TFT离子传感器、使用该TFT离子传感器的TFT离子传感器装置

摘要

本发明涉及TFT离子传感器、使用该TFT离子传感器的TFT离子传感器装置。使用TFT或MOSFET的离子传感器的测量灵敏度低，因此难以检测极微量的感测对象物质。TFT离子传感器包括栅电极(硅基板)和参照电极，其中设定栅极绝缘膜(热氧化膜)的静电电容比离子敏感绝缘膜的静电电容大。因此，可根据栅极-源极电压对源极-漏极电流特性的阈值电压漂移检测感测对象物质中的离子、激素等的浓度。

说明书

      相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2014年3月28日提交的日本专利申请No.2014-068159的优先权的权益，该日本专利申请的全文并入到本文供参考。

技术领域

本发明涉及由TFT(Thin Film Transistor：薄膜晶体管)构成的TFT离子传感器、使用该TFT离子传感器的测量方法、以及使用TFT离子传感器的TFT离子传感器装置。

背景技术

近年来，例如，在医疗服务等领域利用用于生物传感的离子浓度传感器。该离子浓度传感器通过将无机氧化物表面上的氢离子浓度检测功能、无机氧化物表面上的氧分子识别功能与电化学装置结合来获得。

使用硅基板MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)的离子敏感FET(FET离子传感器)已经产品化，主要用作溶液的pH(酸碱度，Potential of Hydrogen)传感器。在电化学上已知，在溶液与绝缘膜之间的界面中必然形成双电层。双电层中产生的电位差根据溶液的pH发生变化，这是通过将该变化量读取为FET的Vt(阈值电压)变化来感测pH的值的测量原理。

根据电化学的能斯特理论，由于在25℃下溶液的pH变化“1”(氢离子浓度变化1位)，因此在pH溶液/氧化膜界面中的双电层中产生大约59mV的电位变化。即，59mV/pH是测量灵敏度的理论界限。实际的离子敏感FET产品的灵敏度大约为45～50mV/pH，正在研究使灵敏度接近理论界限。

与生物医学行业相关，以后，各种溶液中的物质的精密的感测技术将变得 重要。在生物传感中，经常使用通过酶反应等最终检测氢离子浓度的变化的方法。因此，关于pH，需要能够感测较小的pH变化的技术。因此，通过某种方法提高测量灵敏度(使灵敏度高于59mV/pH)的必要性越来越高。

接下来，对与本发明有关的相关技术文献(以下，称作“相关技术”)进行说明。 

关于利用TFT的Vt漂移的TFT离子传感器，具有使用多结晶硅TFT的基于F.Yan等的报告例(“Applied Physics Letters”,vol.86,053901(2005)(非专利文献1))。作为离子敏感绝缘膜，使用氮化硅膜，进行pH感测，获得54mV/pH的灵敏度。

J.-C.Chou等通过使用非晶硅TFT来进行pH感测，获得58mV/pH的灵敏度(“Sensors and Actuators”,B62,92-96(2000)(非专利文献2))。

K.Koike等通过使用将作为氧化物半导体的氧化锌用作半导体活性层的晶体管来进行pH感测，获得－20μA/pH的灵敏度(Japanese Journal of Applied Physics,vol.46,L865-L867(2007)(非专利文献3))。

如下的方法被公开，在使用氧化物半导体的底栅型TFT中，在氧化物半导体膜上形成离子敏感绝缘膜，在对底栅电极施加恒定电压的同时改变感测溶液中的参照电极的电压，从而根据参照电极电压-漏极电流特性的阈值电压的漂移进行感测(日本未审查专利公开2012-73101(专利文献1))。

如下的方法被公开，在将碳纳米管作为活性层的底栅型TFT中，使用聚硅氮烷溶液形成离子敏感绝缘膜，并在离子敏感绝缘膜上形成顶栅电极，由此改善特性(日本未审查专利公开2010-192599(专利文献2))。

如下的TFT传感器被公开，即使在紫外线氛围下，其通过使用氧化物半导体的双栅型TFT的双栅电极切割紫外线并且在双栅电极上形成离子敏感绝缘膜，也能够进行感测(日本未审查专利公开2013-76656(专利文献3))。

如上所述，报告了使用硅半导体和氧化物半导体的TFT离子传感器。它们都是根据“施加于浸渍在感测对象溶液中的参照电极的电压”相对于“漏极电流”的特性的漂移来进行pH感测。

如上所述，关于使用TFT的离子传感器的各种技术被公开。但是，在所有这些文献中公开的是改变浸渍在感测对象溶液中的参照电极的电压并根据参照电极电压-漏极电流特性的漂移来检测离子浓度的方法。在这些方法中，根据能斯特理论，例如，在pH感测中，59mV/pH是灵敏度的理论界限。该理论界限不依赖于半导体材料和离子敏感绝缘膜，是恒定的。

使用MOSFET的pH传感器已经实用化，与上述的理论界限接近的大约55mV/pH的敏感度的传感器已经产品化。由于实际的产品已经并且正在被制造，因此感测溶剂中的氢离子浓度本身时，认为大约55mV/pH的灵敏度是足够的。

另外，在通过在TFT离子传感器的离子敏感绝缘膜上设置仅使特定物质固化的酶来实现生物传感功能的情况下，需要更高的灵敏度。例如，当基于氢离子浓度的变化来检测以大约10^-9mol/L至10^-8mol/L的浓度存在于中性溶液(氢离子浓度：10^-7mol/L)中的激素物质时，需要以高精度检测大约0.01至0.1的pH变化。但是，根据能斯特理论界限，必须检测大约0.59mV至5.9mV的小的特性漂移。因此，由于测量精度波动等的影响，难以进行精确的检测。例如，考虑由于因热引起的测量精度波动等产生的影响，灵敏度进一步低于理论界限。当所谓的原信噪比(S/N比)减小时，通过外部电路等进行放大时，噪声被包括在内，并且噪声级被放大。因此，实质上，不能提高灵敏度。

在被基于能斯特理论的灵敏度界限束缚的相关技术中，难以高精度地检测激素等微量浓度物质。

因此，本发明的示例性目的是提供能够以高灵敏度感测微小的离子浓度变化的TFT离子传感器。

发明内容

根据本发明的TFT离子传感器包括：半导体活性层，源电极和漏电极连接至所述半导体活性层；栅极绝缘膜和栅电极，所述栅极绝缘膜和所述栅电极设置在所述半导体活性层的一个表面上；离子敏感绝缘膜，所述离子敏感绝缘膜 设置在所述半导体活性层的另一表面上；以及参照电极，所述参照电极设置在与所述离子敏感绝缘膜在空间上分离的位置上，其中，所述离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大；并且所述TFT离子传感器还包括用于读取所述源电极和所述栅电极之间的电位差的电压检测单元、或者用于读取流经所述源电极或所述漏电极的电流的电流检测单元。

附图说明

图1是表示第一示例性实施方式和实施例1的TFT离子传感器的剖视图；

图2是表示作为根据实施例1的pH感测的测量结果的、栅极-源极电压对源极-漏极电流的图；

图3是表示第二示例性实施方式和实施例2的TFT离子传感器的剖视图；

图4是表示实施例3的TFT离子传感器的剖视图；

图5是表示实施例4的TFT离子传感器的剖视图；

图6A和图6B是表示第三示例性实施方式和实施例5的TFT离子传感器的剖视图；

图7A和图7B是表示第四示例性实施方式和实施例6的TFT离子传感器的剖视图；

图8是表示第五示例性实施方式的TFT离子传感器的剖视图；

图9是表示第六示例性实施方式的TFT离子传感器的剖视图；

图10是表示第七示例性实施方式的TFT离子传感器的剖视图；

图11是表示第九示例性实施方式和实施例7的TFT离子传感器装置的电路图；以及

图12是表示实施例9的TFT离子传感器装置的测量原理的图。

具体实施方式

本发明的第一TFT离子传感器包括连接至源电极和漏电极的岛状半导体活 性层。在半导体活性层的一个表面上形成栅极绝缘膜和栅电极，在半导体活性层的另一个表面上形成离子敏感绝缘膜，在与离子敏感绝缘膜在空间上隔离的位置上设有参照电极。在TFT离子传感器中，离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大，并且TFT离子传感器还包括用于读取源电极与栅电极之间的电位差的机构。

另外，本发明的第二TFT离子传感器包括连接至源电极和漏电极的岛状半导体活性层。在半导体活性层的一个表面上形成栅极绝缘膜和栅电极，在半导体活性层的另一个表面上形成离子敏感绝缘膜，在与离子敏感绝缘膜在空间上隔离的位置上设有参照电极。在TFT离子传感器中，离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大，并且TFT离子传感器还包括用于读取流经源电极与漏电极之间的电流值的机构。

