(57)【要約】      （修正有）【課題】簡素な構成で信頼性の高い蛍光放射光の検出ができるフォトダイオードを提供する。【解決手段】フォトダイオード２００は第１及び第２スペクトル分布を持つ入射放射を受ける。第１スペクトル分布は第２スペクトル分布からスペクトル的にずらされる。フォトダイオードは、第１スペクトル分布を持つ入射放射２３１を光電流を発生させることなく吸収すると同時に、光電流Iを発生させるために第２スペクトル分布を持つ入射放射を真性層２１２に透過させることができる第１半導体層２１１を有する。フォトダイオードは、蛍光物質又は量子ドット等の標識剤により標識が付された目標分子の存在を検出するために使用されうる。標識剤は、ストークシフトを持つことを特徴とするので、第１スペクトル分布を持つ照明放射からスペクトル的にずらされた第２スペクトル分布を持つ蛍光放射を放出する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１不純物によりドーピングされ、少なくとも３５０ｎｍの中心波長を持つスペクトル分布を有する入射放射を受ける第１半導体層と、
第２不純物によりドーピングされた第２半導体層と、
前記入射放射の少なくとも一部により励起された場合に、自由電子及び自由ホールを発生することができる第３半導体領域と、
を有し、
前記入射放射は第１スペクトル分布及び第２スペクトル分布を有する放射を含み、前記第１スペクトル分布は前記第２スペクトル分布からスペクトル的にずらされており、
前記第１半導体層は前記第１スペクトル分布を持つ入射放射を吸収することができ、該第１スペクトル分布を持つ放射の吸収は光電流に大きく寄与せず、
前記第１半導体層は前記第２スペクトル分布を持つ入射放射を透過させることができ、
前記第２スペクトル分布を持つ放射により発生された前記第３半導体領域における前記自由電子及び自由ホールが光電流を発生させる、
フォトダイオード。
【請求項２】
請求項１に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１半導体層が該第１半導体層の体積内で前記第１スペクトル分布を持つ放射を吸収する厚さを有するフォトダイオード。
【請求項３】
請求項２に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１半導体層の厚さが、１００ｎｍより大きく、好ましくは２００ｎｍより大きく、又は一層好ましくは３００ｎｍより大きいフォトダイオード。
【請求項４】
請求項１に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１半導体層が、前記第１スペクトル分布を持つ入射放射の少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％又は一層好ましくは少なくとも９９％を吸収することができるフォトダイオード。
【請求項５】
請求項１に記載のフォトダイオードにおいて、前記第３半導体領域が、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された真性半導体物質の第３層であるフォトダイオード。
【請求項６】
請求項１又は請求項５に記載のフォトダイオードにおいて、
前記第１半導体層はアクセプタ不純物によりドーピングされたｐドーピング層であり、
前記第２半導体層はドナ不純物によりドーピングされたｎドーピング層である、
フォトダイオード。
【請求項７】
請求項１又は請求項５に記載のフォトダイオードにおいて、
前記第１半導体層はドナ不純物によりドーピングされたｎドーピング層であり、
前記第２半導体層はアクセプタ不純物によりドーピングされたｐドーピング層である、
フォトダイオード。
【請求項８】
請求項１又は請求項５に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１スペクトル分布と前記第２スペクトル分布との間のスペクトルのずれが少なくとも５０ｎｍ、好ましくは少なくとも１００ｎｍ、又は一層好ましくは少なくとも２００ｎｍであるフォトダイオード。
【請求項９】
請求項８に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１スペクトル分布と前記第２スペクトル分布との間の前記スペクトルのずれが、量子ドットにより生じるフォトダイオード。
【請求項１０】
請求項１又は請求項５に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１半導体層及び／又は前記第２半導体層がａ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣ、マイクロ結晶性Ｓｉ及び低温ポリＳｉを含む群から選択された材料から形成されるフォトダイオード。
【請求項１１】
請求項１又は請求項５に記載のフォトダイオードにおいて、前記第１半導体層の上面に反射防止コーティングが塗布されるフォトダイオード。
【請求項１２】
生物学的物質のサンプルにおける目標分子の有無及びオプションとして量を検出することができる検出装置であって、
目標分子を含む前記サンプルが供給され、前記目標分子と結合するためのプローブ分子が更に供給され、前記目標分子及び／又は前記プローブ分子は発光特性を持つ標識剤により標識を付され、前記標識剤は第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により照明された場合に第２スペクトル分布を持つ放射を放出する処理デバイスと、
前記第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により前記サンプルを照明することができる照明器と、
前記サンプルから放出される前記第２スペクトル分布及び該第２スペクトル分布からスペクトル的にずらされた前記第１スペクトル分布を有する放出放射を受けることができる請求項１に記載のフォトダイオードと、
を有し、
前記フォトダイオードは光電流に大きく寄与することなしに前記第１スペクトル分布を持つ放射を吸収することができ、前記放射は前記第１半導体層において吸収され、該吸収が前記第１スペクトル分布を持つ放射の少なくとも８０％であり、
前記フォトダイオードは前記第２スペクトル分布を持つ放射に対応する検出可能な光電流を発生することができ、該検出可能な光電流が、前記第２スペクトル分布を持つ放射により励起された際の前記第３半導体領域における自由電子及び自由ホールの発生により生じる、
検出装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の検出装置において、前記照明器からの前記放射の方向が、前記第１半導体層の表面の法線に対して垂直である検出装置。
【請求項１４】
請求項１２又は請求項１３に記載の検出装置において、前記標識剤が量子ドットを有する検出装置。
【請求項１５】
請求項１２に記載の検出装置において、前記生物学的物質のサンプルが、細胞、組織片、ＤＮＡ、血液及び尿を含む群から選択された物質を含む検出装置。
【請求項１６】
請求項１２に記載の検出装置において、ポリメラーゼ連鎖反応によりＤＮＡの濃度を増幅することができる第２の処理デバイスを更に有する検出装置。
【請求項１７】
生物学的物質のサンプルにおける目標を検出する方法であって、
目標分子に結合するためのプローブ分子を検出装置に供給するステップであって、前記目標分子及び／又は前記プローブ分子は発光特性を持つ標識剤により標識を付され、該標識剤は第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により照明された場合に第２スペクトル分布を持つ放射を放出するステップと、
目標分子を含む前記サンプルを前記検出装置に供給するステップと、
前記サンプルを前記第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により照明するステップと、
請求項１に記載のフォトダイオードを用いることにより前記サンプルからの放出放射を受けるステップであって、前記放出放射が前記第１スペクトル分布及び前記第２スペクトル分布を有するステップと、
を有し、
前記第１スペクトル分布は前記第２スペクトル分布からスペクトル的にずらされており、
前記フォトダイオードは光電流に大きく寄与することなしに前記第１スペクトル分布を持つ放射を吸収し、該放射は前記第１半導体層において吸収され、該吸収が前記第１スペクトル分布を持つ放射の少なくとも８０％であり、
前記フォトダイオードは前記第２スペクトル分布を持つ放射に対応する検出可能な光電流を発生し、該検出可能な光電流が、前記第２スペクトル分布を持つ放射により励起された際の前記第３半導体領域における自由電子及び自由ホールの発生により生じる、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトダイオードに係り、特には分子診断における検出のためのフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
生物学的サンプルは、光のビームにより該生物学的サンプルを照明し、散乱光を検出することにより分析することができる。生物学的サンプルにおける例えばＤＮＡ、ＲＮＡ、細胞及び抗体等の特定の生物学的試料又は分子の有無を検出することができるために、蛍光法が使用される。蛍光法は、生物学的サンプルにおける分子の特定のサイトに結合することができる標識剤（labeling agent）を利用する。サンプルが光のビームにより照明された場合、斯かる標識剤は照明ビームの波長とは異なる波長で光を放出する。
