(57)【要約】  サンプル70からの放射を検出するための集積化装置は、前記放射を検出するための光検出器20を形成すること、及びサイトの境界が前記光検出器の境界によって定められるように、サンプルを受け取るためのサイトを形成することを必要とする。ダイオードを用いたサイトの側壁は、追加のマスクステップなしで生体分子のようなサンプルのインクジェット印刷に適した側壁を提供することができる。サンプルからの放射線放出を検出するための方法は、上記の集積化装置にサンプルを適用するステップ、前記サンプルを照らすステップ、及び前記サンプルからの放射を検出するために光検出器を使用するステップを有する。
2009531704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルからの放射線放出を検出するための集積化装置の製造方法であって、
前記放射線放出を検出するための放射線検出器のアレイを形成するステップ、及び
サンプルを受け取るためのサイトのアレイを、各々のサイトの１つ以上の境界が前記放射線検出器の各々の１つ以上の境界によって定められるように形成するステップ、
を有する方法。
【請求項２】
前記放射線検出器が、前記サイトが形成される前に形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記サイトが前記放射線検出器の上に形成される請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記サイト及び前記放射線検出器が隣り合って形成される請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記サイトを形成するステップが、所与の種類のサンプルの存在下で放射線を放出することが可能なバイオ反応層を形成することを含む、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記サイトがウェルである請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ウェルが培養ウェルである請求項６に記載の方法。
【請求項８】
サンプルからの放射線放出を検出するための集積化装置であって、
前記放射線放出を検出するための放射線検出器のアレイ、及びサンプルを受け取るためのサイトのアレイを有し、
各々のサイトの１つ以上の境界が、各々の放射線検出器の１つ以上の境界によって形成される集積化装置。
【請求項９】
前記サイトが前記放射線検出器の上に配置される請求項８に記載の集積化装置。
【請求項１０】
前記サイト及び前記放射線検出器が隣り合っている請求項８に記載の集積化装置。
【請求項１１】
前記放射線検出器が、前記サイトの側壁の機能を果たすように、前記サイトよりも高く基板から突き出している請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の集積化装置。
【請求項１２】
各々の放射線検出器がサイトを囲むように配置される請求項８から請求項１１のいずれか一項に記載の集積化装置。
【請求項１３】
前記サンプルを照らすための集積化された光源を有する請求項８から請求項１２のいずれか一項に記載の集積化装置。
【請求項１４】
各々の放射線検出器が、他のサンプルからの放射から前記検出器を遮蔽するための光シールドを有する請求項８から請求項１３のいずれか一項に記載の集積化装置。
【請求項１５】
光シールドを形成するために各々の放射線検出器の側面の上の金属コンタクト層を有する請求項８から請求項１４のいずれか一項に記載の集積化装置。
【請求項１６】
前記サンプルを受け取るための前記サイトに親水性の面を有する請求項８から請求項１５のいずれか一項に記載の集積化装置。
【請求項１７】
前記放射線検出器がガラス基板上のシリコンから成る請求項８から請求項１６のいずれか一項に記載の集積化装置。
【請求項１８】
各々の放射線検出器が、サイトにアイランド又は窪みの構造を有する請求項８から請求項１７のいずれか一項に記載の集積化装置。
【請求項１９】
前記サイトが、所与の種類のサンプルの存在下で放射線を放出することができるバイオ反応層を有する請求項８から請求項１８のいずれか一項に記載の集積化装置。
【請求項２０】
サンプルからの放射線放出を検出するための集積化装置であって、前記放射線放出を検出するための放射線検出器のアレイ、サンプルを受け取るためのサイトのアレイ、及び、他のサンプルからの放射から前記放射線検出器を遮蔽する光シールドを形成するための前記放射線検出器の各々の側面の上の金属層、を有する集積化装置。
【請求項２１】
サンプルからの放射線放出を検出するための集積化装置であって、前記放射線放出を検出するための放射線検出器のアレイ、及び前記サンプルを受け取るためのサイトのアレイを有し、前記放射線検出器がガラス基板上のシリコンから成る、集積化装置。
【請求項２２】
サンプルからの放射線放出を検出するための方法であって、請求項１８から請求項２１のいずれか一項に記載の集積化装置にサンプルを適用するステップ、前記サンプルを照らすステップ、及び前記サンプルからの放射を検出するために前記放射線検出器を使用するステップを有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置（特にLAE技術から成り、放射線検出器（例えばサンプルからの放射線放出を検出するように配置される光検出器）を持つ半導体デバイス）のような装置を備えているセンサ、特にバイオセンサに関し、そのような装置の対応する製造方法及び使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既知のラボ・オン・チップ（lab-on-chip）プラットフォームは、使い捨てのカートリッジ、卓上サイズの又は手で持てるサイズの制御機器、及びオペレータとチップとの間のインタフェイスを管理する読取り機を有する。そのようなチップは、バイオチップであることができる。これらは、他のアプリケーションの中でも特に、DNA分析、免疫分析、サンドイッチ分析、又は細菌培養の同定若しくは成長のような様々なアプリケーションに用いられる。カートリッジは、バイオチップを含み、又はバイオチップによって構成される。ミニチュアラボの高い集積度は、手動による介入のレベルを低下させるのを助け、多重化分析の可能性を創造する。グラフィカルユーザインタフェースは、進行中の分析を監視するために用いられることができる。
