(57)【要約】分子センサシングのためのシステム及び方法を記載する。この分子センサは、電界効果型又は接合型トランジスタに基づく。これらのトランジスタは、ベース又はゲートのいずれかに接続される機能層を備えるナノピラーを有する。機能層は、分子と結合することができ、これは、このセンサ内に電気的信号を誘発する。【選択図】図３
2015530564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子センシングのための半導体構造であって、該半導体構造は、
半導体基板と、
前記半導体基板内に、第１のドープ半導体領域を含むソース領域と、
前記半導体基板内に、第２のドープ半導体領域を含むドレイン領域と、
前記ソース領域に接続されたソース電極と、
前記ドレイン領域に接続されたドレイン電極と、
前記ソース電極、及び／又は前記ドレイン電極、及び／又は前記ソース領域、及び／又は前記ドレイン領域、及び／又は前記半導体基板の少なくとも一部分を覆う絶縁層と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の基板領域を覆う酸化層と、
前記酸化層に接続するナノピラーのゲート領域と、
前記ナノピラーの上部にある機能層と、
を含む、半導体構造。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体構造において、前記ナノピラーのゲート領域の形状は、円柱状、矩形状、又はテーパ形状を含む、半導体構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体構造において、前記機能層は、２つの層、又はナノ粒子を含むマトリックス層を含む、半導体構造。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記ナノピラーのゲート領域は、シリコン、シリコン酸化物、サファイア、アルミニウム、銅、ロジウム、ガリウム、パラジウム、白金、イリジウム、Ａｇ−ＡｇＣｌ、金、及びＰｔ−ＰｔＲｕから選択された材料の上部層を通して接続される、半導体構造。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記ナノピラーのゲート領域は、その表面上の電気化学反応を直接的に促進するために使用される、半導体構造。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記機能層は、抗原捕捉のための抗体を含む、半導体構造。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記機能層は、分子に結合することができ、前記分子は、化学的及び生物学的分子を含む、半導体構造。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体構造において、前記生物学的分子は、ＤＮＡを含む、半導体構造。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の半導体構造を用いて、分子を検出するための方法であって、該方法は、
ガス及び／又は流体の溶体を供給するステップと、
前記機能層に前記溶体を接触させるステップと、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の電気信号を検出するステップと、
を含む、方法。
【請求項１０】
分子センサシングのための半導体構造であって、該半導体構造は、
半導体基板と、
前記半導体基板内に、第１のドープ半導体領域を含むエミッタ領域と、
前記半導体基板内に、第２のドープ半導体領域を含むベース領域と、
前記半導体基板内に、第３のドープ半導体領域を含むコレクタ領域と、
前記エミッタ領域に接続されるエミッタ電極と、
前記コレクタ領域に接続されるコレクタ電極と、
前記ベース領域に接続するナノピラーと、
前記ナノピラーの上部にある機能層と、
を含む、半導体構造。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体構造において、前記ナノピラーの形状は、円柱状、矩形状、又はテーパ形状を含む、半導体構造。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の半導体構造において、前記機能層は、２つの層、又はナノ粒子を含むマトリックス層を含む、半導体構造。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記ナノピラーは、シリコン、シリコン酸化物、サファイア、アルミニウム、銅、ロジウム、ガリウム、パラジウム、白金、イリジウム、Ａｇ−ＡｇＣｌ、金、及びＰｔ−ＰｔＲｕから選択された材料の上部層を通して接続される、半導体構造。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記ナノピラーは、その表面上の電気化学反応を直接的に促進するために使用される、半導体構造。
