JP2018515767A - 表面増強発光電界発生基体 - Google Patents

Abstract

一例では、表面増強発光（ＳＥＬ）構造体を含む分析物検出装置が提供される。誘電体層がＳＥＬ構造体の下にある。電界発生基体が誘電体層の下にある。電界発生基体は、ＳＥＬ構造体に荷電イオンを誘引するようにＳＥＬ構造体の周囲に電界を印加する。【選択図】図１

Description

表面増強発光（ＳＥＬ：surface enhanced luminescence）は、時に、無機物及び複雑な有機分子の構造を分析するために使用される。ＳＥＬは、分析物又は分析物を含有する溶液に電磁放射線又は光を集束させ、分析のために、光と分析物との間の相互作用が検出される。

表面増強発光（ＳＥＬ）プラットフォーム例の概略図である。 図１のプラットフォームを形成する方法例のフローチャートである。 別のＳＥＬプラットフォーム例の概略図である。 図１のプラットフォームを含むＳＥＬパッケージ例の概略図である。 別のＳＥＬパッケージ例の概略図である。 図１のプラットフォーム又は図３若しくは図４のパッケージを使用する方法例のフローチャートである。 別のＳＥＬプラットフォーム例の断面図である。 図７のプラットフォームの電界発生基体の拡大断面図である。 電界発生基体例を制御する回路の図である。 ＳＥＬパッケージ例のアレイを含むウェハ例の上面図である。 図１０のウェハの上の一対のパッケージ例を示す断面図である。

図１は、例としての表面増強発光（ＳＥＬ：表面増強ルミネッセンス）プラットフォーム２０を概略的に示す。本開示の目的で、「表面増強発光」は、その意味の範囲内で、表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ）におけるような表面増強ラマン放出、及び表面増強蛍光を包含する。プラットフォーム２０は、表面増強発光を使用することによって溶液内の分析物の分析を容易にする。プラットフォーム２０は、電界の発生又は確立を促進して、分析物の荷電イオンを表面増強発光構造体に誘引して表面増強発光構造体上の又はそれに隣接する分析物の濃度を増大させる。表面増強発光構造体に近接する分析物の濃度を増大させることにより、表面増強発光の性能を向上させることができる。

プラットフォーム２０は、電界発生基体２４、誘電体層２６及び表面増強発光（ＳＥＬ）構造体３０を備える。電界発生基体２４は、２つの目的、すなわち、（１）誘電体層２６及びＳＥＬ構造体３０のための基板としての役割を果たすこと、及び（２）電界を発生させてＳＥＬ構造体３０に印加するデバイスとしての役割を果たし、この電界は、分析物の荷電イオンをＳＥＬ構造体３０に誘引する。プラットフォーム２０は、検知領域の下にデバイスプログラミングを通してプログラム可能な局所電界増強領域を提供する。使用時、プラットフォーム２０は、対極（対電極）を含むより大きいパッケージに近接して配置されるか又はその一部として提供され、対極は、基体２４と協働して、ＳＥＬ構造体３０に分析物の荷電イオンを誘引する電界を発生させるか又は形成する。一実施態様では、電界発生基体は、基体２４の帯電及び放電を容易にする回路を含む。一実施態様では、電界発生基体は、基体２４の帯電及び放電の制御を容易にする集積トランジスタを備える。

一実施態様では、電界発生基体は、電界発生基体２４がバッテリ、コンセント、又は他の電流若しくは電力源に接続されなくなった後に、電荷の蓄積を促進する回路を含む。一実施態様では、電界発生基体は、基体２４がバッテリ、コンセント、又は他の電流源に接続されなくなっている間に、金属床２８の周囲にかつ金属床２８を通るとともにＳＥＬ構造体３０の周囲に電荷の連続的な提供を促進する回路を含む。言い換えれば、電界発生基体は不揮発性である。一実施態様では、電界発生基体は、電荷を蓄積するコンデンサを形成する回路を含む。一実施態様では、基体２４は、フローティングゲートＭＯＳＦＥＴトランジスタ（ＦＧＭＯＳ）を備え、そこでは、フローティングゲートは、帯電して電荷を蓄積する。一実施態様では、基体２４は、ワンタイムプログラマブル（one-time programmable）不揮発性メモリ、フィールドプログラマブルリードオンリメモリ又はフローティングゲートアバランシェインジェクションＭＯＳ（ＦＡＭＯＳ：floating gate avalanche injection MOS）とも呼ばれるプログラマブルリードオンリメモリ（ＰＲＯＭ）の形態のフローティングゲートトランジスタを備える。基体２４がＰＲＯＭフローティングゲートトランジスタを備える実施態様では、フローティングゲートは、フローティングゲート内に電子を注入するようにドレインにバイアスを印加してアバランシェ降伏を起こさせることによって、プログラムされるか又は帯電する。消去可能プログラマブルリードオンリメモリトランジスタ（ＥＰＲＯＭ）等の他のタイプのフローティングゲートトランジスタとは対照的に、ＰＲＯＭフローティングゲートトランジスタは制御ゲートを省略する。

