TWI454695B - 金氧半場效電晶體感測器結構 - Google Patents
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Description
本發明為一種金氧半場效電晶體感測器結構，其特別為一種可用於生醫感測的金氧半場效電晶體感測器結構。
第1A圖為習知之離子選擇場效電晶體之參考電極與感測層間之電場分佈示意圖。第1B圖為習知之參考電極與感測層共平面時之電場分佈示意圖。
在使用離子選擇場效電晶體(Ion Sensitive Field Effect Transistor,ISFET)感測氫離子或其他選擇性離子時，必須設有一參考電極11。參考電極11的作用在於提供ISFET 100之閘極需要的參考電壓，當感測層10表面經由吸附作用而吸附了欲感測的離子後，便會使原來的閘極電壓產生變化，因而得到不同的電流輸出，如此便可達到感測溶液酸鹼值的目的。
如第1A圖所示，當參考電極11未與ISFET 100整合時，參考電極11與感測層10間的距離較長，因此在相同電位差之下，參考電極11與感測層10之間的電場強度相對比較低，並且此時參考電極11與感測層10形成一對互為平行的電極，因此造成的此兩者間之電場沒有梯度，故對於離子的遷移力量效應比較不明顯，因此當參考電極11與ISFET 100未整合在一起時比較不需要特別設計參考電極11放置的位置。
然而現今感測器微小化及高度整合是主流的趨勢，因此傳統配置方式會因為在使用ISFET 100時還須外接一參考電極11而造成使用上的不便，且整體體積不易縮小，進而更造成ISFET 100及參考電極11難以與微流系統整合，故在應用上受到了諸多的限制。
如第1B圖所示，在先前的技術中也有將參考電極11與ISFET 100整合在單一晶片上的結構，並且整合後的參考電極11與感測層10形成共平面電極結構，然而兩者間的電場分佈卻因此變得不均勻，又因考慮成本及微小化，此參考電極11必須非常靠近感測層10，此時參考電極11與感測層10間的電場會明顯增強，造成離子遷移現象相對明顯，因此反應訊號也會隨著離子遷移而擾動，金氧半場效電晶體感測器的穩定度因此變差。
本發明為一種金氧半場效電晶體感測器結構，其包括：金氧半場效電晶體；感測層；以及參考電極。本發明係要達到使感測層與參考電極之間的電場分布均勻，進而使得金氧半場效電晶體感測器的工作訊號穩定。
本發明提供一種金氧半場效電晶體感測器結構，其包括：一金氧半場效電晶體，其具有一第一表面；一感測層，其係形成於第一表面上；以及一參考電極，其係形成於第一表面上且參考電極與感測層呈相互均勻耦合作用之排列。
藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：
一、可使感測層與參考電極之間的電場分布均勻。
二、使得金氧半場效電晶體感測器的工作訊號穩定。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
第2圖為本發明實施例之一種金氧半場效電晶體感測器結構圖。第3圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈圓盤狀與環狀之實施態樣圖。第4A圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈多邊形與多邊環狀之實施態樣圖。第4B圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈多邊形與具有一缺口的多邊環狀之實施態樣圖。第4C圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈多邊形與具有二缺口的多邊環狀之實施態樣圖。第5A圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈方形與方框狀之實施態樣圖。第5B圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈方形與具有一缺口的方框狀之實施態樣圖。第5C圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈方形與具有二缺口的方框狀之實施態樣圖。第6圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極呈指叉狀設置之第一實施態樣圖。
第7圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈環狀與圓盤狀之實施態樣圖。第8A圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈多邊環狀與多邊形之實施態樣圖。第8B圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈具有一缺口的多邊環狀與多邊形之實施態樣圖。第8C圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈具有二缺口的多邊環狀與多邊形之實施態樣圖。第9A圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈方框狀與方形之實施態樣圖。第9B圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈具有一缺口的方框狀與方形之實施態樣圖。第9C圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈具有二缺口的方框狀與方形之實施態樣圖。第10圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極呈指叉狀設置之第二實施態樣圖。
