(57)【要約】【課題】  多種多様な化学種や生物種を、安価に、確実に、高速で検出することができる分子センサを提供する。【解決手段】  本発明の分子センサは、検出面（114）を有する半導体（112）と、半導体の表面光起電力の変化を検出する回路（126）とからなることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出面（114）を有する半導体（112）と、
前記半導体の表面光起電力の変化を検出する回路（126）と、
からなる分子センサ。
【請求項２】
半導体バンドギャップよりも高いか、又は半導体バンドギャップに等しい光子エネルギーの光（120）で前記検出面（114）を照らす光源（118）をさらに含む請求項１に記載の分子センサ。
【請求項３】
特定の種類の分子と前記検出面（114）の間の相互作用を強める波長を有する追加照射で前記検出面（114）を照らす第２の光源（130）をさらに含む請求項２に記載の分子センサ。
【請求項４】
特定の種類の分子と前記検出面（114）の間の相互作用を強める手段（128）をさらに含む請求項１に記載の分子センサ。
【請求項５】
前記検出面（114）上の機能被覆（128）をさらに含む請求項１に記載の分子センサ。
【請求項６】
前記検出面（114）及び前記回路（126）と電気的に連絡する電極（122、210）をさらに含む請求項１に記載の分子センサ。
【請求項７】
前記電極（210）が格子状であり、かつ前記検出面（114）と接触している請求項６に記載の分子センサ。
【請求項８】
前記電極（122）が、前記半導体（112）から間隔をもって設けられて前記半導体（112）に容量結合され、前記電極（122）が、前記検出面（114）における分子の相互作用を妨害することなく、前記回路（126）が、前記電極（122）と前記半導体（112）の間の容量を測定する請求項６に記載の分子センサ。
【請求項９】
交流光プローブで前記検出面（114）を照らす光源（130）をさらに含み、前記回路（126）が、交流基準起電力を発生し、前記交流基準起電力に対応する周波数の信号を強める請求項１に記載の分子センサ。
【請求項１０】
前記光起電力を検出した後に、前記検出面（114）を回復する手段（310、410、412）をさらに含む請求項１に記載の分子センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面光電圧法に基づき分子を検出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
化学センサは、重傷者管理、安全性、産業衛生、工程管理、製品品質管理、人的快適制御、排出物の監視、自動車の診断、臨床診断、家庭用安全非常信号のような用途において利用されている。バイオセンサは、医薬及び食品管理から環境監視にわたる範囲の用途において利用されている。ごく最近では、化学センサやバイオセンサは、国土安全保障に対しても利用されている。
【０００３】
従来の化学センサやバイオセンサは、通常、特定の物理現象又は化学現象に基づいて設計されており、それゆえ、ただ１つの分子、又は小グループの分子しか検出することができない。したがって、様々な分子が存在するかもしれない環境において検出を行うには、費用がかかっても、異なる物理現象又は化学現象にしたがって動作し、応答時間、信頼性、精度が異なる様々なセンサを適用することが必要である。
【０００４】
多種多様な化学種や生物種を、安価に、確実に、しかも高速で検出することができるように容易に適合可能なただ１つのプラットフォームセンサを持つことが望ましい。国土安全保障の用途において、このような検出を、リアルタイムで実行することも望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、多種多様な化学種や生物種を、安価に、確実に、しかも高速で検出することができるように容易に適合させることができるただ１つのプラットフォームセンサの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一局面によれば、分子の検出は、半導体の表面を分子に曝し、その半導体の表面光起電力又は表面光電圧の変化を検出することによって行われる。化学センサやバイオセンサは、このような検出に基づき動作する。
【０００７】
