(57)【要約】【課題】生体組織の電位および光学画像を同時に観測し、かつ光学画像の高感度化および電位観測の高解像度化を図る。【解決手段】センシングデバイスは、被測定対象を測定するためのフォトダイオードＰＤと、第１及び第２端子並びに制御端子を有し前記フォトダイオードに当該第１端子が接続される第１トランジスタＴＧＰと、前記被測定対象の電位を検出する電極ＭＥと、第３及び第４端子並びに制御端子を有し前記電極に当該第３端子が接続される第２トランジスタＴＧＭと、前記第１トランジスタの前記第２端子及び前記第２トランジスタの前記第４端子が接続される電荷蓄積部ＦＤと、を具備する。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象を測定するためのフォトダイオードと、
第１及び第２端子並びに制御端子を有し前記フォトダイオードに当該第１端子が接続される第１トランジスタと、
前記被測定対象の電位を検出する電極と、
第３及び第４端子並びに制御端子を有し前記電極に当該第３端子が接続される第２トランジスタと、
前記第１トランジスタの前記第２端子及び前記第２トランジスタの前記第４端子が接続される電荷蓄積部と、
を具備することを特徴とするセンシングデバイス。
【請求項２】
前記電荷蓄積部に入力端子が接続される第１アンプをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
【請求項３】
前記電荷蓄積部に接続される読み出し回路をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
【請求項４】
前記第１トランジスタは、半導体基板に設けられ、
前記第２トランジスタは、前記半導体基板の上方に設けられた半導体層に設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
【請求項５】
電圧供給用の第５端子と、
第６及び第７端子並びに制御端子を有し前記第５端子に当該第６端子が接続され前記電極に当該第７端子が接続される第３トランジスタと、
をさらに具備し、
前記電極は、前記第５端子を通じて供給される電圧に基づいて、前記被測定対象に電位を印加する
ことを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
【請求項６】
前記第１トランジスタは、半導体基板上に設けられ、
前記第２トランジスタは、前記半導体基板の上方に設けられた第１半導体層に設けられ、
前記第３トランジスタは、前記半導体基板の上方に設けられた第２半導体層に設けられる
ことを特徴とする請求項５に記載のセンシングデバイス。
【請求項７】
各トランジスタを制御する制御回路をさらに具備し、
前記制御回路は、前記第３トランジスタをオンさせるとともに、前記第１トランジスタをオンさせることを特徴とする請求項５に記載のセンシングデバイス。
【請求項８】
各トランジスタを制御する制御回路をさらに具備し、
前記制御回路は、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとを、交互にオンさせることを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
【請求項９】
前記電極と前記第２トランジスタの前記第３端子との間に接続される第２アンプをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載のセンシングデバイス。
【請求項１０】
前記被測定対象は、生体組織であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のセンシングデバイス。
【請求項１１】
被測定対象を測定するためのフォトダイオードと、
第１及び第２端子並びに制御端子を有し前記フォトダイオードに当該第１端子が接続される第１トランジスタと、
前記被測定対象の電位を検出する電極と、
入力端子及び出力端子を有し前記電極に当該入力端子が接続される第１アンプと、
第３及び第４端子並びに制御端子を有し前記第１アンプの前記出力端子に当該第３端子が接続される第２トランジスタと、
前記第１トランジスタの前記第２端子に接続される電荷蓄積部と、
を具備することを特徴とするセンシングデバイス。
【請求項１２】
前記電荷蓄積部に入力端子が接続される第２アンプをさらに具備することを特徴とする請求項１１に記載のセンシングデバイス。
【請求項１３】
前記電荷蓄積部および前記第２トランジスタの前記第４端子が接続される読み出し回路をさらに具備することを特徴とする請求項１１に記載のセンシングデバイス。
【請求項１４】
前記第１トランジスタは、半導体基板に設けられ、
前記第２トランジスタは、前記半導体基板の上方に設けられた半導体層に設けられる
ことを特徴とする請求項１１に記載のセンシングデバイス。
【請求項１５】
電圧供給用の第５端子と、
第６及び第７端子並びに制御端子を有し前記第５端子に当該第６端子が接続され前記電極に当該第７端子が接続される第３トランジスタと、
をさらに具備し、
前記電極は、前記第５端子を通じて供給される電圧に基づいて、前記被測定対象に電位を印加する
ことを特徴とする請求項１１に記載のセンシングデバイス。
【請求項１６】
前記第１トランジスタは、半導体基板に設けられ、
前記第２トランジスタは、前記半導体基板の上方に設けられた第１半導体層に設けられ、
前記第３トランジスタは、前記半導体基板の上方に設けられた第２半導体層に設けられる
ことを特徴とする請求項１５に記載のセンシングデバイス。
【請求項１７】
各トランジスタを制御する制御回路をさらに具備し、
前記制御回路は、前記第３トランジスタをオンさせるとともに、前記第１トランジスタをオンさせることを特徴とする請求項１５に記載のセンシングデバイス。
【請求項１８】
各トランジスタを制御する制御回路をさらに具備し、
前記制御回路は、前記第１トランジスタと前記第２トランジスタとを、交互にオンさせることを特徴とする請求項１１に記載のセンシングデバイス。
【請求項１９】
