JP4587539B2 - 有機材料に基づいてサンプル中の被分析物を検出するための装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生物医学及び工業のアプリケーションに対して特に重要である化学感応性を有する電界効果トランジスタ（ＣＨＥＭＦＥＴ（Chemically Sensitive Field-Effect Transistor））として知られる装置のクラスに属するサンプル中の被分析物を検出するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
あるサンプルの化学的特性を検出し、測定しかつモニタするための方法にはかなりの重要性が存在する。サンプルは、固体、溶液、ガス、蒸気又はそれらの混合物であることができる。上記サンプルの化学的特性は、サンプル中に存在する被分析物によって決定され、被分析物は、例えば、電解質、生体分子、又は中性分子であることができる。
【０００３】
化学感応性を有する電界効果トランジスタ（ＣＨＥＭＦＥＴ）として知られる装置のクラスに属する化学センサーは、生物医学及び工業のアプリケーションに対して特に重要である。化学感応性を有する電界効果トランジスタは、装置がさらされているサンプルの化学的特性を測定する。ＣＨＥＭＦＥＴにおいて、ゲート誘電体の表面における変化は、電界効果トランジスタのチャネルの中の電場の変調を介して検出される。そのような化学的変化は、例えば水溶液中にイオンが存在することによって誘発することができ、また、電気的に不活性な有機化合物の、電界効果トランジスタのゲートに接触した生物学的な検出素子との相互作用によって誘発することもできる。この方法で、水溶液中のイオン又は有機物の生体分子（例えばグルコース、コレステロールなど）の濃度を測定することができる。このタイプの装置について１つの将来有望なアプリケーションは、基礎的調査又は薬物の特性の研究のための細胞の代謝のモニタリングに関係している。
【０００４】
ＣＨＥＭＦＥＴ装置の間で、イオン感応性を有する電界効果トランジスタは最もよく知られている。イオン感応性を有する電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ（ion sensitive field-effect transistor））の概念は１９７０年にP. Bergveldによって導入された［P. Bergveld, IEEE Trans. Biomed. Eng., BME-17, 1970, pp. 70］。通常のＭＯＳＦＥＴの金属のゲートを省き、誘電体の層を電解液にさらすとき、トランジスタの特性は電解液のイオン活性度に影響されるということが立証された。古典的なＩＳＦＥＴの概略図が図１に図示されている。装置のシリコン基板（１）は、ソース領域（３）とドレイン領域（２）の間で電流の通過路として動作する。双方の領域は金属の電極（５）によって接触されている。誘電体の層（４）は、溶液（７）にさらされたイオン選択性の膜（６）によって覆われている。装置は封止材料（encapsulating material）（９）によって封止されている。オプションで、基準電極（８）を備えることができる。ＩＳＦＥＴは初め、水溶液中のｐＨ及びＮａ+活性度の検出のために開発された（C. D. Fung, P. W. Cheung and W. H. Ko, IEEE Trans. El. Dev., Vol. ED-33, No. 1, 1986, pp.8-18）。装置のカチオン感応性は、ゲート誘電体の表面上における表面水酸基のイオン化及び錯体化によって決定される。Ｃａ2+，Ｋ+活性度のモニタリングのためのＩＳＦＥＴ装置もまた製造された。これらのイオンに対する感応性は、ゲート誘電体と接触した感応プラスチック膜（ＰＶＣ）を組み込むことによって達成された。ゆえに、これらのセンサは膜の電荷における、又は膜内外のポテンシャルにおける変化を検出する。イオンの測定のためのＣＨＥＭＦＥＴ装置（ＩＳＦＥＴ）の使用に加えて、またＣＨＥＭＦＥＴは有機分子の検出のための酵素感応性（enzyme-sensitive）を有するＦＥＴ（ＥＮＦＥＴ）として、又は免疫化学薬品（抗原、抗体）のモニタリングのための免疫感応性（immuno-sensitive）を有するＦＥＴ（ＩＭＦＥＴ）として使用された。
【０００５】
ＣＨＥＭＦＥＴは、従来の化学選択性の電極に対して重要な利点を示す。通常、ＣＨＥＭＦＥＴは、小型化と大量生産の利点を提供する標準的なＣＭＯＳ技術を用いて製造される。生物医学の分野では、小型化されたセンサのアプリケーションに対するとくに重要な領域が存在する。上記センサは留置カテーテルのチップに装着され、それを通じて血液の電解質及びパラメータをモニタリングすることに対するそれらの実現可能性が立証される。
【０００６】
上記製造方法は、マルチイオンセンサの製造と、複数のスマートセンサ及びセンサアレーの集積との付加的な利点を提供する。ＣＨＥＭＦＥＴを使用することの別の利点は、被分析物の濃度の関数におけるポテンシャルの対数的な応答であり、このタイプの応答は広い濃度の範囲が調査されているときは興味深い。ＣＨＥＭＦＥＴ装置の応答は電界効果によって開始されるので、この応答は従来の化学感応性を有する電極と比較して非常に速い。現在では、全てのＣＨＥＭＦＥＴ装置はシリコン、又はシリコンに基づいた材料に基づいている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの装置の商業的なアプリケーションをある程度阻害したいくつかの問題が存在する。ＣＨＥＭＦＥＴの最も重要な問題は装置のドリフトである。ドリフトは、典型的には、ＦＥＴのしきい値電圧における相対的にゆっくりとした、単調な、一時的な変化として特徴付けられる。結果として、サンプルの化学的特性（例えばイオン活性度）の正しくない評価値が測定される。この問題は、例えば、高い正確さが要求される、生理学的なイオンの活性度又は濃度の測定（例えば血液の電解質のモニタリング）に対してより著しい。ゆえに、この種のアプリケーションにおけるシリコンに基づいたＣＨＥＭＦＥＴの使用は非常に限定される。ＣＨＥＭＦＥＴ装置を使用することに対する別の限定要素は、これらの装置の高い製造コストである。医学へのアプリケーションに対しては、使い捨て装置に主として関心が持たれ、このことは非常に安価な装置を意味する。医学及び薬学へのアプリケーションに対して、プラスチックの材料の中に集積化することができる装置が最も好適である。
【０００８】
シリコンに基づいたＣＨＥＭＦＥＴに対しては、プラスチック材料への集積化は容易ではない。
【０００９】
従来技術において、有機材料に基づく薄いフィルムトランジスタが製造された。Garnier（Garnier F., Hajlaoui R., Yassar A., Srivastava P., Science, 1994, Vol. 265, p 1684）は、薄いフィルムトランジスタにポリマー材料を使用することを提案している。ポリマー材料の選択は装置のアプリケーション、すなわちトランジスタとしてのアプリケーションによって決定される。有機材料、及びより特別にポリマー材料は、すでに、ソリッドステートトランスデューサ（無機材料）と協働して検出部品（sensitive parts）として使用され、又は特定の相互作用のために生体分子（例えば酵素）を固定するための膜として使用された（G. Harsanyi, Polymer Films in Sensor Applications - Technology, Materials, Devices and Their Characteristics, TECHNOMIC Publishing Co. Inc. Lancaster-Basel, 1995, p 53-92 and p 149-155; G. Bidan, Sensors and Actuators B, Vol 6, 1992, pp. 45-56）。電気伝導性の共役ポリマーに基づいた（ＥＣＰ（electroconducting conjugated polymers）に基づいた）化学センサにおいて、ＥＰＣ層と検出される被分析物の間に直接の相互作用が存在する。検出機構はＥＣＰ層とサンプルとの間のイオン交換に基づく。ゆえに、ドープされたＥＣＰ層が必要とされる。主な不都合な点は、導体層に必要とされる電気化学的堆積であるが、なぜならば、この堆積技術は制御することがやや困難であり、結果として上記層の堆積の均一さと再現可能性が低くなるからである。さらに、ドープされた共役ポリマー層の電着も、より複雑な、マルチステップの処理を意味する。これに加えて、電気重合（electropolymerization）反応のために、電気伝導性の共役ポリマー層は常にｐ−ドープされ、このことはアニオンのみを検出できることを意味する。さらに、堆積プロセスは電極が金属材料又はガラス状の炭素（glassy carbon）からできていることを必要とする。
