(57)【要約】  蛍光分析法において検査対象であるＤＮＡ等から生じている蛍光を精度よく検出することに適した新規構成の分光装置を提案する。  分光対象光においてゲート電圧の値で特定される波長以上の波長成分の光の強さに対応する電荷量を出力する分光センサ本体２１と、記分光センサ本体２１から出力された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部５１と、を備えてなる分光装置１０であって、フローティングディフュージョン部５１は直列につながれた複数の電荷井戸５３、５５を備え、電荷井戸毎に出力電圧が検出される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光により電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、
該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部であって、前記電荷が流れる１つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた複数の電荷井戸を備え、前記電荷井戸毎に出力電圧が検出されるフローティングディフュージョン部と、を備えることを特徴とする分光装置。
【請求項２】
前記複数の電荷井戸において上流側の電荷井戸の容量が下流側の電荷井戸の容量より大きい、ことを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項３】
前記分光センサの電荷発生層の表面には透光性の絶縁膜を介してゲート電極が配設され、該ゲート電極へ第１のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層を前記第１の電荷捕獲部として機能させ、第２のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層を前記第２の電荷捕獲部として機能させる、こと特徴とする請求項１又は２に記載の分光装置。
【請求項４】
前記分光センサ本体の第１の電荷捕獲部と第２の電荷捕獲部とは分離されており、異なる不純物濃度の電荷発生層を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の分光装置。
【請求項５】
検査対象を透過した励起光と、該励起光で励起された前記検査対象から放出される蛍光とを含む光を分光対象光とし、該分光対象光が入射されて電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、
該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部であって、前記電荷が流れる１つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた第１の電荷井戸及び第２の電荷井戸を備え、前記第１の電荷井戸は前記パスにおいて前記第２の電荷井戸より上流側に位置し、前記第１の電荷井戸は前記第２の電荷井戸より容量が大きく、かつ前記分光対象光により発生する電荷で常に満杯となり、前記第２の電荷井戸の出力電圧が検出される、ことを特徴とする蛍光分析用の分光装置。
【請求項６】
前記分光センサの電荷発生層の表面には透光性の絶縁膜を介してゲート電極が配設され、該ゲート電極へ第１のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層を前記第１の電荷捕獲部として機能させ、第２のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層を前記第２の電荷捕獲部として機能させる、こと特徴とする請求項５に記載の分光装置。
【請求項７】
前記分光センサ本体の第１の電荷捕獲部と第２の電荷捕獲部とは分離されており、異なる不純物濃度の電荷発生層を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の分光装置。
【請求項８】
入射光により電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、
前記電荷が流れる１つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた複数の電荷井戸を備え、前記分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部と、を備える分光装置を駆動する方法であって、
前記第１の電荷捕獲部で捕獲した電荷を前記分光センサ本体から前記パスへ送出したとき、電荷で満杯にならない最上流の電荷井戸を特定して、その出力電圧を第１の電圧として保存するステップと、
前記第２の電荷捕獲部で捕獲した電荷を前記センサ本体から前記パスへ送出し、前記特定された電荷井戸の出力電圧の第２の電圧として保存するステップと、を含む駆動方法。
【請求項９】
入射光により電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体と該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部とを備える分光装置であって、
前記分光センサ本体と前記フローティングディフュージョン部とは半導体基板表面に形成され、前記電荷発生層は第１の導電型にドープされ、前記フローティングディフュージョン部を構成する第１の電荷井戸及び第２の電荷井戸とは前記第２の導電型にドープされ、
前記電荷発生層、前記第１の電荷井戸及び前記第２の電荷井戸は仮想同一線上にそれぞれ第１及び第２のトランスファーゲート領域を介在して形成され、
