(57)【要約】【課題】分光センサーの波長分解能を向上させる。【解決手段】分光センサー１において、不純物濃度が１×1013〜１×1016ｃｍ-3の半導体基板11と、半導体基板11に形成された第１の拡散層12と、該第１の拡散層12の部位に形成された第２の拡散層13と、第１の拡散層12上に絶縁膜14を介して形成された、入射光を通過すると共に、ゲート電圧が印加される電極膜15とを備え、基板11に所定の電圧を印加させた状態で、ゲート電圧１〜20Ｖの範囲で変化させたとき、第１の拡散層12の表面から深さ方向において、電位が一定となる中性領域が存在しない電位分布となるように、第１の拡散層12の不純物濃度を半導体基板11の濃度の５〜50倍の範囲の所定値、第１の拡散層12の深さを0.1〜20μｍの範囲の所定値とする。【選択図】図３
2009180512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
該半導体基板に形成された第１の拡散層と、
該第１の拡散層の部位に形成された第２の拡散層と、
前記第１の拡散層上に絶縁膜を介して形成された、入射光を通過すると共に、ゲート電圧が印加される電極膜とを備え、
前記基板に所定の電圧を印加させた状態で、前記ゲート電圧を変化させることにより前記第１の拡散層中で入射光により発生した電荷を捕獲する該第１の拡散層の表面からの深さを変化させ、該変化させたゲート電圧毎で、前記表面側から前記深さまでの領域で発生する前記電荷の量を示す電流を測定することにより、前記入射光の波長毎の強度を測定する分光センサーであって、
前記半導体基板の不純物濃度が１×1013〜１×1016ｃｍ-3であり、
前記基板に所定の電圧を印加し、前記ゲート電圧として１〜20Ｖの範囲の所定電圧を印加したとき、前記第１の拡散層の表面から深さ方向において、電位が一定となる中性領域が存在しない電位分布となるように、前記第１の拡散層の不純物濃度が半導体基板濃度の５〜50倍の範囲の所定値、前記第１の拡散層の深さが0.1〜20μｍの範囲の所定値とされていることを特徴とする分光センサー。
【請求項２】
前記半導体基板の不純物濃度が0.5〜2×1014ｃｍ-3であり、
前記基板に所定の電圧を印加し、前記ゲート電圧として１〜6Ｖの範囲の所定電圧を印加したとき、前記第１の拡散層の表面から深さ方向において、電位が一定となる中性領域が存在しない電位分布となるように、前記第１の拡散層の不純物濃度が5×1014〜8×1015ｃｍ-3の範囲の所定値、前記第１の拡散層の深さが3〜5μｍの範囲の所定値とされていることを特徴とする請求項１記載の分光センサー。
【請求項３】
蛍光標識された被分析物質を含む試料に対して励起光を照射し、該励起光の照射により前記蛍光標識から生じる蛍光を検出する蛍光検出方法であって、
請求項１記載の分光センサーを用い、
前記基板に所定の電圧を印加し、かつ前記ゲート電圧として第１のゲート電圧を印加した状態で前記電流を測定して第１の電流値を得、
前記基板に所定の電圧を印加し、かつ前記ゲート電圧として前記第１のゲート電圧とは異なる第２のゲート電圧を印加した状態で前記電流を測定して第２の電流値を得、
前記第１および第２の電流値に基づいて前記蛍光を前記励起光と分離して検出することを特徴とする蛍光検出方法。
【請求項４】
蛍光標識された被分析物質を含む試料に対して励起光を照射し、該励起光の照射により前記蛍光標識から生じる蛍光を検出する蛍光検出装置であって、
請求項１記載の分光センサーを備え、該分光センサーにより前記蛍光の強度を前記励起光と分離して検出するものであることを特徴とする蛍光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分光センサーに関するものであり、特に、入射光の波長毎の強度を検出する波長分別性能を向上させた分光センサーに関するものである。
【０００２】
