半導体で構成する小型化可能な
表面プラズモン共鳴化学量センサ
電気通信大学大学院情報理工学研究科
機械知能システム学専攻教授 菅 哲朗

自己紹介：MEMS薄膜構造を利用した光の操作◼ 波長以下の極薄MEMS構造で光の状態制御・計測◼ 偏光状態、屈折方向、強度レンズ

波長 λ

入射光

Surface
Micromachining
薄膜界面波長板λ >> 厚さ t

通常、波長よりも大きなバルク構造で光状態制御
コンパクト・機能集積光学デバイス
ロボットのビジョンなどの出口を狙う

透過光
波長より薄い界面で光の状態制御

大型な化学量センサの小型化基礎技術を開発

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表面プラズモン共鳴に着目◼ 伝搬型表面プラズモン (SPR)
誘電体◼ 局在型表面プラズモン(LSPR)

伝搬方向
https://en.wikipedia.org/wiki/Localized_surface_plasmon

金ガラス・Si
低屈折率
高屈折率

銀ナノ粒子の散乱光の暗視野像

共鳴波長は粒子のサイズ周辺屈折率で変化、物質検出に使える
鋭い共鳴特性により高感度な屈折率変化の検出が可能

SPRは物質と光との強い相互作用をもたらす
しかし、応答計測に光学機器が必要
MEMSのメリットを必ずしも享受できない
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表面プラズモン共鳴型化学量センサ◼ Widely used in clinical and chemicals◼ Refractive index change by moleculearrival detected◼ Resonant angle change by reflection◼ Simple, but bulky◼ Optics for reflection measurement
An ultra small biochip compatible SPR sensor is fascinating.

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従来技術とその問題点
既存技術（GE (Healthcare)社
Biacore™）

市販大型SPR装置
高感度（約1 pg/mm2 ）だが可搬性に乏しい既存技術（NICOYA (LIFESCIENCES)社
OpenSPR™2）

小型化は図られているが検出には光学系が必要 5/21

表面プラズモン共鳴を電気的検出
先行研究
Knight, et al.,Science, 2011.

プラズモニック
ナノアンテナ＋ショット
キー接合によるプラズモン検出
近赤外光検出が可能

光の検出の原理詳細

表面プラズモン共鳴を光学によらず電気的に検出可能

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電気検出を利用したSPRセンサ
SPRの電流検出を利用した小型ワンチップ型SPRセンサ
入射光によるSPR励起条件
2𝜋2𝑚𝜋 𝜔 𝜀m + 𝜀Au𝑛si sin 𝜃 +=𝜆0𝑎𝑐𝜀m 𝜀Au

光学的に小型化有利な、垂直入射配置も可能

Shift detected
electricallyY. Saito, et al., Applied Physics Express, 2020
Y. Saito, et al., Optics Express, 2019.

実際は、角度・波長固定で強度7/21変化を測定で小型化想定

これまでのグループ内の研究
Previous researches in our groupY. Ajiki, T. Kan, et al.,Applied Phyics
Express, 2018.

Si上にレジスト凹凸で格子を製作
溶液を満たした状態での計測は実施
ただし、屈折率分解能測定は未了

T. Tsukagoshi, T. Kan,
et al., Sensors, 2018.

サンプルの屈折率変化は測定可能
ただし、共鳴状態が明瞭ではない

光学的デザインの最適化が必要
要求仕様：水の吸収が無視できる可視光領域での最適設計
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光学シミュレーション
Rigorously coupledwave analysis (RCWA) 計算
による周期構造計算

Device dimension & Absorption (SPR efficiency)

Good parameter: hAu = 30 nm, pitch = 470 nm

化学量センサとしての有用性検証
SPR共鳴点が試料面の屈折率変化によるシフト⇒ 化学物質付着を測定可能
SPRセンサの応用可能性を確認

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半導体加工Photoresist
N-SiAuAl

電気的特性評価
IV-curve

30-nm grating by thelift-off metal thickness
Grating pitch 470 nmhAu 30 nm, tAu 100 nm

ショットキー障壁高さ
ΦB = 0.72 eV
可視光から近赤外までの検出が可能になる
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試料面が空気の場合の結果

Angular current spectrum for different λPeak position

SPR共鳴は計算結果と良好な整合を見せた
SPR共鳴状態を電気的に測定可能であることを確認
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試料面に液体を用いた測定

今回は予備的な検証段階なので素子全体を溶液プールに入れて測定

屈折率変化による明瞭なSPR共鳴点シフトを計測
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測定可能屈折率レゾリューション
アイドル状態のノイズ特性

応答は単位屈折率（RIU）変化に対して0.79 mA/W/0.005 RIU => 0.158 A/W/RIU

入射角度と照射波長を固定して測定したと考える
ノイズと同じレベルの信号をもたらす屈折率変化を分解能と考える
ΔN = 3.4 × 10−5 RIU (refractive index unit) @ θ = 7°ΔN = 4.0 × 10−5 RIU @ θ = 0°
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ベンチマークRIU resolution compared with recent publications
Authors

TypeResolution

Bibliography

X.L. Zhou, et al.

