(57)【要約】【課題】  従来よりも蛍光の検出感度が高く、高感度の蛍光検出装置を実現する。【解決手段】  本発明の蛍光検出装置１００は、検体１３を含む流体の通液路をなすマイクロチャネル４と、検体１３に励起光１１を照射することにより検体１３から出射される蛍光１４を検出するフォトダイオード部４０とを備え、フォトダイオード４０の空乏層１２が、マイクロチャネル４と同一平面に設けられている。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検体を含む流体の通液路をなすマイクロチャネルと、上記検体に励起光を照射することにより上記検体から出射される蛍光を検出する受光素子とを備えた蛍光検出装置において、
上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルと同一平面に設けられていることを特徴とする蛍光検出装置。
【請求項２】
検体を含む流体の通液路をなすマイクロチャネルと、上記検体に、上記マイクロチャネルの上方から励起光を照射することにより上記検体から出射される蛍光を検出する受光素子とを備えた蛍光検出装置において、
上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルに対し、上記光源から出射される光の光軸方向と直交する方向に備えられていることを特徴とする蛍光検出装置。
【請求項３】
上記マイクロチャネル及び上記受光素子の受光部は、半導体材料からなる層が少なくとも２層積層されてなる積層体における同一層内に形成されているとともに、
上記マイクロチャネルは、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層と隣接する下層の表面に到達する深さに形成されており、かつ、
上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層と隣接する下層は、上記マイクロチャネルを透過した励起光によって、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層よりも下層で生成された正孔及び電子が、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層に拡散することを防止する拡散防止層であることを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光検出装置。
【請求項４】
上記拡散防止層は、比抵抗が０．０００１Ω・ｃｍ以上、０．０１Ω・ｃｍ以下の高濃
度不純物層であることを特徴とする請求項３に記載の蛍光検出装置。
【請求項５】
上記拡散防止層は、酸化膜であることを特徴とする請求項３に記載の蛍光検出装置。
【請求項６】
上記受光素子はフォトダイオードであり、上記マイクロチャネルとフォトダイオードの受光部とが同じ半導体材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光検出装置。
【請求項７】
上記受光素子はフォトダイオードであり、
上記マイクロチャネル及び上記フォトダイオードの受光部は、ｎ＋シリコン層上に形成されたｎ−シリコン層に形成されているとともに、
上記マイクロチャネルは、上記ｎ＋シリコン層の表面に到達する深さに形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光検出装置。
【請求項８】
上記ｎ−シリコン層の比抵抗が１００Ω・ｃｍ以上、２０００Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の蛍光検出装置。
【請求項９】
上記受光素子はフォトダイオードであり、
上記マイクロチャネル及び上記フォトダイオードの受光部は、シリコン層上に、埋め込み酸化膜、表面シリコン層がこの順に積層されたＳＯＩ基板における上記表面シリコン層に形成されているとともに、
上記マイクロチャネルは、上記埋め込み酸化膜の表面に到達する深さに形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光検出装置。
【請求項１０】
上記表面シリコン層の比抵抗が１００Ω・ｃｍ以上、２０００Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の蛍光検出装置。
【請求項１１】
上記受光素子はフォトダイオードであり、
上記フォトダイオードは、上記フォトダイオードに電圧を印加することによって生じる空乏層と、上記マイクロチャネルとの間の距離が０．３μｍ以下となるように設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光検出装置。
【請求項１２】
上記マイクロチャネルと上記受光素子の受光部との間には絶縁膜が設けられているとともに、
上記受光素子は、上記受光部が上記絶縁膜を介して上記マイクロチャネルと隣接するように設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光検出装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか１項に記載の蛍光検出装置を備えていることを特徴とする蛍光検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロリアクタシステム等に用いられる蛍光検出装置及び該蛍光検出装置を備えた蛍光検出システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロリアクタシステム、電気泳動マイクロシステム及び遠心力分離マイクロシステムは、近年の化学、生物学、医学分野における微量成分解析のため、小型装置化及び高速アッセイ化の進展に伴い広範に利用されている。これらシステムにおける成分検出方法には、蛍光検出法、放射線装飾法、電気化学的検出法、質量分析法等が用いられる。この中で、検出感度が高く使用法が簡便なため、蛍光検出法が一般的には用いられている。
【０００３】
システムをマイクロ化することにより、一般的に（１）少量の試薬で高速分析が可能である、（２）システムの小型化・軽量化が可能である、（３）集積化・並列処理化が可能である、（４）不純物の混入が防止できる等の多くのメリットがある。システムをマイクロ化するためには、液流路をチップ上に形成して小型化（マイクロチャネル化）することが必要であり、多くの方式のマイクロチャネルが提案されている。
【０００４】
従来のマイクロチャネルは、一般的に、シリコン、石英、ガラスまたはプラスチック等からなる基板表面に形成されており、蛍光装飾されたＤＮＡ（deoxyribonucleic acid）等の核酸やタンパク質等の高分子化合物を含む溶液を送液し、マイクロチャネル中で上記核酸や高分子化合物等の検体を電気泳動、あるいは遠心分離することにより、これら検体を分離または混合したり、これら検体に圧力を印加することにより、検体の検出感度を増幅する構成となっている。この際、マイクロチャネルの一部において、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザー等で構成される外部光源からマイクロチャネル中の蛍光装飾された高分子化合物に光を照射し、蛍光装飾された高分子化合物から発せられる蛍光をマイクロチャネルの外部に設けられたフォトダイオードや光電子倍増管からなる光検出器で検出する。そして、光検出器が検出した光に応じて生じる信号から、蛍光装飾された高分子化合物を検出している。
【０００５】
このため、システムをマイクロ化することで、前記した多くのメリットがある反面、マイクロシステム化が進むにつれ、検体の量が極端に少なくなり、検体から得られる信号量が大幅に低下することで、検体の検出が困難になってきているという問題を招いている。特に、ＤＮＡ、ＲＮＡ（ribonucleic acid）またはタンパク質等を電気泳動または遠心分離するような高精度のマイクロシステムにおいては、検体の検出感度を向上させることが強く求められている。
【０００６】
そこで、近年、検出の高感度化とシステムの小型化とを図る試みが行われている（例えば、非特許文献１）。
【０００７】
図１１に、非特許文献１に記載の蛍光検出装置の断面図を示す。
【０００８】