また、本発明は分光センサーを利用した蛍光検出方法および蛍光検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
単板式ビデオカメラに用いられているイメージセンサーは、カラー画像を得るために、赤、緑、青のフィルタを各光検出素子（例えば、フォトダイオード）の上に取り付けるようにしている。
【０００４】
また、三板式のビデオカメラにおいては、光学プリズムを用いて、入射光を赤、緑、青の３つの光にわけ、それぞれの光を３つのイメージセンサーで検知するようにしていた。
【０００５】
また、入射する光が、いかなる波長であるか、かつそれらの波長の強度をしるためには、現在はグレーティングなどを用いた分光を行い、それぞれの光の強度分布をパワーメータのなどで測定を行っていた。
【０００６】
また、１つのフォトダイオードにより、赤、緑、青のカラー情報を取得する試みがある（特許文献１、第４欄―第５欄参照）。この提案は、シリコン基板に、異なる深さの３つの拡散層を重ねるように配置して、それぞれの接合から得られる電流を検知するものであった。
【０００７】
しかしながら、単板式ビデオカメラでは、光学プリズムの存在によりカメラ自体が大きくなるという問題があった。  
また、三板式のビデオカメラでは、グレーティングなどを用いていたためやはり装置の構成が大きくなるという問題があった。
【０００８】
さらに、特許文献１に提案されている３つの拡散層を重ねた構造の場合、カラー情報の分解能は低い上に、波長毎の強度を取得できないという問題があった。
【０００９】
上記のような問題を解決する装置として、特許文献２では、ＣＭＯＳトランジスタと類似の構造を備えた分光センサーが提案されている。この分光センサーは、ｎ型半導体基板と該基板中に設けられたｐ型拡散層と、ｐ型拡散層の部位に設けられたｎ＋拡散層を備え、ｐ型拡散層上に絶縁膜を介してゲート電極となる透明電極を備え、ｐ型拡散層にゲート電圧を印加した状態で、透明電極から入射した光により半導体内で発生する電子をｎ＋拡散層に接続された電極から電流として取り出し電流値を測定するものであり、ゲート電圧を変化させることにより、ｐ型拡散層中に生じた電子を捕獲する深さを変化させ、各電子深さ位置およびその深さ位置よりｐ型拡散層の表面側で生じる電子に基づく電流値から分光測定を行うというものである。
【００１０】
一方、生化学の分野において、生化学反応の検出として蛍光法がよく知られている。蛍光法は、試料中の被分析物質に蛍光標識をし、試料に励起光を照射した際に蛍光標識から生じる蛍光を検出することにより被分析物質の量や存在の有無などを検出するものである。従来の蛍光検出装置においては、蛍光の検出にフォトダイオードと、蛍光を透過するが励起光を透過しない光学フィルタとを組み合わせたものが利用されている。光学フィルタを備えた従来の蛍光検出装置は大型であるため、蛍光検出装置の小型化が望まれており、上述の特許文献２には、上述の分光センサーを蛍光検出に用いることが提案されている。
【特許文献１】米国特許第５,９６５,８７５号明細書
【特許文献２】特開２００５−１０１１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献２で提案されている分光センサーでは、ゲート電圧を印加した際のｐ型拡散層の深さ方向の電位分布は図１０に示すように、分布の鞍の電位変化が緩やかであり、電位がほぼ一定となる領域（中性領域）が広がっている。このような電位分布であると、所定の深さＷまでの電子に基づく電流値を検出しても、分岐点となるＷで正確に光電流を分離することができないという問題がある。これは、図１０中両矢印で示している中性領域においては電子はｐ型拡散層表面側（Ａ側）、基板側（Ａ’側）のいずれにも自由に移動できるためである。
【００１２】
