JP5553316B2 - 分光装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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に制御する、
ことを特徴とする制御方法。 - 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。
- 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。 - 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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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002098667A (ja) * | 2000-09-27 | 2002-04-05 | Japan Science & Technology Corp | 累積型化学・物理現象検出装置 |
| JP2002202303A (ja) * | 2000-12-27 | 2002-07-19 | Nikon Corp | 有機分子検出用半導体素子、有機分子検出用半導体装置及びこれを用いた有機分子の測定方法 |
| JP2002221435A (ja) * | 2001-01-26 | 2002-08-09 | Japan Science & Technology Corp | 累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路 |
| JP2006190846A (ja) * | 2005-01-06 | 2006-07-20 | Matsushita Electric Works Ltd | 光検出素子、光検出素子の制御方法 |
Family Cites Families (6)
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|---|---|---|---|---|
| JP4470363B2 (ja) * | 2002-10-04 | 2010-06-02 | ソニー株式会社 | 固体撮像素子及びその制御方法 |
| EP1925930A1 (en) * | 2003-02-13 | 2008-05-28 | Hamamatsu Photonics K.K. | Flourescence correlation spectroscopy analyser |
| WO2005078801A1 (en) * | 2004-02-17 | 2005-08-25 | Nanyang Technological University | Method and device for wavelength-sensitive photo-sensing |
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| US7663167B2 (en) * | 2004-12-23 | 2010-02-16 | Aptina Imaging Corp. | Split transfer gate for dark current suppression in an imager pixel |
| US7808063B2 (en) * | 2005-05-26 | 2010-10-05 | Micron Technology, Inc. | Structure and method for FPN reduction in imaging devices |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002098667A (ja) * | 2000-09-27 | 2002-04-05 | Japan Science & Technology Corp | 累積型化学・物理現象検出装置 |
| JP2002202303A (ja) * | 2000-12-27 | 2002-07-19 | Nikon Corp | 有機分子検出用半導体素子、有機分子検出用半導体装置及びこれを用いた有機分子の測定方法 |
| JP2002221435A (ja) * | 2001-01-26 | 2002-08-09 | Japan Science & Technology Corp | 累積型化学・物理現象検出装置のリセット雑音除去回路 |
| JP2006190846A (ja) * | 2005-01-06 | 2006-07-20 | Matsushita Electric Works Ltd | 光検出素子、光検出素子の制御方法 |
Non-Patent Citations (1)
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