(57)【要約】【課題】製造工程の負担を低減するとともに、デバイス毎の特性の差異を低減する電界効果トランジスタ、その製造法、及びバイオセンサを提供する。【解決手段】ソース電極３及びドレイン電極４を形成しさえすれば、その表面に自然に酸化チタン膜が形成され、ソース電極３及びドレイン電極４の表面が酸化チタン膜９により被膜されることから、従来行われてきたソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で別途覆う被膜作業が不要となり、その分だけ製造工程を簡単にでき、かくして製造工程の負担を低減できる。また、ソース電極３及びドレイン電極４に皮膜される酸化チタン膜９が空気中で自然酸化して形成されることから、酸化チタン膜９の膜厚を非常に薄く均一に形成でき、検出層７の表面にはみ出す酸化チタン膜９の膜厚がデバイス毎に一定となることで、検出層７の表面を一定の面積にでき、かくしてデバイス毎の特性の差異を低減できる。【選択図】図１
2011247795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に検出層を有する電界効果トランジスタにおいて、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、チタンからなり、前記ダイヤモンド基板上に形成され、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面には自然酸化により酸化チタン膜が形成されている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、炭化チタン層を介して、前記ダイヤモンド基板上に形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記検出層は、アミノ終端化される
ことを特徴とする請求項1又は２に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記検出層の表面には、リンカー分子がアミノ基に結合されて設けられる
ことを特徴とする請求項３に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
ダイヤモンド基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に検出層を有する電界効果トランジスタの製造方法において、
前記ダイヤモンド基板にチタン膜を形成し、前記チタン膜から所定形状でなる前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する電極形成ステップを備え、
前記電極形成ステップでは、前記チタン膜が自然酸化によって前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面に酸化チタン膜が形成される
ことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項６】
前記ソース電極及び前記ダイヤモンド基板間と、前記ドレイン電極及び前記ダイヤモンド基板間とに、炭化チタン層を形成する炭化チタン形成ステップと、
を備えることを特徴とする請求項５に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項７】
電界効果トランジスタ及び参照電極が電解質溶液に浸漬された構成を有し、前記参照電極から前記電解質溶液を介して前記電界効果トランジスタに電界が印加されることで、前記電解質溶液内の検出対象分子の検出に応じて電流が変化するバイオセンサにおいて、
前記電界効果トランジスタは、請求項１〜４の電界効果トランジスタである
ことを特徴とするバイオセンサ。
【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、その製造方法及びバイオセンサに関し、例えば、参照電極と電界効果トランジスタとを電解質溶液に浸漬させた構成を有するバイオセンサに適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、図１３に示すように、多結晶ダイヤモンドからなる基板（以下、ダイヤモンド基板と呼ぶ）101上にソース電極102及びドレイン電極103が形成された電界効果トランジスタ110と、当該電界効果トランジスタ110に対向して配置された参照電極106とを備えるバイオセンサ100が知られている（例えば、非特許文献１参照）。実際上、バイオセンサ100は、電界効果トランジスタ110上に壁部（図示せず）が設けられ、この壁部内に電解質溶液を貯留させて、この電解質溶液内に参照電極106が浸漬された構成を有する。
【０００３】
電界効果トランジスタ110は、ソース電極102及びドレイン電極103間のチャネル層（図示せず）の表面にアミノ終端化された検出層105を有しており、電解質溶液内の検出対象分子が検出層105の表面近傍に固定され得る。これにより、電界効果トランジスタ110では、参照電極106から検出層105に電界が印加されると、検出対象分子が有する電荷により、チャネル層を流れる電流量が変化し得るようになされている。