別の実施態様では、基体２４は、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）チップ又はデバイスの形態のフローティングゲートトランジスタを備え、市販のＥＰＲＯＭチップ等、既存の市販の部品を用いてプラットフォーム２０の形成を容易にする。幾つかの実施態様では、金属床２８及びＳＥＬ構造体３０（並びに場合によっては誘電体層２６）は、市販のＥＰＲＯＭチップの上に直接形成される。幾つかの実施態様では、金属床２８及びＳＥＬ構造体３０（並びに場合によっては誘電体層２６）は、市販のＥＰＲＯＭチップの上に打抜き加工される（stamped）。

誘電体層２６は、基体２４とＳＥＬ構造体３０とを電気的に絶縁及び分離するために、基体２４とＳＥＬ構造体３０との間で基体２４の上方で支持された電気的絶縁性又は非導電性材料の層を含む。一実施態様では、誘電体層２６は、金属の酸化層を含む。一実施態様では、誘電体層２６は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ケイ素炭素又はそれらの混合物等の材料の層を含む。一実施態様では、誘電体層２６は、誘電体層２６の上にＳＥＬ構造体３０を設けるか又は形成する前に、基体２４の上に堆積される。別の実施態様では、誘電体層２６は、基体２４の最上面又は上面として設けられる。誘電体層２６は、電界発生基体２４によって生成される電荷が誘電体層２６を通過してＳＥＬ構造体３０の周囲に電界を生成するように、十分に薄く、かつ適切な材料から形成される。

ＳＥＬ構造体３０は、分析物が堆積するステージとしての役割を果たす構造体を含み、ＳＥＬ構造体３０は、分析物によって散乱されるか又は再放出される放射線の強度を増大する。構造体３０は、放射線源からの放射線が突き当たる時に分析物によって散乱されるか又は再放出される放射線の量又は光子の数を増大させることができる。一実施態様では、構造体３０は、チャンバ４０内に１つのＳＥＬ構造体又はＳＥＬ構造体群を備え、その上及び周囲に分析物２４が接触する。一実施態様では、ＳＥＬ構造体は、増強蛍光分光構造体又は表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）構造体を含む。こうした構造体は、金属面又は構造体を含むことができ、分析物と金属面との間の相互作用により、ラマン散乱放射線の強度が増大する。こうした金属面は、周期回折格子等、粗化金属面を含むことができる。別の実施態様では、こうした金属面は、集合化ナノ粒子を含むことができる。幾つかの実施態様では、こうした金属面は、金属アイランドを含むことができる。一実施態様では、こうした金属アイランドは、ピラー、ニードル、フィンガ、粒子又はワイヤ等、可撓性柱状支持体を備える。幾つかの実施態様では、可撓性柱状構造体は、上に分析物が堆積することができる金属キャップ又は頭部を含むことができる。幾つかの実施態様では、こうした柱状構造体は、金属から形成され、及び／又は印加される電界に応じて互いに向かってかつ互いから離れるように曲がるか又は撓むように寸法が決められている。幾つかの実施態様では、ＳＥＲＳ構造体は、移動可能でありかつ自己作動型であり、こうした柱状構造体は、自己組織化するように微小毛管力に応じて互いに向かって曲がるか又は撓み、こうした曲げにより、散乱放射線強度を増大させるために構造体の間の間隔を近接させることが容易になる。

幾つかの実施態様では、柱状構造体は導電性であり、それにより、柱状構造体及び／又はそれらの金属キャップ若しくは頭部は、構造体３０の柱状構造体への分析物の荷電イオンの誘引を促進するように、発生した電界を別個の箇所において増強する別個の帯電箇所を提供する。例えば、幾つかの実施態様では、柱状構造体は、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）又はＰＥＤＯＴ（若しくは時にＰＥＤＴ）等の導電性ポリマー、３，４エチレンジオキシチオフェンに基づく導電性ポリマー、又はＥＤＯＴモノマーから形成される。一実施態様では、ＳＥＬ又はＳＥＲＳ構造体は、ナノ増強ラマン分光法（ＮＥＲＳ）を促進するナノメートルスケールを有する。こうしたナノスケールＮＥＲＳ構造体は、こうした構造体に吸着される分析物によって散乱する放射線の強度を、１０^１６倍程度増大させることができる。更に他の実施態様では、こうした柱状構造体は、非導電性ポリマー等の非導電性材料から形成することができ、又はワイヤフィラメント等の金属材料から形成することができる。

