离子感测场效晶体管技术领域
本发明是有关于一种场效晶体管，且特别是有关于一种离子感测场效晶体
管(Ion-SensitiveFieldEffectTransistor，ISFET)。
背景技术
离子感测场效晶体管是BergveldPiet于公元1970年提出。离子感测场效晶
体管主要是用以量测溶液中的离子浓度(如氢离子浓度)。在以离子感测场效
晶体管对溶液的离子浓度进行量测的过程中，流经离子感测场效晶体管的电流
会随着溶液中的离子浓度而改变。离子感测场效晶体管的元件设计概念主要源
自于互补金氧半导体场效晶体管(MOSFET)，BergveldPiet发现将互补金氧半导
体场效晶体管中的金属栅极移除并将其浸入溶液中，场效晶体管的通道电流会
随着溶液中的氢离子浓度不同而有所变化，因此离子感测场效晶体管可用以量
测溶液中的离子浓度。
针对溶液中的不同离子，离子感测场效晶体管可采用不同材质的感测薄膜
方可进行该离子浓度的量测，由于溶液中的离子与感测薄膜的键结有其极限(感
测极限)存在，因此如何突破离子感测场效晶体管的感测极限实为目前业界亟
欲解决的议题之一。
发明内容
本发明提供一种离子感测场效晶体管，其具备高感测极限。
本发明的一种离子感测场效晶体管，其包括一载子阻陷迭层、一栅极、一
通道层、一源极、一漏极以及一感测薄膜。栅极与通道层配置于载子阻陷迭层
的二相对侧，源极以及漏极与通道层电性连接。感测薄膜配置于通道层上，且
通道层位于载子阻陷迭层与感测薄膜之间。
在本发明的一实施例中，上述的载子阻陷迭层包括一第一介电层、一第二
介电层以及一载子阻陷层，其中载子阻陷层配置于第一介电层与第二介电层之
间。
在本发明的一实施例中，上述的栅极适于配置于一基板上，载子阻陷迭层
覆盖栅极，通道层覆盖载子阻陷迭层，且源极与漏极覆盖部分的通道层。
在本发明的一实施例中，上述的通道层的材质例如为非晶硅。
在本发明的一实施例中，上述的离子感测场效晶体管可进一步包括一源极
奥姆接触层以及一漏极欧姆接触层，源极欧姆接触层配置于源极与通道层之间，
且漏极欧姆接触层配置于漏极与通道层之间。
在本发明的一实施例中，上述的离子感测场效晶体管可进一步包括一与源
极电性连接的源极接触导体以及一与漏极电性连接之漏极接触导体。
在本发明的一实施例中，上述的离子感测场效晶体管，可进一步包括一保
护层，此保护层覆盖源极、漏极以及通道层的一部分区域，且保护层具有一感
测槽以将通道层的一部分区域暴露，而感测薄膜配置于感测槽所暴露出的通道
层上。
在本发明的一实施例中，上述的感测槽为条状感测槽，且条状感测槽的延
伸方向平行于栅极的延伸方向。
在本发明的一实施例中，上述的感测槽的深度大于1毫米，而感测槽的宽
度大于5毫米。
在本发明的一实施例中，上述的保护层的厚度大于1毫米。
在本发明的一实施例中，上述的保护层包括一光刻胶层。
在本发明的一实施例中，上述的保护层包括一光刻胶层以及一元件封装
层，其中光刻胶层覆盖源极、漏极以及通道层的部分区域，而元件封装层覆盖
光刻胶层。
在本发明的一实施例中，上述的感测薄膜进一步覆盖源极以及漏极。举例
而言，上述的感测薄膜包括一感测部分以及一感测部分，其中感测部分覆盖通
道层的一部分区域，而保护部分覆盖源极以及漏极，且保护部分的厚度大于感
测部分的厚度以于感测部分上方定义出一感测槽。
基于上述，本发明的离子感测场效晶体管具有载子阻陷迭层，且载子阻陷
迭层可借由栅极的控制而使载子被阻陷于载子阻陷迭层中，被阻陷于载子阻陷
迭层中的载子可以有效地提升离子感测场效晶体管的感测极限。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的
限定。
附图说明
图1A是依照本发明第一实施例的离子感测场效晶体管的剖面示意图。
图1B是依照本发明第一实施例的离子感测场效晶体管的上视示意图。
图2A是依照本发明第二实施例的离子感测场效晶体管的剖面示意图。
图2B是依照本发明第二实施例的离子感测场效晶体管的上视示意图。
100、100’：离子感测场效晶体管
110：载子阻陷迭层
112：第一介电层
116：第二介电层
114：载子阻陷层
120：栅极
130：通道层
140S：源极
140D：漏极
150、150’：感测薄膜
150a：感测部分
150b：保护部分
160S：源极欧姆接触层
160D：漏极欧姆接触层
170S：源极接触导体
170D：漏极接触导体
150’：保护层
150a：光刻胶层
150b：元件封装层
