(57)【要約】【課題】ノイズの影響を受けにくいイオン濃度分布測定装置を提供する。【解決手段】イオン濃度分布測定装置は、イオン濃度に応じた量の電荷を出力する単位検出部１０ｍ,ｎと、単位検出部から出力される電荷の量に応じた信号値を出力する積分回路２０ｎとを備える。単位検出部１０ｍ,ｎは、ＭＯＳトランジスタ１１、イオン感応部１２、容量部１３および転送用スイッチ１４を含む。積分回路２０ｎは、アンプ２１、容量部２２およびリセット用スイッチ２３を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々イオン濃度に応じた量の電荷を出力する複数の単位検出部が半導体基板上に１次元状または２次元状に配列されて形成された検出部と、前記単位検出部から出力される電荷の量に応じた信号値を出力する１つ又は２以上の積分回路を含む信号処理部とを備え、
前記単位検出部は、
第１電極，第２電極およびゲート電極を有するＭＯＳトランジスタと、
前記ＭＯＳトランジスタの前記ゲート電極と電気的に接続され、イオン濃度に応じた電位を前記ゲート電極に与えるイオン感応部と、
前記ＭＯＳトランジスタの前記第２電極と基準電位入力端子との間に設けられ、前記ゲート電極の電位に応じた量の電荷を蓄積する第１容量部と、
第１端および第２端を有し、前記第１端が前記ＭＯＳトランジスタの前記第２電極と電気的に接続され、前記第１容量部に蓄積された電荷を前記第２端から出力する転送用スイッチと、
を含み、
前記積分回路は、
前記複数の単位検出部のうちの何れかの単位検出部から出力される電荷を入力する第１入力端子，基準電位が入力される第２入力端子、および、信号値を出力する出力端子を有するアンプと、
前記アンプの前記第１入力端子と前記出力端子との間に設けられ、前記アンプの前記第１入力端子に入力された電荷を蓄積する第２容量部と、
前記第２容量部に対して並列的に設けられ、前記第２容量部の電荷蓄積をリセットするリセット用スイッチと、
を含み、
前記第２容量部に蓄積された電荷の量に応じた信号値を前記アンプの前記出力端子から出力する、
イオン濃度分布測定装置。
【請求項２】
前記イオン感応部は、前記ＭＯＳトランジスタおよび前記転送用スイッチの双方または何れか一方の少なくとも一部を覆って設けられている、
請求項１に記載のイオン濃度分布測定装置。
【請求項３】
前記複数の単位検出部のうちの２以上の単位検出部に対応して１つの前記積分回路が設けられている、
請求項１または２に記載のイオン濃度分布測定装置。
【請求項４】
前記複数の単位検出部がＭ行Ｎ列（ただし、Ｍ，Ｎは２以上の整数）に２次元配列され、
前記信号処理部がＮ個の前記積分回路を含み、
前記複数の単位検出部のうちの各列のＭ個の単位検出部に対応して１つの前記積分回路が設けられている、
請求項１または２に記載のイオン濃度分布測定装置。
【請求項５】
前記単位検出部は、前記ＭＯＳトランジスタの前記第１電極と前記転送用スイッチの前記第２端とが互いに電気的に接続されている、
請求項１〜４の何れか１項に記載のイオン濃度分布測定装置。
【請求項６】
前記信号処理部は、前記積分回路から出力される信号値を累積加算する累積回路を更に含む、
請求項５に記載のイオン濃度分布測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン濃度の分布を測定する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶液中のイオン濃度を測定するイオンセンサとして、イオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ： Ion Sensitive Field Effect Transistor）を用いたセンサが知られている。このイオンセンサは、イオン感応膜により覆われたゲート電極を有するＦＥＴを含む。このイオンセンサは、溶液中のイオン活量によって発生するイオン感応膜の表面電位に応じてＦＥＴのドレインとソースとの間の電流を制御し、この電流値を検出することでイオン濃度を測定することができる。
【０００３】
また、特許文献１，２および非特許文献１には、各々イオン濃度を検出する複数の単位検出部が配列されているイオン濃度分布測定装置（イオンイメージセンサ）が記載されている。各単位検出部は、イオン感応膜が電気的に接続されたゲート電極を有するＭＯＳトランジスタを含む。このイオン濃度分布測定装置は、各単位検出部においてイオン感応膜の表面電位に応じた量の電荷を発生させ、この電荷量に応じた電圧値を検出することでイオン濃度分布を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１１４２０２号
