JP7024407B2 - 半導体素子、その製造方法、無線通信装置およびセンサ - Google Patents

半導体素子、その製造方法、無線通信装置およびセンサ Download PDF

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Description

本発明は、半導体素子、その製造方法、ならびに半導体素子を用いた無線通信装置およびセンサに関する。
トランジスタやメモリ、コンデンサなどの半導体素子は、その半導体特性を利用して、ディスプレイやコンピューターなど様々な電子機器に使用されている。例えば、電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴという）の電気特性を利用したＩＣタグやセンサの開発が進められている。
ＩＣタグとしては、近年、非接触型のタグとして、ＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）技術を用いた無線通信システムの開発が進められている。ＲＦＩＤシステムでは、リーダ／ライタと呼ばれる無線送受信機とＲＦＩＤタグとの間で、無線通信が行われる。ＲＦＩＤタグは、物流管理、商品管理、万引き防止などの様々な用途での利用が期待されており、交通カードなどのＩＣカード、商品タグなど、一部の用途では導入されてきている。ＲＦＩＤタグは、ＩＣチップと、アンテナとを有している。ＲＦＩＤタグ内に設置されたアンテナが、リーダ／ライタから送信される搬送波を受信し、ＩＣチップ内の駆動回路が動作する。
また、センサとしては、蛍光体等による標識化が不要であり、電気的な信号の転換が速く、集積回路との接続が容易であるという観点から、ＦＥＴを使用して生物学的な反応を検出するＦＥＴ型バイオセンサの研究が活発化している。従来、ＦＥＴを用いたバイオセンサとしては、金属－酸化物－半導体（ＭＯＳ）型ＦＥＴからゲート電極を除去し、絶縁膜の上にイオン感応膜を被着した構造を有した、イオン感応型ＦＥＴセンサと呼ばれるセンサが知られている。そして、イオン感応膜に生体分子認識物質を配置することによって、各種バイオセンサとして機能するように設計されている。
これらの用途に用いられる半導体素子としては、シリコン等の無機半導体が主流である。しかし、無機半導体素子の製造プロセスには高価な製造装置が必要であり、かつ、真空や高温下で行われるため、低コスト化が難しいという課題がある。そこで、塗布・印刷技術を用いた、フレキシブルで安価な半導体素子の製造プロセスが検討されている。塗布・印刷技術に適合した半導体層の材料として、従来の無機半導体に代わり、高い機械的・電気特性を有するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いたＦＥＴが盛んに検討されている（例えば、特許文献１～３および非特許文献１～２参照）。上記文献では、ＣＮＴ１本およびＣＮＴネットワークを半導体層とした半導体素子が開示されている。
国際公開第２００９／１３９３３９号 特開２０１２－１６３５７８号公報 国際公開第２０１５／０１２１８６号
ＡＮＡＬＹＴＩＣＡＬ ＣＨＥＭＩＳＴＲＹ ２００７ ＶＯＬ．７９ ７８２－７８７ ＡＣＳ ＮＡＮＯ ２０１０ ＶＯＬ.４ Ｎｏ.１１ ６９１４－６９２２
ＩＣタグやセンサに用いられる半導体素子には、高いスイッチング特性が求められる。スイッチング特性とは、半導体素子のオン電流とオフ電流の差であり、低いオフ電流において高いオン電流が得られる半導体素子が高いスイッチング特性を有する半導体素子である。非特許文献１～２に記載されているような技術では、高いスイッチング特性を得ることが難しかった。
また、さらにセンサとして用いた際に、非特許文献１に記載されているような技術では、チャネルでの電流が小さく、十分なシグナル／ノイズ比を達成できないという課題があった。また、特許文献２～３に記載されているような技術では、検出感度に限界があった。
本発明の目的は、上記課題を鑑み、スイッチング特性の優れた半導体素子、およびセンサとして利用したときに高い検出感度を有する半導体素子を提供することである。
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。すなわち、基板、第１電極、第２電極および半導体層を含有し、前記半導体層が前記第１電極と前記第２電極の間に配置された半導体素子であって、前記半導体層がカーボンナノチューブおよびグラフェンから選ばれる１種以上を含有し、前記半導体素子のチャネル長ＬＣおよびチャネル幅ＷＣの関係が０．０１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．８である半導体素子である。
本発明は、上記の半導体素子と、アンテナとを少なくとも有する無線通信装置を含む。
本発明は、上記の半導体素子を含有するセンサを含む。
本発明は、カーボンナノチューブを含む溶液を塗布および乾燥することにより前記半導体層を形成する工程を含む上記の半導体素子の製造方法を含む。
本発明によれば、スイッチング特性の優れた半導体素子、およびそれを用いた無線通信装置、高い検出感度を有するセンサを提供できる。
本発明の半導体素子の一例を示す模式平面図 本発明の半導体素子の一例を示す模式断面図 本発明の半導体素子の一例を示す模式平面図 本発明の半導体素子の一例を示す模式断面図 本発明の半導体素子の一例を示す模式平面図 本発明の実施例１に示す半導体素子の半導体層にＢＳＡ、ＩｇＥ、アビジンを添加したときの第１電極と第２電極間に流れる電流値を示すグラフ 本発明の半導体素子の一例を示す模式平面図 本発明の半導体素子の一例を示す模式平面図 本発明の半導体素子の一例を示す模式断面図 本発明の半導体素子の一例を示す模式平面図 本発明の半導体素子を用いた無線通信装置の一例を示すブロック図
＜半導体素子＞
本発明の半導体素子は、基板、第１電極、第２電極および半導体層を含有し、前記半導体層が前記第１電極と前記第２電極の間に配置された半導体素子であって、前記半導体層がカーボンナノチューブおよびグラフェンから選ばれる１種以上を含有し、前記半導体素子のチャネル長ＬＣおよびチャネル幅ＷＣの関係が０．０１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．８である半導体素子である。
図１Ａは、本発明の半導体素子の一例を示す模式平面図である。図１Ｂは、図１Ａに示される半導体素子を線ＡＡ’で切断した場合の断面図である。図１の半導体素子は、基板１の上に第１電極２と第２電極３が形成され、第１電極２と第２電極３の間に半導体層４が配置されている。
図２は、本発明の半導体素子の別の一例を示す模式平面図である。第１電極２、第２電極３および半導体層４の配置が図１の場合とは異なる。
本発明におけるチャネル長（ＬＣ）およびチャネル幅（ＷＣ）は、それぞれ半導体層においてチャネルとして機能する領域の長さおよび幅である。図１Ａおよび図２にＬＣおよびＷＣの例を示した。
本発明の半導体素子は、０．０１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．８の関係にあることで、ＦＥＴとして用いた際に、良好なスイッチング特性を得られる。
半導体層がＣＮＴを含む場合、ＣＮＴはネットワークを形成することにより、３次元的な導電経路を形成する。ＣＮＴは金属型ＣＮＴと半導体型ＣＮＴの混合物であることが知られており、上記の３次元的な導電経路は金属型ＣＮＴと半導体型ＣＮＴの双方を含む。
ＷＣ／ＬＣ＞０．８の関係にある場合、チャネル長に対してチャネル幅が広すぎるため、金属型ＣＮＴ同士による導電経路によって第１電極と第２電極が短絡する可能性が高い。第１電極と第２電極が短絡した場合、低いオフ電流と高いオン電流を両立ができず、良好なスイッチング特性が得られない。一方、ＷＣ／ＬＣ≦０．８の関係にある場合、チャネル長に対してチャネル幅が狭いため、金属型ＣＮＴ同士による導電経路によって第１電極と第２電極が短絡する可能性が低く、低いオフ電流と高いオン電流を両立でき、良好なスイッチング特性が得られる。このようなメカニズムにより、良好なスイッチング特性の実現が可能と考えられる。
ＷＣ／ＬＣの上限としては、ＷＣ／ＬＣ≦０．８であり、ＷＣ／ＬＣ≦０．５であることが好ましい。
ＷＣ／ＬＣの下限としては、０．０１≦ＷＣ／ＬＣであり、０．１≦ＷＣ／ＬＣであることが好ましい。ＷＣ／ＬＣがこの範囲にあることで半導体素子に十分な量の電流が流れ、オン電流を大きくできる。
チャネル幅およびチャネル長のサイズは、特に限定されるものではないが、それぞれ１μｍ～１０ｍｍの範囲であることが好ましい。例えば、チャネル幅が４μｍでチャネル長が５μｍ～４００μｍ、チャネル幅が１００μｍでチャネル長が１５０μｍ～２ｍｍ、チャネル幅が２００μｍでチャネル長が３００μｍ～４ｍｍ、チャネル幅が５００μｍでチャネル長が７００μｍ～８ｍｍ、チャネル幅が１ｍｍでチャネル長が１．５ｍｍ～１０ｍｍなどの関係にあることが好ましい。
特に、チャネル幅については、１μｍ以上がより好ましく、２μｍ以上がさらに好ましく、４μｍ以上がさらに好ましい。チャネル幅は２ｍｍ以下がより好ましく、１ｍｍ以下がさらに好ましく、３００μｍ以下がさらに好ましい。チャネル長については、１．３μｍ以上がより好ましく、２．５μｍ以上がさらに好ましく、５μｍ以上がさらに好ましい。チャネル長は、２．５ｍｍ以下がより好ましく、１．２５ｍｍ以下がさらに好ましく、３７５μｍ以下がさらに好ましい。特に好ましくは、チャネル長が５μｍ～３０μｍである。この範囲にあることで、後述のメカニズムにより、良好なスイッチング特性を得られ、かつ、半導体素子を集積回路として用いた際、素子サイズが小さく、集積度を大きくできる。
第１電極および第２電極の配置は、チャネル幅およびチャネル長が上記の関係を満たす範囲において任意である。例えば、図１および図２のような配置が挙げられるが、これらに限られない。
また、本発明の半導体素子の別の態様として、上記半導体素子がさらにゲート電極および絶縁層を含有し、前記ゲート電極は、前記絶縁層により、前記第１電極、前記第２電極および前記半導体層と電気的に絶縁されて配置されている態様が挙げられる。
図３の半導体素子は、基板１の上にゲート電極５および絶縁層６が形成され、それらの上に、第１電極２および第２電極３が形成され、第１電極２と第２電極３の間に半導体層４が配置されている。図３の半導体素子は、第１電極２および第２電極３がそれぞれソース電極およびドレイン電極に、絶縁層６がゲート絶縁層に該当し、ＦＥＴおよび薄膜トランジスタとしての機能を有する。
図４の半導体素子は、基板１の上に、第１電極２、第２電極３およびゲート電極５が形成され、第１電極２と第２電極３の間に半導体層４が配置されている。図４の半導体素子は、第１電極２および第２電極３がそれぞれソース電極およびドレイン電極に該当する。半導体層４およびゲート電極５を覆うように水溶液などが配置された場合、該水溶液などがゲート絶縁層として働き、ＦＥＴおよび薄膜トランジスタとしての機能を発揮する。
