JP2024024376A - Electrical measurement type surface plasmon resonance sensor and electrical measurement method using the same - Google Patents
Electrical measurement type surface plasmon resonance sensor and electrical measurement method using the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024024376A JP2024024376A JP2022127164A JP2022127164A JP2024024376A JP 2024024376 A JP2024024376 A JP 2024024376A JP 2022127164 A JP2022127164 A JP 2022127164A JP 2022127164 A JP2022127164 A JP 2022127164A JP 2024024376 A JP2024024376 A JP 2024024376A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- plasmon resonance
- film
- incident
- light
- angle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 title claims description 138
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 title claims description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 122
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 121
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 115
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 115
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 114
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 34
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 23
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 22
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 19
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 17
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 11
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 6
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 5
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 5
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 5
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 5
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002772 conduction electron Substances 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 2
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- NCGICGYLBXGBGN-UHFFFAOYSA-N 3-morpholin-4-yl-1-oxa-3-azonia-2-azanidacyclopent-3-en-5-imine;hydrochloride Chemical compound Cl.[N-]1OC(=N)C=[N+]1N1CCOCC1 NCGICGYLBXGBGN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 101000574352 Mus musculus Protein phosphatase 1 regulatory subunit 17 Proteins 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- NZZFYRREKKOMAT-UHFFFAOYSA-N diiodomethane Chemical compound ICI NZZFYRREKKOMAT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
【課題】 作製工程が煩雑でなく、且つ、コストを抑えることができる、電気測定型SPRセンサを提供すること。【解決手段】 SPRセンサ100Aは、厚み方向に直交する第一主面121及び第二主面122ならびに第一主面121と第二主面122とのそれぞれの周縁を接続する側面123を有する透明基板120と、透明基板120の第一主面121上に形成され、電極膜131、シリコン半導体膜132、及びプラズモン共鳴膜133を有し、これらがこの順で第一主面121上に積層配置されるように構成されるセンサ部130と、を有するセンサチップ140と、電極膜131及びプラズモン共鳴膜133に電気的に接続され、シリコン半導体膜132にて発電することにより生じる電流又は電圧を測定する電気的測定装置150と、を備える。また、透明基板120の側面123に、光を入射する入射側面123aが形成される。【選択図】 図1An object of the present invention is to provide an electrical measurement type SPR sensor whose manufacturing process is not complicated and which can reduce costs. SOLUTION: The SPR sensor 100A is a transparent sensor having a first main surface 121 and a second main surface 122 that are perpendicular to the thickness direction, and a side surface 123 that connects the respective peripheral edges of the first main surface 121 and the second main surface 122. It is formed on a substrate 120 and a first main surface 121 of the transparent substrate 120, and has an electrode film 131, a silicon semiconductor film 132, and a plasmon resonance film 133, which are stacked in this order on the first main surface 121. A sensor chip 140 having a sensor section 130 configured to An electrical measurement device 150 is provided. Furthermore, an incident side surface 123a through which light is incident is formed on a side surface 123 of the transparent substrate 120. [Selection diagram] Figure 1
Description
本開示は、電気測定型表面プラズモンセンサ及びそれを用いた電気的測定方法に関する。 The present disclosure relates to an electrical measurement type surface plasmon sensor and an electrical measurement method using the same.
表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)とは、金属表面の自由電子が集団的振動(プラズマ振動)を起こしている状態を言う。SPRには、金属表面を伝播する伝播型表面プラズモン共鳴(PSPR:Propagating Surface Plasmon Resonamce)と、ナノメートルサイズの金属構造に局在する局在型表面プラズモン共鳴(LSPR:Localized Surface Plasmon Resonance)と、が含まれる。 Surface plasmon resonance (SPR) refers to a state in which free electrons on a metal surface cause collective oscillations (plasma oscillations). SPR includes Propagating Surface Plasmon Resonance (PSPR), which propagates on metal surfaces, and Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR), which localizes in nanometer-sized metal structures. And, is included.
PSPRは、金属表面でプラズマ振動を起こした自由電子の周囲に発生した電場と入射する光との相互作用による共鳴現象である。PSPRが励起されると、プラズマ振動と界面に沿って進む電磁波とが結合した電子粗密波(表面プラズモンポラリトン、SPP:Surface Plasmon Polariton)が金属表面に沿って伝播する。LSPRは、プラズマ振動によって金属ナノ粒子等の金属ナノ構造が分極、誘起されて電気双極子を生成する現象である。 PSPR is a resonance phenomenon caused by the interaction between incident light and an electric field generated around free electrons that cause plasma oscillations on a metal surface. When PSPR is excited, an electron compression wave (SPP: Surface Plasmon Polariton), which is a combination of plasma vibration and electromagnetic waves traveling along the interface, propagates along the metal surface. LSPR is a phenomenon in which metal nanostructures such as metal nanoparticles are polarized and induced by plasma vibration to generate electric dipoles.
SPRを利用して試料の屈折率の変化量を検出する表面プラズモン共鳴センサ(SPRセンサ)が開発されている。一般的に、SPRセンサは、金属薄膜からなるプラズモン共鳴膜とプリズムとを有する。SPRセンサのプリズムを介してプラズモン共鳴膜の一方の面に光を入射させるとともに光の入射角を変化させながら反射光強度を測定することにより、光の全反射領域のある特定の入射角(プラズモン共鳴角)で反射光強度が極小となる入射角-反射率曲線を得ることができる。入射角-反射率曲線は試料の屈折率により変化するので、得られた入射角-反射率曲線に基づいて、試料の屈折率の変化量を検出することができる。 A surface plasmon resonance sensor (SPR sensor) has been developed that uses SPR to detect the amount of change in the refractive index of a sample. Generally, an SPR sensor has a plasmon resonance film made of a thin metal film and a prism. By making light incident on one surface of the plasmon resonance film through the prism of the SPR sensor and measuring the intensity of reflected light while changing the incident angle of the light, it is possible to detect a specific incident angle (plasmon resonance) in the total reflection area of the light. It is possible to obtain an incident angle-reflectance curve in which the reflected light intensity becomes minimum at the resonance angle). Since the incident angle-reflectance curve changes depending on the refractive index of the sample, the amount of change in the refractive index of the sample can be detected based on the obtained incident angle-reflectance curve.
特許文献1は、電気測定型SPRセンサを開示する。図4は、特許文献1に開示の従来の電気測定型SPRセンサを示す。図4に示すように、特許文献1に開示の電気測定型SPRセンサ500は、プリズム510と、透明基板520およびセンサ部530を有するセンサチップ540と、電気的測定装置550とを備える。
Patent Document 1 discloses an electrical measurement type SPR sensor. FIG. 4 shows a conventional electrical measurement type SPR sensor disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. 4, an electrical measurement
プリズム510上にセンサチップ540の透明基板520が配設され、透明基板520上にセンサ部530が配設される。センサ部530は、電極膜531(例えばITO電極膜)、シリコン半導体膜532、プラズモン共鳴膜533を有し、これらがこの順で透明基板520上に積層配置されるように構成される。電気的測定装置550は、センサ部530の電極膜531及びプラズモン共鳴膜533に電気的に接続されており、接続端子間に流れる電流又は接続端子間の電圧を測定することができるように構成される。
A
特許文献1に開示の電気測定型SPRセンサ500において、図4に示すようにプリズム510の斜面から光を入射させると、入射光は、透明基板520、電極膜531及びシリコン半導体膜532を通過してプラズモン共鳴膜533に到達する。プラズモン共鳴膜533への光の入射角を臨界角以上に調整することにより、入射光はプラズモン共鳴膜533にて全反射する。このとき生じるエバネッセント波とプラズモン共鳴膜533とが相互作用すると、表面プラズモン共鳴が励起される。表面プラズモン共鳴が励起されることにより、入射光のエネルギーが奪われるため,反射光の強度が低下する。
In the
また、入射光及びその反射光がシリコン半導体膜532を通過することにより、シリコン半導体膜532が発電する。この発電の大きさは、例えば電流又は電圧として、電気的測定装置550により測定される。ここで、上記したように表面プラズモン共鳴が励起されている場合には反射光強度が低下するために、反射光がシリコン半導体膜532を通過することによる発電の大きさも低下する。すなわち、シリコン半導体膜532を光が通過することによる発電の大きさは、表面プラズモン共鳴の励起の有無に影響される。
Further, the
従って、プラズモン共鳴膜533の表面上に試料Sが配設されている場合に表面プラズモン共鳴が励起されるような入射角で光をプリズム510に入射させたときに電気的測定装置550により電力の大きさ(例えば電流)を測定し、その大きさを、試料を変えて測定することにより、試料Sを解析(例えば試料Sと他の試料との屈折率の変化量(屈折率差)を検出)することができる。
Therefore, when light is incident on the
(発明が解決しようとする課題)
特許文献1に開示の電気測定型SPRセンサ500を作製する場合、透明基板520の一方の主面上に、電極膜531、シリコン半導体膜532、プラズモン共鳴膜533をこの順に成膜する。その後、透明基板520の他方の主面にプリズム510を配設する。このとき透明基板520とプリズム510との間に空気層が介在しないように、実際にはプリズム510上に屈折率調整液(例えばジヨードメタン)を滴下し、滴下した屈折率調整液を介在させて、プリズム510と透明基板520とを密着させる。
(Problem to be solved by the invention)
When manufacturing the
上記のようにプリズム510と透明基板520との間に屈折率調整液を介在させる必要があると、SPRセンサの作製工程が煩雑化する。屈折率調整液を用いることなくSPRセンサを作製するためには、プリズムそのものを成膜用の基板として使用することが考えられるが、プリズムを特注することになるためコストが高騰し、例えばディスポーザブルなSPRセンサとして用いることはできない。
If it is necessary to interpose the refractive index adjustment liquid between the
本発明は、作製工程が煩雑でなく、且つ、コストを抑えることができる、電気測定型SPRセンサ、及び、それを用いた電気的測定方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an electrical measurement type SPR sensor whose manufacturing process is not complicated and which can reduce costs, and an electrical measurement method using the same.