如第2圖所示，本實施例為一種金氧半場效電晶體感測器結構，其包括：一金氧半場效電晶體20；一感測層26；以及一參考電極27。
金氧半場效電晶體20，其係用以將感測層26所感測到的電位變化，也就是電壓訊號，加以放大後再予以輸出。金氧半場效電晶體20具有一第一表面21，且第一表面21為金氧半場效電晶體20結構最上層之保護層(passivation layer)22的上表面；金氧半場效電晶體20又可具有至少一閘極金屬層23，閘極金屬層23是位於感測層26與金氧半場效電晶體20的閘極24之間並且與感測層26平行，同時閘極金屬層23一端電性連接於感測層26，而閘極金屬層23的另一端則與閘極24電性連接。當閘極金屬層23超過一層以上時，則各層閘極金屬層23在垂直方向上呈現平行排列，再藉由連接於各層之間的導電柱25保持彼此間的電性連接。
感測層26，其係用來感測特定離子或生物物質之用。感測層26係形成於第一表面21上，且可由特定的絕緣材質例如氧化鋁或酵素等所形成。依照金氧半場效電晶體感測器用途的不同，感測層26可以是一離子感測層或是一生醫感測層。當感測層26為一離子感測層時，可用來感測例如氫離子、鉀離子、鈉離子、鈣離子、氯離子或氟離子等特定離子，且離子感測層可以由五氧化二鉭(Ta2
O5
)、鈦酸鉛(PbTiO3
)、氧化鋁(Al2
O3
)、氮化矽(Si3
N4
)或氧化矽(SiO2
)等與氫離子可產生氫鍵等材料所形成；而當感測層26為一生醫感測層時，其係被用以感測不同之生物物質，例如尿素或葡萄糖等，此時形成生醫感測層之表面的材料就可以是酵素、DNA或蛋白質受體等物質。
由於感測層26透過閘極金屬層23與金氧半場效電晶體20的閘極24電性連接，因此當感測層26與待測溶液中的離子等物質反應而使得感測層26上的電位產生變化時，此一電位變化便可透過閘極金屬層23傳遞至金氧半場效電晶體20的閘極24，進而使得金氧半場效電晶體20產生相對應的訊號輸出。
參考電極27，其亦形成於第一表面21上並與感測層26呈相互均勻耦合作用之排列。參考電極27用於在金氧半場效電晶體感測器工作的過程中提供感測層26所需之參考電壓，由於感測層26是與閘極24電性連接的，因此這也就等於提供了閘極24所需的參考電壓。至於製作參考電極27所使用的材料可以是可提供電位但不參與反應的物質，例如鉑、金或是將銀的表面氯化而成的銀/氯化銀等。
當參考電極27被整合在金氧半場效電晶體感測器上，便與感測層26位在同一平面，但為了使這兩者之間的電場能均勻分布，以使離子不致於受到不均勻電場干擾，而造成金氧半場效電晶體感測器的穩定度變差，因此感測層26與參考電極27的排列必須做一些特別的安排。為了能更清楚的說明感測層26與參考電極27排列的各種態樣，將於下列各實施態樣中加以列舉說明。
如第3圖所示，可以將感測層26製作成圓盤狀，而參考電極27則呈環狀並位於感測層26之外側以等距圍繞感測層26，由於感測層26的外緣與參考電極27之內緣的間距在各處都相同，因此其間的電場便可均勻分布，便能避免不均勻電場干擾待測離子的情況。
如第4A圖所示，也可以將感測層26製作成多邊形，而參考電極27則呈與感測層26相對應之多邊環狀並位於感測層26外側以圍繞感測層26，並且在多邊形各邊的外緣與多邊環狀各邊的內緣間都維持相同的間距。這樣的設置也可使感測層26與參考電極27間的電場分布較為均勻。
如第4B圖及第4C圖所示，感測層26同樣可以被製成多邊形，並且參考電極27同樣呈與感測層26相對應之多邊環狀並位於感測層26外側以圍繞感測層26，但在多邊環狀上可進一步具有至少一缺口，且缺口可位於多邊環狀之一轉角處以避免參考電極27形成一封閉迴路，而缺口除可位於多邊環狀之一轉角處之外，也並不限定位於多邊環狀上的任意處。如此便可避免參考電極27形成封閉迴路並造成感測層26與待測離子之間的反應受到干擾，進而可因應不同的應用環境或情況。
又如第5A圖所示，上述的多邊形可以是一方形，因此也可以將感測層26製作成方形，此時多邊環狀的參考電極27就呈方框狀並位於感測層26外側以圍繞感測層26，而且方形四邊的外緣與方框四邊的內緣間都維持相同的間距。這樣的設置也可使感測層26與參考電極27間的電場分布較為均勻。
如第3圖、第4A圖及第5A圖所示，參考電極27可完全包覆感測層26。但是當參考電極27完全包覆感測層26而形成一封閉迴路時，此封閉迴路上之電流在迴路中心處，也就是感測層26的位置，所形成的磁場在某些狀況下會干擾感測層26與待測離子之間的反應，因此感測層26與參考電極27的排列還可再做一些變化以改善這種狀況。