另外，本发明的第三TFT离子传感器包括连接至源电极和漏电极的岛状半导体活性层。在半导体活性层的一个表面上形成栅极绝缘膜和栅电极，在半导体活性层的另一个表面上形成离子敏感绝缘膜，在与离子敏感绝缘膜在空间上隔离的位置上设有参照电极。在TFT离子传感器中，离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大，并且TFT离子传感器还包括以下机构：当感测对象物质设置在离子敏感绝缘膜上时，根据表示栅电极和源电极之间的电位差与流经漏电极和源电极之间的电流之间的关系的曲线中的漂移量来检测感测对象物质中的离子浓度。

即，与根据参照电极电压-漏极电流特性的漂移来检测离子浓度的相关技术的例子不同，本发明根据栅电极电压-漏极电流特性的漂移来检测离子浓度。

这种TFT离子传感器包括如下机构：其读取当感测对象物质设置在离子敏感绝缘膜上时，使离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容除以栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容得到的比值乘以离子敏感绝缘膜和感测对象物质之间产生的电位差(相应于在界面产生的双电层电压)得到的电位差。

如上所述，双电层电压变化相对于氢离子浓度变化的最大值是59mV/pH。但是，在本发明中，离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容除以栅极绝缘膜 的每单位面积的静电电容得到的比值大于1。因此，能够实现比59mV/pH更高的灵敏度。

这种高灵敏度的TFT离子传感器是特征在于包括能够控制栅电极与源电极之间的电位差使得恒定电流流经源电极与漏电极之间的机构的传感器，或者是特征在于包括能够控制流经漏电极与源电极之间的电流使得栅电极与源电极之间的电位差恒定的机构的传感器。

与相关技术不同，本发明根据漏极电流相对于施加于栅电极上的电压的特性而不是相对于参照电压的特性中的漂移，来进行离子浓度感测。在使用这种检测法的情况下，通过使离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大，在理论上能够以比能斯特界限更高的灵敏度进行检测。本发明的效果绝不是否定能斯特理论，而是根据能斯特理论在离子敏感绝缘膜表面上产生的双电层电位差通过底栅电场与顶栅电场的相互作用被“放大”时所实现的效果。该放大效果通过使离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大来实现。这种效果不依赖于基于外部电路的放大，而能够在不被各种波动影响的情况下实现传感器自身的本来的高灵敏度。因此，能够解决相关技术的问题。

以下，参照附图对用于实施本发明的方式(以下，称作“示例性实施方式”)进行说明。要注意，在本说明书和附图中，对实质上相同的构成元件使用相同的附图标记。图中所示的形状以使本领域的技术人员容易理解的方式图示，因此这些图的尺寸和比例不一定与实际相符。

(第一示例性实施方式)

图1是表示根据第一示例性实施方式的TFT离子传感器101的剖视图。

TFT离子传感器101包括：半导体活性层12，在该半导体活性层12中，连接有源电极13s和漏电极13d；设置在半导体活性层12的一个表面上的作为栅极绝缘膜的热氧化膜10和作为栅电极的硅基板11；设置在半导体活性层12的另一表面上的离子敏感绝缘膜14；以及设置在与离子敏感绝缘膜14在空间上隔离的位置上的参照电极17，其中，离子敏感绝缘膜14的每单位面积的静电电容 比栅极绝缘膜(热氧化膜10)的每单位面积的静电电容大。另外，TFT离子传感器101还包括读取源电极13s和栅电极(硅基板11)之间的电位差的电压检测单元41、或者读取流经源电极13s或漏电极13d的电流的电流检测单元42。

在设置有电压检测单元41的情况下，可以进一步设置电压控制单元43，该电压控制单元43控制源电极13s与栅电极(硅基板11)之间的电位差使得恒定电流流经源电极13s与漏电极13d之间。这种情况的测量方法的示例如下。即，离子敏感绝缘膜14与参照电极17之间的空间充满感测对象物质16，控制源电极13s与栅电极(硅基板11)之间的电位差使得恒定电流流经源电极13s与漏电极13d之间，读取源电极13s与栅电极(硅基板11)之间的电位差。

在设置有电流检测单元42的情况下，可以进一步设置电流控制单元44，该电流控制单元44控制流经源电极13s与漏电极13d之间的电流使得栅电极(硅基板11)与源电极13s之间的电位差变得恒定。这种情况的测量方法的示例如下。即，离子敏感绝缘膜14和参照电极17之间的空间充满感测对象物质16，控制流经源电极13s与漏电极13d之间的电流使得栅电极(硅基板11)与源电极13s之间的电位差变得恒定，并读取流经源电极13s与漏电极13d之间的电流。

源电极13s与栅电极(硅基板11)之间的电位差是当感测对象物质16设置在离子敏感绝缘膜14上时，使离子敏感绝缘膜14的每单位面积的静电电容除以栅极绝缘膜(热氧化膜10)的每单位面积的静电电容得到的比乘以离子敏感绝缘膜14和感测对象物质16之间产生的电位差得到的电位差。

对栅电极(硅基板11)施加栅极电压Vg，对漏电极13d施加漏极电压Vd。例如，电压检测单元41是电压计，电流检测单元42是电流计，电压控制单元43是恒定电流源，电流控制单元44是恒定电压源。

对TFT离子传感器101将更详细进行说明。在形成有热氧化膜10的硅基板11上形成岛状的半导体活性层12，源电极13s和漏电极13d形成为与半导体活性层12的上表面的一部分接触。在半导体活性层12、源电极13s以及漏电极13d上形成离子敏感绝缘膜14。在第一示例性实施方式中，硅基板11用作栅电极，热氧化膜10用作栅极绝缘膜。仅是与TFT的通道部相对应的区域的离子敏感绝 缘膜14露出，其他区域被保护绝缘膜15覆盖。在感测对象物质16内设置这种结构的TFT，并在感测对象物质16中设置参照电极17。

第一示例性实施方式的要点是，在具有上述结构的TFT离子传感器101中，使离子敏感绝缘膜14的每单位面积的静电电容比栅极绝缘膜(热氧化膜10)的每单位面积的静电电容大，并根据与栅极-源极电压相对于源极-漏极电流特性(以下，简称为“Vg－Id特性”)有关的阈值电压的变化来检测感测对象物质16中的离子浓度变化。

(实施例1)

接下来，参照图1说明第一示例性实施方式的进一步具体化的实施例1。

首先，准备硅基板11，在所述硅基板11上形成有200nm厚的热氧化膜10。也可以取代热氧化膜10，使用通过等离子体CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法或溅射法沉积的氧化硅膜、氮化硅膜等。

另外，在形成有热氧化膜10的硅基板11上使用金属掩膜通过溅射法沉积由In－Ga－Zn－O构成的50nm厚的氧化物半导体膜。此时，使用由In－Ga－Zn－O构成的烧结体对象，不加热基板，并在氩气和氧气的混合气体氛围中采用DC(Direct Current：直流)溅射法。在沉积之后，在400℃下退火一个小时。通过将氧化物半导体膜图案化，形成岛状的半导体活性层12。

然后，通过使用金属掩膜进行钼金属的DC溅射，形成源电极13s和漏电极13d。源电极13s和漏电极13d的膜厚是30nm。

另外，使用金属掩膜通过溅射法沉积由氧化钽构成的200nm厚的离子敏感绝缘膜14。此时，使用由Ta－O构成的烧结体对象，不加热基板，在氩气和氧气的混合气体氛围中采用RF(Radio Frequency：射频)溅射法。之后，在300℃下退火1小时。热氧化膜的相对介电常数是大约4，通过溅射沉积的氧化钽的相对介电常数是大约20。两者的膜厚都是200nm，因此反映相对介电常数值中的差异。因此，由氧化钽构成的离子敏感绝缘膜14的每单位面积的静电电容为由热氧化膜10构成的栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容的大约5倍。

之后，形成如下的结构：使用环氧树脂作为保护绝缘膜15，露出半导体活 性层12的通道区域上的离子敏感绝缘膜14的表面，其他区域被环氧树脂覆盖。

将具有上述结构的TFT浸渍在作为感测对象物质16的MacIlvaine缓冲液内，将由铂形成的参照电极17置于MacIlvaine缓冲液中。MacIlvaine缓冲液由0.025mol/L的柠檬酸和0.05mol/L的磷酸氢钾的混合液构成。作为感测对象的氢离子浓度(pH)使混合比在3至8的范围内变化。

对具有上述结构的TFT离子传感器101的漏电极13d施加恒定电位0.5V，将源电极13s和参照电极17设为接地电位(0V)。在这种偏置状态下，在－2V至+7V的范围内改变栅极电压Vg，从而在各pH的缓冲液中在室温下测量Vg－Id特性。图2表示在pH＝3、5、7、8的各值的缓冲液中测量的Vg－Id特性。