前記電荷発生層の表面には透光性の絶縁膜を介してゲート電極が配置され、前記第１及び第２の電荷井戸にはそれぞれ電圧検出回路が接続され、前記第１及び第２のトランスファーゲート領域にはそれぞれ絶縁膜を介して第１及び第２のトランスファーゲート電極が配置されている、ことを特徴とする分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射光により電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、電荷発生層においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体が特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示される分光センサ本体は、入力光を透過させる電極膜を半導体基板上に設け、この電極膜にはゲート電極が接合されてゲート電圧が印加される。半導体基板と電極膜との間には絶縁膜が介在され、半導体基板において電極膜に対向する部分には拡散層が形成される。ここで半導体基板を一定の電圧でバイアスし、ゲート電極へ印加されるゲート電圧を変化させると、拡散層での電荷（電子）の捕獲深さが変化する。他方、入力光は拡散層中へ侵入して電荷を発生させる。入力光は拡散層を構成する半導体に吸収されて減衰する。この減衰の度合いは入射光の波長に依存する。【０００３】
波長λ１の光強度をＡ１とし波長λ２の光強度をＡ２として、波長λ１と波長λ２の光が同時に入射されたとし、拡散層（電荷発生層）において表面から第１の深さＷ１までに発生した電荷量（電流量）をＩ１、同じく第２の深さＷ２までに発生した電荷量(電流量)をＩ２としたとき、次の関係式が成立する（詳細は特許文献１参照）。
【数１】
2009151004.tif 000003
上記において、Ａ１ 、Ａ２ ：入射光強度〔Ｗ／ｃｍ２ 〕
Ｓ：センサー面積〔ｃｍ２ 〕
Ｗ１ 、Ｗ２ ：電子の捕獲位置〔ｃｍ〕
α１ 、α２ ：それぞれの波長の吸収係数〔ｃｍ−１〕
Ｖ１ ：電子の捕獲位置をＷ１ としたときの出力電圧
Ｖ２ ：電子の捕獲位置をＷ２ としたときの出力電圧
振動数ν１ ＝ｃ／λ１ 
振動数ν２ ＝ｃ／λ２ 
ここで、ｃは光速、Ｓは受光部の面積、ｈνは光のエネルギー、ｑは電子ボルトである。【０００４】
上記式１においてＷ１及びＷ２はゲート電圧に基づき定められ、Ｉ１及びＩ２は測定可能であるため、共に既知である。従って、未知の入射光の強度Ａ１及びＡ２は、数式１の方程式を解くことにより得られる。即ち、入射光における波長λ１の成分の強度Ａ１と波長λ２の成分の強度Ａ２とが求められる。
ｎ個の波長光の集合体からなる入射光に対しては、電荷発生層からｎ個の深さにおけるそれぞれの距離Ｗ１〜Ｗｎ及び電荷量Ｉ１〜Ｉｎを求めることにより、ｎ個の波長光の各強度Ａ１〜Ａｎを求めることができる。【０００５】
ＤＮＡやたんぱく質の有無や量を調べることによる遺伝子情報の解析の汎用的な手法として蛍光分析法が挙げられる。この蛍光分析法では、例えば検査対象となるＤＮＡをフルオレセイン（蛍光色素）で標識し、４９０ｎｍのレーザ光（励起光、入力光）を照射し、フルオレセインで標識されたＤＡＮから放出される５１３ｎｍの蛍光を測定する。
フルオレセインが強い蛍光を放出可能といってもその光強度は励起光の数百分の１程度である。従って、従来では、励起光をカットするフィルタが準備され、このフィルタで励起光を遮断するとともに通過した蛍光の強さを測定することにより遺伝子情報を解析していた。
【特許文献１】特開２００５−１０１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蛍光分析法では蛍光の発生の有無を正確に測定するため、換言すれば、蛍光のみを抽出してその光の強さを正確に測定するため、励起光をカットするフィルタに高い信頼性が要求される。従って、フィルタは大変高価なものとなっていた。【０００７】
そこで、本発明者らは、高価なフィルタの使用を省略するため、特許文献１に開示されている分光装置を用いて分析対象光から励起光の影響を排除し、蛍光のみの強度を測定することにつき検討を行った。
その結果、以下の課題に気がついた。
特許文献１に記載の分光装置では、分光センサ本体から出力される電荷量を電流として読み出し、これを分析している。この場合、読出し回路のノイズの影響が大きく、分光センサ本体の感度の向上が制限されていた。
かかる回路上のノイズの影響を避けるためにフローティングディフュージョンを用いることができる。このフローティングディフュージョンは電荷井戸に電荷を転送し、電荷井戸の電圧を読み取ることにより、電荷量、即ち電流量を特定する。【０００８】
通常、フローティングディフュージョンには１つの電荷井戸が備えられているので、分光センサ本体へフローティングディフュージョンを連結する場合も、まずは、分光センサ本体からの電荷をこの１つの電荷井戸へ転送し、当該電荷井戸の電圧を測定することが考えられる。一般的に、電荷井戸の容量が大きくなると、電荷量の差に対する出力電圧の差が小さくなる。また、蛍光分析法においては入射光に占める励起光の強度が大きいので、電荷井戸は当該励起光に応じてその容量が比較的大きなものとなる。
蛍光分析法はＤＮＡ等に付加された標識物質の蛍光を観察するものであるので、蛍光に基づく電荷量変化の検出が重要となる。しかしながら、入射光（励起光+蛍光）における蛍光の強度の占める割合が小さいため、励起光の強度に応じて比較的大きな容量を持つように設計された１つの電荷井戸では、蛍光に基づく電荷量変化は小さな電圧変化としてしか出力されない。その結果、正確な検出が困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきた結果、以下に説明するこの発明に想到するに至った。
即ち、この発明の第１の局面は次のように規定される。
入射光により電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、
