JP2018189523A - Device for measurement, and measurement sensor - Google Patents

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堅太郎 野田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device for measurement, allowing stable measurement to be performed and downsizing to be easily achieved.SOLUTION: A device 100A for measurement of the present invention includes a semiconductor substrate 5 through which light L having a specified wavelength can transmit, a metal layer 10 laminated on the surface 5b of the semiconductor substrate 5, which constitutes a Schottky barrier at an interface 8 with the semiconductor substrate 5, having an antenna part 15 which causes surface plasmon resonance S when exposed to the light L, and a reaction layer 20 formed on the surface 10b of the metal layer 10, being reactive to a specific detection substance (antigen P).SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、計測用デバイス及び計測センサに関する。   The present invention relates to a measurement device and a measurement sensor.

表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance:以下、SPR)は、誘電体金属の界面において光を全反射させることで生じるエバネッセント波が金属の表面の自由電子の共鳴振動に結合する現象として知られている。SPRの共鳴条件は、光の入射角度と波長、金属の誘電率、金属と接する誘電体の誘電率等に依存し、特に誘電体の誘電率の変化により敏感に変化する。そのため、SPRは金属膜の表面の化学物質の密度を誘電体の変化として捉えることができ、化学的測定又は生物学的測定やこれらの測定時に使用するセンサ等に用いられている。   Surface plasmon resonance (SPR) is known as a phenomenon in which an evanescent wave generated by totally reflecting light at an interface of a dielectric metal is coupled to resonance vibration of free electrons on the surface of the metal. The resonance condition of SPR depends on the incident angle and wavelength of light, the dielectric constant of the metal, the dielectric constant of the dielectric in contact with the metal, etc., and particularly changes sensitively due to the change of the dielectric constant of the dielectric. Therefore, the SPR can capture the density of the chemical substance on the surface of the metal film as a change in the dielectric, and is used for a chemical measurement or a biological measurement, a sensor used in the measurement, or the like.

例えば、特許文献1には、以下の構成;
(1)第1の主面及び第2の主面を有する導電体膜
(2)励起光の入射面、反射面及び出射面を有し、入射面へ入射した励起光が反射面に反射され反射光となって出射面から出射するように入射面、反射面及び出射面が配置され、反射面が第1の主面に密着する誘電体媒体
(3)接合面を有し、接合面に露出する流路が形成され、接合面が前記第2の主面に接合される流路形成体
(4)流路の内部に設けられ、第2の主面に定着し、反応物が反応する反応場を提供する反応場提供物
(5)誘電体媒体に励起光を照射し、反射面へ共鳴角で励起光を入射させる照射機構
(6)反応場から放射される表面プラズモン励起蛍光の光量を測定する第1の光量センサー
(7)反射光の光量を測定する第2の光量センサー
(8)第2の光量センサーから反射光の光量の測定結果を取得し、反射光の光量が基準を超えて増加した場合に流路への気泡の混入を検出する気泡検出部
を備えた計測装置が開示されている。
For example, Patent Document 1 discloses the following configuration;
(1) Conductor film having a first main surface and a second main surface (2) An excitation light incident surface, a reflection surface, and an exit surface, and the excitation light incident on the incident surface is reflected by the reflection surface The incident surface, the reflecting surface, and the emitting surface are arranged so as to be emitted from the emitting surface as reflected light, and has a dielectric medium (3) bonding surface in which the reflecting surface is in close contact with the first main surface. An exposed channel is formed, and a bonding surface is provided inside the channel forming body (4) bonded to the second main surface, and is fixed to the second main surface, and the reactant reacts. Reaction field providing material for providing a reaction field (5) Irradiation mechanism for irradiating a dielectric medium with excitation light and causing the excitation light to enter the reflection surface at a resonance angle (6) Light quantity of surface plasmon excitation fluorescence emitted from the reaction field A first light amount sensor (7) that measures the amount of reflected light; a second light amount sensor (8) that measures the amount of reflected light; Get the measurement results of the quantity of light, the measuring device including a bubble detector for detecting the mixing of air bubbles into the flow path is disclosed when the quantity of reflected light increases beyond a reference.

特開2015−99166号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-99166

上述の特許文献1に開示されているように、反応光の光量を測定することによって所望の計測を行う計測装置では、以下の構成;
[1]全反射条件を満たすように入射面及び反射面を配置するための所定の程度の大きさを有するプリズム
[2]反射光の角度変化及び光量を検出するために、回転光学系(即ち、光の反射位置を中心として受光器の角度を変化させつつ受光することを可能とする光学系)と、安定した測定を行うための回転光学系の操作技術
が必要とされる。従って、従来のSPRに基づいた計測装置では、安定した測定を実施可能とし、且つ小型化を図ることが難しいという問題があった。
As disclosed in Patent Document 1 described above, the measurement apparatus that performs desired measurement by measuring the amount of reaction light has the following configuration;
[1] A prism having a predetermined size for arranging the incident surface and the reflecting surface so as to satisfy the total reflection condition. [2] In order to detect the angle change and the light amount of the reflected light, the rotating optical system (that is, And an optical system capable of receiving light while changing the angle of the light receiver around the light reflection position) and a rotating optical system operation technique for performing stable measurement. Therefore, the conventional measuring apparatus based on SPR has a problem that stable measurement can be performed and it is difficult to reduce the size.

本発明者は、基材として半導体を選択し、半導体基板の表面に金属膜を形成し、半導体基板における金属膜とは反対側の面(以下、裏面とする)から近赤外を入射することによって、プリズムが不要になることに着目した。また、本発明者は、次に述べるように、
・半導体基板の表面に金属膜を形成し、金属膜内の自由電子をSPRによって励起することで半導体基板の表面に沿って表面電流を発生させること
・金属膜の表面と半導体基板の裏面との間に接続された電極部に表面電流を取り出すことによって回転光学系が不要となるうえに、計測用デバイスの構成要素を容易にワンチップ化することができること
を新たに見出し、本発明を完成させた。
The present inventor selects a semiconductor as a base material, forms a metal film on the surface of the semiconductor substrate, and enters near infrared light from a surface opposite to the metal film in the semiconductor substrate (hereinafter referred to as a back surface). We focused on the fact that no prism is needed. In addition, as described below, the present inventor
-A metal film is formed on the surface of the semiconductor substrate, and free electrons in the metal film are excited by SPR to generate a surface current along the surface of the semiconductor substrate-The surface of the metal film and the back surface of the semiconductor substrate By finding out the surface current to the electrodes connected between them, a rotating optical system is no longer required, and the components of the measuring device can be easily made into one chip, and the present invention has been completed. It was.

本発明は、上述の事情を勘案したものであって、安定した測定を実施可能とし、且つ小型化を容易に図ることができる計測用デバイス及び計測センサを提供する。   The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and provides a measurement device and a measurement sensor that enable stable measurement and can be easily reduced in size.

本発明に係る計測用デバイスは、所定の波長の光を透過可能な半導体基板と、前記半導体基板の表面に積層され、前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成し、前記所定の波長の光が照射された際に表面プラズモン共鳴を起こすアンテナ部を有する金属層と、前記アンテナ部の表面に形成され、特定の検出物質と反応可能に構成された反応層と、前記半導体基板の表面とは反対側の面と前記金属層に電気的に接続された電極部と、を備えていることを特徴とする。   A measuring device according to the present invention is laminated on a surface of a semiconductor substrate capable of transmitting light of a predetermined wavelength, and forms a Schottky barrier at the interface with the semiconductor substrate. A metal layer having an antenna part that causes surface plasmon resonance when irradiated with light, a reaction layer formed on the surface of the antenna part and configured to be able to react with a specific detection substance, and a surface of the semiconductor substrate Comprises an opposite surface and an electrode portion electrically connected to the metal layer.

上述の計測用デバイスによれば、所定の波長の光が半導体基板側から金属層に照射され、且つ反応層において特定の検出物質との反応が生じた際に、この反応及びSPRに応じて金属層における表面電流が変化するので、電極部に取り出された電流値を確認することで、反応層における特定の検出物質の有無や検出物質の量を容易に計測することができる。上述の計測用デバイスの構成では、半導体基板、金属層がワンチップに積層可能となるため、これらの構成の相対配置が容易に固定される。また、特定の波長の光が半導体基板側から金属層に照射されるので、赤外光のように比較的波長の長い光(即ち、可視光より長い波長の光)を用いることができ、特定の波長の光と反応層や特定の検出物質及び試料等との干渉を抑えられるので、より安定した測定を実施可能となる。また、前述の各構成をワンチップに積層・装着可能となることで、回転光学系等の大型な装置を必要とせず、計測用デバイスの小型化が容易に図られる。   According to the measurement device described above, when the metal layer is irradiated with light of a predetermined wavelength from the semiconductor substrate side and a reaction with a specific detection substance occurs in the reaction layer, the metal is determined according to this reaction and SPR. Since the surface current in the layer changes, the presence or absence of a specific detection substance and the amount of the detection substance in the reaction layer can be easily measured by confirming the current value taken out to the electrode part. In the configuration of the measurement device described above, the semiconductor substrate and the metal layer can be stacked on one chip, so that the relative arrangement of these configurations is easily fixed. In addition, since the metal layer is irradiated with light of a specific wavelength from the semiconductor substrate side, light having a relatively long wavelength (that is, light having a wavelength longer than visible light) such as infrared light can be used. Since the interference between the light of the wavelength and the reaction layer, the specific detection substance, and the sample can be suppressed, more stable measurement can be performed. In addition, since each of the above-described components can be stacked and mounted on a single chip, a large-sized device such as a rotating optical system is not required, and the measurement device can be easily downsized.

本発明に係る計測センサは、所定の波長の光を発する光源と、前記光源に積層され、且つ前記所定の波長の光を透過可能な半導体基板と、前記半導体基板における前記光源とは反対側の表面に積層され、前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成し、前記所定の波長の光が照射された際に表面プラズモン共鳴を起こすアンテナ部を有する金属層と、前記アンテナ部の表面に形成され、特定の検出物質と反応可能に構成された反応層と、前記半導体基板の表面とは反対側の面と前記金属層に電気的に接続された電極部と、を備えていることを特徴とする。   A measurement sensor according to the present invention includes a light source that emits light of a predetermined wavelength, a semiconductor substrate that is stacked on the light source and is capable of transmitting light of the predetermined wavelength, and the light source in the semiconductor substrate opposite to the light source. A metal layer that is laminated on the surface, forms a Schottky barrier at the interface with the semiconductor substrate, and has an antenna part that causes surface plasmon resonance when irradiated with light of the predetermined wavelength, and a surface of the antenna part A reaction layer formed and configured to be capable of reacting with a specific detection substance; a surface opposite to the surface of the semiconductor substrate; and an electrode portion electrically connected to the metal layer. Features.

上述の計測センサによれば、上述の計測用デバイスと同様の作用効果が得られる。また、上述の計測センサによれば、半導体基板における金属層とは反対側の面(裏面)に光源が積層されると共に、金属層と半導体基板の裏面側との接続する電極部が設けられているため、特定の波長の光の照射から特定の検出物質の計測までを単体で実現可能な計測センサが得られる。また、上述の計測センサの構成では、光源、半導体基板、金属層、反応層、及び電極部がワンチップに積層及び装着可能となるため、これらの構成の相対配置が容易に固定されると共に、計測センサの小型化が容易に図られる。   According to the above-mentioned measurement sensor, the same operation effect as the above-mentioned measurement device can be obtained. Further, according to the above-described measurement sensor, the light source is laminated on the surface (back surface) opposite to the metal layer in the semiconductor substrate, and the electrode portion for connecting the metal layer and the back surface side of the semiconductor substrate is provided. Therefore, it is possible to obtain a measurement sensor that can realize from the irradiation of light of a specific wavelength to the measurement of a specific detection substance alone. Further, in the configuration of the measurement sensor described above, the light source, the semiconductor substrate, the metal layer, the reaction layer, and the electrode portion can be stacked and mounted on one chip, so that the relative arrangement of these configurations is easily fixed, The size of the measurement sensor can be easily reduced.

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記金属層は、前記半導体基板の表面に沿って形成された共鳴部と、複数の前記共鳴部に接続された集電部と、を備えていてもよい。   In the measurement device and the measurement sensor according to the present invention, the metal layer includes a resonance part formed along the surface of the semiconductor substrate, and a current collection part connected to the plurality of resonance parts. Also good.

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、所定の波長の光が金属層のアンテナ部に照射され、反応層において特定の検出物質との反応が生じた際に、各々の共鳴部における共鳴とSPRが結合し、強め合うため、表面電流の変化が大きくなり、高感度の計測が行われる。   According to the measurement device and the measurement sensor described above, when light of a predetermined wavelength is irradiated on the antenna portion of the metal layer and a reaction with a specific detection substance occurs in the reaction layer, resonance in each resonance portion is detected. Since the SPRs are combined and strengthened, the change in the surface current is increased, and highly sensitive measurement is performed.

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記所定の波長は1μm以上10μm以下であり、前記半導体基板はn型シリコンで構成され、前記共鳴部の幅は0.5μm以上5μm以下であってもよい。   In the measuring device and the measuring sensor according to the present invention, the predetermined wavelength is 1 μm or more and 10 μm or less, the semiconductor substrate is made of n-type silicon, and the width of the resonance part is 0.5 μm or more and 5 μm or less. Also good.

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、1μm以上10μm以下の波長の光がn型シリコンからなる半導体基板を良好に透過し、金属層における半導体基板側の面(即ち、金属膜における表面とは反対側の面)から金属層及びアンテナ部に光が照射される。また、共鳴部の幅が0.5μm以上5μm以下の範囲内であることにより、共鳴部の幅方向における共鳴とアンテナ部におけるSPRとが良好に結合する。これにより、反応層における反応の有無による金属膜の表面電流の変化が大きく計測され、計測の精度が向上する。   According to the measurement device and the measurement sensor described above, light having a wavelength of 1 μm or more and 10 μm or less passes through the semiconductor substrate made of n-type silicon, and the surface of the metal layer on the semiconductor substrate side (that is, the surface of the metal film) Is irradiated from the opposite surface) to the metal layer and the antenna portion. In addition, when the width of the resonance part is in the range of 0.5 μm or more and 5 μm or less, the resonance in the width direction of the resonance part and the SPR in the antenna part are well coupled. Thereby, the change of the surface current of the metal film due to the presence or absence of reaction in the reaction layer is greatly measured, and the measurement accuracy is improved.

