JP2010511886A - Semiconductor sensor device, diagnostic instrument having such a device, and method for manufacturing such a device - Google Patents
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Abstract
半導体本体（12）の表面に形成されたメサ形状の半導体領域（11、11‘）を有し、物質（30）を検出する半導体センサ装置（10）であって、前記被検出物質（30）を含む流体（20）は、前記メサ形状の半導体領域（11）に沿って流れ、前記メサ形状の半導体領域（11）は、長手方向で見たとき、第1の半導体材料を含む第1の半導体サブ領域（1）に続いて、前記第1の半導体材料とは異なる第2の半導体材料を含む第2の半導体サブ領域（2）と、前記第2の半導体材料とは異なる第3の半導体材料を含む第3の半導体サブ領域（3）と、を有する半導体センサ装置に関する。本発明では、前記第1および第3の半導体材料は、光学的にパッシブな材料を有し、前記第2の半導体材料は、光学的に活性な材料を有し、前記被検出物質（30）は、前記第2のサブ領域（2）からの電磁放射線（E）の特性を変化させ、当該半導体センサ装置（10）は、前記特性の変化した前記電磁放射線（E）が検出器（50）に到達するように形成される。本発明によるセンサ装置（10）は、極めて高感度であり、比較的安価で、製造が容易である。放射線（E）は、外部源（40）から生じても良く、あるいは装置（10）内で生じても良い。
A semiconductor sensor device (10) having a mesa-shaped semiconductor region (11, 11 ') formed on a surface of a semiconductor body (12) and detecting a substance (30), the substance to be detected (30) A fluid (20) containing a first fluid containing a first semiconductor material when viewed in a longitudinal direction, the mesa-shaped semiconductor region (11) flowing along the mesa-shaped semiconductor region (11). Following the semiconductor sub-region (1), a second semiconductor sub-region (2) containing a second semiconductor material different from the first semiconductor material, and a third semiconductor different from the second semiconductor material And a third semiconductor sub-region (3) containing a material. In the present invention, the first and third semiconductor materials include an optically passive material, the second semiconductor material includes an optically active material, and the detected substance (30) Changes the characteristics of the electromagnetic radiation (E) from the second sub-region (2), and the semiconductor sensor device (10) detects that the electromagnetic radiation (E) having the changed characteristics is detected by the detector (50) Formed to reach. The sensor device (10) according to the present invention is very sensitive, relatively inexpensive and easy to manufacture. The radiation (E) may originate from an external source (40) or may originate in the device (10).
Description
本発明は、
半導体本体の表面に形成されたメサ形状の半導体領域を有し、物質を検出する半導体センサ装置であって、
前記被検出物質を含む流体は、前記メサ形状の半導体領域に沿って流れ、
前記メサ形状の半導体領域は、長手方向で見たとき、第1の半導体材料を含む第1の半導体サブ領域に続いて、前記第1の半導体材料とは異なる第2の半導体材料を含む第2の半導体サブ領域と、前記第2の半導体材料とは異なる第3の半導体材料を含む第3の半導体サブ領域と、を有する半導体センサ装置に関する。ここで、メサ形状の領域とは、その領域によって、半導体本体の表面に突出部が形成されることを意味する。突出は、長手方向であっても、本体の横方向であっても良い。また、本発明は、そのようなセンサ装置を有する診断機器、およびそのような半導体センサ装置を製造する方法に関する。
The present invention
A semiconductor sensor device having a mesa-shaped semiconductor region formed on the surface of a semiconductor body and detecting a substance,
The fluid containing the substance to be detected flows along the mesa-shaped semiconductor region,
The mesa-shaped semiconductor region, when viewed in the longitudinal direction, follows a first semiconductor sub-region including a first semiconductor material, and then includes a second semiconductor material different from the first semiconductor material. And a third semiconductor subregion including a third semiconductor material different from the second semiconductor material. Here, the mesa-shaped region means that a protruding portion is formed on the surface of the semiconductor body by the region. The protrusion may be in the longitudinal direction or in the lateral direction of the main body. The invention also relates to a diagnostic instrument having such a sensor device and a method for manufacturing such a semiconductor sensor device.