前記被測定対象は、生体組織であることを特徴とする請求項１１に記載のセンシングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、センシングデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ｉＰＳ細胞等の多能性を有する幹細胞は、培養による増殖および分化による機能化によって様々な組織の細胞または臓器の細胞に分化が可能である。このため、幹細胞の培養・分化制御技術は、創薬開発時においては候補物質のスクリーニングに、また、再生医療分野においては各種組織、臓器の移植向けに、その発展が期待される。
【０００３】
一方、幹細胞の安全性の確保およびコスト低減が、創薬および再生医療を普及させる上での課題となる。例えば、幹細胞培養では、腫瘍化が起こりうる。このため、安全な幹細胞のみを樹立・選別する方法の確立と、低コストで汎用性の高い細胞培養技術および細胞検査技術の開発とが切望されている。
【０００４】
細胞検査技術の例として、創薬試験では、細胞電位観測センサアレイの使用が検討されている。創薬試験では、細胞が細胞電位観測センサアレイのＳｉＮパッシベーション層に直接培養される。ＳｉＮパッシベーション層は、アレイ（マトリクス）状に配置された電極部を露出するように開口部を有する。創薬試験では、電極−細胞間の容量結合により細胞の電位変化をセンシングすることで、細胞間の電位伝搬観測を実現している。この細胞の電位は、神経細胞であれば神経伝達物質の伝搬により、他の細胞であれば細胞膜に存在するイオンチャネルを介したイオンの授受により変化する。
【０００５】
この手法において、細胞の電位変化だけではなく、細胞の光学画像も観測したいという要求がある。これを達成するために、フォトダイオード上方に上記電極を配置する構造が提案されている。さらに、電位観測を高解像度化するために、電極サイズを縮小して電極数を増大することが求められる。
【０００６】
しかし、電極数が増大すると、これを選択するために接続される配線数も増大してしまう。より具体的には、１個の電極に行列各１本の配線が必要となる。すなわち、マトリクス状に複数の電極が配置されるため、１行に複数の配線、かつ１列に複数の配線が設けられる。このため、配線によって遮光されることで、下層に位置するフォトダイオードへの入射光が不十分となり、フォトダイオードによる光学画像の感度が低下する。結果として、電極数を増やすことができず、電位観測の高解像度化は困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２２７１５５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】H. Nakazawa et al., “Multimodal Sensor for Simultaneous Proton and Light Sensing using a Hole and Electron Accumulation Technique,” IEEE Trans. On Electron Devices, Vol. 59, No. 6, 1780.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
生体組織の電位および光学画像を同時に観測し、かつ光学画像の高感度化および電位観測の高解像度化を図るセンシングデバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態によるセンシングデバイスは、被測定対象を測定するためのフォトダイオードと、第１及び第２端子並びに制御端子を有し前記フォトダイオードに当該第１端子が接続される第１トランジスタと、前記被測定対象の電位を検出する電極と、第３及び第４端子並びに制御端子を有し前記電極に当該第３端子が接続される第２トランジスタと、前記第１トランジスタの前記第２端子及び前記第２トランジスタの前記第４端子が接続される電荷蓄積部と、を具備する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係るセンシングデバイスの全体構成を示すブロック図。
【図２】第１実施形態に係るセンシングデバイスの画素アレイのレイアウトを示す平面図であり、特に基板表面のフォトダイオードを示す図。
【図３】第１実施形態に係るセンシングデバイスの画素アレイのレイアウトを示す平面図であり、特に基板上方の電極を示す図。
【図４】図３におけるＡ−Ａ線に沿った断面図であり、第１実施形態に係るセンシングデバイスの画素ユニットを示す断面図。
【図５】第１実施形態に係る画素ユニットの電気的な接続関係を示すブロック図。
【図６】第１実施形態に係るセンシングデバイスにおける画素ユニットの電気的な接続関係をより詳細に示す回路図。
【図７】第１実施形態に係るセンシングデバイスにおける各信号線の電圧を示すタイミングチャート。
【図８】第２実施形態に係るセンシングデバイスの画素ユニットを示す断面図。
【図９】第２実施形態に係る画素ユニットの電気的な接続関係を示すブロック図。
【図１０】第２実施形態に係るセンシングデバイスにおける画素ユニットの電気的な接続関係をより詳細に示す回路図。
【図１１】第２実施形態の変形例に係る画素ユニットの電気的な接続関係を示すブロック図。
【図１２】第２実施形態の変形例に係るセンシングデバイスにおける画素ユニットの電気的な接続関係をより詳細に示す回路図。
【図１３】第３実施形態に係るセンシングデバイスの全体構成を示すブロック図。
【図１４】第３実施形態に係るセンシングデバイスの画素ユニットを示す断面図。
【図１５】第３実施形態に係る画素ユニットの電気的な接続関係を示すブロック図。
【図１６】第３実施形態に係るセンシングデバイスにおける画素ユニットの電気的な接続関係をより詳細に示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。
【００１３】
＜第１実施形態＞
以下に図１乃至図７を用いて、第１実施形態に係るセンシングデバイスについて説明する。
【００１４】
