(57)【要約】【課題】電界効果トランジスタを備えたバイオセンサであって、ソース−ドレイン電流が安定するまでの待機時間を短縮したバイオセンサを提供すること。【解決手段】シリコン基板と、前記シリコン基板面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置された配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、ゲート電極と、を含む電界効果トランジスタ素子を備えたバイオセンサであって、前記複数の電界効果トランジスタのチャネルは複数であり、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に並列に接続されている、バイオセンサ。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、前記シリコン基板面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置された配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む電界効果トランジスタ素子を備えたバイオセンサであって、
前記電界効果トランジスタのチャネルは複数であり、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に並列に接続されている、バイオセンサ。
【請求項２】
前記ゲート電極は、前記チャネルが配置されたシリコン基板面とは反対の面のシリコン基板面に配置される、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタ素子のゲート電圧は＋０．５〜−０．５Ｖである、請求項１に記載のバイオセンサ。
【請求項４】
前記チャネルは、ポリシリコンチャネルである、請求項１に記載のバイオセンサ。
【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を備えたバイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサが提案されている（特許文献１〜３を参照）。一般に、電界効果トランジスタを備えるバイオセンサでは、半導体基板の絶縁膜上に、ソース電極／ドレイン電極およびチャネルが形成されており、さらにチャネルまたは半導体基板の絶縁膜などに反応場が配置されていることが多い。反応場には、被検出物質認識分子が固定されることが多い。
【０００３】
反応場に固定された被検出物質認識分子に被検出物質を認識させ、そのときのソース−ドレイン電流を測定することで、反応場に提供された被検出物質の有無や濃度を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８５３９２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０１１７８号公報
【特許文献３】特開２００７−１３９７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の通り、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサは、ソース−ドレイン電流に基づいて、被検出物質の有無や濃度を測定する。そのため、正確な検出結果を得るには、バイオセンサの起動後に、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流が安定するまで待機してから、センシング作業を行う必要がある。ところが、この電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流が安定するまで、思いのほか長い待機時間を必要とすることがあった。この待機時間が長いと、迅速な検出が行えず、ユーザーに不利益が大きい。
【０００６】
そこで本発明は、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサであって、ソース−ドレイン電流が安定するまでの待機時間を短縮したバイオセンサを提供することを目的とする。それにより、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサによる迅速な検出を実現する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサにおいて、ソース−ドレイン間に、複数のチャネルを並列に接続することで、センサを起動後に短時間でソース−ドレイン電流が安定することを見出した。
