JP2005024286A - 半導体アレイセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】核酸又は核酸誘導体の分子の検知部を高密度にアレイ化することによって、高感度に核酸又は核酸誘導体の分子検出を行うこと。
【解決手段】平滑な導電性基板１２の上に、各々独立した所定位置に微小スポット形状に低濃度不純物半導体層による複数の検知部１４ａを形成し、この検知部１４ａを高濃度不純物半導体層１４ｂで囲んで成る半導体層１４を積層する。この半導体層１４の上に絶縁体層１６を積層し、この絶縁体層１６上の検知部１４ａ位置に分子プローブ１８を固定する。絶縁体層１６の上の外周に設けた容器２０に導電性液体２２を満たし、この中に参照電極２４を挿入する。導電性基板１２の下にオーミック電極２６を固定し、参照電極２４とオーミック電極２６との間に電源２８と電流計３０とを直列に接続する。導電性液体２２の上方に導電性液体２２を透過して分子プローブ１８に照射光３２を照射するＬＥＤ３４を配置する。
【選択図】 図１
【解決手段】平滑な導電性基板１２の上に、各々独立した所定位置に微小スポット形状に低濃度不純物半導体層による複数の検知部１４ａを形成し、この検知部１４ａを高濃度不純物半導体層１４ｂで囲んで成る半導体層１４を積層する。この半導体層１４の上に絶縁体層１６を積層し、この絶縁体層１６上の検知部１４ａ位置に分子プローブ１８を固定する。絶縁体層１６の上の外周に設けた容器２０に導電性液体２２を満たし、この中に参照電極２４を挿入する。導電性基板１２の下にオーミック電極２６を固定し、参照電極２４とオーミック電極２６との間に電源２８と電流計３０とを直列に接続する。導電性液体２２の上方に導電性液体２２を透過して分子プローブ１８に照射光３２を照射するＬＥＤ３４を配置する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体層上に絶縁体層を積層し、この層上に層表面が露出するように周回する外壁を形成して成る容器を設け、この容器に導電性液体を満たした状態で、半導体層に局所的に光を照射し、この照射により半導体層中に誘発された光励起キャリアによる電気的特性を評価することによって、導電性液体との界面の局所的な物理及び化学的な状態を測定し、これに基づき、遺伝子等の分子検出を行うようにした半導体アレイセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、遺伝子の発現、変異、多型等を検出する手段として、ＤＮＡチップに代表される固相担体に多数のＤＮＡ分子を固定させたマイクロアレイが活発に開発されている。
その検出方法としては、検体である核酸に蛍光、或いはラジオアイソトープ（ＲＩ）、酵素反応させるための酵素等を標識として使用し、又は予め標識を行わない場合には、インタカレーターと呼ばれる核酸に結合する分子に標識を修飾することで、物理的或いは化学的に標識を検出し、間接的に目的とする遺伝子の有無を検出している。
【０００３】
しかしながら、上記のような方法による核酸の検出には、煩雑な操作が必要であり、特に蛍光やＲＩを用いる方式では蛍光色素の褪色や安全性を考慮して迅速な操作も必要である。
このため、核酸等の特定の分子を、より簡便に且つ迅速に検出可能な方式の一つとしてＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ）方式が検討されている。
【０００４】
ＬＡＰＳとは、半導体層上に絶縁体層を積層し、この層上に層表面が露出するように周回する外壁を形成して成る容器を設け、この容器に導電性液体を満たした状態で、半導体層に局所的に光を照射し、この照射により半導体層中に誘発された光励起キャリアによる電気的特性を評価することによって、導電性液体との界面の局所的な物理及び化学的な状態を測定するセンサである（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
その絶縁体層上に、プローブとしてＤＮＡ（ＤＮＡプローブ）を固定すれば導電性液体中にＤＮＡプローブと相補的なＤＮＡ（ターゲットＤＮＡ）が存在した場合、ＤＮＡプローブとターゲットＤＮＡがハイブリダイゼーションし、ＤＮＡの２本鎖が形成される。ＤＮＡは負の極性を持つため、２本鎖の形成により、絶縁体上の表面電荷密度が変化する。この変化を電気信号として検知することで、非標識に目的とするＤＮＡの有無を検出することが可能である（例えば、特許文献２参照）。
また、ＩＳ−ＦＥＴ（Ｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のように配線を作製する等の複雑なプロセスを必要としない、簡便、且つ安価にアレイ化センサが作製可能である。
【０００６】
【特許文献１】
公表特許第ＷＯ８５／０４０１８号公報
【特許文献２】
公表特許第ＷＯ０２／０４９３５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のＬＡＰＳ方式による半導体アレイセンサにおいては、次のような理由によって、高密度のアレイ化が困難であるため、高感度に核酸等の分子検出を行うことができないという問題がある。
ＬＡＰＳは、光を照射した部分の情報のみを取り出せるが、高密度化のためには光を小スポット化する必要がある。しかし、導電性液体を透過させて光を照射した場合、液体による光回折、光吸収の影響は免れない。半導体層側から照射する場合、半導体層は担体としての強度を保持するために１００μｍ以下の薄膜化は難しく、これらのことが光の小スポット化を著しく制限してしまう。
【０００８】
光透過性担体基板上の半導体層の場合、半導体層の膜厚を任意に調整できるが、半導体層の薄膜化によるサイズ効果により抵抗が増加し、この結果、取り出す信号の出力低下や、半導体層のオーミック電極と光照射する位置による信号の依存性が発生する。
また、照射光の小スポット化に対応して検知部を小型化した場合、正確に検知部に光照射させるためには照射光の精密な位置制御が不可欠となるので、その実現が困難となる。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、核酸又は核酸誘導体の分子の検知部を高密度にアレイ化することによって、高感度に核酸又は核酸誘導体の分子検出を行うことができる半導体アレイセンサを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１による半導体アレイセンサは、基板の少なくとも一方の面に半導体層及び絶縁体層を順次積層し、前記絶縁体層が導電性液体と接し、前記半導体層と前記導電性液体間でバイアス電圧を印可し、前記絶縁体層上に特定の目的分子と特異的に結合する分子からなる分子プローブを有する検知部を複数個形成し、前記基板側及び前記導電性液体側の何れか一方から前記検知部に光照射し、光照射した検知部のバイアス電圧に依存する光電流を測定し、前記導電性液体中に存在する特定の目的分子が前記分子プローブと結合した場合に前記光電流の変化により、前記特定の目的分子を検出する半導体アレイセンサであって、前記検知部における半導体層の極性がｎ型及びｐ型の何れかであり、前記検知部の周囲の半導体層の極性が当該検知部の半導体層の極性と同一であって、その周囲の半導体層の不純物濃度が当該検知部の半導体層の不純物濃度よりも高いことを特徴としている。
【００１０】
この構成によれば、導電性液体中の目的分子が、分子プローブと特異的に結合するので、絶縁体層と導電性液体との界面で表面電荷密度が変化する。この際、導電性液体と半導体層との間に電源によって印加されるバイアス電圧が一定に保持された状態であれば、表面電荷密度の変化により検知部の空乏層の厚みが変化する。また、結合が起こった検知部に光源から光を照射すれば、空乏層の厚みの変化に対応して、ループを流れる電流量が結合前と比較して変化する。これによって、光を照射した検知部のアドレスと目的分子導入前と導入後の電流量変化の有無を対比するか、もしくはリファレンスとなる検知部を設け、それらの出力の大小を比較することで、目的の分子を検出することができる。
【００１１】
また、本発明の請求項２による半導体アレイセンサは、請求項１において、前記基板は、この基板に接する前記半導体層と同質の半導体であって、その極性が前記検知部の半導体層の極性と同一であって、その不純物濃度が当該検知部の半導体層の不純物濃度よりも高いことを特徴としている。