【００１０】
本発明の１つの目的は、サンプル中の被分析物を検出するための改良された装置を記述することであり、上記改良された装置は、低価格、使い捨てできること、装置の減少されたドリフト、及び医学及び薬学のアプリケーションへの好適さのような有利な特性と、既存のＣＨＥＭＦＥＴ装置の利点を組合わせる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様において、少なくとも１つの誘電体材料を備えた活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、上記ソース電極と上記ドレイン電極の間に電流の通過路を提供する半導体の層とを備え、サンプル中の被分析物を検出するための装置が開示され、上記半導体基板は有機物を含む半導体材料からなり、上記活性層の上記誘電体材料は十分に上記半導体の層と接触している。上記装置は、上記活性層が上記サンプルと接触し、上記活性層が上記検出するための被分析物を含む上記サンプルと接触しているとき、上記半導体の層の導電率に影響するように設けられることを特徴とする。上記被分析物は、ここで用いられるように、酵素、免疫化学薬品、ホルモン及び還元可能なガス（reducible gas）のような複数のイオン、複数の中性分子及び複数の生体分子を備えるがこれらに制限されない、任意の化学的な分子、原子又はイオンとして理解される。サンプルは、ここで用いられるように、固体、溶液、気体、蒸気、又は少なくとも被分析物を備えたそれらの混合物として理解される。本発明の目的に関して、検出することは、サンプル中に存在する少なくとも１つの被分析物を、決定すること、識別すること、濃度又は活性度を測定すること、濃度又は活性度の変化を測定することを意味する。
【００１２】
本発明の１つの実施形態において、活性層は誘電体の層を備える。
【００１３】
この発明の１つの実施形態において、誘電体の層は３よりも高い比誘電率を有する材料からなる。ソースとドレインの間の電流の流れを最大化するためには、比誘電率の値は可能な限り高くなければならない。さらに、高い比誘電率の値を有する誘電体材料は、装置の動作電圧を低減させる。
【００１４】
化学選択性の誘電体の層は、誘電体の層の材料がサンプルに対して本質的に不活性であるように、選択されることができる。不活性であることは、少なくともアプリケーションの目的のために、機能化されない誘電体の層のキャパシタンスが実質的に一定であることを意味するものとする。従って、装置のドリフトに関連した問題を除去することができる。シリコンの層はサンプルにさらされたとき変成することができ、その結果誘電体の層のキャパシタンスが変化するので、ドリフト現象は典型的にはシリコンに基づいた装置に対して観察される。このことにより、結果的に、しきい値電圧はゆっくりと一時的に変化し、そのことは被分析物の検出の正しくない評価を意味する。
【００１５】
本発明の１つの実施形態において、活性層は本質的に誘電体の層からなる。上記誘電体の層は、上記装置が上記被分析物を含む上記サンプルにさらされたときに、上記被分析物に選択的に反応するように設けられた活性材料からなる。アプリケーションに依存して、サンプルにさらされた誘電体の層は、被分析物と変成された誘電体材料の間に相互作用が存在するように変成することができる。
【００１６】
本発明の１つの実施形態において、誘電体の層は有機物の誘電体材料を備える。本発明の別の実施形態において、誘電体の層は無機物を含む材料を備える。誘電体のキャパシタンスの値は可能な限り高いことが好ましい。誘電体材料の比誘電率の値εは、３よりも高く、好ましくは５よりも高く、好ましくは１０よりも高く、１００よりも高いことが好ましい。
【００１７】
本発明の別の実施形態において、活性層はさらに誘電体の層と膜層とを備えることができる。上記膜層は活性材料からなり、装置が被分析物を含むサンプルにさらされたときに、上記被分析物に選択的に反応するように設けられる。好ましくは、化学感応性を有する膜は共役オリゴマーか、又はポリマーである。
【００１８】
本発明の第１の態様の別の実施形態において、ソース及びドレイン電極は、上記電極の表面抵抗が１００Ω／ｓｑよりも低いことで特徴付けられる有機物を含む材料を備える。ソース及びドレイン電極は互いに指状突起形状を有することができる。
【００１９】
この発明の別の実施形態において、装置は、上記ソース電極と上記ドレイン電極の間の電流の通過路を保護するための封止層（encapsulating layer）と、支持層（support layer）とを付加的に備えることができ、上記封止層と上記支持層とは有機物を含む材料からなる。
【００２０】
この発明の第２の態様において、この発明の第１の態様において記述された装置と、基準電界効果トランジスタとを備え、サンプル中の被分析物を検出するためのシステムが開示されている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
添付された図面に関連して、本発明は以下に詳細に記述される。いくつかの実施形態が開示されている。しかしながら、本発明を実施することに関するいくつかの他の等価な実施形態又は他の方法を当業者が想像でき、その意図と範囲は添付された請求項の記述によってのみ制限されることは明らかである。
【００２２】
サンプル中の被分析物を検出するための、有機物の材料に基づいた装置が記述されている。上記装置は、化学感応性を有する電界効果トランジスタ（ＣＨＥＭＦＥＴ）である。上記装置は薄いフィルムトランジスタであり、上記トランジスタにおいてはゲート電極は取り除かれ、かつ上記トランジスタは活性層を備える。上記活性層は少なくとも１つの誘電体の層を備え、上記誘電体の層は被分析物を備えたサンプルにさらされ、上記被分析物を備えたサンプルは直接に、又は特定の認識機能を備えた層を介して調査される。上記装置は、例えば、サンプル中に存在する化学種（被分析物）の濃度及び活性度の検出及び測定のために用いることができる。被分析物は、ここで用いられるように、酵素、免疫化学薬品、ホルモン、及び還元可能なガスのような複数のイオン、複数の中性分子及び複数の生体分子を備えるがこれらに制限されない、任意の化学的な分子、原子又はイオンとして理解される。サンプルは、ここで用いられるように、溶液、固体、気体、蒸気、又は少なくとも被分析物を備えたそれらの混合物として理解される。本発明の目的に関して、検出することは、サンプル中に存在する少なくとも１つの被分析物を、決定すること、識別すること、濃度又は活性度を測定すること、濃度又は活性度の変化を測定することを意味する。特に、上記装置は生物化学及び薬学の分野においてサンプル中の被分析物の検出のために用いることができる。さらに、上記装置は特定の被分析物を含むサンプル、例えば蒸気、におい、気体の検出のために用いることができる。
【００２３】
この発明において、半導体の層、ソース電極、ドレイン電極、及び活性層を備え、サンプル中の被分析物を検出するための装置が開示されている。上記活性層は少なくとも誘電体材料を備える。上記半導体の層は、ソースとドレイン電極の間の電流の通過路として動作するように選択することができる。装置のチャネルにおける電界は、上記活性層の、サンプル中の被分析物との相互作用によって修正される。上記半導体材料の選択は、さらに、材料の導電性、材料の安定性、それらの利用可能性、集積回路を製造するときに用いられる標準的な処理ステップとのそれらの互換性、それらの堆積特性及びそれらの費用価格に基づくことができる。
【００２４】
上記半導体の層は、活性層に隣接することができ、又は活性層に隣接しないことができる。
【００２５】
半導体の層の被分析物との直接の相互作用は無視できることが好ましい。この発明において、半導体の層は、有機物を含む半導体材料を備える。有機物を含む半導体材料は、その中性の（ドープされていない）状態において用いることができ、ｐ−型半導体又はｎ−型半導体であることができるが、ｐ−型半導体であることが好ましい。上記有機物を含む半導体材料は有機ポリマー、例えば共役ポリマーであることができる。上記共役ポリマーは、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリ（ｐ−フェニレン）（ＰＰＰ）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）、ポリ（２，５−チオフェンビニレン）（ＰＴＶ）、ポリピロール（ＰＰｙ）、又はＣ60−バックミンスターフラーレンであることができるが、しかしそれらに制限されない。有機物を含む半導体の層は導電性のオリゴマーの層であることができ、上記オリゴマーの層はα−ヘキシルチオフェン（α−６Ｔ）、ペンタセン、及びオリゴ−フェニレンビニレンであることができるが、しかしそれらに制限されない。
