(57)【要約】  電界効果トランジスタは、ゲート電極層、第１誘電層、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体、及び第２誘電層を有し、第１誘電層は、ゲート電極層の上に位置され、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体は、第１誘電層より上に位置され、ソース電極及びドレイン電極は、有機半導体と接触し、第２誘電層は、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体のアセンブリの上に位置され、電界効果トランジスタの動作する間、ゲート電極層及び第１誘電層を有するアセンブリのキャパシタンスは、第２誘電層のキャパシタンスよりも低い。このような電界効果トランジスタを含む更なるセンサシステム、及び分子を検出するシステムの使用が開示される。
2009539241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極層と、
第１誘電層と、
ソース電極と、
ドレイン電極と、
有機半導体と、
第２誘電層と
を有する電界効果トランジスタであって、
前記第１誘電層が前記ゲート電極層の上に位置され、
前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記有機半導体が、前記第１誘電層より上に位置され、
前記ソース電極、及び前記ドレイン電極は、前記有機半導体と接触し、
前記第２誘電層が、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体の前記アセンブリの上に位置され、
前記電界効果トランジスタが動作する間、前記ゲート電極層及び前記第１誘電層を有する前記アセンブリのキャパシタンスが、前記第２誘電層の前記キャパシタンスよりも低いことを特徴とする、電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記ゲート電極及び前記第１誘電層を含む前記アセンブリのキャパシタンスの、前記第２誘電層のキャパシタンスに対する比率が、１：１．１乃至１：１０００である、請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記第２誘電層の材料の比誘電率が、１．１乃至１００の値を有する、請求項１又は２に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記第１誘電層の厚さが、５００ｎｍ乃至２０００ｎｍの値を有する、請求項１乃至３の何れか一項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記第２誘電層の厚さが、５０ｎｍ乃至１０００ｎｍの値を有する、請求項１乃至４の何れか一項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記半導体層の厚さが、ソース及びドレインの間のチャネルで測定して、２ｎｍ乃至５００ｎｍの値を有する、請求項１乃至５に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記有機半導体が、ペンタセン、アントラセン、ルブレン、フタロシアニン、α，ω-ヘキサチオフェン、α，ω-ジヘキシルクアトロチオフェン、α，ω-ジヘキシルキンクチオフェン、α，ω-ジヘキシルヘキサチオフェン、ビス（ジチエノチオフェン）、ジヘキシルアントラジチオフェン、ｎ-デカペンタフルオロフェニルメチルナフタレン-１，４，５，８-テトラカルボキシルジイミド，Ｃ６０，Ｆ８ＢＴ，ポリ（ｐ-フェニレンビニレン），ポリ（アセチレン），ポリ（チオフェン），ポリ（３-アルキルチオフェン），ポリ（トリアリルアミン），オリゴアリルアミン、及び／又はポリ（チエニレンビニレン）を含むグループから選択される、請求項１乃至６の何れか一項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記第２誘電層の外部表面が、検体に結合することができる更なるレセプタ分子を有し、該分子は、好ましくはアニオンレセプタ、カチオンレセプタ、アレーンレセプタ、炭水化物レセプタ、脂質レセプタ、ステロイドレセプタ、ペプチドレセプタ、ヌクレオチドレセプタ、ＲＮＡレセプタ、及び／又はＤＮＡレセプタを含むグループから選択される、請求項１乃至７の何れか一項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項による少なくとも１つの電界効果トランジスタを有するセンサシステム。
【請求項１０】
