之間。這種情況的測量方法的示例如下。即，離子敏感絕緣膜14與參照電極17之間的空間充滿感測對象物質(zhì)16，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之間，讀取源電極13s與柵電極(硅基板11)之間的電位差。
[0047]在設(shè)置有電流檢測單元42的情況下，可以進一步設(shè)置電流控制單元44，該電流控制單元44控制流經(jīng)源電極13s與漏電極13d之間的電流使得柵電極(硅基板11)與源電極13s之間的電位差變得恒定。這種情況的測量方法的示例如下。即，離子敏感絕緣膜14和參照電極17之間的空間充滿感測對象物質(zhì)16，控制流經(jīng)源電極13s與漏電極13d之間的電流使得柵電極(硅基板11)與源電極13s之間的電位差變得恒定，并讀取流經(jīng)源電極13s與漏電極13d之間的電流。
[0048]源電極13s與柵電極(硅基板11)之間的電位差是當感測對象物質(zhì)16設(shè)置在離子敏感絕緣膜14上時，使離子敏感絕緣膜14的每單位面積的靜電電容除以柵極絕緣膜(熱氧化膜10)的每單位面積的靜電電容得到的比乘以離子敏感絕緣膜14和感測對象物質(zhì)16之間產(chǎn)生的電位差得到的電位差。
[0049]對柵電極(硅基板11)施加柵極電壓Vg，對漏電極13d施加漏極電壓VcL例如，電壓檢測單元41是電壓計，電流檢測單元42是電流計，電壓控制單元43是恒定電流源，電流控制單元44是恒定電壓源。
[0050]對TFT離子傳感器101將更詳細進行說明。在形成有熱氧化膜10的硅基板11上形成島狀的半導體活性層12，源電極13s和漏電極13d形成為與半導體活性層12的上表面的一部分接觸。在半導體活性層12、源電極13s以及漏電極13d上形成離子敏感絕緣膜14。在第一示例性實施方式中，硅基板11用作柵電極，熱氧化膜10用作柵極絕緣膜。僅是與TFT的通道部相對應(yīng)的區(qū)域的離子敏感絕緣膜14露出，其他區(qū)域被保護絕緣膜15覆蓋。在感測對象物質(zhì)16內(nèi)設(shè)置這種結(jié)構(gòu)的TFT，并在感測對象物質(zhì)16中設(shè)置參照電極17。
[0051]第一示例性實施方式的要點是，在具有上述結(jié)構(gòu)的TFT離子傳感器101中，使離子敏感絕緣膜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，并根據(jù)與柵極-源極電壓相對于源極-漏極電流特性(以下，簡稱為“Vg — Id特性”)有關(guān)的閾值電壓的變化來檢測感測對象物質(zhì)16中的離子濃度變化。
[0052](實施例1)
[0053]接下來，參照圖1說明第一示例性實施方式的進一步具體化的實施例1。
[0054]首先，準備硅基板11，在所述硅基板11上形成有200nm厚的熱氧化膜10。也可以取代熱氧化膜10，使用通過等離子體CVD(Chemical Vapor Deposit1n:化學氣相沉積)法或濺射法沉積的氧化硅膜、氮化硅膜等。
[0055]另外，在形成有熱氧化膜10的娃基板11上使用金屬掩膜通過派射法沉積由In —Ga-Zn-O構(gòu)成的50nm厚的氧化物半導體膜。此時，使用由In — Ga — Zn — O構(gòu)成的燒結(jié)體對象，不加熱基板，并在氬氣和氧氣的混合氣體氛圍中采用DC (Direct Current:直流)濺射法。在沉積之后，在400°C下退火一個小時。通過將氧化物半導體膜圖案化，形成島狀的半導體活性層12。
