(57)【要約】  本発明者らは、半導体／金属界面を有する金属半導体ハイブリッド（ＭＳＨ）構造において、異常光コンダクタンス（ＥＯＣ）現象、および好ましくは逆ＥＯＣ（Ｉ−ＥＯＣ）現象に基づいて室温で機能する、好ましくはナノスケール寸法の、新規な高性能光学センサを開示する。このような設計は、ベア半導体によって示されることのない、効率的な光子検知を示す。例示的実施形態を用いる実験において、ヘリウム−ネオンレーザ放射を用いる超高空間分解能４点光コンダクタンス測定は、２５０ｎｍ装置について、観測された最大測定値が９４６０％という、著しく大きい光コンダクタンス性能を明らかにした。このような例示的ＥＯＣ装置はまた、６３２ｎｍ照射で５．０６×１０１１ｃｍ√Ｈｚ／Ｗよりも高い固有検出能、および４０ｄＢの高い動的応答を実証しており、このようなセンサを広範囲な実際的応用に対して技術的に優位にする。
2013516794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置であって、
半導体層と、
半導体層の表面に位置し、それによって半導体／金属界面を定義する金属シャントであって、半導体層表面の一部は金属シャントによって被覆されず、半導体層および金属シャントは実質的平行面に存在するが共平面ではない、金属シャントとを含み、
半導体／金属界面は、光学摂動によって摂動されている半導体／金属界面に応えてその抵抗の変化を呈するように構成されている、装置。
【請求項２】
装置が、光学摂動に対する逆異常光コンダクタンス（Ｉ−ＥＯＣ）応答を呈するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
半導体／金属界面はショットキー障壁界面として構成されている、請求項１から２のいずれかに記載の装置。
【請求項４】
装置が、光学摂動に応えて、半導体／金属界面を横断する概弾道的キャリア流から半導体／金属界面を横断する概拡散キャリア流に遷移するように構成されている、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
半導体層と接触する複数のリード線をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
リード線が、
半導体層と接触する少なくとも２本のオーミック電流リード線と、
半導体層と接触する少なくとも２本のオーミック電圧リード線と、を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
金属シャントと接触するリード線をさらに含む、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
電流および電圧リード線が半導体層の一部にのみ接触するように、電流および電圧リード線と半導体層との間に設けられた絶縁層をさらに含む、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
金属シャントが、ナノスケール長およびナノスケール幅を有する、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
リード線と金属シャントとの間に、半導体層の活性層の平均自由行程と同程度の間隔ができるように、リード線が半導体層と接触するように位置決めされている、請求項５から９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
間隔がおよそ５０ｎｍである、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
間隔がおよそ１ｎｍからおよそ１０００ｎｍの範囲内のいずれかの値である、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
半導体層が、金属シャントのナノスケール長およびナノスケール幅よりも大きいナノスケール長およびナノスケール幅を有する、請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
その上に半導体層が位置する基板をさらに含み、金属シャントは基板と接触していない、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
金属シャントが、異なる金属タイプの第一金属層および第二金属層を含む、請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
半導体層が、その上に金属シャントが位置するメサ部を含む、請求項１から１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
メサが、ドープ半導体エピタキシャル層を含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
半導体層が、非ドープ半導体エピタキシャル層を含む、請求項１から１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
金属シャントおよび半導体層の露出面を被覆する絶縁層をさらに含む、請求項１から１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
半導体／金属界面が、電場摂動によって摂動されている半導体／金属界面に応えてその抵抗の変化を呈するように構成されている、請求項１から１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
装置が、電場摂動に応えて異常電気コンダクタンス（ＥＥＣ）を呈するように構成されている、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
（１）抵抗変化を表す信号を受信し、（２）受信信号に基づいて画像データを生成するように構成された受信器エレクトロニクスをさらに含む、請求項１から２１のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
半導体／金属界面がさらに、異常電気コンダクタンス（ＥＥＣ）応答に対応する電場摂動によって摂動されている半導体／金属界面に応えてその抵抗の変化を呈するように構成されており、受信器エレクトロニクスはさらに、装置の光学応答および電場応答を表す異なる画像データ集合を生成するために、装置が光学摂動によって摂動されているときおよびされていないときに、受信信号をサンプリングするように構成されている、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
受信器エレクトロニクスと通信するアレイをさらに含み、アレイは複数の光学センサを含み、少なくとも複数の光学センサの各々は半導体層、金属シャント、および半導体／金属界面を含み、受信器エレクトロニクスはさらに、光学センサの光学摂動に応えて光学センサからの受信信号に基づいて画像データを生成するように構成されている、請求項２２から２３のいずれかに記載の装置。
【請求項２５】
方法であって、
センサによって異常電気コンダクタンス（ＥＯＣ）効果を生じるために光子を用いてセンサを摂動するステップを含み、センサは（１）半導体層と、（２）半導体層の表面に位置し、それによって半導体／金属界面を定義する金属シャントと、を含み、半導体層表面の一部は金属シャントによって被覆されず、半導体層および金属シャントは実質的平行面に存在するが共平面ではなく、半導体／金属界面は、摂動ステップに応えてＥＯＣ効果に対応する抵抗の変化を呈するように構成されている、方法。
【請求項２６】
発生したＥＯＣ効果に応えて画像を生成するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
ＥＯＣ効果がＩ−ＥＯＣ効果を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
センサによって異常電気コンダクタンス（ＥＥＣ）効果を生じるために電荷を用いてセンサを摂動するステップをさらに含む、請求項２５から２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
発生したＥＯＣ効果に応えて画像を生成するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
光子摂動ステップおよび電荷摂動ステップを同時に実行するステップをさらに含む、請求項２８から２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
光子摂動ステップおよび電荷摂動ステップをほぼ同時に実行するステップをさらに含む、請求項２８から２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３２】
室温で方法を実行するステップをさらに含む、請求項２５から３１のいずれかに記載の方法。
【請求項３３】
半導体／金属界面がショットキー障壁界面として構成されている、請求項２５から３２のいずれかに記載の方法。
【請求項３４】
センサが、摂動ステップに応えて、半導体／金属界面を横断する概弾道的キャリア流から半導体／金属界面を横断する概拡散キャリア流に遷移するように構成されている、請求項２５から３３のいずれかに記載の方法。
【請求項３５】
金属シャントがナノスケール長およびナノスケール幅を有する、請求項２５から３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
半導体層が、金属シャントのナノスケール長およびナノスケール幅よりも大きいナノスケール長およびナノスケール幅を有する、請求項２５から３５のいずれかに記載の方法。
【請求項３７】
金属シャントが、異なる金属タイプの第一金属層および第二金属層を含む、請求項２５から３６のいずれかに記載の方法。
【請求項３８】
半導体層が、その上に金属シャントが位置するメサ部を含む、請求項２５から３７のいずれかに記載の方法。
【請求項３９】
メサが、ドープ半導体エピタキシャル層を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
半導体層が、非ドープ半導体エピタキシャル層を含む、請求項２５から３９のいずれかに記載の方法。
【請求項４１】
センサが、金属シャントおよび半導体層の露出面を被覆する絶縁層をさらに含む、請求項２５から４０のいずれかに記載の方法。
【請求項４２】
センサが、アレイを形成する複数のセンサを含む、請求項２５から４１のいずれかに記載の方法。
【請求項４３】
アレイが複数の個別アドレス指定可能画素を含み、各画素はそれぞれ異なるセンサに対応している、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
発生したＥＯＣ効果に応えてマルチ画素画像を生成するステップをさらに含む、請求項４２から４３のいずれかに記載の方法。
【請求項４５】
ＥＯＣ効果がＩ−ＥＯＣ効果を含む、請求項４２から４４のいずれかに記載の方法。
【請求項４６】
センサによって異常電気コンダクタンス（ＥＥＣ）効果を生じるために電荷を用いてアレイを摂動するステップをさらに含む、請求項４２から４６のいずれかに記載の方法。
【請求項４７】
発生したＥＥＣ効果に応えてマルチ画素画像を生成するステップをさらに含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
光子摂動ステップおよび電荷摂動ステップを同時に実行するステップをさらに含む、請求項４６から４７のいずれかに記載の方法。
【請求項４９】
光子摂動ステップおよび電荷摂動ステップをほぼ同時に実行するステップをさらに含む、請求項４６から４７のいずれかに記載の方法。
【請求項５０】
アレイが複数の異常圧電コンダクタンス（ＥＰＣ）センサをさらに含み、方法はＥＰＣセンサによってＥＰＣ効果を生じるために圧電摂動を用いてＥＰＣセンサを摂動するステップをさらに含む、請求項４２から４９のいずれかに記載の方法。
【請求項５１】
アレイが複数の異常音響コンダクタンス（ＥＡＣ）センサをさらに含み、方法はＥＡＣセンサによってＥＡＣ効果を生じるために音響摂動を用いてＥＡＣセンサを摂動するステップをさらに含む、請求項４２から５０のいずれかに記載の方法。
【請求項５２】
アレイが複数の異常磁気抵抗（ＥＭＲ）センサをさらに含み、方法はＥＭＲセンサによってＥＭＲ効果を生じるために磁場摂動を用いてＥＭＲセンサを摂動するステップをさらに含む、請求項４２から５１のいずれかに記載の方法。
【請求項５３】
室温で方法を実行するステップをさらに含む、請求項４２から５２のいずれかに記載の方法。
【請求項５４】
摂動ステップが、病変を示す分子と結合する発光剤によって発生した光子を用いてアレイを摂動するステップを含み、方法は、アレイのセンサの生成されたＥＯＣ効果に基づいて病変を検出するステップをさらに含む、請求項４２から５３のいずれかに記載の方法。