【０００３】
以下では、単に一例として、DNA検査を参照する。オペレータは、単に分析のためのサンプルを載せて、カートリッジを機器に挿入する。全ての化学反応は、バイオチップの専用の埋込チャネル内部で、又はその表面上で発生する。チップを運ぶカートリッジが自己内蔵型で使い捨てであるので、このシステムは従来の多段プロトコルのクロス汚染リスクを強力に低減する。
【０００４】
DNA分析の例は、DNA増幅、例えば検出の前か間のPCR（ポリメラーゼ連鎖反応）プロセスを用いることができる。DNAサンプルは、ポリメラーゼ酵素、DNAプライマ、ヌクレオチド及び塩と混合されて、シリコン内のバイオチップ中の一連の微小チャネル（各々が150x200ミクロンである）を通過する。シリコン中の電気的加熱素子（本質的に抵抗）は、チャネルを加熱し、DNAサンプルを増幅する３つの正確な既定の温度を通して混合物を循環させる。
【０００５】
そしてシステムは、増幅されたDNAをバイオチップの検出領域に押し込むためにMEMSアクチュエータを用い、それは表面プローブに取り付けられるDNAフラグメントを含む。そこで、サンプル中のDNAフラグメントを照合して、ターゲットDNAは、それ自身を結合サイト上のフラグメントに取り付け、一方、パターンに合致しないDNAフラグメントは離れ去る。システムは、正確な温度制御によって精度を達成する。それは、DNAフラグメントの存在を、レーザーによってそれらを照射して、どのサイトが蛍光を発するかを観察することによって検出する。
【０００６】
様々な病原体のDNAと相補的な短鎖ss-DNAは、印刷によって、一般的にはインクジェット印刷によって、基板に配置されることができる。例は、www.chem.agilent.comに示されるような、Agilentによって開発されたSurePrint技術である。蛍光色素分子によってラベルをつけられたDNAフラグメントによるハイブリダイセーションの際に、基板上の特定のスポットが放射するようになり、病原体DNAの存在の証拠がこれらのそれぞれのスポットに結び付く。
【０００７】
蛍光を検出するためのフォトダイオードを有するサンプル分析デバイスを提供することが、米国特許出願2005-0233366から知られている。インクジェット式の方法によって供給されることができる水ベースのサンプル溶滴を集めるために、親水性領域が各々のフォトダイオードの上に提供される。疎水性領域が親水性領域を囲む。サンプルは、蛍光を活性化するために紫外光によって照らされる。フォトダイオードの上のフィルタ層は、フォトダイオードに達する紫外光の量を低下させる。
【０００８】
a-Siフォトダイオードを用いる集積化光検出の使用が、特にPLEDディスプレイにおけるディスプレイ分野において提案された（M.J. Childs et al. WO2005015530 Al参照）。
【０００９】
平方cmあたり何千ものサンプル溶滴を、そのような液滴を分離しておくため及び遮光効果を提供するために提供された仕切壁を備えるプローブ固定キャリア上にインクジェット方法を用いて、DNAマイクロチップに提供することが、米国特許出願2005-0158738から知られている。インデックスマーカーが、仕切壁とのインクジェットのアライメントを可能にするために提供される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、サンプルからの放射線放出を検出するように配置された検出器（例えば光検出器）を持つ改善された装置（例えば半導体装置）を提供すること、並びにそのような装置の対応する製造方法及び使用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の態様によれば、本発明は、サンプルからの放射線放出を検出するための集積化装置の製造方法であって、前記放射線放出を検出するための、光検出器のような放射線検出器を形成するステップ、及び前記サンプルを受け取るためのサイトを、当該サイトの１つ以上の境界が前記検出器（例えば光検出器）の１つ以上の境界によって定められるように形成するステップを有する製造方法を提供する。前記装置は、マイクロアレイとして実現されることができる。
【００１２】
特に本発明は、サンプルからの放射線放出を検出するための集積化装置の製造方法であって、前記放射線放出を検出する放射線検出器のアレイを形成するステップ、及びサンプルを受け取るためのサイトのアレイを、各々のサイトの１つ以上の境界が前記放射線検出器の各々の１つ以上の境界によって定められるように形成するステップを有する製造方法を提供する。
【００１３】
上記の方法は、サンプル及び放射線検出器（例えば光検出器）が、サンプルを受け取るためのサイトが光検出器とは別々に形成される従来の装置よりも容易に又は費用効率良く相互にアライメントされることを可能にするのを助ける。検出は、任意の方向（例えば横方向の検出又は縦方向の検出）であることができる。
【００１４】
いくつかの実施の形態の更なる特徴は、サイトが形成される前に形成される放射線検出器（例えば光検出器）である。これは、サイトが光検出器の境界の上に又はそれに一致して形成されることを可能にして、相互のアライメントを助ける。あるいは、最初にサイトを形成して、そして次に光検出器を形成することも可能である。