仮に基板が低濃度の場合、半導体層を透過した光により無用な励起キャリアが発生するが、本発明の構成であれば、高濃度であるため、それを防止することができる。
【００１２】
また、本発明の請求項３による半導体アレイセンサは、請求項１において、前記基板は、透明な誘電体からなる透明基板であることを特徴としている。
この構成によれば、透明基板の下方から光照射を行うことができるので、導電性液体による光吸収、散乱、回折等の影響を回避することができる。
また、本発明の請求項４による半導体アレイセンサは、請求項１から３の何れか１項において、前記検知部の面積が、前記検知部に光照射したときの照射光の照射面積よりも小さいことを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、検知部の面積よりも照射面積が大きいので、検知部に光を正確に照射させるための位置制御が容易となる。
また、本発明の請求項５による半導体アレイセンサは、請求項１から４の何れか１項において、前記分子プローブを、前記検知部の上方に固定する際に、前記検知部の周囲に余分に固定された分子プローブを不活性な状態にすることを特徴としている。
【００１４】
この構成によれば、検知部以外で無用に対象分子と分子プローブが結合するのを防ぐことができるので、検知部で高感度に検出することができる。
また、本発明の請求項６による半導体アレイセンサは、請求項１から５の何れか１項において、前記分子プローブは、核酸及び核酸誘導体の何れかであることを特徴としている。
この構成によれば、高感度に核酸又は核酸誘導体の分子検出を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの概略構成図である。
この図１に示す半導体アレイセンサ１０は、次のように構成されている。
即ち、平滑な導電性基板１２の上に、各々独立した所定位置に微小スポット形状に低濃度不純物半導体層を形成することによって複数の検知部１４ａを形成し、この検知部１４ａを高濃度不純物半導体層１４ｂで囲んで成る半導体層１４を積層する。
【００１６】
この半導体層１４の上に絶縁体層１６を積層し、この絶縁体層１６上の検知部１４ａ位置に、シランカップリング剤等を介してＤＮＡ，ＲＮＡ，ＰＮＡ等の分子プローブ１８を固定する。更に絶縁体層１６の上の外周に、この層１６の表面が露出するように周回する外壁を形成して成る容器２０をＯリング２１を介して設け、この容器２０に導電性液体２２を満たす。Ｏリング２１は、容器２０と密着させ、液漏れを防ぐ。容器２０自体に弾力性があるか、絶縁体層１６に密着できる場合はなくともよい。
【００１７】
更に、導電性液体２２の中に参照電極２４を挿入すると共に、導電性基板１２の下にオーミック電極２６を固定し、参照電極２４とオーミック電極２６との間に電源２８と電流計３０とを直接に接続し、光電流量を測定するためのループを形成する。そして、導電性液体２２の上方に導電性液体２２を透過して分子プローブ１８に照射光（変調光）３２を照射するためのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）３４を配置して構成されている。
【００１８】
但し、高濃度不純物半導体層１４ｂの不純物濃度は、検知部１４ａを形成する低濃度不純物半導体層以上の濃度とする。
このような構成において、特定の分子（目的分子）を検出する場合、まず、試料溶液を導電性液体２２の中に添加する。この試料溶液中に、分子プローブ１８と特異的に結合する目的分子が存在した場合、目的分子と分子プローブ１８とは結合し、絶縁体層１６と導電性液体２２との界面で表面電荷密度が変化する。
【００１９】
この際、導電性液体２２と半導体層１４との間に電源２８によって印加される逆バイアス電圧が、一定に保持された状態であれば表面電荷密度の変化により、図２に示す検知部１４ａ内の空乏層３３の厚みが変化する。
また、結合が起こった検知部１４ａにＬＥＤ３４から照射光３２を照射すれば、空乏層３３の厚みの変化に対応して、参照電極２４，オーミック電極２６間を流れる光電流量が結合前と比較して変化する。これによって、照射光３２を照射した検知部１４ａのアドレスにおいて、試料溶液導入前と導入後の光電流量変化の有無を対比することで、試料溶液中の特定の分子を検出することができる。
【００２０】
このように半導体アレイセンサ１０においては、導電性液体２２と半導体層１４との間に逆バイアス電圧を印加した場合、空乏層３３は、図２に示すように、低濃度領域（検知部１４ａ）のみに形成される。周囲は低抵抗な高濃度不純物半導体層１４ｂによる高濃度領域であるため、全ての低濃度領域を同電位にすることが可能であり、導電性基板１２を介した半導体層１４へのオーミック電極２６の接続位置による依存性をキャンセルすることができる。
【００２１】
また、ＬＥＤ３４の照射光３２の照射による励起キャリアは、検知部１４ａである低濃度領域で発生する。従って、図２に示すように、照射光３２の単位面積当たりの光量が一定で、照射面積が検知部１４ａの面積よりも大きく且つ検知部１４ａを覆って照射する限り、励起キャリアを一定にすることができる。
ところで、従来技術では、図３に示すように、導電性基板１２上の全体が低濃度な半導体層３６であるための、分子プローブ１８が固定された検知部３８にＬＥＤ３９から照射光４０を照射する場合、検知部３８の面積に等しい照射面積で、かつ正確に位置合わせする必要があった。
【００２２】
また、図４に示すように、照射光４０による照射面積が検知部３８よりも大きい場合、又は図５に示すように、照射光４０が検知部３８からずれた場合、分子プローブ１８が固定されていない半導体層３６では空乏層３３の変化が発生しないため、測定分子結合による変化量が減少する。このため、照射光４０を検知部３８の面積に合わせて絞り込み、かつ検知部３８に正確に位置合わせする必要があった。
【００２３】
本実施の形態では上述したように、このような問題点を解消することができる。
また、本実施の形態においては、製造プロセスにより、検知部１４ａを図６に示すサイズから図７に示すサイズのように、任意に小さくできる。しかも結合による信号の変化量は表面電荷密度の変化に比例するため、検知部１４ａの面積に依らず一定である。
【００２４】
このことから、目的分子を分子プローブ１８に同じ手段で固定した場合、固定化密度を一定と仮定すると、検知部１４ａが図７に示すように小さくなれば、これに比例して、分子プローブ１８に固定化する目的分子の絶対量も小さくなる。従って、分子プローブ１８にハイブリダイゼーションする目的分子の絶対量が少ない場合では、検知部１４ａが小さい方がより高感度に検出することができる。
【００２５】
しかも、検知部１４ａが小さくなるほどに、限定された面積において高密度に検知部１４をアレイ化することが可能となる。これによって、より多種多様な目的分子の測定を行うことができる。言い換えれば、導電性液体２２中に分散可能な物質であれば種々のものを測定することができる。また、半導体アレイセンサ１０の製造単価を低減することができる。
【００２６】
更に、担体となる基板についてはシリコン基板等の導電性基板、又はサファイア等の透明な誘電体からなる透明基板を用いることができる。シリコン基板を用いる場合、不純物濃度が高く、低抵抗な基板が良い。この理由は、低濃度では半導体層１４を透過した光により無用な励起キャリアが発生するためである。また、低抵抗な基板であれば、検知部１４ｂとオーミック電極２６との距離に依存する抵抗を小さくすることができる。
【００２７】
図８に、誘電体からなる透明基板の１つであるサファイア基板４９を用いた場合の半導体アレイセンサ５０の概略構成図を示す。
この図８に示すように、サファイア基板４９を用いる場合は、オーミック電極２６を高濃度不純物半導体層１４ｂの上に固定する必要がある。このような構成の半導体アレイセンサ５０においては、導電性液体２２の上方からではなく、サファイア基板４９の下方からＬＥＤ３４によって光照射を行うことができるので、導電性液体２２による光吸収、散乱、回折等の影響を回避することができる。
【００２８】
次に、半導体アレイセンサ１０の製造方法の各工程を、図９（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。
