JP5228891B2 - センサデバイス - Google Patents

Description

本発明は、センサデバイスに係り、特に多孔質絶縁層を有するトランジスタを用いたセンサデバイスに関する。

従来、様々なセンサの研究開発がなされており、センサは工業的なものから医学的なものまで、或いは一般家庭にまで広く浸透しており、現代社会において欠くことのできない存在となっている。センサは、例えば測定対象、信号変換機能、又は構成材料等により分類され、信号変換機能は、物理センサ、化学センサ、又はバイオセンサに大別することができる。

この中で、バイオセンサは、生体のもつ優れた分子認識能力を模倣、又は直接利用した計測デバイスであって、幅広い応用の可能性が予想され、注目されている。

バイオセンサは、物質の受容、変換を行う分子認識材料（受容体）と、電気信号等の検出可能な信号への変換を行う各種トランジューサから構成される。例えば、バイオセンサは、膜等に固定化された分子認識材料が、検出する物質を認識したときに起こる酵素反応、微生物の呼吸、免疫反応等を電流や熱量の変化として捉え、トランジューサにより電気信号として取り出して表示する。

分子認識材料には、酵素、微生物、抗体等の免疫物質、ＤＮＡ等の遺伝子、細胞等が用いられ、トランジューサには、測定対象に応じて、酵素電極、過酸化水素電極、イオン電極、電解効果型トランジスタ、光ファイバー、フォトカウンタ、水晶振動子、表面弾性波、サーミスタ等が用いられる。

図１は、従来のバイオトランジスタを説明するための素子概略断面図と電気回路図である。絶縁ゲート電界効果トランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＦＥＴ）３００は、ゲート絶縁膜３１０の表面に分子認識材料３２０が固定化され、参照電極３３０と共に溶液３４０の中に浸漬される。

絶縁ゲート電界効果トランジスタ３００は、溶液３４０の電位を、参照電極３３０により制御し、ゲート絶縁膜３１０の表面における分子認識材料３２０の分子認識による電荷密度を、参照電極３３０を介して測定する。シリコン（Ｓｉ）表面では、ゲート絶縁膜３１０の表面における電荷密度に応答して、チャネルの電子密度が変化するため、ドレイン電流を測定することにより、原理的に分子認識材料３２０に基づく信号のみ検出することができる（例えば、非特許文献１参照）。

一方、近年、軽量化や携帯性や柔軟性の必要性から、有機材料をエレクトロニクス分野にも用いることが提案されており、このため有機材料を用いた様々な縦型トランジスタが提案されている。例えば、有機材料からなるトランジスタと有機材料からなる発光層を組み合わせることで、発光層とこの発光層の制御素子の双方を有機材料により形成した発光素子が実現できる（例えば、非特許文献２参照）。

また、有機半導体を用いた縦型トランジスタとしては、ＣｕＰｃ（銅フタロシアニン）をソース電極、ドレイン電極で挟み、ゲート電極にスリット上のアルミニウム薄膜をＣｕＰｃ層に埋め込んで形成したものが報告されている（例えば、非特許文献３参照）。

また、有機トランジスタを有する発光素子としては、正孔輸送材料としてα−ＮＰＤ（ビス−１−ＮナフチルＮフェニルベンジジン）、発光材料としてＡｌｑ_３（８−ヒドロキシキノレートアルミニウム錯化合物）を使用し、ゲート電極をα−ＮＰＤ層中に配置した、縦型有機発光トランジスタの性能が報告されている（例えば、非特許文献４参照）。
応用物理学会誌、７４巻、第１２号（２００５）ｐｐ．１５５５−１５６２ Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ ３３１（１９９８）５１−５４ 工藤他、Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ，Ｖｏｌ．１１８−Ａ，Ｎｏ．１０，（１９９８）Ｐ１１６６−１１７１ 池上他、電子情報通信学会、ＯＭＥ２０００−２０，Ｐ４７−５１

ここで、エネルギー変換技術におけるアノード酵素電極反応系に、酵素触媒、イオン伝導体、燃料が形成される三相界面の概念について説明する。図２は、エネルギー変換技術におけるアノード酵素電極反応系に酵素触媒、イオン伝導体、燃料が形成される三相界面の概念を示す図である。