このように、特許文献２に記載の分光センサーは、所定の深さまでに発生した電子を正確に検出することができないために、波長分解能が十分でなかった。特に、蛍光法のように正確な量の蛍光を検出したい場合には、これは重大な問題となる。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、波長分解能に優れた分光センサーを提供することを目的とするものである。
【００１４】
また、本発明は波長分解能に優れた分光センサーを用い、蛍光を精度よく検出することができる蛍光検出方法および該分光センサーを備えた蛍光検出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の分光センサーは、
半導体基板と、
該半導体基板に形成された第１の拡散層と、
該第１の拡散層の部位に形成された第２の拡散層と、
前記第１の拡散層上に絶縁膜を介して形成された、入射光を通過すると共に、ゲート電圧が印加される電極膜とを備え、
前記基板に所定の電圧を印加させた状態で、前記ゲート電圧を変化させることにより前記第１の拡散層中で入射光により発生した電荷を捕獲する該第１の拡散層の表面からの深さを変化させ、該変化させたゲート電圧毎で、前記表面側から前記深さまでの領域で発生する前記電荷の量を示す電流を測定することにより、前記入射光の波長毎の強度を測定する分光センサーであって、
前記半導体基板の不純物濃度が１×1013〜１×1016ｃｍ-3であり、
前記基板に所定の電圧を印加し、前記ゲート電圧として１〜20Ｖの範囲の所定電圧を印加したとき、前記第１の拡散層の表面から深さ方向において、電位が一定となる中性領域が存在しない電位分布となるように、前記第１の拡散層の不純物濃度が半導体基板濃度の５〜50倍の範囲の所定値、前記第１の拡散層の深さが0.1〜20μｍの範囲の所定値とされていることを特徴とするものである。
【００１６】
半導体基板の不純物濃度を上記範囲の所定値とし、第１の拡散層の不純物濃度および深さをそれぞれ上記範囲で設定することにより、基板に所定の電圧を印加し、前記ゲート電圧として１〜20Ｖの範囲の所定電圧を印加したとき、中性領域が存在しない電位分布となるよう構成することができることは、本発明者らの鋭意研究により見いだされたものである。
【００１７】
第１の拡散層中で入射光により発生した電荷を捕獲する該第１の拡散層の表面からの深さ（以下、「電荷捕獲深さ」という。）とは、第１の拡散層の表面から深さ方向の電位分布において電位の頂点（鞍点）となる深さである。なお、捕獲される電荷は電子あるいは正孔いずれであってもよい。
【００１８】
中性領域とは、半導体のバンド構造において、ゲート電圧を印加することにより形成される表面側空乏領域と、基板側に所定の電圧を印加することにより形成される基板側空乏領域との間の領域であり、コンダクションバンドのエネルギーレベルが一定となっている領域をいう(図１０中両矢印の領域）。本発明の分光センサーは、基板側に所定の電圧を印加し、ゲート電圧を印加した場合に、この中性領域がなく、表面側空乏領域と基板側空乏領域が山の頂点で繋がった電位分布（図２参照）となるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
ここで、第１の拡散層の深さ（以下において、「接合深さ」という。）とは、基板表面から不純物濃度が半導体基板の濃度と一致するまでの深さをいい、第１の拡散層の不純物濃度は、表面から該深さまでの不純物濃度の平均値をいう。
【００２０】
本発明の分光センサーは、さらに、前記半導体基板の不純物濃度が１×１０14ｃｍ-3であり、前記基板に所定の電圧を印加し、前記ゲート電圧として１〜６Ｖの範囲の所定電圧を印加したとき、前記第１の拡散層の表面から深さ方向において、電位が一定となる中性領域が存在しない電位分布となるように、前記第１の拡散層の不純物濃度が５×１０14〜８×１０15ｃｍ-3の範囲の所定値、前記第１の拡散層の深さが３〜５μｍの範囲の所定値とされていることが望ましい。
【００２１】
特に、前記半導体基板の不純物濃度が１×10-14ｃｍ-3であり、前記第１の拡散層の深さが４μｍであることが好ましい。さらには、第１の拡散層の不純物濃度が１×1015ｃｍ-3であることが特に好ましい。