本発明の他の局面及び利点は、例示として本発明の原理を図示した添付図面と関連する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、表面光起電力を利用して分子を検出することに関する。分子の検出は、分子に半導体（112）の表面（114）を曝し、その半導体の表面光起電力又は表面光電圧の変化を検出すること（126）により実施される。化学センサ及びバイオセンサはこのような検出に基づく。本発明によれば、多種多様な化学種や生物種を、安価に、確実に、しかも高速で検出することができるセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、分子センサ110は、検出面114及び、検出面114に対向する基準面116を有する半導体112を含む。半導体112は、いかなる特定の形状にも限定されない。例えば、半導体112は、厚板の形状を有していても良い。半導体112は、零ではない電位の表面障壁を示す検出面114を画定する材料を、１つ又は複数含むことがある。多くの一般的な半導体は、すなわち単元素半導体（シリコン、ゲルマニウム、炭素）及び化合物半導体（ガリウム砒素、インジウムリン、ガリウムリン）どちらも、このような性質を示す。したがって、半導体112は、ただ１つの半導体材料、化学的に異なる半導体材料の積層体（例えば、１つ又は複数のヘテロ接合を含む）、材料は同一であるが、電気的性質が異なる半導体の積層体（例えば、p/p+接合、n/n+接合、p/n接合）などを含む。
【００１０】
半導体112は、半導体112の結晶構造によって決まるエネルギーのもっとも高い価電子帯（Ｅｖ）及びエネルギーのもっとも低い伝導帯（Ｅｃ）を有し、またＥｃとＥｖとの差に等しいバンドギャップを有する。（これらのバンドの切れ目は、半導体112が２つ以上の材料を含んでいるであろうことを示している）。半導体112の検出面114及び基準面116の付近に発生するバンドの曲がりは、結晶終端面による周期摂動の当然の結果である。この周期摂動に基づく真性表面電荷が、検出面114及び基準面116の付近に、このようなバンドの曲がり及び対応する空間荷電領域を導く。この表面電位障壁（ＶSENS及びＶREF）は、検出面114及び基準面116でのバンドの曲がりの大きさを表わしている（ＶSENS及びＶREFは、図１に示すエネルギー障壁ｑＶSENS及びエネルギー障壁ｑＶREFに対応する）。表面電荷及び対応する表面電位障壁（ＶSENS及びＶREF）は、さらに帯電吸着化学種や、半導体表面と周囲の化学種の間の相互作用の副次的結果のような外部の要因によって変化することがある。
【００１１】
さらに分子センサ110は、分子センサ110の動作の間、検出面114を照射する光源118を含む。光源118の光子エネルギーは、検出面114の付近で、半導体バンドギャップよりも高いか、又はそれに等しい。光源118からの光120が検出面114に入射すると、検出面114の付近に、非平衡の電子−ホール対（電荷キャリヤ）が発生する。これらの電荷は、検出面114での表面電位障壁ＶSENSが低下し、また照射された状態と照射されてない状態の間の測定可能な電位差（ＶSENS-dark−ＶSENS-light）が大きくなるように、半導体112の表面領域内の電位分布を変化させる。この電位差は表面光電圧（SPV）と呼ばれる。この光の強度を強くすると、検出面114での電位障壁（ＶSENS）がさらに低下する。この光の強度が充分強いときには、検出面114での電位障壁（ＶSENS）が零になり、それによって表面光起電力ＶSPVが最大値となる。この最大値はＶSENS-darkに相当する。
【００１２】
したがって、SPVが測定される場合には、その測定されたSPVは、ＶSENS-darkの高さに一致し、さらに、その高さは、固有の半導体特性、並びに周囲の化学種又は検出面上に物理吸着された化学種との表面反応の副次的結果のような検出面障壁を変化させる外的要因に関連づけられている。
【００１３】
分子センサ110は、検出面114を分子に曝して（例えば、検出面114をガスに曝して、検出面114を液体に曝して）、表面光起電力又は表面光電圧（SPV）を検出しながら、適切な強さの光子流束を検出面114に照射することによって作動される。ある種の分子は、曝された検出面114と反応する。例えば、ある種の分子は、検出面114に、安定した化学結合を形成するか、又は物理吸着によって吸着される。