【０００４】
ここで、電界効果トランジスタ110では、ダイヤモンドの物理特性である電位窓が大きいため、検出層105の表面を電解質溶液中に暴露して用いてもリーク電流が発生しない。しかしながら、ソース電極102及びドレイン電極103は、ダイヤモンドに比較して電位窓が小さい金により形成されていることから、ソース電極102及びドレイン電極103を電解質溶液中に直接暴露すると、ソース電極102及びドレイン電極103と、参照電極106との間でリーク電流が生じてしまうという問題があった。
【０００５】
そこで、そのような問題点を解決するために、従来の電界効果トランジスタ110では、ソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107によって覆い、これらソース電極102及びドレイン電極103が電解質溶液中に直接暴露されることが防止されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S.Kuga, J.H.Yang, H.Takahashi, K.Hirama, T.Iwasaki and H.Kawarada, “Detection of Mismatched DNA on Partially Negatively Charged Diamond Surfaces by Optical and Potentiometric Methods”, Am.Chem.Soc, Vol.130, pp.13251-13263, September 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、かかる構成でなる電界効果トランジスタ110では、ソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で覆う製造工程が必要となることから、製造工程が複雑化し、その分だけ製造コストが増大するという問題があった。
【０００８】
また、このような電界効果トランジスタ110では、絶縁性エポキシ樹脂107をソース電極102及びドレイン電極103に塗布する際、検出層105にまで絶縁性エポキシ樹脂107がはみ出す虞もあり、この場合、電解質溶液中に露出する検出層105の面積が電界効果トランジスタ110毎に異なってしまうため、品質の均一化が図れないという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、製造コストを低減できるとともに、品質を均一化し得る電界効果トランジスタ、その製造法及びバイオセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の請求項１では、ダイヤモンド基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に検出層を有する電界効果トランジスタにおいて、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、チタンからなり、前記ダイヤモンド基板上に形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面には自然酸化により酸化チタン膜が形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項２では、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、炭化チタン層を介して、前記ダイヤモンド基板上に形成されることを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項３では、前記検出層は、アミノ終端化されることを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項４では、前記検出層の表面には、リンカー分子がアミノ基に結合されて設けられることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項５では、ダイヤモンド基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に検出層を有する電界効果トランジスタの製造方法において、前記ダイヤモンド基板にチタン膜を形成し、前記チタン膜から所定形状でなる前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する電極形成ステップを備え、前記電極形成ステップでは、前記チタン膜が自然酸化によって前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面に酸化チタン膜が形成されることを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項６では、前記ソース電極及び前記ダイヤモンド基板間と、前記ドレイン電極及び前記ダイヤモンド基板間とに、炭化チタン層を形成する炭化チタン形成ステップと、を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