図１１に示すように、従来の蛍光検出装置は、シリコン基板５０１の表面にフォトダイオード５０２を形成し、その上部にパリレン製のマイクロチャネル５０３を設置し、マイクロチャネル５０３とフォトダイオード５０２との間の光路長の短縮化による検出の高感度化とシステムの小型化とを図っている。
【０００９】
検体の検出は、バンドパスフィルタ５０５を通した青色ＬＥＤ５０４から出射した４５０±２７ｎｍの青色励起光を、マイクロチャネル５０３中の検体に照射することにより行う。このとき、検体であるＤＮＡは、例えば、「ＳＹＢＲ Ｇｒｅｅｎ １」（商品名）によって蛍光装飾される。これにより、検体は、青色ＬＥＤ５０４から出射した４５０±２７ｎｍの光によって励起され、蛍光を生じる。
【００１０】
上記非特許文献１では、励起光がフォトダイオード５０２に入射されないように、上記マイクロチャネル５０３とフォトダイオード５０２との間に設けられた干渉フィルタ５０６で励起光を除去し、励起光よりも長波長の蛍光のみを、上記マイクロチャネル５０３の下方に設置されたフォトダイオード５０２で検出している。
【００１１】
すなわち、非特許文献１に記載の蛍光検出装置において、検体によって吸収されなかった４５０±２７ｎｍの光は、検出部であるフォトダイオード５０２の直上にオンチップ加工された干渉フィルタ５０６によって、フォトダイオード５０２には入射されないようになっている。干渉フィルタ５０６は、励起光である青色ＬＥＤ５０４から出射した４５０±２７ｎｍの光の１／４波長相当の厚さを有するＳｉＯ２とＴｉＯ２との二層誘電体薄膜を２０層積層させた膜からなり、膜厚の合計は３μmである。
【非特許文献１】J.R.Webster et.al, [Monolithic Capillary Electrophoresis Device with Integrated Fluorescence Detector] :Analytical Chemistry,Vol.73,No7,April 1、2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来の構成では、製造工程数の大幅な増加を招くという問題を生じる。また通常、干渉フィルタ５０６では励起光の数百分の１程度が干渉フィルタ５０６を通して受光部を透過する。このため、図１１に示すようにマイクロチャネル５０３の下部にフォトダイオード５０２を設けた場合、マイクロチャネル５０３とフォトダイオード５０２との間に干渉フィルタ５０６が設けられていても、この干渉フィルタ５０６を透過する励起光がノイズ源となり、蛍光の検出限界を低下させている。
【００１３】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来よりも蛍光の検出感度が高く、高感度の蛍光検出装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る蛍光検出装置は、上記課題を解決するために、検体を含む流体の通液路をなすマイクロチャネルと、上記検体に励起光を照射することにより上記検体から出射される蛍光を検出する受光素子とを備えた蛍光検出装置において、上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルと同一平面に設けられていることを特徴としている。
【００１５】
上記構成によれば、上記マイクロチャネルと上記受光素子の受光部とは、同一平面に設けられているため、上記受光部は上記マイクロチャネルに入射する励起光の光軸とは交わらない。このため、上記受光素子の受光部には、励起光が入射せず、検体から等方的に放射される蛍光のみが入射する。よって、励起光によって発生するノイズを抑制することができ、検出限界を向上させることができる。よって、上記構成によれば、従来よりも蛍光の検出感度が高く、高感度の蛍光検出装置を提供することができるという効果を奏する。また、上記構成によれば、受光素子の受光部に励起光が入射することを遮るために干渉フィルタ等のような部材を設ける必要がない。従って、上記構成によれば、より低い製造コストで、より検出感度の高いＳ／Ｎ比に優れた蛍光検出装置を提供することができるという効果を奏する。
【００１６】
本発明に係る蛍光検出装置は、上記課題を解決するために、検体を含む流体の通液路をなすマイクロチャネルと、上記検体に、上記マイクロチャネルの上方から励起光を照射することにより上記検体から出射される蛍光を検出する受光素子とを備えた蛍光検出装置において、上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルに対し、上記光源から出射される光の光軸方向と直交する方向に備えられていることを特徴としている。
【００１７】
上記構成によれば、上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルに対し、上記光源から出射される励起光の光軸方向と直交する方向に備えられているため、上記受光素子の受光部には、励起光が入射せず、検体から等方的に放射される蛍光のみが入射する。よって、励起光によって発生するノイズを抑制することができ、検出限界を向上させることができる。よって、上記構成によれば、従来よりも蛍光の検出感度が高く、高感度の蛍光検出装置を提供することができるという効果を奏する。また、上記の構成によれば、受光素子の受光部に励起光が入射することを遮るために干渉フィルタ等のような部材を設ける必要がない。従って、上記の構成によれば、より低い製造コストで、より検出感度の高いＳ／Ｎ比に優れた蛍光検出装置を提供することができるという効果を奏する。
【００１８】
また、本発明に係る蛍光検出装置では、上記マイクロチャネル及び上記受光素子の受光部は、半導体材料からなる層が少なくとも２層積層されてなる積層体における同一層内に形成されているとともに、上記マイクロチャネルは、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層と隣接する下層の表面に到達する深さに形成されており、かつ、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層と隣接する下層は、上記マイクロチャネルを透過した励起光によって、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層よりも下層で生成された正孔及び電子が、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層に拡散することを防止する拡散防止層であることが好ましい。
【００１９】
上記の構成によれば、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層（以下、第１層と記す）と隣接する下層（以下、第２層と記す）が、拡散防止層であることで、励起光及び蛍光によって第２層で生じる正孔及び電子は、第１層には拡散しない。よって、上記受光素子の受光部は、第１層よりも下層で生じる正孔及び電子、特に上記検体によって吸収されなかった励起光によって第１層よりも下層で生じる正孔及び電子を検出しないため、より一層高感度でＳ／Ｎ比に優れた蛍光検出装置を提供することができる。
【００２０】
上記拡散防止層は、例えば、比抵抗が０．０００１Ω・ｃｍ以上、０．０１Ω・ｃｍ以下の高濃度不純物層であることが好ましい。
【００２１】
上記構成によれば、拡散防止層で生じる正孔及び電子は、拡散防止層における不純物散乱が大きいため、すぐに再結合してしまう。よって、上記構成によれば、上記第一層よりも下層で生成された正孔及び電子が上記第一層に移動することを容易に防止することができるという効果を奏する。
【００２２】
また、上記拡散防止層は、酸化膜であることが好ましい。
【００２３】
上記拡散防止層が酸化膜であることにより、上記拡散防止層よりも下の層に到達する蛍光及び励起光によって発生する正孔及び電子は、上記拡散防止層によって第１層とは電気的に完全に分離される。このため、第１層よりも下層で発生する正孔及び電子は、最終的には第１層に到達することなく再結合してしまう。よって、上記構成によれば、上記第一層よりも下層で生成された正孔及び電子が上記第一層に移動することを容易に防止することができるという効果を奏する。
【００２４】