全体的に、プラットフォーム２０は、分析物のためのステージとともに、分析物検出を促進するために分析物の荷電分子をＳＥＬ構造体３０に誘引するための電界の発生の両方を同時に提供する、集積された集合ユニットを提供する。幾つかの実施態様では、プラットフォーム２０は、別個の対極とともに使用される。他の実施態様では、プラットフォーム２０は、分析物検出パッケージを形成するようにハウジング用の支持体としての役割を果たす。幾つかの実施態様では、パッケージのハウジング自体が、対極を提供するか又は支持する。

図２は、ＳＥＬプラットフォーム２０を形成する例としての方法１００のフローチャートである。ブロック１０４によって示すように、上部誘電体層２６を有する電界発生基体２４が準備される。電界発生基体２４は、誘電体層２６とともに、プラットフォーム２０の残りの構成要素を基体２４に接着し、基体２４の上で成形し、打抜き加工し、又は他の方法で形成して基体２４に接合することができる、基体又は基板としての役割を果たす。

ブロック１０８によって示すように、誘電体層２６の上に金属床２８が形成される。一実施態様では、金属床２８は、誘電体層２６を金属床２８の金属でコーティングすることによって形成される。別の実施態様では、床２８は、誘電体層２６の上に金属を蒸着させることによって形成される。他の実施態様では、誘電体層２６の上に金属床２８を形成することがある。いくつかの実施態様では、誘電体層２６は金属床２８の上に形成され、その後、誘電体層２６は基体２４の上に形成されて堆積する。

ブロック１０８によって示すように、基体２４及び誘電体層２６の上にＳＥＬ構造体３０が形成される。構造体３０が周期回折格子を含む実施態様では、粗化面又は周期回折格子は、エッチング等の任意の好適な材料除去技法を用いて形成される。構造体３０が柱状構造体を備える実施態様では、こうした柱状構造体を成長させることができる。例えば、ナノワイヤシードを金属床２８及び／又は誘電体層２６の上に堆積させることができ、柱状構造体は、シラン等の材料から化学気相成長法を通して成長する。別の実施態様では、構造体３０の柱状構造体は、基板をエッチングすることによって形成することができる。例えば、一実施態様では、シリコン等の基板に反応性イオンエッチングプロセスを適用して、可撓性柱を製作することができる。シリコン基板からの材料の除去は、気体状の窒素、アルゴン又は酸素が存在する状態でのフッ素、塩素、臭素又はハロゲン等の反応性気体種の作用を通して達成することができる。更に別の実施態様では、こうした柱状構造体はナノプリンティングによって形成することができ、そこでは、ＵＶ光に曝露されると著しい架橋が可能であるポリマー等の薄膜が、ウェブの形態で床２８に塗布されてウェブの上にコーティングを生成する。一対のロールの間にウェブを通すことにより、ナノポールの形態の可撓性柱が生成され、一対のロールのうちの一方は、ウェブの高粘性薄膜コーティング内に押し付けられるレリーフパターンを有するダイであり、ウェブの上に複数のナノポールの形態でダイのレリーフパターンのネガを残す。更に別の実施態様では、基板の上に複数のナノポールの形態でダイのレリーフパターンのネガを残すために、基板をコーティングするポリマープラスチック内に押し付けられるレリーフパターンを有するダイを用いて、ポリマープラスチック等のコーティングのホットナノエンボス加工。

柱状構造体の上の金属頭部又はキャップは、金属ナノ粒子のコロイド懸濁液から構造体の上に金属を析出させること、堆積する金属層の一部を持ち上げて金属キャップを形成すること、又は強力な粒子衝撃によって、吸着される有機金属化合物を低減させること等のプロセスを利用して形成することができる。一実施態様では、薄膜真空蒸着技法を用いて金属蒸気の流れを生成して、柱状支持体の各々の上に金属を堆積させることができる。

