CN105301079B - 用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法，所述的半导体器件包括衬底、设置于衬底上的源极、漏极，所述的半导体器件还包括对所述的待测物的离子活度的灵敏度不同的第一离子敏感膜与第二离子敏感膜，且所述的待测物设置于所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜之间，所述的第一离子敏感膜设置于所述的衬底上，所述的第二离子敏感膜与栅电源相连接，在一种优选的实施方式中还引入了梳齿电容。采用该种结构的用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法，省略了参比电极，引入了两个不同的离子敏感膜，准确地测量出待测物的离子活度，结构简单，成本低，具有较广泛的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及半导体器件，具体是指一种用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法。
背景技术
待测物的性质对其中发生的物理化学过程有直接影响，特别是，例如在生物领域中，电解质的离子活度及介电特性直接影响其中的生物过程，又例如在石油、润滑油等领域，其裂化度对使用该石油、润滑油的机械、装置等的性能和耐久性及节能性有巨大的影响。因此需要一种简单且准确的装置和方法实现对液体性质的检测。现有技术中通常使用半导体器件对待测物进行检测，具体如下：
首先，请参阅图1所示，为现有技术中的用于离子活度检测的半导体器件的结构示意图。其中包括半导体衬底B，以及位于所述的衬底上通过掺杂形成的源极S和漏极D，所述的衬底B上设置有离子敏感膜3，所述的离子敏感膜3与待测物2相接触，在所述的待测物2中插设有参比电极1，基于上述的结构，实现对待测物2中的离子活度的检测，其等效电路图如图2所示，其中参比电极1与待测物2的接触界面的电势差为ψME，待测物2与离子敏感膜3的接触界面形成的双电荷层的电势差为ψEDL，其中图1中所述的离子敏感膜3与待测物2及半导体部分一起等效为一电容，相当于MOSFET的介电层电容，离子敏感膜即为介电层，所述的双电荷层等效为第一电容4。请参阅图3所示，为现有技术中用于离子活度检测的半导体器件的电势变化图。现有技术中需要保证待测物2即电解质中的电势保持不变，这样才能够准确地测得待测物2的离子活度，而待测物2中的电势保持不变，现有技术中通常使用参比电极来实现待测物2中的电势不变。
现有技术中的参比电极分为传统型参比电极、惰性金属型参比电极、差分型差比电极以及其他参比电极。
A、传统型参比电极是基于热力学理论，其理论体系完整，但受缓冲液的限制，寿命较短。以Ag/AgCl参比电极为例，其中需要保持水溶液中的Cl-离子浓度不变，即保证参比电极1与待测物2的接触界面的电势差为ψME不变，而由于水溶液中的离子与Ag/AgCl参比电极的化学反应，通常无法准确地保证Cl-离子浓度不变，给测试带来了系统误差。
B、惰性金属型参比电极，物理化学性质稳定，但直接与待测物2接触，电势不稳定。
C、差分型参比电极，其理论简单，但工艺复杂，缺少优良的钝化材料。
D、其他参比电极，背部引入栅电极的做法可以避免栅电极与待测物直接接触，但是由于这种结构基于SOI硅片，氧化隔离层较厚，需要在栅极上施加较高的电压，这无形中增加了器件的噪声信号，整体上会使器件的可靠性降低，其他聚合物参比电极机理复杂，电势不稳定。
因此，上述的现有技术虽然在各个领域已经取得了较好的效果，但是仍然存在以下问题：
(1)现有技术的半导体器件对待测物的离子活度的测定，需要保持参比电极提供至待测物的电压不变，但是要保持参比电极的电压不变，其测试手段非常复杂，并且准确性和重复性有待优化，应用范围受限。
(2)另外，现有技术中的半导体器件对待测物的离子活度的测定离不开参比电极，而由于传统参比电极体积较大，且材料成本较高，不利于大规模的应用。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种不需要参比电极即可准确测得待测物的离子活度的用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法。
为了实现上述目的，本发明的用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法具有如下构成：