【請求項５５】
発光剤が蛍光体を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
インビボで検出を実行するステップをさらに含む、請求項５４から５５のいずれかに記載の方法。
【請求項５７】
インビトロで検出を実行するステップをさらに含む、請求項５４から５５のいずれかに記載の方法。
【請求項５８】
摂動ステップが、形質転換またはトランスフェクト細胞によって発現する発光剤によって発生した光子を用いてアレイを摂動するステップを含み、方法は、アレイのセンサの生成されたＥＯＣ効果に基づいて形質転換またはトランスフェクト細胞を検出するステップをさらに含む、請求項４２から５７のいずれかに記載の方法。
【請求項５９】
発光剤が蛍光体を含む、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
インビボで検出を実行するステップをさらに含む、請求項５８から５９のいずれかに記載の方法。
【請求項６１】
インビトロで検出を実行するステップをさらに含む、請求項５８から５９のいずれかに記載の方法。
【請求項６２】
生成されたＥＯＣ効果に基づいて接触撮像を実行するステップをさらに含む、請求項２５から６１のいずれかに記載の方法。
【請求項６３】
生成されたＥＯＣ効果に基づいて天文学的検出を実行するステップをさらに含む、請求項２５から６２のいずれかに記載の方法。
【請求項６４】
生成されたＥＯＣ効果に基づいて天文学的観測を実行するステップをさらに含む、請求項２５から６３のいずれかに記載の方法。
【請求項６５】
センサがカメラ内に存在し、方法は、生成されたＥＯＣ効果に基づいてカメラ画像を生成するステップをさらに含む、請求項２５から６４のいずれかに記載の方法。
【請求項６６】
カメラがビデオカメラを含み、カメラ画像は動画を含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
生成されたＥＯＣ効果に基づいて癌検出を実行するステップをさらに含む、請求項２５から６６のいずれかに記載の方法。
【請求項６８】
生成されたＥＯＣ効果に基づいて血液分析を実行するステップをさらに含む、請求項２５から６７のいずれかに記載の方法。
【請求項６９】
生成されたＥＯＣ効果に基づいてナノ粒子拡散およびサイズ調査を実行するステップをさらに含む、請求項２５から６８のいずれかに記載の方法。
【請求項７０】
生成されたＥＯＣ効果に基づいて位置感応検出操作を実行するステップをさらに含む、請求項２５から６９のいずれかに記載の方法。
【請求項７１】
光情報記憶および検出に関する方法を実行するステップをさらに含む、請求項２５から７０のいずれかに記載の方法。
【請求項７２】
方法であって、
センサによってＩ−ＥＯＣ応答を生成するために光子を用いて複数のナノスケールＩ−ＥＯＣセンサで形成されたアレイを摂動するステップと、
生成されたＩ−ＥＯＣ応答からナノスケール分解能を有する画像を生成するステップと、を含む方法。
【請求項７３】
方法であって、
ＥＯＣ応答を生成するために光子を用いて金属半導体ハイブリッド（ＭＳＨ）装置を摂動するステップであって、ＭＳＨ装置はキャリア流に対するショットキー障壁の役割を果たす半導体／金属界面を含む、ステップを含む方法。
【請求項７４】
方法であって、
ＥＯＣ応答を生成するために光子を用いて金属半導体ハイブリッド（ＭＳＨ）装置を摂動するステップであって、半導体／金属界面を横断するＭＳＨ装置内のキャリア流は、光子による摂動に応えて主に弾道的輸送から拡散輸送に遷移する、ステップを含む方法。
【請求項７５】
装置であって、
半導体層と、
半導体層の表面に位置し、それによって半導体／金属界面を定義する金属シャントであって、半導体層表面の一部は金属シャントによって被覆されず、半導体層および金属シャントは実質的平行面に存在するが共平面ではない、金属シャントと、
金属シャントとリード線との間におよそ１ｎｍからおよそ１０００ｎｍの範囲内のいずれかの値の間隔ができるように、半導体層と接触するが金属シャントとは接触しない、複数のリード線と、を含む装置。
【請求項７６】
半導体層がドープ半導体層および非ドープ半導体層を含み、ドープ半導体層は金属シャントと接触して半導体／金属界面を形成し、非ドープ半導体層は金属シャントと接触していない、請求項７５に記載の装置。
【請求項７７】
リード線がドープ半導体層と接触し、装置は、リード線を非ドープ半導体層から絶縁する絶縁層をさらに含む、請求項７６に記載の装置。
【請求項７８】
金属シャントと接触しているリード線をさらに含む、請求項７５から７７のいずれかに記載の装置。
【請求項７９】
半導体層および金属シャントがファンデルポー（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ）（ｖｄＰ）プレートになっている、請求項７５から７８のいずれかに記載の装置。
【請求項８０】
方法であって、
金属半導体ハイブリッド（ＭＳＨ）装置にバイアスをかけるステップであって、ＭＳＨ装置は半導体／金属界面を有するステップと、
半導体／金属界面を横断するキャリア流が概弾道的輸送から概拡散輸送に遷移するように、光を用いてＭＳＨ装置を摂動するステップと、
摂動ステップに応えてＭＳＨ装置からの電圧信号を検出するステップと、を含む方法。
【請求項８１】
装置であって、
複数のセンサであって、複数のセンサの各々が、光による摂動に応えて異常光コンダクタンス（ＥＯＣ）応答を表す信号を生成するように構成されている、センサと、
センサと通信するためのプロセッサであって、生成された信号に対応するデータを生成するように構成されている、プロセッサと、を含み、
複数のセンサの各々は、
半導体層と、
半導体層の表面に位置し、それによって半導体／金属界面を定義する金属シャントであって、半導体／金属界面はショットキー界面を含む、金属シャントと、を含み、
複数のセンサの各々は、照射の増加に応えてショットキー特性からオーミック特性に変化するＩ−Ｖ特性を呈するように構成されている、装置。
【請求項８２】
複数のセンサの半導体層および金属シャントが、ナノスケール寸法を呈する、請求項８１に記載の装置。
【請求項８３】
複数のセンサの各々が、光による摂動に応えて逆異常光コンダクタンス（Ｉ−ＥＯＣ）応答を表す信号を生成するように構成されている、請求項８１から８２のいずれかに記載の装置。
【請求項８４】
プロセッサが、生成された信号に対応する画像データを生成するように構成されており、画像データは複数の画素を含み、複数のセンサはセンサのアレイを含み、センサは画素に対応する、請求項８１から８３のいずれかに記載の装置。
【請求項８５】
装置がカメラを含む、請求項８１から８４のいずれかに記載の装置。
【請求項８６】
装置がビデオカメラを含む、請求項８５に記載の装置。
【請求項８７】
カメラが携帯用計算装置上に存在する、請求項８５から８６のいずれかに記載の装置。
【請求項８８】
携帯用計算装置がスマートフォンを含む、請求項８７に記載の装置。
【請求項８９】
少なくとも複数のセンサの各々が、電場による摂動に応えて異常電気コンダクタンス（ＥＥＣ）応答を表す信号を生成するように構成されており、プロセッサはさらに、ＥＥＣおよびＥＯＣ信号に対応する画像データを生成するように構成されている、請求項８１から８８のいずれかに記載の装置。
【請求項９０】
複数のセンサの各々が、光摂動に応えてその半導体／金属界面を横断する概弾道的キャリア流からその半導体／金属界面を横断する概拡散キャリア流に遷移するように構成されている、請求項８１から８９のいずれかに記載の装置。
【請求項９１】
方法であって、
光による摂動に応えて概弾道的キャリア流から概拡散キャリア流への、正の光抵抗および光誘起スイッチングを呈する個別アドレス指定可能ナノスケールハイブリッド金属−半導体光学センサを用いて、室温で光を検出するステップを含む方法。
【請求項９２】
装置であって、
光による摂動に応えて概弾道的キャリア流から概拡散キャリア流への、正の光抵抗および光誘起スイッチングを呈するように構成された、個別アドレス指定可能ナノスケールハイブリッド金属−半導体光学センサを含む装置。
【請求項９３】
センサと通信するためのプロセッサを含み、プロセッサは、光摂動に応えて提示された正の光抵抗に対応するデータを生成するように構成されている、請求項９２に記載の装置。
【請求項９４】
アレイ内に配置された複数の個別アドレス指定可能ナノスケールハイブリッド金属−半導体光学センサをさらに含み、プロセッサは、アレイとの通信用であって、光摂動に応えて光学センサからの提示された正の光抵抗に対応する画像データを生成するように構成されている、請求項９３に記載の装置。
【請求項９５】
方法であって、
装置によって異常光コンダクタンス（ＥＯＣ）効果を生じるために、光子を用いて請求項１から２７のいずれかにおいて定義された装置を摂動するステップを含む、方法。
【請求項９６】
発生したＥＯＣ効果に応えて画像を生成するステップをさらに含む、請求項９５に記載の方法。
【請求項９７】
ＥＯＣ効果がＩ−ＥＯＣ効果を含む、請求項９５から９６のいずれかに記載の方法。
【請求項９８】
装置によって異常電気コンダクタンス（ＥＥＣ）効果を生じるために、電荷を用いて装置を摂動するステップをさらに含む、請求項９６から９７のいずれかに記載の方法。
【請求項９９】
発生したＥＯＣ効果に応えて画像を生成するステップをさらに含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１００】
光子摂動ステップおよび電荷摂動ステップを同時に実行するステップをさらに含む、請求項９８から９９のいずれかに記載の方法。
【請求項１０１】
光子摂動ステップおよび電荷摂動ステップをほぼ同時に実行するステップをさらに含む、請求項９８から９９のいずれかに記載の方法。
【請求項１０２】
室温で方法ステップを実行するステップをさらに含む、請求項９９から１０１のいずれかに記載の方法。
【請求項１０３】
方法であって、
装置によって異常光コンダクタンス（ＥＯＣ）効果を生じるために、光子を用いて請求項１から２７のいずれかにおいて定義された複数の装置を摂動するステップであって、複数の装置はアレイになっている、ステップを含む方法。
【請求項１０４】
アレイが複数の個別アドレス指定可能画素を含み、各画素はそれぞれ異なる装置に対応している、請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０５】
発生したＥＯＣ効果に応えてマルチ画素画像を生成するステップをさらに含む、請求項１０３から１０４のいずれかに記載の方法。
【請求項１０６】
ＥＯＣ効果がＩ−ＥＯＣ効果を含む、請求項１０３から１０５のいずれかに記載の方法。
【請求項１０７】
装置によって異常電気コンダクタンス（ＥＥＣ）効果を生じるために、電荷を用いて装置を摂動するステップをさらに含む、請求項１０３から１０６のいずれかに記載の方法。
【請求項１０８】
発生したＥＥＣ効果に応えてマルチ画素画像を生成するステップをさらに含む。請求項１０７に記載の方法。
【請求項１０９】
光子摂動ステップおよび電荷摂動ステップを同時に実行するステップをさらに含む、請求項１０７から１０８のいずれかに記載の方法。
【請求項１１０】
光子摂動ステップおよび電荷摂動ステップをほぼ同時に実行するステップをさらに含む、請求項１０７から１０８のいずれかに記載の方法。
【請求項１１１】
アレイが複数の異常圧電コンダクタンス（ＥＰＣ）センサをさらに含み、方法は装置によってＥＰＣ効果を生じるために圧電摂動を用いてＥＰＣセンサを摂動するステップをさらに含む、請求項１０３から１１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１１２】
アレイが複数の異常音響コンダクタンス（ＥＡＣ）センサをさらに含み、方法は装置によってＥＡＣ効果を生じるために音響摂動を用いてＥＡＣセンサを摂動するステップをさらに含む、請求項１０３から１１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１１３】
アレイが複数の異常磁気抵抗（ＥＭＲ）センサをさらに含み、方法は装置によってＥＭＲ効果を生じるために磁場摂動を用いてＥＭＲセンサを摂動するステップをさらに含む、請求項１０３から１１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１１４】
室温で方法ステップを実行するステップをさらに含む、請求項１０３から１１３のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、その全開示内容が参照によって本願に組み込まれる、２０１０年１月８日出願の、係属中の米国仮特許出願第６１／２９３，４４２号明細書の優先権を主張する。
【０００２】
