JP4669213B2 - 電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ並びにそれを用いたセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、上記の課題に鑑みて創案されたもので、高感度の検出感度が要求される検出対象物質の検出を可能としたセンサを提供することを目的とする。
また、本発明の別のセンサは、基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた電界効果トランジスタを有し、検出対象物質を検出するためのセンサであって、該電界効果トランジスタが、該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用感知ゲートと、該相互作用を該電界効果トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加されるゲートとを有し、該相互作用感知ゲートが、電圧を印加されるゲートとは異なる他のゲートであり、該他のゲートが、裏面側に設けられたバックゲートであり、該チャネルが、カーボンナノチューブで構成され、該カーボンナノチューブが、室温において該ソース電極及びドレイン電極の間に弛んだ状態で設けられており、該チャネルと該相互作用感知ゲートとの間に、低誘電率の絶縁性材料の層が形成されていることを特徴とする(請求項2)。
これらのセンサによれば、トランジスタの伝達特性が最高感度となる状態で該相互作用の検出を行なうことができるので、センサを高感度にすることができる。
また、上記の単一電子トランジスタが有するカーボンナノチューブは、欠陥が導入されていることが好ましい(請求項6)。これにより、カーボンナノチューブ中に量子ドット構造を形成することができる。
また、上記の単一電子トランジスタが有するカーボンナノチューブの電気特性は、金属的性質を有することが好ましい(請求項7)。
また、該チャネルが、絶縁性部材で被覆されている上記センサでは、トランジスタ内の電流が確実にチャネルを流れるようにすることができ、安定して検出をおこなうことができる。
また、本発明のセンサは、該相互作用感知ゲートに、該特定物質を固定化したものも含む(請求項11)。
図1(a),(b)は、本発明の第1実施形態としてのセンサを説明する図である。
図1(a)に示すように、トランジスタ1Aの基板2は絶縁性の素材で形成されていて、その上面(図中上側の面)には、全面に渡って絶縁性で且つ低誘電率の酸化シリコンの層(以下適宜、「低誘電層」という)3が設けられている。また、低誘電層3の表面には、金で形成されたソース電極4及びドレイン電極5が設置されていて、ソース電極4及びドレイン電極5の間にはカーボンナノチューブで形成されたチャネル6が装架されている。
また、バックゲート9には、外部からなんら電圧が印加されないようになされている。
しかし、本実施形態のセンサを用いれば、センサの小型化、検出の迅速化、操作の簡便等の利点を得ることができる。
図2(a),(b)は、本発明の第2実施形態としてのセンサを説明する図である。
図2(a)に示すように、本発明の第2実施形態としてのセンサを構成するトランジスタ1Bは、第1実施形態において説明したトランジスタ1Aと同様の構成を有している。
また、本実施形態のセンサを用いれば、センサの小型化、検出の迅速化、操作の簡便等の利点を得ることができる。
図3(a),(b)は、本発明の第3実施形態としてのセンサを説明する図である。
図3(a)に示すように、第1実施形態と同様、本実施形態のセンサを構成するトランジスタ1Cは、絶縁性の素材で形成された基板2、絶縁性で且つ低誘電率の低誘電層3、金で形成されたソース電極4及びドレイン電極5を有していて、ソース電極4及びドレイン電極5の間にはカーボンナノチューブで形成されたチャネル6が装架されている。
チャネル6はこの絶縁膜13を横方向に貫通していている。言い換えれば、チャネル6の中間部は絶縁膜13によって被覆されている。
また、上記第1実施形態と同様に、チャネル6としてカーボンナノチューブを用いたので、センサをさらに高感度にすることができる。また、基板2が絶縁性基板であるので、検出対象物質と特定物質との相互作用を確実に検出することができる。
また、チャネル6とトップゲート14との間に、低誘電率の絶縁膜13が形成されているので、これにより、トップゲート14における相互作用による表面電荷の変化を、より効率的にチャネル6に伝達することができ、センサの感度をより向上させることができる。
また、本実施形態のセンサを用いれば、センサの小型化、検出の迅速化、操作の簡便等の利点を得ることができる。
図4(a),(b)は、本発明の第4実施形態としてのセンサを説明する図である。