该用于待测物离子活度检测的半导体器件，其主要特点是，所述的半导体器件包括衬底、设置于衬底上的源极、漏极，所述的半导体器件还包括对所述的待测物的离子活度的灵敏度不同的第一离子敏感膜与第二离子敏感膜，且所述的待测物设置于所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜之间，所述的第一离子敏感膜设置于所述的衬底上，所述的第二离子敏感膜与栅电源相连接。
进一步地，所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜对所述的待测物的离子活度的灵敏度至少相差10mV/dec。
更进一步地，所述的第二离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石；且所述的第一离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5；或者
所述的第二离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石，且所述的第二离子敏感膜与所述的栅电源之间设置有一绝缘介质层；且所述的第一离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5，且所述的第一离子敏感膜与衬底之间设置有一绝缘介质层。
更进一步地，所述的第一离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石；且所述的第二离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5；或者
所述的第一离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石，且所述的第一离子敏感膜与所述的衬底之间设置有一绝缘介质层；且所述的第二离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5，且所述的第二离子敏感膜与所述的栅电源之间设置有一绝缘介质层。
进一步地，所述的第一离子敏感膜与所述的衬底之间设置有栅极绝缘层以及栅电极，所述的栅极绝缘层设置于所述的衬底上，所述的栅电极设置于所述的栅极绝缘层上，所述的第一离子敏感膜设置于所述的栅电极上。
更进一步地，所述的栅电极为一金属层；或者所述的栅电极为设置于一绝缘层中的数层互联的金属层，且所述的数层互联的金属层介于所述的栅极绝缘层以及所述的第一离子敏感膜之间。
本发明还涉及一种用于待测物离子活度检测的半导体器件，其主要特点是，所述的半导体器件包括衬底、设置于衬底上的源极、漏极、栅极绝缘层以及栅电极；所述的栅极绝缘层设置于所述的衬底上，所述的栅极绝缘层上设置有栅电极，所述的半导体器件还包括梳齿电容以及对所述的待测物的离子活度的灵敏度不同的第一离子敏感膜与第二离子敏感膜，所述的梳齿电容包括第一组梳齿电极以及第二组梳齿电极，所述的第一组梳齿电极均与所述的栅电极相连接，所述的第二组梳齿电极均与栅电源相连接，所述的第一组梳齿电极包裹有第一离子敏感膜，所述的第二组梳齿电极包裹有第二离子敏感膜，且所述的梳齿电容浸没于所述的待测物中。
进一步地，所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜对所述的待测物的离子活度的灵敏度至少相差10mV/dec。
更进一步地，所述的第二离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石；且所述的第一离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5。
更进一步地，所述的第一离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石；且所述的第二离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5。
本发明还涉及一种待测物的离子活度的检测的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)使所述的待测物与所述的第一离子敏感膜和所述的第二离子敏感膜相接触，且所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜对所述的待测物的离子活度的灵敏度不同；