[0056]然后，通過使用金屬掩膜進行鉬金屬的DC濺射，形成源電極13s和漏電極13d。源電極13s和漏電極13d的膜厚是30nmo
[0057]另外，使用金屬掩膜通過濺射法沉積由氧化鉭構(gòu)成的200nm厚的離子敏感絕緣膜14。此時，使用由Ta — O構(gòu)成的燒結(jié)體對象，不加熱基板，在氬氣和氧氣的混合氣體氛圍中采用RF(Rad1 Frequency:射頻)派射法。之后，在300°C下退火I小時。熱氧化膜的相對介電常數(shù)是大約4，通過濺射沉積的氧化鉭的相對介電常數(shù)是大約20。兩者的膜厚都是200nm，因此反映相對介電常數(shù)值中的差異。因此，由氧化鉭構(gòu)成的離子敏感絕緣膜14的每單位面積的靜電電容為由熱氧化膜10構(gòu)成的柵極絕緣膜的每單位面積的靜電電容的大約5倍。
[0058]之后，形成如下的結(jié)構(gòu):使用環(huán)氧樹脂作為保護絕緣膜15，露出半導體活性層12的通道區(qū)域上的離子敏感絕緣膜14的表面，其他區(qū)域被環(huán)氧樹脂覆蓋。
[0059]將具有上述結(jié)構(gòu)的TFT浸漬在作為感測對象物質(zhì)16的MacIlvaine緩沖液內(nèi)，將由鉑形成的參照電極17置于MacIlvaine緩沖液中。MacIlvaine緩沖液由0.025mol/L的檸檬酸和0.05mol/L的磷酸氫鉀的混合液構(gòu)成。作為感測對象的氫離子濃度(pH)使混合比在3至8的范圍內(nèi)變化。
[0060]對具有上述結(jié)構(gòu)的TFT離子傳感器101的漏電極13d施加恒定電位0.5V，將源電極13s和參照電極17設(shè)為接地電位(OV)。在這種偏置狀態(tài)下，在一 2V至+7V的范圍內(nèi)改變柵極電壓Vg，從而在各pH的緩沖液中在室溫下測量Vg -1d特性。圖2表示在pH = 3、5、7、8的各值的緩沖液中測量的Vg -1d特性。
[0061]由圖2可知，隨著pH的值變高，Vg— Id特性向正向漂移。當針對各pH讀取施加IXlO-7A的恒定電流值作為源極-漏極電流的柵極-源極電壓(指向右的虛線箭頭51)時，每單位PH的漂移量、即靈敏度是大約130mV/pH。這是由能斯特式確定的、相關(guān)技術(shù)的情況下理論界限59mV/pH的2倍或大于2倍的靈敏度。因此，確認了第一示例性實施方式的效果O
[0062]在此要注意的是，第一示例性實施方式的結(jié)果絕對不與能斯特理論矛盾。可以說，該結(jié)果是根據(jù)能斯特理論在氧化鉭表面上產(chǎn)生的雙電層電位差(根據(jù)理論，該電位差應(yīng)該是59mV/pH或更小)通過底柵電場和頂柵電場的相互作用和電容差被放大時所獲得的結(jié)果O
[0063]反而言之，產(chǎn)生這種放大作用的設(shè)計源于第一示例性實施方式的要點。第一示例性實施方式的要點在于，離子敏感絕緣膜14的靜電電容比柵極絕緣膜(熱氧化膜10)的靜電電容大；以及根據(jù)Vg -1d特性的閾值電壓的變化可以來檢測感測對象物質(zhì)16中的離子濃度變化。
[0064]在實施例1中，對作為恒定的源極-漏極電流值的I X ΙΟΙ的情況進行說明。但是，恒定電流的值不僅僅限于此，其可以根據(jù)TFT的尺寸或者可容易檢測的電流值而任意地設(shè)定。另外，雖然上面說明了在源電極13s與漏電極13d之間施加0.5V的恒定電位差的情況，但不限于該值。電位差可根據(jù)TFT的尺寸任意地設(shè)定為可獲得能夠容易檢測的電流值的電位差。
