JP6372848B2 - Tftイオンセンサ並びにこれを用いた測定方法及びtftイオンセンサ機器 - Google Patents
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Description
ソース電極及びドレイン電極が接続された半導体活性層と、前記半導体活性層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜及びゲート電極と、前記半導体活性層の他方の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に設けられた参照電極と、を備え、
前記半導体活性層が酸化物半導体であり、前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きく、かつ、
前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差を読み取る電圧検出部、及び、前記ソース電極又は前記ドレイン電極に流れる電流を読み取る電流検出部の、どちら一方を更に備えている。
図1は、実施形態1のTFTイオンセンサ101を示す断面図である。
次に、本実施形態1を更に具体化した実施例1を、図1に基づき説明する。
図3は、実施形態2のTFTイオンセンサ102を示す断面図である。
次に、本実施形態2を更に具体化した実施例2について、図3に基づき説明する。
図4は、実施例3のTFTイオンセンサ103を示す断面図である。本実施形態2の変形例である実施例3について、図4に基づき説明する。
図5は、実施例4のTFTイオンセンサ104を示す断面図である。本実施形態2の変形例である実施例4について、図5に基づき説明する。
図6は、実施形態3のTFTイオンセンサ105を示す断面図である。
次に、本実施形態3を更に具体化した実施例5を、図6に基づき説明する。
図7は、実施形態4のTFTイオンセンサ106を示す断面図である。
次に、本実施形態4を更に具体化した実施例6を、図7に基づき説明する。
図8は、実施形態5のTFTイオンセンサ107を示す断面図である。
図9は、実施形態6のTFTイオンセンサ108を示す断面図である。
β-D-グルコース+NAD+→D-グルコノ-1,5-ラクトン+NADH+H+
図10は、実施形態7のTFTイオンセンサ109を示す断面図である。
イオン感応絶縁膜表面に発生した電気二重層電位差をVg−Id特性の変化を介して効果的に検出するためには、イオン感応絶縁膜と接する半導体活性層表面、すなわちトップチャネルの欠陥を低減することが有効である。TFTイオンセンサの特性として、電気二重層電位に対応したVg−Id特性の平行シフトが得られることが理想的であるが、トップチャネルに高密度な欠陥が存在する場合、理想的な平行シフトが得られず、電気二重層電位とVg−Id特性シフト量との相関が崩れる場合がある。トップチャネルの欠陥を抑制するためには、作製工程において薬剤やプラズマへの露出を極力抑制することが重要であり、例えばステンシルマスクを用いることが効果的である。
図11は、実施形態9のTFTイオンセンサ機器110を示す回路図である。本実施形態9では、ソース電位に対して所定の電位を参照電極17に与え(図11ではソース電位と同じ電位を参照電極17に与えている)、ソース電極13sとドレイン電極13dとの間に所定の電流が流れるようにゲート電極13gとソース電極13sとの間の電位差を制御し(図11ではゲート電極13gの電位は一定とされソース電極13sの電位が変動する)、センシング対象物質中のイオン濃度に起因したゲート電極13gとソース電極13sとの間の電位差を読み取ることにより、センシング対象物質中のイオン濃度を検知する。
本実施形態9を更に具体化した実施例7を、図11に基づき説明する。
Id1=(WμC/L){(Vgs−Vt)Vd−Vd2/2} ・・・(2)
Id2=n(WμC/L){(Vedl−Vt)Vd−Vd2/2} ・・・(3)
Id=(WμC/L){(Vgs−Vt)Vd−Vd2/2}
+n(WμC/L){(Vedl−Vt)Vd−Vd2/2}
∴Id/(WμC/L)=Vd(Vgs+nVedl)−Vt・Vd(n+1)−Vd2(n+1)/2
∴Vgs+nVedl=Id/(VdWμC/L)+Vt(n+1)+Vd(n+1)/2 ・・・(4)
本実施形態9では上式(4)の右辺は定数であるから、次式が成り立つ。
Vgs+nVedl=一定 ・・・(5)
Id=Id1+Id2
=Id1(一定)+n(WμC/L){(Vedl−Vt)Vd−Vd2/2}
・・・(6)
前記半導体活性層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜及びゲート電極と、
前記半導体活性層の他方の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、
前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に設けられた参照電極と、
を備えたTFTイオンセンサにおいて、
前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きく、かつ、
前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差を読み取る電圧検出部を更に備えた、
ことを特徴とするTFTイオンセンサ。
前記半導体活性層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜及びゲート電極と、
前記半導体活性層の他方の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、
前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に設けられた参照電極と、
を備えたTFTイオンセンサにおいて、
前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きく、かつ、
前記ソース電極又は前記ドレイン電極に流れる電流を読み取る電流検出部を更に備えた、
ことを特徴とするTFTイオンセンサ。
付記1記載のTFTイオンセンサ。
付記1又は3記載のTFTイオンセンサ。
付記2記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至5のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
前記シリコン基板に、前記半導体活性層の下部に位置する前記熱酸化膜が暴露されるように開口部が設けられた、
付記1乃至5のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
前記絶縁性基板の前記半導体活性層とは反対側に、前記絶縁性基板の薄くなった部分が暴露されるように凹部が設けられた、
付記1乃至5のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至8のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至9のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至9のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至9のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
前記ゲート絶縁膜の膜厚が前記イオン感応絶縁膜の膜厚よりも厚い、
付記1乃至12のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至12のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至14のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至15のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至16のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