(2)根据所述的半导体器件的输出获取所述的待测物的离子活度。
进一步地，所述的步骤(2)具体为：
在所述的栅电源和源极之间施加一恒定的第一电压，且在所述的源极和漏极之间施加一恒定的第二电压；检测在所述的漏极和所述的源极之间流过的电流以获取所述的待测物的离子活度。
进一步地，所述的步骤(2)具体为：
在所述的栅电源和源极之间施加一恒定的第三电压，且在所述的源极和漏极之间施加一恒定的第一电流，检测所述的半导体器件的源极和漏极之间的电压以获取所述的待测物的离子活度。
采用了该发明中的用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法，省略了参比电极，引入了两个不同的离子敏感膜，即敏感膜具有不同的灵敏度，从而在两个不同的离子敏感膜与待测物的接触界面产生的双电荷层的电势差不同，两种敏感膜表面的界面电势差不可抵消，从而使得在不同离子活度下，该半导体器件的阈值电压不同，从而可以通过阈值电压的改变，准确地测量出待测物的离子活度，结构简单，成本低，具有较广泛的应用范围。
附图说明
图1为现有技术中的用于离子活度检测的半导体器件的结构示意图。
图2为图1的等效电路图。
图3为现有技术中用于离子活度检测的半导体器件的电势变化图。
图4为本发明的第一具体实施例的结构示意图。
图5a为图4的等效电路图。
图5b为图4的俯视图。
图6为本发明的半导体器件的工作电势图。
图7为本发明的第二具体实施例的结构示意图。
图8为图7的等效电路图。
图9为本发明的基于第二具体实施例中一更为优选的实施例的结构示意图。
图10为本发明的第三具体实施例的结构示意图。
图11a为本发明的半导体器件梳齿电容制造部分第一次光刻示意图。
图11b为本发明的半导体器件梳齿电容制造部分第二次光刻前的状态示意图。
图11c为本发明的半导体器件梳齿电容制造部分第二次光刻后的状态示意图。
其中，
1 参比电极
2 待测物
3 离子敏感膜
31 第一离子敏感膜
32 第二离子敏感膜
4 第一电容
5 金属层
6 第二电容
7 第三电容
8 第四电容
9 栅极绝缘层
10 栅电极
11 第五电容
12 梳齿电容
13 玻璃衬底
14 绝缘区
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
在详细说明根据本发明的实施例前，应该注意到的是，所述实施例主要在于与用于待测物离子活度检测的半导体器件有关的方法步骤和设备组件的组合。因此，所属设备组件和方法步骤已经在附图中通过常规符号在适当的位置表示出来了，并且只示出了与理解本发明的实施例有关的细节，以免因对于得益于本发明的本领域普通技术人员而言显而易见的那些细节而模糊了本公开内容。
在本文中，诸如左和右，上和下，前和后，第一和第二之类的关系术语仅仅用来区分一个实体或动作与另一个实体或动作，而不一定要求或暗示这种实体或动作之间的任何实际的这种关系或顺序。术语“包括”、“包含”或任何其他变体旨在涵盖非排他性的包含，由此使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包含这些要素，而且还包含没有明确列出的其他要素，或者为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
为了便于本领域技术人员的理解，本发明的基本思路是在检测待测物2的离子活度的时候，去掉参比电极1，以简化检测过程，提高检测结果的准确性，为此，本发明的基本原理是，引入两层不同的离子敏感膜，基于两层不同的离子敏感膜与待测物2的接触界面产生的双电荷层的界面电势差的大小的不同，两种敏感膜表面的界面电势差不可抵消，以使得该用于待测物离子活度检测的半导体器件的阈值电压Vth变化，从而将待测物2的离子活度的变化转换为该用于待测物离子活度检测的半导体器件的阈值电压Vth的变化，以将不能直接检测的物理量转换为方便检测的物理量，而后通过该半导体器件的读出电路将阈值电压Vth的变化转换成电流或者电压输出，从而将离子活度的变化转换为电信号。