本願は、２００９年１月３０日出願の、係属中の米国特許出願第１２／３７５，８６１号明細書に関し、これは２００７年７月３１日出願のＰＣＴ特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０７／７４８６４号明細書の米国内出願であり、これは２００６年８月１日出願の米国仮特許出願第６０／８２１，０４０号明細書の優先権を主張し、これらの各々の全開示内容は参照により本願に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
異常光コンダクタンス（ＥＯＣ）は、金属半導体ハイブリッド（ＭＳＨ）構造によって示される幾何学的形状駆動型界面「ＥＸＸ」現象の階級の最近の一例であり、ここで：
Ｅ＝異常（ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ）；ならびに
ＸＸ＝磁気抵抗（ＭＲ）、圧電コンダクタンス（ＰＣ）、光コンダクタンス（ＯＣ）、および電気コンダクタンス（ＥＣ）などの界面現象のタイプである。
【０００４】
上記で参照され組み込まれた関連特許出願を参照されたい；また、その各々の全開示内容が参照により本願に組み込まれる、Ｗｉｅｌａｎｄらによる「Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｏｐｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８８，０５２１０５（２００６）；Ｓｏｌｉｎらによる「Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｎａｒｒｏｗ−Ｇａｐ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ」，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２８９，１５３０（２０００）；Ｒｏｗｅらによる「Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｉｅｚｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３，１１６０（２００３）；Ｒｏｗｅらによる「Ｇｉａｎｔ  Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ａ  Ｍｅｔａｌ−Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１００，１４５５０１（２００８）；およびＷａｎｇらによる「Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９２，２６２１０６（２００８）も参照されたい。したがって「ＥＸＸセンサ」という用語は、特定のタイプの摂動に対する応答が、異常界面効果ＸＸまたは異常バルク効果ＸＸを生じる、半導体／金属界面を有するＭＳＨ装置の階級を指す。界面またはバルク効果ＸＸは、それが意味するものが当該技術分野において、同じ摂動について巨視的装置を用いて実現されるものに対する感度の何倍もの増加を意味するので、「異常」と言われる。
【０００５】
たとえば、上記で参照され組み込まれた特許出願は、図１に描写されるものなどのＥＯＣ装置を記載している。図１は例示的なＥＯＣセンサ１００を示しており、これは基板１０６上に設けられた半導体部１０２および金属シャント部１０４を有するＭＳＨ装置である。まとまって、半導体部１０２および金属シャント部１０４は半導体／金属界面１０８を定義する。図１に示されるように、図１のＥＯＣセンサを用いると、半導体部１０２および金属シャント部１０４は、実質的に共平面にある。さらに、半導体部１０２および金属シャント部１０４は、基板１０６との実質的平行面内に存在する。さらにまた、半導体／金属界面１０８が基板１０６の平面と実質的に直交していることもわかる。このアーキテクチャは、外部でシャントされたファンデルポー（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ）（ｖｄＰ）プレートと称されることが可能である。
【０００６】
動作中、ＥＯＣ装置１００は、光摂動源１２０（レーザ発光装置、蛍光発光を有する細胞（フッ素ベースの造影剤の導入で発光するようなもの）などを含むがこれらに限定されない、いずれの発光源でもよい）からの光１０２によって摂動される。半導体部１０２および金属シャント部１０４の露光面に衝突する光１２２は、オーミック（または線形）界面として振る舞う半導体／金属界面１０８を生じ、ＥＯＣ効果を通じて測定可能な電圧を生成する。ＥＯＣ装置が５００ｎｍ以上の長さ（ｙ軸）および幅（ｘ軸）寸法を有する、図１に示される一般的なアーキテクチャを備えるＥＯＣ装置１００を用いる実験は、このようなＥＯＣ装置が、照度の増加に伴って減少する有効抵抗を呈することを、示した。
【０００７】
上記で参照され組み込まれた特許出願に記載されるＥＸＸセンサの別の例は、図２に描写されるＥＥＣ装置２００である。図２のＥＥＣセンサ２００もまた、半導体部２０２および金属シャント部２０４を含むＭＳＨ装置である。図２のＥＥＣ装置２００を用いると、半導体部２０２が金属シャント部２０４と基板２０６との間に挟まれるように、金属シャント部２０４は半導体部２０２の表面上に設けられ、半導体部２０２は基板２０６の表面上に設けられる。図２に示されるように、金属シャント部２０４、半導体部２０２、および基板部２０６は好ましくは、実質的平行面内に存在する。まとまって、金属シャント部２０４と半導体部２０６との間の接触は、半導体／金属界面２０８を定義する。したがって、図１のＥＯＣ装置１００とは異なり、ＥＥＣ装置２００の半導体／金属界面２０８の平面は、金属シャント／半導体／基板の平面と実質的に平行である。動作中、外部電場によって発生した電荷は、ＥＥＣ効果を通じて電圧応答を生じるために、ＥＥＣ装置を摂動する。
【０００８】
図３のパネル（ａ）は、その上で実験が行われた、例示的なＥＥＣファンデルポー（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ）構造の模式的斜視図を示す。金属シャント部（半径５０μｍ）は、半導体部（半径１００μｍのＧａＡｓメサ）と同心であり、これと直接接触している。メサ表面の周囲に４本のリード線が設けられ、リード線５は金属シャントに直接接続されている。図３のパネル（ｂ）は、このような装置の、ただし上部の金属シャントを除いた、ＳＥＭ画像を示す。図３のパネル（ｃ）は、ＥＥＣの多層構造の断面図を示す。図に見られるように、金属シャントは２つの厚さ５０ｎｍの金属薄膜ＴｉおよびＡｕ／Ｇｅを含む。本発明者らは、接着を促進するために、金属シャント部２０４に金属の多層が用いられることが可能であることに気がついた。たとえば、ＴｉはＧａＡｓと良好に接着するが、Ａｕ／Ｇｅの方が良い導体である。このため、金属シャントにＴｉおよびＡｕ／Ｇｅの両方を用いることによって、装置は両方の有利な特性を利用することができる。また、半導体部は、ＳｉドープＧａＡｓエピタキシャル層（２００ｎｍ厚）および非ドープＧａＡｓエピタキシャル層（０．８μｍ厚）を含む。非ドープ半導体層は、半絶縁性ＧａＡｓ基板（３５０μｍ厚）を含む基板部上に位置決めされる。上部プレートと金属シャントとの間で１μｍＳｉ３Ｎ４誘電体に外部電場を印加するために、１対の平行プレート（０．２μｍＡｕ／Ｇｅプレート）が組み込まれる。このようなＥＥＣ装置を用いる実験において、本発明者らは、このようなＥＥＣ装置が光に対して非常に強い感度を呈することを、思いがけず発見した。さらにまた、この装置の規模をナノスケールまで縮小すると、本発明者らは、光に対する強い感度のみならず、より大きい巨視的ＥＥＣ装置で調査されたのとは根本的に異なるタイプの光に対する感度も発見した。つまり、本発明者らは、図２および図３のＥＥＣ装置のアーキテクチャを有する装置が、光摂動に対して異常応答を生じるＥＯＣ装置の役割も果たすことができることを、発見した。さらに、装置寸法がナノスケールまで縮小されると、本発明者らは、照度の増加に伴って装置の有効抵抗が増加する、逆のはるかに大きいＥＯＣ応答（「Ｉ−ＥＯＣ」応答）を呈することを、予期せずして発見した（照度の増加に伴って有効抵抗が減少する巨視的規模を有する装置に関する調査とは対照的である）。実験および分析の結果として、本発明者らは、活性半導体層のキャリアの平均自由行程のおよそ１０倍の最大値よりも小さい値まで、オーミックリード線と金属シャントとの間の間隔を減少することによって、このようなＩ−ＥＯＣ効果が可能になると確信する。本発明者らはさらに、この間隔を５００ｎｍ未満の値まで減少することで、Ｉ−ＥＯＣ効果をより際立たせると確信する。本発明者らはさらに、あまりにも多くの電子が半導体を通じて電極からシャントまで進み始めると、間隔はＩ−ＥＯＣ効果にとって小さくなりすぎるかもしれないとも確信する。本発明者らは、この最小閾値が、およそ１〜３ｎｍの間隔に到達するであろうと確信する。さらに、本発明者らは、このＩ−ＥＯＣ効果が室温環境（すなわち、およそ３００Ｋまたは２７℃）で達成されることを発見した。
【０００９】
本明細書で使用される際に、「ナノスケール」とは、少なくとも１つの寸法においておよそ１０００ナノメートルを超えない、ＥＸＸセンサの半導体および金属部の長さ、幅（または直径）、および厚みの寸法を指す。本明細書で使用される際に、「マイクロスケール」とは、少なくとも１つの寸法においておよそ１０００マイクロメートルを超えない、ＥＸＸセンサの半導体および金属部の長さ、幅（または直径）、および厚みの寸法を指す。
【００１０】
本発明の実施形態によって提示される室温Ｉ−ＥＯＣ効果は、横方向巨視的半導体ヘテロ構造または機能性ナノ粒子膜に見られる負の光コンダクタンスとは本質的に異なると信じられている（Ｎａｋａｎｉｓｈｉらによる「Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ａｎｄ  ｉｎｖｅｒｓｅ  ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｏｆ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ  ｍｅｔａｌ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ」，Ｎａｔｕｒｅ  ４６０，３７１（２００９）を参照のこと）。たとえば本発明者らは、本発明の実施形態によって提示されるＩ−ＥＯＣ効果は、トラップ状態に依存せず、以下に説明されるように、むしろ弾道的から拡散輸送への遷移に依存すると、確信する。さらに、ナノワイヤベースのナノフォトニック装置に関する多くの研究が報告されてきたものの、本発明者らは、このようなナノワイヤベースのナノフォトニック装置は、現在は超／極超大規模集積回路（ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩ）製造法に適合しないと確信する。（Ｌａｗらによる「Ｎａｎｏｒｉｂｂｏｎ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３０５，１２６９（２００４）を参照のこと）。対照的に、本明細書に記載されるＩ−ＥＯＣ装置は、ＶＬＳＩ互換性、個別アドレス指定可能であり、可視光スペクトルにおいて著しい感度を呈する。このため、本発明者らは、本明細書に記載されるＩ−ＥＯＣナノセンサは、診断用の医療画像から情報技術および通信までにわたる、広範なナノフォトニック用途での、有益な用途を有すると確信する。（Ｌａｗらによる「Ｎａｎｏｒｉｂｂｏｎ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」，  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３０５，１２６９（２００４）を参照のこと）。たとえば、本明細書に記載されるＥＯＣおよびＩ−ＥＯＣセンサは、接触画像、天文学的検出および観測、ビデオカメラ、スチルカメラ、癌検出、血液分析、産業プロセスにおけるナノ粒子拡散およびサイズ調査、位置有感検出、および光情報記憶および検出を含むがこれらに限定されない用途において、採用されることが可能である。接触画像に関して使用されるとき、本発明の実施形態は、上記で参照され組み込まれた第１２／３７５，８６１号明細書に記載されるように採用されることが可能である。たとえば、対象物は、本明細書に記載されるＥＯＣまたはＩ−ＥＯＣセンサの高密度アレイに接近または接触させられることが可能であり、光は対象物を通過することができ、センサリード線からの電圧読み取り値は対象物の画像の画素を生成するために使用されることが可能である。天文学的検出／観測、ビデオカメラ、およびスチルカメラの用途において、本明細書に開示されるＥＯＣおよびＩ−ＥＯＣセンサは、ＣＣＤ装置と同じ光学センサとして使用されることが可能である（ここで、各ＥＯＣ／Ｉ−ＥＯＣセンサは、画素センサとして有効に役立つだろう）。癌分析および検出を伴う用途では、癌分析／検出は、インビボまたはインビトロで、病的分子と結合するかまたは形質転換またはトランスフェクト細胞によって発現する蛍光体またはその他の発光剤（生物発光など��によって、達成されてもよい。ナノ粒子拡散およびサイズ調査を伴う用途では、本発明者らは、対象ナノ粒子を含有する媒体が、本明細書に記載されるＥＯＣ／Ｉ−ＥＯＣセンサのアレイに接近または接触させられることが可能であり、光はアレイに衝突するために媒体を通過することが可能であることに、注目する。センサリード線の電圧読み取り値はその後、時間に応じた強度分布のために監視されることが可能である。位置有感検出用途では、たとえば、本明細書に記載されるＥＯＣ／Ｉ−ＥＯＣセンサは、ナノ粒子拡散について記載されたのと類似のやり方で使用されることが可能であるが、しかし動いている（マイクロまたはナノ）フラグ（その位置が検出されるべき対象物に、またはその中に付着する正孔など）が含まれる。情報記憶に関する用途において、単一のＩ−ＥＯＣセンサ（または少数のそのようなセンサ）は、光ディスクからの反射光を検出するために、光情報記憶システムの可動アーム上に配置されることが可能であろう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｗｉｅｌａｎｄらによる「Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｏｐｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８８，０５２１０５（２００６）