第１実施形態では、画素ユニット１１０は、半導体基板１１上に設けられたフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤの上方に設けられた電極ＭＥを有する。電極ＭＥは転送トランジスタＴＧＭを介してフローティングディフュージョンＦＤに接続され、フォトダイオードＰＤは転送トランジスタＴＧＰを介してフローティングディフュージョンＦＤに接続される。これにより、生体組織の電位および光学画像を同時に観測することができるとともに、フォトダイオードＰＤによる光学画像の高感度化および電位観測の高解像度化を図ることができる。
【００１５】
以下に、第１実施形態について詳説する。
【００１６】
（第１実施形態における構成および動作）
図１は、第１実施形態に係るセンシングデバイスの全体構成を示すブロック図である。
【００１７】
図１に示すように、センシングデバイスは、画素アレイ１００、垂直スキャナ２００、水平スキャナ３００、ＣＤＳ（相関二重サンプリング部）４００、およびＡＤＣ（アナログデジタル変換部）５００を備える。
【００１８】
画素アレイ１００は、横方向（行方向）および縦方向（列方向）にアレイ（マトリクス）状に配置された複数の画素ユニット１１０からなる。各画素ユニット１１０は、光学信号を生成するとともに、電位信号を検出する。光学信号は生体組織等の被測定対象の側からの光量に応じて生成され、電位信号は生体組織の電位変化に応じて検出される。垂直スキャナ２００は画素ユニット１１０の行を選択し、水平スキャナ３００は画素ユニット１１０の列を選択する。選択された画素ユニット１１０の光学信号および電位信号は、ＣＤＳ４００およびＡＤＣ５００を経て、デジタルデータへ変換される。
【００１９】
なお、以下において、生体組織として細胞（生体細胞、幹細胞）を観測する例を説明するが、これに限らず、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、または糖類等を観測することも可能である。
【００２０】
図２は、第１実施形態に係るセンシングデバイスの画素アレイ１００のレイアウトを示す平面図であり、特に基板表面のフォトダイオードＰＤを示す図である。図３は、第１実施形態に係るセンシングデバイスの画素アレイ１００のレイアウトを示す平面図であり、特に基板上方の電極ＭＥを示す図である。
【００２１】
図２に示すように、画素アレイ１００は、マトリクス状に並ぶ複数の画素ユニット１１０を備える。画素ユニット１１０は、４個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４、４個の転送トランジスタＴＧＰ０〜ＴＧＰ４、フローティングディフュージョン（電荷蓄積部）ＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴ、およびソースフォロワアンプ（ソースフォロワアンプトランジスタ）ＳＦを備える。また、図３に示すように、画素ユニット１１０は、電極ＭＥを備える。また、後述するが、画素ユニット１１０は、転送トランジスタＴＧＭを備える。
【００２２】
図２に示すように、フローティングディフュージョンＦＤは、画素ユニット１１０における中央部に位置する。フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４は、フローティングディフュージョンＦＤの周囲に離間して設けられる。また、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４はそれぞれ、離間して設けられる。転送トランジスタＴＧＰ０〜ＴＧＰ４はそれぞれ、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４のそれぞれとフローティングディフュージョンＦＤとの間に設けられる。
【００２３】
リセットトランジスタＲＳＴはフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４およびフローティングディフュージョンＦＤの一方側に配置され、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦはフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４およびフローティングディフュージョンＦＤの他方側に配置される。
【００２４】
リセットトランジスタＲＳＴは、列方向に並ぶ２個の画素ユニット１１０で共有される。すなわち、８個のフォトダイオードＰＤおよび２個のフローティングディフュージョンＦＤで共有される。同様に、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦは列方向に並ぶ２個の画素ユニット１１０で共有される。すなわち、８個のフォトダイオードＰＤおよび２個のフローティングディフュージョンＦＤで共有される。
【００２５】
なお、本例の画素ユニット１１０において、４個のフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４で１個のフローティングディフュージョンＦＤを共有しているが、これに限らない。例えば、２個のフォトダイオードＰＤで１個のフローティングディフュージョンＦＤを共有してもよい。
【００２６】
図３に示すように、電極ＭＥは、フローティングディフュージョンＦＤの上方に設けられ、フローティングディフュージョンＦＤとオーバーラップする。電極ＭＥは、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４のそれぞれに一部オーバーラップするが、しなくてもよい。これにより、電極ＭＥによる遮光を抑制することができ、光を十分にフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４に入射させることができる。
【００２７】