また、本発明に係る蛍光検出装置では、上記受光素子はフォトダイオードであり、上記マイクロチャネルとフォトダイオードの受光部とが同じ半導体材料を用いて形成されていることが好ましい。
【００２５】
上記マイクロチャネルとフォトダイオードの受光部とが同じ半導体材料を用いて形成されていることにより、特殊な工程を行うことなく、一般的なＣＭＯＳプロセスによって蛍光検出装置を製造することができる。これにより、より製造コストを抑制することができるというさらなる効果を奏する。
【００２６】
また、本発明に係る蛍光検出装置では、上記受光素子はフォトダイオードであり、上記マイクロチャネル及び上記フォトダイオードの受光部は、ｎ＋シリコン層上に形成されたｎ−シリコン層に形成されているとともに、上記マイクロチャネルは、上記ｎ＋シリコン層の表面に到達する深さに形成されていることが好ましい。
【００２７】
これにより、ｎ＋シリコン層に到達する上記検体からの蛍光は、ｎ＋シリコン層で正孔及び電子を生じさせる。しかしながら、ｎ＋シリコン層の不純物濃度が高く、不純物散乱が大きいため、ｎ＋シリコン層で生じる正孔及び電子はすぐに再結合してしまう。このため、フォトダイオードは、上記ｎ＋シリコン層で生じる正孔及び電子は検出せず、上記検体から等方的に放射された蛍光によって、上記ｎ−シリコン層で生じた正孔及び電子のみを検出する。従って、上記構成によれば、より一層高感度でＳ／Ｎ比に優れた蛍光検出装置を提供することができるという効果を奏する。
【００２８】
また、上記ｎ−シリコン層の比抵抗は１００Ω・ｃｍ以上、２０００Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００２９】
上記構成によれば、フォトダイオードに電圧を印加することによって、ｎ−シリコン層がｎ＋シリコン層表面まで空乏化する。よって、上記構成によれば、上記フォトダイオードの受光部を拡大することができ、上記受光部における光の感度がより高くなると共に、フォトダイオードの接合容量を低減化することができる。従って、より光電流の検出の高速化を図ることができるというさらなる効果を奏する。
【００３０】
また、本発明に係る蛍光検出装置では、上記受光素子はフォトダイオードであり、上記マイクロチャネル及び上記フォトダイオードの受光部は、シリコン層上に、埋め込み酸化膜、表面シリコン層がこの順に積層されたＳＯＩ基板における上記表面シリコン層に形成されているとともに、上記マイクロチャネルは、上記埋め込み酸化膜の表面に到達する深さに形成されていることが好ましい。
【００３１】
上記埋め込み酸化膜を経て下層のシリコン層に到達する励起光及び蛍光は、シリコン層で正孔及び電子を生じさせる。しかしながら、シリコン層は、埋め込み酸化膜によってフォトダイオードが形成されている表面シリコン層とは電気的に完全に分離されている。このため、シリコン層で生じた正孔及び電子は、最終的にはシリコン層中で再結合してしまう。このため、フォトダイオードは、上記シリコン層で生じる正孔及び電子は検出せず、上記検体から等方的に放射された蛍光によって、上記表面シリコン層で生じた正孔及び電子のみを検出する。従って、上記構成によれば、より一層高感度でＳ／Ｎ比に優れた蛍光検出装置を提供することができるという効果を奏する。
【００３２】
また、上記表面シリコン層の比抵抗が１００Ω・ｃｍ以上、２０００Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
上記構成によれば、フォトダイオードに電圧を印加することによって、表面シリコン層が埋め込み酸化膜表面まで空乏化する。よって、上記構成によれば、上記フォトダイオードの受光部を拡大することができ、上記受光部における光の感度がより高くなると共に、フォトダイオードの接合容量を低減化することができる。従って、より光電流の検出の高速化を図ることができるというさらなる効果を奏する。
【００３４】
また、本発明に係る蛍光検出装置では、上記受光素子はフォトダイオードであり、上記フォトダイオードは、上記フォトダイオードに電圧を印加することによって生じる空乏層と、上記マイクロチャネルとの間の距離が０．３μｍ以下となるように設置されていることが好ましい。
【００３５】
青色の波長範囲の蛍光は、シリコンにおける吸光係数が大きいため、シリコン表面から０．３μｍ以内で殆ど吸収されてしまう。上記構成では、フォトダイオードに電圧を印加することによって生じる空乏層とマイクロチャネルとの距離が０．３μｍ以下であるため、フォトダイオードで青色の蛍光を検出することができる。よって、より広い波長範囲の蛍光を検出することができるというさらなる効果を奏する。
【００３６】
また、本発明に係る蛍光検出装置では、上記マイクロチャネルと上記受光素子の受光部との間には絶縁膜が設けられているとともに、上記受光素子は、上記受光部が上記絶縁膜を介して上記マイクロチャネルと隣接するように設置されていることが好ましい。
【００３７】
上記受光素子は、上記受光部が上記絶縁膜を介して上記マイクロチャネルと隣接するように設置されているため、上記受光部は上記マイクロチャネル中の検体からの蛍光を感度良く検出することができる。つまり、受光部とマイクロチャネルとの間には、絶縁膜しか存在しないため、検体からの蛍光が他の部材によって強度を弱められることなく受光部に到達する。従って、より検出感度の高い蛍光検出装置を提供することができるというさらなる効果を奏する。
【００３８】
本発明に係る蛍光検出システムは、上記課題を解決するために、本発明に係る上記蛍光検出装置を備えていることを特徴としている。
【００３９】
上記構成によれば、蛍光検出システムは本発明に係る上記蛍光検出装置を備えていることで、従来よりも蛍光の検出限界が高く、高感度の蛍光検出システムを提供することができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る蛍光検出装置は、以上のように、検体を含む流体の通液路をなすマイクロチャネルと、上記検体に励起光を照射することにより上記検体から出射される蛍光を検出する受光素子とを備えた蛍光検出装置において、上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルと同一平面に設けられている受光素子が、光源から出射される光の光軸方向と直交する方向に備えられている。これにより、上記受光素子の受光部には、励起光が入射せず、検体から等方的に放射される蛍光のみが入射する。従って、従来よりも蛍光の検出感度が高く、高感度の蛍光検出装置を提供することができるという効果を奏する。
【００４１】
また、本発明に係る蛍光検出装置は、検体を含む流体の通液路をなすマイクロチャネルと、上記検体に、上記マイクロチャネルの上方から励起光を照射することにより上記検体から出射される蛍光を検出する受光素子とを備えた蛍光検出装置において、上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルに対し、上記光源から出射される光の光軸方向と直交する方向に備えられている。これにより、上記受光素子の受光部には、励起光が入射せず、検体から等方的に放射される蛍光のみが入射する。従って、従来よりも蛍光の検出感度が高く、高感度の蛍光検出装置を提供することができるという効果を奏する。
【００４２】
また、本発明に係る蛍光検出システムは、上記蛍光検出装置を備えている。蛍光検出システムは本発明に係る上記蛍光検出装置を備えていることで、従来よりも蛍光の検出限界が高く、高感度の蛍光検出システムを提供することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図６に基づいて説明すると以下の通りである。
【００４４】
図１は、本実施の形態に係る蛍光検出装置の概略構成を示す平面図である。また、図２は、図１に示す蛍光検出装置のＡ−Ａ線矢視断面図である。また、図３は、図１に示す蛍光検出装置のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【００４５】
蛍光検出装置１００は、図２に示すように、ｎ−／ｎ＋シリコン（半導体材料）からなる基板（半導体基板）１と、マイクロチャネル部５０と、フォトダイオード部（受光素子、光検出手段(光検出部)）４０とを備えている。
【００４６】