由图2可知，随着pH的值变高，Vg－Id特性向正向漂移。当针对各pH读取施加1×10^-7A的恒定电流值作为源极-漏极电流的栅极-源极电压(指向右的虚线箭头51)时，每单位pH的漂移量、即灵敏度是大约130mV/pH。这是由能斯特式确定的、相关技术的情况下理论界限59mV/pH的2倍或大于2倍的灵敏度。因此，确认了第一示例性实施方式的效果。

在此要注意的是，第一示例性实施方式的结果绝对不与能斯特理论矛盾。可以说，该结果是根据能斯特理论在氧化钽表面上产生的双电层电位差(根据理论，该电位差应该是59mV/pH或更小)通过底栅电场和顶栅电场的相互作用和电容差被放大时所获得的结果。

反而言之，产生这种放大作用的设计源于第一示例性实施方式的要点。第一示例性实施方式的要点在于，离子敏感绝缘膜14的静电电容比栅极绝缘膜(热氧化膜10)的静电电容大；以及根据Vg－Id特性的阈值电压的变化可以来检测感测对象物质16中的离子浓度变化。

在实施例1中，对作为恒定的源极-漏极电流值的1×10^-7A的情况进行说明。但是，恒定电流的值不仅仅限于此，其可以根据TFT的尺寸或者可容易检测的电流值而任意地设定。另外，虽然上面说明了在源电极13s与漏电极13d之间施加0.5V的恒定电位差的情况，但不限于该值。电位差可根据TFT的尺寸任意地设定为可获得能够容易检测的电流值的电位差。

在上述内容中，对根据Vg－Id特性的阈值电压的变化来检测感测对象物质16中的离子浓度变化的测量方法进行了说明。但是，也可以通过电流计读取特定的栅极-源极电压时的源极-漏极电流值，并根据该变化来检测离子浓度变化。这种感测概念的示例由图2的向上虚线箭头52表示。如图2所示，在第一示例性实施方式中，基于pH值变化的Vg－Id特性的漂移量比关联技术的情况大，因此向上虚线箭头52方向的电流值的变化也变大。这表示pH感测的灵敏度变得更高。因此，通过采用本第一示例性实施方式根据电流值来读取pH值，能够实现比相关技术的灵敏度更高灵敏度的TFT离子传感器。

在此，对使用氧化物半导体作为半导体活性层12的情况进行说明。氧化物半导体(诸如In－Ga－Zn－O)在半导体中几乎不积聚空穴(正空穴)，因此能够容易实现耗尽状态(在半导体中几乎不存在载流子的状态)。在这种耗尽状态下，底栅电场和顶栅电场的相互作用变得更显著，因此能够更有效地获得上述的放大作用、即高灵敏度。因此，在第一示例性实施方式中，重要的是，使用几乎不积聚空穴的半导体活性层12。作为其示例，采用氧化物半导体。

虽然离子敏感绝缘膜14不限于氧化钽，但期望使用相对介电常数高的材料。例如，除氧化钽以外，可使用氧化铪、氧化铝、钛酸钡、钛酸锶、氮化硅膜等。还可以使用它们的任意的层叠层。另外，栅极绝缘膜不限于氧化硅。可以使用氮化硅、氧化铝等，或者也可以使用它们的任意的层叠膜。

另外，测量时的参照电极17的电位不限于接地电位，而可以根据原晶体管特性(设置到感测对象物质16中之前的在大气中的特性)任意地设定。例如，在原晶体管特性向正方向漂移并且不能获得充分的漏极电流值的情况下，也可以通过相对于源电极13s对参照电极17施加适当的正电位使晶体管特性向负方向漂移而在获得充分的电流值的状态下进行检测。反之，在原晶体管特性向负方向漂移并且电流值过高的情况下，通过对参照电极17供给适当的负电位的同时进行检测，电流值可限制于适当的值。另外，作为参照电极17，也可使用Ag/AgCl。

还可对源电极13s和漏电极13d使用高耐热金属(诸如钨)，并在形成离子 敏感绝缘膜14之后在500℃或更高的高温下进行退火。这种高温退火能够提高离子敏感绝缘膜14的膜质，从而进一步提高感测灵敏度。同时，离子敏感绝缘膜14更缜密化，因此例如可以抑制感测对象物质(溶剂)16浸透到离子敏感绝缘膜14并到达半导体活性层12时产生的短路。

作为根据本发明的示例性优点，本发明能够放大并检测在离子敏感绝缘膜的表面上产生的双电层电位差(根据能斯特理论产生的电位差)，因此可以实现能够以高灵敏度感测小离子浓度变化的TFT离子传感器。通过积极地利用这种效果，能够在将酶反应和抗原-抗体反应转换为电信号的生物传感中实现高灵敏度。

(第二示例性实施方式)

图3是表示根据第二示例性实施方式的TFT离子传感器102的剖视图。

在玻璃基板18上形成栅电极19，并进一步形成栅极绝缘膜20。在栅极绝缘膜20上形成岛状的半导体活性层12，源电极13s和漏电极13d形成为与半导体活性层12的上表面的一部分接触。在半导体活性层12、源电极13s、以及漏电极13d上形成离子敏感绝缘膜14。仅露出在与半导体活性层12的通道部相对应的区域上的离子敏感绝缘膜14，其他区域被保护绝缘膜15覆盖。这种结构的TFT设置在感测对象物质16内，并在感测对象物质16中设置参照电极17。

第二示例性实施方式的要点是，在具有上述结构的TFT离子传感器102中，使离子敏感绝缘膜14的每单位面积的静电电容比栅极绝缘膜20的每单位面积的静电电容大，并根据Vg－Id特性的阈值电压的变化来检测感测对象物质16中的离子浓度变化。第二示例性实施方式的其他结构、作用和效果与第一示例性实施方式的其他结构、作用和效果相同。

(实施例2)

接下来，参照图3说明将第二示例性实施方式进一步具体化的实施例2。

在玻璃基板18上通过溅射沉积将铝作为主成分的合金材料，并通过使用由抗蚀剂涂敷、曝光、显影、蚀刻、抗蚀剂剥离构成的光刻工艺来形成栅电极19。

接下来，通过使用等离子体CVD法在基板温度350℃下沉积300nm厚的氧 化硅膜，从而形成栅极绝缘膜20。

接下来，通过溅射法，将由In－Ga－Zn－O构成的氧化物半导体膜沉积为30nm厚，并通过光刻工艺图案化成规定的岛状，从而形成半导体活性层12。在图案化之后，在空气中在400℃下进行1小时退火处理。

然后，通过溅射沉积钛金属，并在将光致抗蚀剂图案化之后，使用基于氟的等离子体(例如，CF₄或SF₆)蚀刻钛金属，从而形成规定形状的源电极13s和漏电极13d。此时，In－Ga－Zn－O膜未被基于氟的等离子体蚀刻，因此其不会在蚀刻钛金属时过度蚀刻。

之后，通过使用金属掩膜的溅射法，将200nm厚的氧化铝膜沉积为离子敏感绝缘膜14，并在空气中在400℃下进行1小时退火处理。氧化铝膜的相对介电常数为大约8，而氧化硅膜的相对介电常数为4。因此，由氧化铝形成的离子敏感绝缘膜14的每单位面积的静电电容比由氧化硅膜形成的栅极绝缘膜20的每单位面积的静电电容大。

之后，形成如下的结构：使用环氧树脂作为保护绝缘膜15，露出半导体活性层12的通道区域上的离子敏感绝缘膜14的表面，其他区域被环氧树脂覆盖。

将具有上述结构的TFT浸渍在作为感测对象物质16的MacIlvaine缓冲液内，并在MacIlvaine缓冲液中设置由铂形成的参照电极17。

对具有上述结构的TFT离子传感器102的漏电极13d施加1V，并将源电极13s和参照电极17设为接地电位(0V)。另外，大气中的TFT的Vg－Id特性偏移到正侧，因此为了获得适当的漏极电流值，对参照电极17施加2V。在这种偏置状态下，在－5V至+10V的范围内改变栅极电压，并在各pH的缓冲液中，在室温下测量Vg－Id特性。其结果，获得比由能斯特公式确定的理论界限59mV/pH高的感测灵敏度。

在如上所述的实施例1和实施例2中，在半导体活性层12、源电极13s以及漏电极13d形成之后，将离子敏感绝缘膜14沉积为与半导体活性层12的上表面接触。在半导体材料中，具有以下类型的半导体材料：当在其上直接沉积介电常数高的离子敏感绝缘膜14时，在界面上容易形成缺陷。在这种情况下， 在形成半导体活性层12、源电极13s以及漏电极13d之后，可以沉积使缺陷密度变得更小的绝缘膜，之后在其上沉积离子敏感绝缘膜14。如此，能够进一步提高灵敏度。

