WO2010106800A1 - 分光装置及びその制御方法 - Google Patents

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WO2010106800A1
WO2010106800A1 PCT/JP2010/001917 JP2010001917W WO2010106800A1 WO 2010106800 A1 WO2010106800 A1 WO 2010106800A1 JP 2010001917 W JP2010001917 W JP 2010001917W WO 2010106800 A1 WO2010106800 A1 WO 2010106800A1
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charge
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potential
charge generation
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澤田和明
石井広康
中澤寛一
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国立大学法人豊橋技術科学大学
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    • G01J3/4406—Fluorescence spectrometry
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    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14643—Photodiode arrays; MOS imagers

Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic device and a control method thereof.
  • the present invention is suitable for fusion of, for example, a pH sensor as a spectroscopic device and a chemical / physical phenomenon detection device.
  • Patent Document 1 discloses a spectroscopic sensor in which the charge generation unit is controlled so as to be in a second state in which charges generated up to the second depth are captured.
  • an electrode film that transmits input light is provided on a semiconductor substrate, and a gate electrode is joined to the electrode film to apply a gate voltage.
  • An insulating film is interposed between the semiconductor substrate and the electrode film, and a diffusion layer (hereinafter sometimes referred to as “charge generation layer”) is formed in a portion of the semiconductor substrate that faces the electrode film.
  • the charge (electron) trapping depth in the charge generation layer changes. That is, the charge acquisition depth in the charge generation layer is controlled by the potential applied to the electrode film.
  • input light penetrates into the diffusion layer and generates charges. Input light is absorbed and attenuated by the semiconductor constituting the diffusion layer. The degree of attenuation depends on the wavelength of light incident on the diffusion layer.
  • a 1 , A 2 incident light intensity [W / cm 2 ]
  • S light receiving area [cm 2 ]
  • W 1 , W 2 Depletion layer width (electron capture depth) [cm] ⁇ 1 , ⁇ 2 : Absorption coefficient of each wavelength [cm ⁇ 1 ]
  • Frequency ⁇ 1 c / ⁇ 1
  • Frequency ⁇ 2 c / ⁇ 2
  • c the speed of light
  • S is the area of the light receiving portion
  • h ⁇ is the energy of light
  • q is the electron volt.
  • Equation 1 W 1 and W 2 are determined based on the gate voltage, and I 1 and I 2 are both known because they can be measured. Therefore, the unknown incident light intensities A 1 and A 2 can be obtained by solving the equation (1). That is, the intensity A 2 components of the wavelength lambda intensity A 1 of the first component and the wavelength lambda 2 in the incident light is obtained. For incident light composed of an aggregate of n wavelength lights, n distances W 1 to W n and charge amounts I 1 to I n at n depths from the charge generation layer are obtained. can be determined each intensity a 1 ⁇ a n of the wavelength.
  • Fluorescence analysis is a general-purpose technique for analyzing genetic information by examining the presence or amount of DNA or protein.
  • DNA to be examined is labeled with fluorescein, irradiated with 490 nm laser light (excitation light, input light), and 513 nm fluorescence emitted from DAN labeled with fluorescein is measured.
  • fluorescein can emit strong fluorescence, its light intensity is about one hundredth of that of excitation light. Therefore, conventionally, a filter for cutting the excitation light is prepared, and the gene information is analyzed by blocking the excitation light with this filter and measuring the intensity of the transmitted fluorescence.
  • the present inventors eliminate the influence of excitation light from the light to be analyzed using the spectroscopic device disclosed in Patent Document 1 and measure the intensity of fluorescence only in order to omit the use of an expensive filter.
  • the spectroscopic device described in Patent Document 1 the amount of charge output from the spectroscopic sensor main body is read as a current and analyzed. In this case, the influence of the noise of the readout circuit is large, and the improvement of the sensitivity of the spectroscopic sensor body is limited.
  • a translucent electrode film is laminated on the charge generation layer and a gate voltage is applied thereto.
  • Such an electrode film absorbs light even though it is translucent. Therefore, the weak fluorescence is further attenuated before reaching the charge generation layer. That is, it is preferable to omit this electrode film from the viewpoint of improving the fluorescence detection sensitivity.
  • the first aspect of the present invention is defined as follows.
  • a charge generator that generates charge by incident light; and The charge so as to be in a first state in which charges generated from the surface of the charge generation portion to the first depth are captured and in a second state in which charges generated from the surface to the second depth are captured.
  • a charge generation control unit for controlling the generation unit;
  • a floating diffusion unit that outputs a signal corresponding to the amount of charge captured by the charge generation unit, wherein the charge generation control unit is formed adjacent to the charge generation unit and fills a charge well of the charge generation unit
  • a spectroscopic device comprising a gate portion for defining a minimum potential of the generated charge, and controlling the potential of the gate portion by controlling the potential of the gate portion.
  • the electrode film is charged. Omission of the incident light can be prevented by being omitted from the generation unit. Thereby, weak light such as fluorescence can be detected with high sensitivity.
  • the second aspect of the present invention is defined as follows.
  • a first transfer gate portion and a second transfer gate portion are formed adjacent to the charge generation portion, and the floating gate is adjacent to the first transfer gate portion.
  • a diffusion portion is formed, and a charge injection portion is formed adjacent to the second transfer gate portion,
  • the potential of the first and / or second transfer gate part is controlled as the gate part of the charge generation control part. Since the spectroscopic device according to the second aspect defined in this way has the same semiconductor configuration as a general-purpose chemical / physical phenomenon detection device, it can be easily manufactured and hybridized with the chemical / physical phenomenon detection device. Facilitates fusion.
  • the spectroscopic device can also be used as a chemical / physical phenomenon detection device by using the charge generation unit as a sensing region of the chemical / physical phenomenon detection unit.
  • PH can be adopted as a detection target of the chemical / physical phenomenon detection unit (see the fourth aspect).
  • the chemical / physical phenomenon detection unit the bottom potential of the charge well in the semiconductor region facing the detection target changes according to the chemical phenomenon or physical phenomenon to be detected.
  • the minimum potential of the charge charged in the charge well of the chemical / physical phenomenon detection unit is controlled by the gate electrode. If light enters the semiconductor region of the physical / chemical phenomenon detection unit, charges are generated there, so that the semiconductor region can be used as the charge generation unit of the spectroscopic device.
  • the charge generation portion has a charge well, but the charge acquisition depth as the charge generation portion is based on the lowest potential of the charge charged in the charge well regardless of the bottom potential (maximum potential) of the charge well. Is defined. Therefore, it is possible to specify the intensity of the fluorescence contained in the incident light by dispersing the incident light with the same characteristics regardless of the bottom potential of the charge well.
  • the fifth aspect of the present invention captures the first aspect as a method, and is defined as follows.
  • a charge generator that generates charge by incident light; and The charge so as to be in a first state in which charges generated from the surface of the charge generation portion to the first depth are captured and in a second state in which charges generated from the surface to the second depth are captured.
  • a charge generation control unit for controlling the generation unit;
  • a floating diffusion unit that outputs a signal corresponding to the amount of charge captured by the charge generation unit, and a control method of a spectroscopic device comprising: A method for controlling a spectroscopic device, wherein the first state and the second state are generated in the charge generation unit by controlling a minimum potential of a charge charged in a charge well of the charge generation unit.
  • the sixth aspect of the present invention is defined as follows. That is, a detection unit that detects a chemical phenomenon or a physical phenomenon and changes the bottom potential of the charge well; and A first transfer gate portion and a floating diffusion portion formed sequentially adjacent to the detection portion; A control method for operating a chemical / physical phenomenon detection device as a spectroscopic device, comprising a second transfer gate portion and a charge injection portion formed adjacent to the detection portion in sequence, The charge is filled in the charge well of the detection unit, and the first potential for capturing the charge generated from the surface to the first depth is controlled by controlling the lowest potential of the charged charge. A control method for a chemical / physical phenomenon detection apparatus, which controls a state and a second state in which charges generated from the surface to a second depth are captured.
  • the chemical / physical phenomenon detection device can be caused to function as a spectroscopic device.
  • the charge acquisition depth of the charge generation unit is controlled by controlling the minimum potential of the charge charged in the charge well, regardless of the inspection object facing the chemical / physical phenomenon detection unit (that is, charge Regardless of the bottom potential of the well), spectroscopy can be performed with the same characteristics. Therefore, even when the chemical / physical phenomenon detection device is arrayed, by applying this control method, it can function as an arrayed spectroscopic device as it is.
  • the seventh aspect of the present invention is defined as follows. That is, In the control method defined in the sixth aspect, by controlling the potential of the first transfer gate unit and / or the second transfer gate unit, the minimum potential of the charge filled in the charge well of the detection unit To control. According to the control method of the seventh aspect defined in this way, the chemical / physical phenomenon detection device is used as a spectroscopic device in the cheapest form without adding any element to the chemical / physical phenomenon detection device. it can.
  • the eighth aspect of the present invention is defined as follows. That is, A charge generator that generates charge by incident light; and A chemical / physical phenomenon sensitive film covering the charge generation part; A floating diffusion unit that outputs a signal corresponding to the amount of charge captured by the charge generation unit; A control device for operating a chemical / physical phenomenon detection device as a spectroscope, comprising a gate portion formed adjacent to the charge generation portion, The chemical / physical phenomenon sensitive membrane is made translucent, The charge so as to be in a first state in which charges generated from the surface of the charge generation portion to the first depth are captured and in a second state in which charges generated from the surface to the second depth are captured.
  • a charge generation control unit that controls the generation unit includes a gate potential control unit that controls a potential of the gate unit to control a minimum potential of a charge charged in a charge well of the charge generation unit;
  • a control device comprising: According to the control device defined in this way, an existing chemical / physical phenomenon detection device can be caused to function as a spectroscopic device.
  • the ninth aspect of the present invention is defined as follows. That is, A charge generator that generates charge by incident light; and A chemical / physical phenomenon sensitive film covering the charge generation part; A floating diffusion unit that outputs a signal corresponding to the amount of charge captured by the charge generation unit; A control method of operating a chemical / physical phenomenon detection device as a spectroscope, comprising a gate portion formed adjacent to the charge generation portion, The chemical / physical phenomenon sensitive membrane is made translucent, By controlling the potential of the gate portion to control the lowest potential of the charge filled in the charge well of the charge generation portion, the charge generation portion captures the charge generated from the surface to the first depth.
  • Controlling to be a first state and a second state for trapping charges generated from the surface to a second depth A control method characterized by that. According to the control method defined in this way, an existing chemical / physical phenomenon detection device can be caused to function as a spectroscopic device.