更に別の実施態様では、金属キャップは電気めっきプロセスを用いて形成することができ、そこでは、可撓性柱は、金属陽イオンを含有するめっき溶液に浸漬される。柱状構造体に電位を印加することにより、可撓性柱の頂点において電界が増強する。電界は、頂点に金属陽イオンを誘引し、金属陽イオンの化学的還元が発生し、それにより、金属が堆積して金属キャップを成長させる。更に他の実施態様では、他のプロセスを用いてＳＥＬ構造体３０を形成することができる。

図３は、ＳＥＬプラットフォーム２０の実施態様例であるＳＥＬプラットフォーム１２０を概略的に示す。ＳＥＬプラットフォーム１２０は、金属床２８を更に備えることを除き、プラットフォーム２０と同様である。金属床２８は、表面増強発光を促進するように金属材料の床又は層を含む。金属床２８は、誘電体層２６及び下にある基体２４によって支持される。一実施態様では、金属床２８は、誘電体層２６の上で直接支持される。別の実施態様では、誘電体層２６と金属床２８との間に、更なる中間層が堆積される。ＳＥＬ構造体３０がナノフィンガ等の柱状構造体を含む一実施態様では、金属先端又はキャップの形成中、金属床２８は、こうした柱状構造体の上に形成され、ニッケル、金、白金、パラジウム、ロジウム又はそれらの合金等の金属を含む。幾つかの実施態様では、金属床２８は、アルミニウム、アルミニウム銅、タンタルアルミニウム、又はアルミニウム銅を含むタンタルアルミニウム等の金属の別の層を更に備えることができる。本開示の目的で、特に別段の断りのない限り、「金属」という用語は、単一の金属とともにその合金を包含する。一実施態様では、金属床２８は、厚さが５０ｎｍ〜８００ｎｍ、名目上３００ｎｍ〜５００ｎｍである。

図４は、例としてのＳＥＬパッケージ２００を概略的に示す。パッケージ２００は、自己完結型ユニットを含み、その中で、分析物を含有する溶液を堆積させ、後に蒸発させることができる。図示する例では、パッケージ２００は、溶液の蒸発が完了する前に溶液内の分析物の荷電イオンを構造体３０に誘引する電界の形成のための対極を提供する。パッケージ２００は上述したプラットフォーム２０を利用する。

図４に更に示すように、パッケージ２００は、ハウジング２３４及び対極２３６を更に備える。ハウジング２３４は、分析物を含有する溶液を充填し又は堆積させることができるチャンバ２４０を形成するように、床２８の上方に延在するカバー、蓋、ドーム又は他の構造体を備える。一実施態様では、ハウジング２３４は、金属床２８から直接延在し、金属床２８によって直接支持される。更に別の実施態様では、ハウジング２３４は、誘電体層２６から直接延在し、誘電体層２６によって直接支持される。更に別の実施態様では、ハウジング２３４は、基体２４から直接延在し、基体２４によって直接支持される。図示する例では、ハウジング２３４は開口部２４４を備える。一実施態様では、開口部２４４は注入口としての役割を果たし、そこを通して、分析物２５１を含有する溶液２４９をチャンバ２４０内に堆積させる。一実施態様では、ハウジング２３４はポリマーから形成される。別の実施態様では、ハウジング２３４は、ニッケル等の金属から形成され、ハウジング２３４の金属層自体が、対極２３６としての役割を果たす。

対極２３６は、チャンバ２４０に沿って金属床２８及び基体２４から間隔を空けて配置された位置においてハウジング２３４によって支持される、金属電極を含むことができる。一実施態様では、対極２３６は、ハウジング２３４のポリマー又は非導電性材料に取り付けられる。別の実施態様では、対極２３６（概略的に示す）は、ハウジング２３４の一部として一体化される。例えば、一実施態様では、ハウジング２３４は、対極２３６としての役割を果たす、ニッケル等の金属層を含むことができる。

動作時、電界発生基体２４及び金属層２８は、対極２３６と協働して、チャンバ２４０を通してかつチャンバ２４０内で電界を形成する。矢印によって示すように、電界により、分析物２５１の荷電分子又はイオンが構造体３０に誘引されかつ引き寄せられる。一実施態様では、構造体３０に向かいかつ構造体３０上での分析物の移動中又は移動後、構造体３０から遠い領域において分析物２５１の希釈された溶液２４９は、蒸発させられるか又は蒸発することができる。その後、構造体３０に光又は放射線が向けられ、分析物２５１との相互作用の結果として構造体３０から発散する光は、分析物２５１の特徴を示すように検知されるか又は検出される。一実施態様では、放射線は、ラマン分光試験プロセスの一部として構造体３０に向けられる。別の実施態様では、光又は放射線は、蛍光試験プロセスの一部として構造体３０に向けられる。