また、請求項７では、電界効果トランジスタ及び参照電極が電解質溶液に浸漬された構成を有し、前記参照電極から前記電解質溶液を介して前記電界効果トランジスタに電界が印加されることで、前記電解質溶液内の検出対象分子の検出に応じて電流が変化するバイオセンサにおいて、前記電界効果トランジスタは、請求項１〜４の電界効果トランジスタであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の請求項１及び請求項５によれば、ソース電極及びドレイン電極をチタンで形成し、これらソース電極及びドレイン電極を自然酸化させることにより酸化チタン膜を形成して、当該ソース電極及びドレイン電極の表面を酸化チタン膜で被覆するようにしたことにより、従来行われていたソース電極及びドレイン電極を絶縁性エポキシ樹脂で覆う工程を省くことができ、その分だけ製造コストを低減し得る。また、ソース電極及びドレイン電極自体が自然酸化し、それら表面に自然に酸化チタン膜が形成されることから、従来のように検出層にまで絶縁性エポキシ樹脂がはみ出す虞もなく、ソース電極及びドレイン電極だけを酸化チタン膜で確実に被覆させることができ、かくして品質の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の電界効果トランジスタを用いたバイオセンサの全体構成と、図１（Ａ）のＡ−Ａ´部分の側断面構成とを示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明（１）に供する概略図である。
【図３】第１の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明（２）に供する概略図である。
【図４】第１の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明（３）に供する概略図である。
【図５】第１の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明（４）に供する概略図である。
【図６】第１の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明（５）に供する概略図である。
【図７】第１の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明（６）に供する概略図である。
【図８】本発明の電界効果トランジスタを実際に使用する場合の形態を示す斜視図である。
【図９】第１の実施の形態における電界効果トランジスタを用いたバイオセンサのIDS-VGS特性及びIDS-VDS特性を示すグラフである。
【図１０】第１の実施の形態における電界効果トランジスタを用いたバイオセンサにより、プローブＤＮＡと検出対象ＤＮＡとのハイブリダイゼーションを検出したことを示すグラフである。
【図１１】第２の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程に供する概略図である。
【図１２】第２の実施の形態における電界効果トランジスタを用いたバイオセンサのIDS-VGS特性及びIDS-VDS特性を示すグラフである。
【図１３】従来の電界効果トランジスタを用いたバイオセンサの全体構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。
【００２０】
（１）バイオセンサの全体構成
図１（Ａ）において、１は本発明によるバイオセンサを示し、ダイヤモンド基板２上にソース電極３及びドレイン電極４を有する電界効果トランジスタ11と、電界効果トランジスタ11に対向して配置された参照電極５とを備えている。このバイオセンサ１は、電界効果トランジスタ11のソース電極３及びドレイン電極４が壁部（図示せず）で取り囲まれており、その壁部で囲まれた領域に、電解質溶液が貯留され、当該電解質溶液内に参照電極５を浸漬させた構成を有する。
【００２１】
ソース電極３及びドレイン電極４間には、ダイヤモンド基板２内にチャネル層（図示せず）が形成されているとともに、チャネル層の表面（以下、単にチャネル層表面と呼ぶ）６にアミノ基によりアミノ終端化された検出層７が設けられている。なお、ダイヤモンド基板２は、ソース電極３、ドレイン電極４及び検出層７以外の領域が酸素終端化されており、絶縁性である酸素終端化層22が形成されている。
【００２２】
検出層７は、リンカー分子としてのアプタマー８がアミノ基に結合しており、電解質溶液中に存在する検出対象分子が、アプタマー８と結合し得るようになされている。なお、リンカー分子には、ＤＮＡのカルボキシル基を用いてもよい。これにより、検出層７は、参照電極５から検出層７に電界が印加されている状態で、検出対象分子がアプタマー８と結合すると、検出対象分子から発生する電荷により、チャネル層において電流量を変化させ得る。
【００２３】
