JP5890423B2 - Ｉｓｆｅｔ装置 - Google Patents

Description

本発明は、サンプルのイオン濃度に従って電気的出力を切り替えるための装置および方法に関する。

一般に、ＩＳＦＥＴは、そのまわりのアナログ前処理回路による連続時間（アナログ）測定のために構築された。通常、アナログからデジタルへの変換は処理工程のうちの１つである。これは値の連続性が要求される場合である。しかしながら、イエス／ノーの判断が求められる多くの応用がある。例えば、ＤＮＡハイブリダイゼーションおよびＳＮＰ挿入検出では、イエス／ノー（５）（６）の答えでプロセスが行なわれたことを検知することで充分である。他の応用は、溶液中の２つの化学薬品の濃度の単なる比較を必要とする。例えば、クレアチニンの濃度が尿素の濃度より高いか、またはその逆である（７）。

イオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）は、そのゲートが電解質へのイオン電荷に露出される電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備える。参照電極は、トランジスタのゲート酸化物と接触する電解質溶液に浸される。
図１を参照されたい。したがって、電解質と参照電極の組み合わせは、正常なＭＯＳＦＥＴでゲートの役割を果たす。ゲート酸化物はイオン感知膜になる。ＦＥＴの電気的な動作モードは次によって表現され得る：

参照電極、電解質、およびイオン感応膜の相互作用から起こる電圧降下は、ゲート・ソース電圧（Ｖ_ｇｓ）または閾値電圧（Ｖ_ｔ）のいずれかの一部として見られ得る。これは、動作のすべての領域でのＭＯＳＦＥＴのｌ_ｄ−Ｖ_ｇｓの関係に現われる差であるという事実によって裏付けられている（式（１））。上記の類似性から、参照電極がＭＯＳゲート（１）の役割を遠隔的に果たすかどうかが討議された。それゆえ、電解質は、ゲート酸化物と接触するゲートメタル（ｇａｔｅ ｍｅｔａｌ）の役割を果たす。ＭＯＳＦＥＴでは、Ｖ_ｔは、ゲート材料、基質ドーピング、それらの絶縁体、およびこのシステムにおける電荷によって決定される（式（２））。それは各デバイスで一定である。なぜなら、製造プロセスが非常に良好に制御されており、デバイスに亘って変化が良好に制御されるからである。しかしながら、この類似性に従うＩＳＦＥＴにおいて、電解質はこのシステムの一部となり、そのＶ_ｔを電解質特性に依存させる（式（３）（１））。この閾値電圧は次によって表現され得る。

ここで、φ_Ｍは金属仕事関数で、φ_Ｓｉはケイ素仕事関数で、ｑは電子の電荷で、Ｑ_ｏｘは酸化物絶縁体に蓄積された電荷で、Ｑ_ｓｓは酸化物−ケイ素インターフェースのトラップ電荷（ｔｒａｐｐｅｄ ｃｈａｒｇｅ）で、Ｑ_Ｂはシリコンバルクにおける消耗電荷で、Ｃ_ＯＸはゲート酸化物のキャパシタンスで、φ_ｆはシリコン・ドーピングレベルに依存する反転の開始を定義する。式（３）において、φ_Ｍはイオン感応性膜−電解質インターフェース・ポテンシャルΨと、イオン感応性膜と接触する電解質の表面双極子ポテンシャルχ^ｓｏｌの両方の化学的パラメータに置換される。前者は、電解質のイオン濃度の関数であり、ｐＨはその可能な尺度である。後者は定数である。式（３）は、ＩＳＦＥＴの閾値電圧が、電解質のイオン濃度を使用して（１）修正され得ることを示唆している。

１９９９年には、Ｂａｕｓｅｌｌｓらが、ＡｔｍｅｌＥＳ２（１０）の１μｍの単一のポリシリコン、ダブル金属標準ＣＭＯＳプロセスを使用して、ＩＳＦＥＴを集積した。それらは、同一のダイで標準ＣＭＯＳ増幅器を集積した。基本的に、ＩＳＦＥＴは、初めてフローティングのポリシリコン・ゲートであって、最上部の金属層まで積み重ねられた金属に接続されたがポリシリコン・ゲートが与えられ、ここで、イオンは、酸窒化物パッシベーションを介して検知された。この根本概念は他のものによって実行され、ＩＳＦＥＴは、複合のメタル層（１０）（１１）（１２）を備えた異なる商用ＣＭＯＳプロセにより構築された。

トランジスタ部品が、ここでは有効なＦＧ−ＭＯＳＦＥＴであり、感応性の部品がイオン感応性のコンデンサのようであり、このキャパシタンスで最頂部の金属が１枚のプレートであり、電解質が第２層を形成し、同時にパッシベーションが絶縁層であることに流することは興味深い。これは、参照電極が除去される場合に生じる従来のキャパシタンス性イオンセンサーに非常に似ている。

トランジスタのゲートからのパッシベーション・キャパシタンスは、２つの異なる構造を作るために分離していると考えられる。従って、ＩＳＦＥＴのトランジスタ・ゲートは「電気的ゲート」と呼ばれ得る、そしてイオン感応性の膜の下の最頂部の金属は「化学的ゲート」と呼ばれ得る。

