(57)【要約】      （修正有）【課題】従来のＳＰＲ測定システムの出力光路の必要性をなくす。【解決手段】シリコン基板上に集積化した波数マッチング構造と、第１表面が前記シリコン基板の低濃度にドープされた領域及びドープされていない領域のいずれかに隣接し、ショットキー接合を形成する、第１伝導性電極と、前記第１伝導性電極の第２表面に隣接する誘電体と、前記シリコン基板に形成される第２伝導性電極とを備える集積化光電センサを提供する。前記第１伝導性電極及び第２伝導性電極は、光信号による前記波数マッチング構造の照射に応答して供給される検出信号に結合を提供する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に集積化した波数マッチング構造と、
第１表面が前記シリコン基板の低濃度にドープされた領域及びドープされていない領域のいずれかに隣接し、ショットキー接合を形成する、第１伝導性電極と、
前記第１伝導性電極の第２表面に隣接する誘電体と、
前記シリコン基板に形成される第２伝導性電極と
を備え、前記第１伝導性電極及び第２伝導性電極は、光信号による前記波数マッチング構造の照射に応答して供給される検出信号に結合を提供する、集積化光電センサ。
【請求項２】
前記検出信号が前記ショットキー接合において生成される光電流を含む請求項１に記載の集積化光電センサ。
【請求項３】
前記誘電体が結合層とサンプルを含む請求項１に記載の集積化光電センサ。
【請求項４】
前記波数マッチング構造が、矩形断面、台形断面、三角形断面、及び曲線断面のうちの１つを有する請求項１に記載の集積化光電センサ。
【請求項５】
前記光信号が、前記第１伝導性電極において表面プラズモンを励起するのに十分な波長、入射角、及び偏光を有する請求項３に記載の集積化光電センサ。
【請求項６】
前記シリコン基板内に集積化された暗電流センサをさらに備える請求項１に記載の集積化光電センサ。
【請求項７】
前記暗電流センサが前記検出信号についての暗電流基準を提供する請求項６に記載の集積化光電センサ。
【請求項８】
前記検出信号を受け取るとともに、該検出信号を処理して前記サンプルに関連する共鳴波長及び共鳴入射角のうちの少なくとも１つの偏移を示す出力信号を供給するプロセッサをさらに備える請求項５に記載の集積化光電センサ。
【請求項９】
前記検出信号を受け取るとともに、該検出信号を処理して時間の関数として前記サンプルの屈折率単位（ＲＩＵｓ）の変化を示す出力信号を供給するプロセッサをさらに備える請求項５に記載の集積化光電センサ。
【請求項１０】
検知素子のアレイを備える集積化光電センサであって、
前記アレイの各検知素子が、
シリコン基板上に集積化した波数マッチング構造と、
第１表面が前記シリコン基板の低濃度にドープされた領域及びドープされていない領域のいずれかに隣接して、ショットキー接合を形成する、第１伝導性電極と、
前記第１伝導性電極の第２表面に隣接する誘電体と、
前記シリコン基板に形成される第２伝導性電極と
を備え、前記第１伝導性電極と第２伝導性電極は、光信号による前記波数マッチング構造の照射に応答して供給される検出信号に結合を提供する、集積化光電センサ。
【請求項１１】
前記光信号がコリメートされた光ビームを含み、前記アレイの各検知素子が共通入射角で照射される請求項１０に記載の集積化光電センサ。
【請求項１２】
前記光信号が発散光ビームを含み、前記アレイの各検知素子が異なる入射角で照射される請求項１０に記載の集積化光電センサ。
【請求項１３】
前記光信号が前記第１伝導性電極において表面プラズモンを励起するのに十分な波長、入射角、及び偏光を提供する請求項１２に記載の集積化光電センサ。
【請求項１４】
前記光ビームが共鳴入射角を含む入射角範囲を提供する請求項１３に記載の集積化光電センサ。
【請求項１５】
各検知素子の前記検出信号が前記ショットキー接合において生成される光電流を含む請求項１０に記載の集積化光電センサ。
【請求項１６】
各検知素子の前記誘電体が結合層とサンプルを含む請求項１０に記載の集積化光電センサ。
【請求項１７】
前記シリコン基板内に集積化された暗電流センサをさらに備える請求項１０に記載の集積化光電センサ。
【請求項１８】
前記暗電流センサが各検知素子に対応する前記検出信号についての基準として暗電流を供給する請求項１７に記載の集積化光電センサ。
