(57)【要約】【課題】電界効果トランジスタを備えたバイオセンサを用いたバイオセンシング方法において、その検出感度を高める。【解決手段】本発明のバイオセンシング方法は、シリコン基板と、シリコン基板表面に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、チャネルを制御可能なゲート電極と、シリコン基板面に配置された反応場と、を具備するバイオセンサを用意する工程と；反応場に被検出物質認識分子を固定する工程と；被検出物質認識分子を固定された反応場に測定サンプルを供給する工程と；ソース電極とドレイン電極との間に駆動電圧Ｘ（Ｖ）を印加する工程と；チャネルに流れる電流値を測定する工程とを含む。ここで、ゲート絶縁膜の比誘電率は３．９超であることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、前記シリコン基板表面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、前記シリコン基板表面に配置された反応場と、前記反応場に固定された被検出物質認識分子と、を具備するバイオセンサを用意する工程と、
前記被検出物質認識分子を固定された反応場に測定サンプルを供給する工程と、
前記ソース電極とドレイン電極との間に駆動電圧Ｘ（Ｖ）を印加する工程と、
前記チャネルに流れる電流値を測定する工程と、
を含むバイオセンシング方法であって、
前記ゲート絶縁膜の比誘電率は３．９超である、バイオセンシング方法。
【請求項２】
シリコン基板と、前記シリコン基板表面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、前記シリコン基板表面に配置された反応場と、を具備するバイオセンサを用意する工程と、
前記反応場に、被検出物質認識分子を固定する工程と、
前記被検出物質認識分子を固定された反応場に測定サンプルを供給する工程と、
前記ソース電極とドレイン電極との間に駆動電圧Ｘ（Ｖ）を印加する工程と、
前記チャネルに流れる電流値を測定する工程と、
を含むバイオセンシング方法であって、
前記ゲート絶縁膜の比誘電率は３．９超である、バイオセンシング方法。
【請求項３】
前記ゲート絶縁膜は、Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＨｆＯ２およびＺｒＯ２からなる群から選ばれる誘電体物質を含む、請求項１または２に記載のバイオセンシング方法。
【請求項４】
前記ゲート絶縁膜は、前記シリコン基板に積層されたＳｉＯ２膜と、前記ＳｉＯ２膜に積層された誘電率３．９超の誘電体物質からなる膜と、を含む多層膜である、請求項１または２に記載のバイオセンシング方法。
【請求項５】
前記駆動電圧Ｘ（Ｖ）の絶対値は、１．８〜２０（Ｖ）の範囲である、請求項１または２に記載のバイオセンシング方法。
【請求項６】
前記チャネルは、ポリシリコンチャネルである、請求項１または２に記載のバイオセンシング方法。
【請求項７】
前記反応場が配置された前記シリコン基板表面は、前記ゲート絶縁膜が形成された面とは反対の前記シリコン基板表面である、請求項１または２に記載のバイオセンシング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオセンサを用いるバイオセンシング方法に関する。より具体的には、電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサを用いるバイオセンシング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電界効果トランジスタ素子を備えたバイオセンサが提案されている（特許文献１〜３を参照）。一般に、電界効果トランジスタ素子を備えるバイオセンサでは、半導体基板のゲート絶縁膜上に、ソース電極／ドレイン電極およびチャネルが形成されており、さらにチャネルや、半導体基板の絶縁膜などに反応場が配置されていることが多い。反応場には、被検出物質認識分子が固定されることが多い。