本開示は、厚み方向に直交する第一主面(121)及び第二主面(122)ならびに第一主面と第二主面とのそれぞれの周縁を接続する側面(123)を有する透明基板(120)と、透明基板の第一主面上に形成され、電極膜(131)、シリコン半導体膜(132)、及びプラズモン共鳴膜(133)を有し、これらがこの順で第一主面上に積層配置されるように構成されるセンサ部(130)と、を有するセンサチップ(140)と、電極膜及びプラズモン共鳴膜に電気的に接続され、シリコン半導体膜にて発電することにより生じる電流又は電圧を測定する電気的測定装置(150)と、を備え、透明基板の側面に、光を入射する入射側面(123a)が形成される、電気測定型表面プラズモン共鳴センサ(100A,100B)を提供する。 The present disclosure provides a transparent substrate having a first main surface (121) and a second main surface (122) perpendicular to the thickness direction, and a side surface (123) connecting the respective peripheral edges of the first main surface and the second main surface. (120), is formed on the first main surface of the transparent substrate, and has an electrode film (131), a silicon semiconductor film (132), and a plasmon resonance film (133), which are arranged on the first main surface in this order. A sensor chip (140) having a sensor part (130) configured to be stacked on top of the sensor chip (140) is electrically connected to an electrode film and a plasmon resonance film, and is generated by power generation in a silicon semiconductor film. An electrical measuring surface plasmon resonance sensor (100A, 100B) comprising an electrical measuring device (150) that measures current or voltage, and an incident side surface (123a) through which light enters is formed on the side surface of a transparent substrate. I will provide a.
この場合、プラズモン共鳴膜の膜面と入射側面とのなす角が、略90°である、というように構成することもできる。 In this case, the angle between the film surface of the plasmon resonance film and the incident side surface may be approximately 90°.
また、本開示は、上記の電気測定型表面プラズモン共鳴センサ(100A,100B)を用いた電気的測定方法であって、入射側面(123a)から光が入射するとともに入射した光がプラズモン共鳴膜(133)に到達し且つプラズモン共鳴膜に到達した光がプラズモン共鳴膜にて全反射するように、所定の入射角で光を入射側面に入射させる工程と、所定の入射角で光を入射側面に入射させているときにシリコン半導体膜での発電によって生じる電流又は電圧を電気的測定装置(140)にて測定する工程と、を含む、電気的測定方法を提供する。 The present disclosure also provides an electrical measurement method using the above electrical measurement type surface plasmon resonance sensor (100A, 100B), in which light is incident from the incident side surface (123a) and the incident light is transmitted to the plasmon resonance membrane ( 133) and the plasmon resonance film is totally reflected by the plasmon resonance film. An electrical measurement method is provided, which includes the step of measuring, using an electrical measurement device (140), a current or voltage generated by power generation in a silicon semiconductor film while the light is being incident on the silicon semiconductor film.
この場合、所定の入射角は、プラズモン共鳴膜に入射した光が全反射することにより生じるエバネッセント波とプラズモン共鳴膜が相互作用することにより表面プラズモン共鳴が励起される角度として予め定められるように構成することもできる。 In this case, the predetermined incident angle is configured to be predetermined as an angle at which surface plasmon resonance is excited by interaction between the plasmon resonance film and an evanescent wave generated by total reflection of light incident on the plasmon resonance film. You can also.
本開示によれば、透明基板の入射側面から光を入射させることにより、プリズムを省略することができる。このため透明基板とプリズムとの間に屈折率調整液を滴下させる必要もないため作製工程を簡便化することができる。また、プリズムを用いないので、電気測定型表面プラズモン共鳴センサのコストを低減することができる。 According to the present disclosure, the prism can be omitted by allowing light to enter from the incident side of the transparent substrate. Therefore, there is no need to drop a refractive index adjustment liquid between the transparent substrate and the prism, so the manufacturing process can be simplified. Furthermore, since no prism is used, the cost of the electrical measurement type surface plasmon resonance sensor can be reduced.
また、本開示は、厚み方向に直交する第一主面(221)及び第二主面(222)ならびに第一主面と第二主面とのそれぞれの周縁を接続する側面(223)を有する透明基板(220)と、透明基板の第一主面上に形成されたプラズモン共鳴膜(225)と、透明基板の第二主面上に形成され、電極膜(231)、シリコン半導体膜(232)、及び反射導電膜(233)を有し、これらがこの順で積層配置されるように構成される発電部(230)と、を有するセンサチップ(240)と、電極膜及び反射導電膜に電気的に接続され、シリコン半導体膜にて発電することにより生じる電流又は電圧を測定する電気的測定装置(250)と、を備え、透明基板の側面に、光を入射する入射側面(223a)が形成される、電気測定型表面プラズモン共鳴センサ(200A,200B)を提供する。 Further, the present disclosure has a first main surface (221) and a second main surface (222) perpendicular to the thickness direction, and a side surface (223) connecting the respective peripheral edges of the first main surface and the second main surface. A transparent substrate (220), a plasmon resonance film (225) formed on the first main surface of the transparent substrate, an electrode film (231), and a silicon semiconductor film (232) formed on the second main surface of the transparent substrate. ) and a reflective conductive film (233), a power generation unit (230) configured such that these are stacked in this order; It includes an electrical measuring device (250) that is electrically connected and measures the current or voltage generated by power generation in the silicon semiconductor film, and has an incident side surface (223a) on the side surface of the transparent substrate through which light is incident. An electrometric surface plasmon resonance sensor (200A, 200B) is provided.
この場合、プラズモン共鳴膜の膜面と前記入射側面とのなす角が、略90°である、というように構成することもできる。 In this case, the angle between the membrane surface of the plasmon resonance membrane and the incident side surface may be approximately 90 degrees.
また、本開示は、上記の電気測定型表面プラズモン共鳴センサ(200A,200B)を用いた電気的測定方法であって、入射側面(223a)から光が入射するとともに入射した光がシリコン半導体膜(232)を通過するよりも前にプラズモン共鳴膜(225)に到達し且つプラズモン共鳴膜に到達した光がプラズモン共鳴膜にて全反射するように、所定の入射角で光を入射側面に入射させる工程と、所定の入射角で光を入射側面に入射させているときにシリコン半導体膜(232)での発電によって生じる電流又は電圧を電気的測定装置(250)にて測定する工程と、を含む、電気的測定方法を提供する。 The present disclosure also provides an electrical measurement method using the electrical measurement type surface plasmon resonance sensor (200A, 200B), in which light is incident from the incident side surface (223a) and the incident light is transmitted to a silicon semiconductor film (200A, 200B). The light reaches the plasmon resonance film (225) before passing through the plasmon resonance film (232) and is made incident on the incident side surface at a predetermined incident angle so that the light that reaches the plasmon resonance film is totally reflected by the plasmon resonance film. and a step of measuring, with an electrical measuring device (250), the current or voltage generated by power generation in the silicon semiconductor film (232) when light is incident on the incident side surface at a predetermined incident angle. , provides an electrical measurement method.
この場合、所定の入射角は、プラズモン共鳴膜に入射した光が全反射することにより生じるエバネッセント波とプラズモン共鳴膜が相互作用することにより表面プラズモン共鳴が励起される角度として予め定められるように構成することもできる。 In this case, the predetermined incident angle is configured to be predetermined as an angle at which surface plasmon resonance is excited by interaction between the plasmon resonance film and an evanescent wave generated by total reflection of light incident on the plasmon resonance film. You can also.
上記開示によれば、透明基板の入射側面から光を入射させることにより、プリズムを省略することができる。このため透明基板とプリズムとの間に屈折率調整液を滴下させる必要もないため作製工程を簡便化することができる。また、プリズムを用いないので、電気測定型表面プラズモン共鳴センサのコストを低減することができる。 According to the above disclosure, the prism can be omitted by allowing light to enter from the incident side of the transparent substrate. Therefore, there is no need to drop a refractive index adjustment liquid between the transparent substrate and the prism, so the manufacturing process can be simplified. Furthermore, since no prism is used, the cost of the electrical measurement type surface plasmon resonance sensor can be reduced.