そのような装置は、化学的および／または生物学的物質の検出に極めて適している。後者の場合、これは、例えば、抗原／抗体の結合、生物分子、他の高感度の再現性を有する物質の検出に使用される。従って、これは、タンパク質および遺伝子の解析、疾病診断等に、有意に使用することができる。メサ形状の半導体領域は、ナノワイヤを有しても良い。ここで、ナノワイヤにより、本体は、少なくとも一つの横の寸法が1nmから100nmの間となるようにされ、特に、10nmから50nmの間の寸法を有するようにされる。ナノワイヤは、前記領域内にある、2つの横の寸法を有することが好ましい。その長手方向の寸法は、例えば、100から1000nmの間である。そのような装置では、揮発性のまたは液体中に溶解する化学物質のような分子の検出が可能であり、これは、例えば、ナノワイヤに電荷を運ぶ物質を導入し、これによりナノワイヤの導電性を変化させることにより行われる。 Such a device is very suitable for the detection of chemical and / or biological substances. In the latter case, this is used, for example, to detect antigen / antibody binding, biomolecules, and other highly reproducible substances. Therefore, it can be used significantly for protein and gene analysis, disease diagnosis and the like. The mesa-shaped semiconductor region may include nanowires. Here, the nanowire causes the body to have at least one lateral dimension between 1 nm and 100 nm, in particular with a dimension between 10 nm and 50 nm. The nanowire preferably has two lateral dimensions that lie within the region. Its longitudinal dimension is, for example, between 100 and 1000 nm. Such devices can detect molecules such as chemicals that are volatile or dissolved in a liquid, which introduces, for example, a substance that carries charge into the nanowire, thereby making the nanowire conductive. This is done by changing.
前述のような装置は、2005年の4月19日に公開された、米国特許第6,882,051号で知られている。この文献には、化学センサに使用される、ヘテロ接合ナノワイヤが示されている（第35コラム、5行目参照）。ヘテロ接合ナノワイヤの一例では、後者は、シリコン（Si）とゲルマニウム（Ge）の交互のサブ領域を有する（図3、および対応する記載部分参照）。ヘテロ接合ナノワイヤの他の例では、後者は、ガリウムヒ素（GaAs）と、ガリウムアンチモン（GaSb）の交互層を有する（図17、および対応する記載部分参照）。 Such a device is known from US Pat. No. 6,882,051, published 19 April 2005. This document shows heterojunction nanowires used in chemical sensors (see column 35, line 5). In one example of a heterojunction nanowire, the latter has alternating subregions of silicon (Si) and germanium (Ge) (see FIG. 3 and the corresponding description). In another example of a heterojunction nanowire, the latter has alternating layers of gallium arsenide (GaAs) and gallium antimony (GaSb) (see FIG. 17 and the corresponding description).
そのような装置の問題は、ある用途では、その感度があまり高くないことである。特に、医療分野では、特に生物分子のような生物化合物の検出は、そのような化合物又は分子が極めて低濃度な中で行われることが望まれている。できる限り、予防法として機能させるため、検出は、例えば、感染症のような病気の検出のため、極めて早期の段階でなされ得ることが望ましい。このためには、極めて高い感度のセンサ装置が必要となる。 The problem with such a device is that in certain applications its sensitivity is not very high. In particular, in the medical field, detection of a biological compound such as a biological molecule is desired to be performed in a very low concentration of such a compound or molecule. In order to function as a prophylaxis as much as possible, it is desirable that detection can be done at a very early stage, for example for the detection of diseases such as infections. For this purpose, a sensor device with extremely high sensitivity is required.
従って、本発明の目的は、前述のような問題を回避し、医療分野において、適正に使用され、被検出物質に対して極めて高い感度を示す半導体センサ装置を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor sensor device that avoids the above-described problems, is used properly in the medical field, and exhibits extremely high sensitivity to a substance to be detected.
このため、冒頭で示したようなタイプの半導体センサ装置は、
前記第1および第3の半導体材料は、光学的にパッシブな材料を有し、前記第2の半導体材料は、光学的に活性な材料を有し、
前記被検出物質は、前記第2のサブ領域からの電磁放射線の特性を変化させ、
当該半導体センサ装置は、前記特性の変化した前記電磁放射線が検出器に到達するように形成されることを特徴とする。
For this reason, the semiconductor sensor device of the type shown at the beginning is
The first and third semiconductor materials have an optically passive material, the second semiconductor material has an optically active material,
The substance to be detected changes the characteristics of electromagnetic radiation from the second sub-region,
The semiconductor sensor device is formed such that the electromagnetic radiation having the changed characteristics reaches a detector.
本発明は、以下の認識に基づくものである。まず、本発明は、IV族元素のような、光学的に不活性な半導体材料を有する、第1および第3の領域の表面、ならびにIII-V族材料のような、光学的に活性な半導体材料を有する第2の表面サブ領域は、異なる表面化学特性を有するという認識に基づいている。後者は、可能な表面再構成を含み、および／または例えばシリコン表面に自然酸化物として存在する、酸素原子の関与を含む。そのような異なる表面化学特性は、本発明によるセンサ装置の感度の上昇に、特に適している。この方法では、被検出物質は、IV族元素のサブ領域の外側自由表面に比べて、III-V族サブ領域の自由外側表面に、より容易に固着される。この方法では、センサの感度を高めることができる。後者の効果は、サブ領域の自然外側表面自身によって得られるが、前記表面は、感度を高めるため、前記異なる表面化学特性を用いて、別個に処理されても良い。従って、IV族元素サブ領域の表面は、その固着能力が低下するように処理され、および／またはIII-V族化合物サブ領域の表面は、その固着能力が高まるように処理される。 The present invention is based on the following recognition. First, the present invention provides an optically active semiconductor, such as a surface of first and third regions, and a group III-V material having an optically inactive semiconductor material, such as a group IV element. The second surface sub-region with material is based on the recognition that it has different surface chemical properties. The latter includes possible surface reconstructions and / or involves oxygen atoms, eg present as native oxides on the silicon surface. Such different surface chemical properties are particularly suitable for increasing the sensitivity of the sensor device according to the invention. In this method, the substance to be detected is more easily fixed to the free outer surface of the group III-V subregion than the outer free surface of the group IV element subregion. In this method, the sensitivity of the sensor can be increased. The latter effect is obtained by the natural outer surface of the sub-region itself, but the surface may be treated separately using the different surface chemistries to increase sensitivity. Accordingly, the surface of the group IV element sub-region is treated so as to reduce its fixing ability, and / or the surface of the group III-V compound sub-region is treated so as to increase its fixing ability.