かかる構成に加えて、ソース電極３及びドレイン電極４は、チタンから形成され、その表面全体が酸化チタン膜９により被膜されている。なお、酸化チタンは、非常に安定した物質であって、強い耐食性を有し、その膜質が均質で緻密である。
【００２４】
また、図１（Ａ）のＡ−Ａ´部分の断面構成を示す図１（Ｂ）に示すように、ソース電極３及びドレイン電極４は、炭化チタン層10を介在させてダイヤモンド基板２上に接合されており、当該炭化チタン層10によって、ダイヤモンド基板２及びソース電極３間と、ダイヤモンド基板２及びドレイン電極４間とにおいてオーミックな接触が図られている。
【００２５】
このように、これらソース電極３及びドレイン電極４は、その表面が自然酸化により形成された酸化チタン膜９で被膜されていることから、電解質溶液中に浸漬されても、ソース電極３及びドレイン電極４自体が電解質溶液中に直接露出することが防止されている。かくして、ソース電極３及びドレイン電極４は、参照電極５に電圧が印加されても、参照電極５へのリーク電流の発生を防止し得るようになされている。
【００２６】
（２）電界効果トランジスタの製造方法
次に、上述した電界効果トランジスタ11の製造方法について、以下説明する。先ず、表面全体が水素終端化されたダイヤモンド基板２を用意し、オゾン雰囲気の反応炉（図示せず）内でこのダイヤモンド基板２に対して紫外線（ＵＶ）を照射する。これにより、図２（Ａ）と、図２（Ｂ）と、図２（Ｂ）のＢ−Ｂ´部分の断面構成を示す図２（Ｃ）のように、ダイヤモンド基板２には、その表面に酸素終端化した酸素終端化層22が形成され得る。
【００２７】
なお、この実施の形態の場合、ダイヤモンド基板２の表面に酸素終端化層22を形成する酸素終端化処理は、反応炉内に窒素を５分程度導入し、反応炉内の反応性ガスである酸素を置換して、その後、酸素を反応炉内に10分程度導入し、室温でダイヤモンド基板２の表面に紫外線を３時間程度照射することにより行われる。
【００２８】
因みに、酸素終端化処理では、紫外線として、極短波長の光（184.9nm）と短波長の光（253.7nm）との２種類を同時にダイヤモンド基板２の表面に照射している。極短波長の光（184.9nm）は、酸素と反応することでオゾンを発生させるものである。もう一方の短波長の光（253.7nm）は、化学結合解離効果を有している。これら２種類の紫外線は、組み合わされることにより、反応室内で酸素からオゾンを発生させ、ダイヤモンド基板２の表面における炭素と水素との結合を、炭素と酸素との結合に置換し、酸素終端化層22を形成し得る。
【００２９】
次いで、電極形成ステップについて説明する。ここでは、ＥＢ（Electron Beam）蒸着装置を用いて、所定時間、チタンを酸素終端化層22に蒸着させることにより、図３（Ａ）と、図３（Ｂ）と、図３（Ｂ）のＣ−Ｃ´部分の断面構成を示す図３（Ｃ）のように、膜厚が例えば約100nm等のチタン膜23を酸素終端化層22に成膜する。
【００３０】
ここで、チタン膜23は、例えばダイヤモンド基板２がＥＢ蒸着装置から取り出されて、その表面が外気と接触すると、直ちに自然酸化し始め、外部に露出した表面に酸化チタン膜９が形成され得る。
【００３１】
次いで、全面にレジスト（図示せず）を形成し、微細加工が可能なＥＢリソグラフィー処理を当該レジストに施して、チタン膜23にマスクを形成した後、アルカリ性溶剤と、過酸化水素系の溶剤と、例えば水酸化アンモニウム（NH4OH）と過酸化水素（H2O2）との水溶液などのエッチング剤とを混合した溶液をエッチング溶液として用い、エッチング処理を行う。かくして、このエッチング処理によって、図４（Ａ）と、図４（Ｂ）と、図４（Ｂ）のＤ−Ｄ´部分の断面構成を示す図４（Ｃ）のように、長方形状に形成されたソース電極３及びドレイン電極４がチタン膜23から形成され得る。
【００３２】
このとき、ソース電極３及びドレイン電極４は、エッチング処理によりチタン膜23の一部が除去され、新たに側面が形成されると、当該側面が外気と接触すると同時に自然酸化し始める。これにより、ソース電極３及びドレイン電極４には、上部表面と同様に側面にも酸化チタン膜９が形成され、表面全体が酸化チタン膜９で被膜された構成となり得る。
【００３３】
次いで、炭化チタン形成ステップを説明する。ここでは、ソース電極３及びドレイン電極４が形成されたダイヤモンド基板２に対し、水素雰囲気中でアニール処理（水素流量100sccm、基板温度600℃、圧力30Torr、処理時間30分）を施し、ソース電極３及びドレイン電極４のチタンと、ダイヤモンド基板２の炭素とを反応させ、これらソース電極３及びダイヤモンド基板２の界面と、ドレイン電極４及びダイヤモンド基板２の界面とに炭化チタン層10をそれぞれ形成させ得る。これにより、ソース電極３及びドレイン電極４は、ダイヤモンド基板２とオーミックな接触が取れるように形成されている。
【００３４】
その後、図５（Ａ）と、図５（Ｂ）と、図５（Ｂ）のＥ−Ｅ´部分の断面構成を示す図５（Ｃ）のように、ダイヤモンド基板２の表面は、先端放電型ラジカルＣＶＤを用いて、酸素終端化層22に水素終端化処理を施し、水素終端化層22aを形成する。