【００２６】
有機物を含む半導体の層の堆積は、スピンコーティングによって、キャスティングによって、又は処理に適した長い鎖のポリマー又はオリゴマーの蒸発である、溶液の蒸発によって実行することができる。電気伝導性のポリマーの堆積に関連して従来技術において言及された問題は、上で言及された堆積技術を用いることによって取り除かれる。
【００２７】
この発明において、半導体の層、ソース電極、ドレイン電極及び活性層を備え、サンプル中の被分析物を検出するための装置が開示されている。
【００２８】
上記活性層は、それが電界効果の発生と、それによるトランジスタのチャネルにおける電流の流れとを保証するように選択される。上記活性層は少なくとも誘電体材料を備える。好ましくは、上記活性層は誘電体の層、又は被分析物に対して特性を有する膜で覆われた誘電体の層からなる。ソースとドレインの間の電流の流れを最大化するために、誘電体のキャパシタンスは可能な限り高くすることが好ましい。このことは、誘電体材料を非常に薄い複数の層に堆積することによって、及び高い比誘電率を有する材料を用いることによって達成することができる。上記層の厚さは典型的には０．１μから０．５μまでである。誘電体材料の比誘電率εは、３より高く、好ましくは５より高く、好ましくは１０より高く、１００より高いことが好ましい。上記活性層の吸水性は、可能な限り低いことが好ましく、無視できることが好ましい。
【００２９】
装置のドリフトは、発明の背景において言及されたように、サンプルに対して不活性な誘電体の層を用いることによって防止することができるか、少なくとも減少させることができる。不活性であることは、少なくともこのアプリケーションの目的のためには、機能化しない誘電体の層のキャパシタンスが実質的に一定であることを意味するものとする。さらに、有機物を含む半導体材料がバンドギャップにおいて高密度のトラッピングレベルを有することを考慮に入れると、高いεの値を有する誘電体材料は動作電圧を減少させる。このことは、ＣＨＥＭＦＥＴ装置のような特定の検出機能を有する装置に対して、従来技術と比較して非常に有利である。
【００３０】
誘電体の層は、検出又は測定されなければならない化学種に対してそれが特定の感応性を有するように選択することができる。誘電体の層は、有機物を含む誘電体材料、又は無機物を含む誘電体材料を備えることができる。
【００３１】
誘電体の層が有機物を含んだ材料を備え、特定の化学感応性を達成する目的を有するとき、誘電体の層の表面は機能化されなければならない。機能化することとは、被分析物と変成された誘電体材料との間で相互作用が存在するように、サンプルに接した誘電体材料の化学的特性を変成することである。上記機能化は、検出するべき被分析物の性質に依存する。検出されるべき被分析物は、イオン、有機物の生体分子、又は代謝生体分子であることができるが、しかしそれらに制限されない。被分析物がイオンであるとき、例えばポリマー又はオリゴマー上に、イオン選択性の複数の基が合成される。Ｎａ+，Ｋ+，Ｃａ2+，Ｍｇ2+，Ｃｌ-のようなイオン、又は他の任意のイオンの検出のために、イオン選択性を有する複数の基は、例えば、クラウンエーテル、クリプタンド、又は化学基を形成する他の任意のイオン複合体（ion complex）を備えたグループから選択することができる。有機物の生体分子は、例えばｐＨの変化をもたらす、例えば酵素反応を介して検出することができる。このｐＨの変化は酵素反応の検出及び測定のために用いられる。同一の原理が、酵素の層が複数の細胞の層によって置換されたときに、細胞の代謝をモニタリングするために用いられる。また、認識分子を誘電体材料のマトリクスにエントラップすることができる。
【００３２】
また、誘電体材料は無機物を含む材料を備えることができる。上記無機物を含む材料は、無機酸化物、無機窒化物又は無機酸窒化物を備えることができる。上記無機物を含む材料は、ＴｉＯ2，ＢａＴｉＯ3，ＢａxＳｒ1-xＴｉＯ3，Ｐｂ（ＺｒxＴ1-x）Ｏ3，Ｔａ2Ｏ5，ＳｒＴｉＯ3，ＢａＺｒＯ3，ＰｂＴｉＯ3，ＬｉＴａＯ3などを備えたグループから選択されたアモルファス金属材料を備えることができる。無機物を含む材料が被分析物に対して特定の認識機能を有するときは、誘電体の層は被分析物に対して直接にさらされる。例えば無機酸化物に対して、誘電体の層を被分析物を含むサンプルに直接にさらすことによって、陽子、又は陽子の濃度を検出又は測定することができる。
【００３３】
また、有機物又は無機物を含む誘電体の層は、被分析物に対して特定の認識特性を示さないことができる。ゆえに、被分析物に対して特性を有する膜が誘電体の層の上に堆積される。上記膜層は活性材料からなる。上記被分析物に対して特性を有する膜は、特定の認識分子を含むポリマーマトリクスであることができる。可能なポリマー材料及び特定の認識分子は、G. Harsanyi, Polymer Films in Sensor Applications - Technology, Materials, Devices and Their Characteristics, TECNOMIC Publishing Co. Inc. Lancaster-Basel, 1995, pp.2. 及びW. Gopel, J. Hasse, J. N. Zemel, Sensors: A Comprehensive Survey, Vol.2, Part.I, 1991, pp.467-528 において与えられている。被分析物に対して特性を有する膜は、ＰＶＣマトリクス、ポリシロキサンに基づく膜及びラングミュア−ブロジェット（Langmuir - Blodgett）フィルムであることができるが、しかしそれらに制限されない。上記特定の認識分子は、Ｋ+の検出のためのバリノマイシン、有機物の不活性種の検出のための特定の酵素（グルコース、コレステロール）であることができるが、しかしそれらに制限されない。
【００３４】
この発明において、ソース電極、ドレイン電極、半導体の層及び活性層を備え、サンプル中の被分析物を検出するための装置が開示されている。
【００３５】
上記ソース電極及び上記ドレイン電極は、有機物を含む材料から作ることができる。上記有機物を含む材料は材料の導電性が金属の領域にあるように選択することができる。上記電極の表面抵抗は１００Ω／ｓｑよりも低いことが好ましい。有機物を含む材料からなる電極は好適であるが、それはこのことが結果として、電極と有機物を含む半導体の層との間の接触の最適な性能をもたらすからである。上記有機物を含む材料はポリマー又はオリゴマーであることができる。上記ポリマーはショウノウスルホン酸（camphor sulphonic acid）をドープされたポリアニリン（polyaniline）であることができるが、しかしそれに制限されない。また、ソースとドレイン電極は、有機物の半導体においてＨＯＭＯ及びＬＵＭＯエネルギーレベルに依存する、金、白金又はアルミニウムのような金属から作ることができる。ソース電極及びドレイン電極は、好ましくはリソグラフィーによってパターン化されて作られる。ソース電極及びドレイン電極は、トランジスタのチャネルに流れ込む電流の最大化を達成するために、図３に図示されているように互いに指状突起形状を有することができる。チャネル幅（１）の長さ（２）に対する比と、互い違いに組合わされている指状電極の本数とは、出力電流に対して所望のレベルを達成するために最適化されなければならない。有機物を含む半導体材料の低いコンダクタンスのために、この構成は好適である。
【００３６】
本発明の別の実施形態において、上記装置はさらに支持層を備える。上記支持層は、それが複数の活性層の堆積を保証し、それが装置の平坦さを保持するように選択される。上記支持部（support）は、さらなる複数の堆積ステップによって決定される高い化学的な耐性と温度特性とを有するポリマー材料から作ることができる。上記支持層の高い方の動作温度は、摂氏１００度よりも高く、１５０度よりも高く、摂氏１５０度よりも高く、摂氏３００度よりも高いことが好ましい。そのような材料は、例えばポリ二弗化ビニル、高密度ポリエチレン、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン 登録商標）、ポリプロピレン又は上述の特性を満たす他の任意の材料であることができる。
【００３７】