したがって、Ｖ_ｔは式（２）によって与えられたプロセス依存性の定数である。式（３）に導入された化学的依存性は、次式から与えられるＩＳＦＥＴのフローティング・ゲート電圧の一部として表現され得る。

Ｖ_ＦＧ＝Ｖ_ｒｅｆ−Ψ＋χ^ｓｏｌ ＋Ｖ_{Ｑｐａｓｓ} （４）

ここで、Ｖ_{Ｑｐａｓｓ}はパッシベーション層へのトラップ電荷による。
位置解離モデルおよびＧｏｕｙ−Ｃｈａｐｍａｎ−Ｓｔｅｒｎ二重層モデルを使用して、図２のとおりに、ＩＳＦＥＴはモデル化され得る。ここでＶ_ｃｈｅｍは、電解質とそのインターフェースから、参照電極、および膜（６）を検知するイオンの両方に発生する化学的電圧である。

Ｖ_ｃｈｅｍ＝γ＋Ｖ_{Ｑｐａｓｓ}＋２．３αＵ_ＴｐＨ （５）

ここで、γは、Ｖ_{Ｑｐａｓｓ}であるパッシベーション・トラップ電荷とは別のすべてのｐＨ非依存性の項のグルーピング（ｇｒｏｕｐｉｎｇ）である。Ｕ_Ｔは通常の熱の電圧であり、αは０＜α＜１の間の値をもつ感応性パラメータである。その最大値は、２５°Ｃで５９．２ｍＶ／ｐＨによって与えられたＮｅｒｎｓｔｉａｎ感度として知られている理論的な限界を与える（１）。ＩＳＦＥＴに関するほとんどの刊行物は、Ｖ_ｔをｐＨ依存性のパラメータと見なしている。本発明者らは、純粋な回路の観点から、ＩＳＦＥＴは、重畳された電圧ＶｒｅｆとＶｃｈｅｍに容量的に結合されたそのゲートを備えた有効な標準ＦＧＭＯＳであることを認識した。したがって、本発明者らは、フローティング・ゲート入力を形成し、かつ標準ＭＯＳＦＥＴのように、Ｖ_ｔを定数と仮定するようにそれらを考慮した。したがって、ｐＨの変化は、Ｖ_ｔの代わりにＶ_ｇｓのための変調と見なされ得る。しかしながら、物理的な観点からは、システムに変更はなく、同じ分析が保持される。したがって、式（１）および（２）はまだ有効であり、式（３）はもはや適切ではない。また、式（５）は化学的電圧を表わす。

インバータを構築するためにＩＳＦＥＴを使用する最初の試みは、Ｓｈｅｐａｒｄ博士および彼女の同僚によるものであった（５）（１６）。図４は、通常のトランジスタによって得られたＰＭＯＳの役割を備えた標準等級ＡＢの反転増幅器におけるＮＭＯＳとしてＩＳＦＥＴを示す。その入力は、ＰＭＯＳ（Ｍ２）のゲートおよびｎ−ＩＳＦＥＴ（Ｘ１）の参照電極の両方に接続される。したがって、回路のスイッチング閾値は、溶液のｐＨに比例してシフトする。

したがって、ｐＨの変化は、ｐ−ＭＯＳではなくｎ−ＭＯＳのゲート電圧を変調する。すなわち、相補対の半分だけが、ｐＨ感度である。プルアップ・トランジスタにより、プルダウン・トランジスタとは異なる入力値が確かめられる。その差はＶ_ｃｈｅｍである。

しかしながら、ドリフト若しくはパッシベーション・トラップ電荷がなければ、これは許容可能である。ＩＳＦＥＴのＶ_ｔは、数ボルトの範囲で、パッシベーション・トラップ電荷により、初期の変化を有し得る（１７）（１２）。特にｎ−ＩＳＦＥＴが負の閾値電圧を有している場合、これは回路のスイッチング機能を非動作にすることができる。

本発明の第１の態様によれば、サンプルのイオン濃度の変化を検知するための半導体装置が提供され、前記半導体装置は、共通のフローティング・ゲートに結合された複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、サンプルに露出され、前記フローティング・ゲートに結合されたイオン感応性層とを備えている。

使用の際、トランジスタを通過する電流は、スイッチング閾値と比較して、感応性層の近傍でのサンプルのイオン濃度の大きさに依存して、「オン」又は「オフ」に切り替えられる。前記半導体装置は、商用のＣＭＯＳプロセスを構築され得る。

本発明の第２の態様によれば、サンプルのイオン濃度を検知するための装置が提供され、当該装置は、フローティング・ゲートに結合された電界効果トランジスタと、サンプルに露出され、前記フローティング・ゲートに結合されるイオン感応性層と、電荷の除去又は前記フローティング・ゲートに対する追加のために前記フローティング・ゲートに結合された１つ以上の電気的入力信号とを備えて、複数のトランジスタのためのスイッチング閾値を設定する。電気的入力信号は、スイッチング閾値を設定するために前記フローティング・ゲートに結合され、かつスイッチング閾値を設定しない時、離脱するように配列され得る。

本発明の第３の態様によれば、サンプルのイオン濃度を検知するための装置が提供され、当該装置は、フローティング・ゲートに結合された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、サンプルに露出され、前記フローティング・ゲートに結合されたイオン感応性層と、および前記フローティング・ゲートに結合された電気的入力信号とを備え、ここで、前記電気的入力信号は前記複数の電界効果トランジスタを切り替えるように大きさを変化するように配列される。