【００３５】
因みに、この水素終端化処理では、例えば水素流量100sccm、基板ホルダー及びプラズマ固定アンテナ間の距離50mm、マイクロ波出力60W、基板温度600℃、圧力20Torr、及び処理時間30分の条件で行われる。このような条件にすることにより、この水素終端化処理では、イオン等の高エネルギー粒子がダイヤモンド基板２に到達せずに、ラジカルのみがダイヤモンド基板２に照射されるリモートプラズマ条件が実現され、ダイヤモンド基板２の表面を水素終端化させる。
【００３６】
そして、この水素終端化処理では、上述したリモートプラズマ条件を実現することにより、プラズマ27によるダイヤモンド基板２の加熱が抑止され得る。かくして、この水素終端化処理では、ダイヤモンド基板２の温度制御が基板ホルダーのヒーターのみで可能となり、ダイヤモンド基板２の水素終端化層22aの形成を、チタン（ソース電極３及びドレイン電極４）が融解しない温度で実行し得る。
【００３７】
次いで、図６（Ａ）と、図６（Ｂ）と、図６（Ｂ）のＦ−Ｆ´部分の断面構成を示す図６（Ｃ）に示すように、チャネル層表面６と、当該チャネル層表面６に隣接するソース電極３及びドレイン電極４上の酸化チタン膜９の一部とに、レジスト24が形成された後、上述した酸素終端化処理が施される。
【００３８】
これにより、ダイヤモンド基板２の表面は、レジスト24で覆われていない外部に露出した領域に酸素終端化層22が形成され、チャネル層表面６上の水素終端化層22aと、酸素終端化層22とに素子分離される。
【００３９】
因みに、ソース電極３及びドレイン電極４は、チャネル層表面６に隣接する一部領域のみがレジスト24で覆われており、その状態で酸素雰囲気中、紫外線が照射されることから、当該レジスト24で覆われていない外部に露出した領域では酸化が促進され得る。
【００４０】
次いで、チャネル層表面６と、当該チャネル層表面６に隣接するソース電極３及びドレイン電極４上の酸化チタン膜９の一部とを覆っているレジスト24を、レジスト剥離液を用いて除去し、図７（Ａ）と、図７（Ｂ）と、図７（Ｂ）のＧ−Ｇ´部分の断面構成を示す図７（Ｃ）に示すような電界効果トランジスタ11となる。なお、図７（Ａ）及び（Ｂ）において9aは、レジスト24で覆われていた領域を示している。
【００４１】
次いで、反応炉内に窒素を５分程度導入し、反応炉内の反応性ガスであるアンモニアガス（99.9%）を置換して、その後、アンモニアガスを反応炉内に100ml/minでフローさせ、室温で水素終端化層22aを紫外線で３時間程度照射することにより、チャネル層表面６上の水素終端化層22aをアミノ終端化して検出層７を形成して、電界効果トランジスタ11を製造し得る。
【００４２】
因みに、電界効果トランジスタ11は、電解質溶液中でバイオセンサとして実際に使用する場合、ソース電極３及びドレイン電極４間に電圧を印加するための配線がソース電極３及びドレイン電極４に設けられる。そのため、ソース電極３及びドレイン電極４には、配線を接合させる領域が形成されている。但し、図２〜図７に示す電界効果トランジスタ11では、ソース電極３及びドレイン電極４が自然酸化して酸化チタンが形成される点に着目して説明しているために、ソース電極３及びドレイン電極４を単なる長方形状とし、ソース電極３及びドレイン電極４に配線を接合する工程の説明については省略している。
【００４３】
そこで、実際にソース電極３及びドレイン電極４に対して配線を接合させた電界効果トランジスタを図８に示す。図８に示すように、電界効果トランジスタ31は、ソース電極３及びドレイン電極４がそれぞれＬ字形状に形成されている。ソース電極３には、一端部に検出層７の長手方向と直交する方向に延びた配線接合部32が形成されている。また、ドレイン電極４には、一端部に検出層７の長手方向と直交する方向に延び、かつ、ソース電極３の配線接合部32と逆方向に延びた配線接合部33が形成されている。
【００４４】
そして、これら配線接合部32,33には、配線部32a,33aがそれぞれ設けられており、当該配線部32a,33aに配線36が伝導性樹脂34（伝導エポキシ樹脂又は銀ペースト）で電気的に接続されている。また、配線接合部32,33には、絶縁性エポキシ樹脂35が配線部32a，33aを覆うように塗布されており、参照電極５とともに電解質溶液に浸漬させたとき、伝導性樹脂34からのリーク電流の発生を防止し得るようになされている。
【００４５】
ここでは、このようにして製造した電界効果トランジスタ31を、参照電極５とともに電解質溶液に浸漬させ、電界効果トランジスタ31の動作状況について検証した。具体的には、ソース電極３及びドレイン電極４間に流れるドレイン電流ＩDS（μA/mm）と、参照電極５に印加するゲート電圧ＶGSとを測定したところ、図９（Ａ）に示すような結果が得られた。
【００４６】
図９（Ａ）では、横軸にゲート電圧ＶGS（単位：Ｖ）を示し、縦軸にドレイン電流ＩDS（単位：μA/mm）を示している。図９（Ａ）は、ドレイン電圧ＶDSを-0.1Ｖに設定し、ゲート電圧ＶGSを0.2〜-0.6Ｖまで変化させた。その結果、ゲート電圧ＶGSが増加すると、ドレイン電流ＩDSは、増加することが分かった。