【０００８】
すなわち本発明は、以下のバイオセンサに関する。
［１］  シリコン基板と、前記シリコン基板面に形成された酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜上に配置された配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、を含む電界効果トランジスタ素子を備えたバイオセンサであって、
前記電界効果トランジスタのチャネルは複数であり、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に並列に接続されている、バイオセンサ。
［２］  前記ゲート電極は、前記チャネルが配置されたシリコン基板面とは反対の面のシリコン基板面に配置される、［１］に記載のバイオセンサ。
［３］  前記電界効果トランジスタ素子のゲート電圧は＋０．５〜−０．５Ｖである、［１］または［２］に記載のバイオセンサ。
［４］  前記チャネルは、ポリシリコンチャネルである、［１］〜［３］のいずれかに記載のバイオセンサ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電界効果トランジスタを具備するバイオセンサによれば、高感度の検出が短時間で可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の電界効果トランジスタを具備するバイオセンサである。
【図２】本発明の電界効果トランジスタを具備するバイオセンサである。
【図３Ａ】電界効果トランジスタの安定化時間とゲート電圧との関係を示すグラフである。
【図３Ｂ】電界効果トランジスタの安定化時間とチャネル幅との関係を示すグラフである。
【図４】電界効果トランジスタのＩＶ特性と、チャネル数との関係を示すグラフである。
【図５】電界効果トランジスタの安定化時間と、チャネル数との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の電界効果トランジスタの反応場の配置態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のバイオセンサは、半導体基板と、それに配置された電界効果トランジスタ素子とを有し、通常はさらに反応場を有する。半導体基板は、必ずしも限定されないが、通常はシリコン基板である。ここで本発明のバイオセンサにおける電界効果トランジスタ素子は、複数のチャネルを有することを特徴とする。
【００１２】
電界効果トランジスタ素子について
従来の、電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサは、典型的には、単一の電界効果トランジスタを含む。すなわち図１Ａに示すように、従来の電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサ１０’では、シリコン基板１１の表面に形成された酸化シリコン膜１２ｂに、ドレイン電極１４及びソース電極１５と、一つのチャネル１６（チャネル幅Ｗ）が配置されていた。さらに、ゲート電極１３が、チャネル１６に作用することができるように配置されていた。図１Ａでは、ゲート電極１３が、シリコン基板１１の裏面に形成された酸化シリコン膜１２ａに配置されている。これを簡単な回路図で表すと、図１Ｂの通りとなる。
【００１３】
図１に示されるような、１つのチャネルを有する電界効果トランジスタは、起動（ソース電極とドレイン電極との間に電位差を設けること）してから、チャネルに安定に電気が流れるまでに時間がかかることが多い。特に、ゲート電圧が０付近である場合や、チャネル幅が大きい場合には、安定化までの時間が長くなる傾向がある。
【００１４】
図３Ａには、ゲート酸化膜２７０Å、チャネル幅２００μｍの電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電圧を６．５Ｖとしたときに、ゲート電圧を０Ｖ（実線）、−０．１Ｖ（破線）または−０．２Ｖ（点線）に設定した場合のソース−ドレイン電流（Ｙ軸）と経過時間（Ｘ軸）の関係を示すグラフである。図３Ａに示すように、ゲート電圧を−０．２Ｖに設定した場合には、ソース−ドレイン電流が一定になるまでの時間（安定化時間）は約４４０秒程度である。これに対して、ゲート電圧を−０．１Ｖに設定した場合には、安定化時間は約４８０秒であり；ゲート電圧を０Ｖに設定したときには、安定化時間は約５１０秒である。このように、ゲート電圧を０Ｖに近づけるほど、安定化時間が長くなることがわかる。
【００１５】