さらに、上記装置は封止層によって封止することができる。上記半導体の層と複数の電極とは、半導体の層におけるソースとドレイン電極の間の電流の通過路が空気とサンプルとから保護されるように封止される。上記封止層は、エポキシ樹脂（マスター・ボンド・インコーポレイテッド（Master Bond Inc.）から購入されたＥＰ４２ＨＴのような）又はパリレンから作ることができるが、しかしそれらに制限されない。
【００３８】
本発明の一実施形態が図２Ｂにおいて与えられている。
【００３９】
図２Ｂは、本発明に係るサンプル中の被分析物を検出するための装置を表現している。上記装置は化学選択性の電界効果トランジスタであることができる。ＣＨＥＭＦＥＴの構造のほかに、単一のセンサ、又は複数のセンサのアレーを製造するために用いることができる方法が開示されている。そのようなセンサアレーは、各検出サイト（sensing site）が１つのセンサである多数の検出サイトを有する。好ましい実施形態において、不活性な支持層がアレーの共通の支持層である。
【００４０】
支持基板（２１）は、集積回路の製造で知られるような別の処理ステップに従って選択された。次のステップにおいて、誘電体の層（２２）は上記支持層の上に堆積される。誘電体材料は無機酸化物であり、上述の無機酸化物から選択することができる。誘電体の層は、摂氏５度から摂氏５０度までの範囲であって、好ましくは室温におけるＲＦスパッタリングによって堆積される。誘電体の層の厚さは、約０．１μであることが好ましい。次のステップにおいて、ソース及びドレイン電極が堆積される。最初に、有機物を含む材料、例えばショウノウスルホン酸でドープされたポリアナリン（polyanaline）の層が、誘電体の層の上に堆積される。続いて、ソース電極（２３）及びドレイン電極（２４）が形成されるように、層がリソグラフィー的にパターン化される。次いで、有機物を含む半導体の層（２５）が、複数の電極の上と、残りの誘電体の層の上とに堆積される。上記半導体の層は好ましくは０．１と０．５μｍの間の厚さを有し、スピンコーティングによって堆積される。ソース電極とドレイン電極と半導体の層とが空気及びサンプルから保護されるように、封止層が形成される。最後のステップにおいて、被分析物に対して特性を有する膜（２６）が誘電体の層の上に堆積され、支持層に形成された複数の穴に隣接する。上記膜の組成は検出するべき被分析物の性質に依存する。
【００４１】
有機物を含む材料はほとんどの処理ステップにおいて関係しているので、全ての処理ステップに対する温度の範囲を可能な限り低くし、好ましくは３００Ｃよりも低くする。
【００４２】
この発明の別の実施形態において、図２Ａにおいて表現されているような構造が開示されている。
【００４３】
開示されている装置は、基準電極を備えて、又は備えないで用いることができる。測定方法に依存して、基準電極又は基準ＦＥＴを用いることができる。例えば、固定されたゲート電圧のモードにおいて、化学的環境（例えば水溶液）は、センサのソース電極に関連して固定されたポテンシャルに保たれ、ソース電極とドレイン電極の間を流れる電流は、センサの化学的環境における変化の関数として記録される。このことは、（通例は接地されている）ソース電極と、基準電極又は基準ＦＥＴとの間の電圧降下を調整することによって実現される。また、一定のドレイン電流のモードにおいては、ソースとドレインの間の電流は、基準電極又は基準ＦＥＴとソース電極との間の電圧降下ＶGSを調整することによって一定に保たれる。センサの応答は、化学的環境における変化の関数としての、この電圧降下ＶGSの変動である。
【００４４】
好ましい実施形態において、図４に図示されたような装置が開示されている。
【００４５】
６５０μｍの厚さを有するシリコンウェハー（５１）が、装置のための支持部として用いられる。これは単に機械的な支持構造であって、装置の動作において動的な役割は果たさない。シリコン酸化物（４７０ｎｍ）（５３）とシリコン窒化物（１５０ｎｍ）（５２）の２つの層が、図４から分かるように、それぞれシリコンウェハーの両方の面に堆積された。これらの２つの層の厚さは、膜への機械的なストレスを減少させるように選択された。シリコンの酸化物の層は機械的なストレスを減少させる機能を有する。シリコン窒化物の層は、この場合、二重の役割を実行する。それは（誘電体の感応性を有するゲートである）活性層を表し、それと同時に、それは異方性のＫＯＨエッチングを停止させるための層である。
【００４６】
処理ステップが図４に図示されている。最初に、従来のリソグラフィー及びドライエッチングの手段によってマスクがパターンされ、酸化物及び窒化物の層の裏面に、容易な劈開に対して用いられた活性領域（５７）及び複数の“Ｖ字形状”の溝（５８）を決定する（図４−ステップ１を参照）。続いて、１００ｎｍの厚さを有する金のソース（５４）及びドレイン（５５）の指状突起形状を有する電極が熱蒸着（thermal evaporation）によって堆積され、リフトオフ（lift-off）技術によってパターン化された（図４−ステップ２）。次のステップにおいて、Ｐ３ＨＴ（ポリ−３−ヘキシルチオフェン）の半導体の層（５６）が、０．８重量％濃度のクロロホルム溶液から、複数の電極上にスピンコートされた（図４−ステップ３）。感応性を有する領域を決定する窓は、４０℃のＫＯＨの３５重量％濃度の水溶液においてシリコンを完全にエッチングすることによって作られた（図４−ステップ４）。このことは、シリコン窒化物の表面上に１ｍｍ×１ｍｍの活性領域を定める。
【００４７】
劈開の後で結果として得られる装置は、厚いフィルムのアルミナ基板上にワイヤボンディングされ、マスターボンドインコーポレイテッドから購入された室温で硬化する２成分のエポキシである、ＥＰ４２ＨＴによって封止されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＭＯＳ技術によって製造されたイオン感応性を有する電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）の図である（H. H. van Vlekkert et. al., Proc. 2nd Int. Meeting on Chemical Sensors, Bordeaux, France, 1986, pp. 462）。
【図２】ａ−ｂ：本発明に係る装置の構成を表す図である。
【図３】互いに指状突起形状を有するソース−ドレイン電極の構成を表す図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態に係るプロセスフロー及び装置構成を表す図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、
２，２４，５５…ドレイン領域、
３，２３，５４…ソース領域、
４，２２…誘電体の層、
５…金属電極、
６…イオン選択性の膜、
７…溶液、
８…基準電極、
９…封止材料、
２１…支持基板、
２５…有機物を含む半導体の層、
２６…被分析物に対して特性を有する膜、
５１…シリコンウェハー、
５２…シリコン窒化物、
５３…シリコン酸化物、
５６…半導体の層、
５７…活性領域、
５８…“Ｖ字形状”の溝。
【発明の属する技術分野】
本発明は、生物医学及び工業のアプリケーションに対して特に重要である化学感応性を有する電界効果トランジスタ（ＣＨＥＭＦＥＴ（Chemically Sensitive Field-Effect Transistor））として知られる装置のクラスに属するサンプル中の被分析物を検出するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
あるサンプルの化学的特性を検出し、測定しかつモニタするための方法にはかなりの重要性が存在する。サンプルは、固体、溶液、ガス、蒸気又はそれらの混合物であることができる。上記サンプルの化学的特性は、サンプル中に存在する被分析物によって決定され、被分析物は、例えば、電解質、生体分子、又は中性分子であることができる。
【０００３】
化学感応性を有する電界効果トランジスタ（ＣＨＥＭＦＥＴ）として知られる装置のクラスに属する化学センサーは、生物医学及び工業のアプリケーションに対して特に重要である。化学感応性を有する電界効果トランジスタは、装置がさらされているサンプルの化学的特性を測定する。ＣＨＥＭＦＥＴにおいて、ゲート誘電体の表面における変化は、電界効果トランジスタのチャネルの中の電場の変調を介して検出される。そのような化学的変化は、例えば水溶液中にイオンが存在することによって誘発することができ、また、電気的に不活性な有機化合物の、電界効果トランジスタのゲートに接触した生物学的な検出素子との相互作用によって誘発することもできる。この方法で、水溶液中のイオン又は有機物の生体分子（例えばグルコース、コレステロールなど）の濃度を測定することができる。このタイプの装置について１つの将来有望なアプリケーションは、基礎的調査又は薬物の特性の研究のための細胞の代謝のモニタリングに関係している。