【００４７】
また、ソース電極３及びドレイン電極４間に流れるドレイン電流ＩDS（μA/mm）と、ソース電極３及びドレイン電極４間のドレイン電圧ＶDSとを測定したところ、図９（Ｂ）に示すような結果が得られた。
【００４８】
また、図９（Ｂ）では、横軸にドレイン電圧ＶDS（単位：Ｖ）を示し、縦軸にドレイン電流ＩDS（単位：μA/mm）を示している。図９（Ｂ）は、ゲート電圧ＶGSを-0.3,-0.4,-0.5Ｖに設定し、ドレイン電圧ＶDSを０〜-0.6Ｖに変化させた。その結果、いずれのゲート電圧ＶGSでも、ドレイン電圧ＶDSが増加すると、ドレイン電流ＩDSも増加することが分かった。
【００４９】
これら図９（Ａ）及び（Ｂ）から、この電界効果トランジスタ31では、ドレインバイアス、ゲートバイアスともに０Ｖ〜−0.8Ｖの範囲で、酸化チタン膜９により、リーク電流の発生を抑制できることが確認できた。
【００５０】
また、リンカー分子であるプローブＤＮＡをアミノ終端化された検出層７に固定した電界効果トランジスタ31を用いたバイオセンサを電解質溶液に浸漬して、このプローブＤＮＡと相補的な検出対象ＤＮＡとをハイブリダイゼーションさせた場合における当該バイオセンサの動作状況について検証した。具体的には、ソース電極３及びドレイン電極４間に流れるドレイン電流ＩDS（μA）と、参照電極５に印加するゲート電圧ＶGSとを測定したところ、図１０に示すような結果が得られた。
【００５１】
図１０では、横軸にゲート電圧ＶGS（単位：Ｖ）を示し、縦軸にドレイン電流ＩDS（単位：μA）を示し、ａはプローブＤＮＡと相補的な検出対象ＤＮＡとがハイブリダイゼーションした際におけるバイオセンサの測定結果を、ｂはプローブＤＮＡと相補的な検出対象ＤＮＡとがハイブリダイゼーションする前におけるバイオセンサの測定結果を示している。これにより、図１０は、リンカー分子と検出対象分子とが結合することで、検出対象分子が有する電荷により検出層の電荷量が変化したことで、ｂからａに23.5mvシフトしており、その結果、ゲート電圧に対するドレイン電流が変化したことが分かる。
【００５２】
従って、アミノ終端化された検出層を有するバイオセンサは、リンカー分子と結合する特定の検出対象分子を検出し得ることが確認できた。
【００５３】
（３）動作及び効果
以上の構成において、電界効果トランジスタ11では、チタンからなるチタン膜23をダイヤモンド基板２上に形成し、当該チタン膜23を外気と接触させることで、チタン膜23の表面を自然酸化させ、チタン膜23の表面に酸化チタン膜９を形成させる。
【００５４】
また、電界効果トランジスタ11では、ＥＢリソグラフィー処理をチタン膜23に施し、当該チタン膜23をエッチング処理して、ソース電極３及びドレイン電極４を形成した際、新たに外部に露出したソース電極３及びドレイン電極４の側面も自然酸化させ、ソース電極３及びドレイン電極４の側面にも酸化チタン膜９を形成させる。これにより、電界効果トランジスタ11では、ソース電極３及びドレイン電極４の表面全体を酸化チタン膜９で被膜させることができる。
【００５５】
かくして、電界効果トランジスタ11では、ソース電極３及びドレイン電極４の周囲が壁部で囲まれ、壁部で囲まれた領域内に電解質溶液が貯留されて、ソース電極３及びドレイン電極４が電解質溶液内に浸漬しても、ソース電極３及びドレイン電極４の表面全体が酸化チタン膜で被覆されていることから、ソース電極３及びドレイン電極４から参照電極５へのリーク電流の発生を確実に防止できる。
【００５６】
また、電界効果トランジスタ11では、ソース電極３及びドレイン電極４自体が自然酸化することにより酸化チタン膜９が形成されることから、ソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で覆う従来の電界効果トランジスタ100よりも、当該絶縁性エポキシ樹脂107をソース電極102及びドレイン電極103に設けない分だけ、薄型化できる。
【００５７】
さらに、電界効果トランジスタ11では、ソース電極３及びドレイン電極４の自然酸化が、室温で酸素濃度が一定である空気中で行われることから、ソース電極３及びドレイン電極４の表面全体に膜厚が均一な酸化チタン膜９を形成できる。
【００５８】
また、電界効果トランジスタ11では、ソース電極３及びドレイン電極４自体が自然酸化してソース電極３及びドレイン電極４の表面全体に均一な膜厚の酸化チタン膜９が形成されることから、従来の電界効果トランジスタ100のようにソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で覆うことにより生じていた絶縁性エポキシ樹脂107の検出層７の表面への不均一なはみ出しを防止できる。
【００５９】
以上の構成によれば、電界効果トランジスタ11では、ソース電極３及びドレイン電極４を形成しさえすれば、その表面に自然に酸化チタン膜が形成され、これらソース電極３及びドレイン電極４の表面を酸化チタン膜９で被膜させることができ、かくして、従来行われてきたソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で別途覆う作業が不要となり、その分だけ製造時の負担を低減できる。