【非特許文献２】Ｓｏｌｉｎらによる「Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｎａｒｒｏｗ−Ｇａｐ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ」，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２８９，１５３０（２０００）
【非特許文献３】Ｒｏｗｅらによる「Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｉｅｚｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８３，１１６０（２００３）
【非特許文献４】Ｒｏｗｅらによる「Ｇｉａｎｔ  Ｒｏｏｍ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｉｎ  ａ  Ｍｅｔａｌ−Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１００，１４５５０１（２００８）
【非特許文献５】Ｗａｎｇらによる「Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９２，２６２１０６（２００８）
【非特許文献６】Ｎａｋａｎｉｓｈｉらによる「Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ａｎｄ  ｉｎｖｅｒｓｅ  ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｆｉｌｍｓ  ｏｆ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ  ｍｅｔａｌ  ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ」，Ｎａｔｕｒｅ  ４６０，３７１（２００９）
【非特許文献７】Ｌａｗらによる「Ｎａｎｏｒｉｂｂｏｎ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３０５，１２６９（２００４）
【非特許文献８】Ｎｅｗａｚらによる「Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｔｉ−ＧａＡｓ  ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ７９，１９５３０８（２００９）
【非特許文献９】Ｎｅｗａｚらによる「Ａ  ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｔｉ／ＧａＡｓ  ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｌｉｇｈｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，９７，０８２１０５（２０１０）
【非特許文献１０】Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅによる、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，２ｎｄ  Ｅｄ．（Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９８１，７９３−７９５ページ）
【非特許文献１１】Ｈａｙｓらによる「Ｈｏｔ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  ＧａＡｓ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５４，１５７０（１９８５）
【非特許文献１２】Ｐａｌｅｓｖｋｉらによる「Ｌａｔｅｒａｌ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，ａｎｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ａ  Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１５，１７７６（１９８９）
【非特許文献１３】Ｂｒｏｚｅｌらによる、「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ａｒｓｅｎｉｄｅ  ３ｒｄ  Ｅｄ．」，ＩＮＳＰＥＣ，Ｌｏｎｄｏｎ（１９９６）
【非特許文献１４】Ｇｉｌｂｅｒｔｓｏｎらによる、「Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ  ａｎｄ  ｗｅａｋ  ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｕｌｔｒａ  ｔｈｉｎ  ｎ−ＧａＡｓ  ｆｉｌｍｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９５，０１２１１３（２００９）
【非特許文献１５】Ｓｈａｂａｎらによる、「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｎ−ｔｙｐｅ  β−ＦｅＳｉ２／ｐ−ｔｙｐｅ  Ｓｉ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ  ａｔ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９４，２２２１１３（２００９）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施形態の態様によれば、本発明者らは、ＥＯＣ効果を生じるために光を用いてナノスケールＭＳＨ装置を摂動するステップを含む方法を、本明細書に開示する。好ましくは、このＥＯＣ効果はＩ−ＥＯＣ効果である。さらに、ＭＳＨ装置は、半導体材料、半導体材料の表面に位置する金属シャントを含み、それによって半導体／金属界面を定義してもよく、半導体材料表面の一部は金属シャントによって被覆されておらず、半導体材料および金属シャントは実質的平行面にあるが共平面ではなく、半導体／金属界面は光摂動に応えて抵抗値の変化を呈するように構成されている。
【００１３】
本発明の実施形態の別の態様によれば、本発明者らは、Ｉ−ＥＯＣ効果を生じるために光を用いてショットキー障壁（非線形）界面を定義する半導体／金属界面を有するナノスケールＭＳＨ装置を摂動するステップを含む方法を、本明細書に開示する。
【００１４】
本発明の実施形態のさらに別の態様によれば、本発明者らは、ＥＯＣ応答を生じるために光を用いてＭＳＨ装置を摂動するステップを含む方法であって、半導体／金属界面を横断するＭＳＨ装置内のキャリア流は、光による摂動に応えて主に弾道的輸送から拡散輸送に遷移する方法を、本明細書に開示する。
【００１５】
さらにまた、本発明の実施形態の別の態様によれば、本発明者らは、ＥＥＣおよびＥＯＣ応答を生じるために光および電荷摂動の両方を用いてＭＳＨ装置を摂動するステップを含む方法を、本明細書に開示する。
【００１６】
さらに、本発明の実施形態のさらに別の態様によれば、本発明者らは、ナノスケール分解能の画素を有する撮像装置が作られるように、アレイ内の多数のＩ−ＥＯＣ装置の組み合わせを、本明細書に開示する。このようなアレイは、ナノスケール分解能を有する画像を形成するために、電荷および／または光を用いて摂動されることが可能である。
【００１７】
本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は、当業者を対象に、以下に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】オーミック半導体／金属界面を有する例示的なＥＯＣ装置を描写する図である。
【図２】例示的なＥＥＣ装置を描写する図である。
【図３】別の例示的なＥＥＣ装置を描写する図である。
【図４】本発明の実施形態による例示的なＥＯＣ装置を描写する図である。
【図５】本発明の実施形態による、無シャント半導体装置（パネル（ａ））および例示的なＥＯＣ装置（パネル（ｂ）および（ｃ））を描写する図である。
【図６】３つの異なるサイズのＥＯＣ装置および基準無シャント半導体装置のＳＥＭ画像および抵抗画像プロットを示す図である。
【図７】図６に示される４つの異なるサイズのＥＯＣ装置の抵抗対光強度のグラフである。
【図８】本発明の実施形態による、別の例示的なＥＯＣ装置を示す図である。
【図９（ａ）】ＥＯＣ装置の例示的なアレイの断面図である。
【図９（ｂ）】図９（ａ）のアレイの斜視図である。
【図１０】様々な画素幾何学的形状を示す、例示的なマルチＥＯＣ装置アレイの模式図である。
【図１１（ａ）】そのナノセンサが複数の画素として編成されている、例示的なアレイの上面図である。
【図１１（ｂ）】複数の異なるタイプのナノセンサに対応する画素の上面図である。
【図１２（ａ）】異なるナノセンサがどのようにして合成画素に分類されるかを示す、例示的なアレイを描写する図である。
【図１２（ｂ）】異なるナノセンサがどのようにして合成画素に分類されるかを示す、例示的なアレイを描写する図である。
【図１３】ナノセンサのアレイがカメラの役割を果たすためにプロセッサと通信する、例示的実施形態を描写する図である。
【図１４】５μｍＭＳＨ装置のショットキーダイオード部品の２点Ｉ−Ｖ特性の強度依存を描写する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図４は、本発明の実施形態による、ＥＯＣセンサとして採用されることが可能な、例示的なＭＳＨ装置２００を描写する。図４に示されるように、ＥＯＣセンサ２００は、半導体部２０２および金属シャント部２０４を含む、いくつかの層を含むＭＳＨ装置である。半導体部２０４が金属シャント部２０２と基板２０６との間に挟まれるように、金属シャント部２０４は半導体部２０２の表面上に設けられ、半導体部２０２は基板２０６の表面上に設けられている。図４に示されるように、金属シャント部２０４、半導体部２０２、および基板部２０６は、好ましくは実質的平行面に存在する。まとまって、金属シャント部２０４と半導体部２０６との間の接触は、半導体／金属界面２０８を定義する。したがって、関連する上記で参照された特許出願に記載されるＥＯＣセンサアーキテクチャとは異なり、図４に示されるＥＯＣセンサの半導体／金属界面２０８の平面は、金属シャント／半導体／基板の平面と実質的に平行である。
【００２０】
半導体部２０２は、好ましくは、およそ１００ｎｍのその活性部の厚みを有する薄い半導体膜である。しかしながら、たとえばおよそ２５ｎｍからおよそ２０００ｎｍの範囲の活性層の厚みなど、その他の厚み値が使用されることも可能であり、厚み値は、熱雑音低減および信号対雑音比の改善のため、入力抵抗を低減するために選択されることは、理解されるべきである。たとえば、図５および図８は、例示的な代替設計を描写する。さらに、半導体膜２０２は、およそ１００ｎｍの長さおよびおよそ５０ｎｍの幅を有してもよい。しかしながら、たとえばその下限がリソグラフィ能力によってのみ定められるナノスケールの長さおよび幅など、半導体膜２０２の別のナノスケールの長さおよび幅の値が使用され得ることは、留意すべきである。本明細書で使用される際に、「厚み」という用語が図４に示されるｚ軸に沿った寸法を指すこと、「長さ」という用語が図４に示されるｙ軸に沿った寸法を指すこと、および「幅」という用語が図４に示されるｘ軸に沿った寸法を指すことは、留意すべきである。
