Tft離子傳感器、使用該tft離子傳感器的tft離子傳感器裝置的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】TFT離子傳感器、使用該TFT離子傳感器的TFT離子傳感器裝置
[0001]相關(guān)串請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)基于并要求2014年3月28日提交的日本專(zhuān)利申請(qǐng)N0.2014-068159的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，該日本專(zhuān)利申請(qǐng)的全文并入到本文供參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及由TFT (Thin Film Transistor:薄膜晶體管)構(gòu)成的TFT離子傳感器、使用該TFT離子傳感器的測(cè)量方法、以及使用TFT離子傳感器的TFT離子傳感器裝置。
【背景技術(shù)】
[0004]近年來(lái)，例如，在醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域利用用于生物傳感的離子濃度傳感器。該離子濃度傳感器通過(guò)將無(wú)機(jī)氧化物表面上的氫離子濃度檢測(cè)功能、無(wú)機(jī)氧化物表面上的氧分子識(shí)別功能與電化學(xué)裝置結(jié)合來(lái)獲得。
[0005]使用娃基板MOSFET(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor:金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的離子敏感FET (FET離子傳感器)已經(jīng)產(chǎn)品化，主要用作溶液的pH(酸堿度，Potential of Hydrogen)傳感器。在電化學(xué)上已知，在溶液與絕緣膜之間的界面中必然形成雙電層。雙電層中產(chǎn)生的電位差根據(jù)溶液的pH發(fā)生變化，這是通過(guò)將該變化量讀取為FET的Vt (閾值電壓)變化來(lái)感測(cè)pH的值的測(cè)量原理。
[0006]根據(jù)電化學(xué)的能斯特理論，由于在25°C下溶液的pH變化“I”(氫離子濃度變化I位)，因此在pH溶液/氧化膜界面中的雙電層中產(chǎn)生大約59mV的電位變化。即，59mV/pH是測(cè)量靈敏度的理論界限。實(shí)際的離子敏感FET產(chǎn)品的靈敏度大約為45?50mV/pH，正在研宄使靈敏度接近理論界限。
[0007]與生物醫(yī)學(xué)行業(yè)相關(guān)，以后，各種溶液中的物質(zhì)的精密的感測(cè)技術(shù)將變得重要。在生物傳感中，經(jīng)常使用通過(guò)酶反應(yīng)等最終檢測(cè)氫離子濃度的變化的方法。因此，關(guān)于pH，需要能夠感測(cè)較小的PH變化的技術(shù)。因此，通過(guò)某種方法提高測(cè)量靈敏度(使靈敏度高于59mV/pH)的必要性越來(lái)越高。
[0008]接下來(lái)，對(duì)與本發(fā)明有關(guān)的相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)(以下，稱作“相關(guān)技術(shù)”)進(jìn)行說(shuō)明。
[0009]關(guān)于利用TFT的Vt漂移的TFT離子傳感器，具有使用多結(jié)晶硅TFT的基于F.Yan等的報(bào)告例(“Applied Physics Letters”，vol.86，053901 (2005)(非專(zhuān)利文獻(xiàn) I))。作為離子敏感絕緣膜，使用氮化硅膜，進(jìn)行PH感測(cè)，獲得54mV/pH的靈敏度。
[0010]J.-C.Chou等通過(guò)使用非晶硅TFT來(lái)進(jìn)行pH感測(cè)，獲得58mV/pH的靈敏度(“Sensors and Actuators”，B62, 92-96 (2000)(非專(zhuān)利文獻(xiàn) 2))。
[0011]K.Koike等通過(guò)使用將作為氧化物半導(dǎo)體的氧化鋅用作半導(dǎo)體活性層的晶體管來(lái)進(jìn)行pH感測(cè)，獲得一 20 μΑ/ρΗ的靈敏度(Japanese Journal of AppliedPhysics, vol.46，L865-L867 (2007)(非專(zhuān)利文獻(xiàn) 3))。