【００１５】
更なる特徴は、光検出素子の上に形成されているサイトである。これは、横方向の検出よりも一般的に高感度である縦方向の検出を意味する。サイトは、相互のアライメントを容易にするため又は保証するために、光検出器の境界に一致して形成されることができる。
【００１６】
更なる特徴は、隣り合って形成されるサイト及び放射線検出器（例えば光検出器）である。これは、横方向の検出を意味する。
【００１７】
別の更なる特徴は、所与の種類のサンプルの存在下で放射線を放出することができるバイオ反応層を形成することを含む、サイト形成である。
【００１８】
本発明の別の態様は、サンプルからの放射線放出を検出するための集積化装置であって、前記放射線放出を検出するための、光検出器のような放射線検出器、及び前記サンプルを受け取るサイトを有し、前記サイトの１つ以上の境界が前記放射線検出器（例えば光検出器）の１つ以上の境界により形成される装置を提供する。前記装置は、マイクロアレイとして実現されることができる。
【００１９】
いくつかの実施の形態の更なる特徴は、光検出器の上にあるサイトである。
【００２０】
別の更なる特徴は、隣り合っているサイト及び光検出器である。
【００２１】
更なる特徴は、前記サイトの側壁として作用するようにサイトより高く突き出ている光検出器である。これは、サイト上にサンプルを収容するのを助け、交差汚染を防ぎ、そしてロスを低減し又はサイト中央へのサンプルの正確な印刷に関する依存性を低減することができる。
【００２２】
更なる特徴は、サイトを囲むように配置されている光検出器である。これは、より効果的な相互のアライメント及びより効果的な検出を可能にするのを助ける。
【００２３】
更なる特徴は、サンプルを照らすための集積化光源である。これは、外部機器に対する要求を緩和することができて、エンドユーザにとって検出をより容易にすることができる。
【００２４】
更なる特徴は、他のサンプルからの放射から光検出器を遮蔽する光シールドである。これは、クロストークを回避して精度を改善することを助けることができる。
【００２５】
更なる特徴は、光シールドを形成するための光検出器の側面の上の金属コンタクト層である。これは、シールドのための別の層の必要性を回避するのを助け、製造の複雑さを低減するという２つの目的のために、コンタクト層を利用する。
【００２６】
更なる特徴は、サンプルを受け取るためのサイトにおける親水性の面である。
【００２７】
更なる特徴は、通常a-Si:Hとして表される水素化されたアモルファスSiのような薄膜堆積半導体中にある光検出器である。この材料は、例えばレーザーを用いて、いわゆるポリシリコンの形に結晶されることができる。従来は、この材料を結晶化させるために、高温での加熱ではなくレーザーが用いられるので、この材料は、「低温ポリシリコン」（例えばLTPS）と呼ばれる。そのような材料はa-Siより高い電子移動度を持ち、したがって、前者の材料から作られる薄膜トランジスタは、より高いスイッチ速度を可能にする。a-Siの利点は、ポリシリコンTFTが必要とするような厳しい処理条件を持たないので、製造中の取り扱いが容易であることである。
【００２８】
更なる特徴は、透明基板上のシリコン（例えばガラスのような基板上に堆積された薄膜）の任意の適切な形状を有する光検出器である。
【００２９】
更なる特徴は、サイトにアイランド又は窪みの構造を持つ光検出器である。これは、放射が光検出器に伝わるための横方向の距離を低減するのを助け、したがって、検出の感度を増加させるためにより大きな迎角での放射の検出を可能にする。
【００３０】
別の更なる特徴は、所与の種類のサンプルの存在下で放射線を放出することが可能なバイオ反応層を持つサイトである。
【００３１】
本発明の別の態様は、サンプルからの放射線放出を検出するための集積化装置であって、前記放射線放出を検出するための光検出器のような放射線検出器、前記サンプルを受け取るためのサイト、及び他のサンプルからの放射線放出から前記検出器（例えば光検出器）を遮蔽する放射線シールド（例えば光シールド）を形成するための、前記放射線検出器（例えば光検出器）の側面の上の金属層を有する装置を提供する。この装置は、マイクロアレイとして実現されることができる。
【００３２】
本発明の別の態様は、サンプルからの放射線放出を検出するための集積化装置であって、前記放射線放出を検出するための、光検出器のような放射線検出器、及び前記サンプルを受け取るためのサイトを有し、前記検出器（例えば光検出器）が、透明基板（例えばガラス）上のシリコンの任意の適切な形状を有する装置を提供する。この装置は、マイクロアレイ又はバイオチップとして実現されることができる。
【００３３】
本発明の別の態様は、サンプルからの放射線放出を検出する方法であって、上述のような集積化装置にサンプルを適用するステップ、前記サンプルを照らすステップ、前記サンプルからの放射線放出を検出するために前記放射線検出器を用いるステップを有する方法を提供する。この装置は、マイクロアレイとして実現されることができる。
【００３４】
任意の更なる特徴が、一緒に組み合わされ、及び任意の前記態様と組み合わされることができる。特に他の従来技術を超える他の利点が、当業者にとって明らかになる。多数のバリエーション及び修正が、本発明の請求の範囲から逸脱することなく、行われることができる。したがって、本発明の形式は、単に例であって、本発明の範囲を制限することを意図しないことが明確に理解されるべきである。
【００３５】
