JP6928931B2 - 計測用デバイス及び計測センサ - Google Patents

Description

本発明は、計測用デバイス及び計測センサに関する。

表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance：以下、ＳＰＲ）は、誘電体金属の界面において光を全反射させることで生じるエバネッセント波が金属の表面の自由電子の共鳴振動に結合する現象として知られている。ＳＰＲの共鳴条件は、光の入射角度と波長、金属の誘電率、金属と接する誘電体の誘電率等に依存し、特に誘電体の誘電率の変化により敏感に変化する。そのため、ＳＰＲは金属膜の表面の化学物質の密度を誘電体の変化として捉えることができ、化学的測定又は生物学的測定やこれらの測定時に使用するセンサ等に用いられている。

例えば、特許文献１には、以下の構成；
（１）第１の主面及び第２の主面を有する導電体膜
（２）励起光の入射面、反射面及び出射面を有し、入射面へ入射した励起光が反射面に反射され反射光となって出射面から出射するように入射面、反射面及び出射面が配置され、反射面が第１の主面に密着する誘電体媒体
（３）接合面を有し、接合面に露出する流路が形成され、接合面が前記第２の主面に接合される流路形成体
（４）流路の内部に設けられ、第２の主面に定着し、反応物が反応する反応場を提供する反応場提供物
（５）誘電体媒体に励起光を照射し、反射面へ共鳴角で励起光を入射させる照射機構
（６）反応場から放射される表面プラズモン励起蛍光の光量を測定する第１の光量センサー
（７）反射光の光量を測定する第２の光量センサー
（８）第２の光量センサーから反射光の光量の測定結果を取得し、反射光の光量が基準を超えて増加した場合に流路への気泡の混入を検出する気泡検出部
を備えた計測装置が開示されている。

特開２０１５−９９１６６号公報

上述の特許文献１に開示されているように、反応光の光量を測定することによって所望の計測を行う計測装置では、以下の構成；
［１］全反射条件を満たすように入射面及び反射面を配置するための所定の程度の大きさを有するプリズム
［２］反射光の角度変化及び光量を検出するために、回転光学系（即ち、光の反射位置を中心として受光器の角度を変化させつつ受光することを可能とする光学系）と、安定した測定を行うための回転光学系の操作技術
が必要とされる。従って、従来のＳＰＲに基づいた計測装置では、安定した測定を実施可能とし、且つ小型化を図ることが難しいという問題があった。

本発明者は、基材として半導体を選択し、半導体基板の表面に金属膜を形成し、半導体基板における金属膜とは反対側の面（以下、裏面とする）から近赤外を入射することによって、プリズムが不要になることに着目した。また、本発明者は、次に述べるように、
・半導体基板の表面に金属膜を形成し、金属膜内の自由電子をＳＰＲによって励起することで半導体基板の表面に沿って表面電流を発生させること
・金属膜の表面と半導体基板の裏面との間に接続された電極部に表面電流を取り出すことによって回転光学系が不要となるうえに、計測用デバイスの構成要素を容易にワンチップ化することができること
を新たに見出し、本発明を完成させた。

本発明は、上述の事情を勘案したものであって、安定した測定を実施可能とし、且つ小型化を容易に図ることができる計測用デバイス及び計測センサを提供する。

本発明に係る計測用デバイスは、所定の波長の光を透過可能な半導体基板と、前記半導体基板の表面に積層され、前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成し、前記所定の波長の光が照射された際に表面プラズモン共鳴を起こすアンテナ部を有する金属層と 、前記アンテナ部の表面に形成され、特定の検出物質と反応可能に構成された反応層と、を備え、前記半導体基板の価電子帯のエネルギー準位と伝導帯のエネルギー準位とのエネルギー差は前記表面プラズモン共鳴によって前記金属層の自由電子が励起される励起エネルギーよりも高く、且つ前記励起エネルギーは前記ショットキー障壁のエネルギー高さよりも高いことを特徴とする。
本発明に係る計測用デバイスは、前記半導体基板の表面とは反対側の面と前記金属層に電気的に接続された電極部を備えてもよい。
本発明に係る計測用デバイスは、前記半導体基板と前記電極部との界面で構成されるショットキー障壁の幅及びエネルギー高さは前記金属層で励起されてから前記半導体基板に拡散した前記自由電子が前記電極部に向かってトンネリング可能に設定され、前記電極部の材質は前記半導体基板における不純物のドーピングの高さに応じて選ばれていてもよい。

上述の計測用デバイスによれば、所定の波長の光が半導体基板側から金属層に照射され、且つ反応層において特定の検出物質との反応が生じた際に、この反応及びＳＰＲに応じて金属層における表面電流が変化するので、電極部に取り出された電流値を確認することで、反応層における特定の検出物質の有無や検出物質の量を容易に計測することができる。上述の計測用デバイスの構成では、半導体基板、金属層がワンチップに積層可能となるため、これらの構成の相対配置が容易に固定される。また、特定の波長の光が半導体基板側から金属層に照射されるので、赤外光のように比較的波長の長い光（即ち、可視光より長い波長の光）を用いることができ、特定の波長の光と反応層や特定の検出物質及び試料等との干渉を抑えられるので、より安定した測定を実施可能となる。また、前述の各構成をワンチップに積層・装着可能となることで、回転光学系等の大型な装置を必要とせず、計測用デバイスの小型化が容易に図られる。

本発明に係る計測センサは、所定の波長の光を発する光源と、前記光源に積層され、且つ前記所定の波長の光を透過可能な半導体基板と、前記半導体基板における前記光源とは反対側の表面に積層され、前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成し、前記所定の波長の光が照射された際に表面プラズモン共鳴を起こすアンテナ部を有する金属層と 、前記アンテナ部の表面に形成され、特定の検出物質と反応可能に構成された反応層と、前記半導体基板の表面とは反対側の面と前記金属層に電気的に接続された電極部と、を備え、前記半導体基板の価電子帯のエネルギー準位と伝導帯のエネルギー準位とのエネルギー差は前記表面プラズモン共鳴によって前記金属層の自由電子が励起される励起エネルギーよりも高く、且つ前記励起エネルギーは前記ショットキー障壁のエネルギー高さよりも高いことを特徴とする。

上述の計測センサによれば、上述の計測用デバイスと同様の作用効果が得られる。また、上述の計測センサによれば、半導体基板における金属層とは反対側の面（裏面）に光源が積層されると共に、金属層と半導体基板の裏面側との接続する電極部が設けられているため、特定の波長の光の照射から特定の検出物質の計測までを単体で実現可能な計測センサが得られる。また、上述の計測センサの構成では、光源、半導体基板、金属層、反応層、及び電極部がワンチップに積層及び装着可能となるため、これらの構成の相対配置が容易に固定されると共に、計測センサの小型化が容易に図られる。

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記金属層は、前記半導体基板の表面に沿って形成された共鳴部と、複数の前記共鳴部に接続された集電部と、を備えていてもよい。

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、所定の波長の光が金属層のアンテナ部に照射され、反応層において特定の検出物質との反応が生じた際に、各々の共鳴部における共鳴とＳＰＲが結合し、強め合うため、表面電流の変化が大きくなり、高感度の計測が行われる。

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記所定の波長は１μｍ以上１０μｍ以下であり、前記半導体基板はｎ型シリコンで構成され、前記共鳴部の幅は０．５μｍ以上５μｍ以下であってもよい。