【０００３】
分析されるべきサンプルにおける特定の目標分子の、対応するプローブ分子（例えば検出システム内に存在する）に結合する能力を利用することにより、該特定の目標分子の有無を決定することができる。例えば、目標分子が標識剤により標識付けされ、こら目標分子が次いでプローブ分子に結合する場合、該目標分子の存在は蛍光光が検出されることにより検証することができる。このような目標／プローブ分子対の例は、抗体／抗原、細胞／抗体の組み合わせ及びレセプタ／リガンド対である。他の例は、例えばＤＮＡ／ＤＮＡ対、ＲＮＡ／ＲＮＡ対及びＤＮＡ／ＲＮＡ等の結合又は混成（hybridization）を含む。
【０００４】
標識剤から放出される光を検出するために、検出システムは、標識剤から発する放出放射のうちの特定の波長を持つ放射を検出することができなければならない。このことは、生物学的サンプルが典型的には標識剤からの放出光及び照明光の両方の波長を持つ光を放出するから問題となる。従って、照明光の波長と標識剤からの放出光の波長との間を区別することができる方法が有利である。
【０００５】
同時に、照明光の波長と放出光の波長との間を区別する簡単な方法を有することが有益であろう。
【０００６】
米国特許第6,867,420号は、電気泳動マイクロチップ及びマイクロアレイにおける蛍光的に標識付けされた分析物を検出するための小型化された光学励起及び検出器システムを開示している。該システムは、検出のために、小型集積部品、光収集、光学蛍光フィルタリング及びアモルファスa-Si:H検出器を使用する。光の収集は、近接集結及び／又はマイクロレンズ系により達成される。光学フィルタリングは、集積された光フィルタにより達成される。米国特許第6,867,420号は、放出光が集積された光フィルタによりフィルタリングされ、光検出器により検出されるような検出システムを開示している。しかしながら、米国特許第6,867,420号における上記検出システムは簡素ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、改善された検出システムが有利であり、特に一層効率的及び／又は信頼性のある検出システムが有利であろう。
【０００８】
かくして、本発明は、好ましくは、上述した欠点の1以上を単独で又は何らかの組み合わせで緩和、軽減又は除去することを目指すものである。特に、上述した従来技術の課題を、波長の間を区別することができる簡単な検出システムを設けることにより解決するような検出システムを提供することを、本発明の１つの目的と見ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的及び他の幾つかの目的は本発明の第１態様によれば、
第１不純物によりドーピングされ、少なくとも３５０ｎｍの中心波長を持つスペクトル分布を有する入射放射を受けるように構成された第１半導体層と、
第２不純物によりドーピングされた第２半導体層と、
前記入射放射の少なくとも一部により励起された場合に、自由電子及び自由ホールを発生することができる第３半導体領域と、
を有し、
前記入射放射は第１スペクトル分布及び第２スペクトル分布を有する放射を含み、前記第１スペクトル分布は前記第２スペクトル分布からスペクトル的にずらされており、
前記第１半導体層は前記第１スペクトル分布を持つ入射放射を吸収することができ、該第１スペクトル分布を持つ放射の吸収は光電流に大きく寄与せず、
前記第１半導体層は前記第２スペクトル分布を持つ入射放射を透過させることができ、
前記第２スペクトル分布を持つ放射により発生された前記第３半導体領域における前記自由電子及び自由ホールが光電流を発生させる、
ようなフォトダイオードを設けることにより達成される。
【００１０】
本発明は、専らではないが、光電流を大きく発生させることなしに第１スペクトル分布を持つ入射放射を吸収すると共に第２スペクトル分布を持つ入射放射を透過させることができるような第１半導体層を有するフォトダイオードを設けることにより波長の間の区別をすることが可能な簡単な検出システムを得るのに特に有益である。従って、上記フォトダイオードは波長の望ましい区別又はフィルタリングを実行することができる。何故なら、該フォトダイオードは簡単なフォトダイオードの使用により第１スペクトル分布と第２スペクトル分布との間を区別することができるからである。従って、該フォトダイオードは、第１スペクトル分布を持つ放射を光学的にフィルタリング除去すると同時に、第２スペクトル分布を持つ放射を検出することができる。
【００１１】
上記第１半導体層が第１スペクトル分布を持つ入射放射を吸収することができる一方、該第１スペクトル分布を持つ放射の吸収が光電流に大きく寄与しないことが有利であり得る。従って、第１スペクトル分布の光電流と第２スペクトル分布の光電流との比が重大とはならない。何故なら、該比は上記第１半導体層の吸収率により１／８０より小さく、好ましくは１／９０より小さく、一層好ましくは１／９９より小さいからである。
【００１２】
上記フォトダイオードは簡単な検出システム又はデバイスを提供し、該システムは、加えて、容易に製造することができ、かくして、該フォトダイオードにより安価な検出システムも達成することができる。
【００１３】
十分に簡素であり、且つ、第１スペクトル分布を持つ放射をフィルタリング除去するための十分なフィルタリング能力を有するフォトダイオード又は光検出器を有することが望ましく、これにより、斯かるフォトダイオード又は光検出器は、マイクロ総合分析システム（micro total analysis system）、ラボオンチップ（lab-on-a-chip）又は分子診断システム（ＭＤｘ）等の検出装置に組み込み又は斯かる検出装置と統合することができる。上記の望ましい目的は、本発明の第１態様によるフォトダイオードにより達成することができる。
【００１４】
また、分子診断システム（ＭＤｘ）等の手持ち検出装置に利用するために十分に簡単であり且つ十分に安価なフォトダイオード又は光検出器を有することが望ましい。この望ましい目的は、本発明の第１態様によるフォトダイオードにより達成することができる。
【００１５】
上記フォトダイオードは検出装置と統合することができることが有利である。何故なら、このことは、敏感な検出電子装置を汚染する危険性を除去し得るからである。高価な外部光学フィルタを用いないでフィルタリング能力を有するような費用効果的なフォトダイオードを有することが望ましい。この目的は、本発明の第１態様によるフォトダイオードにより達成することができる。
【００１６】
上記フォトダイオードの第１半導体層は、第１スペクトル分布を持つ放射を該第１半導体層の体積内で吸収するように調整された厚さを有することができる。フィルタリング能力を持つ簡単なフォトダイオードを有することが望ましいから、この目的は、第１半導体層の厚さを第１スペクトル分布を持つ放射を吸収するように調整し、これにより該第１半導体層の厚さのみによってフィルタリング能力を得ることにより達成することができる。
【００１７】
第１半導体層の斯様な厚さは１００ｎｍより大きく、好ましくは２００ｎｍより大きく、又は一層好ましくは３００ｎｍより大きくすることができ、これにより、該フォトダイオードが第１スペクトル分布と第２スペクトル分布との間を区別することができるようにする。
【００１８】
言い換えると、上記第１半導体層の厚さは、該第１半導体層が第１スペクトル分布を持つ入射放射の少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％、又は一層好ましくは少なくとも９９％を吸収することができるように選択することができる。入射放射の例えば少なくとも９９％を吸収することが可能な第１半導体層を備えるフォトダイオードを有することが有利である。何故なら、少なくとも９９％の吸収は、第１スペクトル分布の少なくとも９９％をフィルタリング除去することに相当するからである。
【００１９】
一実施例において、前記第３半導体領域は、第１半導体層と第２半導体層との間に配置された真性半導体物質の第３層とすることができる。このようなフォトダイオードは、ＰＩＮダイオード又はＮＩＰダイオードと呼ばれる。前記フォトダイオードがＰＩＮ又はＮＩＰフォトダイオードであることが有利である。何故なら、このようなフォトダイオードは、より大きな光電流を発生する能力による改善された性能を有し、より少ない暗漏れ電流及び第２スペクトル分布を持つ入射放射に対して一層高い感度を有し得るからである。
【００２０】
本発明の第１態様によるフォトダイオードは、アクセプタ不純物によりドーピングされたｐドーピング層である第１半導体層、及びドナ不純物によりドーピングされたｎドーピング層である第２半導体層を有することができる。代わりに、該フォトダイオードは、ドナ不純物によりドーピングされたｎドーピング層である第１半導体層、及びアクセプタ不純物によりドーピングされたｐドーピング層である第２半導体層を有することもできる。第１及び第２半導体層の各々に対するｐドーピング層及びｎドーピング層の順序の選択は、第３半導体領域が第１半導体層の一部及び第２半導体層の一部に含まれるような第１タイプのフォトダイオード、及び第３半導体領域が第１半導体層と第２半導体層との間に配置された真性半導体物質の第３層であるような第２タイプのフォトダイオードの両方に適用可能である。
