JP2017215273A

JP2017215273A - 蛍光センサ

Info

Publication number: JP2017215273A
Application number: JP2016110631A
Authority: JP
Inventors: 礼高橋; Rei Takahashi; 山田　浩治; Koji Yamada; 浩治山田; 啓幾中島; Hiroki Nakajima
Original assignee: Waseda University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Waseda University; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2017-12-07

Abstract

【課題】より低コストでより高感度に蛍光が検出できるようにする。
【解決手段】基板１０１の上に形成された光導波路１０２と、光導波路１０２の下の基板１０１の上に形成されたフォトダイオード１０４とを備える。光導波路１０２は、対象とする蛍光物質の励起光が導波される。また、検出領域では、光導波路１０２を構成するクラッド層１０８の上のコア１０３が露出して蛍光物質が接触可能とされている。フォトダイオード１０４は、半導体より構成された光吸収部１４１と、基板１０１の平面方向に光吸収部１４１を挟んで形成されたｎ型の半導体からなるｎ型領域１４２およびｐ型の半導体からなるｐ型領域１４３とを備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、光導波路型の蛍光センサに関する。

光を媒体とした生体物質内の構造変化や化学反応の検知技術は、簡便さと反応速度に優れていることにより、多くの研究や医療分野に求められている。中でも、蛍光による発光現象は古くから利用され、利便性が高い汎用的な検知技術である。３次元のイメージングをはじめ、量子収率の良い蛍光物質をマーカーとして用いることで、手軽に、かつ高感度に対象を観測できることが利点である。ここで、蛍光が発する原理を簡単に説明する。蛍光物質に対して吸収端波長以下（例：可視光、紫外線、Ｘ線など）の励起光を照射すると、照射した蛍光物質の原子に含まれる電子が基底状態から励起状態に遷移する。励起状態に遷移した後、再び基底状態に至る時にエネルギーを光として放出することが、蛍光と呼ばれている。

一方、シリコン・ゲルマニウムなどに代表されるＩＶ族半導体材料を用いた光応用技術（通称：シリコンフォトニクス技術）が、２０００年代から著しく注目されている。この技術を用いることにより、大量生産が可能かつ小型・集積化など優れた利点を有することから、チップ間光インターコネクションに代表される極短距離光通信から、中・長距離光通信まで幅広い応用が検討されている。シリコンフォトニクス技術では、過去数十年に亘り培ってきた電子回路集積技術が応用でき、大量生産による低コスト化および小型・集積化が容易に実現できる。

広義のシリコンフォトニクス技術では、元素としてのＳｉに限らず、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_xＮ_y、ＳｉＯ_x、Ｇｅなどの高屈折率材料を用いることも含まれる。これら材料を適宜に用いることで、光導波路におけるコア材料とクラッド材料の屈折率差を十分に大きくすることから、曲げ半径の縮小や高密度集積化に寄与する。

上述した広義のシリコンフォトニクス技術を、光通信のみならずバイオセンシングの領域へ展開する試みが近年増加している。これは、屈折率差を大きく取れる上記技術を活用することで、クラッド周囲へのエバネッセント波（漏れ出し電界）を強めることが可能であるためである。この技術では、高感度で周囲の屈折率変化を捉えることが可能となる。代表的な応用例として、シリコンのリング共振器型屈折率センサが知られている。

サブミクロンオーダの微細加工によって光導波路を形成した後、選択的にサンプル溶液をリング共振器周囲に流れるようにし、バイオセンサとして活用している（非特許文献１参照）。このセンサの測定対象物としては、ナトリウムイオン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）、ペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）、オリゴヌクレオチド（ＤＮＡ）など多岐に亘っている。

M. Iqbal et al., "Label-Free Biosensor Arrays Based on Silicon Ring Resonators and High-Speed Optical Scanning Instrumentation", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.16, no.3, pp.654-661, 2010. J. W Lichtman and J. A. Conchello, "Fluorescence microscopy", NATURE Methods, vol.2, no.12, pp.910-919, 2005.