さらに、上記開示によれば、透明基板から入射した光を、シリコン半導体膜よりも先にプラズモン共鳴膜に入射させることができる。このためプラズモン共鳴膜にて表面プラズモン共鳴が生じている場合に電気的測定装置により測定される電力の大きさと、プラズモン共鳴膜にて表面プラズモン共鳴が生じていない場合に電気的測定装置により測定される電力の大きさとの差をより大きくすることができる。これにより、電気測定型表面プラズモン共鳴センサの感度を大幅に向上することができる。 Furthermore, according to the above disclosure, the light incident from the transparent substrate can be caused to enter the plasmon resonance film before the light enters the silicon semiconductor film. For this reason, the magnitude of the power measured by the electrical measuring device when surface plasmon resonance is occurring in the plasmon resonant membrane, and the magnitude of the power measured by the electrical measuring device when surface plasmon resonance is not occurring in the plasmon resonating membrane. It is possible to further increase the difference between the amount of power and the amount of power that is generated. Thereby, the sensitivity of the electrometric surface plasmon resonance sensor can be significantly improved.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第一実施形態)
図1は、第一実施形態に係る電気測定型表面プラズモン共鳴センサ(以下、単にSPRセンサと言う)100Aの概略的な構成を示す。図1に示すように、本実施形態に係るSPRセンサ100Aは、透明基板120およびセンサ部130を有するセンサチップ140と、電気的測定装置150と、を備える。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic configuration of an electrometric surface plasmon resonance sensor (hereinafter simply referred to as SPR sensor) 100A according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
透明基板120は、センサ部130を支持する機能を有する。透明基板120の材質としては、光を透過できるものであれば特に制限されず、例えば、ガラス、プラスチックやフィルム等の高分子有機化合物でも良い。透明基板120としてガラス基板が好適に用いられる。
The
透明基板120は薄板状に形成され、本実施形態では直方体の外形形状を呈する。透明基板120は、その外面が、表面である第一主面121、裏面である第二主面122、及び4つの側面123からなる六面体である。第一主面121及び第二主面122はともに同形の矩形状であり、厚み方向に互いに対向する。4つの側面123は、第一主面121と第二主面122のそれぞれの厚み方向に対向する周縁(それぞれの4辺)を接続する平面である。第一主面121と第二主面122との間の距離が透明基板120の厚さを表し、第一主面121及び第二主面122は、厚み方向に直交する平面であり、4つの側面123は、厚み方向に平行な平面である。そして、透明基板120の4つの側面123のうちの1つが、入射側面123aである。入射側面123aは鏡面研磨されている。つまり、透明基板120の側面123には、鏡面研磨された入射側面123aが形成されている。透明基板120の形状は、第一主面121、第二主面122、および側面123を有していれば、特に限定されない。例えば、多角柱状の透明基板を用いることもできる。また、透明基板120の厚さは、薄板状であるのが好ましいが、特に限定されない。ここにおいて、「薄板状」は、第一主面121又は第二主面122の代表径(例えば外接円径や幾何平均径)、最大径、或いは周長が厚さよりも大きい形状として定義することができる。
The
センサ部130は、透明基板120の第一主面121上に形成(成膜)される。センサ部130は、電極膜131と、シリコン半導体膜132と、プラズモン共鳴膜133とを有する。そして、センサ部130は、図1に示すように、電極膜131、シリコン半導体膜132、プラズモン共鳴膜133が、この順に透明基板120の第一主面121に積層されることにより形成される。
The
電極膜131は透明基板120の第一主面121上に成膜される。電極膜131の材質としては、半導体分野において電極として従来から用いられているものの中から適宜選択して用いることができる。例えば、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、窒化チタン(TiN)、ITO(Indium tin oxide)、FTO(Fluorine-doped tin oxide)、及び他元素(アルミニウムやガリウム等)をドープしたZnO等の金属酸化物などの透明導電性材料を、電極膜131の材質として例示できる。
The
電極膜131は、できるだけ光を多く透過できる透明導電膜により構成されるのが望ましい。電極膜131の光透過率は、波長400~1500nmのいずれかの波長の光を垂直に入射させたときに40%以上であるのが好ましく、50%以上であるのがより好ましく、60%以上であるのがさらに好ましい。また、電極膜131の厚さは、1~1000nmであるのが良い。
It is desirable that the
電極膜131の成膜方法は、特に限定されないが、スパッタリングにより電極膜131を透明基板120の第一主面121上に成膜する方法を一例として例示できる。
The method for forming the
シリコン半導体膜132は、シリコン半導体からなる膜である。シリコン半導体膜132は、入射する光を吸収して発電する機能を有するように構成される。この場合、シリコン半導体膜132は、P型シリコン半導体とN型シリコン半導体とを接合してなる結晶系シリコン半導体であってもよいし、P型シリコン半導体とN型シリコン半導体との間にノンドープシリコン半導体を介在させたアモルファスシリコン半導体であっても良い。なお、アモルファスシリコン半導体を用いる場合、P型シリコン半導体を省略したIN型シリコン半導体を用いても良い。N型シリコン半導体にドープする元素として、リン(P)、アンチモン(Sb)、ヒ素(As)を例示でき、P型シリコン半導体にドープする元素として、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)を例示できる。
The
また、シリコン半導体膜132は、光を透過できる性質を有する。このようなシリコン半導体膜132の光透過率は、波長400~1500nmのいずれかの波長の光を垂直に入射させた場合の光透過率が1~80%であることが好ましく、5~70%であることがより好ましく、5~50%であることがさらに好ましい。さらに、シリコン半導体膜132の光透過率は、波長400~700nmのいずれかの波長の光を垂直に入射させた場合の光透過率、好ましくは波長675nmの光を垂直に入射させた場合の光透過率が、1~70%であることが好ましく、5~70%であることがより好ましく、5~50%であることがさらにより好ましい。
Further, the
シリコン半導体膜132の厚さは、1000nm以下であることが好ましく、1~1000nmであることがより好ましく、5~750nmであることがさらに好ましく、10~500nmであることがさらにより好ましい。シリコン半導体膜132の厚さが1nm未満であると、シリコン半導体が膜として存在できず、半導体としての十分な機能を果たさない。一方、シリコン半導体膜132の厚さが1000nmを超えると、光透過率が減少してプラズモン共鳴膜133に到達する光強度が小さくなり、プラズモン共鳴が発生し難くなる傾向にある。
The thickness of the
シリコン半導体膜132は、透明基板120の第一主面121上に成膜された電極膜131上に成膜される。シリコン半導体膜132の成膜方法は特に限定されないが、例えば、スパッタリング、或いはCVD法によりシリコン半導体膜132を電極膜131上に成膜する方法を例示することができる。
The
プラズモン共鳴膜133は、入射光が全反射する場合に表面プラズモン共鳴を生じ得るプラズモニック材料からなる膜状体である。さらに、プラズモン共鳴膜133は、電極膜131の対極として機能し得る材料により構成される。プラズモン共鳴膜133の材料として、金属、金属窒化物、及び金属酸化物を例示でき、これらのうちの1種を単独で用いても良く2種以上を用いる複合材料であっても良い。プラズモン共鳴膜133の材料に好ましい金属として、金(Au)、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、亜鉛(Zn)、及びナトリウム(Na)を例示できる。プラズモン共鳴膜133の材料に好ましい金属窒化物として窒化チタン(TiN)を例示できる。プラズモン共鳴膜133の材料に好ましい金属酸化物として、ITO(Indium tin oxide)、FTO(Fluorine-doped tin oxide)、他元素(アルミニウムやガリウム等)をドープしたZnOを、例示できる。中でも、プラズモン共鳴膜133の材料として、Au、Ag、Al、Cu、Pt、Pd、及びTiNからなる群より選択される少なくとも1種であることが好ましく、Au、Ag、Al、Cu及びPtからなる群より選択される少なくとも1種であることがより好ましい。
The
また、プラズモン共鳴膜133の厚さは、200nm以下であることが好ましく、1~200nmであることがより好ましく、1~150nmであることがさらに好ましく、5~100nmであることがさらにより好ましく、10~60nmであることがさらにより好ましい。プラズモン共鳴膜133の厚さが1nm未満であると、プラズモン共鳴膜133が膜として存在できなくなる傾向にある。一方、プラズモン共鳴膜133の厚さが200nmを超えると、入射光の入射面と反対側の面に生成され得るエバネッセント波が弱くなって十分な表面プラズモン共鳴(特に表面プラズモンポラリトン)が励起できなくなる傾向にある。また、プラズモン共鳴膜133の厚さは、測定対象である試料Sの屈折率としてより広範囲の屈折率(好ましくは、1.33~1.40の範囲)を測定可能となる傾向にあるという観点からは、10~34nmであることが好ましい。また、プラズモン共鳴膜133の厚さは、試料Sの屈折率の変化に対して電流値の変化率を大きくするという観点からは、35~60nmであることが好ましい。
Further, the thickness of the
プラズモン共鳴膜133は、透明基板120の第一主面121に成膜されている電極膜131上に成膜されたシリコン半導体膜132上に成膜される。プラズモン共鳴膜133の成膜方法は、特に限定されないが、例えば、スパッタリングによりプラズモン共鳴膜133をシリコン半導体膜132上に成膜する方法を例示することができる。
The
電気的測定装置150は、センサ部130の電極膜131及びプラズモン共鳴膜133に電気的に接続されており、接続端子間に流れる電流又は接続端子間の電圧を測定する機能を有する。この電気的測定装置150のそれぞれの接続端子は、接続導線により、電極膜131及びプラズモン共鳴膜133に電気的にそれぞれ接続される。従って、電気的測定装置150は、2つの接続端子にそれぞれ接続される電極膜131とプラズモン共鳴膜133とに挟まれているシリコン半導体膜132での発電により得られる電流或いは電圧を測定することができる。接続導線の材質としては、公知の材質、例えば、白金、金、パラジウム、鉄、銅、アルミニウム等の材質を例示できる。また、電気的測定装置150としては、電圧値又は電流値を測定できるものであれば特に制限されず、例えば、半導体デバイスアナライザ、電流測定器、電圧測定器を例示できる。
The
図2は、本実施形態に係る他のSPRセンサ100Bの概略的な構成を示す。図2に示すSPRセンサ100Bのセンサ部130’は、図1に示すセンサ部130の構成に加えて、接着層135をさらに備える。接着層135は、シリコン半導体膜132とプラズモン共鳴膜133との間に設けられており、プラズモン共鳴膜133の剥離を防止する機能を有する。接着層135の材質として、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、窒化チタン(TiN)を例示でき、シリコン半導体膜132がノンドープシリコン以外のシリコン半導体膜からなる場合にはノンドープシリコン膜が接着層であっても良い。接着層135としては、これらのうち1種を含む単層であっても2種以上積層された複層であってもよい。また、接着層135は、プラズモン共鳴膜133の剥離が防止できる程度に設けられていれば、シリコン半導体膜132とプラズモン共鳴膜133との境界面を全て覆っていなくてもよい。SPRセンサ100Bは、接着層135がセンサ部130’に設けられているという構成を除き、SPRセンサ100Aの構成と同一である。従って、それ以外の構成については、図1のSPRセンサ100Aに示される構成と同一の符号を付して、その説明は省略する。
FIG. 2 shows a schematic configuration of another
シリコン半導体膜132とプラズモン共鳴膜133との間に接着層135が介在する場合、接着層135により入射光強度が減衰することによって、プラズモン共鳴膜133にて光が全反射することにより生じるエバネッセント波が弱くなり、十分な強さの表面プラズモン共鳴を励起できなくなる傾向にある。よって、接着層135の厚さは薄い方が良く、25nm以下であることが好ましく、1~25nmであることがより好ましく、1~10nmであることがさらに好ましい。