【００２１】
第１スペクトル分布と第２スペクトル分布との間のスペクトルずれは、少なくとも５０ｎｍ、好ましくは少なくとも１００ｎｍ、又は一層好ましくは少なくとも２００ｎｍとすることができる。該スペクトルずれ、即ちストークシフト（Stokes shift）が少なくとも２００ｎｍであることが有利である。何故なら、大きなスペクトルずれは、当該フォトダイオードによりなされる波長の区別又はフィルタリング効果を改善するからである。
【００２２】
第１半導体層及び／又は第２半導体層は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、アモルファス炭化シリコン（ａ−ＳｉＣ）、マイクロ結晶性Ｓｉ及び低温ポリＳｉ等の半導体材料から形成することができる。異なる半導体材料は異なる吸収能力を有し得るので、異なる半導体材料を半導体層に使用することができることが有利であり得る。従って、特定の半導体材料を選択することにより、第１スペクトル分布を持つ放射をフィルタリング除去する一方、第２スペクトル分布を持つ放射を検出するための当該フォトダイオードの能力を最適化することができる。異なる半導体材料は、例えば検出感度、ノイズ、費用、製造属性（production attributes）等に関連して他の利点も有し得る。
【００２３】
当該フォトダイオードは、第１半導体層の上面に塗布された反射防止コーティングを有することができる。第１半導体層の上面に反射防止コーティングを有することが有利である。何故なら、該反射防止コーティングは第１半導体層に伝達される入射放射の量を増加させ得るからである。
【００２４】
第２の態様においては、本発明は、生物学的物質のサンプルにおける目標分子の有無及びオプションとして量を検出することができる検出装置であって、
目標分子を含む前記サンプルが供給されるように構成され、前記目標分子と結合するためのプローブ分子が更に供給されるように構成され、前記目標分子及び／又は前記プローブ分子は発光特性を持つ標識剤により標識を付され、前記標識剤が第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により照明された場合に第２スペクトル分布を持つ放射を放出する処理デバイスと、
前記第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により前記サンプルを照明することができる照明器と、
前記サンプルから放出された前記第１スペクトル分布及び前記第２スペクトル分布を有する放出放射を受けることができる本発明の第１態様によるフォトダイオードと、
を有し、
上記第１スペクトル分布は上記第２スペクトル分布からスペクトル的にずれており、
前記フォトダイオードは光電流に大きく寄与することなしに前記第１スペクトル分布を持つ放射を吸収することができ、前記放射は前記第１半導体層において吸収され、該吸収が前記第１スペクトル分布を持つ放射の少なくとも８０％であり、
前記フォトダイオードは前記第２スペクトル分布を持つ放射に対応する検出可能な光電流を発生することができ、該検出可能な光電流が、前記第２スペクトル分布を持つ放射により励起された際の前記第３半導体領域における自由電子及び自由ホールの発生により生じる、
ような検出装置に関するものである。
【００２５】
標識が付された目標からの例えば蛍光放射の検出により目標分子の有無及びオプションとして量を検出することができるような検出装置を有することが望ましい。このような所望の目的は、本発明の第１態様によるフォトダイオードを有するような検出装置により達成することができる。何故なら、該フォトダイオードは第１スペクトル分布を持つ放射と第２スペクトル分布を持つ放射との間を区別することができるからである。
【００２６】
前記生物学的物質のサンプルは、細胞（cell）、組織片（tissue sections）、ＤＮＡ、タンパク質、血液及び尿等の物質を含むことができる。しかしながら、該サンプルは他の生物学的物質も同様に含むことができる。従って、目標分子は生物学的物質のサンプルの分子であり得る。
【００２７】
上記照明器からの放射の方向は、第１半導体層の表面の法線に対して垂直とすることができ、これは、当該フォトダイオードに入射する第１スペクトル分布を持つ放射の量を減少させるので有利であり得る。
【００２８】
上記検出装置は、ポリメラーゼ連鎖反応によりＤＮＡの濃度を増幅させることが可能な第２の処理デバイスを有することができる。当該検出装置にポリメラーゼ連鎖反応等の他の処理能力を統合することが有利であり得る。というのは、これが該検出装置の利用可能性を増加させ得るからである。
【００２９】
第３の態様においては、本発明は、生物学的物質のサンプルにおける目標を検出する方法であって、
目標分子に結合するためのプローブ分子を検出装置に供給するステップであって、前記目標分子及び／又は前記プローブ分子は発光特性を持つ標識剤により標識を付され、該標識剤が第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により照明された場合に第２スペクトル分布を持つ放射を放出するステップと、
目標分子を含む前記サンプルを前記検出装置に供給するステップと、
前記サンプルを前記第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により照明するステップと、
本発明の第１態様によるフォトダイオードを用いることにより前記サンプルからの放出放射を受けるステップであって、該放出放射が前記第１スペクトル分布及び前記第２スペクトル分布を有するステップと、
を有し、
前記第１スペクトル分布は前記第２スペクトル分布からスペクトル的にずれており、
前記フォトダイオードは光電流に大きく寄与することなしに前記第１スペクトル分布を持つ放射を吸収し、該放射は前記第１半導体層において吸収され、該吸収が前記第１スペクトル分布を持つ放射の少なくとも８０％であり、
前記フォトダイオードは前記第２スペクトル分布を持つ放射に対応する検出可能な光電流を発生し、該検出可能な光電流が、前記第２スペクトル分布を持つ放射により励起された際の前記第３半導体領域における自由電子及び自由ホールの発生により生じる、
ような方法に関するものである。
【００３０】
本発明の第１、第２及び第３態様は、各々、他の態様の何れかと組み合わせることができる。本発明の上記及び他の態様は、以下に述べる実施例から明らかとなり、斯かる実施例を参照して説明されるであろう。
【００３１】
以下、本発明を添付図面を参照して例示のみとして説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、蛍光検出システムの説明図である。
【図２】図２は、本発明によるＰＩＮフォトダイオードの説明図である。
【図３】図３は、本発明によるｐ層半導体厚と入射放射の波長との間の関係を示すグラフである。
【図４ａ】図４ａは、本発明による第１半導体層のｐドーピングアモルファスシリコンを介して透過される入射放射パワーの光透過率を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、本発明による第１半導体層のｐドーピングアモルファス炭化シリコンを介して透過される入射放射パワーの光透過率を示す。
【図４ｃ】図４ｃは、本発明による異なる光バンドギャップを持つ半導体層を介して透過される６００ｎｍ及び４００ｎｍの波長を持つ放射の光透過率比を示す。
【図５】図５は、本発明によるＰＮ型フォトダイオードの説明図である。
【図６】図６は、サンプル内の目標分子の存在を検出することができる検出装置の主要な概要図である。
【図７】図７は、本発明による方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は蛍光検出システムの説明図であり、何らかのプレート１１１上又は容器１１１内に配置された生物学的物質のサンプル又は分析物１１０が、照明ビーム１２０により照明される。サンプル１１０及びプレート１１１からの散乱され、反射され、回折された発光及び／又は蛍光放射１３０の形態の放出された放射は、検出器１４０により検出される。
【００３４】
サンプル１１０は、プローブ分子と反応した目標分子を含み、かくして目標はプローブと結合している。上記プローブ分子はプレート１１１上に設けておくことができ、従って、サンプル１１０をプレート１１１に供給する前にプローブはプレート１１１に被着している。目標分子及びプローブ分子の対の例は、抗体／抗原対、細胞／抗体組み、ＤＮＡ鎖対、ＲＮＡ鎖対、抗体／抗原対及びリセプタ／リガンド対である。
【００３５】
目標分子、又はプローブ分子、は発光又は蛍光特性を持つ標識剤を備える又は斯かる標識剤と接合することができる。従って、目標分子がプローブ分子と整合すると、該目標分子はプローブ分子に結合する。反応された目標／プローブ対のみが残存するように（当該サンプルは被着プローブに結合することが可能な目標を含んでいたと仮定する）如何なる非反応目標分子をも洗浄除去することにより、標識剤から放出される発光又は蛍光放射を検出することによって目標分子の存在、不存在及びオプションとして量を検証することができる。
【００３６】