【００２２】
本発明の蛍光検出方法は、蛍光標識された被分析物質を含む試料に対して励起光を照射し、該励起光の照射により前記蛍光標識から生じる蛍光を検出する蛍光検出方法であって、
本発明の分光センサーを用い、
前記基板に所定の電圧を印加し、かつ前記ゲート電圧として第１のゲート電圧を印加した状態で前記電流を測定して第１の電流値を得、
前記基板に所定の電圧を印加し、かつ前記ゲート電圧として前記第１のゲート電圧とは異なる第２のゲート電圧を印加した状態で前記電流を測定して第２の電流値を得、
前記第１および第２の電流値に基づいて前記蛍光を前記励起光と分離して検出することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の蛍光検出装置は、蛍光標識された被分析物質を含む試料に対して励起光を照射し、該励起光の照射により前記蛍光標識から生じる蛍光を検出する蛍光検出装置であって、
本発明の分光センサーを備え、該分光センサーにより前記蛍光の強度を前記励起光と分離して検出するものであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の分光センサーによれば、ゲート電圧を変化させることにより変化する所定の深さ（電荷捕獲深さ）毎に、その所定深さまでに入射光により発生した電荷を検出するものであり、その際の第１の拡散層の表面から深さ方向において、電位が一定となる中性領域が存在しない電位分布となっているため、所定の深さ毎にその所定深さまでに発生した電荷を精度よく検出することができ、波長分解能が非常に高い。
【００２５】
なお、上述の中性領域が存在しない電位分布を得るための、半導体基板の不純物濃度、第１の拡散層の不純物濃度および深さの値あるいは範囲が定められているため、このような波長分解能の高い分光センサーを容易に得ることができる。
【００２６】
本発明の蛍光検出方法および蛍光検出装置においては、上述の本発明の分光センサーを利用あるいは備えているので、蛍光を精度よく検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
＜基本原理＞
まず、本発明の分光センサーにおいて入射光の波長を得るための基本原理について説明する。
【００２８】
単色光が半導体内に入射する場合、半導体の入射面から深さ方向の位置Ｗまでに発生する電流は、計算によって求めることができる。半導体に光が入射すると光強度は指数関数的に減衰することから、ある深さｘにおける光強度Ａは、下記式で表される。  
Ａ＝Ａ0・ｅ-αｘ
ここで、Ａ0：入射光強度[Ｗ/ｃｍ2]、α：吸収係数[ｃｍ-1]である。
【００２９】
従って、深さＷまでに吸収される割合は、
【数１】
2009180512.tif 000003
【００３０】
となり、深さＷまでに発生する電流は次式のように表される。
【数２】
2009180512.tif 000004
【００３１】
ここで、Ｓ：受光部の面積[ｃｍ2]、ｈν：光のエネルギー[Ｊ]、ｑ：電子ボルト換算係数[J]である。
【００３２】
複数の波長が半導体内に入射する場合、半導体内に入射した場合の減衰度合いは、波長毎で異なっている。
【００３３】
例えば、２つの波長（λ1とλ2）の光が、強度Ａ1とＡ2で同時に入射した場合、表面から捕獲位置Ｗ1[ｃｍ]の距離までに発生した電子による電流Ｉ1[Ａ]、電子の捕獲位置Ｗ2[ｃｍ]の距離までに発生した電子による電流Ｉ2[Ａ]とすると、電流Ｉ1、Ｉ2は次式のように表される。
【数３】
2009180512.tif 000005
【００３４】
ここで、Ａ1、Ａ2：入射強度[Ｗ/ｃｍ2]、Ｓ：センサー面積[ｃｍ2]、α1、α2：それぞれの波長の吸収係数[ｃｍ-1]、ν1：振動数（＝ｃ/λ1）、ν2：振動数（＝ｃ/λ2）、ｃ：光速である。
【００３５】