【０００４】
ＣＨＥＭＦＥＴ装置の間で、イオン感応性を有する電界効果トランジスタは最もよく知られている。イオン感応性を有する電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ（ion sensitive field-effect transistor））の概念は１９７０年にP. Bergveldによって導入された［P. Bergveld, IEEE Trans. Biomed. Eng., BME-17, 1970, pp. 70］。通常のＭＯＳＦＥＴの金属のゲートを省き、誘電体の層を電解液にさらすとき、トランジスタの特性は電解液のイオン活性度に影響されるということが立証された。古典的なＩＳＦＥＴの概略図が図１に図示されている。装置のシリコン基板（１）は、ソース領域（３）とドレイン領域（２）の間で電流の通過路として動作する。双方の領域は金属の電極（５）によって接触されている。誘電体の層（４）は、溶液（７）にさらされたイオン選択性の膜（６）によって覆われている。装置は封止材料（encapsulating material）（９）によって封止されている。オプションで、基準電極（８）を備えることができる。ＩＳＦＥＴは初め、水溶液中のｐＨ及びＮａ+活性度の検出のために開発された（C. D. Fung, P. W. Cheung and W. H. Ko, IEEE Trans. El. Dev., Vol. ED-33, No. 1, 1986, pp.8-18）。装置のカチオン感応性は、ゲート誘電体の表面上における表面水酸基のイオン化及び錯体化によって決定される。Ｃａ2+，Ｋ+活性度のモニタリングのためのＩＳＦＥＴ装置もまた製造された。これらのイオンに対する感応性は、ゲート誘電体と接触した感応プラスチック膜（ＰＶＣ）を組み込むことによって達成された。ゆえに、これらのセンサは膜の電荷における、又は膜内外のポテンシャルにおける変化を検出する。イオンの測定のためのＣＨＥＭＦＥＴ装置（ＩＳＦＥＴ）の使用に加えて、またＣＨＥＭＦＥＴは有機分子の検出のための酵素感応性（enzyme-sensitive）を有するＦＥＴ（ＥＮＦＥＴ）として、又は免疫化学薬品（抗原、抗体）のモニタリングのための免疫感応性（immuno-sensitive）を有するＦＥＴ（ＩＭＦＥＴ）として使用された。
【０００５】
ＣＨＥＭＦＥＴは、従来の化学選択性の電極に対して重要な利点を示す。通常、ＣＨＥＭＦＥＴは、小型化と大量生産の利点を提供する標準的なＣＭＯＳ技術を用いて製造される。生物医学の分野では、小型化されたセンサのアプリケーションに対するとくに重要な領域が存在する。上記センサは留置カテーテルのチップに装着され、それを通じて血液の電解質及びパラメータをモニタリングすることに対するそれらの実現可能性が立証される。
【０００６】
上記製造方法は、マルチイオンセンサの製造と、複数のスマートセンサ及びセンサアレーの集積との付加的な利点を提供する。ＣＨＥＭＦＥＴを使用することの別の利点は、被分析物の濃度の関数におけるポテンシャルの対数的な応答であり、このタイプの応答は広い濃度の範囲が調査されているときは興味深い。ＣＨＥＭＦＥＴ装置の応答は電界効果によって開始されるので、この応答は従来の化学感応性を有する電極と比較して非常に速い。現在では、全てのＣＨＥＭＦＥＴ装置はシリコン、又はシリコンに基づいた材料に基づいている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの装置の商業的なアプリケーションをある程度阻害したいくつかの問題が存在する。ＣＨＥＭＦＥＴの最も重要な問題は装置のドリフトである。ドリフトは、典型的には、ＦＥＴのしきい値電圧における相対的にゆっくりとした、単調な、一時的な変化として特徴付けられる。結果として、サンプルの化学的特性（例えばイオン活性度）の正しくない評価値が測定される。この問題は、例えば、高い正確さが要求される、生理学的なイオンの活性度又は濃度の測定（例えば血液の電解質のモニタリング）に対してより著しい。ゆえに、この種のアプリケーションにおけるシリコンに基づいたＣＨＥＭＦＥＴの使用は非常に限定される。ＣＨＥＭＦＥＴ装置を使用することに対する別の限定要素は、これらの装置の高い製造コストである。医学へのアプリケーションに対しては、使い捨て装置に主として関心が持たれ、このことは非常に安価な装置を意味する。医学及び薬学へのアプリケーションに対して、プラスチックの材料の中に集積化することができる装置が最も好適である。
【０００８】
シリコンに基づいたＣＨＥＭＦＥＴに対しては、プラスチック材料への集積化は容易ではない。
【０００９】
従来技術において、有機材料に基づく薄いフィルムトランジスタが製造された。Garnier（Garnier F., Hajlaoui R., Yassar A., Srivastava P., Science, 1994, Vol. 265, p 1684）は、薄いフィルムトランジスタにポリマー材料を使用することを提案している。ポリマー材料の選択は装置のアプリケーション、すなわちトランジスタとしてのアプリケーションによって決定される。有機材料、及びより特別にポリマー材料は、すでに、ソリッドステートトランスデューサ（無機材料）と協働して検出部品（sensitive parts）として使用され、又は特定の相互作用のために生体分子（例えば酵素）を固定するための膜として使用された（G. Harsanyi, Polymer Films in Sensor Applications - Technology, Materials, Devices and Their Characteristics, TECHNOMIC Publishing Co. Inc. Lancaster-Basel, 1995, p 53-92 and p 149-155; G. Bidan, Sensors and Actuators B, Vol 6, 1992, pp. 45-56）。電気伝導性の共役ポリマーに基づいた（ＥＣＰ（electroconducting conjugated polymers）に基づいた）化学センサにおいて、ＥＰＣ層と検出される被分析物の間に直接の相互作用が存在する。検出機構はＥＣＰ層とサンプルとの間のイオン交換に基づく。ゆえに、ドープされたＥＣＰ層が必要とされる。主な不都合な点は、導体層に必要とされる電気化学的堆積であるが、なぜならば、この堆積技術は制御することがやや困難であり、結果として上記層の堆積の均一さと再現可能性が低くなるからである。さらに、ドープされた共役ポリマー層の電着も、より複雑な、マルチステップの処理を意味する。これに加えて、電気重合（electropolymerization）反応のために、電気伝導性の共役ポリマー層は常にｐ−ドープされ、このことはアニオンのみを検出できることを意味する。さらに、堆積プロセスは電極が金属材料又はガラス状の炭素（glassy carbon）からできていることを必要とする。
【００１０】
本発明の１つの目的は、サンプル中の被分析物を検出するための改良された装置を記述することであり、上記改良された装置は、低価格、使い捨てできること、装置の減少されたドリフト、及び医学及び薬学のアプリケーションへの好適さのような有利な特性と、既存のＣＨＥＭＦＥＴ装置の利点を組合わせる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様において、少なくとも１つの誘電体材料を備えた活性層と、ソース電極と、ドレイン電極と、上記ソース電極と上記ドレイン電極の間に電流の通過路を提供する半導体の層とを備え、サンプル中の被分析物を検出するための装置が開示され、上記半導体基板は有機物を含む半導体材料からなり、上記活性層の上記誘電体材料は十分に上記半導体の層と接触している。上記装置は、上記活性層が上記サンプルと接触し、上記活性層が上記検出するための被分析物を含む上記サンプルと接触しているとき、上記半導体の層の導電率に影響するように設けられることを特徴とする。上記被分析物は、ここで用いられるように、酵素、免疫化学薬品、ホルモン及び還元可能なガス（reducible gas）のような複数のイオン、複数の中性分子及び複数の生体分子を備えるがこれらに制限されない、任意の化学的な分子、原子又はイオンとして理解される。サンプルは、ここで用いられるように、固体、溶液、気体、蒸気、又は少なくとも被分析物を備えたそれらの混合物として理解される。本発明の目的に関して、検出することは、サンプル中に存在する少なくとも１つの被分析物を、決定すること、識別すること、濃度又は活性度を測定すること、濃度又は活性度の変化を測定することを意味する。