【００２１】
金属シャント２０４の厚みは、好ましくはおよそ１０ｎｍよりも大きいが、しかし活性半導体層の厚みのおよそ１０倍の最大値よりも小さい。しかしながら、本発明者らは、より大きい厚み値が原則として使用され得るという信念を、特筆する。このため、別の厚み（たとえば、熱雑音低減および信号対雑音比の改善のために入力抵抗を低減するように厚み値が選択される、およそ２５ｎｍからおよそ２０００ｎｍの範囲内のいずれかの値）が使用され得ることは、再び理解されるべきである。長さおよび幅寸法については、およそ１００ｎｍの長さおよびおよそ５０ｎｍの幅が採用されてもよい。本発明者らは、金属シャントの横寸法がＥＯＣ装置の画素サイズを効果的に固定することに、注目する。このため、これらの長さ／幅寸法をナノスケールまで減少することは、高分解能を実現するために非常に有利であると信じられる。ＥＯＣセンサについて、金属シャント２０４の幅および長さは、好ましくは半導体膜２０２よりも小さく、下限はリソグラフィ能力、および上述のいずれか最低限の間隔由来の制約によってのみ、定められる。
【００２２】
さらにまた、ＥＯＣセンサが矩形ではなくむしろ丸みを帯びた形状を有する実施形態において、半導体膜および金属シャントの直径が、長さおよび幅寸法の類似物の役割を果たすであろうことは、特筆に値する。
【００２３】
ＥＯＣ装置がＩ−ＥＯＣ効果を伴って動作するか否かを制御するための便利な調整パラメータは、リード線と金属シャントとの間の間隔である。図５および図８を参照して以下に説明されるように、この間隔をおよそ５００ｎｍ〜１０００ｎｍを超えない値まで減少させることによって、本発明者らは、Ｉ−ＥＯＣ効果が際立つと確信する。本発明者らはさらに、別の因子がＥＯＣ効果からＩ−ＥＯＣ効果への遷移に影響する可能性があると、確信する。たとえば、半導体部の活性層のキャリアの平均自由行程は、Ｉ−ＥＯＣ動作に影響を及ぼすと信じられ、この特性は、半導体、ドーパント、ドーピング密度、および温度の適切な選択を通じて制御されることが可能である。本発明者らはさらに、装置の室温動作が望ましい実施形態において、平均自由行程の望ましい寸法は所望の画素サイズのおよそ１／１０程度であり、これが室温での空間分解能を設定し、さらにＩ−ＥＯＣ装置が機能する寸法の上限を定義することに、注目する。Ｉ−ＥＯＣ動作に影響すると信じられる追加因子は、接触子の幾何学的配置、ショットキー障壁の高さ、照射の強度、および照射の波長を含む。本発明者らは、ショットキー障壁の高さは金属−半導体の組み合わせの選択を通じて制御されることが可能であり、高さは、活性半導体層の空乏幅の具体的範囲を付与し、シャント内へのトンネル現象を促進するように設計されるべきであることに、注目する。本発明者らはさらに、Ｉ−ＥＯＣ装置を用いて検出したいと望む波長（たとえば、紫外（ＵＶ）から近赤外（ＩＲ）の範囲）に基づいて変化できることを、特筆する。
【００２４】
好ましくは、基板２０６の寸法は、半導体膜２０２の寸法を支持するように適切なサイズになっており、このため基板２０６は、一般的に半導体膜および金属シャントよりもはるかに大きい。基板２０６の例示的な寸法は、およそ４００μｍの厚み、およびおよそ２インチの直径である。しかしながら、別の寸法も使用され得ることは、理解されるべきである。
【００２５】
ＥＯＣセンサ２００は好ましくは、２本の電流リード線２１０および２本の電圧リード線２１２も含む。これらのリード線は、半導体膜２０２と接触するが、しかし金属シャント２０４とは接触しない。また、これらのリード線は、図４に示されるように、半導体膜２０２のｘｚ厚みに沿った表面上で半導体膜２０２と接触してもよい。リード線の幾何学的形状に関して、２本の電圧リード線２１２は好ましくは、図４に示されるように２本の電流リード線２１０の間に設けられる。さらに、リード線の間の間隔は、好ましくはＥＯＣセンサ２００のＥＯＣ効果を最大化するようなやり方で選択される（またはＥＯＣセンサが二重ＥＯＣ／ＥＥＣセンサとして採用される場合には、間隔は所望のＥＯＣ効果とＥＥＣ効果とのバランスを取るように選択されることが可能である）。
【００２６】
金属シャントと接触する第五リード線もまた採用され得る（たとえば、図３のパネル（ａ）の金属シャントと接触している第五リード線を参照のこと）。このようなリード線は金属シャントが独立してバイアスをかけられるようにし、これがＥＯＣ装置による高性能を可能にする。
【００２７】
ＥＯＣセンサ２００を用いると、半導体膜２０２および金属シャント２０４の露光面に衝突する光摂動源１２０からの光摂動１２２は、ＥＯＣ効果を通じて測定可能な電圧を生じる。好ましくは、光１２２の伝播方向は、ほぼｚ軸に沿っている（または半導体膜２０２および金属シャント２０４の平面に直交するか、または実質的に界面２０８の平面と同じ平面内にある）。しかしながら、以下に記されるように、ＥＯＣセンサのサイズがナノスケール寸法まで減少するに連れて、ＥＯＣナノセンサの小さいサイズのため、光はより均一にＥＯＣナノセンサを照射する。
【００２８】
光摂動源１２０は、レーザ発光装置または蛍光発光を有する細胞（フッ素ベースの造影剤の導入で発光するようなもの）など、いずれの発光源であってもよい。さらにまた、摂動光１２２は、数百ナノメートルの範囲で測定される波長を有する、赤外から紫外範囲にわたる、電磁放射線であってもよい。光摂動にとって望ましい波長は、ＥＯＣ装置の活性半導体層の吸収特性に基づいて選択されることが可能である。ＥＯＣ装置に関連して採用され得るであろう光摂動の追加のタイプの例は、細胞分析のための透過および反射、ならびに化学分析および撮像のための蛍光発光を含む。
【００２９】
上述のように、本発明者らは、図４に示されるＥＯＣアーキテクチャの寸法が大きいと、ＥＯＣセンサは、ＥＯＣセンサの有効抵抗が照度の増加とともに減少するＥＯＣ応答を呈することを、発見した。しかしながら、このＥＯＣアーキテクチャのより小さい寸法では、本発明者らは、ＥＯＣセンサの有効抵抗が照度の増加とともに増加するのみならず、この逆応答が著明であることを、予想外に発見した。上述のように、本発明者らは、この応答をＩ−ＥＯＣ応答と名付けた。この予想外の結果に続いて、本発明者らは、その原因を説明および理解しようと試みた。
【００３０】
本発明者らはまず、ＥＸＸ効果に関わる根本的な物理的原理は、ＭＳＨ装置に印加される、ＥＯＣの場合の光子ビームなどの外部摂動が、ＭＳＨ装置の抵抗を変化させる半導体と金属シャントとの間の電流再配分を誘起し、幾何学的設計（金属および半導体部品の相対的サイズおよび形状、または接触子の配置など）はこの変化を増幅することができる、という彼らの信念を、特筆する。上述のように、ＧａＡｓを備えるオーミック界面を形成する金属（Ａｕ）を用いる巨視的ＭＳＨ構造における正常なＥＯＣは、すでに記載されてきた（たとえば、上記で参照され組み込まれた特許出願を参照のこと）。本発明の実施形態を用いて、本発明者らは、ショットキー界面（すなわちＴｉ／ＧａＡｓショットキー界面）を備えるナノスケールＭＳＨ構造のＩ−ＥＯＣ特性を開示する。
【００３１】
ショットキー障壁界面を備えるこれらのＭＳＨ装置は、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）によって成長した格子整合ＧａＡｓエピタキシャル層上に用意された。この装置構造の例示的実施形態の模式図は、図５（パネル（ｂ）および（ｃ））に示され、上方から見た電子顕微鏡写真は図６に示されている。４つの異なる正方形の装置が、活性半導体層を含むメサの長さおよび幅について以下の寸法を備えて製造された：
５μｍ（図６のパネル（ａ）における装置Ａ）、
２５０ｎｍ（図６のパネル（ｂ）における装置Ｂ）、
５００ｎｍ（図６のパネル（ｃ）における装置Ｃ）、
５００ｎｍ（無シャント基準装置である、図６のパネル（ｄ）における装置Ｄ）。
【００３２】
図５の例の活性半導体層の厚みは９０ｎｍであった。各ＥＯＣ装置サイズについて、４つの装置の最小値が調査された；特定サイズの全装置は、実質的に同等の結果を示す。装置製造手順の詳細は、その全開示内容が参照によって本願に組み込まれる、Ｎｅｗａｚらによる「Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｏｆ  ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  Ｔｉ−ＧａＡｓ  ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ７９，１９５３０８（２００９）に記載されている。Ｔｉ／ＧａＡｓ界面は、良好に特徴付けされたショットキー障壁を形成し、その一方でＴｉ−Ａｕ層は障壁を横断する電流のためのシャントの役割を果たす。シャントの効果を確認するために、同等だが無シャントの基準装置（たとえば図６のパネル（ｄ）参照）もまた調査された。ここに提示される全ての光学および輸送測定は、室温で実行された。例示的なＥＯＣ装置は、電流がリード線１および２の間に印加され、電圧がリード線３および４の間で測定される、修正ファンデルポー（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ）（ＶｄＰ）メサ構造（その全開示内容が参照によって本願に組み込まれる、Ｗａｎｇらによる「Ｅｘｔｒａｏｒｄｉｎａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ  ｉｎ  ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９２，２６２１０６（２００８）参照）を採用している（図５のパネル（ｂ）参照）。４点抵抗は、Ｒ＝Ｖ３４／Ｉ１２と定義される。
【００３３】
本発明者らは、非集束Ｈｅ−Ｎｅレーザビーム（ＴＥＭ００モード、ビームウェスト径８００μｍ、出力５ｍＷ、波長６３２．８ｎｍ）が最小１０μｍまで、段階的にセンサ領域を横断する際に、４点抵抗を記録することによって、これらＥＯＣ装置の空間感度を測定した。図６の装置Ａである、最大のＥＯＣ装置の２Ｄ画像プロットは、対応するＳＥＭ画像（上列）とともに、図６のパネル（ａ）に示されている。図６の装置Ａの抵抗は、レーザスポットが装置から離れている（最低照度）ときに大きく、レーザがほぼ装置中心にある（最大照度）ときに最低である。レーザ光源に対する装置の検知応答をさらに定量化するために、ＥＯＣ（Ｐ）＝｜［Ｒ（ｈｖ，Ｐ）−Ｒ０］／Ｒ０｜×１００％としてＥＯＣを定量化することができ、ここでＰはセンサに当たるレーザ出力密度であり、Ｒは照射下の４点抵抗であり、Ｒ０は４点暗抵抗である。図６の装置Ａで観測された最大ＥＯＣ値は、およそ６０％である。本発明者らは、少なくとも１％のＥＯＣ（Ｐ）率は光コンダクタンス効果が異常であることを示すことを、特筆する。
【００３４】
先の実験において、上述のように、本発明者らは、ＳｉドープＧａＡｓメサの一側面とのオーミック接触を生じるＩｎシャントを備える巨視的なＭＳハイブリッド構造のためのＥＯＣ効果を実証した。彼らは、６．３×１０４Ｗ／ｃｍの出力密度の４７７ｎｍ集束照射の下で、室温で〜６０％の最大ＥＯＣを観測した。しかしながら、先に示されたように、本発明の実施形態は、それらのオーミック界面ＥＯＣ装置とは異なる。たとえば、本発明の例示的実施形態のＥＯＣ装置は、オーミック界面の代わりにショットキー界面を有する。また、本発明の例示的実施形態のＥＯＣ装置では、界面は側面ではなくメサの上面に位置する。さらに、ＦＥＴなどの典型的な上部ゲート構造とは対照的に、シャントはＥＯＣ装置内に重要な目的とする電流経路を提供する。たとえシャント透過率が６３３ｎｍで１％以下であっても、これは照射下でショットキー障壁を低くして、シャントを通る電流を促進するのに十分である。図１４に示される直接的Ｉ−Ｖ測定は、この特徴を実証している（その全開示内容が参照によって本願に組み込まれる、Ｎｅｗａｚらによる「Ａ  ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｔｉ／ＧａＡｓ  ｍｅｔａｌ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｈｙｂｒｉｄ  ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｌｉｇｈｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ」，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，９７，０８２１０５（２０１０）を参照されたい）。図１４は、５μｍＭＳＨ装置のショットキーダイオード部品の２点Ｉ−Ｖ特性の強度依存を示す（Ｉ０＝１Ｗ／ｃｍ２）。図１４に示されるように、Ｉ−Ｖ特性は、高照度でショットキー状からオーミックに変化する。これは、１０−５Ｉ０からＩ０への照度変化を伴う２０９という係数だけゼロバイアス抵抗の減少を伴い、ここでＩ０は１Ｗ／ｃｍ２である。図１４に見られる強度依存開回路電圧は、照射されたショットキー障壁の特性であり（その全開示内容が参照によって本願に組み込まれる、Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅによる、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，２ｎｄ  Ｅｄ．（Ｗｉｌｅｙ−Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９８１，７９３−７９５ページ）を参照のこと）、この対象例において、ほぼ確実に、光生成キャリアから界面／空乏領域への移動に起因すると信じられる。