【特許文献２】国際公開第２０１６／１４７７９８号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】S. Watanabe, et al,"Realized pH Imaging with 1.15μM Pitch by NewStructure 2 Tr. Type Sensor," APCOT2016, 3d.5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２および非特許文献１に記載されたイオン濃度分布測定装置は、ＩＳＦＥＴと比べて優れた特性を有しているとされている。しかし、本発明者の知見によれば、このイオン濃度分布測定装置はノイズの影響を受けやすいという問題点を有している。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ノイズの影響を受けにくいイオン濃度分布測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のイオン濃度分布測定装置は、各々イオン濃度に応じた量の電荷を出力する複数の単位検出部が半導体基板上に１次元状または２次元状に配列されて形成された検出部と、単位検出部から出力される電荷の量に応じた信号値を出力する１つ又は２以上の積分回路を含む信号処理部とを備える。
【０００９】
単位検出部は、(1) 第１電極，第２電極およびゲート電極を有するＭＯＳトランジスタと、(2) ＭＯＳトランジスタのゲート電極と電気的に接続され、イオン濃度に応じた電位をゲート電極に与えるイオン感応部と、(3) ＭＯＳトランジスタの第２電極と基準電位入力端子との間に設けられ、ゲート電極の電位に応じた量の電荷を蓄積する第１容量部と、(4) 第１端および第２端を有し、第１端がＭＯＳトランジスタの第２電極と電気的に接続され、第１容量部に蓄積された電荷を第２端から出力する転送用スイッチと、を含む。なお、ＭＯＳトランジスタの第１電極および第２電極のうち一方はドレイン電極であり、他方はソース電極である。
【００１０】
積分回路は、(1) 複数の単位検出部のうちの何れかの単位検出部から出力される電荷を入力する第１入力端子，基準電位が入力される第２入力端子、および、信号値を出力する出力端子を有するアンプと、(2) アンプの第１入力端子と出力端子との間に設けられ、アンプの第１入力端子に入力された電荷を蓄積する第２容量部と、(3) 第２容量部に対して並列的に設けられ、第２容量部の電荷蓄積をリセットするリセット用スイッチと、を含む。積分回路は、第２容量部に蓄積された電荷の量に応じた信号値をアンプの出力端子から出力する。
【００１１】
本発明のイオン濃度分布測定装置において、イオン感応部は、ＭＯＳトランジスタおよび転送用スイッチの双方または何れか一方の少なくとも一部を覆って設けられているのが好適である。
【００１２】
本発明のイオン濃度分布測定装置において、複数の単位検出部のうちの２以上の単位検出部に対応して１つの積分回路が設けられているのが好適である。
【００１３】
本発明のイオン濃度分布測定装置において、複数の単位検出部がＭ行Ｎ列（ただし、Ｍ，Ｎは２以上の整数）に２次元配列され、信号処理部がＮ個の積分回路を含み、複数の単位検出部のうちの各列のＭ個の単位検出部に対応して１つの積分回路が設けられているのが好適である。
【００１４】
本発明のイオン濃度分布測定装置において、単位検出部は、ＭＯＳトランジスタの第１電極と転送用スイッチの第２端とが互いに電気的に接続されているのが好適である。このとき、信号処理部は、積分回路から出力される信号値を累積加算する累積回路を更に含むのが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のイオン濃度分布測定装置は、ノイズの影響を受けにくく、イオン濃度分布を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａの全体構成を示す図である。
【図２】図２は、第１実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの回路構成例を示す図である。
【図３】図３は、各単位検出部１０ｍ,ｎの断面構成例を模式的に示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの動作例を示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、第１実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの動作をシミュレーションした結果を示す図である。