行方向に並ぶ電極ＭＥは共通の行選択線に電気的に接続され、列方向に並ぶ電極ＭＥは共通の列選択線に電気的に接続される。すなわち、１行に１本の行選択線、１列に１本の列選択線が設けられる。行選択線は、例えばフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ４間、およびフォトダイオードＰＤ２，ＰＤ３間に延びるように配置される。一方、列選択線は、例えばフォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２間、およびフォトダイオードＰＤ３，ＰＤ４間に延びるように配置される。すなわち、行選択線および列選択線と、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４とは、オーバーラップしない。これにより、行選択線および列選択線によって遮光されることなく、光を十分にフォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４に入射させることができる。
【００２８】
図４は、図３におけるＡ−Ａ線に沿った断面図であり、第１実施形態に係るセンシングデバイスの画素ユニット１１０を示す断面図である。
【００２９】
図４に示すように、フォトダイオードＰＤ１は、半導体基板１１表面に設けられる。フォトダイオードＰＤ１は、Ｎ型拡散層１２−１およびＰ型拡散層１３−１からなる。Ｐ型拡散層１３−１は半導体基板１１表面に設けられ、Ｎ型拡散層１２−１はＰ型拡散層１３−１の下部に接して設けられる。同様に、フォトダイオードＰＤ２は、半導体基板１１表面に設けられ、Ｎ型拡散層１２−２およびＰ型拡散層１３−２からなる。また、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２の周囲には、ＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）として絶縁層１４が設けられる。
【００３０】
フローティングディフュージョンＦＤは、半導体基板１１１表面で、かつ、フォトダイオードＰＤ１，ＰＤ２間に設けられる。
【００３１】
転送トランジスタＴＧＰ１は、フォトダイオードＰＤ１とフローティングディフュージョンＦＤとの間に設けられる。転送トランジスタＴＧＰ１は、半導体基板１１上に順に設けられたゲート絶縁層１５−１およびゲート電極１６−１からなる。転送トランジスタＴＧＰ２は、フォトダイオードＰＤ２とフローティングディフュージョンＦＤとの間に設けられる。転送トランジスタＴＧＰ２は、半導体基板１１上に順に設けられたゲート絶縁層１５−２およびゲート電極１６−２からなる。
【００３２】
フローティングディフュージョンＦＤ上にはコンタクトＣ１が設けられ、コンタクトＣ１上には酸化物半導体層１７が設けられる。酸化物半導体層１７は、例えばＩｎＧａＺｎＯ、ＺｎＯ、またはＩｎ２Ｏ３等の透明半導体で構成される。
【００３３】
転送トランジスタＴＧＭは、酸化物半導体層１７上に設けられたゲート絶縁層１８およびゲート電極１９からなる。ゲート電極１９は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等の透明金属で構成される。ゲート絶縁層１８は、酸化物半導体層１７上の全面に設けられても、一部に設けられてもよい。
【００３４】
酸化物半導体層１７上には、コンタクトＣ２が設けられる。また、フォトダイオードＰＤ、フローティングディフュージョンＦＤ、転送トランジスタＴＧＰ、転送トランジスタＴＧＭを覆うように、層間絶縁層２０が設けられる。コンタクトＣ２の上面は、層間絶縁層２０の上面と同じ高さである。
【００３５】
電極ＭＥは、コンタクトＣ２および層間絶縁層２０上に設けられる。また、電極ＭＥは、転送トランジスタＴＧＭの上方にオーバーラップするように設けられる。パッシベーション層２１は、層間絶縁層２０および電極ＭＥ上に設けられる。パッシベーション層２１は、電極ＭＥ部分に開口部を有し、この開口部を介して電極ＭＥの上面は露出する。
【００３６】
上記構造において、生体適合性を有するパッシベーション層２１および電極ＭＥ上に直接、細胞１０の培養が行われる。細胞１０は、イオンの授受を行うイオンチャネル１０Ａを有する。また、図示はしないが、細胞１０は、神経細胞の場合には軸索を有する。
【００３７】
電極ＭＥは、細胞１０との容量結合により細胞１０の電位を検知し、電位信号を検出する。また、フォトダイオードＰＤは、入射光から光学信号を生成する。この入射光は、例えば、上方から照射された光に応じたパッシベーション層２１および電極ＭＥ上の細胞１０から放出される光であり得る。細胞１０から放出される光には、例えば、蛍光光や自己発光光等の生体組織自体が放出する光が含まれる。また、その他、生体組織を透過して来る光を用いることも可能である。さらに、生体組織の周囲を通って来る光を用い生体組織の影を検知することもできる。すなわち、フォトダイオードＰＤは、パッシベーション層２１および電極ＭＥに接触した観測対象物の光学画像を取得する、いわゆるコンタクトイメージングを行う。このように、本例では、細胞１０の電位（電位２次元像）と光学画像とを同時に観測することができる。
【００３８】
なお、電極ＭＥによって電位だけではなく、ｐＨ等の各種化学パラメータを検出することができる。
【００３９】
図５は、第１実施形態に係る画素ユニット１１０の電気的な接続関係を示すブロック図である。なお、ここで、特に限定されない限り、「接続」は直接接続される場合だけではなく、任意の素子を介して接続される場合も含む。
【００４０】
図５に示すように、フォトダイオードＰＤは、転送トランジスタＴＧＰを介してフローティングディフュージョンＦＤに電気的に接続される。転送トランジスタＴＧＰは、フォトダイオードＰＤで生成された光学信号をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。フローティングディフュージョンＦＤは、転送トランジスタＴＧＰからの光学信号に基づく電荷を蓄積した後、ソースフォロワアンプＳＦに転送する。ソースフォロワアンプＳＦは、フローティングディフュージョンＦＤからの光学信号を増幅し、ＣＤＳ４００およびＡＤＣ５００に転送する。これにより、細胞の光学画像が観測される。
【００４１】