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、１μｍ以上１０μｍ以下の波長の光がｎ型シリコンからなる半導体基板を良好に透過し、金属層における半導体基板側の面（即ち、金属膜における表面とは反対側の面）から金属層及びアンテナ部に光が照射される。また、共鳴部の幅が０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内であることにより、共鳴部の幅方向における共鳴とアンテナ部におけるＳＰＲとが良好に結合する。これにより、反応層における反応の有無による金属膜の表面電流の変化が大きく計測され、計測の精度が向上する。

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記半導体基板の表面には回折格子が形成され、前記金属層及び前記アンテナ部は前記回折格子の表面に設けられていてもよい。

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、アンテナ部が回折格子の表面（即ち、上面側及び側面側）に沿って設けられることで拡大され、計測速度及び感度が高くなる。

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記金属層の表面には回折格子が形成され、前記アンテナ部は前記金属層の表面側に設けられていてもよい。

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、アンテナ部が回折格子の表面（即ち、アンテナ部の上面側及び側面側）に沿って設けられることで拡大され、計測速度及び感度が高くなる。さらに、反応層２０が直接接する金属層１０に回折格子を直接形成することで、設計通りの形状及び所望の計測精度及びセンサ性能が容易に達成される。

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記アンテナ部の表面に微細な凹部及び凸部の少なくとも一方が形成されていてもよく、前記凹部及び前記凸部の幅は前記所定の波長の１／１０００以上１／１０以下であることが好ましい。

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、アンテナ部の凹部の内壁面や凸部の表面に反応層を形成可能となることで、アンテナ部が拡大され、計測速度及び感度が高くなる。

本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、前記半導体基板の表面にはピラーが形成され、前記金属層及び前記アンテナ部は前記ピラーの表面に設けられていてもよい。

上述の計測用デバイス及び計測センサによれば、ピラーの高さ方向における電磁波の共鳴とＳＰＲが結合可能になり、反応層における反応の有無による金属膜の表面電流の変化が計測される。また、金属層及び反応層がピラーの表面全体に設けられているので、アンテナ部が拡大され、計測用デバイス及び計測センサの計測速度及び感度が高くなる。

本発明によれば、安定した測定を実施可能とし、且つ小型化を容易に図ることができる計測装置を提供することができる。

本発明に係る第一実施形態の計測用デバイスの平面図である。 本発明に係る第一実施形態の計測用デバイスの図であり、図１に示すＸ１−Ｘ１線で矢視した断面図である。 本発明に係る第一実施形態の計測用デバイスのエネルギーバンド図であり、反応層における反応が生じる前の状態を示す図である。 本発明に係る第一実施形態の計測用デバイスのエネルギーバンド図であり、反応層における反応が生じたときの状態を示す図である。 本発明に係る第一実施形態の計測センサの図であり、図１に示すＸ１−Ｘ１線で矢視した場合に対応する断面図である。 本発明に係る第二実施形態の計測用デバイスの図であり、図１に示すＸ１−Ｘ１線で矢視した場合に対応する断面図である。 本発明に係る第二実施形態の変形例の計測用デバイスの図であり、図１に示すＸ１−Ｘ１線で矢視した場合に対応する断面図である。 本発明に係る第三実施形態の計測用デバイスの図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す領域Ｚの拡大斜視図である。 本発明に係る第四実施形態の計測用デバイスの斜視図である。 本発明に係る第四実施形態の計測用デバイスの図であり、図９に示すＸ２−Ｘ２線で矢視した断面図である。 実施例におけるシミュレーションモデルを表す模式図である。 実施例におけるシミュレーションモデルの光吸収特性を示すグラフである。 実施例におけるシミュレーションモデルの応答及びエネルギーの波長依存性を表すグラフである。 実施例におけるシミュレーションモデルの共鳴点（１．９４×１０^１４Ｈｚ）における電場強度を示すプロット図である。 実施例におけるシミュレーションモデルと類似する先行モデルにおける電場強度を示すプロット図である。 実施例におけるシミュレーションモデルの共鳴点（２．６×１０^１４Ｈｚ）における光吸収特性を示すグラフである。 実施例におけるシミュレーションモデルの共鳴点（２．６×１０^１４Ｈｚ）における電場強度を示すプロット図である。 実施例におけるシミュレーションモデルの誘電体（Ａｉｒ）の屈折率を変化させた際の光吸収特性を示すグラフである。 実施例におけるシミュレーションモデルの誘電体（Ａｉｒ）の屈折率を変化させた際の電場強度を示すプロット図である。 実施例におけるシミュレーションモデルの誘電体（Ａｉｒ）の屈折率を変化させた際の電場強度を示す別のプロット図である。 実施例におけるシミュレーションモデルの誘電体（Ａｉｒ）の屈折率を変化させた際の電場強度を示すさらに別のプロット図である。

以下、本発明に係る計測用デバイス及び計測センサの実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、及び厚みの比率等は実際のものと同一とは限らず、適宜変更することができる。

（第一実施形態）
［計測用デバイスの構成］
図１及び図２に示すように、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａは、少なくとも、所定の波長の光Ｌを透過可能な半導体基板５と、半導体基板５の表面５ｂに積層された金属層１０と、金属層１０の表面１０ｂに形成された反応層２０と、を備えている。また、計測用デバイス１００Ａは、金属層１０と誘電体基板５の裏面（誘電体基板における光源側の面）５ａとを電気的に接続する電極部３０を備えている。

半導体基板５は、所定の波長の光Ｌを透過可能な半導体から構成されている。詳しくは、半導体基板５における光Ｌの透過率は、例えば９０％以上であることが好ましく、９２％以上であることがより好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。半導体基板５は、計測用デバイス１００Ａにおいて、
＜１＞光Ｌの伝搬領域を構成する
＜２＞金属層１０との間でＳＰＲの共鳴条件を決める
＜３＞金属層１０との界面８においてショットキー障壁を形成する
の主な三つの機能を兼ね備えている。また、計測用デバイス１００Ａが電極部３０を備えることで、半導体基板５は、電極部３０を構成する役割も担っている。

金属層１０は、半導体基板５を通して裏面１０ａ側から金属層１０に光Ｌが照射された際にＳＰＲを起こすアンテナ部１５を有する。アンテナ部１５は、金属層１０の表面１０ｂ側に設けられている。アンテナ部１５は、反応層２０との間に生じるＳＰＲを捕捉するアンテナとして機能し、金属層１０において反応層２０側の部分に形成されている。

第一実施形態の金属層１０は、半導体基板５の表面５ｂに沿ってＤ２方向に間隔ｓをあけて複数形成された共鳴部１１と、共鳴部１１に連結された集電部１２と、を備えている。このような構成では、光Ｌが照射されることによってそれぞれの共鳴部１１の内部の電子が励起され、Ｄ２方向（又は、Ｄ２方向とは逆の方向）に沿って共鳴が生じ、この共鳴（以下、ダイポール的共鳴とする）と、アンテナ部１５と反応層２０との間で生じるＳＰＲとが結合する。

共鳴部１１は、Ｄ２方向において所定の幅ｄを有するように形成されている。即ち、Ｄ２方向において、幅ｄの金属層１０が互いに間隔ｓをあけて複数形成されている。集電部１２は、複数の共鳴部１１のＤ１方向における一方の端部（図１では、紙面上側の端部）をＤ２方向に沿って連結するように形成されている。即ち、図１に示すように、第一実施形態の金属層１０は、平面視において櫛状に形成されている。

金属層１０の材質は、上述のようにＳＰＲによる表面電流を生じることができる金属であれば特に限定されない。なお、金属膜１０の好適な材質として、金（Ａｕ）が挙げられる。金は、導電性に優れていると共に、例えば抗体２２等のように反応層２０を構成する物質を表面１０ｂに成膜する技術が成熟している点から、好適である。