  • the tenth aspect of the present invention is defined as follows. That is, In the spectroscopic device defined in the second aspect, a charge accumulation region is provided between the first transfer gate portion and the floating diffusion portion, and the charge accumulated in the charge accumulation region is read and correlated. Means are further provided for performing sampling and removing reset noise of the floating diffusion portion. According to the spectroscopic device of the tenth aspect defined in this way, by performing correlated double sampling, reset noise is removed from the floating diffusion section, and measurement with good accuracy is possible.
  • the first state and the second state are created in the charge generation unit, and the charges accumulated in each are processed.
  • the charge acquired in the first state and the charge acquired in the second state are stored separately, and the two are compared to improve the spectral calculation efficiency. Therefore, the following configuration is adopted in the eleventh aspect of the present invention. That is, A first charge accumulation region and a second charge accumulation region are provided between the first transfer gate portion and the floating diffusion portion; The charge trapped in the first state is accumulated in the first charge accumulation region, Charges captured in the second state are accumulated in the second charge accumulation region.
  • a third transfer gate portion is formed adjacent to the charge generation portion, and a second floating diffusion portion is formed adjacent to the third transfer gate portion.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram three-dimensionally showing potential peaks of a semiconductor part in the spectroscopic device of FIG. 1. It is sectional drawing which shows the principle of a pH sensor (conventional example). It is a conceptual diagram which shows the potential peak of the semiconductor part in the pH sensor of FIG. 3 three-dimensionally. It is sectional drawing for comparing the principle of a spectroscopic device (conventional example) and a pH sensor (conventional example).
  • 1A is a cross-sectional view illustrating the principle thereof
  • FIG. 2B is a potential distribution of a semiconductor portion along the cross-section of FIG. 1A, and FIG. The potential distribution in the direction is shown.
  • FIG. 2 shows a state in which the integrated detection device of the embodiment functions as a spectroscopic device
  • (A) is a cross-sectional view showing the principle
  • (B) shows a potential distribution of a semiconductor section along the cross section of (A).
  • It is a conceptual diagram which shows the potential peak of an electric charge generation part (sensing part) and a 1st transfer gate part three-dimensionally.
  • It is an output characteristic figure when functioning the fusion type detection apparatus of an embodiment as a pH sensor.
  • It is a principle figure which shows the floating diffusion part 200 of other embodiment. 12 shows an equivalent circuit of the floating diffusion section 200 shown in FIG.
  • the floating diffusion part 300 of other embodiment is shown.
  • (A) is a block diagram
  • (B) is sectional drawing. It is a block diagram which shows the structure of the fusion type detection apparatus of other embodiment. It is a block diagram which shows the structure of the fusion type detection apparatus of other embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional spectroscopic device 1
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing its potential peak.
  • the spectroscopic device 1 includes a semiconductor unit 10 and an electrode structure unit 20 formed on the surface of the semiconductor unit 10.
  • the semiconductor unit 10 is configured as follows.
  • a p-type diffusion layer 13 is formed on the surface of the n-type silicon substrate 12, and the n-type impurity layer 14 is formed by doping the p-type diffusion layer 13 with an n-type impurity.
  • This n + -type impurity layer 14 is the floating diffusion portion 2.
  • the floating diffusion may be simply referred to as “FD”.
  • a transparent electrode film 22 made of ITO or the like is laminated on the surface of the diffusion layer 13 via a silicon oxide insulating film 21, and a gate voltage Vg is applied to the transparent electrode film 22 from a gate electrode 23.
  • the portion of the diffusion layer 13 that faces the transparent electrode film 22 is the charge generation unit 3, and charges are generated according to the intensity of light incident through the transparent electrode film 22 and the insulating film 21.
  • a first transfer gate portion 5 is formed in the diffusion layer 13 between the charge generation portion 3 and the FD portion 2.
  • the potential is controlled by the voltage applied to the first transfer gate electrode 24.
  • the transfer gate may be simply expressed as “TG”.
  • the potential of the first TG unit 5 is set higher than the potential of the charge generation unit 3 to reset the charge of the charge generation unit 3 once, and then the potential of the first TG unit is set lower than the charge of the charge generation unit.
  • the charge is accumulated in the charge generation unit 3 for a predetermined time, and the incident light intensity is specified by increasing the potential of the first TG unit 5 and transferring the accumulated charge to the FD unit 2 again. You can also.
  • the amount of charge accumulated in the charge generator 3 corresponds to the incident light intensity.
  • the charge amount accumulated in the FD unit 2 is read out by a well-known reading circuit (not shown) and converted into a voltage signal.
  • the charges captured by the charge generation unit 3 are accumulated in the FD unit 2 and a voltage signal is formed based on the accumulated amount of charges, so that almost no noise is generated by the circuit.
  • the potential peak in the charge generation unit 3 changes as shown in FIG. (Depletion layer width) W changes. That is, when the gate voltage is Vg1, the charge generation unit 3 has the first depth W1, and as a result, the charge generated by the incident light L1 that has penetrated to the first depth W1 rolls down the slope of the potential toward the electrode side and accumulates. And captured.
  • the potential of the first TG unit 5 equal to the potential of the surface of the charge generation unit 3, the trapped charge flows in parallel with the electrode 21 and is transferred to the FD unit 2.
  • the charge acquisition depth W increases, and as a result, the charge generated by the incident light L2 that has entered the second depth W2 rolls down the potential slope and accumulates. And captured. Since the charge acquisition depth W can be specified from the gate voltage Vg, the intensity of light of different wavelengths included in the incident light can be specified by inserting the result obtained in this way into the above-described equation 1. .
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the pH sensor 40
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing its potential peak.
  • the pH sensor 40 includes a semiconductor part 110 and an electrode structure part 120 formed on the surface of the semiconductor part 110.
  • the semiconductor unit 110 is configured as follows.
  • a p-type diffusion layer 13 is formed on the surface of the n-type silicon substrate 12, and n + -type impurity layers 14 and 115 are formed in the p-type diffusion layer 13 at a predetermined interval.
  • the n + impurity layer 115 becomes the charge injection portion 7.
  • a thin n-type impurity layer 116 is formed on the surface of the sensing unit 103 by doping with an n-type impurity.
  • This n-type impurity layer 116 becomes a buried channel layer. Due to the existence of the buried channel layer 116, as shown in FIG. 4, the deepest part of the potential (the part with the highest potential) moves from the surface to the inside of the semiconductor layer 110, so that charges can be captured more reliably. . In the present invention, this buried channel layer may be omitted.
  • the electrode structure 120 is configured as follows. The surface of the diffusion layer 13 is oxidized to form the insulating film 21. A pH sensitive film 122 made of silicon nitride is laminated on the insulating film 21, and a solution shield 127 is provided in a ring shape around the pH sensitive film 122. The solution shield 127 is filled with a test liquid 128 to be tested for pH, and the reference electrode 123 is immersed in the test liquid 128.
  • the surface potential of the sensing unit 103 changes according to the hydrogen ion concentration contained in the test liquid 128.
  • the bottom potential of the charge well 105 of the sensing unit 103 changes.
  • Charge is injected into the charge well 105 in the sensing unit 103 from the charge injection unit 7, and a change in the bottom potential (maximum potential) of the charge well 105 is converted into a change in the amount of charge charged in the charge well 105 and detected.
  • the opening potential of the charge well 105 is kept constant by the potentials of the first and second TG portions 5 and 8.
  • Charge injection from the charge injection section 7 to the charge well 105 is performed by raising the potential of the second TG section 8, and charge transfer from the charge well 105 to the FD section 2 is performed by changing the potential of the first TG section 5. It is done by giving.
  • both are shown in FIG.
  • both are common in the first TG unit 5 and the FD unit 2, and the potential of the reference electrode 123 can be changed by making the pH sensitive film 122 and the test liquid 128 of the pH sensor 40 light transmissive. If it is assumed, electric charges are generated in the sensing unit 103 by the light that has entered the sensing unit 103.
  • the operations of the charge injection unit 7 and the second TG unit 8 are stopped, the structure is exactly the same as that of the spectroscopic device 1. Therefore, it was thought that the pH sensor 40 could be operated as the spectroscopic device 1 with the same structure.
  • the reference electrode 123 Since the reference electrode 123 is immersed in the test liquid 128, the potential change of the reference electrode 123 cannot be accurately reflected in the potential change of the sensing unit 103, that is, the charge generation unit. Therefore, the setting of the charge acquisition depth becomes unstable. Further, when a plurality of pH sensors are arranged in a plane and arrayed, the hydrogen ion concentration of the test liquid 128 that contacts the sensing unit 103 of one pH sensor and the test liquid 128 that contacts another pH sensor. The hydrogen ion concentration is not necessarily the same.
  • the present inventors forcibly inject charge into the charge well in the sensing part of the pH sensor, that is, the charge generation part of the spectroscopic device, and make the minimum potential of the charge the same.
  • the charge acquisition depth W is the same regardless of the depth of the charge well (bottom potential, maximum potential).
  • the present inventors have realized that the charge acquisition depth in the charge generation part can be controlled by controlling the minimum potential of the charge charged in the charge well of the charge generation part.
  • the minimum potential of the charge charged in the charge well is defined by the potentials of the first and second TG units 5 and 8.
  • the minimum potential of the charge charged in the charge well can be controlled, and the conventionally required transparent electrode film 22 is not necessary.
  • incident light is directly incident on the charge generation unit 3 and the sensitivity of the spectroscopic device is improved.
  • the charge generation control unit 180 includes a gate potential control unit 183.
  • the gate potential control unit 183 controls the potentials of the first and second transfer gates 5 and 8 as follows.
  • the charge well 105 corresponding to the hydrogen ion concentration of the test liquid 128 is formed in the sensing unit 103 of the detection device 50.
  • the potential at the bottom of the charge well 105 varies depending on the hydrogen ion concentration of the test liquid 128.
  • the potential of the charge well when the hydrogen ion concentration of the liquid to be tested 128 is in the first state is Vm1
  • the potential of the charge well is Vm2 when the hydrogen ion concentration of the liquid to be tested 128 is in the second state.
  • the potential Vtg1 of the first TG unit 5 is constant
  • the potential Vicg of the second TG unit 8 is sufficiently lower than Vtg1
  • the charge injection unit 7 and the charge well The movement is restricted to the electric charge between 105.