図５は、別の例としてのＳＥＬパッケージ３００を概略的に示す。パッケージ３００は、自己完結型ユニットを含み、その中で、分析物を含有する溶液を堆積させ、後に蒸発させることができる。図示する例では、パッケージ３００は、溶液の蒸発が完了する前に溶液内の分析物の荷電イオンを構造体３０に誘引する電界の形成のための対極を提供する。パッケージ３００は、上述したプラットフォーム２０を利用する。

パッケージ３００は、フローティングゲートトランジスタ３２４を備えるものとして具体的に示されていることを除き、パッケージ２００と同様である。一実施態様では、フローティングゲートトランジスタは、電界発生基体としての役割を果たす消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）デバイスを含む。別の実施態様では、フローティングゲートトランジスタは、電界発生基体としての役割を果たすプログラマブルリードオンリメモリ（ＲＯＭ）デバイスを含む。パッケージ２００の構成要素又は構造に対応するパッケージ３００の残りの構成要素又は構造は、同様に番号が付けられている。

フローティングゲートトランジスタ３２４は、時にコンピュータ及び他の電子デバイスでデータを格納するために使用されるデバイスを含む。パッケージ３００では、フローティングゲートトランジスタ３２４は、プラットフォーム３２０用の電界発生基体を提供する。フローティングゲートトランジスタ３２４は、電荷を保持するフローティングゲートを備える。パッケージ３００では、フローティングゲートを利用して、電気接地としての役割を果たす対極２３６と連続的に協働してチャンバ２４０内の電界を提供する電荷を蓄積する。その結果、パッケージ３００、特にフローティングゲートトランジスタ３２４のフローティングゲートは、パッケージ３００を使用する数時間、数日、更には数週間前にプリチャージすることができる。こうしたプリチャージに続く任意の時点でパッケージ３００を使用する用意ができるようにする、フローティングゲートトランジスタ３２４のフローティングゲートによって蓄積される電荷。一実施態様では、パッケージ３００は他のパッケージ３００とともに、製造中、配送前、又は使用前にストックするとき等、使用の前に帯電させることができる。フローティングゲートトランジスタのフローティングゲートは電荷を蓄積し、それにより、パッケージ３００の使用は、試験される溶液及び分析物でチャンバ２４０を充填することを含む。フローティングゲートによって提供されるようにすでに存在する電界は、試験を容易にするように分析物の荷電分子を構造体３０に誘引する。ＥＰＲＯＭデバイス３２４のフローティングゲートにより、パッケージ３０自体がバッテリ又はコンセント等の電流源に接続されることなく、分析物を含有する溶液の試験が容易になる。

図６は、例としてのパッケージ３００の使用方法４００を示すフローチャートである。ブロック４０４によって示すように、フローティングゲートトランジスタ３２４等の電界発生基体は、電流源等の電源に接続されて、帯電デバイスを帯電させる。電界発生基体がＥＰＲＯＭデバイスの形態でフローティングゲートトランジスタ３２４を備える実施態様では、帯電は、ソース端子及びドレイン端子を接地し、酸化物を通したフローティングゲートまでの制御ゲートトンネルに十分な電圧を配置することによって達成される。電界発生基体がＰＲＯＭデバイスの形態のフローティングゲートトランジスタを備える実施態様では、帯電は、フローティングゲート内に電子を注入するようにドレインにバイアスを印加してアバランシェ降伏を起こさせることによって達成される。

ブロック４０８によって示すように、フローティングゲートトランジスタ３２４のフローティングゲート等、電界発生基体２４が十分に帯電すると、電界発生基体は電流源である電源から切り離される。切り離されると、フローティングゲートトランジスタ３２４等の電界発生基体は、電荷を蓄積し、チャンバ２４０内に連続した又は一斉の（concert）電界を形成する。ブロック４１０によって示すように、電界発生基体又はフローティングゲートトランジスタ３２４が電流源から切り離されている間、構造体３０の周囲の電界は維持される。その結果、基体２４又はフローティングゲートトランジスタ３２４が電力又は電流源に接続されることがなくても、パッケージ２００又はパッケージ３００は使用の用意ができている。試験される分析物を含有する溶液でチャンバ２４０を充填すると（基体２４又はフローティングゲートトランジスタ３２４の初期予備帯電の数時間、数日間又は数週間後）、溶液及び分析物を電界に曝露させることができ、分析物の荷電分子が構造体３０に誘引される結果となり、構造体３０において、それらの濃度が増大して発光試験（ラマン分光法又は発光）からの検知される放射線の強度が増大する。