在实际应用中，请参阅图4至图5b所示，图4为本发明的第一具体实施例的结构示意图。图5a为图4的等效电路图，图5b为图4在实际工艺流程中的俯视图。其中，本发明的该半导体器件包括衬底B、衬底上通过掺杂而形成的源极S以及漏极D，所述的半导体器件还包括第一离子敏感膜31和第二离子敏感膜32，所述的第一离子敏感膜31设置于所述的衬底B上，所述的第二离子敏感膜32通过一金属层5与栅电源VG相连接，所述的第一离子敏感膜31与所述的第二离子敏感膜32之间设置有待测物2，其中所述的第一离子敏感膜31与所述的第二离子敏感膜32为不同的离子敏感膜。并且第一离子敏感膜31与第二离子敏感膜32之间应该有绝缘区14阻隔开，防止在没有待测物2在其中时候通电导通，否则检测待测物2时，电势由栅电源控制，测量失效。
在该实施例中，可以将第一离子敏感膜31、衬底B、源极S、漏极D以及待测物2看成是一个完整的晶体管，只是该晶体管的栅极绝缘层为第一离子敏感膜31。
在该第一具体实施例中，首先，所述的衬底B为半导体衬底，在所述的半导体衬底上掺杂形成源极S和漏极D；在一种优选的实施方式中，所述的半导体衬底为P型半导体，所述的源极S和所述的漏极D为N型半导体；在另外的一种优选的实施方式中，所述的半导体衬底为N型半导体，所述的源极S和所述的漏极D为P型半导体。
此外，在一种优选的实施方式中，所述的第一离子敏感膜31为单层绝缘介质层，所述的第一离子敏感膜31的材料为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5。在另外一种优选的实施方式中，所述的第一离子敏感膜31下方，与所述半导体衬底B或所述半导体衬底B上的栅电极(见第二具体实施例及第三具体实施例)相接触的层为一绝缘介质层，通常是半导体工艺里常用的绝缘介质层如二氧化硅SiO2等，最表层，即与所述的待测物相接触的一层为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5；所述的第二离子敏感膜32为SU-8、Teflon及Parylene等有机物、或者金、金刚石等，或者对电极材料(如金)或绝缘层表面进行修饰，将烷基等连接至绝缘层(通常是氧化层)表面，且使得经过修饰后的表面离子敏感度大大减小的有机物，SU-8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线(350nm～400nm)光刻胶；Teflon是聚四氟乙烯，即特氟龙，因此在该种优选的实施方式中，该第二离子敏感膜32也可以称为非离子敏感膜，所述的第二离子敏感膜32为对待测物2的离子活度不敏感的离子敏感膜，并且同样在第二离子敏感膜下方有一层绝缘介质层，如SiO2等。
在另外的一种优选的实施方式中，所述的第二离子敏感膜32为单层绝缘介质层，所述的第二离子敏感膜32的材料为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5。在另外一种优选的实施方式中，所述的第二离子敏感膜32下还有一层绝缘介质层，如二氧化硅SiO2等，最表层，即与所述的待测物相接触的一层为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝AI2O3或五氧化钽Ta2O5；所述的第一离子敏感膜31为SU-8、Teflon及Parylene等有机物，或者金、金刚石，或者对电极材料(如金)或绝缘层表面进行修饰，将烷基等连接至绝缘层(通常是氧化层)表面，且使得经过修饰后的表面离子敏感度大大减小的有机物，SU-8胶是一种负性、环氧树脂型、近紫外线(350nm～400nm)光刻胶；Teflon是聚四氟乙烯，即特氟龙，因此在该种实施方式中，该第一离子敏感膜31也可以称为非离子敏感膜，所述的第一离子敏感膜31为对待测物2的离子活度不敏感的离子敏感膜，并且同样，在第一离子敏感膜下方与所述半导体衬底B或所述半导体衬底B上的栅电极(见第二具体实施例及第三具体实施例)相接触的层为一绝缘介质层如二氧化硅SiO2等。
在第三种优选的实施方式中，所述的第一离子敏感膜31与所述的第二离子敏感膜其对离子的敏感度至少相差10mV/dec(包含10mV/dec)，例如当检测待测物2的pH时，第一离子敏感膜31以及第二离子敏感膜32其对待测物的敏感度至少相差10mV/dec。为了说明本发明的半导体器件的工作原理，特别是第一离子敏感膜31与第二离子敏感膜32的选取原因，请参见图6所示，图6为本发明的半导体器件的工作电势图。首先，需要说明的一点是，在离子敏感膜与待测物2的接触界面会产生一双电荷层EDL，该双电荷层EDL存在一定的电势差ψEDL，该电势差ψEDL的大小与该离子敏感膜的类型有关。