【００３５】
照射下の図６の装置Ａの挙動は、本発明者らによって先に調査されたオーミック界面ＥＯＣ構造のものと、質的に類似である。シャント内を移動するキャリアは、ＭＳＨ装置の抵抗を減少させる。シャントを迂回するキャリアは、抵抗ρ＝１／（ｎμｅ）を用いる拡散輸送を呈し、ここでｎはキャリア濃度、μはドリフト移動度、およびｅは電子電荷である。積ｎμはｎに対して増加し、装置ＡおよびＢに衝突する光はその４点抵抗を減少させる。シャントはほぼ不透明なので、観測された応答は、横光起電力効果（ＬＰＥ）と区別されることが可能である。さらに、ｅビーム製造に内在するリード線およびシャントの非対称配置（たとえば、リード線とシャントとの間の間隙は、リード線位置とともに変化する（図６参照））は、均一に照射された装置からのＥＯＣ出力にとって望ましい対称性の破れを提供する。
【００３６】
珍しく、そして予想外なことに、図６の装置ＢおよびＣの光学特性は、図６の装置Ａ（ならびに図６の基準装置Ｄ）のものとは逆である。図６の装置ＢおよびＣのＳＥＭ画像とともに、抵抗の２Ｄ画像プロットが図６のパネル（ｂ）および（ｃ）にそれぞれ示されている。ここで抵抗は、照射の増加とともに、大幅に増加する。今や広く普及している異なる物理的プロセスは、図６のより大きい装置Ａ（および図６の基準装置Ｄ）で観測されたような、電子−正孔対生成に起因する抵抗の減少を、克服しなければならない。
【００３７】
光強度に対する異なるサイズのＥＯＣ装置の動的応答の比較研究は、図７に示されている（この研究において、サンプルＡはショットキー界面を備える５μｍＥＯＣ装置であり、サンプルＢはショットキー界面を備える１μｍＥＯＣ装置であり、サンプルＣはショットキー界面を備える５００ｎｍＥＯＣ装置であり、サンプルＤはショットキー界面を備える２５０ｎｍＥＯＣ装置であった。光強度減衰は、ＥＯＣ装置を照射したビームの経路内に減光（ＮＤ：ｎｅｕｔｒａｌ  ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタを配置することによって生じた。応答曲線は、サブミクロンＥＯＣ装置（図７のサンプルＣおよびＤ）について、４０ｄＢまでの、広いダイナミックレンジを明らかに実証している。ガウスビームプロファイル、ほぼ不透明なシャントおよび接触子、ならびにドープＧａＡｓエピ層の照射領域の吸光度を考慮することによって、それぞれ９７５％（１．０ｎＷ）および９４６０％（０．２５ｎＷ）の、図７のサンプルＣおよびＤのＥＯＣ％（Ｐ）値を見いだすことができる。サブミクロン装置のＥＯＣ値は、図７のサンプルＡおよびＢのものよりもおよそ１６〜１６０倍大きいことに、注目する。
【００３８】
シャントの役割を強調するために、本発明者らは、図６のパネル（ｄ）および図５のパネル（ａ）に示されるものなど、ベア（無シャント）制御装置も調査した。５００ｎｍ制御装置の光学特性もまた、図６の装置Ａのものと類似しているが、しかし最大ＥＯＣ（２ｎＷ）はわずか６％であり、たとえばメサの上にシャント金属を有する全てのＥＯＣ装置からのものよりも著しく小さい。６３２．８ｎｍ放射線の１Ｗ／ｃｍ２の最大出力密度および放射性再結合を用いると、定常光誘起キャリア密度は、
【数１】
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である。これだけで、制御装置の６％のＥＯＣ％（Ｐ）を十分に説明し、シャントによるＥＯＣ％（Ｐ）の強化を強調するが、これはサブミクロン構造の応答の大きさおよび逆の性質（下記参照）に影響を及ぼす。
【００３９】
これらの結果を説明するために、本発明者らは、シャントリード線の横方向幾何学的形状および配置が保存される場合には、測定された光抵抗Ｒ（Ｐ）値が定常抵抗率にのみ依存すべきであることを、特筆する。各装置において同じ再結合プロセスが行き渡っている場合、ｎｐｈは固定されており、装置は最大照射でほぼ等しい抵抗を有し、本発明者らは、全ての装置がこの限界内で拡散すると結論づける。本発明者らはさらに、サブミクロン装置におけるＩ−ＥＯＣ応答は、弾道的および準弾道的キャリア輸送、ならびに拡散輸送を検討することによって、質的に説明されることが可能であると、確信する。いずれの導体の電気抵抗も、電荷キャリアの運動量散乱から生じる。導体の長さがキャリアの平均自由行程λｐに匹敵するようになると、電子がまったく散乱することなく、すなわち弾道的に移動する確率が、増加する。サブミクロン寸法を有するＧａＡｓ装置内の電子の弾道的輸送は、多くの研究者によって確立されてきた。（Ｈａｙｓらによる「Ｈｏｔ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  ＧａＡｓ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５４，１５７０（１９８５）；Ｐａｌｅｓｖｋｉらによる「Ｌａｔｅｒａｌ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，ａｎｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ａ  Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．１５，１７７６（１９８９）を参照されたい）。
【００４０】
末端で接触している配線に沿った弾道的輸送のため、配線の抵抗はゼロであり、電圧降下の全てが２つの接触子で生じる。低バイアスでは、光誘起キャリアの十分な密度の導入は、接触子の間の有限抵抗、およびこれに対応して弾道的から拡散輸送への遷移を結果的に生じる、キャリア間拡散を引き起こすことになる。再結合がオージェプロセス（Ｂｒｏｚｅｌらによる、「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ａｒｓｅｎｉｄｅ  ３ｒｄ  Ｅｄ．」，ＩＮＳＰＥＣ，Ｌｏｎｄｏｎ（１９９６））を参照のこと）によって支配されていると考えた場合、図６の装置ＢおよびＣならびに図７のサンプルＣおよびＤの本発明者らの照射研究で誘起された定常キャリア密度は、１×１０１８ｃｍ−３から１×１０２０ｃｍ−３の範囲内にあり、ドーピングのためキャリア密度をはるかに超過していることが示され得る。
【００４１】
ＭＳＨ構造の内部のキャリア輸送機構を特徴付けるために、本発明者らはまた、同じウエハから製造された、従来のホールバーを用いて、ＧａＡｓエピタキシャル層の温度依存輸送測定も行った。（Ｇｉｌｂｅｒｔｓｏｎらによる、「Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｃｒｏｓｓｏｖｅｒ  ａｎｄ  ｗｅａｋ  ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｕｌｔｒａ  ｔｈｉｎ  ｎ−ＧａＡｓ  ｆｉｌｍｓ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９５，０１２１１３（２００９）を参照されたい）。λｐの値は、２Ｋで１８ｎｍから３００Ｋで３５ｎｍまで異なることが見いだされたが、これはホットエレクトロン分光および電子エネルギー分光によって測定された値との妥当な一致を見せる。サブミクロン装置の空間拘束およびｅビームリソグラフィ制限のため、オーミックリード線およびシャントの実際の分離は、図６の装置Ｃでは２０ｎｍから４０ｎｍ、図６の装置Ｂでは１０ｎｍから３０ｎｍの間で変動する。ゆえに、オーミックリード線とシャント金属との間の分離は、図６の装置Ｂではλｐよりもはるかに下回り、図６の装置Ｃではλｐと同程度以下である。したがって、サブミクロン装置（図６の装置ＢおよびＣ）内の電荷キャリアの組み合わせは、２種類のキャリアを有することになり、その１つは弾道的に移動し、他方は間隙内で拡散しながら移動する。
【００４２】
暗所において、キャリアの大部分は弾道的である。これは、ナノスケール装置の暗抵抗が巨視的装置よりも低い理由を説明している（図７参照）。レーザ放射の存在下で、オーミックリード線からシャント金属へ、そしてシャント金属から集電極へと移動する電子は、弾道的に移動する確率が低く、より多くの電子が間隙拡散的に横断させられることになる。拡散運動に加わる電子の数が増加した結果として、サブミクロンＥＯＣ装置の抵抗は、光学光子の存在下で増加する。当然ながら、半導体およびシャントを通じて拡散的に移動する追加キャリアは、光子摂動により図６の装置ＢおよびＣの抵抗の減少にも貢献することになるが、しかしこの変化は、全体的な抵抗の増加を引き起こす、弾道的キャリアから拡散運動への遷移に起因する変化によって圧倒される。
【００４３】
図６の装置Ｃに対する図６の装置Ｂの１０倍大きいＥＯＣ値もまた、類似の趣旨によるキャリアの弾道的および準弾道的横断に起因する可能性がある。オーミックリード線とシャントとの間の分離がより短い場合には、より多くの電子が弾道的に移動している；ゆえに、照射に対する応答は、小間隙装置ではより正確になる。おそらく、装置サイズが減少したＥＯＣの増加は、境界散乱によって最終的に制限されるだろう。
【００４４】
図６の装置ＢおよびＣによって示された、観測された増加光抵抗に関する本発明者らの説明は、以下のように要約されることが可能である：低バイアスにおいて、光誘起キャリアの十分な密度の導入は、弾道的から拡散輸送への遷移および対応する抵抗の増加を結果的に生じる、付加的な散乱（光イオン化トラップまたは散乱中心からの）を引き起こす。この抵抗の増加が光誘起キャリア密度（６％）およびシャントの影響による減少よりも大きい場合には、正の光抵抗が生じる。弾道的から拡散輸送への変換の正確なメカニズムは、励起および再結合メカニズムの特徴に依存することになる；しかしながら、５００および２５０ｎｍ装置の低Ｒ０は、これらが弾道的系であるという主張を裏付けており、最大照射下の２という係数に含まれる４つの全ての装置の抵抗の集中は、サイズ依存の最終拡散状態を裏付ける。
【００４５】
より従来型のメトリックを用いてＩ−ＥＯＣセンサの感度を評価するため、およびこれらを競合装置と比較するために、本発明者らはまた、最低照度で応答性ＲＶ＝ΔＶ／ΔＰを計算し、ここでΔＰは活性領域に入射するレーザ出力、ΔＶは対応する電圧変化とし、また固有検出能
【数２】
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ここでＡＤは検出の活性領域、Ｖｎは単位帯域幅あたりの実効値雑音電圧とする、計算をした。（Ｓｈａｂａｎらによる、「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎｅａｒ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｎ−ｔｙｐｅ  β−ＦｅＳｉ２／ｐ−ｔｙｐｅ  Ｓｉ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｓ  ａｔ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９４，２２２１１３（２００９）を参照されたい）。図６の装置Ｂについて、本発明者らは、４０ｄＢのＮＤフィルタを通過した後、２．５×１０−１４Ｗのレーザ出力で１６．７オームの抵抗変化を見いだした。その後、装置を流れる電流は１００ｎＡ、Ｒｖ＝６．６８×１０６Ｖ／Ｗであった。ジョンソン雑音限界において、Ｖｎは熱雑音電圧によって置き換えられることが可能であり、
【数３】
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となり、ここでＴは温度、Ｒ０は暗抵抗である。ゆえに、我々の最小サブミクロン装置では、
【数４】