  • the charge filled in the charge well 105 is transferred to the FD portion 2. Since the amount of the transferred charge corresponds to the bottom potential of the charge well 105, that is, the hydrogen ion concentration of the liquid 128 to be inspected, the hydrogen ion of the liquid 128 to be inspected is detected by detecting the increase in the charge of the FD section 2.
  • the concentration can be specified. The above is no different from the operation of a general pH sensor.
  • Vtg the minimum potential of the filling charge is defined by Vtg.
  • Vtg the minimum potential Vc of the filling charge C is defined by the potential Vicg of the second TG portion 8. Is done.
  • a third electrode is disposed adjacent to the sensing unit 103, that is, the charge generation unit 3, and the potential of the electrode is higher than that of the first and second TG units, the charge C in the charge well 105 is charged. The lowest potential Vc is defined by the potential of the third electrode.
  • the minimum potential Vc of the charge C charged in the charge well 105 and the charge acquisition depth W in the charge generation unit 3 are in a one-to-one relationship. Therefore, the charge acquisition depth in the charge generation unit 3 can be controlled by controlling the lowest potential Vc of the charged charge regardless of the value of the bottom potential of the charge well Vm1 to Vmn due to the change in the hydrogen ion concentration of the liquid to be inspected 128. Can be controlled.
  • FIG. 8 shows the potential peak in the semiconductor layer three-dimensionally.
  • the depth of the charge well 105 of the sensing unit 103 (charge generation unit 3) varies depending on the hydrogen ion concentration of the test liquid 128.
  • the potential peak changes according to the bottom potential of the charge well, and the charge acquisition depth also changes.
  • the potential of the first TG portion 5 is fixed to the first TG potential Vtg1 and charges are injected into the charge well 105 from the second TG portion 8 side, the potential reaches the potential Vtg1 in the charge well 105. Charge is filled.
  • the first TG portion functions as a weir, and the height of the weir defines the height (minimum potential) of the charge charged in the charge well. If the minimum potentials of the charge charges C are the same, the potential peaks have the same shape and the charge acquisition depth W1 is constant regardless of the depth of the charge well.
  • the weir by the first TG part 5 becomes high, and when charges are injected from the second TG part 8 side into the charge well In addition, the potential is filled to a higher position (low potential side). Even in this state, if the minimum potential of the charge C is the same, the potential peak has the same shape regardless of the depth of the charge well, and the charge acquisition depth W2 is also constant.
  • FIG. 9 shows the pH measurement results using the inspection apparatus of the embodiment shown in FIG. Further, FIG. 10 shows the spectral results when the first light with a wavelength of 470 nm and the second light with a wavelength of 525 nm are incident simultaneously.
  • the inspection apparatus according to this embodiment functions as both a pH sensor and a spectroscopic apparatus.
  • the FD unit 2 is provided with one diffusion layer, that is, one charge well.
  • the capacity of the charge well constituting the FD portion 2 increases, the difference in output voltage with respect to the difference in charge amount decreases.
  • strong excitation light is used in the fluorescence analysis method, it is necessary to make the capacity of the FD portion relatively large in preparation for a large amount of charge generation. Since the fluorescence analysis method observes the fluorescence of a labeling substance added to DNA or the like, it is important to detect the change in the charge amount based on the fluorescence.
  • the FD portion as follows.
  • a plurality of charge wells connected in parallel with a space to one path through which charges flow are provided, and a voltage signal is detected for each charge well.
  • the charge is transferred from the spectroscopic sensor to the path of the FD unit, the charge is sequentially charged from the upstream to the charge well group connected in parallel with an interval to the path.
  • charges are sequentially filled into the charge wells continuous downstream thereof.
  • the capacity and the number of each charge well can be set arbitrarily, even if the capacity of each charge well is small, if the number of charge wells is increased, a large amount of charge can be transferred from the spectroscopic sensor body. That is, the detection range is widened. Also, if the capacity of the charge well is small, the difference in charge amount can be output as a large voltage difference, and the detection sensitivity is increased.
  • the deformation mode of the FD unit 200 is shown in FIG. In FIG. 11, the same elements as those in FIG.
  • the FD portion 200 includes a first charge well 214 and a second charge well 216, and a transfer gate region 215 is formed therebetween.
  • Reference numeral 218 denotes a reset drain.
  • a third transfer gate electrode 224 is disposed opposite to the transfer gate region 215 via an insulating film.
  • FIG. 12 An equivalent circuit of the FD unit 200 is shown in FIG. In FIG. 12, the same elements as those of FIG. As can be seen from FIG. 12, in the FD portion 200, a first charge well 214 and a second charge well 216 are arranged in parallel and spaced apart from one conductive path 201, and a transfer gate electrode 224 is provided therebetween. Thus, it is a connected configuration. By adopting such a configuration, the charges sent from the charge generation unit are sequentially filled from the upstream charge well connected to the path 201.
  • the conductive path 52 connecting the charge wells 214 and 216 and the reset drain 218 is carried by the surface of the semiconductor substrate. Therefore, the charge wells in the semiconductor substrate may be arranged on one imaginary line when viewed from the diffusion layer 13.
  • the charges trapped in the charge generation layer 3 are transferred to the FD unit 200 by raising the potential of the first TG electrode 24. Most of the charge sent to the FD unit 200 is filled in the first charge well 214.
  • the potential of the transfer gate region 215 between the first charge well 214 and the second charge well 216 is set lower than that of the charge generation unit 3.
  • Reference numeral 218 denotes a reset drain.
  • Each of the charge wells 214 and 216 is provided with a voltage detection circuit, and a voltage is output in accordance with the amount of electrons charged.
  • this voltage detection circuit a capacitance type having a well-known configuration can be adopted. By measuring these voltages, the amount of charges transferred to the FD unit 200 (that is, the amount of current) can be specified. If the first charge well 214 is always full, its output voltage is always constant, so that voltage measurement can be omitted.
  • FIG. 13 shows a configuration of the FD unit 300 of another embodiment.
  • a large number of small-capacity charge wells 300-1, 300-2,... are arranged and all the charges transferred are sequentially filled from the charge well 300-1 on the side closer to the charge generation section. .
  • all the charge wells up to the (n-1) th charge well 300-n-1 are filled with charges.
  • a difference in charge amount appears in the nth charge well 300-n.
  • each capacitance is reduced, the difference can be detected with high sensitivity in the charge well where the difference appears.
  • the capacity of each charge well may not be the same.
  • the charge well in which the difference appears can be specified as follows. That is, in each charge well, output voltages Vout-full and Vout-empty when the charge is fully charged and when the charge is depleted are determined in advance. After the charge is transferred to the FD unit 300 side, when the output voltage of each charge well is examined, the charge wells 300-1 to 300-n-1 that are full of charges output the output voltage Vout-full full of charges. The charge well 300-n + 1 outputs a charge depleted output voltage Vout-empty. The output voltage Vout-n of the charge well 300-n takes an intermediate voltage value between the charge-full output voltage Vout-full and the charge-depleted output voltage Vout-empty. Identify. Such a charge well is the most upstream charge well that is not full of charge.
  • FIG. 14 shows a configuration of a fusion detection apparatus 400 according to another embodiment.
  • symbol is attached
  • a charge injection unit (ID unit) 7 is provided on one side of the sensing unit 103 (charge generation unit 3) via the second TG unit 8, and an FD unit 401 for light detection is provided on the other side.
  • the ion concentration detection FD unit 420 is provided on the side facing the light detection FD unit 401.
  • a first TG unit 5, a photocharge storage gate 403, a third TG unit 405, and a photocharge FD unit 407 are sequentially formed from the charge generation unit 3 side.
  • a reset transistor 411 and a signal readout transistor 413 are connected to the photocharge FD portion 407.
  • a high potential can be applied to the photocharge storage gate 403.
  • the potential of the semiconductor layer facing the photocharge storage gate 403 is increased, and charges can be stored there.
  • a fourth TG unit 421 and an ion charge FD unit 425 are sequentially formed from the sensing unit 103 side.
  • the ion charge FD unit 425 is also provided with a reset transistor and a signal readout transistor, and converts the accumulated charge amount into an electric signal in the same manner as the photocharge FD unit 407.
  • the CDS (correlated double sampling) method can be applied in light detection, and reset noise can be removed.
  • the removal of reset noise will be described.
  • the potential of the first TG unit 5 is set to Va1 according to the previous example.
  • the potential of the photocharge storage gate is lowered so that charges are not accumulated in the region opposite to the photocharge storage gate 403.
  • the potential of the photocharge storage gate 403 is raised to accumulate the charge generated by the charge generation unit 3 in the region opposite to the photocharge storage gate 403.
  • the potential of the first TG unit 5 is reduced to block the region opposite to the charge generation unit 3 and the photocharge storage gate 403.
  • the potential of the third TG portion 405 is raised to move the charge accumulated in the region opposite to the photocharge storage gate 403 to the photocharge FD portion 407, and the reset transistor 411 is turned on to turn on the photocharge FD.
  • the unit 407 is reset, and the voltage value (Vrst) at that time is read by the signal read transistor 413. This voltage value varies at each reset. This variation is called reset noise.
  • the potential of the third TG unit 405 is returned to the original state, and the potential of the first TG unit 5 is further increased to accumulate the charge generated in the charge generation unit 3 in the region opposite the photocharge storage gate 403. Then, the potential of the third TG portion 405 is raised to move the charge accumulated in the region facing the photocharge accumulation gate 403 to the photocharge FD portion 407. In this way, a voltage signal (Vout) corresponding to the amount of charge accumulated in the photocharge FD portion 407 is read by the signal read transistor 413.
  • the voltage signal (Vout) at this time is the sum of the voltage (Vsignal) based on the charge generated in the charge generation unit 3 and the voltage value (Vrst) at the time of reset. Therefore, Vsignal is obtained by calculating Vout-Vrst. This signal does not include fluctuations in Vrst. For details of such correlated double sampling, refer to Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-221435.
  • FIG. 15 shows a configuration of a fusion detection apparatus 500 according to another embodiment. Note that elements having the same functions as those in FIG.
  • this fusion detection apparatus 500 as the photodetection FD unit 501, the first TG unit 5, the first photocharge storage FD unit 503, the third TG unit 505, the second TG unit 501 from one side of the charge generation unit 3 are used.
  • a photocharge storage FD unit 507, a fifth TG unit 509, and a third photocharge FD unit 510 are sequentially provided.
  • the first and second photocharge storage FD units 503 and 507 and the third photocharge storage FD unit 510 have a charge well structure in which a semiconductor layer is doped with impurities.
  • the third and fifth TG parts 505 and 509 are made of electrodes facing the semiconductor layer, like the first TG part 5.