一方、電極ＭＥは、転送トランジスタＴＧＭを介してフローティングディフュージョンＦＤに電気的に接続される。転送トランジスタＴＧＭは、電極ＭＥで検出された電位信号をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。フローティングディフュージョンＦＤは、転送トランジスタＴＧＭからの電位信号に基づく電荷を蓄積した後、ソースフォロワアンプＳＦに転送する。ソースフォロワアンプＳＦは、フローティングディフュージョンＦＤからの電位信号を増幅し、ＣＤＳ４００およびＡＤＣ５００に転送する。これにより、細胞の電位が観測される。
【００４２】
ここで、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＧＰ、フローティングディフュージョンＦＤ、ソースフォロワアンプＳＦ、ＣＤＳ４００、およびＡＤＣ５００は、半導体基板１１上に設けられる。すなわち、これらは、いわゆるＦＥＯＬ（Front End Of Line）である。一方、電極ＭＥおよび転送トランジスタＴＧＭは、半導体基板１１上方の配線層上に設けられる。すなわち、これらは、いわゆるＢＥＯＬ（Back End Of Line）である。
【００４３】
このように、本例では、フォトダイオードＰＤで生成された光学信号と電極ＭＥで検出された電位信号とが、共通のフローティングディフュージョンＦＤ、ソースフォロワアンプＳＦ、および読み出し回路（ＣＤＳ４００およびＡＤＣ５００等）によって読み出される。これらの読み出しは、転送トランジスタＴＧＰおよび転送トランジスタＴＧＭのオン／オフを切り替えることによって行われる。
【００４４】
図６は、第１実施形態に係るセンシングデバイスにおける画素ユニット１１０の電気的な接続関係をより詳細に示す回路図である。図７は、第１実施形態に係るセンシングデバイスにおける各信号線の電圧を示すタイミングチャートである。図７では、特に垂直スキャナ２００によって制御される行選択線の電圧を示している。
【００４５】
なお、ここでトランジスタの第１端子とはソースまたはドレインの一方を示し、第２端子とはソースまたはドレインの他方を示す。また、制御端子とは、ゲートを示す。
【００４６】
図６に示すように、上述したように、画素ユニット１１０は、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４、転送トランジスタＴＧＰ１〜ＴＧＰ４，ＴＧＭ、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴ、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦ、および電極ＭＥを備える。
【００４７】
フォトダイオードＰＤ１のアノードは接地され、カソードは転送トランジスタＴＧＰ１の第１端子に接続される。また、フォトダイオードＰＤ２のアノードは接地され、カソードは転送トランジスタＴＧＰ２の第１端子に接続される。また、フォトダイオードＰＤ３のアノードは接地され、カソードは転送トランジスタＴＧＰ３の第１端子に接続される。また、フォトダイオードＰＤ４のアノードは接地され、カソードは転送トランジスタＴＧＰ４の第１端子に接続される。
【００４８】
転送トランジスタＴＧＰ１〜ＴＧＰ４のゲート（制御端子）はそれぞれ、読み出し信号線（行選択線）ＲＰ１〜ＲＰ４のそれぞれに接続され、垂直スキャナ２００から読み出し信号が供給される。転送トランジスタＴＧＰ１〜ＴＧＰ４の第２端子はそれぞれ、フローティングディフュージョンＦＤに共通に接続される。また、フローティングディフュージョンＦＤは、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦのゲート（入力端子）に接続される。
【００４９】
電極ＭＥは、転送トランジスタＴＧＭの第１端子に接続される。転送トランジスタＴＧＭのゲートは、読み出し信号線（行選択線）ＲＭに接続され、垂直スキャナ２００から読み出し信号が供給される。転送トランジスタＴＧＭの第２端子は、フローティングディフュージョンＦＤに接続される。
【００５０】
また、フローティングディフュージョンＦＤは、リセットトランジスタＲＳＴの第１端子に接続される。このリセットトランジスタＲＳＴのゲートは、リセット信号線（行選択線）ＲＥＳＥＴに接続され、垂直スキャナ２００からリセット信号が供給される。また、リセットトランジスタＲＳＴの第２端子は、電圧供給線Ｄｒａｉｎに接続される。
【００５１】
ソースフォロワアンプトランジスタＳＦの第１端子は、電圧供給線Ｄｒａｉｎに接続される。また、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦの第２端子は、列選択線Ｌを介して、選択トランジスタＳＴの第１端子に接続される。
【００５２】
選択トランジスタＳＴのゲートは、水平スキャナ３００に接続され、水平スキャナ３００から読み出し信号が供給される。選択トランジスタＳＴの第２端子は、ＣＤＳ４００およびＡＤＣ５００に接続される。
【００５３】
水平スキャナ３００および垂直スキャナ２００はそれぞれ、タイミング発生回路６００によってタイミング制御される。すなわち、水平スキャナ３００はタイミング発生回路６００のタイミング制御に従って選択トランジスタＳＴのゲートに列選択パルスを供給し、垂直スキャナ２００はタイミング発生回路６００のタイミング制御に従って行選択線ＲＰ１〜ＲＰ４，ＲＭ，ＲＥＳＥＴに行選択パルスを供給する。
【００５４】
より具体的には、図７に示すように、まず、垂直スキャナ２００は、リセットトランジスタＲＳＴのゲート（行選択線ＲＥＳＥＴ）に行選択パルスを供給する。これにより、リセットトランジスタＲＳＴがオンし、フローティングディフュージョンＦＤがリセットされる。次に、垂直スキャナ２００は、転送トランジスタＴＧＰ１のゲート（行選択線ＲＰ１）に行選択パルスを供給する。これにより、転送トランジスタＴＧＰ１がオンし、フォトダイオードＰＤ１からフローティングディフュージョンＦＤに光学信号が転送され、電荷として蓄積される。フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷は、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦによって増幅された後、ＣＤＳ４００およびＡＤＣ５００に読み出される。これにより、フォトダイオードＰＤ１からの光学信号による光学画像が取得される。その後、垂直スキャナ２００がリセットトランジスタＲＳＴのゲートに行選択パルスを供給してフローティングディフュージョンＦＤをリセットした後、同様にフォトダイオードＰＤ２〜ＰＤ４からの光学信号による細胞の光学画像が観測される。