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である。これは、下記の表１からわかるように、光検出器の個別アドレス指定可能画素について測定された最高値に含まれる。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
この比較において、金属−半導体−金属ＰＤはＢｒｏｚｅｌらによる「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ａｒｓｅｎｉｄｅ  ３ｒｄ  Ｅｄ．」，ＩＮＳＰＥＣ，Ｌｏｎｄｏｎ（１９９６）に記載され、Ｓｉ−ＣＣＤセンサはＨａｙｓらによる「Ｈｏｔ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  ＧａＡｓ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５４，１５７０（１９８５）に記載され、ＣＭＯＳ埋込二重接合ＰＤは当該技術分野において記載され、Ｓｉ−ＰＩＮ  ＰＤはＰａｌｅｖｓｋｉらによる「Ｌａｔｅｒａｌ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，  Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ａ  Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｇａｓ」，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，１５，１７７６（１９８９）に記載されている。
【００４８】
表１より明らかなように、メゾスコピック系において、Ｄ＊は、検出器の空間分解能限界を組み込んでいないので、メトリックとしては不十分である。このため表１において最高Ｄ＊を有する検出器は、２５０ｎｍＩ−ＥＯＣ検出器よりも２桁悪い空間分解能を有する。さらに、次善の空間分解能を有する検出器、ＭＳＭ  ＰＤは、５０倍以上大きく、２桁以上低いＤ＊を有する。また、Ｉ−ＥＯＣサブミクロン装置の動作原理は、２５０ｎｍを下回るサイズまでの装置の寸法のさらなる減少を妨げる、いかなる直接的な制限因子も示していないことにも注目すべきである。現在の半導体製造技術の出現により、５０ｎｍまでの小ささで機能的なＩ−ＥＯＣ装置を製造することができると信じられており、本発明者らは、これが画像およびその他のフォトニック用途における前例のない空間分解能をもたらすと確信している。
【００４９】
図５および図８は、本発明によるＩ−ＥＯＣナノセンサの例示的実施形態を描写している。図５のパネル（ｂ）に示されるように、図５のＩ−ＥＯＣナノセンサは、対称的ｖｄＰプレートアーキテクチャを備える非常に四角張った形状を有している。しかしながら、上述のように、長方形および円形を含むがこれらに限定されない、別の形状が採用されることも可能であろう。図５の断面図は、４０ｎｍ厚のＡｕの層および４０ｎｍ厚のＴｉの層から形成された、金属シャントを描写している。この金属シャントは、１００ｎｍ厚のＳｉドープＧａＡｓエピタキシャル層の上に堆積しており、これは８００ｎｍ厚の非ドープＧａＡｓエピタキシャル層のメサ上に存在している。図５および図８からわかるように、装置２００の半導体層２０２は、ドープ半導体層および非ドープ半導体層を含む。非ドープ半導体層（非ドープＧａＡｓエピタキシャル層であってもよい）は、基板２０６とドープ半導体層との間のバッファの役割を果たす。ドープ半導体層は、電流が発生する装置２００のための活性層の役割を果たす。この非ドープバッファ層は、適切な結晶特性を備える活性層の堆積を容易にする。半導体材料から１８０ｎｍ厚のメサを形成するために、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）が使用された。製造中、好ましくは非ドープ半導体層は、最初に置かれる。次に、ドープ活性半導体層が、非ドープ層の上に堆積される。次に、パターン領域の外側にある材料をエッチング除去して、メサが形成される。
【００５０】
半絶縁性ＧａＡｓ基板は、図５に示されるように、半導体部および金属シャント部を支持する。およそ１８０ｎｍ厚のオーミックリード線１〜４（ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ）が、図５のパネル（ｂ）および（ｃ）に示されるように、ＥＯＣ装置の半導体部と接触するように配置される。また、図５のパネル（ｃ）に示されるように、ＥＯＣ装置の上面を被覆するために、およそ５０ｎｍの窒化ケイ素層が使用されてもよい。この窒化ケイ素層は、無孔絶縁体の役割を果たし、好ましくは高誘電率を有する。窒化ケイ素層は、（ＥＯＣが細胞撮像目的のために採用される場合）ＥＯＣの表面上に細胞を堆積させるために使用されるいずれかのイオン生体液からＥＯＣ装置を電気的に絶縁する。好ましくは、この窒化ケイ素層は、二重ＥＥＣ／ＥＯＣ装置としてＥＯＣ装置を採用するために望ましければ、可能な限り薄い。ＥＯＣ装置の外面には、リード線がこのような液体と接触しないように皿状部を形成するエポキシ樹脂が埋め込まれている。
【００５１】
上記で説明されたように、金属シャントおよび半導体部の長さおよび幅寸法は、異なってもよい。たとえば、図５の実施形態において、図５のパネル（ｂ）より、金属シャント２０４の長さおよび幅はおよそ２．５μｍであり、半導体層２０２の長さおよび幅はおよそ５μｍであることがわかる。しかしながら、その他の寸法が採用されることも可能であることは、理解されるべきである。さらに、より円形に近いＩ−ＥＯＣ装置が設計される場合、装置部品に用いられる直径寸法は、図５に示される長方形設計の長さ／幅寸法と類似であってもよい。
【００５２】
本発明者らは、金属シャントとリード線との間の間隔寸法５００は、Ｉ−ＥＯＣ効果を伴って動作するようにＥＯＣ装置を調整するために使用されることが可能なパラメータであると、確信する。この間隔寸法５００は好ましくは、おおむね金属シャントの外縁と、リード線が活性半導体層に接触する金属シャントに最も近い位置との間の最短距離として測定される。図５の例において、図５のパネル（ｂ）より、この横間隔寸法はおよそ５００ｎｍであってもよいことがわかる。しかしながら、上述のように、およそ２５０ｎｍの間隔５００もまた観測されており、これらの研究は、２５０ｎｍにおいて際立ったＩ−ＥＯＣ効果を示している。活性半導体層内のキャリアの平均自由行程と同程度の間隔５００が望ましいと、信じられている。ＧａＡｓ活性層では、これはおよそ５０ｎｍの間隔５００を意味する。本発明者らは、最小間隔寸法５００が上記のように存在することを、さらに特筆する。さらに、各リード線は、金属シャントに関するその他のリード線の間隔５００とは異なる、自身の間隔５００を有することができることも、特筆すべきである。しかしながら、リード間の対称間隔が用いられることも可能なので、これは必ずしも該当する必要はない。
【００５３】
上述のように、ＥＯＣ効果からＩ−ＥＯＣ効果への遷移に影響を及ぼす可能性のあるその他の因子は、半導体部の活性層のキャリアの平均自由行程がＩ−ＥＯＣ動作に影響を及ぼすと信じられており、リード線接触の幾何学的配置、ショットキー障壁の高さ、照射の強度、および照射の波長を含む。
【００５４】
図５および図８の金属シャントはＴｉ／Ａｕから作られていたが、その他の金属が使用されてもよいことは、特筆すべきである。選択された半導体活性層を備える適切なショットキー障壁を形成するいずれの金属が使用されることも可能であると、信じられている。ＧａＡｓ活性層では、このような適当な金属は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌなどを含むが、これらに限定されない。さらに、ＩｎＡｓ、ＡｌＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＩｎＳｂなどを含むがこれらに限定されない、ＧａＡｓ以外の半導体材料が半導体層に採用されることも可能である。
【００５５】
図８は、図５の設計とはわずかに異なる寸法を有する、Ｉ−ＥＯＣナノセンサの別の例示的実施形態を描写している。たとえば、図８の設計において、センサの上面にある窒化ケイ素層は２０ｎｍ厚である。また、ＳｉドープＧａＡｓエピタキシャル層は、１１０ｎｍ厚である。さらに、第二窒化ケイ素層（およそ２５ｎｍ厚）は、リード線が半導体部のメサ部（すなわちＳｉドープＧａＡｓエピタキシャル層の上面）にのみ接触するように、リード線を半導体部と接触させるために設けられる。この第二窒化ケイ素層は、検出された電圧応答において基板および非ドープ半導体層からの光コンダクタンス的関与を回避するために、基板および非ドープ半導体層からリード線を絶縁する絶縁層の役割を果たす。オーミックリード線もまた、およそ３００ｎｍと厚めである。基板はおよそ６５０ｎｍの厚みを有する。図８はさらに、およそ１００μｍの厚みを有する両面スコッチテープを通じて金属プレートに接着されているＥＯＣ装置を示す。この実施形態では金属プレートが使用されたが、ＥＯＣ装置を支持するために、十分に剛性のいずれの支持構造が用いられることも可能であろう。
【００５６】
図５および図８に示されるものなどのＥＯＣ装置の例示的実施形態は、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）によって成長する、格子整合ＧａＡｓエピタキシャル層を用いて用意されることが可能である。活性半導体層は、ＳｉドープＧａＡｓエピタキシャル層（たとえば、移動度μ＝４４００ｃｍ２Ｖ−１ｓ−１およびキャリア濃度ＮＤ＝４×１０１７ｃｍ−３）であってもよく、底部に半絶縁性ＧａＡｓ基板を備えるバッファとしての非ドープエピタキシャル成長ＧａＡｓ層が続く。メサは、標準的な光リソグラフィおよびウェットエッチングを用いて最初に製造されることが可能である。第二に、オーミックリード線用のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ金属層が堆積されることが可能であり、４５０℃で１分間の熱アニーリングがこれに続く。リード線の４つの接触パッドはメサディスクの周囲に対称的に分布されることが可能であり、表面とのオーミック接触が実現される。次に、Ｔｉ薄膜を含む同心二重金属層が堆積され、これはショットキー界面、および電子輸送のための有効なシャントの役割を果たすＡｕ／Ｇｅ薄膜を形成するために、ＧａＡｓエピタキシャル層と密接に接触する。ＴｉおよびＡｕ金属は、金属蒸着システム内で連続的に堆積されることが可能である。オーミックリード線およびシャントのために金属を堆積する前に、サンプルをＨＣｌ：ＤＩ（１：２）溶液に５分間浸漬し、サンプルを蒸着システムに迅速に移動させることによって、表面酸化をエッチングすることが可能である。望ましければ、バイアス目的のため、追加ボンディングリード線がシャントに取り付けられることが可能である。窒化ケイ素絶縁誘電層は、プラズマ促進化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）によって装置の表面に堆積され、プラズマエッチャでエッチングされることが可能である。好ましくは、リード線と半導体との間の窒化ケイ素層は、メサが切断された後、ならびにリードおよびシャントが堆積される前に、堆積される。
【００５７】
図４、図５、および図８に関連して先に記載されたＥＯＣナノセンサは、図９（ａ）および図９（ｂ）に示されるように、多数のナノスケールＥＯＣセンサ９０２のＮ×Ｍアレイ９００を形成するために組み合わせられることが可能である。ＮおよびＭの値は、ナノスケールＥＯＣセンサの意図される使用に基づく設計選択として、本発明の実践者によって選択されることが可能である（製造能力によってのみ制限される上限を備え、たとえば、４×４、１６×１６、２×２０、６４×６４など）。たとえば、本発明者らは、現在のデジタル表示技術から判断するナノセンサマトリクス寸法は、６４０×４８０、８００×６００、１０２４×７６８、１６００×１２００、２０４８×１５３６、および３２００×２４００も可能であると考える。好ましくは、このようなアレイを製造するために、ＶＬＳＩおよびＵＬＳＩ技術が用いられる。これらのナノスケールＥＯＣセンサ９０２は、ＳｉＯ２基板などのアレイ基板１２０４上に堆積されることが可能である。基板９０４の例示的な厚みはおよそ４００μｍであるが、ただしその他の厚みが使用されることも可能である。説明しやすくするため、個別のナノスケールＥＯＣセンサの電圧および電流リード線が図９（ａ）および図９（ｂ）に示されていないことは、特筆すべきである。アレイ９００内のナノセンサ９０２のマトリクスからアドレス指定する行／列ピン配列のためのバイア設計は、特に多数のナノセンサを有するアレイについて、使用され得ることも、特筆すべきである（図１０参照）。図１０に示されるアレイ構造について、ＥＸＸセンサ９０２の４本リード線の各々は個別アドレス指定可能であり、それによってｎ×ｎアレイの４ｎ２ピン配列を生み出す。さらに、これらのリード線は、ｎ×ｎアレイの３ｎ＋１ピン配列への減少を生み出すために、選択的に組み合わせられることが可能である。