如第5B圖及第5C圖所示，感測層26同樣可以被製成方形，並且參考電極27同樣呈方框狀並位於感測層26外側以圍繞感測層26，但在方框上可進一步具有至少一缺口，且缺口可位於方框之一直角處以避免參考電極27形成一封閉迴路，而缺口除可位於方框之一直角處之外，也並不限定位於方框上的任意處。如此便可避免參考電極27形成封閉迴路並造成感測層26與待測離子之間的反應受到干擾，進而可因應不同的應用環境或情況。
如第6圖所示，感測層26與參考電極27還可以被製作成為指叉狀的形狀設置，藉由將感測層26與參考電極27製作成指叉狀並相互交叉排列，而交叉排列時感測層26與參考電極27相對應的各邊緣之間同時也保持著相同的間距，如此也就可以確保感測層26與參考電極27之間的電場分布在兩者間的多數位置上都是均勻的。
如第4B圖、第4C圖、第5B圖、第5C圖及第6圖所示的設置雖可避免參考電極27形成封閉迴路，並防止感測層26與待測離子之間的反應受到干擾的情況，但為了在感測層26與參考電極27之間保持有足夠的感測區域以便能感測到足夠的離子而獲得明顯的電壓變化，因此參考電極27包覆部分感測層26的時候，其包覆率必須要大於50%，如此金氧半場效電晶體感測器才能達到感測離子或生物物質濃度等物理量的目的。
如第7圖至第10圖所示，感測層26與參考電極27之安排並不限定於何者在外側環繞另一者，而是位置可以對調的，例如：感測層26係位於參考電極27外側以圍繞參考電極27，且可將參考電極27製作成圓盤狀，而感測層26則呈環狀；或是將參考電極27製作成多邊形，而感測層26則呈與參考電極27相對應之多邊環狀，這還包括了可將參考電極27製作成方形，而感測層26則呈方框狀；又或是多邊環狀可同樣進一步具有至少一缺口，而當感測層26呈方框狀時缺口可位於方框之直角處；此外，感測層26與參考電極27也可以被製作成為位置安排不同之指叉狀的形狀設置。
如第8B圖、第8C圖、第9B圖、第9C圖及第10圖所示的設置雖可避免感測層26形成封閉迴路，並防止參考電極27與待測離子之間的反應受到干擾的情況，但為了在感測層26與參考電極27之間保持有足夠的感測區域以便能感測到足夠的離子而獲得明顯的電壓變化，因此感測層26包覆部分參考電極27的時候，其包覆率必須要大於50%，如此金氧半場效電晶體感測器才能達到感測離子或生物物質濃度等物理量的目的。
藉由以上述的結構，本實施例將參考電極27整合在金氧半場效電晶體20上以完成金氧半場效電晶體感測器之製作。整合在金氧半場效電晶體20上面的主要優勢在於容易整合讀取電路，可以將金氧半場效電晶體感測器做得更小，再藉著各種特定形狀的感測層26與參考電極27的設置，使得感測層26與參考電極27之間的電場儘可能在各處都維持均勻分布，而受測的離子等目標物便不致受到不均勻的電場分布干擾，進而使得整合後的金氧半場效電晶體感測器在工作時可以維持在穩定的狀態。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
10．．．感測層
11．．．參考電極
100．．．ISFET
20．．．金氧半場效電晶體
21．．．第一表面
22．．．保護層
23．．．閘極金屬層
24．．．閘極
25．．．導電柱
26．．．感測層
27．．．參考電極
第1A圖為習知之離子選擇場效電晶體之參考電極與感測層間之電場分佈示意圖。
第1B圖為習知之參考電極與感測層共平面時之電場分佈示意圖。
第2圖為本發明實施例之一種金氧半場效電晶體感測器結構圖。
第3圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈圓盤狀與環狀之實施態樣圖。
第4A圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈多邊形與多邊環狀之實施態樣圖。
第4B圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈多邊形與具有一缺口的多邊環狀之實施態樣圖。
第4C圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈多邊形與具有二缺口的多邊環狀之實施態樣圖。
第5A圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈方形與方框狀之實施態樣圖。
第5B圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈方形與具有一缺口的方框狀之實施態樣圖。
第5C圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈方形與具有二缺口的方框狀之實施態樣圖。
第6圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極呈指叉狀設置之第一實施態樣圖。
第7圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈環狀與圓盤狀之實施態樣圖。
第8A圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈多邊環狀與多邊形之實施態樣圖。