まず、（ａ）に示す第１の工程において、担体となる基板１２の上に半導体層１４−１をＣＶＤ法等によりエピタキシャル成長させる。この成長時に、不純物を導入し、半導体層１４−１全体を、低濃度領域と同じ不純物濃度になるよう調整する。担体となる基板１２としては、シリコン基板又はサファイア基板等を用いることができる。
【００２９】
ここでは、担体となる基板１２は導電性基板であるとする。半導体層１４−１は、シリコンからなり、好ましくは単結晶シリコンがよい。つまり、欠陥が少なく、結晶性が高い程好ましい。欠陥は、励起キャリアをトラップし、発生する光電流量を減少させるからである。
次に、（ｂ）に示す第２の工程において、半導体層１４−１上にＣＶＤ法等により、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を形成する。これは、酸化雰囲気中で熱酸化し、形成しても良い。次に、酸化シリコン層上にフォトリソグラフィーにより、パターンニングされたレジスト膜（図示せず）を形成する。検知部１４ａに相当する部分はレジスト膜に覆われるようにする。
【００３０】
次に、フッ酸又はＲＩＥ法により、露出している酸化シリコン層をエッチングして取り除く。次に、酸化シリコン層を保護していたレジスト膜を除去する。これによって（ｂ）に示すように、独立した酸化シリコン層が残った状態となる。そして、拡散炉又はイオン注入装置により、高濃度に不純物を導入する。この際、残った各酸化シリコン層の下方には高濃度不純物は導入されない。
次に、（ｃ）に示す第３の工程において、（ｂ）に示す各酸化シリコン層を除去し、熱処理により、高濃度不純物領域の不純物濃度を深さ方向に均一にする。これによって、検知部１４ａと高濃度不純物半導体層１４ｂとが形成される。
【００３１】
次に、（ｄ）に示す第４の工程において、検知部１４ａ及び高濃度不純物半導体層１４ｂから成る半導体層１４の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を形成し、その上に例えば窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）による絶縁体層１６を形成し、導電性基板１２の下にオーミック電極２６を固定する。酸化シリコン層は絶縁性が高く、酸化雰囲気中の熱処理により、容易に形成できる上、酸化により得られる酸化シリコンと半導体層１４の界面準位は非常に小さい。反面、水溶性の導電性液体２２と直接接した場合、水分により膨潤し、溶液中のイオンの侵入により、イオン伝導性を持つことが考えられる。短時間の使用、もしくは使い捨てであれば酸化シリコン層のみをもって絶縁体層１６としても良い。
【００３２】
より好ましくは、窒化シリコン、酸化アルミ、酸化タンタル等の誘電体薄膜を酸化シリコン層上、もしくは直接、半導体層１４の表面に形成する。これらの誘電体薄膜は、酸化シリコンよりもイオン伝導性は低く、電気化学測定におけるドリフトも小さい。
もしくはＳｅｌｆ Ａｓｓｅｍｂｌｅ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ（自己組織化単分子膜）（ＳＡＭ）を酸化シリコン層上、もしくは直接半導体層１４の表面に形成することもできる。
【００３３】
オーミック電極２６は、導電性基板を用いる場合、検知面の裏面である導電性基板上に設けることができる。誘電体基板を用いる場合は、半導体層１４上に設ける。
そして、（ｅ）に示す第５の工程において、分子プローブ１８を、検知部１４ａの上方の絶縁体層１６の上に固定する。
ＤＮＡの場合は３‘又は５’の一方にチオール基、アミノ基、カルボキシル基等で修飾し、アミド結合等でその基を用いて検知部１４ａの上方の絶縁体層１６上に固定すれば配向させることができる。
【００３４】
ＤＮＡ等の分子プローブ１８は、正確に検知部１４ａ上に固定化することが望ましい。固定化には、ＤＮＡチップ作製装置（アレイヤー）を用いてもよい。アレイヤーは、従来型のスタンプピン方式によるものや、インクジェットの原理を利用したもの等、なんでもよい。検知部１４ａからはみ出して固定化した分子プローブ１８は検知に関与しないため、不活化することが望ましい。不活化には紫外線を照射してもよいし、光硬化性を有する樹脂等で封止してもよい。
次に、このような実施の形態に係る半導体アレイセンサを、実際に構成した際の実施例について説明する。
【００３５】
【実施例１】
上記のような製造方法で形成された図９（ｅ）に示す構成のセンサ部が、２０ｍｍ角のＳＯＳ基板からなり、シリコン層による半導体層１４の厚みは１μｍである。絶縁体層１６としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を５０ｎｍの厚さで順次積層する。半導体層１４にはイオン注入装置により、ｐ型の場合はボロン、ｎ型の場合はリンを不純物としてドープし、拡散炉によりドライブインし、深さ方向に均一に不純物を拡散させた。
【００３６】
オーミック電極２６は、図８に示すように、導電性液体２２と接さない部分の絶縁体層１６を除去し、アルミを蒸着して形成した。導電性液体２２は、１０ｍｍｏｌ／ｌのＴＥ（トリス−ＥＤＴＡ緩衝液）（ｐＨ＝８．０）を用いた。ＬＥＤ３４には、波長４７０ｎｍの光を照射する青色ＬＥＤを用いた。
このような構成の実施例１の半導体アレイセンサにおいては、図１０に示すように、バイアス電圧を変化させて飽和した光電流値（飽和光電流値）とドープ量（不純物濃度）との関係は、ｐ型及びｎ型とも、１Ｅ１６ｃｍ−３前後で光電流が最大となる。
【００３７】
【実施例２】
センサ部が２０ｍｍ角のＳＯＳ基板からなり、シリコン層による半導体層１４の厚みが１μｍであり、また、絶縁体層１６としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を５０ｎｍの厚さで順次積層する。極性はｎ型で不純物濃度が３Ｅ１５ｃｍ−３である。オーミック電極２６は、導電性液体２２と接さない部分の絶縁体層１６を除去し、アルミを蒸着して形成した。導電性液体２２には、１０ｍｍｏｌ／ｌのＴＥ（ｐＨ＝８．０）を用いた。
【００３８】
ＬＥＤ３４には、波長４７０ｎｍの照射光３２を発光する青色ＬＥＤを用いた。分子プローブ１８として３５塩基からなるＤＮＡを用い、固定にはＤＮＡの合成時に３‘にチオール基を修飾し、シランカップリング処理した絶縁体表面に異反応性２価性試薬により固定した。
このような構成の実施例２の半導体アレイセンサによるＤＮＡの分子の測定方法の概略説明図を、図１１（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００３９】
（ａ）に示すように、測定は５ｍｌのＴＥを入れた状態で先ず測定し、それから（ｂ）に示すように、測定対象となるＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液（ＤＮＡ ２００ｐｍｏｌ／μｌ）１０μｌを添加（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）し、その間、バイアス電圧を２．４５Ｖに固定し、光電流の変化を測定した。
図１２に相補的なＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液を添加（ハイブリダイゼーション）する前（Ｐｒｏｂｅ）と後（Ｐｒｏｂｅ＋Ｔａｒｇｅｔ）のＩ−Ｖ特性を示す。但し、ハイブリダイゼーション前と後の測定で飽和する光電流値が変わるため、その電流値を１．０として規格化してある（図１５、図１６においても同様）。相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合、Ｉ−Ｖ特性は約５０ｍＶ、正側にシフトした。
【００４０】
また、図１３に同一の試料で分子プローブ１８となるＤＮＡを固定する前（ａ）と後（ｂ）で相補的なＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液を添加した場合の光電流の変化を示す。分子プローブ１８が無い（ａ）の場合、光電流は変化しないが、分子プローブ１８がある（ｂ）の場合、光電流が増加し、約１時間で飽和した。
【００４１】
【実施例３】