一方、図３Ｂ-１には、チャネル幅が２００μｍである電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電圧を６．５Ｖとしたときに、ゲート電圧を−０．１Ｖ（破線）または０Ｖ（実線）としたときの安定化時間が示される。また、図３Ｂ-２には、チャネル幅が１０００μｍである場合に、ゲート電圧を−０．１Ｖ（破線）または０Ｖ（実線）としたときの安定化時間が示される。図３Ｂ-１および図３Ｂ-２に示されるように、ゲート電圧を−０．１Ｖに設定した場合と比較して、ゲート電圧を０Ｖに設定した場合には安定化時間が長くなることがわかる。
【００１６】
さらに、図３Ｂ-１と図３Ｂ-２とを比較すると、チャネル幅が長くなるほど、安定化時間が長くなることがわかる。例えば、図３Ｂ-１に示すように、チャネル幅を２００μｍとしてゲート電圧を０Ｖとしたときの安定化時間は約４００秒であるのに対して；図３Ｂ-２に示すように、チャネル幅を１０００μｍとしてゲート電圧を０Ｖとしたときの安定化時間は約６００秒である。
【００１７】
このように、電界効果トランジスタ素子は、印加するゲート電圧が低いほど、またチャネル幅が大きいほど、安定化時間が長くなりやすい。
【００１８】
電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサにおいて、電界効果トランジスタ素子のチャネル幅は、必要なソース−ドレイン電流に応じて設定しなければならない。そのため、チャネル幅が大きくならざるを得ない場合があり、その場合には電界効果トランジスタ素子の安定化時間の長時間化が顕著に発生しやすい。
【００１９】
電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサにおいて、溶液の試料サンプルを反応場に提供してゲート電圧を印加する場合がある。その場合には、溶液の分解を抑制するため、ゲート電圧を０Ｖ付近（参照電位）に設定する必要がある場合がある。例えば、ゲート電圧を−０．５Ｖ〜＋０．５Ｖの範囲に、好ましくは−０．２Ｖ〜＋０．２Ｖの範囲に設定する場合がある。そのような場合に、電界効果トランジスタ素子の安定化時間の長時間化が顕著に発生しやすい。
【００２０】
これに対して本発明のバイオセンサ１０では、図２Ａに示すように、シリコン基板１１の表面に形成された酸化シリコン膜１２ｂに、ドレイン電極１４及びソース電極１５と、複数（図２では３つ）のチャネル１６（１６-１〜１６-３）が配置される。ここで、複数のチャネルの合計幅（ｗ1+ｗ2+ｗ3）をＷとする。さらに、図１Ｂでは、ゲート電極１３が、シリコン基板１１の裏面に形成された酸化シリコン膜１２ａに配置されている。これを簡単な回路図で表すと、図２Ｂの通りとなる。
【００２１】
電界効果トランジスタ素子の特性、特にＩＶ特性（ゲート電圧に対するソース−ドレイン電流の流れ方）はチャネルの幅に大きく依存する。したがって、チャネルの幅を調整することで、電界効果トランジスタ素子のＩＶ特性が制御されうる。ここで、所望のＩＶ特性を実現するためのチャネル幅がＷであるときに、本発明のバイオセンサに含まれる複数個（Ｘ個）のチャネルの幅の合計も、Ｗとすることが好ましい。本発明者は、幅Ｗの単独のチャネルを有する電界効果トランジスタのＩＶ特性と、複数のチャネルを有し、そのチャネル幅の合計がＷである電界効果トランジスタのＩＶ特性とを、同一とすることができることを見出した。
【００２２】
電界効果トランジスタに配置されるチャネルの数は、２以上であれば特に制限されない。後述するように、起動してからソース−ドレイン電流が安定して流れるまでの時間（安定化時間）が十分に短くなるようにチャネルの数を設定することができる。
【００２３】
複数のチャネルのそれぞれの幅は、その合計が所望のチャネル幅となるように設定されればよい。各チャネル幅は互いに同一であってもよく、異なっていてもよい。ポリシリコンである場合は、各チャネル幅の下限は約２μｍであり；上限は、導体にならない限り、特に制限されない。
【００２４】
図４には、幅２００μｍのポリシリコンチャネルを有する電界効果トランジスタ（◇）と、幅２０μｍのポリシリコンチャネルを１０個有する電界効果トランジスタ（□）と、幅１０μｍのポリシリコンチャネルを２０個有する電界効果トランジスタ（△）の、ＩＶ特性を示すグラフである。図４のグラフの横軸はソース−ドレイン電圧（Ｖｄｓ）であり、縦軸はソース−ドレイン電流（Ｉｄｓ）である。
【００２５】
いずれの電界効果トランジスタのゲート酸化膜（酸化シリコン膜）も、２７０Åとした。ゲート電圧を０Ｖとして、ソース−ドレイン電圧を変化させながら、ソース−ドレイン電流を測定した。図４に示されるように、いずれの素子においても、ソースドレイン電圧（Ｖｄｓ）を増加させると、ソース−ドレイン電流（Ｉｄｓ）が同様に増加することがわかる。