該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部であって、前記電荷が流れる１つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた複数の電荷井戸を備え、前記電荷井戸毎に出力電圧が検出されるフローティングディフュージョン部と、を備えることを特徴とする分光装置。【００１０】
このように規定される分光装置によれば、分光センサ本体からパスへ電荷を転送すると、当該パスに対し間隔をあけて並列に連結された電荷井戸群へその上流から順に電荷が充填される。その結果、一つの電荷井戸が電荷で満杯となると、それより下流側に連続した電荷井戸へ電荷が順に充填される。ここに、各電荷井戸の容量及びその数は任意に設定できるので、各電荷井戸の容量が小さくても、電荷井戸の数を多くすれば分光センサ本体から多量の電荷の転送が可能となる。即ち、検出レンジが広くなる。また、電荷井戸の容量が小さければ電荷量の差分を大きな電圧差として出力することが可能となるので、その検出感度が高くなる。【００１１】
この発明の第２の局面の発明は次のように規定される。即ち、第１の局面の分光装置において、前記複数の電荷井戸において上流側の電荷井戸の容量を下流側の電荷井戸の容量より大きくする。
このように規定された第２の局面の分光装置によれば、電荷で満杯にされる上流側の電荷井戸の容量を比較的大きくすることにより、電荷量の差の検出に直接寄与しない電荷井戸の数を圧縮し、装置を簡素化できる。また、電荷量の差の検出に直接寄与する電荷井戸の容量を比較的小さくすることにより、その感度が大きくなる。もって、より正確な検出を行える。【００１２】
この発明の第３の局面は次のように規定される。即ち、第１又は第２の局面で規定される分光装置において、前記分光センサの電荷発生層の表面には透光性の絶縁膜を介してゲート電極が配設され、該ゲート電極へ印加される電圧に応じて前記第１の深さと前記第２の深さが調整される。
このようにゲート電圧を制御することにより、電荷発生層における電荷捕獲深さ範囲（表面からの深さ）を定めることができる。即ち、ゲート電圧を制御することにより、単一の電荷発生層に第１の電荷捕獲部と第２の電荷捕獲部との両機能を奏させることができる。分光センサ本体の構成が簡素化され、分光装置を安価に提供可能となる。
なお、拡散層からなる電荷発生層が形成される基板へ印加する電位を変化させることにより電荷発生層における電荷捕獲範囲を制御することもできる。【００１３】
この発明の第４の局面では、第１の電荷捕獲部と第２の電荷捕獲部とを分離して構成している。例えば、基板において２つの拡散層を設けて各拡散層の不純物濃度を異ならせる。不純物濃度が異なると、拡散層（即ち電荷発生層）において電荷を捕獲できる範囲（表面から深さ方向の範囲）が異なることとなる。これにより、第１の電荷捕獲部と第２の電荷捕獲部とが構成される。
第４の局面で規定される分光装置によれば、第３の局面で規定される分光装置に比べて、ゲート電圧の印加調節が不要となるので、分光センサ本体の構成をより簡素化することができる。【００１４】
第１の局面の発明では各電荷井戸の出力電圧を検出可能としているので、広い検出レンジを維持した状態で高い検出感度が得られる。
蛍光分析法の場合は、励起光に検査対象からの蛍光が重畳されたときの、当該蛍光の検出が重要となる。即ち、蛍光の有無に基づく電荷量の変化を正確に検出する必要がある。しかしながら、入射光における蛍光の占める割合が小さいので、蛍光に起因する電荷量の変化の割合は、フローティングディフュージョン部へ送出される総電荷量において小さなものとなる。
ここで、フローティングディフュージョン部へ送出される電荷量を固定量部分と変化量部分とに分割し、それぞれを第１の電荷井戸とその下流に直列結合される第２の電荷井戸とへ充填するようにすれば、蛍光に起因する電荷の変化を第２の電荷井戸に充填される電荷量の変化、即ち第２の電荷井戸の電圧変化として取り出すことができる。ここに、蛍光に起因する光強度の変化は小さいので、第２の電荷井戸の容量を比較的小さくすることによりその感度が向上する。第１の電荷井戸は常に電荷で満杯状態にあるので、その電圧を検出する必要はなく、装置構成を簡素化できる。【００１５】
この発明の第５の局面は上記知見に基づきなされた。即ち、
検査対象を透過した励起光と、該励起光で励起された前記検査対象から放出される蛍光とを含む光を分光対象光とし、該分光対象光が入射されて電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、
該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部であって、前記電荷が流れる１つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた第１の電荷井戸及び第２の電荷井戸を備え、前記第１の電荷井戸は前記パスにおいて前記第２の電荷井戸より上流側に位置し、前記第１の電荷井戸は前記第２の電荷井戸より容量が大きく、かつ前記分光対象光により発生する電荷で常に満杯となり、前記第２の電荷井戸の出力電圧が検出される、ことを特徴とする蛍光分析用の分光装置。【００１６】
この発明の第６の局面は次のように規定される。即ち、第５の局面で規定される蛍光分析用の分光装置において、前記分光センサの電荷発生層の表面には透光性の絶縁膜を介してゲート電極が配設され、該ゲート電極へ第１のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層が前記第１の電荷捕獲部となり、第２のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層が前記第２の電荷捕獲部となる。