【請求項１５】
請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記機能層は、抗原捕捉のための抗体を含む、半導体構造。
【請求項１６】
請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記機能層は、分子に結合することができ、前記分子は、化学的及び生物学的分子を含む、半導体構造。
【請求項１７】
請求項１６に記載の半導体構造において、前記生物学的分子は、ＤＮＡを含む、半導体構造。
【請求項１８】
請求項１乃至８、１０乃至１７のいずれか一項に記載の半導体構造を用いて、分子を検出するための方法であって、該方法は、
ガス及び／又は流体の溶体を供給するステップと、
前記機能層に前記溶体を接触させるステップと、
前記エミッタ領域と前記コレクタ領域の間の電気信号を検出するステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
分子センサシングのための半導体構造であって、該半導体構造は、
半導体基板と、
前記半導体基板内に、第１のドープ半導体領域を含むソース領域と、
前記半導体基板内に、第２のドープ半導体領域を含むドレイン領域と、
前記ソース領域に接続されるソース電極と、
前記ドレイン領域に接続されるドレイン電極と、
前記ソース電極、及び／又は前記ドレイン電極、及び／又は前記ソース領域、及び／又は前記ドレイン領域、及び／又は前記半導体基板の少なくとも一部分を覆う絶縁層と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の基板領域に接続するナノピラーのゲート領域と、
前記ナノピラーの上部にある機能層と、
を含む、半導体構造。
【請求項２０】
請求項１９に記載の半導体構造において、前記ナノピラーのゲート領域の形状は、円柱状、矩形状、又はテーパ形状を含む、半導体構造。
【請求項２１】
請求項１９又は２０に記載の半導体構造において、前記機能層は、２つの層、又はナノ粒子を含むマトリックス層を含む、半導体構造。
【請求項２２】
請求項１９乃至２１のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記ナノピラーのゲート領域は、シリコン、シリコン酸化物、サファイア、アルミニウム、銅、ロジウム、ガリウム、パラジウム、白金、イリジウム、Ａｇ−ＡｇＣｌ、金、及びＰｔ−ＰｔＲｕから選択された材料の上部層を通して接続される、半導体構造。
【請求項２３】
請求項１９乃至２２のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記ナノピラーのゲート領域は、その表面上の電気化学反応を直接的に促進するために使用される、半導体構造。
【請求項２４】
請求項１９乃至２３のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記機能層は、抗原捕捉のための抗体を含む、半導体構造。
【請求項２５】
請求項１９乃至２４のいずれか一項に記載の半導体構造において、前記機能層は、分子に結合することができ、前記分子は、化学的又は生物学的分子を含む、半導体構造。
【請求項２６】
請求項２５に記載の半導体構造において、前記生物学的分子は、ＤＮＡを含む、半導体構造。
【請求項２７】
請求項１９乃至２６のいずれか一項に記載の半導体構造を用いて、分子を検出するための方法であって、該方法は、
ガス及び／又は流体の溶体を供給するステップと、
前記機能層に前記溶体を接触させるステップと、
前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の電気信号を検出するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本願は、２０１２年７月２５日付け出願の米国仮特許出願第６１／６７５，６３７号の優先権を主張し、その開示は、参照によりここに全てが組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、分子センシング適用の半導体構造に関する。より具体的に、本発明は、機能ゲート及び／又はベースを有するトランジスタに関する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の第１の態様によれば、分子センサシングのための半導体構造が記載され、該半導体構造は、半導体基板と、前記半導体基板内に、第１のドープ半導体領域を含むソース領域と、前記半導体基板内に、第２のドープ半導体領域を含むドレイン領域と、前記ソース領域に接続されたソース電極と、前記ドレイン領域に接続されたドレイン電極と、前記ソース電極、及び／又は前記ドレイン電極、及び／又は前記ソース領域、及び／又は前記ドレイン領域、及び／又は前記半導体基板の少なくとも一部分を覆う絶縁層と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の基板領域を覆う酸化層と、前記酸化層に接続するナノピラーのゲート領域と、前記ナノピラーの上部にある機能層と、を含む。