本発明の第４の態様によれば、複数の化学反応を検知し、その入力として前記複数の化学反応のおのおのの結果を有する論理関数を評価するための回路が提供され、前記回路は、前記複数の化学反応のおのおののための少なくとも１つの反応チャンバを備え、前記化学反応は当該反応チャンバ内のイオン濃度を変化させる。各反応チャンバには前記第１の態様による装置が設けられ、各装置はデジタル出力信号を提供し、その状態は当該チャンバのイオン濃度に依存し、ここで出力は、論理関数の評価のためデジタル信号処理回路を形成するために互いに結合される。

本発明の第５の態様によれば、サンプル中の標的イオンの濃度を表す出力を提供するための方法が提供される。前記方法は、共通フローティング・ゲートに結合された複数の電界効果トランジスタと、サンプルに露出され、前記フローティング・ゲートに結合されたイオン感応性層とを備えたＣＭＯＳスイッチを提供する工程と、前記ＣＭＯＳスイッチの状態をオンまたはオフに切り替えるために、前記サンプルに前記感応性層を露出する工程と、前記ＣＭＯＳスイッチから信号を出力する工程とを含む。共通フローティング・ゲートを用いて、前記装置は、イオンの変化に高い感度で、そしてトラップ電荷のような他の成分に対して低い感度で、切り替えることができる。

本発明者らは、公知のインバータ回路を修正して、大きさに従った感度を増加させた。高感度のｐＨ駆動インバータは、他のやり方では実現不可能である小さいｐＨの変化を検知させ得る。これは、測定の感度を高め、サンプルの体積と濃度の制約を緩和する。

この回路は、反応チャンバの反応の監視と、ｐＨ−閾値動作を実行するために使用され得る。そのデジタル出力は、異なる反応チャンバから来る入力を用いた備えた標準デジタル回路を構築するために使用され得る。これは、チップの応用についての完全なデジタルＩＳＦＥＴに基づくラブ・オン・チップ（ｌａｂ ｏｎ ｃｈｉｐ）を促進する。

本発明の特定の実施形態は、添付図面を参照しつつ、あくまでも例示のために記載される。
図１は、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴとの類似性の断面図である。 図２の（Ａ）は標準ＣＭＯＳプロセスで構築されたＩＳＦＥＴの断面説明図であり、（Ｂ）はその回路説明図である。 図３はＩＳＦＥＴのモデルである。 図４は先行技術のＩＳＦＥＴインバータである。 図５は、多数の入力部を備える一般化されたイオン感応性装置を例証する図である。 図６の（Ａ）はＦＧＭＯＳの概略説明図であり、（Ｂ）はＩＳＦＥＴインバータの概略説明図であり、（Ｃ）はＩＳＦＥＴインバータの等価回路である。 図７は増幅された化学的インバータの回路説明図である。 図８はＩＳＦＥＴインバータ用のスイッチング点を示すグラフである。 図９は、第２の入力部を備えたＩＳＦＥＴインバータを示す。 図１０は、感度が高められたＩＳＦＥＴに基づく化学的インバータのモデルである。 図１１は、一定の第２の入力部Ｖ_ｉｎ２を備えた図１０の回路の掃引電圧Ｖ_ｒｅｆ出力を示すグラフである。 図１２のａ）は、ＡＮＤゲートの回路図であり、ｂ）はＯＲゲートの回路図である。

下記の説明において、ＩＳＦＥＴは化学信号に容量的に結合されたＦＥＴとして見られ得る。トランジスタ部品は通常のＦＧＭＯＳとして扱われ得る。システムは、参照電極、電解質、感応性膜および金属を備え、これらは、下方で、ひとまとめにして、イオン感応性キャパシタンス（ＩＳＣＡＰ）と呼ばれ得る１つの実体を形成している。

この観点から、従来のＩＳＦＥＴは、基本的に１つのＦＧＭＯＳに対する入力部としての一つのＩＳＣＡＰである。しかし、一般に、１つ以上のＩＳＣＡＰは、ｎ個のＦＧＭＯＳトランジスタのフローティング・ゲートのネットワークに対する入力部であり得る。図５のＶ_ｉｎ１およびＶ_ｉｎ２によって示されるように、多くの他の容量的に結合された入力部が可能である。

フローティング・ゲート電圧は、それに容量的に結合される電圧の重みが加えられた和として表現され得る。すなわち、

Ｃ_ｇ１とＣ_ｇ２は、図で２つのトランジスタのゲート酸化物キャパシタンスである。反転で、かつチャネルが形成され場合、それらはトランジスタのキャパシタンスのよい近似であり得る。簡略化のために、それらは一定であると仮定され、ゲートの寸法は十分に大きいので、寄生キャパシタンスに取って代わる。

フローティング・ゲートには容量的に多くの入力を結合することができ、そのポテンシャルは、入力ゲートの電圧（１３）の重みが加えられた和によって定義される。それゆえ、図５のＩＳＦＥＴは、唯一の入力部を有するＦＧ−ＭＯＳであり、パッシベーション・イオン感応性層によって容量的に結合されたＶ_ｒｅｆとＶ_ｃｈｅｍの重畳である。そのフローティング・ゲート電圧（Ｖｆｇ）は次によって与えられる。