【００２６】
このように、幅Ｗの単独のチャネルを有する電界効果トランジスタと、複数のチャネルを有し、そのチャネル幅の合計がＷである電界効果トランジスタとは、同一のＩＶ特性を有しうる。その一方で、以下に示すとおり、起動から電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流が安定するまでの時間は、顕著に異なる。
【００２７】
図５には、１個のポリシリコンチャネル（幅２００μｍ）を有する電界効果トランジスタと、１０個のポリシリコンチャネル（各チャネル幅２０μｍ）を有する電界効果トランジスタと、２０個のポリシリコンチャネル（各チャネル幅１０μｍ）を有する電界効果トランジスタのそれぞれの、安定化時間（ソース−ドレイン電圧を印加してから、ソース−ドレイン電流が安定に流れるまでの時間）を示すグラフである。図５のグラフの横軸は電界効果トランジスタのチャネル数であり、縦軸は安定化時間である。
【００２８】
いずれの電界効果トランジスタのゲート酸化膜（酸化シリコン膜）も、２７０Åとした。ゲート電圧を０Ｖとして、１μＡのソース−ドレイン電流を流したときの安定化時間（◇）と、５μＡのソース−ドレイン電流を流したときの安定化時間（□）とを図５に示す。図５に示すように、チャネル数が１つの場合には、ソース−ドレイン電流が安定に流れるまでに約１００秒の時間を必要としたが、チャネル数を１０個または２０個に分割して並列に接続した場合には、約４０秒でソース−ドレイン電流が安定に流れるようになった。
【００２９】
このように、本発明のバイオセンサは、ＩＶ特性を損なうことなく、安定化時間が短縮された電界効果トランジスタ素子を有する。そのため、本発明のバイオセンサによれば、迅速な高感度検出が実現されうる。
【００３０】
図２Ａに示されるように、ドレイン電極１４とソース電極１５の間には、外部配線を介して、電源Ｖｄｓによってドレイン電極１４とソース電極１５との間に所定の電圧が印加され、電流計１７によってチャネル１６（１６−１〜１６−３）に流れる電流が測定される。
【００３１】
ドレイン電極１４とソース電極１５との間隔は、特に限定されないが、通常は、０．５〜１０μｍの範囲である。この間隔は、チャネルによる電極間の接続をより容易にするため、さらに縮めてもよい。ソース電極およびドレイン電極の形状および大きさは、特に限定されず、目的に応じて適宜設定すればよい。
【００３２】
チャネルは、ポリシリコンチャネルに限定されるわけではなく、例えばカーボンナノチューブチャネルであってもよい。複数のカーボンナノチューブチャネルを、ソース−ドレイン電極間に並列に配置すれば、トランジスタの安定化時間の短縮はもちろん、１チャネルでは確保できない量のソース−ドレイン電流を流すことができる。
【００３３】
本発明のバイオセンサにおけるゲート電極は、チャネルに作用することができるように配置されていればよい。チャネルに作用することができるとは、ゲート電極に印加した電圧に応じて、チャネルに流れる電流（ソース−ドレイン電流）が制御されることをいう。ゲート電極は、通常、シリコン基板の表面に配置されている。図２Ａに示されるように、ゲート電極１３は、チャネル１６（１６−１〜１６−３）が配置されたシリコン基板面とは反対の面に配置されていてもよいし；チャネル１６（１６−１〜１６−３）が配置されたシリコン基板面と同一の面に配置されていても構わない。ゲート電極の材質は導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、金、白金、チタン、アルミニウムなどの金属や、導電性プラスチックなどであればよい。
【００３４】
反応場について
本発明のバイオセンサは、半導体基板（通常はシリコン基板）に配置された反応場を有する。反応場とは、被検出物質を含みうる測定試料（通常は溶液）を提供する領域を意味する。反応場には、通常、被検出対象物に選択的に結合することができる被検出物質認識分子が固定化されている。反応場は、通常、ゲート電極が配置された面と同一の面にある。
【００３５】
被検出物質認識分子の例には、抗体や酵素、レクチンなどのタンパク質、核酸、オリゴ糖または多糖、あるいはそれらの構造を有する物質が含まれる。被検出物質認識分子を反応場に固定化することで、特定のタンパク質や化学物質などを特異的に検出することができる。
【００３６】