【請求項１９】
各検知素子に対応する前記検出信号を受け取るとともに、各検知素子に対応する該検出信号を処理して共鳴波長と共鳴入射角のうちの少なくとも１つの偏移を示す出力信号を供給するプロセッサをさらに備える請求項１３に記載の集積化光電センサ。
【請求項２０】
各検知素子に対応する前記検出信号を受け取るとともに、各検知素子に対応する検出信号を処理して時間の関数として前記サンプルの屈折率単位（ＲＩＵｓ）の変化を示す出力信号を供給するプロセッサをさらに備える請求項１３に記載の集積化光電センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積化光電ＳＰＲセンサに関し、特に、従来のＳＰＲ測定システムの出力光路の必要性をなくすことができる集積化光電ＳＰＲセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）測定システムは、システムに含まれるＳＰＲセンサに結合したサンプルの屈折率の偏移を検出するのに使用される。従来のＳＰＲ測定システム（図１に示す）は、入力光路を通ってＳＰＲセンサを照射する光源を含む。ＳＰＲセンサによって反射された光は、出力光路を通って伝播し、検出器によって捕らえられる。特に、ＳＰＲセンサが検知素子のアレイを含む時、光路は、通常、望遠鏡、偏光子、音響光学偏向器、及びＳＰＲ測定システムに複雑さを付加する他の光学部品を含む。検知素子のアレイを収容するために、出力光路は、アレイの各検知素子を検出器内の対応する検出素子にマッピングするイメージングシステムを含む。イメージングシステムは、ＳＰＲ測定システムの製造コストを増加させ、通常のイメージングシステムによって達成することができる重ね合わせ(registration)の制限のために、アレイにおける検知素子の物理的密度を制限する可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の実施形態による集積化光電ＳＰＲセンサは、従来のＳＰＲ測定システムの出力光路の必要性をなくすことができ、ＳＰＲ測定を行うコストと複雑さを減らすことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
集積化光電センサは、シリコン基板上に集積化した波数マッチング構造（wavenumber matching structure）を含む。第１伝導性電極の第１表面がシリコン基板の領域に隣接してショットキー接合を形成する。誘電体は、第１伝導性電極の第２表面に隣接して配置される。第１伝導性電極とシリコン基板に形成される第２伝導性電極とは、光信号による波数マッチング構造の照射に応答して生成される検出信号に結合(coupling)を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図２は、ＳＰＲ測定を行うのに適したシステム１０を示す。システム１０は、光源１２、入力光路１４、及び本発明の実施形態による集積化光電センサ１６を含む。説明のために、集積化光電センサ１６は、図１に示す従来の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）測定システムに典型的である光源１２と光学素子１８を有するシステム１０内に示される。システム１０に適する光源１２と光学素子１８の例は、Optical Biosensors: Present and Future, F.S. Ligler及びC.A. Rowe Taitt編, Elsevier Science B. V., pages 207-247を含む種々の参考文献に開示される。光源１２は、通常、連続波（ＣＷ）レーザ、波長掃引レーザ、変調レーザ源、発光ダイオード（ＬＥＤ）、高輝度発光ダイオード（ＳＬＥＤ）、白色光源、又は集積化光電センサ１６において表面プラズモンを励起するのに適した光信号１１を供給する任意の他のタイプのエミッタ又はソースを含む。
【０００６】
光源１２は、入力光路１４を通って集積化光電センサ１６の照射を提供する。光信号１１は、通常、ある波長範囲にわたって波長λで掃引されるか、又は、ある入射角範囲にわたって入射角Φで掃引される。波長λで掃引されるか、又は、入射角Φで掃引されるのに加えて、光信号１１はまた、システム１０における干渉作用を減らすために、変調することができる。