本発明の半導体素子の好ましい態様として、上述の半導体素子を複数含有し、該複数の半導体素子における各第１電極同士が電気的に接続され、かつ、各第２電極同士が電気的に接続されている態様が挙げられる。このような態様は、一つの半導体素子中に複数の半導体層を含むが、電気的には、一つの半導体素子であると考えられる。以下、このような態様において、素子を構成する複数の半導体素子のそれぞれを個別半導体素子と呼ぶ。この構成とすることにより、オフ電流を低く保ったまま、高いオン電流を得ることができ、より良好なスイッチング特性が得られる。図６は、この態様の半導体素子の例を示す模式平面図である。半導体素子３０において、基板１の上に、個別半導体素子１０と個別半導体素子２０が形成されている。個別半導体素子１０は、第１電極１２、第２電極１３および半導体層１４からなり、該半導体層１４は該第１電極１２および該第２電極１３の間に配置されている。同様に個別半導体素子２０は、第１電極２２、第２電極２３および半導体層２４からなり、該半導体層２４は該第１電極２２および該第２電極２３の間に配置されている。個別半導体素子１０の第１電極１２および個別半導体素子２０の第１電極２２が電極３２により電気的に接続され、かつ、個別半導体素子１０の第２電極１３および個別半導体素子２０の第２電極２３が電極３３により電気的に接続されている。
また、本発明の半導体素子の別の態様として、個別半導体素子を複数含有した半導体素子であって、複数の個別半導体素子における各第１電極同士が電気的に接続され、かつ、複数の個別半導体素子における各第２電極同士が電気的に接続され、さらに第３電極および絶縁層を含有し、第３電極は絶縁層により、複数の個別半導体素子における各第１電極、複数の個別半導体素子における各第２電極および複数の個別半導体素子における各半導体層とは電気的に絶縁されて配置される半導体素子が挙げられる。
図７Ａは、この態様の半導体素子の例を示す模式平面図、図７Ｂは、図７Ａに示される半導体素子を線ＢＢ’で切断した場合の断面図である。基板１の上にゲート電極５および絶縁層６が形成され、その上に、個別半導体素子１０と個別半導体素子２０が形成されている。個別半導体素子１０は、第１電極１２、第２電極１３および半導体層１４からなり、該半導体層１４は該第１電極１２および該第２電極１３の間に配置されている。同様に個別半導体素子２０は、第１電極２２、第２電極２３および半導体層２４からなり、該半導体層２４は該第１電極２２および該第２電極２３の間に配置されている。個別半導体素子１０の第１電極１２および個別半導体素子２０の第１電極２２が電極３２により電気的に接続され、かつ、個別半導体素子１０の第２電極１３および個別半導体素子２０の第２電極２３が電極３３により電気的に接続されている。図７Ａおよび図７Ｂの半導体素子は、第１電極１２、２２、３２および第２電極１３、２３、３３がそれぞれソース電極およびドレイン電極に、絶縁層６がゲート絶縁層に該当し、ＦＥＴおよび薄膜トランジスタとしての機能を有する。
図８の半導体素子は、図６の半導体素子の配置に加え、基板１の上に、ゲート電極５が形成されている。図８の半導体素子は、第１電極１２、２２、３２および第２電極１３、２３、３３がそれぞれソース電極およびドレイン電極に該当し、半導体層４およびゲート電極５を覆うように水溶液などが配置された場合、該水溶液などがゲート絶縁層として働き、ＦＥＴおよび薄膜トランジスタとしての機能を発揮する。
本発明の半導体素子が複数の個別半導体素子を含有する場合、含有する個別半導体素子の数は、特に限定されるものではないが、３個以上であることが好ましく、より好ましくは５個以上である。この範囲にあることで、高いオン電流を得ることができる。また、本発明の半導体素子が含有する半導体素子の数の上限は、特に限定されるものではないが、１００個以下であることが好ましく、より好ましくは５０個以下である。この範囲にあることで、オフ電流を低く保つことができる。
基板に用いられる材料としては、例えば、シリコンウエハ、ガラス、アルミナ焼結体等の無機材料；ポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリパラキシレン、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルクロライド、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリシロキサン、ポリビニルフェノール等の有機材料；あるいは無機材料粉末と有機材料の混合物が挙げられる。これらの材料は、単独で用いてもよいし、複数の材料を積層または混合して用いてもよい。また、基板上にポリシロキサン層が形成されていることが好ましい。ポリシロキサン層は、表面平坦性および表面平坦化の効果が高く、基板表面の凹凸を小さくしやすい。基板上にポリシロキサン層が形成されていることによって、基板表面の凹凸を小さくすることで、ＣＮＴのネットワークによる３次元的な導電経路の導電性を損なうことなく、半導体層を形成することが可能となる。
また、第１電極および第２電極間における基板表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下であることが好ましい。基板表面の算術平均粗さ（Ｒａ）がこの範囲にあることで、基板表面の凹凸が小さく、ＣＮＴのネットワークによる３次元的な導電経路の導電性を損なうことなく、半導体層を形成することが可能となる。算術平均粗さ（Ｒａ）は、第１電極および第２電極間における基板の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により測定し、得られた像のうち、無作為に選択した１０箇所の算術平均粗さ（Ｒａ）を算出し、それらのＲａの値を算術平均した値とする。表面粗さの違いにより、ＳＥＭおよびＴＥＭを選択でき、表面の凹凸が５０ｎｍ以上の場合はＳＥＭ、５０ｎｍ未満の場合はＴＥＭを用いる。なお、算術平均粗さ（Ｒａ）は、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さ分だけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。基準長さは１μｍとする。なお、基板と、第１電極および第２電極との間に絶縁層等の他の層が設けられている場合、第１電極および第２電極間における基板表面の算術平均粗さ（Ｒａ）とは、当該他の層表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を言う。例えば、基板上に前記のポリシロキサン層が形成されている場合、第１電極および第２電極間における基板表面の算術平均粗さ（Ｒａ）とは、第１電極および第２電極間における前記ポリシロキサン層表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を言う。
絶縁層６に用いられる材料としては、特に限定されないが、酸化シリコン、アルミナ等の無機材料；ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルクロライド、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリシロキサン、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）等の有機高分子材料を挙げることができる。中でもケイ素と炭素の結合を含む有機化合物を含むものが好ましく、具体的には、ポリシロキサンが挙げられる。また、絶縁層は、上記のような有機化合物に加えて金属化合物を含有することが好ましい。金属化合物としては、金属原子と酸素原子との結合を含む金属化合物が好ましい。例えば、金属酸化物、金属水酸化物等が例示される。金属化合物に含まれる金属原子は、金属キレートを形成するものであれば特に限定されない。金属原子としては、例えば、マグネシウム、アルミニウム、チタン、クロム、マンガン、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ガリウム、ジルコニウム、ルテニウム、パラジウム、インジウム、ハフニウム、白金などが挙げられる。中でも、入手容易性、コスト、金属キレートの安定性の点から、アルミニウムが好ましい。
また、半導体素子が基板上に第３電極および絶縁層を含有する態様である場合、前記の基板上に設けるポリシロキサン層を絶縁層として用いてもよい。上記のように、ポリシロキサンは、表面平坦性および表面平坦化の効果が高いので、絶縁層表面の凹凸を小さくしやすい。絶縁層表面の凹凸を小さくすることで、ＣＮＴのネットワークによる３次元的な導電経路の導電性を損なうことなく、半導体層を形成することが可能となる。
絶縁層は、単層でも複数層でもよく、また、１つの層を複数の絶縁性材料から形成してもよいし、複数の絶縁性材料を積層して複数の絶縁層を形成しても構わない。絶縁層の膜厚は０．０５～５μｍが好ましく、０．１～１μｍがより好ましい。この範囲の膜厚にすることにより、均一な薄膜形成が容易になる。膜厚は、原子間力顕微鏡やエリプソメトリ法などにより測定できる。
絶縁層の作製方法は、特に制限はないが、例えば、絶縁層を構成する材料もしくは、その前駆体やモノマーを含む組成物を基板に塗布した後、乾燥することで得られたコーティング膜を、必要に応じ熱処理する方法が挙げられる。塗布方法としては、スピンコート法、ブレードコート法、スリットダイコート法、スクリーン印刷法、バーコーター法、鋳型法、印刷転写法、浸漬引き上げ法、インクジェット法などの公知の塗布方法が挙げられる。コーティング膜の熱処理の温度としては、１００～３００℃の範囲にあることが好ましい。
第１電極２、第２電極３およびゲート電極５に用いられる材料としては、例えば、酸化錫、酸化インジウム、酸化錫インジウム（ＩＴＯ）などの導電性金属酸化物；白金、金、銀、銅、鉄、錫、亜鉛、アルミニウム、インジウム、クロム、リチウム、ナトリウム、カリウム、セシウム、カルシウム、マグネシウム、パラジウム、モリブデン、アモルファスシリコン、ポリシリコンなどの金属やこれらの合金；ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質；ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルホン酸の錯体などの有機導電性物質；カーボンナノチューブ、グラフェンなどのナノカーボン材料が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの電極材料は、単独で用いてもよいし、複数の材料を積層または混合して用いてもよい。センサとして用いる場合、接触する水溶液などへの安定性の観点から第１電極２および第２電極３は、金、白金、パラジウム、有機導電性物質およびナノカーボン材料から選ばれた材料が好ましい。
第１電極、第２電極およびゲート電極５の幅および厚みは任意である。幅は１μｍ～１ｍｍ、厚みは１ｎｍ～１μｍの範囲が好ましい。例えば、幅１００μｍ、厚み５０ｎｍの電極として第１電極および第２電極を配置し、さらに幅１００μｍ、厚み５０ｎｍのゲート電極を配置する例が挙げられるが、これに限られない。