When the
また、図1及び図2に示すように、透明基板120の入射側面123aは、プラズモン共鳴膜133の膜面(プラズモン共鳴膜133が膜状に拡がる平面、図1及び図2においては下面)に対してほぼ垂直な面である。換言すると、プラズモン共鳴膜133の膜面と入射側面123aとのなす角は、略90°である。ここに言う「略90°」は、90°から製造誤差或いは設計誤差範囲内で変動する角度を含む概念である。
In addition, as shown in FIGS. 1 and 2, the
プラズモン共鳴膜133の表面上に測定用の試料Sが配設される。そして、プラズモン共鳴膜133の表面上に試料Sを配設した状態で、SPRセンサ100A又は100Bを用いて、電気的測定装置150による電気的測定が行われる。この場合における電気的測定方法は、入射工程及び測定工程を含む。入射工程では、透明基板120の入射側面123aから光が入射し、入射した光がプラズモン共鳴膜133に到達し、プラズモン共鳴膜133に到達した光がプラズモン共鳴膜133にて全反射するように、所定の入射角(外部入射角θout)で光を入射側面123aに入射させる。測定工程では、上記所定の入射角で光を入射側面123aに入射させているときに、シリコン半導体膜132での発電によって生じる電流又は電圧を、電気的測定装置150にて測定する。
A sample S for measurement is placed on the surface of the
入射工程を実行することにより、透明基板120の入射側面123aからSPRセンサ100A,200Aに入射した光は、透明基板120、電極膜131、及びシリコン半導体膜132を通過し、プラズモン共鳴膜133に到達する。また、プラズモン共鳴膜133に到達した光が全反射すると、プラズモン共鳴膜133の表面側(上面側)に染み出すエバネッセント波が生じる。そして、プラズモン共鳴膜133に対する光の入射角(内部入射角θin)が特定の入射角(プラズモン共鳴角θr)になると、エバネッセント波とプラズモン共鳴膜133が相互作用して表面プラズモン共鳴が強く励起される。
By performing the incident step, the light incident on the
また、SPRセンサ100A,100Bに入射した光がシリコン半導体膜132を通過する際に、シリコン半導体膜132のPIN接合構造、PN接合構造或いはIN接合構造にて内部光電効果により伝導電子と正孔が生じ、これらが移動することにより光起電力が発生する。すなわち、発電する。こうして生じた発電電力が、測定工程にて電気的測定装置150によって、電流値又は電圧値として測定される。
Further, when the light incident on the
シリコン半導体膜132にて発電した電力の大きさ(電流値又は電圧値)は、シリコン半導体膜132を通過する光の強度が高いほど大きい。ここで、プラズモン共鳴膜133への光の入射角(内部入射角θin)がプラズモン共鳴角θr若しくはその近傍の角度であるときには、表面プラズモン共鳴が生じることによって入射光の一部がプラズモン共鳴膜133に大きく吸収される。そのため反射光の強度は大きく低下する。よって、表面プラズモン共鳴が生じているとき、すなわち内部入射角θinがプラズモン共鳴角θr若しくはその近傍の角度であるときには、電気的測定装置150により測定される電力の大きさ(例えば電流)は、極端に小さくなる傾向にある。
The magnitude of the electric power (current value or voltage value) generated by the
プラズモン共鳴角θrは、プラズモン共鳴膜133の表面上の試料Sの屈折率によって変化する。よって、プラズモン共鳴角θrを特定することにより、プラズモン共鳴膜133上に配設した試料Sの屈折率を特定することができる。また、標準試料(例えば水)を配設した場合と測定用の試料Sを配設した場合とのプラズモン共鳴角θrの差(Δθ)を測定することにより、標準試料の屈折率に対する試料Sの屈折率の変化量を検出することができる。さらに、内部入射角θin又は外部入射角θout(透明基板120の入射側面123aでの光の入射角)を、プラズモン共鳴が励起される角度に予め固定しておき、標準試料をプラズモン共鳴膜133の表面上に配設した場合に電気的測定装置150によって測定される電力の大きさ(例えば電流)と、試料Sをプラズモン共鳴膜133の表面上に配設した場合に電気的測定装置150によって測定される電力の大きさ(例えば電流)との差ΔLを測定することによっても、標準試料の屈折率に対する試料Sの屈折率の変化量を検出することができる。
The plasmon resonance angle θr changes depending on the refractive index of the sample S on the surface of the
ここで、本実施形態に係るSPRセンサ100A,100Bは、図1及び図2を見てわかるように、プリズムを備えない。そして、本実施形態では、光は、透明基板120の裏面(第二主面122)からではなく、透明基板120の側面123(入射側面123a)から入射される。
Here, the
図3は、SPRセンサ100Aの透明基板120の裏面である第二主面122から光を入射させた場合の光の反射の様子を示す図である。図3に示すように、第二主面122から透明基板120に入射した光は、外部入射角θoutに対して屈折角θbが小さくなるように屈折する。
FIG. 3 is a diagram showing how light is reflected when the light is incident from the second
また、透明基板120の第二主面122で屈折した光は、電極膜131、シリコン半導体膜132を経てプラズモン共鳴膜133に到達する。ここで、電極膜131およびシリコン半導体膜132にて光が全反射しないように、これらの膜の屈折率は透明基板120の屈折率と同じかそれよりも大きくされている。従って、透明基板120から入射した光はプラズモン共鳴膜133に屈折角θb以下の内部入射角θinで入射する。
Further, the light refracted by the second
また、プラズモン共鳴膜133とシリコン半導体膜132との界面における臨界角θcは、以下の(1)式により求められる。
θc=sin-1(ns/nsi) (1)
ここで、nsは試料sの屈折率であり、nsiはシリコン半導体膜132の屈折率である。なお、プラズモン共鳴膜133は極めて薄いため、上記(1)式においてプラズモン共鳴膜133の屈折率は無視できる。そのため、上記(1)式の臨界角θcは、試料sとシリコン半導体膜132との界面の臨界角といえ、試料sの屈折率nsとシリコン半導体膜132の屈折率nsiとから求めることができる。
Further, the critical angle θc at the interface between the
θc=sin −1 (n s /n si ) (1)
Here, n s is the refractive index of the sample s, and n si is the refractive index of the
シリコン半導体膜132の屈折率nsiが透明基板120の屈折率と等しく、かつ、試料sが空気である場合、外部入射角θoutが90°のときに内部入射角θinが臨界角θcとなる。一方、試料sが水或いは水溶液である場合、試料sの屈折率nsは空気の屈折率よりも大きいので、試料sが空気の場合と比べて臨界角θcが大きくなる。このため、外部入射角θoutをどのように調整したとしても、内部入射角θinを臨界角θc以上にすることができない。つまり、図3の場合においては内部入射角θinの可変範囲が臨界角θc未満の角度範囲に限定されるため、内部入射角θinが臨界角θc以上である状態を実現できない。よって、透明基板120の第二主面122から光を入射させた場合、プラズモン共鳴膜133にて光を全反射させることは、原則的に不可能である。
When the refractive index n si of the
これに対し、図1又は図2に示すように、透明基板120の入射側面123aから光を入射させた場合、透明基板120への外部入射角θoutをプラズモン共鳴膜133の膜面の垂線(図1及び図2において上下に平行な線)と光の入射方向とのなす角と考えると、屈折角θbおよび内部入射角θinは外部入射角θoutよりも大きくなる。このため外部入射角θoutを可変させることで、内部入射角θinの可変範囲を臨界角θcを含む角度範囲に調整することができる。よって、内部入射角θinを臨界角θcよりも大きく設定することができる。従って、プラズモン共鳴膜133にて光を全反射させることができ、さらにプラズモン共鳴を十分に起こすことができるように内部入射角θinを設定することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 1 or FIG. 1 and 2) and the incident direction of light, the refraction angle θb and the internal incidence angle θin are larger than the external incidence angle θout. Therefore, by varying the external incident angle θout, the variable range of the internal incident angle θin can be adjusted to an angular range that includes the critical angle θc. Therefore, the internal incidence angle θin can be set larger than the critical angle θc. Therefore, the light can be totally reflected by the
図5は、図1に示すSPRセンサ100Aを用いて、外部入射角θoutを変化させながら測定工程を実施した場合に得られる入射角-電流値曲線のシミュレーション結果を示すグラフである。ここで、入射角-電流値曲線は、上述した入射角-反射率曲線に対応するものであり、図5においては外部入射角θoutと電気的測定装置150により測定される電流値との関係を表す。また、図6は、図4に示すプリズム510を用いた従来のSPRセンサ500を用いて光をプリズム510の斜面から入射させた場合における、入射角-電流値曲線のシミュレーション結果を示すグラフである。図5及び図6において、横軸は透明基板120又はプリズム510への光の入射角(外部入射角θout)であり、縦軸が、電気的測定装置150により検出される電流値の相対量(%)である。この電流値の相対量は、図5では、具体的には、入射した光量に対する電流に寄与する光吸収量(吸収光量)の割合として算出されている。なお、図5及び図6における外部入射角θoutは、透明基板120又はプリズム510に入射する光の入射方向と、プラズモン共鳴膜133又は533の膜面の垂線とのなす角である。
FIG. 5 is a graph showing simulation results of an incident angle-current value curve obtained when a measurement process is performed using the
また、図5及び図6において、グラフAは、透明基板120(又はプリズム510)の屈折率が1.450、グラフBは、透明基板120(又はプリズム510)の屈折率が1.500、グラフCは、透明基板120(又はプリズム510)の屈折率が1.550、グラフDは、透明基板120(又はプリズム510)の屈折率が1.600、グラフEは、透明基板120(又はプリズム510)の屈折率が1.650、グラフFは、透明基板120(又はプリズム510)の屈折率が1.700、グラフGは、透明基板120(又はプリズム510)の屈折率が1.750、グラフHは、透明基板120(又はプリズム510)の屈折率が1.80、の場合の、それぞれの入射角-電流値曲線である。 In addition, in FIGS. 5 and 6, graph A indicates that the refractive index of the transparent substrate 120 (or prism 510) is 1.450, and graph B indicates that the refractive index of the transparent substrate 120 (or prism 510) is 1.500. In graph C, the refractive index of the transparent substrate 120 (or prism 510) is 1.550, in graph D, the refractive index of the transparent substrate 120 (or prism 510) is 1.600, and in graph E, the refractive index of the transparent substrate 120 (or prism 510) is 1.600. ) has a refractive index of 1.650, graph F has a refractive index of transparent substrate 120 (or prism 510) of 1.700, graph G has a refractive index of transparent substrate 120 (or prism 510) of 1.750, and graph H is each incident angle-current value curve when the refractive index of the transparent substrate 120 (or prism 510) is 1.80.