【図６】図６は、第２実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｂの全体構成を示す図である。
【図７】図７は、第２実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｂの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの回路構成例を示す図である。
【図８】図８は、第２実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｂの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの動作例を示すタイミングチャートである。
【図９】図９は、第３実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｃの全体構成を示す図である。
【図１０】図１０は、第３実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｃの単位検出部１０ｍ,ｎ、積分回路２０ｎおよび累積回路３０ｎの回路構成例を示す図である。
【図１１】図１１は、第３実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｃの単位検出部１０ｍ,ｎ、積分回路２０ｎおよび累積回路３０ｎの動作をシミュレーションした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａの全体構成を示す図である。イオン濃度分布測定装置１Ａは、検出部２Ａ、信号処理部３Ａおよび制御部４Ａを備える。検出部２Ａは半導体基板上に形成されている。その半導体基板上には、信号処理部３Ａも形成されているのが好適であり、また、加えて制御部４Ａも形成されているのが好適である。
【００１９】
検出部２Ａは、Ｍ×Ｎ個の単位検出部１０１,１〜１０Ｍ,Ｎを含む。Ｍ×Ｎ個の単位検出部１０１,１〜１０Ｍ,Ｎは、共通の構成を有し、Ｍ行Ｎ列に２次元配列されている。各単位検出部１０ｍ,ｎは第ｍ行第ｎ列に位置する。各単位検出部１０ｍ,ｎは、制御部４Ａから与えられるID(m)信号およびTG(m)信号に基づいて動作し、イオン濃度に応じた量の電荷を信号処理部３Ａへ出力する。なお、ＭおよびＮは２以上の整数であり、ｍは１以上Ｍ以下の各整数であり、ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。
【００２０】
信号処理部３Ａは、Ｎ個の積分回路２０１〜２０ＮおよびＮ個のスイッチ４０１〜４０Ｎを含む。Ｎ個の積分回路２０１〜２０Ｎは、共通の構成を有する。各積分回路２０ｎは、検出部２Ａの第ｎ列のＭ個の単位検出部１０１,ｎ〜１０Ｍ,ｎと接続されている。各積分回路２０ｎは、制御部４Ａから与えられるreset信号に基づいて動作し、第ｎ列のＭ個の単位検出部１０１,ｎ〜１０Ｍ,ｎそれぞれから順次に出力される電荷を入力して蓄積し、その蓄積電荷量に応じた信号値を出力する。
【００２１】
各スイッチ４０ｎは、積分回路２０ｎの出力端子に接続されており、制御部４Ａから与えられるsel(n)信号に基づいて動作する。Ｎ個のスイッチ４０１〜４０Ｎは、順次にオン状態となることにより、Ｎ個の積分回路２０１〜２０Ｎそれぞれから出力される信号値を順次に共通の出力ラインへ出力する。
【００２２】
制御部４Ａは、検出部２Ａおよび信号処理部３Ａそれぞれの動作を制御する。制御部４Ａは、検出部２Ａの各単位検出部１０ｍ,ｎの動作を制御するためのID(m)信号およびTG(m)信号を出力する。また、制御部４Ａは、信号処理部３Ａの各積分回路２０ｎの動作を制御するためのreset信号を出力するとともに、信号処理部３Ａの各スイッチ４０ｎの動作を制御するためのsel(n)を出力する。
【００２３】
図２は、第１実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの回路構成例を示す図である。この図には、Ｍ×Ｎ個の単位検出部１０１,１〜１０Ｍ,Ｎのうち第ｍ行第ｎ列の単位検出部１０ｍ,ｎが代表して示され、また、Ｎ個の積分回路２０１〜２０Ｎのうち単位検出部１０ｍ,ｎに接続される積分回路２０ｎが代表して示されている。
【００２４】
各単位検出部１０ｍ,ｎは、ＭＯＳトランジスタ１１、イオン感応部１２、容量部（第１容量部）１３および転送用スイッチ１４を含む。
【００２５】