Prism

3.7×10−6 RIU

Optics communications
2017

Z.C. Liu, et al.

Prism

2.2 × 10−7 RIU

Sensors 2020

D.F. Santos, et al.

Optical fiber

9.8 x 10-6 RIUIEEE sensors journal
2015

A. K. Pathak
and V. K. Singh

Optical fiber

1.073×10−5 RIUIEEE photonics
technology research 2020

T. Khanikar
and V. K. Singh

Grating and optical fiber

1.31×10−5 RIU

Optical and Quantum
Electronics 2019

L. Wen, et al.

Grating andsemiconductor (NIR)

8 × 10−6 RIU

ACS nano 2019

This work

Grating andsemiconductor (Visible)

3.4 × 10−5 RIUIEEE sensors journal(accepted)

提案するセンサは 実用レベルの分解能を持つことを確認
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新技術がもたらすもの：光学系ゼロのチップセンサ◼ 表面プラズモンの励起に回折格子によるエバネッセント光◼ シリコンをロスなく透過する近赤外光を利用◼ 背面垂直照射で、光学系は実質ゼロに小型ワンチップ化が可能な技術
半導体デバイス
完成にめど
タンパク質分子測定で機能実証中菅哲朗, 石原拓哉, 下山勲, 野田堅太郎,
塚越拓哉, “計測用デバイス及び計測センサ,” 出願番号 2017-092710, 特開2018-189523
特許6928931（2021/08/12）（特許登録：大学単独）

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想定される用途
タンパク質などの検出◼ 従来型イムノアッセイセンサの代替、定量性、感度向上◼ ヘルスケア用途へ展開可能
ウイルスセンサなど環境モニタ◼ ラベルフリー計測可能◼ ウイルスなどを空気捕集して室内の空気の質をモニタ
食品生産などのモニタ◼ 小型なので生産ラインに組み込み可能◼ 味のばらつきなどを定量化
16/21実用化に向けた課題
生体分子計測で機能実証◼ 現在、半導体センサの技術が確立した段階◼ 具体的なタンパク質検出で化学量センサとしての性能を検証
精度向上◼ 液体側からの光照射⇒試料と相互作用しない背面照射構造検証◼ 半導体電流検出構造の最適化
SN向上を進めて分解能2桁アップ
目標、大型SPRと同等の機能システム化◼ 光源、流路などとの融合によるトータルでのシステム化
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企業への期待
化学量センサとしての展開◼ 化学量センサに関して独自デバイス開発のシーズ技術は有しているが、応用面について知見が少ない◼ デバイスの応用ニーズ・シーンのご提案を期待しています
化学量センサの生産に関する課題◼ パートナーを探している◼ 製造パートナー◼ 空気清浄機など応用面におけるユーザーのパートナー

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まとめと結論• キーテクノロジー：表面プラズモン共鳴をショットキー障壁を利用して電気的検出• マイクロ/ナノサイズの回折格子により任意の入射角度での光路設計可能⇒実質的にワンチップ化可能• 化学量センサとしての展開一歩手前
半導体センサ技術は基礎確立完了
タンパク質などの検出を通じて今後、化学量センサとしての実用性を評価• LSIやMEMSと組み合わせることができる多様な応用が可能– Ex. ピクセル化して大規模スクリーニング機能をてのひらサイズにご清聴ありがとうございました
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本技術に関する知的財産権
発明の名称
出願番号
登録番号
出願人
発明者

：計測用デバイス及び計測センサ：出願番号 2017-092710：特許6928931（2021/08/12）：東京大学、電気通信大学：菅哲朗, 石原拓哉, 下山勲, 野田堅太郎, 塚越拓哉

これ以外に、同じ原理に基づいた赤外光検出器・分光器に関して、S/Nを高める機構の出願を行っています
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お問い合わせ先
国立大学法人電気通信大学
産学官連携センター
産学官連携ワンストップサービス

ＴＥＬ042-443-5871
ＦＡＸ042-443-5726
e-mailonestop@sangaku.uec.ac.jp
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