例如，在将氧化硅膜沉积为与In－Ga－Zn－O膜或硅半导体膜的上表面接触之后，可以在其上沉积氧化钽作为离子敏感绝缘膜14。在这种情况下，需要使由氧化硅膜和氧化钽膜的层叠膜构成的静电电容比栅极绝缘膜的静电电容大。

(实施例3)蚀刻终止型IGZO－TFT

图4是表示实施例3的TFT离子传感器103的剖视图。参照图4对作为第二示例性实施方式的变形例的实施例3进行说明。

在玻璃基板18上通过溅射对将钼作为主成分的合金材料进行沉积，并通过使用由抗蚀剂涂敷、曝光、显影、蚀刻、抗蚀剂剥离构成的光刻工艺来形成栅电极19。

接下来，通过使用等离子体CVD法在基板温度350℃下，在其上沉积200nm厚的氮化硅膜21并连续地沉积100nm厚的氧化硅膜22，将它们的300nm的层叠膜用作栅极绝缘膜。

接下来，通过溅射法，将由In－Sn－Zn－O构成的氧化物半导体膜23沉积为50nm厚，作为半导体活性层，并通过光刻工艺将其图案化成期望的岛状。在图案化之后，在空气中在400℃下进行1小时退火处理。

然后，通过等离子体CVD法沉积50nm厚的氧化硅膜，并通过光刻工艺形成期望形状的蚀刻终止膜24。

另外，通过溅射法沉积钼金属，并在抗蚀剂图案化之后，使用基于磷酸的溶液蚀刻钼金属，由此形成期望形状的源电极13s和漏电极13d。

之后，通过使用金属掩膜的溅射法，沉积200nm厚的钛酸锶膜，并在空气中在400℃下进行1小时退火处理，从而形成离子敏感绝缘膜14。钛酸锶膜的相对介电常数为大约50，而氮化硅膜和氧化硅膜的相对介电常数为7至4。因此，作为离子敏感绝缘膜14的钛酸锶膜和作为蚀刻终止膜24的氧化硅膜的层 叠膜的每单位面积的静电电容比由氧化硅膜22和氮化硅膜21的层叠膜构成的栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大。

之后，形成如下的结构：使用丙烯酸树脂作为保护绝缘膜15，露出氧化物半导体膜23的通道区域上的离子敏感绝缘膜14的表面，其他区域被丙烯酸树脂覆盖。

将具有上述结构的TFT浸渍在作为感测对象物质16的MacIlvaine缓冲液内，并在MacIlvaine缓冲液中设置由银/氯化银构成的参照电极17。

对具有上述结构的TFT离子传感器103的漏电极13d施加1.5V，并将源电极13s和参照电极17设为接地电位(0V)。另外，大气中的TFT的Vg－Id特性偏移到负侧，因此为了获得适当的漏极电流值，对参照电极17施加－3V。在这种偏置状态下，在－7V至+8V的范围内改变栅极电压Vg，并在室温下测量在各pH的缓冲液中的Vg－Id特性。其结果，获得比由能斯特公式确定的理论界限59mV/pH高的感测灵敏度。

在上述的实施例2和实施例3中，对使用氧化物半导体作为岛状的半导体活性层的情况进行了说明。但是，当使用氧化物半导体时，也可以使用氧化铝作为栅极绝缘膜。在使用氧化铝作为栅极绝缘膜的情况下，与使用氧化硅或氮化硅的情况相比，栅极绝缘膜和氧化物半导体之间的界面上的氧缺损等的缺陷密度变小。因此，能够实现更先进的TFT离子传感器。

另外，作为岛状的半导体活性层，也可以使用氢化非晶硅。在这种情况下，可通过插入将作为杂质的磷掺杂到氢化的无定形硅膜和源极-漏电极之间所获得的n型氢化非晶硅，来提高欧姆接触特性，由此提高检测用漏极电流值。另外，不仅可以使用无机物(诸如，氧化物半导体和氢化非晶硅)，还可以使用由有机物(诸如并五苯)构成的半导体活性层。

(实施例4)多晶硅－TFT

图5是表示实施例4的TFT离子传感器104的剖视图。参照图5对作为第二示例性实施方式的变形例的实施例4进行说明。

在玻璃基板18上通过溅射来沉积将钨作为主成分的合金材料，并通过使用 由抗蚀剂涂敷、曝光、显影、蚀刻、抗蚀剂剥离构成的光刻工艺来形成栅电极19。

接着，通过使用等离子体CVD法在基板温度350℃下，在其上沉积200nm厚的氧化硅膜，并将其用作栅极绝缘膜20。

接下来，通过等离子体CVD法，沉积50nm厚的氢化非晶硅膜。在400℃下通过退火进行脱氢处理以去除氢化非晶硅膜中的氢之后，对脱氢处理后的氢化非晶硅膜照射准分子激光，从而形成多晶硅膜。通过将多晶硅膜图案化成期望的岛状，形成多晶硅膜25。接下来，将硼导入到成为多晶硅膜25的源极-漏极区域的一部分，从而将该部分形成为p型区域。当然，可以通过将磷导入到该部分中来形成n型源极-漏极区域。

之后，通过使用金属掩膜的溅射法，沉积200nm厚的氧化钽膜，并在大气中在400℃下进行1小时退火处理，由此形成离子敏感绝缘膜14。氧化钽膜的相对介电常数为大约20，而氧化硅膜的相对介电常数为4。因此，作为离子敏感绝缘膜14的氧化钽膜的每单位面积的静电电容比由氧化硅膜形成的栅极绝缘膜20的每单位面积的静电电容大。

在相应于源极-漏极区域的氧化钽膜中形成接触孔。之后，通过溅射沉积钼。通过将钼膜图案化成期望的形状，形成与源极-漏极区域分别连接的源电极13s和漏电极13d。

之后，形成如下的结构：使用环氧树脂作为保护绝缘膜15，露出多晶硅膜25的通道区域上的离子敏感绝缘膜14的表面，其他区域被环氧树脂覆盖。

将具有上述结构的多晶硅TFT浸渍在作为感测对象物质16的MacIlvaine缓冲液内，并在MacIlvaine缓冲液中设置由铂构成的参照电极17。

对具有上述结构的TFT离子传感器104的漏电极13d施加0.5V，并将源电极13s和参照电极17设为接地电位(0V)。另外，在这种偏置状态下，在－2V至+7V的范围内改变栅极电压，并在各pH的缓冲液中，在室温下测量Vg－Id特性。其结果，获得比由能斯特公式确定的理论界限59mV/pH高的感测灵敏度。

(第三示例性实施方式)

图6A和图6B是表示根据第三示例性实施方式的TFT离子传感器105的剖视图。

如图6A所示，在形成有热氧化膜10的硅基板11上依次形成源电极13s和漏电极13d、岛状的半导体活性层12、栅极绝缘膜20、以及栅电极19。

另外，如图6B所示，在硅基板11上设置开口部61，以使位于半导体活性层12的下面的热氧化膜26露出。通过移除硅基板11的位于半导体活性层12的下面的部分，露出位于半导体活性层12下面的热氧化膜26。该露出的热氧化膜26用作离子敏感绝缘膜。另外，使热氧化膜10中的热氧化膜26部分露出，其他的部分被保护绝缘膜15覆盖。将具有这种结构的TFT设置在感测对象物质16内，并在感测对象物质16中设置参照电极17。

在具有上述结构的TFT离子传感器105中，离子敏感绝缘膜(热氧化膜26)的每单位面积的静电电容比栅极绝缘膜20的每单位面积的静电电容大，并根据Vg－lg特性的阈值电压的变化来检测感测对象物质16中的离子浓度变化。

在第三示例性实施方式中，离子敏感绝缘膜是热氧化膜26。因此，作为浸入感测溶液的原因的缺陷(诸如离子敏感绝缘膜中的针孔)的数量极少，因此能够提高生产量。第三示例性实施方式的其他结构、作用及效果与第一和第二示例性实施方式的结构、作用及效果相同。

(实施例5)

接下来，参照图6A和图6B对将第三示例性实施方式进一步具体化的实施例5进行说明。

如图6A所示，在形成有100nm厚的热氧化膜10的硅基板11上，通过溅射沉积将钼作为主成分的合金材料，并通过使用由抗蚀剂涂敷、曝光、显影、蚀刻、抗蚀剂剥离构成的光刻工艺来形成源电极13s和漏电极13d。

接下来，通过溅射法，将由In－Ga－Zn－O构成的氧化物半导体膜沉积为50nm厚，作为半导体活性层12，并通过光刻工艺图案化成期望的岛状。在图案化之后，在大气中在400℃下进行1小时退火处理。