【０００３】
電界効果トランジスタ素子を備えたバイオセンサによる検出では、反応場に固定された被検出物質認識分子に被検出物質を認識させ、そのときのソース−ドレイン電流を測定することで、反応場に提供された被検出物質の有無や濃度を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−８５３９２号公報
【特許文献２】特開２００６−２０１１７８号公報
【特許文献３】特開２００７−１３９７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の通り、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサは、電界効果トランジスタのソース−ドレイン電流に基づいて、被検出物質の有無や濃度を測定する。ＭＯＳ-ＴＦＴなどの一般的な電界効果トランジスタなどと比較して、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサの駆動電圧（ソース電極とドレイン電極の電位差）は大きいことが多く、しかも駆動電圧が印加される時間が長いことが多い。そのため、チャネルを配置するゲート絶縁膜の厚みには、長時間の駆動電圧の印加に耐えうる耐圧が求められ、一定以上の厚みを必要とする。
【０００６】
ところが、耐圧を得るためにゲート絶縁膜を厚くすると、バイオセンサの感度が低下する。バイオセンサの感度が低下するとは、例えば、ゲート電圧の変化による、ソース−ドレイン電流の変化量が小さくなることをいう。図１には、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜の厚みを２７ｎｍ,４０ｎｍ,または１００ｎｍとし；一定のソース−ドレイン電圧（駆動電圧１Ｖ）を印加した状態で、ゲート電圧Ｖｇを−２０Ｖ〜＋２０Ｖに変化させたときの、ソース−ドレイン電流Ｉｄｓを示す。
【０００７】
図１に示されるように、ゲート絶縁膜の厚みが薄いほど、ゲート電圧Ｖｇの変化に対するソース−ドレイン電流Ｉｄｓの変化量が大きいことがわかる。つまり、ゲート絶縁膜を薄くするほど、バイオセンサの感度が向上することがわかる。
【０００８】
そこで、ゲート絶縁膜の耐圧を維持しつつ、バイオセンサの感度を高めるには、ゲート絶縁膜の比誘電率を高めることが考えられる。ゲート絶縁膜の比誘電率を高めれば、ゲート電圧による電界の影響を受けやすくなるので、ゲート絶縁膜を厚くしてもバイオセンサの感度を維持できるからである。そこで本発明は、電界効果トランジスタを備えたバイオセンサを用いるバイオセンシングにおいて、ゲート絶縁膜の比誘電率を調整することで、バイオセンサの感度を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち本発明は、以下に示バイオセンシング方法に関する。
［１］シリコン基板と、前記シリコン基板表面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、前記シリコン基板表面に配置された反応場と、前記反応場に固定された被検出物質認識分子と、を具備するバイオセンサを用意する工程と；前記被検出物質認識分子を固定された反応場に測定サンプルを供給する工程と；前記ソース電極とドレイン電極との間に駆動電圧Ｘ（Ｖ）を印加する工程と；前記チャネルに流れる電流値を測定する工程と、を含むバイオセンシング方法であって、
前記ゲート絶縁膜の比誘電率は３．９超である、バイオセンシング方法。
【００１０】