分子を検出するための請求項９に記載のセンサシステムの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタに関する。より詳細には、本発明は、ゲート電極層、第１誘電層、第２電極、ドレイン電極、有機半導体、及び第２誘電層を含む電界効果トランジスタに関し、第１誘電層は、ゲート電極層の上に位置され、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体は、第１誘電層より上に位置され、ソース電極及びドレイン電極は、有機半導体と接触し、第２誘電層は、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体のアセンブリの上に位置される。更に、本発明は、本発明による少なくとも１つの電界効果トランジスタを含むセンサシステムと、分子を検出する、本発明によるセンサシステムの使用とに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンベースの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のイオン感度は、すでに長期の研究課題となっている。しかしながらイオン感受性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）は、基準化学電極を使用するという不利な点をもつ。これは、大きなサイズであり、電解質を使用するという意味を含む。
【０００３】
異なる接合をされたオリゴマ及びポリマに基づく電界効果トランジスタは、１０年以上前から知られている。これらは、異なる用途に対する高価なシリコンベースのトランジスタの代替を示す。
【０００４】
欧州特許ＥＰ１３４８９５１Ａ１は、センシング用途の、分子制御デュアルゲート電界効果トランジスタを開示する。これは、半導体チャネル層に束縛される少なくとも１つの官能基、及びセンサとして役立つ少なくとも１つの他の官能基を有するセンシング層と、第１表面、及び該第１表面に対向する第２表面を持つ半導体チャネル層と、ドレイン電極と、ソース電極と、ゲート電極とを有するセンシング装置に言及し、前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電極は、前記半導体チャネル層の第１表面に位置され、前記センシング層は、半導体チャネル層と接触し、該半導体チャネル層は、５０００ｎｍより薄い。
【０００５】
しかしながら、このアセンブリは、ゲート電極と半導体チャネル層との間の完全な重なりを保証しないので不利である。これは、そして特に有機半導体が関連する場合、非常に大きな接触抵抗、及び電界効果トランジスタの性能の低下をもたらす。
【０００６】
米国特許出願公開ＵＳ２００４／０１９５５６３は、生体ターゲット分子の検出をする有機電界効果トランジスタと、該トランジスタを製造する方法とを開示する。トランジスタは、有機分子を含む半導体薄膜を有するトランジスタチャネルを含む。ターゲット分子を束縛することができるプローブ電極は、薄膜の内部がプローブ分子から実質的に自由なままであるように、半導体薄膜の外側表面に結合される。
【０００７】
チャネル構造により、このトランジスタは、製造するのが困難及び／又は高価である。例えばフォトレジスト技術が使用されなければならない。更に、薄膜の内部をプローブ分子又は囲んでいる電解液から実質的に自由にすることは、媒体のフロー特性、電解質の拡散、プローブ分子の分子的密着（tight）層の配置の困難さを仮定すると、容易ではないことである。一度薄膜の内部が、プローブ分子又は電解液と接触すると、ソース及びドレイン電極の間で短絡が生じ得る。
【０００８】
悪条件、例えば体内又は体外の状態のような生体環境でのセンシング動作を可能にする高度に選択的な電界効果トランジスタの技術に対する必要性が、依然として存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来技術の欠点の少なくとも１つを克服する目的を有する。より詳細には、悪条件で動作する向上された感度の電界効果トランジスタを提供する目的を有する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的は、ゲート電極層、第１誘電層、ソース電極、ドレイン電極、有機半導体、及び第２誘電層を含む電界効果トランジスタを提供することにより達成され、第１誘電層は、ゲート電極層に位置され、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体は、第１誘電層より上に位置され、ソース電極及びドレイン電極は、有機半導体と接触し、第２誘電層は、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体のアセンブリの上に位置され、電界効果トランジスタの動作の間、ゲート電極層及び第１誘電層を有するアセンブリのキャパシタンスは、第２誘電層のキャパシタンスより低い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明が詳細に記載される前に、本発明は、記載される装置及び方法が変化し得るので、記載される装置の特定のコンポーネントの部分、又は記載される方法のプロセスステップに制限されないということが、理解されるべきである。ここで使用される用語は、特定の実施例を説明することのみを目的とし、制限することを意図されないことも理解されるべきである。明細書及び請求項で使用されるような、単数の表記は、文脈で明確に指示しない限り、単数形及び／又は複数形を含むことに留意されなければならない。したがって、例えば「検体」という表記は、混合物も含み得、「センサ」という表記は、２又はそれより多くのこのような装置を含む等である。
【００１２】