然后，通过等离子体CVD法在350℃下沉积300nm厚的氧化硅膜，将其图案化以形成栅极绝缘膜20。

另外，通过溅射沉积钼金属，并在抗蚀剂图案化之后，使用基于磷酸的溶液蚀刻钼金属，由此形成期望形状的栅电极19。

如图6B所示，在硅基板11的背面上，将抗蚀剂图案化，通过蚀刻移除硅基板11的位于半导体活性层12的下面的部分，露出位于半导体活性层12的下面的热氧化膜26。

之后，形成如下的结构：仅露出位于半导体活性层12的下面的热氧化膜10的表面，其他部分被由环氧树脂构成的保护膜15覆盖。在这种结构中，暴露的热氧化膜26用作离子敏感绝缘膜。

由于离子敏感绝缘膜(热氧化膜26)和栅极绝缘膜20都是由相同材料制成的氧化硅膜，因此，为了使离子敏感绝缘膜(热氧化膜26)的静电电容比栅极绝缘膜20的静电电容大，将离子敏感绝缘膜(热氧化膜26)的膜厚形成为比栅极绝缘膜(等离子体CVD膜)20的膜厚薄。这种根据膜厚之差进行的电容值的控制也可在上述实施例1至实施例3中进行。

将具有上述结构的TFT浸渍在作为感测对象物质16的MacIlvaine缓冲液内，并在MacIlvaine缓冲液中设置由铂构成的参照电极17。

对具有上述结构的TFT离子传感器105的漏电极13d施加0.5V，将源电极13s和参照电极17设为接地电位(0V)。另外，在这种偏置状态下，在－2V至+7V的范围内改变栅极电压，从而在各pH的缓冲液中，在室温下测量Vg－Id特性。其结果，获得比由能斯特公式确定的理论界限59mV/pH高的感测灵敏度。另外，热氧化膜26极缜密并且几乎不具有针孔缺陷，因此能够实现高生产量。

(第四示例性实施方式)

图7A和图7B是表示根据第四示例性实施方式的TFT离子传感器106的剖视图。

如图7A所示，在由具有比氧化硅的相对介电常数更高的相对介电常数的材 料形成的绝缘基板27上依次形成源电极13s和漏电极13d、岛状的半导体活性层12、栅极绝缘膜20、以及栅电极19。

另外，如图7B所示，在绝缘基板27上，在半导体活性层12的相反侧设置凹部62，使得绝缘基板27的薄部(绝缘基板28)露出。即，通过移除位于岛状的半导体活性层12的下面的绝缘基板27的一部分，露出位于半导体活性层12的下面的残留的绝缘基板28。该露出的绝缘基板28用作离子敏感绝缘膜。另外，露出绝缘基板27中的绝缘基板28部分，并且绝缘基板28以外的部分被保护绝缘膜15覆盖。将具有这种结构的TFT设置在感测对象物质16内，并在感测对象物质16中设置参照电极17。

在具有上述结构的TFT离子传感器106中，使离子敏感绝缘膜(绝缘基板28)的每单位面积的静电电容比栅极绝缘膜20的每单位面积的静电电容大，并且根据Vg－Id特性的阈值电压的变化来检测感测对象物质16中的离子浓度的变化。

在第四示例性实施方式中，使用由单结晶构成的绝缘基板27，并将其用作离子敏感绝缘膜。因此，成为浸入感测溶液的原因的离子敏感绝缘膜中的缺陷(诸如针孔)的数量极少，因此可提高生产量。

(实施例6)

接下来，参照图7A和图7B对将第四示例性实施方式进一步具体化的实施例6进行说明。

如图7A所示，在作为由钛酸锶构成的厚度为0.3mm的单结晶基板的绝缘基板27上，通过溅射法将由In－Ga－Zn－O构成的氧化物半导体膜沉积为50nm厚，作为半导体活性层12，并通过光刻工艺将其图案化成期望的岛状。

然后，通过溅射沉积钛金属，并通过使用由抗蚀剂涂敷、曝光、显影、蚀刻、抗蚀剂剥离构成的光刻工艺来形成源电极13s和漏电极13d。在源电极13s和漏电极13d形成之后，在大气中在400℃下进行1小时退火处理。

接下来，通过使用等离子体CVD法，在350℃的基板温度下，将300nm厚的氧化硅膜沉积为栅极绝缘膜20。

另外，通过溅射沉积钼金属，并在抗蚀剂图案化之后，使用基于磷酸的溶液蚀刻钼金属，由此形成期望形状的栅电极19。

如图7B所示，在由钛酸锶单结晶构成的绝缘基板27的背面上，将抗蚀剂图案化，通过蚀刻以移除位于岛状的半导体活性层12的下面的绝缘基板27的一部分，由此残留厚度1μm的绝缘基板28。

之后，形成如下的结构：仅露出残留的绝缘基板28的表面，其他部分被由环氧树脂构成的保护膜15覆盖。在这种结构中，暴露的绝缘基板28用作离子敏感绝缘膜。要注意到，单结晶钛酸锶的相对介电常数为300，是非常大的，因此，即使当如上所述厚度为1μm时，由钛酸锶构成的离子敏感绝缘膜(绝缘基板28)的静电电容也比栅极绝缘膜20的静电电容大很多。

将具有上述结构的TFT浸渍在作为感测对象物质16的MacIlvaine缓冲液内，并在MacIlvaine缓冲液中设置由铂构成的参照电极17。

对具有上述结构的TFT离子传感器105的漏电极13d施加0.5V，将源电极13s和参照电极17设为接地电位(0V)。另外，在这种偏置状态下，在－2V至+7V的范围内改变栅极电压，并在各pH的缓冲液中，在室温下测量Vg－Id特性。其结果，获得比由能斯特公式确定的理论界限59mV/pH高得多的感测灵敏度。

这种高灵敏度起因于钛酸锶的极高的相对介电常数。另外，单结晶钛酸锶极缜密并且几乎不具有针孔缺陷，因此能够实现高生产量。第四示例性实施方式的其他的结构、操作及效果与第一至第三示例性实施方式的结构、操作及效果相同。

(第五示例性实施方式)

图8是表示根据第五示例性实施方式的TFT离子传感器107的剖视图。

在第五示例性实施方式中，对具有反向交错型(reverse-stagger type)氧化物半导体TFT作为基本结构并且被赋予对特定离子的敏感性的TFT离子传感器107进行说明。在TFT离子传感器107中，在离子敏感绝缘膜14的顶层上形成离子选择性敏感膜29，从而对特定离子赋予敏感性。离子选择性敏感膜29可大 致分成阳离子选择性敏感膜和阴离子选择性敏感膜。

作为阳离子选择性敏感膜，可以采用通过用树脂材料将具有成为配体的缬氨霉素等的多肽或冠醚作为基本骨架的化合物固化而得到的薄膜。但是，不仅限于此。配体是指与特定的受体特定地键合的物质。

对阳离子选择性敏感膜的制造方法进行说明。首先，将配体和成为阳离子选择性敏感膜的基础材料的树脂材料溶解于适当的有机溶剂中。作为基础材料，例如，可以使用聚氯乙烯。作为有机溶剂，例如可以使用四氢呋喃。但是，要注意的是材料和溶剂不仅仅限于此。

将溶解有所述配体和基础材料的有机溶剂滴下到离子敏感绝缘膜14的顶层，适当进行加热的同时使有机溶剂挥发变干。通过这种操作，可获得将配体固化而形成的薄膜。优选将薄膜的膜厚控制在10nm至1000nm的范围内。

通过使用这种阳离子选择性敏感膜作为离子选择性敏感膜29，能够提供对Na离子、K离子、Ca离子赋予特定的灵敏性的TFT离子传感器107。

作为阴离子选择性敏感膜，可以使用难溶性金属盐薄膜。作为金属盐薄膜，可以使用LaF₃、AgCl、AgBr、AgI、Ag₂S、或与它们相似的难溶性金属盐。但是，不仅限于此。为了形成阴离子选择性敏感膜，可以使用将粉末加压成形为薄膜的方法、或者将粉末溶解于适当的溶剂并进行旋转涂覆的方法。优选将薄膜的膜厚控制在10nm至1000nm的范围内。

通过使用这种阴离子选择性敏感膜作为离子选择性敏感膜29，能够提供对Ag离子、Cl离子、Br离子、S离子赋予特定的灵敏性的TFT离子传感器107。第五示例性实施方式的其他结构、操作和效果与第一至第四示例性实施方式的结构、操作和效果相同。

(第六示例性实施方式)

图9是表示根据第六示例性实施方式的TFT离子传感器108的剖视图。

在第六示例性实施方式中，对将具有作为基本结构的反向交错型氧化物半导体TFT的TFT离子传感器108进行说明、并通过将酶30固化到离子敏感绝缘膜14而对成为酶30的底物的物质赋予灵敏性。