また、各グラフA~Hは、それぞれ一対のグラフからなる。一対のグラフの一方は、プラズモン共鳴膜133又は533の表面上に標準試料としての水(屈折率1.333)を配設した場合の入射角-電流値曲線を表し、一対のグラフの他方は、プラズモン共鳴膜133又は533の表面上に屈折率1.34の物質(例えばスクロースの濃度を調整した水溶液)を配設した場合の入射角-電流値曲線を表す。
Furthermore, each of the graphs A to H consists of a pair of graphs. One of the pair of graphs represents the incident angle-current value curve when water (refractive index 1.333) is placed as a standard sample on the surface of the
図5のグラフA,B,C,D,Eにおいて、上に凸となるポイントA1,B1,C1,D1,E1がある。これらのポイントが示す外部入射角θoutが、プラズモン共鳴膜133に入射する光の臨界角に対応する外部入射角である全反射開始角θsである。全反射開始角θsよりも大きい外部入射角範囲が、プラズモン共鳴膜133にて光が全反射する範囲である。同様に、図6のグラフA~Hにおいて、上に凸となるポイントA1,B1,C1,D1,E1,F1,G1,H1がある。このポイントが示す外部入射角θoutが、プラズモン共鳴膜533に入射する光の臨界角に対応する全反射開始角θsである。全反射開始角θsよりも大きい外部入射角範囲が、プラズモン共鳴膜533にて光が全反射する範囲である。
In the graphs A, B, C, D, and E of FIG. 5, there are points A1, B1, C1, D1, and E1 that are convex upward. The external incidence angle θout indicated by these points is the total reflection start angle θs, which is the external incidence angle corresponding to the critical angle of light incident on the
また、図5のグラフA,B,C,D,E,Fにおいて、電流値が概ね極小値(下に凸)となるポイントA2,B2,C2,D2,E2,F2がある。これらのポイントが示す外部入射角θoutが、プラズモン共鳴角θrに対応する角度である。同様に、図6のグラフB,C,D,E,F,G,Hにおいて、電流値が極小値(下に凸)となるポイントB2,C2,D2,E2,F2,G2,H2がある。このポイントが示す外部入射角θoutが、プラズモン共鳴角θrに対応する角度である。外部入射角θoutがプラズモン共鳴角θrに対応する角度であるとき、プラズモン共鳴膜133,533にて表面プラズモン共鳴が最も強く励起される。
Further, in the graphs A, B, C, D, E, and F of FIG. 5, there are points A2, B2, C2, D2, E2, and F2 where the current value is approximately the minimum value (convex downward). The external incidence angle θout indicated by these points is the angle corresponding to the plasmon resonance angle θr. Similarly, in graphs B, C, D, E, F, G, and H in Fig. 6, there are points B2, C2, D2, E2, F2, G2, and H2 where the current value is a minimum value (convex downward). . The external incident angle θout indicated by this point is the angle corresponding to the plasmon resonance angle θr. When the external incidence angle θout is an angle corresponding to the plasmon resonance angle θr, surface plasmon resonance is most strongly excited in the
図5及び図6からわかるように、透明基板120又はプリズム510の屈折率が小さくなるほど、全反射開始角θsが大きくなっていく。同様に、透明基板120又はプリズム510の屈折率が小さくなるほど、プラズモン共鳴角θrに対応する外部入射角θoutが大きくなっていく。
As can be seen from FIGS. 5 and 6, the smaller the refractive index of the
また、図6に示すように、従来のSPRセンサ500を用いた場合、プリズム510の屈折率が1.450~1.800の範囲において、プラズモン共鳴角θrに対応する外部入射角θoutは、55°~85°の範囲内に分布する。これに対し、図5に示すように、本実施形態のSPRセンサ100Aを用いた場合、透明基板120の屈折率が1.450~1.800の範囲において、プラズモン共鳴角θrに対応する外部入射角θoutは、20°~75°の広い範囲内に分布する。これは、本実施形態のように透明基板120の入射側面123aから光を入射させた場合、外部入射角θoutが小さい角度からプラズモン共鳴膜133での内部入射角θinをプラズモン共鳴角θrに設定することができるのに対し、図4に示すSPRセンサ500では、外部入射角θoutが所定の大きさ(例えば50°)より大きい場合でないと、プラズモン共鳴膜533での内部入射角θinをプラズモン共鳴角θrに設定することができないことを意味する。
Further, as shown in FIG. 6, when using the
図7は、図5のグラフEのポイントE2付近の拡大図である。図8は、図6のグラフFのポイントF2付近の拡大図である。これらの図には、一対のグラフが描かれている。図7のグラフEaは、プラズモン共鳴膜133の表面に標準試料としての水(屈折率1.333)を配設した場合の入射角-電流値曲線を示し、図7のグラフEbは、プラズモン共鳴膜133の表面に屈折率1.34の物質(例えばスクロースの濃度を調整した水溶液)を配設した場合の入射角-電流値曲線を示す。図8のグラフFaは、プラズモン共鳴膜533の表面に水(屈折率1.333)を配設した場合の入射角-電流値曲線を示し、図8のグラフF2は、プラズモン共鳴膜533の表面に屈折率1.34の物質(例えばスクロースの濃度を調整した水溶液)を配設した場合の入射角-電流値曲線を示す。
FIG. 7 is an enlarged view of the vicinity of point E2 of graph E in FIG. FIG. 8 is an enlarged view of the vicinity of point F2 of graph F in FIG. A pair of graphs are depicted in these figures. A graph Ea in FIG. 7 shows an incident angle-current value curve when water (refractive index 1.333) is provided as a standard sample on the surface of the
図7からわかるように、グラフEaにおいてプラズモン共鳴角に対応する外部入射角(以下、外部共鳴角と言う場合もある)θraは、グラフEbの外部共鳴角θrbよりも小さい。同様に、図8からわかるように、グラフFaの外部共鳴角θraは、グラフFbの外部共鳴角θrbよりも小さい。 As can be seen from FIG. 7, the external incidence angle (hereinafter sometimes referred to as external resonance angle) θra corresponding to the plasmon resonance angle in the graph Ea is smaller than the external resonance angle θrb in the graph Eb. Similarly, as can be seen from FIG. 8, the external resonance angle θra of the graph Fa is smaller than the external resonance angle θrb of the graph Fb.
また、図7と図8とを比較してわかるように、図7のグラフEbの外部共鳴角θrbとグラフEaの外部共鳴角θraとの差Δθ1は、図8のグラフFbの外部共鳴角θrbとグラフFaの外部共鳴角θraとの差Δθ2よりも大きい。 Furthermore, as can be seen by comparing FIGS. 7 and 8, the difference Δθ1 between the external resonance angle θrb of the graph Eb in FIG. 7 and the external resonance angle θra of the graph Ea is equal to the external resonance angle θrb of the graph Fb in FIG. is larger than the difference Δθ2 between the external resonance angle θra of the graph Fa and the external resonance angle θra of the graph Fa.
また、図7において外部入射角θoutを36°に固定した場合におけるグラフE1の電流値LaとグラフE2の電流値Lbとの差ΔL1は、図8において外部入射角θoutを68°に固定した場合におけるグラフF1の電流値LaとグラフF2の電流値Lbとの差ΔL2よりも大きい。 Furthermore, the difference ΔL1 between the current value La of graph E1 and the current value Lb of graph E2 when the external incidence angle θout is fixed at 36° in FIG. 7 is the same as when the external incidence angle θout is fixed at 68° in FIG. is larger than the difference ΔL2 between the current value La of the graph F1 and the current value Lb of the graph F2.
Δθ1がΔθ2よりも大きく、ΔL1がΔL2よりも大きい理由は、以下のように推察される。すなわち、図5と図6とを比較してわかるように、本実施形態に係るSPRセンサ100Aを用いた場合、入射した光がプラズモン共鳴膜133にて全反射する外部入射角の角度範囲が広く、図5の各グラフの全反射領域は図6の各グラフの全反射領域を横に引き伸ばしたように描かれている。このため、図5の各グラフA~Hのそれぞれにおいて、一対のグラフの外部共鳴角どうしの間隔も広がるので、Δθ1はΔθ2よりも大きくなる。また同様に、図5の各グラフA~Hのそれぞれの一対のグラフにおいて、所定の外部入射角θoutにおける電流値の差も広がるので、ΔL1はΔL2よりも大きくなる。
The reason why Δθ1 is larger than Δθ2 and ΔL1 is larger than ΔL2 is inferred as follows. That is, as can be seen by comparing FIGS. 5 and 6, when the
このように、本実施形態に係るSPRセンサ100A,100Bを使用し、透明基板120の入射側面123aへの入射角を表面プラズモン共鳴が励起される角度に予め設定(固定)して、標準試料及び測定用の試料Sに対して入射工程及び測定工程を実施することにより、標準試料について得られる電流値(或いは電圧値)と測定用の試料Sについて得られる電流値(或いは電圧値)との差を従来よりも拡大することができる。このため試料Sの屈折率の変化量をより精度良く検出することができる。
In this way, using the
また、本実施形態によれば、透明基板120の入射側面123aから光を入射させることにより、プリズムを用いなくても、プラズモン共鳴膜133にて表面プラズモン共鳴を生じさせることができるとともに、上記した入射工程及び測定工程を実施することで、試料Sの屈折率の変化量を測定することができる。このためプリズムを省略することができるとともに、プリズムと透明基板との間に屈折率調整液を介在させる必要もない。よって、SPRセンサの作製工程を簡便化することができるとともに、SPRセンサのコストを低減することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, by allowing light to enter from the
(第二実施形態)
次に、第二実施形態について説明する。図9は、第二実施形態に係るSPRセンサ200Aの概略的な構成を示す。図9に示すように、第二実施形態に係るSPRセンサ200Aは、透明基板220、プラズモン共鳴膜225、発電部230を有するセンサチップ240と、電気的測定装置250と、を備える。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 9 shows a schematic configuration of an
透明基板220は、上記第一実施形態で説明した透明基板120と同一の構成であり、第一主面221、第二主面222、及び4つの側面223を有する直方体状に形成される。そして、4つの側面223のうちの1つが、入射側面223aである。入射側面223aは鏡面研磨されている。つまり、透明基板220の側面223に、鏡面研磨された入射側面223aが形成される。
The
プラズモン共鳴膜225は、透明基板220の第一主面221上に形成される。また、発電部230は、透明基板220の第二主面222上に設けられる。従って、透明基板220がプラズモン共鳴膜225と発電部230とに挟まれているように、センサチップ240が構成される。
プラズモン共鳴膜225は、上記第一実施形態にて説明したプラズモン共鳴膜133と同様の機能を有するように構成される。プラズモン共鳴膜225の材質として、上記第一実施形態にて説明したプラズモン共鳴膜133の材質の例示に示された材質を用いることができる。
The
発電部230は、電極膜231、シリコン半導体膜232、及び反射導電膜233を有し、電極膜231、シリコン半導体膜232、及び反射導電膜233がこの順で、透明基板220の第二主面222上に積層配置されてなるように構成される。
The