図２に示すように、プロトン伝導に関わる抵抗、電子伝導に関わる抵抗は、三相界面における分極によるものである。ここから、バイオトランジスタの設計における指針を得ることができる。即ち、アノード極における三相界面にてプロトン生成が行われるため、エネルギー変換にあたり、電子伝導に関わる抵抗の低減が重要であることが分かる。

このことを例えば、バイオトランジスタの電気伝導に応用すれば、図１に示す絶縁ゲート電界効果トランジスタ３００において、ゲート絶縁膜３１０の表面における分子認識材料３２０、イオン伝導体、及び電極による三相界面の位置が電極に近ければ近いほど電荷伝導に関わる抵抗の低減が可能となることを示唆している。また、電荷伝導に関わる抵抗を低減することにより、高速に信号の取り出しが可能となることを示している。

しかしながら、図１に示す絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）３００は、横型の電解効果トランジスタ構造を基本としているために、三相界面と電極位置を近接させるには限界があった。本発明は、縦型の電解効果トランジスタ構造を採用することにより、従来の欠点を解消して、センサの応答性に関して大幅な改善をするものである。

縦型の電界効果トランジスタは、例えばＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の横型の電界効果型トランジスタと比較した場合、導電層の水平方向に電流を流す横型に対して、導電層の垂直方向に電流を流す縦型である。したがって縦型の電界効果トランジスタは、トランジスタの電流経路であるチャネル長を導電層厚さ程度に短くすることが可能であり、且つドレイン電流を大きく取ることができるため、トランジスタを高速度で動作させることが可能となる。また、素子構造が簡単なため、素子サイズを小さくすることができる特徴を有している。

縦型トランジスタは、このような特徴を有しているため、例えば、有機ＥＬ層等の発光層の制御素子（スイッチング素子と呼ぶ場合もある）として用いられる場合には、有機ＥＬ層を用いた表示装置が、高速な応答性を要求されるため、横型トランジスタよりも適している。

このように、縦型有機トランジスタは、横型有機トランジスタを用いた場合と比較して、有機ＥＬ層等の発光層の制御素子として圧倒的に有利に利用可能であることが判明しており、現在では、フレキシブルシートディスプレイの実現化へ向けた活発な研究開発がなされている。

しかしながら、この技術をバイオトランジスタに応用し、上述したゲート絶縁膜表面での分子認識材料とイオン伝導体、及び電極による三相界面の位置を電極に近づけ電荷伝導に関わる抵抗を低減するためには、縦型構造のトランジスタにおいてゲート電極及びゲート絶縁層に、触媒反応を助長するための工夫が必要であった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、縦型バイオトランジスタを用いることにより、高速で動作させることができ、小型化可能な高性能なセンサデバイスを提供することを目的とする。

本発明は、絶縁物の多孔質により形成される多孔質絶縁層と、前記多孔質絶縁層の一方の面に形成される第１の開口部を有する第１の電極と、前記多孔質絶縁層の他方の面に形成される前記第１の開口部に対応した第２の開口部を有する第２の電極と、前記第２の電極上に形成される絶縁層と、前記多孔質絶縁層の孔の内壁に配置された分子認識材料と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、第１の開口部を有する低抵抗基板と、前記低抵抗基板の一方の面に形成される第１の電極と、前記低抵抗基板の他方の面に形成される多孔質絶縁層と、前記多孔質絶縁層上に形成される前記第１の開口部に対応した第２の開口部を有する第２の電極と、前記第２の電極上に形成される絶縁層と、前記多孔質絶縁層の孔の内壁に配置された分子認識材料と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の電極及び前記第２の電極から離れた位置に、第３の電極が設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の電極、前記第２の電極及び多孔質絶縁層のすべてを溶液に浸し、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより流れる電流値を検出し、前記電流値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる物質の特性又は含まれる材料の含有量の計測を行なうことを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極及び多孔質絶縁層のすべてを溶液に浸し、前記第３の電極に一定の電圧を印加するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより流れる電流値を検出し、前記電流値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる材料の特性又は含まれる材料の含有量の計測を行なうことを特徴とする。

また、本発明は、前記多孔質絶縁層は、前記一方の面から前記他方の面に連通する複数の孔が設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、前記分子認識材料は、前記溶液又は前記溶液に含まれる物質と酸化還元反応を生じさせるものであることを特徴とする。