ゲート電極層は、例えばＴａ，Ｆｅ，Ｗ，Ｔi，Ｃｏ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ及び／若しくはＮｉ又はＰＳＳ／ＰＥＤＯＴのような有機材料、又はポリアニリンを含み得る。ゲート電極材料を選択する上で主として考慮することは、良導体であることである。
【００１３】
第１誘電層は、Ａｌ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５のようなアモルファス金属酸化物、ＨｆＯ２，ＺｒＯ２，ＴｉＯ２，ＢａＴｉＯ３，ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３，Ｐｂ（ＺｒｘＴｉ１−ｘ）Ｏ３，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＺｒＯ３，ＰｂＴｉＯ３，ＬｉＴａＯ３のような遷移金属酸化物、Ｐｒ２Ｏ３，Ｇｄ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３のような希土類酸化物、又はＳｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２のようなシリコン化合物、又はＳｉＯ及びＳｉＯＣの微小孔層を有し得る。更に、第１誘電層は、ＳＵ−８若しくはＢＣＢ，ＰＴＦＥのようなポリマ、又は空気さえも有し得る。
【００１４】
ソース電極及びドレイン電極は、アルミニウム、金、銀、若しくは銅のような金属、又は代替として導電性有機若しくは無機材料を使用して作製され得る。
【００１５】
有機半導体は、ポリ（アセチレン）、ポリ（ピロール）、ポリ（アニリン）、ポリ（アリール）、ポリ（フルオレン）、ポリ（ナフタレン）、ポリ（ｐ−フェニレン硫化物）、又はポリ（ｐ−フェニレンビニレン）から選択される材料を有し得る。半導体は、また、導電性を向上させるため、ｎ型ドープ又はｐ型ドープされ得る。更に、有機半導体は、１０−５ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１以上、１０２ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１以下か、１０−４ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１以上、１０−１ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１以下か、又は１０−３ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１以上、１０−２ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１以下の電界効果移動度μを示し得る。
【００１６】
第２誘電層は、第１誘電層に対して議論されたのと同じ材料を有し得る。第２誘電層も、下の層を外部条件から遮蔽するので、ＰＴＦＥ又はシリコーンのような防水コーティングも考慮され得る。
【００１７】
本発明の特徴は、電界効果トランジスタの動作する間、ゲート電極層及び第１誘電層を有するアセンブリのキャパシタンスが、第２誘電層のキャパシタンスよりも低いことである。電界効果トランジスタの感度は、このキャパシタンスの関係により有利に影響され得ることが見出される。
【００１８】
本発明によるトランジスタの動作する間、検体は、第２誘電体の外部表面に付着し得る。これにより、局部ダイポール運動、したがって局部誘電定数が変化し得る。ゲート電極に印加される電圧と組み合わせると、半導体が受ける電界が変化し、それからソース及びドレイン電極の間の電流の変化をもたらす。この信号は、検体の存在及び濃度についての情報を与えるために処理され得る。本発明によるトランジスタは、デュアルゲート電界効果トランジスタとして記載され得るが、第２ゲートは、第２誘電体の外部表面に結合される検体からなる「浮遊（floating）ゲート」である。
【００１９】
「浮遊ゲート」電極の原理は、気相、液相、及び固相の検体の検出を可能にする。
【００２０】
本発明によるトランジスタを製造するプロセスは、スピンコート、ドロップキャスト、蒸発及び／又はプリントにより、有機半導体を適用するステップを含む。溶液又は純粋な物質に有機半導体を適用するこれらの手段は、前記電界効果トランジスタの安価な製造を可能にする。更に、アモルファス、又は膜厚の非常に制御して高度に秩序立った薄膜が、得られ得る。言及された処理は、従来の平面だけでなく、突出及び陥没で不規則に形成された表面のコーティングも可能にする。第１誘電層がゲート電極層の上に位置され、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体は、第１誘電層の上に位置され、ソース電極及びドレイン電極が有機半導体により隔てられ、第２誘電層は、ソース電極、ドレイン電極、及び有機半導体のアセンブリの上に位置されるように、本発明による電界効果トランジスタを構成する個々のコンポーネントが配置されることは、本発明の範囲内にある。
【００２１】
更に、第１誘電層がゲート電極層の上に位置され、有機半導体が第１誘電層の上に位置され、ソース電極、ドレイン電極、及び第２誘電層が有機半導体の上に位置され、ソース電極及びドレイン電極が、第２誘電層により分離及びカバーされるように、本発明による電界効果トランジスタを構成する個々のコンポーネントが配置されることは、本発明の範囲内にある。