通过在离子敏感绝缘膜14的顶层上形成具有对特定的生物物质的底物特定性的酶30，使TFT离子传感器108具备对特定的生物物质的敏感度，由此TFT离子传感器108具有生物传感功能。作为示例，在离子敏感绝缘膜14上固化酶30，并在离子敏感绝缘膜14的附近，促进酶与底物的反应。由此，TFT离子传感器108通过改变离子敏感绝缘膜14的附近的氢离子浓度并检测氢离子浓度的变化，来检测底物浓度。

该酶30用于提供对成为底物的特定生物物质的亲和力，并具有通过在离子敏感绝缘膜14的附近与底物进行反应生成氢离子作为副产物来改变离子敏感绝缘膜14的附近的氢离子浓度即pH的功能。如在第一示例性实施方式中所示，通过使用绝缘氧化膜作为离子敏感绝缘膜14，可以对氢离子提供敏感性。根据第六示例性实施方式，通过对由酶反应生成的氢离子进行量化，能够间接地测量浓度。

作为固化到离子敏感绝缘膜14的酶30，可使用脱氢酶，诸如葡萄糖脱氢酶、醇脱氢酶、醛脱氢酶、甘油脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、丙酮酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶等。通过选择适当的酶，能够应对各种测量对象。

为了将酶30固化，可使用自组装单层膜(以下称作“SAM(Self-Assembled Monolayer)膜”)。SAM膜通过使离子敏感绝缘膜14的羟基作为起点而链接，并作为与酶30之间的链接剂发挥作用。作为SAM膜的沉积方法，可使用旋转涂覆、浸涂、真空沉积。但是，沉积方法不限于此。作为SAM膜的材质，可使用经由硫醇基使金属表面改性的材料并且可使用硅烷偶联剂。但是，材料不限于此，只要能够获得适当的键合强度即可。

作为第六示例性实施方式的示例，在使用葡萄糖作为底物、使用葡萄糖脱氢酶作为酶30的情况下，在酶30所固化到的离子敏感绝缘膜14的附近促进以下的反应。

β-D-葡萄糖+NAD⁺→D-葡糖酸-1,5-内酯+NADH+H⁺

即，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)作为辅酶发挥功能，β-D-葡萄糖被氧化，并生成D-葡糖酸-1,5-内酯和氢离子。此时，生成的氢离子与β-D-葡萄糖等 量，因此可通过检测氢离子的变化来测量测试样品的β-D-葡萄糖度。第六示例性实施方式的其他结构、操作和效果与第一至第五示例性实施方式的结构、操作和效果相同。

(第七示例性实施方式)

图10是表示根据第七示例性实施方式的TFT离子传感器109的剖视图。

在第七示例性实施方式中，对具有作为基本结构的反向交错型氧化物半导体TFT的TFT离子传感器109进行了说明、并通过将生物物质固化到离子敏感绝缘膜14来对特定物质赋予敏感性。TFT离子传感器109设置有在离子敏感绝缘膜14的顶层上形成的具备对特定生物物质有亲和力的配体31。因此，其具有对特定生物物质的敏感性并包括生物传感功能。

配体31用于提供对特定生物物质的亲和力，其通过在离子敏感绝缘膜14的附近与具备亲和力的生物物质链接而引起离子敏感绝缘膜14的界面电位的变化。通过在下面形成的反向交错型氧化物半导体TFT来检测界面电位的变化，能够获取与配体31链接的生物物质的量。即，能够测量测试样本中包含的对象物质的浓度。

作为配体31，可使用糖、蛋白质、DNA(DeoxyriboNucleic Acid：脱氧核糖核酸)、RNA(RiboNucleic Acid：核糖核酸)等。例如，作为糖，可使用单糖(诸如葡萄糖、半乳糖、果糖、核糖等)、低聚糖及其结合而成的多聚糖。作为蛋白质，可使用酶、抗体、生物活性肽等。但是，所使用的蛋白质不限于此。另外，同样也可使用具备生物活性的糖－蛋白质复合体、糖－脂质复合体等。当使用DNA或RNA作为配体31时，离子传感器也可作为用于检测具有互补结构的DNA或RNA的部件使用。

作为第七示例性实施方式的示例，使用具备生物活性的糖链作为配体31时，离子传感器可作为用于检测具备对糖链的亲和力的凝集素的部件使用。反之，当使用凝集素作为配体31时，可通过综合评价对各种糖链的亲和力，将其应用于凝集素的底物特异性的评价。

作为第七示例性实施方式的示例，当使用抗体作为配体31时，离子传感器 可作为用于检测成为抗原的蛋白质的部件使用。反之，当使用抗原作为配体时，离子传感器也可作为用于探索有效的抗体的部件使用。

在使用蛋白质等的巨分子作为配体31的情况下，将为了提高检测敏感度而促进配体31和对象物质的链接的区域设定在德拜长度内是有效的。例如，当使用抗体作为配体31时，使用使仅具有与抗体链接的部位的分子的尺寸减小的变型是有效的。第七示例性实施方式的其他结构、操作及效果与第一至第六示例性实施方式的结构、操作及效果相同。

(第八示例性实施方式)

为了经由Vg－Id特性的变化检测在离子敏感绝缘膜表面上产生的双电层电位差，减小与离子敏感绝缘膜接触的半导体活性层的表面上的缺陷(即顶部通道的缺陷)是有效的。作为TFT离子传感器的特性，理想的是能够获得与双电层电位相对应的Vg－Id特性的平行漂移。但是，当在顶部通道中存在高密度的缺陷时，不能获得理想的平行漂移，并且在某些情况下双电层电位和Vg－Id特性漂移量之间的相关性可能中断。为了抑制顶部通道中的缺陷，尽可能抑制在制作工序中暴露于药剂和等离子体是重要的。例如，使用模板掩模是有效的。

通过使用顶部通道的缺陷密度不同的双栅结构TFT来说明对顶栅施加电压的敏感性的不同。要注意到，双栅结构是指具有除参照图1时由硅基板11构成的栅电极以外在离子敏感绝缘膜14上具有第二栅电极(顶栅电极)的结构。双栅结构TFT中施加顶栅电压是与TFT离子传感器中的离子敏感绝缘膜14表面上产生双电层电位等价的行为。

例如，通过形成岛状的半导体活性层12和离子敏感绝缘膜14之间的界面(顶部通道)而不暴露于等离子体、药液等，能够降低缺陷密度。为了实现该点，例如，具有使用模板掩模或金属掩膜将岛状的半导体活性层12、源电极13s以及漏电极13d沉积并形成为期望形状的方法。这种方法可用于图3至图5中所示的TFT离子传感器的情况。通过以这种方式减小顶部通道的缺陷密度，能够以更高生产量制造高灵敏度的TFT离子传感器。

另一方面，当岛状半导体活性层的表面被药液污染或者在加工的过程中被 等离子体损坏时，缺陷密度提高。例如，在图1所示的结构中在源电极13s和漏电极13d上进行蚀刻加工时，在某些情况下可能由于酸性溶剂或等离子体在岛状的半导体活性层12的表面上形成缺陷。

对缺陷密度不同的双栅结构TFT的顶栅电压的敏感性评价的结果进行说明。在顶部通道的缺陷密度低的双栅结构TFT中，施加正顶栅电压和负顶栅电压，观察Vg－Id特性的平行漂移。另一方面，在顶部通道的缺陷密度高的双栅结构TFT中，施加负顶栅电压，观察Vg－Id特性的平行漂移，但施加正顶栅电压，观察阈值特性下降，因此Vg－Id特性未发生平行漂移。即使在未观察到Vg－Id特性的平行漂移的情况下，当然能够获得实现高灵敏度的本发明的效果。为了根据Vg－Id特性的漂移来评价施加的顶栅电压，更优选使用具有低缺陷密度的双栅结构TFT，利用该具有低缺陷密度的双栅结构TFT，通过施加正负电压可获得Vg－Id特性的平行漂移。实现顶栅效果的倾向被反映到使用TFT作为基本结构的各示例性实施方式中所示的TFT离子传感器。因此，当然，减小顶部通道的缺陷密度对提高根据本发明的TFT离子传感器的灵敏度更有效。