また、前記多孔質絶縁層における前記第１の開口部または前記第２の開口部のいずれかにおける形状が、前記第３の電極の方向に突出していることを特徴とする。

また、本発明は、前記多孔質絶縁層における前記第１の開口部または前記第２の開口部のいずれかにおいて、前記多孔質絶縁層は、前記分子認識材料に対し前記第３の電極方向に凸状に形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記多孔質絶縁層は、金属酸化物を含み、前記金属酸化物は、（ａ）酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択された一つの金属酸化物、若しくは（ｂ）酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択された一つの金属酸化物、又は不純物をドーピングして形成された（ａ）若しくは（ｂ）に記載された金属酸化物であることを特徴とする。

また、本発明は、前記分子認識材料は、（１）グルコースオキシダーゼ、ジアスターゼ、ペプシン、トリプシン、パパイン、ブロメラン、トロンビン、リパーゼ、モノオキシゲナーゼ、ＡＴＰ合成酵素、ヌクレアーゼ、アミノアシルｔＲＮＡシンセテース、キナーゼ、フォスファターゼ、グリコシルトランスフェラーゼ、ＤＮＡメチラーゼの生体で起こる化学反応を触媒する物質である酵素と、それらの基質、（２）（１）に記載の酵素と、ＮＡＤ、ＮＡＤＰ、ＦＭＮ、ＦＡＤ、チアミン二リン酸、ピリドキサールリン酸、コエンザイムＡ、リポ核酸、葉酸の補酵素、並びに（３）大腸菌、納豆菌の枯草菌、シアノバクテリアの細菌、ウイルス、病原体の体内に入る蛋白質の抗原や、抗原に対して有効な反応性を持ったリンパ球の一種であるＴ細胞、Ｂ細胞、ＮＫ細胞が生み出す、糖たんぱく分子である抗体、並びに（４）インヒビン、パラトルモン、カルシトニン、甲状腺刺激ホルモン、メラトニン、インスリン、グルカゴン、成長ホルモンのホルモンと、レセプターの組み合わせ、前記（１）乃至（４）に記載の組み合わせの一方を、前記多孔質絶縁層の孔の内壁に固定化し、他方の物質を計測することを特徴とする。

本発明によれば、縦型バイオトランジスタを用いることにより、高速で動作させることができ、小型化可能な高性能なセンサデバイスを提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

＜縦型バイオトランジスタ単素子の例＞
図３は、本発明の第１実施例に係る縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。

図３に示すように、縦型バイオトランジスタ１０は、多孔部６０の一方の面には第１の開口部６３を有するソース電極２０が形成され、多孔部６０の他方の面には第２の開口部６４を有するドレイン電極４０と、ドレイン電極４０上に形成された絶縁層５０と、ソース電極２０及びドレイン電極４０より離れた中空に設けられたゲート電極３０により構成される。

図３に円形で表示された拡大図は、多孔部６０の断面図である。多孔部６０に形成された多孔質アルミナ（ｐｏｒｏｕｓ Ａｌ_２Ｏ_３）６２は、多孔質絶縁層であり、多孔質アルミナ６２には、上下に突き抜ける多数の孔７０が形成されている。即ち、多孔質アルミナ６２には、ソース電極２０形成されている面からドレイン電極４０に形成されている面に連通する複数の孔が設けられている。多孔質アルミナ６２の孔７０の内壁には、酵素、例えばグルコース分解酵素であるグルコースオキシターゼ（Ｇｌｕｃｏｓｅ Ｏｘｉｄａｓｅ，以下「ＧＯＤ」とする。）７２が固定化され、ＧＯＤ７２が固定化された孔７０は、更に上下に突き抜ける空間的な隙間を有している。

多孔部６０に形成された多孔質アルミナ６２は、ソース電極２０と、ドレイン電極４０との間に設けられ、多孔質アルミナ６２には、ソース電極２０に被われない第１の開口部６３と、ドレイン電極４０と、絶縁層５０とに被われない第２の開口部６４が設けられている。第１の開口部６３及び第２の開口部６４における開口は対応しているものであり、例えば矩形、円形、又は楕円形状に、多孔質アルミナ６２が大気に暴露するよう形成されている。

ソース電極２０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の導電性材料からなり、電気的に接続される第１の電極としてのソース電極２０が設けられ、多孔質アルミナ６２の下面における第２の開口部６４の周縁部に形成される。