【０００７】
光信号１１による照射に応答して、集積化光電センサ１６は、検出信号１３を供給し、検出信号１３は、一対の伝導性電極１７ａ、１７ｂによって、プロセッサ２０に、又は、集積化光電センサ１６から分離するか若しくは集積化光電センサ１６に集積化される別のデバイス、素子、又はシステムに結合する。検出信号１３は、集積化光電センサ１６を照射する光信号１１の偏光、入射角Φ、及び波長λによって決まる特性を有する電気信号である。共鳴状況下で、集積化光電センサ１６内で励起される表面プラズモンは、検出信号１３で表される。
【０００８】
検出信号１３は、集積化光電センサ１６に結合するプロセッサ２０に供給される。プロセッサ２０は、検出信号１３を処理し、出力信号１５をディスプレイ又は他の出力デバイス２２上に供給する。本発明の一実施形態によれば、光信号１１は、波長λで掃引され、出力信号１５は、図３Ａの例の出力信号１５に示すように、集積化光電センサ１６内のサンプル３４に関連する共鳴波長λRの偏移を示す。本発明の別の実施形態によれば、光信号１１は、入射角Φで掃引され、出力信号１５は、図３Ｂの例の出力信号１５に示すように、集積化光電センサ１６内のサンプル３４に関連する共鳴入射角ΦRの偏移を示す。本発明の代替の実施形態によれば、プロセッサ２０は、検出された共鳴波長λRの偏移又は検出された共鳴入射角ΦRの偏移を使用して、時間の関数としてサンプル３４の屈折率単位（ＲＩＵ）の変化を示す。ＲＩＵの変化は、集積化光電センサ１６内のサンプル３４の結合動特性(binding kinetics)を決定するのに使用することができる。このタイプの出力信号１５の例は、図３Ｃに示される。
【０００９】
図４は、本発明の実施形態による集積化光電センサ１６の詳細断面図を示す。集積化光電センサ１６は、ＣＭＯＳ半導体プロセス、シリコンバイポーラプロセス、又は、シリコン基板２６上にデバイス又は素子を集積化するのに適した任意の他のシリコンプロセス又は作製技法を使用して実施される。
【００１０】
集積化光電センサ１６は、基板２６に集積化される波数マッチング構造２４を含む。波数マッチング構造２４は、光信号１１が適した偏光を有し、且つ適した波長λを有する時に、伝導性電極１７ａにおける入射角Φが、集積化光電センサ１６において表面プラズモンを励起するのに十分に大きくなることを可能にするように、十分に高い屈折率と対応する断面形状を有する。共鳴状況下で、波数マッチング構造２４は、光信号１１の波数を表面プラズモンの波数に一致させて、光信号１１から表面プラズモンへの光エネルギーの結合を可能にする。
【００１１】
図４に示す波数マッチング構造２４は、ＫＯＨエッチング又は他のシリコン作製技法を使用して形成することができる台形断面を有する。或いは、波数マッチング構造２４は、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、三角形断面、矩形断面、又は曲線断面を有する。しかしながら、波数マッチング構造２４は、伝導性電極１７ａにおいて表面プラズモンの励起を維持するのに適した光学特性を有する代替の断面形状を有する。
【００１２】
伝導性電極１７ａは、基板２６のドープされていない領域又は低濃度にドープされた(lightly doped)領域２８に隣接して基板２６上に形成され、ショットキー接合を形成する。第１例では、波数マッチング構造２４及び基板２６は、低濃度にドープされたシリコン及び低濃度にドープされたシリコン上に成長したｎ＋エピタキシャル層によって形成され、領域２８は、ｎ＋エピタキシャル層上に成長する。第２例では、波数マッチング構造２４及び基板２６は、ｎ層から形成され、領域２８は、ｐドープの注入によって形成されて、領域２８におけるｎドープの正味の減少を可能にする。代替の例では、波数マッチング構造２４、基板２６、及び領域２８は、第１例と第２例のドープの相補的ドープによって、示したｎドープの代わりにｐドープによって、且つ示したｐドープの代わりにｎドープによって形成される。典型的なｎドープは、ヒ素及び／又はリンを使用して提供され、典型的なｐドープは、ホウ素を使用して提供される。しかしながら、ｎドープとｐドープは、代替の元素又は付加的な元素、或いは、代替の元素又は付加的な元素の組み合わせを使用して提供することもできる。