[0065]在上述內(nèi)容中，對根據(jù)Vg -1d特性的閾值電壓的變化來檢測感測對象物質(zhì)16中的離子濃度變化的測量方法進行了說明。但是，也可以通過電流計讀取特定的柵極-源極電壓時的源極-漏極電流值，并根據(jù)該變化來檢測離子濃度變化。這種感測概念的示例由圖2的向上虛線箭頭52表示。如圖2所示，在第一示例性實施方式中，基于pH值變化的Vg -1d特性的漂移量比關(guān)聯(lián)技術(shù)的情況大，因此向上虛線箭頭52方向的電流值的變化也變大。這表示PH感測的靈敏度變得更高。因此，通過采用本第一示例性實施方式根據(jù)電流值來讀取PH值，能夠?qū)崿F(xiàn)比相關(guān)技術(shù)的靈敏度更高靈敏度的TFT離子傳感器。
[0066]在此，對使用氧化物半導體作為半導體活性層12的情況進行說明。氧化物半導體(諸如In — Ga — Zn — O)在半導體中幾乎不積聚空穴(正空穴)，因此能夠容易實現(xiàn)耗盡狀態(tài)(在半導體中幾乎不存在載流子的狀態(tài))。在這種耗盡狀態(tài)下，底柵電場和頂柵電場的相互作用變得更顯著，因此能夠更有效地獲得上述的放大作用、即高靈敏度。因此，在第一示例性實施方式中，重要的是，使用幾乎不積聚空穴的半導體活性層12。作為其示例，采用氧化物半導體。
[0067]雖然離子敏感絕緣膜14不限于氧化鉭，但期望使用相對介電常數(shù)高的材料。例如，除氧化鉭以外，可使用氧化鉿、氧化鋁、鈦酸鋇、鈦酸鍶、氮化硅膜等。還可以使用它們的任意的層疊層。另外，柵極絕緣膜不限于氧化硅?？梢允褂玫?、氧化鋁等，或者也可以使用它們的任意的層疊膜。
[0068]另外，測量時的參照電極17的電位不限于接地電位，而可以根據(jù)原晶體管特性(設(shè)置到感測對象物質(zhì)16中之前的在大氣中的特性)任意地設(shè)定。例如，在原晶體管特性向正方向漂移并且不能獲得充分的漏極電流值的情況下，也可以通過相對于源電極13s對參照電極17施加適當?shù)恼娢皇咕w管特性向負方向漂移而在獲得充分的電流值的狀態(tài)下進行檢測。反之，在原晶體管特性向負方向漂移并且電流值過高的情況下，通過對參照電極17供給適當?shù)呢撾娢坏耐瑫r進行檢測，電流值可限制于適當?shù)闹?。另外，作為參照電極17，也可使用Ag/AgCl。
[0069]還可對源電極13s和漏電極13d使用高耐熱金屬(諸如鎢)，并在形成離子敏感絕緣膜14之后在500°C或更高的高溫下進行退火。這種高溫退火能夠提高離子敏感絕緣膜14的膜質(zhì)，從而進一步提高感測靈敏度。同時，離子敏感絕緣膜14更縝密化，因此例如可以抑制感測對象物質(zhì)(溶劑)16浸透到離子敏感絕緣膜14并到達半導體活性層12時產(chǎn)生的短路。
[0070]作為根據(jù)本發(fā)明的示例性優(yōu)點，本發(fā)明能夠放大并檢測在離子敏感絕緣膜的表面上產(chǎn)生的雙電層電位差(根據(jù)能斯特理論產(chǎn)生的電位差)，因此可以實現(xiàn)能夠以高靈敏度感測小離子濃度變化的TFT離子傳感器。通過積極地利用這種效果，能夠在將酶反應(yīng)和抗原-抗體反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號的生物傳感中實現(xiàn)高靈敏度。
[0071](第二示例性實施方式)
[0072]圖3是表示根據(jù)第二示例性實施方式的TFT離子傳感器102的剖視圖。