ＦＥＴにおいては、ソース電極とドレイン電極との間に流れる電流をゲート電圧を変化させることによって制御することができる。ＦＥＴの移動度は、下記の（ａ）式を用いて算出することができる。
μ＝（δＩｄ／δＶｇ）Ｌ・Ｄ／（Ｗ・εｒ・ε・Ｖｓｄ） （ａ）
ただしＩｄはソース・ドレイン間の電流、Ｖｓｄはソース・ドレイン間の電圧、Ｖｇはゲート電圧、Ｄは絶縁層の厚み、Ｌはチャネル長、Ｗはチャネル幅、εｒはゲート絶縁層の比誘電率、εは真空の誘電率（８．８５×１０－１２Ｆ／ｍ）、δは該当の物理量の変化量を示す。
また、Ｉｄの最大値と、Ｉｄの最小値の比からオンオフ比を求めることができる。
（半導体層）
本発明の半導体素子は、半導体層がＣＮＴおよびグラフェンから選ばれる１種以上を含有することにより、良好なスイッチング特性を得ることができる。より好ましくは半導体層がＣＮＴを含むことである。
グラフェンとしては、単層グラフェン、多層グラフェン、酸化グラフェン、グラフェンナノリボンなどが例として挙げられる。
ＣＮＴとしては、１枚の炭素膜（グラフェン・シート）が円筒状に巻かれた単層ＣＮＴ、２枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた２層ＣＮＴ、複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた多層ＣＮＴのいずれを用いてもよい。高い半導体特性を得るためには単層ＣＮＴを用いるのが好ましい。ＣＮＴは、アーク放電法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）、レーザー・アブレーション法等により得ることができる。
また、ＣＮＴ中の半導体型ＣＮＴは、９０重量％以上９９．５重量％以下であること、すなわち、ＣＮＴ中の金属型ＣＮＴは、０．５重量％以上１０重量％以下であることが好ましい。金属型ＣＮＴの含有量がこの範囲にあることで、金属型ＣＮＴ同士による導電経路によって第１電極と第２電極が短絡する可能性が低くなり、かつ、金属型ＣＮＴの高い導電性を活用することで高いオン電流が得られ、良好なスイッチング特性を得られる。
半導体型９０重量％以上のＣＮＴを得る方法としては、既知の方法を用いることができる。例えば、密度勾配剤の共存下で超遠心する方法、特定の化合物を選択的に半導体型もしくは金属型ＣＮＴの表面に付着させ、溶解性の差を利用して分離する方法、電気的性質の差を利用し電気泳動等により分離する方法などが挙げられる。半導体型ＣＮＴの含有率を測定する方法としては、可視－近赤外吸収スペクトルの吸収面積比から算出する方法や、ラマンスペクトルの強度比から算出する方法等が挙げられる。
ＣＮＴの長さＬＣＮＴとチャネル長ＬＣの関係が５≦ＬＣ／ＬＣＮＴであることが好ましい。ＬＣ／ＬＣＮＴがこの範囲にあることで、後述のメカニズムにより、良好なスイッチング特性を得られる。
ここで、ＣＮＴの長さ（ＬＣＮＴ）とは、ランダムにピックアップした２０本のＣＮＴの長さの平均値を言う。ＬＣＮＴの測定方法としては、原子間力顕微鏡で得た画像の中から、２０本のＣＮＴをランダムにピックアップし、それらの長さの平均値を得る方法が挙げられる。
先述の通り、半導体層において、ＣＮＴはネットワークを形成することにより、３次元的な導電経路を形成し、この導電経路は金属型ＣＮＴと半導体型ＣＮＴの双方を含む。
ＬＣ／ＬＣＮＴ＜５では、チャネル長に対してＣＮＴが比較的長いため、金属型ＣＮＴ同士による導電経路によって第１電極と第２電極が短絡する可能性が高く、低いオフ電流と高いオン電流を両立ができず、良好なスイッチング特性が得られない。一方、５≦ＬＣ／ＬＣＮＴでは、チャネル長に対してＣＮＴが十分に短いため、金属型ＣＮＴ同士による導電経路によって第１電極と第２電極が短絡する可能性が低く、低いオフ電流と高いオン電流を両立でき、良好なスイッチング特性が得られる。このようなメカニズムにより、良好なスイッチング特性の実現が可能と考えられる。より好ましくは５０≦ＬＣ／ＬＣＮＴ、さらに好ましくは１００≦ＬＣ／ＬＣＮＴである。ＬＣ／ＬＣＮＴの上限としては特に制限はないが、ＬＣ／ＬＣＮＴ≦５００００であることが好ましい。
具体的には、ＬＣＮＴは、好ましくは２μｍ以下、より好ましくは１μｍ以下である。
一般に市販されているＣＮＴは長さに分布があるため、ＣＮＴの長さが上記の条件を満たすように、ＣＮＴの長さを短くする工程を行うことが好ましい。ＣＮＴの長さを短くする工程としては、例えば、硝酸、硫酸などによる酸処理、超音波処理、または凍結粉砕法などの方法が有効である。
また、ＣＮＴの直径は特に限定されないが、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは５０ｎｍ以下である。
また、ＣＮＴを溶媒中に均一分散させ、分散液をフィルターによってろ過する工程を設けることが、純度を向上させる点で好ましい。フィルター孔径よりも小さいＣＮＴを濾液から得ることで、電極間よりも短いＣＮＴを効率よく得られる。この場合、フィルターとしてはメンブレンフィルターが好ましく用いられる。ろ過に用いるフィルターの孔径は、０．５～１０μｍが好ましい。
また、半導体層が含有するＣＮＴとして、表面の少なくとも一部にポリマーが付着したＣＮＴ複合体が好ましい。ＣＮＴの表面の少なくとも一部にポリマーを付着させることにより、ＣＮＴの保有する高い電気的特性を損なうことなくＣＮＴを溶液中に均一に分散することが可能となる。また、ＣＮＴが均一に分散した溶液から塗布法により、均一に分散したＣＮＴ膜を形成することが可能になる。これにより、高い半導体特性を実現できる。
ＣＮＴの表面の少なくとも一部にポリマーが付着した状態とは、ＣＮＴの表面の一部、あるいは全部をポリマーが被覆した状態を意味する。
ポリマーがＣＮＴを被覆できるのは、ポリマーとＣＮＴとの疎水性相互作用によるものと推測される。また、ポリマーが共役構造を有する場合には、ポリマーとＣＮＴそれぞれの共役系構造に由来するπ電子雲が重なることによって相互作用が生じるためと推測される。
ＣＮＴがポリマーで被覆されると、ＣＮＴの反射色が被覆されていないＣＮＴの色からポリマーの色に近づく。これを観察することによってＣＮＴが被覆されているか否かが判断できる。定量的にはＸ線光電子分光（ＸＰＳ）などの元素分析によって、付着物の存在を確認し、ＣＮＴに対する付着物の重量比を測定することができる。
ＣＮＴにポリマーを付着させる方法は（Ｉ）溶融したポリマー中にＣＮＴを添加して混合する方法、（ＩＩ）ポリマーを溶媒中に溶解させ、この中にＣＮＴを添加して混合する方法、（ＩＩＩ）ＣＮＴをあらかじめ超音波等で予備分散させておき、そこへポリマーを添加し混合する方法、（ＩＶ）溶媒中にポリマーとＣＮＴをいれ、この混合系へ超音波を照射して混合する方法などが挙げられる。本発明では、いずれの方法を用いてもよく、複数の方法を組み合わせてもよい。
ポリマーとしては、例えば、セルロース、カルボキシメチルセルロースなどのセルロース類；ポリヒドロキシメチルメタクリレートなどのアクリル樹脂；ポリアクリル酸、アルギン酸、アルギン酸ナトリウム、ポリビニルスルホン酸、ポリビニルスルホン酸ナトリウム、ポリスチレンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールなどのポリアルキレングリコール類、ポリ－３－ヘキシルチオフェンなどのポリチオフェン系ポリマー、ポリピロール系ポリマー、ポリアニリン系ポリマー、ポリアセチレン系ポリマー、ポリ－ｐ－フェニレン系ポリマー、ポリ－ｐ－フェニレンビニレン系ポリマーなどが挙げられるが、特に限定されない。上記ポリマーは単独で使用してもよいし、２種類以上のポリマーを使用してもよい。上記ポリマーは単一のモノマーユニットが並んだものが好ましく用いられるが、異なるモノマーユニットをブロック共重合したもの、ランダム共重合したものも用いることができる。また、グラフト重合したものも用いることができる。
ＣＮＴとの相互作用の観点から、共役系ポリマーが特に好ましい。共役系ポリマーであれば、ＣＮＴの保有する高い電気的特性を損なうことなくＣＮＴを溶液中に均一に分散することが可能となり、より高い半導体特性を実現できる。
上記共役系ポリマーは必ずしも高分子量である必要はなく、直鎖状共役系からなるオリゴマーであってもよい。共役系ポリマーの好ましい分子量は数平均分子量で８００～１００，０００である。
上記構造を有する共役系ポリマーの例としては、下記のような構造が挙げられる。なお、各構造中のｎは繰り返し数を示し、２～１０００の範囲である。また、共役系ポリマーは各構造の単一の重合体でもよく、共重合体でもよい。
Figure 0007024407000001
Figure 0007024407000002
Figure 0007024407000003
Figure 0007024407000004
Figure 0007024407000005
Figure 0007024407000006
Figure 0007024407000007
共役系ポリマーは公知の方法により合成することができる。モノマーとして、例えば、チオフェンに側鎖を導入したチオフェン誘導体を合成する方法としては、ハロゲン化したチオフェン誘導体とチオフェンボロン酸またはチオフェンボロン酸エステルをパラジウム触媒下でカップリングする方法、ハロゲン化したチオフェン誘導体とチオフェングリニヤール試薬をニッケルまたはパラジウム触媒下でカップリングする方法が挙げられる。また、上記チオフェン誘導体以外のユニットとチオフェンを連結する場合も、ハロゲン化したユニットを用い同様の方法でカップリングすることができる。また、そのようにして得られたモノマーの末端に重合性置換基を導入し、パラジウム触媒やニッケル触媒下で重合を進行させることで共役系ポリマーを得ることができる。
共役系ポリマーは、合成過程で使用した原料や副生成物などの不純物を除去することが好ましい。不純物の除去には、例えば、シリカゲルカラムグラフィー法、ソクスレー抽出法、ろ過法、イオン交換法、キレート法などを用いることができる。これらの方法を２種以上組み合わせてもよい。
半導体層は、ＣＮＴおよびＣＮＴ複合体の電気特性を阻害しない範囲であれば、さらに有機半導体や絶縁性材料を含んでもよい。
半導体層の膜厚は、特に制限されるものではないが、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。この範囲にあることで、ＣＮＴのネットワークによる３次元的な導電経路を有効に形成できる。より好ましくは１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。なお、半導体層の膜厚は基板上における膜厚を指す。
また、本発明の半導体素子は、半導体層の膜厚が、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である場合に、特に好適にセンサに適用できる。半導体層の膜厚がこの範囲内にあることで、センシング対象物質との相互作用による電気特性の変化を十分に電気信号として取り出すことが可能となる。