多孔質アルミナ６２の上面における第２の開口部６４の周縁部には、第２の電極としてのドレイン電極４０が形成される。また、ドレイン電極４０上には、絶縁層５０が形成される。

ゲート電極３０は、ドレイン電極４０の上方に形成され、中空に、ゲート電極３０に電気的に接続される第３の電極としてのゲート電極（参照電極（Ｐｔ ｂｌａｃｋ））３０を備える。

上述した構成において、ソース電極２０がキャリアを放出し、ドレイン電極４０が放出されたキャリアを受け取るときに、ソース電極２０における電荷伝導の抵抗を低減して、効率よく、ソース電極２０とドレイン電極４０との間に電流を流すことが可能となる。

次に、図４を用いて、多孔部６０に形成される多孔質アルミナ６２の表面の様子について説明する。図４は、多孔質アルミナ６２の表面の様子を示す図である。

図４に示すように、多孔質アルミナ６２には、上下を突き抜ける形状の無数の孔が形成されている。多孔質アルミナ６２は、ドレイン電極４０と同一の金属である、例えばアルミニウム６６により形成され、アルミニウム６６は、多孔質アルミナ６２の表面全面を被っている。これにより、多孔質アルミナ６２は、ドレイン電極４０と等電位となっている。なお、多孔質アルミナ６２の孔７０の内壁の一部には、アルミニウム６６が付着されていることが好ましい。

＜第１実施例＞
次に、本発明の第１実施例について説明する。図３に示す縦型バイオトランジスタ１０は、例えば血液等の溶液中に浸漬されることにより用いられる。即ち、縦型バイオトランジスタ１０におけるソース電極２０、ドレイン電極４０、ゲート電極３０のすべてを溶液に浸した状態で前記電流を検出し、前記電流の値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる材料の特性又は含まれる材料の含有量の計測を行なう。

グルコースの酸化還元酵素であるＧＯＤ７２は、以下に示す式（１）に従って、グルコースを酸化し、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を発生させる。

ＧＯＤ

Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ_６＋Ｏ_２→Ｃ_６Ｈ_１０Ｏ_６＋Ｈ_２Ｏ_２ （１）

血液中のヘモグロビンは、ＧＯＤ７２により酸化され、溶解中のイオン濃度が変化するため、バイアス電圧Ｖ_ＤＳ及びゲート電圧Ｖ_Ｇの印加によりポテンシャルの増減を制御することで、ソース電極２０からドレイン電極４０に移動するキャリアの量が変動する。

したがって、酸化還元に伴う電荷密度の変化による、トランジスタの閾値電圧の変化や、同一の電位に対する電流値の変化を検出することにより、縦型バイオトランジスタ１０をバイオセンサとして用いることが可能となる。

また、縦型バイオトランジスタ１０において、ソース電極２０からドレイン電極４０に移動するキャリアが、多孔質アルミナ６２において第１の開口部６３及び第２の開口部６４における孔７０の空間的な隙間を通って移動することにより、電荷移動の抵抗が低減される。

また、このキャリアは、縦型バイオトランジスタ１０のソース電極２０とドレイン電極４０との間における印加電圧に対応して、多孔質アルミナ６２に形成された孔７０の隙間を、空乏層制御された実効的な空間的隙間を通って移動する。これにより、縦型バイオトランジスタ１０の閾値電圧、及びドレイン電流の変化分を検出し、イオン濃度の変化分の検量線を求めることで、縦型バイオトランジスタ１０を、グルコースの量によって変化する糖尿病等の検査用センサとして用いることができる。

なお、ドレイン電極４０は、様々な形状で形成することが可能であるが、ゲート電圧が印加される導電材料よりなる電圧印加部分を有し、この電圧印加部分に隣接して多孔部６０の電流経路が形成される構成となることが好ましい。

上述のように、縦型バイオトランジスタ１０は、グルコース分解酵素であるグルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）のグルコースの酸化還元反応により、Ｈ_２Ｏ_２発生に伴う、水（Ｈ_２Ｏ）と酸素イオン（Ｏ⁻）の発生による電荷量の変化を検出することによりグルコースセンサとして用いることが可能である。

また、上述した同一のセンサ構造により、物理吸着、化学吸着、及び物理吸着と化学吸着が複合化した吸着によるセンサとして、機能させることも可能である。以下に詳しく説明する。