ＭＯＳトランジスタ１１は、例えばＮＭＯＳトランジスタであり、ドレイン電極（第１電極），ソース電極（第２電極）およびゲート電極を有する。ＭＯＳトランジスタ１１のドレイン電極は、制御部４Ａから与えられるID(m)信号を入力する。
【００２６】
イオン感応部１２は、ＭＯＳトランジスタ１１のゲート電極と電気的に接続され、イオン濃度に応じた電位を該ゲート電極に与える。イオン感応部１２として例えばＳｉ３Ｎ４やＴａ２Ｏ５等が用いられる。イオン感応部１２は、ＭＯＳトランジスタ１１および転送用スイッチ１４の双方または何れか一方の少なくとも一部を覆って設けられているのが好ましく、この場合には半導体基板上の各単位検出部１０ｍ,ｎのレイアウト面積を小さくすることができる。
【００２７】
容量部１３は、ＭＯＳトランジスタ１１のソース電極と基準電位入力端子（例えば接地電位入力端子）との間に設けられ、ＭＯＳトランジスタ１１のゲート電極の電位に応じた量の電荷を蓄積する。容量部１３は、寄生容量であるのが好ましく、この場合には半導体基板上の各単位検出部１０ｍ,ｎのレイアウト面積を小さくすることができる。また、容量部１３は、意図的に作られたものであってもよく、例えばＭＩＭ（Metal-Oxide-Metal）容量であれば半導体基板上の各単位検出部１０ｍ,ｎのレイアウト面積を小さくすることができる。
【００２８】
転送用スイッチ１４は、第１端および第２端を有する。転送用スイッチ１４の第１端は、ＭＯＳトランジスタ１１のソース電極と電気的に接続されている。転送用スイッチ１４は、制御部４Ａから与えられるTG(m)信号に基づいて動作する。各単位検出部１０ｍ,ｎの転送用スイッチ１４は、オン状態であるときに、容量部１３に蓄積された電荷を第２端から積分回路２０ｎへ出力する。転送用スイッチ１４は例えばＮＭＯＳトランジスタにより構成され得る。
【００２９】
なお、以下では、ＭＯＳトランジスタ１１のソース電極の電位、すなわち、転送用スイッチ１４の第１端の電位を、Ａ電位という。このＡ電位は、容量部１３に蓄積されている電荷の量に応じたものとなる。
【００３０】
各積分回路２０ｎは、アンプ２１、容量部（第２容量部）２２およびリセット用スイッチ２３を含み、容量性帰還トランスインピーダンス増幅器（ＣＴＩＡ: Capacitive Trans-Impedance Amplifier）の構成を有する。各積分回路２０ｎは、容量部２２に蓄積された電荷の量に応じた信号値をアンプ２１の出力端子から出力する。
【００３１】
アンプ２１は、反転入力端子（第１入力端子）、非反転入力端子（第２入力端子）および出力端子を有する。各積分回路２０ｎのアンプ２１の反転入力端子は、単位検出部１０ｍ,ｎの転送用スイッチ１４から出力される電荷を入力する。アンプ２１の非反転入力端子はinp電位（基準電位）が入力される。アンプ２１の出力端子はout信号を出力する。
【００３２】
容量部２２は、アンプ２１の反転入力端子と出力端子との間に設けられ、アンプ２１の反転入力端子に入力された電荷を蓄積する。リセット用スイッチ２３は、容量部２２に対して並列的に設けられている。リセット用スイッチ２３は、制御部４Ａから与えられるreset信号に基づいて動作する。リセット用スイッチ２３がオン状態であるとき、容量部２２の電荷蓄積がリセットされる。リセット用スイッチ２３がオフ状態であるとき、容量部２２による電荷蓄積が可能である。
【００３３】
図３は、各単位検出部１０ｍ,ｎの断面構成例を模式的に示す図である。この図に示されるように、Ｐ型半導体基板１０１の一方の主面上にＮ＋型領域１１１〜１１３が形成され、これらの上に絶縁膜１２１が形成され、さらに絶縁膜１２１の上にゲート電極１３１，１３２が形成されている。Ｎ＋型領域１１２の寄生容量が容量部１３として用いられる。
【００３４】
ゲート電極１３１はＮ＋型領域１１１とＮ＋型領域１１２との間に位置しており、これらはＭＯＳトランジスタ１１を構成している。Ｎ＋型領域１１１は、制御部４ＡからID(m)信号が与えられる。
【００３５】
ゲート電極１３２はＮ＋型領域１１２とＮ＋型領域１１３との間に位置しており、これらは転送用スイッチ１４を構成している。ゲート電極１３２は、制御部４ＡからTG(m)信号が与えられる。Ｎ＋型領域１１３は、積分回路２０ｎと電気的に接続されている。
【００３６】
これらの上に絶縁層１４１が形成され、この絶縁層１４１の上に膜状のイオン感応部１２が形成されている。イオン感応部１２とゲート電極１３１とは、導電材１５１〜１５３により互いに電気的に接続されている。
【００３７】
図４は、第１実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの動作例を示すタイミングチャートである。この図には、Ｍ×Ｎ個の単位検出部１０１,１〜１０Ｍ,Ｎのうちの第ｍ行第ｎ列の単位検出部１０ｍ,ｎおよびＮ個の積分回路２０１〜２０Ｎのうちの積分回路２０ｎの動作例が示されている。