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記半導体基板の表面には回折格子が形成され、前記金属層及び前記アンテナ部は前記回折格子の表面に設けられていてもよい。   In the measurement device and the measurement sensor according to the present invention, a diffraction grating may be formed on the surface of the semiconductor substrate, and the metal layer and the antenna unit may be provided on the surface of the diffraction grating.

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、アンテナ部が回折格子の表面(即ち、上面側及び側面側)に沿って設けられることで拡大され、計測速度及び感度が高くなる。   According to the above-described measurement device and measurement sensor, the antenna unit is enlarged by being provided along the surface of the diffraction grating (that is, the upper surface side and the side surface side), and the measurement speed and sensitivity are increased.

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記金属層の表面には回折格子が形成され、前記アンテナ部は前記金属層の表面側に設けられていてもよい。   In the measurement device and the measurement sensor according to the present invention, a diffraction grating may be formed on the surface of the metal layer, and the antenna portion may be provided on the surface side of the metal layer.

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、アンテナ部が回折格子の表面(即ち、アンテナ部の上面側及び側面側)に沿って設けられることで拡大され、計測速度及び感度が高くなる。さらに、反応層20が直接接する金属層10に回折格子を直接形成することで、設計通りの形状及び所望の計測精度及びセンサ性能が容易に達成される。   According to the measurement device and the measurement sensor described above, the antenna unit is enlarged by being provided along the surface of the diffraction grating (that is, the upper surface side and the side surface side of the antenna unit), and the measurement speed and sensitivity are increased. Furthermore, by forming the diffraction grating directly on the metal layer 10 in direct contact with the reaction layer 20, the designed shape, desired measurement accuracy, and sensor performance can be easily achieved.

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記アンテナ部の表面に微細な凹部及び凸部の少なくとも一方が形成されていてもよく、前記凹部及び前記凸部の幅は前記所定の波長の1/1000以上1/10以下であることが好ましい。   In the measurement device and the measurement sensor according to the present invention, at least one of a fine concave portion and a convex portion may be formed on the surface of the antenna portion, and the width of the concave portion and the convex portion is 1 of the predetermined wavelength. / 1000 or more and 1/10 or less are preferable.

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、アンテナ部の凹部の内壁面や凸部の表面に反応層を形成可能となることで、アンテナ部が拡大され、計測速度及び感度が高くなる。   According to the measurement device and the measurement sensor described above, the reaction layer can be formed on the inner wall surface of the concave portion of the antenna portion or the surface of the convex portion, so that the antenna portion is enlarged and the measurement speed and sensitivity are increased.

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記半導体基板の表面にはピラーが形成され、前記金属層及び前記アンテナ部は前記ピラーの表面に設けられていてもよい。   In the measurement device and the measurement sensor according to the present invention, a pillar may be formed on the surface of the semiconductor substrate, and the metal layer and the antenna unit may be provided on the surface of the pillar.

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、ピラーの高さ方向における電磁波の共鳴とSPRが結合可能になり、反応層における反応の有無による金属膜の表面電流の変化が計測される。また、金属層及び反応層がピラーの表面全体に設けられているので、アンテナ部が拡大され、計測用デバイス及び計測センサの計測速度及び感度が高くなる。
According to the measurement device and the measurement sensor described above, the resonance of the electromagnetic wave in the height direction of the pillar and the SPR can be combined, and the change in the surface current of the metal film due to the presence or absence of the reaction in the reaction layer is measured. Further, since the metal layer and the reaction layer are provided on the entire surface of the pillar, the antenna portion is enlarged, and the measurement speed and sensitivity of the measurement device and the measurement sensor are increased.

本発明によれば、安定した測定を実施可能とし、且つ小型化を容易に図ることができる計測装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a measuring apparatus that can perform stable measurement and can be easily reduced in size.

本発明に係る第一実施形態の計測用デバイスの平面図である。It is a top view of the device for measurement of a first embodiment concerning the present invention. 本発明に係る第一実施形態の計測用デバイスの図であり、図1に示すX1−X1線で矢視した断面図である。It is a figure of the measuring device of 1st embodiment which concerns on this invention, and is sectional drawing seen by the arrow at the X1-X1 line | wire shown in FIG. 本発明に係る第一実施形態の計測用デバイスのエネルギーバンド図であり、反応層における反応が生じる前の状態を示す図である。It is an energy band figure of the device for measurement of a first embodiment concerning the present invention, and is a figure showing the state before reaction in a reaction layer arises. 本発明に係る第一実施形態の計測用デバイスのエネルギーバンド図であり、反応層における反応が生じたときの状態を示す図である。It is an energy band figure of the device for measurement of a first embodiment concerning the present invention, and is a figure showing a state when reaction in a reaction layer has occurred. 本発明に係る第一実施形態の計測センサの図であり、図1に示すX1−X1線で矢視した場合に対応する断面図である。It is a figure of the measurement sensor of 1st embodiment which concerns on this invention, and is sectional drawing corresponding to the case where an arrow is seen by the X1-X1 line | wire shown in FIG. 本発明に係る第二実施形態の計測用デバイスの図であり、図1に示すX1−X1線で矢視した場合に対応する断面図である。It is a figure of the measuring device of 2nd embodiment which concerns on this invention, and is sectional drawing corresponding to the case where an arrow is seen by the X1-X1 line | wire shown in FIG. 本発明に係る第二実施形態の変形例の計測用デバイスの図であり、図1に示すX1−X1線で矢視した場合に対応する断面図である。It is a figure of the measuring device of the modification of 2nd embodiment which concerns on this invention, and is sectional drawing corresponding to the case where it sees by the arrow at the X1-X1 line | wire shown in FIG. 本発明に係る第三実施形態の計測用デバイスの図であって、(a)は斜視図であり、(b)は(a)に示す領域Zの拡大斜視図である。It is a figure of the measuring device of 3rd embodiment which concerns on this invention, Comprising: (a) is a perspective view, (b) is an expansion perspective view of the area | region Z shown to (a). 本発明に係る第四実施形態の計測用デバイスの斜視図である。It is a perspective view of the device for measurement of a 4th embodiment concerning the present invention. 本発明に係る第四実施形態の計測用デバイスの図であり、図9に示すX2−X2線で矢視した断面図である。It is a figure of the measuring device of 4th embodiment which concerns on this invention, and is sectional drawing seen by the arrow at the X2-X2 line | wire shown in FIG. 実施例におけるシミュレーションモデルを表す模式図である。It is a schematic diagram showing the simulation model in an Example. 実施例におけるシミュレーションモデルの光吸収特性を示すグラフである。It is a graph which shows the light absorption characteristic of the simulation model in an Example. 実施例におけるシミュレーションモデルの応答及びエネルギーの波長依存性を表すグラフである。It is a graph showing the response of the simulation model in an Example, and the wavelength dependence of energy. 実施例におけるシミュレーションモデルの共鳴点(1.94×1014Hz)における電場強度を示すプロット図である。It is a plot figure which shows the electric field strength in the resonance point (1.94 * 10 < 14 > Hz) of the simulation model in an Example. 実施例におけるシミュレーションモデルと類似する先行モデルにおける電場強度を示すプロット図である。It is a plot figure which shows the electric field strength in the preceding model similar to the simulation model in an Example. 実施例におけるシミュレーションモデルの共鳴点(2.6×1014Hz)における光吸収特性を示すグラフである。It is a graph which shows the light absorption characteristic in the resonance point (2.6 * 10 < 14 > Hz) of the simulation model in an Example. 実施例におけるシミュレーションモデルの共鳴点(2.6×1014Hz)における電場強度を示すプロット図である。It is a plot figure which shows the electric field strength in the resonance point (2.6 * 10 < 14 > Hz) of the simulation model in an Example. 実施例におけるシミュレーションモデルの誘電体(Air)の屈折率を変化させた際の光吸収特性を示すグラフである。It is a graph which shows the light absorption characteristic at the time of changing the refractive index of the dielectric material (Air) of the simulation model in an Example. 実施例におけるシミュレーションモデルの誘電体(Air)の屈折率を変化させた際の電場強度を示すプロット図である。It is a plot figure which shows the electric field strength at the time of changing the refractive index of the dielectric material (Air) of the simulation model in an Example. 実施例におけるシミュレーションモデルの誘電体(Air)の屈折率を変化させた際の電場強度を示す別のプロット図である。It is another plot figure which shows the electric field strength at the time of changing the refractive index of the dielectric material (Air) of the simulation model in an Example. 実施例におけるシミュレーションモデルの誘電体(Air)の屈折率を変化させた際の電場強度を示すさらに別のプロット図である。It is another plot figure which shows the electric field strength at the time of changing the refractive index of the dielectric material (Air) of the simulation model in an Example.

以下、本発明に係る計測用デバイス及び計測センサの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際のものと同一とは限らず、適宜変更することができる。   Embodiments of a measurement device and a measurement sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The drawings used in the following description are schematic, and the length, width, thickness ratio, and the like are not necessarily the same as the actual ones, and can be changed as appropriate.

(第一実施形態)
[計測用デバイスの構成]
図1及び図2に示すように、第一実施形態の計測用デバイス100Aは、少なくとも、所定の波長の光Lを透過可能な半導体基板5と、半導体基板5の表面5bに積層された金属層10と、金属層10の表面10bに形成された反応層20と、を備えている。また、計測用デバイス100Aは、金属層10と誘電体基板5の裏面(誘電体基板における光源側の面)5aとを電気的に接続する電極部30を備えている。
(First embodiment)
[Measurement device configuration]
As shown in FIGS. 1 and 2, the measurement device 100 </ b> A of the first embodiment includes at least a semiconductor substrate 5 that can transmit light L having a predetermined wavelength, and a metal layer stacked on the surface 5 b of the semiconductor substrate 5. 10 and a reaction layer 20 formed on the surface 10 b of the metal layer 10. The measurement device 100 </ b> A includes an electrode unit 30 that electrically connects the metal layer 10 and the back surface (surface on the light source side of the dielectric substrate) 5 a of the dielectric substrate 5.

半導体基板5は、所定の波長の光Lを透過可能な半導体から構成されている。詳しくは、半導体基板5における光Lの透過率は、例えば90%以上であることが好ましく、92%以上であることがより好ましく、95%以上であることがさらに好ましい。半導体基板5は、計測用デバイス100Aにおいて、
<1>光Lの伝搬領域を構成する
<2>金属層10との間でSPRの共鳴条件を決める
<3>金属層10との界面8においてショットキー障壁を形成する
の主な三つの機能を兼ね備えている。また、計測用デバイス100Aが電極部30を備えることで、半導体基板5は、電極部30を構成する役割も担っている。
The semiconductor substrate 5 is made of a semiconductor that can transmit light L having a predetermined wavelength. Specifically, the transmittance of the light L in the semiconductor substrate 5 is preferably, for example, 90% or more, more preferably 92% or more, and further preferably 95% or more. In the measurement device 100A, the semiconductor substrate 5 is
<1> constituting a propagation region of the light L <2> determining SPR resonance conditions with the metal layer 10 <3> three main functions of forming a Schottky barrier at the interface 8 with the metal layer 10 Have both. In addition, since the measurement device 100 </ b> A includes the electrode unit 30, the semiconductor substrate 5 also plays a role of configuring the electrode unit 30.

金属層10は、半導体基板5を通して裏面10a側から金属層10に光Lが照射された際にSPRを起こすアンテナ部15を有する。アンテナ部15は、金属層10の表面10b側に設けられている。アンテナ部15は、反応層20との間に生じるSPRを捕捉するアンテナとして機能し、金属層10において反応層20側の部分に形成されている。   The metal layer 10 includes an antenna unit 15 that causes SPR when light L is applied to the metal layer 10 from the back surface 10 a side through the semiconductor substrate 5. The antenna unit 15 is provided on the surface 10 b side of the metal layer 10. The antenna unit 15 functions as an antenna that captures the SPR generated between the reaction layer 20 and is formed in a portion of the metal layer 10 on the reaction layer 20 side.

第一実施形態の金属層10は、半導体基板5の表面5bに沿ってD2方向に間隔sをあけて複数形成された共鳴部11と、共鳴部11に連結された集電部12と、を備えている。このような構成では、光Lが照射されることによってそれぞれの共鳴部11の内部の電子が励起され、D2方向(又は、D2方向とは逆の方向)に沿って共鳴が生じ、この共鳴(以下、ダイポール的共鳴とする)と、アンテナ部15と反応層20との間で生じるSPRとが結合する。   The metal layer 10 of the first embodiment includes a plurality of resonance portions 11 formed at intervals s in the D2 direction along the surface 5b of the semiconductor substrate 5, and a current collector portion 12 connected to the resonance portion 11. I have. In such a configuration, the light L is irradiated to excite electrons inside each resonance unit 11, and resonance occurs along the D2 direction (or the direction opposite to the D2 direction). Hereinafter, this is referred to as dipole resonance) and SPR generated between the antenna unit 15 and the reaction layer 20 is coupled.

共鳴部11は、D2方向において所定の幅dを有するように形成されている。即ち、D2方向において、幅dの金属層10が互いに間隔sをあけて複数形成されている。集電部12は、複数の共鳴部11のD1方向における一方の端部(図1では、紙面上側の端部)をD2方向に沿って連結するように形成されている。即ち、図1に示すように、第一実施形態の金属層10は、平面視において櫛状に形成されている。   The resonance part 11 is formed to have a predetermined width d in the direction D2. That is, in the D2 direction, a plurality of metal layers 10 having a width d are formed at intervals s. The current collector 12 is formed so as to connect one end of the plurality of resonance portions 11 in the D1 direction (the upper end in FIG. 1) along the D2 direction. That is, as shown in FIG. 1, the metal layer 10 of the first embodiment is formed in a comb shape in plan view.