図4(a)に示すように、第1実施形態と同様、本実施形態のセンサを構成するトランジスタ1Dは、絶縁性の素材で形成された基板2、絶縁性で且つ低誘電率の低誘電層3、金で形成されたソース電極4及びドレイン電極5を有していて、ソース電極4及びドレイン電極5の間にはカーボンナノチューブで形成されたチャネル6が装架されている。また、サイドゲート7を有している。
また、本実施形態のセンサを用いれば、センサの小型化、検出の迅速化、操作の簡便等の利点を得ることができる。
図5(a),(b)は、本発明の第5実施形態を示す図である。
図5に示すように、本発明の第5実施形態としてのトランジスタ1Eは、バックゲート9及び抗体10を有していないことのほかは、第1実施形態で説明したトランジスタ1Aと同様の構成となっている。
図6(a),(b)は本発明の第6実施形態を示す図である。
図6に示すように、本発明の第6実施形態としてのトランジスタ1Fは、バックゲート9及び抗体10を有していないことのほかは、第2実施形態で説明したトランジスタ1Bと同様の構成となっている。
以上、第1〜第6実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記の各実施形態に限定されるものではなく、適宜変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態を任意に組み合わせて実施しても良い。
また、ソース電極、ドレイン電極、ゲート、チャネル、及び、相互作用感知ゲートは、それぞれ適宜、複数形成してもよい。
また、上記実施形態ではセンサに特定物質を固定した例を示して説明したが、上記センサは製造段階や出荷段階では特定物質を固定されず、ユーザが特定物質を固定化するようなものであってもよい。即ち、本発明の実施形態としてのセンサは、特定物質が固定化されていないものも含むものとして理解すべきである。
また、上記実施形態では相互作用感知ゲートとしてトップゲート、サイドゲート、及び、バックゲートを用いたが、相互作用感知ゲートを上記ゲート以外の他のゲートで形成してもよく、また、さらにゲート以外の他の部材で構成してもよいことは言うまでも無い。
また、上記実施形態ではチャネル6はソース電極4とドレイン電極5との間に装架されているが、チャネル6は基板2や低誘電層3などに接触して設けられても良い。また、基板2や低誘電層3にチャネル6が接触している状態であっても、チャネル6が弛んだ状態であれば、温度変化による破損の可能性を低下させることは可能である。
なお、相互作用感知ゲートには電圧を印加することもできる。
続いて、上記の各実施形態の構成要素について、詳細に説明する。
上述したように、上記実施形態において、「トランジスタ」とは、電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタのいずれかのことを指す。
基板(上記実施形態では、符号2で示したもの)は、絶縁性基板、あるいは絶縁された半導体基板であれば他に制限は無く、任意の素材で形成されたものを用いることができる。但し、センサとして用いる場合、絶縁性基板、あるいは、表面を絶縁性基板を構成する素材で被覆した基板であることが好ましい。絶縁性基板を用いた場合、半導体基板に比べ、誘電率が低いために浮遊容量を低減することができ、そのためバックゲートを相互作用感知ゲートとした場合に相互作用の検知感度を高めることができる。
さらに、半導体基板の上に絶縁膜を形成して絶縁する場合は、絶縁膜を形成する絶縁体の具体例としては、上記の絶縁性基板を形成する絶縁体と同様のものが挙げられる。この場合、半導体基板は後述するゲートとしても作用させることができる。
ソース電極(上記実施形態では、符号4で示したもの)は、上記トランジスタのキャリアを供給できる電極であれば他に制限は無い。また、ドレイン電極(上記実施形態では、符号5で示したもの)は、上記トランジスタのキャリアを受け取ることができる電極であれば、他に制限は無い。
ソース電極及びドレイン電極はそれぞれ任意の導体で形成することができ、具体例としては、金、白金、チタン、炭化チタン、タングステン、アルミニウム、モリブデン、クロムケイ化タングステン、窒化タングステン、多結晶シリコンなどが挙げられる。また、これらは任意の種類及び比率で組み合わせて用いても良い。
ゲート(上記実施形態では、符号7,12で示したもの)は、上記トランジスタのチャネル内の荷電粒子の密度を制御できるものであれば制限は無く、任意のものを用いることができる。通常、ゲートはチャネルから絶縁された導体を有して構成され、一般的には導体および絶縁体から構成される。