この実施例３に用いる半導体アレイセンサは、図８に示すものと対応しているものとする。センサ部は２０ｍｍ角のＳＯＳ基板からなり、シリコン層による半導体層１４の厚みは１μｍである。絶縁体層１６としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を５０ｎｍの厚さで順次積層する。図１４にセンサ部の概略図を示す。但し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【００４２】
円形の低濃度不純物領域が検知部１４ａであり、極性はｎ型で不純物濃度は３Ｅ１５ｃｍ−３である。検知部１４ａを囲む高濃度不純物領域（高濃度不純物半導体層１４ｂ）も、極性はｎ型で不純物濃度は１Ｅ２０ｃｍ−３である。オーミック電極２６は、導電性液体２２と接さない部分の絶縁体層１６を除去し、アルミを蒸着して形成した。
【００４３】
導電性液体２２は、１０ｍｍｏｌ／ｌのＴＥ（ｐＨ＝８．０）を用いた。ＬＥＤ３４には、波長４７０ｎｍの照射光３２を発光する青色ＬＥＤを用いた。分子プローブ１８として３５塩基からなるＤＮＡを用い、固定にはＤＮＡの合成時に３‘にチオール基を修飾し、シランカップリング処理した絶縁体表面に異反応性２価性試薬により固定した。
【００４４】
測定は、５ｍｌのＴＥを入れた状態を先ず測定し、それから測定対象となるＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液（ＤＮＡ ２００ｐｍｏｌ／μｌ）１０μｌを添加し、２回目の測定を行った。
図１５（ａ）及び（ｂ）は、６００μｍΦの検知部１４ａによるＤＮＡ検出を示す。（ａ）に示すように、相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合、Ｉ−Ｖ特性は約１００ｍＶ、正側にシフトした。それに対し、（ｂ）に示すように、非相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合、Ｉ−Ｖ特性はほとんど変化していない。
【００４５】
【実施例４】
この実施例４の半導体アレイセンサは、実施例３と同様の半導体アレイセンサ及び測定方法を適用した。
図１６は、（ａ）に示す８００μｍφ、（ｂ）に示す４００μｍφの検知部１４ａでのＤＮＡハイブリダイゼーションによるシフト量を示す。共に約１００ｍＶであり、シフト量が検知部１４ａの面積に依存しないことを示す結果が得られた。
【００４６】
以上説明したように、検知部１４ａを高濃度不純物半導体層１４ｂ中に２次元的に配置することで、高密度のアレイセンサであって且つ高感度にＤＮＡ等を検知可能なＬＡＰＳ型の半導体アレイセンサを実現することができる。
ＤＮＡ等の高価な分子プローブを用いる場合、その必要量が少ないため、製造コストを低減することができる。しかも、作製プロセスにおいては、ＩＳ−ＦＥＴアレイセンサに比べ、遙かに簡便である。
また、用いる測定装置も従来のＬＡＰＳ型アレイセンサに比べ、高度の位置合わせ精度や光スポットの小径化を必要としないため、部品点数低減等により、より安価に製造可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、基板の少なくとも一方の面に半導体層及び絶縁体層を順次積層し、絶縁体層が導電性液体と接し、半導体層と導電性液体間でバイアス電圧を印可し、絶縁体層上に特定の目的分子と特異的に結合する分子からなる分子プローブを有する検知部を複数個形成し、基板側及び導電性液体側の何れか一方から検知部に光照射し、光照射した検知部のバイアス電圧に依存する光電流を測定し、導電性液体中に存在する特定の目的分子が分子プローブと結合した場合に光電流の変化により、特定の目的分子を検出する半導体アレイセンサであることを前提の構成としており、この構成に、検知部における半導体層の極性がｎ型及びｐ型の何れかであり、検知部の周囲の半導体層の極性が当該検知部の半導体層の極性と同一であって、その周囲の半導体層の不純物濃度が当該検知部の半導体層の不純物濃度よりも高いことを特徴とした。
【００４８】
これによって、導電性液体中の目的分子が、分子プローブと特異的に結合するので、絶縁体層と導電性液体との界面で表面電荷密度が変化する。この際、導電性液体と半導体層との間に電源によって印加されるバイアス電圧が一定に保持された状態であれば、表面電荷密度の変化により検知部の空乏層の厚みが変化する。また、結合が起こった検知部に光源から光を照射すれば、空乏層の厚みの変化に対応して、ループを流れる電流量が結合前と比較して変化する。これによって、光を照射した検知部のアドレスと目的分子導入前と導入後の電流量変化の有無を対比するか、もしくはリファレンスとなる検知部を設け、それらの出力の大小を比較することで、目的の分子を検出することができる。
従って、核酸又は核酸誘導体の分子の検知部を高密度にアレイ化することによって、高感度に核酸又は核酸誘導体の分子検出を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサによる分子測定時の動作を説明するための図である。
【図３】従来の半導体アレイセンサの欠点を説明するための図である。
【図４】従来の半導体アレイセンサにおいて、照射光の照射面積が検知部よりも大きいことを示す図である。
【図５】従来の半導体アレイセンサにおいて、照射光が検知部からずれた場合を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの検知部のサイズと照射光のスポットサイズとの関係を示す第１の図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの検知部のサイズと照射光のスポットサイズとの関係を示す第２の図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサに、誘電体透明基板の１つであるサファイア基板を用いた場合の概略構成図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの製造方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例１に係る半導体アレイセンサにおける飽和光電流値とドープ量（不純物濃度）との関係図である。
【図１１】本発明の実施例２に係る半導体アレイセンサによるＤＮＡの分子の測定方法の概略説明図である。
【図１２】本発明の実施例２に係る半導体アレイセンサにおいて、相補的なＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液を添加する前と後のＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１３】本発明の実施例２に係る半導体アレイセンサにおいて、同一の試料で分子プローブとなるＤＮＡを固定する前と後で相補的なＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液を添加した場合の光電流の変化を示す図である。
【図１４】本発明の実施例３に係る半導体アレイセンサのセンサ部の概略構成図である。
【図１５】本発明の実施例３に係る半導体アレイセンサにおいて、相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合のＩ−Ｖ特性と、非相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合のＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１６】本発明の実施例４に係る半導体アレイセンサにおいて、８００μｍφと４００μｍφとの各々の検知部でのＤＮＡハイブリダイゼーションによるＩ−Ｖ特性を示す図である。
【符号の説明】
１０ 半導体アレイセンサ
１２ 導電性基板
１４ 半導体層
１４ａ 検知部（低濃度不純物半導体層）
１４ｂ 高濃度不純物半導体層
１６ 絶縁体層
１８ 分子プローブ
１９ 目的分子
２０ 容器
２１ Ｏリング
２２ 導電性液体
２４ 参照電極
２６ オーミック電極
２８ 電源
３０ 電流計
３２ 照射光（変調光）
３３ 空乏層