他の例として、プローブが発光又は蛍光特性を持つ標識剤を備える又は斯かる標識剤と接合することができる。プローブに結合された標識剤は、対応するプローブが整合する目標と反応した場合にのみ、蛍光放射を放出する特性を有する。
【００３７】
サンプル１１０が蛍光標識剤により標識付けされている場合、放出される放射１３０は該標識剤から発する蛍光放射の形態の放射を含むことになる。しかしながら、放出される放射１３０は、散乱され、反射され及び／又は回折された放射の形態の放射も含む。照明ビーム１２０の一部は、標識剤により吸収され、蛍光により該照明ビーム１２０の波長とは異なる波長を持つ放射として再放出される。照明ビーム１２０の他の部分は、例えば前記プレート若しくは容器１１１からの又は生物学的サンプル１１０の他の部分からの散乱、反射、回折を生じさせる。従って、放出される放射１３０は主に散乱、反射及び回折による第１のスペクトル分布Ｗｉを持つ放射を含む一方、該放出される放射１３０は蛍光による第２のスペクトル分布Ｗｆを持つ光も含む。ここで及び以下において、標識付けされたサンプルに言及する場合、これは同様にサンプルの目標が標識付けされていると理解されたい。
【００３８】
第１のスペクトル分布Ｗｉは、照明ビーム１２０のスペクトル分布Ｗibに等しくなり又は対応し得る。サンプル１１０及びプレート１１１又は容器１１１における光の吸収により、第１のスペクトル分布Ｗｉは照明ビーム１２０のスペクトル分布Ｗibとは異なり得る。しかしながら、照明ビーム１２０のスペクトル分布Ｗibは第１のスペクトル分布Ｗｉに対応する又はその逆であると言うことができる。
【００３９】
標識剤は、スペクトル分布Ｗibを持つ照明ビーム１２０からの入射放射を吸収し、次いで光の吸収に応答して第２のスペクトル分布Ｗｆを持つ光を放出する能力を持つ。
【００４０】
従って、放出される放射１３０は第１のスペクトル分布Ｗｉと第２のスペクトル分布Ｗｆの両方を持つ放射を含むことになる。
【００４１】
照明ビーム１２０のスペクトル分布Ｗibと第２のスペクトル分布Ｗｆとの間のスペクトルずれは、標識剤の蛍光特性により生じる。該スペクトルずれはストークシフト（Stokes shift）とも呼ばれる。
【００４２】
標識剤は、該標識剤が蛍光放出により応答するように最も効率的に励起される波長区間により特徴付けられる。従って、標識剤は、該標識剤が最も効率的に励起される波長区間に照明ビーム１２０のスペクトル分布Ｗibが対応する場合に最も効率的に励起される。該蛍光放出は第２のスペクトル分布Ｗｆを持つ散乱放射を発生する。
【００４３】
標識剤は、例えば、４００ｎｍの波長を含む波長区間内で励起することができる。標識剤が例えば２００ｎｍのスペクトルずれを有する場合、この標識剤は約４００ｎｍの中心波長のスペクトル分布を持つ放射により照明された場合に６００ｎｍの近傍に位置するような第２のスペクトル分布を持つ蛍光放射により応答する。
【００４４】
スペクトル分布の中心波長は、例えば、該スペクトル分布の放射が最大強度を持つような波長として理解することができる。
【００４５】
生物学的物質のサンプル１１０の分子を標識付けするために、異なる標識剤を使用することができる。例えば、量子ドット（quantum dots）、蛍光物質（fluorophores）、発色団（chromophores）、染料（dyes）、発光ナノ粒子、ナノロッド、ビード及び金粒子を標識剤として使用することができる。
【００４６】
量子ドットは金属又は半導体ナノ粒子のいずれかとすることができ、その場合において、粒径は量子閉じ込め効果が離散原子又はバルク固体の形では得られない固有の光学的及び電気的特性を生じるほど小さい。量子ドットは、例えば蛍光物質とは対照的に、広帯域の吸収スペクトルという利点を有している。バンドギャップエネルギより高いエネルギを持つ光子の吸収の結果、電子／ホール対（又は励起子）が生成される。斯かる吸収は一層高いエネルギで（即ち、より短い波長で）確率が増加されるので、広帯域の吸収スペクトルが得られる。励起子の放射的再結合の結果、狭い対称性エネルギバンドでの光子の放出が生じる。励起子の長い寿命（通常、１０ｎｓより長い）及び量子ドットの狭い放出スペクトルは、例えば蛍光物質より有利である。
【００４７】
例えば、９１５ｎｍより短い何れかの波長を放出するように同調可能なＩｎＰ量子ドット、シリコン量子ドット、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ及びＣｄＴｅ（II-VI物質）；ＩｎＰ及びＩｎＡｓ（III-Ｖ物質）；ＰｂＳｅ（IV-IV物質）等の半導体物質から合成される量子ドット等の多数のタイプの量子ドットが存在する。
【００４８】
標識剤のタイプは上述したタイプに限定されるものではなく、従って、他のタイプの蛍光剤もサンプル１１０に標識付けするために等しく使用することができる。同様に、量子ドットのリストも上述したものに限定されるものではない。何故なら、他の物質から合成された量子ドットも等しく使用することができるからである。
【００４９】
標識剤は、必ずしも、量子ドット等の発光又は蛍光剤のみを有するものと理解してはならない。即ち、標識剤がサンプル１１０の分子に接合又は結合するために、該標識剤の蛍光剤はサンプル１１０の分子に結合することが可能なタグと接することができる。このようなタグは、認識部分（recognition moieties）、リガンド及び静電相互作用により発光又は蛍光剤と接する荷電アダプタ分子を有する。他の接合法は、共有結合（covalent attachment）及びチオール交換（thiol-exchange）反応を含む。如何にして生物分子を量子ドットに接合するかの例は、５０μｌの量子ドット溶液（２μＭ）、３０μｌのＥＤＣ（１００ｍＭ）、３０μｌのｓＮＨＳ（１００ｍＭ）及び９０μｌのタンパク質（１５μＭ）を、2時間温置し、次いでスピンフィルタにより精製するものを含む。如何にして標識剤が分子、目標又はプローブに結合するかの詳細は、例えばNanotechnologies for the life sciences, Volume 1: "Biofunctionalization of Nanomaterials", Edited by Challa Kumar, Wiley-VCH, 2005なる文献で見つけることができる。
【００５０】
図２は、第１型不純物によりドーピングされた第１半導体層２１１と、真性（非ドーピング）半導体層２１２と、第２型不純物によりドーピングされた第２半導体層２１３とを有するＰＩＮフォトダイオード２００の説明図である。
【００５１】
第１半導体層２１１が、半導体物質に結合するのに必要とされるよりも少ない電子を持つアクセプタ不純物によりドーピングされた場合、該第１半導体層２１１はｐドーピングされた層と呼ばれる。何故なら、上記アクセプタ不純物が価電子帯から１以上の電子を受け入れることができるからである。かくして、アクセプタ不純物は負のイオンとなり、価電子帯に自由ホールが発生される。
【００５２】
第２半導体層２１３が、半導体物質に結合するのに必要とされるよりも多い価電子を持つドナ不純物によりドーピングされた場合、該第２半導体層２１３はｎドーピングされた層と呼ばれる。ドナ不純物は正のイオンとなり、伝導帯に自由電子が発生される。
【００５３】
真性層２１２は正味のアクセプタ又はドナ不純物は含まず、従って価電子帯に自由ホールを有さないか又は伝導帯に自由電子を有さない。これは、該真性層を電気的に高度に抵抗性の物質にさせる。
【００５４】
価電子帯の上部及び伝導帯の底部は、所謂バンドギャップＥｇによりエネルギ的に分離される。結晶性半導体において、これは禁止されたエネルギ領域である。即ち、電子は、このバンドギャップ内に留まるエネルギを有することはできない。アモルファス半導体においては、バンドギャップ内に連続した状態密度が存在するが、状態密度は非常に小さく、典型的にはバンドエッジにおけるよりも５又は６桁小さい。半導体上に光子が入射した場合、この光子は、該光子のエネルギが電子を価電子帯から許されるエネルギ状態へ昇格させることができるなら、吸収される。結晶性半導体においては、バンドギャップには実効的に許される状態は存在しない。アモルファス半導体の場合、バンドギャップにおける状態密度は非常に低いので、バンドギャップ内での許される遷移は殆どありそうにない。このことは、結晶性及びアモルファス半導体の両者の場合、光子エネルギが電子を価電子帯から伝導帯エッジより上まで直接励起するのに十分なほど大きな場合にのみ、強い光吸収が生じるであろうことを意味する。このような励起は上記電子を伝導体に移動させ、この伝導体において該電子は自由電子となり、価電子帯に自由ホールを残す。これは、電子／ホール対の発生として知られている。
【００５５】
光子又は放射は第１半導体層２１１、真性層２１２又は第２半導体層２１３のうちの何れにおいても吸収され得ると理解されたい。
【００５６】