【００５５】
次に、垂直スキャナ２００は、転送トランジスタＴＧＭのゲート（行選択線ＲＭ）に行選択パルスを供給する。これにより、転送トランジスタＴＧＭがオンし、電極ＭＥからフローティングディフュージョンＦＤに電位信号が転送され、電荷として蓄積される。フローティングディフュージョンＦＤに蓄積された電荷は、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦによって増幅された後、ＣＤＳ４００およびＡＤＣ５００に読み出される。これにより、電極ＭＥからの電位信号による細胞の電位が観測される。
【００５６】
（第１実施形態における効果）
上記第１実施形態によれば、画素ユニット１１０は、半導体基板１１上に設けられたフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤの上方に設けられた電極ＭＥを有する。電極ＭＥは転送トランジスタＴＧＭを介してフローティングディフュージョンＦＤに接続され、フォトダイオードＰＤは転送トランジスタＴＧＰを介してフローティングディフュージョンＦＤに接続される。転送トランジスタＴＧＭおよび転送トランジスタＴＧＰのオン／オフを切り替えることにより、時分割で生体組織の電位および光学画像を同時に観測することができる。
【００５７】
また、転送トランジスタＴＧＭは、対応する電極ＭＥを選択してその電位信号を転送する。この転送トランジスタＴＧＭを配置することにより、マトリクス状に並ぶ複数の電極ＭＥのいずれかを選択するための配線を１行に１本かつ１列に１本とすることができ、配線数の減少を図ることができる。したがって、配線による遮光を抑制することができ、フォトダイオードＰＤによる光学画像の感度を向上させることができる。また、配線数が増加するために困難だった電極ＭＥの数の増加が可能になり、電位観測の高解像度化を図ることができる。
【００５８】
さらに、電極ＭＥとフォトダイオードＰＤとは、フローティングディフュージョンＦＤ、ソースフォロワアンプＳＦ、および読み出し回路（ＣＤＳ４００、およびＡＤＣ５００等）を共有する。これにより、電極ＭＥとフォトダイオードＰＤとで別々の読み出し回路を用いる場合と比べて、チップサイズの拡大を抑制することができる。
【００５９】
＜第２実施形態＞
以下に図８乃至図１２を用いて、第２実施形態に係るセンシングデバイスについて説明する。
【００６０】
第２実施形態では、電極ＭＥ用のソースフォロワアンプＳＦＭが設けられる。これにより、電極ＭＥからの電位信号の大きさとフォトダイオードＰＤからの光学信号の大きさとが異なる場合であっても、これらの大きさを同程度に揃えることができる。その結果、電極ＭＥとフォトダイオードＰＤとで読み出し回路を共有し、それぞれの信号を読み出すことができる。
【００６１】
以下に、第２実施形態について詳説する。なお、第２実施形態において、上記第１実施形態と同様の点については説明を省略し、主に異なる点について説明する。
【００６２】
（第２実施形態における構成および動作）
図８は、第２実施形態に係るセンシングデバイスの画素ユニット１１０を示す断面図である。
【００６３】
図８に示すように、第２実施形態において上記第１実施形態と異なる点は、電極ＭＥ用のソースフォロワアンプ（ソースフォロワアンプトランジスタ）ＳＦＭが設けられる点である。
【００６４】
フローティングディフュージョンＦＤ上にはコンタクトＣ３が設けられ、コンタクトＣ３上には配線層２３が設けられる。配線層２３は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等の透明金属で構成される。配線層２３上には、コンタクトＣ４が設けられる。コンタクトＣ４上には、酸化物半導体層１７が設けられる。
【００６５】
転送トランジスタＴＧＭは、酸化物半導体層１７上に設けられたゲート絶縁層１８およびゲート電極１９からなる。
【００６６】
ソースフォロワアンプトランジスタＳＦＭは、酸化物半導体層１７上に設けられたゲート絶縁層１８およびゲート電極２２からなる。ゲート電極２２は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等の透明金属で構成される。
【００６７】
ゲート電極２２上にはコンタクトＣ５が設けられる。コンタクトＣ５上には電極ＭＥが設けられる。
【００６８】
図９は、第２実施形態に係る画素ユニット１１０の電気的な接続関係を示すブロック図である。
【００６９】
図９に示すように、電極ＭＥは、電位信号をソースフォロワアンプＳＦＭに転送する。ソースフォロワアンプＳＦＭは、電極ＭＥからの電位信号を増幅し、転送トランジスタＴＧＭに転送する。このとき、ソースフォロワアンプＳＦＭは、ソースフォロワＳＦとは異なる増幅率で電位信号を増幅する。転送トランジスタＴＧＭは、ソースフォロワアンプＳＦＭからの電位信号をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。フローティングディフュージョンＦＤは、転送トランジスタＴＧＭからの電位信号に基づく電荷を蓄積した後、ソースフォロワアンプＳＦに転送する。ソースフォロワアンプＳＦは、フローティングディフュージョンＦＤからの電位信号を増幅し、ＣＤＳ４００およびＡＤＣ５００に転送する。これにより、細胞の電位が観測される。
【００７０】
ここで、ソースフォロワアンプＳＦＭは、半導体基板１１上方の配線層上に設けられる。すなわち、ソースフォロワアンプＳＦＭは、は、いわゆるＢＥＯＬ（Back End Of Line）である。
【００７１】
図１０は、第２実施形態に係るセンシングデバイスにおける画素ユニット１１０の電気的な接続関係をより詳細に示す回路図である。
【００７２】