[0012]如下的方法被公開(kāi)，在使用氧化物半導(dǎo)體的底柵型TFT中，在氧化物半導(dǎo)體膜上形成離子敏感絕緣膜，在對(duì)底柵電極施加恒定電壓的同時(shí)改變感測(cè)溶液中的參照電極的電壓，從而根據(jù)參照電極電壓-漏極電流特性的閾值電壓的漂移進(jìn)行感測(cè)(日本未審查專(zhuān)利公開(kāi)2012-73101 (專(zhuān)利文獻(xiàn)I))。
[0013]如下的方法被公開(kāi)，在將碳納米管作為活性層的底柵型TFT中，使用聚硅氮烷溶液形成離子敏感絕緣膜，并在離子敏感絕緣膜上形成頂柵電極，由此改善特性(日本未審查專(zhuān)利公開(kāi)2010-192599 (專(zhuān)利文獻(xiàn)2))。
[0014]如下的TFT傳感器被公開(kāi)，即使在紫外線氛圍下，其通過(guò)使用氧化物半導(dǎo)體的雙柵型TFT的雙柵電極切割紫外線并且在雙柵電極上形成離子敏感絕緣膜，也能夠進(jìn)行感測(cè)(日本未審查專(zhuān)利公開(kāi)2013-76656(專(zhuān)利文獻(xiàn)3))。
[0015]如上所述，報(bào)告了使用硅半導(dǎo)體和氧化物半導(dǎo)體的TFT離子傳感器。它們都是根據(jù)“施加于浸漬在感測(cè)對(duì)象溶液中的參照電極的電壓”相對(duì)于“漏極電流”的特性的漂移來(lái)進(jìn)行pH感測(cè)。
[0016]如上所述，關(guān)于使用TFT的離子傳感器的各種技術(shù)被公開(kāi)。但是，在所有這些文獻(xiàn)中公開(kāi)的是改變浸漬在感測(cè)對(duì)象溶液中的參照電極的電壓并根據(jù)參照電極電壓-漏極電流特性的漂移來(lái)檢測(cè)離子濃度的方法。在這些方法中，根據(jù)能斯特理論，例如，在pH感測(cè)中，59mV/pH是靈敏度的理論界限。該理論界限不依賴于半導(dǎo)體材料和離子敏感絕緣膜，是恒定的。
[0017]使用MOSFET的pH傳感器已經(jīng)實(shí)用化，與上述的理論界限接近的大約55mV/pH的敏感度的傳感器已經(jīng)產(chǎn)品化。由于實(shí)際的產(chǎn)品已經(jīng)并且正在被制造，因此感測(cè)溶劑中的氫離子濃度本身時(shí)，認(rèn)為大約55mV/pH的靈敏度是足夠的。
[0018]另外，在通過(guò)在TFT離子傳感器的離子敏感絕緣膜上設(shè)置僅使特定物質(zhì)固化的酶來(lái)實(shí)現(xiàn)生物傳感功能的情況下，需要更高的靈敏度。例如，當(dāng)基于氫離子濃度的變化來(lái)檢測(cè)以大約10_9mol/L至10_8mol/L的濃度存在于中性溶液(氫離子濃度:10_7mol/L)中的激素物質(zhì)時(shí)，需要以高精度檢測(cè)大約0.01至0.1的pH變化。但是，根據(jù)能斯特理論界限，必須檢測(cè)大約0.59mV至5.9mV的小的特性漂移。因此，由于測(cè)量精度波動(dòng)等的影響，難以進(jìn)行精確的檢測(cè)。例如，考慮由于因熱引起的測(cè)量精度波動(dòng)等產(chǎn)生的影響，靈敏度進(jìn)一步低于理論界限。當(dāng)所謂的原信噪比(S/N比)減小時(shí)，通過(guò)外部電路等進(jìn)行放大時(shí)，噪聲被包括在內(nèi)，并且噪聲級(jí)被放大。因此，實(shí)質(zhì)上，不能提高靈敏度。
[0019]在被基于能斯特理論的靈敏度界限束縛的相關(guān)技術(shù)中，難以高精度地檢測(cè)激素等微量濃度物質(zhì)。
[0020]因此，本發(fā)明的示例性目的是提供能夠以高靈敏度感測(cè)微小的離子濃度變化的TFT離子傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]根據(jù)本發(fā)明的TFT離子傳感器包括:半導(dǎo)體活性層，源電極和漏電極連接至所述半導(dǎo)體活性層；柵極絕緣膜和柵電極，所述柵極絕緣膜和所述柵電極設(shè)置在所述半導(dǎo)體活性層的一個(gè)表面上；離子敏感絕緣膜，所述離子敏感絕緣膜設(shè)置在所述半導(dǎo)體活性層的另一表面上；以及參照電極，所述參照電極設(shè)置在與所述離子敏感絕緣膜在空間上分離的位置上，其中，所述離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比所述柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大；并且所述TFT離子傳感器還包括用于讀取所述源電極和所述柵電極之間的電位差的電壓檢測(cè)單元、或者用于讀取流經(jīng)所述源電極或所述漏電極的電流的電流檢測(cè)單元。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是表示第一示例性實(shí)施方式和實(shí)施例1的TFT離子傳感器的剖視圖；