ここで、Ｃ_ｐａｓｓはパッシベーション・キャパシタンスであり、Ｃ_ｔｏｔはフローティング・ゲート（１５）によって見られた全キャパシタンスである。そしてＶ_ＧＤ、Ｖ_ＧＳ、Ｖ_ＧＢ、Ｃ_ＧＤ、Ｃ_ＧＳ、Ｃ_ＧＢは、トランジスタのゲート−ドレインの、ゲート−ソースの、およびゲート・バルクの、連続的な電圧とキャパシタンスである。係数Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_ｔｏｔは、Ｖ_ｃｈｅｍの効果を縮小し、その結果ｐＨ感度を縮小する。しかしながら、（Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_ｔｏｔ）比を最大化することは、電気的ゲートよりはるかに大きな化学的ゲートを設計して最大化することで、単一性に近似させることができる。これは標準ＣＭＯＳプロセスで構築されたＩＳＦＥＴの公知の準Ｎｅｒｎｓｔｉａｎ感度の１つの理由である。

標準ＦＧインバータは、図６−Ａに概略的に示された標準等級ＡＢの反転増幅器におけるフローティング・ゲートＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタから構成される。このインバータの単一の入力は、２つのフローティング・ゲートに容量的に結合される。

本発明の実施形態において、複数のＩＳＦＥＴが、同じイオン感応性膜と、フローティング・ゲートを共有している。インバータを提供する好ましい実施形態において、図６−Ｂで示されるように、２つのＩＳＦＥＴ、１つのＮＭＯＳおよび１つのＰＭＯＳが配列される。図６−Ｃは、そのようなインバータのための等価回路の概略図である。この回路は、反応チャンバのための反応の監視と、ｐＨの閾値の動作を実行するために使用され得る。それは、反応チャンバのアレイに露出されたＩＳＦＥＴのアレイからの信号を処理するために使用され得る。各チャンバは、大域的又は局所的のいずれかのＶ_ｒｅｆを備えたＩＳＦＥＴペア・インバータの上に置かれる。当該アレイのピクセルは、それぞれ、アナログ−デジタル変換の必要なしに、同じＩＣでラッチ処理されるか、或いはデジタル処理され得るデジタル出力部を与える。これは、完全にデジタルＩＳＦＥＴに基づいたラブ・オン・チップの構成を促進する。

ｐＨ感度を向上させるために、増幅器は、Ｖ_ｃｈｅｍを増幅し得る。当該Ｖ_ｃｈｅｍは、有効に試験中の電解質に浸された、フローティング・ゲートと参照電極の間の有効な差である。図７における回路は実現可能である。電圧［Ｖ_３＝２Ａ_１Ａ_２Ｖ_ｃｈｅｍ］は、ＩＳＣＡＰに亘る電圧の増幅されたものであり、電解質のｐＨを反映する。その出力はＳｃｈｍｉｔｔ・Ｔｒｉｇｇｅｒ回路に供給される。その出力（Ｖ_ｏｕｔ）は、溶液のｐＨが閾値より大きな変更を受ける場合、状態を切り替えるデジタル信号である。

結果：
図６−ＢのＩＳＦＥＴで、入力は単一のトランジスタ増幅器のフローティング・ゲートに供給される。動作の領域に依存して、それは、式（１）のＩ_ｄ−Ｖ_ｇｓの関係の１つに従う。通常は、Ｉ_ｄまたはＶ_ｄｓのいずれかが一定にされ、他方は出力を表す。

図６Ｃのインバータについて、スイッチング閾値電圧を見つけるために、その回路は２つの部分（Ｖ_ｆｇを見つけるために使用される入力部分と、標準インバータ）に分割される。Ｖ_ｆｇは第２の部分（標準インバータ）への入力部である。電荷保存によって、Ｖ_ｆｇは次によって与えられる。

ここで、（ＶＣ_ｘＭｏｓ＝Ｖ_ＧＤＸＣ_ＧＤｘ＋Ｖ_ＧＳＸＣ_ＧＳＸ＋Ｖ_ＧＢＸＣ_ＧＢＸ）及び（ｘ）はｎ−ＭＯＳの（ｎ）であり、およびｐ−ＭＯＳの（ｐ）である。

標準インバータについては、入力フローティング・ゲート電圧（Ｖ_ｆｇ）が出力（Ｖ_０）に等しい場合、スイッチング閾値電圧（Ｖ_ｓｔｈ）は点である。したがって、両方のトランジスタは、Ｖ_ｇｓ＝Ｖ_ｄｓのとおりに、飽和している。両方のトランジスタを通る電流を均等化し、それは、この点を解決することにより見出される。それは、（１８）−ｐ．１８６においてつぎのとおりに見出された。

ここで、Ｖ_ｔｎとＶ_ｔｐは閾値電圧であり、一方、Ｋ_ｎとＫ_ｐは、それぞれ、ＮＭＯＳとＰＭＯＳの｛移動度（μ）×ゲート酸化物キャパシタンス（Ｃ_ＯＸ）｝である。これは、両方のトランジスタが速度飽和に達しないような、強い反転および低いＶ_ｄｄのためである。したがって、Ｖ_ｆｇ＝Ｖ_ｓｔｈの時、スイッチングが起こり、つぎの式を与える（１８）。