【００１２】
本発明の１つの実施形態において、活性層は誘電体の層を備える。
【００１３】
この発明の１つの実施形態において、誘電体の層は３よりも高い比誘電率を有する材料からなる。ソースとドレインの間の電流の流れを最大化するためには、比誘電率の値は可能な限り高くなければならない。さらに、高い比誘電率の値を有する誘電体材料は、装置の動作電圧を低減させる。
【００１４】
化学選択性の誘電体の層は、誘電体の層の材料がサンプルに対して本質的に不活性であるように、選択されることができる。不活性であることは、少なくともアプリケーションの目的のために、機能化されない誘電体の層のキャパシタンスが実質的に一定であることを意味するものとする。従って、装置のドリフトに関連した問題を除去することができる。シリコンの層はサンプルにさらされたとき変成することができ、その結果誘電体の層のキャパシタンスが変化するので、ドリフト現象は典型的にはシリコンに基づいた装置に対して観察される。このことにより、結果的に、しきい値電圧はゆっくりと一時的に変化し、そのことは被分析物の検出の正しくない評価を意味する。
【００１５】
本発明の１つの実施形態において、活性層は本質的に誘電体の層からなる。上記誘電体の層は、上記装置が上記被分析物を含む上記サンプルにさらされたときに、上記被分析物に選択的に反応するように設けられた活性材料からなる。アプリケーションに依存して、サンプルにさらされた誘電体の層は、被分析物と変成された誘電体材料の間に相互作用が存在するように変成することができる。
【００１６】
本発明の１つの実施形態において、誘電体の層は有機物の誘電体材料を備える。本発明の別の実施形態において、誘電体の層は無機物を含む材料を備える。誘電体のキャパシタンスの値は可能な限り高いことが好ましい。誘電体材料の比誘電率の値εは、３よりも高く、好ましくは５よりも高く、好ましくは１０よりも高く、１００よりも高いことが好ましい。
【００１７】
本発明の別の実施形態において、活性層はさらに誘電体の層と膜層とを備えることができる。上記膜層は活性材料からなり、装置が被分析物を含むサンプルにさらされたときに、上記被分析物に選択的に反応するように設けられる。好ましくは、化学感応性を有する膜は共役オリゴマーか、又はポリマーである。
【００１８】
本発明の第１の態様の別の実施形態において、ソース及びドレイン電極は、上記電極の表面抵抗が１００Ω／ｓｑよりも低いことで特徴付けられる有機物を含む材料を備える。ソース及びドレイン電極は互いに指状突起形状を有することができる。
【００１９】
この発明の別の実施形態において、装置は、上記ソース電極と上記ドレイン電極の間の電流の通過路を保護するための封止層（encapsulating layer）と、支持層（support layer）とを付加的に備えることができ、上記封止層と上記支持層とは有機物を含む材料からなる。
【００２０】
この発明の第２の態様において、この発明の第１の態様において記述された装置と、基準電界効果トランジスタとを備え、サンプル中の被分析物を検出するためのシステムが開示されている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
添付された図面に関連して、本発明は以下に詳細に記述される。いくつかの実施形態が開示されている。しかしながら、本発明を実施することに関するいくつかの他の等価な実施形態又は他の方法を当業者が想像でき、その意図と範囲は添付された請求項の記述によってのみ制限されることは明らかである。
【００２２】
サンプル中の被分析物を検出するための、有機物の材料に基づいた装置が記述されている。上記装置は、化学感応性を有する電界効果トランジスタ（ＣＨＥＭＦＥＴ）である。上記装置は薄いフィルムトランジスタであり、上記トランジスタにおいてはゲート電極は取り除かれ、かつ上記トランジスタは活性層を備える。上記活性層は少なくとも１つの誘電体の層を備え、上記誘電体の層は被分析物を備えたサンプルにさらされ、上記被分析物を備えたサンプルは直接に、又は特定の認識機能を備えた層を介して調査される。上記装置は、例えば、サンプル中に存在する化学種（被分析物）の濃度及び活性度の検出及び測定のために用いることができる。被分析物は、ここで用いられるように、酵素、免疫化学薬品、ホルモン、及び還元可能なガスのような複数のイオン、複数の中性分子及び複数の生体分子を備えるがこれらに制限されない、任意の化学的な分子、原子又はイオンとして理解される。サンプルは、ここで用いられるように、溶液、固体、気体、蒸気、又は少なくとも被分析物を備えたそれらの混合物として理解される。本発明の目的に関して、検出することは、サンプル中に存在する少なくとも１つの被分析物を、決定すること、識別すること、濃度又は活性度を測定すること、濃度又は活性度の変化を測定することを意味する。特に、上記装置は生物化学及び薬学の分野においてサンプル中の被分析物の検出のために用いることができる。さらに、上記装置は特定の被分析物を含むサンプル、例えば蒸気、におい、気体の検出のために用いることができる。
【００２３】
この発明において、半導体の層、ソース電極、ドレイン電極、及び活性層を備え、サンプル中の被分析物を検出するための装置が開示されている。上記活性層は少なくとも誘電体材料を備える。上記半導体の層は、ソースとドレイン電極の間の電流の通過路として動作するように選択することができる。装置のチャネルにおける電界は、上記活性層の、サンプル中の被分析物との相互作用によって修正される。上記半導体材料の選択は、さらに、材料の導電性、材料の安定性、それらの利用可能性、集積回路を製造するときに用いられる標準的な処理ステップとのそれらの互換性、それらの堆積特性及びそれらの費用価格に基づくことができる。
【００２４】
上記半導体の層は、活性層に隣接することができ、又は活性層に隣接しないことができる。
【００２５】
半導体の層の被分析物との直接の相互作用は無視できることが好ましい。この発明において、半導体の層は、有機物を含む半導体材料を備える。有機物を含む半導体材料は、その中性の（ドープされていない）状態において用いることができ、ｐ−型半導体又はｎ−型半導体であることができるが、ｐ−型半導体であることが好ましい。上記有機物を含む半導体材料は有機ポリマー、例えば共役ポリマーであることができる。上記共役ポリマーは、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリ（ｐ−フェニレン）（ＰＰＰ）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）、ポリ（２，５−チオフェンビニレン）（ＰＴＶ）、ポリピロール（ＰＰｙ）、又はＣ60−バックミンスターフラーレンであることができるが、しかしそれらに制限されない。有機物を含む半導体の層は導電性のオリゴマーの層であることができ、上記オリゴマーの層はα−ヘキシルチオフェン（α−６Ｔ）、ペンタセン、及びオリゴ−フェニレンビニレンであることができるが、しかしそれらに制限されない。
【００２６】
有機物を含む半導体の層の堆積は、スピンコーティングによって、キャスティングによって、又は処理に適した長い鎖のポリマー又はオリゴマーの蒸発である、溶液の蒸発によって実行することができる。電気伝導性のポリマーの堆積に関連して従来技術において言及された問題は、上で言及された堆積技術を用いることによって取り除かれる。
【００２７】
この発明において、半導体の層、ソース電極、ドレイン電極及び活性層を備え、サンプル中の被分析物を検出するための装置が開示されている。
【００２８】
上記活性層は、それが電界効果の発生と、それによるトランジスタのチャネルにおける電流の流れとを保証するように選択される。上記活性層は少なくとも誘電体材料を備える。好ましくは、上記活性層は誘電体の層、又は被分析物に対して特性を有する膜で覆われた誘電体の層からなる。ソースとドレインの間の電流の流れを最大化するために、誘電体のキャパシタンスは可能な限り高くすることが好ましい。このことは、誘電体材料を非常に薄い複数の層に堆積することによって、及び高い比誘電率を有する材料を用いることによって達成することができる。上記層の厚さは典型的には０．１μから０．５μまでである。誘電体材料の比誘電率εは、３より高く、好ましくは５より高く、好ましくは１０より高く、１００より高いことが好ましい。上記活性層の吸水性は、可能な限り低いことが好ましく、無視できることが好ましい。
【００２９】