半導体層の形成方法としては、抵抗加熱蒸着、電子線ビーム、スパッタリング、ＣＶＤなど乾式の方法を用いることも可能であるが、製造コストや大面積への適合の観点から塗布法を用いることが好ましい。具体的には、スピンコート法、ブレードコート法、スリットダイコート法、スクリーン印刷法、バーコーター法、鋳型法、印刷転写法、浸漬引き上げ法、インクジェット法などを好ましく用いることができる。塗膜厚み制御や配向制御など、得ようとする塗膜特性に応じて塗布方法を選択できる。また、形成された塗膜に対して、大気下、減圧下または不活性ガス雰囲気下（窒素やアルゴン雰囲気下）でアニーリング処理を行ってもよい。
（半導体素子の製造方法）
以下に、図１および図６に示す半導体素子の製造方法として、ＣＮＴを含む溶液を塗布および乾燥して半導体層を形成する工程を含む例について説明する。なお、製造方法は下記に限定されるものではない。
まず、基板１に第１電極２および第２電極３を形成する。形成方法は、例えば金属蒸着やスピンコート法、ブレードコート法、スリットダイコート法、スクリーン印刷法、バーコーター法、鋳型法、印刷転写法、浸漬引き上げ法、インクジェット法などの公知の方法が挙げられる。なお、マスクなどを用いて直接パターン形成してもよいし、基板上にレジストを塗布し、レジスト膜を所望のパターンに露光・現像後、エッチングすることによりゲート電極をパターニングすることも可能である。
次に、ＣＮＴを含む溶液を塗布および乾燥して半導体層を形成する工程によって、半導体層４を形成する。ＣＮＴを含む溶液を塗布する方法としては、具体的には、スピンコート法、ブレードコート法、スリットダイコート法、スクリーン印刷法、バーコーター法、鋳型法、印刷転写法、浸漬引き上げ法、インクジェット法などを好ましく用いることができる。塗膜厚み制御や配向制御など、得ようとする塗膜特性に応じて塗布方法を選択できる。また、乾燥方法としては、形成した塗膜に対して、大気下、減圧下または不活性ガス（窒素、アルゴン等）雰囲気下でアニーリング処理を行ってもよい。具体的には例えば、５０～１５０℃、３～３０分、窒素雰囲気下でアニーリングすることが挙げられる。このような乾燥工程により、塗膜をしっかり乾燥させることができる。塗布法に使用する溶媒としては、特に限定されるものではないが、水、エタノール、テトラヒドロフラン、アセトニトリル、Ｎ－メチルピロリドン、γ―ブチロラクトン、プロピレングリコール－１－モノメチルエーテル－２－アセテート、クロロホルム、ｏ－ジクロロベンゼン、トルエンなどが挙げられる。上記溶媒は単独で使用してもよいし、２種類以上の溶媒を混合して使用してもよい。
図３および図７に示す半導体素子の製造方法は、図１および図６に示す半導体素子の製造方法に対し、基板１上にまずゲート電極５および絶縁層６を形成する工程が加わったものである。
（無線通信装置）
次に、上記半導体素子を含有する、本発明の無線通信装置について説明する。この無線通信装置は、例えばＲＦＩＤのような、リーダ／ライタに搭載されたアンテナから送信される搬送波を、ＲＦＩＤタグが受信することで、電気通信を行う装置として用いることができる。
具体的な動作は、例えば、リーダ／ライタに搭載されたアンテナから送信された無線信号を、ＲＦＩＤタグのアンテナが受信する。そして、その信号に応じて生じた交流電流が、整流回路により直流電流に変換され、ＲＦＩＤタグが起電する。次に、起電されたＲＦＩＤタグは、無線信号からコマンドを受信し、コマンドに応じた動作を行う。その後、コマンドに応じた結果の回答を、ＲＦＩＤタグのアンテナからリーダ／ライタのアンテナへ、無線信号として送信する。なお、コマンドに応じた動作は、少なくとも、公知の復調回路、動作制御ロジック回路、変調回路で行われる。
本発明の無線通信装置は、上述の半導体素子と、アンテナと、を少なくとも有するものである。無線通信装置の、より具体的な構成としては、例えば、図９に示すようなものが挙げられる。これは、アンテナ５０で受信した外部からの変調波信号の整流を行い各部に電源を供給する電源生成部５１と、上記変調波信号を復調して制御回路５３へ送る復調回路５２と、制御回路５３から送られたデータを変調してアンテナに送り出す変調回路５４と、復調回路５２で復調されたデータの記憶回路５５への書込み、および記憶回路５５からデータを読み出して変調回路５４への送信を行う制御回路５３と、で構成され、各回路部が電気的に接続されている。上記復調回路５２、制御回路５３、変調回路５４、記憶回路５５は本発明の半導体素子から構成され、さらにコンデンサ、抵抗素子、ダイオードなどを含んでいても良い。なお、上記記憶回路５５は、さらに、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性の書換え可能な記憶部を有していてもよい。上記電源生成部５１は、コンデンサと、ダイオードとから構成される。
アンテナ、コンデンサ、抵抗素子、ダイオードおよび不揮発性の書き換え可能な記憶部は、一般的に使用されるものであればよく、用いられる材料、形状は特に限定はされない。また、上記の各構成要素を電気的に接続する材料も、一般的に使用されうる導電材料であればいかなるものでもよい。各構成要素の接続方法も、電気的に導通を取ることができれば、いかなる方法でもよい。各構成要素の接続部の幅や厚みは、任意である。
（センサ）
本発明のセンサは、上述の半導体素子を含有する。すなわち、基板、第１電極、第２電極および半導体層を含有し、前記半導体層が前記第１電極と前記第２電極の間に配置された半導体素子であって、前記半導体層がカーボンナノチューブおよびグラフェンから選ばれる１種以上を含有し、前記半導体素子のチャネル長ＬＣおよびチャネル幅ＷＣの関係が０．０１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．８である半導体素子を含有する。より好ましくは半導体層がＣＮＴを含むことである。
半導体素子のチャネル長ＬＣおよびチャネル幅ＷＣの関係が、０．０１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．８であることで、上述の通り、良好なスイッチング特性を有するため、該半導体素子をセンサに適用した際に、センシング対象物質との相互作用による電気特性の変化が大きくなり、高感度な検出が可能となる。
また、半導体層がＣＮＴを含む場合、半導体層において、ＣＮＴがネットワークを形成することにより、３次元的な導電経路を形成する。半導体層にセンシング対象物質が相互作用する際、センシング対象物質はその近傍にあるＣＮＴの導電性を変化させるため、３次元的な導電経路の一部が相互作用をし、電気特性が変化する。
０．８＜ＷＣ／ＬＣの場合、チャネル長に対してチャネル幅が広すぎるため、チャネルの幅方向においてセンシング対象物質が十分に存在しない。そのため、センシング対象物質による影響を受けないＣＮＴを通る導電経路が生じやすく、電気特性の変化が小さくなる。一方、ＷＣ／ＬＣ≦０．８の場合、チャネル長に対してチャネル幅が狭いため、チャネルの幅方向においてセンシング対象物質が十分に存在する。そのため、センシング対象物質による影響を受けたＣＮＴを通る導電経路が生じやすく、電気特性の変化が大きくなる。このようなメカニズムにより、高感度な検出が可能と考えられる。
ＷＣ／ＬＣは、ＷＣ／ＬＣ≦０．５であることがより好ましく、ＷＣ／ＬＣ≦０．３であることがさらに好ましい。ＷＣ／ＬＣは、０．０１≦ＷＣ／ＬＣであり、０．１≦ＷＣ／ＬＣであることが好ましい。この範囲にあることで半導体素子に十分な量の電流が流れ、シグナル／ノイズ比を大きくできる。
ＷＣ／ＬＣの範囲として、より好ましくは０．１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．５、さらに好ましくは０．１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．３である。この範囲にあることで、チャネルの幅方向においてセンシング対象物質がより十分に存在しやすく、電気特性の変化が大きくなり、また半導体素子に十分な量の電流が流れ、シグナル／ノイズ比を大きくできる。
本発明のセンサは、上述の半導体素子を複数含有していていることが好ましい。複数の半導体素子における各第１電極同士が電気的に接続され、かつ、各第２電極同士が電気的に接続されることにより、オフ電流を低く保ったまま、高いオン電流を得ることができ、より良好なスイッチング特性が得られ、センシング対象物質との相互作用による電気特性の変化が大きくなり、高感度な検出が可能となる。
また、先述の通り、半導体素子において、ＣＮＴの長さＬＣＮＴとチャネル長ＬＣの関係が５≦ＬＣ／ＬＣＮＴであることで、良好なスイッチング特性を有するため、本発明のセンサにおいて、センシング対象物質との相互作用による電気特性の変化が大きく、高感度な検出が可能となる。
ＬＣ／ＬＣＮＴ＜５では、チャネル長に対してＣＮＴが比較的長いため、チャネルの長さ方向においてセンシング対象物質の影響を受けないＣＮＴによって第１電極と第２電極が導通する確率が高い。そのため、センシング対象と相互作用しない導電経路が生じやすく、電気特性の変化が小さくなる。
一方、５≦ＬＣ／ＬＣＮＴでは、チャネル長に対してＣＮＴが十分に短いため、チャネルの長さ方向においてセンシング対象物質の影響を受けないＣＮＴによって第１電極と第２電極が導通する確率が低い。そのため、センシング対象と相互作用しない導電経路が生じにくく、電気特性の変化が大きくなる。このようなメカニズムにより、高感度な検出が可能と考えられる。
また、本発明のセンサは、半導体層の少なくとも一部にヒドロキシル基、カルボキシ基、アミノ基、メルカプト基、スルホ基、ホスホン酸基、それらの有機塩もしくは無機塩、ホルミル基、マレイミド基およびスクシンイミド基などの官能基を含有することが好ましい。これにより、センシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質を半導体層に固定しやすくなる。
上記官能基のうちアミノ基、マレイミド基、スクシンイミド基は置換基を有していても有していなくてもよい。置換基は、例えば、アルキル基などが挙げられ、この置換基はさらに置換されてもよい。
上記官能基における有機塩としては、特に限定されるものではないが、例えば、テトラメチルアンモニウム塩などのアンモニウム塩、Ｎ－メチルピリジニウム塩などのピリジニウム塩、イミダソリウム塩、酢酸塩などのカルボン酸塩、スルホン酸塩、ホスホン酸塩などが挙げられる。
上記官能基における無機塩としては、特に限定されるものではないが、炭酸塩、ナトリウム塩などのアルカリ金属塩、マグネシウム塩などのアルカリ土類金属塩、銅、亜鉛、鉄などの遷移金属イオンからなる塩、テトラフルオロボレートなどのホウ素化合物からなる塩、硫酸塩、リン酸塩、塩酸塩、硝酸塩などが挙げられる。
半導体層への官能基の導入形態としては、ＣＮＴの表面に付着するポリマーに官能基を有する形態や、ＣＮＴの表面に前記官能基を有するポリマー以外の有機化合物が付着している形態等が挙げられる。検出感度の観点から、ＣＮＴの表面にポリマー以外の有機化合物が付着しており、その有機化合物の少なくとも一部に前記官能基を有する形態がより好ましい。