このようにゲート電圧を制御することにより、電荷発生層における電荷捕獲深さ範囲（表面からの深さ）を定めることができる。即ち、ゲート電圧を制御することにより、単一の電荷発生層に第１の電荷捕獲部と第２の電荷捕獲部との両機能を奏させることができる。分光センサ本体の構成が簡素化され、分光装置を安価に提供可能となる。【００１７】
この発明の第７の局面は次のように規定される。即ち、第５の局面で規定される分光装置において、前記分光センサ本体の第１の電荷捕獲部と第２の電荷捕獲部とは分離されており、異なる不純物濃度の電荷発生層を有する。
このように規定される第７の局面の分光装置によれば、第６の局面で規定される分光装置に比べて、ゲート電圧の印加制御が不要となるので、分光センサ本体の構成をより簡素することができる。【００１８】
この発明の第８の局面は次のように規定される。即ち、
入射光により電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から、前記第１の深さよりも深い第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、
前記電荷が流れる１つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた複数の電荷井戸を備え、前記分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部と、を備える分光装置を駆動する方法であって、
前記第１の電荷捕獲部で捕獲した電荷を前記分光センサ本体から前記フローティングディフュージョン部へ送出したとき、電荷で満杯にならない最上流の電荷井戸を特定して、その出力電圧を第１の電圧として保存するステップと、
前記第２の電荷捕獲部で捕獲した電荷を前記センサ本体から前記フローティングディフュージョン部へ送出し、前記特定された電荷井戸の出力電圧の第２の電圧として保存するステップと、を含む駆動方法。【００１９】
分光センサ本体からパスへ電荷を転送すると、当該パスに対し間隔をあけて並列に連結された電荷井戸群へその上流から順に電荷が充填される。その結果、一つの電荷井戸が電荷で満杯となると、それより下流側に連続した電荷井戸へ電荷が順に充填される。ここに、各電荷井戸の容量及びその数は任意に設定できるので、各電荷井戸の容量が小さくても、電荷井戸の数を多くすれば分光センサ本体から多量の電荷の転送が可能となる。即ち、検出レンジが広くなる。また、電荷井戸の容量が小さければ電荷量の差分を大きな電圧差として出力することが可能となるので、その検出感度も高くなる。
第８の局面で規定される駆動方法によれば、フローティングディフュージョン部において電荷で満杯にならない最上流の電荷井戸を特定して、その電荷井戸の出力電圧を保存している。換言すれば、電荷で満杯となった電荷井戸のデータを保存する必要はない。これにより、装置を簡素化できるとともにデータの処理量が圧縮される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】分光センサ本体の原理図である。
【図２】分光センサ本体の特性図である。
【図３】蛍光分析法における励起光と蛍光が分光センサ本体の拡散層へ侵入する深さを示す概念図である。
【図４】分光センサ本体の出力電流特性図である。
【図５】実施例の分光装置の構成を示す図である。
【図６】半導体基板の等価回路を示す図である。
【図７】他の実施例のフローティングディフュージョン部の構成を示す図である。
【図８】他の実施例の分光装置の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２１】
１，２１，１０１  分光センサ本体
２，２２  拡散層
４，２３  絶縁層
７，２４  ゲート膜
８，２５  ゲート電極
１０，１００  分光装置
５１，１１０  フローティングディフュージョン部
５３  第１の電荷井戸
５５  第２の電荷井戸
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
分光センサ本体の特性について説明する（詳細は特許文献１を参照されたい）。
図１は分光センサ本体１の基本構造を示す。この分光センサ本体１では、入射光を透過するとともに、ゲート電圧が印加される電極膜７と、その下部に絶縁膜４を介して入射光により発生した電子を捕獲する第１の拡散層２と、該第１の拡散層２の一端側に形成され、該第１の拡散層２内に捕獲した電子を外部に取り出す第２の拡散層と３、該第２の拡散層３に接続され、かつ捕獲した電子を外部に取り出す第１の電極５と、第１の拡散層２に形成される第２の拡散層３とは対向する他端側に接続され、かつ第１の拡散層２の電位を確立する第２の電極６とが設けられる。
図２のＡ〜Ｄはゲート電圧の値と拡散層で発生する電荷の捕獲深さ（ｚ軸）を示している。各図において、第１の拡散層２における電子の獲得深さはＷで示されている。第１の拡散層２の表面から当該獲得深さＷまでに生じた電荷（電子）が出力として取り出される。【００２３】
分析対象光に、４９０ｎｍの励起光と５１３ｎｍの蛍光とが混合されている場合の例を図３に示す。
ここに、獲得深さＷ１に対応するゲート電圧は第１のゲート電圧Ｖg
１であり、獲得深さＷ２に対応するゲート電圧は第２のゲート電圧Ｖg
２である。
分光センサ本体１のゲート電極８へ第１のゲート電圧Ｖｇ１が印加されたとき（獲得深さＷ１）には、拡散層表面から深さＷ１までに浸入した光に起因した電荷が捕獲されて出力される。他方、ゲート電極８へ第２のゲート電圧Ｖｇ２を印加したとき（獲得深さＷ２）には、獲得深さＷ１を超えて深さＷ２まで拡散層内へ侵入した光に起因した電荷が捕獲される。【００２４】
ここに、励起光の光量に対して蛍光の光量は極端に小さいため、蛍光が加わっていない入射光に対する電荷量Ｉ０１（ゲート電圧：Ｖｇ１）及び電荷量Ｉ０２（ゲート電圧：Ｖｇ２）と蛍光が加わった入射光に対する電荷量Ｉ１１（ゲート電圧：Ｖｇ１）及び電荷量Ｉ１２（ゲート電圧：Ｖｇ２）との差は小さな値となる。