入射光強度Ａ1、Ａ2以外は全て既知の値であるから、この２式の連立方程式を解くことにより、入射光強度Ａ1，Ａ2を求めることができる。
【００３６】
上記は、入射光が２波長であった場合であるが、入射光を３つの波長に分離する場合は、さらに、電子を捕獲する位置Ｗ3の場合の電流Ｉ3についての式を加え、各式に第３の波長の項を加え、３式の連立方程式を解くことにより、３つの波長それぞれの入射光強度を求めることができる。同様に１００の波長で入射する入射光を分光する場合は、電子を捕獲する位置を１００回変化させて（互いに異なる１００の深さで）測定すればよい。
【００３７】
なお、ここでは「電子」を捕獲するものとして説明したが、「正孔」を捕獲するように構成することもできる。
【００３８】
＜実施の形態＞
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３９】
図１は、本発明の実施の形態の分光センサーを示す斜視図である。  
分光センサー１は、ｎ型シリコン基板（ｎ型半導体基板）１１、ｎ型シリコン基板１１中に形成された第１の拡散層であるｐ型拡散層（ｐ型ウェル）１２、ｐ型拡散層１２の部位に形成された第２の拡散層であるｎ＋拡散層１３、ｐ型拡散層１２上に形成される絶縁膜であるシリコン酸化（SiO2）膜１４、シリコン酸化膜１４上に積層された、不純物が添加されたポリシリコン膜１５、ポリシリコン膜１５に接続設置され、ゲート電圧Ｖｇを印加するためのＡｌ電極１６、ｎ+拡散層１３に接続設置されたＡｌ電極１７、ｐ型拡散層１２に接続設置され、接地されたＡｌ電極１８を備えている。ポリシリコン膜（poly-Si膜）１５は、シリコン酸化膜(SiO2膜）１４を介して光を透過すると共に、SiO2膜１４を介してｐ型拡散層１２にゲート電圧を印加する透明ゲート電極である。さらに、ｎ型シリコン基板１１には、基板１１に所定の電圧Ｖｓを印加するためのコンタクトが設けられている。
【００４０】
基板１１の不純物濃度は１×1013〜１×1016ｃｍ-3であり、第１の拡散層１２の不純物濃度が基板１１の不純物濃度の５〜50倍の範囲、第１の拡散層１２の接合深さＤが0.1〜20μｍの範囲で、基板１１に所定の電圧Ｖｓを印加し、ゲート電圧Ｖｇとして第１の拡散層１２に１〜20Ｖの範囲の所定電圧を印加した場合の第１の拡散層１２の表面から深さ方向において（図中Ａ−Ａ’において）、図２に示すように、電位が一定となる中性領域が存在しない電位分布となるように、それぞれ設定されている。例えば、基板の不純物濃度を固定し、他のパラメータを上記範囲で振ってシミュレーションを行い中性領域が存在しない電位分布となる所定値を定める。
【００４１】
なお、基板１１の不純物濃度を0.5×1014〜2×1014ｃｍ-3の範囲の所定値とし、第１の拡散層１２の不純物濃度を5×1014〜8×1015ｃｍ-3の範囲の所定値とし、第１の拡散層１２の接合深さＤが３〜５μｍの範囲で、基板１１に所定の電圧Ｖｓを印加し、ゲート電圧Ｖｇとして第１の拡散層１２に１〜６Ｖの範囲の所定電圧を印加した場合の第１の拡散層１２の表面から深さ方向において電位が一定となる中性領域が存在しない電位分布となるようにそれぞれ設定することがさらに望ましい。
【００４２】
半導体内のエネルギーバンドにおいては、基板側にＶｓが印加されることにより、ｐ型拡散層の基板側に空乏領域が生じ、他方ゲート電圧Ｖｇが印加されることにより、ｐ型拡散層表面側に空乏領域が生じる。このように、Ｖｓ、Ｖｇが印加された状態で、透明ゲート電極１５、シリコン膜１４を経てｐ型拡散層１２表面に入射した光Ｌにより半導体内（ｐ型拡散層１２）で生じた電子はより近い方の空乏領域に移動する。
【００４３】
図２において、電位分布の頂点となる位置（深さＷ）が電荷捕獲深さ（ここでは、電子捕獲深さ）であり、これはちょうど、基板側の空乏領域と表面側の空乏領域とが繋がった位置である。光が入射したことによりｐ型拡散層１２で発生した電子はより近い空乏領域へ移動することから、Ｗより表面側（Ａ側）で発生した電子がｎ＋拡散層１３に接続された電極１７へと流れ電流として測定される。