【０００４】
本発明の第２の態様によれば、分子センサシングのための半導体構造が記載され、該半導体構造は、半導体基板と、前記半導体基板内に、第１のドープ半導体領域を含むエミッタ領域と、前記半導体基板内に、第２のドープ半導体領域を含むベース領域と、前記半導体基板内に、第３のドープ半導体領域を含むコレクタ領域と、前記エミッタ領域に接続されるエミッタ電極と、前記コレクタ領域に接続されるコレクタ電極と、前記ベース領域に接続するナノピラーと、前記ナノピラーの上部にある機能層と、を含む。
【０００５】
本発明の第３の態様によれば、分子センサシングのための半導体構造が記載され、該半導体構造は、半導体基板と、前記半導体基板内に、第１のドープ半導体領域を含むソース領域と、前記半導体基板内に、第２のドープ半導体領域を含むドレイン領域と、前記ソース領域に接続されるソース電極と、前記ドレイン領域に接続されるドレイン電極と、前記ソース電極、及び／又は前記ドレイン電極、及び／又は前記ソース領域、及び／又は前記ドレイン領域、及び／又は前記半導体基板の少なくとも一部分を覆う絶縁層と、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の基板領域に接続するナノピラーのゲート領域と、前記ナノピラーの上部にある機能層と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
添付図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成し、本発明の一以上の実施形態を例示し、例示的な実施例の記載と併せて本発明の原理及び実施態様を説明するために用いられる。
【図１】機能ゲートを有するＦＥＴの例示的な実施形態の断面形状を示す図である。
【図２】機能ゲートに抗体が結合したＭＯＳＦＥＴの例示的な実施形態の断面形状を示す図である。
【図３】機能ゲート上の抗体に抗原が結合したＭＯＳＦＥＴの例示的な実施形態の断面形状を示す図である。
【図４】ｊＦＥＴセンサの例示的な実施形態を示す図である。
【図５】ＢＪＴセンサの例示的な実施形態を示す図である。
【図６】ＦＥＴセンサから信号を検知する回路の例示的な実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、特定の標的を検出するための電子工学分野における様々な実施形態について本発明を説明する。
【０００８】
ここで使用される用語「検出」又は「検出する」は、制限された空間部分における特定標的の存在、実体又は事実の確定を示し、制限された空間部分は、限定されないが、試料、反応混合物、又は本明細書の記載に基づいて当業者が特定可能な他の制限された空間部分を含む。検出は、定量的又は定性的でありえる。標的又は信号の量又は分量の測定（「定量化」と呼ぶ場合を含む。）について、言及し、関連し、又は関わる場合、検出は、「定量的」であり、限定されないが、その標的又は信号の量又は割合を確定するために設計された任意の分析を含む。標的又は信号の特質又は種類の識別につき、別の標的又は信号に対する定量化されない相対存在量という点で、言及し、関連し、又は関わる場合、検出は、「定性的」である。
【０００９】
ここで使用される用語「標的」は、検出される関心の分析物を示す。用語「分析物」は、物質、化合物、成分、又は構成要素を意味し、それらの存在又は非存在が、試料において検出される。分析物は、限定されないが、分子及び生体分子を含む。ここで使用される用語「生体分子」は、生物学的環境に関する物質、化合物、又は構成要素を示し、限定されないが、糖、アミノ酸、ペプチド、タンパク質、及びオリゴヌクレオチド／核酸を含む。
【００１０】