金属層10の材質は、上述のようにSPRによる表面電流を生じることができる金属であれば特に限定されない。なお、金属膜10の好適な材質として、金(Au)が挙げられる。金は、導電性に優れていると共に、例えば抗体22等のように反応層20を構成する物質を表面10bに成膜する技術が成熟している点から、好適である。   The material of the metal layer 10 is not particularly limited as long as it is a metal that can generate a surface current due to SPR as described above. A suitable material for the metal film 10 is gold (Au). Gold is preferable because it has excellent conductivity and matures a technique for forming a material constituting the reaction layer 20 on the surface 10b such as the antibody 22 or the like.

反応層20は、特定の検出物質(即ち、測定対象物質)と反応可能に構成されているものである。反応層20を構成する物質・材質には、特定の検出物質に合わせて、金属層10の表面10bに成膜可能なものが適宜採用されている。   The reaction layer 20 is configured to be able to react with a specific detection substance (that is, a measurement target substance). As the materials and materials constituting the reaction layer 20, materials that can be formed on the surface 10b of the metal layer 10 according to a specific detection material are appropriately employed.

第一実施形態では、特定の検出物質として例えば抗原Pを想定する。反応層20は、抗原Pと抗原抗体反応を生じる抗体22で構成されている。抗体22の一端は金属層10の表面10b、即ちアンテナ部15に固定されると共に、抗体22の他端は開放されている。具体的には、抗体22の一端側の定常領域が金属層10の表面10bに当接した状態で、少なくとも一以上の抗体22が表面10bに沿って並べて固定され、抗体22の他端側として可変領域(即ち、抗原Pを認識して特異的に結合し、抗原抗体反応を生じる領域)が開放されている。   In the first embodiment, for example, antigen P is assumed as a specific detection substance. The reaction layer 20 is composed of an antibody 22 that causes an antigen-antibody reaction with the antigen P. One end of the antibody 22 is fixed to the surface 10 b of the metal layer 10, that is, the antenna unit 15, and the other end of the antibody 22 is open. Specifically, at least one or more antibodies 22 are aligned and fixed along the surface 10b in a state where the stationary region on one end side of the antibody 22 is in contact with the surface 10b of the metal layer 10, and the other end side of the antibody 22 is The variable region (that is, the region that recognizes and binds specifically to the antigen P and generates an antigen-antibody reaction) is open.

上述のような構成では、反応部20に試料Qが滴下され、試料Qに抗原Pが含まれていると、抗原Pが抗体22の可変領域に結合することで抗原抗体反応が生じる。抗原抗体反応が生じた抗体22及びアンテナ部15の屈折率は変化し、共鳴部11におけるダイポール的共鳴とSPRに作用する。このように、アンテナ部15は前述の屈折率の変化を捕捉する。   In the configuration as described above, when the sample Q is dropped into the reaction unit 20 and the antigen Q is included in the sample Q, the antigen-antibody reaction occurs due to the binding of the antigen P to the variable region of the antibody 22. The refractive index of the antibody 22 and the antenna unit 15 in which the antigen-antibody reaction has occurred changes, and acts on the dipole resonance and SPR in the resonance unit 11. Thus, the antenna unit 15 captures the change in the refractive index described above.

電極部30は、金属層10の集電部12からD2方向に沿って延設された端子32と、半導体基板5の裏面5aに配設された端子34と、端子32,34を連結する回線36と、を有する。金属層10の集電部12に集められた表面電流(ISC)は、回線36に設けられた電流計38やモニタ等に表示可能とされている。 The electrode unit 30 includes a terminal 32 extending along the D2 direction from the current collecting unit 12 of the metal layer 10, a terminal 34 disposed on the back surface 5a of the semiconductor substrate 5, and a line connecting the terminals 32 and 34. 36. The surface current (I SC ) collected in the current collector 12 of the metal layer 10 can be displayed on an ammeter 38 provided on the line 36, a monitor, or the like.

[計測用デバイスの原理]
第一実施形態の計測用デバイス100Aでは、D1方向に前進する方向に沿って電極部30の端子34、半導体基板5、電極部30の端子32が順次積層されていることで、図3に示すエネルギーバンド構造ができている。なお、図3及び図4において、半導体基板5はn型半導体であるものと想定している。エネルギーE,E,E,VLは、それぞれ価電子帯のエネルギー準位、フェルミ準位、伝導帯のエネルギー準位、真空準位を表す。
[Principle of measurement device]
In the measurement device 100A of the first embodiment, the terminal 34 of the electrode unit 30, the semiconductor substrate 5, and the terminal 32 of the electrode unit 30 are sequentially stacked along the direction of advance in the D1 direction, which is illustrated in FIG. An energy band structure is created. 3 and 4, it is assumed that the semiconductor substrate 5 is an n-type semiconductor. The energies E V , E F , E C , and VL represent the energy level of the valence band, the Fermi level, the energy level of the conduction band, and the vacuum level, respectively.

電極部30の端子32(即ち、金属層10)と半導体基板5との接合による界面8には、ショットキー障壁W1が形成されているため、金属層10において励起されていない自由電子eは、ショットキー障壁1を越えることができず、金属層10の内部に溜まっている。   Since the Schottky barrier W1 is formed at the interface 8 formed by joining the terminal 32 of the electrode unit 30 (that is, the metal layer 10) and the semiconductor substrate 5, the free electrons e that are not excited in the metal layer 10 are The Schottky barrier 1 cannot be exceeded and remains inside the metal layer 10.

抗原Pが抗体22に結合し(図2参照)、反応層20と金属層10との間でSPR(図2等におけるS)が起こると、図4に示すように、金属層10の内部の自由電子eが励起され、ショットキー障壁W1を乗り越え、D1方向とは逆の方向(即ち、金属層10から半導体基板5に向かう方向)に拡散する。   When the antigen P binds to the antibody 22 (see FIG. 2) and SPR occurs between the reaction layer 20 and the metal layer 10 (S in FIG. 2 etc.), as shown in FIG. The free electrons e are excited, get over the Schottky barrier W1, and diffuse in a direction opposite to the D1 direction (that is, a direction from the metal layer 10 toward the semiconductor substrate 5).

半導体基板5と電極部30の端子34との接合による界面には、ショットキー障壁W2が形成されている。SPRで励起され、且つショットキー障壁W1を乗り越えた自由電子eは、ショットキー障壁W2に向けて拡散する。基本的には、自由電子eはショットキー障壁W2の高さに応じたエネルギーで励起されないとショットキー障壁W2を矢印Y1のように乗り越えられない。そこで、第一実施形態の半導体基板5における金属層10とは反対側(即ち、裏面5a側)には不純物がドーピングされ、半導体基板5と端子34とはオーミック接触されている。また、半導体基板5には不純物が高くドーピングされているので、自由電子eにとって、ショットキー障壁W2の幅kは狭くなっている。さらに、端子34の材質に半導体基板5との間のショットキー隔壁W2が低くなる材質が選ばれていることで、自由電子eは、矢印Y2のようにショットキー障壁W2をトンネリングすることができる。   A Schottky barrier W <b> 2 is formed at an interface formed by bonding between the semiconductor substrate 5 and the terminal 34 of the electrode unit 30. Free electrons e excited by the SPR and overcoming the Schottky barrier W1 diffuse toward the Schottky barrier W2. Basically, free electrons e cannot get over Schottky barrier W2 as indicated by arrow Y1 unless excited by energy corresponding to the height of Schottky barrier W2. Therefore, an impurity is doped on the side opposite to the metal layer 10 in the semiconductor substrate 5 of the first embodiment (that is, the back surface 5a side), and the semiconductor substrate 5 and the terminal 34 are in ohmic contact. Further, since the semiconductor substrate 5 is highly doped with impurities, the width k of the Schottky barrier W2 is narrow for the free electrons e. Furthermore, since the material of the terminal 34 is selected such that the Schottky barrier W2 between the semiconductor substrate 5 and the terminal 34 is low, the free electrons e can tunnel the Schottky barrier W2 as indicated by the arrow Y2. .

自由電子eの拡散に応じて、正孔hは、半導体基板5の価電子帯から金属層10の内部に向けて拡散する。このような原理により、SPRが起こった際に、金属層10に表面電流が生じる(または、変化する)。電極部30に取り出された表面電流の増減を計測することにより、抗原抗体反応の有無、及び試料Q中の抗原Pの有無や濃度等が検出される。   As the free electrons e diffuse, the holes h diffuse from the valence band of the semiconductor substrate 5 toward the inside of the metal layer 10. According to such a principle, a surface current is generated (or changes) in the metal layer 10 when SPR occurs. By measuring the increase / decrease in the surface current taken out to the electrode part 30, the presence / absence of the antigen-antibody reaction and the presence / absence or concentration of the antigen P in the sample Q are detected.

抗原抗体反応の有無、試料Q中の抗原Pの有無や濃度、及びSPRの共鳴条件等に応じて、金属層10の表面電流の大きさは、光Lの波長によって異なる。従って、予め前述の条件等を考慮して波長毎の表面電流の大きさを数値シミュレーションにより予測し、光Lの波長を調整することができる。言い換えれば、前述の数値シミュレーションの結果等を考慮して光Lの波長(所定の波長)を調整し、表面電流の変化を計測することができる。   The magnitude of the surface current of the metal layer 10 varies depending on the wavelength of the light L depending on the presence / absence of the antigen-antibody reaction, the presence / absence and concentration of the antigen P in the sample Q, and the resonance conditions of the SPR. Therefore, the wavelength of the light L can be adjusted by predicting the magnitude of the surface current for each wavelength in advance by numerical simulation in consideration of the above-described conditions and the like. In other words, the change of the surface current can be measured by adjusting the wavelength of the light L (predetermined wavelength) in consideration of the result of the numerical simulation described above.

上述の構成要素及び原理をふまえ、計測用デバイス100Aの各構成要素の好適な条件等について説明する。   Based on the above-described components and principles, suitable conditions and the like of each component of the measurement device 100A will be described.

計測用デバイス100Aにおいて、各構成要素の材質や形状等の条件は、次に述べるフローで適宜設定される。
(F1);計測の対象となる抗原Pに合わせて抗体22を選定し、抗体22を成膜可能、且つSPRを起こすことができるアンテナ部15及び金属層10の金属を選定する
(F2);反応層20(抗体22)とアンテナ部15との間でSPRを起こさせる光Lの波長(波長帯)を設定する
(F3);光Lを透過可能、且つ金属層10を構成する金属と、SPRを起こし、ショットキー障壁W1をなす半導体基板5の材質を選定する
(F4);各構成要素の長さ、幅、厚さ等の寸法を適宜設定する
但し、(F2)と(F3)のフローについては、順序が入れ替わる場合がある。また、(F4)のフローについては、(F1),(F2),(F3)の各フローで行う場合がある。
In the measurement device 100A, conditions such as the material and shape of each component are appropriately set according to the flow described below.
(F1); The antibody 22 is selected in accordance with the antigen P to be measured, and the metal of the antenna part 15 and the metal layer 10 capable of forming the antibody 22 and capable of causing SPR is selected (F2); Setting the wavelength (wavelength band) of the light L that causes SPR between the reaction layer 20 (antibody 22) and the antenna unit 15 (F3); a metal that can transmit the light L and constitute the metal layer 10; SPR is generated and the material of the semiconductor substrate 5 forming the Schottky barrier W1 is selected (F4); the length, width, thickness and the like of each component are set as appropriate. However, in (F2) and (F3) For flows, the order may change. In addition, the flow (F4) may be performed in the flows (F1), (F2), and (F3).

フロー(F1)の観点で、前述のように反応層20を構成する抗体22を金属層10の表面10bに容易に成膜可能であることから、金属層10の金属としては、Auが好ましい。金属層10をAuで構成した場合、アンテナ部15と、界面8を形成する金属層10とを同じ金属Auで構成することができる。   From the viewpoint of the flow (F1), the antibody 22 constituting the reaction layer 20 can be easily formed on the surface 10b of the metal layer 10 as described above. Therefore, Au is preferable as the metal of the metal layer 10. When the metal layer 10 is made of Au, the antenna portion 15 and the metal layer 10 forming the interface 8 can be made of the same metal Au.

金属層10の共鳴部11の幅dは、例えば0.5μm以上5μm以下とすることが好ましい。共鳴部11の幅dが前述の範囲内であることにより、SPRの励起条件、及び、SPRと結合するダイポール的共鳴の程度が良好になる。金属層10の厚さは、50nm以上200nm以下とすることが好ましい。   For example, the width d of the resonance portion 11 of the metal layer 10 is preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less. When the width d of the resonance portion 11 is within the above-described range, the SPR excitation condition and the degree of dipole resonance coupled with the SPR are improved. The thickness of the metal layer 10 is preferably 50 nm or more and 200 nm or less.

フロー(F2)及び(F3)の観点で、光Lの所定の波長としては、例えば1μm以上10μm以下であることが好ましい。なお、光Lの波長は、前述のように反応層20とアンテナ部15との間でSPRを起こさせることができれば、特に制限されない。半導体基板5の好適な材質には、n型半導体であって、1μm以上10μmの波長の光Lを透過可能なものとして、シリコン(Si)が挙げられる。   From the viewpoint of the flows (F2) and (F3), the predetermined wavelength of the light L is preferably, for example, from 1 μm to 10 μm. The wavelength of the light L is not particularly limited as long as SPR can be caused between the reaction layer 20 and the antenna unit 15 as described above. A suitable material for the semiconductor substrate 5 is silicon (Si) as an n-type semiconductor that can transmit light L having a wavelength of 1 μm to 10 μm.

電極部30の端子34は、図3及び図4に示すように、半導体基板5との界面でショットキー障壁W2を形成する。n型Siからなる半導体基板5に対し、自由電子eのトンネリングを可能とし、金属層10の表面電流を円滑に取り出し可能とする点から、端子34の材質としては、例えばアルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)等が挙げられる。   As shown in FIGS. 3 and 4, the terminal 34 of the electrode unit 30 forms a Schottky barrier W <b> 2 at the interface with the semiconductor substrate 5. The terminal 34 is made of, for example, aluminum (Al) or titanium from the viewpoint of enabling free electrons e to be tunneled to the semiconductor substrate 5 made of n-type Si and allowing the surface current of the metal layer 10 to be taken out smoothly. (Ti), chromium (Cr), etc. are mentioned.