スイッチングはＶ_ｃｈｅｍとＶ_ｒｅｆの和が引き金となって起きる。式（５）にみられるように、第１項はｐＨに依存する。それは、Ｖ_{Ｑｐａｓｓ}を含んでおり、スイッチング点のシフトとして現われる。Ｖ_ｒｅｆはユーザーによって決定され、かつ結合キャパシタンスの差に留意すれば、ＦＧインバータのＶ_ｉｎに類似している。Ｖ_ｒｅｆが入力されると、Ｖ_ｃｈｅｍは、スイッチング閾値電圧をシフトする効果を有する。同じ方法で、Ｖ_ｃｈｅｍが入力されると、Ｖ_ｒｅｆはスイッチング点をシフトするであろう。

［結果］
装置の例証的な実施形態は、方法の例証的な実施形態におけるその使用の結果を含めて、以下に詳述する。

トランジスタは、０．３５μｍの長さを有するが、それらの幅はそれぞれｎとｐの装置用で、４μｍと１２μｍであった。図において、Ｖ_ｒｅｆはＩＳＦＥＴのために掃引され、スイッチング点は、４．０、７．０および１０．０のｐＨ値に対して見出された。スイッチング点は、それぞれ、１．４９Ｖ、１．６３Ｖおよび１．７６Ｖであった。これは、４４．５２ｍＶ／ｐＨの感度を与える。２．２ＶのＶ_ｄｄが使用された。

出力は、ボンドパッドとテストＰＣＢによって導入された負荷を駆動するために充分な電流を提供するために大きさが増大されて２つのＭＯＳインバータによってバッファ処理された。化学的感応性領域は３５ｘ２００μｍ^２であった。単一接合Ａｇ／ＡｇＣｌガラス参照電極はＶ_ｒｅｆを印加するためにテスト下で電解質に浸された。その安定した接合電圧ゆえに、それが選ばれました。３つの異なるｐＨ緩衝液（４．０、７．０および１０．０）がテストされた。

参照電圧は異なるｐＨ値に対してスイッチングを引き起こした値を見つけるために各実例に対して掃引された。スイッチング電圧のシフトとして測定された感度は２８．３３ｍＶ／ｐＨであることが見出された。

図９に示されるように、本発明の第３の態様に係る実施形態は、ＩＳＦＥＴのフローティング・ゲートに第２の入力部を提供する。この配置はインバータに２つの入力部を提供する。すなわち、パッシベーション・キャパシタンスを介して結合されたイオン感応性の入力部と、キャパシタンス（Ｃ_２）を介して結合された第２の入力部（Ｖ_ｉｎ２）である。合成のフローティング・ゲート電圧はこれらの２つの入力の重みが加えられた和である。パッシベーション・キャパシタンス（Ｃ_ｐａｓｓ）と比較して、第２の入力部のキャパシタンス（Ｃ_２）を非常に小さくすることによって、化学信号を制御ゲートとして使用しつつ、電気的なインバータ入力としてこの入力（Ｖ_ｉｎ２）を使用することができる。したがって、＊Ｖ_ｉｎ２を指されたスイッチング点は、ｐＨの変更に非常に敏感になる。実際、それはＶ_ｒｅｆに言及されたｐＨ感度のスケール処理された値である。スケール係数は比率Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_２である。この比率の選択は、適用に依存して、好ましくは１０を超え、より好ましくは、５０を超え、１００を超え、５００を超えるか、或いは１０００を超えることが好ましい。

図に示されるように、本発明の第３の態様に係る実施形態は、ＩＳＦＥＴのフローティング・ゲートに第２の入力部を提供する。この配置はインバータに２つの入力部を提供する。すなわち、パッシベーション・キャパシタンスを介して結合されたイオン感応性の入力部と、キャパシタンス（Ｃ_２）を介して結合された第２の入力部（Ｖ_ｉｎ２）である。合成のフローティング・ゲート電圧はこれらの２つの入力の重みが加えられた和である。パッシベーション・キャパシタンス（Ｃ_ｐａｓｓ）と比較して、第２の入力部のキャパシタンス（Ｃ_２）を非常に小さくすることによって、化学信号を制御ゲートとして使用しつつ、電気的なインバータ入力としてこの入力（Ｖ_ｉｎ２）を使用することができる。したがって、＊Ｖ_ｉｎ２を指されたスイッチング点は、ｐＨの変更に非常に敏感になる。実際、それはＶ_ｒｅｆに言及されたｐＨ感度のスケール処理された値である。スケール係数は比率Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_２である。この比率の選択は、適用に依存して、好ましくは１０を超え、より好ましくは、５０を超え、１００を超え、５００を超えるか、或いは１０００を超えることが好ましい。

多くのノードがフローティング・ゲートに容量的に結合されるので、そのポテンシャルは入力の重みが加えられた和によって定義される。フローティング・ゲート電圧（Ｖ_ｆｇ）は次式から与えられる。