上記官能基を有するポリマー以外の有機化合物としては、例えば、ステアリルアミン、ラウリルアミン、ヘキシルアミン、１，６－ジアミノヘキサン、ジエチレングリコールビス（３－アミノプロピル）エーテル、イソホロンジアミン、２－エチルヘキシルアミン、ステアリン酸、ラウリン酸、ドデシル硫酸ナトリウム、Ｔｗｅｅｎ２０、１－ピレンカルボン酸、１－アミノピレン、１－ヘキサベンゾコロネンカルボン酸、１－アミノヘキサベンゾコロネン、１－ヘキサベンゾコロネンブタンカルボン酸、１－ピレンブタンカルボン酸、４－（ピレン－１－イル）ブタン－１－アミン、４－（ピレン－１－イル）ブタン－１－オール、４－（ピレン－１－イル）ブタン－１－チオール、４－（ヘキサベンゾコロネン－１－イル）ブタン－１－アミン、４－（ヘキサベンゾコロネン－１－イル）ブタン－１－オール、４－（ヘキサベンゾコロネン－１－イル）ブタン－１－チオール、１－ピレンブタンカルボン酸－Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステル、１－ヘキサベンゾコロネンブタンカルボン酸－Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステル、ビオチン、ビオチン－Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステル、ビオチン－Ｎ－ヒドロキシ－スルホスクシンイミドエステル、ポリエチレンイミン、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミン、ポリアクリルアミン塩酸塩、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸ナトリウム、ポリメタクリルアミン、ポリメタクリルアミン塩酸塩、アルギン酸、アルギン酸ナトリウム、グルコース、マルトース、スクロース、キチン、アミロース、アミロペクチン、セルロース、カルボキシメチルセルロース、スクロース、ラクトース、コール酸、コール酸ナトリウム、デオキシコール酸、デオキシコール酸ナトリウム、コレステロール、シクロデキストリン、キシラン、カテキン、ポリ－３－（エチルスルホン酸－２－イル）チオフェン、ポリ－３－（エタン酸－２－イル）チオフェン、ポリ－３－（２－アミノエチル）チオフェン、ポリ－３－（２－ヒドロキシエチル）チオフェン、ポリ－３－（２－メルカプトエチル）チオフェン、ポリスチレンスルホン酸、ポリビニルフェノール、ポリオキシプロピレントリオール、グルタルアルデヒド、エチレングリコール、エチレンジアミン、ポリ－１Ｈ－（プロピオン酸－３－イル）ピロール、１－アダマンタノール、２－アダマンタノール、１－アダマンタンカルボン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、Ｎ－エチルマレイミドなどが挙げられる。上記有機化合物は単独で使用してもよいし、２種類以上の有機化合物を併用してもよい。
ＣＮＴにポリマー以外の有機化合物を付着させる方法としては、（Ｉ）溶融した該有機化合物中にＣＮＴを添加して混合する方法、（ＩＩ）該有機化合物を溶媒中に溶解させ、この中にＣＮＴを添加して混合する方法、（ＩＩＩ）ＣＮＴをあらかじめ超音波等で予備分散させておき、そこへ該有機化合物を添加し混合する方法、（ＩＶ）溶媒中に該有機化合物とＣＮＴをいれ、この混合系へ超音波を照射して混合する方法、（Ｖ）溶融した該有機化合物に、基板上に塗布したＣＮＴを浸漬する方法、（ＶＩ）該有機化合物を溶媒中に溶解させ、この中に基板上に塗布したＣＮＴを浸漬する方法などが挙げられる。本発明では、いずれの方法を用いてもよく、複数の方法を組み合わせてもよい。
また、本発明のセンサにおいて、センシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質を半導体層の少なくとも一部に有することが好ましい。これにより、センシング対象物質を選択的に半導体層に固定することが可能になる。
生体関連物質としては、センシング対象物質と選択的に相互作用できるものであれば特に限定されず、任意の物質を用いることができる。具体的には、酵素、抗原、抗体、アプタマー、ハプテン、ハプテン抗体、ペプチド、オリゴペプチド、ポリペプチド（タンパク質）、ホルモン、核酸、オリゴヌクレオチド、ビオチン、ビオチン化タンパク、アビジン、ストレプトアビジン、糖、オリゴ糖、多糖などの糖類、低分子化合物、高分子化合物、無機物質およびこれらの複合体、ウイルス、細菌、細胞、生体組織およびこれらを構成する物質などが挙げられる。中でも低分子化合物、抗体、アプタマーおよび酵素から選ばれた物質が好ましい。
低分子化合物としては、例えば、分子量１００から１０００程度の化合物が挙げられる。具体的には、ビオチン、ピレンブタン酸スクシンイミドエステル、ピレンブタン酸マレイミドエステルなどが挙げられる。
抗体としては、例えば、ａｎｔｉ－ＰＳＡ、ａｎｔｉ－ｈＣＧ、ａｎｔｉ－ＩｇＥ、ａｎｔｉ－ＢＮＰ、ａｎｔｉ－ＮＴ－ｐｒｏＢＮＰ、ａｎｔｉ－ＡＦＰ、ａｎｔｉ－ＣＫ－ＭＢ、ａｎｔｉ－ＰＩＶＫＡII、ａｎｔｉ－ＣＡ１５－３、ａｎｔｉ－ＣＹＦＲＡ、ａｎｔｉ－ＨＩＶ、ａｎｔｉ－トロポニンＴ、ａｎｔｉ－プロカルシトニン、ａｎｔｉ－ＨｂＡ１ｃ、ａｎｔｉ－アポリポ蛋白、ａｎｔｉ－Ｃ反応性蛋白（ＣＲＰ）などが挙げられる。抗体としては、ＩｇＧタイプが好ましく、特に、可変部位（Ｆａｂ）フラグメントのみの抗体が好ましい。
アプタマーとしては、例えば、オリゴヌクレオチドアプタマーやペプチドアプタマーが挙げられ、例えばＩｇＥアプタマー、ＰＳＡアプタマー、トロンビンアプタマーなどが挙げられる。
酵素としては、例えば、グルコースオキシダーゼ、ペルオキシダーゼなどが挙げられる。
上記の中でもビオチン、ＩｇＥアプタマーおよびａｎｔｉ－ＰＳＡから選ばれた物質がより好ましい。
生体関連物質を半導体層へ固定する方法としては、特に限定されるものではないが、生体関連物質をＣＮＴ表面へ直接吸着させる方法や生体関連物質と半導体層が含有する官能基、すなわち、ヒドロキシル基、カルボキシ基、アミノ基、メルカプト基、スルホ基、ホスホン酸基、それらの有機塩もしくは無機塩、ホルミル基、マレイミド基およびスクシンイミド基などの官能基との反応もしくは相互作用を利用する方法が挙げられる。固定の強さの観点から、生体関連物質と半導体層が含有する官能基との反応もしくは相互作用を利用する方法が好ましい。例えば、生体関連物質にアミノ基が含まれる場合は、半導体層が含有するカルボキシ基、アルデヒド基、スクシンイミド基との反応もしくは相互作用を利用する方法が好ましい。生体関連物質にチオール基が含まれる場合は、半導体層が含有するマレイミド基等との反応もしくは相互作用を利用する方法が好ましい。
上記の中でも、カルボキシ基、スクシンイミドエステル基およびアミノ基は、生体関連物質との反応もしくは相互作用を利用しやすく、生体関連物質を半導体層へ固定するのを容易とする。したがって、半導体層が含有する官能基はカルボキシ基、スクシンイミドエステル基およびアミノ基であることが好ましい。
反応もしくは相互作用の具体例としては、化学結合、水素結合、イオン結合、配位結合、静電気力、ファンデルワールス力などが挙げられるが特に限定されず、官能基の種類と生体関連物質の化学構造に応じて適切に選択すればよい。また、必要に応じて官能基および／または生体関連物質の一部を別の適当な官能基に変換してから固定してもよい。また、官能基と生体関連物質の間にテレフタル酸などのリンカーを活用しても構わない。
固定するプロセスとしては、特に限定されないが、ＣＮＴを含む溶液または半導体層に生体関連物質を含む溶液を添加し、必要に応じて加熱、冷却、振動等を加えながら生体関連物質を固定させた後、余剰な成分を洗浄または乾燥により除去するプロセス等が挙げられる。本発明のセンサにおいて、半導体層が含有する官能基／生体関連物質の組み合わせとしては、例えば、カルボキシ基／グルコースオキシターゼ、カルボキシ基／Ｔ－ＰＳＡ－ｍＡｂ（前立腺特異抗原用の単クローン性抗体）、カルボキシ基／ｈＣＧ－ｍＡｂ（ヒト絨毛性ゴナドトロピン抗体）、カルボキシ基／人工オリゴヌクレオチド（ＩｇＥ（免疫グロブリンＥ）アプタマー）、カルボキシ基／ａｎｔｉ－ＩｇＥ、カルボキシ基／ＩｇＥ、カルボキシ基／アミノ基末端ＲＮＡ（ＨＩＶ－１（ヒト免疫不全ウイルス）レセプター）、カルボキシ基／ナトリウム利尿ペプチド受容体、アミノ基／ＲＮＡ（ＨＩＶ－１抗体レセプター）、アミノ基／ビオチン、メルカプト基／Ｔ－ＰＳＡ－ｍＡｂ、メルカプト基／ｈＣＧ－ｍＡｂ、スルホ基／Ｔ－ＰＳＡ－ｍＡｂ、スルホ基／ｈＣＧ－ｍＡｂ、ホスホン酸基／Ｔ－ＰＳＡ－ｍＡｂ、ホスホン酸基／ｈＣＧ－ｍＡｂ、アルデヒド基／オリゴヌクレオチド、アルデヒド基／抗ＡＦＰポリクローナル抗体（ヒト組織免疫染色用抗体）、マレイミド基／システイン、スクシンイミドエステル／ストレプトアビジン、カルボン酸ナトリウム／グルコースオキシターゼ、カルボキシ基／ａｎｔｉ－トロポニンＴ（トロポニンＴ抗体）、カルボキシ基／ａｎｔｉ－ＣＫ－ＭＢ（クレアチニンキナーゼＭＢ抗体）、カルボキシ基／ａｎｔｉ－ＰＩＶＫＡ－ＩＩ（ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｖｉｔａｍｉｎ Ｋ ａｂｓｅｎｃｅ ｏｒ ａｎｔａｇｏｎｉｓｔ－ＩＩ抗体）、カルボキシ基／ａｎｔｉ－ＣＡ１５－３、カルボキシ基／ａｎｔｉ－ＣＥＡ（癌胎児性抗原抗体））、カルボキシ基／ａｎｔｉ－ＣＹＦＲＡ（サイトケラチン１９フラグメント抗体）、カルボキシ基／ａｎｔｉ－ｐ５３（ｐ５３タンパク質抗体）等が挙げられる。また、生体関連物質が官能基を含有する場合には、官能基を含有する有機化合物として好ましく用いることができる。具体的には、ＩｇＥアプタマー、ビオチン、ストプレトアビジン、ナトリウム利尿ペプチド受容体、アビジン、Ｔ－ＰＳＡ－ｍＡｂ、ｈＣＧ－ｍＡｂ、ＩｇＥ、アミノ基末端ＲＮＡ、ＲＮＡ、抗ＡＦＰポリクローナル抗体、システイン、ａｎｔｉ－トロポニンＴ、ａｎｔｉ－ＣＫ－ＭＢ、ａｎｔｉ－ＰＩＶＫＡ－ＩＩ、ａｎｔｉ－ＣＡ１５－３、ａｎｔｉ－ＣＥＡ、ａｎｔｉ－ＣＹＦＲＡ、ａｎｔｉ－ｐ５３などが挙げられる。
また、半導体層への、センシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質の固定は、半導体層の形成と別々に行ってもよいし、一括して行ってもよい。別々に行うには、例えば、ＣＮＴ溶液の塗布により有機膜上に半導体層を形成した後、半導体層をセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質を含む溶液に浸漬する方法が挙げられる。一括して行うには、例えば、あらかじめセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質が含まれるＣＮＴ複合体を用いて半導体層を形成する方法が挙げられる。必要に応じて、余剰な成分を洗浄または乾燥により除去してもよい。