電子機器分野において、トランジスタは、電圧―電流変換器及び電流―電流変換器として使用されている。分子センシング適用において金属が化学的又は生物的薬剤によって機能化されるとき、特定の分子が、効果的に金属に結合することが知られている。場合によっては、任意の追加層がなくても、分子は、金属に結合することができる。本発明に係る方法及び装置において、トランジスタは、その端子接続部、例えばＭＯＳＦＥＴのゲート、ベース及びドレイン等を化学的又は生物的な薬剤で機能化することにより得られる非電気的な手段によって作動される。任意の数の接続部、すなわち１つだけから全てに至るまでの接続部を、機能化することができる。ナノピラートランジスタのゲート／ベースを機能させることにより、関心の生物的及び化学的な標的を検知することが可能である。
【００１１】
ナノスケール製造は、様々な形状及びサイズでのトランジスタの製造を可能にする。例えば、シリコンの形体は、高度な、高さ：幅のアスペクト比で、エッチングすることができる。１：１から１００：１までの範囲のアスペクト比を有するナノピラー構造を使用して、高度な表面領域接続部を生成することができる。高度な表面領域接続部は、分子センシング適用において、好適である。さらに、これらのトランジスタ構造の成形は、三次元形状の多様性を生み出すことができる。ある形状は、特定の分子を検知するときに、又は、特定のセンシング環境において、より効率的である。ナノピラートランジスタは、一般に当業者に公知の標準的な半導体製造技術によって、製造することができる。
【００１２】
幾つかの実施形態では、検出のために標的を捉える結合化合物は、抗体でありえる。ここで使用される用語「抗体」は、ある種類のタンパク質を意味し、その種類のタンパク質は、抗原による刺激後に活性化Ｂ細胞によって生成され、さらに生体系において免疫応答を促進する抗原に特異的に結合することができるものである。完全な抗体は、典型的には、２つの重鎖及び２つの軽鎖を含む４つのサブユニットからなる。用語「抗体」は、天然及び合成の抗体を含み、限定されないが、モノクローナル抗体、ポリクローナル抗体又は断片又は誘導体を含む。抗体に関してここで使用される用語「断片」は、抗体の任意の部分を指し、その部分は、その抗体の免疫原性の活性特性を保持する。抗体に関して使用される用語「誘導体」は、分子を意味し、その分子は、構造的にその抗体と関連し、さらに、その抗体の機能的特性を保持しつつその抗体内に存在しない機能を導く修正により、その抗体から引き出せるものである。従って、誘導された抗体、又はその任意の断片のＦａＢ若しくはｓｃＦｖは、通常、アミノ酸配列の修正により、元の抗体又はその断片とは異なり、それは、元の抗体又はその断片内に存在しない追加機能に関連する場合と関連しない場合がある。誘導体を用意し、かつ一以上の機能特性を保持する誘導体の能力を検査する方法は、当業者により特定可能である。例示的な抗体は、ＩｇＡ、ＩｇＤ、ＩｇＧ１、ＩｇＧ２、ＩｇＧ３、ＩｇＭ等を含む。例示的な断片は、Ｆａｂ  Ｆｖ、Ｆａｂ’Ｆ（ａｂ’）２  ｓｃＦＶ、単鎖抗体等を含む。モノクローナル抗体は、特異的に結合する抗体であり、それにより、「エピトープ」と呼ばれる他の生体分子の、一つの特定空間及び極性構成と相補的であると定義される。また、幾つかの形態では、モノクローナル抗体は、同じ構造を有することができる。ポリクローナル抗体は、異なるモノクローナル抗体の混合物を意味する。幾つかの形態では、ポリクローナル抗体は、モノクローナル抗体の混合物となりえ、この場合、異なる抗原性エピトープに結合するモノクローナル抗体の少なくとも２つの混合物となる。異なる抗原性エピトープは、同じ標的、異なる標的、又はこれらの組み合わせ上にあってよい。抗体は、当該分野で周知な技術によって、調整することができ、その技術は、例えば、宿主の免疫化、及び、血清の収集（ポリクローナル）又は連続的なハイブリドーマ細胞株の調整及び分泌タンパク質の収集（モノクローナル）等である。
【００１３】
ここで使用される用語「結合化合物」又は「捕捉剤」は、例えば分子結合部位の一以上の特異的結合を介して、特異的に標的に結合できる分子を示す。ここに記載される化合物は、様々な化学的性質の分子を含むことができ、様々な化学的性質の分子は、例えば、ポリペプチド（例えば、抗体又は受容体）、ポリヌクレオチド（例えば、ＤＮＡ又はＲＮＡ）、及び／又は小分子（例えば、アプタマー）、並びに本明細書の記載に基づいて当業者が特定可能な特異的結合ができる他の分子である。幾つかの形態では、抗体又は抗体断片は、検出に関して、特異的な結合又は分子の捕捉のために使用することができる。
【００１４】