[0023]圖2是表示作為根據(jù)實(shí)施例1的pH感測(cè)的測(cè)量結(jié)果的、柵極-源極電壓對(duì)源極_漏極電流的圖；
[0024]圖3是表示第二示例性實(shí)施方式和實(shí)施例2的TFT離子傳感器的剖視圖；
[0025]圖4是表示實(shí)施例3的TFT離子傳感器的剖視圖；
[0026]圖5是表不實(shí)施例4的TFT離子傳感器的剖視圖；
[0027]圖6A和圖6B是表示第三示例性實(shí)施方式和實(shí)施例5的TFT離子傳感器的剖視圖；
[0028]圖7A和圖7B是表示第四示例性實(shí)施方式和實(shí)施例6的TFT離子傳感器的剖視圖；
[0029]圖8是表示第五示例性實(shí)施方式的TFT離子傳感器的剖視圖；
[0030]圖9是表示第六示例性實(shí)施方式的TFT離子傳感器的剖視圖；
[0031]圖10是表示第七示例性實(shí)施方式的TFT離子傳感器的剖視圖；
[0032]圖11是表示第九示例性實(shí)施方式和實(shí)施例7的TFT離子傳感器裝置的電路圖；以及
[0033]圖12是表示實(shí)施例9的TFT離子傳感器裝置的測(cè)量原理的圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]本發(fā)明的第一 TFT離子傳感器包括連接至源電極和漏電極的島狀半導(dǎo)體活性層。在半導(dǎo)體活性層的一個(gè)表面上形成柵極絕緣膜和柵電極，在半導(dǎo)體活性層的另一個(gè)表面上形成離子敏感絕緣膜，在與離子敏感絕緣膜在空間上隔離的位置上設(shè)有參照電極。在TFT離子傳感器中，離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，并且TFT離子傳感器還包括用于讀取源電極與柵電極之間的電位差的機(jī)構(gòu)。
[0035]另外，本發(fā)明的第二 TFT離子傳感器包括連接至源電極和漏電極的島狀半導(dǎo)體活性層。在半導(dǎo)體活性層的一個(gè)表面上形成柵極絕緣膜和柵電極，在半導(dǎo)體活性層的另一個(gè)表面上形成離子敏感絕緣膜，在與離子敏感絕緣膜在空間上隔離的位置上設(shè)有參照電極。在TFT離子傳感器中，離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，并且TFT離子傳感器還包括用于讀取流經(jīng)源電極與漏電極之間的電流值的機(jī)構(gòu)。
[0036]另外，本發(fā)明的第三TFT離子傳感器包括連接至源電極和漏電極的島狀半導(dǎo)體活性層。在半導(dǎo)體活性層的一個(gè)表面上形成柵極絕緣膜和柵電極，在半導(dǎo)體活性層的另一個(gè)表面上形成離子敏感絕緣膜，在與離子敏感絕緣膜在空間上隔離的位置上設(shè)有參照電極。在TFT離子傳感器中，離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，并且TFT離子傳感器還包括以下機(jī)構(gòu):當(dāng)感測(cè)對(duì)象物質(zhì)設(shè)置在離子敏感絕緣膜上時(shí)，根據(jù)表示柵電極和源電極之間的電位差與流經(jīng)漏電極和源電極之間的電流之間的關(guān)系的曲線中的漂移量來(lái)檢測(cè)感測(cè)對(duì)象物質(zhì)中的離子濃度。
[0037]S卩，與根據(jù)參照電極電壓-漏極電流特性的漂移來(lái)檢測(cè)離子濃度的相關(guān)技術(shù)的例子不同，本發(fā)明根據(jù)柵電極電壓-漏極電流特性的漂移來(lái)檢測(cè)離子濃度。