図１のように形成された半導体素子を含有するセンサは、センシング対象物質またはそれを含む溶液、気体もしくは固体が半導体層４の近傍に配置されたときに、第１電極２と第２電極３との間に流れる電流値または電気抵抗値が変化する。その変化を測定することによって、センシング対象物質の検出を行うことができる。
また、図３、図４および図６のように形成された半導体素子を含有するセンサも、センシング対象物質またはそれを含む溶液、気体もしくは固体が半導体層４の近傍に配置されたときに、第１電極２と第２電極３との間、すなわち半導体層４に流れる電流値が変化する。その変化を測定することによって、センシング対象物質の検出を行うことができる。
また、図３、図４および図７Ａの半導体素子を含有するセンサにおいては、半導体層４に流れる電流値をゲート電極５の電圧により制御できる。従って、ゲート電極５の電圧を変化させた際の第１電極と第２電極との間に流れる電流値を測定すると２次元のグラフ（Ｉ－Ｖグラフ）が得られる。
その一部または全部の特性値を用いてセンシング対象物質の検出を行ってもよいし、最大電流と最小電流の比すなわちオンオフ比を用いてセンシング対象物質の検出を行ってもよい。さらに、抵抗値、インピーダンス、相互コンダクタンス、キャパシンタンス等、半導体素子から得られる既知の電気特性を用いてセンシング対象物質の検出を行っても構わない。
センシング対象物質は、単独で用いてもよいし、他の物質や溶媒と混合されていてもよい。センシング対象物質またはそれを含む溶液、気体もしくは固体が、半導体層４の近傍に配置されると、前述したとおり、半導体層４とセンシング対象物質が相互作用することにより、半導体層４の電気特性が変化し、上記のいずれかの電気信号の変化として検出される。
センシング対象物質としては、特に限定されないが、例えば、酵素、抗原、抗体、ハプテン、ペプチド、オリゴペプチド、ポリペプチド（タンパク質）、ホルモン、核酸、オリゴヌクレオチド、糖、オリゴ糖、多糖などの糖類、低分子化合物、無機物質およびこれらの複合体、ウイルス、細菌、細胞、生体組織およびこれらを構成する物質などが挙げられる。これらは、ヒドロキシル基、カルボキシ基、アミノ基、メルカプト基、スルホ基、ホスホン酸基、それらの有機塩もしくは無機塩、ホルミル基、マレイミド基およびスクシンイミド基などの官能基、または生体関連物質のいずれかとの反応もしくは相互作用により、本発明のセンサにおける半導体層の電気特性に変化をもたらす。
低分子化合物としては、特に限定されるものではないが、例えば生体から発せられるアンモニアやメタンなどの常温常圧で気体の化合物や尿酸などの固体化合物が挙げられる。好ましくは尿酸などの固体化合物が挙げられる。
センシング対象物質としては、糖、タンパク質、ウイルスおよび細菌から選ばれた物質が好ましい。糖としては、例えば、グルコースなどが挙げられる。タンパク質としては、例えば、ＰＳＡ、ｈＣＧ、ＩｇＥ、ＢＮＰ、ＮＴ－ｐｒｏＢＮＰ、ＡＦＰ、ＣＫ－ＭＢ、ＰＩＶＫＡII、ＣＡ１５－３、ＣＹＦＲＡ、ａｎｔｉ－ｐ５３、トロポニンＴ、プロカルシトニン、ＨｂＡ１ｃ、アポリポ蛋白、Ｃ反応性蛋白（ＣＲＰ）などが挙げられる。ウイルスとしては、例えば、ＨＩＶ、インフルエンザウイルス、Ｂ型肝炎ウイルス、Ｃ型肝炎ウイルスなどが挙げられる。細菌としては、例えば、クラミジア、黄色ブドウ球菌、腸管出血性大腸菌などが挙げられる。
生体関連物質／センシング対象物質の組み合わせとしては、例えば、グルコースオキシターゼ／β－Ｄ－グルコース、Ｔ－ＰＳＡ－ｍＡｂ（前立腺特異抗原用の単クローン性抗体）／ＰＳＡ（前立腺特異抗原）、ｈＣＧ－ｍＡｂ（ヒト絨毛性ゴナドトロピン抗体）／ｈＣＧ（ヒト絨毛性ゴナドトロピン）、人工オリゴヌクレオチド／ＩｇＥ（免疫グロブリンＥ）、ジイソプロピルカルボジイミド／ＩｇＥ、ａｎｔｉ－ＩｇＥ／ＩｇＥ、アミノ基末端ＲＮＡ／ＨＩＶ－１（ヒト免疫不全ウイルス）、ナトリウム利尿ペプチド受容体／ＢＮＰ（脳性ナトリウム利尿ペプチド）、ＲＮＡ／ＨＩＶ－１、ビオチン／アビジン、オリゴヌクレオチド／核酸、抗ＡＦＰポリクローナル抗体（ヒト組織免疫染色用抗体）／αフェトプロテイン、ストレプトアビジン／ビオチン、アビジン／ビオチン、ａｎｔｉ－トロポニンＴ（トロポニンＴ抗体）／トロポニンＴ、ａｎｔｉ－ＣＫ－ＭＢ（クレアチニンキナーゼＭＢ抗体）／ＣＫ－ＭＢ（クレアチニンキナーゼＭＢ）、ａｎｔｉ－ＰＩＶＫＡ－II（ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｖｉｔａｍｉｎ Ｋ ａｂｓｅｎｃｅ ｏｒ ａｎｔａｇｏｎｉｓｔ－II抗体）／ＰＩＶＫＡ－II（ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｖｉｔａｍｉｎ Ｋ ａｂｓｅｎｃｅ ｏｒ ａｎｔａｇｏｎｉｓｔ－II）、ａｎｔｉ－ＣＡ１５－３／ＣＡ１５－３、ａｎｔｉ－ＣＥＡ（癌胎児性抗原抗体）／ＣＥＡ（癌胎児性抗原）、ａｎｔｉ－ＣＹＦＲＡ（サイトケラチン１９フラグメント抗体）／ＣＹＦＲＡ（サイトケラチン１９フラグメント）、ａｎｔｉ－ｐ５３（ｐ５３タンパク質抗体）／ｐ５３（ｐ５３タンパク質）等が挙げられる。
センシング対象物質を含む試料としては、特に限定されるものではないが、呼気、汗、尿、唾液、便、血液、血清、血漿、緩衝液などが挙げられる。汗、尿、唾液、血液、血清、血漿および緩衝液から選ばれた試料が好ましい。
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。なお、用いたＣＮＴは次の通りである。
ＣＮＴ：ＣＮＩ社製、単層ＣＮＴ、半導体型ＣＮＴ９５重量％、金属型ＣＮＴ５重量％
用いた化合物のうち略語を使用したものについて、以下に示す。
Ｐ３ＨＴ：ポリ－３－ヘキシルチオフェン
ＰＢＳ：リン酸塩緩衝生理食塩水
ＢＳＡ：牛血清アルブミン
ＩｇＥ：免疫グロブリンＥ
ＰＳＡ：前立腺特異抗原
ｏ－ＤＣＢ：ｏ－ジクロロベンゼン
ＤＭＦ：ジメチルホルムアミド
ＤＭＳＯ：ジメチルスルホキシド
ＥＤＣ：１－エチル－３－（３－ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド塩酸塩
ＴＨＦ：テトラヒドロフラン。
各実施例および比較例でのＣＮＴの長さは、原子間力顕微鏡で得た画像の中から、２０本のＣＮＴをランダムにピックアップし、それらの長さの平均値を得る方法により測定した。
ポリマーの分子量は、以下のように測定した。サンプルを孔径０．４５μｍメンブレンフィルターで濾過後、ＧＰＣ（ＧＥＬ ＰＥＲＭＥＡＴＩＯＮ ＣＨＲＯＭＡＴＯＧＲＡＰＨＹ：ゲル浸透クロマトグラフィー、東ソー（株）製ＨＬＣ－８２２０ＧＰＣ）（展開溶剤：クロロホルム、展開速度：０．４ｍＬ／分）を用いて、ポリスチレン標準サンプルによる換算により求めた。
センサとしての評価におけるシグナル／ノイズ比は、以下のように算出した。測定開始２０秒から８０秒の電流値変化を直線近似し、各時間について測定データと直線近似データの差の絶対値を算出し、その平均値をノイズとする。シグナルはタンパク質添加前後の電流値変化量の絶対値とする。シグナルをノイズで割ることによりシグナル／ノイズ比を算出した。
第１電極および第２電極間における基板表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、以下のように算出した。第１電極および第２電極間における基板の断面をＴＥＭにより測定し、得られた像のうち、無作為に選択した１０箇所の算術平均粗さ（Ｒａ）を算出し、その算術平均の値として算出した。なお、基準長さは１μｍとした。
集積度は、チャネル長およびチャネル幅のいずれか大きい方を１辺とする正方形が、単位面積（１ｍｍ２）あたり、何個入るかを算出した。すなわち、チャネル長およびチャネル幅のいずれか大きい方を正方形の１辺の長さとして、正方形の面積を計算し、左記面積により１ｍｍ２を除した値を集積度とした。
実施例１
（１）半導体溶液の作製
ＣＮＴを１．５ｍｇと、Ｐ３ＨＴ１．５ｍｇを１５ｍＬのクロロホルム中に加え、氷冷しながら超音波ホモジナイザー（東京理化器械（株）製ＶＣＸ－５００）を用いて出力２５０Ｗで３０分間超音波撹拌し、ＣＮＴ分散液Ａ（溶媒に対するＣＮＴ複合体濃度０．１ｇ／ｌ）を得た。
次に、半導体層を形成するための半導体溶液の作製を行った。上記ＣＮＴ分散液Ａをメンブレンフィルター（孔径１０μｍ、直径２５ｍｍ、ミリポア社製オムニポアメンブレン）を用いてろ過を行った後、さらにメンブレンフィルター（孔径５μｍ、直径２５ｍｍ、ミリポア社製オムニポアメンブレン）を用いてろ過を行った。得られた濾液５ｍＬにｏ－ＤＣＢ４５ｍＬを加え、半導体溶液Ａ（溶媒に対するＣＮＴ複合体濃度０．０１ｇ／ｌ）を得た。
（２）絶縁層溶液の作製
メチルトリメトキシシラン６１．４１ｇ（０．４５モル）、β－（３，４－エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン１２．３５ｇ（０．０５モル）、フェニルトリメトキシシラン９９．３３ｇ（０．５モル）およびポリエチレングリコールトリエトキシシラン５０．０８ｇ（０．５モル）をプロピレングリコールモノブチルエーテル（沸点１７０℃）２０３．０１ｇに溶解し、これに、水５４．９０ｇ、リン酸０．８６４ｇを撹拌しながら加えた。得られた溶液をバス温度１０５℃で２時間加熱し、内温を９０℃まで上げて、主として副生するメタノールからなる成分を留出させた。次いでバス温度１３０℃で２時間加熱し、内温を１１８℃まで上げて、主として水とプロピレングリコールモノブチルエーテルからなる成分を留出させた後、室温まで冷却し、固形分濃度２８．５重量％のポリマー溶液Ａを得た。得られたポリマー溶液Ａ １０ｇ、アルミニウムビス（エチルアセトアセテート）モノ（２，４－ペンタンジオナート）（商品名「アルミキレートＤ」、川研ファインケミカル（株）製）１３．０ｇおよびプロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート（以下、ＰＧＭＥＡという）４２．０ｇを混合して、室温にて２時間撹拌し、ポリマー溶液Ｂを得た。
（３）半導体素子の作製
図４に示す半導体素子を作製した。上記（２）に記載の方法で作製したポリマー溶液Ｂをガラス基板（膜厚０．７ｍｍ）上にスピンコート塗布（８００ｒｐｍ×２０秒）し、１２０℃で５分間熱処理後、再度ポリマー溶液Ｂをスピンコート塗布（８００ｒｐｍ×２０秒）し、窒素気流下２００℃で３０分間熱処理することによって、膜厚４００ｎｍのポリシロキサンからなる絶縁層を形成した。上記絶縁層上に、金を膜厚５０ｎｍになるように真空蒸着し、その上にフォトレジスト（商品名「ＬＣ１００－１０ｃＰ」、ローム・アンド・ハース（株）製）をスピンコート塗布（１０００ｒｐｍ×２０秒）し、１００℃で１０分間加熱乾燥した。