３４ ＬＥＤ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体層上に絶縁体層を積層し、この層上に層表面が露出するように周回する外壁を形成して成る容器を設け、この容器に導電性液体を満たした状態で、半導体層に局所的に光を照射し、この照射により半導体層中に誘発された光励起キャリアによる電気的特性を評価することによって、導電性液体との界面の局所的な物理及び化学的な状態を測定し、これに基づき、遺伝子等の分子検出を行うようにした半導体アレイセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、遺伝子の発現、変異、多型等を検出する手段として、ＤＮＡチップに代表される固相担体に多数のＤＮＡ分子を固定させたマイクロアレイが活発に開発されている。
その検出方法としては、検体である核酸に蛍光、或いはラジオアイソトープ（ＲＩ）、酵素反応させるための酵素等を標識として使用し、又は予め標識を行わない場合には、インタカレーターと呼ばれる核酸に結合する分子に標識を修飾することで、物理的或いは化学的に標識を検出し、間接的に目的とする遺伝子の有無を検出している。
【０００３】
しかしながら、上記のような方法による核酸の検出には、煩雑な操作が必要であり、特に蛍光やＲＩを用いる方式では蛍光色素の褪色や安全性を考慮して迅速な操作も必要である。
このため、核酸等の特定の分子を、より簡便に且つ迅速に検出可能な方式の一つとしてＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ）方式が検討されている。
【０００４】
ＬＡＰＳとは、半導体層上に絶縁体層を積層し、この層上に層表面が露出するように周回する外壁を形成して成る容器を設け、この容器に導電性液体を満たした状態で、半導体層に局所的に光を照射し、この照射により半導体層中に誘発された光励起キャリアによる電気的特性を評価することによって、導電性液体との界面の局所的な物理及び化学的な状態を測定するセンサである（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
その絶縁体層上に、プローブとしてＤＮＡ（ＤＮＡプローブ）を固定すれば導電性液体中にＤＮＡプローブと相補的なＤＮＡ（ターゲットＤＮＡ）が存在した場合、ＤＮＡプローブとターゲットＤＮＡがハイブリダイゼーションし、ＤＮＡの２本鎖が形成される。ＤＮＡは負の極性を持つため、２本鎖の形成により、絶縁体上の表面電荷密度が変化する。この変化を電気信号として検知することで、非標識に目的とするＤＮＡの有無を検出することが可能である（例えば、特許文献２参照）。
また、ＩＳ−ＦＥＴ（Ｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のように配線を作製する等の複雑なプロセスを必要としない、簡便、且つ安価にアレイ化センサが作製可能である。
【０００６】
【特許文献１】
公表特許第ＷＯ８５／０４０１８号公報
【特許文献２】
公表特許第ＷＯ０２／０４９３５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のＬＡＰＳ方式による半導体アレイセンサにおいては、次のような理由によって、高密度のアレイ化が困難であるため、高感度に核酸等の分子検出を行うことができないという問題がある。
ＬＡＰＳは、光を照射した部分の情報のみを取り出せるが、高密度化のためには光を小スポット化する必要がある。しかし、導電性液体を透過させて光を照射した場合、液体による光回折、光吸収の影響は免れない。半導体層側から照射する場合、半導体層は担体としての強度を保持するために１００μｍ以下の薄膜化は難しく、これらのことが光の小スポット化を著しく制限してしまう。
【０００８】
光透過性担体基板上の半導体層の場合、半導体層の膜厚を任意に調整できるが、半導体層の薄膜化によるサイズ効果により抵抗が増加し、この結果、取り出す信号の出力低下や、半導体層のオーミック電極と光照射する位置による信号の依存性が発生する。
また、照射光の小スポット化に対応して検知部を小型化した場合、正確に検知部に光照射させるためには照射光の精密な位置制御が不可欠となるので、その実現が困難となる。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、核酸又は核酸誘導体の分子の検知部を高密度にアレイ化することによって、高感度に核酸又は核酸誘導体の分子検出を行うことができる半導体アレイセンサを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１による半導体アレイセンサは、基板の少なくとも一方の面に半導体層及び絶縁体層を順次積層し、前記絶縁体層が導電性液体と接し、前記半導体層と前記導電性液体間でバイアス電圧を印可し、前記絶縁体層上に特定の目的分子と特異的に結合する分子からなる分子プローブを有する検知部を複数個形成し、前記基板側及び前記導電性液体側の何れか一方から前記検知部に光照射し、光照射した検知部のバイアス電圧に依存する光電流を測定し、前記導電性液体中に存在する特定の目的分子が前記分子プローブと結合した場合に前記光電流の変化により、前記特定の目的分子を検出する半導体アレイセンサであって、前記検知部における半導体層の極性がｎ型及びｐ型の何れかであり、前記検知部の周囲の半導体層の極性が当該検知部の半導体層の極性と同一であって、その周囲の半導体層の不純物濃度が当該検知部の半導体層の不純物濃度よりも高いことを特徴としている。
【００１０】
この構成によれば、導電性液体中の目的分子が、分子プローブと特異的に結合するので、絶縁体層と導電性液体との界面で表面電荷密度が変化する。この際、導電性液体と半導体層との間に電源によって印加されるバイアス電圧が一定に保持された状態であれば、表面電荷密度の変化により検知部の空乏層の厚みが変化する。また、結合が起こった検知部に光源から光を照射すれば、空乏層の厚みの変化に対応して、ループを流れる電流量が結合前と比較して変化する。これによって、光を照射した検知部のアドレスと目的分子導入前と導入後の電流量変化の有無を対比するか、もしくはリファレンスとなる検知部を設け、それらの出力の大小を比較することで、目的の分子を検出することができる。
【００１１】
また、本発明の請求項２による半導体アレイセンサは、請求項１において、前記基板は、この基板に接する前記半導体層と同質の半導体であって、その極性が前記検知部の半導体層の極性と同一であって、その不純物濃度が当該検知部の半導体層の不純物濃度よりも高いことを特徴としている。
仮に基板が低濃度の場合、半導体層を透過した光により無用な励起キャリアが発生するが、本発明の構成であれば、高濃度であるため、それを防止することができる。
【００１２】
また、本発明の請求項３による半導体アレイセンサは、請求項１において、前記基板は、透明な誘電体からなる透明基板であることを特徴としている。
この構成によれば、透明基板の下方から光照射を行うことができるので、導電性液体による光吸収、散乱、回折等の影響を回避することができる。
また、本発明の請求項４による半導体アレイセンサは、請求項１から３の何れか１項において、前記検知部の面積が、前記検知部に光照射したときの照射光の照射面積よりも小さいことを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、検知部の面積よりも照射面積が大きいので、検知部に光を正確に照射させるための位置制御が容易となる。
また、本発明の請求項５による半導体アレイセンサは、請求項１から４の何れか１項において、前記分子プローブを、前記検知部の上方に固定する際に、前記検知部の周囲に余分に固定された分子プローブを不活性な状態にすることを特徴としている。
【００１４】
この構成によれば、検知部以外で無用に対象分子と分子プローブが結合するのを防ぐことができるので、検知部で高感度に検出することができる。
また、本発明の請求項６による半導体アレイセンサは、請求項１から５の何れか１項において、前記分子プローブは、核酸及び核酸誘導体の何れかであることを特徴としている。
この構成によれば、高感度に核酸又は核酸誘導体の分子検出を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの概略構成図である。
この図１に示す半導体アレイセンサ１０は、次のように構成されている。