蛍光物質を用いたセンシングでは、蛍光顕微鏡下によるイメージング観察作業であることから、スループットが著しく低い。これは、ラベルと呼ばれる観察対象の生体標本に対して蛍光物質による染色手順が必要である上、蛍光顕微鏡観察操作の並列化処理が困難であることに起因する。従来の蛍光によるセンシング原理では、水銀灯、ハロゲンランプ、レーザなどの光源、接眼レンズ、ダイクロイックミラー、虹彩、波長フィルタ、対物レンズ、サンプルステージ、画像解析装置などから構成される複雑な蛍光顕微システムが必要となっている（非特許文献２参照）。このため、初期段階のスクリーニング検査では用いられず、比較的高度な医療や研究機関でのみで利用されるセンシング手法として知られている。

また、顕微鏡においては、高出力強度光源、大口径・非球面レンズ、大口径イメージセンサ、精密機械駆動系などが用いられることから、設備装置に掛かるコストについても問題となる。同時に、空間光学系を有することから、反射ミラーやレンズ、フィルタによる光学損失の影響で蛍光検出効率や感度に関しては改善が困難であった。

通常、染色された標本物質内の蛍光発光を観察する場合、イメージング化による形や場所を把握したい場合と、単位面積当たりの蛍光強度や蛍光発生の有無を把握したい場合との２種類に大別される。後者の場合、本来高精度な動作機構や装置を必要としておらず、前述した通り簡略化や低コスト化が求められている。また、光学的な機構を抜本的に改善することにより、例えば散乱光による信号雑音比率（ＳＮＲ）などの検出感度向上も期待されている。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より低コストでより高感度に蛍光が検出できるようにすることを目的とする。

本発明に係る蛍光センサは、基板の上に形成されて対象とする蛍光物質の励起光が導波される光導波路と、光導波路のコアが露出して蛍光物質が接触可能とされた検出領域と、検出領域における光導波路の下の基板の上に形成されて蛍光物質が発した蛍光が検出可能とされたフォトダイオードとを備え、フォトダイオードは、半導体より構成された光吸収部と、基板の平面方向に光吸収部を挟んで形成されたｎ型の半導体からなるｎ型領域およびｐ型の半導体からなるｐ型領域とを備える。

上記蛍光センサにおいて、フォトダイオードとコアとの間に配置されて励起光を減光するフィルタ層を備えるようにしてもよい。

上記蛍光センサにおいて、光導波路の上に形成されて蛍光物質を含む流体が検出領域を通過可能とされた流路を備えるようにしてもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、より低コストでより高感度に蛍光が検出できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態における蛍光センサの構成を示す断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態における蛍光センサの構成を示す斜視図である。図２は、マイクロ流路２０１を備える構成とした本発明の実施の形態における蛍光センサの構成を示す断面図である。図３は、フィルタ層３０１を配置する構成とした本発明の実施の形態における蛍光センサの構成を示す断面図である。図４は、複数の蛍光センサ１００を直列に接続した構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態における蛍光センサの構成を示す断面図である。また、図１Ｂは、本発明の実施の形態における蛍光センサの構成を示す斜視図である。

この蛍光センサは、まず、基板１０１の上に形成された光導波路１０２と、光導波路１０２の下の基板１０１の上に形成されたフォトダイオード１０４とを備える。光導波路１０２は、対象とする蛍光物質の励起光が導波される。また、光導波路１０２は、検出領域を備え、検出領域では、光導波路１０２を構成するクラッド層１０８の上のコア１０３が露出して蛍光物質が接触可能とされている。図１Ａ，図１Ｂは、検出領域を示している。また、図１Ａは、光導波路１０２の導波方向に垂直な断面を示している。