幾つかの形態では、検出に関して、標的及び／又は結合化合物は、タンパク質又はポリヌクレオチドでありえる。ここで使用される用語「タンパク質」は、特定の二次元及び三次元構造を有するポリヌクレオチドを示し、それは、分析物と相互作用及び特に結合することができ、さらに、特に他の生体分子と相互作用することができ、その生体分子には、他のタンパク質、ＤＮＡ、ＲＮＡ、脂質、代謝物、ホルモン、カモカイン及び小分子が含まれる。ここで使用される「ポリペプチド」は、任意の長さのアミノ酸ポリマーを示し、完全長のタンパク質及びペプチド、並びにその類似体及び断片を含む。また、三以上のアミノ酸のポリペプチドは、タンパク質オリゴマー、ペプチド又はオリゴペプチドと呼ばれる。特に、用語「ペプチド」及び「オリゴペプチド」は、通常、５０種未満のアミノ酸モノマーを有するポリペプチドを示す。ここで使用される用語「アミノ酸」、「アミノ酸モノマー」、又は「アミノ酸基」は、２０種の天然アミノ酸、非天然アミノ酸及び人工アミノ酸のいずれをも意味し、さらに、Ｄ型及びＬ型光学異性体を含む。
【００１５】
ここで使用される用語「ポリヌクレオチド」は、二以上のモノマーからなる有機ポリマーを示し、ヌクレオチド、又はその類似体を含む。用語「ヌクレオチド」は、任意の幾つかの化合物を意味し、その化合物は、プリン又はピリミジン塩基及びリン酸基に結合されるリボース又はデオキシリボース糖からなり、さらに、核酸の基本的構造となる。用語「ヌクレオシド」は、化合物（例えば、グアノシン又はアデノシン等）を意味し、その化合物は、デオキシリボース又はリボースと組み合わされた、プリン又はピリミジン塩基からなり、さらに、特に核酸中に見出される。用語「ヌクレオチド類似体」又は「ヌクレオシド類似体」は、一以上の個々の原子が異なる原子又は異なる官能基で置換されたヌクレオチド又はヌクレオシドをそれぞれ意味する。従って、用語「ポリヌクレオチド」は、任意の長さの核酸、特に、ＤＮＡ、ＲＮＡ、類似体、及びその断片を含む。
【００１６】
図１は、機能ゲートを有するナノピラー金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の実施形態を示し、これは、分子センサシング１００に使用することができる。半導体センサ１００は、標準的なＣＭＯＳ製造技術、並びにピンチオフ酸化及びドーパンドの電子ビームアニールにおける革新的技術を使用して製造することができ、それらの技術は、当業者に公知である。
【００１７】
図１の構造１００は、半導体基板１０５上に製造することができる。基板１０５には、例えば、シリコン基板を使用することができるが、当業者により理解されるような他の基板も使用することができる。構造１００は、ソース１１０及びドレイン１１２を含む。ソース１１０及びドレイン１１２は、例えば、基板１０５をドーピングすることにより、製造してもよい。ソース１１０及びドレイン１１２は、ソースのための電気的相互接続部１１４及びドレインのための電気的相互接続部１１６により、電気的に接続することができる。例えば、コンタクト１１４及び１１６は、金属を用いて製造してもよい。
【００１８】
パッシベーション層１２０は、コンタクト１１４及び１１６の不要な電気伝導を防ぐ。絶縁層１２２は、絶縁目的のために、基板１０５を囲ってもよい。例として限定ではないが、シリコン基板を用いる場合、絶縁層１２２は、シリコン酸化物であってよい。
【００１９】
ＭＯＳＦＥＴセンサのゲート構造１３０は、別の形状を有していてもよい。図１の例は、例示として表しているため、他の形状も使用することができる。用途に応じて、異なる高さ：幅のアスペクト比を、使用してもよい。ゲート１３０は、例えばシリコン基板を用いた場合のシリコン酸化物のために、絶縁層１３５によって、囲まれてもよい。
【００２０】
構造１００は、機能層１４０を含むことができる。このような層は、異なる組成を有することができる。機能層１４０は、単一金属層で構成することができ、同じ分子が機能的に金に結合することが当該分野において公知のように、例えば、金の単一金属層で構成することができる。他の機能層を使用することができ、その他の機能層は、分子のより広い又はより狭い範囲に結合できる。関心の分子は、窒素のようなガス、並びに、バイオセンシング適応において関心の生体分子、例えば、ポリヌクレオチド又はタンパク質、を含む。機能層１４０は、単一層、又はナノ粒子を含むマトリックスのような複合層、又は二重層のような多層構造であってよい。
【００２１】
別の例において、ＤＮＡは、機能層上の金又は白金ナノ粒子に結合することができ、タンパク質の特異的な捕捉に使用することができる。これは、チオールリンカーを介して、ＤＮＡ又はＲＮＡを、金又は白金の表面に固定する処理によって行うことができ、この処理は、当業者にとって既知である。核酸の表面固定化は、タンパク質に結合している特異的な核酸を捕捉するために、バイオセンサー分析として使用されてもよく、又は、層に結合される核酸が一本鎖である場合には、それは、液体中のハイブリダイゼーションパートナーに結合するために使用することができる。標的分子が機能層に結合するとき、分子の結合に起因する電圧信号は、回路内の信号電流を誘発し、これは、当業者に理解されえる。特異的なタンパク質の結合の検査は、疑義のタンパク質の結合特性を確認するために、層に結合された異なる長さの特異的なＤＮＡを使用することにより、分析することができる。