即ち、平滑な導電性基板１２の上に、各々独立した所定位置に微小スポット形状に低濃度不純物半導体層を形成することによって複数の検知部１４ａを形成し、この検知部１４ａを高濃度不純物半導体層１４ｂで囲んで成る半導体層１４を積層する。
【００１６】
この半導体層１４の上に絶縁体層１６を積層し、この絶縁体層１６上の検知部１４ａ位置に、シランカップリング剤等を介してＤＮＡ，ＲＮＡ，ＰＮＡ等の分子プローブ１８を固定する。更に絶縁体層１６の上の外周に、この層１６の表面が露出するように周回する外壁を形成して成る容器２０をＯリング２１を介して設け、この容器２０に導電性液体２２を満たす。Ｏリング２１は、容器２０と密着させ、液漏れを防ぐ。容器２０自体に弾力性があるか、絶縁体層１６に密着できる場合はなくともよい。
【００１７】
更に、導電性液体２２の中に参照電極２４を挿入すると共に、導電性基板１２の下にオーミック電極２６を固定し、参照電極２４とオーミック電極２６との間に電源２８と電流計３０とを直接に接続し、光電流量を測定するためのループを形成する。そして、導電性液体２２の上方に導電性液体２２を透過して分子プローブ１８に照射光（変調光）３２を照射するためのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）３４を配置して構成されている。
【００１８】
但し、高濃度不純物半導体層１４ｂの不純物濃度は、検知部１４ａを形成する低濃度不純物半導体層以上の濃度とする。
このような構成において、特定の分子（目的分子）を検出する場合、まず、試料溶液を導電性液体２２の中に添加する。この試料溶液中に、分子プローブ１８と特異的に結合する目的分子が存在した場合、目的分子と分子プローブ１８とは結合し、絶縁体層１６と導電性液体２２との界面で表面電荷密度が変化する。
【００１９】
この際、導電性液体２２と半導体層１４との間に電源２８によって印加される逆バイアス電圧が、一定に保持された状態であれば表面電荷密度の変化により、図２に示す検知部１４ａ内の空乏層３３の厚みが変化する。
また、結合が起こった検知部１４ａにＬＥＤ３４から照射光３２を照射すれば、空乏層３３の厚みの変化に対応して、参照電極２４，オーミック電極２６間を流れる光電流量が結合前と比較して変化する。これによって、照射光３２を照射した検知部１４ａのアドレスにおいて、試料溶液導入前と導入後の光電流量変化の有無を対比することで、試料溶液中の特定の分子を検出することができる。
【００２０】
このように半導体アレイセンサ１０においては、導電性液体２２と半導体層１４との間に逆バイアス電圧を印加した場合、空乏層３３は、図２に示すように、低濃度領域（検知部１４ａ）のみに形成される。周囲は低抵抗な高濃度不純物半導体層１４ｂによる高濃度領域であるため、全ての低濃度領域を同電位にすることが可能であり、導電性基板１２を介した半導体層１４へのオーミック電極２６の接続位置による依存性をキャンセルすることができる。
【００２１】
また、ＬＥＤ３４の照射光３２の照射による励起キャリアは、検知部１４ａである低濃度領域で発生する。従って、図２に示すように、照射光３２の単位面積当たりの光量が一定で、照射面積が検知部１４ａの面積よりも大きく且つ検知部１４ａを覆って照射する限り、励起キャリアを一定にすることができる。
ところで、従来技術では、図３に示すように、導電性基板１２上の全体が低濃度な半導体層３６であるための、分子プローブ１８が固定された検知部３８にＬＥＤ３９から照射光４０を照射する場合、検知部３８の面積に等しい照射面積で、かつ正確に位置合わせする必要があった。
【００２２】
また、図４に示すように、照射光４０による照射面積が検知部３８よりも大きい場合、又は図５に示すように、照射光４０が検知部３８からずれた場合、分子プローブ１８が固定されていない半導体層３６では空乏層３３の変化が発生しないため、測定分子結合による変化量が減少する。このため、照射光４０を検知部３８の面積に合わせて絞り込み、かつ検知部３８に正確に位置合わせする必要があった。
【００２３】
本実施の形態では上述したように、このような問題点を解消することができる。
また、本実施の形態においては、製造プロセスにより、検知部１４ａを図６に示すサイズから図７に示すサイズのように、任意に小さくできる。しかも結合による信号の変化量は表面電荷密度の変化に比例するため、検知部１４ａの面積に依らず一定である。
【００２４】
このことから、目的分子を分子プローブ１８に同じ手段で固定した場合、固定化密度を一定と仮定すると、検知部１４ａが図７に示すように小さくなれば、これに比例して、分子プローブ１８に固定化する目的分子の絶対量も小さくなる。従って、分子プローブ１８にハイブリダイゼーションする目的分子の絶対量が少ない場合では、検知部１４ａが小さい方がより高感度に検出することができる。
【００２５】
しかも、検知部１４ａが小さくなるほどに、限定された面積において高密度に検知部１４をアレイ化することが可能となる。これによって、より多種多様な目的分子の測定を行うことができる。言い換えれば、導電性液体２２中に分散可能な物質であれば種々のものを測定することができる。また、半導体アレイセンサ１０の製造単価を低減することができる。
【００２６】
更に、担体となる基板についてはシリコン基板等の導電性基板、又はサファイア等の透明な誘電体からなる透明基板を用いることができる。シリコン基板を用いる場合、不純物濃度が高く、低抵抗な基板が良い。この理由は、低濃度では半導体層１４を透過した光により無用な励起キャリアが発生するためである。また、低抵抗な基板であれば、検知部１４ｂとオーミック電極２６との距離に依存する抵抗を小さくすることができる。
【００２７】
図８に、誘電体からなる透明基板の１つであるサファイア基板４９を用いた場合の半導体アレイセンサ５０の概略構成図を示す。
この図８に示すように、サファイア基板４９を用いる場合は、オーミック電極２６を高濃度不純物半導体層１４ｂの上に固定する必要がある。このような構成の半導体アレイセンサ５０においては、導電性液体２２の上方からではなく、サファイア基板４９の下方からＬＥＤ３４によって光照射を行うことができるので、導電性液体２２による光吸収、散乱、回折等の影響を回避することができる。
【００２８】
次に、半導体アレイセンサ１０の製造方法の各工程を、図９（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。
まず、（ａ）に示す第１の工程において、担体となる基板１２の上に半導体層１４−１をＣＶＤ法等によりエピタキシャル成長させる。この成長時に、不純物を導入し、半導体層１４−１全体を、低濃度領域と同じ不純物濃度になるよう調整する。担体となる基板１２としては、シリコン基板又はサファイア基板等を用いることができる。
【００２９】
ここでは、担体となる基板１２は導電性基板であるとする。半導体層１４−１は、シリコンからなり、好ましくは単結晶シリコンがよい。つまり、欠陥が少なく、結晶性が高い程好ましい。欠陥は、励起キャリアをトラップし、発生する光電流量を減少させるからである。
次に、（ｂ）に示す第２の工程において、半導体層１４−１上にＣＶＤ法等により、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を形成する。これは、酸化雰囲気中で熱酸化し、形成しても良い。次に、酸化シリコン層上にフォトリソグラフィーにより、パターンニングされたレジスト膜（図示せず）を形成する。検知部１４ａに相当する部分はレジスト膜に覆われるようにする。
【００３０】
次に、フッ酸又はＲＩＥ法により、露出している酸化シリコン層をエッチングして取り除く。次に、酸化シリコン層を保護していたレジスト膜を除去する。これによって（ｂ）に示すように、独立した酸化シリコン層が残った状態となる。そして、拡散炉又はイオン注入装置により、高濃度に不純物を導入する。この際、残った各酸化シリコン層の下方には高濃度不純物は導入されない。
次に、（ｃ）に示す第３の工程において、（ｂ）に示す各酸化シリコン層を除去し、熱処理により、高濃度不純物領域の不純物濃度を深さ方向に均一にする。これによって、検知部１４ａと高濃度不純物半導体層１４ｂとが形成される。
【００３１】