僅かな電界を持つか又は電界を持たない領域において電子／ホール対が形成された場合、斯かる電子及びホールは極空間的近傍に留まって再結合する傾向があり、センサに対して有用な信号は与えることがない。斯かる電子及びホールが強い電界を持つ領域内で発生された場合、再結合する前に分離する大きな機会を有し、電極で抽出されて、検出信号に寄与するであろう。電界は、外部的に印加することができるか、又はドーピングされた領域と真性シリコンとの間の電気的接触による真性層２１２内のバンドの曲りの結果とすることができる。当該デバイスにおけるｎ及びｐ領域等の強くドーピングされた領域において発生された電子／ホール対は、目立った電流を生成することはない。ｎ領域の場合、これは、伝導帯が既に不純物イオンにより付与された高密度の電子を含んでおり、これらの１つがホールと非常に素早く再結合して、対の発生を相殺するからである。加えて、ｎ領域における場は非常に小さい。何故なら、該領域は高度に伝導的であるので、ホールを再結合する前にワイヤに向かって移動させるように作用する力は非常に小さいからである。同様に、ｐ領域においては、高密度のホールが、光子により発生される電子の即座の再結合を生じさせる。しかしながら、真性領域においては、電子／ホール対を再結合させる自由キャリアは存在せず、当該物質はドーピングされた領域よりも伝導的でなく、従って一層高い場の勾配を有するのでキャリアの分離は素早い。かくして、真性層２１２においては、自由電子２４１はｎドーピング層に移入することができる一方、自由ホール２４２はｐドーピング層に移入することができ、これら層において収集され、次いでワイヤ２２１及び２２２を介し電流Ｉとして通過する。該電流の方向は矢印２２３により示されている。
【００５７】
図２において、フォトダイオードは、生物学的物質のサンプル１１０から放出された入射放射２３１及び２３２がｐドーピング層２１１の上面２１４に衝突するように配置されている。従って、上面２１４は入射放射を受けるように構成することができる。
【００５８】
反射防止コーティング２４５を当該ｐ層の上面２１４に塗布することもできる。反射防止コーティング２４５は、当該ｐドーピング層に伝達される入射放射の量を増加させることができる。該反射防止コーティングは、オプション的なもので、該ｐ層の上面２１４に設ける必要はない。
【００５９】
図２において、入射放射２３１は第１スペクトル分布Ｗｉを持つ入射放射を示し、入射放射２３２は第２スペクトル分布Ｗｆを持つ放射を示している。第１及び第２スペクトル分布の波長の差により、並びに当該フォトダイオードのｐ、ｎ及び真性層の吸収特性の波長依存性により、異なる波長は、当該フォトダイオードの層内の異なる層及び異なる深さまで透過される。図２に示されるように、第１スペクトル分布Ｗｉを持つ（例えば、当該スペクトルの青の端部に向かう）入射放射２３１は、ｐ層２１１において完全に吸収されるか又は少なくとも実質的に完全に吸収される。第２スペクトル分布Ｗｆを持つ（例えば、当該スペクトルの赤の端部に向かう）入射放射２３２はｐ層を経て真性層まで透過する。このようにして、入射放射２３２はｐ層において部分的に吸収される一方、残りの放射２３２は真性層２１２へ透過され、そこで吸収される。
【００６０】
第１及び第２スペクトル分布を持つ入射放射２３１及び２３２の上記ｐ層における吸収の割合は、該ｐ層の厚さＴｐ及び第１及び第２スペクトル分布Ｗｉ及びＷｆの波長に依存する。
【００６１】
フォトダイオード２００の半導体層２１１〜２１３は、例えばプラズマ支援化学蒸着法（PECVD）によりアモルファスシリコンを被着させることにより製造することができる。フォトダイオード２００のアモルファスシリコン層２１１〜２１３を生成するための被着率は、例えば、１０ｎｍ／分と１００ｎｍ／分との間で変化し得る。
【００６２】
ワイヤ２２１及び２２２と第１及び第２半導体層２１１及び２１３との間の電気的接触は、中心開口を持つ金属製リング接触子を用いて、又は例えば上面２１４への透明導電材料を堆積することにより設けることができる。例えば、上記透明導電材料は酸化インジウム錫とすることができる。
【００６３】
フォトダイオードの物理論の詳細は、例えばSemiconductor Devices, Physics and Technology, 2nd edition, S.M. Szeなる文献で見つけることができる。水素化アモルファスシリコンフォトダイオードの特別に詳細な考察は、例えばHydrogenated amorphous silicon, R.A. Streetなる文献で見つけることができる。
【００６４】
図３は、ｐ層２１１の厚さＴｐと入射放射の波長Ｗとの間の関係をｐ層における異なる割合の放射吸収に関して示すグラフである。図３のグラフは、ｐドーピングされたアモルファスシリコンａ−Ｓｉからなるｐ層の場合を示すものである。横軸は入射光の波長Ｗを示し、縦軸はｐ層の厚さを示している。５０％、９０％及び９９％とラベルの付された３つの曲線は、入射放射の５０％、９０％及び９９％が吸収された各厚さＴｐを波長Ｗの関数として示している。図２に関連して概説されたように、ｐ層における吸収は光電流には大きくは寄与しない。
【００６５】
図３からは、入射放射２３１が４００ｎｍの波長Ｗに近い第１スペクトル分布Ｗｉを有し、入射放射２３２が６００ｎｍの波長Ｗに近い第２スペクトル分布Ｗｆを有し、ｐ層の厚さＴｐが１００ｎｍであるなら、４００ｎｍの波長を持つ入射放射の９９％がｐ層で吸収される一方、約５８０ｎｍの波長を持つ入射放射は５０％しか吸収されないことが分かる。言い換えると、４００ｎｍ及び５８０ｎｍの１％及び５０％が真性層２１２へと透過されることになる。
【００６６】
５００ｎｍなる厚さＴｐにすると、４００ｎｍの波長を持つ入射放射の全てがｐ層２１１で吸収される一方、６００ｎｍの波長を持つ入射放射の９０％及び１０％が、各々、吸収され及び透過される。
【００６７】
例えば４００ｎｍの波長を持つような入射放射に関して述べたが、このような入射放射は実際には４００ｎｍの波長に対応するスペクトル分布を有すると理解されるべきである。即ち、該スペクトル分布の例えばピーク振幅、平均スペクトル値又は中心値が４００ｎｍなる波長に近い又は等しいものであり得る。
【００６８】
このように、ｐ層２１１の適切な厚さ（例えば、３００ｎｍ）を選択すれば、特定の放射を持つ入射放射は第１半導体層（例えばｐ層２１１）の体積内で完全に吸収され又は少なくとも略吸収される。
【００６９】
図３から、第１半導体層２１１の適切な厚さを推定することができ、かくして、該第１半導体層は特定の波長の入射放射を吸収することができる。このように、入射放射が例えば４００ｎｍの波長に対応する第１スペクトル分布を有するなら、図３は１００ｎｍより大きい厚さＴｐが少なくとも９９％の吸収を生じるであろうことを示す。同様に、２００ｎｍより大きい厚さは一層大きな吸収を生じ、３００ｎｍより大きな厚さは９９.９％より大きな吸収を生じさせそうである。１μｍの厚さＴｐを選択することにより、４００ｎｍの波長又は４０５ｎｍの波長等の４００ｎｍに近い波長の全ての又は実質的に全ての入射放射は吸収される。
【００７０】
このように、第１半導体層２１１の厚さＴｐが１００ｎｍから１μｍの範囲内に選択されたとしても、第２のスペクトル分布を持つ（例えば、６００ｎｍの波長を持つ）十分な量の放射が真性層２１２へと透過され、検出可能な光電流Ｉを生じさせる。
【００７１】
言い換えると、第１半導体層は、第１スペクトル分布を持つ入射放射の少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％、より好ましくは少なくとも９９％を吸収することができなければならない。このことは、第１スペクトル分布（例えば、４００ｎｍ）を持つ放射が十分に吸収される一方、第２スペクトル分布を持つ放射が真性層２１２へと十分に透過されることを保証する。
【００７２】
例えば、生物学的物質のサンプル１１０は、４０５ｎｍの波長に対応するスペクトル分布Ｗibを持つ照明ビーム１２０からの放射を効果的に吸収することができるような標識剤により標識付けされる。この標識剤は約２００ｎｍのスペクトルずれ（即ち、ストークシフト）を有するので、該標識剤は約６００ｎｍの波長に対応する第２スペクトル分布を持つ放射を放出する。第１半導体層が例えば３００ｎｍの厚さを有する場合、６００ｎｍの波長を持つ放出放射のみが検出される。何故なら、４０５ｎｍの波長を持つ放射は第１半導体層において吸収されるからである。
【００７３】
このように、４０５ｎｍの波長を持つ入射放射が６００ｎｍの波長を持つ入射放射と比較して大きな強度を有していたとしても、該４０５ｎｍの放射は６００ｎｍの放射の検出を妨害することがない。従って、６００ｎｍの波長に対応する第２スペクトル分布を持つ入射放射は高分解能で検出することができる。
【００７４】
照明ビーム１２０の入射放射のスペクトル分布における中心波長の波長は、レーザ、半導体レーザ又は発光ダイオードにより発生することができる３５０ｎｍ、３７５ｎｍ、４７３ｎｍ、４０５ｎｍ、４４２ｎｍ及び４９０ｎｍの波長を持つ青又は青紫に対応し得る。また、３８０ｎｍから２００ｎｍまでの、又は１０ｎｍまでさえの範囲内の波長を持つ紫外又は紫色に対応する入射放射のスペクトル分布における中心波長もサンプル１１０の照明に使用することができる。３８０ｎｍから２００ｎｍまでの範囲における（例えば、２６２ｎｍ、２６６ｎｍ、３４９ｎｍ、３５１ｎｍ又は３５５ｎｍ）斯様な波長は、ｕｖレーザ、ｕｖ半導体レーザ又はｕｖ発光ダイオードにより発生することができる。５００ｎｍから８３０ｎｍまで、及び恐らくは１５５５ｎｍまでの波長を持つ緑、赤及び赤外色範囲における一層長い波長も、標識剤を励起するために使用することができる。
【００７５】
照明ビーム１２０を発生する照明源は、半導体レーザ、ガスレーザ、放電ランプ又は発光ダイオードとすることができる。該照明源のリストは全てを網羅するものではなく、他の照明源も等しく使用することができる。