【００１３】
領域２８は、伝導性電極１７ａと領域２８の間の界面における電流漏れを防止する。伝導性電極１７ａは、表面プラズモンと、誘電体３０を透過する、結果として生成されるエバネッセント波との励起を維持するのに十分に薄い。図４に示す例では、伝導性電極１７ａは、典型的には、３０〜５０ｎｍの厚さを有し、伝導性電極１７ａがアルミニウムを使用して作製される時、０．１ｍｍの典型的な長さと幅を有し、伝導性電極１７ａが金を使用して作製される時、１ｍｍの典型的な長さと幅を有する。２つの平坦表面を有する伝導性電極１７ａが示され、第１表面は基板２６の領域２８に隣接し、第２表面は誘電体３０に隣接する。
【００１４】
誘電体３０は、通常、結合層(binding layer)３２とサンプル３４を含む。サンプル３４は、マイクロ流体流路又は集積化したマイクロ流体カートリッジを介して、結合層３２に供給される分析物を含むことができる。或いは、サンプル３４は、図４に示すように、結合層３２上に付着するか、又は、その他の方法で結合層３２上に配置される１つ又は複数の分析物を含むことができる。光信号１１による表面プラズモンの励起を維持するのに適する、伝導性電極１７ａと誘電体３０によって提供される種々の知られている界面が存在する。
【００１５】
集積化光電センサ１６はまた、基板２６内に配置されるｐ＋ドープ領域２９に結合する金属導体３１によって通常形成される伝導性電極１７ｂを含む。ｐ＋ドープ領域２９は、金属導体３１と基板２６の間の接触抵抗を減らして、低抵抗オーミック接触を形成する。
【００１６】
検出信号１３は、通常、ショットキー接合において生成され、伝導性電極１７ａ、１７ｂの間を流れる光電流を含む。光信号１１によって供給される光子は、伝導性電極１７ａにおいて表面プラズモンを励起し、表面プラズモンは、伝導性電極１７ａにおける電子エネルギーを増加させる。結果として、伝導性電極１７ａのところにある電子のより多くの電子が、領域２８と伝導性電極１７ａによって形成されたショットキー接合のエネルギー障壁を越えるのに十分なエネルギーを獲得して、光電流が供給される。
【００１７】
光信号１１の光子のエネルギーが、基板２６のシリコンのバンドギャップエネルギーより小さいため、光信号１１の光子は、比較的減衰を受けずに波数マッチング構造２４と基板２６を通過する。集積化光電センサ１６の基板２６と波数マッチング構造２４は、通常、１１００ｎｍより大きな波長を有する光信号１１に対応する。
【００１８】
図４に示す集積化光電センサ１６の実施形態によれば、集積化光電センサ１６は、集積化した暗電流センサ３６を含む。暗電流センサ３６は、伝導性電極１７ａ、領域２８、及び誘電体３０にそれぞれ等価である、伝導性電極１７ａDC、ドープされていない領域又は低濃度にドープされた領域２８DC、及び誘電体３０DCを有する。暗電流センサ３６は、通常、光信号１１によって照射されないため、検出信号１３は、検出信号１３についての基準を提供する暗電流センサ３６によって供給される、伝導性電極１７ａDC、１７ｂDC上の暗電流に関して、伝導性電極１７ａ、１７ｂ上の光電流を比較するか、又は、減算することによって生じる差信号となることができる。暗電流センサ３６は、光信号１１によって照射することもできるが、暗電流センサ３６には、波数マッチング構造が無いため、暗電流センサ３６内では、表面プラズモンは励起されない。本発明の代替の実施形態によれば、集積化光電センサ１６は、暗電流センサ３６を含まない。
【００１９】
図６は、検知素子のアレイを含む、本発明の実施形態による集積化光電センサ１６を示す。検知素子のアレイは、伝導性電極１７ａ1〜１７ａn及び対応する誘電体３０1〜３０nのアレイを含む。通常、誘電体３０1〜３０nのそれぞれは、１つ又は複数の光信号１１による照射に応答して、一連の検出信号１３1〜１３nを供給することができるように、対応する結合層３２1〜３２n及びサンプル３４1〜３４nを含む。図７Ａに示す本発明の実施形態によれば、光信号１１は、コリメートされた光ビームのコリメーションの程度に応じて、伝導性電極１７ａ1〜１７ａnの間で共通である入射角Φiで伝導性電極１７ａ1〜１７ａnのそれぞれを照射するコリメートされた光ビーム３３ｃを含む。通常、サンプル３４1〜３４nは、１つ又は複数のタイプの分析物を含み、それによって、集積化光電センサ１６が、複数のタイプの分析物を並列に、又は、順次に特徴付けることが可能になる。図７Ｂに示す本発明の実施形態によれば、光信号１１は、発散光ビームの発散の程度に応じて、異なる入射角Φ1〜Φnで伝導性電極１７ａ1〜１７ａnのそれぞれを照射する発散光ビーム３３ｄを含む。通常、サンプル３４1〜３４nは、１つのタイプの分析物を含み、それによって、光源１２が光信号１１の入射角Φを掃引することなく、集積化光電センサ１６が、ある入射角範囲にわたって分析物を特徴付けることが可能になる。