【００６０】
また、電界効果トランジスタ11では、ソース電極３及びドレイン電極４自体が自然酸化し、それら表面に自然に酸化チタン膜９が形成されることから、均一な膜厚の酸化チタン膜９でソース電極３及びドレイン電極４を被覆でき、従来の電界効果トランジスタ100のようにソース電極102及びドレイン電極103を覆っていた絶縁性エポキシ樹脂107が検出層７の表面へ不均一にはみ出す虞もなく、品質の均一化を図ることができる。
【００６１】
（４）第２の実施の形態
図１１（Ａ）〜（Ｆ）は、第２の実施の形態による電界効果トランジスタ及びその製造方法を示す。図１１（Ｆ）において、41は第２の実施の形態による電界効果トランジスタを示し、上述した第１の実施の形態とは、ソース電極３及びドレイン電極４を形成するまでの製造方法が相違している。
【００６２】
この場合、図１１（Ａ）に示すように、先ずダイヤモンド基板２を用意して、上述した第１の実施の形態における酸素終端化処理により、ダイヤモンド基板２の表面を酸素終端化し、酸素終端化層22を形成する。その後、図１１（Ｂ）に示すように、酸素終端化層22の表面にチタンを蒸着させてチタン膜23を形成する。チタン膜23は、その表面が外気と接触すると、直ちに自然酸化し始める。これにより、チタン膜23の表面には、自然酸化によって、酸化チタン膜９が形成され得る。
【００６３】
次いで、直方形状のレジストにより酸化チタン膜９をマスクした後、チタン膜23及び酸化チタン膜９をエッチング処理することで、図１１（Ｃ）に示すような直方形状の電極形成部25を形成する。電極形成部25は、エッチング処理により形成された側面が外気と接触すると、その側面が直ちに自然酸化し始める。これにより、電極形成部25の全面には、自然酸化によって、酸化チタン膜９が形成され得る。
【００６４】
次いで、図１１（Ｄ）に示すように、電極形成部25をマスクとして用いてアルゴンイオンの照射を行い、酸素終端化層22にアルゴンイオンを打ち込んでアルゴン含有酸素終端化層22bを形成する。このアルゴン含有酸素終端化層22bは、酸素終端化層22と同様に絶縁性を有している。
【００６５】
次いで、所定形状のレジストで電極形成部25をマスクし、電極形成部25をエッチング処理して、図１１（Ｅ）に示すように、電極形成部25の一部を除去して帯状の酸素終端化層22を形成するとともに、ソース電極３及びドレイン電極４を形成する。ソース電極３及びドレイン電極４は、新たに形成された側面が外気と接触すると、直ちに自然酸化し始める。これにより、ソース電極３及びドレイン電極４には、表面全体に酸化チタン膜９が形成され得る。
【００６６】
次いで、上述した第１の実施の形態におけるアニール処理と同様に、水素雰囲気中でダイヤモンド基板２をアニール処理し、ソース電極３及びダイヤモンド基板２間と、ドレイン電極４及びダイヤモンド基板２間とに、それぞれ炭化チタン層10を形成する。その後、水素終端化処理では、第１の実施の形態における水素終端化処理と同様にして、酸素終端化層22を水素終端化させ、図１１（Ｆ）に示すように、ゲート幅Ｋと電極長Ｌとが等しく形成された水素終端化層22aを形成する。
【００６７】
因みに、この実施の形態の場合、アルゴン含有酸素終端化層22bには、アルゴンイオンが照射されていることから、水素終端化処理を行っても水素終端化されず、水素終端化層22aが形成されない。
【００６８】
このようにして製造された電界効果トランジスタ41では、参照電極５とともに電解質溶液に浸漬させて、ソース電極３及びドレイン電極４間に流れるドレイン電流ＩDS（μA）と、参照電極５に印加するゲート電圧ＶGSと、ソース電極３及びドレイン電極４間の電圧であるドレイン電圧ＶDSとを測定し、図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すようなＩDS−ＶGS特性及びＩDS−ＶDS特性を得ることができた。
【００６９】
図１２（Ａ）では、横軸にゲート電圧ＶDS（単位：Ｖ）を示し、縦軸にドレイン電流ＩDS（単位：μA）を示している。図１２（Ａ）は、ドレイン電圧ＶDSを-0.1Ｖに設定し、ゲート電圧ＶGSを0.2〜-0.6Ｖまで変化させた。その結果、ゲート電圧ＶGSが増加すると、ドレイン電流ＩDSは、増加することが分かった。
【００７０】
また、図１２（Ｂ）では、横軸にドレイン電圧ＶDS（単位：Ｖ）を示し、縦軸にドレイン電流ＩDS（単位：μA）を示している。図１２（Ｂ）は、ゲート電圧ＶGSを-0.3,-0.4,-0.5Ｖと設定し、ドレイン電圧ＶDSを０〜-0.6Ｖで変化させた。その結果、設定したどのゲート電圧ＶGSでも、ドレイン電圧ＶDSが増加すると、ドレイン電流ＩDSは、増加することが分かった。
【００７１】
これら図１２（Ａ）及び（Ｂ）から、この電界効果トランジスタ41は、ドレインバイアス、ゲートバイアスともに０Ｖ〜−0.8Ｖの範囲で、酸化チタン膜９によりリーク電流の発生を抑制し得ることが確認できた。
【００７２】