図４には、励起光に蛍光が加わった入射光を用いたときのゲート電圧と出力電流（電荷量）との関係を示す。なお、励起光のみからなる入射光を用いたときのゲート電圧と出力電流との関係は、図４のスケールでは、励起光に蛍光を加えた場合のそれと重なってしまう。
図４から、出力電流（電荷量）は全体として大きなボリュームがあるものの、変化量は小さいことがわかる。
この実施例では、分光センサ本体から出力される電荷量の大きなボリューム部分（図４のＡ部分）を第１の電荷井戸へ充填する。そして、出力電荷量の変化部分（図４のＢ部分）を第２の電荷井戸へ充填する。ここに、第２の電荷井戸の容量を比較的小さくすることにより、変化部分Ｂの電荷量の検出感度が向上し、強い励起光の中に含まれる弱い蛍光の強度を精度よく得られる。【００２５】
図５にこの発明の実施例の分光装置１０の基本構成を示した。この分光装置１０は分光センサ本体２１とフローティングディフュージョン部５１とを連結した構成である。
実施例の分光装置１０はｎ型シリコン半導体基板上１１の表面をボロン等により薄くｐ型化し、更にリン等のｎ型ドーパントをドープして第１及び第２の電荷井戸５３、５５を形成している。
分光センサ本体２１の拡散層２２は深くボロン等でｐ型にドープされており、その上にはシリコン酸化膜(絶縁膜)２３が積層され、更にポリシリコンからなる透光性かつ導電性のゲート膜２４が積層されている。このゲート膜２４にはゲート電極２５が付設されてゲート電圧が印加される。ゲート電極２５の配設位置は特に限定されるものではないが、光の遮蔽を抑制するため、ゲート膜２４の縁部に形成することが好ましい。【００２６】
図中の符号３１はリセットドレインである。測定前にはリセットゲート３３の電位を上げて電荷発生部２２（拡散層）に存在する電荷がリセットドレインへ捨てられ、もって電荷発生部２２が初期化される。
電荷発生部２２と第１の電荷井戸５３との間には第１のトランスファーゲート領域４１が形成され、第１の電荷井戸５３と第２の電荷井戸５５との間には第２のトランスファーゲート領域４３が形成されている。
第１及び第２のトランスファーゲート領域には絶縁膜を介して第１のトランスファーゲート電極３５及び第２のトランスファーゲート電極５４が対向配置されている。【００２７】
図５の装置において基板１１の各層により形成される等価回路を図６に示す。図６において、図５に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図６からわかるように、フローティングディフュージョン部５１は１つの導電パス５２に対して第１の電荷井戸５３と第２の電荷井戸５５とが並列にかつ間隔をあけて、その間にトランスファーゲート３５、５４を設けて、連結された構成である。かかる構成を採用することにより、分光センサ本体２１より送出される電荷はパス５２に連結された上流側の電荷井戸から順に充填されていく。
導電パス５２は電荷井戸５３、５５及びリセットドレイン５７をつなぐ導電パス５２は半導体基板１１の表面が担っている。したがって、半導体基板１１において各電荷井戸は拡散層２２からからみて１つの仮想線上に並んでおればよい。【００２８】
ゲート膜２４及び絶縁膜２３を通して拡散層２２へ分光対象光が入射すると、当該入射光の強さに応じて電子が発生される。拡散層２２において電子を捕獲できる深さ方向の範囲はゲート電極２５へ印加されるゲート電圧の強さで調整される（図２参照）。
拡散層２２において捕獲された電子は、第１のトランスファーゲート電極３５の電位をあげることにより、フローティングディフュージョン部５１へ転送される。ここにゲート電圧はフローティングディフュージョン部５１を構成する各電極の電圧より低い。そのため、拡散層２２で捕獲された電子の全部がフローティングディフュージョン部５１へ転送される。即ち、拡散層２２のポテンシャルエネルギーがフローティングディフュージョン部５１のポテンシャルエネルギーよりも高く設定されているので、拡散層２２に存在する電子はすべてフローティングディフュージョン部５１へ送られる。【００２９】
フローティングディフュージョン部５１へ送られた電子の大部分は第１の電荷井戸５３へ充填される。第１の電荷井戸５３と第２の電荷井戸５５との間の第２のトランスファーゲート領域４３のポテンシャルは拡散層２２のそれより低く設定されている。これにより、この第１の電荷井戸５３が電子で満杯になると、第１の電荷井戸５３から電子があふれ出して第２の電荷井戸５５を充填する。符号５７はリセットドレインであり、第２のトランスファーゲート電極５４、リセットゲート電極５６の電位を上げることにより、第１の電荷井戸５３及び第２の電荷井戸５５に充填されている電子をリセットドレイン５７に送りだし、さらに外部へ排出する。
各電荷井戸５３、５５にはそれぞれ電圧検出回路が配設され、電子の充填量に応じて電圧が出力される。かかる電圧検出回路には周知構成の容量型のものを採用することができる。
これらの電圧を測定することにより、フローティングディフュージョン部へ転送された電子の量（即ち電流量）を特定することができる。
第１の電荷井戸５３が常に満杯の状態であればその出力電圧は常に一定であるので、その電圧測定を省略することができる。【００３０】
かかる分光装置１を用いる蛍光分析について説明する。
蛍光分析の単位試料に対して、図５の分光装置を準備し、試料を透過した励起光を、何らフィルタを通すことなく、分光センサ本体２１の拡散層２２へ入射させる。このとき、試料において蛍光が発生しておれば、蛍光も当該拡散層２２へ入射されることとなる。
ゲート電極２５に印加されるゲート電圧を第１のゲート電圧とすることにより、拡散層２２における電子捕獲領域の深さはＷ１となる。これにより、拡散層２２が第１の電荷捕獲部として機能する。捕獲された電子はフローティングディフュージョン部５１へ転送されて第１の電荷井戸５３と第２の電荷井戸５５へ充填され、それぞれの出力電圧が保存される。この出力電圧は電荷量に対応しているので、既述の数式１のＩ１が求められる。