第2に、本発明は、III-V族材料のような、光学的に活性な半導体材料を有する、第2のサブ領域の使用により、被検出物質の光学的検出が簡単な方法で行えるようになるという認識に基づいている。これは、前記物質が前記第2のサブ領域の表面に吸着された場合、前記光学的に活性な第2のサブ領域からの電磁放射線の特性は、変化するためである。前記特性は、特に、前記電磁放射線の強度、または波長であっても良いが、物質の検出用に、偏向のような他の特性の変化を用いることも可能である。前記第2のサブ領域からの電磁放射線は、いくつかの方法で発生させることができる。メサ形状の半導体領域が、第2のサブ領域内、または第2のサブ領域の近傍に、pn接合を有し、その端部が電気的接続領域に接続されている場合、前記放射線は、前記電気的接続領域の間に電流を提供することにより、レーザまたはLED（発光ダイオード）の装置内で生じても良い。 Second, the present invention allows the optical detection of the detected substance in a simple manner by using the second sub-region having an optically active semiconductor material, such as a III-V material. Is based on the recognition that This is because when the substance is adsorbed on the surface of the second subregion, the characteristics of the electromagnetic radiation from the optically active second subregion changes. The characteristic may in particular be the intensity or wavelength of the electromagnetic radiation, but other characteristic changes such as deflection can also be used for the detection of substances. The electromagnetic radiation from the second sub-region can be generated in several ways. When the mesa-shaped semiconductor region has a pn junction in the second subregion or in the vicinity of the second subregion, and the end thereof is connected to the electrical connection region, the radiation is It may occur in laser or LED (light emitting diode) devices by providing a current between the electrical connection areas.
本発明では、前記センサ装置は、被検出物質により特性が変化した、そのような放射線が、検出器に到達し得るように形成される。これは、例えば、メサ形状の半導体領域の近傍で、センサ装置に検出器を統合することによって行われる。そのような検出器は、例えば、放射線強度を測定する光ダイオードとして機能する、pnダイオード、またはCCD（電荷結合装置）画像センサであっても良い。 In the present invention, the sensor device is formed so that such radiation whose characteristics are changed by the substance to be detected can reach the detector. This is done, for example, by integrating a detector into the sensor device in the vicinity of the mesa-shaped semiconductor region. Such a detector may be, for example, a pn diode or a CCD (Charge Coupled Device) image sensor that functions as a photodiode that measures radiation intensity.
本発明による半導体センサを用いた、別の魅力的な方法は、例えばレーザまたはLEDのような、第2のサブ領域に向かって放射線を放射する、外部放射線源を使用するものである。特に、そのような外部放射線源の場合、センサ装置は、前記放射線が第2のサブ領域に到達するように形成される必要がある。これは、メサ形状の半導体領域が、放射線源が配置された側で、自由に受け入れられる（例えば開放されている）場合に、実現可能である。半導体センサ装置が密閉空間を形成し、その中に、メサ形状の半導体領域が閉じ込められる場合、これは、放射線透過物質により、放射線源が配置された側で、センサ装置を閉鎖することによって行われる。後者の場合、電磁放射線の検出器は、放射線の特性が変化した後、センサ装置の外側に配置され、その側では、後者は、開放され、またはその側には、透明基板が提供される。 Another attractive method using a semiconductor sensor according to the present invention is to use an external radiation source that emits radiation towards a second sub-region, such as a laser or LED. In particular, in the case of such an external radiation source, the sensor device needs to be formed so that the radiation reaches the second sub-region. This is feasible if the mesa-shaped semiconductor region is freely accepted (eg open) on the side where the radiation source is located. If the semiconductor sensor device forms an enclosed space in which a mesa-shaped semiconductor region is confined, this is done by closing the sensor device on the side on which the radiation source is located by means of a radiation transmissive material. . In the latter case, the detector of electromagnetic radiation is arranged outside the sensor device after the radiation properties have changed, on the side of which the latter is open or on that side is provided with a transparent substrate.