请参阅图6并结合图5a所示，其中图4中的第二离子敏感膜32、与第二离子敏感膜32连接的金属层5以及待测物2等效为图5a中的第二电容6，所述的第一离子敏感膜31与待测物2的接触界面产生的第一双电荷层等效为图5a中的第三电容7，所述的第二离子敏感膜32与待测物2接触界面产生的第二双电荷层等效为图5a中的第四电容8。
其中，在实际应用中，当栅电源VG通电后，其电势走向如图6所示，由于第一离子敏感膜31与第二离子敏感膜32为对待测物2中的离子的敏感度不同的离子敏感膜，因此其产生的双电荷层EDL(包括第一双电荷层以及第二双电荷层)的界面电势差ψEDL不同，且如果假设第一双电荷层的电压方向为从待测物2至第一离子敏感膜31，则第二双电荷层的电压方向为从第二离子敏感膜32至待测物2，因此其电势差是相互部分抵消的，反映在图6中为第一双电荷层的电势差ψEDL1以及第二双电荷层的电势差ψEDL2。
当待测物2的离子活度发生变化时，电势差ψEDL1以及电势差ψEDL2会分别发生改变，且因为两种离子敏感膜不同，ψEDL改变的大小也不同，从而导致阈值电压Vth发生改变，进而通过一些方式检测阈值电压Vth的变化就会测得待测物2的离子活度的变化。
在本发明中，可以基于上述结构采用多种方式检测阈值电压Vth的变化，从而测得待测物2的离子活度的变化，为了使得本领域技术人员对本发明所提出的该用于待测物离子活度检测的半导体器件有更深入的了解，本发明中提出了一种基于该半导体器件以检测离子活度的方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)使所述的待测物与所述的第一离子敏感膜和所述的第二离子敏感膜相接触，且所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜对所述的待测物的离子活度的灵敏度不同；
(2)根据所述的半导体器件的输出获取所述的待测物的离子活度。
其中，在步骤(2)中针对半导体器件的输出不同，本发明又提出了两种不同的方法，但该两种方法并不是本发明中仅有的方法，本领域技术人员还可以依据本发明的基本思路，提出其他的方法以通过检测阈值电压Vth的变化测得待测物2的离子活度。
本发明的待测物的离子活度的检测的第一种方法为：
在所述的栅电源VG和源极S之间施加一恒定的第一电压，且在所述的半导体器件的源极S和漏极D之间施加一恒定的第二电压；检测在所述的漏极D和所述的源极S之间流过的电流以获取所述的待测物2的离子活度；该种方法即栅源电压VGS(即栅电源VG与所述的源极S之间的电压VGS)和漏源电压VDS一定，通过检测漏源电流IDS来获取所述的待测物2的离子活度。
对于该方法中，首先，当栅极电压大于阈值电压Vth，即该半导体器件处于开启状态时，漏源之间的电流IDS为：
其中，W为第一离子敏感膜31的宽度，L为第一离子敏感膜31的长度，μn为有效电子迁移率，COX为第一离子敏感膜31的电容，VD为漏极电压，VG为栅极电压，Vth为阈值电压。
其次，在本发明中，VG一定，第一离子敏感膜31是不变的，漏极电压VD也是不变的，因此漏源电流IDS的大小仅与阈值电压Vth的大小有关；
第三，阈值电压Vth的大小与第一离子敏感膜31与待测物2的接触界面产生的第一双电荷层的电势差ψEDL1以及第二离子敏感膜32与待测物2的接触界面产生的第二双电荷层的电势差ψEDL2有关，在本发明中第一双电荷层的电势差ψEDL1与第二双电荷层的电势差ψEDL2是相互部分抵消的(具体可参见图6所示)，如果第一双电荷层的电势差ψEDL1与第二双电荷层的电势差ψEDL2完全抵消掉，即第一双电荷层的电势差ψEDL1与第二双电荷层的电势差ψEDL2相等，则阈值电压Vth是不变的，因此也无法测得待测物2的离子活度；如果第一双电荷层的电势差ψEDL1与第二双电荷层的电势差ψEDL2相差太小，则阈值电压Vth的变化很难测得准确。因此在本发明的一优选的实施方式中，所述的第一离子敏感膜31与所述的第二离子敏感膜其对离子的敏感度至少相差10mV/dec。这样就可以通过检测漏源电流IDS的变化来准确地测得阈值电压Vth的变化，从而测得待测物2的离子活度。
本发明的待测物的离子活度的检测的第二种方法为：
在所述的栅电源VG和源极S之间施加一恒定的第一电压，且在所述半导体器件的源极S和漏极D之间施加一恒定的第一电流，检测所述的半导体器件的源极S和漏极D之间的电压以获取所述的待测物2的离子活度；该种方法即栅源电压VGS(即所述的电容检测部的第一端与所述的源极之间的电压VGS)和漏源电流IDS一定，通过检测漏源电压VDS(即所述漏极与所述的源极之间的电压VDS)来获取待测物2的离子活度。