＜バイオセンサの原理＞
次に、図５を用いて、バイオセンサの原理について説明する。図５は、バイオセンサの原理を示す図である。

図５に示すように、バイオセンサ１１は、機能性膜８０を備え、機能性膜８０における様々な反応による変化を電気信号変換器８２により電気信号に変換し、この電気信号を検知することでセンサとして機能する。機能性膜８０における反応としては、機能性膜８０と、例えば物理吸着、化学吸着、分子吸着、酵素反応、抗原抗体反応、微生物、電気化学反応、ＤＮＡ等との組み合わせによる反応等があり、電位変化を起こす組み合わせ、選択性があれば良い。

＜第２実施例＞
次に、図６を用いて、本発明の第２実施例について説明する。図６は、本発明の第２実施例に係る縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。

図６に示す縦型バイオトランジスタ１２は、縦型バイオトランジスタ１０の多孔質アルミナ６２においてゲート電極３０が形成されている側となる第２の開口部６４の形状９０が、ゲート電極３０側に突出するように形成されている。具体的には、多孔質アルミナ６２の第２の開口部６４において、多孔質アルミナ６２は、グルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）に対し、ゲート電極３０の方向に凸状に形成されている。

ドレイン電極４０に隣接するトランジスタの電流経路であるチャネル部は、ドレイン電極４０の膜厚に対応させた長さを有するように形成されている。

この構成により、多孔質アルミナ６２に形成された孔７０の空間的な隙間を通って移動するキャリアを、第１実施例より更に効率よく、ドレイン電極４０に印加する電圧により変化する、空乏層制御された実効的な空間的隙間を移動させることができる。したがって、この構成により、縦型バイオトランジスタ１２は、動作抵抗が低くなるため高感度となり、動作速度が向上するため、高速な応答が可能となる。また、縦型バイオトランジスタ１２は、電流密度の向上により高精度なセンサとして機能することができる。

なお、多孔部６０及び絶縁層５０は、金属酸化物を含み、金属酸化物は、（ａ）酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択される。

また、金属酸化物は、（ｂ）酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択される。

或いは、この金属酸化物は、（ａ）若しくは（ｂ）に記載された金属酸化物に不純物をドーピングして形成した材料で構成される。

多孔質金属酸化物質としては、例えば、アルミニウムに対する陽極酸化処理条件によるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）層を用いると好適である。陽極酸化処理条件によれば、均一な多孔が形成されるため、キャリアの移動度が高く、感度の高い、縦型バイオトランジスタが実現される。

また、分子認識材料は、（１）グルコースオキシダーゼ、ジアスターゼ、ペプシン、トリプシン、パパイン、ブロメラン、トロンビン、リパーゼ、モノオキシゲナーゼ、ＡＴＰ合成酵素、ヌクレアーゼ、アミノアシルｔＲＮＡシンセテース、キナーゼ、フォスファターゼ、グリコシルトランスフェラーゼ、ＤＮＡメチラーゼ等の生体で起こる化学反応を触媒する物質である酵素と、それらの基質、（２）（１）に記載の酵素と、ＮＡＤ、ＮＡＤＰ、ＦＭＮ、ＦＡＤ、チアミン二リン酸、ピリドキサールリン酸、コエンザイムＡ、リポ核酸、葉酸等の補酵素、並びに（３）大腸菌、納豆菌等の枯草菌、シアノバクテリア等の細菌、ウイルス、病原体等の体内に入る蛋白質等の抗原や、抗原に対して有効な反応性を持った、リンパ球の一種であるＴ細胞、Ｂ細胞、ＮＫ細胞等が生み出す、糖たんぱく分子である抗体、並びに（４）インヒビン、パラトルモン、カルシトニン、甲状腺刺激ホルモン、メラトニン、インスリン、グルカゴン、成長ホルモン等のホルモンと、レセプターの組み合わせでも良く、（１）乃至（４）に記載の組み合わせの一方を、多孔質アルミナ６２の孔の内壁に固定化し、他方の物質を選択的に計測する。

＜第３実施例＞
次に、図７を用いて、本発明の第３実施例について説明する。図７は、本発明の第３実施例に係る縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。

図７に示す縦型バイオトランジスタ１４は、ソース電極２０と多孔質アルミナ６２との間にシリコン（Ｓｉ）基板等の低抵抗部材を設けたものであって、例えば、凹状に加工したシリコン（Ｓｉ）基板１１０上に、図３に示す縦型バイオトランジスタ１０が形成されたものである。