好適実施例では、第2のサブ領域は、量子ドットを形成する。他の2つのパッシブなサブ領域の間に、第2のサブ領域の光学的な厚さを限定することにより、第2のサブ領域の放射／吸収の波長を、調整することができる。また、この方法では、センサの感度が上昇する。また、メサ形状の半導体領域の横方向の寸法を、サブ100nmの領域に選定することにより、最適な特性の量子ドットが形成される。 In a preferred embodiment, the second subregion forms quantum dots. By limiting the optical thickness of the second sub-region between the other two passive sub-regions, the radiation / absorption wavelength of the second sub-region can be tuned. In addition, this method increases the sensitivity of the sensor. In addition, by selecting the lateral dimension of the mesa-shaped semiconductor region as a sub 100 nm region, quantum dots having optimum characteristics can be formed.
別の実施例では、第1および第3のサブ領域は、IV族元素、好ましくはシリコンまたはゲルマニウム、またはこれらの元素の混合結晶を有し、第2のサブ領域は、III-V族化合物を有する。この方法では、製造技術は、今日の最新のシリコン技術と最も良好な互換性を示す一方、第2のサブ領域の光学特性は、物質の検出に、最も容易に使用されるようになる。これは、多くのIII-V族化合物（およびII-VI化合物）は、例えば直接バンドギャップ構造のような、所望の特性を有するからである。 In another embodiment, the first and third subregions have a group IV element, preferably silicon or germanium, or a mixed crystal of these elements, and the second subregion comprises a group III-V compound. Have. In this way, the manufacturing technology is best compatible with today's latest silicon technology, while the optical properties of the second sub-region are most easily used for substance detection. This is because many III-V compounds (and II-VI compounds) have desirable properties, such as a direct band gap structure.
III-V族化合物は、スペクトルの可視領域に、実効バンドギャップを有することが好ましい。第2のサブ領域の量子ドットの使用により生じるバンドギャップの上昇を考慮すると、第2のサブ領域に適した材料は、可視スペクトルのIR側の丁度外側に、バンドギャップを有する材料である。好適材料の一例は、GaP、GaAs、またはInPであり、より好適な材料は、InAsのような、より低い（バルク）バンドギャップを有する材料、およびInGaAsまたはInAsPのような混合結晶である。混合結晶は、パッシブ領域がシリコンの場合、発生する歪みが最小になるように、半導体領域の構造を構成することができるという、追加の利点を提供する。 The III-V compound preferably has an effective band gap in the visible region of the spectrum. Considering the increase in band gap caused by the use of quantum dots in the second sub-region, a material suitable for the second sub-region is a material having a band gap just outside the IR side of the visible spectrum. One example of a suitable material is GaP, GaAs, or InP, and a more preferred material is a material with a lower (bulk) band gap, such as InAs, and a mixed crystal, such as InGaAs or InAsP. Mixed crystals provide the additional advantage that the structure of the semiconductor region can be configured so that the strain generated is minimized when the passive region is silicon.
本発明による半導体センサ装置の別の好適実施例では、当該装置は、メサ形状の半導体領域を有し、
該メサ形状の半導体領域は、光学的に不活性な他のサブ領域同士の間に、前記第2のサブ領域とは異なる光学特性を有する、別の光学的に活性なサブ領域を有し、
当該センサ装置により、2つの異なる物質が検出される。例えば、各ドットが異なるバンドギャップエネルギーを有する、ダブルドット装置では、多重検出が可能となる。ある変更例では、ある単一のメサ形状の半導体領域に、2つの異なる量子ドットが存在する。しかしながら、異なるメサ形状半導体領域に、異なる量子ドットを形成することは、別の魅力的な変更例を構成する。
In another preferred embodiment of the semiconductor sensor device according to the invention, the device has a mesa-shaped semiconductor region,
The mesa-shaped semiconductor region has another optically active subregion having optical characteristics different from those of the second subregion between other optically inactive subregions,
Two different substances are detected by the sensor device. For example, multiple detection is possible with a double-dot device in which each dot has a different band gap energy. In one variation, there are two different quantum dots in a single mesa-shaped semiconductor region. However, forming different quantum dots in different mesa shaped semiconductor regions constitutes another attractive modification.
別の実施例では、前記メサ形状の半導体領域は、第1の端部で、第1の導電性接続領域に接続され、第2の端部で、第2の導電性接続領域に接続される。メサ形状の半導体領域に存在するpn接合との組み合わせでは、センサ装置内に、内部放射源を設けることが可能となる。放射線の光学特性、例えばそのような放射線の波長または強度は、物質により変化し、その物質が第2のサブ領域の自由表面に吸着された後、変化する。 In another embodiment, the mesa-shaped semiconductor region is connected to the first conductive connection region at the first end and is connected to the second conductive connection region at the second end. . In combination with a pn junction existing in a mesa-shaped semiconductor region, an internal radiation source can be provided in the sensor device. The optical properties of the radiation, such as the wavelength or intensity of such radiation, vary with the material and change after the material is adsorbed on the free surface of the second sub-region.