図１０に示すように、画素ユニット１１０は、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４、転送トランジスタＴＧＰ０〜ＴＧＰ４、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴ、およびソースフォロワアンプトランジスタＳＦ，ＳＦＭを備える。
【００７３】
電極ＭＥは、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦＭのゲート（入力端子）に接続される。ソースフォロワアンプトランジスタＳＦＭの第１端子は電圧供給線Ｄｒａｉｎに接続され、第２端子は転送トランジスタＴＧＭの第１端子に接続される。転送トランジスタＴＧＭのゲートは、読み出し信号線（行選択線）ＲＭが接続され、垂直スキャナ２００から読み出し信号が供給される。転送トランジスタＴＧＭの第２端子は、フローティングディフュージョンＦＤに接続される。
【００７４】
（第２実施形態における効果）
上記第２実施形態によれば、電極ＭＥ用のソースフォロワアンプＳＦＭが設けられる。電極ＭＥの電位信号は、ソースフォロワアンプＳＦＭによって増幅された後、フローティングディフュージョンＦＤおよびソースフォロワアンプＳＦを介して読み出し回路（ＣＤＳ４００、およびＡＤＣ５００等）に転送される。ソースフォロワアンプＳＦＭは、ソースフォロワアンプＳＦと異なる増幅率で電位信号を増幅する。これにより、電極ＭＥからの電位信号の大きさとフォトダイオードＰＤからの光学信号の大きさとが異なる場合（特に光学信号よりも電位信号が小さい場合）であっても、これらの大きさを同程度に揃えることができる。その結果、電極ＭＥとフォトダイオードＰＤとで読み出し回路を共有し、それぞれの信号を読み出すことができる。
【００７５】
また、電位信号は、ソースフォロワアンプＳＦＭによって増幅された後、フローティングディフュージョンＦＤによって蓄積され、さらにソースフォロワアンプＳＦによって増幅される。これにより、電極ＭＥの電位信号が非常に小さい場合であって、かつソースフォロワアンプＳＦＭによる増幅が不十分な場合であっても、電極ＭＥからの電位信号を読み出すために十分な大きさにすることができる。
【００７６】
なお、細胞１０におけるイオンチャネル１０ＡからＮａ＋、Ｋ＋、Ｃａ＋といったイオンが授受される。上述したように、第２実施形態では、非常に小さい細胞１０の電位変化が検出され得る。このため、複数の電極ＭＥのうちの一部の電極ＭＥ上にイオン感応膜（バリノマイシン、リン酸化チロシン、アセチルコリン、乳酸、またはグルコース等）が設けられることで、イオン授受による微小な電位変化を検出することができる。これにより、イオンの伝搬反応を２次元分布画像として取得することができる。
【００７７】
（第２実施形態における変形例）
図１１は、第２実施形態の変形例に係る画素ユニット１１０の電気的な接続関係を示すブロック図である。
【００７８】
図１１に示すように、電極ＭＥは、電位信号をソースフォロワアンプＳＦＭに転送する。ソースフォロワアンプＳＦＭは、電極ＭＥからの電位信号を増幅し、転送トランジスタＴＧＭに転送する。このとき、ソースフォロワアンプＳＦＭは、ソースフォロワＳＦとは異なる増幅率で電位信号を増幅する。転送トランジスタＴＧＭは、ソースフォロワアンプＳＦＭからの電位信号をＣＤＳ４００およびＡＤＣ５００に転送する。これにより、細胞の電位が観測される。
【００７９】
図１２は、第２実施形態の変形例に係るセンシングデバイスにおける画素ユニット１１０の電気的な接続関係をより詳細に示す回路図である。
【００８０】
図１２に示すように、画素ユニット１１０は、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４、転送トランジスタＴＧＰ０〜ＴＧＰ４、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴ、およびソースフォロワアンプトランジスタＳＦ，ＳＦＭを備える。
【００８１】
電極ＭＥは、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦＭのゲート（入力端子）に接続される。ソースフォロワアンプトランジスタＳＦＭの第１端子は電圧供給線Ｄｒａｉｎに接続され、第２端子は転送トランジスタＴＧＭの第１端子に接続される。転送トランジスタＴＧＭのゲートは、読み出し信号線（行選択線）が接続され、垂直スキャナ２００から読み出し信号が供給される。転送トランジスタＴＧＭの第２端子は、列選択線を介して、選択トランジスタＳＴの第１端子に接続される。
【００８２】
上記変形例に示すように、ソースフォロワアンプＳＦＭによって電極ＭＥの電位信号が十分に増幅される場合、電位信号はフローティングディフュージョンＦＤおよびソースフォロワアンプＳＦを介さずに読み出し回路（ＣＤＳ４００、およびＡＤＣ５００等）に転送されてもよい。これにより、第２実施形態と比べて、電位信号の読み出し速度を向上させることができる。
【００８３】
＜第３実施形態＞
以下に図１３乃至図１６を用いて、第３実施形態に係るセンシングデバイスについて説明する。
【００８４】
第３実施形態では、電圧供給部１２０が設けられる。これにより、電極ＭＥを介して任意の細胞１０に電位刺激を印加することができる。そして、電位刺激による細胞１０の局所的な反応、および細胞１０間の反応の伝搬の光学画像を得ることができる。
【００８５】
以下に、第３実施形態について詳説する。なお、第３実施形態において、上記第１実施形態と同様の点については説明を省略し、主に異なる点について説明する。
【００８６】
（第３実施形態における構成および動作）
図１３は、第３実施形態に係るセンシングデバイスの全体構成を示すブロック図である。
【００８７】
図１３に示すように、センシングデバイスは、画素アレイ１００、垂直スキャナ２００、水平スキャナ３００、ＣＤＳ４００、ＡＤＣ５００、垂直アドレッサ７００、および水平アドレッサ８００を備える。
【００８８】
画素アレイ１００は、光学信号を生成するとともに、電位信号を生成する。また、画素アレイ１００は、任意の生体組織に電位刺激を与える。垂直アドレッサ７００は画素ユニット１１０の行を選択し、水平アドレッサ８００は画素ユニット１１０の列を選択する。選択された画素ユニット１１０の電極ＭＥに電圧が供給され、そこに位置する細胞１０に電位刺激が印加される。