＜縦型バイオトランジスタの製造方法＞
次に、図８及び図９を用いて、図７に示した縦型バイオトランジスタ１４の製造方法を説明する。図８は、縦型バイオトランジスタの製造方法を示す図である。また、図９は、図８に示した縦型バイオトランジスタ製造方法における基本工程（Ｅ）乃至（Ｉ）を、斜視透明図により示した図である。

まず、図８（Ａ）に示す工程では、基板の下面に熱酸化等により酸化物を形成する。例えば、低抵抗である約２００μｍ厚の面方位（００１）であるシリコン（Ｓｉ）基板２００の下面に約１μｍ厚のシリコン（Ｓｉ）酸化物２１０を形成する。

次に、図８（Ｂ）に示す工程では、シリコン基板２００の下面に約１μｍ厚で形成したシリコン酸化物２１０の下面にレジスト２１２を塗布する。なお、レジスト２１２の膜厚は、約３００ｎｍとなるようにスピンコート法により形成する。

次に、図８（Ｃ）に示す工程では、レジスト２１２を露光、現像することにより、レジスト２１２のパターンを形成する。

次に、図８（Ｄ）に示す工程では、水により希釈したフッ酸（ＨＦ）溶液に基板を浸漬し、レジスト２１２のパターンの形成されていない領域における酸化シリコン２１０を除去する。これにより、矩形、円形、又は楕円形に窓開け２０１を形成する。

次に、図８（Ｅ）及び図９（Ｅ）に示す工程では、レジスト２１２を溶剤又はドライ・アッシング等により除去する。

次に、図８（Ｆ）及び図９（Ｆ）に示す工程では、シリコン基板２００上に、アルミニウム膜２１４を室温で、約１．３から約３．９×１０^−３Ｐａの真空条件下において真空蒸着法による成膜により、膜厚が厚約１００ｎｍ、好ましくは約１０ｎｍとなるよう形成する。

次に、図８（Ｇ）及び図９（Ｇ）に示す工程では、アルミニウム膜２１４をリン酸水溶液で約３０℃、電流密度約３〜７ｍＡ／ｃｍ^２の条件下で、陽極酸化処理することにより、多孔質アルミナ２１６が形成される。多孔質アルミナ２１６は、孔径約５〜４５０ｎｍ、孔ピッチ約１０〜５００ｎｍにて制御可能である。

次に、図８（Ｈ）及び図９（Ｈ）に示す工程では、シリコン基板２００の中央部２０２を、水で希釈した水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液で約５４．７°の順メサになるように除去する。これにより、図７に示す第１の開口部６３が形成される。

次に、図８（Ｉ）及び図９（Ｉ）に示す工程では、水で希釈したフッ酸（ＨＦ）溶液にシリコン基板２００を浸漬し、酸化シリコン２１０を除去する。

次に、多孔質アルミナ２１６の内壁には、グルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）を固定化し、シリコン基板２００上に第１の開口部６３が形成されるようソース電極２０を形成し、また、真空蒸着により、第１の開口部６３に対応する第２の開口部６４を有する厚さ約１００ｎｍのアルミニウム電極からなるドレイン電極４０を形成し、メタルマスクを施してシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜５０をスパッタ成膜により形成する。

上述の方法により、第３実施例における縦型バイオトランジスタ１４が作製される。なお、図８及び図９に示すシリコン基板２００は、上述した図７に示すシリコン基板１１０に対応し、図８及び図９に示す多孔質アルミナ２１６は、上述した図７に示す多孔質アルミナ６２に対応する。

＜第４実施例＞
次に、図１０を用いて、本発明の第４実施例について説明する。図１０は、本発明の第４実施例に係る縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。

図１０に示す縦型バイオトランジスタ１６は、図８に示す基本工程の（Ｇ）乃至（Ｈ）における多孔質アルミナ２１６の形成において、図１０に示す多孔質アルミナ６２の第２の開口部２１８の形状をゲート電極３０側に突出するよう形成することにより作製される。

この縦型バイオトランジスタ１６の多孔質アルミナ６２の内壁にグルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）を固定したところ、即ち、多孔質アルミナ６２の第２の開口部２１８において、ゲート電極３０方向における多孔質アルミナ６２の内壁に多孔質アルミナ６２の表面と同じ高さまでグルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）を固定したところ、図７に示す縦型バイオトランジスタ１４の構造と比べて、ドレイン電極４０の印加電圧に対して電荷発生効率が向上し、ソース−ドレイン電流が向上することによりセンサデバイスとしての感度が向上することが確認された。