電極膜231及びシリコン半導体膜232の構成は、上記第一実施形態にて説明した電極膜131及びシリコン半導体膜132の構成と同一である。また、反射導電膜233は、電極として使用できる程度に導電性が高く、且つ光を反射する機能を有するように構成される。反射導電膜233は、プラズモン共鳴膜225と同じ材質により構成されていてもよい。例えば、プラズモン共鳴膜225がAu膜である場合、反射導電膜233もAu膜とすることができる。また、反射導電膜233は、プラズモン共鳴膜225と異なる材質により構成されていても良い。例えば、プラズモン共鳴膜225がAu膜であり、反射導電膜233がAg膜である、という構成を採用することができる。
The configurations of the
電気的測定装置250は、発電部230の電極膜231及び反射導電膜233に電気的に接続されており、接続端子間に流れる電流又は接続端子間の電圧を測定する機能を有する。この電気的測定装置250は、第一実施形態に係る電気的測定装置150と同様に、接続導線により、電極膜231及び反射導電膜233にそれぞれ電気的に接続される。
The
図10は、第二実施形態の他の例に係るSPRセンサ200Bの概略的な構成を示す。図10に示すSPRセンサ200Bは、図9に示すSPRセンサ200Aの構成に加えて、さらに第一接着層235及び第二接着層237を備える。第一接着層235は、透明基板220とプラズモン共鳴膜225との間に設けられる。第二接着層237は、発電部230のシリコン半導体膜232と反射導電膜233との間に設けられる。第一接着層235は、プラズモン共鳴膜225の剥離を防止するために設けられる。第二接着層237は、反射導電膜233の剥離を防止するために設けられる。第二接着層237の材質としては、上記第一実施形態にて説明した接着層135の材質の例示に示す材質を採用することができる。第一接着層235の材質としては、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、窒化チタン(TiN)を例示できる。
FIG. 10 shows a schematic configuration of an
また、本実施形態においても、透明基板220の入射側面223aは、プラズモン共鳴膜225の膜面(プラズモン共鳴膜225が膜状に拡がる平面、図9及び図10においては下面)に対してほぼ垂直な面である。換言すると、プラズモン共鳴膜225の膜面と入射側面223aとのなす角は、略90°である。
Also in this embodiment, the
プラズモン共鳴膜225の表面上に、測定用の試料Sが配設される。なお、反射導電膜233がプラズモン共鳴膜としても使用できる材質である場合、試料Sは、プラズモン共鳴膜225及び反射導電膜233の双方の表面上に配設することもできる。そして、プラズモン共鳴膜225の表面上に試料Sを配設した状態で、SPRセンサ200A又は200Bを用いて、電気的測定装置250による電気的測定が行われる。この場合における電気的測定方法は、入射工程及び測定工程を含む。入射工程では、透明基板220の入射側面223aから光が入射するとともに、入射した光が発電部230のシリコン半導体膜232を通過するよりも前にプラズモン共鳴膜225に到達し、且つプラズモン共鳴膜225に到達した光がプラズモン共鳴膜225にて全反射するように、所定の外部入射角θoutで光を入射側面223aに入射させる。測定工程では、所定の外部入射角θoutで光を入射側面223aに入射させているときにシリコン半導体膜232での発電によって生じる電流又は電圧を電気的測定装置250にて測定する。
A sample S for measurement is placed on the surface of the
入射工程を実行することにより、透明基板220の入射側面223aからSPRセンサ200A,200Bに入射した光は、透明基板220を出射した後に、最初に(すなわち発電部230のシリコン半導体膜232を通過するよりも前に)、プラズモン共鳴膜225に到達し且つプラズモン共鳴膜225に到達した光がプラズモン共鳴膜225にて全反射する。プラズモン共鳴膜225にて全反射した光は、再度、透明基板220を通過した後に、発電部230の電極膜231、シリコン半導体膜232を経由して、反射導電膜233に到達する。この反射導電膜233にて反射した光は、再びシリコン半導体膜232、電極膜231を経由して透明基板220に入射される。
By performing the incident step, the light that has entered the
この入射工程にて、プラズモン共鳴膜225にて光が全反射することにより生じるエバネッセント波とプラズモン共鳴膜225とが相互作用した場合に、表面プラズモン共鳴が生じる。表面プラズモン共鳴が生じることにより、反射光の強度が大きく低下する。一方、表面プラズモン共鳴が生じなければ、反射光の強度はさほど低下しない。
In this incident step, surface plasmon resonance occurs when the evanescent wave generated by total reflection of light on the
また、SPRセンサ200A,200Bに入射した光が発電部230のシリコン半導体膜232を通過する際に、シリコン半導体膜232のPIN接合構造、PN接合構造或いはIN接合構造にて内部光電効果により伝導電子と正孔が生じ、これらが移動することにより光起電力が発生する。すなわち、発電する。こうして生じた発電電力は、電気的測定装置250によって、電流値又は電圧値として測定される。測定された電流値又は電圧値に基づいて、試料Sを解析(例えば屈折率の変化量を検出)することができる。
Furthermore, when the light incident on the
上記第一実施形態に係るSPRセンサ100A,100Bにおいては、透明基板120の入射側面123aから入射した光は、プラズモン共鳴膜133に到達する前にシリコン半導体膜132を通過する。このため、プラズモン共鳴膜133にて表面プラズモン共鳴が生じるか否かにかかわらず、最初にシリコン半導体膜132を通過した光により発電が起こる。よって、プラズモン共鳴膜133にて表面プラズモン共鳴が生じている場合も生じていない場合も、最初にシリコン半導体膜132を通過した光によって発電する際の発電量は同じであり、発電量に差異が生じるのは、プラズモン共鳴膜133を反射した後の光がシリコン半導体膜132を通過する際に発生する発電量である。つまり、最初にシリコン半導体膜132を通過した光による発電は、試料Sの解析(屈折率の変化量の検出)に寄与しない発電と言える。
In the
また、上記第一実施形態に係るSPRセンサ100A,100Bにおいて、最初にシリコン半導体膜132を通過した光の強度は最も高いので、発電量も最も多い。従って、最も多い発電分が、電気的測定装置150の測定結果による試料Sの屈折率の変化量の検出に反映されないため、SPRセンサの感度を十分に高めることができない虞がある。
Furthermore, in the
これに対し、本実施形態に係るSPRセンサ200A,200Bにおいては、透明基板220の入射側面223aから透明基板220に入射した光は、発電部230のシリコン半導体膜232を通過するよりも前に、プラズモン共鳴膜225に到達する。従って、その後にシリコン半導体膜232を通過する光は全て、プラズモン共鳴膜225における表面プラズモン共鳴の励起の有無の影響を受けた光となる。このため、プラズモン共鳴膜225にて表面プラズモン共鳴が生じていれば、それにより光の強度が大きく低下し、こうして強度が大きく低下した光がはじめからシリコン半導体膜232を通過することになるため、シリコン半導体膜232での発電量が大幅に低下する。一方、プラズモン共鳴膜225にて表面プラズモン共鳴が生じていなければ、光の強度はほとんど低下しない。よって、この場合には、強度が低下していない光がシリコン半導体膜232を通過することにより、シリコン半導体膜232での発電量が大きくなる。このように、本実施形態に係るSPRセンサ200A,200Bを用いることにより、プラズモン共鳴膜225にて表面プラズモン共鳴が生じている場合と生じていない場合とで、発電量の差(例えば出力電流の差)を大きくすることができる。これにより、SPRセンサの感度を大幅に向上することができる。
On the other hand, in the
図11Aは、第一実施形態に係るSPRセンサ100Aについての入射角-電流値曲線のシミュレーション結果を示すグラフである。ここで、図11Aのグラフの横軸は、プラズモン共鳴膜133への光の入射角である内部入射角θinであり、縦軸は電流値の相対量(%)である。なお、図11Aには、SPRセンサ100Aに配設する試料Sの屈折率を1.3330~1.3360まで段階的に変化させた場合におけるそれぞれの入射角-電流値曲線が示されている。
FIG. 11A is a graph showing simulation results of the incident angle-current value curve for the
また、図11Bは、図11Aのグラフを、内部入射角θinが臨界角θcである場合を基準に正規化したグラフである。具体的には、図11Bは、臨界角θcにおける縦軸の値を1として、図11Aに示すグラフを正規化したグラフである。 Further, FIG. 11B is a graph obtained by normalizing the graph of FIG. 11A based on the case where the internal incident angle θin is the critical angle θc. Specifically, FIG. 11B is a graph obtained by normalizing the graph shown in FIG. 11A by setting the value of the vertical axis at the critical angle θc to 1.
図11Bによれば、内部入射角θinが臨界角θcであるときにおける電流値CA1に対する、電流値CA1と内部入射角θinがプラズモン共鳴角θrであるときにおける電流値CA2との差分(CA1-CA2)の割合R(=(CA1-CA2)/CA1)が、55.4%であることがわかる。つまり、内部入射角θinが臨界角θcからプラズモン共鳴角θrまで変化したときにおける電流値の低減率が、55.4%である。 According to FIG. 11B, the difference (CA1−CA2 ) is found to be 55.4%. That is, the reduction rate of the current value when the internal incidence angle θin changes from the critical angle θc to the plasmon resonance angle θr is 55.4%.
図12Aは、第二実施形態に係るSPRセンサ200Aを用いて、入射角を変化させながら測定工程を実施した場合に得られる入射角-電流値曲線のシミュレーション結果を示すグラフである。図12Aのグラフの横軸は図11Aのグラフと同様にプラズモン共鳴膜225への光の入射角である内部入射角θinであり、縦軸は電流値の相対量(%)である。なお、図12Aにも、SPRセンサ200Aに配設する試料Sの屈折率を1.3330~1.3360まで段階的に変化させた場合におけるそれぞれの入射角-電流値曲線が示されている。
FIG. 12A is a graph showing simulation results of an incident angle-current value curve obtained when the measurement process is performed while changing the incident angle using the
図12Bは、図12Aのグラフを臨界角θcを基準に正規化したグラフである。図12Bによれば、内部入射角θinが臨界角θcであるときの電流値CB1に対する、電流値CB1と内部入射角θinがプラズモン共鳴角θrであるときにおける電流値CB2との差(CB1-CB2)の割合R(=(CB1-CB2)/CB1)が94.6%であることがわかる。つまり、内部入射角θinが臨界角θcからプラズモン共鳴角θrまで変化したときにおける電流の低減率が、94.6%である。 FIG. 12B is a graph obtained by normalizing the graph of FIG. 12A based on the critical angle θc. According to FIG. 12B, the difference (CB1−CB2 ) is found to be 94.6%. In other words, the current reduction rate when the internal incident angle θin changes from the critical angle θc to the plasmon resonance angle θr is 94.6%.
このように、第二実施形態に係るSPRセンサ200Aを用いることにより、第一実施形態に係るSPRセンサ100Aを用いる場合と比較して、プラズモン共鳴角θrでの電流値の低減率を約1.7倍にまで大きくすることができる。このため、プラズモン共鳴角θr付近の入射角-電流値曲線の勾配をより急峻にすることができる。そして、入射角-電流値曲線の勾配が急峻であればあるほど、試料Sの屈折率の違いによる電流の大きさの差ΔLが大きくなる。このためSPRセンサの感度を大幅に向上することができる。
As described above, by using the
[実施例1]第一実施形態に係るSPRセンサの作製
(1)ガラス基板への電極膜の成膜
縦19.6mm、横19.6mm、厚さ2.0mmの直方体状のガラス基板(S-NBH5、屈折率:670nmの入射光に対し、1.648)を準備した。次いで、ガラス基板の側面の一つを鏡面研磨することにより、側面に入射側面を形成した。次いで、ガラス基板の一方の主面(第一主面)上に、電極膜としてのITO膜(高耐久透明導電膜、電気抵抗5Ω)を成膜した。
[Example 1] Production of the SPR sensor according to the first embodiment (1) Formation of electrode film on glass substrate A rectangular parallelepiped glass substrate (S -NBH5, refractive index: 1.648) was prepared for incident light of 670 nm. Next, one of the side surfaces of the glass substrate was mirror-polished to form an incident side surface on the side surface. Next, an ITO film (highly durable transparent conductive film, electrical resistance 5Ω) was formed as an electrode film on one main surface (first main surface) of the glass substrate.