【００５８】
個別のＥＯＣセンサが基板９０４と同じ材料の基板２０６を有するように設計されている例では、基板９０４の材料は適切な基板の役割を果たすことができるので、アレイ９００上に位置するＥＸＸセンサ９０２は基板２０６を含む必要がないこともまた、特筆すべきである。しかしながら、基板材料が似ていない場合には、個別のＥＸＸセンサ９０２は好ましくは自身の基板２０６を含む（たとえば、ＥＯＣセンサ９０２がＧａＡｓ基板を有し、その一方でアレイ９００がＳｉＯ２基板９０４を有するとき）。好ましくは、アレイ９００は、ＥＯＣセンサ９０２の間に狭い間隔を呈する。たとえば、およそ５０ｎｍからおよそ１０００ｎｍの範囲内に収まる間隔値が使用されることが可能である。
【００５９】
本発明のＥＯＣセンサはＥＥＣセンサの役割も果たすことができるので、アレイ９００は、光子および電荷信号の両方を同時に（またはほぼ同時に）検出するために採用され得るという点において、二重目的であってもよいことは、特筆すべきである。このような二重用途は、極端に高い空間分解能を有する多機能画像の生成を可能にする。
【００６０】
また、アレイ９００は、ＥＯＣ／ＥＥＣセンサのみならず、上記で参照され組み込まれた特許出願に記載されるＥＭＲ／ＥＰＣ／ＥＡＣセンサなどの異なるアーキテクチャを有するその他のセンサも、含むことができる。アレイ内に多数の異なるタイプのＥＸＸナノセンサを統合することは（ＥＰＣおよびＥＯＣ／ＥＥＣナノセンサなど）、ＬＳＣのように、電荷および蛍光撮像の結果に基づく細胞の予測問い合わせのためにＨＣＳを実行可能な、スクリーニングシステムを提供するだろう。しかしながら、音響サブシステムの分解能は、光学顕微鏡法から得られるものと同等以上となり、さらにデジタル化された超音波波形の時間軸は、現在利用可能な臨床超音波システムを用いて撮像器官構造と直接的に類似の分散関係を通じて撮像されている細胞内への距離にマッピングされることが可能な情報を含むので、容積データを表すことになる（すなわち、一度に１つの焦点面に限定されない）。このタイプの器具使用は、電気泳動技術、および高分解能、低雑音蛍光撮像に内在する複雑さおよび曖昧さを伴わず、高価な高輝度光源、高精度および高分解能表面電荷測定を必ずしも必要とせずに、現在の光学顕微鏡法よりも高い分解能の、ナノスケール音響顕微鏡法に基づく、容積データの同時収集など、現在のサイトメトリ／顕微鏡法器具では得られない、いくつかの利点を提供するだろう。
【００６１】
また、アレイ９００は、好ましくは各画素が個別アドレス指定可能な、図１１（ａ）に示されるような、複数の画素１１００に再分割されることが考えられることも、特筆すべきである。各画素１１００は、１つ以上のＥＯＣナノセンサ９０２を含むことができる。たとえば、図１１（ｂ）に示されるように、画素１１００は、タイプ「Ａ」、「Ｂ」、および「Ｃ」の３つのナノセンサなど（ここでタイプ「Ａ」はＥＯＣ／ＥＥＣナノセンサに対応し、タイプ「Ｂ」はＥＰＣナノセンサに対応し、タイプ「Ｃ」はＥＭＲナノセンサに対応してもよい）、複数の異なるタイプのナノセンサ９０２を含むことができる。画素１１００に含まれる異なるタイプのナノセンサのこのような群は、ナノセンサの電圧応答に対して信号平均化技術を用いることによってアレイ９００の感度を向上させるのに役立つ可能性がある。
【００６２】
同様に、画素１１００またはその部分が別の画素１１００またはその部分と組み合わせられて合成画素を形成することは、特筆すべきである。たとえば、図１２（ａ）は、図１２（ｂ）に示される構成の４つの画素１１００の組み合わせから形成された合成画素１２００を描写している。さらに、合成画素１２００は、１種類のナノセンサのみ（たとえば、図１２（ａ）にボールド体で示されるように、これら４つの画素１２００の中で「Ａ」タイプナノセンサのみ）で作られることも可能である。繰り返しになるが、合成画素のこのような構成は、信号平均化技術を通じて感度を向上させるのに役立つことが可能である。
【００６３】
図１２（ｂ）は、直線状に配置された同じタイプの複数のナノセンサから作られ、複数の画素１１００の長さを有する、合成画素１２０２の例を描写している（たとえば、合成画素１２０２内にボールド体で示されている「Ａ」タイプナノセンサ）。図１２（ｂ）はまた、合成画素１２０２に対して直角の直線状に配置された同じタイプの複数のナノセンサから作られ、複数の画素１１００の長さを有する、合成画素１２０４の例も描写している。合成画素１２０２および１２０４のように配置された合成画素は、光信号の位相タイプ撮像、偏向された光の偏光、または採用されるナノセンサのタイプに応じて異なる音響モード（たとえば、剪断、横断、様々なプレートモード）の検出に役立つ可能性がある。
【００６４】
１つ以上の細胞などの対象物は、ＥＥＣ／ＥＯＣセンサ９０２の露出面上のアレイ９００と接触するように配置されると、そしてアレイのＥＥＣ／ＥＯＣセンサ９０２が摂動されると、様々なＥＥＣ／ＥＯＣセンサ９０２の電圧応答は、信号プロセッサを含む受信器エレクトロニクス（図示せず）によって測定、デジタル化、記憶、および処理されることが可能である。ひるがえって電圧応答の収集は、対象物の１つ以上の特徴を表す対象物の画像を生成するために、ＥＥＣ／ＥＯＣセンサの間の空間的関係に基づいて、選択的に画素化されることが可能である。単モード画像および多モードパラメータ化画像のいずれも、異なるタイプのナノセンサからの出力を登録して組み合わせることによって生成されることが可能である。アレイのＥＸＸセンサのナノスケールのため、結果的に得られる画像もまたナノスケールの分解能を呈する。さらに、各ナノスケールＥＥＣ／ＥＯＣセンサ９０２は、データ収集速度（単位時間あたりの対象物の所定領域の撮像フレーム）の増加を可能にするために、受信器エレクトロニクスによって個別にアドレス指定可能であってもよい。また、細胞の成長能力を強化してアレイ表面に接着するために、１つ以上の細胞がアレイに接触するアレイの露出面が、フィブロネクチン、ビトロネクチン、コラーゲンなどのタンパク質、あるいはポリ−ｌ−リジンまたはシランなどのタンパク質模倣物で被覆されることが可能である。
【００６５】
たとえば、多数のＥＡＣおよびＥＥＣ／ＥＯＣセンサ９０２を備えるアレイ９００を用いて、細胞がそのアレイ上に配置された後、アレイは、ナノスケール分解能を有する細胞の超音波画像が生成される元になり得るＥＡＣセンサからの電圧応答を得るために、音波によって摂動されることが可能である。同時に、アレイ９００上のＥＥＣセンサは、ナノスケール分解能を有して細胞全体の電荷の空間的分布を表す画像が生成される元になり得るＥＥＣセンサからの電圧応答を生じるために、細胞自体からの表面電荷によって摂動されることが可能である。さらにまた、細胞からの表面電荷はＥＡＣセンサを摂動しそうもなく、音波はＥＥＣセンサを摂動しそうもないので、ＥＥＣおよびＥＡＣセンサの間のクロストークは最小化されることが可能であり、細胞の多数の特徴の画像は同時に生成されることが可能である。
【００６６】
さらに、そのＥＥＣおよびＥＯＣ効果の両方について同じアレイ内の二重ＥＥＣ／ＥＯＣ装置を採用するために（ＥＥＣ／ＥＯＣアレイ内に単独であっても、別のＥＸＸ装置と組み合わせてでも）、摂動源を時系列化することによって、ＥＥＣおよびＥＯＣ応答の間のクロストーク問題を最小限に抑えることができるだろう。光源がオフのとき、そのＥＥＣ応答についてＥＥＣ／ＥＯＣ装置をサンプリングすることができるだろう。光源がオンのときには、結合されたＥＥＣおよびＥＯＣ応答をサンプリングすることができるだろう。これらの応答から、結合応答とＥＥＣのみの応答との差（すなわち（ＥＥＣ＋ＥＯＣ）−ＥＥＣ）としてＥＯＣ応答を提示することができるだろう。また、潜在的なクロストーク問題を最小限に抑えるために、位相感応検出などの付加的な信号処理技術を用いることも可能であろう。
【００６７】
ＥＥＣ／ＥＯＣセンサ９０２の摂動源は、撮像されるべき対象物自体を含む、上記で説明されたような１つ以上の外部摂動源であってもよい（特にＥＯＣおよびＥＥＣナノセンサに関して）。たとえば、近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）などのレーザ光源は、ＮＳＯＭが取り付け／適合された走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）の圧電性ＸおよびＹ運動制御によって、アレイを横断してＸおよびＹ方向に走査／駆動されることが可能な小さいサイズ（１ミクロン程度以下、およびアレイ上のＥＥＣ／ＥＯＣセンサ間の間隔よりも小さい）まで光子場を空間的に局在化するために、ＳＡＦＴ技術を用いることができる。ＥＡＣおよびＥＯＣナノセンサの両方を採用するアレイでは、いずれかのＥＡＣナノセンサを摂動するためにＳＴＭが使用されることが可能であろうが、その一方でいずれかのＥＯＣナノセンサを摂動するためにはＮＳＯＭが使用されることが可能であろう。ＮＳＯＭは、先細の金属化された光ファイバの末端にあるサブミクロンサイズの開口を通じて、適切なレーザから光を案内するだろう。近接場法は、可視領域内で５００ｎｍの小ささの横方向局在化を光子場に提供することができる。さらにまた、ＥＥＣナノセンサを摂動するための空間的に局在化された場は、先細金属化先端部をＳＴＭスキャナに実装し、先端部と基板１２０４の金属化裏面との間に周知の電圧を印加することによって得られることが可能であろう。レーザ摂動および電場摂動の両方について、印加される場の空間分解能は、それがセンサアレイの表面との近接を維持することに依存するだろう。このような近接は、ＳＴＭ（案内）先端部からの信号を通じてのＳＴＭのＺ運動のフィードバック制御によって維持されることが可能である。
【００６８】
アレイ内のＥＥＣ／ＥＯＣセンサの全てが同じ電流を受けないように、アレイ内のＥＥＣ／ＥＯＣセンサの各々が、自身のバイアス電流を受けることが可能であることもまた、特筆に値する。たとえば、アレイ内のＥＥＣ／ＥＯＣセンサ１〜１０は電流Ａを受けてもよく、その一方でそのアレイのＥＥＣ／ＥＯＣセンサ１１〜２０は電流Ｂを受けてもよい。さらなる例として、２０種類の異なる電流が、アレイの２０個のＥＥＣ／ＥＯＣセンサに送達されることもまた可能であろう。
【００６９】
図１３は、複数のＥＯＣナノセンサ９０２を含むアレイ９００がプロセッサ１３０２と通信している、例示的実施形態を描写している。プロセッサ１３０２は、光摂動に対するこれらナノセンサのＥＯＣ応答を反映する、ＥＯＣナノセンサ９０２によって生成された信号１３００を受信するように構成されている。プロセッサ９０２はその後、ＥＯＣナノセンサ９０２のＥＯＣ効果に対応するデータを生成するために、これらの信号を処理することができる。例示的実施形態において、アレイ９００およびプロセッサ９０２は、ともにカメラ（たとえば、スチルカメラおよび／またはビデオカメラ）として機能し、ここでプロセッサはＥＯＣナノセンサ９０２によって生成された信号から画像を生成する。このようなカメラは、ラップトップコンピュータおよびスマートフォンなどの携帯用計算機器を含むがこれらに限定されない、カメラが組み込まれた装置をいくつ備えてもよい独立型カメラ装置などの装置１３０４において配備されることが可能である。このような携帯用装置は好ましくは、カメラによって生成された画像データに対応する画像を表示するように構成されたスクリーンを有する。対象アレイ９００のナノスケール寸法および高分解能性能をもってすれば、図１３のアレイ９００に基づくカメラ例は、多くの従来型カメラにおいて一般的に見られるＣＣＤ画素アレイを有利に置き換えまたは補完することができる。
【００７０】
本発明の特定の実施形態が詳細に記載されてきたが、本開示の教示全体を鑑みて、これらの詳細に対する様々な変形例および代替例が開発される可能性があることは、当業者によって理解されるだろう。したがって、開示される具体的な構成は、例示目的のみであって、添付請求項にその全容が示されるべき本発明の範囲、ならびにそのいずれかのまたは全ての同等物に関して限定するように意図されるものではない。本明細書に開示される実施形態が、本明細書に開示されるおよび／または従属請求項のいずれかに記載されるような特徴の全ての組み合わせを含むことも、さらに理解されるべきである。
【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（ａ）】
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【図９（ｂ）】
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【図１０】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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