フォトダイオード１０４は、半導体より構成された光吸収部１４１と、基板１０１の平面方向に光吸収部１４１を挟んで形成されたｎ型の半導体からなるｎ型領域１４２およびｐ型の半導体からなるｐ型領域１４３とを備える。これらは、例えば、基板１０１上の半導体層１０７に一体に形成されている。フォトダイオード１０４は、検出領域において、光導波路１０２を導波してコア１０３より漏れ出した励起光により励起した蛍光物質より発せられた蛍光が検出可能とされている。

光吸収部１４１は、例えば、導電型不純物が導入されていないｉ型の半導体から構成すればよい。フォトダイオード１０４は、いわゆるｐ−ｉ−ｎ構造とされている。フォトダイオード１０４を構成する半導体は、検出対象とする蛍光の波長にあわせて適宜に選択すればよい。例えば、可視光域の波長の蛍光を対象とする場合、シリコンやＧａＮなどから構成すればよい。

なお、コア１０３とフォトダイオード１０４とは、絶縁材料から構成されているクラッド層１０８により絶縁分離されている。クラッド層１０８は、フォトダイオード１０４のパッシベーションとしても機能する。また、ｎ型領域１４２にはクラッド層１０８を貫通する電極１０５が電気的に接続（オーミックコンタクト）している。ｐ型領域１４３にはクラッド層１０８を貫通する電極１０６が電気的に接続（オーミックコンタクト）している。フォトダイオード１０４の光吸収部１４１で吸収された光は光電変換され、電極１０５，電極１０６により電流として取り出される。

なお、図示していないが、検出領域以外においては、コア１０３を覆う上部クラッド層が形成されている。なお、上部クラッド層は、空気としてもよい。

上述した構成の蛍光センサを、例えば、図２に示すように、蛍光物質を含む流体が検出領域を通過可能とされたマイクロ流路２０１を備える流路基板２００を組み合わせて用いればよい。図２は、流路基板２００を組み合わせた蛍光センサの構成を示す断面図である。図２は、光導波路１０２の導波方向（コア１０３の延在方向）に平行な平面の断面を示している。流路基板２００には、マイクロ流路２０１およびマイクロ流路２０１の一端に接続する導入口２０２、マイクロ流路２０１の他端に接続する排出口２０３が形成されている。

マイクロ流路２０１は、流路基板２００に形成した溝である。また、導入口２０２および排出口２０３は、流路基板２００に形成した貫通孔である。例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの高分子材料から流路基板２００を構成し、この流路基板２００に溝を形成してマイクロ流路２０１とし、貫通孔を形成して導入口２０２および排出口２０３とすればよい。

上述した蛍光センサにおいて、例えば、染色された特異的な細胞やＤＮＡなどの生体標本を含む水溶液を、導入口２０２からマイクロ流路２０１に導入し、光導波路１０２の検出領域へ導く。光導波路１０２を導波している励起光は、検出領域のコア１０３の上面および側面より周囲の水溶液に大きく染み出し、エバネッセント光電界を形成する。これにより、水溶液中の蛍光物質に対して光伝搬方向において非常に長い相互作用長の励起工程が実現できる。また、上述したように、マイクロ流路２０１に検体溶液を流すことで、標本を含む溶液の流速（流量）を制御できる上、温度などによる外乱要因を除去することができる。

ところで、光導波路１０２より漏れ出した励起光が、散乱光などとなってフォトダイオード１０４に検出（吸収）される場合もある。この場合、蛍光以外の光がフォトダイオード１０４に検出されることになり、信号雑音比率（ＳＮＲ）の劣化が懸念される。これに対し、図３に示すように、フォトダイオード１０４とコア１０３との間に、励起光を減光するフィルタ層３０１を配置すればよい。フィルタ層３０１は、吸収型フィルタから構成するとよい。誘電体多層構造によるフィルタでは、様々な角度から侵入する散乱光に対しては、所期のフィルタ効果が得られないためである。

