[发明专利]新型光激发场寻址半导体传感器

说明书

【技术领域】本发明属于半导体传感器的器件设计领域。

【背景技术】本发明的理论基础为光寻址电位传感器(Light Addressable PotensiometricSensor，LAPS)、以及掩埋沟道电荷转移器件(BCCD)。

1、LAPS敏感机制

自1988年首次研制出光寻址电位传感器(Light Addressable Potensiometric Sensor，LAPS)^[1]以来，LAPS因其结构简单、灵敏度高、响应快、多参数检测等优点，被广泛地应用在免疫测定^[2，3]、细胞代谢^[4，5，6]以及活细胞检测^[7]等研究领域。随着微电子工艺的发展，固态化、微型化和便携式LAPS^[8，9，10]，以及多敏感单元LAPS得到了研究^[11]，这种固态化、集成化、多功能性的特点使得LAPS对于实现无荧光标记物的生物分子、甚至活细胞胞检测，乃至实现实验室芯片化，都具有很好的发展前景。

图1为典型LAPS敏感单元的剖面结构及其测试系统示意图，器件的敏感单元^[12]由被测溶液3、敏感膜4(氮化硅层)以及绝缘层5构成，是整个传感器敏感机制的核心部分。器件的敏感膜将被测信息的变化转变为绝缘层表面电势的变化；绝缘层5和衬底6将表面电势变化转化为衬底6的表面空间电场强度的变化；当激发光源8在其驱动及频率调制电路9的控制下，周期性地照射在敏感单元的下表面或者上表面时，将产生光生载流子，当这些光生载流子扩散到空间电荷区时，将被其中的电场分离，成为光电流，而且变化的空间电场将产生变化的光电流；该光电流经锁相放大器10转化为光电压，经计算机11进行数据采集与处理。

LAPS与MOS器件相似，其空间电荷层由有效栅压V_g。LAPS中V_g与偏置电压V_b、敏感膜表面势V_film的关系为：

V_g＝V_b+V_film    <1>

当敏感膜与被测物质反应时，将引起V_film的变化，从而对V_g进行调制。空间电荷区所能存储的电荷量Q_s与V_g有关，在耗尽状态下，V_g越大则Q_s越大，则被锁相放大器(10)检测的光电压V越大，从而实现了对被测物质的检测。

2、BCCD简介

图2为BCCD结构示意图。p型Si衬底6上为n-Si层13，在此pn结界面处形成耗尽层，当电极16接高电平时，pn结反偏，耗尽层展宽，从而使n-Si中形成了一个转移信道。若电极15的电位为零或平带电压，则各个电极下的转移信道的纵向位置基本相同(与6-13界面垂直的方向为纵向y，界面处y＝0，与其平行的方向为横向)；若用一组时钟脉冲控制各个电极15的电位，则各电极下的转移信道的电位将被调制，从而形成了由脉冲控制的沿横向运动的势阱。

在势阱存在的时间内，由左侧的磷(P⁺)掺杂14向信道注入电荷，则这个电荷包将在脉冲控制下，由左向右依次通过各转移电极下的势阱，最后由右侧磷(P⁺)掺杂14及其欧姆接触与电极引线16输出，输出电流或电压的大小与被注入的电荷包成正比。

3、本发明的提出

随着LAPS在生物化学领域中的应用，阵列结构的半导体传感器芯片是必然的发展趋势，其中有两个重要问题需要解决：①对于敏感单元的寻址；②避免半导体传感器工作过程中的电场对生化体系产生影响。

对于寻址问题，目前有两种寻址方法：光寻址和电寻址。LAPS就是一种光寻址的方法，目前这一检测技术已经较为成熟，查阅国内外有关LAPS的专利，内容如下：

1)DETECTION METHOD FOR PATHOGENIC MICROORGANISM WITHLIGHT-ADDRESSABLE POTENTIOMETRIC SENSOR；Inventor：KIM HEE CHAN(KR)；YUM DO YOUNG(KR)；Publication info：KR20050110973-2005-11-24