ここで、ＶＣ_ｎＭｏｓはｎＭＯＳのフローティング・ゲート電圧への寄与である。それは、ゲート・ドレイン・キャパシタンス（Ｃ_ＧＤｎ）を乗じたドレイン電圧（Ｖ_Ｄｎ）、そのゲート・ソース・キャパシタンス（Ｃ_Ｇｓｎ）を乗じたその電源電圧（Ｖ_Ｓｎ）、およびゲート・ボディ・キャパシタンス（Ｃ_ＧＢｎ）を乗じたボディ電圧（Ｖ_Ｂｎ）である。すべての電圧は、接地を指す。添え字（ｎ）はｎＭＯＳを表わす。ＶＣ_ｐＭｏｓはｐＭＯＳのフローティング・ゲート電圧への寄与である。それは同様の方法で計算される。Ｃ_ｐａｓｓはパッシベーション・キャパシタンスであり、Ｖ_ｃｈｅｍは、式（１１）から与えられる、ｐＨ依存性の化学的電圧である。Ｖ_ｒｅｆは参照電極電圧である。また、Ｃ_ｔｏｔはフローティング・ゲートに見られた全キャパシタンスである。それは、ここでは別に扱われない他のすべての寄生キャパシタンスを含む。

フローティング・ゲートが電荷を有しておらず、それゆえに零の初期電圧を有していると仮定することは慣習的である。しかしながら、これは、フローティング・ゲートの初期の電圧のシフトとして、それら自身を明示する現実の実例ではない可能性がある。

式（１１）から、係数Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_ｔｏｔは、Ｖ_ｃｈｅｍの効果を縮小し、それゆえｐＨ感度の効果を縮小する。しかしながら、それは（Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_ｔｏｔ）の比率を最大化することにより単一性に近くし得る。それは回路中のすべてのキャパシタンスの和よりもはるかに大きくパッシベーション・キャパシタンスを設計することによる。これは、標準ＣＭＯＳプロセスで構築されたＩＳＦＥＴの準Ｎｅｒｎｓｔｉａｎ感度の１つの理由である。式（１１）の第２項はＣ_２／Ｃ_ｐａｓｓで縮小された第２の入力部である。この比率の逆数はＶ_ｉｎ２を指されたｐＨ感度の増幅である。したがって、その選択は、適用要件と、同時に化学的感度に対してより多くの余地を能にするためにＣ_２を最小化することを考慮するべきである。

両方のトランジスタが同じ電流を有するとき、弱い反転で動作するインバータは、そのスイッチング閾値電圧（Ｖ_ｓｔｈ）を有する。

Ｖ_ｔｎとＶ_ｔｐは閾値電圧である一方で、Ｉ_ｓｎとＩ_ｓｐは、それぞれＮＭＯＳトランジスタとＰＭＯＳトランジスタのソース電流である。Ｖ_ｄｄは電源電圧である。

式（３）のスイッチング閾値電圧はＭＯＳパラメータのみに依存する。Ｖ_ｆｇがＶ_ｓｔより高くなったり、低くなったり交互に変化すると、スイッチングが生じる。

フローティング・ゲート電圧が式（１）におけるような結合された電圧の関数であるので、これらの入力はそのスイッチング点に影響を及ぼす。したがって、そのｐＨ感度を定義することは、単一のＩＳＦＥＴの場合ほど簡単ではない。ｐＨが誘発したＶ_ｆｇにシフトすると定義され得る。しかし、それに直接アクセスすることができないので、測定することは難しい。しかし、入力部のうちの１つ、すなわちＶ_ｒｅｆまたはＶ_ｉｎ２のいずれかにそれを帰することは可能である。したがって、それらいずれかを掃引する一方で他の一つを一定に保つことによって見られるように、ｐＨ感度はｐＨの変化によるスイッチング電圧の際のシフトとして明示される。

Ｖ_ｉｎ２を一定にしている間に、ｐＨをＶ_ｒｅｆに帰するようにするためのこのインバータのフローティング・ゲートの感度は、次式によって見出される。

したがって、Ｖ_ｆｇに対するＶ_ｒｅｆの効果が（Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_ｔｏｔ）の比率によって縮小されるという事実にもかかわらず、Ｖｒｅｆに帰するｐＨの感度は、Ｖｃｈｅｍが同じ比率だけ縮小したときには縮小しない。縮小が相殺される。

しかしながら、Ｖ_ｉｎ２が、Ｖ_ｆｇをシフトするために使用される一方で、Ｖ_ｒｅｆが固定されると、

したがって、Ｖ_ｉｎ２が入力として使用され、Ｖ_ｒｅｆが定数で、かつ化学的ゲートがスイッチング点をシフトするコントロールゲートの役割を果たす場合、Ｖ_ｉｎ２に関しての回路のｐＨの感度はＣ_ｐａｓｓ／Ｃ_２に拡大される。

設計によって、Ｃ_ｐａｓｓ＝ＡＣ_２とすることは可能である。その後、ｐＨ感度は任意のタイプの増幅器を必要とすることなく、比率Ａだけ拡大される。したがって、インバータの電気的入力としてＶ_ｉｎ２を使用することによって、結合の重みはｐＨ感度を向上させるために使用される。