【００１４】
これらのある種の分子は、正味電荷を運ぶか、又は半導体112中において、その検出面114の付近で、この正味電荷を変化させ、したがって、SPVを変化させる非対称電荷分布を分子中に示す。このSPVの変化を検出して、利用することによって、これらのある種の分子の存在を認識することができる。例えば、第１の種類の分子は表面障壁を高めることができるが、一方第２の種類の分子はその表面障壁を低下させる。
【００１５】
SPVに関係のある信号は、非接触電極122を利用することによって検出することができる。非接触電極122は、検出面114への容量結合を容易とするのに十分短い距離であるが、分子と検出面114の間の相互作用をとぎれさせることがないようにするのに十分長い距離をもって検出面114の上方に吊り下げられている。非接触電極122は光120に対して透明とすることもでき、したがって、非接触電極122を介して光120を検出面114に照射することができる。代替的には、非接触電極122を光120に対して不透明とすることもでき、そのような場合、非接触電極122と検出面114の間の隙間に、光120を斜めに向けることによって検出面114を照射することができる。
【００１６】
基準面116に接触している基準電極124も使用される。交番光変調は、SPV信号がロックインアンプ126によって検出される際に、感度を高めることができる。典型的なロックインアンプ126は、交流基準電源、前置増幅器、同期復調器と、その後に続くローパスフィルタを含む。SPV信号は、初めに増幅されて、次に同期復調器に送り込まれる。同期復調器は、基準SPV信号と測定SPV信号を掛け合わせ、交流基準起電力に対応する周波数の信号を有意に強め、同時にローパスフィルタは、同期復調器の出力側にあるノイズを除去する。
【００１７】
図２は、非接触電極に代る別法を示す。SPV信号は、検出面114上に付着されている電極210を利用することによって検出される。分子及び光が検出面114と自由に相互作用できるように、電極210は検出面114を遮ってはならない。電極210を、検出面114上の格子状の導体とすることができ、その場合、一部の領域は導体で覆われ、また他の領域は胴体で覆われずに分子及び光の相互作用を自由に受ける。
【００１８】
SPV信号強度は、検出面114の面積に応じて増減する。したがって、分子に曝される広い表面領域を使用することによって、高いセンサ感度を達成することができる。
【００１９】
SPV信号の強度は、検出面114付近での分子の数に依存するので、検出されている分子が単一の化学種である場合に、SPV信号は分子密度を示すように校正することができる。Ｘ線光電子分光法（XPS）のような物理的手法を利用して、検出面114上の分子の数を比較的正確に決定することができる。
【００２０】
図１に戻って、センサ110の選択性をいくつかの種類の分子にまで高める様々な方法がある。一方法は、検出面114上に機能被覆128を使用することである。機能被覆128は、検出面114に配置される媒介化学種の単分子層（又は単分子層に近い層）とすることができる。機能被覆128は、ＶSENS-darkを変化させないか、又は検出面114において、予測可能でありかつ安定したやり方で、検出面の電位障壁（ＶSENS）を変化させ（機能被覆128が、予測可能でありかつ安定したやり方で、表面障壁を変化させる場合には、この検出された化学種の最終的な定量化に対する影響を明らかにすることができる）、同時に、検出面114とその選択された分子（１つ又は複数）のみとの相互作用を促進し、他の分子が、検出面114と相互作用しないようにし、さらに他の望ましくない表面相互作用からの干渉を低減することができる。したがって、機能被覆128は、この検出方式を特定分子向けとすることができる。
【００２１】
機能被覆の組成の一例として、アビジン／ストレプトアビジン−ビオチン系を挙げることができる。通常、アビジン又はストレプトアビジンは、検出面114での吸着作用により不動化され、次にビオチン基で機能化された生体分子は、強い親和力で検出面114に付着される。代替的には、まず最初に、ビオチンを検出面114上で不動化し、次に検出面114を利用して、アビジン又はストレプトアビジンを検出することができる。別の例としてDNAハイブリダイゼーションがある。単一鎖DNAは、その相補的な単一鎖DNA分子が検出面114に曝されると、検出面114上で不動化され、それによって二重螺旋DNAが極めて高い選択性をもって形成される。