【００２２】
標的分子が機能層１４０に結合するとき、電荷が、ゲート１３０に誘発され、ゲート酸化膜１３５下に反転チャネルの形成をもたらす。ゲート酸化膜１３５は、電気的に、基板１０５、ソース１１０及びドレイン１１２からゲート１３５を絶縁する。ゲート１３５下に反転チャネルの形成をもたらすメカニズムは、ＭＯＳＦＥＴの標準動作モードと似ており、これは、当業者に周知である。
【００２３】
ゲート１３０の機能層１４０での標的分子の濃度を調整することにより、ソース１１０からドレイン１６０への電流範囲を変えることが可能である。このようにして、関心の分析物における標的分子の濃度を、検出又は増幅することが可能である。従って、例えば、液体又はガス中の分子の濃度を検出することが可能になりえる。
【００２４】
図２は、ゲート上に抗体機能層を有する図１の構成の例示的な実施形態を示す。抗体２０５は、機能ゲート電極２１０に結合される。
【００２５】
図３は、抗原捕捉の例示的な実施形態を示す。抗原３０５は、機能層３１５上の抗体３１０に結合する。抗原３０５が機能層３１５上の抗体３１０に結合するとき、電荷が、ゲート３２０に誘発され、ゲート酸化膜３３０下に反転チャネルの形成をもたらす。このような方法によって、電気信号は、ＭＯＳＦＥＴ内に反転チャネル３２５の形成を通じて誘発され、この電気信号は、機能層３１５上に分子が結合したことを示す。
【００２６】
図４は、他の例示的な実施形態を示し、ここでは、ナノピラートランジスタ４００は、ゲート酸化物を有しない。この実施形態では、ピラーヘッド４０５と基板４１０の間の電界により、ソース４１５からドレイン４２０への電流を調整することができる。周知のように、この動作モードは、接合型電界効果トランジスタ（ｊＦＥＴ）に似ている。このようなトランジスタは、本発明の他の実施形態と同様に、標的検出のための生物的及び化学的抗体を用い、機能層４２５を介して、機能化することができる。
【００２７】
図５は、さらなる例示的な実施形態を示し、ここでは、センサ５００は、機能ベース電極を有するナノピラーバイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ）に基づく。この構成において、当業者に周知のように、エミッタ５０５、ベース５１０、及びコレクタ５１５は、バイポーラ接合型トランジスタを形成する。例えば、エミッタ５０５は、ｎ型ドープ半導体であることができ、ベース５１０は、ｐ型ドープ半導体であることができ、及び、コレクタ５１５は、ｎ型半導体であることができる。エミッタは、電気的に、例えば金属である、コンタクト５２０により接続され、一方、コレクタは、コンタクト５２５により接続される。ナノピラー５３０は、ベース５１０に接続される。機能層は、図３に示すような、本発明の他の実施形態と同様に、動作することができる。機能層５３５は、ナノピラー５３０の上部、又は両側に製造することができる。ナノピラーは、異なる形状、限定されないが、矩形状、円柱状、及びテーパ形状を有することができる。標的分子が機能層５３５により捕捉されると、電流はベース領域５１０に注入され、これにより、ＢＪＴは、順方向アクティブ状態で動作することができる。従って、電気信号は、機能層５３５上に特定の標的分子が存在することを示す。
【００２８】
本明細書に記載の実施形態において、分子が図５の層５３５又は図３の層３１５のような機能層により捕捉されるとき、電極は、電気信号を誘発する。この電極は、様々な金属から構成することができ、シリコン、シリコン酸化物、サファイア、銅、ロジウム、ガリウム、パラジウム、白金、イリジウム、Ａｇ−ＡｇＣｌ、及び金を含む（これに限定されない）。電極材料の最適な選択によって、関心の標的分子の電気的検出が可能になり、標的分子に対する化学的及び生物学的薬剤の選択的結合が可能になる。代替的に、ゲート電極材料は、その表面上の電気的化学反応を直接的に促進するために、使用することができる。例えば、Ｐｔ−ＰｔＲｕゲートコンタクトは、メタノールの酸化／還元の特性を示すために、使用することができる。
【００２９】
本明細書に記載の方法は、検出の他の形式を可能にするために、拡張することができる。例えば、本明細書に記載された機能層の化学的及び生物学的薬剤の結合は、異なる標的分子の検出のために使用することができ、グルコース検出のための炭化水素基、メタノール検出のための炭化膜、及びＨ３Ｏ＋及びＨ＋検出のための化学的構造を含む（これに限定されない）。
【００３０】
他の実施形態において、機能層は、χ選択的（chi-selective）及びε選択的(epsilon-selective)材料を含む。さらに、本発明の方法は、標的分子の種々の磁気的及び電気的検出のために、使用することができる（例えば、ヘモグロビン、ＤＮＡ）。