当業者は、Ｖ_ｉｎ２がその全範囲にわたって掃引されたとき、観察し得るｐＨ値に相当するように、その適用に応じて増幅率を選択するであろう。例えば、予期されたｐＨの変化が２つのｐＨの単位にまたがり（例えば、ｐＨ６〜ｐＨ８の変化）、かつＶ_ｉｎ２が０〜１Ｖまでに及び、Ｖ_ｒｅｆに帰する予期されたｐＨ感度が３０ｍＶ／ｐＨであるとき、Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_２の値Ａ＝１Ｖ／３０ｍＶ／２≒１６である。Ｖ_ｒｅｆは、所望の初期論理で回路の出力を設定し、かつスイッチングの直前に、インバータをしぼませるように選択されるべきである。これは、ｐＨの変化がＶ_ｉｎ２によって容易に検知可能であることを可能にする。

例えば、例示的な実施形態において、Ｎ−ＭＯＳデバイスの閾値電圧は０．５９Ｖである。また、ＰＭＯＳデバイスの閾値電圧は−０．７２Ｖである。故に、０．５ＶのＶ_ｄｄの使用は、トランジスタがその閾値電圧未満に見る最大電圧をしのぐことにより、準スレッショルド動作を保証する。その後、Ｖ_ｒｅｆはスイッチング（Ｖ_{ｒｅｆ，ｓｔｈ}）を引き起こす値を見つけるために掃引され得る。電解質のｐＨは、ｐＨ４．０からｐＨ７．０、そしてｐＨ１０．０まで階段状に変化する。Ｖ_ｉｎ２は、零ボルトに設定された。

出力が図示される。故に、シミュレートされた感度は、

（ΔＶｒｅｆｓｔｈ／ΔｐＨ）＝（３３．９ｍＶ／ｐＨ）である。

Ｃ_ｐａｓｓ＝４２０ｆＦと、Ｃ_２＝３ｆＦとが、（Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_２）＝１４０のスケーリング係数を与える。したがって、Ｖｉｎ２に対するｐＨ感度は、

｛（Ｃ_ｐａｓｓ／Ｃ_２）×０．０３３９｝＝４．７（Ｖ／ｐＨ）である。

Ｖ_ｒｅｆは、スイッチングの直前で一定に保たれている一方で、Ｖ_ｉｎ２はｐＨのためのスイッチング点（Ｖ_{ｉｎ２，ｓｔｈ}）を見つけるために掃引される。

０．１ｐＨの変化を検知するために、インバータの配列を使用することができる。その一方で、任意に大きいスケーリング係数によってフローティング・ゲートに結合された付加的なＶ_ｉｎ２信号は、さらにより小さい変化（例えば０．００１）を検知することができる。

高い感度は、ＩＳＦＥＴの物理的な感度の改善によっては達成できない。その代わりに、ｐＨ感度は、修正されていないＣＭＯＳプロセスによって構築されたＩＳＦＥＴのフローティング・ゲートの本質を利用することで、非常に高くされ得る。増幅器を使用して、同様の結果が到達可能である一方で、これは面積、出力およびノイズの追加の費用をきたす。本発明の利点はこれらの関連する問題のない高いゲインである。

この回路は、ピクセルを形成する、ｐＨスイッチのアレイのための基本的なビルディングブロックとしての役割を果たし得る。それらは、化学的或いは生物学的入力からデジタル出力を提供することができる。参照電極へのフィードバックで、必要とされるｐＨの関心領域を反映するスイッチング閾値電圧を変更することは可能である。

好ましくは、感応性層は、標的イオンの濃度を有するチャンバに露出される。イオン濃度は、ＩＳＦＥＴスイッチの出力信号が一定になるように一定であり得る。ＩＳＦＥＴスイッチの出力信号がイオン濃度の変化を検知するように、イオン濃度は経時的に、或いは化学反応の結果として変化し得る。

好ましくは、化学反応は、陽子が放出されるような核酸上へのヌクレオチドの取り込みである。核酸は未知であり得、そしてヌクレオチド試薬は既知であり、その結果、回路の出力は、未知の核酸に相補的な（或いは、相補的でない）核酸試薬によって観察されるｐＨの変化（その欠如）を示す。

幾つかの実施形態では、複数のチャンバが存在し、そのおのおのが、標的イオンの濃度を検知するか、或いは標的イオンの濃度の変化を検知するために、本発明の装置に露出される。当該装置の出力はＡＮＤ、ＮＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、ＸＮＯＲなどの論理演算、またそれらの組み合わせを行なうために接続することができる。当業者は、これがどのように実行されるかを認識するであろう。例証的な回路が図１２に示される。

本発明は上述された通りの好ましい実施形態の用語で記述したが、これらの実施形態があくまでも例証であり、特許請求の範囲がこれらの実施形態に限定されないことは理解されるべきである。当業者は、添付された特許請求の範囲以内にあると意図される開示に照らして修正及び代替を作ることができるであろう。本明細書に開示或いは例証されたおのおのの特徴は、単独であれ、本明細書に開示又は例証された任意の組み合わせであれ、本発明に組み込まれ得る。
＜参考文献＞

Claims (23)