第1および第3のサブ領域が、周期律表のIV族元素、例えばシリコンを有する場合、後者は、部分的にまたは完全に酸化され、SiO2バリアが形成されることが有意である。この方法では、例えば被検出物質の吸着により生じる、第2のサブ領域からの電荷のリークは、回避される。 If the first and third sub-regions have group IV elements of the periodic table, for example silicon, it is significant that the latter is partially or fully oxidized to form a SiO 2 barrier. In this method, for example, charge leakage from the second sub-region caused by adsorption of the detection target substance is avoided.
さらに別の実施例では、第2のサブ領域の自由外側表面は、被検出物質が前記自由外側表面に固着される可能性を高めるように官能化される。この方法では、センサの感度が向上する。また、そのような感度の上昇は、第1および第3のサブ領域の自由外側表面を官能化し、被検出物質が前記自由外側表面に固着される可能性を抑制することによっても、得ることができる。 In yet another embodiment, the free outer surface of the second sub-region is functionalized to increase the likelihood that the substance to be detected will be anchored to the free outer surface. This method improves the sensitivity of the sensor. Such an increase in sensitivity can also be obtained by functionalizing the free outer surfaces of the first and third sub-regions and suppressing the possibility that the substance to be detected adheres to the free outer surface. it can.
メサ形状の半導体領域は、ナノワイヤを有することが好ましく、装置は、複数の相互に平行なナノワイヤを有することが好ましい。この方法では、極めて高い感度および／または多重化による使用が可能となる。それと同時に、例えばVLS（気相液体固体）エピタキシー技術を用いることにより、製造方法が比較的簡単になる。後者を使用する場合、複数のナノワイヤを、容易に得ることができるが、これらは、半導体本体の表面に、該表面に対して長手方向が垂直になるように設置される。 The mesa-shaped semiconductor region preferably comprises nanowires and the device preferably comprises a plurality of mutually parallel nanowires. This method allows very high sensitivity and / or use with multiplexing. At the same time, for example, by using the VLS (gas phase liquid solid) epitaxy technique, the manufacturing method becomes relatively simple. When the latter is used, a plurality of nanowires can be easily obtained, but these are placed on the surface of the semiconductor body so that the longitudinal direction is perpendicular to the surface.
本発明による半導体装置は、抗体に結合するタンパク質のような、生物分子の検出に適することが好ましい。問題となるタンパク質に対して特異的な抗体は、被検出物質を含む流体が第2のサブ領域に沿って通過する前に、第2のサブ領域の自由表面に付着する。 The semiconductor device according to the invention is preferably suitable for the detection of biomolecules such as proteins that bind to antibodies. The antibody specific for the protein of interest attaches to the free surface of the second subregion before the fluid containing the substance to be detected passes along the second subregion.
また、本発明は、本発明による半導体センサ装置を有する診断機器を有する。そのような機器は、さらに、被検出物質の検出に使用される電磁放射線源、および検出器を有しても良く、この検出器は、電磁放射線の特性の一つが被検出物質によって変化した後、その電磁放射線を検出する。そのような放射線源および検出器は、固体化合物であり、機器は、比較的小型で安価なものとすることができる。半導体部分は、機器と挿入接続されても良く、これは、例えば元の半導体センサ装置が不調になった場合、または異なる物質を検出する必要がある場合などに、新たなまたは他の半導体センサ装置と、容易に置換することができる。 Moreover, this invention has a diagnostic instrument which has the semiconductor sensor apparatus by this invention. Such an apparatus may further comprise an electromagnetic radiation source used for detection of the detected substance, and a detector, after which one of the characteristics of the electromagnetic radiation is changed by the detected substance. , Detecting its electromagnetic radiation. Such radiation sources and detectors are solid compounds, and the equipment can be relatively small and inexpensive. The semiconductor part may be inserted and connected to the device, which means that a new or other semiconductor sensor device, for example, when the original semiconductor sensor device fails or when a different substance needs to be detected And can be easily replaced.
本発明では、
半導体本体の表面に形成されたメサ形状の半導体領域を有し、物質を検出する半導体センサ装置を製造する方法であって、
被検出物質を含む流体は、前記メサ形状の半導体領域に沿って流れ、
前記メサ形状の半導体領域は、長手方向で見たとき、第1の半導体材料を含む第1の半導体サブ領域に続いて、前記第1の半導体材料とは異なる第2の半導体材料を含む第2の半導体サブ領域を有するように形成される、方法が提供され、
この方法は、
前記第1および第3の半導体材料は、光学的にパッシブな材料で構成され、
前記第2の半導体材料は、光学的に活性な材料で構成され、
前記被検出物質は、前記第2のサブ領域からの電磁放射線の特性を変化させ、
前記半導体センサ装置は、前記特性の変化した前記電磁放射線が検出器に到達するように形成されることを特徴とする。
In the present invention,
A method of manufacturing a semiconductor sensor device having a mesa-shaped semiconductor region formed on a surface of a semiconductor body and detecting a substance,
The fluid containing the substance to be detected flows along the mesa-shaped semiconductor region,
The mesa-shaped semiconductor region, when viewed in the longitudinal direction, follows a first semiconductor sub-region including a first semiconductor material, and then includes a second semiconductor material different from the first semiconductor material. A method is provided that is formed to have a plurality of semiconductor subregions,
This method
The first and third semiconductor materials are composed of optically passive materials,
The second semiconductor material is composed of an optically active material;
The substance to be detected changes the characteristics of electromagnetic radiation from the second sub-region,
The semiconductor sensor device is formed such that the electromagnetic radiation having the changed characteristics reaches a detector.