【００２２】
本発明の一実施例において、ゲート電極層及び第１誘電層を含むアセンブリのキャパシタンスの、第２誘電層のキャパシタンスに対する比は、１：１．１乃至１：１０００、好ましくは１：２乃至１：５００、より好ましくは１：１．５乃至１：１００である。これらの範囲のキャパシタンス比では、本発明による電界効果トランジスタの閾値電圧は、連続的なオンライン分析に必要とされる、所望の感度及び速い応答時間で動作するように適合される。
【００２３】
本発明の他の実施例では、第１誘電層の材料の比誘電率Ｋは、１乃至１００、好ましくは１．５乃至５０、より好ましくは２乃至３０の値を有する。これらの材料は、誘電体の厚さが、アセンブリのキャパシタンスを過度に増加させるか、又はトンネリングにより電流をリークするリスクなく、特に必要とされる設計によく調整されることを可能にする。
【００２４】
本発明の他の実施例において、第１誘電層の厚さは、５００ｎｍ乃至２０００ｎｍ、好ましくは７００ｎｍ乃至１５００ｎｍ、より好ましくは９００ｎｍ乃至１１００ｎｍの値を有する。第１誘電層のサイズは、より薄い層がリーク電流をもたらし得、より厚い層は、電界の効果が半導体に完全に影響し得ないので、低い感度のトランジスタとなる危険性をもつので重要である。第１誘電層が異なる材料の組み合わせであることは可能である。
【００２５】
本発明の他の実施例において、第２誘電層の厚さは、５０ｎｍ乃至１０００ｎｍ、好ましくは８０ｎｍ乃至１７０ｎｍ、より好ましくは１００ｎｍ乃至１３０ｎｍの値を有する。第２誘電層のサイズは、より薄い層がリーク電流をもたらし、より厚い層は、電界効果が半導体層に完全には影響しないため、低感度のトランジスタとなる危険性を持つので、重要である。更に、第２誘電層は、有機半導体を外部からの照射から保護する。それゆえ、最小の厚さは、この負荷を実行するため、機械的なストレスの間さえも必要とされる。実際の動作に対して特に有利であることは、第２誘電層が水又は他の溶媒に溶解しない場合、動作中に遭遇しそうであることである。第２誘電層は、異なる材料の組み合わせでもあり得る。
【００２６】
本発明の他の実施例において、半導体層の厚さは、ソースとドレインとの間のチャネルで測定されると、２ｎｍ乃至５００ｎｍ、好ましくは１０ｎｍ乃至２００ｎｍ、より好ましくは３０ｎｍ乃至１００ｎｍの値を有する。これは、トランジスタの動作する間、良好な信号対雑音比を保証する。より薄い層は、トランジスタが過度に増幅する前に、動作の制限された範囲を示し、より厚い層は、トランジスタの感度を低下させるであろう。
【００２７】
本発明の他の実施例において、有機半導体は、ペンタセン、アントラセン、ルブレン、フタロシアニン、α，ω-ヘキサチオフェン、α，ω-ジヘキシルクアトロチオフェン、α，ω-ジヘキシルキンクチオフェン、α，ω-ジヘキシルヘキサチオフェン、ビス（ジチエノチオフェン）、ジヘキシルアントラジチオフェン、ｎ-デカペンタフルオロフェニルメチルナフタレン-１，４，５，８-テトラカルボキシルジイミド、Ｃ６０、Ｆ８ＢＴ，ポリ（ｐ-フェニレンビニレン）、ポリ（アセチレン）、ポリ（チオフェン）、ポリ（３-アルキルチオフェン）、ポリ（３-ヘキシルチオフェン）、ポリ（トリアリルアミン）、オリゴアリルアミン、及び／又はポリ（チエニレンビニレン）を含む基から選択される。上記材料は、よくテストされ、商業的に容易に利用可能である。
【００２８】
本発明の他の実施例において、第２誘電層の外部表面は、検体に結合することができるレセプタ分子を更に有し、これは、好ましくはアニオンレセプタ、カチオンレセプタ、アレーンレセプタ、カルボハイドレートレセプタ、液体レセプタ、ステロイドレセプタ、ペプチドレセプタ、ヌクレオチドレセプタ、ＲＮＡレセプタ、及び／又はＤＮＡレセプタを含む基から選択される。レセプタ分子は、共有結合、イオン結合、又はファンデルワールス相互作用のような非共有結合により、第２誘電層の表面に結合され得る。レセプタ分子は、最密充填を保証し、第２誘電層の表面領域に関するレセプタ分子の最大数を保証するため、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を形成することが可能であり、好ましい。
【００２９】
上記レセプタ分子により結合される検体は、医療用途にとって関心あるターゲットを表わす。これらの検体の存在又は濃度を知ることは、病気の形成又は発生に価値ある洞察を与える。アニオン及びカチオンは、アルカリ、アルカリ土類、ハロゲン、硫酸、リン酸のような種を単純化するように制限されず、細胞における代謝プロセスの間に形成されるアミノ酸、又はカルボキシル酸のような種に拡張される。アレーンレセプタは、例えば多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）のような発癌性アレーンの存在が疑われる場合に使用される。炭水化物レセプタは、糖尿病の治療のような分野で使用され得る。液体レセプタは、肥満と関連する代謝の病気が調べられる場合に用途を見出し得る。ステロイドホルモンに敏感であるステロイドレセプタは、妊娠検査及び商業スポーツのドーピング制御を含む幅広い適応領域に役立つ。ペプチド、ヌクレオチド、ＲＮＡ，及びＤＮＡの検出は、遺伝病及び癌の研究及び治療にとって重要である。