また、自由電子eのトンネリングを可能とし、金属層10の表面電流を円滑に取り出し可能とする点から、前述のように半導体基板5の裏面5a側には不純物がドーピングされている。不純物としては、n型半導体のドーパントとして公知なものを採用することができ、例えばリン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)等が挙げられる。ドープ濃度は例えば1020atoms/cm程度とすることができるが、ショットキー障壁W2の高さ等を考慮して適宜調整することができる。半導体基板5の厚さが数100μm程度である場合、不純物が裏面5aからしみ込む深さ(即ち、図2から図4に示すドープ領域5dの厚さ)は、例えば100nm程度で構わない。 Further, as described above, impurities are doped on the back surface 5a side of the semiconductor substrate 5 from the viewpoint that the free electrons e can be tunneled and the surface current of the metal layer 10 can be taken out smoothly. As the impurities, those known as dopants for n-type semiconductors can be used, and examples include phosphorus (P), arsenic (As), and antimony (Sb). The doping concentration can be set to about 10 20 atoms / cm 3 , for example, but can be appropriately adjusted in consideration of the height of the Schottky barrier W 2 and the like. When the thickness of the semiconductor substrate 5 is about several hundred μm, the depth that the impurity penetrates from the back surface 5a (that is, the thickness of the doped region 5d shown in FIGS. 2 to 4) may be about 100 nm, for example.

[計測センサの構成]
続いて、第一実施形態の計測センサについて説明する。なお、第一実施形態の計測センサにおいて、第一実施形態の計測用デバイス100Aに共通する内容についてはその説明を省略し、互いに異なる内容について、以下に説明する。また、第一実施形態の計測センサの構成要素のうち、第一実施形態の計測用デバイス100Aの構成要素と共通するものについては、同一の符号を付す。
[Configuration of measurement sensor]
Next, the measurement sensor according to the first embodiment will be described. In the measurement sensor according to the first embodiment, the description common to the measurement device 100A according to the first embodiment is omitted, and different contents are described below. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected about the component which is common in the component of the measurement device 100A of 1st embodiment among the components of the measurement sensor of 1st embodiment.

図5に示すように、第一実施形態の計測センサ102は、計測用デバイス100Aの構成要素に加えて、半導体基板5の裏面5aに積層された光源3を備えている。   As shown in FIG. 5, the measurement sensor 102 according to the first embodiment includes a light source 3 stacked on the back surface 5 a of the semiconductor substrate 5 in addition to the components of the measurement device 100 </ b> A.

光源3は、発光面3mからD1方向に沿って所定の波長の光Lを発するものである。光源3の発光面3mと半導体基板5の裏面5aの中央部5mとは隙間なく当接している。光源3は、所定の波長の光Lを発するものであれば特に限定されない。なお、光源3としては、例えば垂直共振器面発光型レーザー(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)が好適である。光源3にVCSELを用いることで、誘電体基板5に積層し易く、発光面3mがD2方向に沿うと共に光Lの発光方向がD1方向に沿うので、D1方向における光源3の厚みを薄くすることができる。   The light source 3 emits light L having a predetermined wavelength along the direction D1 from the light emitting surface 3m. The light emitting surface 3m of the light source 3 and the central portion 5m of the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 are in contact with each other without a gap. The light source 3 is not particularly limited as long as it emits light L having a predetermined wavelength. As the light source 3, for example, a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is suitable. By using a VCSEL for the light source 3, it is easy to stack on the dielectric substrate 5, and since the light emitting surface 3m is along the D2 direction and the light emitting direction of the light L is along the D1 direction, the thickness of the light source 3 in the D1 direction is reduced. Can do.

図5に例示した計測センサ102では、光源3から発せられる光LのD2方向(即ち、D1方向に直交し、且つ半導体基板5の底面5a、表面5bのそれぞれに沿う方向)における幅が発光面3mからD1方向に進むに従って拡大すると想定されている。そのため、D2方向における光源3の発光面3mの幅は、半導体基板5の底面5aの幅よりも狭く設定されている。   In the measurement sensor 102 illustrated in FIG. 5, the width of the light L emitted from the light source 3 in the direction D2 (that is, the direction orthogonal to the direction D1 and along each of the bottom surface 5a and the surface 5b of the semiconductor substrate 5) is a light emitting surface. It is assumed that the distance increases from 3 m toward D1. Therefore, the width of the light emitting surface 3m of the light source 3 in the direction D2 is set to be narrower than the width of the bottom surface 5a of the semiconductor substrate 5.

[計測センサの原理]
計測センサ102の原理については、光Lが光源3から照射され、裏面5aから直接、半導体基板5に入射する点以外は、計測用デバイス100Aと同様である。
また、計測センサ102における各構成要素の好適な条件等は、計測用デバイス100Aと同様である。
[Principle of measurement sensor]
The principle of the measurement sensor 102 is the same as that of the measurement device 100A except that the light L is emitted from the light source 3 and directly enters the semiconductor substrate 5 from the back surface 5a.
Further, suitable conditions and the like of each component in the measurement sensor 102 are the same as those of the measurement device 100A.

[計測用デバイス及び計測センサの作用効果]
以上説明した第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102によれば、アンテナ部15に光Lが照射された際に共鳴部11におけるダイポール的共鳴とSPRが結合し、互いに強め合い、金属層10の共鳴部11に生じた表面電流が集電部12に効率良く集められる。電極部30に取り出された電流値を確認することで、反応層20において反応した抗原Pの有無や抗原Pの濃度を容易に計測することができる。
[Effects of measuring device and measuring sensor]
According to the measurement device 100A and the measurement sensor 102 of the first embodiment described above, when the antenna unit 15 is irradiated with the light L, the dipole resonance and the SPR in the resonance unit 11 are combined to strengthen each other, and the metal The surface current generated in the resonance part 11 of the layer 10 is efficiently collected in the current collecting part 12. By confirming the current value taken out to the electrode unit 30, the presence or absence of the antigen P reacted in the reaction layer 20 and the concentration of the antigen P can be easily measured.

また、計測用デバイス100A及び計測センサ102によれば、半導体基板5、金属層10、反応層20をワンチップに積層し、これらの構成要素の相対配置を容易に固定することができる。そのうえ、光Lを裏面10b側から金属層10に照射するため、光Lと反応層20や抗原P及び試料Q等との干渉を殆ど起こさせることなく、より安定した計測を実施することができる。さらに、半導体基板5、金属層10及び反応層20をワンチップに積層・装着することで、回転光学系等の大型な装置を付設せずに済み、計測用デバイス100A及び計測センサ102の小型化を容易に図ることができる。   Further, according to the measurement device 100A and the measurement sensor 102, the semiconductor substrate 5, the metal layer 10, and the reaction layer 20 can be stacked on one chip, and the relative arrangement of these components can be easily fixed. In addition, since the light L is applied to the metal layer 10 from the back surface 10b side, more stable measurement can be performed without causing almost any interference between the light L and the reaction layer 20, the antigen P, the sample Q, and the like. . Further, by laminating and mounting the semiconductor substrate 5, the metal layer 10, and the reaction layer 20 on one chip, it is not necessary to attach a large device such as a rotating optical system, and the measurement device 100A and the measurement sensor 102 can be downsized. Can be easily achieved.

計測用デバイス100Aでは、電極部30を設けることによって、金属層10に生じた表面電流を端子32,34を介して回線36に取り出し、電流計38や、回線36に設けられたモニタ装置を用いて計測することができる。   In the measuring device 100A, by providing the electrode portion 30, the surface current generated in the metal layer 10 is taken out to the line 36 via the terminals 32 and 34, and an ammeter 38 or a monitor device provided on the line 36 is used. Can be measured.

計測センサ102によれば、半導体基板5の裏面5bに光源3が積層されると共に、金属層10と半導体基板5の裏面5aとを接続する電極部30を設けることによって、光Lの照射から抗原Pに関する計測までを単体で実現することができる。また、計測センサ102によれば、計測用デバイス100Aと共通する構成要素に加えて光源3及び電極部30をワンチップに積層及び装着することで、これらの構成要素の相対配置を容易に固定すると共に、計測センサ102の小型化を容易に図ることができる。   According to the measurement sensor 102, the light source 3 is stacked on the back surface 5 b of the semiconductor substrate 5, and the electrode portion 30 that connects the metal layer 10 and the back surface 5 a of the semiconductor substrate 5 is provided, so Measurement up to P can be realized by itself. Further, according to the measurement sensor 102, in addition to the components common to the measurement device 100A, the light source 3 and the electrode unit 30 are stacked and mounted on one chip, so that the relative arrangement of these components can be easily fixed. In addition, the measurement sensor 102 can be easily reduced in size.

また、計測用デバイス100A及び計測センサ102によれば、金属層10が複数の共鳴部11と集電部12とを備えているので、抗体22と抗原Pとの抗原抗体反応が生じた際に、各々の共鳴部11におけるダイポール的共鳴と反応層20におけるSPRを結合させることができる。これにより、共鳴現象が互いに強め合うため、表面電流の変化を大きくし、高感度の計測を行うことができる。   Further, according to the measurement device 100A and the measurement sensor 102, since the metal layer 10 includes the plurality of resonance portions 11 and the current collecting portion 12, when an antigen-antibody reaction between the antibody 22 and the antigen P occurs. The dipole resonance in each resonance portion 11 and the SPR in the reaction layer 20 can be combined. Thereby, since the resonance phenomenon strengthens each other, the change in the surface current can be increased and highly sensitive measurement can be performed.

特に、計測用デバイス100A及び計測センサ102によれば、光Lの波長を1μm以上10μm以下の範囲内にし、半導体基板5をn型Siで構成することで、光Lを半導体基板5で良好に透過させ、裏面10aから金属層10及びアンテナ部15に光Lを照射することができる。また、共鳴部11の幅dを0.5μm以上5μm以下の範囲内にすることにより、共鳴部11のD2方向における共鳴とアンテナ部15におけるSPRとを良好に結合させることができる。これにより、反応層20における抗原抗体反応が有る場合とない場合による表面電流の変化を大きくし、計測の精度を向上させることができる。   In particular, according to the measurement device 100A and the measurement sensor 102, the wavelength of the light L is in the range of 1 μm or more and 10 μm or less, and the semiconductor substrate 5 is made of n-type Si, so that the light L can be satisfactorily received by the semiconductor substrate 5 The light L can be applied to the metal layer 10 and the antenna unit 15 from the back surface 10a. Further, by setting the width d of the resonance part 11 within the range of 0.5 μm or more and 5 μm or less, the resonance in the D2 direction of the resonance part 11 and the SPR in the antenna part 15 can be coupled well. Thereby, the change of the surface current with and without the antigen-antibody reaction in the reaction layer 20 can be increased, and the measurement accuracy can be improved.

従って、計測用デバイス100A及び計測センサ102によれば、安定した測定を実施可能とし、且つ小型化を容易に図ることができる。   Therefore, according to the measurement device 100A and the measurement sensor 102, stable measurement can be performed and downsizing can be easily achieved.

[変形例]
以上、本発明を適用した第一実施形態について詳述したが、第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102については、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。なお、第一実施形態の変形例は、以下の内容に限定されない。
[Modification]
Although the first embodiment to which the present invention is applied has been described in detail, the measurement device 100A and the measurement sensor 102 according to the first embodiment are within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Various modifications and changes are possible. In addition, the modification of 1st embodiment is not limited to the following content.

例えば、本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、反応層20は抗体22が多数配列されたものとして説明したが、特定の検出物質の変更等に応じて、反応層20は、Nafion等のイオン認識物質や、脂質、自己組織化単分子(Self-Assembled Monolayer:SAM)等に変更されてもよい。前述のように、反応層20を構成する物質は、特定の検出物質に合わせて、金属層10の表面10bに成膜可能なものが適宜採用されている。   For example, in the measurement device and the measurement sensor according to the present invention, the reaction layer 20 has been described as having a large number of antibodies 22 arranged. However, depending on the change of a specific detection substance, the reaction layer 20 may be a Nafion or the like. It may be changed to an ion recognition substance, lipid, self-assembled monolayer (SAM), or the like. As described above, as the material constituting the reaction layer 20, a material that can be formed on the surface 10b of the metal layer 10 according to a specific detection material is appropriately adopted.

また、アンテナ部15を構成する金属の種類と、半導体基板5との界面8でショットキー障壁W1を構成する金属(金属層10におけるアンテナ部15以外の部分、以下、ショットキー障壁構成金属、とする)の種類と、を異ならせてもよい。一例として、ショットキー障壁構成金属としてCrやTiを採用し、アンテナ部15を構成する金属としてAuを採用し、金属層10をCrやTiとAuとの積層体で構成してもよい。これにより、界面8におけるショットキー障壁W1のエネルギーの高さを低くし、小さなSPRも計測可能にすることができる。   Further, the type of metal constituting the antenna part 15 and the metal constituting the Schottky barrier W1 at the interface 8 with the semiconductor substrate 5 (part of the metal layer 10 other than the antenna part 15, hereinafter referred to as a Schottky barrier constituting metal) May be different. As an example, Cr or Ti may be adopted as the Schottky barrier constituent metal, Au may be adopted as the metal constituting the antenna unit 15, and the metal layer 10 may be composed of a laminate of Cr, Ti and Au. As a result, the energy level of the Schottky barrier W1 at the interface 8 can be lowered, and a small SPR can be measured.

また、共鳴部11は、半導体基板5の表面5bに沿って単体で形成されていてもよい。   Further, the resonance part 11 may be formed alone along the surface 5 b of the semiconductor substrate 5.