【００２２】
選択性を高める他の方法は、半導体材料の適切な選択による。様々な半導体を使用して、検出面114と選択された分子の間で所望の相互作用を得ることができる。それに加えて、又は代替的に、結晶方位を適切に選択することによって選択性が高められる場合がある。例えば、無機塩基と酸を検出する際、シリコン半導体の＜１００＞の結晶方位又はシリコン半導体の＜１１０＞の結晶方位よりも、シリコン半導体の＜１１１＞の結晶方位に対してSPV信号のより強い変化が観測されている。
【００２３】
分子センサ110の選択性は、光源118によって与えられる一次照射に加えて、二次照射によって検出面114を照射することによって高めることができる。第２の光源130によってもたらされる二次照射により、特定の種類の分子の電荷分布が一次照射と無関係に変化する。さらに、電荷分布の変化はSPVの変化を変更する。二次照射は、検出面114上の分子と相互作用するが、（適切な条件のもとで）半導体112内のバンドの曲がりを直接変化させない。二次照射は、存在するかもしれない他の分子に対応するエネルギーは除外して、特定の種類の分子に対応するエネルギーを含む充分に狭い範囲のエネルギーを含まなければならない。
【００２４】
SPV信号の解釈は、SPV測定の間、二次照射をオン、オフと切り換えることによって単純化することができる。例えば、検出面114上に、第１のタイプの分子及び第２のタイプの分子が存在するが、さらに第２の照射で検出面114を照射すると、第１の分子だけがSPV信号を変更する性質を有する。第２の照射を利用して又は第２の照射を利用することなく行われる測定は、双方の分子が存在するかどうか判定するのに役立つことがある。SPV信号を適切に校正することによって、分子の種類を定量化することができる。
【００２５】
分子センサ110は、表面光起電力を検出した後、検出面114をリフレッシュ、回復することによって再使用できる。吸着されたか、又は表面で反応した分子を除去し、その表面電荷をもとの状態に戻す。これは、様々なやり方で達成することができる。分子センサ110に近接する発熱体を利用して、すべての表面化学種が解放される温度まで半導体温度を上昇させることができる。例えば、発熱体310は電極124と接触させて配置される（図３を参照）。代替的には、UV光源410（例えばUV-LED）を利用して、表面化学種を活性化し、強制的に表面化学種を検出面114から離れさせることができる（図４を参照）。さらに、ガス412を吹き付ける（これも図４に示す）か、又は検出されるべき化学種を含まない液体（すなわち不活性周囲化学種）を流し掛けることにより、検出面114の付近から解放された化学種を洗い流すことができ、それによって、それらの化学種の再吸着と繰り返される表面反応を防止することができて、表面電位を十分に安定したバックグラウンドレベルに戻すことができる。
【００２６】
次に図５を参照するが、図５は、分子センサ514のアレイ512を含むシステム510を示す。それぞれの分子センサ514は、上述の形式のセンサとすることができる。しかしながら異なる分子センサ514に、異なる感度を持たせ、また異なる種類の分子を感知させることができる。異なる分子センサ514を異なる半導体材料から形成することができ、又は異なる分子センサ514を同一の半導体材料から形成し、その結晶方位を異ならせることができる。それに加えて又は、代替的に、異なる分子センサ514は異なる機能被覆を有することができ、あるいは機能被覆（同一又は異なる）が施された分子センサ514もあり、一方、機能被覆が施されてない分子センサ514もある。
【００２７】
異なる分子センサ514からの信号を数学的に組み合わせることによって、センサアレイ512は、様々な異なる分子を同時に検出することができる。計算法を利用して化学種を区別することができ、機能被覆の選択性に対する要件を低減することができ、かつ欠陥許容誤差が増大させることができる可能性がある。例えば、検出される混合物に、第１の化学種及び第２の化学種が含まれ、しかも機能被覆によって、第１の化学種が第２の化学種よりも容易に検出面114に付着する場合には、第２の化学種に対する第１の化学種の比率に応じてSPVを、組合せ解析と組み合わせて測定することにより、一連の校正試験を実施することができる。校正された信号は、第２の化学種に対する第１の化学種の量を示すことがある。