【００３０】
検体がレセプタ分子に結合する場合、レセプタ分子のダイポールモーメントにおける変化が観測され得る。これは、それからソース及びドレインの電極の間の電流を制御する電界に変化をもたらす。それゆえ信号が観測され、検体と相関される。この振る舞いが帯電された検体と大抵容易に関連付けられ、周囲の極性媒体、例えば生理溶液の水における帯電されていない検体の検出も可能である。中性の検体がレセプタ分子に結合する場合、水分子は、レセプタ分子又は表面から除去される。この結果、レセプタ分子又は誘電体の誘電定数が変化する。
【００３１】
本発明を用いると、本発明による電界効果トランジスタを有する検体を検出する方法を考え出すことが可能である。ここでは、電界効果トランジスタが動作する間、ゲート電極層‐第１誘電層のアセンブリのキャパシタンスは、第２誘電層のキャパシタンスよりも低い。この動作特性の利点は、上で既に議論されている。
【００３２】
本発明の他の態様は、本発明による少なくとも１つの電界効果トランジスタを有するセンサシステムである。センサシステムは、１又はそれより多くの電界効果トランジスタ、及び信号処理をする電気回路のためのハウジングを有し得る。個々の電界効果トランジスタは、同じ検体又は異なる検体に対して敏感になり得る。本発明による電界効果トランジスタを安価に製造する可能性のため、使い捨てセンサシステムが考慮され得る。これは、血液又は他の体液のような感染性の材料を扱う場合に重要である。
【００３３】
本発明の更なる態様は、分子を検出するための本発明によるセンサシステムの使用である。検出されるべき分子は、アニオン、カチオン、アレーン、炭水化物、ステロイド、脂質、ヌクレオチド、ＲＮＡ及び／又はＤＮＡを含むグループから選択され得る。このグループの分子は、細胞過程の価値ある標識として役立ち、分析装置のためのターゲットである。
【００３４】
センサシステムが使用され得る領域は、化学、診断、医療及び／又は生物分析であり得、これは、品質保全分析と、卵黄、血液、血清、及び／又はプラズマのような生体流体の分析と、水、溶解土壌浸出液、溶解植物抽出液の分析を含む環境分析とを含む。
【００３５】
図１は、本発明による電界効果トランジスタ（１）を示し、これはゲート電極層（２）を有する。この層の上部に、第１誘電層（３）がある。第１誘電層（３）は、ソース電極（４）、ドレイン電極（５）、及び有機半導体（６）と接触する。有機半導体（６）が、ソース電極（４）とドレイン電極（５）の間のギャップを埋め、更に、電極（４）及び（５）の上部を覆うことがわかる。半導体（６）の上部表面は、第２誘電体（７）と接触する。
【００３６】
図２は、本発明による第２電界効果トランジスタ（８）を示す。このトランジスタは、図１に既に図示されたトランジスタに対応し、第２誘電体（７）の表面に結合されるレセプタ分子の層（９）という更なる特徴を有する。
【００３７】
図３は、ゲート電極層（２）を有する、本発明による第３の電界効果トランジスタ（１０）を示す。この層の上部に第１誘電層（３）がある。これより上に、有機半導体（６）が配置される。有機半導体（６）の上に、ソース電極（４）及びドレイン電極（５）が位置される。第２誘電層（７）は、ソース電極（４）及びドレイン電極（５）を覆うとともに分離する。
【００３８】
図４は、本発明による第４の電界効果トランジスタ（１１）を示す。このトランジスタは、図３に既に図示されたトランジスタに対応し、第２誘電体（７）の表面に結合されるレセプタ分子の層という更なる特徴を有する。
【００３９】
明細書を必要以上に長くせずに包括的な開示を提供するため、出願人は、上で言及された特許及び特許出願の各々を参照によりここに組み込む。
【００４０】
上で詳述された実施例の要素及び特徴の特定の組み合わせは、例示的なものに過ぎず、これらの教示を本願及び参照により組み込まれる特許／出願における他の教示と置き換え、及び代用することも、明示的に意図される。当業者らは、ここに記載される変形、修正及び他の実施が、請求項に記載される本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、当業者らに思いつき得ることを認識するであろう。したがって、上述の記載は、単に例のためであり、制限するとして意図されない。本発明の範囲は、請求項及びこれと等価のものの範囲で規定され、更に、本記載及び請求項で使用される参照符号は、請求項に記載される本発明の範囲を制限しない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明による電界効果トランジスタを示す。
【図２】図２は、本発明による他の電界効果トランジスタを示す。
【図３】図３は、本発明による他の電界効果トランジスタを示す。
【図４】図４は、本発明による他の電界効果トランジスタを示す。
【図１】
2009539241.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009539241.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2009539241.tif 000007
2009539241.tif 000008
2009539241.tif 000009