基板１は、ｎ＋シリコン層（拡散防止層）２の上にｎ−シリコン層３が積層された構造を有している。本実施の形態では、基板１として、厚さが６００μｍ程度のＦＺタイプの（１００）ｎ−／ｎ＋型シリコン基板を用いた。上記ｎ−／ｎ＋シリコン基板は、通常のシリコンエピタキシャル技術で作製され、一般的に結晶メーカーから供給されている。
【００４７】
ｎ＋シリコン層２は、高濃度の砒素（Ａｓ）又はリン（Ｐ）等のｎ型不純物を含有するシリコンからなる層である。上記ｎ＋シリコン層２におけるｎ型不純物の濃度は、上記ｎ＋シリコン層２比抵抗が０．０００１〜０．０１Ωｃｍの範囲内、より好ましくは０．０００１〜０．００１Ωｃｍの範囲内となるように設定されている。また、上記ｎ＋シリコン層２の層厚は、２００〜１０００μｍの範囲内、より好ましくは４００〜７００μｍの範囲内となるように設定されている。本実施の形態では、上記ｎ＋シリコン層２として、厚さが５００μｍ程度であり、比抵抗が０．００１Ω・ｃｍとなる濃度のｎ型不純物を含むシリコンからなる層を形成した。
【００４８】
また、ｎ−シリコン層３は、低濃度の砒素（Ａｓ）又はリン（Ｐ）等のｎ型不純物を含有する高純度シリコンからなる層である。上記ｎ−シリコン層３におけるｎ型不純物の濃度は、上記ｎ−シリコン層３比抵抗が１００〜２０００Ω・ｃｍの範囲内、より好ましくは５００〜２０００Ω・ｃｍの範囲内となるように設定されている。また、上記ｎ−シリコン層３の層厚は、１０〜１００μｍの範囲内、より好ましくは２０〜７０μｍの範囲内となるように設定されている。本実施の形態では、上記ｎ−シリコン層３として、厚さが３０μｍ程度であり、比抵抗が１０００Ω・ｃｍとなる濃度のｎ型不純物を含む層を形成した。
【００４９】
マイクロチャネル部５０は、図１〜３に示すように、マイクロチャネル４と該マイクロチャネル４の開口部４ａを覆う蓋１８とで構成されている。
【００５０】
マイクロチャネル４は、検体を含む流体を通液するための通液路（液流路）である。図２及び図３に示すように、マイクロチャネル４は、ｎ−シリコン層３と同層に形成されている。マイクロチャネル４は、ｎ−シリコン層３の表面の一部に凹部を形成することによって設けられている。マイクロチャネル４は、ｎ−シリコン層３表面の一部を、例えばエッチング除去することによって容易に形成することができる。上記マイクロチャネル４の幅（短手方向の長さ）は１００μｍ程度、深さはｎ−シリコン層３の厚さと同程度、すなわち１０〜１００μｍ程度の大きさとした。また、マイクロチャネル４の流体の流れ方向（流路方向）における長さ（流路長（長手方向の長さ））は、数百μｍ〜数ｃｍ程度とした。つまり、マイクロチャネル４は、縦１００μｍ、横数百μｍ〜数ｃｍの長方形を底面とし、天面が開口された、高さ１０〜１００μｍの直方体形状を有している。
【００５１】
なお、上記マイクロチャネル４及びｎ−シリコン層３の表面には、耐圧性を高めるために酸化膜（絶縁膜）５が設けられている。酸化膜５は、例えば、ｎ−シリコン層３の表面にマイクロチャネル４を形成した後に、ｎ−シリコン層３の表面を酸化することにより形成させることができる。酸化膜５の厚さは、電気泳動等によって高電圧駆動させる場合は、絶縁耐圧の観点から１０００〜２０００ｎｍ程度にする必要がある。圧縮空気等による圧力駆動または遠心力駆動の場合は、５００〜１０００ｎｍ程度で十分である。
【００５２】
蓋１８は、図１に示すように、ｎ−シリコン層３の表面に形成される上記マイクロチャネル４の開口部４ａより少しだけ大きい略相似形状（板形状）の底面を有している。蓋１８は、光源（図示せず）から出射される光（励起光）をマイクロチャネル４の中を流れる検体に照射させるため、励起光に対して透明（すなわち、励起波長において透明）な材料で形成されている。蓋１８に使用される材料としては、石英、ガラス、プラスチック等が挙げられる。
【００５３】
フォトダイオード部４０は、ｎ−シリコン層３の表面に選択的に形成されたｐ＋領域６及びｎ＋領域７と、上記ｐ＋領域６に設けられたｐ＋電極８と、上記ｎ＋領域７に設けられたｎ＋電極９とからなる。
【００５４】
フォトダイオード部４０は、ｎ−シリコン層３の表面にマイクロチャネル４を挟んで、マイクロチャネル４の流体の流れ方向と直交する方向に線対称となるように２ヶ所設けられている。上記ｐ＋領域６、ｎ＋領域７は、マイクロチャネル４の流体の流れ方向と直交する方向に、マイクロチャネル４側から外側に向かって順に設けられている。上記フォトダイオード部４０では、ｐ＋領域６とｎ＋領域７とに数Ｖ〜数十Ｖの逆バイアスの電圧を印加することでフォトダイオードを形成させている。
【００５５】
ｐ＋領域６には、ｐ＋領域６に外部電圧を印加させるため、ｐ＋領域６の表面にフォトリソグラフィ等によって設けられたコンタクトホール３５を介してｐ＋電極８が接続されている。同様に、ｎ＋領域７には、ｎ＋領域７に外部電圧を印加させるため、ｎ＋領域７の表面にフォトリソグラフィ等によって設けられたコンタクトホール３５を介してｎ＋電極９が接続されている。
【００５６】
上記フォトダイオード部４０は、マイクロチャネル４の横側に絶縁膜を介して、ｎ−型半導体領域が存在してカソードとして作用し、ｎ−型半導体領域内には、半導体表面からｐ＋領域が選択的に拡散されており、アノードとして作用する構造となっている。
【００５７】
ｐ＋領域６は、ホウ素（Ｂ）等のｐ型の不純物を含有したシリコンの層であり、ｎ−シリコン層３の一部にｐ型の不純物を導入することによって形成される。本実施の形態では、ｐ＋領域６には、表面濃度が２×１０１８〜１×１０２０／ｃｍ２程度のホウ素（Ｂ）等のｐ型の不純物を含有したシリコンの層を用いた。ｐ＋領域６は、接合深さが０．５μｍ程度であり、マイクロチャネル４の深さ１０〜１００μｍに比べ、十分に小さい。
【００５８】
ｎ＋領域７は、砒素（Ａｓ）又はリン（Ｐ）等のｎ型不純物を含有するシリコンの層であり、ｎ−シリコン層３の一部にｎ型の不純物を導入することによって形成される。本実施の形態では、ｎ＋領域７には、接合深さが１〜２μｍ程度であり、表面濃度が１×１０１９〜１×１０２１／ｃｍ２程度の砒素（Ａｓ）又はリン（Ｐ）等のｎ型不純物を含有するシリコンの層を用いた。ｎ＋領域７は、フォトダイオードの寄生抵抗を減らすためにｐ＋領域６を、マイクロチャネル４側の面以外の三つの方向から囲むようにコの字の形状に設けられている。また、上記ｐ＋電極８、ｎ＋電極９は、ｐ＋領域６、ｎ＋領域７の表面の酸化膜５に設けられたコンタクトホール３５を介して、上記ｐ＋領域６、ｎ＋領域７と各々電気的に接続されている。これにより、ｐ＋領域６、ｎ＋領域７に上記ｐ＋電極８、ｎ＋電極９を介して、各々外部電圧が印加される。上記コンタクトホール３５は、例えば、フォトリソグラフィ等によって、容易に形成することができる。
【００５９】
上記ｐ＋領域６とｎ＋領域７との間の距離Ｌ２は、ｎ−シリコン層３の不純物濃度、フォトダイオード部４０で検出する蛍光波長、及びフォトダイオード部４０に外部から印加される電圧によって最適に設計される。具体的には、ｎ−シリコン層３の不純物濃度が高くなると空乏層の広がりが小さくなるため、Ｌ２の設計値は小さくてよい。また、フォトダイオード部４０で検出する蛍光波長が短くなると、シリコン中での吸収が大きくなり、マイクロチャネル４の側壁４ｂの近傍でのみ正孔・電子対が発生するためＬ２は小さくてよい。また、フォトダイオード部４０に外部から印加される電圧が高くなると、空乏層がより広がるためＬ２を大きく設定する必要がある。よって、ｐ＋領域６とｎ＋領域７との間の距離Ｌ２は、例えば、前述したように、ｎ−シリコン層３に比抵抗が１０００Ω・ｃｍであるｎ−シリコンを使用した場合では、外部電圧が数Ｖ〜１００Ｖであり、フォトダイオードで検出する蛍光波長が赤色光（６３０〜６７０ｎｍ）である場合は、１０μｍ程度が適当である。
【００６０】
また、ｐ＋領域６とマイクロチャネル４との間の最短の距離Ｌ１は、フォトダイオード部４０で検出する蛍光波長によって最適に設計される。具体的には、フォトダイオードで検出する蛍光波長が赤色〜近赤外領域（６３０〜９００ｎｍ）であると、該蛍光のｎ−シリコン層３における吸光係数が小さいため、距離Ｌ１は数μｍ程度で十分である。一方、フォトダイオード部４０で検出する蛍光波長が青色領域（４００〜４５０ｎｍ）であると、該蛍光のｎ−シリコン層３における吸光係数が大きいため、この場合には、上記フォトダイオードの受光部、すなわち、上記フォトダイオードの動作時に生じる空乏層１２（図４参照）とマイクロチャネル４との間の距離（空乏層とマイクロチャネルとの距離）Ｌ３（図４参照）が０．３μｍ以下となるように、距離Ｌ１をできるだけ短くすることが望ましい。好適には、距離Ｌ１は、マスク合わせ精度の限界である０．５μｍ程度まで短くすることが望ましい。