作製したフォトレジスト膜をパラレルライトマスクアライナー（キヤノン（株）製ＰＬＡ－５０１Ｆ）を用いて、マスクを介してパターン露光した後、自動現像装置（滝沢産業（株）製ＡＤ－２０００）を用いて２．３８重量％水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液であるＥＬＭ－Ｄ（商品名、三菱ガス化学（株）製）を用いて７０秒間シャワー現像し、次いで水で３０秒間洗浄した。その後、ＡＵＲＵＭ－３０２（商品名、関東化学（株）製）を用いて５分間エッチング処理した後、水で３０秒間洗浄した。ＡＺリムーバ１００（商品名、ＡＺエレクトロニックマテリアルズ（株）製）に５分間浸漬してレジストを剥離し、水で３０秒間洗浄後、１２０℃で２０分間加熱乾燥することで第１電極２、第２電極３およびゲート電極５を形成した。次いで、ゲート電極５上に銀塩化銀インク（ビーエーエス（株）社製）を塗布し、窒素気流下１００℃で１０分間熱処理した。
第１電極２および第２電極３の幅（チャネル幅）は２００μｍ、第１電極２および第２電極３の間隔（チャネル長）は２５０μｍとした。ゲート電極５は第２電極３と平行に配置し、ゲート電極５と第２電極３の間隔は５ｍｍとした。電極が形成された基板上に上記（１）に記載の方法で作製した半導体溶液Ａをインクジェット装置（クラスターテクノロジー（株）製）を用いて４００ｐｌ滴下して半導体層４を形成し、ホットプレート上で窒素気流下、１５０℃で３０分の熱処理を行い、半導体素子を得た。
次に、上記半導体素子のゲート電極５の電圧（Ｖｇ）を変えたときの第１電極と第２電極間の電流（Ｉｄ）－第１電極と第２電極間の電圧（Ｖｓｄ）特性を測定した。測定には半導体特性評価システム４２００－ＳＣＳ型（ケースレーインスツルメンツ（株）製）を用い、０．０１Ｍ ＰＢＳ（ｐＨ７．２、和光純薬工業(株) 製）１００μＬ（気温２０℃、湿度３５％）下で測定した。Ｖｓｄ＝－０．２Ｖに固定し、Ｖｇ＝０～－１Ｖに変化させたときのオンオフ比は１Ｅ＋４であった。
次に、ピレンブタン酸スクシンイミドエステル（アナスペック（株）製）６．０ｍｇのＤＭＦ（和光純薬工業（株）製）１．０ｍＬ溶液に半導体層４を１時間浸した。その後、半導体層４をＤＭＦおよびＤＭＳＯ（和光純薬工業（株）製）で十分にすすいだ。次にジエチレングリコールビス（３－アミノプロピル）エーテル（東京化成工業（株）製）１０μＬのＤＭＳＯ１．０ｍＬ溶液に半導体層４を終夜浸した。その後、半導体層４をＤＭＳＯおよび純水で十分すすいだ。次にビオチンＮ－ヒドロキシスルホスクシンイミドエステル１．０ｍｇの０．０１Ｍ ＰＢＳ１．０ｍＬ溶液に半導体層４を終夜浸した。その後、半導体層４を純水で十分にすすぎ、半導体層４にビオチンを固定した半導体素子を得た。
上記半導体素子をＢＳＡ５．０ｍｇの０．０１Ｍ ＰＢＳ５．０ｍＬ溶液に終夜浸した。その後、半導体層４を純水で十分にすすぎ、半導体層４がビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（４）センサとしての評価
（３）で作製したビオチンで修飾された半導体素子の半導体層４を０．０１Ｍ ＰＢＳ１００μＬに浸し、第１電極２と第２電極３の間に流れる電流値を測定した。測定には半導体特性評価システム４２００－ＳＣＳ型（ケースレーインスツルメンツ（株）製）を用いた。第１電極・第２電極間電圧（Ｖｓｄ）＝－０．２Ｖ、第１電極・ゲート電極間電圧（Ｖｇ）＝－０．６Ｖで測定した。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ（ヤマサ（株）製）－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン（和光純薬工業（株）製）－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。その結果を図５に示す。アビジンを添加した時のみ添加前の電流値から７．０％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は２４だった。
実施例２
（１）半導体素子の作製
チャネル長を３００μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から７．１％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は２５だった。
実施例３
（１）半導体素子の作製
チャネル長を４００μｍとし、半導体溶液Ａを６００ｐＬ滴下したこと以外は実施例１と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から８．０％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は３０だった。
実施例４
（１）半導体素子の作製
チャネル長を１０００μｍとし、半導体溶液Ａを１２００ｐＬ滴下したこと以外は実施例１と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から９．０％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は３３だった。
実施例５
（１）半導体素子の作製
チャネル長を２０００μｍとし、半導体溶液Ａを２０００ｐＬ滴下したこと以外は実施例１と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から８．８％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は３１だった。
実施例６
（１）半導体素子の作製
チャネル幅を１００μｍとしたこと以外は実施例５と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から７．７％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は１５だった。
実施例７
（１）半導体素子の作製
チャネル幅を２０μｍとしたこと以外は実施例５と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から７．１％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は１２だった。
実施例８
（１）半導体素子の作製
チャネル幅を２０μｍ、チャネル長を１００μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から８．７％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は３２だった。
実施例９
（１）半導体素子の作製
メンブレンフィルター（孔径１０μｍ）によるろ過を行わなかったこと以外は実施例８と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から８．６％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は３３だった。
実施例１０
（１）半導体素子の作製
チャネル幅を１５μｍ、チャネル長を２０μｍとしたこと以外は実施例９と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から６．５％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は２１だった。
実施例１１
（１）半導体素子の作製
チャネル幅を７μｍ、チャネル長を１０μｍとしたこと以外は実施例９と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から６．２％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は２０だった。
実施例１２
（１）半導体素子の作製
チャネル幅を４μｍ、チャネル長を６μｍとしたこと以外は実施例９と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から５．０％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は１８だった。
実施例１３
（１）半導体溶液の作製
化合物（７０）を反応スキーム１に示す方法で合成した。
（反応スキーム１）
Figure 0007024407000008
マグネシウム０．７３ｇをＴＨＦ２０ｍＬに溶解した溶液を撹拌しながら、該溶液に、化合物（１－ａ）（東京化成工業（株）製）４．３ｇのＴＨＦ（２０ｍＬ）溶液を１時間かけて滴下し、さらに８０℃にて２４時間撹拌し、化合物（１－ｂ）の溶液を得た。
別途、化合物（１－ａ）４．８ｇ、ＮｉＣｌ２（ｄｐｐｐ）２（シグマアルドリッチ製）０．２２ｇをジエチルエーテル（和光純薬工業（株）製）１００ｍＬに溶解した溶液を０℃で撹拌しながら、該溶液へ、上述の化合物（１－ｂ）の溶液を滴下した。５０℃にて２４時間撹拌した後、得られた溶液に２Ｍ塩酸を加え、有機層を分取した。得られた有機層を水２００ｍＬで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液から溶媒をエバポレーターを用いて留去した後、蒸留により精製し、化合物（１－ｃ）２．１０ｇを得た。
上記の化合物（１－ｃ）をＤＭＦ８ｍＬに溶解し、Ｎ－ブロモスクシンイミド２．８２ｇのＤＭＦ（１６ｍＬ）溶液を加え、窒素雰囲気下、５～１０℃で２４時間撹拌した。得られた溶液に、水１００ｍＬとヘキサン１００ｍＬとを加え、有機層を分取した。得られた有機層を水２００ｍＬで洗浄後、硫酸マグネシウムで乾燥した。得られた溶液から溶媒をエバポレーターを用いて留去した後、カラムクロマトグラフィー（充填材：シリカゲル、溶離液：ヘキサン）を用いて精製し、化合物（１－ｄ）２．９６ｇを得た。
上記の化合物（１－ｄ）０．２８ｇと、化合物（１－ｅ）（東京化成工業（株）製）０．２５ｇをトルエン３０ｍＬに溶解した。ここに水１０ｍＬ、炭酸カリウム１．９９ｇ、テトラキス（トリフェニルホスフィン）パラジウム（０）（東京化成工業（株）製）８０ｍｇおよびＡｌｉｑｕａｔ（Ｒ）３３６（シグマアルドリッチ製）１滴を加え、窒素雰囲気下、１００℃にて２４時間撹拌した。得られた溶液にメタノール１００ｍＬを加え、生成した固体をろ取し、メタノール、アセトンおよびヘキサンをそれぞれ用いてこの順に洗浄した。得られた固体をクロロホル２００ｍＬに溶解させ、シリカゲルショートカラム（溶離液：クロロホルム）を通した後に濃縮乾固した後、メタノールで洗浄し、化合物（７０）を３１０ｍｇ得た。重量平均分子量は１０３９５、数平均分子量は８６８２、重合度ｎは２１．０であった。
この後、Ｐ３ＨＴの代わりに化合物（７０）を用いたこと以外は実施例３と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から８．３％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は３３だった。
実施例１４
（１）半導体素子の作製