本発明のこれらのおよび他の態様は、添付図面とともに、以降に示す実施例を参照することにより、明らかとなろう。 These and other aspects of the invention will be apparent upon reference to the following examples, taken in conjunction with the accompanying drawings.
図面は、概略的なものであり、スケールは、示されていない。明確化のため、厚さ方向は、特に誇張して示されている。全般に、対応する部品には、同様の参照符号が付され、各図において、同様のハッチングが付されている。 The drawings are schematic and the scale is not shown. For clarity, the thickness direction is particularly exaggerated. In general, the corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the same hatching is given in each figure.
図1には、本発明による半導体センサ装置の第1の実施例の厚さ方向に垂直な断面図を示す。装置10は、この例では、シリコン基板15を有し、この基板には、二酸化珪素層16が設置される。その上には、ナノワイヤ11が設置され、このナノワイヤの全長方向は、半導体本体12の表面と平行になるように配置される。ナノワイヤ11は、組成の異なる3つの区画1、2、3を有する。第1の区画1は、低ドープp型シリコンを有し、第2の区画2は、GaAsを含む量子ドット領域2を有し、第3の区画3は、p型導電性のシリコンを有する。これらの区画2、3には、（半）導体領域13、14が設けられ、これらの領域は、それぞれ、高p型ドープおよび高n型ドープの多結晶シリコンで構成され、ナノワイヤ11内に形成された放射線放射ダイオードの電気的接続領域を構成する。ナノワイヤ11に沿って血液サンプル20中を流れ、ある疾病の指標となる、タンパク質30に結合された抗体80がGaAs領域1に固着された後、放射線−放射ダイオードのチャネル領域で、電荷が発生する。前記電荷は、特に、ダイオードの中央区画2において、光学特性に大きな変化をもたらし、これは、検出器50で検出される。放射線−放射サブ領域2からの前記放射線Eの特性は、例えば、放射波長または強度である。両者は、検出器50からの異なる／変化する応答によって検知される。後者は、例えば、（シリコン）光ダイオードまたはCCD画像センサであっても良い。この例では、相当する放射線Eは、ナノワイヤ11を流れる電流により誘起される放射によって得られる。
FIG. 1 shows a cross-sectional view perpendicular to the thickness direction of a first embodiment of a semiconductor sensor device according to the present invention. The
しかしながら、放射線R用の外部源40を使用することにより、魅力的な代替例が構成され、この場合、放射線Rは、サブ領域2の表面に向かって誘導される。そのような外部源40は、LED（発光ダイオード）、またはLASER（励起誘導放射による光増幅）のような放射線−放射源であっても良い。光学的に活性なサブ領域2により吸収されると、サブ領域2の表面に存在する被検出物質30の存在により、強度または波長のような特性が変化する。
However, using an
この例では、装置10は、VLS（気相液体固体）エピタキシーによって得られたナノワイヤ11を、所望の基板の表面に配置することにより製造されても良い。その後、ナノワイヤ11の一部は、マスクされ、成膜またはパターン処理により、多結晶領域13、14が形成される。その後、ナノワイヤ11上の使用マスクは、再度除去される。そのようなセンサ装置を製造する別の方法は、（選択的）エピタキシー処理プロセスを使用して、各種サブ領域を形成した後、光リソグラフィー法およびエッチング法により、メサ／ナノワイヤを形成することである。
In this example, the
図2には、本発明による半導体センサ装置の第2の実施例の斜視図を示す。この例では、ナノワイヤ11は、前述の例と同様であるが、これは、いかなるドーピングも含まず、すなわち、意図的にドープされた領域を有さない。また、第2のナノワイヤ11’は、その第2のサブ領域2’に、異なる光学的活性材料、例えばInAsを有する。この方法では、装置10は、2つの異なる物質30に対して、感度を示す。この例では、石英またはガラス基板15を有する、基板15の表面に、両方のタイプの複数のナノワイヤ11、11’が存在する。ナノワイヤ11、11’は、光学的にパッシブで透明な接着材により、基板15の表面に固着される。基板15の下側には、検出器50があり、この例では、この検出器は、CCD画像センサを有する。基板15の上部には、放射線−放射源40があり、ナノワイヤ11、11’のサブ領域2、2’に向かって誘導される放射線が提供される。ナノワイヤ11、11’は、前の例に示したように、同時に形成されても良い。
FIG. 2 shows a perspective view of a second embodiment of the semiconductor sensor device according to the present invention. In this example, the
この例における装置10の3つの部材15、40、50は、図示されていないハウジングに取り付けられる。基板15は、前記ハウジングに、脱着可能に取り付けられ、不調の場合、または他の物質の検出のため、別のセンサ装置が望ましい場合に、置換が可能となる。
The three