【００６１】
この理由は以下の通りである。
【００６２】
光が、光吸収係数αの材料に入射される場合、該材料の深さｄにおいて光電変換されるキャリア生成率ｇは、以下の式により決定される。
【００６３】
ｇ＝γ・Φ・αｅｘｐ（−α・ｄ）
ここで、γは量子収率であり、Φは光束密度である。この式より、蛍光波長が青色の短波長領域では、該蛍光のｎ−シリコン層３における吸光係数が大きいため、上記ｎ−シリコン層３におけるマイクロチャネル４の近傍でキャリアが多く発生することがわかる。よって、距離Ｌ１はできるだけ小さく設計することが好ましい。また、赤色〜近赤外領域の長波長領域では、該蛍光のｎ−シリコン層３における吸光係数が小さいため、マイクロチャネル４の壁面から１０〜１００μｍ離れた距離においてもキャリアが多く発生する。よって、上記検体の蛍光検出を長波長領域にて行う場合、距離Ｌ１を数μｍに設計しても問題はない。
【００６４】
上記のように、フォトダイオード部４０においてｐ＋／ｎ−／ｎ＋の構造が形成され、ｐ＋電極８とｎ＋電極９との間に数Ｖ〜数十Ｖの逆バイアスの電圧が印加されることによりフォトダイオード部４０はフォトダイオードとして作用する。この場合、ｎ−シリコン層３の比抵抗が十分に高い場合（数百Ω・ｃｍ以上、具体的には５００Ω・ｃｍ以上、２０００Ω・ｃｍ以下）、またはｎ−シリコン層３の厚さが薄い場合（３０μｍ以下）には、空乏層（受光部）１２（図４）がｎ＋シリコン層２の表面まで到達する。上記構成によれば、フォトダイオード部４０に電圧を印加することによって、ｎ−シリコン層３がｎ＋シリコン層２表面まで空乏化する。よって、上記構成によれば、上記フォトダイオード部４０の受光部を拡大することができ、上記受光部における光の感度がより高くなると共に、フォトダイオード部４０の接合容量を低減化することができる。従って、より光電流の検出の高速化を図ることができる。尚、本実施の形態においては、ｎ＋シリコン層２の表面まで空乏層が広がっていることが好ましいが、本実施の形態はこれに限定されず、ｎ＋シリコン層２の表面まで全て空乏化している必要はない。
【００６５】
以下に、図４を用いて蛍光検出装置１００におけるフォトダイオード部４０の動作について説明する。
【００６６】
図４は、蛍光検出装置１００のフォトダイオード部４０の動作時における図１に示すＢ−Ｂ線の矢視断面図である。
【００６７】
図４に示すように、光源１０は、マイクロチャネル４に向けて励起光１１を出射することができるように配置されている。光源１０は、励起光１１の光軸が、マイクロチャネル４の流路方向と直交する方向となるように設置されている。以下の説明では、上記マイクロチャネル４に、その上方から単波長のレーザあるいはＬＥＤからなる光源１０を用いて、マイクロチャネル４に光を平行に照射する場合を例に挙げて、上記ｐ＋電極８とｎ＋電極９との間に、外部電源により逆バイアスを印加した時の上記フォトダイオードの動作原理について説明する。
【００６８】
ｐ＋電極８とｎ＋電極９との間には、逆バイアスの電圧が印加されているので、ｎ−シリコン層３におけるｐ＋領域６とｎ＋領域７との間には空乏層１２が形成されている。マイクロチャネル４には、ＤＮＡ等の核酸やタンパク等の高分子化合物を蛍光色素等で化学修飾させた検体１３を含む流体が充填されている。
【００６９】
光源１０から出射される励起光１１は、蓋１８を通ってマイクロチャネル４中の検体１３に照射される。この励起光１１によって、検体１３における蛍光色素等が励起する。励起された検体１３は、励起光よりも波長を長波長側にシフトした蛍光１４を等方的に放射する。ｎ−シリコン層３の方向に放射された蛍光１４は、空乏層１２内で正孔・電子対１５を発生させる。空乏層１２の電界により、正孔・電子対１５における正孔３０は負電圧にバイアスされたｐ＋領域６にドリフトで流入し、正孔・電子対１５における電子３１は正電圧にバイアスされたｎ＋領域７にドリフトで流入する。これら正孔３０及び電子３１の流れを光電流として検出することで、フォトダイオード部４０は動作する。
【００７０】
ｎ−シリコン層３における空乏層１２が形成されていない領域で発生した正孔・電子対１５は、その一部が再結合により消滅する。しかしながら、上記正孔・電子対１５はキャリア寿命が長いため、正孔・電子対１５における正孔３０の大部分は空乏層１２まで拡散し、空乏層１２中でドリフトにより負電圧にバイアスされたｐ＋領域６に流入する。同様に、正孔・電子対１５における電子３１はドリフトにより正電圧にバイアスされたｎ＋領域７に流入する。これにより、大部分の正孔・電子対１５は光電流に寄与し、フォトダイオード部４０で検出される。
【００７１】
また、ｎ＋シリコン層２においても、放射される蛍光１４並びに励起光１１によって、正孔・電子対１５が発生する。ｎ＋シリコン層２は、ｎ−シリコン層３とは異なり、高濃度の不純物を含有するシリコンからなる層であるため、不純物散乱の程度が大きい。このため、正孔・電子対１５は、再結合速度が高く、キャリア寿命が極端に短い。よって、ｎ＋シリコン層２で発生する殆ど全ての正孔・電子対１５は、ｎ＋シリコン層２中ですぐに再結合する。また、ｎ＋シリコン層２で発生した正孔・電子対１５が空乏層１２にまで拡散することはない。このため、ｎ＋シリコン層２で発生する正孔・電子対１５は、光電流には寄与せず、フォトダイオード部４０では検出されない。
【００７２】
このように、本発明におけるフォトダイオード部４０では、ｎ−シリコン層３に放射する蛍光１４のみがフォトダイオード出力として検出される。一方、励起光１１のｎ＋シリコン層２に向かって放射する蛍光１４は、フォトダイオード出力として検出されない。
【００７３】
言い換えれば、本発明に係る蛍光検出装置１００では、フォトダイオード部４０を励起光１１の光路に対して直交する方向に配置することにより、励起光１１の影響を無視させている。このため、フォトダイオード部４０は、マイクロチャネル４の下側ではなくマイクロチャネル４の側壁４ｂに隣接する横側に設置される。フォトダイオード部４０は、励起光１１の光路にほば直交する方向に設置されるため、励起光１１の影響を受けることなく、等方的にマイクロチャネル４から放射される蛍光１４のみを検出することができる。よって、マイクロチャネル４のｎ＋シリコン層２側の方向に放射される蛍光１４並びに励起光１１によって発生するバックグラウンドノイズを抑制することができ、検出限界を向上させることができる。従って、蛍光検出装置１００は、高感度であり、Ｓ／Ｎ比に優れた検出を行うことができる。
【００７４】
また、従来のフォトダイオードでは検出することが困難であった波長が青色のような短波長の蛍光１４である場合でも、蛍光検出装置１００では蛍光１４を検出することができる。
【００７５】
図５は従来の蛍光検出装置におけるフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。青色のような短波長の光（青色蛍光）は、４００ｎｍ程度の波長の光であり、シリコン中での吸光係数が大きいためにシリコン表面から０．３μｍ以内で殆ど吸収される。しかしながら、図５に示すように、マイクロチャネル（図示せず）の下にフォトダイオードが形成されている従来の蛍光検出装置では、マイクロチャネルの下に設けられた酸化膜５と、その下に設けられたフォトダイオードによって形成される空乏層１２との間にｐ＋領域６が存在する。ｐ＋領域６は、前記したように、ｎ−シリコン層３にｐ型の不純物を導入してなるシリコン層であり、例えば、深さ（接合深さ）０．５μｍ程度に形成されている。このため、マイクロチャネルにおいて検体１３から空乏層１２に向かって放射された青色蛍光２４は、その大部分が、ｐ＋領域６で吸収され、空乏層１２には届かない。ｐ＋領域６で吸収された青色蛍光２４は、ｐ＋領域６内で正孔・電子対１５を生成する。ｐ＋領域６で生成された正孔・電子対１５は、不純物散乱により、キャリア寿命が短く、ｐ＋領域６中で再結合し、上記フォトダイオードでは検出できない。
【００７６】
なお、ｐ＋領域６の青色蛍光２４の光軸方向における幅（深さ）を０．３μｍ以下にすれば、青色蛍光２４を検出することができる。しかしながら、通常のボロンイオン注入法またはアニール熱処理等を用いた技術では、ｐ＋領域６の深さを０．３μｍ以下にすることは困難である。