ゲートを構成する導体の具体例としては、金、白金、チタン、炭化チタン、タングステン、ケイ化タングステン、窒化タングステン、アルミニウム、モリブデン、クロム、多結晶シリコンなどが挙げられる。また、これらは任意の種類及び比率で組み合わせて用いても良い。
相互作用感知ゲート(上記実施形態では、符号9,14,15で示したもの)は、検出対象物質と相互作用をする特定物質を固定することができるものであればよいため、固定部材ということができる。また、相互作用感知ゲートは外部から電圧を印加されないものが好ましい。したがって、相互作用感知ゲートは、電圧非印加型固定部材ということもできる。また、相互作用感知ゲートは、例えば、導体、半導体、絶縁体など、様々なものを用いることができる。但し通常は、ソース電極やドレイン電極と同様に導体を用いる。したがって、相互作用感知ゲートは電極構造部材ということもでき、電圧が印加されないことと併せて電圧非印加型電極構造部材ということもできる。相互作用感知ゲートを形成する導体の具体例としては、金、白金、チタン、炭化チタン、タングステン、ケイ化タングステン、窒化タングステン、アルミニウム、モリブデン、クロム、多結晶シリコンなどが挙げられる。また、これらは任意の種類及び比率で組み合わせて用いても良い。
チャネル(上記実施形態では、符号6で示したもの)は、ソース電極及びドレイン電極の間の電流の通路となりうるものであり、公知のチャネルを適宜用いることができる。
つまり、ゲートからチャネルにかけての間が絶縁性で且つ高誘電率であること高誘電層を形成することにより、ゲートの電圧印加により、トランジスタの伝達特性をより効率よく変調させることができるのである。これにより、上記のトランジスタをセンサとして用いた場合、センサとしての感度をより向上させることができる。
このような微細なチャネルの例としては、例えばナノチューブ状構造体が挙げられる。ナノチューブ状構造体とは、チューブ状の構造体であって、その長手方向に直交する断面の直径が0.4nm以上50nm以下のものをいう。なお、ここでチューブ状、とは、構造体の長手方向の長さと、これに垂直な方向のうち最も長い一方向の長さとの比が10以上10000以下の範囲にある形状を指し、ロッド状(断面形状が略円形)、リボン状(断面形状が扁平な略方形)等の各形状を含む。
検出対象物質については特に制限は無く、任意の物質を用いることができる。また、特定物質(上記実施形態では、符号10で示したもの)は、検出対象物と選択的に相互作用できるものであれば特に制限は無く、任意の物質を用いることができる。それらの具体的としては、酵素、抗体、レクチン等のタンパク質、ペプチド、ホルモン、核酸、糖、オリゴ糖、多糖等の糖鎖、脂質、低分子化合物、有機物質、無機物質、若しくはこれらの融合体、または、ウィルス若しくは、細胞、生体組織やこれらを構成する物質などが挙げられる。
低分子化合物としては、相互作用する能力を有する限り、特に制限はない。機能が未知のものでも、あるいはタンパク質と結合もしくは反応する能力が既に知られているものでも用いることができる。
次に、チャネルとしてカーボンナノチューブを用いた場合を例にとり、上記実施形態で説明したトランジスタの作成方法の一例を図7を用いて説明する。
トランジスタに使用するカーボンナノチューブは、その位置と方向とを制御して形成しなければならない。このため、通常はフォトリソグラフィー法などによりパターニングした触媒を利用して、カーボンナノチューブの成長位置と方向とを制御して作製する。
具体的には次に述べる工程でカーボンナノチューブを形成する。
カーボンナノチューブを形成しようとする位置及び方向に応じて形成するパターンを決定し、そのパターンに合わせて基板2上にフォトレジスト16でパターニングを行なう。
パターニングを行なった基板2面に、触媒17となる金属を蒸着する。触媒17となる金属の例としては、鉄、ニッケル、コバルトなどの遷移金属、あるいはそれらの合金などが挙げられる。
触媒17の蒸着後、リフトオフを行なう。リフトオフにより、フォトレジスト16は基板2から除去されるため、フォトレジスト16表面に蒸着された触媒17もともに基板2から除去される。これにより、工程1で形成したパターンに合わせて触媒17のパターンが形成される。
高温においては、金属触媒17は直径数nmの微粒子状になり、これを核としてカーボンナノチューブが成長する。なお、ここで通常、高温とは300℃以上1200℃以下を指す。
さらに、適当な位置にゲート及び相互作用感知ゲートを設けて、トランジスタを作製する。
さらに、作製した電界特性トランジスタのカーボンナノチューブ19に水素、酸素、アルゴンなどの雰囲気ガスでの加熱、酸溶液中での煮沸などの化学処理を行ない、欠陥を導入して量子ドット構造を形成させることにより、単一電子トランジスタを作製することができる。