［２］シリコン基板と、前記シリコン基板表面に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、前記チャネルを制御可能なゲート電極と、前記シリコン基板表面に配置された反応場と、を具備するバイオセンサを用意する工程と；前記反応場に、被検出物質認識分子を固定する工程と；前記被検出物質認識分子を固定された反応場に測定サンプルを供給する工程と；前記ソース電極とドレイン電極との間に駆動電圧Ｘ（Ｖ）を印加する工程と；前記チャネルに流れる電流値を測定する工程とを含むバイオセンシング方法であって、
前記ゲート絶縁膜の比誘電率は３．９超である、バイオセンシング方法。
【００１１】
［３］前記ゲート絶縁膜は、Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３，Ｙ２Ｏ３，Ｌａ２Ｏ３，Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＨｆＯ２およびＺｒＯ２からなる群から選ばれる誘電体物質を含む、［１］または［２］に記載のバイオセンシング方法。
［４］前記ゲート絶縁膜は、前記シリコン基板に積層されたＳｉＯ２膜と、前記ＳｉＯ２膜に積層された誘電率３．９超の誘電体物質からなる膜と、を含む多層膜である、［１］または［２］に記載のバイオセンシング方法。
［５］前記駆動電圧Ｘ（Ｖ）の絶対値は、１．８〜２０（Ｖ）の範囲である、［１］または［２］に記載のバイオセンシング方法。
［６］前記チャネルは、ポリシリコンチャネルである、［１］または［２］に記載のバイオセンシング方法。
［７］前記反応場が配置された前記シリコン基板表面は、前記ゲート絶縁膜が形成された面とは反対の前記シリコン基板票面である、［１］または［２］に記載のバイオセンシング方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサを用いたバイオセンシング方法は、前記バイオセンサが優れた耐圧性を有するので、駆動電圧が高くすることができ、優れたセンシング感度を有する。よって、本発明のバイオセンシング方法は、十分な駆動電圧を印加することができ、かつ抗体−抗原反応による微弱な電気特性の変化をも検出することができ、高感度である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ゲート電圧とソース−ドレイン電流との関係を、ゲート絶縁膜の厚さ（２７ｎｍ,４０ｎｍ,または１００ｎｍ）ごとに示すグラフである。
【図２】電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサの例である。
【図３】本発明のバイオセンサの、ゲート電極と反応場の配置態様を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のバイオセンシング方法は、バイオセンサを用いて行われる。バイオセンサは、１）シリコン基板と、２）シリコン基板表面に形成されたゲート絶縁膜と、３）絶縁膜上に配置された配置されたソース電極およびドレイン電極ならびにソース電極とドレイン電極とを接続するチャネルと、４）チャネルを制御可能なゲート電極と、５）シリコン基板表面に配置された反応場と、を有する。
【００１５】
図２には、電界効果トランジスタを具備するバイオセンサの例が示される。図２に示されるバイオセンサ１０は、シリコン基板１１と、ゲート絶縁膜２０と、ゲート絶縁膜２０に配置されたドレイン電極１４及びソース電極１５と、チャネル１６とを有する。さらに、ゲート電極１３は、チャネル１６に電界を作用することができるように配置されている。図２では、ゲート電極１３は、シリコン基板１１の裏面に形成された絶縁膜２１に配置されている。
【００１６】
バイオセンサに含まれるシリコン基板は真性半導体基板である。シリコン基板は、バルクシリコンであってもよいし、ＳＯＩウェハであってもよい。
【００１７】