図６Ａおよび図６Ｂに示されるバイオセンサ（１０−１，１０−２）では、反応場２０が、ドレイン電極１４とソースドレイン電極１５の配置面とは反対のシリコン基板面に配置されている。図６Ａおよび図６Ｂに示されるように、反応場２０とゲート電極１３とは、シリコン基板１１の面の同一面に配置されることが好ましく、かつできるだけ近い位置に配置されることが好ましい。例えば、ゲート電極１３は、反応場２０を囲むように配置されてもよいし（図６Ａ参照）、反応場２０を覆うように配置されてもよい（図６Ｂ参照）。このようにすることで、反応場２０に提供された被検出物質の濃度変化に対するチャネル１６での電圧変化を大きくすることができるので、バイオセンサの測定感度を高めることができる。
【００３７】
図６Ａに示されるバイオセンサ１０−１において、反応場２０が配置された領域の酸化シリコン膜１２ａの厚さは一定であるが；反応場２０が配置された領域の酸化シリコン膜の厚さを、その周囲の酸化シリコン膜の厚さよりも薄くしてもよい。すなわち、反応場２０は凹部の内部にあってもよい。そうすることにより、試料溶液を反応場２０に効率的に留めることができるだけでなく、ゲート電極１３から基板面方向に漏れ出た電気力線を、より効率的に反応場２０を通過させることができる。また、酸化シリコン膜１２ａ上に、反応場２０を取り囲む障壁を設けても、試料溶液を反応場２０に効率的に留めることができる。
【００３８】
図６Ｂに示されるバイオセンサ１０−２では、反応場２０が凹部の内部にある。図６Ｂに示すように、酸化シリコン膜１２ａが形成された面には、ゲート電極１３に対向する反応場（ゲート酸化膜）２０と、反応場２０を取り囲む障壁部３１とが形成されている。反応場２０は、被検出物質認識分子２１を固定する機能を有する。反応場２０及び障壁部３１は、いずれも酸化シリコンにより形成されている。
【００３９】
反応場２０の酸化シリコン膜の厚さは２００ｎｍ以下とされており、実際には１〜２００ｎｍ程度（例えば、１００ｎｍ）であることが好ましい。障壁部３１の酸化シリコン膜の厚さは、反応場２０の酸化シリコン膜の厚さよりも厚く、かつ数１０００ｎｍ以下とされており、実際には２００〜１０００ｎｍ程度（例えば、６００ｎｍ）であることが好ましい。さらに、反応場２０の上面と障壁部３１の上面との差（つまり段差）は、２００〜８００ｎｍ程度（例えば、５００ｎｍ）であることが好ましい。また、実際上、反応場２０の面積は、２５ｍｍ２程度である。
【００４０】
障壁部３１は、反応場２０を完全に取り囲んでいることが好ましいが、完全に取り囲んでいなくてもよい。要は、反応場２０に提供された試料溶液の流出を規制できる程度に取り囲んでいればよい。
【００４１】
このように、図６Ｂに示されるバイオセンサ１０−２は、反応場２０を取り囲む障壁部３１を形成したことにより、反応場２０に被検出物質や被検出物質認識分子を載置した場合に、これらの物質が障壁部３１に規制されて反応場２０の面積よりも拡がることを防止できる。つまり、試料溶液が反応場２０上で拡がる面積を一定とすることができる。
【００４２】
本発明のバイオセンサによる検出フローは、まず、検出対象物を含みうるサンプルを反応場に提供して；サンプル中の検出対象物と、反応場に固定化された被検出物質認識分子とを反応させ；必要に応じてサンプル中の溶媒を除去する。その後、所定のゲート電圧を印加しつつ、ソース−ドレイン電流を測定することで、サンプル中の検出対象物の有無の判断、またはその量や濃度を測定する。このとき、本発明のバイオセンサにおける電界効果トランジスタ素子のソース−ドレイン電流が安定化するまでの時間は短いので、迅速な検出が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサは、高感度に被検出物質を検出することができ、しかも電界効果トランジスタ素子の安定化時間が短いので、迅速な検出が可能となる。そのため、電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサの実用化に寄与する。
【符号の説明】
【００４４】
１０，１０’，１０−１，１０−２  バイオセンサ
１１  シリコン基板
１２ａ，１２ｂ  酸化シリコン膜
１３  ゲート電極
１４  ドレイン電極
１５  ソース電極
１６，１６-１，１６-２，１６-３  チャネル
１７  電流計
２０  反応場
２１  被検出物質認識分子
３１  障壁部
【図１】
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【図２】
2011209182.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
2011209182.tif 000008
【図６】
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