本発明をどのように実施することができるかは、添付の図面を参照して例として以下に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明は特定の実施の形態に関して特定の図面を参照して説明されるが、本発明はそれらに限定されず、請求の範囲によってのみ規定される。請求項中の参照符号はその範囲を制限するように解釈されてはならない。図面は単に概要であって、制限的なものではない。図において、いくつかの要素のサイズは、説明の便宜上、誇張される場合があり、縮尺通りに描かれていない場合がある。明細書及び請求の範囲において「有する，含む」との用語が持ちられる場合、それは他の要素又はステップを除外しない。単数形の名詞は、特に別途述べない限り、複数のその名詞を含む。
【００３７】
さらに、明細書及び請求の範囲中の「第１」「第２」「第３」等の用語は、同様の要素を区別するために用いられ、必ずしも順次的又は時間的な順序を表すものではない。そのように用いられる用語は、適切な状況の下で相互に交換可能であり、本明細書において説明される本発明の実施の形態は、本明細書において説明され又は図示された順序とは他の順序での動作が可能あることが理解されるべきである。
【００３８】
本発明は、基板（特に透明基板）上のNIPダイオード構造のような放射線検出器のアレイから形成される、バイオセンサのようなセンサに関し、放射線検出器の少なくとも一部は、スポット状のプローブのようなバイオ反応層のデポジション又は印刷を、スポットが乾燥するときにスポット中の光放射材料又はスポットに引き寄せられて結合される光放射材料が放射線検出器と直接接触するように又は放射線検出器にアライメントされるようにガイドして又は位置決めするための自動調整壁として用いられる。プローブは、非共有結合又は共有結合によって、サイトに固定され又は取り付けられることができる。プローブは、任意の適切な分子（達）（例えばDNAの一部、RNA、ペプチド、タンパク質、抗体、薬剤接合体、炭水化物、細胞、外部若しくは内部細胞膜又は細胞小器官のような細胞部分、バクテリア、病原体など）であることができる。また、プローブはこれらの組み合わせを含むことができ、例えば、サイトの表面に固定される細胞タンパク質が、細胞を固定するために適している場合がある。プローブのためのサイトの表面は、サンプルの固定を可能にするために有用な特性を得るために処理されることができ、例えばサイト表面は、疎水性又は親水性にされることができる。生物学的分子プローブを基板の表面に取り付ける一般的な方法は、当業者にとって既知である（例えば、"Micro array Technology and Its Application", Muller and Nicolau, Springer, 2005, 第2章及び第3章参照）。スポット領域又はプローブサイトは、「ピクセル」と呼ばれることができる。よって、本発明の実施の形態によれば、多くのプローブサイトのアレイは、等しい数の放射線検出器サイトのアレイ（すなわちバイオセンサピクセルのアレイ）にアライメントされる。
【００３９】
あるいは、ピクセルは、例えばバクテリア又は他の微生物を培養するための小さな培養ウェルとして用いられることができる。この場合には、ピクセルは、関心サンプルを加える前に成長培地で満たされることを必要とする。ウェルは特定の温度で加熱されることができ、それは、ウェル中に又はウェルの近くに発熱体（例えば加熱電流線）を集積化することによって利用されることができる。異なる成長培地が、最適な培養条件を供給するために異なるウェルに適用されることができる。加えて、微生物の成長を監視することを介して抗生物質耐性を決定するために、抗菌性試剤をいくつかのウェルに追加されることができる。
【００４０】
加えて、例えばピクセル間のクロストークを防ぐために、隣り合うプローブサイト又はピクセルからの光を遮蔽するために光シールドが適用されることができる。光シールドは、スポットのためのサイトの境界を提供するための検出器の使用と組み合わせられることができ、又はこれとは独立していることができる。
【００４１】
スポットデポジションは、任意の適切な技術（例えば、（例えば生体分子状の）液状サンプルの接触若しくは非接触印刷、マイクロスポッティング（microspotting）、中実の若しくは割れたピン若しくはクイル印刷、ピペッティング（pipetting）、又は、熱、ソレノイド若しくは圧電インクジェット印刷）によって、実行されることができる。生体分子は好ましくは、その存在を決定することが意図される検体分子に結合するプローブである。検体分子は、検出されることを必要とする任意の分子（例えば、DNA又はRNA、DNA又はRNAのフラグメント、DNA又はRNA多型、ペプチド、タンパク質、例えばサンドイッチ免疫測定を用いて検出されるべき抗体、薬剤接合体、炭水化物、細胞、細胞の部分（例えば外部若しくは内部細胞膜又は細胞小器官）、バクテリア、病原体など）であることができる。結合されたプローブ及び検体分子の発光を可能にするために、プローブ及び／若しくは検体分子は、例えばリン光、蛍光、電界発光、化学ルミネセンスなどによって発光を提供するラベルを有することができ、又はそのようなラベルに取り付けられることができる。ラベルをつけられる場合、プローブ又は検体分子は「可変光学分子」と記載される場合がある。一旦検体分子及びプローブが結びつけられると、スポットからの光放射は変化し、例えば、化合物を追加することで化学ルミネセンスを放射することができ、あるいは、正しい波長の励起放射線によって励起される場合、蛍光を放射することができる。他の形態の光放射（例えば本発明では、例えば特定の化学製品のような適切な刺激薬及び電流の供給による電界発光）が用いられることができる。また、任意の適切な検出の形態（例えば、垂直光学方向、すなわち基板の主要な表面に対して実質的に垂直な方向、又は、例えば１つのピクセル/スポットから発している光だけが検出されるように遮蔽されたフォトダイオードによる横方向の光検出）が用いられることができる。これは、医療診断アプリケーションのためのカートリッジの製造プロセスにおける厳しい品質管理を可能にする。
【００４２】