図７は、プラットフォーム２０の別の実施態様である、ＳＥＬプラットフォーム５２０を概略的に示す。プラットフォーム５２０は、電界発生基体５２４、誘電体層５２６、金属床５２８及びＳＥＬ構造体５３０を備えるという点で、プラットフォーム２０と同様である。電界発生基体５２４はＥＰＲＯＭデバイスを含む。図示する例では、電界発生基体５２４は、フローティングゲートトランジスタ３２４の一例である、ＥＰＲＯＭデバイスを備え、電界発生基体５２４は、チャネルがｐ型基板と反対の型の電子を含み、それによりフローティングゲートが負に帯電して正のイオンを誘引する、ｎＭｏｓｆｅｔ又はｎＭＯＳ電界効果トランジスタを備える。

図８は、電界発生基体５２４の一例を詳細に示す。図示する例では、基体５２４は、基板５６０、誘電体層５６２、誘電体層５６４、フローティングゲート５６６、誘電体層５６８及び制御ゲート５７０を備える。基板５６０はｐ型シリコン基板を含み、それは、非ドープｐ型シリコン基板によって形成されたチャネル領域５７４によって分離されたドープｎ型領域５７２を有する。誘電体層５６２は、ｎ型領域５７２とフローティングゲート５６６との間に延在する電気的絶縁層を含む。誘電体層５６４は、チャネル５７４にわたり、かつチャネル領域５７４とフローティングゲート５６６との間に延在する、電気的絶縁層を含む。一実施態様では、層５６２及び５６４は、単一の連続した層である。一実施態様では、層５６２及び５６４はリンケイ酸ガラス（ＰＳＧ）を含む。他の実施態様では、層５６２及び／又は層５６４は、限定されないが二酸化ケイ素を含む、他の電気的絶縁性又は誘電体材料から形成することができる。

フローティングゲート５６６は、層５６２、５６４によって基板５６０から間隔を空けて配置され、誘電体層５６８によって制御ゲート５７０から更に間隔を空けて配置されかつ電気的に絶縁された、導電性材料の層を含むことができる。一実施態様では、フローティングゲート５６６は、金属層又は金属膜を含む。一実施態様では、フローティングゲート５６６は、タングステン又はアルミニウムを含む。他の実施態様では、フローティングゲート５６６は他の金属から形成される。

誘電体層５６８は、フローティングゲート５６６を制御ゲート５７０から間隔を空けて配置し、制御ゲート５７０からフローティングゲート５６６を絶縁する。誘電体層５６８は、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素等の酸化物等の電気的絶縁材料を含むことができる。更に他の実施態様では、誘電体層５６８は、他の電気的絶縁材料を含むことができる。

制御ゲート５７０は、フローティングゲート５６６とは反対側で誘電体層５６８によって支持される金属層金属膜を含む。フローティングゲート５６６の帯電中、制御ゲート５７０は電流を受け取り、一方で、ｎ型領域５７２によって部分的に提供されるソース端子５７６及びドレイン端子５７８（図７に示される）は接地され、それにより、制御ゲート５７０における電圧は、誘電体５６８を通ってフローティングゲート５６６まで進む。フローティングゲート５６６における電荷は、フローティングゲート５６６がその後金属床５２８及び対極と協働してＳＥＬ構造体５３０の周囲に静電界を提供するように維持される。

他の実施態様では、電界発生基体５２４を形成するＥＰＲＯＭデバイスは、ｐＭＯＳＦＥＴ又はｐＭＯＳ電界効果トランジスタを含むことができ、図８に示す基板５６０のｎ型領域及びｐ型領域が反転して、チャネルがｎ型基板に対して反対の型の正孔を含み、それにより、フローティングゲートが正に帯電して負イオンを誘引する。こうした実施態様では、基板５６０が、ドープｎ型シリコン基板によって形成されたチャネル領域５７４によって分離された非ドープｐ型領域５７２を有するｎ型シリコン基板を含むことを除き、基体５２４は、図６及び図７に示す基体５２４と同様である。