【００４４】
従来例の場合、基板１１に所定の電圧Ｖｓを印加し、ゲート電圧Ｖｇとして所定電圧を印加した場合の第１の拡散層１２の表面から深さ方向において、図１０のような電位分布となり、表面側の空乏領域と基板側の空乏領域との間の、図１０中両矢印で示した、電位が一定となる中性領域の電子は少なくともこの範囲で自由に行き来できるため、電子捕獲深さＷよりも基板側（Ａ’側）の電子が表面側に移動し検出されてしまう恐れがあり、分光特性が十分とはいえない。
【００４５】
第１の拡散層１２の不純物濃度を１×1015ｃｍ-3とし、深さを４μｍとし、Ｖｓ＝５Ｖ、Ｖｇ＝３Ｖ、酸化膜厚100ｎｍとした場合の、表面から深さ方向（図１のＡ−Ａ’）の電位分布のシミュレーション結果を図３に示す。このときの電子捕捉深さは1.83μｍである。
【００４６】
また、比較のために、基板１１の不純物濃度を1.5×1014ｃｍ-3、第１の拡散層１２の不純物濃度を２×1015ｃｍ-3、接合深さを５μｍ、Ｖｓ＝５Ｖ、Ｖｇ＝３Ｖ、SiO2膜１４の膜厚65ｎｍとした場合の、表面から深さ方向の電位分布のシミュレーション結果を図１１に示す（特許文献２参照）。このシミュレーションからも、従来のものは、電位の一定となる中性領域が存在していたことが明らかである。
【００４７】
図４は、電位分布における、ｋＴ／ｑ＝0.026ｅＶ以内の幅を説明するための図である。図４に示す、0.026ｅＶの範囲は、300Ｋにおいて電子が自由に移動できる領域であり、所定の深さまでに入射光により発生した電子を精度よく検出するためには、所定の深さの前後の電位分布において0.026ｅＶ内となる領域（図中両矢印で示す深さ方向の幅）が小さければ小さいほど好ましい。
【００４８】
本実施形態の分光センサーでは、図３に示すように、中性領域がなく電位の頂点位置近傍での電位分布が急峻に変化している。一方、従来の分光センサーの場合、図１１中のＷの位置を捕獲深さとしていたが、現実には、該深さＷから約1.5μｍに亘り中性領域が広がっており、上述の0.026ｅＶ内となる幅はさらに広くなっている。本実施形態の分光センサーは、従来のものと比較して、この0.026ｅＶ内の幅が非常に小さく、すなわち自由に電子が行き来できる幅が小さくなっていることを意味するものであり、測定精度が向上していると言える。
【００４９】
図５は、基板１１の不純物濃度１×10-14ｃｍ-3、ｐ型拡散層１２の接合深さ４μｍ、ゲート酸化膜厚（SiO2膜厚）100ｎｍとし、ｐ型拡散層の不純物濃度を変化させ、基板への印加電圧Ｖｓ＝５Ｖ、ゲート電圧Ｖｇ＝３Ｖのときのｐ型拡散層表面から基板側にかけての電位分布をシミュレーションにより求め、電子捕獲深さの電位（電位分布の頂点）から各不純物濃度の時の300Ｋの等価電圧以内の電位となっている深さ方向の幅（図４に示す幅であり、以下「電位の幅」という）をプロット（黒四角、実線で示す）したものである。
【００５０】
比較として、基板濃度2.5×1015ｃｍ-3、ｐ型拡散層の接合深さ６μｍとし、ｐ型拡散層の不純物濃度を変化させ、他の条件は上と同様の条件でシミュレーションを行い、各不純物濃度の時の300Ｋの等価電圧以内の電位の幅をプロット（白丸、破線で示す）している。
【００５１】
図５に示すように、基板濃度が小さく、ｐ型拡散層の接合深さが浅い方が300Ｋ等価電圧内の電位の幅が小さい傾向が得られた。さらに、上述の中性領域は300Ｋ等価電圧内の電位の幅が1.3μｍ以下であればほぼ０となる。ここから、基板１１の不純物濃度１×10-14ｃｍ-3、ｐ型拡散層１２の接合深さ４μｍ、SiO2膜厚100ｎｍの条件では、ｐ型拡散層の不純物濃度は５×1014〜５×1015ｃｍ-3（即ち基板の不純物濃度の５〜５０倍）が好ましいと言える。さらには、この電位の幅が1.0μｍ以下であればさらに好ましい。また、本シミュレーションでは、ｐ型拡散層の不純物濃度が１×1015ｃｍ-3のとき電位の幅が最小値0.5μｍとなり、最も好ましいという結果が得られた。