【００３８】
また、この図には、上から順に、単位検出部１０ｍ,ｎの転送用スイッチ１４に与えられるTG(m)信号、積分回路２０ｎのリセット用スイッチ２３に与えられるreset信号、単位検出部１０ｍ,ｎのＭＯＳトランジスタ１１のドレイン電極に与えられるID(m)信号、単位検出部１０ｍ,ｎのＭＯＳトランジスタ１１のソース電極のＡ電位、および、積分回路２０ｎのアンプ２１の出力端子から出力されるout信号、が示されている。
【００３９】
時刻ｔ１前はリセット期間である。時刻ｔ１前はreset信号がＨレベルであり、積分回路２０ｎにおいて、リセット用スイッチ２３がオン状態であり、容量部２２の電荷蓄積が初期化され、out信号が初期値となっている。また、転送用スイッチ１４がオン状態であるので、アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子とがイマジナリショートの関係にあることから、Ａ電位はinp電位レベルにリセットされている。
【００４０】
時刻ｔ１〜ｔ２の期間は待機期間である。時刻ｔ１にreset信号がＬレベルに転じると、積分回路２０ｎにおいて、リセット用スイッチ２３がオフ状態となり、容量部２２による電荷蓄積が可能となる。TG(m)信号がＨレベルであり、ID(m)信号がinp電位レベルであり、Ａ電位もinp電位レベルのまま変化せず、out信号は初期値のままである。その後にTG(m)信号がＬレベルに転じても、このout信号が初期値である状態は維持される。
【００４１】
時刻ｔ２〜ｔ３の期間は電荷注入期間である。TG(m)信号がＬレベルであり、転送用スイッチ１４がオフ状態であるので、out信号は初期値のままである。時刻ｔ２後の一定期間に亘ってID(m)信号が接地電位レベルとなり、容量部１３に一定量の電荷が注入される。そして、ID(m)信号がinp電位レベルに戻ると、Ａ電位（すなわち、容量部１３に蓄積される電荷の量）は、ＭＯＳトランジスタ１１のゲート電極の電位（すなわち、イオン感応部１２に接する被測定対象におけるイオン濃度）に応じたものとなる。
【００４２】
時刻ｔ３〜ｔ４の期間は電荷転送期間である。時刻ｔ３後の一定期間に亘ってTG(m)信号がＨレベルとなり、転送用スイッチ１４がオン状態となるので、容量部１３に蓄積されていた電荷は、転送用スイッチ１４を経て積分回路２０ｎに入力され、積分回路２０ｎの容量部２２に蓄積される。また、アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子とがイマジナリショートの関係にあることから、Ａ電位はinp電位レベルに戻る。
【００４３】
以降、電荷注入期間（時刻ｔ４〜ｔ５）および電荷転送期間（時刻ｔ５〜ｔ６）を繰り返すことで、積分回路２０ｎの容量部２２に、イオン濃度に応じた量の電荷が累積して蓄積されていく。容量部２２に累積して蓄積された電荷の量に応じた電圧値が積分回路２０ｎから出力される。
【００４４】
時刻ｔ７後はリセット期間である。reset信号がＨレベルとなり、積分回路２０ｎにおいて、リセット用スイッチ２３がオン状態となり、容量部２２の電荷蓄積が初期化され、out信号が初期値となる。
【００４５】
図５は、第１実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの動作をシミュレーションした結果を示す図である。ここでは、inp電位レベルを１.５Ｖとし、容量部２２の容量値を０.１ｐＦとし、ＭＯＳトランジスタ１１のゲート電極の電位を０.５Ｖ、１.０Ｖ、１.５Ｖ、２.０Ｖの各値とした。或るリセット期間と次のリセット期間との間で、電荷注入期間および電荷転送期間の繰り返し回数（すなわち、積分回路２０ｎの容量部２２への電荷転送の回数）を３回とした。
【００４６】
本実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａでは、イオン濃度に応じた量の電荷が単位検出部１０ｍ,ｎから積分回路２０ｎへ転送され、その電荷が積分回路２０ｎにおいて蓄積され、その蓄積された電荷の量に応じた値のout信号が積分回路２０ｎから出力される。したがって、イオン濃度分布測定装置１Ａは、単位検出部１０ｍ,ｎから積分回路２０ｎへ至るまでの信号線が長く、その信号線の寄生容量が大きくても、ゲインを損なうことがないので、ノイズの影響を受けにくく、イオン濃度分布を高精度に測定することができる。
【００４７】