【００７６】
第１半導体層２１１の吸収特性により、フォトダイオード２００は高強度入射放射と混合された低強度入射放射を検出することができ、その場合において、低強度放射は高強度放射のスペクトル分布からスペクトル的にずらされたスペクトル分布を有する。このように、当該フォトダイオードは、該フォトダイオードが特定のスペクトル分布を持つ放射をフィルタ除去することができるようなスペクトルフィルタリング能力を有する。
【００７７】
例えばカラーフィルタ、ダイクロイックフィルタ又はファブリペローエタロン等の高価な光学フィルタを用いなくても、フォトダイオード２００は斯様な光学フィルタに対応する光学フィルタリングを実行することができる。同時に、単純且つ安価な光検出器が達成される。何故なら、追加の光学フィルタが必要とされず、且つ、斯様な光学フィルタの装着も必要とされないからである。かくして、第１半導体層２１１の吸収能力を利用することにより、単純、小型で安価な光検出器が達成される。
【００７８】
第１半導体層２１１、真性層２１２及び第２半導体層２１３は、例えばアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）、アモルファス炭化シリコン（a-SiC）、マイクロ結晶性Ｓｉ、プラスチック／高分子電子技術で使用される材料及び集積回路の製造に使用される伝統的結晶技術から既知の結晶性シリコン等の種々の半導体材料から形成することができる。また、上記半導体層のために、例えばアモルファスシリコンのレーザ焼き鈍しにより生成された低温ポリＳｉも使用することができる。半導体材料の選択は上述した材料に限定されるものではなく、例えば他のアモルファスシリコン合金も使用することができる。また、例えば第１半導体層２１１は、第２半導体層２１３に使用された材料とは異なる材料から形成することもできる。
【００７９】
第１半導体層２１１及び第２半導体層２１３をドーピングするために使用される物質は、周期律表の３族及び５族の各々からのアクセプタ及びドナ不純物とすることができる。最も頻繁に使用されるアクセプタドーパントはＢ、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎであり、最も頻繁に使用されるドナドーパントはＰ、Ａｓ及びＳｂである。これらは、堆積の間において、例えばPECVD反応器内にジボラン（diborane）又はホスフィン（phosphine）ガスを添加することにより、アモルファスシリコンに気相から容易に導入することができる。他の例として、ドーピングは、時には例えばアモルファスシリコンに接触されたＡｌ電極から、固体拡散により達成される。
【００８０】
第１スペクトル分布を持つ入射放射及び第１半導体層２１１を介して透過される第２スペクトル分布を持つ入射放射の放射パワーの比は、第１半導体層に使用される材料の選択により調整することができる。
【００８１】
図４ａは、厚さＴｐを持つ第１半導体層２１１を介して透過される入射放射パワーの光透過率Ｔｒを４００ｎｍの入射放射及び６００ｎｍの入射放射に関して示している。図４ａにおいて、第１半導体層２１１の材料はｐドーピングされたアモルファスシリコン（p a-Si）であり、該材料は典型的には約７７５ｎｍの放射波長に対応する１.６〜１.６５ｅＶの光バンドギャップＥｇを有する。
【００８２】
図４ｂは同様のグラフを示すが、該グラフにおいて第１半導体材料はｐドーピングされたアモルファス炭化シリコン（p a-SiC）であり、これは典型的には約６５０ｎｍの放射波長に対応する１.９ｅＶの光バンドギャップＥｇを有する。かくして、図４ｂは厚さＴｐを持つ第１半導体層２１１を介して透過される入射放射パワーの光透過率Ｔｒを４００ｎｍ及び６００ｎｍの入射放射に関して示している。
【００８３】
アモルファス炭化シリコン（p a-SiC）の光バンドギャップＥｇはアモルファスシリコン（p a-Si）の光バンドギャップより大きいので、等しい厚さＴｐに対する光透過率Ｔｒは図４ａにおけるよりも図４ｂにおける方が大きい。ａ−ＳｉＣ材料と比較してａ−Ｓｉ材料における方が、６００ｎｍの放射に対して光透過率Ｔｒは厚さＴｐの関数として一層急速に減少する。従って、透過される６００ｎｍの放射と透過される４００ｎｍの放射との比は、ｐドーピングされたアモルファス炭化シリコン（p a-SiC）における方がｐドーピングされたアモルファスシリコン（p a-Si）よりも大きくなる。
【００８４】
光フィルタ効果を最適化させるため、及び入射放射が４００ｎｍの放射及び６００ｎｍの放射の両方を含んでいる場合に検出分解能を増加させるために、６００ｎｍの放射の透過と比較して４００ｎｍの入射放射の吸収を増加させることが望ましいなら、ｐドーピングされたアモルファス炭化シリコンの方が、第１半導体層２１１に対する好ましい選択となり得る。
【００８５】
図４ｃは、１.６ｅＶ及び１.９ｅＶの光バンドギャップＥｇを持つ半導体層を介して透過される６００ｎｍ及び４００ｎｍの波長を持つ放射の光透過比Ｔｒ(６００)／Ｔｒ(４００)を、層厚Ｔｐの関数として示している。Eg 1.6eVとラベルの付された曲線はアモルファスシリコンの層を介しての光透過比Ｔｒ(６００)／Ｔｒ(４００)を示し、Eg 1.9eVとラベルの付された曲線はアモルファス炭化シリコンの層を介しての光透過比Ｔｒ(６００)／Ｔｒ(４００)を示している。このように、図４ｃから、光透過比Ｔｒ(６００)／Ｔｒ(４００)は、アモルファスシリコンよりもアモルファス炭化シリコンの第１半導体層の場合に一層急速に増加することが明らかである。
【００８６】
第１スペクトル分布を持つ入射放射が４００ｎｍに対応し、第２スペクトル分布を持つ入射放射が６００ｎｍに対応する例において、スペクトルずれ、即ちストークシフトは約２００ｎｍである。より少ないスペクトルずれを有する他のタイプの標識剤が使用される場合、第２及び第１スペクトル分布を持つ透過放射の比は減少するであろう。例えば、第１スペクトル分布の波長が４００ｎｍに対応し、第２スペクトル分布の波長が５００ｎｍに対応する場合、１００ｎｍのストークシフトにより、所与の半導体材料及び所与の厚さＴｐに対する光透過比Ｔｒ(５００)／Ｔｒ(４００)は前記光透過比Ｔｒ(６００)／Ｔｒ(４００)より小さくなるであろう。
【００８７】
従って、第１スペクトル分布と第２スペクトル分布との間のスペクトルずれが少なくとも３０ｎｍ又は５０ｎｍの場合、第１及び第２のスペクトル分布を持つ入射放射の光透過率の差は、第１スペクトル分布を持つ入射放射をフィルタリング除去し、かくして第２スペクトル分布を持つ入射放射が十分に高い分解能で検出可能となるような十分なフィルタリング効果を提供する。
【００８８】
第１スペクトル分布と第２スペクトル分布との間のスペクトルずれが少なくとも例えば１００ｎｍである場合、第１及び第２のスペクトル分布を持つ入射放射の光透過率の差は更に一層大きなフィルタリング効果を提供し、かくして第２スペクトル分布を持つ入射放射は更に高い分解能で検出可能となる。
【００８９】
従って、スペクトルずれが少なくとも２００ｎｍであれば、フィルタリング効果は更に一層顕著となり、かくして第２スペクトル分布を持つ入射放射は非常に高い分解能で検出可能である。
【００９０】
図２に示したフォトダイオードに関しては、入射放射２３１及び２３２はｐドーピングされた第１半導体層２１１に入射する。このようなダイオードはＰＩＮダイオードと呼ばれる。他の例として、第１半導体層２１１はｎドーピングされた半導体層とすることができる一方、第２半導体層２１３はｐドーピングされた半導体層とすることができる。ｎドーピングされた半導体層の吸収特性は、典型的には、同じ半導体材料（例えばａ−Ｓｉ）のｐドーピングされた半導体層とは異なるが、図２、３、４ａ、４ｂ及び４ｃに関連して説明したｐドーピングされた半導体材料の吸収特性はｎドーピングされた半導体材料にも当てはまり得る。従って、ｎドーピングされた半導体材料の半導体層の吸収特性の詳細な説明は省略する。
【００９１】
図５はＰＮ型フォトダイオード５００の説明図である。該ＰＮ型フォトダイオード５００は図２に示したＰＩＮダイオードとは、真性層２１２の代わりに空乏層５１２を有する点で主に相違している。従って、図２及び図５のフォトダイオードに共通する特徴部には同一の符号が付されており、図５のフォトダイオードにおける図２のＰＩＮダイオードの特徴部と同じ特徴部の詳細な説明は省略する。
【００９２】
ＰＮ型フォトダイオード５００は空乏層５１２を有する一方、ＰＩＮ型フォトダイオード２００は真性層２１２を有しているが、ＰＮ型フォトダイオード５００及びＰＩＮ型フォトダイオード２００の例えば吸収能力及び光電流２１３を発生する能力等の一般的振る舞いは等価である。従って、空乏層５１２及び真性層２１２は共通に第３半導体領域２１２，５１２と呼ぶことができる。このように、ＰＮ型フォトダイオード５００及びＰＩＮ型フォトダイオード２００の両者は、第１半導体層２１１，５１１と第２半導体層２１３，５１３との間に第３半導体領域２１２，５１２の層を有していると言える。
【００９３】
ＰＮ型フォトダイオード５００は、ｐドーピングされた半導体材料からなる第１半導体層５１１と、ｎドーピングされた半導体材料からなる第２半導体層５１３とを有している。入射放射２３１及び２３２は上記ｐドーピング半導体層の上面２１４に直接衝突するか、又は、他の例として入射放射２３１及び２３２は当該入射放射が上面２１４に衝突する前に反射防止コーティング２４５を介して透過され得る。