次に、（ｄ）に示す第４の工程において、検知部１４ａ及び高濃度不純物半導体層１４ｂから成る半導体層１４の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層を形成し、その上に例えば窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）による絶縁体層１６を形成し、導電性基板１２の下にオーミック電極２６を固定する。酸化シリコン層は絶縁性が高く、酸化雰囲気中の熱処理により、容易に形成できる上、酸化により得られる酸化シリコンと半導体層１４の界面準位は非常に小さい。反面、水溶性の導電性液体２２と直接接した場合、水分により膨潤し、溶液中のイオンの侵入により、イオン伝導性を持つことが考えられる。短時間の使用、もしくは使い捨てであれば酸化シリコン層のみをもって絶縁体層１６としても良い。
【００３２】
より好ましくは、窒化シリコン、酸化アルミ、酸化タンタル等の誘電体薄膜を酸化シリコン層上、もしくは直接、半導体層１４の表面に形成する。これらの誘電体薄膜は、酸化シリコンよりもイオン伝導性は低く、電気化学測定におけるドリフトも小さい。
もしくはＳｅｌｆ Ａｓｓｅｍｂｌｅ Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ（自己組織化単分子膜）（ＳＡＭ）を酸化シリコン層上、もしくは直接半導体層１４の表面に形成することもできる。
【００３３】
オーミック電極２６は、導電性基板を用いる場合、検知面の裏面である導電性基板上に設けることができる。誘電体基板を用いる場合は、半導体層１４上に設ける。
そして、（ｅ）に示す第５の工程において、分子プローブ１８を、検知部１４ａの上方の絶縁体層１６の上に固定する。
ＤＮＡの場合は３‘又は５’の一方にチオール基、アミノ基、カルボキシル基等で修飾し、アミド結合等でその基を用いて検知部１４ａの上方の絶縁体層１６上に固定すれば配向させることができる。
【００３４】
ＤＮＡ等の分子プローブ１８は、正確に検知部１４ａ上に固定化することが望ましい。固定化には、ＤＮＡチップ作製装置（アレイヤー）を用いてもよい。アレイヤーは、従来型のスタンプピン方式によるものや、インクジェットの原理を利用したもの等、なんでもよい。検知部１４ａからはみ出して固定化した分子プローブ１８は検知に関与しないため、不活化することが望ましい。不活化には紫外線を照射してもよいし、光硬化性を有する樹脂等で封止してもよい。
次に、このような実施の形態に係る半導体アレイセンサを、実際に構成した際の実施例について説明する。
【００３５】
【実施例１】
上記のような製造方法で形成された図９（ｅ）に示す構成のセンサ部が、２０ｍｍ角のＳＯＳ基板からなり、シリコン層による半導体層１４の厚みは１μｍである。絶縁体層１６としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を５０ｎｍの厚さで順次積層する。半導体層１４にはイオン注入装置により、ｐ型の場合はボロン、ｎ型の場合はリンを不純物としてドープし、拡散炉によりドライブインし、深さ方向に均一に不純物を拡散させた。
【００３６】
オーミック電極２６は、図８に示すように、導電性液体２２と接さない部分の絶縁体層１６を除去し、アルミを蒸着して形成した。導電性液体２２は、１０ｍｍｏｌ／ｌのＴＥ（トリス−ＥＤＴＡ緩衝液）（ｐＨ＝８．０）を用いた。ＬＥＤ３４には、波長４７０ｎｍの光を照射する青色ＬＥＤを用いた。
このような構成の実施例１の半導体アレイセンサにおいては、図１０に示すように、バイアス電圧を変化させて飽和した光電流値（飽和光電流値）とドープ量（不純物濃度）との関係は、ｐ型及びｎ型とも、１Ｅ１６ｃｍ−３前後で光電流が最大となる。
【００３７】
【実施例２】
センサ部が２０ｍｍ角のＳＯＳ基板からなり、シリコン層による半導体層１４の厚みが１μｍであり、また、絶縁体層１６としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を５０ｎｍの厚さで順次積層する。極性はｎ型で不純物濃度が３Ｅ１５ｃｍ−３である。オーミック電極２６は、導電性液体２２と接さない部分の絶縁体層１６を除去し、アルミを蒸着して形成した。導電性液体２２には、１０ｍｍｏｌ／ｌのＴＥ（ｐＨ＝８．０）を用いた。
【００３８】
ＬＥＤ３４には、波長４７０ｎｍの照射光３２を発光する青色ＬＥＤを用いた。分子プローブ１８として３５塩基からなるＤＮＡを用い、固定にはＤＮＡの合成時に３‘にチオール基を修飾し、シランカップリング処理した絶縁体表面に異反応性２価性試薬により固定した。
このような構成の実施例２の半導体アレイセンサによるＤＮＡの分子の測定方法の概略説明図を、図１１（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００３９】
（ａ）に示すように、測定は５ｍｌのＴＥを入れた状態で先ず測定し、それから（ｂ）に示すように、測定対象となるＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液（ＤＮＡ ２００ｐｍｏｌ／μｌ）１０μｌを添加（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）し、その間、バイアス電圧を２．４５Ｖに固定し、光電流の変化を測定した。
図１２に相補的なＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液を添加（ハイブリダイゼーション）する前（Ｐｒｏｂｅ）と後（Ｐｒｏｂｅ＋Ｔａｒｇｅｔ）のＩ−Ｖ特性を示す。但し、ハイブリダイゼーション前と後の測定で飽和する光電流値が変わるため、その電流値を１．０として規格化してある（図１５、図１６においても同様）。相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合、Ｉ−Ｖ特性は約５０ｍＶ、正側にシフトした。
【００４０】
また、図１３に同一の試料で分子プローブ１８となるＤＮＡを固定する前（ａ）と後（ｂ）で相補的なＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液を添加した場合の光電流の変化を示す。分子プローブ１８が無い（ａ）の場合、光電流は変化しないが、分子プローブ１８がある（ｂ）の場合、光電流が増加し、約１時間で飽和した。
【００４１】
【実施例３】
この実施例３に用いる半導体アレイセンサは、図８に示すものと対応しているものとする。センサ部は２０ｍｍ角のＳＯＳ基板からなり、シリコン層による半導体層１４の厚みは１μｍである。絶縁体層１６としてシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を５０ｎｍの厚さで順次積層する。図１４にセンサ部の概略図を示す。但し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【００４２】
円形の低濃度不純物領域が検知部１４ａであり、極性はｎ型で不純物濃度は３Ｅ１５ｃｍ−３である。検知部１４ａを囲む高濃度不純物領域（高濃度不純物半導体層１４ｂ）も、極性はｎ型で不純物濃度は１Ｅ２０ｃｍ−３である。オーミック電極２６は、導電性液体２２と接さない部分の絶縁体層１６を除去し、アルミを蒸着して形成した。
【００４３】
導電性液体２２は、１０ｍｍｏｌ／ｌのＴＥ（ｐＨ＝８．０）を用いた。ＬＥＤ３４には、波長４７０ｎｍの照射光３２を発光する青色ＬＥＤを用いた。分子プローブ１８として３５塩基からなるＤＮＡを用い、固定にはＤＮＡの合成時に３‘にチオール基を修飾し、シランカップリング処理した絶縁体表面に異反応性２価性試薬により固定した。
【００４４】
測定は、５ｍｌのＴＥを入れた状態を先ず測定し、それから測定対象となるＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液（ＤＮＡ ２００ｐｍｏｌ／μｌ）１０μｌを添加し、２回目の測定を行った。
図１５（ａ）及び（ｂ）は、６００μｍΦの検知部１４ａによるＤＮＡ検出を示す。（ａ）に示すように、相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合、Ｉ−Ｖ特性は約１００ｍＶ、正側にシフトした。それに対し、（ｂ）に示すように、非相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合、Ｉ−Ｖ特性はほとんど変化していない。