反応層２０は、特定の検出物質（即ち、測定対象物質）と反応可能に構成されているものである。反応層２０を構成する物質・材質には、特定の検出物質に合わせて、金属層１０の表面１０ｂに成膜可能なものが適宜採用されている。

第一実施形態では、特定の検出物質として例えば抗原Ｐを想定する。反応層２０は、抗原Ｐと抗原抗体反応を生じる抗体２２で構成されている。抗体２２の一端は金属層１０の表面１０ｂ、即ちアンテナ部１５に固定されると共に、抗体２２の他端は開放されている。具体的には、抗体２２の一端側の定常領域が金属層１０の表面１０ｂに当接した状態で、少なくとも一以上の抗体２２が表面１０ｂに沿って並べて固定され、抗体２２の他端側として可変領域（即ち、抗原Ｐを認識して特異的に結合し、抗原抗体反応を生じる領域）が開放されている。

上述のような構成では、反応部２０に試料Ｑが滴下され、試料Ｑに抗原Ｐが含まれていると、抗原Ｐが抗体２２の可変領域に結合することで抗原抗体反応が生じる。抗原抗体反応が生じた抗体２２及びアンテナ部１５の屈折率は変化し、共鳴部１１におけるダイポール的共鳴とＳＰＲに作用する。このように、アンテナ部１５は前述の屈折率の変化を捕捉する。

電極部３０は、金属層１０の集電部１２からＤ２方向に沿って延設された端子３２と、半導体基板５の裏面５ａに配設された端子３４と、端子３２，３４を連結する回線３６と、を有する。金属層１０の集電部１２に集められた表面電流（Ｉ_ＳＣ）は、回線３６に設けられた電流計３８やモニタ等に表示可能とされている。

［計測用デバイスの原理］
第一実施形態の計測用デバイス１００Ａでは、Ｄ１方向に前進する方向に沿って電極部３０の端子３４、半導体基板５、電極部３０の端子３２が順次積層されていることで、図３に示すエネルギーバンド構造ができている。なお、図３及び図４において、半導体基板５はｎ型半導体であるものと想定している。エネルギーＥ_Ｖ，Ｅ_Ｆ，Ｅ_Ｃ，ＶＬは、それぞれ価電子帯のエネルギー準位、フェルミ準位、伝導帯のエネルギー準位、真空準位を表す。

電極部３０の端子３２（即ち、金属層１０）と半導体基板５との接合による界面８には、ショットキー障壁Ｗ１が形成されているため、金属層１０において励起されていない自由電子ｅは、ショットキー障壁１を越えることができず、金属層１０の内部に溜まっている。

抗原Ｐが抗体２２に結合し（図２参照）、反応層２０と金属層１０との間でＳＰＲ（図２等におけるＳ）が起こると、図４に示すように、金属層１０の内部の自由電子ｅが励起され、ショットキー障壁Ｗ１を乗り越え、Ｄ１方向とは逆の方向（即ち、金属層１０から半導体基板５に向かう方向）に拡散する。

半導体基板５と電極部３０の端子３４との接合による界面には、ショットキー障壁Ｗ２が形成されている。ＳＰＲで励起され、且つショットキー障壁Ｗ１を乗り越えた自由電子ｅは、ショットキー障壁Ｗ２に向けて拡散する。基本的には、自由電子ｅはショットキー障壁Ｗ２の高さに応じたエネルギーで励起されないとショットキー障壁Ｗ２を矢印Ｙ１のように乗り越えられない。そこで、第一実施形態の半導体基板５における金属層１０とは反対側（即ち、裏面５ａ側）には不純物がドーピングされ、半導体基板５と端子３４とはオーミック接触されている。また、半導体基板５には不純物が高くドーピングされているので、自由電子ｅにとって、ショットキー障壁Ｗ２の幅ｋは狭くなっている。さらに、端子３４の材質に半導体基板５との間のショットキー隔壁Ｗ２が低くなる材質が選ばれていることで、自由電子ｅは、矢印Ｙ２のようにショットキー障壁Ｗ２をトンネリングすることができる。

自由電子ｅの拡散に応じて、正孔ｈは、半導体基板５の価電子帯から金属層１０の内部に向けて拡散する。このような原理により、ＳＰＲが起こった際に、金属層１０に表面電流が生じる（または、変化する）。電極部３０に取り出された表面電流の増減を計測することにより、抗原抗体反応の有無、及び試料Ｑ中の抗原Ｐの有無や濃度等が検出される。

抗原抗体反応の有無、試料Ｑ中の抗原Ｐの有無や濃度、及びＳＰＲの共鳴条件等に応じて、金属層１０の表面電流の大きさは、光Ｌの波長によって異なる。従って、予め前述の条件等を考慮して波長毎の表面電流の大きさを数値シミュレーションにより予測し、光Ｌの波長を調整することができる。言い換えれば、前述の数値シミュレーションの結果等を考慮して光Ｌの波長（所定の波長）を調整し、表面電流の変化を計測することができる。

上述の構成要素及び原理をふまえ、計測用デバイス１００Ａの各構成要素の好適な条件等について説明する。

計測用デバイス１００Ａにおいて、各構成要素の材質や形状等の条件は、次に述べるフローで適宜設定される。
（Ｆ１）；計測の対象となる抗原Ｐに合わせて抗体２２を選定し、抗体２２を成膜可能、且つＳＰＲを起こすことができるアンテナ部１５及び金属層１０の金属を選定する
（Ｆ２）；反応層２０（抗体２２）とアンテナ部１５との間でＳＰＲを起こさせる光Ｌの波長（波長帯）を設定する
（Ｆ３）；光Ｌを透過可能、且つ金属層１０を構成する金属と、ＳＰＲを起こし、ショットキー障壁Ｗ１をなす半導体基板５の材質を選定する
（Ｆ４）；各構成要素の長さ、幅、厚さ等の寸法を適宜設定する
但し、（Ｆ２）と（Ｆ３）のフローについては、順序が入れ替わる場合がある。また、（Ｆ４）のフローについては、（Ｆ１），（Ｆ２），（Ｆ３）の各フローで行う場合がある。

フロー（Ｆ１）の観点で、前述のように反応層２０を構成する抗体２２を金属層１０の表面１０ｂに容易に成膜可能であることから、金属層１０の金属としては、Ａｕが好ましい。金属層１０をＡｕで構成した場合、アンテナ部１５と、界面８を形成する金属層１０とを同じ金属Ａｕで構成することができる。

金属層１０の共鳴部１１の幅ｄは、例えば０．５μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましい。共鳴部１１の幅ｄが前述の範囲内であることにより、ＳＰＲの励起条件、及び、ＳＰＲと結合するダイポール的共鳴の程度が良好になる。金属層１０の厚さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。

フロー（Ｆ２）及び（Ｆ３）の観点で、光Ｌの所定の波長としては、例えば１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。なお、光Ｌの波長は、前述のように反応層２０とアンテナ部１５との間でＳＰＲを起こさせることができれば、特に制限されない。半導体基板５の好適な材質には、ｎ型半導体であって、１μｍ以上１０μｍの波長の光Ｌを透過可能なものとして、シリコン（Ｓｉ）が挙げられる。

電極部３０の端子３４は、図３及び図４に示すように、半導体基板５との界面でショットキー障壁Ｗ２を形成する。ｎ型Ｓｉからなる半導体基板５に対し、自由電子ｅのトンネリングを可能とし、金属層１０の表面電流を円滑に取り出し可能とする点から、端子３４の材質としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）等が挙げられる。