図２に示されるように、ドレイン電極１４とソース電極１５との間には、外部配線を介して、駆動電源（Ｖｄｓ）１８によってドレイン電極１４とソース電極１５との間に所定の駆動電圧が印加され、電流計１７によってチャネル１６に流れる電流が測定される。
【００１８】
ドレイン電極１４とソース電極１５との間隔（チャネル長さ）は、特に限定されないが、通常は、０．５〜１０μｍの範囲である。この間隔は、チャネル１６による電極間の接続をより容易にするため、さらに縮めてもよい。ドレイン電極１４およびソース電極１５の形状および大きさは、特に限定されず、目的に応じて適宜設定すればよい。
【００１９】
チャネル１６は、例えばポリシリコンチャネルであるが、特に限定されるわけではない。例えばカーボンナノチューブチャネルであってもよい。チャネルは、ＮＰＮ型であっても、ＰＮＰ型であっても、ＮｉＮ型であっても、ＰｉＰ型であってもよい。ＮＰＮ型またはＰＮＰ型のチャネルは、バンドギャップが大きくなるので、ＮｉＮ型またはＰｉＰ型のチャネルと比較して、リーク電流が小さくなりやすい。このため、待機状態の消費電流を低減する回路を構成しやすい。一方、ＮｉＮ型またはＰｉＰ型のチャネルは、ＮＰＮ型またはＰＮＰ型のチャネルと比較して、少ない製造工程で作製されうる。
【００２０】
バイオセンサにおけるゲート電極は、チャネルに電界を作用させることができるように配置されていればよい。チャネルに電界を作用させることができるとは、ゲート電極に印加した電圧に応じて、チャネルに流れる電流（ソース−ドレイン電流）を制御できることをいう。ゲート電極は、通常、シリコン基板の表面に配置されている。図２に示されるように、ゲート電極１３は、ゲート絶縁膜２０が配置されたシリコン基板表面とは反対の面に形成された絶縁膜２１に配置されていてもよいし、ゲート絶縁膜２０上に配置されてもよい。ゲート電極の材質は導電性を有するものであれば特に限定されず、例えば、金、白金、チタン、アルミニウムなどの金属や、導電性プラスチックなどであればよい。
【００２１】
図２に示されるように、シリコン基板１１の表面に形成され、ドレイン電極１４およびソース電極１５ならびにドレイン電極１４とソース電極１５とを接続するチャネル１６が配置されるゲート絶縁膜２０は、ゲート絶縁膜としての比誘電率ｋが３．９よりも大きいことを特徴とし、７．５以上であることが好ましく、２０以上であることがより好ましい。ゲート絶縁膜の比誘電率が大きいほど、ゲート電極による電界がチャネルに作用しやすいからである。
【００２２】
ゲート絶縁膜としての比誘電率ｋとは、ゲート絶縁膜が一つの層からなる単層膜である場合には、その単層膜を構成する絶縁物質の比誘電率によって決定される。以下の表には、各絶縁物質の比誘電率が示される。
【００２３】
【表１】
2013148456.tif 000003
【００２４】
上記表１に示されるように、酸化シリコン（熱酸化物）ＳｉＯ２の誘電率は３．９であるので、本発明のバイオセンサにおけるゲート絶縁膜は、酸化シリコン（熱酸化物）ＳｉＯ２からなる単層膜ではない。一方、上記表１に示される酸化シリコン以外の絶縁物質の比誘電率は３．９よりも大きいので、本発明のバイオセンサにおけるゲート絶縁膜は、これらの絶縁物質からなる単層膜であってもよい。
【００２５】
ゲート絶縁膜としての比誘電率ｋは、ゲート絶縁膜が複数の層（ｎ個の層）からなる多層膜である場合には、下記式で得られる値であるとみなされる。下記式において、"ｄｎ"とはゲート絶縁膜の第ｎ層の厚み（ｎｍ）を示しており、"ｋｎ"とはゲート絶縁膜の第ｎ層を構成する物質の比誘電率を示す。下記式で得られるゲート絶縁膜としての比誘電率ｋが、３．９よりも大きければよい。
１/ｋ＝ｄ１/ｋ１＋ｄ２/ｋ２＋・・・ｄｎ/ｋｎ
【００２６】
本発明におけるゲート絶縁膜の厚さｄ（ｎｍ）は、特に限定されないが、ゲート絶縁膜としての比誘電率ｋと、バイオセンサの駆動電圧Ｘ（Ｖ）、ゲート印加電圧の最大値Ｙ（Ｖ）に応じて、下記式で示されることが好ましい。｜Ｙ｜とは、ゲート印加電圧の最大値Ｙ（Ｖ）の絶対値を意味する。｜Ｘ｜とは、バイオセンサの駆動電圧Ｘ（Ｖ）の絶対値を意味する。