在该种方法中，即阈值电压Vth的变化通过设定条件的改变转换成漏源电压VDS的变化，通过检测漏源电压VDS的变化，从而获得阈值电压Vth的变化，以测得待测物2的离子活度的变化。
此外，请参阅图7至图8所示，图7为本发明的第二具体实施例的结构示意图。图8为图7的等效电路图。其中，在该实施例中，该半导体器件包括衬底B、衬底上通过掺杂而形成的源极S、漏极D以及设置于所述的衬底B上的栅极绝缘层9，所述的栅极绝缘层9上设置有栅电极10，所述的半导体器件还包括第一离子敏感膜31和第二离子敏感膜32，所述的第一离子敏感膜31设置于所述的栅电极10上，所述的第二离子敏感膜32通过一金属层5与栅电源VG相连接，所述的第一离子敏感膜31与所述的第二离子敏感膜32之间设置有待测物2，其中所述的第一离子敏感膜31与所述的第二离子敏感膜32为不同的离子敏感膜。
其中，栅电极10为一导电金属层，在实际应用中一般选用Al，但并不以此为限，也可以选用其他的金属。
在该实施例中，相较与本发明的第一具体实施例所作出的改变是，将第一离子敏感膜31延伸出，即在第一具体实施例中的第一离子敏感膜31与衬底B之间设置了一栅电极10以及一栅极绝缘层9；因此本发明的第二具体实施例中，可以将衬底B、设置于衬底B上的源极S、设置于衬底B上的漏极D、设置于衬底B上的栅极绝缘层9以及设置于栅极绝缘层9上的栅电极10的组合看成一MOS场效应管，与该MOS场效应管相连接的为第一离子敏感膜31、待测物2以及第二离子敏感膜32；请参阅图8并结合图7所示，图7中的第一离子敏感膜31、与第一离子敏感膜31相接触的栅电极以及与第一离子敏感膜31相接触的待测物2等效为图8中的第五电容11，图7中的第二离子敏感膜32、与该第二离子敏感膜32相接触的金属层5以及与该第二离子敏感膜32相接触的待测物部分等效为图8中的第二电容6，此外，图7中的第一离子敏感膜31与待测物2的接触界面产生的第一双电荷层等效为图8中的第三电容7，图7中第二离子敏感膜32与待测物2的接触界面产生的第二双电荷层等效为图8中的第四电容8。
在该第二具体实施例中，所述的衬底B、源极S以及漏极D的类型与本发明的第一具体实施例中的类型相同，且第一离子敏感膜31、第二离子敏感膜32的组成材料也均与本发明的第一具体实施例中的相同，在此不再赘述。
且在该第二具体实施方式中，其待测物的离子活度的检测的方法也可以采用第一具体实施例中的两种方法，在此不再赘述。
请参阅图9所示，为本发明的基于第二具体实施例中一更为优选的实施例的结构示意图，其中，所述的栅电极为一金属层；或者所述的栅电极10为设置于一绝缘层中的数层互联的金属层，且所述的数层互联的金属层介于所述的栅极绝缘层9以及所述的第一离子敏感膜31之间，在实际应用中，通常从采用数层互联的金属层，以增加器件的稳定性。
请参阅图10所示，为本发明的第三具体实施例的结构示意图，且其等效电路图可参见图8所示，在该第三具体实施例中，本发明的用于待测物的离子活度检测的半导体器件包括衬底B、衬底上通过掺杂而形成的源极S、漏极D以及设置于所述的衬底B上的栅极绝缘层9，所述的栅极绝缘层9上设置有栅电极10，所述的半导体器件还包括一梳齿电容12，所述的梳齿电容12包括第一组梳齿电极以及第二组梳齿电极，所述的第一组梳齿电极均与所述的栅电极10相连接，所述的第二组梳齿电极均与栅电源VG相连接，所述的第一组梳齿电极包裹有第一离子敏感膜31，所述的第二组梳齿电极包裹有梳齿电极包裹有第二离子敏感膜，且所述的梳齿电容12浸没于所述的待测物2中，所述的第一离子敏感膜31与所述的第二离子敏感膜32为不同的离子敏感膜。
其中，栅电极10为一导电金属层，在实际应用中一般选用Al，但并不以此为限，也可以选用其他的金属。在一种优选的实施例中，所述的梳齿电容12的电极包括固定梳齿电极和可动梳齿电极，所述的固定梳齿电极和可动梳齿电极交叠成解耦梳齿电容器，其中所述的可动梳齿电极均与所述的栅电源VG相连接，所述的固定梳齿电极均与所述的栅电极10相连接，或者所述的固定梳齿电极与所述的栅电源VG1相连接，所述的可动梳齿电极均与所述的栅电极10相连接；此外，在另外的一种优选的实施例中，所述的梳齿电容12的梳齿电极均为固定梳齿电极，在此不再赘述。
在该实施例中，相较于本发明的第二具体实施例所作出的改变是，将第一离子敏感膜31和第二离子敏感膜32敷于梳齿电极上构成梳齿电容12，这样，所述的第一离子敏感膜31及所述的第二离子敏感膜32分别为所述的梳齿电容12的介电层。