【００７７】
これに対し本発明の実施の形態に係る蛍光検出装置１００では、図４に示したように、酸化膜５に隣接して空乏層１２が形成される構成となっている。このため、青色のような短波長の蛍光１４（青色蛍光２４）であっても検出することができる。
【００７８】
上述したように、蛍光検出装置１００は、干渉フィルタ等のような光源１０からの光を遮るための部材をフォトダイオードと光源１０との間に設ける必要がない。よって、本実施の形態によれば特殊な工程を行うことなく、一般的なＣＭＯＳプロセスによって蛍光検出装置１００を製造することができる。
【００７９】
具体的には、基板１にエッチングによりマイクロチャネル４を形成させた後、イオン注入方等によって不純物をｎ−シリコン層３の表面に注入することでｐ＋領域６及びｎ＋領域７を作製する。そして、ｐ＋領域６、ｎ＋領域７にそれぞれｐ＋電極８、ｎ＋電極９を設けた後、ｎ−シリコン層３の表面上に、酸化膜５を気相成長（ＣＶＤ）により形成する。最後に、適当な接着剤を用いてマイクロチャネル４の開口部４ａの上部に蓋１３を貼り付けることにより、蛍光検出装置１００を製造することができる。
【００８０】
また、基板１におけるｎ−シリコン層３は、比抵抗が１００Ω・ｃｍ以上である、不純物濃度が低いものであることがより好ましい。これにより、フォトダイオード部４０の動作時に空乏層１２が、ｎ＋シリコン層２の表面に達するまで広がり、フォトダイオード形成領域におけるｎ−シリコン層３の全てを空乏層化する。よって、上記構成によれば、フォトダイオード部４０に電圧を印加することによって、ｎ−シリコン層３がｎ＋シリコン層２表面まで空乏化する。よって、上記構成によれば、上記フォトダイオード部４０の空乏層１２を拡大することができ、上記空乏層１２における光の感度がより高くなると共に、フォトダイオード部４０の接合容量を低減化することができる。従って、より光電流の検出の高速化を図ることができる。
【００８１】
以上のように、上記蛍光検出装置１００によれば、光源１０の光軸方向にはフォトダイオード部４０が配置されていないため、フォトダイオードには光源からの励起光１１そのものは混入しない。よって、励起光１１によって発生するノイズを抑制することができ、検出限界を向上させることができる。従って、本実施の形態によれば、より低コストで製造することができ、より検出感度の高いＳ／Ｎ比に優れた蛍光検出装置を実現することができる。また、上記蛍光検出装置１００におけるフォトダイオード部４０では、上気したように、光源１０からの励起光１１は入射されず、検体１３からの蛍光１４のみが入射するため、干渉フィルタ等のような光源１０からの励起光１１を遮るための部材をフォトダイオード部４０と光源１０との間に必須に設ける必要はない。よって、特殊な工程を行うことなく、一般的なＣＭＯＳプロセスによって蛍光検出装置を製造することができる。よって、本実施の形態によれば、上記蛍光検出装置１００を低コストにて製造することができる。また、本実施の形態によれば、上記マイクロチャネル４は、上記マイクロチャネル４及び空乏層１２が形成されている層と隣接する下層の表面に到達する深さに形成されており、かつ、上記マイクロチャネル４及び空乏層１２が形成されている層と隣接する下層は、上記マイクロチャネル４を透過した励起光１１によって、上記マイクロチャネル４及び空乏層１２が形成されている層よりも下層で生成された正孔３０及び電子３１が、上記マイクロチャネル４及び空乏層１２が形成されている層に拡散することを防止する拡散防止層として、ｎ＋シリコン層２が設けられていることで、励起光１１及び蛍光１４によってｎ＋シリコン層２で生じる正孔３０及び電子３１は、ｎ−シリコン層３には拡散しない。よって、上記フォトダイオード部４０の空乏層１２は、ｎ−シリコン層３よりも下層で生じる正孔３０及び電子３１、特に上記検体１３によって吸収されなかった励起光１１によってｎ−シリコン層３よりも下層で生じる正孔３０及び電子３１を検出しないため、より一層高感度でＳ／Ｎ比に優れた蛍光検出装置を提供することができる。
【００８２】
次に、本発明の蛍光検出装置１００を用いたマイクロシステムについて図６を用いて以下に説明する。
【００８３】
図６は、本実施の形態に係る蛍光検出システムの概略構成を示すブロック図である。
【００８４】
図６に示すように、蛍光検出システム１１０は、蛍光検出装置１００に、駆動部１０１と解析部１０２とが備えられた構成を有している。また、上記蛍光検出装置１００は、さらに、光源１０３が設けられている構成を有している。
【００８５】
光源１０３は、蛍光検出装置１００におけるマイクロチャネル４（図２参照）に励起光１０４を出射して、検体に蛍光を発生させる。駆動部１０１は、外部の電源１０５と接続されており、蛍光検出装置１００を駆動して、マイクロチャネル４中で検体１３を電気泳動、あるいは遠心分離することにより、検体１３を分離または混合したり、これら検体１３に圧力を印加することで、上記検体１３の検出感度を増幅する構成となっている。解析部１０２は、蛍光検出装置１００におけるフォトダイオード部４０（図２参照）が検出した検体１３の蛍光由来の光電流を受信して、該光電流に基づいて測定データを解析する。
【００８６】
以上のように、本実施の形態に係る蛍光検出システム１１０は、蛍光検出装置１００を備えていることで、従来よりも蛍光の検出限界が高く、高感度の蛍光検出システムを提供することができる。
【００８７】
〔実施の形態２〕
本発明の第２の実施の形態について、図７〜図１０を用いて以下に詳細に説明する。但し、上述した実施の形態１における部材と同一の部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００８８】
図７は、本実施の形態に係る蛍光検出装置の概略構成を示す平面図である。また、図８は、図７に示す蛍光検出装置のＣ−Ｃ線矢視断面図である。また、図９は、図７に示す蛍光検出装置のＤ−Ｄ線矢視断面図である。
【００８９】
本実施の形態に係る蛍光検出装置２００は、実施の形態１に記載の蛍光検出装置１００において、基板（半導体基板）としてｎ−／ｎ＋シリコンからなる基板１を使用する代わりに、いわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１９を使用したこと以外は、蛍光検出装置１００と同様の構成を有している。
【００９０】
ＳＯＩ基板１９は、シリコン基板２０の上に、埋め込み酸化膜（拡散防止層）２１、ｎ−シリコン層（表面シリコン層）３がこの順番に積層された構造を有している。本実施の形態では、厚さが６００μｍ程度であり、酸素の高エネルギーイオン注入を利用したＳＩＭＯＸ（Silicon Implanted Oxide）基板または貼り合わせ法による貼り合わせ基板を用いた。上記ＳＯＩ基板は、結晶メーカから供給されている。
【００９１】
シリコン基板２０は、シリコンからなる層であり、ｎ、ｐの不純物のタイプ及び不純物の濃度は限定されない。上記シリコン基板２０の層厚は、２００〜１０００μｍの範囲内、より好ましくは４００〜７００μｍの範囲内となるように設定されている。本実施の形態では、シリコン基板２０には、厚さが５００μｍ程度のシリコン基板を用いた。
【００９２】
埋め込み酸化膜２１は、酸化物からなる層であり、シリコン基板２０の上に形成されている。上記埋め込み酸化膜２１の層厚は、０.３〜１０μｍの範囲内、より好ましくは０．５〜２μｍの範囲内となるように設定されている。本実施の形態では、上記埋め込み酸化膜２１として、厚さが１μｍ程度のシリコン酸化物からなる層を形成した。
【００９３】
ｎ−シリコン層３は、低濃度の砒素（Ａｓ）又はリン（Ｐ）等のｎ型不純物を含有する高純度シリコンからなる層である。上記ｎ−シリコン層３におけるｎ型不純物の濃度は、上記ｎ−シリコン層３比抵抗が１００〜２０００Ω・ｃｍの範囲内、より好ましくは５００〜２０００Ω・ｃｍの範囲内となるように設定されている。また、上記ｎ−シリコン層３の層厚は、１０〜１００μｍの範囲内、より好ましくは２０〜５０μｍの範囲内となるように設定されている。本実施の形態では、上記ｎ−シリコン層３として、厚さが３０μｍ程度であり、比抵抗が１０００Ω・ｃｍとなる濃度のｎ型不純物を含むＦＺ高純度シリコンからなる層を形成した。
【００９４】