ｄ ≧ ｋ／３．９×（｜Ｙ｜＋｜Ｘ｜）
【００２７】
後述の通り、本発明のバイオセンサの駆動電圧Ｘ（Ｖ）の絶対値は、通常１〜２０（Ｖ）の範囲であり、好ましくは１．８Ｖ〜５（Ｖ）、より好ましくは１．８〜３（Ｖ）である。また、通常のゲート印加電圧は、例えば、−２０Ｖ〜２０Ｖである。このときのゲート印加電圧の最大値Ｙは２０Ｖまたは−２０Ｖであり、｜Ｙ｜は２０である。このようにして、上記式にゲート絶縁膜としての比誘電率ｋと、バイオセンサの駆動電圧Ｘと、ゲート印加電圧の最大値Ｙとを当てはめて、ゲート絶縁膜の厚みｄ（ｎｍ）を設定してもよい。
【００２８】
本発明のバイオセンサにおけるゲート絶縁膜の最低必要膜厚は、真性耐圧性を有するように設定される。真性耐圧とは、測定対象に電圧を印加した場合に絶縁が破壊される電圧を意味しており、絶縁性を示す指標である。本発明のバイオセンサは、起動している間、少なくとも検出操作をしている間、一定の駆動電圧が印加され続けることが多い。すなわち、ＭＯＳ-ＴＦＴなどの一般的な電界効果トランジスタと比較して、駆動電圧が印加される時間が長い。そのため、高い駆動電圧Ｘが印加されても、ゲート絶縁膜による確実な真性耐圧性が求められる。
【００２９】
本発明者は、比誘電率がｋであるゲート絶縁膜の厚みｄと、その駆動耐圧Ｘと、ゲート電圧Ｙの関係を、式「ｄ≧ｋ/３．９ × （｜Ｙ｜＋｜Ｘ｜）」とすると、バイオセンシングに用いるバイオセンサのゲート絶縁膜に、十分な耐圧性を付与することができることを明らかにした。一方、比誘電率がｋであるゲート絶縁膜の厚みｄの上限は特に限定されないが、過剰に厚いゲート絶縁膜は、バイオセンサの感度を低下させる。
【００３０】
本発明のバイオセンサにおけるゲート絶縁膜の好ましい態様の一つは、シリコン基板に直接接する熱酸化シリコン層と、熱酸化シリコン膜に接して積層された高誘電物質からなる層との多層膜である。シリコン基板に、高誘電物質からなる層を直接積層すると、高誘電物質からなる層に膜応力が加わって欠陥が生じたり、シリコン基板と高誘電物質からなる層との界面に剥離が生じたりする。シリコンと高誘電物質とは、その強度や膨張収縮率が大きく相違するためである。特に、高誘電物質からなる層の厚みを増大させると、前述の欠陥や剥離が生じやすい。絶縁膜に欠陥が生じたり、シリコン基板と絶縁膜との界面にギャップが生じたりすると、絶縁機能が損なわれる。
【００３１】
一方で、シリコン基板と高誘電物質からなる層との間に熱酸化シリコン層を挟むと、シリコン基板と高誘電物質からなる層との密着性が高まり、さらに熱酸化シリコン層が膜応力を吸収する。そのため、厚みの大きい高誘電体物質からなる層を、シリコン基板上に積層することができる。
【００３２】
シリコン基板と高誘電物質からなる層との間に形成される熱酸化シリコン層の厚みは、応力吸収や密着性向上のために、通常は３ｎｍ以上であればよい。一方、熱酸化シリコン層は誘電率が低いので、その厚みが厚すぎると、バイオセンサとしての感度を低下させることがある。そのため、前述の膜応力吸収や密着性向上を確保できる範囲で、できるだけ薄くすることが好ましく、通常は３０ｎｍ以下である。
【００３３】
高誘電物質からなる層は、熱酸化シリコンの誘電率（３．９）よりも高い誘電率を有する物質で構成されればよい。高誘電物質の例には、前記表１に示された化合物が含まれ、誘電率が７．５以上の誘電物質であることが好ましく、２０以上の誘電物質であることがより好ましい。
【００３４】
ゲート絶縁膜を、熱酸化シリコン層（厚みｄ１,比誘電率ｋ１＝３．９）と高誘電物質からなる層（厚みｄ２,比誘電率ｋ２＞３．９）との多層膜としたときに、厚みｄ１とｄ２は、ゲート絶縁膜としての比誘電率をｋとしたとき、下記式を満たすように設定される。
ｄ１＋ｄ２≧ｋ/３．９×（｜Ｙ｜＋｜Ｘ｜）
【００３５】