また、電極部30の端子34は省略可能であり、回線36の半導体基板5側の端部が半導体基板5に直接接続されていてもよい。また、電極部30の構成は適宜変更可能であって、金属層10の表面電流を検出することができればよい。例えば回線36が、計測用デバイスや計測センサとは別の装置等の回線や受電部に接続されていてもよい。   Further, the terminal 34 of the electrode unit 30 can be omitted, and the end of the line 36 on the semiconductor substrate 5 side may be directly connected to the semiconductor substrate 5. Moreover, the structure of the electrode part 30 can be changed suitably, and the surface current of the metal layer 10 should just be detected. For example, the line 36 may be connected to a line such as a device other than the measurement device or the measurement sensor, or a power receiving unit.

さらに、電極部30に替えて、計測用デバイスや計測センサとは別の装置等の回線や受電部が直接計測用デバイス100Aや計測センサ102の半導体基板5及び端子32(即ち、金属層10)のそれぞれに接続されていてもよい。   Further, instead of the electrode unit 30, a circuit or a power receiving unit such as a device other than the measurement device or the measurement sensor is directly connected to the semiconductor substrate 5 and the terminal 32 (that is, the metal layer 10) of the measurement device 100 </ b> A or the measurement sensor 102. It may be connected to each of.

また、半導体基板5はp型半導体で構成されていてもよい。半導体基板5がp型半導体で構成された場合は、図3及び図4における多数キャリアが自由電子eではなく正孔hになる。   The semiconductor substrate 5 may be made of a p-type semiconductor. When the semiconductor substrate 5 is composed of a p-type semiconductor, the majority carriers in FIGS. 3 and 4 become holes h instead of free electrons e.

また、半導体基板5の裏面5a(計測センサ102でいえば、光源3の発光面3mと半導体基板5の裏面5aの中央部5mとの間)には、所望の機能を有する光学的積層構造が設けられていてもよい。このような光学的積層構造としては、バンドパスフィルタや増幅フィルタ、波長変換フィルタの機能を有するものが挙げられるが、特にこれらに限定されない。一例として、光Lを発する光源の発光機構により、半導体基板5の裏面5aに照射される光の波長が所定の波長を含んで広帯域にわたる場合には、半導体基板5の裏面5aにおいて光が照射される領域(且つ、電極部30の端子34が配置される端部5fを除く領域)に、光源から発せられる光から所定の波長の光Lのみを透過させる機能を有する誘電体多層膜を設けることができる。   Further, an optical laminated structure having a desired function is formed on the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 (between the light emitting surface 3m of the light source 3 and the central portion 5m of the back surface 5a of the semiconductor substrate 5). It may be provided. Examples of such an optical laminated structure include those having functions of a band pass filter, an amplification filter, and a wavelength conversion filter, but are not particularly limited thereto. As an example, when the light emission mechanism of the light source that emits the light L covers a wide band including a predetermined wavelength, the light is irradiated on the back surface 5 a of the semiconductor substrate 5. A dielectric multilayer film having a function of transmitting only the light L having a predetermined wavelength from the light emitted from the light source is provided in the region (and the region excluding the end portion 5f where the terminal 34 of the electrode portion 30 is disposed). Can do.

また、図1及び図2に例示した計測用デバイス100の構成では、半導体基板5の裏面5aは表面5bに対して平行し、光Lは裏面5a側から半導体基板5の内部を伝搬し、表面5b側に達するものとしている。しかしながら、半導体基板5の裏面5aは、図2と同様の断面視において表面5bに対して傾斜し、D2方向に沿って裏面5aの一方から他方に向けて進むに従って表面5bから離間するように形成されていてもよい。そして、光Lが半導体基板5において前述の断面視で表面5bと裏面5aとが大きく離間している側の側面から入射され、半導体基板5の内部を伝搬しつつ、傾斜した裏面5aで反射された後に、表面5b側に達するものとしてもよい。このような構成において、光Lを裏面5aで高い反射率で反射させる観点から、裏面5aにAl等の金属膜や誘電体多層膜からなるミラーが設けられていてもよい。   In the configuration of the measuring device 100 illustrated in FIGS. 1 and 2, the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 is parallel to the front surface 5b, and the light L propagates inside the semiconductor substrate 5 from the back surface 5a side. It is assumed that it reaches the 5b side. However, the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 is inclined with respect to the front surface 5b in the same sectional view as in FIG. 2, and is formed so as to be separated from the front surface 5b as it proceeds from one side of the back surface 5a toward the other along the direction D2. May be. Then, the light L is incident on the semiconductor substrate 5 from the side surface on the side where the front surface 5b and the back surface 5a are largely separated in the above-described cross-sectional view, and propagates through the semiconductor substrate 5 and is reflected by the inclined back surface 5a. After that, it is also possible to reach the surface 5b side. In such a configuration, from the viewpoint of reflecting the light L with high reflectance on the back surface 5a, a mirror made of a metal film such as Al or a dielectric multilayer film may be provided on the back surface 5a.

また、図5に例示した計測センサ102の構成では、半導体基板5の底面5aの中央部5mのD2方向の幅(即ち、光源3の発光面3mに当接する幅)は、光Lの幅や発光分布等を考慮して適切に設定されている。なお、光LのD2方向における幅が発光面3mからD1方向に進むに従って殆ど変化しない場合には、光源3の発光面3mは誘電体基板5の裏面5aの(端部5fを除く)略全体に亘って当接していることが好ましい。   Further, in the configuration of the measurement sensor 102 illustrated in FIG. 5, the width in the D2 direction of the central portion 5m of the bottom surface 5a of the semiconductor substrate 5 (that is, the width in contact with the light emitting surface 3m of the light source 3) is as follows. It is set appropriately in consideration of the light emission distribution and the like. When the width of the light L in the D2 direction hardly changes as it proceeds from the light emitting surface 3m to the D1 direction, the light emitting surface 3m of the light source 3 is substantially the entire back surface 5a (excluding the end portion 5f) of the dielectric substrate 5. It is preferable that they are in contact with each other.

(第二実施形態)
次いで、第二実施形態の計測用デバイス及び計測センサについて説明する。なお、第二実施形態の計測用デバイス及び計測センサの構成要素において、第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, the measurement device and measurement sensor of the second embodiment will be described. Note that, in the components of the measurement device and the measurement sensor of the second embodiment, the same components as those of the measurement device 100A and the measurement sensor 102 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. To do.

[計測用デバイスの構成]
図6に示すように、第二実施形態の計測用デバイス100Bは、第一実施形態の計測用デバイス100Aと同様の構成要素を備えている。但し、半導体基板5の表面5bは平滑面ではなく、表面5bにはD2方向に沿って回折格子14が設けられている。
[Measurement device configuration]
As illustrated in FIG. 6, the measurement device 100 </ b> B of the second embodiment includes the same components as the measurement device 100 </ b> A of the first embodiment. However, the surface 5b of the semiconductor substrate 5 is not a smooth surface, and the diffraction grating 14 is provided on the surface 5b along the direction D2.

第二実施形態において、金属層10は、複数の共鳴部を備えずに、略均一の厚さを持って半導体基板5の表面5bの全体に亘って設けられている。アンテナ部15は、金属層10と略重なっており、半導体基板5の表面5bの全体に亘って設けられている。また、反応層20は、金属層10の表面10bの全体に亘って成膜されている。これにより、反応層20を構成する抗体22は、金属層10の上面に加えて側面にも設けられている。   In the second embodiment, the metal layer 10 is provided over the entire surface 5b of the semiconductor substrate 5 with a substantially uniform thickness without including a plurality of resonance portions. The antenna unit 15 substantially overlaps the metal layer 10 and is provided over the entire surface 5 b of the semiconductor substrate 5. The reaction layer 20 is formed over the entire surface 10 b of the metal layer 10. Thus, the antibody 22 constituting the reaction layer 20 is provided on the side surface in addition to the upper surface of the metal layer 10.

[計測用デバイスの原理]
計測用デバイス100Bの原理において、第一実施形態で説明したように図3に示すエネルギーバンド構造ができている点は、同様である。但し、図6に示す計測用デバイス100Bの金属層10は共鳴部11を備えていないので、ダイポール的共鳴は発生しない。それに替えて、半導体基板5の表面5b側に回折格子14が形成されているので、後述する条件の成立等によってアンテナ部15と反応層20との間で生じるSPRが励起される。
[Principle of measurement device]
The principle of the measuring device 100B is the same in that the energy band structure shown in FIG. 3 is formed as described in the first embodiment. However, since the metal layer 10 of the measuring device 100B shown in FIG. 6 does not include the resonance part 11, no dipole resonance occurs. Instead, since the diffraction grating 14 is formed on the surface 5b side of the semiconductor substrate 5, SPR generated between the antenna unit 15 and the reaction layer 20 is excited by the satisfaction of conditions described later.

ここで、SPRの波数kは、金属層10を構成する金属(例えば、Au)の誘電率ε(ω)で定まり、次に示す(1)式で表される。 Here, the wave number k S of SPR is determined by the dielectric constant ε (ω) of the metal (for example, Au) constituting the metal layer 10, and is expressed by the following equation (1).

なお、(1)式において、ωは光Lの角振動数、εは反応層20を構成する抗体22の誘電率を表す。 In the equation (1), ω represents the angular frequency of the light L, and ε m represents the dielectric constant of the antibody 22 constituting the reaction layer 20.

回折格子14に入射角度θ(図6に示す光Lの矢印のようにD1方向に平行する場合はθ=0°)で入射した光LのD2方向(即ち、回折格子14の表面と平行な方向)の波数kは、次に示す(2)式で表される。 D2 direction of light L (that is, parallel to the surface of the diffraction grating 14) incident on the diffraction grating 14 at an incident angle θ S (θ = 0 ° when parallel to the D1 direction as indicated by the arrow of the light L shown in FIG. 6). The wave number k 0 in the right direction is expressed by the following equation (2).

なお、(2)式において、cは光速度を表す。回折を受けて入射光の波数は回折次数nによって増減するので、SPRに関与する回折光の次数は、次に示す(3)式によって表される。   In equation (2), c represents the speed of light. Since the wave number of the incident light is increased / decreased by the diffraction order n upon receiving the diffraction, the order of the diffracted light involved in the SPR is expressed by the following equation (3).

なお、(3)式において、tは回折格子14のピッチを表す。   In the equation (3), t represents the pitch of the diffraction grating 14.

回折格子14による回折光とSPRとの波数が同一周波数で一致するときにSPRが生じるので、回折光とSPRとの結合条件は、次に示す(4)式で表される。   Since SPR occurs when the wave numbers of the diffracted light by the diffraction grating 14 and the SPR coincide at the same frequency, the coupling condition of the diffracted light and the SPR is expressed by the following equation (4).

上述の結合条件が成立するときに、SPRが起き、特定の検出物質、即ち抗原Pの誘電率の違いがSPRのアンテナ部15への入射角度及びSPRの波長の変化として現れ、金属層10の表面電流に反映される。   When the above-described binding condition is satisfied, SPR occurs, and a difference in dielectric constant of a specific detection substance, that is, antigen P appears as a change in the incident angle of the SPR antenna unit 15 and the wavelength of the SPR. Reflected in the surface current.

従って、抗原Pが抗体22に結合し、反応層20と金属層10との間でSPRが起こると、図4に示したように、金属層10の内部の自由電子eが励起され、ショットキー障壁W1を乗り越え、D1方向とは逆の方向(即ち、金属層10から半導体基板5に向かう方向)に拡散する。このような原理により、SPRが起こった際に、金属層10に表面電流が生じる(または、変化する)。第一実施形態と同様に、電極部30に取り出された表面電流の増減を計測することにより、抗原抗体反応の有無、及び試料Q中の抗原Pの有無や濃度等が検出される。   Accordingly, when the antigen P binds to the antibody 22 and SPR occurs between the reaction layer 20 and the metal layer 10, the free electrons e inside the metal layer 10 are excited as shown in FIG. It overcomes the barrier W1 and diffuses in the direction opposite to the direction D1 (that is, the direction from the metal layer 10 toward the semiconductor substrate 5). According to such a principle, a surface current is generated (or changes) in the metal layer 10 when SPR occurs. Similar to the first embodiment, the presence or absence of an antigen-antibody reaction and the presence or absence or concentration of the antigen P in the sample Q are detected by measuring the increase or decrease in the surface current extracted to the electrode unit 30.

計測的デバイス100Bにおける各構成要素の好適な条件等については、計測的デバイス100Aと共通する各構成要素の好適な条件と基本的に同様である。但し、回折格子14のピッチtは、光Lの波長が1μm以上10μm以下の範囲内であれば、0.5μm以上5μm以下であることが好ましい。回折格子14のピッチtが前述の範囲内であることにより、回折格子14による回折光とSPRとが良好に結合する。回折格子14の高さ(厚さ)は、50nm以上200nm以下とすることが好ましい。   Suitable conditions and the like for each component in the measurement device 100B are basically the same as those for each component common to the measurement device 100A. However, the pitch t of the diffraction grating 14 is preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less if the wavelength of the light L is in the range of 1 μm or more and 10 μm or less. When the pitch t of the diffraction grating 14 is within the above-described range, the diffracted light by the diffraction grating 14 and the SPR are well coupled. The height (thickness) of the diffraction grating 14 is preferably 50 nm or more and 200 nm or less.

金属層10の厚さは、50nm以上200nm以下とすることが好ましい。   The thickness of the metal layer 10 is preferably 50 nm or more and 200 nm or less.

[計測センサの構成]
図示していないが、第二実施形態の計測センサは、図6に示す計測用デバイス100Bの半導体基板5の裏面5aに第一実施形態の計測センサ102の光源3と同様の光源を備えているものである。
[Configuration of measurement sensor]
Although not shown, the measurement sensor of the second embodiment includes the same light source as the light source 3 of the measurement sensor 102 of the first embodiment on the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 of the measurement device 100B shown in FIG. Is.

[計測センサの原理]
第二実施形態の計測センサの原理については、光Lが半導体基板5の裏面5aに設けられた光源から照射され、裏面5aから半導体基板5に直接入射する点以外は、計測用デバイス100Bと同様である。
[Principle of measurement sensor]
The principle of the measurement sensor of the second embodiment is the same as that of the measurement device 100B except that the light L is emitted from a light source provided on the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 and directly enters the semiconductor substrate 5 from the back surface 5a. It is.