  • a reset transistor 411 and a signal readout transistor 413 are connected to the third photoelectric charge FD portion 510.
  • the charge generation unit 3 is acquired when the charge generation unit 3 is in the first state (that is, when the potential of the first TG unit 5 is the first TG potential Vtg1).
  • the charge generating unit 3 is in the second state (that is, when the potential of the first TG unit 5 is the second TG potential Vtg2). ) Is accumulated in the first photoelectric charge accumulating unit 503. Therefore, before the charge accumulated in the first state is converted into a voltage signal, the charge in the second state can be accumulated, and the time difference between the first state and the second state is made permanent. Can be shortened.
  • the charges accumulated in the second photocharge accumulation unit 507 and the charges accumulated in the first photocharge accumulation unit 503 are sequentially transferred to the third photocharge FD unit 510 where the signal is read out by the signal reading transistor 413. Converted to a signal.
  • the target light for spectroscopy has two wavelengths, but when the wavelength of the target light for spectroscopy is n wavelengths, n photocharge storage FD sections are connected via n ⁇ 1 TG sections, respectively. That's fine.
  • FIG. 16 shows a fusion detection apparatus 600 according to another embodiment, and the same reference numerals are given to elements having the same functions as those in FIG.
  • the fusion detection apparatus 600 includes a first light detection FD unit 601 and a second light detection FD unit 610.
  • the first photodetection FD unit 601 includes a first TG unit 5, a first photocharge storage FD unit 503, a fifth TG unit 509, and a side facing the ion concentration detection FD unit 420 in the charge generation unit 3.
  • the third photocharge FD portion 510 is sequentially provided.
  • the second photodetection FD unit 610 includes a sixth TG unit 611, a fourth photocharge storage FD unit 613, a seventh TG unit 615, and a second TG unit 615 from the side facing the charge injection unit in the charge generation unit 3.
  • the fourth photocharge storage FD portion 613 and the fourth photocharge FD portion 617 have a charge well structure in which impurities are doped in a semiconductor layer.
  • the sixth and seventh TG portions 611 and 615 are electrodes facing the semiconductor layer.
  • a reset transistor 411 and a signal readout transistor 413 are connected to the fourth photoelectric charge FD portion 617.
  • the charge acquired when the charge generation unit 3 is in the first state (that is, when the potential of the first TG unit 5 is the first TG potential Vtg1) is the first charge.
  • the light detection FD unit 601 performs processing.
  • the charge acquired when the charge generating unit 3 is in the second state (that is, when the potential of the first TG unit 5 is the second TG potential Vtg2) is processed by the second photodetection FD unit 610. To do. Therefore, before the charge accumulated in the first state is converted into a voltage signal, the charge in the second state can be accumulated, and the time difference between the first state and the second state is made permanent. Can be shortened. It is possible to add the reset noise removal means shown in FIG. 14 to the fusion type detection devices 500 and 600 shown in FIG. 15 and FIG.

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Abstract

　感度の良い分光装置を提供する。　入射光により電荷を発生する電荷発生部３と、電荷発生部３の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるよう電荷発生部３を制御する電荷発生制御部と、電荷発生部３で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するフローティングディフュージョン部２と、を備える分光装置において、電荷発生部３の電荷井戸１０５に充填される電荷Ｃの最低電位Ｖｃを制御することにより、電荷発生部３における電荷獲得深さＷを制御する。

Description

分光装置及びその制御方法
　本発明は分光装置及びその制御方法に関する。この発明は、分光装置と化学・物理現象検出装置として例えばｐＨセンサとの融合に好適である。
　入射光により電荷を発生する電荷発生部を備える分光センサであって、電荷発生部においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、電荷発生部においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるよう当該電荷発生部が制御される分光センサが特許文献１に開示されている。
　特許文献１に開示される分光センサは、入力光を透過させる電極膜を半導体基板上に設け、この電極膜にはゲート電極が接合されてゲート電圧が印加される。半導体基板と電極膜との間には絶縁膜が介在され、半導体基板において電極膜に対向する部分には拡散層（以下、「電荷発生層」と記載することがある）が形成される。ここで半導体基板を一定の電圧でバイアスし、ゲート電極へ印加されるゲート電圧を変化させると、電荷発生層での電荷（電子）の捕獲深さが変化する。即ち、この電極膜へ印加する電位により、電荷発生層における電荷獲得深さが制御される。
他方、入力光は拡散層中へ侵入して電荷を発生させる。入力光は拡散層を構成する半導体に吸収されて減衰する。この減衰の度合いは拡散層へ入射した光の波長に依存する。
　波長λ１の光強度をＡ１とし波長λ２の光強度をＡ２として、波長λ１と波長λ２の光が同時に入射されたとし、拡散層（電荷発生層）において表面から第１の深さＷ１までに発生した電荷量（電流量）をＩ１、同じく第２の深さＷ２までに発生した電荷量(電流量)をＩ２としたとき、次の関係式が成立する（詳細は特許文献１参照）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 上記において、Ａ１ 、Ａ２ ：入射光強度〔Ｗ／ｃｍ２ 〕
Ｓ：受光部面積〔ｃｍ２ 〕
Ｗ１ 、Ｗ２ ：空乏層幅（電子の捕獲深さ）〔ｃｍ〕
α１ 、α２ ：それぞれの波長の吸収係数〔ｃｍ－１〕
振動数ν１ ＝ｃ／λ１ 
振動数ν２ ＝ｃ／λ２ 
ここで、ｃは光速、Ｓは受光部の面積、ｈνは光のエネルギー、ｑは電子ボルトである。
　上記式１においてＷ１及びＷ２はゲート電圧に基づき定められ、Ｉ１及びＩ２は測定可能であるため、共に既知である。従って、未知の入射光の強度Ａ１及びＡ２は、数式１の方程式を解くことにより得られる。即ち、入射光における波長λ１の成分の強度Ａ１と波長λ２の成分の強度Ａ２とが求められる。
　ｎ個の波長光の集合体からなる入射光に対しては、電荷発生層からｎ個の深さにおけるそれぞれの距離Ｗ１～Ｗｎ及び電荷量Ｉ１～Ｉｎを求めることにより、ｎ個の波長光の各強度Ａ１～Ａｎを求めることができる。
　ＤＮＡやたんぱく質の有無や量を調べることによる遺伝子情報の解析の汎用的な手法として蛍光分析法が挙げられる。この蛍光分析法では、例えば検査対象となるＤＮＡをフルオレセインで標識し、４９０ｎｍのレーザ光（励起光、入力光）を照射し、フルオレセインで標識されたＤＡＮから放出される５１３ｎｍの蛍光を測定する。