ここで、絶縁膜としての比誘電率ｋは、下記式で示される。
１/ｋ＝ｄ１/３．９＋ｄ２/ｋ２
【００３６】
熱酸化シリコン層は、定法に従って、シリコン基板表面を熱酸化して形成すればよい。高誘電物質からなる層は、スパッタリング法や化学気相成長（ＣＶＤ）法によって形成されうる。例えば、特開２００２−２４６３８８号公報には、金属アルコキシドなどの前駆物質を、酸素などの酸化体ガスと化学気相成長チャンバ内で反応させて金属酸化物層を堆積させ；アニールすることで、高誘電体層を形成する技術が開示されている。
【００３７】
反応場について
バイオセンサは反応場を有する。反応場とは、被検出物質を含みうるサンプル（通常は溶液である）を提供する領域である。本発明のバイオセンサの反応場には、被検出物質認識分子が固定されているか、または固定可能に表面処理されていることが好ましい。被検出物質認識分子の例には、抗体や酵素、レクチンなどのタンパク質、核酸、オリゴ糖または多糖、あるいはそれらの構造を有する物質が含まれる。被検出物質認識分子を反応場に固定化することで、特定のタンパク質や化学物質などを特異的に検出することができる。
【００３８】
通常、反応場はシリコン基板の表面に配置される。より具体的には、反応場は、チャネルが配置された面とは裏面のシリコン基板表面にあるか（図３参照）、またはチャネルが配置されたシリコン基板表面（ゲート絶縁膜上）にありうる。
【００３９】
図３Ａおよび図３Ｂに示されるバイオセンサ（１０−１，１０−２）では、反応場３０が、ドレイン電極１４とソース電極１５の配置面とは反対のシリコン基板表面に配置されている。図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、反応場３０とゲート電極１３とは、シリコン基板１１の面の同一面に配置されることが好ましく、かつできるだけ近い位置に配置されることが好ましい。例えば、ゲート電極１３は、反応場３０を囲むように配置されてもよいし（図３Ａ参照）、反応場３０を覆うように配置されてもよい（図３Ｂ参照）。このようにすることで、反応場３０に提供された被検出物質の濃度変化による、チャネル１６に対する電界効果の変化を大きくすることができるので、バイオセンサの測定感度を高めることができる。
【００４０】
反応場３０は、被検出物質認識分子３２を固定する機能を有する。
【００４１】
図３Ａに示されるバイオセンサ１０−１において、反応場３０が配置された領域の絶縁膜２１の厚さは一定であるが；反応場３０が配置された領域の絶縁膜の厚さを、その周囲の絶縁膜の厚さよりも薄くしてもよい。すなわち、反応場３０は凹部の内部にあってもよい。そうすることにより、試料溶液を反応場３０に効率的に留めることができるだけでなく、ゲート電極１３から基板表面方向に漏れ出た電気力線が、より効率的に反応場３０を通過することができる。
【００４２】
また、絶縁膜２１上に、反応場３０を取り囲む障壁を設けても、試料溶液を反応場３０に効率的に留めることができる。図３Ｂに示されるバイオセンサ１０−２では、反応場３０が凹部の内部にある。図３Ｂに示すように、絶縁膜２１が形成された面には、ゲート電極１３に対向する反応場（ゲート酸化膜）３０と、反応場３０を取り囲む障壁部３１とが形成されている。
【００４３】
反応場３０及び障壁部３１は、いずれも酸化シリコンにより形成されうる。特に、障壁部３１は、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法を用いて形成することが好ましい。反応場３０の酸化シリコン膜の厚さは２００ｎｍ以下とされており、実際には１〜２００ｎｍ程度（例えば、１００ｎｍ）であることが好ましい。障壁部３１の酸化シリコン膜の厚さは、反応場３０の酸化シリコン膜の厚さよりも厚く、かつ数１０００ｎｍ以下とされており、実際には２００〜１０００ｎｍ程度（例えば、６００ｎｍ）であることが好ましい。さらに、反応場３０の上面と障壁部３１の上面との差（つまり段差）は、２００〜８００ｎｍ程度（例えば、５００ｎｍ）であることが好ましい。また、実際上、反応場３０の面積は、２５ｍｍ２程度である。