＜第５実施例＞
図７に示す縦型バイオトランジスタ１４を作製する工程において、多孔質アルミナ６２に換えて、酸化亜鉛を成膜してそれぞれソース電極２０と、ドレイン電極４０と、ゲート電極３０とを形成した。この場合においても、上述した実施例と同様の動作が確認された。

＜第６実施例＞
また、上述した図７に示す縦型バイオトランジスタ１４を作製する工程において、酸化亜鉛に換えて、酸化クロムを成膜してそれぞれソース電極２０と、ドレイン電極４０と、ゲート電極３０を形成した。この場合においても、上述した実施例と同様の動作が確認された。

＜第７実施例＞
また、上述した図７に示す縦型バイオトランジスタ１４を作製する工程において、アルミニウム（Ａｌ）２１４に換えて、Ａｕを用いてドレイン電極４０を形成した。この場合にも、上述した実施例と同様の動作が確認された。

＜第８実施例＞
また、上述した図７に示す縦型バイオトランジスタ１４を作製する工程において、Ａｕに換えて、Ｐｄを用いてドレイン電極４０を形成した。この場合にも、上述した実施例と同様の動作が確認された。

＜第９実施例＞
また、上述した図７に示す縦型バイオトランジスタ１４を作製する工程において、Ａｕに換えて、アルミニウム（Ａｌ）をドープした酸化亜鉛を用いてドレイン電極４０を形成した。この場合にも、上述した実施例と同様の動作が確認された。

＜第１０実施例＞
また、上述した図７に示す縦型バイオトランジスタ１４を作製する工程において、Ａｕに換えて、導電性ポリアニリンを用いてドレイン電極４０を形成した。この場合にも、同様の動作が確認された。

また、上記第２実施例〜第１０実施例に示した縦型バイオトランジスタについても、第１実施例に記載した縦型バイオトランジスタ１０とほぼ同様に、Ｉ〜Ｖ特性を測定した。その結果、第１実施例による縦型バイオトランジスタ１０とほぼ同様の測定結果が得られ、第１実施例の場合と同様の効果を奏することが確認された。

＜縦型バイオトランジスタ製造方法：第１１実施例＞
また、上述した絶縁層の金属酸化物が、シリコン酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ハフニウム酸化物、ジルコン酸化物、ランタン酸化物、スカンジウム酸化物、プラセオジム酸化物、ビスマス酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物、イットリウム酸化物、シリコン窒化物よりなる群から選択される少なくとも一種の材料を含む構成においても好適であった。

上述のように、本発明によれば、縦型バイオトランジスタを用いたことを特徴とするセンサ特性を示す、新規な構造で且つ高性能なセンサデバイスを提供することができる。また、本発明によれば、キャリアの移動度が高く、出力電流（ソース−ドレイン間電流）の立ち上がり信号が急峻で、動作速度が高速度である、縦型トランジスタを用いたセンサデバイス及び回路構成を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

従来のバイオトランジスタを説明するための素子概略断面図と電気回路図である。 エネルギー変換技術におけるアノード酵素電極反応系に酵素触媒、イオン伝導体、燃料が形成される三相界面の概念を示す図である。 本発明の第１実施例に係る縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。 多孔質アルミナの表面の様子を示す図である。 バイオセンサの原理を示す図である。 本発明の第２実施例に係る縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。 本発明の第３実施例に係る縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。 縦型バイオトランジスタの製造方法を示す図である。 図８に示した縦型バイオトランジスタ製造方法における基本工程（Ｅ）乃至（Ｉ）を、斜視透明図により示す図である。 本発明の第４実施例に係る縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。

符号の説明

１０，１２，１４，１６ 縦型バイオトランジスタ
１１ バイオセンサ
２０ ソース電極
３０ ゲート電極
４０ ドレイン電極
５０ 絶縁層
６０ 多孔部
６２ 多孔質アルミナ
６３ 第１の開口部
６４ 第２の開口部
６６ アルミニウム
７０ 孔
７２ グルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）
８０ 機能性膜
８２ 電気信号変換器
２００ シリコン基板
２１０ シリコン酸化膜
２１２ レジスト
２１４ アルミニウム膜
２１６ 多孔質アルミナ
３００ 絶縁ゲート電界効果トランジスタ
３１０ 絶縁膜
３２０ 分子認識材料
３３０ 参照電極