また、自由電子ｅのトンネリングを可能とし、金属層１０の表面電流を円滑に取り出し可能とする点から、前述のように半導体基板５の裏面５ａ側には不純物がドーピングされている。不純物としては、ｎ型半導体のドーパントとして公知なものを採用することができ、例えばリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等が挙げられる。ドープ濃度は例えば１０^２０atoms／cm^３程度とすることができるが、ショットキー障壁Ｗ２の高さ等を考慮して適宜調整することができる。半導体基板５の厚さが数１００μｍ程度である場合、不純物が裏面５ａからしみ込む深さ（即ち、図２から図４に示すドープ領域５ｄの厚さ）は、例えば１００ｎｍ程度で構わない。

［計測センサの構成］
続いて、第一実施形態の計測センサについて説明する。なお、第一実施形態の計測センサにおいて、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａに共通する内容についてはその説明を省略し、互いに異なる内容について、以下に説明する。また、第一実施形態の計測センサの構成要素のうち、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａの構成要素と共通するものについては、同一の符号を付す。

図５に示すように、第一実施形態の計測センサ１０２は、計測用デバイス１００Ａの構成要素に加えて、半導体基板５の裏面５ａに積層された光源３を備えている。

光源３は、発光面３ｍからＤ１方向に沿って所定の波長の光Ｌを発するものである。光源３の発光面３ｍと半導体基板５の裏面５ａの中央部５ｍとは隙間なく当接している。光源３は、所定の波長の光Ｌを発するものであれば特に限定されない。なお、光源３としては、例えば垂直共振器面発光型レーザー（ＶＣＳＥＬ:Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が好適である。光源３にＶＣＳＥＬを用いることで、誘電体基板５に積層し易く、発光面３ｍがＤ２方向に沿うと共に光Ｌの発光方向がＤ１方向に沿うので、Ｄ１方向における光源３の厚みを薄くすることができる。

図５に例示した計測センサ１０２では、光源３から発せられる光ＬのＤ２方向（即ち、Ｄ１方向に直交し、且つ半導体基板５の底面５ａ、表面５ｂのそれぞれに沿う方向）における幅が発光面３ｍからＤ１方向に進むに従って拡大すると想定されている。そのため、Ｄ２方向における光源３の発光面３ｍの幅は、半導体基板５の底面５ａの幅よりも狭く設定されている。

［計測センサの原理］
計測センサ１０２の原理については、光Ｌが光源３から照射され、裏面５ａから直接、半導体基板５に入射する点以外は、計測用デバイス１００Ａと同様である。
また、計測センサ１０２における各構成要素の好適な条件等は、計測用デバイス１００Ａと同様である。

［計測用デバイス及び計測センサの作用効果］
以上説明した第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２によれば、アンテナ部１５に光Ｌが照射された際に共鳴部１１におけるダイポール的共鳴とＳＰＲが結合し、互いに強め合い、金属層１０の共鳴部１１に生じた表面電流が集電部１２に効率良く集められる。電極部３０に取り出された電流値を確認することで、反応層２０において反応した抗原Ｐの有無や抗原Ｐの濃度を容易に計測することができる。

また、計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２によれば、半導体基板５、金属層１０、反応層２０をワンチップに積層し、これらの構成要素の相対配置を容易に固定することができる。そのうえ、光Ｌを裏面１０ｂ側から金属層１０に照射するため、光Ｌと反応層２０や抗原Ｐ及び試料Ｑ等との干渉を殆ど起こさせることなく、より安定した計測を実施することができる。さらに、半導体基板５、金属層１０及び反応層２０をワンチップに積層・装着することで、回転光学系等の大型な装置を付設せずに済み、計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２の小型化を容易に図ることができる。

計測用デバイス１００Ａでは、電極部３０を設けることによって、金属層１０に生じた表面電流を端子３２，３４を介して回線３６に取り出し、電流計３８や、回線３６に設けられたモニタ装置を用いて計測することができる。

計測センサ１０２によれば、半導体基板５の裏面５ｂに光源３が積層されると共に、金属層１０と半導体基板５の裏面５ａとを接続する電極部３０を設けることによって、光Ｌの照射から抗原Ｐに関する計測までを単体で実現することができる。また、計測センサ１０２によれば、計測用デバイス１００Ａと共通する構成要素に加えて光源３及び電極部３０をワンチップに積層及び装着することで、これらの構成要素の相対配置を容易に固定すると共に、計測センサ１０２の小型化を容易に図ることができる。

また、計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２によれば、金属層１０が複数の共鳴部１１と集電部１２とを備えているので、抗体２２と抗原Ｐとの抗原抗体反応が生じた際に、各々の共鳴部１１におけるダイポール的共鳴と反応層２０におけるＳＰＲを結合させることができる。これにより、共鳴現象が互いに強め合うため、表面電流の変化を大きくし、高感度の計測を行うことができる。

特に、計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２によれば、光Ｌの波長を１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内にし、半導体基板５をｎ型Ｓｉで構成することで、光Ｌを半導体基板５で良好に透過させ、裏面１０ａから金属層１０及びアンテナ部１５に光Ｌを照射することができる。また、共鳴部１１の幅ｄを０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内にすることにより、共鳴部１１のＤ２方向における共鳴とアンテナ部１５におけるＳＰＲとを良好に結合させることができる。これにより、反応層２０における抗原抗体反応が有る場合とない場合による表面電流の変化を大きくし、計測の精度を向上させることができる。

従って、計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２によれば、安定した測定を実施可能とし、且つ小型化を容易に図ることができる。

［変形例］
以上、本発明を適用した第一実施形態について詳述したが、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２については、特許請求の範囲内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。なお、第一実施形態の変形例は、以下の内容に限定されない。

例えば、本発明に係る計測用デバイス及び計測センサにおいて、反応層２０は抗体２２が多数配列されたものとして説明したが、特定の検出物質の変更等に応じて、反応層２０は、Nafion等のイオン認識物質や、脂質、自己組織化単分子（Self-Assembled Monolayer：ＳＡＭ）等に変更されてもよい。前述のように、反応層２０を構成する物質は、特定の検出物質に合わせて、金属層１０の表面１０ｂに成膜可能なものが適宜採用されている。

また、アンテナ部１５を構成する金属の種類と、半導体基板５との界面８でショットキー障壁Ｗ１を構成する金属（金属層１０におけるアンテナ部１５以外の部分、以下、ショットキー障壁構成金属、とする）の種類と、を異ならせてもよい。一例として、ショットキー障壁構成金属としてＣｒやＴｉを採用し、アンテナ部１５を構成する金属としてＡｕを採用し、金属層１０をＣｒやＴｉとＡｕとの積層体で構成してもよい。これにより、界面８におけるショットキー障壁Ｗ１のエネルギーの高さを低くし、小さなＳＰＲも計測可能にすることができる。

また、共鳴部１１は、半導体基板５の表面５ｂに沿って単体で形成されていてもよい。

また、電極部３０の端子３４は省略可能であり、回線３６の半導体基板５側の端部が半導体基板５に直接接続されていてもよい。また、電極部３０の構成は適宜変更可能であって、金属層１０の表面電流を検出することができればよい。例えば回線３６が、計測用デバイスや計測センサとは別の装置等の回線や受電部に接続されていてもよい。

さらに、電極部３０に替えて、計測用デバイスや計測センサとは別の装置等の回線や受電部が直接計測用デバイス１００Ａや計測センサ１０２の半導体基板５及び端子３２（即ち、金属層１０）のそれぞれに接続されていてもよい。