SUB：基板
T：感测槽
具体实施方式
第一实施例
图1A是依照本发明第一实施例的离子感测场效晶体管的剖面示意图，而
图1B是依照本发明第一实施例的离子感测场效晶体管的上视示意图。请同时
参照图1A与图1B，本实施例之离子感测场效晶体管100包括一载子阻陷迭层
110、一栅极120、一通道层130、一源极140S、一漏极140D以及一感测薄膜
150。栅极120与通道层130配置于载子阻陷迭层110的二相对侧，源极140S
以及漏极140D与通道层130电性连接。感测薄膜150配置于通道层130上，
且通道层130位于载子阻陷迭层110与感测薄膜150之间。举例而言，本实施
例的离子感测场效晶体管100是制作于一基板SUB上，栅极120配置于基板
SUB上，载子阻陷迭层110配置于基板SUB上以覆盖住栅极120，通道层130
配置于载子阻陷迭层110的部分区域上并且位于栅极120的上方，源极140S
与漏极140D彼此相互分离地配置于通道层130与载子阻陷迭层110上，而感
测薄膜150则配置于源极140S与漏极140D之间的通道层130上。如图1A所
示，本实施例的离子感测场效晶体管100为底电极型态的离子感测场效晶体管。
在本实施例中，载子阻陷迭层110包括一第一介电层112、一第二介电层
116以及一载子阻陷层114，其中载子阻陷层114配置于第一介电层112与第二
介电层116之间。在载子阻陷迭层110中，第一介电层112扮演了穿遂介电层
(tunnelingdielectriclayer)的角色，而第二介电层116扮演了阻断介电层(blocking
dielectriclayer)的角色。当一高电压施加于栅极120时，电荷可通过FN穿遂效
应而穿遂过第一介电层112而被阻陷于载子阻陷层114中，且被阻陷于载子阻
陷层114中的电荷会被第二介电层116所阻断而不会进一步穿遂过第二介电层
116。举例而言，第一介电层112与第二介电层116的材质例如为氧化硅，而载
子阻陷层114的材质例如为氮化硅。
在本实施例中，通过适当施加电压于栅极120上可以控制载子阻陷层114
中载子被阻陷的状况。换言之，通过适当施加电压于栅极120上，可对载子阻
陷迭层110进行编程(programming)、抹除(erasing)等动作。
在本实施例中，通道层130的材质例如为非晶硅或其它半导体材料，而感
测薄膜150的材质例如为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、五氧化二钽(Ta2O5)、
二氧化铪(HfO2)、三氧化二铝(Al2O3)等。
为了降低源极140S与通道层130之间以及漏极140D与通道层130之间的
接触阻抗，本实施例可于源极140S与通道层130之间形成一源极欧姆接触层
160S以及于漏极140D与通道层130之间形成一漏极欧姆接触层160D。举例而
言，源极欧姆接触层160S与漏极欧姆接触层160D可为N型掺杂的非晶硅层(N+
dopedamorphoussiliconlayer)。此外，本实施例中的离子感测场效晶体管100
可进一步包括一与源极140S电性连接的源极接触导体170S以及一与漏极140D
电性连接之漏极接触导体170D。一般而言，前述的源极接触导体170S与漏极
接触导体170D可采用金属材质，以期增进离子感测场效晶体管100的元件表
现。
为了增进离子感测场效晶体管100的元件信赖性，本实施例的离子感测场
效晶体管100可进一步包括一保护层180，此保护层例如为氧化硅层、氮化硅
层、光刻胶层等。举例而言，为了增进离子感测场效晶体管100的元件信赖性，
前述的保护层180可包括一光刻胶层180a以及一元件封装层180b，其中光刻
胶层180a覆盖源极140S、漏极140D以及通道层130的部分区域，而元件封装
层180b覆盖光刻胶层180a。本实施例虽以包括光刻胶层180a以及元件封装层
180b的保护层180为例进行说明，然本发明并不限定保护层180的具体材料，
此领域具有通常知识者当可依据实际设计需求而更动保护层180的材质。
如图1A所示，为了便于容纳待测溶液以对待测溶液中的离子浓度进行量
测，本实施例的保护层180具有一感测槽T以将通道层130的一部分区域暴露，
而感测薄膜150配置于感测槽T所暴露出的通道层130上。换言之，保护层180
中的感测槽T能够用以容纳适量的待测溶液。举例而言，前述的感测槽T可为