Claims (10)

1. 絶縁物の多孔質により形成される多孔質絶縁層と、
   前記多孔質絶縁層の一方の面に形成される第１の開口部を有する第１の電極と、
   前記多孔質絶縁層の他方の面に形成される前記第１の開口部に対応した第２の開口部を有する第２の電極と、
   前記第２の電極上に形成される絶縁層と、
   前記多孔質絶縁層の孔の内壁に配置された分子認識材料と、
   を有することを特徴とするセンサデバイス。
2. 第１の開口部を有する低抵抗基板と、
   前記低抵抗基板の一方の面に形成される第１の電極と、
   前記低抵抗基板の他方の面に形成される多孔質絶縁層と、
   前記多孔質絶縁層上に形成される前記第１の開口部に対応した第２の開口部を有する第２の電極と、
   前記第２の電極上に形成される絶縁層と、
   前記多孔質絶縁層の孔の内壁に配置された分子認識材料と、
   を有することを特徴とするセンサデバイス。
3. 前記第１の電極及び前記第２の電極から離れた位置に、第３の電極が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサデバイス。
4. 前記第１の電極、前記第２の電極及び多孔質絶縁層のすべてを溶液に浸し、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより流れる電流値を検出し、前記電流値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる物質の特性又は含まれる材料の含有量の計測を行なうことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサデバイス。
5. 前記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極及び多孔質絶縁層のすべてを溶液に浸し、
   前記第３の電極に一定の電圧を印加するとともに、前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧を印加することにより流れる電流値を検出し、前記電流値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる材料の特性又は含まれる材料の含有量の計測を行なうことを特徴とする請求項３に記載のセンサデバイス。
6. 前記多孔質絶縁層における前記第１の開口部または前記第２の開口部のいずれかにおいて、前記多孔質絶縁層は、前記分子認識材料に対し前記第３の電極方向に凸状に形成されていることを特徴とする請求項３または５に記載のセンサデバイス。
7. 前記多孔質絶縁層は、前記一方の面から前記他方の面に連通する複数の孔が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のセンサデバイス。
8. 前記分子認識材料は、前記溶液又は前記溶液に含まれる物質と酸化還元反応を生じさせるものであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のセンサデバイス。
9. 前記多孔質絶縁層は、金属酸化物を含み、
   前記金属酸化物は、
   （ａ）酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択された一つの金属酸化物、
   若しくは（ｂ）酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択された一つの金属酸化物、
   又は不純物をドーピングして形成された（ａ）若しくは（ｂ）に記載された金属酸化物であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のセンサデバイス。
10. 前記分子認識材料は、
    （１）グルコースオキシダーゼ、ジアスターゼ、ペプシン、トリプシン、パパイン、ブロメラン、トロンビン、リパーゼ、モノオキシゲナーゼ、ＡＴＰ合成酵素、ヌクレアーゼ、アミノアシルｔＲＮＡシンセテース、キナーゼ、フォスファターゼ、グリコシルトランスフェラーゼ、ＤＮＡメチラーゼの生体で起こる化学反応を触媒する物質である酵素と、それらの基質、
    （２）（１）に記載の酵素と、ＮＡＤ、ＮＡＤＰ、ＦＭＮ、ＦＡＤ、チアミン二リン酸、ピリドキサールリン酸、コエンザイムＡ、リポ核酸、葉酸の補酵素、
    並びに（３）大腸菌、納豆菌の枯草菌、シアノバクテリアの細菌、ウイルス、病原体の体内に入る蛋白質の抗原や、抗原に対して有効な反応性を持ったリンパ球の一種であるＴ細胞、Ｂ細胞、ＮＫ細胞が生み出す、糖たんぱく分子である抗体、
    並びに（４）インヒビン、パラトルモン、カルシトニン、甲状腺刺激ホルモン、メラトニン、インスリン、グルカゴン、成長ホルモンのホルモンと、レセプターの組み合わせ、
    前記（１）乃至（４）に記載の組み合わせの一方を、前記多孔質絶縁層の孔の内壁に固定化し、他方の物質を計測することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のセンサデバイス。

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