，可供量測溶液中待測物之濃度，包含一離子感測場效電晶體、一絕緣封裝膜，及一封裝座。

該離子感測場效電晶體包括一半導體層、一形成於該半導體層上的感測層，及一形成於該半導體層之一相反於形成有該感測層之表面的導電層，該感測層由至少具有氧化釤的材料構成，而可因待測物的酸鹼值產生一對應的電位，該導電層可導電並與該感測層電連接。

該絕緣封裝膜形成在該離子感測場效電晶體上且將該感測層表面界定出一接觸待測物的測試面。

該封裝座與該離子感測場效電晶體的導電層電連接，將該感測層的電位向外輸出。

本發明之功效在於：以氧化釤為材料構成離子感測場效電晶體的感測層，不僅具有極佳的耐酸、鹼性，且在不同酸、鹼性條件下均具有高靈敏度、高穩定度，及高線性度表現，進而可封裝得到可靠度、精確度，及性能均佳的離子感測電極。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3，本發明一種離子感測場效電晶體2的一第一較佳實施例是包含一半導體層21、分別形成在該半導體層21相反兩面的一導電層22及一感測層23，該感測層23可在接觸待測物後，因待測物的酸鹼值而產生對應的電位。

類似於習知的離子感測場效電晶體，該半導體層21由半導體材料構成，具有相反的一上表面211與一下表面212，該導電層22由導電材料構成，形成在該下表面212上，於本實施例中該半導體層21是具有(100)晶向的p型矽晶圓(p-type silicon wafer)所構成，該導電層22為由鋁所構成且膜厚為300nm。

該感測層23形成該半導體層21之上表面211，由至少包括氧化釤(Sm₂ O₃ )的材料構成，由於氧化釤具有高介電常數，與該半導體層21間之晶格常數匹配度高、熱穩定性佳，並與半導體層21間具有合適之能帶，因此極為適合用於構成該感測層23。於本實施例中該感測層23是由氧化釤為材料所構成。

另外，該感測層23是先在該半導體層21表面形成一具預定膜厚之鍍膜，再於600~900℃的溫度，30秒的條件下進行快速熱退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)使該鍍膜的結構變緻密後，形成該感測層23。

當退火溫度小於700℃時，會產生較差的氧化釤晶格結構，而當退火溫度大於900℃時，則容易形成釤氧矽化合物(Sm-Silicate)，因此，較佳地，該感測層23的退火溫度是在700~800℃。

再者，當感測層23的膜厚低於3nm時，由於會有穿遂電流及電容不足等問題產生，因此會導致量測結果失真，而當膜厚太高時則會增加製程時間及成本，因此，較佳地，該感測層23的膜厚為介於3~100nm。

當上述的離子感測場效電晶體2與具有不同酸鹼度之待測物接觸時，該感測層23與待測物的氫離子產生吸附鍵結而產生對應的電位，之後再經過導電層22向外輸出，即可測得待測物的氫離子濃度，進而得到待測物的酸鹼值。

參閱圖4，本發明該離子感測場效電晶體2可藉由封裝製程後形成如圖4所示具有離子感測場效電晶體2的離子感測電極，該離子感測電極包含一如該第一較佳實施所述之離子感測場效電晶體2、一絕緣封裝膜3，及一封裝座4。

該絕緣封裝膜3形成在該離子感測場效電晶體2上，且將該感測層23表面界定出一接觸待測物的測試面231，該封裝座4與該離子感測場效電晶體2的導電層22電連接，將該感測層23的電位向外輸出。

將上述的離子感測電極與具有不同酸鹼度之待測物接觸，例如置入具有預定酸鹼值的酸/或鹼性水溶液中時，該離子感測場效電晶體2的測試面231會直接與該水溶液接觸，藉由該測試面231與水溶液中的氫離子產生吸附鍵結而使該測試面的電位產生變化，之後經過導電層22、封裝座4向外輸出電信號後，即可由此等電信號得知待測物的氫離子濃度。

由於該以氧化釤構成的感測層23具有高介電常數、高電容率、低漏電流、熱穩定性，以及良好的酸、鹼耐受度，因此以該具有離子感測場效電晶體2之離子感測電極進行離子濃度量測時不僅可改善一般感測電極的感測層因酸、鹼度轉換時穩定度不佳之缺點外，並具有極佳的量測線性度。

參閱圖5，本發明該第二較佳實施例之離子感測場效電晶體2’，其材料、組成與該第一較佳實施例大致相似，不同處在於該離子感測場效電晶體2’可更包含一形成在該感測層23表面的酵素層24。

該酵素層24具有一可與待測物反應而產生酸鹼值變化的酵素，藉由該酵素層24的酸鹼值變化，進而使與該酵素層24連接的感測層23的電位產生變化，經由兩階段的反應而可據以進行量測溶液中待測成分的濃度，由於該酵素的種類、反應機構等特性非為本發明的技術重點，因此，在此不再多加說明。

參閱圖6，上述本發明該離子感測場效電晶體2’可藉由封裝製程後形成如圖6所示之具有離子感測場效電晶體2’的離子感測電極，該離子感測電極包含一如該第二較佳實施例所述之離子感測場效電晶體2’、一絕緣封裝膜3，及一封裝座4。