後述する実施の形態は、多くの以下の態様の例を示し、それらの少なくとも１つは、本発明の利点であることができる。
a) アライメント構造としての（例えば生体分子のデポジションのためのデポジションガイド又は位置決めガイドとしての）光検出器（例えばa-Si PINダイオード）のような放射線検出器の二重の用途。
b) 印刷バリヤーとしての光検出器のような放射線検出器の二重の用途。
c) 光検出器のような放射線検出器に用いるためと、隣り合うサイトからの放射からの光シールドとしてとの、金属コンタクト層の二重の用途。
d) 例えば医療診断アプリケーションのための、ガラスのような透明基板上のLAE（大面積電子回路）ポリシリコン又はa-Si技術の使用。
【００４３】
後者を参照して、従来の大面積電子回路（LAE）技術は、ガラスのような安価な基板である絶縁基板上に提供される電子機能を提供する。本発明のアレイ用としての基板（例えばガラス）は、好ましくは透明又は半透明である。これは、光学的な検出にとって利点であることができる。外部光検出器を用いずに放射線を放射しているサンプルスポットを検出するために、アクティブLAEポリシリコン又はa-Si（アモルファスシリコン）基板が、本発明の実施の形態において提案される。あるいは、ポリシリコン又はa-Si（アモルファスシリコン）の層が、外部光検出器を用いずに放射線を放射しているサンプルスポットを検出するために、ガラスのような絶縁基板に適用されることができる。いずれの場合にも、放射線検出器のアレイは集積化され、基板上のアレイのプローブサイトとアライメントされる。標準のLAE技術は、フォトダイオード又はフォトTFT検出器のような放射線検出器を、通常のアドレス指定TFT及び回路並びに読み出し回路と共に（ほとんど追加のコスト無しで）集積化するために用いられることができる。
【００４４】
いくつかの実施の形態は、広範囲にわたるアプリケーションに用いられるプローブ（例えばDNAフラグメント/オリゴヌクレオチド、ペプチド又は抗体）の光検出及びスポットデポジション（例えばインクジェット印刷）を可能にする。加えて、LAEは、非常に経済的なソリューションを提供するために、厚層ポリマー技術（例えば導電線の印刷）と組み合わせられることができる。
【００４５】
いくつかの実施の形態は、放射線検出器（例えばa-Si NIPダイオード）の一部が印刷アライメント構造（例えばダム壁）としても機能するように、生物学的要素（例えばDNAフラグメントのようなプローブ）を運んでいる基板に集積化されるa-Siフォトダイオード（又はフォトTFT）のような放射線検出器を示す。印刷アライメントは、堆積され又は印刷されたプローブが正しい領域に位置することを確認するために用いられる。
【００４６】
以下において、２つの構造が、NIPダイオードを使用し、検出及び印刷アライメントの両方を提供する本発明の実施の形態として説明される。最初のものが、図1及び2に示される。この実施の形態において、ダイオードのような光検出器のリングが、例えば親水性領域内に結合サイトを有する印刷ダム壁としてのダイオードを使用して形成される。図1a, 1b及び1cは、３段階で概略断面図を示し、図2は、レイアウトの平面図を与える。図1aは、ウェル40を形成するための印刷壁又はダムとしても用いられる横方向a-Si NIPダイオード20を用いた実施の形態の模式的な断面図を示す。ダイオード20は、基板10（例えば透明基板10）の上に形成される。基板10は、好ましくはガラスである。ウェル40は、側面及び底面を持つ。絶縁体層30は、ウェル40の側面及び底面を提供し、例えば、ダイオード20の側面において及びダイオード20の隣のサンプルを受け取るためのサイト中に形成される。絶縁層30は、ウェル40中のサンプルからの放射に対して透明な材料でできている。絶縁層30は、親水性材料から作られることができ、又は、例えば適切なコーティング若しくは表面処理によって、親水性にされることができる。上部金属層50は、適切な以下の確立された設計プラクティスのように、ダイオード20を読み出し回路及び選択又は多重化回路に接続するために用いられる。この上部金属50は、図1aの左側のダイオード20について示されるように、サンプルサイトから離れてダイオード20の１つの側面又は複数の側面をおおうように配置されることができる。これは、上部金属50が、ウェル30からの光が図1a中の左側のダイオード20よりもさらに左の光検出器に達することを防ぐために、光シールドとしても用いられることができること意味する。
【００４７】
露出した金属の構成要素を、装置に加えられるサンプル流体からその分析の間絶縁するために、例えば領域全体の上に絶縁層を堆積して、標準的なリソグラフィでパターニングすることによって、絶縁層55が適用される。この絶縁層55は、親水性又は疎水性であることができる。疎水性の場合、層55は、装置上に印刷された水性溶液をウェル40に導くことを促進することができる。層55は、光学的に不透明であることができ、ひいては迷光又はウェル40中のサンプルからの光に対するシールドとして作用し、したがって光検出器間のクロストークを防止して信号対雑音比を改善する。
【００４８】
本発明の実施の形態によれば、複数の生物学的結合サイトが、１つの光検出器と結びつけられることができる。そのような配置において、いくつかのスポットを１つのダイオードウェル40中に堆積させることが有利であることができる。一般に、本発明の各々のウェル40内のアライメント構造は、互いに隣リ合う２つの領域、疎水性領域及び親水性領域を持つことによって機能することができる。親水性の又は水ベースのインクが印刷される場合、それは、親水性領域に集合し、すなわち自動的にそれ自身を親水性領域に引き寄せ、そしてこの位置にアライメントされて乾燥する。このように、１つのウェル40の底面は、いくつかの結合サイトに仕切られることができる。この配置の利点は、複数の結合サイトからの光が、その出力がそのサイトの平均結果である１つの光検出器20に到達することである。