同様に、ゲート電極２５に印加されるゲート電圧を第２のゲート電圧とすることにより、拡散層２２における電子捕獲領域の深さはＷ２となる。これにより、拡散層２２が第２の電荷捕獲部として機能する。捕獲された電子はフローティングディフュージョン部５１へ転送されて第１の電荷井戸５３と第２の電荷井戸５５へ充填され、それぞれの出力電圧が保存される。この出力電圧は電荷量に対応しているので、既述の数式１のＩ２が求められる。
拡散層２２における電子捕獲領域の深さＷは、与えられたゲート電圧に対応して予め定められている（図２参照）。なお、拡散層２２の不純物濃度等に応じて、この深さＷは変化させることができる。【００３１】
以上より、数式１のパラメータであるＩ１，Ｉ２及びＷ１及びＷ２が決められるので、数式１を解くことにより、励起光の強度Ａ１と蛍光の強度Ａ２を求めることができる。
数式１は、汎用的なコンピュータに組み込まれたソフトウエアを実行することにより解くことができる。
このコンピュータはＣＰＵ、メモリ装置、データ入力装置、データ出力装置及びそれらを繋ぐバスを備えている。電荷井戸の出力電圧はメモリ装置に保存され、上記数式１に組み込まれる。【００３２】
なお、電流量Ｉ１を第１の電荷井戸５３の出力電圧Ｖout1に対応する部分Ｉ１out1と第２の電荷井戸５５の出力電圧Ｖout2に対応する部分Ｉ１out2とに分割し、同様に、電流量Ｉ２を第１の電荷井戸５３の出力電圧Ｖout1に対応する部分とＩ２out1と第２の電荷井戸５５の出力電圧Ｖout2に対応する部分Ｉ２out2とに分割すると、数式１の左辺は次のように表される。
Ｉ１＝Ｉ１out1  ＋  Ｉ１out2
Ｉ２＝Ｉ２out1  ＋  Ｉ２out2
ここに、第１の電荷井戸５３は常に満杯となるため、Ｉ１out1及びＩ２out1は常数となる。したがって、数式１は第２の電荷井戸５５の出力電圧に対応する電荷量（電流）Ｉ１out2、Ｉ２out2のみから求めることが出来る。【００３３】
以上より、励起光の強度が安定しており、常に第１の電荷井戸５３が電子で満杯となるよう制御された条件においては、第１の電荷井戸５３の出力電圧の検出を省略することができる。これにより、装置構成を簡素化できる。
他方、第１の電荷井戸５３の出力電圧を検出することにより、励起光の強度が多少不安定であっても、蛍光の強度を特定できる。よって、蛍光分析装置のメンテナンスに手間がかからなくなる。【００３４】
図７には、他の実施例の分光装置におけるフローティングディフュージョン部６１の構成を示している。このフローティングディフュージョン部６１では多数の小さな容量の電荷井戸６３−１、６３−２  ……を配列して分光センサ本体から転送される全ての電荷を分光センサ本体に近い側の電荷井戸６３−１から順に充填していく。その結果、第ｎ−１番めの電荷井戸６３−ｎ−１までは全ての電荷井戸が電荷で満杯となる。そして、第ｎ番めの電荷井戸６３−ｎにおいて電荷量の差分が現れる。
この実施例によれば、未知の強さの分光対象光に対しても、多数の電荷井戸を準備することにより対応することができる。また、一つ一つの容量を小さくしたので差分の現れる電荷井戸において、当該差分を感度よく検出することができる。
なお、各電荷井戸の容量は同一でなくてもよい。【００３５】
ここに、差分の現れる電荷井戸の特定は次のようにして行える。即ち、各電荷井戸においては、電荷が満杯に充電されたときと電荷が空乏であるときの出力電圧Ｖout-full,Ｖout-emptyが予め定められている。分光センサ本体２１からフローティングディフュージョン部６１へ電荷が転送された後、各電荷井戸の出力電圧を調べると、電荷で満杯である電荷井戸６３−１〜６３−ｎ-１からは電荷満杯の出力電圧Ｖout-fullが出力され、電荷井戸６３−ｎ+１からは電荷空乏の出力電圧Ｖout-emptyが出力される。そして、電荷井戸６３−ｎの出力電圧Ｖout-63-nはその電荷満杯の出力電圧Ｖout-fullと電荷空乏の出力電圧Ｖout-emptyとの中間の電圧値を取るので、かかる値を出力する電荷井戸を特定する。
かかる電荷井戸は、電荷で満杯にならない最上流の電荷井戸である。【００３６】
以上の例では、ゲート電圧を制御することにより、同一の拡散層２２を第１の電荷捕獲部及び第２の電荷捕獲部として機能させてきた。
第１の電荷捕獲部はその表面からＷ１の深さまでに存在する電荷を捕獲して、また第２の電荷捕獲部はその表面からＷ２の深さまでに存在する電荷を捕獲して、それぞれフローティングディフュージョン部へ転送する。
拡散層において電荷を捕獲する深さは拡散層にドープされる不純物の濃度によっても制御することができる。
かかる知見に基づき以下に説明する分光装置１００は設計されている。【００３７】
図８は他の実施例の分光装置１００の構成を示すブロック図である。
この分光装置１００は分光センサ本体１０１とフローティングディフュージョン部１１０を備える。分光センサ本体１０１は分離された２つの電荷捕獲部１０２、１０３を備える。第１の電荷捕獲部１０２と第２の電荷捕獲部１０３は同一の半導体基板上にアイソレートして形成されており、同一面積及び同一深さで異なる濃度の不純物がドープされている。これにより、第１の電荷捕獲部１０２ではその表面からＷ１の深さまで電荷が捕獲され、他方、第２の電荷捕獲部１０３ではその表面からＷ２の深さまで電荷が捕獲される。これら深さＷ１、Ｗ２は不純物の種類、ドープ量等により制御でき、また特定可能である。
第１及び第２の電荷捕獲部１０２，１０３の電荷はフローティングディフュージョン部１１０へ送られる。第１及び第２の電荷捕獲部１０２，１０３からフローティングディフュージョン部１１０へ送られる電荷の量（電流）は測定可能である。
これにより、既述の式１におけるパラメータＷ１,Ｗ２及び電流量Ｉ１，Ｉ２が特定される。よって、異なる波長の光の強度Ａ１及びＡ２を求めることが出来る。【００３８】