【００５２】
なお、ゲート電極であるポリシリコン膜１５と第１の拡散層１２との間のSiO2膜１４の厚みにより、拡散層１２に生じる電位分布は変化する。具体的には、SiO2膜１４が厚いほど、電位分布のピーク位置（所定深さＷ）が浅くなる傾向がある。SiO2膜１４は50ｎｍ−150ｎｍ程度が好ましい。なお、SiO2膜に代えて、窒化膜Si3N4膜を用いてもよく、材料が異なるとやはり電位分布のピーク位置が変化する。窒化膜などSiO2膜以外の膜を形成した場合、その材料の比誘電率とSiO2の比誘電率との関係から、SiO2膜の厚みに換算することができる。
【００５３】
次に、上述の分光センサー１を用いた蛍光検出方法および装置について説明する。  
図６は、本実施形態の蛍光検出装置１０の概略構成を示すものである。蛍光検出装置１０は、蛍光標識された被分析物質を含む試料２を保持する試料保持部としてのガラスからなるサンプルプレート３と、試料２に励起光４を照射する、サンプルプレート上方に配置された励起光源５と、励起４の照射により生じる蛍光を検出するため、サンプルプレート３の励起光源５と対向する下側に配置された分光センサー１とを備えている。
【００５４】
本蛍光検出装置により蛍光検出方法は以下のように行う。  
励起光源５により励起光４を試料２に照射する。試料２中の被分析物質に標識された蛍光体から蛍光Ｌが生じる。この励起光（例えば、波長λ1＝470ｎｍ）および蛍光（例えば、波長λ2＝520ｎｍ）が分光センサー１のポリシリコン膜１５から分光センサー１内に入射する。ここで、基板側への所定の電圧Ｖｓとして５Ｖを印加し、ゲート電圧Ｖｇ＝３Ｖ（Ｗ１＝2.00μｍ）のときの電流を測定し電流値Ｉ1を得、さらに、ゲート電圧Ｖｇ＝５Ｖ（Ｗ2＝2.14μｍ）のときの電流を測定し電流値Ｉ2を得る。この、Ｗ1、Ｗ2、Ｉ1およびＩ2から励起光強度Ａ1および蛍光強度Ａ2を、上述した（３）式に基づいて求める。
【００５５】
このようにして蛍光と励起光とを分離してそれぞれの入射光強度を検出することができる。なお、上記実施形態においては、基板側に印加される電圧Ｖｓは５Ｖとし、電流検出を行う時のゲート電圧を３Ｖと５Ｖとしたが、これらはこの値に限られるものではなく、分光センサーの特性および検出する蛍光、励起光の波長に応じて、所定の深さに電位のピーク位置が一致するように適宜設定すればよい。
【００５６】
本実施形態の蛍光検出装置によれば、上述した本発明の分光センサーを用いており、蛍光と、励起光とを精度よく分離し、精度よく蛍光を検出することができる。
【００５７】
次に、図７〜図９を参照して、本発明の蛍光検出装置に備えられる分光センサーの具体的な製造方法の例を説明する。図７および図８は断面図、図９は斜視図である。
【００５８】
基板３１としては、ｎ型(100)４インチSi基板を用いる。不純物濃度は1×1014ｃｍ-3である。まず、初期酸化としてウェット酸化を行う。1000℃、240分の条件で、500ｎｍの酸化膜（SiO2膜）３２を形成する。図７（Ａ）に示すように、酸化膜３２上に、レジスト３３を形成し、ｐ型拡散層を形成する領域３３ａを確定するためのフォトリソグラフィを行う。次にSiO2膜３２をＢＨＦ（バッファードフッ酸）により除去する。
【００５９】
さらに図７（Ｂ）に示すように、保護酸化膜を形成するためのドライ酸化を1000℃、60分の条件で行い、酸化膜（SiO2膜）３４を50ｎｍ形成する。この保護酸化膜３４はイオン注入時のダメージを軽減するために形成する。
【００６０】
次に、図６（Ｃ）に示すように、ｐ型拡散層３６を形成するためのイオン３５注入を行う。ボロン（Boron）を60ｋｅＶ、1012ｃｍ-2の条件で注入し、その後、ドライブインとして、1150℃ｍ、ドライ酸素雰囲気中、240分維持し、ボロンを拡散させ、図６（Ｃ）に示すようなｐ型拡散層３６を形成する。その後、SiO2膜３４を全面除去し、さらに、保護酸化として、1000℃、60分ドライ酸化させ、SiO2膜３７を形成する。