また、半導体基板５はｐ型半導体で構成されていてもよい。半導体基板５がｐ型半導体で構成された場合は、図３及び図４における多数キャリアが自由電子ｅではなく正孔ｈになる。

また、半導体基板５の裏面５ａ（計測センサ１０２でいえば、光源３の発光面３ｍと半導体基板５の裏面５ａの中央部５ｍとの間）には、所望の機能を有する光学的積層構造が設けられていてもよい。このような光学的積層構造としては、バンドパスフィルタや増幅フィルタ、波長変換フィルタの機能を有するものが挙げられるが、特にこれらに限定されない。一例として、光Ｌを発する光源の発光機構により、半導体基板５の裏面５ａに照射される光の波長が所定の波長を含んで広帯域にわたる場合には、半導体基板５の裏面５ａにおいて光が照射される領域（且つ、電極部３０の端子３４が配置される端部５ｆを除く領域）に、光源から発せられる光から所定の波長の光Ｌのみを透過させる機能を有する誘電体多層膜を設けることができる。

また、図１及び図２に例示した計測用デバイス１００の構成では、半導体基板５の裏面５ａは表面５ｂに対して平行し、光Ｌは裏面５ａ側から半導体基板５の内部を伝搬し、表面５ｂ側に達するものとしている。しかしながら、半導体基板５の裏面５ａは、図２と同様の断面視において表面５ｂに対して傾斜し、Ｄ２方向に沿って裏面５ａの一方から他方に向けて進むに従って表面５ｂから離間するように形成されていてもよい。そして、光Ｌが半導体基板５において前述の断面視で表面５ｂと裏面５ａとが大きく離間している側の側面から入射され、半導体基板５の内部を伝搬しつつ、傾斜した裏面５ａで反射された後に、表面５ｂ側に達するものとしてもよい。このような構成において、光Ｌを裏面５ａで高い反射率で反射させる観点から、裏面５ａにＡｌ等の金属膜や誘電体多層膜からなるミラーが設けられていてもよい。

また、図５に例示した計測センサ１０２の構成では、半導体基板５の底面５ａの中央部５ｍのＤ２方向の幅（即ち、光源３の発光面３ｍに当接する幅）は、光Ｌの幅や発光分布等を考慮して適切に設定されている。なお、光ＬのＤ２方向における幅が発光面３ｍからＤ１方向に進むに従って殆ど変化しない場合には、光源３の発光面３ｍは誘電体基板５の裏面５ａの（端部５ｆを除く）略全体に亘って当接していることが好ましい。

（第二実施形態）
次いで、第二実施形態の計測用デバイス及び計測センサについて説明する。なお、第二実施形態の計測用デバイス及び計測センサの構成要素において、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

［計測用デバイスの構成］
図６に示すように、第二実施形態の計測用デバイス１００Ｂは、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａと同様の構成要素を備えている。但し、半導体基板５の表面５ｂは平滑面ではなく、表面５ｂにはＤ２方向に沿って回折格子１４が設けられている。

第二実施形態において、金属層１０は、複数の共鳴部を備えずに、略均一の厚さを持って半導体基板５の表面５ｂの全体に亘って設けられている。アンテナ部１５は、金属層１０と略重なっており、半導体基板５の表面５ｂの全体に亘って設けられている。また、反応層２０は、金属層１０の表面１０ｂの全体に亘って成膜されている。これにより、反応層２０を構成する抗体２２は、金属層１０の上面に加えて側面にも設けられている。

［計測用デバイスの原理］
計測用デバイス１００Ｂの原理において、第一実施形態で説明したように図３に示すエネルギーバンド構造ができている点は、同様である。但し、図６に示す計測用デバイス１００Ｂの金属層１０は共鳴部１１を備えていないので、ダイポール的共鳴は発生しない。それに替えて、半導体基板５の表面５ｂ側に回折格子１４が形成されているので、後述する条件の成立等によってアンテナ部１５と反応層２０との間で生じるＳＰＲが励起される。

ここで、ＳＰＲの波数ｋ_Ｓは、金属層１０を構成する金属（例えば、Ａｕ）の誘電率ε（ω）で定まり、次に示す（１）式で表される。

なお、（１）式において、ωは光Ｌの角振動数、ε_ｍは反応層２０を構成する抗体２２の誘電率を表す。

回折格子１４に入射角度θ_Ｓ（図６に示す光Ｌの矢印のようにＤ１方向に平行する場合はθ＝０°）で入射した光ＬのＤ２方向（即ち、回折格子１４の表面と平行な方向）の波数ｋ_０は、次に示す（２）式で表される。

なお、（２）式において、ｃは光速度を表す。回折を受けて入射光の波数は回折次数ｎによって増減するので、ＳＰＲに関与する回折光の次数は、次に示す（３）式によって表される。

なお、（３）式において、ｔは回折格子１４のピッチを表す。

回折格子１４による回折光とＳＰＲとの波数が同一周波数で一致するときにＳＰＲが生じるので、回折光とＳＰＲとの結合条件は、次に示す（４）式で表される。

上述の結合条件が成立するときに、ＳＰＲが起き、特定の検出物質、即ち抗原Ｐの誘電率の違いがＳＰＲのアンテナ部１５への入射角度及びＳＰＲの波長の変化として現れ、金属層１０の表面電流に反映される。

従って、抗原Ｐが抗体２２に結合し、反応層２０と金属層１０との間でＳＰＲが起こると、図４に示したように、金属層１０の内部の自由電子ｅが励起され、ショットキー障壁Ｗ１を乗り越え、Ｄ１方向とは逆の方向（即ち、金属層１０から半導体基板５に向かう方向）に拡散する。このような原理により、ＳＰＲが起こった際に、金属層１０に表面電流が生じる（または、変化する）。第一実施形態と同様に、電極部３０に取り出された表面電流の増減を計測することにより、抗原抗体反応の有無、及び試料Ｑ中の抗原Ｐの有無や濃度等が検出される。

計測的デバイス１００Ｂにおける各構成要素の好適な条件等については、計測的デバイス１００Ａと共通する各構成要素の好適な条件と基本的に同様である。但し、回折格子１４のピッチｔは、光Ｌの波長が１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であれば、０．５μｍ以上５μｍ以下であることが好ましい。回折格子１４のピッチｔが前述の範囲内であることにより、回折格子１４による回折光とＳＰＲとが良好に結合する。回折格子１４の高さ（厚さ）は、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。

金属層１０の厚さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることが好ましい。

［計測センサの構成］
図示していないが、第二実施形態の計測センサは、図６に示す計測用デバイス１００Ｂの半導体基板５の裏面５ａに第一実施形態の計測センサ１０２の光源３と同様の光源を備えているものである。

［計測センサの原理］
第二実施形態の計測センサの原理については、光Ｌが半導体基板５の裏面５ａに設けられた光源から照射され、裏面５ａから半導体基板５に直接入射する点以外は、計測用デバイス１００Ｂと同様である。

［計測用デバイス及び計測センサの作用効果］
以上説明した第二実施形態の計測用デバイス１００Ｂ及び計測センサによれば、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２の作用効果と略同様の効果が得られる。但し、上述のように計測用デバイス１００Ｂ及び第二実施形態の計測センサの構成では、計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２ではダイポール的共鳴とＳＰＲとを結合させることで自由電子ｅを励起し、ショットキー障壁Ｗ１を越えさせるのに対し、回折格子１４による回折光とＳＰＲとを結合させることで自由電子ｅを励起し、ショットキー障壁Ｗ１を越えさせる。