【００４４】
障壁部３１は、反応場３０を完全に取り囲んでいることが好ましいが、完全に取り囲んでいなくてもよい。要は、反応場３０に提供された試料溶液の流出を規制できる程度に取り囲んでいればよい。
【００４５】
このように、図３Ｂに示されるバイオセンサ１０−２は、反応場３０を取り囲む障壁部３１を形成したことにより、反応場３０に被検出物質や被検出物質認識分子を載置した場合に、これらの物質が障壁部３１に規制されて反応場３０の面積よりも拡がることを防止できる。つまり、試料溶液が反応場３０上で拡がる面積を一定とすることができる。
【００４６】
本発明のバイオセンセンシング方法
本発明のバイオセンシング方法のフローを説明する。まず、バイオセンサの反応場に被検出物質認識分子が固定されていない場合には、被検出物質認識分子を固定する。
【００４７】
被検出対象物を含みうるサンプルを反応場に供給する。サンプルは通常、溶液である。それによりサンプル中の被検出物質と、反応場に固定された被検出物質認識分子とを反応させる。その後、必要に応じて反応場から、サンプル中の溶媒などを除去する。
【００４８】
その後、ソース電極とドレイン電極との間に電位差を設ける。この電位差を「駆動電圧」ともいう。駆動電圧は、通常１Ｖ〜２０Ｖ，好ましくは１．８Ｖ〜５Ｖ、より好ましくは１．８Ｖ〜３Ｖである。駆動電圧は、バイオセンサを駆動している間、一定の電圧とすることが多い。
【００４９】
そして、駆動電圧を印加した状態で、所定のゲート電圧を印加して電界をチャネルに作用させる。このときのソース−ドレイン電流を測定することで、サンプル中の検出対象物の有無の判断、またはその量や濃度を測定する。より具体的には、一定の駆動電圧を印加した状態で、ゲート電圧を変化させながらソース−ドレイン電流を測定する。
【００５０】
測定された電流値に基づいて、サンプル中の被検出物質の有無またはその濃度を求める。例えば、検出対象物がない場合のソース−ドレイン電流を予め測定しておき、それとサンプルの測定結果とを対比することで、サンプル中の検出対象物の有無を確認できる。また、検出対象物の濃度ごとにソース−ドレイン電流を予め測定しておき、それとサンプルの測定結果とを対比することで、サンプル中の検出対象物の濃度を求めることができる。
【００５１】
本発明の電界効果トランジスタ素子を含むバイオセンサを用いたセンシング方法は、バイオセンサのゲート絶縁膜が高誘電物質を含むので、その膜厚を厚くしたとしてもセンシング感度を維持することができる。電界効果トランジスタ素子を含むバイオセンサは、検出操作を行う間、ソース−ドレイン間の電圧（駆動電圧）を連続印加することがある。本発明のバイオセンサは、ゲート絶縁膜を厚くすることで確実な耐圧を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明のバイオセンシング方法によれば、電界効果トランジスタの特性を活かして高感度な検出を実現することができる。さらに、ゲート絶縁膜に高誘電物質を含ませることで、ゲート絶縁膜の膜厚を上げているので、駆動電圧に対する確実な耐圧を有する。そのため、電界効果トランジスタ素子を具備するバイオセンサを用いるバイオセンシングの実用化に寄与する。
【符号の説明】
【００５３】
１０  バイオセンサ
１１  シリコン基板
１３  ゲート電極
１４  ドレイン電極
１５  ソース電極
１６  チャネル
１７  電流計
１８  駆動電源
２０  ゲート絶縁膜
２１  絶縁膜  
３０  反応場
３１  障壁部
３２  被検出物質認識分子
【図２】
2013148456.tif 000004
【図３】
2013148456.tif 000005
【図１】
2013148456.tif 000006