(2)シリコン半導体膜の成膜
次に、ガラス基板上に成膜されているITO膜上に、n型シリコン半導体膜を成膜した。この場合において、株式会社アルバック製のスパッタリング装置QAM-4を用い、ターゲットとしてフルウチ化学株式会社製のP(リン)ドープn型Si(電気抵抗率0.02Ω・cm以下)を使用して、スパッタリング法によって、ITO膜上に厚さ20nmのn型シリコン半導体膜を成膜した。
(2) Formation of silicon semiconductor film Next, an n-type silicon semiconductor film was formed on the ITO film formed on the glass substrate. In this case, sputtering was performed using a sputtering device QAM-4 manufactured by ULVAC Co., Ltd., using P (phosphorus)-doped n-type Si (electrical resistivity 0.02 Ω cm or less) manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd. as a target. An n-type silicon semiconductor film with a thickness of 20 nm was formed on the ITO film by a method.
次に、n型シリコン半導体膜上に、上記と同じ装置を用い、ターゲットとしてフルウチ化学株式会社製のノンドープSi(電気抵抗率1000Ω・cm以上)を使用して、スパッタリング法によって、厚さ170nmのi型シリコン半導体膜を成膜した。ITO膜上に成膜されたn型シリコン半導体膜とi型シリコン半導体膜が、シリコン半導体膜を構成する。このシリコン半導体膜は、アモルファスである。 Next, a film with a thickness of 170 nm was deposited on the n-type silicon semiconductor film by sputtering using the same equipment as above and using non-doped Si manufactured by Furuuchi Chemical Co., Ltd. (electrical resistivity 1000 Ω cm or more) as a target. An i-type silicon semiconductor film was formed. An n-type silicon semiconductor film and an i-type silicon semiconductor film formed on the ITO film constitute a silicon semiconductor film. This silicon semiconductor film is amorphous.
(3)プラズモン共鳴膜の成膜
次いで、上記のようにして成膜したシリコン半導体膜上(i型シリコン半導体膜上)に、上記と同じ装置を用い、ターゲットとして田中貴金属工業株式会社製のAu(純度99.99%)を使用して、スパッタリング法によって、厚さ50nmのAu膜(プラズモン共鳴膜)を成膜した。
(3) Formation of plasmon resonance film Next, using the same apparatus as above, Au manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. was deposited on the silicon semiconductor film formed as described above (on the i-type silicon semiconductor film). (purity 99.99%), a 50 nm thick Au film (plasmon resonance film) was formed by sputtering.
(4)電気的測定装置の接続
次いで、ITO膜とプラズモン共鳴膜との間に電気的測定装置を接続した。電気的測定装置としてキーサイト・テクノロジー株式会社製の半導体デバイスアナライザB1500Aを用いた。
(4) Connection of electrical measuring device Next, an electrical measuring device was connected between the ITO film and the plasmon resonance film. A semiconductor device analyzer B1500A manufactured by Keysight Technologies Co., Ltd. was used as an electrical measuring device.
以上の各工程を経て、第一実施形態に係るSPRセンサ100Aを作製した。
Through the above steps, an
[実施例2]第二実施形態に係るSPRセンサの作製
(1)ガラス基板への電極膜の成膜
実施例1と同様の構成のガラス基板の他方の主面(第二主面)上に、電極膜として、実施例1と同様の構成のITO膜(高耐久透明導電膜、電気抵抗5Ω)を成膜した。
(2)シリコン半導体膜の成膜
次に、ガラス基板上に成膜されているITO膜上に、実施例1と同様の構成のn型シリコン半導体膜を、同様の方法により成膜した。次いで、成膜したn型シリコン半導体膜上に、実施例1と同様の構成のi型シリコン半導体膜を、同様の方法により成膜した。
[Example 2] Production of an SPR sensor according to the second embodiment (1) Formation of an electrode film on a glass substrate On the other main surface (second main surface) of a glass substrate having the same configuration as in Example 1. As an electrode film, an ITO film (highly durable transparent conductive film, electrical resistance 5Ω) having the same structure as in Example 1 was formed.
(2) Formation of silicon semiconductor film Next, an n-type silicon semiconductor film having the same structure as in Example 1 was formed by the same method on the ITO film formed on the glass substrate. Next, on the formed n-type silicon semiconductor film, an i-type silicon semiconductor film having the same structure as in Example 1 was formed by the same method.
(3)反射導電膜の成膜
次に、上記のようにして成膜したシリコン半導体膜上(i型シリコン半導体膜上)に、反射導電膜としてAu膜を成膜した。この場合において、株式会社アルバック製のスパッタリング装置QAM-4を用い、ターゲットとして田中貴金属工業株式会社製のAu(純度99.99%)を使用して、スパッタリング法によって、厚さ50nmのAu膜を成膜した。
(3) Formation of reflective conductive film Next, an Au film was formed as a reflective conductive film on the silicon semiconductor film formed as described above (on the i-type silicon semiconductor film). In this case, an Au film with a thickness of 50 nm was formed by sputtering using a sputtering device QAM-4 manufactured by ULVAC Co., Ltd. and using Au (purity 99.99%) manufactured by Tanaka Kikinzoku Kogyo Co., Ltd. as a target. A film was formed.
(4)プラズモン共鳴膜の成膜
次いで、ガラス基板の一方の主面(第一主面)に、実施例1と同様の構成のプラズモン共鳴膜(厚さ50nmのAu膜)を、同様の方法で成膜した。
(4) Formation of plasmon resonance film Next, a plasmon resonance film (50 nm thick Au film) having the same structure as in Example 1 was deposited on one main surface (first main surface) of the glass substrate using the same method. The film was formed using
(5)電気的測定装置の接続
続いて、ITO膜と反射導電膜(Au膜)との間に、実施例1と同様の構成の電気的測定装置を接続した。
(5) Connection of electrical measuring device Subsequently, an electrical measuring device having the same configuration as in Example 1 was connected between the ITO film and the reflective conductive film (Au film).
以上の各工程を経て、第二実施形態に係るSPRセンサ200Aを作製した。
Through the above steps, an
[発電電流の測定]
レーザ発振装置(Thorlabs社(ソーラボジャパン株式会社)製、CPS670F)及び偏光板(Thorlabs社(ソーラボジャパン株式会社)製、CMM1-PBS251/M)を準備した。また、上記のようにして作製した実施例1に係るSPRセンサ100A及び実施例2に係るSPRセンサ200Aのそれぞれのプラズモン共鳴膜(Au膜)の表面に試料を配設した。なお、試料として、水(標準試料)及びスクロース(sucrose)水溶液(濃度2.5%)を用いた。そして、準備したレーザ発振装置及び偏光板を用いて、波長670nmのレーザ光を、試料が配設されたSPRセンサ100A、200Aにそれぞれ照射した。
[Measurement of generated current]
A laser oscillation device (CPS670F, manufactured by Thorlabs, Inc.) and a polarizing plate (CMM1-PBS251/M, manufactured by Thorlabs, Inc.) were prepared. Further, a sample was placed on the surface of each plasmon resonance film (Au film) of the
図13Aは、レーザ発振装置からのレーザ光が第一実施形態に係るSPRセンサ100Aに照射される様子を示す概略図である。また、図13Bは、レーザ発振装置からのレーザ光が第二実施形態に係るSPRセンサ200Aに照射される様子を示す図である。図13A及び図13Bに示すように、レーザ発振装置300から、出力4.0mW、波長670nmのレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は偏光板400にてP偏光された後に、SPRセンサ100A、200Aのガラス基板Gの入射側面に入射される。このとき、SPRセンサ100Aにおいては、ガラス基板Gの入射側面から入射したレーザ光が電極膜E(ITO膜)及びシリコン半導体膜Hを経由してプラズモン共鳴膜P(Au膜)に到達するように、レーザ光の光軸に対してガラス基板Gの入射側面が相対的に傾斜した状態で、SPRセンサ100Aを配置した。また、SPRセンサ200Aにおいては、ガラスG基板の入射側面に入射したレーザ光が、ガラス基板Gからガラス基板Gの一方の主面(第一主面)に成膜されたプラズモン共鳴膜P(Au膜)に最初に到達するように、すなわちレーザ光がシリコン半導体膜Hを通過するよりも前にプラズモン共鳴膜Pに到達するように、レーザ光の光軸に対してガラス基板Gの入射側面を相対的に傾斜した状態で、SPRセンサ200Aを配置した。
FIG. 13A is a schematic diagram showing how the
SPRセンサ100A、200Aのそれぞれについて、レーザ光の外部入射角θoutを変化させていきながら、電気的測定装置Mにより電流を計測した。そして、計測結果を基に、それぞれのSPRセンサ100A、200Aについて、入射角-電流値曲線を作製した。
For each of the
図14は、実施例1に係るSPRセンサ100Aを用いた場合に実測された電流値に基づいて作成した入射角-電流値曲線を示す。また、図15は、実施例2に係るSPRセンサ200Aを用いた場合に実測された電流値に基づいて作成した入射角-電流値曲線を示す。図14及び図15において、グラフAは、試料として水を用いた場合の入射角電流値曲線であり、グラフBは、試料としてスクロース水溶液を用いた場合の入射角電流値曲線である。なお、図14及び図15の横軸は外部入射角θoutであり、縦軸は実測した電流値である。
FIG. 14 shows an incident angle-current value curve created based on the actually measured current value when using the
図14において、外部入射角θoutが約56°であるとき、グラフAの電流値とグラフBの電流値との差(電流値差ΔL1)が最も大きい。また、図15において、外部入射角が約54°であるとき、グラフAの電流値とグラフBの電流値との差(電流値差ΔL2)が最も大きい。そして、図14と図15とを比較して明らかないように、電流値差ΔL2は電流値差ΔL1よりも大きい。このため、実施例2に係るSPRセンサ200Aによれば、試料の屈折率の違いによる電流の違いがより大きくなり、そのため感度を大幅に向上できることがわかる。
In FIG. 14, when the external incident angle θout is about 56°, the difference between the current value of graph A and the current value of graph B (current value difference ΔL1) is the largest. Further, in FIG. 15, when the external incidence angle is about 54°, the difference between the current value of graph A and the current value of graph B (current value difference ΔL2) is the largest. As is clear from comparing FIGS. 14 and 15, the current value difference ΔL2 is larger than the current value difference ΔL1. Therefore, according to the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるべきものではない。例えば、上記実施形態においては、透明基板として直方体状の透明基板を示したが、光が入射する側面を備えていれば、直方体状でなくても良い。例えば六角柱状の透明基板を用い、その側面の一つを入射側面として利用することができる。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention should not be limited to the above embodiments. For example, in the above embodiment, a rectangular parallelepiped-shaped transparent substrate is shown as the transparent substrate, but the transparent substrate need not be rectangular parallelepiped-shaped as long as it has a side surface through which light enters. For example, a hexagonal columnar transparent substrate can be used, and one of its sides can be used as the incident side. Thus, the present invention can be modified without departing from its spirit.