【００４９】
図1bは、ウェル40へのサンプル又はプローブを含む溶滴状のスポット60による印刷後の構造を示す。溶滴はサイトの中央に置かれてないように示されるが、絶縁体層30及び／又はNIPダイオード20によって形成されるサイトの壁が充分に溶滴を保持するのに用いられ、それが乾燥するときに、例えば毛細管作用が実質的に全ての堆積された材料をサイトへと引き込む。図1cは、乾燥の後の、検出の準備ができた構造を示す。サンプルの乾燥したスポット70をプローブ（例えば相補的DNA）に結合する分子にさらすことによって、ハイブリダイゼーションが発生する。プローブ又はサンプル分子がラベルをつけられている場合、結合されたサンプルは照らされると蛍光性になる。この蛍光性光は、フォトダイオード20によって検出されることができ、所与の相補型の検体分子（例えばDNA）の存在を確認するのに用いられることができる。もちろん他のアプリケーションが予見されることができ、他の種類の光検出器が用いられることができる。例えば、光の放射は、蛍光以外の他の手段によって生成されることができ、いくつかの分子は、ラベルを用いることなく、結合する際に光を放射する。
【００５０】
サンプルの暴露は、手動で実行されることができ、又は、マイクロチャネルに沿ってサイトとの間で流体を動かすためのMEMS装置によって自動化されることができる。必要な場合、流体及びサイトの温度は正確に制御されることができる。
【００５１】
図2は、用いられることができる１つの特定のレイアウトの概略平面図を示す。この配置は、各々のピクセルを選択するために用いられるTFTスイッチ及び照らされたときに光検出器から転送される電荷を蓄えるキャパシタ（図示せず）と共に、ピクセルのアクティブマトリクスロウ及びカラムアレイとして形成されることができる。図2において、各々がスポット70を備える４つのサイトのアレイが示され、各々のスポットはダイオード20の形の検出器によって囲まれる。一般的に、例えばPolyLed技術で実行されるようなサンプル液体のインクジェット印刷（IJP）において、ダム壁は、印刷された溶液が非常に明確に決められた位置に堆積されることを確実にするために有用であり、又は必要とされる。さもなければ、検出精度又は信頼性が損なわれる可能性がある。特に、PINダイオードの構造も、印刷ダム壁として用いられる。a-Si PINダイオードは高さが約0.2〜1.0μmであるが、多くの例におけるプローブのような生物学的要素は、一旦乾燥すると、高さが500nm未満であり、時には50nm未満である。よって、ダイオード構造は効果的なダムを構築するために充分に突き出る。必要ならば、ダイオード構造は、アプリケーション及び印刷されるべき液滴のサイズに適するように、より高くされることができる。例えば、図1aに示すように、更なる絶縁層55が、ウェル40の深さを増加させるため用いられることができる。光学的に検出されるプローブのような生物学的要素の高さに関して、例えば一般的に、塩基対は0.34nmの長さを持ち、25個又は60個のオリゴヌクレオチドが用いられる場合、それらの推定される全長（すなわち最大の高さ）は、多くの場合50nmを上回らない。ターゲット分子であることができるラベルをつけられたDNA複製配列は、一般的に、100から700の塩基対長であり、多くの場合400nm未満の最大高さを持つ。サンドイッチ免疫分析は、150nm未満の高さを持つことができる。
【００５２】
図1cに示されるような横方向光検出は、検出が励起方向に直角に実行されること、例えば図1cにおいて、励起光ビームを用いた励起がガラス製基板の上部又は下部から（すなわち図1cにおいて基板10の上下から）実行され、検出が基板10の面に対して平行な方向で実行されることを保証し、それによって散乱光の検出は直ちに低減される。これは、LAE技術を用いることによる重要な利点の１つであり、ガラス基板10が用いられているので可能である。また、NIPダイオード構造及びラベルすなわち蛍光色素分子は、サンプル（別名プローブ）によって放射される光に対する感度を最大にするように選択されることができる。
【００５３】
図3に示されるような他の実施の形態による第２の構造において、インクがダイオードの上にとどまるように、ダイオード材料の範囲は、親水性表面によって作られることができる。これは図3に示される。NIPダイオード20の形の光検出器は、基板10の上に形成され、印刷アライメント構造として用いられる。サイトはダイオードの上にあり、スポット70はダイオードの境界がサイトの境界を定めるようにダイオードの上に印刷され、境界を越えて印刷されるスポットのいかなる部分も、毛細管作用によって疎水性領域に引き寄せられ、すなわち疎水性領域に収まり、そして装置にくっつくことができない。
【００５４】
これらの２つの構造間の顕著な違いは、前者では励起放射（例えば励起光）が90°で結合され、光検出器から見た励起光の量が低下することである。
【００５５】
第２の構造は、励起光を直接検出することを回避するために、フィルタ層90のような手段、又はレーザー波長と蛍光色素分子との思慮深く選択された組み合わせを必要とする。この検出スキームにおいて、量子ドットは、それらの放射帯域が狭くて励起波長から十分に離れて調整されることができる一方、それらの吸収が非常に広いために、すなわちそれらの大きなストークスシフトのために、適切である。結果的に、励起（レーザー）光を検出することを回避するためには、単純なフィルタで十分である。
【００５６】
第２の構造の利点は、垂直NIPダイオードが水平NIPダイオードよりも高感度であることである。したがって、アプリケーションによって、これらのレイアウトのうちのいずれか１つを選択することができる。
【００５７】