装置のドリフトは、発明の背景において言及されたように、サンプルに対して不活性な誘電体の層を用いることによって防止することができるか、少なくとも減少させることができる。不活性であることは、少なくともこのアプリケーションの目的のためには、機能化しない誘電体の層のキャパシタンスが実質的に一定であることを意味するものとする。さらに、有機物を含む半導体材料がバンドギャップにおいて高密度のトラッピングレベルを有することを考慮に入れると、高いεの値を有する誘電体材料は動作電圧を減少させる。このことは、ＣＨＥＭＦＥＴ装置のような特定の検出機能を有する装置に対して、従来技術と比較して非常に有利である。
【００３０】
誘電体の層は、検出又は測定されなければならない化学種に対してそれが特定の感応性を有するように選択することができる。誘電体の層は、有機物を含む誘電体材料、又は無機物を含む誘電体材料を備えることができる。
【００３１】
誘電体の層が有機物を含んだ材料を備え、特定の化学感応性を達成する目的を有するとき、誘電体の層の表面は機能化されなければならない。機能化することとは、被分析物と変成された誘電体材料との間で相互作用が存在するように、サンプルに接した誘電体材料の化学的特性を変成することである。上記機能化は、検出するべき被分析物の性質に依存する。検出されるべき被分析物は、イオン、有機物の生体分子、又は代謝生体分子であることができるが、しかしそれらに制限されない。被分析物がイオンであるとき、例えばポリマー又はオリゴマー上に、イオン選択性の複数の基が合成される。Ｎａ+，Ｋ+，Ｃａ2+，Ｍｇ2+，Ｃｌ-のようなイオン、又は他の任意のイオンの検出のために、イオン選択性を有する複数の基は、例えば、クラウンエーテル、クリプタンド、又は化学基を形成する他の任意のイオン複合体（ion complex）を備えたグループから選択することができる。有機物の生体分子は、例えばｐＨの変化をもたらす、例えば酵素反応を介して検出することができる。このｐＨの変化は酵素反応の検出及び測定のために用いられる。同一の原理が、酵素の層が複数の細胞の層によって置換されたときに、細胞の代謝をモニタリングするために用いられる。また、認識分子を誘電体材料のマトリクスにエントラップすることができる。
【００３２】
また、誘電体材料は無機物を含む材料を備えることができる。上記無機物を含む材料は、無機酸化物、無機窒化物又は無機酸窒化物を備えることができる。上記無機物を含む材料は、ＴｉＯ2，ＢａＴｉＯ3，ＢａxＳｒ1-xＴｉＯ3，Ｐｂ（ＺｒxＴ1-x）Ｏ3，Ｔａ2Ｏ5，ＳｒＴｉＯ3，ＢａＺｒＯ3，ＰｂＴｉＯ3，ＬｉＴａＯ3などを備えたグループから選択されたアモルファス金属材料を備えることができる。無機物を含む材料が被分析物に対して特定の認識機能を有するときは、誘電体の層は被分析物に対して直接にさらされる。例えば無機酸化物に対して、誘電体の層を被分析物を含むサンプルに直接にさらすことによって、陽子、又は陽子の濃度を検出又は測定することができる。
【００３３】
また、有機物又は無機物を含む誘電体の層は、被分析物に対して特定の認識特性を示さないことができる。ゆえに、被分析物に対して特性を有する膜が誘電体の層の上に堆積される。上記膜層は活性材料からなる。上記被分析物に対して特性を有する膜は、特定の認識分子を含むポリマーマトリクスであることができる。可能なポリマー材料及び特定の認識分子は、G. Harsanyi, Polymer Films in Sensor Applications - Technology, Materials, Devices and Their Characteristics, TECNOMIC Publishing Co. Inc. Lancaster-Basel, 1995, pp.2. 及びW. Gopel, J. Hasse, J. N. Zemel, Sensors: A Comprehensive Survey, Vol.2, Part.I, 1991, pp.467-528 において与えられている。被分析物に対して特性を有する膜は、ＰＶＣマトリクス、ポリシロキサンに基づく膜及びラングミュア−ブロジェット（Langmuir - Blodgett）フィルムであることができるが、しかしそれらに制限されない。上記特定の認識分子は、Ｋ+の検出のためのバリノマイシン、有機物の不活性種の検出のための特定の酵素（グルコース、コレステロール）であることができるが、しかしそれらに制限されない。
【００３４】
この発明において、ソース電極、ドレイン電極、半導体の層及び活性層を備え、サンプル中の被分析物を検出するための装置が開示されている。
【００３５】
上記ソース電極及び上記ドレイン電極は、有機物を含む材料から作ることができる。上記有機物を含む材料は材料の導電性が金属の領域にあるように選択することができる。上記電極の表面抵抗は１００Ω／ｓｑよりも低いことが好ましい。有機物を含む材料からなる電極は好適であるが、それはこのことが結果として、電極と有機物を含む半導体の層との間の接触の最適な性能をもたらすからである。上記有機物を含む材料はポリマー又はオリゴマーであることができる。上記ポリマーはショウノウスルホン酸（camphor sulphonic acid）をドープされたポリアニリン（polyaniline）であることができるが、しかしそれに制限されない。また、ソースとドレイン電極は、有機物の半導体においてＨＯＭＯ及びＬＵＭＯエネルギーレベルに依存する、金、白金又はアルミニウムのような金属から作ることができる。ソース電極及びドレイン電極は、好ましくはリソグラフィーによってパターン化されて作られる。ソース電極及びドレイン電極は、トランジスタのチャネルに流れ込む電流の最大化を達成するために、図３に図示されているように互いに指状突起形状を有することができる。チャネル幅（１）の長さ（２）に対する比と、互い違いに組合わされている指状電極の本数とは、出力電流に対して所望のレベルを達成するために最適化されなければならない。有機物を含む半導体材料の低いコンダクタンスのために、この構成は好適である。
【００３６】
本発明の別の実施形態において、上記装置はさらに支持層を備える。上記支持層は、それが複数の活性層の堆積を保証し、それが装置の平坦さを保持するように選択される。上記支持部（support）は、さらなる複数の堆積ステップによって決定される高い化学的な耐性と温度特性とを有するポリマー材料から作ることができる。上記支持層の高い方の動作温度は、摂氏１００度よりも高く、１５０度よりも高く、摂氏１５０度よりも高く、摂氏３００度よりも高いことが好ましい。そのような材料は、例えばポリ二弗化ビニル、高密度ポリエチレン、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン 登録商標）、ポリプロピレン又は上述の特性を満たす他の任意の材料であることができる。
【００３７】
さらに、上記装置は封止層によって封止することができる。上記半導体の層と複数の電極とは、半導体の層におけるソースとドレイン電極の間の電流の通過路が空気とサンプルとから保護されるように封止される。上記封止層は、エポキシ樹脂（マスター・ボンド・インコーポレイテッド（Master Bond Inc.）から購入されたＥＰ４２ＨＴのような）又はパリレンから作ることができるが、しかしそれらに制限されない。
【００３８】
本発明の一実施形態が図２Ｂにおいて与えられている。
【００３９】
図２Ｂは、本発明に係るサンプル中の被分析物を検出するための装置を表現している。上記装置は化学選択性の電界効果トランジスタであることができる。ＣＨＥＭＦＥＴの構造のほかに、単一のセンサ、又は複数のセンサのアレーを製造するために用いることができる方法が開示されている。そのようなセンサアレーは、各検出サイト（sensing site）が１つのセンサである多数の検出サイトを有する。好ましい実施形態において、不活性な支持層がアレーの共通の支持層である。
【００４０】
支持基板（２１）は、集積回路の製造で知られるような別の処理ステップに従って選択された。次のステップにおいて、誘電体の層（２２）は上記支持層の上に堆積される。誘電体材料は無機酸化物であり、上述の無機酸化物から選択することができる。誘電体の層は、摂氏５度から摂氏５０度までの範囲であって、好ましくは室温におけるＲＦスパッタリングによって堆積される。誘電体の層の厚さは、約０．１μであることが好ましい。次のステップにおいて、ソース及びドレイン電極が堆積される。最初に、有機物を含む材料、例えばショウノウスルホン酸でドープされたポリアナリン（polyanaline）の層が、誘電体の層の上に堆積される。続いて、ソース電極（２３）及びドレイン電極（２４）が形成されるように、層がリソグラフィー的にパターン化される。次いで、有機物を含む半導体の層（２５）が、複数の電極の上と、残りの誘電体の層の上とに堆積される。上記半導体の層は好ましくは０．１と０．５μｍの間の厚さを有し、スピンコーティングによって堆積される。ソース電極とドレイン電極と半導体の層とが空気及びサンプルから保護されるように、封止層が形成される。最後のステップにおいて、被分析物に対して特性を有する膜（２６）が誘電体の層の上に堆積され、支持層に形成された複数の穴に隣接する。上記膜の組成は検出するべき被分析物の性質に依存する。