図3には、本発明による半導体センサ装置の第3の実施例の斜視図を示す。この例のセンサ装置10は、複数のナノワイヤ11、11’を有し、これらのナノワイヤは、第1の例で使用した基板のような、SOI基板上に、前述のVLSエピタキシー技術により成長する。異なるナノワイヤ11、11’を得るため、2つの異なる成長サイクルが使用され、ナノワイヤ11の成長の間、ナノワイヤ11’のスポットは、マスクされ、ナノワイヤ11’の成長の間、ナノワイヤ11がマスクされる。成長が完了した後、基板転写技術を用いて、BOX層の下側のシリコン部分が除去され、石英またはガラスのような透明基板を有する基板25が得られる。BOX層の上部の薄いシリコン層は、選択的に除去され、あるいは極めて薄いため、ナノワイヤ11、11’の第2のサブ領域2、2’からの大部分の放射線Eを透過する。この方法においても、検出器50は、半導体センサ本体12の上部に配置され、放射線−放射源40は、後者の上に配置される。
FIG. 3 shows a perspective view of a third embodiment of the semiconductor sensor device according to the present invention. The
図4には、本発明による半導体センサ装置の第4の実施例の斜視図を示す。この例のセンサ装置10は、第3の例と同様である。異なる点は、以下の通りである：ナノワイヤ11、11’は、高ドープされたシリコン基板15上に成長する。シリコン基板15は、ナノワイヤ11、11’を接触させる電気的接続領域13を形成し、これらのナノワイヤには、第1の例のように、放射線−放射pn接合が提供される。複数のナノワイヤ11、11’の自由端は、別の基板17により、他端で取り付けられ、この別の基板は、インジウムスズ酸化物のような透明導電層により被覆された、ガラスまたは石英を有する。この方法では、基板17は、ナノワイヤ11、11’内に形成されたpnダイオード用の、別の電気的接続領域14を形成する。この場合も、透明基板17には、センサ装置10の側に、検出器が設置される。
FIG. 4 is a perspective view of a fourth embodiment of the semiconductor sensor device according to the present invention. The
全ての例において、本発明によるセンサ装置の感度は、第2のサブ領域2の表面改質により、向上することに留意する必要がある。これにより、第2のサブ領域2の表面での、被検出物質30の固着の可能性が高まるからである。同様に、本発明によるセンサ装置の感度は、第1および第3のサブ領域1、3の表面改質により、向上する。これにより、前記サブ領域1、3の表面での、被検出物質30の固着可能性が抑制されるからである。また、両方の表面処理を組み合わせることにより、感度を高めることも可能である。
It should be noted that in all examples, the sensitivity of the sensor device according to the invention is improved by surface modification of the
本発明が、示された例に限られるものではないことは、明らかである。本発明の範囲には、多くの変更および修正が含まれることは、当業者には明らかである。 Obviously, the invention is not limited to the examples shown. It will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention includes many variations and modifications.
例えば、抗体の代わりに、ssDNA（単一鎖デオキシリボ核酸）分子を、適当な化合物のモノレイヤが設置された第1のサブ領域の表面に付着させることも有意であり、これにより、選択吸着性が向上することに留意する必要がある。被検出用の特定の相補的DNA鎖は、前記ssDNAに選択的に結合される。タンパク質の抗体への結合の場合のように、前記相補的DNAのssDNAへの結合の結果、センサ装置の表面近傍に、電荷が再分布され、その後、これが高い感度で検出される。 For example, instead of antibodies, it is also significant to attach ssDNA (single-stranded deoxyribonucleic acid) molecules to the surface of the first sub-region on which a monolayer of the appropriate compound is placed, which allows selective adsorption. It should be noted that it improves. A specific complementary DNA strand to be detected is selectively bound to the ssDNA. As in the case of protein binding to antibody, as a result of binding of the complementary DNA to ssDNA, charge is redistributed near the surface of the sensor device, which is then detected with high sensitivity.
さらに、個々の製造ステップに関して、各種変更が可能であることに留意する必要がある。例えば、上記例で示したものの代わりに、他の成膜技術を選択しても良い。 Furthermore, it should be noted that various changes can be made with respect to individual manufacturing steps. For example, instead of the one shown in the above example, another film forming technique may be selected.