第8B圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈具有一缺口的多邊環狀與多邊形之實施態樣圖。
第8C圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈具有二缺口的多邊環狀與多邊形之實施態樣圖。
第9A圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈方框狀與方形之實施態樣圖。
第9B圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈具有一缺口的方框狀與方形之實施態樣圖。
第9C圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極分別呈具有二缺口的方框狀與方形之實施態樣圖。
第10圖為本發明實施例之一種感測層與參考電極呈指叉狀設置之第二實施態樣圖。
20．．．金氧半場效電晶體
21．．．第一表面
22．．．保護層
23．．．閘極金屬層
24．．．閘極
25．．．導電柱
26．．．感測層
27．．．參考電極
Claims (17)
- 一種金氧半場效電晶體感測器結構，其包括：一金氧半場效電晶體，其具有一第一表面；一感測層，其係形成於該第一表面上；以及一參考電極，其係形成於該第一表面上，且該參考電極係等距圍繞於該感測層外側並與該感測層呈相互均勻耦合作用之排列。
- 一種金氧半場效電晶體感測器結構，其包括：一金氧半場效電晶體，其具有一第一表面；一參考電極，其係形成於該第一表面上；以及一感測層，其係形成於該第一表面上，且該感測層係等距圍繞於該參考電極外側並與該參考電極呈相互均勻耦合作用之排列。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該感測層係為一離子感測層，且該離子感測層係由五氧化二鉭(Ta2O5)、鈦酸鉛(PbTiO3)、氧化鋁(Al2O3)、氮化矽(Si3N4)或氧化矽(SiO2)與氫離子可產生氫鍵之材料所形成。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該感測層係為一生醫感測層，且該生醫感測層之表面係由酵素、DNA或蛋白質受體所形成。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該金氧半場效電晶體具有至少一閘極金屬層，該閘極金屬層係電性連接於該感測層及該金氧半場 效電晶體之閘極間。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該參考電極係以鉑、金或銀/氯化銀製成。
- 如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該感測層係呈一圓盤狀，且該參考電極係呈一環狀並等距圍繞於該感測層外側。
- 如申請專利範圍第2項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該參考電極係呈一圓盤狀，且該感測層係呈一環狀並等距圍繞於該參考電極外側。
- 如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該感測層係呈多邊形，且該參考電極係為與該感測層相對應之多邊環狀並圍繞於該感測層外側。
- 如申請專利範圍第2項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該參考電極係呈多邊形，且該感測層係為與該參考電極相對應之多邊環狀並圍繞於該參考電極外側。
- 如申請專利範圍第9項或第10項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該多邊形係為方形，且該多邊環狀係為方框狀。
- 如申請專利範圍第9項或第10項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該多邊環狀進一步具有至少一缺口。
- 如申請專利範圍第12項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該多邊形係為方形，且該多邊環狀係為方框狀。
- 如申請專利範圍第13項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該缺口係位於該方框之一直角處。
- 如申請專利範圍第1項或第2項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該感測層係與該參考電極彼此呈指叉狀設置。
- 如申請專利範圍第1項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該參考電極係包覆部分之該感測層，且包覆率係大於50%。
- 如申請專利範圍第2項所述之金氧半場效電晶體感測器結構，其中該感測層係包覆部分之該參考電極，且包覆率係大於50%。
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