図８において符号１０４及び１０５はリセットゲートであり、測定前に第１及び第２の電荷捕獲部１０２、１０３に存在する電荷をリセットドレイン１０８へ捨てて、これらを初期化する。
第１及び第２の電荷捕獲部１０２、１０３からフローティングディフュージョン部１１０への電荷の転送は転送ゲート１０６及び１０７の電位を制御することにより行われる。
フローティングディフュージョン部１１０を構成する各要素において図５の要素と同一の作用を行う要素には同一の符号を付してあり、その説明を省略する。【００３９】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
各実施例では電荷として電子を取り扱っているが、半導体基板及びそこへドープされる不純物の導電型を変更することにより、ホールを電荷として取り扱うことができる。
【図１】
2009151004.tif 000004
【図２】
2009151004.tif 000005
【図３】
2009151004.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2009151004.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月13日(2010.7.13)
【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】
（削除）
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
検査対象を透過した励起光と、該励起光で励起された前記検査対象から放出される蛍光とを含む光を分光対象光とし、該分光対象光が入射されて電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部であって、前記電荷が流れる１つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた第１の電荷井戸及び第２の電荷井戸を備え、前記第１の電荷井戸は前記パスにおいて前記第２の電荷井戸より上流側に位置し、前記第１の電荷井戸は前記第２の電荷井戸より容量が大きく、かつ前記分光対象光により発生する電荷で常に満杯となり、前記第２の電荷井戸の出力電圧が検出され、前記第１の電荷井戸の出力電圧は検出されない、ことを特徴とする蛍光分析用の分光装置。
【請求項６】
前記分光センサの電荷発生層の表面には透光性の絶縁膜を介してゲート電極が配設され、該ゲート電極へ第１のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層を前記第１の電荷捕獲部として機能させ、第２のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層を前記第２の電荷捕獲部として機能させる、こと特徴とする請求項５に記載の分光装置。
【請求項７】
前記分光センサ本体の第１の電荷捕獲部と第２の電荷捕獲部とは分離されており、異なる不純物濃度の電荷発生層を有する、ことを特徴とする請求項５に記載の分光装置。
【請求項８】
（削除）
【請求項９】
検査対象を透過した励起光と、該励起光で励起された前記検査対象から放出される蛍光とを含む光を分光対象光とし、該分光対象光が入射されて電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部とを備える分光装置であって、前記分光センサ本体と前記フローティングディフュージョン部とは半導体基板表面に形成され、前記電荷発生層は第１の導電型にドープされ、前記フローティングディフュージョン部を構成する第１の電荷井戸及び第２の電荷井戸とは第２の導電型にドープされ、前記電荷発生層、前記第１の電荷井戸及び前記第２の電荷井戸は仮想同一線上にそれぞれ第１及び第２のトランスファーゲート領域を介在して形成され、前記電荷発生層の表面には透光性の絶縁膜を介してゲート電極が配置され、第２の電荷井戸に電圧検出回路が接続され、前記第１の電荷井戸には電圧検出回路が非接続であり、前記第１及び第２のトランスファーゲート領域にはそれぞれ絶縁膜を介して第１及び第２のトランスファーゲート電極が配置され、前記第１の電荷井戸の容量は前記分光対象光により常に満杯の状態であり、前記第１の電荷井戸の容量は前記第２の電荷井戸の容量より大きい、ことを特徴とする分光装置。
【請求項１０】
検査対象を透過した励起光と、該励起光で励起された前記検査対象から放出される蛍光とを含む光を分光対象光とし、該分光対象光が入射されて電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第１の深さまでに発生した電荷を捕獲する第１の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第２の深さまでに発生した電荷を捕獲する第２の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部であって、前記電荷が流れる１つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた第１の電荷井戸及び第２の電荷井戸を備え、前記第１の電荷井戸は前記パスにおいて前記第２の電荷井戸より上流側に位置し、かつ前記第１の電荷井戸の容量が前記第２の電荷井戸の容量より大きいフローテクングディフュージョン部とを備える蛍光分析用の分光装置を用いる分光方法であって、前記第１の電荷井戸を前記分光対象光により発生する電荷で常に満杯とし、前記第２の電荷井戸の出力電圧を検出して、前記第１の電荷井戸の出力電圧を検出しない、ことを特徴とする蛍光分析用の分光装置。
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月6日(2011.1.6)
【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】