なお、非特許文献１に記載された従来のイオン濃度分布測定装置では、イオン濃度に応じた電圧値が単位検出部１０ｍ,ｎから読み出される際に、その電圧値が小さく、かつ、出力信号線の容量によってゲインを損なうため、ノイズの影響を受けやすい。
【００４８】
また、本実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａでは、イオン濃度に応じた量の電荷を積分回路２０ｎの容量部２２に累積して蓄積し、その容量部２２に累積的に蓄積した電荷の量に応じた信号値を積分回路２０ｎから出力することができるので、ＳＮ比を改善することができる。
【００４９】
また、本実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａでは、イオン感応部１２がＭＯＳトランジスタ１１および転送用スイッチ１４の双方または何れか一方の少なくとも一部を覆って設けられることで、半導体基板上の各単位検出部１０ｍ,ｎのレイアウト面積を小さくすることができる。これにより、半導体基板上の単位検出部の配列ピッチを小さくすることができ、イオン濃度分布測定の空間分解能を高めることができる。
【００５０】
また、本実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａは、検出部２Ａの行毎に順次に、単位検出部１０ｍ,ｎにおいてイオン濃度に応じた量の電荷を容量部１３に蓄積し、その後に単位検出部１０ｍ,ｎから積分回路２０ｎへ電荷を転送してもよい。このとき、或る行について単位検出部１０ｍ,ｎから積分回路２０ｎへ電荷を転送して積分回路２０ｎからout信号を出力している期間に、他の行については単位検出部１０ｍ,ｎにおいてイオン濃度に応じた量の電荷を容量部１３に蓄積するのが好ましい。
【００５１】
或いは、本実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ａは、検出部２Ａの全ての単位検出部１０１,１〜１０Ｍ,Ｎにおいて同時にイオン濃度に応じた量の電荷を容量部１３に蓄積し、その後、検出部２Ａの行毎に順次に単位検出部１０ｍ,ｎから積分回路２０ｎへ電荷を転送して積分回路２０ｎからout信号を出力してもよい。
【００５２】
（第２実施形態）
図６は、第２実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｂの全体構成を示す図である。イオン濃度分布測定装置１Ｂは、検出部２Ｂ、信号処理部３Ｂおよび制御部４Ｂを備える。第１実施形態の構成と比較すると、第２実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｂは、各単位検出部１０ｍ,ｎの構成の点で相違し、制御部４Ｂから検出部２ＢへID(m)信号が与えられない点で相違し、また、制御部４Ｂから各積分回路２０ｎへ与えられるinp信号のレベルが一定でない点で相違する。
【００５３】
図７は、第２実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｂの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの回路構成例を示す図である。第１実施形態の構成と比較すると、第２実施形態では、各単位検出部１０ｍ,ｎにおいて、ＭＯＳトランジスタ１１のドレイン電極（第１電極）と転送用スイッチ１４の第２端（積分回路２０ｎと接続される端）とが互いに電気的に接続されている点で相違する。また、第１実施形態の構成と比較すると、第２実施形態では、各積分回路２０ｎのアンプ２１の非反転入力端子に入力されるinp電位のレベルがパルス的に変化する点で相違する。
【００５４】
図８は、第２実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｂの単位検出部１０ｍ,ｎおよび積分回路２０ｎの動作例を示すタイミングチャートである。この図には、上から順に、単位検出部１０ｍ,ｎの転送用スイッチ１４に与えられるTG(m)信号、積分回路２０ｎのリセット用スイッチ２３に与えられるreset信号、積分回路２０ｎのアンプ２１の非反転入力端子に入力されるinp電位、単位検出部１０ｍ,ｎのＭＯＳトランジスタ１１のソース電極のＡ電位、および、積分回路２０ｎのアンプ２１の出力端子から出力されるout信号、が示されている。
【００５５】
時刻ｔ１前はリセット期間である。時刻ｔ１前はreset信号がＨレベルであり、積分回路２０ｎにおいて、リセット用スイッチ２３がオン状態であり、容量部２２の電荷蓄積が初期化され、out信号が初期値となっている。TG(m)信号がＨレベルであり、転送用スイッチ１４がオン状態である。また、inp信号がＨレベルであり、アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子とがイマジナリショートの関係にあることから、Ａ電位はinp信号と同じＨレベルである。