相互作用感知ゲートへの特定物質の固定化方法としては、相互作用感知ゲートに特定物質を固定することができる方法であれば特に制限は無い。例えば、相互作用感知ゲートに直接物理吸着で結合させることも可能であるが、予め相互作用感知ゲート上にアンカー部を有するフレキシブルスペーサーを介して結合させても良い。
本発明のセンサは、任意の分野で適宜用いることができるが、例えば、次のような分野で用いることができる。
カーボンナノチューブをチャネルとした電界効果トランジスタの作製は以下のように行った。
(基板の準備)
n−型Si(100)基板2を、体積比で硫酸:過酸化水素=4:1となるよう混合した酸に5分間浸して表面を酸化した後、流水で5分間すすぎ、その次に体積比でフッ化水素酸:純水=1:4となるように混合した酸で酸化膜を除去し、最後に流水で5分間すすぎSi基板表面を洗浄した。洗浄したSi基板2表面を酸化炉を用いて1100℃、30分間、酸素流量3L/min.の条件で熱酸化し、厚さ約100nmのSiO2を絶縁膜20として成膜した。
次に絶縁層20表面にカーボンナノチューブ成長触媒を形成するために、フォトリソグラフィー法によりフォトレジスト16をパターニングした{図10(a)}。まず絶縁層20上に、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)を500rpm,10秒間、4000rpm,30秒間の条件でスピンコートし、その上にフォトレジスト(シプレイ・ファーイースト社製microposit S1818)を同条件でスピンコートした。
カーボンナノチューブの成長後、ソース電極、ドレイン電極、及びサイドゲート電極をそれぞれ作製するために、再度前述したフォトリソグラフィー法により、Si基板2上にフォトレジスト16をパターニングした{図12(a)}。
Si基板2裏面のSiO2膜20をRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)装置を用いてドライエッチングし除去した。このとき、使用したエッチャントはSF6で、RF出力100Wのプラズマ中で6分間エッチングを行った。裏面のSiO2膜20を除去した後、EB蒸着によりPtおよびAuの順にPt/Au=300/2000Å、Ptの蒸着レートが0.5Å/分間、Auの蒸着レートが5Å/分間の条件で、Si基板2にバックゲート電極(相互作用感知ゲート)9を蒸着した(図13)。
次にSi基板2表面に形成した素子保護膜を、煮沸したアセトン、アセトン、エタノール、流水の順に各3分間洗浄し、除去した。次に、カーボンナノチューブ19を保護するために、ソース電極4、ドレイン電極5、及びサイドゲート電極7をパターニングする際のフォトリソグラフィー法と同様にして、フォトレジストを素子表面のソース電極4、ドレイン電極5、及びサイドゲート電極7以外の部分にパターニングしチャンネル保護層16とした(図14)。以上の工程を経て完成したカーボンナノチューブ−電界効果トランジスタ(以下適宜、「CNT−FET」という)の概略図を図15に示す。
作製したCNT−FETを用いて、以下の手法により、抗体固定化前後の特性測定を行なった。
バックゲート電極9に、酢酸バッファー溶液で希釈した濃度100[μg/mL]のマウスIgG抗体を50μL滴下し、湿度90%の湿潤箱で約15分間反応させ、純水で表面を洗浄し、抗体の固定化を行った。固定化の結果、図16のようにバックゲート電極9に特定物質として上記IgG抗体10が固定された。なお、図16ではチャネル保護層16は二点鎖線で示す。
2 基板
3 低誘電層
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 チャネル
7 サイドゲート
9 バックゲート(電圧非印加電極構造部材)
10 抗体
11 高誘電層
12 バックゲート
13 絶縁膜
14 トップゲート(電圧非印加電極構造部材)
15 サイドゲート(電圧非印加電極構造部材)
16 フォトレジスト(チャネル保護層)
17 触媒
18 CVD(化学気相堆積法)炉
19 カーボンナノチューブ
20 スペーサ層(絶縁層)
21 絶縁体
Claims (11)
- 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた電界効果トランジスタを有し、検出対象物質を検出するためのセンサであって、
該電界効果トランジスタが、
該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用感知ゲートと、
該相互作用を該電界効果トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加されるゲートとを有し、
該相互作用感知ゲートが、電圧を印加されるゲートとは異なる他のゲートであり、