条状感测槽，且条状感测槽的延伸方向例如是平行于栅极120的延伸方向。在
一可行的实施例中，保护层180的厚度例如是大于1毫米，感测槽T的深度例
如是大于1毫米，而感测槽T的宽度例如是大于5毫米。
在本实施例的离子感测场效晶体管100中，由于载子阻陷迭层110中的载
子阻陷层114会阻陷电荷，因此载子阻陷迭层110中的载子阻陷层114有助于
提升感测薄膜150对于待测溶液中离子的感测极限以及灵敏度。
举例说明，在本发明之一实施例中，以离子感测场效晶体管100进行离子
浓度的量测方式如下：首先，在载子阻陷迭层110中尚未阻陷有电子于其中的
情况下，量测初始之离子感测场效晶体管100的电流-电压曲线(Id-Vgcurve)以得
出一第一临限电压Vth1；接着，施加一个正偏压于离子感测场效晶体管100的
栅极120，使得电子被阻陷于载子阻陷迭层110中，此时的漏极140D与源极
140S接地，在将电子顺利被阻陷于载子阻陷迭层110中之后，将施加于栅极
120正偏压移除，并将漏极140D与源极140S的接地移除，其中施加正偏压于
栅极120的时间可依据不同的载子阻陷迭层110的厚度而有所不同。之后，在
离子感测场效晶体管100的感测槽T内加入适量的校正溶液，此校正溶液的离
子浓度pH校正溶液为已知。接着，量测出离子感测场效晶体管100的电流-电压图
表(Id-Vgcurve)以得出一第二临限电压Vth2。之后，将所量测到的第一临限电压
与第二临限电压相减后除以校正溶液的离子浓度pH校正溶液(即Vth1-Vth2/校正
溶液pH校正溶液)以得出感测场效晶体管100的灵敏度A(mv/pH校正溶液)。接着，将
感测场效晶体管100从校正溶液取出并进行清洗，然后在感测槽T内倒入待测
溶液。最后，量测出此时离子感测场效晶体管100的电流-电压图表(Id-Vgcurve)
以得出一第三临限电压Vth3，并将第三临限电压Vth3的值代入下列算式中，以
计算出待测溶液的离子浓度pH待测溶液。
Vth3-Vth1/pH待测溶液＝灵敏度A(mv/pH校正溶液)。
第二实施例
图2是依照本发明第二实施例的离子感测场效晶体管的剖面示意图，而图
2B是依照本发明第二实施例的离子感测场效晶体管的上视示意图。请参照图2A
与图2B，本实施例的离子感测场效晶体管100’与第一实施例中的离子感测场效
晶体管100类似，但二者主要差异在于：本实施例的离子感测场效晶体管100’
不具有第一实施例中的保护层180，且本实施例的离子感测场效晶体管100’采用
具有保护层作用的感测薄膜150’，此感测薄膜150’除了覆盖于通道层130之外，
其还进一步覆盖源极140S以及漏极140D。
举例而言，上述的感测薄膜150’包括一感测部分150a以及一保护部分150b，
其中感测部分150a覆盖通道层130的一部分区域，而保护部分150b则覆盖源极
140S以及漏极140D，且保护部分150b的厚度大于感测部分150a的厚度，以于感
测部分150a上方定义出一感测槽T。换言之，本实施例的感测薄膜150’可以被视
为一种具有感测粒子浓度能力的保护层，其材质例如为二氧化硅(SiO2)、氮化
硅(Si3N4)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化铪(HfO2)、三氧化二铝(Al2O3)等。本实
施例的离子感测场效晶体管100’可以将保护层与感测薄膜150’的制程整合，省
去了额外保护层的制作对于离子感测场效晶体管100’的制程简化有很大帮助，
且此感测薄膜150是具有感测粒子浓度能力的保护层。
本实施例中，由感测薄膜150’所定义出的感测槽T可为条状感测槽，且条状
感测槽的延伸方向例如是平行于栅极120的延伸方向。在一可行的实施例中，感
测薄膜150’之感测部分150a的厚度例如是大于0.1微米，感测薄膜150’中的感测
槽T的深度例如是大于1毫米，而感测槽T的宽度例如是大于5毫米。
基于上述，由于本发明之前述实施例中的离子感测场效晶体管具有载子阻
陷迭层，因此本发明的离子感测场效晶体管具有高感测极限。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情
况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这
些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。