また、電界効果トランジスタ41では、製造過程で電極形成部25に対してもアルゴンイオンが照射されているが、当該アルゴンイオンが酸化チタン膜９に損傷を与えたり、ダイヤモンド基板２まで貫通していたりしていないことが確認できた。
【００７３】
このように、この電界効果トランジスタ41は、第１の実施の形態と異なる製造方法で作製したものであるが、電界効果トランジスタ31と同様に動作することも確認できた。
【００７４】
以上の構成において、上述したような製造方法によってソース電極３及びドレイン電極４を形成しても、これらソース電極３及びドレイン電極４の表面全体を酸化チタン膜９で被覆させることができ、かくして、従来行われてきたソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で別途覆う作業が不要となり、その分だけ製造時の負担を低減できる。
【００７５】
また、この第２の実施の形態による製造方法でも、ソース電極３及びドレイン電極４自体が自然酸化し、それら表面に自然に酸化チタン膜９が形成されることから、均一な膜厚の酸化チタン膜９でソース電極３及びドレイン電極４を被覆でき、従来の電界効果トランジスタ100のようにソース電極102及びドレイン電極103を覆っていた絶縁性エポキシ樹脂107が検出層７の表面へ不均一にはみ出す虞もなく、品質の均一化を図ることができる。
【００７６】
また、電界効果トランジスタ41では、ゲート幅Ｋと電極長Ｌとを等しく形成できることから、第１の実施の形態の電界効果トランジスタ11に比べて、ゲート幅Ｋを大きくなり、その分だけドレイン電流を大きくでき、かくして第１の実施の形態の電界効果トランジスタ11よりも検出の感度を向上できる。
【００７７】
（５）他の実施の形態
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した第１の実施の形態においては、微細加工に適したＥＢリソグラフィー処理によりソース電極３及びドレイン電極４をチタン膜23から微細に形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、微細加工に適していないが作業工程が簡易なフォトリソグラフィーにより、ソース電極及びドレイン電極をチタン膜23から形成するようにしてもよい。
【００７８】
また、上述した第１の実施の形態においては、ダイヤモンド基板２を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばシリコン等からなる基板と、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により基板上に成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜とからなるダイヤモンド基板を適用してもよい。
【００７９】
また、上述した第１の実施の形態においては、目的のパターンをエッチング処理して、ソース電極３及びドレイン電極４をチタン膜23から形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、リフトオフ（レジストで作ったパターンに金属を蒸着して，レジストを除去後，レジストしなかった部分にだけ金属のパターンが残る手法）により、ソース電極３及びドレイン電極４をチタン膜23から形成するようにしてもよい。
【００８０】
また、上述した第１の実施の形態においては、アミノ終端化された検出層７にリンカー分子を固定する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば水素終端化層22a自体を検出層７として用いたり、リンカー分子を固定せずにアミノ終端化された検出層７自体を用いたりしてもよい。
【００８１】
また、上述した第１の実施の形態においては、ソース電極３及びドレイン電極４とダイヤモンド基板２間でオーミックな接触を得るために、ソース電極３及びドレイン電極４とダイヤモンド基板２間の界面に炭化チタン層10を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ソース電極３及びドレイン電極４とダイヤモンド基板２間の界面に炭化タンタル（TaC）、炭化タングステン（WC）又は炭化モリブデン（MoC）等を形成して、ソース電極３及びドレイン電極４とダイヤモンド基板２間でオーミックな接触を得るようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１      バイオセンサ
２      ダイヤモンド基板
３,32      ソース電極
４,33      ドレイン電極
５      参照電極
７      検出層
８      アプタマー（リンカー分子）
９      酸化チタン膜
10      炭化チタン層
25      電極形成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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