該他のゲートが、該基板の表面側に設けられたトップゲート又は該基板表面のチャネル側面に設けられたサイドゲートであり、
該チャネルが、カーボンナノチューブで構成され、
該カーボンナノチューブが、室温において該ソース電極及びドレイン電極の間に弛んだ状態で設けられており、
該チャネルが絶縁性部材で被覆されている
ことを特徴とする、センサ。 - 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた電界効果トランジスタを有し、検出対象物質を検出するためのセンサであって、
該電界効果トランジスタが、
該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用感知ゲートと、
該相互作用を該電界効果トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加されるゲートとを有し、
該相互作用感知ゲートが、電圧を印加されるゲートとは異なる他のゲートであり、
該他のゲートが、裏面側に設けられたバックゲートであり、
該チャネルが、カーボンナノチューブで構成され、
該カーボンナノチューブが、室温において該ソース電極及びドレイン電極の間に弛んだ状態で設けられており、
該チャネルと該相互作用感知ゲートとの間に、低誘電率の絶縁性材料の層が形成されている
ことを特徴とする、センサ。 - 該カーボンナノチューブの電気特性が半導体的性質を有する
ことを特徴とする請求項1または2に記載のセンサ。 - 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた単一電子トランジスタを有し、検出対象物質を検出するためのセンサであって、
該単一電子トランジスタが、
該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用感知ゲートと、
該相互作用を該単一電子トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加されるゲートとを有し、
該相互作用感知ゲートが、電圧を印加されるゲートとは異なる他のゲートであり、
該他のゲートが、該基板の表面側に設けられたトップゲート又は該基板表面のチャネル側面に設けられたサイドゲートであり、
該チャネルがカーボンナノチューブで構成され、
該カーボンナノチューブが、室温において該ソース電極及びドレイン電極の間に弛んだ状態で設けられており、
該チャネルが絶縁性部材で被覆されている
ことを特徴とする、センサ。 - 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた単一電子トランジスタを有し、検出対象物質を検出するためのセンサであって、
該単一電子トランジスタが、
該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用感知ゲートと、
該相互作用を該単一電子トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加されるゲートとを有し、
該相互作用感知ゲートが、電圧を印加されるゲートとは異なる他のゲートであり、
該他のゲートが、裏面側に設けられたバックゲートであり、
該チャネルがカーボンナノチューブで構成され、
該カーボンナノチューブが、室温において該ソース電極及びドレイン電極の間に弛んだ状態で設けられており、
該チャネルと該相互作用感知ゲートとの間に、低誘電率の絶縁性材料の層が形成されている
ことを特徴とする、センサ。 - 該カーボンナノチューブに欠陥が導入されている
こと特徴とする、請求項4または5に記載のセンサ。 - 該カーボンナノチューブの電気特性が金属的性質を有する
ことを特徴とする、請求項4〜6のいずれか1項に記載のセンサ。 - 該チャネルが、該基板から離隔した状態で上記のソース電極及びドレイン電極間に装架されている
ことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載のセンサ。 - 該基板が、絶縁性基板である
ことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載のセンサ。 - 該チャネルと該電圧を印加されるゲートとの間に、高誘電率の絶縁性材料の層が形成されている
ことを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載のセンサ。 - 該相互作用感知ゲートに、該特定物質を固定化した
ことを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載のセンサ。
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