【００４５】
【実施例４】
この実施例４の半導体アレイセンサは、実施例３と同様の半導体アレイセンサ及び測定方法を適用した。
図１６は、（ａ）に示す８００μｍφ、（ｂ）に示す４００μｍφの検知部１４ａでのＤＮＡハイブリダイゼーションによるシフト量を示す。共に約１００ｍＶであり、シフト量が検知部１４ａの面積に依存しないことを示す結果が得られた。
【００４６】
以上説明したように、検知部１４ａを高濃度不純物半導体層１４ｂ中に２次元的に配置することで、高密度のアレイセンサであって且つ高感度にＤＮＡ等を検知可能なＬＡＰＳ型の半導体アレイセンサを実現することができる。
ＤＮＡ等の高価な分子プローブを用いる場合、その必要量が少ないため、製造コストを低減することができる。しかも、作製プロセスにおいては、ＩＳ−ＦＥＴアレイセンサに比べ、遙かに簡便である。
また、用いる測定装置も従来のＬＡＰＳ型アレイセンサに比べ、高度の位置合わせ精度や光スポットの小径化を必要としないため、部品点数低減等により、より安価に製造可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、基板の少なくとも一方の面に半導体層及び絶縁体層を順次積層し、絶縁体層が導電性液体と接し、半導体層と導電性液体間でバイアス電圧を印可し、絶縁体層上に特定の目的分子と特異的に結合する分子からなる分子プローブを有する検知部を複数個形成し、基板側及び導電性液体側の何れか一方から検知部に光照射し、光照射した検知部のバイアス電圧に依存する光電流を測定し、導電性液体中に存在する特定の目的分子が分子プローブと結合した場合に光電流の変化により、特定の目的分子を検出する半導体アレイセンサであることを前提の構成としており、この構成に、検知部における半導体層の極性がｎ型及びｐ型の何れかであり、検知部の周囲の半導体層の極性が当該検知部の半導体層の極性と同一であって、その周囲の半導体層の不純物濃度が当該検知部の半導体層の不純物濃度よりも高いことを特徴とした。
【００４８】
これによって、導電性液体中の目的分子が、分子プローブと特異的に結合するので、絶縁体層と導電性液体との界面で表面電荷密度が変化する。この際、導電性液体と半導体層との間に電源によって印加されるバイアス電圧が一定に保持された状態であれば、表面電荷密度の変化により検知部の空乏層の厚みが変化する。また、結合が起こった検知部に光源から光を照射すれば、空乏層の厚みの変化に対応して、ループを流れる電流量が結合前と比較して変化する。これによって、光を照射した検知部のアドレスと目的分子導入前と導入後の電流量変化の有無を対比するか、もしくはリファレンスとなる検知部を設け、それらの出力の大小を比較することで、目的の分子を検出することができる。
従って、核酸又は核酸誘導体の分子の検知部を高密度にアレイ化することによって、高感度に核酸又は核酸誘導体の分子検出を行うことができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサによる分子測定時の動作を説明するための図である。
【図３】従来の半導体アレイセンサの欠点を説明するための図である。
【図４】従来の半導体アレイセンサにおいて、照射光の照射面積が検知部よりも大きいことを示す図である。
【図５】従来の半導体アレイセンサにおいて、照射光が検知部からずれた場合を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの検知部のサイズと照射光のスポットサイズとの関係を示す第１の図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの検知部のサイズと照射光のスポットサイズとの関係を示す第２の図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサに、誘電体透明基板の１つであるサファイア基板を用いた場合の概略構成図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る半導体アレイセンサの製造方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例１に係る半導体アレイセンサにおける飽和光電流値とドープ量（不純物濃度）との関係図である。
【図１１】本発明の実施例２に係る半導体アレイセンサによるＤＮＡの分子の測定方法の概略説明図である。
【図１２】本発明の実施例２に係る半導体アレイセンサにおいて、相補的なＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液を添加する前と後のＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１３】本発明の実施例２に係る半導体アレイセンサにおいて、同一の試料で分子プローブとなるＤＮＡを固定する前と後で相補的なＤＮＡが入ったＴＥ試料溶液を添加した場合の光電流の変化を示す図である。
【図１４】本発明の実施例３に係る半導体アレイセンサのセンサ部の概略構成図である。
【図１５】本発明の実施例３に係る半導体アレイセンサにおいて、相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合のＩ−Ｖ特性と、非相補的なＤＮＡが存在する試料溶液を導入した場合のＩ−Ｖ特性を示す図である。
【図１６】本発明の実施例４に係る半導体アレイセンサにおいて、８００μｍφと４００μｍφとの各々の検知部でのＤＮＡハイブリダイゼーションによるＩ−Ｖ特性を示す図である。
【符号の説明】
１０ 半導体アレイセンサ
１２ 導電性基板
１４ 半導体層
１４ａ 検知部（低濃度不純物半導体層）
１４ｂ 高濃度不純物半導体層
１６ 絶縁体層
１８ 分子プローブ
１９ 目的分子
２０ 容器
２１ Ｏリング
２２ 導電性液体
２４ 参照電極
２６ オーミック電極
２８ 電源
３０ 電流計
３２ 照射光（変調光）
３３ 空乏層
３４ ＬＥＤ
Claims (6)
- 基板の少なくとも一方の面に半導体層及び絶縁体層を順次積層し、前記絶縁体層が導電性液体と接し、前記半導体層と前記導電性液体間でバイアス電圧を印可し、前記絶縁体層上に特定の目的分子と特異的に結合する分子からなる分子プローブを有する検知部を複数個形成し、前記基板側及び前記導電性液体側の何れか一方から前記検知部に光照射し、光照射した検知部のバイアス電圧に依存する光電流を測定し、前記導電性液体中に存在する特定の目的分子が前記分子プローブと結合した場合に前記光電流の変化により、前記特定の目的分子を検出する半導体アレイセンサであって、
前記検知部における半導体層の極性がｎ型及びｐ型の何れかであり、前記検知部の周囲の半導体層の極性が当該検知部の半導体層の極性と同一であって、その周囲の半導体層の不純物濃度が当該検知部の半導体層の不純物濃度よりも高い
ことを特徴とする半導体アレイセンサ。 - 前記基板は、この基板に接する前記半導体層と同質の半導体であって、その極性が前記検知部の半導体層の極性と同一であって、その不純物濃度が当該検知部の半導体層の不純物濃度よりも高い
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体アレイセンサ。 - 前記基板は、透明な誘電体からなる透明基板である
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体アレイセンサ。 - 前記検知部の面積が、前記検知部に光照射したときの照射光の照射面積よりも小さい
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体アレイセンサ。 - 前記分子プローブを、前記検知部の上方に固定する際に、前記検知部の周囲に余分に固定された分子プローブを不活性な状態にする
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体アレイセンサ。 - 前記分子プローブは、核酸及び核酸誘導体の何れかである
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の半導体アレイセンサ。
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