　フルオレセインが強い蛍光を放出可能といってもその光強度は励起光の数百分の１程度である。従って、従来では、励起光をカットするフィルタが準備され、このフィルタで励起光を遮断するとともに通過した蛍光の強さを測定することにより遺伝子情報を解析していた。
特開２００５－１０１１４号公報
　蛍光分析法では蛍光の発生の有無を正確に測定するため、換言すれば、蛍光のみを抽出してその光の強さを正確に測定するため、励起光をカットするフィルタに高い信頼性が要求される。従って、フィルタは大変高価なものとなっていた。
　そこで、本発明者らは、高価なフィルタの使用を省略するため、特許文献１に開示されている分光装置を用いて分析対象光から励起光の影響を排除し、蛍光のみの強度を測定することにつき検討を行った。
　その結果、以下の課題に気がついた。
　特許文献１に記載の分光装置では、分光センサ本体から出力される電荷量を電流として読み出し、これを分析している。この場合、読出し回路のノイズの影響が大きく、分光センサ本体の感度の向上が制限されていた。
　かかる回路上のノイズの影響を避けるためにフローティングディフュージョン技術を用いることを考えた。このフローティングディフュージョン技術は電荷井戸に電荷を転送し、電荷井戸の電圧を信号として読み取ることにより、電荷量、即ち電流量を特定する。
　従来の分光装置では電荷発生層における電荷の獲得深さに変化を与えるため、電荷発生層の上に透光性の電極膜を積層してここへゲート電圧を印加している。かかる電極膜は、透光性といえども、光を吸収する。したがって、微弱な蛍光が電荷発生層へ到達するまえに更に減衰されてしまう。
　即ち、蛍光の検出感度を向上させる観点から、かかる電極膜はこれを省略することが好ましい。
　本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、以下に説明するこの発明に想到した。
　即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
　入射光により電荷を発生する電荷発生部と、
　前記電荷発生部の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるよう前記電荷発生部を制御する電荷発生制御部と、
　前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するフローティングディフュージョン部と、を備え
　前記電荷発生制御部は前記電荷発生部に隣接して形成され、前記電荷発生部の電荷井戸に充填された電荷の最低電位を規定するゲート部を備え、このゲート部の電位を制御して前記電荷井戸に充填された電荷の最低電位を制御する、分光装置。
　このように規定される第１の局面の分光装置によれば、電荷発生部の電荷獲得深さが電荷発生部に隣接して形成されたゲート部の電位により制御されるので、電極膜が電荷発生部から省略され、もって、入射光の減衰を防止できる。これにより、蛍光のような微弱な光を感度よく検出できる。
　この発明の第２の局面は次のように規定される。
　第１の局面に規定の分光装置において、前記電荷発生部に隣接して第１のトランスファーゲート部と第２のトランスファーゲート部とが形成され、前記第１のトランスファーゲート部に隣接して前記フローティングディフュージョン部が形成され、前記第２のトランスファーゲート部に隣接して電荷注入部が形成され、
　前記第１及び／又は第２のトランスファーゲート部の電位が、前記電荷発生制御部のゲート部として、制御される。
　このように規定された第２の局面の分光装置は汎用的な化学・物理現象検出装置と同じ半導体構成となるので、製造が容易なことはもとより、当該化学・物理現象検出装置とのハイブリダリゼーション（融合）が容易となる。
　したがって、第３の局面で規定するように、電荷発生部を化学・物理現象検出部のセンシング領域として利用することにより、分光装置を化学・物理現象検出装置としても利用可能となる。化学・物理現象検出部の検出対象としてｐＨを採用することができる（第４の局面参照）
　化学・物理現象検出部では、検出対象となる化学現象又は物理現象に応じて検出対象に対向する半導体領域における電荷井戸の底部電位が変化する。この局面によれば、化学・物理現象検出部の電荷井戸に充填される電荷の最低電位がゲート電極により制御される。
　物理・化学現象検出部の半導体領域へ光が入射すればそこに電荷が発生するので、当該半導体領域を分光装置の電荷発生部として利用できる。この電荷発生部は電荷井戸を有しているがその電荷井戸の底部電位（最高電位）の如何に拘わらず、電荷井戸に充填される電荷の最低電位にもとづき電荷発生部としての電荷獲得深さが規定される。よって、電荷井戸の底部電位の如何かかわらず同一の特性で入射光を分光して入射光に含まれる蛍光強度を特定可能となる。
　これにより、装置のアレイ化も可能となる。即ち、隣り合う装置が検出する化学・物理現象の値に違いがあっても（違いがあると各装置の電荷発生部の電荷井戸の底部電位が異なることとなる）、ゲート部の電位を同一にしておけば各装置の電荷発生部における電荷井戸に充填された電荷の最低電位が統一され、アレイ化された全ての装置において電荷獲得深さを同一の条件にできるからである。アレイ化された分光装置の其々の電荷獲得条件を統一することにより、分光した光に基づく画像形成が可能となる。
　この発明の第５の局面は第１の局面を方法として捕らえたものであり、次のように規定される。
　入射光により電荷を発生する電荷発生部と、
　前記電荷発生部の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるよう前記電荷発生部を制御する電荷発生制御部と、
　前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するフローティングディフュージョン部と、を備える分光装置の制御方法であって、
　前記電荷発生部の電荷井戸に充填される電荷の最低電位を制御することにより、前記電荷発生部に前記第１の状態と前記第２の状態を生じさせる、分光装置の制御方法。
　この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち
　化学現象又は物理現象を検出して電荷井戸の底部電位を変化させる検出部と、
　前記検出部へ順次隣接して形成される第１のトランスファーゲート部及びフローティングディフュージョン部と、
　前記検出部へ順次隣接して形成される第２のトランスファーゲート部及び電荷注入部と、を備える化学・物理現象検出装置を分光装置として動作させる制御方法であって、
　電荷を前記検出部の前記電荷井戸に充填し、該充填された電荷の最低電位を制御することにより、前記検出部を、その表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とに制御する、化学・物理現象検出装置の制御方法。
　このように規定される第６の局面の制御方法によれば、化学・物理現象検出装置を分光装置として機能させられる。
　また、電荷井戸に充填された電荷の最低電位を制御して電荷発生部の電荷獲得深さが制御されるので、化学・物理現象検出部に対向する検査対象の如何に拘わらず（即ち、電荷井戸の底部電位の如何に拘わらず）、同じ特性で分光を行える。よって、化学・物理現象検出装置がアレイ化されていたときにも、この制御方法を適用することにより、そのままアレイ化された分光装置として機能させられる。
　この発明の第７の局面は次のように規定される。即ち、
　第６の局面に規定の制御方法において、前記第１のトランスファーゲート部及び／又は前記第２のトランスファーゲート部の電位を制御することにより、前記検出部の電荷井戸に充填された電荷の最低電位を制御する。
　このように規定される第７の局面の制御方法によれば、化学・物理現象検出装置へ何ら要素を加えることなく、即ち化学・物理現象検出装置をそのまま、最も安価なかたちで分光装置として利用できる。
　この発明の第８の局面は次のように規定される。即ち、
　入射光により電荷を発生する電荷発生部と、
　前記電荷発生部を被覆する化学・物理現象感応膜と、
　前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するフローティングディフュージョン部と、
　前記電荷発生部に隣接して形成されるゲート部と、を備える化学・物理現象検出装置を分光器として動作させる制御装置であって、
　前記化学・物理現象感応膜を透光性とし、
　前記電荷発生部の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるよう前記電荷発生部を制御する電荷発生制御部が、前記ゲート部の電位を制御して前記電荷発生部の電荷井戸に充填された電荷の最低電位を制御するゲート電位制御部を備える、
　ことを備えることを特徴とする制御装置。
　このように規定される制御装置によれば、既存の化学・物理現象検出装置を分光装置として機能させることができる。
　この発明の第９の局面は次のように規定される。即ち、
　入射光により電荷を発生する電荷発生部と、
　前記電荷発生部を被覆する化学・物理現象感応膜と、
　前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するフローティングディフュージョン部と、
　前記電荷発生部に隣接して形成されるゲート部と、を備える化学・物理現象検出装置を分光器として動作させる制御方法であって、
　前記化学・物理現象感応膜を透光性とし、
　前記ゲート部の電位を制御して前記電荷発生部の電荷井戸に充填された電荷の最低電位を制御することにより、前記電荷発生部をその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるようを制御する、
　ことを特徴とする制御方法。
　このように規定される制御方法によれば、既存の化学・物理現象検出装置を分光装置として機能させることができる。
　この発明の第１０の局面は次のように規定される。即ち、
　第２の局面に規定の分光装置において、前記第1のトランスファーゲート部と前記フローティングディフュージョン部との間に電荷蓄積領領域が設けられ、該電荷蓄積領域に蓄積された電荷を読み出して相関二重サンプリングを行ない、前記フローティングディフュージョン部のリセット雑音を除去する手段が更に設けられる。
　このように規定される第１０の局面の分光装置によれば、相関二重サンプリングを行なうことで、フローティングディフュージョン部からリセット雑音が除去され、よい精度の高い測定が可能となる。
　第２の局面に規定の分光装置では、電荷発生部に第１の状態と第２の状態を作り出し、それぞれに蓄積された電荷を処理する。第１の状態で獲得された電荷及び第２の状態で獲得された電荷をそれぞれ別個に保存しておいて、両者を比較することにより分光の演算効率が向上する。
　そのためこの発明の第１１の局面では次の構成を採用する。即ち、
　前記第1のトランスファーゲート部と前記フローティングディフュージョン部との間に第１の電荷蓄積領域と第２の電荷蓄積領域とが設けられ、
　前記第１の電荷蓄積領域には前記第1の状態で捕獲された電荷が蓄積され、
　前記第２の電荷蓄積領域には前記第２の状態で捕獲された電荷が蓄積される。
　また、この発明の第１２の局面は次のように規定される。
　前記電荷発生部に隣接して第３のトランスファーゲート部が形成され、前記第３のトランスファーゲート部に隣接して第２のフローティングディフュージョン部が形成される。