【００８９】
図１４は、第３実施形態に係るセンシングデバイスの画素ユニット１１０を示す断面図である。ここで、図１４に示す断面は、図４に示す断面とは異なる断面である。
【００９０】
図１４に示すように、酸化物半導体層１７と同一層に、酸化物半導体層２３が設けられる。酸化物半導体層２３は、例えばＩｎＧａＺｎＯ、ＺｎＯ、またはＩｎ２Ｏ３等の透明半導体で構成される。
【００９１】
転送トランジスタＴＧＳは、酸化物半導体層２３上に設けられたゲート絶縁層２４およびゲート電極２５からなる。すなわち、転送トランジスタＴＧＳは、転送トランジスタＴＧＭと同一層に設けられる。ゲート電極２５は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等の透明金属で構成される。ゲート絶縁層２４は、酸化物半導体層２３上の全面に設けられても、一部に設けられてもよい。
【００９２】
酸化物半導体層２３上には、コンタクトＣ６が設けられる。コンタクトＣ６の上面は、層間絶縁層２０の上面と同じ高さである。電極ＭＥは、コンタクトＣ６および層間絶縁層２０上に設けられる。
【００９３】
電極ＭＥは、細胞１０との容量結合により細胞１０の電位を検知し、電位信号を検出する。また、電極ＭＥは、後述する電圧供給部１２０から転送トランジスタＴＧＳを介して転送される電圧に基づいて、細胞１０に電位刺激を印加する。
【００９４】
図１５は、第３実施形態に係る画素ユニット１１０の電気的な接続関係を示すブロック図である。
【００９５】
図１５に示すように、電極ＭＥは、転送トランジスタＴＧＳを介して電圧供給部１２０に電気的に接続される。転送トランジスタＴＧＳは、電圧供給部１２０からの電圧を電極ＭＥに転送する。電極ＭＥは、転送トランジスタＴＧＳから転送された電圧に基づいて、細胞１０に電位刺激を印加する。同時に、フォトダイオードＰＤから光学信号が転送されることで、電位刺激による細胞１０の局所的な反応の光学画像、および電位刺激による細胞１０間の反応の伝搬の光学画像を得ることができる。
【００９６】
ここで、電圧供給部１２０および転送トランジスタＴＧＳは、半導体基板１１上方の配線層上に設けられる。すなわち、電圧供給部１２０および転送トランジスタＴＧＳは、いわゆるＢＥＯＬ（Back End Of Line）である。
【００９７】
図１６は、第３実施形態に係るセンシングデバイスにおける画素ユニット１１０の電気的な接続関係をより詳細に示す回路図である。
【００９８】
図１６に示すように、画素ユニット１１０は、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ４、転送トランジスタＴＧＰ１〜ＴＧＰ４，ＴＧＭ，ＴＧＳ、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタＲＳＴ、ソースフォロワアンプトランジスタＳＦ、電極ＭＥ、および電圧供給部１２０を備える。
【００９９】
電極ＭＥは、転送トランジスタＴＧＳの第１端子に接続される。転送トランジスタＴＧＳのゲートは、電圧供給線（行選択線）ＲＳが接続され、垂直アドレッサ７００から電圧供給信号が供給される。転送トランジスタＴＧＳの第２端子は、電圧供給部１２０に接続される。電圧供給部１２０は、電圧供給線（列選択線）ＬＳが接続され、水平アドレッサ８００から電圧供給信号が供給される。電圧供給部１２０は、水平アドレッサ８００からの電圧供給信号に従って電圧を充電する。
【０１００】
本例において、垂直アドレッサ７００および水平アドレッサ８００の選択によって、所定の画素ユニット１１０の電極ＭＥに電圧（電位刺激）が印加される。より具体的には、水平アドレッサ８００からの電圧供給信号によって電圧供給部１２０が充電され、垂直アドレッサ７００からの電圧供給信号によって転送トランジスタＴＧＳがオンすることで、所定の画素ユニット１１０の電極ＭＥに電圧（電位刺激）が印加される。このとき、同時に、転送トランジスタＴＧＰをオンすることで電位刺激による細胞１０の反応の光学画像を得ることができる。
【０１０１】
（第３実施形態における効果）
上記第３実施形態によれば、電圧供給部１２０が設けられる。電圧供給部１２０は、電極ＭＥに電圧を供給する。これにより、電極ＭＥを介して任意の細胞１０に電位刺激を印加することができる。その結果、電位刺激による細胞１０の局所的な反応、および細胞１０間の反応の伝搬の光学画像を得ることができる。
【０１０２】
また、電圧供給部１２０は、転送トランジスタＴＧＳによって選択され、電位刺激が転送される。すなわち、電圧供給部１２０を選択するための配線を１行に１本かつ１列に１本とすることができ、配線数の減少を図ることができる。したがって、配線による遮光を抑制することができ、フォトダイオードＰＤの感度を向上させることができる。
【０１０３】
なお、上記第３実施形態と第２実施形態とを組み合わせることも可能である。
【０１０４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０５】
ＰＤ…フォトダイオード、ＴＧＰ，ＴＧＭ，ＴＧＳ…転送トランジスタ、ＭＥ…電極、ＦＤ…フローティングディフュージョン（電荷蓄積部）、ＳＦ，ＳＦＭ…ソースフォロワアンプ、４００…ＣＤＳ、５００…ＡＤＣ、１１…半導体基板、１７，２３…酸化物半導体層、１２０…電圧供給部
【図１】
2017032458.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017032458.tif 000007
【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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【図１２】
2017032458.tif 000014
【図１３】
2017032458.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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