【００６１】
図７（Ｄ）に示すように、そのSiO2膜３７上にレジスト３８を形成し、チャネルストッパを形成するためのフォトリソグラフィを行い、チャネルストッパイオン３９（ボロン、60ｋｅＶ、１０14ｃｍ-2）注入を行い、チャネルストッパ４０を形成する。
【００６２】
その後、レジスト３８を除去し、さらにSiO2膜３７を全面除去する。さらに、フィールド酸化として、1000℃、240分ウェット酸化を行い、750ｎｍ厚のSiO2膜４２を形成する。さらに、アクティブ形成フォトリソグラフィを行い、SiO2膜をエッチングし、1000℃、120分ドライ酸化を行い、ゲート領域に図８（Ａ）に示すような酸化膜厚80ｎｍのSiO2膜４２ａを形成する。
【００６３】
さらに、650℃、75分の条件で、SiO2膜４２および４２ａ上に520ｎｍ厚のポリシリコン膜４３を形成し、その後、ポリシリコン膜４３をパターニングするためにレジスト４４を塗布しフォトリソグラフィを行い、図８（Ｂ）に示すようにポリシリコン４３をエッチングする。
【００６４】
次に、図８（Ｃ）に示すように、ｎ型イオン注入のために、ｐ拡散領域をカバーするために、レジスト４５の塗布およびフォトリソグラフィを行う。ｎ＋イオンとしてリン４６を注入し、ｐ型拡散層３６の一部位にｎ＋拡散層４８を形成する。
【００６５】
図８（Ｄ）に示すように、レジスト４５を除去し、ＢＰＳＧ（ボロン−リン−シリコンガラス）膜49を600ｎｍ形成する。ＢＰＳＧ膜は900℃、１０分の条件でリフローすることにより形成し、さらにコンタクト（電極）形成のためにＢＨＦによるエッチングを行う。
【００６６】
その後、1.2μｍ厚にＡｌ（アルミニウム）をスパッタ蒸着し、電極部５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ以外の部分のＡｌをドライエッチングにより除去し、Ｈ２雰囲気中でアニールすることにより完成する（図８参照）。
【００６７】
このようにして、図８に示すように、ｎ型Ｓｉ基板３１と、該基板の表面から所定深さまでｐ型イオンが拡散されて形成されたｐ型拡散層３５と、このｐ型拡散層３５の部位に形成されたｎ＋拡散層４８と、表面に形成されたSiO2膜４２、入射光受光領域に備えられたポリシリコン膜４３と、ＢＰＳＧ膜４９と、４つのＡｌ電極５０ａ〜５０ｄを備えた分光センサー５１を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の実施の形態の分光センサーの概略構成を示す斜視図
【図２】図１に示す分光センサーにおける電位分布を示す模式図
【図３】図１に示す分光センサーの電位分布シミュレーション
【図４】電位分布におけるｋＴ／ｑ＝0.026ｅＶ以内の幅を説明するための図
【図５】電位の幅とｐ型拡散層中の不純物濃度との関係を示すグラフ
【図６】本実施形態の蛍光検出装置の概略構成を示す図
【図７】分光センサーの製造工程を示す断面図（その１）
【図８】分光センサーの製造工程を示す断面図（その２）
【図９】分光センサーの斜視図
【図１０】従来例の分光センサーの電位分布を示す模式図
【図１１】従来例の分光センサーの電位分布シミュレーション
【符号の説明】
【００６９】
１    分光センサー
１１、３１  半導体基板
１２、３５    第１拡散層（ｐ型拡散層）
１３、４８    第２拡散層（ｎ型拡散層）
１４、４２    SiO2膜
１５、４３    ポリシリコン膜（ゲート電極）
１６、１７、１８、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ    Ａｌ電極
【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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