また、本発明を適用した計測用デバイス及び計測センサでは、基本的に、反応膜２０に抗原Ｐ（特定の検出物質）が吸着する速度は、反応膜２０と抗原Ｐとが接する表面積の広さ、即ちアンテナ部１５の広さに依存する。第二実施形態の計測用デバイス１００Ｂ及び計測センサによれば、金属層１０及び反応層２０が回折格子１４の全面に設けられているので、アンテナ部１５が計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２に比べて拡大される。これにより、反応膜２０に抗原Ｐが吸着する速度を高め、第二実施形態の計測用デバイス１００Ｂ及び計測センサの計測速度及び感度を高くすることができる。

［変形例］
以上、本発明を適用した第二実施形態について詳述したが、第二実施形態の計測用デバイス１００Ｂ及び計測センサについては、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２と同様の種々の変形・変更が可能である。

また、反応膜２０と抗原Ｐとが接する表面積を拡大するという同じ観点から、図７に示すように、半導体基板５の表面５ｂは平滑面とし、金属層１０の表面１０ｂを凹凸形状とすることで回折格子１４を設けてもよい。このように構成された計測用デバイス１００Ｃや不図示の計測センサでは、金属層１０の上面側及び側面側がアンテナ部１５になっている。従って、計測用デバイス１００Ｃや第二実施形態の変形例の計測センサによれば、第二実施形態の計測用デバイス１００Ｂ及び計測センサと同様に、回折格子１４の凹凸形状に応じてアンテナ部１５を拡大することができるので、計測速度および感度を高くすることができる。

さらに、製造面では、第二実施形態の計測用デバイス１００Ｂ及び計測センサに比べて、計測用デバイス１００Ｃや第二実施形態の変形例の計測センサは、設計通りの形状を実現し易いという利点を有する。例えば、光学シミュレーションを用いて、計測目的に合わせて、各構成要素の材質や形状・寸法等を調整し、設計通りに加工することで、所望の計測精度及びセンサ性能を容易に達成することができる。

（第三実施形態）
次いで、第三実施形態の計測用デバイス及び計測センサについて説明する。なお、第三実施形態の計測用デバイス及び計測センサの構成要素において、第一実施形態及び第二実施形態の計測用デバイス１００Ａ，１００Ｂ及び計測センサ１０２と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

［計測用デバイスの構成］
図８（ａ），（ｂ）に示すように、第三実施形態の計測用デバイス１００Ｄは、第二実施形態の計測用デバイス１００Ｂと同様の構成要素を備えている。但し、半導体基板５の表面５ｂには、微細な凹部４０が複数設けられている。具体的には、半導体基板５の表面５ｂに微細な凹部４０が形成されており、金属層１０及びアンテナ部１５は凹部４０の内壁面４２を含む表面５ｂの全体に亘って略均一な厚さで設けられている。これにより、アンテナ部１５の表面に微細な凹部４０が形成されている。

第三実施形態では、図８（ｂ）に示すように、反応層２０を構成する抗体２２は、金属層１０の上面や側面に加えて凹部４０の内壁面４２（即ち、アンテナ部１５の表面全体）に設けられている。なお、図８（ａ）では、反応層２０を構成する個々の抗体２２の図示は省略している。また、図８（ｂ）では、複数のうち少なくとも一部の抗体２２に吸着する抗原Ｐや試料Ｑの図示を省略している。

凹部４０は円形の開口部を有し、Ｄ１方向とは逆方向に進む（即ち、凹部４０の底部に向かう）に従って凹部４０の開口径が縮小するように窄まっている。凹部４０は、回折格子１４による光Ｌの回折に大きな影響を与えずにアンテナ部１５を拡大する目的で形成された微細構造である。前述の目的から、凹部４０の開口径ｒ４０は、製造上の制約から光Ｌの波長の１／１０００以上であることが好ましく、光Ｌの散乱や回折を防ぐために光Ｌの波長の１／１０以下であることが好ましい。光Lの波長が前述のように１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内であれば、開口径ｒ４０は１ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。また、平面視において、隣り合う凹部４０の中心間の距離（間隔）ｇ４０は２ｎｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。凹部４０の深さは、抗体２２の成膜可能な最小寸法や成膜方法等を勘案して適切に設定されている。

［計測用デバイスの原理］
計測用デバイス１００Ｄの原理は、第二実施形態で説明した計測用デバイス１００Ｂと同様である。なお、前述のように微細な凹部４０は光Ｌの波長に比べて大変小さいものであるから、凹部４０による光Ｌの回折等の影響はなく、前述した（４）式の結合条件が成立するときに、ＳＰＲが起き、特定の検出物質の誘電率の違いがＳＰＲのアンテナ部１５への入射角度及びＳＰＲの波長の変化として現れ、金属層１０の表面電流に反映される。

計測的デバイス１００Ｄにおける各構成要素の好適な条件等については、計測的デバイス１００Ｂと共通する各構成要素の好適な条件と基本的に同様である。微細な凹部４０の好適な寸法等についても上述の通りである。

［計測センサの構成］
図示していないが、第三実施形態の計測センサは、図８（ａ）に示す計測用デバイス１００Ｄの半導体基板５の裏面５ａに第一実施形態の計測センサ１０２の光源３と同様の光源を備えているものである。

［計測センサの原理］
第三実施形態の計測センサの原理については、光Ｌが半導体基板５の裏面５ａに設けられた光源から照射され、裏面５ａから半導体基板５に直接入射する点以外は、第二実施形態の計測用デバイス１００Ｂと同様である。

［計測用デバイス及び計測センサの作用効果］
以上説明した第三実施形態の計測用デバイス１００Ｄ及び計測センサによれば、第二実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２の作用効果と略同様の効果が得られる。

また、第三実施形態の計測用デバイス１００Ｄ及び計測センサによれば、半導体基板５の表面５ｂに複数の微細な凹部４０が形成され、金属層１０及び反応層２０が半導体基板５の表面５ｂに加えて凹部４０の内壁面にも設けられているので、アンテナ部１５が計測用デバイス１００Ｂ及び第二実施形態の計測センサに比べてさらに拡大される。これにより、反応膜２０に抗原Ｐが吸着する速度を計測用デバイス１００Ｂ及び第二実施形態の計測センサより高め、第三実施形態の計測用デバイス１００Ｄ及び計測センサの計測速度及び感度をさらに高くすることができる。

［変形例］
以上、本発明を適用した第三実施形態について詳述したが、第三実施形態の計測用デバイス１００Ｄ及び計測センサについては、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２、第二実施形態の計測デバイス１００Ｂおよび計測センサと同様の種々の変形・変更が可能である。

また、凹部４０は、上述したように円形の開口部と底部に進む程窄まるものに限らず、アンテナ部１５及び反応層２０、即ち抗体２２を成膜する面積を拡大可能とするものであれば、特に制限されない。例えば、凹部４０の開口部の平面視形状は、矩形、多角形や星形等であってもよい。凹部４０の開口幅は、Ｄ１方向に沿って凹部４０の上端から底端まで略一定であってもよく、上述の第三実施形態の例とは逆に、底部に進むに従って拡がってもよい。

また、アンテナ部１５の表面１５ｂには、凹部４０に替えてＤ１方向に突出する凸部が形成されていてもよい。但し、凸部の幅は、製造上の制約から光Ｌの波長の１／１０００以上であることが好ましく、光Ｌの散乱や回折を防ぐために光Ｌの波長１／１０以下であることが好ましい。さらに、アンテナ部１５の表面１５ｂには、凹部４０や凸部が混在していてもよい。