作为顶部通道缺陷的定量指标，例如，具有在使用氧化物半导体作为岛状半导体活性层的情况下氧化物半导体表面上的链接状态。在对氧化物半导体上的源极-漏电极的图案化采用使用基于氟的气体(诸如，SF₆、CF₄等)的干式蚀刻的情况下，在氧化物半导体表面生成与氟的键合。这种现象可通过XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy：X射线光电子能谱)定量地评价，并且可观察为表示In3d5、Ga2p3、Zn2p3的键合的峰值向高能量侧的漂移。当氧化物半导体表面长时间暴露于Ar等离子体等时，In－O、Ga－O、Zn－O的键开裂，并在氧化物半导体表面上产生氧耗竭。这种现象可通过XPS定量地评价，并且可观察为表示In3d5、Ga2p3、Zn2p3的键的峰值向低能量侧的偏移。可根据偏移的峰值强度来估计缺陷密度。1×10²¹cm^-3或更小的缺陷密度是可取的。

如上所述，通过抑制可通过XPS定量地评价的顶部通道上的缺陷，可实现具有对双电层电位的高响应性的更高灵敏度的TFT离子传感器。

(第九示例性实施方式)

图11是表示根据第九示例性实施方式的TFT离子传感器装置110的电路图。在第九示例性实施方式中，对参照电极17施加用于源极电位的规定电位(在图11中对参照电极17施加与源极电位相同的电位)，并控制栅电极13g与源电极13s之间的电位差，使得规定的电流流经源电极13s和漏电极13d之间(在图11中，栅电极13g的电位固定，源电极13s的电位波动)，并读取由感测对象物质中的离子浓度引起的栅电极13g和源电极13s之间的电位差，来检测感测对象物质中的离子浓度。

TFT离子传感器72相当于从第一至第八示例性实施方式中所述的TFT离子传感器中移除电压检测单元、电流检测单元、电压控制单元及电流控制单元得到的结构。从TFT离子传感器装置110移除TFT离子传感器72得到的结构相当于所附权利要求的范围中“检测电路”的示例。电位计37和恒定电流电路73分别相当于图1等中所示的电压检测单元41和电压控制单元43的例子。

(实施例7)

参照图11对将第九示例性实施方式进一步具体化的实施例7进行说明。

恒定电压电路71包括第一运算放大器32和作为恒定电压源的第一齐纳二极管33，并使TFT离子传感器72的源电极13s和漏电极13d之间的电位差固定。在此，源电极13s和漏电极13d之间的电位差被固定于第一齐纳二极管33的反向击穿电压V1。

恒定电流电路73连接到源电极13s，使流经TFT离子传感器72的源电极13s和漏电极13d之间的电流固定。恒定电流电路73的主要构成元件是第二运算放大器34、第二齐纳二极管35、晶体管36以及第一电阻器81。在此，流经源电极13s和漏电极13d之间的电流值被固定于电流值I1，电流值I1是第二齐纳二极管35的反向击穿电压V2除以第一电阻器81的电阻值R1得到的值。 

具体的电路结构如下所述。TFT离子传感器72的栅电极13g连接到直流电压源74(栅极电压Vg)的其中一个节点，直流电压源74的另一个节点连接到地。TFT离子传感器72的源电极13s连接到参照电极17。TFT离子传感器72的漏电极13d通过第二电阻器82(电阻值R2)连接到直流电压源75(供给电压 Vdd)。TFT离子传感器72的源电极13s连接到第一运算放大器32的非反相输入节点，第一运算放大器32的反相输入节点连接到第一运算放大器32的输出节点。由此，第一运算放大器32作为电压跟随器电路进行动作。第一运算放大器32的输出节点用作TFT离子传感器装置110的输出端子。为了读取该输出电压Vout，连接电位计37。第一运算放大器32的反相输入节点连接到第一齐纳二极管33的正极，第一齐纳二极管33的负极连接到TFT离子传感器72的漏电极13d。

TFT离子传感器72的源电极13s连接到晶体管36的漏极节点，晶体管36的源极节点通过第一电阻器81(电阻值R1)连接到地。晶体管36的栅电极连接到第二运算放大器34的输出节点，第二运算放大器34的反相输入节点连接到晶体管36的源极节点。第二运算放大器的非反相输入节点连接到第二齐纳二极管35的负极节点，第二齐纳二极管35的正极节点连接到地，第二齐纳二极管35的负极节点通过第三电阻器83(电阻值R3)连接到直流电压源75。

对将TFT离子传感器72的源电极13s的电位作为基准而使用TFT离子传感器装置110执行的测量法进行描述。图12的横轴表示将源电极13s的电位作为基准的栅极-源极电压Vgs，作为栅电极13g的电位。另外，纵轴表示流经源电极13s和漏电极13d之间的源极-漏极电流Id。即，在此示意性表示Vgs－Id特性。

在此，要注意到，源电极13s和漏电极13d之间的电位差如上所述被固定在V1。当感测对象物质中的离子浓度变化并且感测对象物质和离子敏感绝缘膜14之间的界面、即离子敏感绝缘膜表面14a上的双电层电位差Vedl变化为+0.1V、0V、－0.1V时，为了流经被恒定电流电路73固定的电流值I1，栅极-源极电压Vgs变化为1.5V、1V、0.5V。TFT离子传感器装置110的输出电压Vout与源极电压Vs相等。另外，栅极-源极电压Vgs与栅极电压Vg和源极电压Vs之差相等。因此，输出电压Vout与栅极电压Vg和栅极-源极电压Vgs之差相等。

因此，在各种离子浓度中，用电位计37读取为了流经恒定电流I1输出电压Vout如何变化与读取为了流经恒定电流I1栅极-源极电压Vgs如何变化是相同 的。这正是检测各种离子浓度中的Vg－Id特性的漂移量(如图2中所示)。

在实施例7中，源电极13s和漏电极13d之间的电压固定。因此，还实现了在饱和区域和线性区域这两者中高精度测量TFT的输出特性的这样的效果。

当使用TFT的饱和区域的特性来进行测量时，可进一步简化图11中所示的电路。例如，可将图11中所示的第一齐纳二极管33删除，可将恒定电压源75经由第二电阻器82连接到漏电极13d。或者，可将图11中所示的第一齐纳二极管33和第二电阻器82删除，并可将恒定电压源75直接连接到漏电极13d。

如上所述，通过将在第一至第八示例性实施方式中所述的TFT离子传感器用于图11中所示的第九示例性实施方式的TFT离子传感器72，可实现展现比相关技术的敏感度更高的敏感度的TFT离子传感器装置110。

接下来，说明在根据第九示例性实施方式的TFT离子传感器中通过底栅电场和顶栅电场之间的相互作用和电容差来放大双电层电位差的现象。

设源极-漏极电流为Id，源自底栅电场的源极-漏极电流为Id1，源自顶栅电场的源极-漏极电流为Id2，漏极电压为Vd，栅极-源极电压为Vgs，载流子引起的阈值电压为Vt，双电层电位差为Vedl，栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容为C，离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容为nC(其中n＞1)，载流子的迁移率为μ，沟道宽度为W，沟道长度为L，源极-漏极电流Id、Id1、Id2分别由下式近似。

Id＝Id1+Id2  …(1)

Id1＝(WμC/L){(Vgs－Vt)Vd－Vd²/2}  …(2)

Id2＝n(WμC/L){(Vedl－Vt)Vd－Vd²/2}  …(3)

当将式(2)、(3)带入到式(1)中并整理时，可得到下式。

Id＝(WμC/L){(Vgs－Vt)Vd－Vd²/2}+n(WμC/L){(Vedl－Vt)Vd－Vd²/2}

∴Id/(WμC/L)＝Vd(Vgs+nVedl)－Vt·Vd(n+1)－Vd²(n+1)/2

∴Vgs+nVedl＝Id/(VdWμC/L)+Vt(n+1)+Vd(n+1)/2  …(4)

在第九示例性实施方式中，公式(4)的右边为常数，因此下式成立。

Vgs+nVedl＝常数  …(5)

当双电层电位差Vedl变化ΔV时，由上式(5)显而易见的是，栅极-源极电压Vgs变化“－ΔV”的n倍。

在图12中所示的例子中，当Vedl＝0时，Vgs＝1。因此，式(5)的右边始终为“1”。在这种情况下，假设在式(5)中n＝5，则如图12所示Vedl＝0.1时Vgs＝0.5、Vedl＝－0.1时Vgs＝1.5。

另外，在栅极-源极电压Vgs固定并且源极-漏极电流Id可变的情况下，可得到下式。

Id＝Id1+Id2

＝Id1(常数)+n(WμC/L){(Vedl－Vt)Vd－Vd²/2}  …(6)

由式(6)显而易见的是，通过使离子敏感绝缘膜的静电电容为栅极绝缘膜的静电电容的n倍，与将离子敏感绝缘膜的静电电容设为与栅极绝缘膜的静电电容相等的情况相比，能够相对于双电层电位差Vedl的变化，将源极-漏极电流Id的变化(即，敏感度)提高n倍。