100A,100B,200A,200B…電気測定型SPRセンサ、120,220…透明基板、121,221…第一主面、122,222…第二主面、123,223…側面、123a、223a…入射側面、130,130’…センサチップ、131,231…電極膜、132,232…シリコン半導体膜、133,250…プラズモン共鳴膜、135…接着層、140,240…電気的測定装置、230…発電部、233…反射導電膜、235…第二接着層、250…プラズモン共鳴膜、255…第一接着層、300…レーザ発振装置、400…偏光板、θin…内部入射角、θout…外部入射角、θr…プラズモン共鳴角 100A, 100B, 200A, 200B... Electric measurement type SPR sensor, 120, 220... Transparent substrate, 121, 221... First principal surface, 122, 222... Second principal surface, 123, 223... Side surface, 123a, 223a... Incident Side surface, 130, 130'... Sensor chip, 131, 231... Electrode film, 132, 232... Silicon semiconductor film, 133, 250... Plasmon resonance film, 135... Adhesive layer, 140, 240... Electrical measurement device, 230... Power generation Part, 233... Reflective conductive film, 235... Second adhesive layer, 250... Plasmon resonance film, 255... First adhesive layer, 300... Laser oscillation device, 400... Polarizing plate, θin... Internal incident angle, θout... External incident angle , θr...Plasmon resonance angle
Claims (8)
前記電極膜及び前記プラズモン共鳴膜に電気的に接続され、前記シリコン半導体膜にて発電することにより生じる電流又は電圧を測定する電気的測定装置と、
を備え、
前記透明基板の前記側面に、光を入射する入射側面が形成される、電気測定型表面プラズモン共鳴センサ。 a transparent substrate having a first principal surface and a second principal surface perpendicular to the thickness direction and a side surface connecting respective peripheral edges of the first principal surface and the second principal surface; and the first principal surface of the transparent substrate. a sensor chip formed on the first main surface, and a sensor section having an electrode film, a silicon semiconductor film, and a plasmon resonance film, which are stacked in this order on the first main surface; ,
an electrical measuring device that is electrically connected to the electrode film and the plasmon resonance film and measures current or voltage generated by power generation in the silicon semiconductor film;
Equipped with
An electrometric surface plasmon resonance sensor, wherein an incident side surface through which light is incident is formed on the side surface of the transparent substrate.
前記プラズモン共鳴膜の膜面と前記入射側面とのなす角が、略90°である、電気測定型表面プラズモン共鳴センサ。 The electrometric surface plasmon sensor according to claim 1,
An electrical measurement type surface plasmon resonance sensor, wherein the angle between the membrane surface of the plasmon resonance membrane and the incident side surface is approximately 90 degrees.
前記電極膜及び前記反射導電膜に電気的に接続され、前記シリコン半導体膜にて発電することにより生じる電流又は電圧を測定する電気的測定装置と、
を備え、
前記透明基板の前記側面に、光を入射する入射側面が形成される、電気測定型表面プラズモン共鳴センサ。 a transparent substrate having a first principal surface and a second principal surface perpendicular to the thickness direction and a side surface connecting respective peripheral edges of the first principal surface and the second principal surface; and the first principal surface of the transparent substrate. a plasmon resonance film formed on the transparent substrate, and an electrode film, a silicon semiconductor film, and a reflective conductive film formed on the second main surface of the transparent substrate, and these are stacked in this order. a sensor chip having a power generation section configured of;
an electrical measuring device that is electrically connected to the electrode film and the reflective conductive film and measures the current or voltage generated by power generation in the silicon semiconductor film;
Equipped with
An electrometric surface plasmon resonance sensor, wherein an incident side surface through which light is incident is formed on the side surface of the transparent substrate.
前記プラズモン共鳴膜の膜面と前記入射側面とのなす角が、略90°である、電気測定型表面プラズモン共鳴センサ。 The electrometric surface plasmon resonance sensor according to claim 3,
An electrical measurement type surface plasmon resonance sensor, wherein the angle between the membrane surface of the plasmon resonance membrane and the incident side surface is approximately 90 degrees.
前記入射側面から光が入射するとともに入射した光が前記プラズモン共鳴膜に到達し且つ前記プラズモン共鳴膜に到達した光が前記プラズモン共鳴膜にて全反射するように、所定の入射角で光を前記入射側面に入射させる工程と、
前記所定の入射角で光を前記入射側面に入射させているときに前記シリコン半導体膜での発電によって生じる電流又は電圧を前記電気的測定装置にて測定する工程と、
を含む、電気的測定方法。 An electrical measurement method using the electrical measurement type surface plasmon resonance sensor according to claim 1 or 2,
The light is incident on the plasmon resonance film at a predetermined angle of incidence so that the light enters the plasmon resonance film from the incident side surface and the light that reaches the plasmon resonance film is totally reflected by the plasmon resonance film. a step of making it incident on the incident side;
measuring, with the electrical measuring device, a current or voltage generated by power generation in the silicon semiconductor film when light is incident on the incident side surface at the predetermined incident angle;
electrical measurement methods, including;
前記所定の入射角は、前記プラズモン共鳴膜に入射した光が全反射することにより生じるエバネッセント波と前記プラズモン共鳴膜が相互作用することにより表面プラズモン共鳴が励起される角度として予め定められる、電気的測定方法。 The electrical measurement method according to claim 5,
The predetermined incident angle is an electrical angle that is predetermined as an angle at which surface plasmon resonance is excited by the interaction between the evanescent wave generated by total reflection of light incident on the plasmon resonance film and the plasmon resonance film. Measuring method.
前記入射側面から光が入射するとともに入射した光が前記シリコン半導体膜を通過するよりも前に前記プラズモン共鳴膜に到達し且つ前記プラズモン共鳴膜に到達した光が前記プラズモン共鳴膜にて全反射するように、所定の入射角で光を前記入射側面に入射させる工程と、
前記所定の入射角で光を前記入射側面に入射させているときに前記シリコン半導体膜での発電によって生じる電流又は電圧を前記電気的測定装置にて測定する工程と、
を含む、電気的測定方法。 An electrical measurement method using the electrical measurement type surface plasmon resonance sensor according to claim 3 or 4,
Light enters from the incident side surface, and the incident light reaches the plasmon resonance film before passing through the silicon semiconductor film, and the light that reaches the plasmon resonance film is totally reflected by the plasmon resonance film. making light incident on the incident side at a predetermined angle of incidence,
measuring, with the electrical measuring device, a current or voltage generated by power generation in the silicon semiconductor film when light is incident on the incident side surface at the predetermined incident angle;
electrical measurement methods, including;
前記所定の入射角は、前記プラズモン共鳴膜に入射した光が全反射することにより生じるエバネッセント波と前記プラズモン共鳴膜が相互作用することにより表面プラズモン共鳴が励起される角度として予め定められる、電気的測定方法。 The electrical measurement method according to claim 7,
The predetermined incident angle is an electrical angle that is predetermined as an angle at which surface plasmon resonance is excited by the interaction between the evanescent wave generated by total reflection of light incident on the plasmon resonance film and the plasmon resonance film. Measuring method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022127164A JP2024024376A (en) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | Electrical measurement type surface plasmon resonance sensor and electrical measurement method using the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022127164A JP2024024376A (en) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | Electrical measurement type surface plasmon resonance sensor and electrical measurement method using the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024024376A true JP2024024376A (en) | 2024-02-22 |
Family
ID=89939939
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022127164A Pending JP2024024376A (en) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | Electrical measurement type surface plasmon resonance sensor and electrical measurement method using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2024024376A (en) |
-
2022
- 2022-08-09 JP JP2022127164A patent/JP2024024376A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Holman et al. | Infrared light management in high-efficiency silicon heterojunction and rear-passivated solar cells | |
EP3667297B1 (en) | Electrical-measurement-type surface plasmon resonance sensor | |
TWI464864B (en) | High-effiieny bandwidth product germanium photodetector | |
US20150233822A1 (en) | Analysis apparatus and electronic device | |
WO2010115828A1 (en) | Waveguide integrated photodetector | |
JP6918631B2 (en) | Photodetector | |
US20230352604A1 (en) | Semiconductor light receiving device | |
US20120286163A1 (en) | Evanescent wave absorption based devices | |
US20150233835A1 (en) | Analysis apparatus and electronic device | |
JP2024024376A (en) | Electrical measurement type surface plasmon resonance sensor and electrical measurement method using the same | |
Yadollahzadeh et al. | Perovskite-based Lossy-mode resonance sensor in visible light spectrum: Comparison and optimization of optical enhancements | |
US10424678B2 (en) | Solar cell with double groove diffraction grating | |
JP7172693B2 (en) | Electrical measurement type surface plasmon resonance sensor, electrical measurement type surface plasmon resonance sensor chip, and surface plasmon polariton change detection method | |
US20210280732A1 (en) | Solar-Energy Apparatus, Methods, and Applications | |
CN110346326A (en) | A kind of optical sensor | |
US20210396663A1 (en) | Electricity measuring type surface plasmon resonance sensor, electricity measuring type surface plasmon resonance sensor chip, method for detecting surface plasmon resonance changes | |
JP4228774B2 (en) | Optical measuring device | |
US9983062B2 (en) | Photoelectric conversion element and wavelength sensor | |
Marrocco et al. | Modification of the scattering of silver nanoparticles induced by Fabry–Perot resonances rising from a finite Si layer | |
Lombardo et al. | Plasmonic modes in molybdenum ultra-thin films suitable for hydrogenated amorphous silicon thin film solar cells | |
JP2020134132A (en) | Electric measurement type surface plasmon resonance sensor, electric measurement type surface plasmon resonance sensor chip, and surface plasmon polariton change detection method | |
CN110530264A (en) | A kind of Position-Sensitive Detector | |
Kan et al. | Backside Illumination SPR Generating Structure for Efficient Light Coupling | |
Sainju | Spectroscopic ellipsometry studies of Ag and ZnO thin films and their interfaces for thin film photovoltaics | |
Massiot et al. | Towards high-efficiency ultra-thin solar cells with nanopatterned metallic front contact |