[0038]這種TFT離子傳感器包括如下機(jī)構(gòu):其讀取當(dāng)感測(cè)對(duì)象物質(zhì)設(shè)置在離子敏感絕緣膜上時(shí)，使離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容除以柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容得到的比值乘以離子敏感絕緣膜和感測(cè)對(duì)象物質(zhì)之間產(chǎn)生的電位差(相應(yīng)于在界面產(chǎn)生的雙電層電壓)得到的電位差。
[0039]如上所述，雙電層電壓變化相對(duì)于氫離子濃度變化的最大值是59mV/pH。但是，在本發(fā)明中，離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容除以柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容得到的比值大于I。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)比59mV/pH更高的靈敏度。
[0040]這種高靈敏度的TFT離子傳感器是特征在于包括能夠控制柵電極與源電極之間的電位差使得恒定電流流經(jīng)源電極與漏電極之間的機(jī)構(gòu)的傳感器，或者是特征在于包括能夠控制流經(jīng)漏電極與源電極之間的電流使得柵電極與源電極之間的電位差恒定的機(jī)構(gòu)的傳感器。
[0041]與相關(guān)技術(shù)不同，本發(fā)明根據(jù)漏極電流相對(duì)于施加于柵電極上的電壓的特性而不是相對(duì)于參照電壓的特性中的漂移，來(lái)進(jìn)行離子濃度感測(cè)。在使用這種檢測(cè)法的情況下，通過(guò)使離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大，在理論上能夠以比能斯特界限更高的靈敏度進(jìn)行檢測(cè)。本發(fā)明的效果絕不是否定能斯特理論，而是根據(jù)能斯特理論在離子敏感絕緣膜表面上產(chǎn)生的雙電層電位差通過(guò)底柵電場(chǎng)與頂柵電場(chǎng)的相互作用被“放大”時(shí)所實(shí)現(xiàn)的效果。該放大效果通過(guò)使離子敏感絕緣膜的每單位面積的靜電電容比柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容大來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種效果不依賴于基于外部電路的放大，而能夠在不被各種波動(dòng)影響的情況下實(shí)現(xiàn)傳感器自身的本來(lái)的高靈敏度。因此，能夠解決相關(guān)技術(shù)的問(wèn)題。
[0042]以下，參照附圖對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的方式(以下，稱作“示例性實(shí)施方式”)進(jìn)行說(shuō)明。要注意，在本說(shuō)明書(shū)和附圖中，對(duì)實(shí)質(zhì)上相同的構(gòu)成元件使用相同的附圖標(biāo)記。圖中所示的形狀以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解的方式圖示，因此這些圖的尺寸和比例不一定與實(shí)際相符。
[0043](第一示例性實(shí)施方式)
[0044]圖1是表示根據(jù)第一示例性實(shí)施方式的TFT離子傳感器101的剖視圖。
[0045]TFT離子傳感器101包括:半導(dǎo)體活性層12，在該半導(dǎo)體活性層12中，連接有源電極13s和漏電極13d ;設(shè)置在半導(dǎo)體活性層12的一個(gè)表面上的作為柵極絕緣膜的熱氧化膜10和作為柵電極的硅基板11 ;設(shè)置在半導(dǎo)體活性層12的另一表面上的離子敏感絕緣膜14 ;以及設(shè)置在與離子敏感絕緣膜14在空間上隔離的位置上的參照電極17，其中，離子敏感絕緣膜14的每單位面積的靜電電容比柵極絕緣膜(熱氧化膜10)的每單位面積的靜電電容大。另外，TFT離子傳感器101還包括讀取源電極13s和柵電極(硅基板11)之間的電位差的電壓檢測(cè)單元41、或者讀取流經(jīng)源電極13s或漏電極13d的電流的電流檢測(cè)單元42 ο
[0046]在設(shè)置有電壓檢測(cè)單元41的情況下，可以進(jìn)一步設(shè)置電壓控制單元43，該電壓控制單元43控制源電極13s與柵電極(硅基板11)之間的電位差使得恒定電流流經(jīng)源電極13s與漏電極13d