[計測用デバイス及び計測センサの作用効果]
以上説明した第二実施形態の計測用デバイス100B及び計測センサによれば、第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102の作用効果と略同様の効果が得られる。但し、上述のように計測用デバイス100B及び第二実施形態の計測センサの構成では、計測用デバイス100A及び計測センサ102ではダイポール的共鳴とSPRとを結合させることで自由電子eを励起し、ショットキー障壁W1を越えさせるのに対し、回折格子14による回折光とSPRとを結合させることで自由電子eを励起し、ショットキー障壁W1を越えさせる。
[Effects of measuring device and measuring sensor]
According to the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment described above, substantially the same effect as that of the measurement device 100A and the measurement sensor 102 of the first embodiment can be obtained. However, in the configuration of the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment as described above, the measurement device 100A and the measurement sensor 102 excite free electrons e by combining dipole resonance and SPR, and shot In contrast to exceeding the key barrier W1, the free electron e is excited by coupling the diffracted light by the diffraction grating 14 and the SPR to exceed the Schottky barrier W1.

また、本発明を適用した計測用デバイス及び計測センサでは、基本的に、反応膜20に抗原P(特定の検出物質)が吸着する速度は、反応膜20と抗原Pとが接する表面積の広さ、即ちアンテナ部15の広さに依存する。第二実施形態の計測用デバイス100B及び計測センサによれば、金属層10及び反応層20が回折格子14の全面に設けられているので、アンテナ部15が計測用デバイス100A及び計測センサ102に比べて拡大される。これにより、反応膜20に抗原Pが吸着する速度を高め、第二実施形態の計測用デバイス100B及び計測センサの計測速度及び感度を高くすることができる。   In the measurement device and the measurement sensor to which the present invention is applied, basically, the rate at which the antigen P (specific detection substance) is adsorbed on the reaction film 20 is large in the surface area where the reaction film 20 and the antigen P are in contact with each other. That is, it depends on the width of the antenna unit 15. According to the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment, since the metal layer 10 and the reaction layer 20 are provided on the entire surface of the diffraction grating 14, the antenna unit 15 is compared with the measurement device 100A and the measurement sensor 102. Is expanded. Thereby, the speed at which the antigen P is adsorbed to the reaction film 20 can be increased, and the measurement speed and sensitivity of the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment can be increased.

[変形例]
以上、本発明を適用した第二実施形態について詳述したが、第二実施形態の計測用デバイス100B及び計測センサについては、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102と同様の種々の変形・変更が可能である。
[Modification]
As described above, the second embodiment to which the present invention is applied has been described in detail, but the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment are within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Various modifications and changes similar to those of the measurement device 100A and the measurement sensor 102 of the first embodiment are possible.

また、反応膜20と抗原Pとが接する表面積を拡大するという同じ観点から、図7に示すように、半導体基板5の表面5bは平滑面とし、金属層10の表面10bを凹凸形状とすることで回折格子14を設けてもよい。このように構成された計測用デバイス100Cや不図示の計測センサでは、金属層10の上面側及び側面側がアンテナ部15になっている。従って、計測用デバイス100Cや第二実施形態の変形例の計測センサによれば、第二実施形態の計測用デバイス100B及び計測センサと同様に、回折格子14の凹凸形状に応じてアンテナ部15を拡大することができるので、計測速度および感度を高くすることができる。   Further, from the same viewpoint of increasing the surface area where the reaction film 20 and the antigen P are in contact with each other, as shown in FIG. 7, the surface 5b of the semiconductor substrate 5 is a smooth surface and the surface 10b of the metal layer 10 is uneven. A diffraction grating 14 may be provided. In the measurement device 100 </ b> C and the measurement sensor (not shown) configured as described above, the upper surface side and the side surface side of the metal layer 10 are antenna portions 15. Therefore, according to the measurement device 100C and the measurement sensor according to the modification of the second embodiment, the antenna unit 15 is provided in accordance with the concavo-convex shape of the diffraction grating 14 as in the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment. Since it can be enlarged, the measurement speed and sensitivity can be increased.

さらに、製造面では、第二実施形態の計測用デバイス100B及び計測センサに比べて、計測用デバイス100Cや第二実施形態の変形例の計測センサは、設計通りの形状を実現し易いという利点を有する。例えば、光学シミュレーションを用いて、計測目的に合わせて、各構成要素の材質や形状・寸法等を調整し、設計通りに加工することで、所望の計測精度及びセンサ性能を容易に達成することができる。   Furthermore, in terms of manufacturing, the measurement device 100C and the measurement sensor of the modified example of the second embodiment have an advantage that it is easy to realize the shape as designed, compared to the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment. Have. For example, it is possible to easily achieve the desired measurement accuracy and sensor performance by adjusting the material, shape, dimensions, etc. of each component according to the purpose of measurement using optical simulation and processing as designed. it can.

(第三実施形態)
次いで、第三実施形態の計測用デバイス及び計測センサについて説明する。なお、第三実施形態の計測用デバイス及び計測センサの構成要素において、第一実施形態及び第二実施形態の計測用デバイス100A,100B及び計測センサ102と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Third embodiment)
Next, the measurement device and measurement sensor of the third embodiment will be described. Note that, in the constituent elements of the measurement device and the measurement sensor of the third embodiment, the same reference numerals are given to the same constituent elements as those of the measurement devices 100A and 100B and the measurement sensor 102 of the first embodiment and the second embodiment. A description thereof will be omitted.

[計測用デバイスの構成]
図8(a),(b)に示すように、第三実施形態の計測用デバイス100Dは、第二実施形態の計測用デバイス100Bと同様の構成要素を備えている。但し、半導体基板5の表面5bには、微細な凹部40が複数設けられている。具体的には、半導体基板5の表面5bに微細な凹部40が形成されており、金属層10及びアンテナ部15は凹部40の内壁面42を含む表面5bの全体に亘って略均一な厚さで設けられている。これにより、アンテナ部15の表面に微細な凹部40が形成されている。
[Measurement device configuration]
As shown in FIGS. 8A and 8B, the measurement device 100D of the third embodiment includes the same components as the measurement device 100B of the second embodiment. However, a plurality of fine concave portions 40 are provided on the surface 5 b of the semiconductor substrate 5. Specifically, a fine recess 40 is formed on the surface 5 b of the semiconductor substrate 5, and the metal layer 10 and the antenna portion 15 have a substantially uniform thickness over the entire surface 5 b including the inner wall surface 42 of the recess 40. Is provided. As a result, a fine recess 40 is formed on the surface of the antenna unit 15.

第三実施形態では、図8(b)に示すように、反応層20を構成する抗体22は、金属層10の上面や側面に加えて凹部40の内壁面42(即ち、アンテナ部15の表面全体)に設けられている。なお、図8(a)では、反応層20を構成する個々の抗体22の図示は省略している。また、図8(b)では、複数のうち少なくとも一部の抗体22に吸着する抗原Pや試料Qの図示を省略している。   In the third embodiment, as shown in FIG. 8 (b), the antibody 22 constituting the reaction layer 20 has an inner wall surface 42 of the recess 40 (that is, the surface of the antenna unit 15) in addition to the upper surface and side surfaces of the metal layer 10. The whole). In FIG. 8A, illustration of individual antibodies 22 constituting the reaction layer 20 is omitted. Further, in FIG. 8B, illustration of the antigen P and the sample Q adsorbed to at least some of the antibodies 22 among the plurality is omitted.

凹部40は円形の開口部を有し、D1方向とは逆方向に進む(即ち、凹部40の底部に向かう)に従って凹部40の開口径が縮小するように窄まっている。凹部40は、回折格子14による光Lの回折に大きな影響を与えずにアンテナ部15を拡大する目的で形成された微細構造である。前述の目的から、凹部40の開口径r40は、製造上の制約から光Lの波長の1/1000以上であることが好ましく、光Lの散乱や回折を防ぐために光Lの波長の1/10以下であることが好ましい。光Lの波長が前述のように1μm以上10μm以下の範囲内であれば、開口径r40は1nm以上1μm以下であることが好ましい。また、平面視において、隣り合う凹部40の中心間の距離(間隔)g40は2nm以上20μm以下であることが好ましい。凹部40の深さは、抗体22の成膜可能な最小寸法や成膜方法等を勘案して適切に設定されている。   The concave portion 40 has a circular opening, and is narrowed so that the opening diameter of the concave portion 40 decreases as it proceeds in the direction opposite to the direction D1 (that is, toward the bottom of the concave portion 40). The concave portion 40 is a fine structure formed for the purpose of enlarging the antenna portion 15 without greatly affecting the diffraction of the light L by the diffraction grating 14. For the above-described purpose, the opening diameter r40 of the recess 40 is preferably 1/1000 or more of the wavelength of the light L due to manufacturing restrictions, and 1/10 of the wavelength of the light L in order to prevent scattering and diffraction of the light L. The following is preferable. If the wavelength of the light L is in the range of 1 μm or more and 10 μm or less as described above, the opening diameter r40 is preferably 1 nm or more and 1 μm or less. In plan view, the distance (interval) g40 between the centers of the adjacent recesses 40 is preferably 2 nm or more and 20 μm or less. The depth of the recess 40 is appropriately set in consideration of the minimum dimension at which the antibody 22 can be deposited, the deposition method, and the like.

[計測用デバイスの原理]
計測用デバイス100Dの原理は、第二実施形態で説明した計測用デバイス100Bと同様である。なお、前述のように微細な凹部40は光Lの波長に比べて大変小さいものであるから、凹部40による光Lの回折等の影響はなく、前述した(4)式の結合条件が成立するときに、SPRが起き、特定の検出物質の誘電率の違いがSPRのアンテナ部15への入射角度及びSPRの波長の変化として現れ、金属層10の表面電流に反映される。
[Principle of measurement device]
The principle of the measuring device 100D is the same as that of the measuring device 100B described in the second embodiment. As described above, since the fine concave portion 40 is very small compared to the wavelength of the light L, there is no influence of the diffraction of the light L by the concave portion 40, and the coupling condition of the above-described formula (4) is satisfied. Occasionally, SPR occurs, and a difference in dielectric constant of a specific detection substance appears as a change in the incident angle of the SPR antenna 15 and the wavelength of the SPR, and is reflected in the surface current of the metal layer 10.

計測的デバイス100Dにおける各構成要素の好適な条件等については、計測的デバイス100Bと共通する各構成要素の好適な条件と基本的に同様である。微細な凹部40の好適な寸法等についても上述の通りである。   Suitable conditions and the like for each component in the measurement device 100D are basically the same as those for each component common to the measurement device 100B. Suitable dimensions and the like of the fine recess 40 are also as described above.

[計測センサの構成]
図示していないが、第三実施形態の計測センサは、図8(a)に示す計測用デバイス100Dの半導体基板5の裏面5aに第一実施形態の計測センサ102の光源3と同様の光源を備えているものである。
[Configuration of measurement sensor]
Although not shown, the measurement sensor of the third embodiment uses a light source similar to the light source 3 of the measurement sensor 102 of the first embodiment on the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 of the measurement device 100D shown in FIG. It is what it has.

[計測センサの原理]
第三実施形態の計測センサの原理については、光Lが半導体基板5の裏面5aに設けられた光源から照射され、裏面5aから半導体基板5に直接入射する点以外は、第二実施形態の計測用デバイス100Bと同様である。
[Principle of measurement sensor]
Regarding the principle of the measurement sensor of the third embodiment, the light L is irradiated from a light source provided on the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 and directly incident on the semiconductor substrate 5 from the back surface 5a. This is the same as the device 100B for use.

[計測用デバイス及び計測センサの作用効果]
以上説明した第三実施形態の計測用デバイス100D及び計測センサによれば、第二実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102の作用効果と略同様の効果が得られる。
[Effects of measuring device and measuring sensor]
According to the measurement device 100D and the measurement sensor of the third embodiment described above, substantially the same effect as that of the measurement device 100A and the measurement sensor 102 of the second embodiment can be obtained.

また、第三実施形態の計測用デバイス100D及び計測センサによれば、半導体基板5の表面5bに複数の微細な凹部40が形成され、金属層10及び反応層20が半導体基板5の表面5bに加えて凹部40の内壁面にも設けられているので、アンテナ部15が計測用デバイス100B及び第二実施形態の計測センサに比べてさらに拡大される。これにより、反応膜20に抗原Pが吸着する速度を計測用デバイス100B及び第二実施形態の計測センサより高め、第三実施形態の計測用デバイス100D及び計測センサの計測速度及び感度をさらに高くすることができる。   Moreover, according to the measurement device 100D and the measurement sensor of the third embodiment, a plurality of fine recesses 40 are formed on the surface 5b of the semiconductor substrate 5, and the metal layer 10 and the reaction layer 20 are formed on the surface 5b of the semiconductor substrate 5. In addition, since it is also provided on the inner wall surface of the recess 40, the antenna unit 15 is further enlarged compared to the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment. Thereby, the speed at which the antigen P is adsorbed to the reaction film 20 is increased as compared with the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment, and the measurement speed and sensitivity of the measurement device 100D and the measurement sensor of the third embodiment are further increased. be able to.

[変形例]
以上、本発明を適用した第三実施形態について詳述したが、第三実施形態の計測用デバイス100D及び計測センサについては、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102、第二実施形態の計測デバイス100Bおよび計測センサと同様の種々の変形・変更が可能である。
[Modification]
As described above, the third embodiment to which the present invention is applied has been described in detail, but the measurement device 100D and the measurement sensor of the third embodiment are within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Various modifications and changes similar to those of the measurement device 100A and the measurement sensor 102 of the first embodiment and the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment are possible.

また、凹部40は、上述したように円形の開口部と底部に進む程窄まるものに限らず、アンテナ部15及び反応層20、即ち抗体22を成膜する面積を拡大可能とするものであれば、特に制限されない。例えば、凹部40の開口部の平面視形状は、矩形、多角形や星形等であってもよい。凹部40の開口幅は、D1方向に沿って凹部40の上端から底端まで略一定であってもよく、上述の第三実施形態の例とは逆に、底部に進むに従って拡がってもよい。   In addition, the concave portion 40 is not limited to the one that becomes narrower as it goes to the circular opening and the bottom as described above, but may be capable of expanding the area where the antenna portion 15 and the reaction layer 20, that is, the antibody 22 are formed. There is no particular limitation. For example, the planar view shape of the opening of the recess 40 may be a rectangle, a polygon, a star, or the like. The opening width of the recessed portion 40 may be substantially constant from the upper end to the bottom end of the recessed portion 40 along the direction D1, and may increase as it goes to the bottom, contrary to the example of the third embodiment described above.