【００３１】
一実施形態において、ナノピラーＭＯＳＦＥＴトランジスタの構造は、モノクローナル抗体を有するゲート電極の機能化に関わる。これらの抗体は、エポキシド化学作用を用いて、ゲート電極に結合される。抗原捕捉が発生した場合、抗体に立体構造の変化が生じる。ゲートへの標的抗原の近接に関連する、この立体構造の変化により、ゲート電極に電荷が誘導される。この電荷は、ゲート酸化膜下のチャネルを形成し、ＭＯＳＦＥＴをオンさせる。
【００３２】
限定ではなく例として、さらに、図２及び図３の機能層に付着した抗体は、最初に特定の分子の結合に対し特異的である特異的抗原に結合することにより、間接的に標的を捕捉するために使用することができる。特定の分子の結合に対して特異的である抗原は、機能層上の抗体に結合するとき、特定の分子の結合に影響されない複数の結合部位を持つことができる。上述の関心の分子は、特異的な核酸配列であってよく、例えば、ＤＮＡ又はＲＮＡ配列の一部、又は関心の特定のタンパク質であってよい。抗体に結合する抗原が関心の特異的分子を捕捉すると、抗原に立体構造の変化が生じ、その立体構造の変化は、結合した抗体に変換され、結果として、ゲート電極に電荷を誘発し、それによって、ゲート酸化膜下にチャネルを生成し、ＭＯＳＦＥＴをオンさせる。限定ではなく例として、転写因子のようなＤＮＡ結合タンパク質は、特異的なＤＮＡ配列を捕捉するために、抗体に結合させることができる。
【００３３】
ナノピラートランジスタの製造は、完全にＣＭＯＳ互換性があり、当業者に周知のとおり明らかな利点があり、例えば、単一半導体基板上に、機能トランジスタと通常のトランジスタの集積を可能にする。例えば、機能ナノピラーＦＥＴは、小信号ゲート電圧を大信号電流にするために、ＣＭＯＳトランジスタと接続させることができる。本実施形態を実現する例示的な回路が、図６に示されている。図６において、機能ゲートｐチャネル型電界効果トランジスタ６０５が示されている。ソース電圧６１０及びドレイン電圧６１５の供給により、回路６００は動作する。
【００３４】
標的分子がトランジスタ６０５の機能層に結合すると、分子の結合に起因する電圧信号が、当業者によって理解されるように、回路６００に信号電流を誘発する。ナノピラートランジスタは、ＣＭＯＳ製造技術と互換性を持つことができるため、単一半導体基板上に、機能トランジスタと通常の電子機器のモノシリック集積が可能である。
【００３５】
上記の実施例は、本発明の全範囲の実施形態の作成方法及び使用方法における完全な開示及び説明のために、当業者に提供され、本発明者らがその発明とみなす事項の範囲を限定するように意図されるものではない。
【００３６】
ここに開示された方法及びシステムを実施するための上記記載の様式の修正が、当業者にとって明らかであり、次の特許請求の範囲内であることが意図される。明細書において言及される全ての特許及び刊行物は、当業者の技術レベルを指示する。本明細書において引用される全ての参考文献は、各文献が個々にその全体が参照により組み込まれたかのように、参照により同程度に組み込まれる。
【００３７】
本発明は、特定の方法及びシステムに限定されないことが理解され、当然、変更することができる。また、ここで使用される技術は、特定の実施形態のみを記載する目的のためであり、限定を意図するものではないことが理解されるべきである。本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用されるように、「ある」、「一つ」、及び「前記」は、要旨が明らかに指示しない限り、複数の指示物を含む。用語「複数」は、特に明示されない限り、二以上の指示物を含む。別段で定義されない限り、ここで使用される技術及び科学用語は、当業者によって通常に理解されるようなものと、同じような意味を有する。
【００３８】
本発明を多くの実施形態について記載したが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正をすることができるということが理解されたい。従って、他の実施形態が、次の特許請求の範囲に含まれる。
【図１】
2015530564.tif 000003
【図２】
2015530564.tif 000004
【図３】
2015530564.tif 000005
【図４】
2015530564.tif 000006
【図５】
2015530564.tif 000007
【図６】
2015530564.tif 000008
【国際調査報告】
2015530564.tif 000009
2015530564.tif 000010
2015530564.tif 000011