また、凹部４０又は凸部は、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２のアンテナ部１５の表面（即ち、金属層１０の表面１０ｂ）や次に説明する第四実施形態の計測用デバイス１００Ｅ及び計測センサのアンテナ部１５の表面に形成されていてもよい。即ち、単位面積当たりの抗体２２の成膜数が略同じであれば、凹部４０や凸部が形成されていない場合に比べて凹部４０や凸部が形成されている場合の方がアンテナ部１５及び反応層２０の表面積が拡大されるので、計測速度及び感度を高める効果が得られるのであって、凹部４０や凸部が形成される金属層１０の凹凸の有無や金属層１０の形状等は特に制限されない。第一実施形態のように金属層１０が共鳴部１１を備えている構成であっても、凹部４０や凸部は光Ｌに回折等の影響を及ぼさない方が好適であるため、凹部４０や凸部の好ましい形状や寸法の好ましい範囲は、上述した第三実施形態及び変形例で説明した内容と同様である。

（第四実施形態）
次いで、第四実施形態の計測用デバイス及び計測センサについて説明する。なお、第四実施形態の計測用デバイス及び計測センサの構成要素において、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２と同一の構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。

［計測用デバイスの構成］
図９及び図１０に示すように、第四実施形態の計測用デバイス１００Ｅは、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａと同様の構成要素を備えている。但し、半導体基板５の表面５ｂには、ピラー１８が複数設けられている。具体的には、半導体基板５の表面５ｂに複数のピラー１８が形成されており、金属層１０及びアンテナ部１５はピラー１８の表面を含む表面５ｂの全体に亘って略均一な厚さで設けられている。これにより、計測用デバイス１００Ｅの上部に複数のピラー４８が形成されている。

ピラー４８は略円柱状に形成されている。ピラー４８の高さは、適宜設定され、例えば（光Ｌの所定の波長／ピラー４８を構成する材料の屈折率）の値の１／６以上２／３以下とすることができる。

［計測用デバイスの原理］
計測用デバイス１００Ｅの原理において、第一実施形態で説明したように図３に示すエネルギーバンド構造ができている点は、同様である。但し、第四実施形態では、ダイポール的共鳴に替えて、ピラー４８における高さ方向（即ち、Ｄ１方向）での電磁波の共鳴によってアンテナ部１５と反応層２０との間で生じるＳＰＲが励起される。

ピラー４８における高さ方向の電磁波の共鳴が起きると共に、ＳＰＲが起きたときに、金属層１０の表面電流が変化する。

従って、光Ｌがピラー４８に照射され、抗原Ｐが抗体２２に結合し、反応層２０と金属層１０との間でＳＰＲが起こると、図４に示したように、金属層１０の内部の自由電子ｅが励起され、ショットキー障壁Ｗ１を乗り越え、Ｄ１方向とは逆の方向（即ち、金属層１０から半導体基板５に向かう方向）に拡散する。このような原理により、ＳＰＲが起こった際に、金属層１０に表面電流が生じる（または、変化する）。第一実施形態と同様に、電極部３０に取り出された表面電流の増減を計測することにより、抗原抗体反応の有無、及び試料Ｑ中の抗原Ｐの有無や濃度等が検出される。

［計測用デバイス及び計測センサの作用効果］
以上説明した第四実施形態の計測用デバイス１００Ｅ及び計測センサによれば、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２の作用効果と略同様の効果が得られる。但し、上述のように計測用デバイス１００Ｅ及び第四実施形態の計測センサの構成では、ピラー４８における電磁波の共鳴とＳＰＲとを結合させることで自由電子ｅを励起し、ショットキー障壁Ｗ１を越えさせる。

また、第四実施形態の計測用デバイス１００Ｅ及び計測センサによれば、金属層１０及び反応層２０がピラー４８の表面全体に設けられているので、アンテナ部１５が例えば計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２に比べて拡大される。これにより、反応膜２０に抗原Ｐが吸着する速度を高め、第四実施形態の計測用デバイス１００Ｅ及び計測センサの計測速度及び感度を高くすることができる。

［計測センサの構成］
図示していないが、第四実施形態の計測センサは、図９及び図１０に示す計測用デバイス１００Ｅの半導体基板５の裏面５ａに第一実施形態の計測センサ１０２の光源３と同様の光源を備えているものである。

［計測センサの原理］
第四実施形態の計測センサの原理については、光Ｌが半導体基板５の裏面５ａに設けられた光源から照射され、裏面５ａから半導体基板５に直接入射する点以外は、第四実施形態の計測用デバイス１００Ｅと同様である。

［変形例］
以上、本発明を適用した第四実施形態について詳述したが、第四実施形態の計測用デバイス１００Ｅ及び計測センサについては、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、第一実施形態の計測用デバイス１００Ａ及び計測センサ１０２、第二実施形態の計測デバイス１００Ｂおよび計測センサと同様の種々の変形・変更が可能である。

例えば、ピラー４８は、高さ方向に沿って電磁波を共鳴させることができれば、円柱状のものに限定されず、多角柱のものや、その他の形状のものであってもよい。また、ピラー４８は、図９及び図１０に例示されているように複数且つ平面視で規則的に配列されている必要はなく、単数設けられていてもよく、平面視で不規則に複数配置されていてもよい。

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、特許請求の範囲内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。

続いて、本発明に係る計測用デバイスの有効性を確認するための実施例について説明する。なお、本発明に係る計測用デバイスの構成及び作用効果は、以下の実施例に限定されるものではない。

先ず、Ａｕ回析格子を試作し、Ａｕ回析格子で実際にＳＰＲの共鳴が起きることを実験で確認した。使用したＡｕ回折格子のピッチは３．４μｍとし、レーザ源から波長１１００ｎｍの近赤外光を照射し、ポラライザを通して、ＴＭ波に変換したものをＡｕ回折格子に照射する。回転角度はＡｕ回折格子の表面に垂直な角度を０°として、０°から３０°までの計測を行った。なお、Ａｕ回折格子には電流取り出し用の配線を設け、そこから光照射により、発生する電流を計測した。その結果、入射角度２２．０°において、電流が負の方向に大きく流れた。この角度は、前述の（４）式等から求められる角度θ_Ｓ＝２１．４°とほぼ一致する。このことから、ＳＰＲにより光吸収が促進されたために、内部光電効果の量子効率が高まり、大きな電流が発生したと解釈することができる。以上のことから試作したＡｕ回折格子によってＳＰＲが発生し、ＳＰＲをショットキー障壁により電流として計測することができたと結論付けられた。

次に、試作したＡｕ回折格子が背面照射によりＳＰＲを励起することができるか検証するために、シミュレーションを行った。シミュレーションには有限要素法解析（Finite Element Method：ＦＥＭ）ソフトであるＣＯＭＳＯＬを使用した。本シミュレーションでは、入射光路が試料と干渉しないように、Ｓｉ側から光を照射する配置を「背面配置」とした。

作成したシミュレーションの概要を図１１に示す。本シミュレーションでは、Ｓｉ上にＡｕの回析格子が存在している構造を想定した。図１１に示すように、回折格子のピッチは１２００ｎｍ、Ａｕ回折格子の幅は９５０ｎｍとした。上述の試作及び実験とは異なり、回折格子がＡｕ同士で連結されておらず、隣り合うＡｕ（第一実施形態における共鳴部）の間はＳｉが露出しているものとした。この構造に対して、Ｓｉ側から光を照射する設定とした。偏光は、ＴＭ偏光とした。また、入射光の波長変化によってＳＰＲを励起することを想定し、シミュレーションにおいても図１１に示すモデルに入射する光の波長を変化させた。そして、ＳＰＲセンサとしての有効性を検証するために、Ａｕ回折格子が接している誘電体の屈折率を１．０と１．１の二つの条件で計算した。