図８に示すように、蛍光検出装置２００では、フォトダイオード部４０及びマイクロチャネル部５０が形成されているｎ−シリコン層３の構成は、実施の形態１の蛍光検出装置１００と全く同じである。但し、蛍光検出装置２００では、蛍光検出装置１００におけるｎ＋シリコン層２が、シリコン基板２０及び埋め込み酸化膜２１に置き換わった構成となっている。よって、蛍光検出装置２００におけるフォトダイオード部４０及びマイクロチャネル部５０の構成の説明は省略する。
【００９５】
以下に、図１０を用いて蛍光検出装置２００におけるフォトダイオード部４０の動作について説明する。
【００９６】
図１０は、蛍光検出装置２００のフォトダイオード部４０の動作時における図７に示す蛍光検出装置２００のＢ−Ｂ線の矢視断面図である。
【００９７】
図１０に示すように、光源１０は、マイクロチャネル４に向けて励起光１１を出射することができるように配置されている。光源１０は、励起光１１の光軸が、マイクロチャネル４の流路方向と直交する方向となるように設置されている。以下の説明では、上記マイクロチャネル４に、その上方から単波長のレーザあるいはＬＥＤからなる光源１０を用いて、マイクロチャネル４に光を平行に照射する場合を例に挙げて、上記ｐ＋電極８とｎ＋電極９との間に、外部電源により逆バイアスを印加した時の上記フォトダイオードの動作原理について説明する。
【００９８】
ｐ＋電極８とｎ＋電極９との間には、逆バイアスの電圧が印加されているため、ｎ−シリコン層３におけるｐ＋領域６とｎ＋領域７との間に空乏層１２が形成される。上記構造では、ｐ＋領域６は０．５μｍ程度に浅く形成されており、マイクロチャネル４の深さ１０〜１００μｍに比べて十分に小さい。このため、フォトダイオード部４０に、逆バイアスを印加した動作時に、空乏層１２はｎ−シリコン層３に大きく広がっている。
【００９９】
マイクロチャネル４には、ＤＮＡ等の核酸やタンパク等の高分子化合物を蛍光色素等で化学修飾させた検体１３を含む流体が充填されている。
【０１００】
光源１０から出射される励起光１１は、蓋１８を通ってマイクロチャネル４中の検体１３に照射される。励起光１１によって、検体１３における蛍光色素等が励起し、励起光よりも波長を長波長側にシフトした蛍光１４を等方的に放射する。ｎ−シリコン層３の方向に放射された蛍光１４は、空乏層１２内で正孔・電子対１５を発生させる。空乏層１２の電界により、正孔・電子対１５における正孔３０は負電圧にバイアスされたｐ＋領域６にドリフトで流入し、正孔・電子対１５における電子３１は正電圧にバイアスされたｎ＋領域７にドリフトで流入する。これら正孔３０及び電子３１の流れを光電流として検出することで、フォトダイオード部４０は動作する。
【０１０１】
ｎ−シリコン層３における空乏層１２が形成されていない領域で発生した正孔・電子対１５は、その一部が再結合により消滅する。しかしながら、上記正孔・電子対１５はキャリア寿命が長いため、正孔・電子対１５における正孔３０の大部分は空乏層１２まで拡散し、空乏層１２中でドリフトにより負電圧にバイアスされたｐ＋領域６に流入する。同様に、正孔・電子対１５における電子３１の大部分は空乏層１２まで拡散し、空乏層１２中でドリフトにより正電圧にバイアスされたｎ＋領域７に流入する。これにより、大部分の正孔・電子対１５は光電流に寄与し、フォトダイオード部４０で検出される。
【０１０２】
また、埋め込み酸化膜２１に向かって放射される蛍光１４並びに励起光１１は、埋め込み酸化膜２１を透過し、シリコン基板２０で吸収されて正孔・電子対１５を発生させる。しかしながら、シリコン基板２０で発生した正孔・電子対１５は、埋め込み酸化膜２１によって、ｎ−シリコン層３とは空間的及び電気的に完全に分離されている。このため、正孔・電子対１５は、ｎ−シリコン層３に到達することなく、シリコン基板２０に留まり、最終的には再結合する。よって、シリコン基板２０で発生する殆ど全ての正孔・電子対１５は、シリコン基板２０中で再結合するため、光電流には寄与せず、フォトダイオード部４０では検出されない。
【０１０３】
このように、本実施の形態におけるフォトダイオード部４０では、ｎ−シリコン層３に放射する蛍光１４のみがフォトダイオード出力として検出される。一方、励起光１１のシリコン基板２０へ向かって放射する蛍光１４は、フォトダイオード出力として検出されない。
【０１０４】
言い換えれば、本実施の形態に係る蛍光検出装置２００では、フォトダイオード部４０を励起光１１の光路に対して直交する方向に配置することにより、励起光１１の影響を無視させている。このため、フォトダイオード部４０は、マイクロチャネル４の下側ではなくマイクロチャネル４の側壁４ｂに隣接する横側に設置される。フォトダイオード部４０は、励起光１１の光路にほば直交する方向に設置されるため、励起光１１の影響を受けることなく、等方的にマイクロチャネル４から放射される蛍光１４のみを検出することができる。よって、マイクロチャネル４のｎ＋シリコン層２側の方向に放射される蛍光１４並びに励起光１１によって発生するバックグラウンドノイズを抑制することができ、検出限界を向上させることができる。従って、蛍光検出装置２００は、高感度であり、Ｓ／Ｎ比に優れた検出を行うことができる。
【０１０５】
さらには、上記の構成とすることにより、干渉フィルタ等のような光源１０からの励起光１１を遮るための部材をフォトダイオード部４０と光源１０との間に設ける必要がない。よって、特殊な工程を行うことなく、一般的なＣＭＯＳプロセスによって蛍光検出装置２００を製造することができる。従って、より低コストで蛍光検出装置２００を製造することができる。
【０１０６】
また、本実施の形態に係る蛍光検出装置２００では、蛍光検出装置１００と同様に、蛍光１４が従来のフォトダイオードでは検出することが困難であった波長が青色のような短波長の蛍光１４（青色蛍光２４）である場合でも、蛍光検出装置２００によれば該蛍光１４を検出することができる。
【０１０７】
また、蛍光検出装置２００では、蛍光検出装置１００と同様に、マイクロチャネル４の光軸方向における幅（深さ）は、ｎ−シリコン層３の光軸方向における幅（深さ）と略等しいことがより好ましい。これにより、本実施の形態によれば、マイクロチャネル４の深さのバラツキを低減することにより、検体１３を含む流体を精度良く移動させることができるため、より高精度の分析を行うことができる蛍光検出装置２００を提供することができる。
【０１０８】
また、ＳＯＩ基板１９におけるｎ−シリコン層３は、比抵抗が１００Ω・ｃｍ以上である、不純物濃度が低いものであることがより好ましい。これにより、フォトダイオード部４０の動作時に空乏層１２が、埋め込み酸化膜２１の表面に達するまで広がり、フォトダイオード形成領域におけるｎ−シリコン層３の全てを空乏層化する。よって、上記構成によれば、フォトダイオード部４０に電圧を印加することによって、ｎ−シリコン層３が埋め込み酸化膜２１表面まで空乏化する。よって、上記構成によれば、上記フォトダイオード部４０の空乏層１２を拡大することができ、上記空乏層１２における光の感度がより高くなると共に、フォトダイオード部４０の接合容量を低減化することができる。従って、より光電流の検出の高速化を図ることができる。
【０１０９】
本実施の形態に係る蛍光検出装置２００を用いた蛍光検出システムにおいて、蛍光検出装置１００に代えて、蛍光検出装置２００を用いた以外は、実施の形態１に記載の蛍光検出システム１１０と同じであるため、その説明は省略する。
【０１１０】