在该第三具体实施例中，所述的衬底B、源极S以及漏极D的类型与本发明的第一具体实施例中的类型相同，且第一离子敏感膜31、第二离子敏感膜32的组成材料也均与本发明的第一具体实施例中的相同，在此不再赘述。
且在该第三具体实施方式中，其待测物的离子活度的检测的方法也可以采用第一具体实施例中的两种方法，在此不再赘述。
请参阅图11a至图11c所示，为本发明的第三具体实施例的用于待测物的离子活度的检测的半导体器件制作工艺流程的示意图，半导体部分工艺是现有技术的成熟工艺，在此不再详细描述，此处针对完成栅极绝缘层生长之后的工艺流程，图11a为第一次光刻示意图。图11b为第二次光刻前的状态示意图。图11c为第二次光刻后的状态示意图。即本发明本第三具体实施例中梳齿电容12形成的工艺，图11a是光刻玻璃衬底13上的金属层后形成的状态示意图，光刻(photoetching or lithography)是通过一系列生产步骤，将晶圆表面薄膜的特定部分除去的工艺。在此之后，晶圆表面会留下带有微图形结构的薄膜。通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留的是特征图形部分。图11b是在图11a的基础上，敷第一离子敏感膜31，然后在第一离子敏感膜32上敷第二离子敏感膜32后的状态示意图。图11c是进行第二次光刻，相邻电极上形成不同的敏感膜。
采用了该发明中的用于待测物离子活度检测的半导体器件及其检测方法，省略了参比电极，引入了两个不同的离子敏感膜，从而在两个不同的离子敏感膜与待测物的接触界面产生的双电荷层的电势差不同，在两种敏感膜表面的界面电势差不可抵消，从而使得在不同离子活度下，该半导体器件的阈值电压不同，从而可以通过阈值电压的改变，准确地测量出待测物的离子活度，结构简单，成本低，具有较广泛的应用范围。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (11)
1.一种用于待测物离子活度检测的半导体器件，其特征在于，所述的半导体器件包括衬底、设置于衬底上的源极、漏极，所述的半导体器件还包括对所述的待测物的离子活度的灵敏度不同的第一离子敏感膜与第二离子敏感膜，且所述的待测物设置于所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜之间，所述的第一离子敏感膜设置于所述的衬底上，所述的第二离子敏感膜与栅电源相连接，通过两个离子敏感膜和待测液体的界面处的双电荷层的电势差来确定待测离子的活度，所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜对所述的待测物的离子活度的灵敏度至少相差10mV/dec。
2.根据权利要求1所述的用于待测物离子活度检测的半导体器件，其特征在于，所述的第二离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石；且所述的第一离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3或五氧化二钽Ta2O5；或者
所述的第二离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石，且所述的第二离子敏感膜与所述的栅电源之间设置有一绝缘介质层；且所述的第一离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3或五氧化二钽Ta2O5，且所述的第一离子敏感膜与衬底之间设置有一绝缘介质层。
3.根据权利要求1所述的用于待测物离子活度检测的半导体器件，其特征在于，所述的第一离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石；且所述的第二离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3或五氧化二钽Ta2O5；或者
所述的第一离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石，且所述的第一离子敏感膜与所述的衬底之间设置有一绝缘介质层；且所述的第二离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3或五氧化二钽Ta2O5，且所述的第二离子敏感膜与所述的栅电源之间设置有一绝缘介质层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于待测物离子活度检测的半导体器件，其特征在于，所述的第一离子敏感膜与所述的衬底之间设置有栅极绝缘层以及栅电极，所述的栅极绝缘层设置于所述的衬底上，所述的栅电极设置于所述的栅极绝缘层上，所述的第一离子敏感膜设置于所述的栅电极上。