【００９４】
該ＰＮフォトダイオードでは真性層２１２が省略されているので、ｐドーピングされた半導体層５１１はｎドーピングされた半導体層５１３と直接電気的に接触される。
【００９５】
ｐドーピングされた半導体層５１１がｎドーピングされた半導体層５１３と直接電気的に接触されると、これらｐドーピング層５１１及びｎドーピング層５１３の両者内へと延びる第３半導体領域５１２が形成される。該第３半導体領域５１２は、第１半導体層の一部及び第２半導体層の一部に含まれるものとする。
【００９６】
第３半導体領域５１２は空乏層と呼ぶ。何故なら、この層は自由電子及びホールが欠乏しているからである。入射放射２３１の光子が該第３半導体領域５１２に侵入した場合、この光子が十分なエネルギを有しているなら、該光子は自由電子５４１及び自由ホール５４２を発生する。自由電子５４１はｎドーピングされた第２半導体層５１３に向かい且つ内へと進行し、ホール５４２はｐドーピングされた半導体層５１１に向かい且つ内へと進行する。このようにして、入射放射２３１は自由電子及びホールの流れを発生し、該流れは方向２１３を持つ検出可能な電流Ｉを形成する。
【００９７】
図５におけるＰＮフォトダイオードのｐドーピングされた第１半導体層５１１及びｎドーピングされた第２半導体層５１３は、ｎドーピングされた層が第１半導体層５１１となり、且つ、ｐドーピングされた層が第２半導体層５１３となるＮＰフォトダイオードを形成するように逆転することができる。かくして、該ＮＰフォトダイオードにおいては、入射放射はｎドーピングされた半導体層の上面２１４に衝突する。
【００９８】
図６は、サンプル６２０，１１０における生物学的物質の存在を検出することが可能な検出装置６００の主要図である。該検出装置６００は、マイクロ総合分析システム（micro-tas）、ラボオンチップ（lab-on-a-chip）又は分子診断システム（ＭＤｘ）とも称することができる。該検出装置は処理デバイス６４０を有する。該処理デバイスは透明容器とすることができ、この容器には該容器に例えば発光又は蛍光特性を持つ標識剤により標識付けされた生物学的物質の試料、分子、抗原、抗体、タンパク質、細胞、組織片、ＤＮＡ、血液及び尿を含む標識付けされたサンプル６２０を供給するための例えば孔が設けられる。
【００９９】
処理デバイス６４０には、例えばフォトダイオード６３０，２００に隣接する底面に被着するプローブ分子が供給されている。従って、サンプル６２０の標識付けされた目標分子は当該処理デバイスに事前に塗布された上記プローブ分子と反応することができる。次いで、如何なる非反応目標分子も洗浄除去することができ、かくしてサンプル６２０は、接続された標識剤を持つ結合された目標／プローブ対を専ら又は少なくとも主に含むようになる。
【０１００】
分子、抗原、抗体、タンパク質、細胞、組織片、ＤＮＡ、血液及び尿を含む如何なる物質の分子も、目標分子としての機能を有することができる。例えば、抗原を目標として使用することができる一方、抗体をプローブとして使用することができるか、又は、反対に、抗体を目標として使用することができる一方、抗原をプローブとして使用することができる。従って、当該検出装置は、例えば、ＤＮＡマイクロアレイ又は免疫測定器（immunoassays）として使用することができる。
【０１０１】
検出装置６００は、例えばレーザ、半導体レーザ又は発光ダイオード等の放射源６１０も有している。該放射源は、第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布Ｗibを持つ照明ビーム６１１を発生することができる。
【０１０２】
照明ビーム６１１は前記透明容器６４０を介して透過されるので、該照明ビームはサンプル６２０を照明する。サンプル６２０、処理デバイス６４０、及び標識付けされた分子、標識付けされた抗原、標識付けされた抗体又は他の標識付けされた分子は、第１スペクトル分布及び第２スペクトル分布Ｗｉ及びＷｆを持つ放射６２１を放出する。放射６２１の放出は、散乱、回折、屈折、反射及び標識剤からの蛍光放射の放出により生じ得る。
【０１０３】
放出された放射６２１は、第１及び第２スペクトル分布を持つ入射放射として、第２スペクトル分布を持つ放射を検出するためのフォトダイオード６３０，２００に伝達される。フォトダイオード６３０，２００は第２スペクトル分布を持つ放射に対応する光電流Ｉを発生する。該光電流Ｉは、更なる分析のために端子６３１に供給される。他の例として、上記光電流は当該検出装置６００に設けられたコンピュータ又は処理ユニットにより分析することもできる。
【０１０４】
このように、第２スペクトル分布を持つ放射を検出及び分析することにより、サンプル６２０内のＡＩＤＳ、薬剤及びウイルス等の特定の生物学的物質の有無を決定することができる。
【０１０５】
上記検出装置は、処理デバイス６４０がサンプル６２０の分子を標識付けすることにより生物学的物質のサンプルを処理することができるように構成することもできる。これは、該処理デバイスに固体又は液体の形の標識剤を設けることにより達成することができる。従って、標識剤により標識付けされていない生物学的物質のサンプル６２０を処理デバイス６４０に注入することができ、かくして、該処理デバイス６４０により利用可能にされる標識剤が斯かる注入されたサンプル６２０の試料／分子／抗原に標識付けする。
【０１０６】
検出装置６００は、量子ドット、蛍光物質、発色団、染料、発光性ナノ粒子、ナノチューブ、金粒子及びビードを含む群から選択された標識剤と共に動作するように構成することができる。
【０１０７】
処理デバイス６４０に供給される生物学的物質の標識付けされた又は標識付けされていない分子を含むサンプルは、細胞、組織片、ＤＮＡ、タンパク質、血液、尿等の異なる有機物質であり得る。
【０１０８】
図６に示されるように、照明ビーム６１１の方向は、第１半導体層２１１の表面の法線に対して垂直である。これは、照明ビーム６１１がフォトダイオード６３０，２００に直接衝突せず、従ってフォトダイオード６３０，２００に入射する第１スペクトル分布を持つ放射の量が第１半導体層２１１の表面の法線に対して垂直でない照明ビーム６１１に対して最少化される故に利点となる。しかしながら、照明ビーム６１１の垂直方向以外の方向も、当該検出装置において使用することができる。
【０１０９】
検出装置６００は、処理デバイス６４０以外の他の処理デバイスを有することができるか、又は処理デバイス６４０に他の機能を設けることもできる。このように、ポリメラーゼ連鎖反応によりＤＮＡの濃度を増幅する処理デバイス、マイクロポンプの使用によるサンプル６２０の流れを生成する処理デバイス、電気泳動の使用によるサンプル６２０の分離及びＤＮＡの抽出のための細胞溶解のための処理デバイスを使用することができる。更に、検出装置６００はサンプル６２０，１１０を処理するためのマイクロ流体チャンネル及び非反応目標分子を洗浄除去するためのデバイスを有することもできる。
【０１１０】
フォトダイオード２００の応用例において、サンプル６２０，１１０は、異なるスペクトルずれ、即ちストークシフトを持つ異なる標識剤により標識を付すことができる。例えば、５０ｎｍ、１００ｎｍ、１５０ｎｍ及び２００ｎｍなる別個のスペクトルずれを有する標識剤を、サンプル６２０を標識付けするために使用することができる。例えば、５０ｎｍのスペクトルずれを有する標識剤を、サンプル１１０の第１タイプの分子に接続又は接合することができる。１００ｎｍのスペクトルずれを持つ他の標識剤を、該サンプル６２０の第２のタイプの分子に接続又は接合することができる。同様にして、他の標識剤を他の分子に接合することができる。
【０１１１】
異なる第２スペクトル分布Ｗif（例えば、４５０ｎｍ、５００ｎｍ、５５０ｎｍ及び６００ｎｍの中心波長を持つ４つの異なるスペクトル分布）を持つ蛍光放射を検出するために、各々が特定の厚さの第１半導体層を持つような４つの異なるフォトダイオード２００を使用することができる。例えば、第１のタイプのフォトダイオード２００は例えば４３０ｎｍまでの波長を吸収する厚さを持つ第１半導体層２１１を有することができ、これにより４つの全てのスペクトル分布が検出される。第２のタイプのフォトダイオード２００は例えば４８０ｎｍまでの波長を吸収する厚さを持つ第１半導体層２１１を有することができ、これにより残りの３つのスペクトル分布（５００ｎｍ、５５０ｎｍ及び６００ｎｍ）が検出される。第３のタイプのフォトダイオード２００は例えば５３０ｎｍまでの波長を吸収する厚さを持つ第１半導体層２１１を有することができ、これにより残りの２つのスペクトル分布（５５０ｎｍ及び６００ｎｍ）が検出される。第４のタイプのフォトダイオード２００は、６００ｎｍなる中心波長のスペクトル分布を持つ放射のみが検出されるような厚さを持つ第１半導体層を有することができる。
【０１１２】
図７は、本発明による方法のフローチャートである。生物学的物質のサンプルにおける目標を検出する該方法は、
Ｓ１：検出装置に目標分子と結合するためのプローブ分子を供給するステップであって、上記目標分子又はプローブ分子は発光特性を有する標識剤により標識を付されており、該標識剤は第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を有する放射により照明された場合に第２スペクトル分布を持つ放射を放出するようなステップと、