以上のように、本発明の蛍光検出装置は、検体を含む流体の通液路をなすマイクロチャネルと、上記検体に励起光を照射することにより上記検体から出射される蛍光を検出する受光素子とを備えた蛍光検出装置において、上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルと同一平面に設けられている。また、本発明の蛍光検出装置は、検体を含む流体の通液路をなすマイクロチャネルと、上記検体に、上記マイクロチャネルの上方から励起光を照射することにより上記検体から出射される蛍光を検出する受光素子とを備えた蛍光検出装置において、上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルに対し、上記光源から出射される光の光軸方向と直交する方向に備えられていてもよい。また、本発明に係る蛍光検出装置では、上記マイクロチャネル及び上記受光素子の受光部は、半導体材料からなる層が少なくとも２層積層されてなる積層体における同一層内に形成されているとともに、上記マイクロチャネルは、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層と隣接する下層の表面に到達する深さに形成されており、かつ、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層と隣接する下層は、上記マイクロチャネルを透過した励起光によって、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層よりも下層で生成された正孔及び電子が、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層に拡散することを防止する拡散防止層であることが好ましい。これにより、上記マイクロチャネル及び受光部が形成されている層（以下、第１層と記す）と隣接する下層（以下、第２層と記す）が、拡散防止層であることで、励起光及び蛍光によって第２層で生じる正孔及び電子は、第１層には拡散しない。よって、上記受光素子の受光部は、第１層よりも下層で生じる正孔及び電子、特に上記検体によって吸収されなかった励起光によって第１層よりも下層で生じる正孔及び電子を検出しないため、より一層高感度でＳ／Ｎ比に優れた蛍光検出装置を提供することができる。尚、上記実施の形態では、上記蛍光検出装置として、上記拡散防止層の比抵抗が０．０００１Ω・ｃｍ以上、０．０１Ω・ｃｍ以下の高濃度不純物層である場合、及び上記拡散防止層が酸化膜である場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、検体を含む流体の通液路をなすマイクロチャネルと、上記検体に励起光を照射することにより上記検体から出射される蛍光を検出する受光素子とを備えた蛍光検出装置において、上記受光素子の受光部が、上記マイクロチャネルと同一平面に設けられているのであれば、特に限定されるものではない。
【０１１１】
また、上記蛍光検出装置はマイクロチャネルの下層に、励起光がマイクロチャネルの下層に入射されないようにする干渉フィルタを備えている構成としてもよい。この場合には、マイクロチャネルの下層で正孔及び電子が発生しないので、検出感度をより高めることができる。また、本発明にかかる蛍光検出装置では、例えば、半導体材料を用いた液通路を形成するマイクロチャネル４において、その上方から平行に入射される励起光１１に対して酸化膜５を介してマイクロチャネル４と直交する方向に該半導体材料を用いたフォトダイオードが形成されている構成を有しいてもよい。
【０１１２】
上記半導体材料はｎ−/ｎ＋シリコンであることが好ましい。
【０１１３】
また、上記マイクロチャネルの深さはｎ−シリコン層の厚みと同等であることが好ましい。
【０１１４】
また、上記フォトダイオードの動作時にｎ−シリコン層が空乏化して、上記空乏化した領域が、ｎ＋シリコン層の表面まで達することが好ましい。
【０１１５】
また、本発明の蛍光検出装置は、ＳＯＩを用いた液通路を形成するマイクロチャネルにおいて、その上方から平行に入射される励起光に対して絶縁膜を介してマイクロチャネルと直交する方向に該ＳＯＩを用いたフォトダイオードが形成されている構成を有していてもよい。
【０１１６】
この場合、上記マイクロチャネルの深さはＳＯＩの表面シリコン層の厚みと同程度であることが好ましい。
【０１１７】
また、上記フォトダイオードの動作時にｎ−層が空乏化して、上記空乏化した領域が、埋め込み酸化膜表面まで達することが好ましい。
【０１１８】
なお、上述の説明では、蛍光検出装置を構成する材料として、シリコン基板及びＳＯＩ基板を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。上記材料としては、他の半導体材料であってもよい。
【０１１９】
なお、上述の説明では、シリコン基板及びＳＯＩ基板の表面層としてｎ型シリコンを用いた場合について説明したが、これに限るものではない。上記シリコン基板及びＳＯＩ基板の表面層は、ｐ型シリコンからなっていてもよい。この場合は、当然ながら他の不純物タイプが全て逆になる。
【０１２０】
また、上述の説明では、光源からの励起光をマイクロチャネルの上方より照射する構成を示したが、これに限るものではない。光源からの励起光をマイクロチャネルの下方より照射する構成であってもよい。この場合にも、前記した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
また、上述の説明では、受光素子(光検出手段)としてフォトダイオードを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の受光素子を使用することができる。フォトダイオード以外の受光素子としては、例えばフォトトランジスタが挙げられる。この場合にも、前記した効果と同様の効果を得ることができる。
【０１２２】
また、上述の説明では、上記フォトダイオード部４０が、ＰＮフォトダイオードにより構成されている場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、上記フォトダイオード部４０を構成するフォトダイオードとしては、例えば、アバランシェフォトダイオード、ショットキーダイオード等であってもよい。
【０１２３】
なお、上述の各実施形態で示した蛍光検出装置１００・２００における各々の具体的数値は一例であり、本発明はその値に限定されない。
【０１２４】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明に係る蛍光検出装置は、従来よりも低コストで製造することができると共に、より検出感度が高く、Ｓ／Ｎ比に優れている。よって、マイクロリアクタシステム、電気泳動マイクロシステム、遠心分離マイクロシステム、ＤＮＡチップ等の用途に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る蛍光検出装置の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す蛍光検出装置のＡ−Ａ線の矢視断面図である。
【図３】図１に示す蛍光検出装置のＢ−Ｂ線の矢視断面図である。
【図４】上記蛍光検出装置のフォトダイオード部の動作時における図１に示すＢ−Ｂ線の矢視断面図である。
【図５】従来のフォトダイオードの概略構成を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の一形態に係る蛍光検出システムの概略構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施の他の形態に係る蛍光検出装置の平面図である。
【図８】図７に示す蛍光検出装置のＣ−Ｃ線の矢視断面図である。
【図９】図７に示す蛍光検出装置のＤ−Ｄ線の矢視断面図である。
【図１０】本発明の実施の他の形態に係る蛍光検出装置のフォトダイオード部の動作時における図７に示すＤ−Ｄ線の矢視断面図である。
【図１１】従来の蛍光検出装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１２７】
２      ｎ＋シリコン層（拡散防止層）
３      ｎ−シリコン層（表面シリコン層）
４      マイクロチャネル
５      酸化膜（絶縁膜）
６      ｐ＋領域
７      ｎ＋領域
８      ｐ＋電極
９      ｎ＋電極
１０    光源
１１    励起光
１２    空乏層（受光部）
１３    検体
１４    蛍光
１５    正孔・電子対
１９    ＳＯＩ基板
２０    シリコン基板
２１    埋め込み酸化膜（拡散防止層）
２４    青色蛍光
３０    正孔
３１    電子
４０    フォトダイオード部（受光素子、フォトダイオード）
１００  蛍光検出装置
１１０  蛍光検出システム
２００  蛍光検出装置
Ｌ３    空乏層とマイクロチャネルとの距離
【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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