【００５６】
時刻ｔ１〜ｔ２の期間は待機期間である。TG(m)信号がＬレベルに転じて、転送用スイッチ１４がオフ状態となるが、Ａ電位はinp信号と同じＨレベルのままであり、out信号は初期値のままである。
【００５７】
時刻ｔ２〜ｔ３の期間は電荷注入期間である。この期間に、inp信号はＬレベルとなり、アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子とがイマジナリショートの関係にあることから、ＭＯＳトランジスタ１１のドレイン電極に与えられる電圧はinp信号のＬレベルとなり、容量部１３に一定量の電荷が注入される。
【００５８】
時刻ｔ３〜ｔ４の期間は電荷ホールド期間である。この期間に、inp信号はＨレベルとなり、Ａ電位（すなわち、容量部１３に蓄積される電荷の量）は、ＭＯＳトランジスタ１１のゲート電極の電位（すなわち、イオン感応部１２に接する被測定対象におけるイオン濃度）に応じたものとなる。
【００５９】
時刻ｔ４〜ｔ５の期間は待機期間である。時刻ｔ４にreset信号がＬレベルに転じると、積分回路２０ｎにおいて、リセット用スイッチ２３がオフ状態となり、容量部２２による電荷蓄積が可能となる。
【００６０】
時刻ｔ５〜ｔ６の期間は電荷転送期間である。TG(m)信号がＨレベルとなり、転送用スイッチ１４がオン状態となるので、容量部１３に蓄積されていた電荷は、転送用スイッチ１４を経て積分回路２０ｎに入力され、積分回路２０ｎの容量部２２に蓄積される。容量部２２に蓄積された電荷の量に応じた電圧値が積分回路２０ｎから出力される。また、アンプ２１の反転入力端子と非反転入力端子とがイマジナリショートの関係にあることから、Ａ電位はinp電位のＨレベルに戻る。
【００６１】
時刻ｔ６後はリセット期間である。reset信号がＨレベルとなり、積分回路２０ｎにおいて、リセット用スイッチ２３がオン状態となり、容量部２２の電荷蓄積が初期化され、out信号が初期値となる。
【００６２】
第２実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｂは、第１実施形態の場合と同様の効果を奏する他、次のような効果をも奏する。第２実施形態では、制御部４Ｂから検出部２ＢへID(m)信号を与える必要がないので、その為の信号線を省略できる分だけ半導体基板上の単位検出部の配列ピッチを小さくすることができ、イオン濃度分布測定の空間分解能を更に高めることができる。
【００６３】
また、第２実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｂでは、電荷注入期間に単位検出部１０ｍ,ｎの容量部１３に注入される電荷の量は、積分回路２０ｎのアンプ２１の非反転入力端子に入力されるinp電位により規定されるので、アンプオフセットのバラツキの影響が抑制され得る。
【００６４】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｃの全体構成を示す図である。イオン濃度分布測定装置１Ｃは、検出部２Ｃ、信号処理部３Ｃおよび制御部４Ｃを備える。第２実施形態の構成と比較すると、第３実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｃは、信号処理部３ＣがＮ個の累積回路３０１〜３０Ｎを更に含む点で相違し、また、制御部４Ｃから各累積回路３０ｎへread信号、hold信号およびreset2信号が与えられる点で相違する。第３実施形態における検出部２Ｃは、第２実施形態における検出部２Ｂと同じ構成を有する。
【００６５】
信号処理部３Ｃにおいて、各累積回路３０ｎは、積分回路２０ｎとスイッチ４０ｎとの間に設けられている。各累積回路３０ｎは、制御部４Ｃから与えられるread信号、hold信号およびreset2信号に基づいて動作する。各累積回路３０ｎは、積分回路２０ｎから出力される信号値を累積加算して、その累積加算後の信号値をスイッチ４０ｎへ出力する。
【００６６】
図１０は、第３実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｃの単位検出部１０ｍ,ｎ、積分回路２０ｎおよび累積回路３０ｎの回路構成例を示す図である。第３実施形態における単位検出部１０ｍ,ｎは、第２実施形態における単位検出部１０ｍ,ｎと同じ構成を有する。第３実施形態における積分回路２０ｎは、第２実施形態における積分回路２０ｎと同じ構成を有する。
【００６７】