また、アンテナ部15の表面15bには、凹部40に替えてD1方向に突出する凸部が形成されていてもよい。但し、凸部の幅は、製造上の制約から光Lの波長の1/1000以上であることが好ましく、光Lの散乱や回折を防ぐために光Lの波長1/10以下であることが好ましい。さらに、アンテナ部15の表面15bには、凹部40や凸部が混在していてもよい。   In addition, a convex portion that protrudes in the D1 direction may be formed on the surface 15b of the antenna portion 15 in place of the concave portion 40. However, the width of the convex portion is preferably 1/1000 or more of the wavelength of the light L due to manufacturing restrictions, and is preferably 1/10 or less of the wavelength of the light L in order to prevent scattering and diffraction of the light L. . Furthermore, the concave portion 40 and the convex portion may be mixed on the surface 15 b of the antenna portion 15.

また、凹部40又は凸部は、第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102のアンテナ部15の表面(即ち、金属層10の表面10b)や次に説明する第四実施形態の計測用デバイス100E及び計測センサのアンテナ部15の表面に形成されていてもよい。即ち、単位面積当たりの抗体22の成膜数が略同じであれば、凹部40や凸部が形成されていない場合に比べて凹部40や凸部が形成されている場合の方がアンテナ部15及び反応層20の表面積が拡大されるので、計測速度及び感度を高める効果が得られるのであって、凹部40や凸部が形成される金属層10の凹凸の有無や金属層10の形状等は特に制限されない。第一実施形態のように金属層10が共鳴部11を備えている構成であっても、凹部40や凸部は光Lに回折等の影響を及ぼさない方が好適であるため、凹部40や凸部の好ましい形状や寸法の好ましい範囲は、上述した第三実施形態及び変形例で説明した内容と同様である。   Further, the concave portion 40 or the convex portion is used for the measurement device 100A according to the first embodiment and the surface of the antenna portion 15 of the measurement sensor 102 (that is, the surface 10b of the metal layer 10) or the measurement according to the fourth embodiment described below. You may form in the surface of the antenna part 15 of the device 100E and a measurement sensor. That is, if the number of deposited antibodies 22 per unit area is substantially the same, the antenna portion 15 is more formed when the recesses 40 and the protrusions are formed than when the recess 40 and the protrusions are not formed. In addition, since the surface area of the reaction layer 20 is enlarged, the effect of increasing the measurement speed and sensitivity can be obtained. The presence or absence of the concave and convex portions of the metal layer 10 where the concave portions 40 and the convex portions are formed, the shape of the metal layer 10 and the like are as follows. There is no particular limitation. Even if the metal layer 10 includes the resonance part 11 as in the first embodiment, it is preferable that the concave part 40 and the convex part do not affect the light L by diffraction or the like. The preferable shape and the preferable range of the dimensions of the convex portion are the same as those described in the third embodiment and the modification described above.

(第四実施形態)
次いで、第四実施形態の計測用デバイス及び計測センサについて説明する。なお、第四実施形態の計測用デバイス及び計測センサの構成要素において、第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Fourth embodiment)
Next, a measurement device and a measurement sensor according to the fourth embodiment will be described. Note that, in the components of the measurement device and the measurement sensor of the fourth embodiment, the same components as those of the measurement device 100A and the measurement sensor 102 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. To do.

[計測用デバイスの構成]
図9及び図10に示すように、第四実施形態の計測用デバイス100Eは、第一実施形態の計測用デバイス100Aと同様の構成要素を備えている。但し、半導体基板5の表面5bには、ピラー18が複数設けられている。具体的には、半導体基板5の表面5bに複数のピラー18が形成されており、金属層10及びアンテナ部15はピラー18の表面を含む表面5bの全体に亘って略均一な厚さで設けられている。これにより、計測用デバイス100Eの上部に複数のピラー48が形成されている。
[Measurement device configuration]
As shown in FIGS. 9 and 10, the measurement device 100E of the fourth embodiment includes the same components as the measurement device 100A of the first embodiment. However, a plurality of pillars 18 are provided on the surface 5 b of the semiconductor substrate 5. Specifically, a plurality of pillars 18 are formed on the surface 5 b of the semiconductor substrate 5, and the metal layer 10 and the antenna unit 15 are provided with a substantially uniform thickness over the entire surface 5 b including the surface of the pillar 18. It has been. Thereby, a plurality of pillars 48 are formed on the upper part of the measuring device 100E.

ピラー48は略円柱状に形成されている。ピラー48の高さは、適宜設定され、例えば(光Lの所定の波長/ピラー48を構成する材料の屈折率)の値の1/6以上2/3以下とすることができる。   The pillar 48 is formed in a substantially cylindrical shape. The height of the pillar 48 is set as appropriate, and can be set to, for example, 1/6 or more and 2/3 or less of the value of (the predetermined wavelength of the light L / the refractive index of the material constituting the pillar 48).

[計測用デバイスの原理]
計測用デバイス100Eの原理において、第一実施形態で説明したように図3に示すエネルギーバンド構造ができている点は、同様である。但し、第四実施形態では、ダイポール的共鳴に替えて、ピラー48における高さ方向(即ち、D1方向)での電磁波の共鳴によってアンテナ部15と反応層20との間で生じるSPRが励起される。
[Principle of measurement device]
The principle of the measuring device 100E is the same in that the energy band structure shown in FIG. 3 is formed as described in the first embodiment. However, in the fourth embodiment, SPR generated between the antenna unit 15 and the reaction layer 20 is excited by resonance of electromagnetic waves in the height direction (that is, D1 direction) in the pillar 48 instead of dipole resonance. .

ピラー48における高さ方向の電磁波の共鳴が起きると共に、SPRが起きたときに、金属層10の表面電流が変化する。   Resonance of electromagnetic waves in the height direction in the pillar 48 occurs, and the surface current of the metal layer 10 changes when SPR occurs.

従って、光Lがピラー48に照射され、抗原Pが抗体22に結合し、反応層20と金属層10との間でSPRが起こると、図4に示したように、金属層10の内部の自由電子eが励起され、ショットキー障壁W1を乗り越え、D1方向とは逆の方向(即ち、金属層10から半導体基板5に向かう方向)に拡散する。このような原理により、SPRが起こった際に、金属層10に表面電流が生じる(または、変化する)。第一実施形態と同様に、電極部30に取り出された表面電流の増減を計測することにより、抗原抗体反応の有無、及び試料Q中の抗原Pの有無や濃度等が検出される。   Therefore, when the light L is irradiated to the pillar 48, the antigen P binds to the antibody 22, and SPR occurs between the reaction layer 20 and the metal layer 10, as shown in FIG. The free electrons e are excited, get over the Schottky barrier W1, and diffuse in a direction opposite to the D1 direction (that is, a direction from the metal layer 10 toward the semiconductor substrate 5). According to such a principle, a surface current is generated (or changes) in the metal layer 10 when SPR occurs. Similar to the first embodiment, the presence or absence of an antigen-antibody reaction and the presence or absence or concentration of the antigen P in the sample Q are detected by measuring the increase or decrease in the surface current extracted to the electrode unit 30.

[計測用デバイス及び計測センサの作用効果]
以上説明した第四実施形態の計測用デバイス100E及び計測センサによれば、第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102の作用効果と略同様の効果が得られる。但し、上述のように計測用デバイス100E及び第四実施形態の計測センサの構成では、ピラー48における電磁波の共鳴とSPRとを結合させることで自由電子eを励起し、ショットキー障壁W1を越えさせる。
[Effects of measuring device and measuring sensor]
According to the measurement device 100E and the measurement sensor of the fourth embodiment described above, substantially the same effects as those of the measurement device 100A and the measurement sensor 102 of the first embodiment can be obtained. However, as described above, in the configuration of the measurement device 100E and the measurement sensor of the fourth embodiment, the free electron e is excited by coupling the resonance of the electromagnetic wave in the pillar 48 and the SPR, and exceeds the Schottky barrier W1. .

また、第四実施形態の計測用デバイス100E及び計測センサによれば、金属層10及び反応層20がピラー48の表面全体に設けられているので、アンテナ部15が例えば計測用デバイス100A及び計測センサ102に比べて拡大される。これにより、反応膜20に抗原Pが吸着する速度を高め、第四実施形態の計測用デバイス100E及び計測センサの計測速度及び感度を高くすることができる。   Further, according to the measurement device 100E and the measurement sensor of the fourth embodiment, since the metal layer 10 and the reaction layer 20 are provided on the entire surface of the pillar 48, the antenna unit 15 is, for example, the measurement device 100A and the measurement sensor. It is enlarged compared with 102. Thereby, the speed at which the antigen P is adsorbed to the reaction film 20 can be increased, and the measurement speed and sensitivity of the measurement device 100E and the measurement sensor of the fourth embodiment can be increased.

[計測センサの構成]
図示していないが、第四実施形態の計測センサは、図9及び図10に示す計測用デバイス100Eの半導体基板5の裏面5aに第一実施形態の計測センサ102の光源3と同様の光源を備えているものである。
[Configuration of measurement sensor]
Although not shown, the measurement sensor of the fourth embodiment uses a light source similar to the light source 3 of the measurement sensor 102 of the first embodiment on the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 of the measurement device 100E shown in FIGS. It is what it has.

[計測センサの原理]
第四実施形態の計測センサの原理については、光Lが半導体基板5の裏面5aに設けられた光源から照射され、裏面5aから半導体基板5に直接入射する点以外は、第四実施形態の計測用デバイス100Eと同様である。
[Principle of measurement sensor]
Regarding the principle of the measurement sensor of the fourth embodiment, the light L is irradiated from the light source provided on the back surface 5a of the semiconductor substrate 5 and directly incident on the semiconductor substrate 5 from the back surface 5a. This is the same as the device 100E.

[変形例]
以上、本発明を適用した第四実施形態について詳述したが、第四実施形態の計測用デバイス100E及び計測センサについては、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、第一実施形態の計測用デバイス100A及び計測センサ102、第二実施形態の計測デバイス100Bおよび計測センサと同様の種々の変形・変更が可能である。
[Modification]
Although the fourth embodiment to which the present invention is applied has been described in detail above, the measurement device 100E and the measurement sensor according to the fourth embodiment are within the scope of the present invention described in the claims. Various modifications and changes similar to those of the measurement device 100A and the measurement sensor 102 of the first embodiment and the measurement device 100B and the measurement sensor of the second embodiment are possible.

例えば、ピラー48は、高さ方向に沿って電磁波を共鳴させることができれば、円柱状のものに限定されず、多角柱のものや、その他の形状のものであってもよい。また、ピラー48は、図9及び図10に例示されているように複数且つ平面視で規則的に配列されている必要はなく、単数設けられていてもよく、平面視で不規則に複数配置されていてもよい。   For example, the pillar 48 is not limited to a cylindrical shape as long as it can resonate electromagnetic waves along the height direction, and may be a polygonal column or other shapes. Further, as illustrated in FIGS. 9 and 10, a plurality of pillars 48 need not be regularly arranged in a plan view, and a single pillar 48 may be provided, and a plurality of pillars 48 may be irregularly arranged in a plan view. May be.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。   The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible.

続いて、本発明に係る計測用デバイスの有効性を確認するための実施例について説明する。なお、本発明に係る計測用デバイスの構成及び作用効果は、以下の実施例に限定されるものではない。   Next, an example for confirming the effectiveness of the measurement device according to the present invention will be described. In addition, the structure and effect of the measurement device according to the present invention are not limited to the following examples.

先ず、Au回析格子を試作し、Au回析格子で実際にSPRの共鳴が起きることを実験で確認した。使用したAu回折格子のピッチは3.4μmとし、レーザ源から波長1100nmの近赤外光を照射し、ポラライザを通して、TM波に変換したものをAu回折格子に照射する。回転角度はAu回折格子の表面に垂直な角度を0°として、0°から30°までの計測を行った。なお、Au回折格子には電流取り出し用の配線を設け、そこから光照射により、発生する電流を計測した。その結果、入射角度22.0°において、電流が負の方向に大きく流れた。この角度は、前述の(4)式等から求められる角度θ=21.4°とほぼ一致する。このことから、SPRにより光吸収が促進されたために、内部光電効果の量子効率が高まり、大きな電流が発生したと解釈することができる。以上のことから試作したAu回折格子によってSPRが発生し、SPRをショットキー障壁により電流として計測することができたと結論付けられた。 First, an Au diffraction grating was prototyped, and it was experimentally confirmed that SPR resonance actually occurred in the Au diffraction grating. The pitch of the Au diffraction grating used is 3.4 μm, near infrared light having a wavelength of 1100 nm is irradiated from the laser source, and the Au diffraction grating is irradiated through the polarizer into a TM wave. The rotation angle was measured from 0 ° to 30 °, with the angle perpendicular to the surface of the Au diffraction grating being 0 °. The Au diffraction grating was provided with a current extraction wiring, and the generated current was measured by light irradiation therefrom. As a result, a large current flowed in the negative direction at an incident angle of 22.0 °. This angle substantially coincides with the angle θ S = 21.4 ° obtained from the above-described equation (4) and the like. From this, it can be interpreted that the quantum efficiency of the internal photoelectric effect is increased and a large current is generated because light absorption is promoted by SPR. From the above, it was concluded that SPR was generated by the prototyped Au diffraction grating, and that SPR could be measured as a current by the Schottky barrier.