誘電体層５２６は、上述した誘電体層２６と同様とすることができる。誘電体層５２６は、制御ゲート５７０と金属床５２８との間に形成された、酸化物等の電気的絶縁層又は誘電体層を含む。金属床５２８は、上述した金属床２８と同様である。ＳＥＬ構造体５３０は、金属キャップ５８２を有する可撓性ナノフィンガ５８０の形態の可撓性柱状構造体を含むものとして具体的に例示されていることを除き、上述したＳＥＬ構造体３０と同様である。一実施態様では、ナノフィンガ５８０は可撓性ポリマーを含み、金属キャップ５８２は、金、銀、白金、ロジウム又は他の金属を含む。

図９は、電界発生基体５２４を制御する例としての電気回路５９０を概略的に示す。図示する例では、基体５２４は、電源５９６と、基体５２４のフローティングゲートの帯電を選択的に制御し又は作動させる選択トランジスタ５９７とを更に備える。

図９及び図１０は、パッケージ２００の実施態様例である、複数のＳＥＬパッケージ６００を示す。図１０によって示すように、パッケージ６００は、ウェハ６０２の一部として半導体集積回路製造技法を用いて形成することができる。そして、ウェハ６０２の一部として形成される個々のパッケージ６００が、後に、個々のパッケージ又はパッケージの個々の組に分離される。

図１１は、ウェハ６０２の一部として形成されたパッケージ６００のうちの２つを示す断面図である。考察を容易にするために、パッケージ６００のうちの１つについて説明する。図１１によって示すように、パッケージ６００は、電界発生基体２４、誘電体層２６、金属層２８、ＳＥＬ構造体５３０、ハウジング６３４、及びシール６３６を備える。パッケージ６００の各々の電界発生基体２４、誘電体層２６、金属層２８及びＳＥＬ構造体５３０については上述した。上述したように、電界発生基体２４、誘電体層２６、金属層２８及びＳＥＬ構造体５３０はＳＥＬプラットフォーム６２０を形成し、そこでは、電界発生基体２４は、プラットフォームの残りの部分のための基板又は基礎としての役割を果たす。

ハウジング６３４は金属層２８から延在する。他の実施態様では、ハウジング６３４は、誘電体層２６又は基体２４と接触しかつそこから直接延在することができる。オリフィスプレートと呼ばれる場合もあるハウジング６３４は、金属層２８と協働して、チャンバ６４０の内部６３８を形成しかつ画定する。

ハウジング６３４は、環境への曝露からＳＥＬ構造体５３０を保護し、使用する前のＳＥＬ構造体５３０の表面の酸化を低減させるか又は防止する。ハウジング６３４は、ＳＥＬ構造体５３０が、関連しない物質、又はＳＥＬ構造体５３０が検出するように意図されている分析物に、意図せずに又は時期尚早に曝露するのを、更に低減させるか又は防止することができる。ハウジング６３４及びプラットフォーム６２０を矩形の形状のチャンバ６４０を形成するものとして図示しているが、他の実施態様では、チャンバ６４０は他の形状を有することができる。

他の実施態様では、ハウジング６３４は、マンドレルを金属の１つ又は複数の層で選択的にめっきし、その後、マンドレルを除去して開口部を有するハウジングを形成することによって形成される、壁を備える。一実施態様では、ハウジング６３４は、例えば、ニッケル、金、白金又はロジウム等の金属面を有することができる。一実施態様では、ハウジング６３４の壁は、こうした金属から完全に形成される。こうした実施態様では、金属から形成されているハウジング６３４の壁は、上述した対極２３６と同様に対極としての役割を果たし、基体２４とともに、チャンバ６４０内でＳＥＬ構造体５３０の周囲に静電界を形成する。更に他の実施態様では、めっき以外のプロセスを用いて、ハウジング６３４を非金属材料から形成することができる。

図示する例では、ハウジング６３４は、注入口６４４を更に備える。注入口６４４は、パッケージ６３４の外部からチャンバ６４０の内部６３８まで延在する通路を含む。注入口６４４は、各々、試験される分析物を含有する溶液で内部６３８を充填するのを容易にするようなサイズでありかつそのように配置される。図示する例では、注入口６４４の各々は、ハウジング６３４を通って延在する。破線によって示すように、他の実施態様では、パッケージ６００は、更に又は代替的に、他の注入口を備えることができる。

シール６３６は、注入口６４４にわたってパッケージ６００の残りの部分に結合された材料のパネル又は層を含む。シール６３６は、内部６３８の汚染を阻止するハーメチックシールを提供する。シール６３６は、パッケージ６００を使用する前の内部６３８内の金属面の酸化を阻止する。シール６３６は、パッケージ６００が以前に使用されたことを更に示す。シール６３６は、ポリマーテープ、プラスチック、透明材料、プラスチックシート、箔材料、箔シート、フィルム、膜、蝋又はポリジメチルシロキサンから形成することができる。