以下、フィルタ層３０１を備える蛍光センサの構成について、より詳細に説明する。例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることで、フォトダイオード１０４が製造できる。ＳＯＩ基板は、シリコンからなる基部の上に、埋め込み絶縁層を介して表面シリコン層を備える。例えば、厚さ１０μｍ程度の表面シリコン層、厚さ１０μｍ程度の埋め込み絶縁層を備える直径４インチ程度のＳＯＩ基板（板厚５２５μｍ）が利用できる。表面シリコン層にフォトダイオード１０４を形成する。埋め込み絶縁層は、素子分離のための絶縁層となる。

例えば、半導体装置製造技術として公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術により表面シリコン層（半導体層１０７）をパターニングすることで、平面視で幅３μｍ、長さ５０μｍの光吸収部１４１を形成する。光吸収部１４１は、断面視で厚さ１０μｍ、幅３μｍとされ、長さ５０μｍとされたコア形状となる。厚さ１０μｍとしたシリコンからなる光吸収部１４１は、シリコンの可視域短波長における吸収係数より見積もった場合、垂直入射された光はほぼ１００％近く吸収される。

また、光吸収部１４１に接続するスラブ層を、上述同様にパターニングして形成する。スラブ層にｎ型領域１４２およびｐ型領域１４３を形成する。スラブ層に、例えば、イオン注入法などによりｎ型不純物、ｐ型不純物を領域選択的に導入することで、ｎ型領域１４２およびｐ型領域１４３を形成すればよい。ｎ型領域１４２およびｐ型領域１４３は、例えば、１０²⁰（１／ｃｍ³）程度のキャリア密度とすればよい。

非常に厚いＳＯＩ層に対して薄く形成しているスラブ層にｎ型領域１４２およびｐ型領域１４３を形成するため、深さ数１００ｎｍ程度の浅いｐ−ｉ−ｎ接合となるが、μｍ単位の光吸収部１４１の幅を設けることで、電界の回り込みにより深い領域に発生した光吸収によるキャリアを引き抜くことも可能である。

上述したように、ＳＯＩ基板を利用してフォトダイオード１０４を形成した後、厚さ１μｍ程度にＳｉＯ₂を堆積し、次いで、この上に、フィルタ層３０１を形成する。測定対象の標本染色マーカーとする蛍光物質として、例えば、コロイド状量子ドット（商品名：Ｑ−ｄｏｔ６５５、材質：ＣｄＳ_xＳｅ_1-x／ＺｎＳ）を用いる場合、波長４８８ｎｍの励起光により、波長６５０ｎｍ前後の蛍光が放出される。一般的な有機色素と比較し、コロイド状量子ドットは、励起波長が広範囲に亘り、光源選択性が低いことが特徴である。また、蛍光発生効率（量子収率）が高いことも利点の１つである。

上述したように、波長４８８ｎｍの励起光に対し、カットオフ波長が５５０ｎｍ近辺の有機色素を含む材料を、例えばスピンコート法などにより塗布することで、フィルタ層３０１を形成すればよい。フィルタ層３０１は、厚さ１μｍ程度とすればよい。この後、フィルタ層３０１の上に、厚さ１μｍ程度にＳｉＯ₂を堆積する。これらのことにより、フォトダイオード１０４の上にクラッド層１０８が形成され、クラッド層１０８の中にフィルタ層３０１が埋め込まれた状態が得られる。

次に、クラッド層１０８の上に、例えば、酸窒化シリコンからなるコア１０３を形成する。検出領域においては、平面視で光吸収部１４１と重なる状態に延在するコア１０３を形成する。例えば、クラッド層１０８の上に、よく知られたスパッタ法やプラズマアシストＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより酸窒化シリコンを堆積して酸窒化シリコン膜を形成する。次いで、形成した酸窒化シリコン膜を、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで、コア１０３とすればよい。