[0073]在玻璃基板18上形成柵電極19，并進一步形成柵極絕緣膜20。在柵極絕緣膜20上形成島狀的半導體活性層12，源電極13s和漏電極13d形成為與半導體活性層12的上表面的一部分接觸。在半導體活性層12、源電極13s、以及漏電極13d上形成離子敏感絕緣膜14。僅露出在與半導體活性層12的通道部相對應(yīng)的區(qū)域上的離子敏感絕緣膜14，其他區(qū)域被保護絕緣膜15覆蓋。這種結(jié)構(gòu)的TFT設(shè)置在感測對象物質(zhì)16內(nèi)，并在感測對象物質(zhì)16中設(shè)置參照電極17。
[0074]第二示例性實施方式的要點是，在具有上述結(jié)構(gòu)的TFT離子傳感器102中，使離子敏感絕緣膜14的每單位面積的靜電電容比柵極絕緣膜20的每單位面積的靜電電容大，并根據(jù)Vg -1d特性的閾值電壓的變化來檢測感測對象物質(zhì)16中的離子濃度變化。第二示例性實施方式的其他結(jié)構(gòu)、作用和效果與第一示例性實施方式的其他結(jié)構(gòu)、作用和效果相同。
[0075](實施例2)
[0076]接下來，參照圖3說明將第二示例性實施方式進一步具體化的實施例2。
[0077]在玻璃基板18上通過濺射沉積將鋁作為主成分的合金材料，并通過使用由抗蝕劑涂敷、曝光、顯影、蝕刻、抗蝕劑剝離構(gòu)成的光刻工藝來形成柵電極19。
[0078]接下來，通過使用等離子體CVD法在基板溫度350°C下沉積300nm厚的氧化硅膜，從而形成柵極絕緣膜20。
[0079]接下來，通過派射法，將由In — Ga — Zn — O構(gòu)成的氧化物半導體膜沉積為30nm厚，并通過光刻工藝圖案化成規(guī)定的島狀，從而形成半導體活性層12。在圖案化之后，在空氣中在400°C下進行I小時退火處理。
[0080]然后，通過濺射沉積鈦金屬，并在將光致抗蝕劑圖案化之后，使用基于氟的等離子體(例如，0?4或SF6)蝕刻鈦金屬，從而形成規(guī)定形狀的源電極13s和漏電極13d。此時，In-Ga-Zn- O膜未被基于氟的等離子體蝕刻，因此其不會在蝕刻鈦金屬時過度蝕刻。
[0081]之后，通過使用金屬掩膜的濺射法，將200nm厚的氧化鋁膜沉積為離子敏感絕緣膜14，并在空氣中在400°C下進行I小時退火處理。氧化鋁膜的相對介電常數(shù)為大約8，而氧化硅膜的相對介電常數(shù)為4。因此，由氧化鋁形成的離子敏感絕緣膜14的每單位面積的靜電電容比由氧化硅膜形成的柵極絕緣膜20的每單位面積的靜電電容大。
[0082]之后，形成如下的結(jié)構(gòu):使用環(huán)氧樹脂作為保護絕緣膜15，露出半導體活性層12的通道區(qū)域上的離子敏感絕緣膜14的表面，其他區(qū)域被環(huán)氧樹脂覆蓋。
[0083]將具有上述結(jié)構(gòu)的TFT浸漬在作為感測對象物質(zhì)16的MacIlvaine緩沖液內(nèi)，并在MacIlvaine緩沖液中設(shè)置由鉑形成的參照電極17。
[0084]對具有上述結(jié)構(gòu)的TFT離子傳感器102的漏電極13d施加IV，并將源電極13s和參照電極17設(shè)為接地電位(OV)。另外，大氣中的TFT的Vg -1d特性偏移到正側(cè)，因此為了獲得適當?shù)穆O電流值，對參照電極17施加2V。在這種偏置狀態(tài)下，在一 5V至+1V的范圍內(nèi)改變柵極電壓，并在各PH的緩沖液中，在室溫下測量Vg — Id特性。其結(jié)果，獲得比由能斯特公式確定的理論界限59mV/pH高的感測靈敏度。
[0085]在如上所述的實施例1和實施例2中，在半導體活性層12、源電極13s以及漏電極13d形成之后，將離