【００２８】
単一の半導体材料に機能被覆を利用する場合には、単一の光源でセンサ514を照射することができる。異なる半導体材料を使用する場合には、異なる波長の光を発生させる複数の光源を使用することができる。
【００２９】
図６を参照するが、図６はハイブリッド検出システムを製造する方法を示す。この方法は、基板を形成するステップ（610）、検出回路を形成するステップ（612）、半導体を形成するステップ（614）を含む。半導体は検出回路上に形成されない。検出回路は、SPVの変化を検出することに加えて、センサの他の機能を制御する（例えば、照射を制御し、検出面114を回復する手段を制御するなど）ように設計することができる。この方法はさらに、基準電極と検出電極を形成するステップ（616）と、基板上に半導体（電極の付いた）と検出回路を組み立てるステップ（618）を含む。検出面114を照射に曝す光学窓は、検出面114を自由に分子に曝す通路と同じように形成される（620）。光学素子と光源（１つ又は複数）を追加する（622）。光学素子は、光源（１つ又は複数）からの照射を検出面114に向ける。
【００３０】
図７を参照するが、図７は一体式の検出システムを製造する方法を示す。半導体を形成する（710）。一体式の検出システムの半導体は、ハイブリッドシステムの基板と半導体を合わせ持つ。半導体中に検出回路を形成し（712）、半導体の一方の面に接触させて後部電極を形成し（714）、さらに半導体の対向する面上に又はその面のすぐ近くに検出電極を形成する（716）。その結果得られる構造体を実装し（718）、そのパッケージ中に光学窓と通路を形成し（720）、光学素子と光源（１つ又は複数）を追加する（722）。
【００３１】
したがって、本発明により開示されているセンサは、選択された生物種や化学種の存在をリアルタイムで検出できるセンサである。このセンサは、広範な化学種や生物種を選択的に検出可能である。
【００３２】
本発明のセンサは、比較的安い費用で製造可能な単純な設計を有する。本発明のセンサは、確立されている半導体製造技術を利用して製造可能である。このセンサは、寸法が小さく、電子回路と一体化することができる。
【００３３】
また本発明のセンサは、その表面をリフレッシュ、回復することができるため、再使用が可能である。再使用できることから、維持費用を低減することができる。
【００３４】
本発明のセンサは、いかなる特定の用途にも限定されない。国土安全保障用の化学的及び生物的な検出は、ほんの１つの用途にすぎない。
【００３５】
本発明のいくつかの特定の実施形態を開示し、図示したが、本発明は、そのように開示され、かつ図示された部分の特定の形態又は配置構成には限定されない。その代わりに、本発明は、併記されている特許請求の範囲の記載によるものと解される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態による分子センサを示す図である。
【図２】分子センサ用の異なる電極構造を示す図である。
【図３】分子センサを回復する異なるやり方を示す図である。
【図４】分子センサを回復する異なるやり方を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による分子センサのアレイを含むシステムを示す図である。
【図６】本発明の異なる実施形態による分子センサアレイを製造する方法を示す図である。
【図７】本発明の異なる実施形態による分子センサアレイを製造する方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１０  分子センサ
１１２  半導体
１１４  検出面
１１８  光源
１２０  光
１２２、２１０  電極
１２６  回路
１２８  機能被覆
１３０  第２の光源
３１０、４１０、４１２  検出面をリフレッシュする手段
【図１】
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【図２】
2005091361.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005091361.tif 000007
【図６】
2005091361.tif 000008
【図７】
2005091361.tif 000009