付記1乃至17のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。
前記ソース電極の電位を基準として前記参照電極に定電位を与え、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に一定の電位差を与え、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に定電流が流れるように前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電位差を制御し、前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電位差又は当該電位差に対応する電圧を出力する検出回路と、
を備えたTFTイオンセンサ機器。
前記定電圧回路は、入力ノードが前記ソース電極に接続されたボルテージフォロワ回路と、一端が前記ボルテージフォロワ回路の出力ノードに接続され、他端が前記ドレイン電極に接続された定電圧源とを含み、
前記ボルテージフォロワ回路の出力電圧を、前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電位差に対応する電圧として出力とする、
付記19記載のTFTイオンセンサ機器。
前記イオン感応絶縁膜から前記参照電極までの空間をセンシング対象物質で満たし、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に定電流が流れるように前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差を制御し、
前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差を読み取る、
TFTイオンセンサを用いた測定方法。
前記イオン感応絶縁膜から前記参照電極までの空間をセンシング対象物質で満たし、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電位差が一定になるように前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる電流を制御し、
前記ソース電極又は前記ドレイン電極に流れる電流を読み取る、
TFTイオンセンサを用いた測定方法。
110 TFTイオンセンサ機器
10 熱酸化膜
11 シリコン基板
12 半導体活性層
13s ソース電極
13d ドレイン電極
13g ゲート電極
14 イオン感応絶縁膜
14a イオン感応絶縁膜表面
15 保護絶縁膜
16 センシング対象物質
17 参照電極
18 ガラス基板
19 ゲート電極
20 ゲート絶縁膜
21 窒化シリコン膜
22 酸化シリコン膜
23 酸化物半導体膜
24 エッチストップ膜
25 多結晶シリコン膜
26 暴露された熱酸化膜
27 酸化シリコンよりも比誘電率の高い材料から成る絶縁性基板
28 暴露された絶縁性基板
29 イオン選択感応膜
30 生体物質への基質特異性を有する酵素
31 生体物質への親和性を有するリガンド
32 第一のオペアンプ
33 第一のツェナーダイオード
34 第二のオペアンプ
35 第二のツェナーダイオード
36 トランジスタ
37 電位差計
41 電圧検出部
42 電流検出部
43 電圧制御部
44 電流制御部
51 右向き破線矢印
52 上向き破線矢印
61 開口部
62 凹部
71 定電圧回路
72 TFTイオンセンサ
73 定電流回路
74 直流電圧源
75 直流電圧源
81 第一の抵抗器
82 第二の抵抗器
83 第三の抵抗器
Claims (23)
- ソース電極及びドレイン電極が接続された半導体活性層と、
前記半導体活性層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜及びゲート電極と、
前記半導体活性層の他方の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、
前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に設けられた参照電極と、
を備えたTFTイオンセンサにおいて、
前記半導体活性層が酸化物半導体であり、
前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きく、かつ、
前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差を読み取る電圧検出部を更に備えた、
ことを特徴とするTFTイオンセンサ。 - ソース電極及びドレイン電極が接続された半導体活性層と、
前記半導体活性層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜及びゲート電極と、
前記半導体活性層の他方の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、
前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に設けられた参照電極と、
を備えたTFTイオンセンサにおいて、
前記半導体活性層が酸化物半導体であり、
前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きく、かつ、
前記ソース電極又は前記ドレイン電極に流れる電流を読み取る電流検出部を更に備えた、
ことを特徴とするTFTイオンセンサ。 - 前記酸化物半導体中にはホール(正孔)がほとんど蓄積されない、
請求項1又は2記載のTFTイオンセンサ。 - 前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差は、前記イオン感応絶縁膜上にセンシング対象物質が配置され、前記イオン感応絶縁膜と前記センシング対象物質との間に発生した電位差に、前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量を前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量で除した比の値を乗じた電位差である、
請求項1記載のTFTイオンセンサ。 - 前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に定電流が流れるように前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差を制御する電圧制御部を更に備えた、
請求項1又は4記載のTFTイオンセンサ。 - 前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電位差が一定になるように前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる電流を制御する電流制御部を更に備えた、
請求項2記載のTFTイオンセンサ。 - 基板上に、前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記半導体活性層、前記ソース電極及び前記ドレイン電極、前記イオン感応絶縁膜がこの順で設けられた、
請求項1乃至6のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - シリコン基板上に、熱酸化膜、前記ソース電極及び前記ドレイン電極、前記半導体活性層、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極がこの順で設けられ、
前記シリコン基板に、前記半導体活性層の下部に位置する前記熱酸化膜が暴露されるように開口部が設けられた、
請求項1乃至6のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - 絶縁性基板上に、前記半導体活性層、前記ソース電極及び前記ドレイン電極、前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極がこの順で設けられ、