分光装置（従来例）の原理を示す断面図である。 図１の分光装置における半導体部のポテンシャルピークを三次元的に示す概念図である。 ｐＨセンサ（従来例）の原理を示す断面図である。 図３のｐＨセンサにおける半導体部のポテンシャルピークを三次元的に示す概念図である。 分光装置（従来例）とｐＨセンサ（従来例）の原理を比較するための断面図である。 実施形態の融合型検出装置を示し、（Ａ）はその原理を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）の断面に沿った半導体部の電位分布を示し、（Ｃ）は半導体部の深さ方向の電位分布を示す。 実施形態の融合型検出装置を分光装置として機能させた状態を示し、（Ａ）はその原理を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）の断面に沿った半導体部の電位分布を示す。 電荷発生部（センシング部）と第１のトランスファーゲート部のポテンシャルピークを三次元的に示す概念図である。 実施形態の融合型検出装置をｐＨセンサとして機能させたときの出力特性図である。 実施形態の融合型検出装置を分光センサとして機能させたときの出力特性図である。 他の実施形態のフローティングディフュージョン部２００を示す原理図である。 図１１に示したフローティングディフュージョン部２００の等価回路を示す。 他の実施形態のフローティングディフュージョン部３００を示す。 他の実施形態の融合型検出装置の構成を示し、（Ａ）はブロック図、（Ｂ）は断面図である。 他の実施形態の融合型検出装置の構成を示すブロック図である。 他の実施形態の融合型検出装置の構成を示すブロック図である。
　実施の形態を説明するに際し、最初に分光装置としての蛍光センサの動作原理を従来方式に基づき説明する（図１、図２参照）。また、化学・物理現象検出装置としてのｐＨセンサの動作原理を図３及び図４に基づき説明する。
（蛍光センサの動作原理）
　図１は従来の分光装置１の構成を示す断面図であり、図２はそのポテンシャルピークを示す概念図である。
　分光装置１は半導体部１０と半導体部１０の表面に形成される電極構造部２０とを備えてなる。
　半導体部１０は次のように構成される。ｎ型シリコン基板１２の表面にｐ型の拡散層１３が形成され、ｐ型拡散層１３中にｎ型不純物がドープされてｎ+型不純物層１４が形成される。このｎ＋型不純物層１４がフローティングディフュージョン部２である。この明細書においてフローティングディフュージョンを単に「ＦＤ」と表記することがある。
　電極構造部２０は拡散層１３の表面に酸化シリコン絶縁膜２１を介してＩＴＯ等からなる透明電極膜２２が積層され、透明電極膜２２にはゲート電極２３よりゲート電圧Ｖｇが印加される。この透明電極膜２２に対向する拡散層１３の部分が電荷発生部３であり、透明電極膜２２及び絶縁膜２１を介して入射された光の強さに応じて電荷を発生させる。
　電荷発生部３とＦＤ部２の間の拡散層１３に第１のトランスファーゲート部５が形成される。第１のトランスファーゲート電極２４へ印加する電圧によりそのポテンシャルが制御される。この明細書においてトランスファーゲートを単に「ＴＧ」と表記することがある。
　電荷発生部３と第１のＴＧ部５の電位を同じにすることで、電荷発生部３で捕獲された電荷が第１のＴＧ部５を乗り越えてＦＤ部２へ移送される。よって、単位時間当たりに移送される電荷量を把握することで入射光強度を特定できる。
　なお、第１のＴＧ部５の電位を電荷発生部３の電位より高くすることにより、一旦電荷発生部３の電荷をリセットし、その後第１のＴＧ部の電位を電荷発生部の電荷より低くして、所定時間にわたり電荷発生部３に電荷を蓄積し、再度第１のＴＧ部５の電位を高くして蓄積された電荷をＦＤ部２へ移送することにより、入射光強度を特定することもできる。ここに、電荷発生部３に蓄積された電荷量が入射光強度に対応する。
　このようにしてＦＤ部２に蓄積された電荷量を図示しない周知の読取り回路で読み出して電圧信号に変換する。
　電荷発生部３で捕獲した電荷をＦＤ部２へ蓄積し、蓄積された電荷量に基づき電圧信号を形成するので、回路によるノイズが殆ど発生しない。
　このように構成された分光装置１によれば、ゲート電極２３へ印加するゲート電圧Ｖｇを変化させることにより、図２に示すように電荷発生部３におけるポテンシャルピークが変化し、電荷の獲得深さ（空乏層幅）Ｗが変化する。即ち、ゲート電圧Ｖｇ１のときに電荷発生部３は第１の深さＷ１となり、その結果第１の深さＷ１まで侵入した入射光Ｌ１により生じた電荷はポテンシャルの斜面を電極側へ転げ落ちて蓄積され、もって捕獲される。第１のＴＧ部５の電位を電荷発生部３表面の電位と同等とすることにより、捕獲された電荷は電極２１と平行に流れてＦＤ部２へ移送される。
　ゲート電圧をＶｇ２まで上げると、図２に示すように、電荷の獲得深さは深くなり、その結果第２の深さＷ２まで侵入した入射光Ｌ２により生じた電荷がポテンシャルの斜面を転げ落ちて蓄積され、捕獲される。
　電荷の獲得深さＷはゲート電圧Ｖｇより特定できるので、このようにして獲られた結果を既述の式１へ挿入することにより、入射光に含まれる異なる波長の光の強度をそれぞれ特定できる。
（ｐＨセンサの原理）
　図３及び図４に基づきｐＨセンサ４０の動作原理を説明する。なお、説明の都合上、図１と同一要素とみなせる要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
　図３はｐＨセンサ４０の構成を示す断面図であり、図４はそのポテンシャルピークを示す概念図である。
　ｐＨセンサ４０は半導体部１１０と半導体部１１０の表面に形成される電極構造部１２０とを備えてなる。
　半導体部１１０は次のように構成される。ｎ型シリコン基板１２の表面にｐ型の拡散層１３が形成され、ｐ型拡散層１３中に所定の間隔をあけてｎ+型不純物層１４、１１５が形成される。ｎ+不純物層１１５は電荷注入部７となる。拡散層１０３おいてセンシング部１０３の表面にはｎ型不純物がドープされて薄いｎ型不純物層１１６が形成されている。このｎ型不純物層１１６は埋め込みチャネル層となる。
　埋め込みチャネル層１１６が存在することにより、図４に示すとおり、ポテンシャルの最深部（最もポテンシャルの高い部分）が表面より半導体層１１０の内部側へ移動して、電荷をより確実に捕獲できることとなる。
　本発明では、この埋め込みチャネル層を省略してもよい。
　電極構造部１２０は次のように構成される。
　拡散層１３の表面が酸化されて絶縁膜２１となる。絶縁膜２１の上には窒化シリコンからなるｐＨ感応膜１２２が積層され、ｐＨ感応膜１２２の周囲には溶液シールド１２７が環状に立設される。溶液シールド内１２７にはｐＨ検査対象となる被検査液１２８が充填され、被検査液１２８には参照電極１２３が浸漬される。
　このように構成されたｐＨセンサ４０では、被検査液１２８に含まれる水素イオン濃度に応じてセンシング部１０３の表面電位が変化する。これにより、図４に示すように、センシング部１０３の電荷井戸１０５の底部電位が変化する。
　センシング部１０３におけるこの電荷井戸１０５へ電荷注入部７より電荷を注入し電荷井戸１０５の底部電位（最高電位）の変化を電荷井戸１０５に充填された電荷量の変化に変換して検出する。このとき、電荷井戸１０５の開口部電位は第１及び第２のＴＧ部５、８の電位により一定に維持されている。電荷注入部７から電荷井戸１０５への電荷注入は第２のＴＧ部８の電位を上げることにより行われ、電荷井戸１０５からＦＤ部２への電荷の転送は第１のＴＧ部５の電位をあげることにより行われる。
　上で説明した分光装置１とｐＨセンサ４０との構造を対比するために、図５に両者を併記した。
　図５からわかるように、両者は第１のＴＧ部５及びＦＤ部２において共通し、ｐＨセンサ４０のｐＨ感応膜１２２及び被検査液１２８を光透過性として、参照電極１２３の電位を変化できるものとすれば、センシング部１０３に侵入した光によりセンシング部１０３中で電荷が発生する。ここで、電荷注入部７及び第２のＴＧ部８の動作を停止させておけば、まさしく分光装置１と同等の構造となる。
　したがって、ｐＨセンサ４０をそのままの構造で分光装置１として動作させられるのではないかと考えた。
　上記につき検討した結果、下記の課題を見出した。
　参照電極１２３は被検査液１２８に浸漬されているので、参照電極１２３の電位変化を正確にセンシング部１０３、即ち電荷発生部の電位変化に反映させられない。よって、電荷獲得深さの設定が不安定になる。
　また、複数のｐＨセンサを平面的に配置してアレイ化したときには、１つのｐＨセンサのセンシング部１０３に接触する被検査液１２８の水素イオン濃度と他のｐＨセンサに接触する被検査液１２８の水素イオン濃度とが必ずしも同一とは限らない。両者の水素イオン濃度が異なる場合、参照電極１２３に同じ電位Ｖrefをかけたとしても電極面での電位がずれてしまい、ｐＨセンサ間で電荷獲得深さに相違が生じる。即ち、各装置の出力特性がバラバラとなるので、各装置からの出力に何ら関連性がなくなる。かかる出力に基づき画像を構成することは不可能である。
　なお、参照電極に印加する電位を、被検査液１２８の水素イオン濃度に応じて変化させ、もって各装置における電荷獲得深さを統一させることも考えられるが、データの処理量が膨大になるので現実的ではない。
　本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討をした結果、ｐＨセンサのセンシング部、即ち分光装置の電荷発生部において電荷井戸へ強制的に電荷を注入し、その電荷の最低電位を同じとすれば、電荷井戸の深さ（底部電位、最大電位）の如何に拘わらず、電荷獲得深さＷが同じになることに気が付き、この発明を完成した。
　換言すれば、電荷発生部の電荷井戸へ充填された電荷の最低電位の制御することにより、電荷発生部での電荷獲得深さを制御出来ることに気が付き、この発明を完成した。
　電荷井戸へ充填された電荷の最低電位は、既述のｐＨセンサによれば、第１及び第２のＴＧ部５、８の電位により規定される。つまり、これらＴＧ部５、８の少なくとも一方の電位を制御することにより、電荷井戸へ充填された電荷の最低電位を制御できることとなり、従来必要とされた透明電極膜２２が不要となる。その結果、入射光がよりダイレクトに電荷発生部３へ入射され、分光装置の感度が向上する。
　以下、図例を参照してこの発明の実施形態の融合型検出装置５０について説明する。
　図６Ａに示す実施形態の融合型検出装置５０は、電荷発生制御部１８０を付加した他は、図３に示した一般的なｐＨセンサ４０と何ら構造的に変わるところはない。したがって、図３、更には図１に記載の要素と同一の要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
　電荷発生制御部１８０はゲート電位制御部１８３を備え、このゲート電位制御部１８３は第１及び第２のトランスファーゲート５、８の電位を以下のように制御する。
（ｐＨセンサとしての動作）
　図６の状態では、検出装置５０のセンシング部１０３に被検査液１２８の水素イオン濃度に応じた電荷井戸１０５が形成されている。電荷井戸１０５の底部の電位は被検査液１２８の水素イオン濃度の多少により変化する。被検査液１２８の水素イオン濃度が第１の状態における電荷井戸の電位がＶｍ１であり、被検査液１２８の水素イオン濃度が第２の状態のときには電荷井戸の電位はＶｍ２となる。被検査液１２８の水素イオン濃度の如何に拘わらず、第１のＴＧ部５の電位Ｖｔｇ１は一定とし、第２のＴＧ部８の電位ＶｉｃｇはＶｔｇ１より充分に低く、電荷注入部７と電荷井戸１０５との間の電荷に移動を規制している。
　図６Ａの状態から、第１のＴＧ部５の電位を電荷井戸１０５の底部電位より高くすると、電荷井戸１０５に充填されていた電荷がＦＤ部２へ移送される。この移送された電荷の量は電荷井戸１０５の底部電位、即ち被検査液１２８の水素イオン濃度に対応しているので、ＦＤ部２の電荷増量を検出することにより、被検査液１２８の水素イオン濃度を特定できる。
　以上は、一般的なｐＨセンサの動作と何ら変わるところがない。