各累積回路３０ｎは、アンプ３１、容量部３２、リセット用スイッチ３３、容量部３４およびスイッチ３５〜３８を含む。累積回路３０ｎにおけるアンプ３１、容量部３２およびリセット用スイッチ３３は、積分回路２０ｎにおけるアンプ２１、容量部２２およびリセット用スイッチ２３と同じ構成（すなわち、ＣＴＩＡの構成）を有する。リセット用スイッチ３３は、制御部４Ｃから与えられるreset2信号に基づいて動作する。
【００６８】
容量部３４およびスイッチ３５〜３８は、スイッチドキャパシタ回路を構成している。容量部３４の一端は、スイッチ３５を介して積分回路２０ｎのアンプ２１の出力端子と接続され、スイッチ３６を介して基準電位入力端子と接続されている。容量部３４の他端は、スイッチ３７を介してアンプ３１の反転入力端子と接続され、スイッチ３８を介して基準電位入力端子と接続されている。
【００６９】
スイッチ３５およびスイッチ３８は、制御部４Ｃから与えられるhold信号に基づいて動作する。スイッチ３６およびスイッチ３７は、制御部４Ｃから与えられるread信号に基づいて動作する。スイッチ３５，３８とスイッチ３６，３７とは同時にオン状態となることはない。各累積回路３０ｎは、スイッチ３５，３８がオン状態であるときに、積分回路２０ｎから出力されるout1信号の値に応じた量の電荷を容量部３４に蓄積し、また、スイッチ３６，３７がオン状態であるときに、容量部３４に蓄積した電荷をアンプ３１の反転入力端子へ転送して容量部３２に累積的に蓄積させる。
【００７０】
図１１は、第３実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｃの単位検出部１０ｍ,ｎ、積分回路２０ｎおよび累積回路３０ｎの動作をシミュレーションした結果を示す図である。この図には、上から順に、積分回路２０ｎのリセット用スイッチ２３に与えられるreset信号、単位検出部１０ｍ,ｎの転送用スイッチ１４に与えられるTG(m)信号、積分回路２０ｎのアンプ２１の非反転入力端子に入力されるinp電位、単位検出部１０ｍ,ｎのＭＯＳトランジスタ１１のソース電極のＡ電位、および、積分回路２０ｎのアンプ２１の出力端子から出力されるout1信号、が示されている。更に続いて、累積回路３０ｎのリセット用スイッチ３３に与えられるreset2信号、累積回路３０ｎのスイッチ３５，３８に与えられるhold信号、累積回路３０ｎのスイッチ３６，３７に与えられるread信号、および、累積回路３０ｎのアンプ３１の出力端子から出力されるout2信号、が示されている。
【００７１】
ここでは、スイッチ３６，３８の一端に与えられる基準電位を１.５Ｖとし、容量部２２の容量値を０.１ｐＦとし、ＭＯＳトランジスタ１１のゲート電極の電位を１.８Ｖ、１.９Ｖ、２.０Ｖ、２.１Ｖの各値とした。或るリセット期間と次のリセット期間との間で、電荷注入期間および電荷転送期間の繰り返し回数（すなわち、積分回路２０ｎの容量部２２への電荷転送の回数）を４回とした。
【００７２】
第３実施形態のイオン濃度分布測定装置１Ｃは、第２実施形態の場合と同様の効果を奏する他、イオン濃度に応じた量の電荷を累積回路３０ｎの容量部３２に累積して蓄積し、その容量部３２に累積的に蓄積した電荷の量に応じた信号値を累積回路３０ｎから出力することができるので、ＳＮ比を改善することができる。
【００７３】
（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、検出部において、複数の単位検出部は、２次元状に配列されてもよいし、１次元状に配列されてもよい。上記実施形態ではＭ行Ｎ列に配列された複数の単位検出部のうちの各列のＭ個の単位検出部に対応して１つの積分回路が設けられていたが、一般に２以上の単位検出部に対応して１つの積分回路が設けられていてもよいし、１つの単位検出部に対応して１つの積分回路が設けられていてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１Ａ〜１Ｃ…イオン濃度分布測定装置、２Ａ〜２Ｃ…検出部、３Ａ〜３Ｃ…信号処理部、４Ａ〜４Ｃ…制御部、１０１,１〜１０Ｍ,Ｎ…単位検出部、１１…ＭＯＳトランジスタ、１２…イオン感応部、１３…容量部、１４…転送用スイッチ、２０１〜２０Ｎ…積分回路、２１…アンプ、２２…容量部、２３…リセット用スイッチ、３０１〜３０Ｎ…累積回路、３１…アンプ、３２…容量部、３３…リセット用スイッチ、３４…容量部、３５〜３８…スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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