ところで、フィルタ層３０１やフォトダイオード１０４は、各々吸収媒質であり、励起光伝搬の過剰損失が生じる。このため、これら上部に配置される光導波路１０２を構成する材料や構造、並びにクラッド層１０８の厚さには注意を要する。上述したように、酸窒化シリコンからコア１０３を構成し、コア１０３の屈折率を１．７−１．８程度とした場合、コア幅４００−５００ｎｍ、コア高さ２００−２５０ｎｍ程度が、光導波路１０２におけるシングルモード伝搬条件である。

上述したシングルモード伝搬条件に併せて下層材料による吸収が生じない構造をシミュレーションにより計算した結果、コア１０３とフォトダイオード１０４との間隔は、最低でも２．５μｍ以上とした方がよいことが判明している。従って、ＳｉＯ₂から構成するクラッド層１０８は、厚さ３μｍ程度に形成する。

上述した蛍光センサにおいて、光導波路１０２（コア１０３）に波長４８８ｎｍの励起光を伝搬させている状態で、検出領域におけるコア１０３の上面，側面には、マイクロ流路２０１を流れる溶液中に浮遊している蛍光物質が付着する。付着した蛍光物質（コロイド状量子ドット）には、コア１０３を導波している励起光が結合し、蛍光を放出する。放出された蛍光は、フィルタ層３０１を透過してフォトダイオード１０４の光吸収部１４１に吸収される。吸収により光吸収部１４１で発生したフォトキャリアによる光電流を、電極１０５および電極１０６を介して計測することで、蛍光強度が計測できる。

上述したように、本発明によれば、蛍光物質の励起光が導波される光導波路の下の基板の上にフォトダイオードを設けるようにしたので、より低コストでより高感度に蛍光が検出できるようになる。本発明によれば、広く一般に用いられている半導体装置を構成する材料および半導体装置の製造技術を用いており、また、光導波路の形状としており、容易に製造することが可能である。また、高精度な動作機構や装置を必要とせずに計測が実施できる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、図４に示すように、複数の蛍光センサ１００を直列に接続し、非常に小さい領域に集積化してもよい。各々の蛍光センサ１００同士は、光導波路およびフォトダイオードが直列に接続している。図４では、２列に複数の蛍光センサ１００を配列しているが、これらは光導波路４０１で接続すればよい。

このように、複数の蛍光センサ１００を接続して集積することで、励起光源をそれぞれの蛍光センサ１００に対して準備する必要がない。また、これらの上に流路構成を適切に設計することで、独立した染色標本４０２，４０３，４０４，４０５，４０６，４０７を励起して検出（測定）することが可能となる。また、検出領域に露出するコアの表面に、特定の検出対象（ＤＮＡ、ＲＮＡなどの生体物質）を吸着する機能層を設けるようにしてもよい。基板の形状を工夫することでレンズ形状を作製し、より高密度化することで超解像度イメージングの実現も可能である。

１０１…基板、１０２…光導波路、１０３…コア、１０４…フォトダイオード、１０５…電極、１０６…電極、１０７…半導体層、１０８…クラッド層、１４１…光吸収部、１４２…ｎ型領域、１４３…ｐ型領域。

Claims

基板の上に形成されて対象とする蛍光物質の励起光が導波される光導波路と、
前記光導波路のコアが露出して前記蛍光物質が接触可能とされた検出領域と、
前記検出領域における前記光導波路の下の前記基板の上に形成されて前記蛍光物質が発した蛍光が検出可能とされたフォトダイオードと
を備え、
前記フォトダイオードは、
半導体より構成された光吸収部と、
前記基板の平面方向に前記光吸収部を挟んで形成されたｎ型の半導体からなるｎ型領域およびｐ型の半導体からなるｐ型領域と
を備えることを特徴とする蛍光センサ。
請求項１記載の蛍光センサにおいて、
前記フォトダイオードと前記コアとの間に配置されて前記励起光を減光するフィルタ層を備えることを特徴とする蛍光センサ。
請求項１または２記載の蛍光センサにおいて、
前記光導波路の上に形成されて前記蛍光物質を含む流体が前記検出領域を通過可能とされた流路を備えることを特徴とする蛍光センサ。