(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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：
【０００４】
【数１】
0005890423.tif 000002
【０００５】
【数２】
0005890423.tif 000003
【０００６】
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（Ｖｇｓ）または閾値電圧（Ｖｔ）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ｌｄ−Ｖｇｓ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、Ｖｔ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Ｖｔ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。
【０００７】
【数３】
0005890423.tif 000004
【０００８】
ここで、φＭは金属仕事関数で、φＳｉはケイ素仕事関数で、ｑは電子の電荷で、Ｑｏｘは酸化物絶縁体に蓄積された電荷で、Ｑｓｓ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、ＱＢはシリコンバルクにおける消耗電荷で、ＣＯＸはゲート酸化物のキャパシタンスで、φｆ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、φＭ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χｓｏｌ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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
したがって、Ｖｔ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。
【００１３】
ＶＦＧ＝Ｖｒｅｆ−Ψ＋χｓｏｌ  ＋ＶＱｐａｓｓ  （４）
【００１４】
ここで、ＶＱｐａｓｓ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Ｖｃｈｅｍ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。
【００１５】
Ｖｃｈｅｍ＝γ＋ＶＱｐａｓｓ＋２．３αＵＴｐＨ    （５）
【００１６】
ここで、γは、ＶＱｐａｓｓ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。ＵＴ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、Ｖｔ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、Ｖｔ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、Ｖｔの代わりにＶｇｓ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。
【００１７】
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。
【００１８】
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Ｖｃｈｅｍである。
【００１９】
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Ｖｔ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。
【発明の概要】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
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】図１は、ＩＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴとの類似性の断面図である。
【図２】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】図３はＩＳＦＥＴのモデルである。
【図４】図４は先行技術のＩＳＦＥＴインバータである。
【図５】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】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】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】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】図９は、第２の入力部を備えたＩＳＦＥＴインバータを示す。
【図１０】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】図１１は、一定の第２の入力部Ｖｉｎ２を備えた図１０の回路の掃引電圧Ｖｒｅｆ出力を示すグラフである。
【図１２】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。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
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Ｖｉｎ１およびＶｉｎ２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。
【００３１】
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、
【００３２】
【数４】
0005890423.tif 000005
【００３３】
Ｃｇ１とＣｇ２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。
【００３４】
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ＶｒｅｆとＶｃｈｅｍ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。
【００３５】
【数５】
0005890423.tif 000006
【００３６】
ここで、Ｃｐａｓｓはパッシベーション・キャパシタンスであり、Ｃｔｏｔ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ＶＧＤ、ＶＧＳ、ＶＧＢ、ＣＧＤ、ＣＧＳ、ＣＧＢ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Ｃｐａｓｓ／Ｃｔｏｔは、Ｖｃｈｅｍ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、（Ｃｐａｓｓ／Ｃｔｏｔ）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。
【００３７】
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。
【００３８】
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Ｖｒｅｆ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。
【００３９】
ｐＨ感度を向上させるために、増幅器は、Ｖｃｈｅｍを増幅し得る。当該Ｖｃｈｅｍ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［Ｖ３＝２Ａ１Ａ２Ｖｃｈｅｍ］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（Ｖｏｕｔ）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。
【００４０】
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Ｉｄ−Ｖｇｓの関係の１つに従う。通常は、ＩｄまたはＶｄｓのいずれかが一定にされ、他方は出力を表す。
【００４１】
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（Ｖｆｇ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。Ｖｆｇ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、Ｖｆｇは次によって与えられる。
【００４２】
【数６】
0005890423.tif 000007
【００４３】
ここで、（ＶＣｘＭｏｓ＝ＶＧＤＸＣＧＤｘ＋ＶＧＳＸＣＧＳＸ＋ＶＧＢＸＣＧＢＸ）及び（ｘ）はｎ−ＭＯＳの（ｎ）であり、およびｐ−ＭＯＳの（ｐ）である。
【００４４】
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（Ｖｆｇ）が出力（Ｖ０）に等しい場合、スイッチング閾値電圧（Ｖｓｔｈ）は点である。したがって、両方のトランジスタは、Ｖｇｓ＝Ｖｄｓ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。
【００４５】
【数７】
0005890423.tif 000008
【００４６】
ここで、ＶｔｎとＶｔｐは閾値電圧であり、一方、ＫｎとＫｐ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（ＣＯＸ）｝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Ｖｄｄのためである。したがって、Ｖｆｇ＝Ｖｓｔｈの時、スイッチングが起こり、つぎの式を与える（１８）。
【００４７】
【数８】
0005890423.tif 000009
【００４８】
スイッチングはＶｃｈｅｍとＶｒｅｆ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、ＶＱｐａｓｓを含んでおり、スイッチング点のシフトとして現われる。Ｖｒｅｆ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Ｖｉｎに類似している。Ｖｒｅｆが入力されると、Ｖｃｈｅｍ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、Ｖｃｈｅｍが入力されると、Ｖｒｅｆはスイッチング点をシフトするであろう。