（分光装置としての動作）
　第１のＴＧ部５の電位をもとの電位Ｖｔｇ１に戻し、更に、電荷注入部７より電荷を電荷井戸１０５へ注入すると図６の状態が回復する。
　次に、図７に示すように、第１のＴＧ部５の電位をＶｔｇ２まで下げる。そして、電荷注入部７より電荷井戸１０５へ電荷を注入する。図６と図７とを比較すると、電荷井戸１０５に充填される電荷Ｃの最低電位Ｖｃが変化していることがわかる。電解井戸１０５の充填電荷Ｖｃは第１のＴＧ部５の電位Ｖｔｇと等しい。
　この例では、Ｖｔｇ＞Ｖｉｃｇとしているので、充填電荷の最低電位はＶｔｇで規定されるが、Ｖｔｇ＜Ｖｉｃｇの場合は、第２のＴＧ部８の電位Ｖｉｃｇにより充填電荷Ｃの最低電位Ｖｃが規定される。更には、センシング部１０３、即ち電荷発生部３に隣接して第３の電極を配設し、この電極が第１及び第２のＴＧ部より高い電位となれば、電荷井戸１０５の充填電荷Ｃの最低電位Ｖｃは当該第３の電極の電位により規定されることとなる。
　電荷井戸１０５の充填電荷Ｃの最低電位Ｖｃと電荷発生部３における電荷獲得深さＷとは一対一の関係にある。そのため、被検査液１２８の水素イオン濃度が変化して電荷井戸の底部電位がＶｍ１～Ｖｍｎの何れの値をとっても、充填電荷の最低電位Ｖｃを制御することにより、電荷発生部３における電荷獲得深さを制御可能となる。
　図６の状態と図７の状態とにおいて電荷発生部３に光が入射すると、電荷が発生する。発生した電荷は第１のＴＧ部５をオーバーフローしてＦＤ部２へ移送されることとなる。電荷発生部３で捕獲される電荷の量は入射光の強さと電荷を獲得できる深さＷにより決まるので、既述の式１に基づき、入射光を分光することができる。
　分光に要する時間、即ち電荷発生部３からＦＤ部２への電荷移送に要する時間は数ミリ秒である。
　図８は半導体層におけるポテンシャルピークを三次元的に示している。
　図８において、センシング部１０３（電荷発生部３）の電荷井戸１０５の深さは被検査液１２８の水素イオン濃度に応じて変化する。その結果、電解井戸１０５に何ら電荷が充填されていないときは、電荷井戸の底部電位に応じてポテンシャルピークが変化して電荷獲得深さも変化している。
　ここで、第１のＴＧ部５の電位を第１のＴＧ電位Ｖｔｇ１に固定しておいて、第２のＴＧ部８側から電荷井戸１０５に電荷を注入すれば、電荷井戸１０５において電位Ｖｔｇ１まで電荷が充填される。別の見方をすれば、第１のＴＧ部が堰の働きをし、その堰の高さが電荷井戸に充填される電荷の高さ（最低電位）を規定する。充填電荷Ｃの最低電位が同じであれば、電荷井戸の深さの如何に拘わらず、ポテンシャルピークは同形となり、電荷獲得深さＷ１も一定する。
　次に、第１のＴＧ部５の電位を第２のＴＧ電位Ｖｔｇ２まで下げると、第１のＴＧ部５による堰が高くなり、第２のＴＧ部８側から電荷井戸へ電荷を注入したときにもより高い位置（低電位側）まで電位が充填される。この状態においても、充填電荷Ｃの最低電位が同じであれば、電荷井戸の深さにかかわらず、ポテンシャルピークは同形となり、電荷獲得深さＷ２も一定する。
　図６に示す実施形態の検査装置を用いたｐＨ測定結果を図９に示す。
　また、波長４７０ｎｍの第１の光と波長５２５ｎｍの第２の光を同時に入射したときの分光結果を図１０に示す。
　以上より、この実施形態の検査装置はｐＨセンサ及び分光装置としてともに機能を奏するものである。
　通常の化学・物理量検出装置ではＦＤ部２として１つの拡散層、即ち１つの電荷井戸が備えられている。一般的に、ＦＤ部２を構成する電荷井戸の容量が大きくなると、電荷量の差に対する出力電圧の差が小さくなる。また、蛍光分析法においては強い励起光を用いるので、大量の電荷発生に備えてＦＤ部の容量も比較的大きくする必要がある。
　蛍光分析法はＤＮＡ等に付加された標識物質の蛍光を観察するものであるので、蛍光に基づく電荷量変化の検出が重要となる。しかしながら、入射光（励起光+蛍光）における蛍光の強度の占める割合が小さいため、励起光の強度に応じて比較的大きな容量を持つように設計された１つの電荷井戸からなるＦＤ部では、蛍光に基づく電荷量変化は小さな電圧変化としてしか出力されない。その結果、正確な検出が困難である。
　そこでＦＤ部を次のように構成することが好ましい。即ち、電荷が流れる１つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた複数の電荷井戸を備え、電荷井戸毎に電圧信号を検出する。
　分光センサからＦＤ部のパスへ電荷を転送すると、当該パスに対し間隔をあけて並列に連結された電荷井戸群へその上流から順に電荷が充填される。その結果、一つの電荷井戸が電荷で満杯となると、それより下流側に連続した電荷井戸へ電荷が順に充填される。ここに、各電荷井戸の容量及びその数は任意に設定できるので、各電荷井戸の容量が小さくても、電荷井戸の数を多くすれば分光センサ本体から多量の電荷の転送が可能となる。即ち、検出レンジが広くなる。また、電荷井戸の容量が小さければ電荷量の差分を大きな電圧差として出力することが可能となるので、その検出感度が高くなる。
　以上に知見にもとづく、ＦＤ部２００の変形態様を図１２に示す。図１１において図６と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
　このＦＤ部２００は第１の電荷井戸２１４と第２の電荷井戸２１６を備え、両者の間にトランスファーゲート領域２１５が形成される。符号２１８はリセットドレインである。
　トランスファーゲート領域２１５には絶縁膜を介して第３のトランスファーゲート電極２２４が対向配置されている。
　ＦＤ部２００の等価回路を図１２に示す。図１２において図１１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
　図１２からわかるように、ＦＤ部２００は１つの導電パス２０１に対して第１の電荷井戸２１４と第２の電荷井戸２１６とが並列にかつ間隔をあけて、その間にトランスファーゲート電極２２４を設けて、連結された構成である。かかる構成を採用することにより、電荷発生部より送出される電荷はパス２０１に連結された上流側の電荷井戸から順に充填されていく。
　電荷井戸２１４、２１６及びリセットドレイン２１８をつなぐ導電パス５２は半導体基板の表面が担っている。したがって、半導体基板において各電荷井戸は拡散層１３からからみて１つの仮想線上に並んでおればよい。
　電荷発生層３において捕獲された電荷は、第１のＴＧ電極２４の電位をあげることにより、ＦＤ部２００へ転送される。ＦＤ部２００へ送られた電荷の大部分は第１の電荷井戸２１４へ充填される。第１の電荷井戸２１４と第２の電荷井戸２１６との間のトランスファーゲート領域２１５のポテンシャルは電荷発生部３のそれより低く設定されている。これにより、この第１の電荷井戸２１４が電子で満杯になると、第１の電荷井戸２１４から電子があふれ出して第２の電荷井戸２１６を充填する。符号２１８はリセットドレインであり、第２のトランスファーゲート電極２２４、リセットゲート電極２２６の電位を上げることにより、第１の電荷井戸２１４及び第２の電荷井戸２１６に充填されている電子をリセットドレイン２１８に送りだし、さらに外部へ排出する。
　各電荷井戸２１４、２１６にはそれぞれ電圧検出回路が配設され、電子の充填量に応じて電圧が出力される。かかる電圧検出回路には周知構成の容量型のものを採用することができる。
　これらの電圧を測定することにより、ＦＤ部２００へ転送された電荷の量（即ち電流量）を特定することができる。
　第１の電荷井戸２１４が常に満杯の状態であればその出力電圧は常に一定であるので、その電圧測定を省略することができる。
　図１３には、他の実施形態のＦＤ部３００の構成を示している。このＦＤ部３００では多数の小さな容量の電荷井戸３００－１、３００－２　……を配列して転送される全ての電荷を電荷発生部に近い側の電荷井戸３００－１から順に充填していく。その結果、第ｎ－１番の電荷井戸３００－ｎ－１までは全ての電荷井戸が電荷で満杯となる。そして、第ｎ番の電荷井戸３００－ｎにおいて電荷量の差分が現れる。
　この例によれば、未知の強さの分光対象光に対しても、多数の電荷井戸を準備することにより対応することができる。また、一つ一つの容量を小さくしたので差分の現れる電荷井戸において、当該差分を感度よく検出することができる。
　なお、各電荷井戸の容量は同一でなくてもよい。
　ここに、差分の現れる電荷井戸の特定は次のようにして行える。即ち、各電荷井戸においては、電荷が満杯に充電されたときと電荷が空乏であるときの出力電圧Ｖout-full,Ｖout-emptyが予め定められている。ＦＤ部３００側へ電荷が転送された後、各電荷井戸の出力電圧を調べると、電荷で満杯である電荷井戸３００－１～３００－ｎ-１からは電荷満杯の出力電圧Ｖout-fullが出力され、電荷井戸３００－ｎ+１からは電荷空乏の出力電圧Ｖout-emptyが出力される。そして、電荷井戸３００－ｎの出力電圧Ｖout-nはその電荷満杯の出力電圧Ｖout-fullと電荷空乏の出力電圧Ｖout-emptyとの中間の電圧値を取るので、かかる値を出力する電荷井戸を特定する。
　かかる電荷井戸は、電荷で満杯にならない最上流の電荷井戸である。
　図１４に他の実施形態の融合型検出装置４００の構成を示す。なお、図６と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
　この装置４００ではセンシング部１０３（電荷発生部３）の一辺に第２のＴＧ部８を介して電荷注入部（ＩＤ部）７が設けられ、他の一辺に光検出用のＦＤ部４０１が設けられ、光検出ＦＤ部４０１と対向する辺にイオン濃度検出用のＦＤ部４２０が設けられる。
　光検出ＦＤ部４０１は第１のＴＧ部５、光電荷蓄積ゲート４０３、第３のＴＧ部４０５、光電荷ＦＤ部４０７が電荷発生部３側から順次形成される。光電荷ＦＤ部４０７にはリセット用トランジスタ４１１と信号読み出し用トランジスタ４１３が連結される。
　上記において光電荷蓄積ゲート４０３には高い電位の印加が可能であり、その結果光電荷蓄積ゲート４０３に対向する半導体層のポテンシャルが上がり、そこに電荷の蓄積が可能となる。
　イオン濃度検出ＦＤ部４２０は、第４のＴＧ部４２１及びイオン電荷ＦＤ部４２５がセンシング部１０３側から順次形成される。イオン電荷ＦＤ部４２５にも、図示しないが、リセット用トランジスタと信号読み出し用トランジスタが付設され、光電荷ＦＤ部４０７と同様に蓄積された電荷量を電気信号に変換している。
　このように構成された融合型検出装置４００によれば、光検出においてＣＤＳ（相関二重サンプリング）法の適用が可能となり、リセット雑音の除去が可能となる。
　以下、リセット雑音の除去につき説明する。
　例えば、電荷発生部３の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲するとき、前の例にならって、第１のＴＧ部５の電位をＶａ１とする。このとき、光電荷蓄積ゲート４０３の対向領域に電荷が蓄積されないように、光電荷蓄積ゲートの電位を低くしておく。次に、光電荷蓄積ゲート４０３の電位を上げて電荷発生部３で発生した電荷を光電荷蓄積ゲート４０３の対向領域へ蓄積させる。所定の時間（例えば３０ｍｓｅｃ）経過後に第１のＴＧ部５の電位をさげて電荷発生部３と光電荷蓄積ゲート４０３の対向領域とを遮断する。
　次に、第３のＴＧ部４０５の電位を上げて光電荷蓄積ゲート４０３の対向領域に蓄積された電荷を光電荷ＦＤ部４０７へ移動させ、更に、リセット用トランジスタ４１１をオンにして光電荷ＦＤ部４０７をリセットし、その時の電圧値（Ｖｒｓｔ）を信号読み出しトランジスタ４１３で読み出す。この電圧値はリセット毎にバラつく。このバラつきがリセット雑音と呼ばれる。