前記絶縁性基板の前記半導体活性層とは反対側に、前記絶縁性基板の薄くなった部分が暴露されるように凹部が設けられた、
請求項1乃至6のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - 前記イオン感応絶縁膜が、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム及び窒化シリコンのいずれか一つからなる単層膜又は二つ以上からなる積層膜である、
請求項1乃至9のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - 前記イオン感応絶縁膜の上に、特定のイオンに対する感受性を有するイオン選択感応膜が積層された、
請求項1乃至10のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - 前記イオン感応絶縁膜の上に、基質と反応することでイオン感応絶縁膜近傍の水素イオン濃度を変化させる酵素を固定化した、
請求項1乃至10のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - 前記イオン感応絶縁膜の上に、特定の生体物質に対する感受性を有し生体物質との相互作用により電位変化を発生するタンパク質、糖、DNA又はRNAを配置した、
請求項1乃至10のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - 前記ゲート絶縁膜と前記イオン感応絶縁膜とが実質的に同一の材料で構成され、
前記ゲート絶縁膜の膜厚が前記イオン感応絶縁膜の膜厚よりも厚い、
請求項1乃至13のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - 前記イオン感応絶縁膜の実質構成材料の比誘電率が前記ゲート絶縁膜の実質構成材料の比誘電率よりも大きい、
請求項1乃至13のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - 前記ゲート絶縁膜の実質構成材料が酸化シリコン、窒化シリコン及び酸化アルミニウムのいずれか一つからなる単層膜又は二つ以上からなる積層膜である、
請求項1乃至15のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - 前記半導体活性層と前記イオン感応絶縁膜との界面における欠陥密度が1×1021cm-3以下に抑制された、
請求項1乃至16のいずれか一つに記載のTFTイオンセンサ。 - ソース電極及びドレイン電極が接続された半導体活性層と、前記半導体活性層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜及びゲート電極と、前記半導体活性層の他方の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に設けられた参照電極とを有し、前記半導体活性層が酸化物半導体であり、前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きい、TFTイオンセンサと、
前記ソース電極の電位を基準として前記参照電極に定電位を与え、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に一定の電位差を与え、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に定電流が流れるように前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電位差を制御し、前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電位差又は当該電位差に対応する電圧を出力する検出回路と、
を備えたTFTイオンセンサ機器。 - 前記検出回路は、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差を一定にする定電圧回路と、前記ソース電極に接続された定電流回路とを有し、
前記定電圧回路は、入力ノードが前記ソース電極に接続されたボルテージフォロワ回路と、一端が前記ボルテージフォロワ回路の出力ノードに接続され、他端が前記ドレイン電極に接続された定電圧源とを含み、
前記ボルテージフォロワ回路の出力電圧を、前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電位差に対応する電圧として出力とする、
請求項18記載のTFTイオンセンサ機器。 - ソース電極及びドレイン電極が接続された半導体活性層と、前記半導体活性層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜及びゲート電極と、前記半導体活性層の他方の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に設けられた参照電極とを有し、前記半導体活性層が酸化物半導体であり、前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きい、TFTイオンセンサを用い、
前記イオン感応絶縁膜から前記参照電極までの空間をセンシング対象物質で満たし、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に定電流が流れるように前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差を制御し、
前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差を読み取る、
TFTイオンセンサを用いた測定方法。 - ソース電極及びドレイン電極が接続された半導体活性層と、前記半導体活性層の一方の面に設けられたゲート絶縁膜及びゲート電極と、前記半導体活性層の他方の面に設けられたイオン感応絶縁膜と、前記イオン感応絶縁膜から空間的に離れた位置に設けられた参照電極とを有し、前記半導体活性層が酸化物半導体であり、前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりも大きい、TFTイオンセンサを用い、
前記イオン感応絶縁膜から前記参照電極までの空間をセンシング対象物質で満たし、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電位差が一定になるように前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる電流を制御し、
前記ソース電極又は前記ドレイン電極に流れる電流を読み取る、
TFTイオンセンサを用いた測定方法。 - 前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量は、前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりもn(n>1)倍大きく、 前記電圧検出部は、前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電位差を、前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量に等しい場合に比べてn倍大きく読み取る、 請求項1記載のTFTイオンセンサ。
- 前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量は、前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量よりもn(n>1)倍大きく、 前記電流検出部は、前記ソース電極又は前記ドレイン電極に流れる電流を、前記イオン感応絶縁膜の単位面積当たりの静電容量が前記ゲート絶縁膜の単位面積当たりの静電容量に等しい場合に比べてn倍大きく読み取る、 請求項2記載のTFTイオンセンサ。
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