上記の実施の形態は、同一基板上で２つの機能、すなわち放射線検出器及びサイトアライメント（例えば印刷アライメント）を組み合わせる新規な態様を表す。ガラスのような特定の基板上のインクジェット印刷に対して、ダム壁は、印刷された物質がどこにとどまるかを確かめるために有利である。これは、正しい接触角（すなわち表面張力）を有する物質に制限されるのではなく、幅広い種類の物質の使用を可能にする。
【００５８】
集積化光検出は、特に携帯端末アプリケーションにとって、外部光検出器を使用するよりも良いロバストネスを与える。例えば、水分又は混入物は、スポットと検出器との間に入ることができない。検出器は、好ましくは、時にはピクセルと呼ばれる唯１つのサイトからの光に反応する。これは、デポジションの品質管理を可能にするのを助ける。そのような品質管理は、医療診断のためのカートリッジの製造及び品質保証において重要である可能性がある。オプションとして、基板とプリンタとの間のオンチップ試験及びフィードバック経路は、実現されることができ、それは、印刷されなかったスポット/ピクセルが、例えば後で正しく再印刷されることを保証する。このフィードバックは、例えば印刷監視及び印刷品質管理ソフトウェアの形のソフトウェアで実現されることができる。これは、カートリッジが作成されることができる歩留り及び信頼性を大幅に改善することができる。
【００５９】
図4は、本発明の実施の形態による検出器の集積化アレイの一部のための回路図を示す。フォトダイオード26のような多くの放射線検出器が、フォトダイオード26と共に集積化される読み出し電子回路を有するアレイで、例えばカラム及びロウのアレイで配置されることが理解されるべきである。検出器のアレイは、カラム及びロウに関して論理的にアドレス指定される。複数のロウすなわちスキャンライン28及び複数のカラムすなわち読み出しライン29がある。スキャン及びカラムラインの各々の交差場所に、ピクセルが配置される。読み出し電子回路は、例えば各々のカラムのベースにおいて積分器の入力に接続される読み出し電子回路の読み出しライン29（カラム）に例えばフォトダイオード26の形の光検出器のような放射線検出器を結合させるための選択トランジスタ25のような、各々の放射線検出器のための選択手段を含む。積分器24は、容量性帰還を持つオペアンプのような増幅器によって構成されることができる。ダイオードからの光電流は、定められたフレーム時間にわたって記憶コンデンサ27に蓄積することができる。スキャンラインが活性化されるときに選択トランジスタ25が蓄積された電荷を積分器24へ転送するように、選択トランジスタ25のゲートは、スキャンライン（ロウ）28に結合される。いくつかの例では、電荷を蓄積するためにはダイオードの自己静電容量で十分である。
【００６０】
図5は、本出願において図4に示されるような回路のために用いられることができる上部ゲート（top gated）NMOS LTPS技術の実施の形態の断面図を示す。それは、図3に示されるような垂直構造を実現する１つの態様として用いられることができる。別の態様は、通常TFTが下部ゲート（bottom gated）であるa-Si技術を用いることである。図5において、NMOS TFT 34が図の左側に、NIP光検出器44が右側に示される。下部から上部への層は、次の通りである。一番下の層はガラスのような透明基板31であり、上の隣の層はSiNx（窒化シリコン）のような絶縁層32であり、次の層もSiO2（二酸化ケイ素）のような絶縁層33である。この二酸化ケイ素層33の上であって、他のシリコン酸化物層36の下で挟まれる層35は、異なってドーピングされた領域を有する薄膜堆積結晶化ポリシリコン層であり、すなわちアクティブ半導体層35を構成する。通常、２つの金属層が半導体デバイスを互いに配線するのに用いられ、これらは窒化シリコンのような誘電層38によって分離される。最下部の金属は、トランジスターゲート電極42のために、そして、ダイオードへの下部接続37を形成するために用いられる。適切な導電性金属（例えばCr/Al）が、このために用いられる。一番上の金属39、41、43は、様々なアイテムを互いに配線して、最下部の金属中のゲートラインに直角にアレイのカラムラインを形成する。露出した金属をサンプル流体から絶縁するために適用される図1の層55のような絶縁層は、図に示されていない。この絶縁層は、普通の技術によって適用されることができる。一番上の金属のために、金属積層（例えばCr/Al/Cr積層）のような任意の適切な金属材料が用いられることができる。TFTトランジスタ34は、軽くドープされたドレイン構造35によって示される。これは、導電性金属接続41によって、フォトダイオードの１つのコンタクト37に結合される。記憶コンデンサ及び積分器を含んでいる図4の回路の他の部分は、確立された技術を使用して実現されることができる。
【００６１】
ピクセルサイトに集積化されるキャパシタは、光が特定の時間（例えば長いフレーム期間）にわたって積分され、それから読み出されることを可能にする。
【００６２】
別の実施の形態において、NIP光検出器20は、例えばCMOS型技術においてn型及びp型の両方のTFT（薄膜トランジスタ）を有するアクティブプレート中に集積化されることができる。
【００６３】
ピクセル回路のために薄膜トランジスタ技術を使用すると、他の回路を追加すること（例えば、駆動、電荷集積及び読み出し回路の集積化）も可能になる。光検出器は、オフ状態においてゲートがバイアスされるTFT（薄膜トランジスタ）、TFTと同じ薄い半導体膜中に形成される横方向ダイオード、又は第２の厚い半導体層から形成される縦方向ダイオードのような任意の適切な放射線検出器であることができる。高い感度のために、縦方向a-Si:H NIPダイオードが、好ましくは使われる。これらは、好ましくは、アドレス指定TFT及び回路に集積化される。本発明は、a-Si:H TFT技術又はLTPS技術のいずれかで実現されるそのようなスキームを含む。後者の場合において、ダイオード集積化は、ただ１つの追加のマスクコストの費用負担で達成され、この技術の典型的な断面図が図6に示される。