検査対象に励起光を照射することにより、前記検査対象を透過した励起光と、該励起光で励起された前記検査対象から放出される蛍光とを含む光を分光対象光として検出する蛍光分析用の分光装置であって、
該分光対象光が入射されて電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第1の深さまでに発生した電荷を捕獲する第1の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第2の深さまでに発生した電荷を捕獲する第2の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、
該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部であって、前記電荷が流れる1つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた第1の電荷井戸及び第2の電荷井戸を備え、前記第1の電荷井戸は前記パスにおいて前記第2の電荷井戸より上流側に位置し、前記第1の電荷井戸の容量は前記第2の電荷井戸の容量より大きく、かつ前記第1の電荷井戸が前記分光対象光により発生する電荷で常に満杯となるように構成されるフローティングディフュージョン部と、
前記第２の電荷井戸の出力電圧を入力することにより、前記第１の電荷井戸の出力電圧を入力することなく、該分光対象光に含まれる成分光の強度を算出する光強度算出部と、
を備える蛍光分析用の分光装置。
【請求項２】
前記分光センサの電荷発生層の表面には透光性の絶縁膜を介してゲート電極が配設され、該ゲート電極へ第1のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層を前記第1の電荷捕獲部として機能させ、第2のゲート電圧を印加することにより前記電荷発生層を前記第2の電荷捕獲部として機能させる、こと特徴とする請求項１に記載の分光装置。 
【請求項３】
前記分光センサ本体の第1の電荷捕獲部と第2の電荷捕獲部とは分離されており、異なる不純物濃度の電荷発生層を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項４】
検査対象に励起光を照射することにより、前記検査対象を透過した励起光と、該励起光で励起された前記検査対象から放出される蛍光とを含む光を分光対象光として検出する蛍光分析用の分光装置であって、
該分光対象光が入射されて電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第1の深さまでに発生した電荷を捕獲する第1の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第2の深さまでに発生した電荷を捕獲する第2の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、
該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部であって、前記電荷が流れる1つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた第1の電荷井戸及び第2の電荷井戸を備え、前記第1の電荷井戸は前記パスにおいて前記第2の電荷井戸より上流側に位置し、前記第1の電荷井戸の容量は前記第2の電荷井戸の容量より大きく、かつ前記第1の電荷井戸が前記分光対象光により発生する電荷で常に満杯となるように構成されるフローティングディフュージョン部と、
電圧検出回路の出力電圧を入力することにより、該分光対象光に含まれる成分光の強度を算出する光強度算出部と、
を備え
前記分光センサ本体と前記フローティングディフュージョン部とは半導体基板表面に形成され、前記電荷発生層は第1の導電型にドープされ、前記フローティングディフュージョン部を構成する前記第1の電荷井戸及び前記第2の電荷井戸とは第2の導電型にドープされ、
前記電荷発生層、前記第1の電荷井戸及び前記第2の電荷井戸は仮想同一線上にそれぞれ第1及び第2のトランスファーゲート領域を介在して形成され、
前記電荷発生層の表面には透光性の絶縁膜を介してゲート電極が配置され、第2の電荷井戸に前記電圧検出回路が接続され、前記第１の電荷井戸には前記電圧検出回路が非接続であり、前記第1及び第2のトランスファーゲート領域にはそれぞれ絶縁膜を介して第1及び第2のトランスファーゲート電極が配置される、ことを特徴とする分光装置。
【請求項５】
検査対象を透過した励起光と、該励起光で励起された前記検査対象から放出される蛍光とを含む光を分光対象光とし、該分光対象光が入射されて電荷を発生する電荷発生層を備える分光センサ本体であって、前記電荷発生層においてその表面から第1の深さまでに発生した電荷を捕獲する第1の電荷捕獲部と、前記電荷発生層においてその表面から第2の深さまでに発生した電荷を捕獲する第2の電荷捕獲部と、を有する分光センサ本体と、
該分光センサ本体で捕獲された電荷量に応じた電圧を出力するフローティングディフュージョン部であって、前記電荷が流れる1つのパスに対し間隔をあけて並列につながれた第1の電荷井戸及び第2の電荷井戸を備え、前記第1の電荷井戸は前記パスにおいて前記第2の電荷井戸より上流側に位置し、かつ前記第１の電荷井戸の容量が前記第２の電荷井戸の容量より大きいフローテクングディフュージョン部とを備える蛍光分析用の分光装置を用いる分光方法であって、
前記第１の電荷井戸を前記分光対象光により発生する電荷で常に満杯とし、前記第2の電荷井戸の出力電圧を検出して、前記第１の電荷井戸の出力電圧を検出しない、ことを特徴とする蛍光分析用の分光方法。
【国際調査報告】
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