1. サンプルのイオン濃度の変化を検知するための半導体装置であって、
   共通のフローティング・ゲートに結合された複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、
   前記サンプルに露出し、かつ前記フローティング・ゲートに結合された、イオン感応性層と、
   前記サンプルに露出された参照電極をさらに含み、
   前記参照電極に結合された入力電圧は複数のＦＥＴのスイッチング閾値を設定するために配列され、
   使用の際に、トランジスタを通過する電流が、スイッチング閾値と比較して、前記イオン感応性層近傍の前記サンプルのイオン濃度の大きさに依存してオンまたはオフに切り替えられてなる半導体装置。
2. 前記複数のＦＥＴが、コンパレーターの形態で配列されたＰ型ＦＥＴおよびＮ型ＦＥＴを含む請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記複数のＦＥＴが、インバータの形態で配列されたＰ型ＦＥＴおよびＮ型ＦＥＴを含む請求項１又は２に記載の半導体装置。
4. 前記複数のＦＥＴが、前記サンプルのイオン濃度に従って、論理１又は論理０の出力信号を有するインバータの形態で配列されたＰ型ＦＥＴおよびＮ型ＦＥＴを含む請求項１又は２に記載された半導体装置。
5. 前記ＦＥＴが弱い反転でバイアスをかけられる請求項１乃至４のいずれかに記載の半導装置。
6. 前記ＦＥＴが飽和とカットオフの間で切り替わるようにバイアスがかけられる請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置。
7. 前記複数の電界効果トランジスタのためのスイッチング閾値を設定するために、電荷を除去するか、或いは前記フローティング・ゲートに電荷を追加するための前記フローティング・ゲートに結合された１以上の第１の電気的入力信号を含んでなる請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体装置。
8. １以上の第１の電気的入力信号が、スイッチング閾値を設定するためにフローティング・ゲートに結合され、かつスイッチング閾値を設定しないときに、離脱されるように配列されてなる請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記１以上の第１の電気的入力信号は、正電圧に接続された１つの信号、および負電圧に接続された１つの信号を含んでなる請求項７又は８に記載の半導体装置。
10. 前記フローティング・ゲートに結合された第２の電気的入力信号をさらに含み、前記第２の電気的入力信号は複数の電界効果トランジスタを切り替えるように大きさを変化させるために配列されてなる請求項１乃至９のいずれかに記載の半導体装置。
11. 前記イオン感応性層が第１のキャパシタンスによってフローティング・ゲートに結合され、かつ前記第２の電気的入力信号が第２のキャパシタンスによってフローティング・ゲートに結合されてなる請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記第２のキャパシタンスに対する前記第１のキャパシタンスの比率が１を超える請求項１１に記載の半導体装置。
13. 複数の化学反応を検知し、その入力として前記複数の化学反応のおのおのの結果を有する論理関数を評価するための回路であって、
    前記回路は、
    前記複数の化学反応のおのおののために、少なくとも１つの反応チャンバーを含み、
    前記化学反応は反応チャンバーのイオン濃度を変更し、
    ここで、おのおのの反応チャンバーに、請求項１乃至１２のいずれかに従う装置が設けられ、おのおのの装置は、デジタル出力信号を提供し、当該デジタル出力信号の状態は、そのチャンバー中のサンプルのイオン濃度に依存し、かつ論理関数の評価のため、デジタル信号処理回路を形成するために、当該デジタル出力信号の出力は互いに結合されてなる回路。
14. 請求項１乃至１２のいずれかに従う複数の装置を含む回路。
15. ＡＮＤ、ＮＡＮＤ、ＯＲ、ＮＯＲ、ＸＯＲ、ＸＮＯＲ、およびそれらの組み合わせの１つから選択された論理関数を実行するために、前記複数の装置が互いに接続されてなる請求項１４に記載の回路。
16. サンプル中の標的イオン濃度を表す出力を提供する方法であって、
    前記方法は、
    共通のフローティング・ゲートに結合された複数の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、前記フローティング・ゲートに露出され、かつ前記フローティング・ゲートに結合された感応性層とを備えるＣＭＯＳスイッチを設ける工程と、
    前記ＣＭＯＳスイッチの状態をオンまたはオフに切り替えるために、前記サンプルにイオン感応性層を露出する工程と、および
    前記ＣＭＯＳスイッチから信号を出力する工程
    を含んでなる方法。
17. 前記フローティング・ゲートに電荷を設定するために、前記フローティング・ゲートに結合された第１の電気的入力信号電圧を設定する工程をさらに含み、前記電荷は零ボルトである請求項１６に記載の方法。
18. 前記ＣＭＯＳスイッチのスイッチング閾値を設定し、前記複数のＦＥＴにバイアスをかけるために、前記サンプルに参照電極を露出する工程をさらに含む請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 予め定められたイオン濃度に対応するＣＭＯＳスイッチのスイッチング閾値を設定するために参照電極に接続された参照電圧を設定する工程をさらに含む請求項１６乃至１７のいずれかに記載の方法。
20. 現在のイオン濃度を測定するために前記参照電圧を変化させ、しかる後に、前記イオン濃度が予め定めされた量を越えて変化する場合に、前記ＣＭＯＳスイッチが状態を切り替えるように、前記参照電圧を設定する工程をさらに含む請求項１８又は１９に記載の方法。
21. 前記ＣＭＯＳスイッチの状態を切り替えるために、フローティング・ゲートに結合された第２の電気的入力の電圧を変化させる工程さらに含む請求項１６乃至２０のいずれかに記載の方法。
22. 出力信号は、デジタル信号である請求項１６乃至２１のいずれかに記載の方法。
23. 化学反応を開始する工程をさらに含み、そのプロダクトが標的イオンを含む請求項１６乃至２２のいずれかに記載の方法。