【００６４】
図6及び図7は、各々の場合の断面図及び平面図で、フォトダイオードレイアウトの他の配置のビューを示す。図6は図2に対応して、所与の仰角を超えた放射線放出がいかにして検出されないのかを示す。図7は、より多くのこれらの放射を検出することができ、したがって光検出感度の増加を提供することができる配置を示す。図7において、ダイオード20は、スポット70のサイト中に位置する多くの小さなセクションを持つ。これは、ダイオードの最も近いセクションまでの距離を減らすことによって、単にダイオードのセクションの構成及び位置を変更することにより、より大きな迎角を持っているより多くの放射が検出されることを示す。ダイオードセクションを互いに接続するためにどのように上部金属を使用するべきかの例が図5に示される。
【００６５】
図8は、検出器20の隣の１つのスポット270の放射を局所的に活性化するための光源200（例えばOLED又はPLED）の更なる集積化を伴う他の実施の形態を示す。これは、光学的及び電気的クロストーク並びに他の雑音効果を回避することができる。したがってこれは、例えばバイオテロ/戦争に対抗するための携帯型アプリケーションにさらなるロバストネスを提供することができる。この配置は、図8に図示される。光源は、適切なピクセル回路を有する同じアクティブマトリクスアレイ又は並行する更なるアレイによって駆動されることができる。そのようなスキームにおいて、量子ドットが、非常に広い吸収帯域を持つので、検出のために使われることができる。したがって、それらは、例えば放射性のポリマー（例えばOLED又はPLED）によって放射される任意の適切な波長で励起されることが可能である。量子ドットの大きなストークスシフトを仮定すると、それらは、検出が放射から（波長に関して）十分に遠く離れていることができ、信頼性が高く実現が容易な検出を可能にするという更なる利点を持つ。
【００６６】
更なる実施の形態において、外部光源は、プレート全体を同時に励起するのに用いられることができる。外部の又は集積化されたLED光源が用いられることができる。特に、レーザー光源が用いられることができる。そのような場合、バックグラウンド励起は、フィルタ除去されなければならない。
【００６７】
これらのスキームの実際的な実施態様において、(i) 光は検出器に効率的に結合されなければならず、(ii) 印刷されたスポットは、検出器に精密に見当合わせをされなければならず（可能ならば自己アライメントされる）、(iii) 検出器は、隣接するピクセルの光から効果的に遮蔽されなければならない。
【００６８】
結論として、いくつかの実施の形態は、スポットが乾燥するときに光放射材料が検出器（例えば側面を通した光結合を有するNIP構造）に直接接触し又はアライメントされるようにスポットのデポジション又は印刷のための自動調整壁として使用されているNIPダイオード構造のような放射線検出器のために注目に値する。検出器（例えばNIP）の上部及び／又は下部金属コンタクトは、スポットのためのサイトの境界を提供するための検出器の使用と組み合わせて、あるいはこれとは独立して、隣り合うピクセルからの光を遮蔽するために容易にパターニングされることができる。
【００６９】
上に述べたように、a-Si PINダイオードのような放射線検出器の一部から成るダム壁は、追加のコスト（追加のマスクステップ）を伴わずに、生体分子の形のサンプルのデポジション又はインクジェット印刷に適した側壁を提供することができる。上に述べたように、別々の又は組み合わせられた態様は、唯１つのピクセル又はスポットから発している光のみが検出されるように遮蔽されたフォトダイオードによる横方向の光検出である。これは、医療診断アプリケーションのためのカートリッジの製造プロセスにおける重要な品質管理を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１ａ】印刷ダムとしても用いられる横方向のa-Siダイオードを用いた実施の形態の模式的な断面図（サンプルの印刷前）。
【図１ｂ】印刷ダムとしても用いられる横方向のa-Siダイオードを用いた実施の形態の模式的な断面図（サンプルの印刷後）。
【図１ｃ】印刷ダムとしても用いられる横方向のa-Siダイオードを用いた実施の形態の模式的な断面図（サンプルを乾燥して、サンプルとのハイブリッド形成を引き起こすDNAを含む可能性があるターゲットサンプルにサンプルをさらした後）。
【図２】４つの光検出器及びサンプルサイトのアレイを示す同様の実施の形態の平面図。
【図３】光検出器構造の上にサイトを有する第２の実施の形態を示す図。
【図４】TFT及び光検出器のアレイを持つ実施の形態の一部の回路図。
【図５】TFT及び集積化された光検出器を持つ実施の形態の断面図。
【図６】更なる実施の形態の模式的な断面図。
【図７】更なる実施の形態の模式的な断面図。
【図８】アクティブプレート上に光源を持つ他の実施の形態の模式的な断面図。
【図１ａ】
2009531704.tif 000003
【図１ｂ】
2009531704.tif 000004
【図１ｃ】
2009531704.tif 000005
【図２】
2009531704.tif 000006
【図３】
2009531704.tif 000007
【図４】
2009531704.tif 000008
【図５】
2009531704.tif 000009
【図６】
2009531704.tif 000010
【図７】
2009531704.tif 000011
【図８】
2009531704.tif 000012
【国際調査報告】
2009531704.tif 000013
2009531704.tif 000014