虽然参照各示例性实施方式对本发明进行了说明，但本发明不仅仅限于上述各实施方式。可对本发明的结构和细节施加对于本领域的技术人员而言能够想到的各种变化和变更。另外，本发明包括通过将上述的各示例性实施方式的结构的一部分或全部相互适当组合得到的结构。

虽然示例性实施方式的一部分或全部可总结为以下的附录，但本发明不仅仅限于以下的结构。

[附录1]

一种TFT离子传感器，包括：

半导体活性层，源电极和漏电极连接至所述半导体活性层；

栅极绝缘膜和栅电极，所述栅极绝缘膜和所述栅电极设置在所述半导体活性层的一个表面上；

离子敏感绝缘膜，所述离子敏感绝缘膜设置在所述半导体活性层的另一表 面上；以及

参照电极，所述参照电极设置在与所述离子敏感绝缘膜在空间上分离的位置上，

其中：

所述离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大；并且

所述TFT离子传感器还包括电压检测单元，所述电压检测单元用于读取所述源电极和所述栅电极之间的电位差。

[附录2]

一种TFT离子传感器，包括：

半导体活性层，源电极和漏电极连接至所述半导体活性层；

栅极绝缘膜和栅电极，所述栅极绝缘膜和所述栅电极设置在所述半导体活性层的一个表面上；

离子敏感绝缘膜，所述离子敏感绝缘膜设置在所述半导体活性层的另一表面上；以及

参照电极，所述参照电极设置在与所述离子敏感绝缘膜在空间上分离的位置上，

其中：

所述离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大，并且

所述TFT离子传感器还包括电流检测单元，所述电流检测单元用于读取流经所述源电极或所述漏电极的电流。

[附录3]

如附录1所述的TFT离子传感器，其中，

所述源电极与所述栅电极之间的电位差是通过使所述离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容除以所述栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容得到的比值、乘以所述离子敏感绝缘膜与设置在所述离子敏感绝缘膜上的感测对象物质 之间产生的电位差得到的电位差。

[附录4]

如附录1或3所述的TFT离子传感器，还包括电压控制单元，所述电压控制单元控制所述源电极和所述栅电极之间的电位差，使得恒定电流流经所述源电极和所述漏电极之间。

[附录5]

如附录2所述的TFT离子传感器，还包括电流控制单元，所述电流控制单元控制流经所述源电极和所述漏电极之间的电流，使得所述栅电极和所述源电极之间的电位差变得恒定。

[附录6]

如附录1至5中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

在基板上依次设置有所述栅电极、所述栅极绝缘膜、所述半导体活性层、所述源电极和所述漏电极、以及所述离子敏感绝缘膜。

[附录7]

如附录1至5中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

在硅基板上依次设置有热氧化膜、所述源电极和所述漏电极、所述半导体活性层、所述栅极绝缘膜、以及所述栅电极，并且

在所述硅基板中设置有开口部，以使位于所述半导体活性层的下面的所述热氧化膜露出。

[附录8]

如附录1至5中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

在绝缘基板上依次设置有所述半导体活性层、所述源电极和所述漏电极、所述栅极绝缘膜、以及所述栅电极，并且

在所述绝缘基板上，在所述半导体活性层的相反侧设置凹部，使得所述绝缘基板的薄部露出。

[附录9]

如附录1至8中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

所述离子敏感绝缘膜是由从氧化钽、氧化铪、氧化铝、钛酸钡、钛酸锶和氮化硅中选择的一者形成的单层膜、或者是由氧化钽、氧化铪、氧化铝、钛酸钡、钛酸锶和氮化硅中的两者或更多者形成的层叠膜。

[附录10]

如附录1至9中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

在所述离子敏感绝缘膜上层叠对特定离子敏感的选择性离子敏感膜。

[附录11]

如附录1至9中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

在所述离子敏感绝缘膜上固化通过与底物发生反应而改变离子敏感绝缘膜附近的氢离子浓度的酶。

[附录12]

如附录1至9中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

在所述离子敏感绝缘膜上设置对特定生物物质敏感并通过与所述生物物质的相互作用产生电位变化的蛋白质、糖、DNA或RNA。

[附录13]

如附录1至12中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

所述栅极绝缘膜和所述离子敏感绝缘膜由实质上相同的材料形成，并且

所述栅极绝缘膜的膜厚比所述离子敏感绝缘膜的膜厚大。

[附录14]

如附录1至12中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

所述离子敏感绝缘膜的实质构成材料的相对介电常数比所述栅极绝缘膜的实质构成材料的相对介电常数大。

[附录15]

如附录1至14中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

在所述半导体活性层中不产生空穴的积聚。

[附录16]

如附录1至15中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

所述半导体活性层由氧化物半导体形成。

[附录17]

如附录1至16中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

所述栅极绝缘膜的所述实质构成材料是由从氧化硅、氮化硅以及氧化铝中选择的一者形成的单层膜、或者是由氧化硅、氮化硅以及氧化铝中的两者或更多者形成的层叠膜。

[附录18]

如附录1至17中任一项所述的TFT离子传感器，其中，

所述半导体活性层和所述离子敏感绝缘膜之间的界面中的缺陷密度被抑制到1×10²¹cm^-3或更小。

[附录19]

一种TFT离子传感器装置，包括：

TFT离子传感器，所述TFT离子传感器包括：半导体活性层，源电极和漏电极连接至所述半导体活性层；栅极绝缘膜和栅电极，所述栅极绝缘膜和所述栅电极设置在所述半导体活性层的一个表面上；离子敏感绝缘膜，所述离子敏感绝缘膜设置在所述半导体活性层的另一表面上；以及参照电极，所述参照电极设置在与所述离子敏感绝缘膜在空间上分离的位置上，其中，所述离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大；以及

检测电路，所述检测电路通过以所述源电极的电位为基准向所述参照电极提供恒定电位，在所述源电极和所述漏电极之间提供恒定电位差，控制所述栅电极和所述源电极之间的电位差使得恒定电流流经所述源电极和所述漏电极之间，并输出所述栅电极和所述源电极之间的电位差或者与该电位差相对应的电压。

[附录20]

如附录19所述的TFT离子传感器装置，其中，

所述检测电路包括使所述源电极和所述漏电极之间的电位差固定的恒定电 压电路以及与所述源电极连接的恒定电流电路；

所述恒定电压电路包括输入节点连接到所述源电极的电压跟随器电路、以及一端连接到所述电压跟随器电路的输出节点且另一端连接到所述漏电极的恒定电压源；并且

所述电压跟随器电路的输出电压被输出作为与所述栅电极和所述源电极之间的电位差相对应的电压。

[附录21]

一种使用TFT离子传感器的测量方法，所述TFT离子传感器包括：半导体活性层，源电极和漏电极连接至所述半导体活性层；栅极绝缘膜和栅电极，所述栅极绝缘膜和所述栅电极设置在所述半导体活性层的一个表面上；离子敏感绝缘膜，所述离子敏感绝缘膜设置在所述半导体活性层的另一表面上；以及参照电极，所述参照电极设置在与所述离子敏感绝缘膜在空间上分离的位置上，其中，所述离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大，所述方法包括：

使用感测对象物质填充所述离子敏感绝缘膜和所述参照电极之间的空间；

控制所述源电极和所述栅电极之间的电位差，使得恒定电流流经所述源电极和所述漏电极之间；以及

读取所述源电极和所述栅电极之间的电位差。

[附录22]

一种使用TFT离子传感器的测量方法，所述TFT离子传感器包括：半导体活性层，源电极和漏电极连接至所述半导体活性层；栅极绝缘膜和栅电极，所述栅极绝缘膜和所述栅电极设置在所述半导体活性层的一个表面上；离子敏感绝缘膜，所述离子敏感绝缘膜设置在所述半导体活性层的另一表面上；以及参照电极，所述参照电极设置在与所述离子敏感绝缘膜在空间上分离的位置上，其中，所述离子敏感绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大，所述方法包括：

用感测对象物质填充所述离子敏感绝缘膜和所述参照电极之间的空间；

控制流经所述源电极和所述漏电极之间的电流，使得所述栅电极和所述源电极之间的电位差变得恒定；以及

读取流经所述源电极或所述漏电极的电流。

工业实用性 

作为本发明的可能的工业实用性，可考虑与生物、医疗、环境领域关联的高敏感度离子传感器元件。特别地，通过使用未产生空穴的积聚且容易产生完全耗尽型特性的氧化物半导体TFT，能够获得由本发明实现的高敏感度感知特性。另外，氧化物半导体对可见光是透明的，因此在可见光照射状态下氧化物半导体TFT的特性也与黑暗状态下的特性无差异。这与可见光照射状态和黑暗状态下电气特性不同的硅类TFT显著不同。通过利用氧化物半导体的这种特征，本发明可用于在黑暗状态和可见光照射状态这两者中能够进行高灵敏度感知的离子传感器。