　次に、第３のＴＧ部４０５の電位をもとに戻し、更に第１のＴＧ部５の電位を上げて電荷発生部３で発生した電荷を光電荷蓄積ゲート４０３の対向領域へ蓄積する。そして、第３のＴＧ部４０５の電位を上げて光電荷蓄積ゲート４０３の対向領域に蓄積された電荷を光電荷ＦＤ部４０７に移動させる。このようにして光電荷ＦＤ部４０７に蓄積された電荷量に応じた電圧信号（Ｖout）が信号読み出しトランジスタ４１３により読みだされる。
　このときの電圧信号（Ｖout）は電荷発生部３で発生した電荷に基づく電圧（Ｖsignal）とリセット時の電圧値（Ｖrst）との和である。従って、Ｖout-Ｖrstを演算することによりＶsignalが求められる。この信号にはＶrstの揺らぎが含まれていない。
　かかる相関二重サンプリングの詳細については、特開２００２－２２１４３５号公報を参照されたい。
　図１５は他の実施形態の融合型検出装置５００の構成を示す。なお、図１４と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
　この融合型検出装置５００ではその光検出ＦＤ部５０１として、電荷発生部３の一辺から、第１のＴＧ部５、第１の光電荷蓄積ＦＤ部５０３、第３のＴＧ部５０５、第２の光電荷蓄積ＦＤ部５０７、第５のＴＧ部５０９及び第３の光電荷ＦＤ部５１０が順次設けられている。
　第１、第２の光電荷蓄積ＦＤ部５０３、５０７及び第３の光電荷ＦＤ部５１０は半導体層に不純物をドープした電荷井戸構造である。第３及び第５のＴＧ部５０５、５０９は第１のＴＧ部５と同様に半導体層に対向する電極からなる。第３の光電荷ＦＤ部５１０にはリセット用トランジスタ４１１と信号読み出し用トランジスタ４１３が接続されている。
　このように構成された光検出ＦＤ部５０１によれば、電荷発生部３が第１の状態のとき（即ち、第１のＴＧ部５の電位が第１のＴＧ電位Ｖｔｇ１のとき）に獲得された電荷を下流側の第２の光電荷蓄積ＦＤ部５０７に蓄積し、電荷発生部３が第２の状態のとき（即ち、第１のＴＧ部５の電位が第２のＴＧ電位Ｖｔｇ２のとき）に獲得された電荷を第１の光電荷蓄積部５０３に蓄積する。従って、第１の状態で蓄積された電荷を電圧信号に変換処理する前に、第２の状態の電荷の蓄積が可能となり、第１の状態と第２の状態との時間差を可久的に短くすることができる。
　第２の光電荷蓄積部５０７に蓄積された電荷と第１の光電荷蓄積部５０３に蓄積された電荷は順次第３の光電荷ＦＤ部５１０へ移送され、ここで信号読み出し用トランジスタ４１３により電圧信号に変換される。
　図１５の例では分光の対象光は２波長であるが、分光対象光の波長がｎ波長の場合はｎ個の光電荷蓄積ＦＤ部をそれぞれｎ－１個のＴＧ部を介在して連結すればよい。
　図１５の例では、電荷発生部が第１の状態のとき獲得された電荷と第２の状態のとき獲得された電荷とを同一系列の光検出ＦＤ部５０１に蓄積したが、図１６に示す例では、これらの電荷を別系列の光検出ＦＤ部６０１，６１０に蓄積する。
　即ち、図１６は他の実施形態の融合型検出装置６００を示し、図１５と同一の作用を奏する要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
　この融合型検出装置６００は第１の光検出ＦＤ部６０１と第２の光検出ＦＤ部６１０を備える。第１の光検出ＦＤ部６０１は電荷発生部３においてイオン濃度検出ＦＤ部４２０と対向する辺から、第１のＴＧ部５、第１の光電荷蓄積ＦＤ部５０３、第５のＴＧ部５０９及び第３の光電荷ＦＤ部５１０が順次設けた構成である。
　他方、第２の光検出ＦＤ部６１０は電荷発生部３において電荷注入部と対向する辺から、第６のＴＧ部６１１、第４の光電荷蓄積ＦＤ部６１３、第７のＴＧ部６１５及び第４の光電荷ＦＤ部６１７が順次設けた構成である。
　第４の光電荷蓄積ＦＤ部６１３と第４の光電荷ＦＤ部６１７は半導体層に不純物をドープした電荷井戸構造である。第６及び第７のＴＧ部６１１，６１５は半導体層に対向する電極である。第４の光電荷ＦＤ部６１７にはリセット用トランジスタ４１１と信号読み出し用トランジスタ４１３が接続されている。
　図１６の融合型検出装置６００において、電荷発生部３が第１の状態のとき（即ち、第１のＴＧ部５の電位が第１のＴＧ電位Ｖｔｇ１のとき）に獲得された電荷を第１の光検出ＦＤ部６０１で処理する。他方、電荷発生部３が第２の状態のとき（即ち、第１のＴＧ部５の電位が第２のＴＧ電位Ｖｔｇ２のとき）に獲得された電荷は第２の光検出ＦＤ部６１０で処理する。従って、第１の状態で蓄積された電荷を電圧信号に変換処理する前に、第２の状態の電荷の蓄積が可能となり、第１の状態と第２の状態との時間差を可久的に短くすることができる。
　図１５及び図１６に示す融合型検出装置５００、６００へ、図１４に示すリセット雑音除去手段を付加することが可能である。
　この発明は、上記発明の実施の形態及び実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
　各実施形態では電荷として電子を取り扱うことを前提としているが、半導体基板及びそこへドープされる不純物の導電型を変更することにより、ホールを電荷として取り扱うことができる。
１　分光センサ
２、２００、３００、４０１、４２０、５０１、６０１、６１０　フローティングディフュージョン部３　電荷発生部
５　第１のトランスファーゲート部
７　電荷注入部
８　第２のトランスファーゲート部
１０、１１０　半導体部
２０、１２０　電極構造部
２１　絶縁膜
２２　透明電極
２４、１２５、２２４、２２６　トランスファーゲート電極
１１６　埋め込みチャネル層
１２２　ｐＨ感応層
１２３　参照電極
１２８　被検査液

Claims (12)

  1. 　入射光により電荷を発生する電荷発生部と、
    　前記電荷発生部の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるよう前記電荷発生部を制御する電荷発生制御部と、
    　前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するフローティングディフュージョン部と、を備え
    　前記電荷発生制御部は前記電荷発生部に隣接して形成され、前記電荷発生部の電荷井戸に充填された電荷の最低電位を規定するゲート部を備え、このゲート部の電位を制御して前記電荷井戸に充填された電荷の最低電位を制御する、分光装置。
  2. 　前記電荷発生部に隣接して第１のトランスファーゲート部と第２のトランスファーゲート部とが形成され、前記第１のトランスファーゲート部に隣接して前記フローティングディフュージョン部が形成され、前記第２のトランスファーゲート部に隣接して電荷注入部が形成され、
    　前記第１及び／又は第２のトランスファーゲート部の電位が、前記電荷発生制御部のゲート部として、制御される、請求項１に記載の分光装置。
  3. 　化学現象又は物理現象を検出して前記電荷発生部の電荷井戸の底部電位を変化させる化学・物理現象検出部が更に備えられる、請求項１に記載の分光装置。
  4. 　前記化学・物理現象検出部は検査対象に接触し、該検査対象のｐＨを前記電荷発生部の電荷井戸の底部電位に反映させる、請求項３に記載の分光装置。
  5. 　入射光により電荷を発生する電荷発生部と、
    　前記電荷発生部の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるよう前記電荷発生部を制御する電荷発生制御部と、
    　前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するフローティングディフュージョン部と、を備える分光装置の制御方法であって、
    　前記電荷発生部の電荷井戸に充填される電荷の最低電位を制御することにより、前記電荷発生部に前記第１の状態と前記第２の状態を生じさせる、分光装置の制御方法。
  6. 　化学現象又は物理現象を検出して電荷井戸の底部電位を変化させる検出部と、
    　前記検出部へ順次隣接して形成される第１のトランスファーゲート部及びフローティングディフュージョン部と、
    　前記検出部へ順次隣接して形成される第２のトランスファーゲート部及び電荷注入部と、を備える化学・物理現象検出装置を分光装置として動作させる制御方法であって、
    　電荷を前記検出部の前記電荷井戸に充填し、該充填された電荷の最低電位を制御することにより、前記検出部を、その表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とに制御する、化学・物理現象検出装置の制御方法。
  7. 　前記第１のトランスファーゲート部及び／又は前記第２のトランスファーゲート部の電位を制御することにより、前記検出部の電荷井戸に充填された電荷の最低電位を制御する、請求項６に記載の化学・物理現象検出装置の制御方法。
  8. 　入射光により電荷を発生する電荷発生部と、
    　前記電荷発生部を被覆する化学・物理現象感応膜と、
    　前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するフローティングディフュージョン部と、
    　前記電荷発生部に隣接して形成されるゲート部と、を備える化学・物理現象検出装置を分光器として動作させる制御装置であって、
    　前記化学・物理現象感応膜を透光性とし、
    　前記電荷発生部の表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるよう前記電荷発生部を制御する電荷発生制御部が、前記ゲート部の電位を制御して前記電荷発生部の電荷井戸に充填された電荷の最低電位を制御するゲート電位制御部を備える、
    　ことを備えることを特徴とする制御装置。
  9. 　入射光により電荷を発生する電荷発生部と、
    　前記電荷発生部を被覆する化学・物理現象感応膜と、
    　前記電荷発生部で捕獲された電荷量に応じた信号を出力するフローティングディフュージョン部と、
    　前記電荷発生部に隣接して形成されるゲート部と、を備える化学・物理現象検出装置を分光器として動作させる制御方法であって、
    　前記化学・物理現象感応膜を透光性とし、
    　前記ゲート部の電位を制御して前記電荷発生部の電荷井戸に充填された電荷の最低電位を制御することにより、前記電荷発生部をその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の状態と、該表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の状態とになるようを制御する、
    　ことを特徴とする制御方法。
  10. 　前記第1のトランスファーゲート部と前記フローティングディフュージョン部との間に電荷蓄積領領域が設けられ、該電荷蓄積領域に蓄積された電荷を読み出して相関二重サンプリングを行ない、前記フローティングディフュージョン部のリセット雑音を除去する手段が更に設けられる、ことを特徴とする請求項２に記載の分光装置。
  11. 　前記第1のトランスファーゲート部と前記フローティングディフュージョン部との間に第１の電荷蓄積領域と第２の電荷蓄積領域とが設けられ、
    　前記第１の電荷蓄積領域には前記第1の状態で捕獲された電荷が蓄積され、
    　前記第２の電荷蓄積領域には前記第２の状態で捕獲された電荷が蓄積される、ことを特徴とする請求項２に記載の分光装置。
  12. 　前記電荷発生部に隣接して第３のトランスファーゲート部が形成され、前記第３のトランスファーゲート部に隣接して第２のフローティングディフュージョン部が形成される、ことを特徴とする請求項２に記載の分光装置。
    　
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