次に、試作したAu回折格子が背面照射によりSPRを励起することができるか検証するために、シミュレーションを行った。シミュレーションには有限要素法解析(Finite Element Method:FEM)ソフトであるCOMSOLを使用した。本シミュレーションでは、入射光路が試料と干渉しないように、Si側から光を照射する配置を「背面配置」とした。   Next, a simulation was performed to verify whether the prototype Au diffraction grating can excite SPR by backside illumination. For the simulation, COMSOL, which is a Finite Element Method (FEM) software, was used. In this simulation, the arrangement of irradiating light from the Si side is “back arrangement” so that the incident optical path does not interfere with the sample.

作成したシミュレーションの概要を図11に示す。本シミュレーションでは、Si上にAuの回析格子が存在している構造を想定した。図11に示すように、回折格子のピッチは1200nm、Au回折格子の幅は950nmとした。上述の試作及び実験とは異なり、回折格子がAu同士で連結されておらず、隣り合うAu(第一実施形態における共鳴部)の間はSiが露出しているものとした。この構造に対して、Si側から光を照射する設定とした。偏光は、TM偏光とした。また、入射光の波長変化によってSPRを励起することを想定し、シミュレーションにおいても図11に示すモデルに入射する光の波長を変化させた。そして、SPRセンサとしての有効性を検証するために、Au回折格子が接している誘電体の屈折率を1.0と1.1の二つの条件で計算した。   An outline of the created simulation is shown in FIG. In this simulation, a structure in which an Au diffraction lattice exists on Si is assumed. As shown in FIG. 11, the pitch of the diffraction grating was 1200 nm, and the width of the Au diffraction grating was 950 nm. Unlike the above-mentioned trial manufacture and experiment, the diffraction grating was not connected with Au, and Si was exposed between adjacent Au (resonance part in 1st embodiment). This structure was set to irradiate light from the Si side. The polarized light was TM polarized light. Further, assuming that the SPR is excited by a change in the wavelength of the incident light, the wavelength of the light incident on the model shown in FIG. 11 was also changed in the simulation. Then, in order to verify the effectiveness as an SPR sensor, the refractive index of the dielectric that is in contact with the Au diffraction grating was calculated under two conditions of 1.0 and 1.1.

上述のようにAu回折格子の幅が950nmである場合(図12における“W950nm”の実線)と、別のパターンとして900nm(図12における“W900nm”の一点破線)である場合を比較すると、図12に示すように、幅(W)が小さくなると、光吸収のピークが短波長側にシフトしていることがわかる。   When the width of the Au diffraction grating is 950 nm as described above (the solid line of “W950 nm” in FIG. 12) and the case where it is 900 nm as another pattern (the dashed line of “W900 nm” in FIG. 12), As shown in FIG. 12, when the width (W) is reduced, the light absorption peak is shifted to the short wavelength side.

図11に示すモデルへの入射光の波長の変化に対する応答の変化とモデル寸法との相関関係を図13に示す。Au回折格子の幅が950nmである場合は、図13に示すグラフのAu回折格子の幅D(図1に示す幅dに対応)=950nmの場合に対応する。一方、Au回折格子の幅が900nmである場合は、図13に示すグラフのAu回折格子の幅D=900nmの場合に対応する。   FIG. 13 shows the correlation between the change in response to the change in the wavelength of incident light on the model shown in FIG. 11 and the model size. The case where the width of the Au diffraction grating is 950 nm corresponds to the case where the width D of the Au diffraction grating in the graph shown in FIG. 13 (corresponding to the width d shown in FIG. 1) = 950 nm. On the other hand, the case where the width of the Au diffraction grating is 900 nm corresponds to the case where the width of the Au diffraction grating D in the graph shown in FIG. 13 is 900 nm.

図11に示すモデルの共鳴点である1.94×1014Hzにおける電場強度をプロットしたものを図14に示す。図15に示す類似の先行例(Ali Sobhani, et al., "Narrowband photodetection in the near-infrared with a plasmon-induced hot electron device," Nature Communications, vol. 4, 1643, 2013.)の結果と同様の部分が見受けられるが、Airの部分の場の状態に差が見られる。 FIG. 14 shows a plot of the electric field strength at 1.94 × 10 14 Hz, which is the resonance point of the model shown in FIG. Similar to the result of a similar previous example shown in FIG. 15 (Ali Sobhani, et al., “Narrowband photodetection in the near-infrared with a plasmon-induced hot electron device,” Nature Communications, vol. 4, 1643, 2013.) However, there is a difference in the field state of the Air part.

図11に示すモデルの光吸収特性を図16に示し、図14にプロットした共鳴点とは別の共鳴点である2.6×1014Hzにおける電場強度をプロットしたものを図17に示す。図16に示すピーク(P1)はシャープではないので、複数のピークが隣接して出ていると推測される。図11に示すモデルの各種寸法を変えれば、ピーク形状や位置が変化するとも推察される。また、図17の下側のポートから光を入射させる配置は、背面配置であり、本発明に係る計測用デバイスの構成と類似する。図17において、スペクトルが異なるのは、入射する光の振動数は同じだが、高い屈折率を通って光が界面に入射するので、運動量が高いためと考えられる。 FIG. 16 shows the light absorption characteristics of the model shown in FIG. 11, and FIG. 17 shows a plot of the electric field strength at 2.6 × 10 14 Hz, which is a resonance point different from the resonance point plotted in FIG. Since the peak (P1) shown in FIG. 16 is not sharp, it is estimated that a plurality of peaks appear adjacent to each other. If various dimensions of the model shown in FIG. 11 are changed, it is assumed that the peak shape and position change. In addition, the arrangement in which light is incident from the lower port in FIG. 17 is a rear arrangement, which is similar to the configuration of the measurement device according to the present invention. In FIG. 17, the spectra are different because the frequency of incident light is the same, but the light is incident on the interface through a high refractive index, so the momentum is high.

さらに、誘電体(Air)の屈折率を変えた場合の挙動についてシミュレーションを行った。誘電体(Air)の屈折率を1.0としたときの共鳴点:2.6×1014Hzにおける電場強度をプロットしたものを図19に示す。誘電体(Air)の屈折率を1.1としたときの共鳴点:2.6×1014Hzにおける電場強度をプロットしたものを図20に示す。誘電体(Air)の屈折率を1.1としたときの共鳴点:1.95×1014Hzにおける電場強度をプロットしたものを図21に示す。これらの条件における図11のモデルの光吸収特性を図18に示す。図18に示すように、Air/Au界面に強く局在するモード共鳴において変化が大きいことが推測される。 Furthermore, a simulation was performed on the behavior when the refractive index of the dielectric (Air) was changed. FIG. 19 shows a plot of the electric field strength at a resonance point of 2.6 × 10 14 Hz when the refractive index of the dielectric (Air) is 1.0. FIG. 20 shows a plot of the electric field strength at a resonance point of 2.6 × 10 14 Hz when the refractive index of the dielectric (Air) is 1.1. FIG. 21 shows a plot of the electric field strength at the resonance point: 1.95 × 10 14 Hz when the refractive index of the dielectric (Air) is 1.1. FIG. 18 shows the light absorption characteristics of the model of FIG. 11 under these conditions. As shown in FIG. 18, it is presumed that the change is large in the mode resonance strongly localized at the Air / Au interface.

以上のシミュレーション結果から総合的に考察すると、図11に示すモデルに類似する構成において、背面照射型のSPRセンサとして利用可能であることが確認された。   Comprehensively considering the above simulation results, it was confirmed that the structure similar to the model shown in FIG. 11 can be used as a back-illuminated SPR sensor.

100A,100B,100C,100D,100E 計測用デバイス
102 計測センサ

100A, 100B, 100C, 100D, 100E Measuring device 102 Measuring sensor

Claims (15)

所定の波長の光を透過可能な半導体基板と、
前記半導体基板の表面に積層され、前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成し、前記所定の波長の光が照射された際に表面プラズモン共鳴を起こすアンテナ部を有する金属層と、
前記金属層の表面に形成され、特定の検出物質と反応可能に構成された反応層と、
を備えていることを特徴とする計測用デバイス。
A semiconductor substrate capable of transmitting light of a predetermined wavelength;
A metal layer that is laminated on the surface of the semiconductor substrate, forms a Schottky barrier at the interface with the semiconductor substrate, and has an antenna portion that causes surface plasmon resonance when irradiated with light of the predetermined wavelength;
A reaction layer formed on the surface of the metal layer and configured to be capable of reacting with a specific detection substance;
A measuring device characterized by comprising:
前記半導体基板の表面とは反対側の面と前記金属層に電気的に接続された電極部を備えていることを特徴とする請求項1に記載の計測用デバイス。   The measuring device according to claim 1, comprising a surface opposite to the surface of the semiconductor substrate and an electrode portion electrically connected to the metal layer. 前記金属層は、前記半導体基板の表面に沿って形成された共鳴部と、複数の前記共鳴部に接続された集電部と、を備えていることを特徴とする請求項1または2に記載の計測用デバイス。   The said metal layer is provided with the resonance part formed along the surface of the said semiconductor substrate, and the current collection part connected to the said some resonance part, The Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. Measuring device. 前記所定の波長は1μm以上10μm以下であり、
前記半導体基板はn型シリコンで構成され、
前記共鳴部の幅は0.5μm以上5μm以下であることを特徴とする請求項3に記載の計測用デバイス。
The predetermined wavelength is not less than 1 μm and not more than 10 μm,
The semiconductor substrate is made of n-type silicon;
The measuring device according to claim 3, wherein the resonance portion has a width of 0.5 μm or more and 5 μm or less.
前記半導体基板の表面には回折格子が形成され、
前記金属層及び前記アンテナ部は前記回折格子の表面に設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の計測用デバイス。
A diffraction grating is formed on the surface of the semiconductor substrate,
The measurement device according to claim 1, wherein the metal layer and the antenna unit are provided on a surface of the diffraction grating.
前記金属層の表面には回折格子が形成され、
前記アンテナ部は前記金属層の表面側に設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の計測用デバイス。
A diffraction grating is formed on the surface of the metal layer,
The measurement device according to claim 1, wherein the antenna unit is provided on a surface side of the metal layer.
前記アンテナ部の表面に微細な凹部及び凸部の少なくとも一方が形成され、
前記凹部及び前記凸部の幅は前記所定の波長の1/1000以上1/10以下であることを特徴とする請求項1から6の何れか一項に記載の計測用デバイス。
At least one of a fine concave portion and a convex portion is formed on the surface of the antenna portion,
The width of the said recessed part and the said convex part is 1/1000 or more and 1/10 or less of the said predetermined wavelength, The measuring device as described in any one of Claim 1 to 6 characterized by the above-mentioned.
前記半導体基板の表面にはピラーが形成され、
前記金属層及び前記アンテナ部は前記ピラーの表面に設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の計測用デバイス。
Pillars are formed on the surface of the semiconductor substrate,
The measuring device according to claim 1, wherein the metal layer and the antenna unit are provided on a surface of the pillar.
所定の波長の光を発する光源と、
前記光源に積層され、且つ前記所定の波長の光を透過可能な半導体基板と、
前記半導体基板における前記光源とは反対側の表面に積層され、前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成し、前記光源から発せられた光が照射された際に表面プラズモン共鳴を起こすアンテナ部を有する金属層と、
前記金属層の表面に形成され、特定の検出物質と反応可能に構成された反応層と、
前記半導体基板における光源側の面と前記金属層に電気的に接続された電極部と、
を備えていることを特徴とする計測センサ。
A light source that emits light of a predetermined wavelength;
A semiconductor substrate stacked on the light source and capable of transmitting light of the predetermined wavelength;
An antenna unit that is stacked on a surface of the semiconductor substrate opposite to the light source, forms a Schottky barrier at the interface with the semiconductor substrate, and causes surface plasmon resonance when irradiated with light emitted from the light source A metal layer having
A reaction layer formed on the surface of the metal layer and configured to be capable of reacting with a specific detection substance;
An electrode portion electrically connected to the light source side surface of the semiconductor substrate and the metal layer;
A measurement sensor comprising:
前記金属層は、前記半導体基板の表面に沿って形成された共鳴部と、複数の前記共鳴部に接続された集電部と、を備えていることを特徴とする請求項9に記載の計測センサ。   The measurement according to claim 9, wherein the metal layer includes a resonance part formed along a surface of the semiconductor substrate, and a current collecting part connected to the plurality of resonance parts. Sensor. 前記所定の波長は1μm以上10μm以下であり、
前記半導体基板はn型シリコンで構成され、
前記共鳴部の幅は0.5μm以上5μm以下であることを特徴とする請求項10に記載の計測センサ。
The predetermined wavelength is not less than 1 μm and not more than 10 μm,
The semiconductor substrate is made of n-type silicon;
The measurement sensor according to claim 10, wherein a width of the resonance part is 0.5 μm or more and 5 μm or less.
前記半導体基板の表面には回折格子が形成され、
前記金属層及び前記アンテナ部は前記回折格子の表面に設けられていることを特徴とする請求項9に記載の計測用センサ。
A diffraction grating is formed on the surface of the semiconductor substrate,
The sensor for measurement according to claim 9, wherein the metal layer and the antenna unit are provided on a surface of the diffraction grating.
前記金属層の表面には回折格子が形成され、
前記アンテナ部は前記金属層の表面側に設けられていることを特徴とする請求項9に記載の計測用センサ。
A diffraction grating is formed on the surface of the metal layer,
The measurement sensor according to claim 9, wherein the antenna unit is provided on a surface side of the metal layer.
前記アンテナ部の表面に微細な凹部及び凸部の少なくとも一方が形成され、
前記凹部及び前記凸部の幅は前記所定の波長の1/1000以上1/10以下であることを特徴とする請求項9から13の何れか一項に記載の計測センサ。
At least one of a fine concave portion and a convex portion is formed on the surface of the antenna portion,
The width of the said recessed part and the said convex part is 1/1000 or more and 1/10 or less of the said predetermined wavelength, The measurement sensor as described in any one of Claims 9-13 characterized by the above-mentioned.
前記半導体基板の表面にはピラーが形成され、
前記金属層及び前記アンテナ部は前記ピラーの表面に設けられていることを特徴とする請求項9に記載の計測用センサ。
Pillars are formed on the surface of the semiconductor substrate,
The measurement sensor according to claim 9, wherein the metal layer and the antenna unit are provided on a surface of the pillar.
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