【００４９】
［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。
【００５０】
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、Ｖｒｅｆ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Ｖｄｄが使用された。
【００５１】
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３５ｘ２００μｍ２であった。単一接合Ａｇ／ＡｇＣｌガラス参照電極はＶｒｅｆ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。
【００５２】
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。
【００５３】
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（Ｃ２）を介して結合された第２の入力部（Ｖｉｎ２）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（Ｃｐａｓｓ）と比較して、第２の入力部のキャパシタンス（Ｃ２）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（Ｖｉｎ２）を使用することができる。したがって、＊Ｖｉｎ２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Ｖｒｅｆ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Ｃｐａｓｓ／Ｃ２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。
【００５４】
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（Ｃ２）を介して結合された第２の入力部（Ｖｉｎ２）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（Ｃｐａｓｓ）と比較して、第２の入力部のキャパシタンス（Ｃ２）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（Ｖｉｎ２）を使用することができる。したがって、＊Ｖｉｎ２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Ｖｒｅｆ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Ｃｐａｓｓ／Ｃ２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。
【００５５】
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（Ｖｆｇ）は次式から与えられる。
【００５６】
【数９】
0005890423.tif 000010
【００５７】
ここで、ＶＣｎＭｏｓ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（ＣＧＤｎ）を乗じたドレイン電圧（ＶＤｎ）、そのゲート・ソース・キャパシタンス（ＣＧｓｎ）を乗じたその電源電圧（ＶＳｎ）、およびゲート・ボディ・キャパシタンス（ＣＧＢｎ）を乗じたボディ電圧（ＶＢｎ）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。ＶＣｐＭｏｓ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。Ｃｐａｓｓはパッシベーション・キャパシタンスであり、Ｖｃｈｅｍは、式（１１）から与えられる、ｐＨ依存性の化学的電圧である。Ｖｒｅｆは参照電極電圧である。また、Ｃｔｏｔ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。
【００５８】
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。
【００５９】
式（１１）から、係数Ｃｐａｓｓ／Ｃｔｏｔは、Ｖｃｈｅｍ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（Ｃｐａｓｓ／Ｃｔｏｔ）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Ｃ２／Ｃｐａｓｓで縮小された第２の入力部である。この比率の逆数はＶｉｎ２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Ｃ２を最小化することを考慮するべきである。
【００６０】
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（Ｖｓｔｈ）を有する。
【００６１】
【数１０】
0005890423.tif 000011
【００６２】
ＶｔｎとＶｔｐは閾値電圧である一方で、ＩｓｎとＩｓｐ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。Ｖｄｄは電源電圧である。
【００６３】
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。ＶｆｇがＶｓｔ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。
【００６４】
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Ｖｆｇ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ＶｒｅｆまたはＶｉｎ２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。
【００６５】
Ｖｉｎ２を一定にしている間に、ｐＨをＶｒｅｆ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。
【００６６】
【数１１】
0005890423.tif 000012
【００６７】
【数１２】
0005890423.tif 000013
【００６８】
したがって、Ｖｆｇに対するＶｒｅｆの効果が（Ｃｐａｓｓ／Ｃｔｏｔ）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。
【００６９】
しかしながら、Ｖｉｎ２が、Ｖｆｇをシフトするために使用される一方で、Ｖｒｅｆが固定されると、
【００７０】
【数１３】
0005890423.tif 000014
【００７１】
したがって、Ｖｉｎ２が入力として使用され、Ｖｒｅｆ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、Ｖｉｎ２に関しての回路のｐＨの感度はＣｐａｓｓ／Ｃ２に拡大される。
【００７２】
設計によって、Ｃｐａｓｓ＝ＡＣ２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Ｖｉｎ２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。
【００７３】
当業者は、Ｖｉｎ２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Ｖｉｎ２が０〜１Ｖまでに及び、Ｖｒｅｆに帰する予期されたｐＨ感度が３０ｍＶ／ｐＨであるとき、Ｃｐａｓｓ／Ｃ２の値Ａ＝１Ｖ／３０ｍＶ／２≒１６である。Ｖｒｅｆ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Ｖｉｎ２によって容易に検知可能であることを可能にする。
【００７４】
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Ｖｄｄ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、Ｖｒｅｆはスイッチング（Ｖｒｅｆ，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。Ｖｉｎ２は、零ボルトに設定された。
【００７５】
出力が図示される。故に、シミュレートされた感度は、
【００７６】
（ΔＶｒｅｆｓｔｈ／ΔｐＨ）＝（３３．９ｍＶ／ｐＨ）である。
【００７７】
Ｃｐａｓｓ＝４２０ｆＦと、Ｃ２＝３ｆＦとが、（Ｃｐａｓｓ／Ｃ２）＝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、
【００７８】
｛（Ｃｐａｓｓ／Ｃ２）×０．０３３９｝＝４．７（Ｖ／ｐＨ）である。
【００７９】
Ｖｒｅｆは、スイッチングの直前で一定に保たれている一方で、Ｖｉｎ２はｐＨのためのスイッチング点（Ｖｉｎ２，ｓｔｈ）を見つけるために掃引される。
【００８０】
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Ｖｉｎ２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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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＞
【００８７】
【表１】
0005890423.tif 000015
【００８８】
【表２】
0005890423.tif 000016
【図７】
0005890423.tif 000017
【図１１】
0005890423.tif 000018
【図１】
0005890423.tif 000019
【図２】
0005890423.tif 000020
【図３】
0005890423.tif 000021
【図４】
0005890423.tif 000022
【図５】
0005890423.tif 000023
【図６】
0005890423.tif 000024
【図８】
0005890423.tif 000025
【図９】
0005890423.tif 000026
【図１０】
0005890423.tif 000027
【図１２】
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