該絕緣封裝膜3形成在該離子感測場效電晶體2’上並將該感測層23表面界定出一測試面231，且該酵素層24為形成在該測試區231上，該封裝座4與該離子感測場效電晶體2’的導電層22電連接，將該感測層23的電位向外輸出。

將上述該具有酵素層24之離子感測電極置入一含有待測物之待測溶液中，該酵素層24與待測物反應後會產生酸鹼值變化，進而使與該酵素層24連接的感測層23受到該酵素層24的酸鹼值變化而產生電位變化，之後經過該導電層22、封裝座4向外輸出電信號後，即可由此等電信號得知待測物的濃度；例如欲檢測溶液中尿素的濃度，則該酵素層24可具有一尿素酵素，經由該尿素酵素與溶液中之尿素反應後產生之酸鹼值變化而使感測層23的電位產生變化，即可用以量測出溶液中尿素的濃度，而可將該離子感測電極更進一步的拓展到生物檢測的應用領域。

參閱圖7，圖7為以具有該第一較佳實施例之離子感測場效電晶體2製得之離子感測電極，其感測層23經700℃退火處理後，在不同酸鹼度條件下與電位之曲線圖。

由圖7之結果可知，該以氧化釤構成的感測層23在不同的酸鹼度條件下，其線性度(linearity)實質為0.992，感測靈敏度(sensitivity)實質為56mV/pH，均可得到一良好之表現結果。

參閱圖8，圖8為以具有該第二較佳實施例之離子感測場效電晶體2’製得之離子感測電極，在氬氣跟氧氣(Ar/O₂ )氣體流速10：4，在不同尿素濃度下與電位差的曲線圖。

由圖8結果可得知，在不同尿素濃度下之離子感測電極的感測度為2.37mV/mM(±0.11)，線性度為0.98959(±0.002)，均可得到一良好的性能表現，即，藉由該酵素層24的設置可使該離子感測電極延伸到生物感測的應用領域，而可在生物感測的應用上更進一步發展。

綜上所述，本發明以氧化釤構成離子感測場效電晶體的感測層，由於氧化釤具有高介電常數、高電容率、低漏電流、熱穩定性，以及良好的酸、鹼耐受度，因此以該離子感測場效電晶體直接進行待測物之氫離子濃度量測時，不僅可改善一般感測層因酸、鹼度轉換時的不穩定度，且具有極佳的電極線性度，另外，可再藉由設置一與物質反應後可產生酸鹼值變化的酵素層在該感測層上，經由該酵素層及該感測層的兩階段反應而可準確的量測到待測物中之待測成分的濃度，而可將該離子感測場效電晶體有效的延伸運用到生物檢測的應用領域。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．離子感測場效電晶體

2’．．．離子感測場效電晶體

21．．．半導體層

22．．．導電層

23．．．感測層

24．．．酵素層

3．．．絕緣封裝膜

4．．．封裝座

圖1是一示意圖，說明習知離子感測場效電晶體結構；

圖2是一示意圖，說明習知離子感測電極的結構；

圖3是一示意圖，說明本發明該離子感測場效電晶體的第一較佳實施例；

圖4是說明以該第一較佳實施例製得的離子感測電極結構；

圖5是一示意圖，說明本發明該離子感測場效電晶體的第二較佳實施例；

圖6是說明以該第二較佳實施例製得的離子感測電極結構；

圖7是說明以具有該第一較佳實施例之離子感測場效電晶體製得的離子感測電極，其感測層經700℃退火處理後，在不同酸鹼度條件下與電位之曲線圖；及

圖8是說明以具有該第二較佳實施例之離子感測場效電晶體製得之離子感測電極，在不同尿素濃度下與電位差之曲線圖。

2．．．離子感測場效電晶體

21．．．半導體層

22．．．導電層

23．．．感測層

Claims (4)

1. 一種離子感測場效電晶體，接觸待測物後，因待測物的酸鹼值產生對應的電位，包含：一半導體層，具有相反的一上表面與一下表面；一感測層，設置於該上表面，且該感測層由至少包括氧化釤的材料構成，接觸待測物時因待測物的酸鹼值產生對應的電位；及一導電層，可導電並設置於該下表面，且與該感測層電連接，而可將該感測層的電位向外輸出。
2. 依據申請專利範圍第1項所述的離子感測場效電晶體，更包含一設置在該感測層上且可與待測物產生酸鹼值變化的酵素層。
3. 一種具有離子感測場效電晶體的離子感測電極，可供量測溶液中待測物之濃度，包含：一離子感測場效電晶體，包括一半導體層、一形成於該半導體層上的感測層，及一形成於該半導體層之一相反於形成有該感測層之表面的導電層，該感測層由至少具有氧化釤的材料構成，可因待測物的酸鹼值產生對應的電位，該導電層可導電並與該感測層電連接；一絕緣封裝膜，形成在該離子感測場效電晶體上且將該感測層表面界定出一接觸待測物的測試面；及一封裝座，與該離子感測場效電晶體的導電層電連接，將該感測層的電位向外輸出。
4. 依據申請專利範圍第3項所述具有離子感測場效電晶體的離子感測電極，其中，該離子感測場效電晶體更包括一設置在該測試面上且可與待測物產生酸鹼值變化的酵素層。