上述のようにＡｕ回折格子の幅が９５０ｎｍである場合（図１２における“Ｗ９５０ｎｍ”の実線）と、別のパターンとして９００ｎｍ（図１２における“Ｗ９００ｎｍ”の一点破線）である場合を比較すると、図１２に示すように、幅（Ｗ）が小さくなると、光吸収のピークが短波長側にシフトしていることがわかる。

図１１に示すモデルへの入射光の波長の変化に対する応答の変化とモデル寸法との相関関係を図１３に示す。Ａｕ回折格子の幅が９５０ｎｍである場合は、図１３に示すグラフのＡｕ回折格子の幅Ｄ（図１に示す幅ｄに対応）＝９５０ｎｍの場合に対応する。一方、Ａｕ回折格子の幅が９００ｎｍである場合は、図１３に示すグラフのＡｕ回折格子の幅Ｄ＝９００ｎｍの場合に対応する。

図１１に示すモデルの共鳴点である１．９４×１０^１４Ｈｚにおける電場強度をプロットしたものを図１４に示す。図１５に示す類似の先行例（Ali Sobhani, et al., "Narrowband photodetection in the near-infrared with a plasmon-induced hot electron device," Nature Communications, vol. 4, 1643, 2013.）の結果と同様の部分が見受けられるが、Ａｉｒの部分の場の状態に差が見られる。

図１１に示すモデルの光吸収特性を図１６に示し、図１４にプロットした共鳴点とは別の共鳴点である２．６×１０^１４Ｈｚにおける電場強度をプロットしたものを図１７に示す。図１６に示すピーク（Ｐ１）はシャープではないので、複数のピークが隣接して出ていると推測される。図１１に示すモデルの各種寸法を変えれば、ピーク形状や位置が変化するとも推察される。また、図１７の下側のポートから光を入射させる配置は、背面配置であり、本発明に係る計測用デバイスの構成と類似する。図１７において、スペクトルが異なるのは、入射する光の振動数は同じだが、高い屈折率を通って光が界面に入射するので、運動量が高いためと考えられる。

さらに、誘電体（Ａｉｒ）の屈折率を変えた場合の挙動についてシミュレーションを行った。誘電体（Ａｉｒ）の屈折率を１.０としたときの共鳴点：２．６×１０^１４Ｈｚにおける電場強度をプロットしたものを図１９に示す。誘電体（Ａｉｒ）の屈折率を１.１としたときの共鳴点：２．６×１０^１４Ｈｚにおける電場強度をプロットしたものを図２０に示す。誘電体（Ａｉｒ）の屈折率を１.１としたときの共鳴点：１．９５×１０^１４Ｈｚにおける電場強度をプロットしたものを図２１に示す。これらの条件における図１１のモデルの光吸収特性を図１８に示す。図１８に示すように、Ａｉｒ／Ａｕ界面に強く局在するモード共鳴において変化が大きいことが推測される。

以上のシミュレーション結果から総合的に考察すると、図１１に示すモデルに類似する構成において、背面照射型のＳＰＲセンサとして利用可能であることが確認された。

１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ 計測用デバイス
１０２ 計測センサ

Claims (16)

1. 所定の波長の光を透過可能な半導体基板と、
   前記半導体基板の表面に積層され、前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成し、前記所定の波長の光が照射された際に表面プラズモン共鳴を起こすアンテナ部を有する金属層と、
   前記金属層の表面に形成され、特定の検出物質と反応可能に構成された反応層と、
   を備え、
   前記半導体基板の価電子帯のエネルギー準位と伝導帯のエネルギー準位とのエネルギー差は前記反応層と前記金属層との間で生じる前記表面プラズモン共鳴によって前記金属層の自由電子が励起される励起エネルギーよりも高く、且つ前記励起エネルギーは前記ショットキー障壁のエネルギー高さよりも高いことを特徴とする計測用デバイス。
2. 前記半導体基板の表面とは反対側の面と前記金属層に電気的に接続された電極部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の計測用デバイス。
3. 前記半導体基板と前記電極部との界面で構成されるショットキー障壁の幅及びエネルギー高さは前記金属層で励起されてから前記半導体基板に拡散した前記自由電子が前記電極部に向かってトンネリング可能に設定され、
   前記電極部の材質は前記半導体基板における不純物のドーピングの高さに応じて選ばれている、
   請求項２に記載の計測用デバイス。
4. 前記金属層は、前記半導体基板の表面に沿って形成された共鳴部と、複数の前記共鳴部に接続された集電部と、を備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の計測用デバイス。
5. 前記所定の波長は１μｍ以上１０μｍ以下であり、
   前記半導体基板はｎ型シリコンで構成され、
   前記共鳴部の幅は０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の計測用デバイス。
6. 前記半導体基板の表面には回折格子が形成され、
   前記金属層及び前記アンテナ部は前記回折格子の表面に設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の計測用デバイス。
7. 前記金属層の表面には回折格子が形成され、
   前記アンテナ部は前記金属層の表面側に設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の計測用デバイス。
8. 前記アンテナ部の表面に微細な凹部及び凸部の少なくとも一方が形成され、
   前記凹部及び前記凸部の幅は前記所定の波長の１／１０００以上１／１０以下であることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の計測用デバイス。
9. 前記半導体基板の表面にはピラーが形成され、
   前記金属層及び前記アンテナ部は前記ピラーの表面に設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の計測用デバイス。
10. 所定の波長の光を発する光源と、
    前記光源に積層され、且つ前記所定の波長の光を透過可能な半導体基板と、
    前記半導体基板における前記光源とは反対側の表面に積層され、前記半導体基板との界面でショットキー障壁を構成し、前記光源から発せられた光が照射された際に表面プラズモン共鳴を起こすアンテナ部を有する金属層と、
    前記金属層の表面に形成され、特定の検出物質と反応可能に構成された反応層と、
    前記半導体基板における光源側の面と前記金属層に電気的に接続された電極部と、
    を備え、
    前記半導体基板の価電子帯のエネルギー準位と伝導帯のエネルギー準位とのエネルギー差は前記反応層と前記金属層との間で生じる前記表面プラズモン共鳴によって前記金属層の自由電子が励起される励起エネルギーよりも高く、且つ前記励起エネルギーは前記ショットキー障壁のエネルギー高さよりも高いことを特徴とする計測センサ。
11. 前記金属層は、前記半導体基板の表面に沿って形成された共鳴部と、複数の前記共鳴部に接続された集電部と、を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の計測センサ。
12. 前記所定の波長は１μｍ以上１０μｍ以下であり、
    前記半導体基板はｎ型シリコンで構成され、
    前記共鳴部の幅は０．５μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載の計測センサ。
13. 前記半導体基板の表面には回折格子が形成され、
    前記金属層及び前記アンテナ部は前記回折格子の表面に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の計測センサ。
14. 前記金属層の表面には回折格子が形成され、
    前記アンテナ部は前記金属層の表面側に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の計測センサ。
15. 前記アンテナ部の表面に微細な凹部及び凸部の少なくとも一方が形成され、
    前記凹部及び前記凸部の幅は前記所定の波長の１／１０００以上１／１０以下であることを特徴とする請求項１０から１４の何れか一項に記載の計測センサ。
16. 前記半導体基板の表面にはピラーが形成され、
    前記金属層及び前記アンテナ部は前記ピラーの表面に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の計測センサ。

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