内部６３８内に分析物が配置されるとき、注入口６４４を通るアクセスを可能にするように、シール６３６を変更することができる。一実施態様では、シール６３６は、シール６３６が注入口６４４から剥離されるのを可能にする感圧接着剤等によって、ハウジング６３４に解除可能に又は取外し可能に接着される。更に別の実施態様では、シール６３６は、注入口６４４に穴があけられ及び／又は開口部６４４から引きはがすように、材料から形成され及び／又は寸法が決められる。更に他の実施態様では、シール６３６は、開口部６４４を通る針の挿入を可能にする隔壁を含み、隔壁は、針を引き抜く際に弾性的に閉鎖する。更に他の実施態様では、シール６３６は、開口部６４４を一時的に封止又は閉鎖する蓋、トップ、ドア、ハッチ又はキャップによって提供される。幾つかの実施態様では、シール６３６は省略される。

本開示について、実施態様例を参照して記載したが、当業者は、請求項に係る主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく形態及び細部を変更することができることを理解するであろう。例えば、異なる実施態様例について、１つ又は複数の利益を提供する１つ又は複数の特徴を含むものとして記載している場合があるが、記載した特徴を、記載した実施態様例において又は他の代替実施態様において、相互に交換するか又は代替的に互いに結合することができることが企図される。本開示の技術は比較的複雑であるため、技術の必ずしも全ての変更が予見可能ではない。実施態様例を参照して記載しかつ以下の特許請求の範囲に示す本開示は、可能な限り広いように明示的に意図されている。たとえば、特に別段の断りのない限り、単一の特定の要素を記載する請求項は、複数のこうした特定の要素も包含する。

Claims (15)

1. 表面増強発光（ＳＥＬ）構造体と、
   前記ＳＥＬ構造体の下にある誘電体層と、
   前記誘電体層の下にある電界発生基体であって、前記ＳＥＬ構造体に荷電イオンを誘引するように該ＳＥＬ構造体の周囲に電界を印加する電界発生基体と、
   を備える分析物検出装置。
2. 金属床を更に備え、該金属床から前記ＳＥＬ構造体が延在し、前記誘電体層は前記金属床の下にある、請求項１に記載の分析物検出装置。
3. 前記金属床の上方にかつ前記ＳＥＬ構造体にわたるハウジングを更に備え、該ハウジングは、前記電界の発生を促進するように対極を支持する、請求項２に記載の分析物検出装置。
4. 前記電界発生基体は集積トランジスタを備える、請求項１に記載の分析物検出装置。
5. 前記電界発生基体はフローティングゲートを備える、請求項１に記載の分析物検出装置。
6. 前記電界発生基体は、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）チップを備える、請求項１に記載の分析物検出装置。
7. 前記電界発生基体は、
   基板と、
   前記基板によって支持されるソース電極と、
   前記基板によって支持されるドレイン電極と、
   前記ソース電極と前記ドレイン電極との間のチャネル材料と、
   前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記チャネル材料と対向して間隔を空けて配置されたフローティングゲートであって、前記誘電体層は、該フローティングゲートと前記ＳＥＬ構造体との間にある、フローティングゲートと、
   を備える、請求項１に記載の分析物検出装置。
8. 電界発生基体を提供する消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）デバイスと、
   前記ＥＰＲＯＭデバイスによって支持される誘電体層と、
   前記誘電体層の上方に延在する誘電体表面増強発光（ＳＥＬ）構造体と、
   を備える装置。
9. 前記誘電体層によって支持される金属床を更に備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記金属床と協働して前記ＳＥＬ構造体の周囲にチャンバを形成するハウジングと、
    前記ハウジングによって支持される対極と、
    を更に備える、請求項９に記載の装置。
11. 前記ハウジングは、前記対極を形成する金属層を備える、請求項１０に記載の装置。
12. 電界発生基体の上部誘電体層の上方に表面増強発光（ＳＥＬ）構造体を形成するステップを含む方法。
13. 前記電界発生基体の上に電荷を蓄積するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記誘電体層の上方に金属床を形成するとともに、該金属床の上方にハウジングを形成するステップを更に含み、該ハウジングは、該金属床と協働してチャンバを形成し、前記金属床から間隔を空けて配置された対極を支持する、請求項１１に記載の方法。
15. 前記電界発生基体はフローティングゲートトランジスタを備える、請求項１１に記載の方法。

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