5.根据权利要求4所述的用于待测物离子活度检测的半导体器件，其特征在于，所述的栅电极为一金属层；或者所述的栅电极为设置于一绝缘层中的数层互联的金属层，且所述的数层互联的金属层介于所述的栅极绝缘层以及所述的第一离子敏感膜之间。
6.一种用于待测物离子活度检测的半导体器件，其特征在于，所述的半导体器件包括衬底、设置于衬底上的源极、漏极、栅极绝缘层以及栅电极；所述的栅极绝缘层设置于所述的衬底上，所述的栅极绝缘层上设置有栅电极，所述的半导体器件还包括梳齿电容以及对所述的待测物的离子活度的灵敏度不同的第一离子敏感膜与第二离子敏感膜，所述的梳齿电容包括第一组梳齿电极以及第二组梳齿电极，所述的第一组梳齿电极均与所述的栅电极相连接，所述的第二组梳齿电极均与栅电源相连接，所述的第一组梳齿电极包裹有第一离子敏感膜，所述的第二组梳齿电极包裹有第二离子敏感膜，且所述的梳齿电容浸没于所述的待测物中，通过两个离子敏感膜和待测液体的界面处的双电荷层的电势差来确定待测离子的活度，所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜对所述的待测物的离子活度的灵敏度至少相差10mV/dec。
7.根据权利要求6所述的用于待测物离子活度检测的半导体器件，其特征在于，所述的第二离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石；且所述的第一离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3或五氧化二钽Ta2O5。
8.根据权利要求6所述的用于待测物离子活度检测的半导体器件，其特征在于，所述的第一离子敏感膜为SU-8、Teflon、Parylene、金或金刚石；且所述的第二离子敏感膜为二氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3或五氧化二钽Ta2O5。
9.一种基于权利要求1或6所述的半导体器件实现待测物的离子活度的检测的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)使所述的待测物与所述的第一离子敏感膜和所述的第二离子敏感膜相接触，且所述的第一离子敏感膜与所述的第二离子敏感膜对所述的待测物的离子活度的灵敏度不同；
(2)根据所述的半导体器件的输出获取所述的待测物的离子活度。
10.根据权利要求9所述的待测物的离子活度的检测的方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：
在所述的栅电源和源极之间施加一恒定的第一电压，且在所述的源极和漏极之间施加一恒定的第二电压；检测在所述的漏极和所述的源极之间流过的电流以获取所述的待测物的离子活度。
11.根据权利要求9所述的待测物的离子活度的检测的方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：
在所述的栅电源和源极之间施加一恒定的第三电压，且在所述的源极和漏极之间施加一恒定的第一电流，检测所述的半导体器件的源极和漏极之间的电压以获取所述的待测物的离子活度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Semiconductor devices and detection methods for detecting ion activity of tested substances Effective date of registration: 20230626 Granted publication date: 20191015 Pledgee: Fengxian Branch of Shanghai Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Pledgor: SHANGHAI TURTLE TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2023310000297 |