Ｓ２：上記プローブ分子と結合させるために、目標分子を含むサンプルを上記検出装置に供給するステップと、
Ｓ３：上記サンプルを、第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により照明するステップと、
Ｓ４：本発明の第１態様によるフォトダイオードを用いて上記サンプルから放出された放射を受けるステップであって、上記の放出された放射が第１スペクトル分布及び第２スペクトル分布を有するようなステップと、
を有する。
【０１１３】
尚、蛍光放射について言及される場合、これは、これらに限定されるものではないが、蛍光（fluorescence）、エレクトロルミネッセンス（electroluminescence）、燐光（phosphorescence）、反射及び回折を含むと理解されたい。放出された放射とは、これらに限定されるものではないが、散乱された、反射された、回折された、発光の及び／又は蛍光の放射を含むものと理解されたい。また、分子への言及は、マクロ分子、一群の接続された分子及び分子部分と等しく理解されたい。
【０１１４】
以上、本発明を特定の実施例に関連して説明したが、これは本発明を本明細書で述べた特定の形態に限定しようとするものではない。むしろ、本発明の範囲は添付請求項によってのみ限定されるべきものである。また、請求項において"有する"なる文言は他の構成要素又はステップの存在を排除するものではない。更に、個々のフィーチャを異なる請求項に含めることができるが、これらのフィーチャは恐らくは有利に組み合わせることができ、異なる請求項に含まれるということが、フィーチャの組み合わせが可能ではない及び／又は有利ではないということを意味するものではない。更に、単数形での言及は、複数形を排除するものでもない。従って、単数形、「第１の」、「第２の」等での言及は複数形を排除するものではない。更に、請求項における符号は当該範囲を限定するものと見なしてはならない。
【図１】
2014132265.tif 000003
【図２】
2014132265.tif 000004
【図３】
2014132265.tif 000005
【図４ａ】
2014132265.tif 000006
【図４ｂ】
2014132265.tif 000007
【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014132265.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成26年3月4日(2014.3.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトダイオードを使用して生物学的物質のサンプル中の目標分子の存在を検出する方法であって、前記フォトダイオードが、第１不純物によりドーピングされ、光電流を生じさせることなく第１スペクトル分布を有する放射を吸収する第１半導体層と、第２不純物によりドーピングされた第２半導体層と、入射放射の少なくとも一部により励起された場合に、自由電子及び自由ホールを発生することができる第３半導体領域と、を有し、前記サンプル中の目標分子が、第１スペクトル分布を有する放射により照明された場合に第１スペクトル分布とスペクトル的にずれた第２スペクトル分布を有する放射を放出する標識剤を付されており、前記方法が、
前記第１半導体層において、第１スペクトル分布をもつ放射により照明された前記サンプルからの放射を受けるステップであって、前記サンプルからの放射は、第１スペクトル分布の放射及び前記目標分子に付された標識剤から放出された第２スペクトル分布の放射を含み、前記第１半導体層が、光電流を生じさせることなく第１スペクトル分布の放射を吸収し、第２スペクトル分布の放射を前記第３半導体領域へ透過させるステップと、
前記第３半導体領域において、第２スペクトル分布の放射を受けて自由電子及び自由ホールを発生するステップと、
を含み、前記第３半導体領域で発生された自由電子及び自由ホールが、検出可能な光電流を生じさせる、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記第１半導体層が該第１半導体層の体積内で前記第１スペクトル分布を持つ放射の選択された割合を吸収するように調整された厚さを有する方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、前記第１半導体層の厚さが、１００ｎｍより大きく、好ましくは２００ｎｍより大きく、又は一層好ましくは３００ｎｍより大きい方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法において、前記第１半導体層が、前記第１スペクトル分布を持つ入射放射の少なくとも８０％、好ましくは少なくとも９０％又は一層好ましくは少なくとも９９％を吸収することができる方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法において、前記第３半導体領域が、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された真性半導体物質の第３層である方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法において、
前記第１半導体層はアクセプタ不純物によりドーピングされたｐドーピング層であり、
前記第２半導体層はドナ不純物によりドーピングされたｎドーピング層である、
方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法において、
前記第１半導体層はドナ不純物によりドーピングされたｎドーピング層であり、
前記第２半導体層はアクセプタ不純物によりドーピングされたｐドーピング層である、
方法。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法において、前記第１スペクトル分布と前記第２スペクトル分布との間のスペクトルのずれが少なくとも５０ｎｍ、好ましくは少なくとも１００ｎｍ、又は一層好ましくは少なくとも２００ｎｍである方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法において、前記第１半導体層及び／又は前記第２半導体層がａ−Ｓｉ、ａ−ＳｉＣ、マイクロ結晶性Ｓｉ及び低温ポリＳｉを含む群から選択された材料から形成される方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の方法において、前記第１半導体層の上面に反射防止コーティングが塗布される方法。
【請求項１１】
生物学的物質のサンプル中の目標分子の存在及びオプションとして量を検出する検出装置であって、
目標分子を含む前記サンプルが供給され、前記目標分子と結合するためのプローブ分子が更に供給され、前記目標分子及び／又は前記プローブ分子は発光特性を持つ標識剤により標識を付され、前記標識剤は、第１スペクトル分布に対応するスペクトル分布を持つ放射により照明された場合に、前記第１スペクトル分布とスペクトル的にずれた第２スペクトル分布を持つ放射を放出する処理デバイスと、
前記第１スペクトル分布の放射により前記サンプルを照明することができる照明器と、
前記サンプルからの放射を受け、前記目標分子の存在に応じて光電流を発生するフォトダイオードであって、前記サンプルからの放射が、第１スペクトル分布の放射及び前記標識剤から放出された第２スペクトル分布の放射を含む、フォトダイオードと、
を有し、
前記フォトダイオードは、第１不純物によりドーピングされ、光電流を生じさせることなく第１スペクトル分布を有する放射を吸収する第１半導体層と、第２不純物によりドーピングされた第２半導体層と、入射放射の少なくとも一部により励起された場合に、自由電子及び自由ホールを発生することができる第３半導体領域と、を有し、
前記第１半導体層が、第１スペクトル分布をもつ放射により照明された前記サンプルからの放射を受け、光電流を生じさせることなく第１スペクトル分布の放射を吸収し、第２スペクトル分布の放射を前記第３半導体領域へ透過させ、前記第３半導体領域が、第２スペクトル分布の放射を受けて自由電子及び自由ホールを発生させ、前記第３半導体領域で発生された自由電子及び自由ホールが、検出可能な光電流を生じさせる、検出装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の検出装置において、前記照明器からの前記放射の方向が、前記第１半導体層の表面の法線に対して垂直である検出装置。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の検出装置において、前記標識剤が量子ドットを有する検出装置。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の検出装置において、前記生物学的物質のサンプルが、細胞、組織片、ＤＮＡ、血液及び尿を含む群から選択された物質を含む検出装置。
【請求項１５】
請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の検出装置において、ポリメラーゼ連鎖反応によりＤＮＡの濃度を増幅することができる第２の処理デバイスを更に有する検出装置。
【外国語明細書】
2014132265000001.pdf