【００４１】
有機物を含む材料はほとんどの処理ステップにおいて関係しているので、全ての処理ステップに対する温度の範囲を可能な限り低くし、好ましくは３００Ｃよりも低くする。
【００４２】
この発明の別の実施形態において、図２Ａにおいて表現されているような構造が開示されている。
【００４３】
開示されている装置は、基準電極を備えて、又は備えないで用いることができる。測定方法に依存して、基準電極又は基準ＦＥＴを用いることができる。例えば、固定されたゲート電圧のモードにおいて、化学的環境（例えば水溶液）は、センサのソース電極に関連して固定されたポテンシャルに保たれ、ソース電極とドレイン電極の間を流れる電流は、センサの化学的環境における変化の関数として記録される。このことは、（通例は接地されている）ソース電極と、基準電極又は基準ＦＥＴとの間の電圧降下を調整することによって実現される。また、一定のドレイン電流のモードにおいては、ソースとドレインの間の電流は、基準電極又は基準ＦＥＴとソース電極との間の電圧降下ＶGSを調整することによって一定に保たれる。センサの応答は、化学的環境における変化の関数としての、この電圧降下ＶGSの変動である。
【００４４】
好ましい実施形態において、図４に図示されたような装置が開示されている。
【００４５】
６５０μｍの厚さを有するシリコンウェハー（５１）が、装置のための支持部として用いられる。これは単に機械的な支持構造であって、装置の動作において動的な役割は果たさない。シリコン酸化物（４７０ｎｍ）（５３）とシリコン窒化物（１５０ｎｍ）（５２）の２つの層が、図４から分かるように、それぞれシリコンウェハーの両方の面に堆積された。これらの２つの層の厚さは、膜への機械的なストレスを減少させるように選択された。シリコンの酸化物の層は機械的なストレスを減少させる機能を有する。シリコン窒化物の層は、この場合、二重の役割を実行する。それは（誘電体の感応性を有するゲートである）活性層を表し、それと同時に、それは異方性のＫＯＨエッチングを停止させるための層である。
【００４６】
処理ステップが図４に図示されている。最初に、従来のリソグラフィー及びドライエッチングの手段によってマスクがパターンされ、酸化物及び窒化物の層の裏面に、容易な劈開に対して用いられた活性領域（５７）及び複数の“Ｖ字形状”の溝（５８）を決定する（図４−ステップ１を参照）。続いて、１００ｎｍの厚さを有する金のソース（５４）及びドレイン（５５）の指状突起形状を有する電極が熱蒸着（thermal evaporation）によって堆積され、リフトオフ（lift-off）技術によってパターン化された（図４−ステップ２）。次のステップにおいて、Ｐ３ＨＴ（ポリ−３−ヘキシルチオフェン）の半導体の層（５６）が、０．８重量％濃度のクロロホルム溶液から、複数の電極上にスピンコートされた（図４−ステップ３）。感応性を有する領域を決定する窓は、４０℃のＫＯＨの３５重量％濃度の水溶液においてシリコンを完全にエッチングすることによって作られた（図４−ステップ４）。このことは、シリコン窒化物の表面上に１ｍｍ×１ｍｍの活性領域を定める。
【００４７】
劈開の後で結果として得られる装置は、厚いフィルムのアルミナ基板上にワイヤボンディングされ、マスターボンドインコーポレイテッドから購入された室温で硬化する２成分のエポキシである、ＥＰ４２ＨＴによって封止されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＭＯＳ技術によって製造されたイオン感応性を有する電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）の図である（H. H. van Vlekkert et. al., Proc. 2nd Int. Meeting on Chemical Sensors, Bordeaux, France, 1986, pp. 462）。
【図２】ａ−ｂ：本発明に係る装置の構成を表す図である。
【図３】互いに指状突起形状を有するソース−ドレイン電極の構成を表す図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態に係るプロセスフロー及び装置構成を表す図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板、
２，２４，５５…ドレイン領域、
３，２３，５４…ソース領域、
４，２２…誘電体の層、
５…金属電極、
６…イオン選択性の膜、
７…溶液、
８…基準電極、
９…封止材料、
２１…支持基板、
２５…有機物を含む半導体の層、
２６…被分析物に対して特性を有する膜、
５１…シリコンウェハー、
５２…シリコン窒化物、
５３…シリコン酸化物、
５６…半導体の層、
５７…活性領域、
５８…“Ｖ字形状”の溝。
Claims (17)
- サンプル中の被分析物を検出するための装置であって、
誘電体材料からなり、上記サンプルに対して不活性である活性層と、
ソース電極及びドレイン電極とを備え、ゲート電極を持たず、
上記ソース電極と上記ドレイン電極の間に電流の通過路を提供する半導体層を備え、
上記半導体層は有機物を含む半導体材料からなり、
上記活性層は上記半導体層と接触し、
上記活性層は上記サンプルに接触し、上記活性層が上記被分析物を含む上記サンプルに接触するとき、上記活性層は上記半導体層のコンダクタンスに対して影響を与えるように設けられたことを特徴とする装置。 - 上記誘電体材料は３よりも高い又は５よりも高い比誘電率を有する材料からなる請求項１記載の装置。
- 上記誘電体材料は有機物を含む材料である請求項１又は２記載の装置。
- 上記有機物を含む材料の比誘電率は８よりも高い値を有する請求項３記載の装置。
- 上記誘電体材料は無機物を含む材料である請求項１又は２記載の装置。
- 上記無機物を含む材料の比誘電率は１０よりも高い値を有する請求項５記載の装置。
- 上記誘電体材料は、ＴｉＯ2，ＢａＴｉＯ3，ＢａxＳｒ1-xＴｉＯ3，Ｐｂ（ＺｒxＴ1-x）Ｏ3，Ｔａ2Ｏ5，ＳｒＴｉＯ3，ＢａＺｒＯ3，ＰｂＴｉＯ3，ＬｉＴａＯ3からなるグループから選択された材料からなる請求項５又は６記載の装置。
- 上記有機物を含む半導体材料は共役オリゴマー又はポリマーからなる請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の装置。
- 上記共役オリゴマー又はポリマーは、ポリチオフェン（ＰＴ）、ポリ（ｐ−フェニレン）（ＰＰＰ）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）、ポリ（２，５−チオフェンビニレン）（ＰＴＶ）、ポリピロール（ＰＰｙ）、α−ヘキシルチオフェン（α−６Ｔ）、ペンタセン、オリゴ−フェニレンビニレンからなるグループから選択される請求項８記載の装置。
- 上記活性層は上記被分析物に選択的に反応する膜をさらに有する請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載の装置。
- 上記被分析物に選択的に反応する膜は、ＰＶＣマトリクス、ポリシロキサンに基づく膜、ラングミュア−ブロジェット（Langmuir-Blodgett）フィルムからなるグループから選択される請求項１０記載の装置。
- 上記ソース電極及び上記ドレイン電極は有機物を含む材料からなり、上記ソース電極及び上記ドレイン電極の表面抵抗が１００Ω／ｓｑよりも低い請求項１〜１１のうちのいずれか１つに記載の装置。
- 上記ソース電極及び上記ドレイン電極は、互いに指状突起形状を有する請求項１〜１２のうちのいずれか１つに記載の装置。
- 上記装置は、
上記ソース電極と上記ドレイン電極の間の電流の通過路を保護する封止層と、
支持層とをさらに備え、
上記封止層と上記支持層とは有機物を含む材料からなる請求項１〜１３のうちのいずれか１つに記載の装置。 - 請求項１〜１４のうちのいずれか１つに記載の装置と、基準電界効果トランジスタとを備えた、サンプル中の被分析物を検出するための装置。
- 請求項１〜１４のうちのいずれか１つに記載の装置を少なくとも２個含む、サンプル中の被分析物を検出するための複数の上記装置からなるアレー。
- サンプル中の被分析物を検出するための請求項１〜１４のうちのいずれか１つに記載の装置の使用。
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