【００２０】
図２では、プロセッサ２０をシステム１０の別個の要素として示すが、増幅器、デジタル信号プロセッサ、又はプロセッサ２０に含まれる他のデバイス、要素、又はシステムは、集積化光電センサ１６内に代替的に集積化される。
【００２１】
本発明の実施形態が詳細に示されたが、これらの実施形態に対する変更及び適応を、添付の特許請求の範囲に述べる本発明の範囲から逸脱することなく、当業者が思いつくことができることが明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】出力光路を含む従来のＳＰＲ測定システムを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による集積化光電センサを含むＳＰＲ測定を行うのに適したシステムを示す図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による集積化光電センサによって供給される出力信号の例を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による集積化光電センサによって供給される出力信号の例を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態による集積化光電センサによって供給される出力信号の例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態による集積化光電センサの詳細断面図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態による集積化光電センサに含まれるのに適した波数マッチング構造の代替の例を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による集積化光電センサに含まれるのに適した波数マッチング構造の代替の例を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の実施形態による集積化光電センサに含まれるのに適した波数マッチング構造の代替の例を示す図である。
【図６】本発明の代替の実施形態による、検知素子のアレイを含む集積化光電センサを示す図である。
【図７Ａ】検知素子のアレイがコリメートされた光ビームによって照射される、本発明の代替の実施形態による集積化光電センサを示す図である。
【図７Ｂ】検知素子のアレイが発散光ビームによって照射される、本発明の代替の実施形態による集積化光電センサを示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１０    システム
１１    光信号
１２    光源
１３    検出信号
１４    入力光路
１５    出力信号
１６    集積化光電センサ
１７ａ  伝導性電極
１７ｂ  伝導性電極
１８    光学素子
２０    プロセッサ
２２    出力デバイス
【図１】
2007071877.tif 000002
【図２】
2007071877.tif 000003
【図３Ａ】
2007071877.tif 000004
【図３Ｂ】
2007071877.tif 000005
【図３Ｃ】
2007071877.tif 000006
【図４】
2007071877.tif 000007
【図５Ａ】
2007071877.tif 000008
【図５Ｂ】
2007071877.tif 000009
【図５Ｃ】
2007071877.tif 000010
【図６】
2007071877.tif 000011
【図７Ａ】
2007071877.tif 000012
【図７Ｂ】
2007071877.tif 000013