また、II-VI族の半導体材料のような、他の光学的に活性な材料を使用することも可能であり、例えばZnS、ZnSe、またはZnTeを使用しても良い。さらに、光学的に活性な材料の実効バンドギャップは、スペクトルのUV（紫外）またはIR（赤外）部分にあっても良いことに留意する必要がある。 It is also possible to use other optically active materials such as II-VI group semiconductor materials, for example ZnS, ZnSe or ZnTe. Furthermore, it should be noted that the effective band gap of an optically active material may be in the UV (ultraviolet) or IR (infrared) portion of the spectrum.
Claims (15)
前記被検出物質を含む流体は、前記メサ形状の半導体領域に沿って流れ、
前記メサ形状の半導体領域は、長手方向で見たとき、第1の半導体材料を含む第1の半導体サブ領域に続いて、前記第1の半導体材料とは異なる第2の半導体材料を含む第2の半導体サブ領域と、前記第2の半導体材料とは異なる第3の半導体材料を含む第3の半導体サブ領域と、を有し、
前記第1および第3の半導体材料は、光学的にパッシブな材料を有し、前記第2の半導体材料は、光学的に活性な材料を有し、
前記被検出物質は、前記第2のサブ領域からの電磁放射線の特性を変化させ、
当該半導体センサ装置は、前記特性の変化した前記電磁放射線が検出器に到達するように形成されることを特徴とする半導体センサ装置。 A semiconductor sensor device having a mesa-shaped semiconductor region formed on the surface of a semiconductor body and detecting a substance,
The fluid containing the substance to be detected flows along the mesa-shaped semiconductor region,
The mesa-shaped semiconductor region, when viewed in the longitudinal direction, follows a first semiconductor sub-region including a first semiconductor material, and then includes a second semiconductor material different from the first semiconductor material. A semiconductor sub-region, and a third semiconductor sub-region containing a third semiconductor material different from the second semiconductor material,
The first and third semiconductor materials have an optically passive material, the second semiconductor material has an optically active material,
The substance to be detected changes the characteristics of electromagnetic radiation from the second sub-region,
The semiconductor sensor device is formed so that the electromagnetic radiation having the changed characteristics reaches a detector.
前記第2のサブ領域は、III-V族化合物を有することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体センサ装置。 The first and third sub-regions have a group IV element of the periodic table, preferably silicon, germanium, or a mixed crystal of these elements,
3. The semiconductor sensor device according to claim 1, wherein the second sub-region includes a III-V group compound.
該メサ形状の半導体領域は、光学的に不活性な他のサブ領域同士の間に、前記第2のサブ領域とは異なる光学特性を有する、別の光学的に活性なサブ領域を有し、
当該センサ装置により、2つの異なる物質が検出されることを特徴とする請求項4に記載の半導体センサ装置。 The sensor device has a mesa-shaped semiconductor region,
The mesa-shaped semiconductor region has another optically active subregion having optical characteristics different from those of the second subregion between other optically inactive subregions,
5. The semiconductor sensor device according to claim 4, wherein two different substances are detected by the sensor device.
前記メサ形状の半導体領域の第1の端部は、第1の導電性接続領域に接続され、
前記メサ形状の半導体領域の第2の端部は、第2の導電性接続領域に接続されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の半導体センサ装置。 The mesa-shaped semiconductor region has a pn junction in the vicinity of the second sub-region,
The first end of the mesa-shaped semiconductor region is connected to the first conductive connection region,
6. The semiconductor sensor device according to claim 1, wherein a second end portion of the mesa-shaped semiconductor region is connected to a second conductive connection region.
被検出物質を含む流体は、前記メサ形状の半導体領域に沿って流れ、
前記メサ形状の半導体領域は、長手方向で見たとき、第1の半導体材料を含む第1の半導体サブ領域に続いて、前記第1の半導体材料とは異なる第2の半導体材料を含む第2の半導体サブ領域を有するように形成され、
前記第1および第3の半導体材料は、光学的にパッシブな材料で構成され、
前記第2の半導体材料は、光学的に活性な材料で構成され、
前記被検出物質は、前記第2のサブ領域からの電磁放射線の特性を変化させ、
前記半導体センサ装置は、前記特性の変化した前記電磁放射線が検出器に到達するように形成されることを特徴とする方法。
A method of manufacturing a semiconductor sensor device having at least one mesa-shaped semiconductor region formed on a surface of a semiconductor body and detecting a substance,
The fluid containing the substance to be detected flows along the mesa-shaped semiconductor region,
The mesa-shaped semiconductor region, when viewed in the longitudinal direction, follows a first semiconductor sub-region including a first semiconductor material, and then includes a second semiconductor material different from the first semiconductor material. Having a semiconductor sub-region of
The first and third semiconductor materials are composed of optically passive materials,
The second semiconductor material is composed of an optically active material;
The substance to be detected changes the characteristics of electromagnetic radiation from the second sub-region,
The semiconductor sensor device is formed such that the electromagnetic radiation having the changed characteristics reaches a detector.
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