ビオチンＮ－ヒドロキシスルホスクシンイミドエステル溶液の代わりに、１ｍｇ／ｍＬ ５’末端アミノ化ＩｇＥアプタマー（ファスマック社製） ０．０１Ｍ ＰＢＳ１．０ｍＬ溶液に半導体層４を終夜浸した以外は実施例３と同様にして、半導体層４がＩｇＥアプタマーおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。ＩｇＥ添加の時のみ添加前の電流値から７．９％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は３０だった。
実施例１５
（１）半導体素子の作製
ＩｇＥアプタマー溶液の代わりに１００μｇ／ｍＬ ａｎｔｉ－ＰＳＡの０．０１Ｍ ＰＢＳ１．０ｍＬに浸漬したこと以外は実施例１４と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるａｎｔｉ－ＰＳＡおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ ＰＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。ＰＳＡ添加の時のみ添加前の電流値から７．８％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は３０だった。
実施例１６
（１）半導体素子の作製
図８に示す半導体素子を作製した。実施例３とは異なるマスクパターンを用いて、それぞれ２組の第１電極１２および第１電極２２ならびに第２電極１３および第２電極２３を形成し、インクジェット装置を用いて２組の半導体層１４および半導体層２４をそれぞれ形成したこと以外は実施例３と同様にして、半導体層１４および２４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。なお、半導体素子１０および半導体素子２０の間隔は１ｍｍとした。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から９．１％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は３８だった。
比較例１
（１）半導体素子の作製
チャネル長を２００μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から１．５％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は９だった。
比較例２
（１）半導体素子の作製
チャネル長を１００μｍとしたこと以外は実施例１と同様にして半導体素子を作製し、半導体層４がセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質であるビオチンおよび保護剤であるＢＳＡで修飾された半導体素子を得た。
（２）センサとしての評価
上記で作製した半導体素子をセンサとして評価するため実施例１と同様にして測定を行った。測定開始から２分後に５μｇ／ｍＬ ＢＳＡ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、７分後に５μｇ／ｍＬ ＩｇＥ－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬ、１２分後に５μｇ／ｍＬ アビジン－０．０１Ｍ ＰＢＳ溶液２０μＬを、半導体層４を浸した０．０１Ｍ ＰＢＳに添加した。アビジン添加の時のみ添加前の電流値から１．１％の電流値低下が見られた。シグナル／ノイズ比は７だった。
実施例１７
（１）半導体素子の作製
図３に示す半導体素子を作製した。ガラス基板（膜厚０．７ｍｍ）上に、メタルマスクを介してアルミを膜厚５０ｎｍになるように真空蒸着することで、ゲート電極５を形成した。次いで、上記実施例１の（２）に記載の方法で作製したポリマー溶液Ｂをガラス基板（膜厚０．７ｍｍ）上にスピンコート塗布（８００ｒｐｍ×２０秒）し、１２０℃で５分間熱処理後、再度ポリマー溶液Ｂをスピンコート塗布（８００ｒｐｍ×２０秒）し、窒素気流下２００℃で３０分間熱処理することによって、膜厚４００ｎｍのポリシロキサンからなる絶縁層６を形成した。上記絶縁層上に、金を膜厚５０ｎｍになるように真空蒸着し、その上にフォトレジストをスピンコート塗布（１０００ｒｐｍ×２０秒）し、１００℃で１０加熱乾燥した。
作製したフォトレジスト膜をパラレルライトマスクアライナーを用いて、マスクを介してパターン露光した後、自動現像装置を用いて２．３８重量％水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液であるＥＬＭ－Ｄを用いて７０秒間シャワー現像し、次いで水で３０秒間洗浄した。その後、ＡＵＲＵＭ－３０２を用いて５分間エッチング処理した後、水で３０秒間洗浄した。ＡＺリムーバ１００に５分間浸漬してレジストを剥離し、水で３０秒間洗浄後、１２０℃で２０分間加熱乾燥することで第１電極２および第２電極３を形成した。
第１電極２および電２電極３の幅（チャネル幅）は２０μｍ、第１電極２および電２電極３の間隔（チャネル長）は２５μｍとした。電極が形成された基板上に上記実施例１の（１）に記載の方法で作製した半導体溶液Ａをインクジェット装置（クラスターテクノロジー（株）製）を用いて４００ｐｌ滴下して半導体層４を形成し、ホットプレート上で窒素気流下、１５０℃で３０分の熱処理を行い、半導体素子を得た。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記半導体素子のゲート電極５の電圧（Ｖｇ）を変えたときの第１電極２と第２電極３間の電流（Ｉｄ）－第１電極２と第２電極３間の電圧（Ｖｓｄ）特性を測定した。測定には半導体特性評価システム４２００－ＳＣＳ型を用い、気温２０℃、湿度３５％下で測定した。Ｖｓｄ＝－５Ｖに固定し、Ｖｇ＝＋２０Ｖ～２０Ｖに変化させた時、オン電流は３３μＡ、オフ電流は１３ｐＡだった。
実施例１８
（１）半導体素子の作製
チャネル長を３０μｍとしたこと以外は実施例１７と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３４μＡ、オフ電流は１２ｐＡだった。
実施例１９
（１）半導体素子の作製
チャネル長を４０μｍとしたこと以外は実施例１７と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３２μＡ、オフ電流は８ｐＡだった。
実施例２０
（１）半導体素子の作製
チャネル長を５０μｍ、チャネル幅を１０μｍとしたこと以外は実施例１７と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３５μＡ、オフ電流は９ｐＡだった。
実施例２１
（１）半導体素子の作製
チャネル長を１００μｍとしたこと以外は実施例２０と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３０μＡ、オフ電流は８ｐＡだった。
実施例２２
（１）半導体素子の作製
チャネル長を２００μｍとしたこと以外は実施例２０と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は１２μＡ、オフ電流は６ｐＡだった。
実施例２３
（１）半導体素子の作製
チャネル長を１０００μｍとし、半導体溶液Ａを１２００ｐＬ滴下したこと以外は実施例２０と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は１０μＡ、オフ電流は５ｐＡだった。
実施例２４
（１）半導体素子の作製
メンブレンフィルター（孔径１０μｍ）によるろ過を行わなかったこと、およびチャネル長を２０μｍ、チャネル幅を１５μｍとしたこと以外は実施例１７と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３２μＡ、オフ電流は１４ｐＡだった。
実施例２５
（１）半導体素子の作製
チャネル長を１０μｍ、チャネル幅を７μｍとしたこと以外は実施例２４と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３６μＡ、オフ電流は１９ｐＡだった。
実施例２６
（１）半導体素子の作製
チャネル長を６μｍ、チャネル幅を４μｍとしたこと以外は実施例２４と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３５μＡ、オフ電流は２５ｐＡだった。
実施例２７
（１）半導体素子の作製
チャネル長を２０μｍ、チャネル幅を１０μｍとしたこと以外は実施例１７と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３５μＡ、オフ電流は９ｐＡだった。
実施例２８
（１）半導体素子の作製
Ｐ３ＨＴの代わりに化合物（７０）を用いたこと以外は実施例２７と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は４６μＡ、オフ電流は１０ｐＡだった。
実施例２９
（１）半導体素子の作製
図７に示す半導体素子を作製した。実施例２７とは異なるマスクパターンを用いて、それぞれ２組の第１電極１２および第１電極２２ならびに第２電極１３および第２電極２３を形成し、インクジェット装置を用いて２組の半導体層１４および半導体層２４をそれぞれ形成したこと以外は実施例２７と同様にして半導体素子を作製した。なお、半導体素子１０および半導体素子２０の間隔は２０μｍとした。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は８２μＡ、オフ電流は１２ｐＡだった。
比較例３
（１）半導体素子の作製
チャネル長を５０μｍ、チャネル幅を５０μｍとしたこと以外は実施例１７と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３１μＡ、オフ電流は４９ｐＡだった。
比較例４
（１）半導体素子の作製
チャネル長を２５μｍ、チャネル幅を５０μｍとしたこと以外は実施例１７と同様にして半導体素子を作製した。
（２）ＦＥＴとしての評価
上記で作製した半導体素子をＦＥＴとして評価するため実施例１７と同様にして測定を行った。オン電流は３２μＡ、オフ電流は７５ｐＡだった。
各実施例および比較例の結果を表１および表２にまとめた。
Figure 0007024407000009
Figure 0007024407000010
１ 基板
２ 第１電極
３ 第２電極
４ 半導体層
５ ゲート電極
６ 絶縁層
１０ 半導体素子
１２ 半導体素子１０の第１電極
１３ 半導体素子１０の第２電極
１４ 半導体素子１０の半導体層
２０ 半導体素子
２２ 半導体素子２０の第１電極
２３ 半導体素子２０の第２電極
２４ 半導体素子２０の半導体層
３０ 半導体素子
３２ 第１電極１２および第１電極２２を電気的に接続する電極
３３ 第２電極１３および第２電極２３を電気的に接続する電極
５０ アンテナ
５１ 電源生成部
５２ 復調回路
５３ 制御回路
５４ 変調回路
５５ 記憶回路

Claims (13)

  1. 基板、第１電極、第２電極および半導体層を含有し、前記半導体層が前記第１電極と前記第２電極の間に配置された半導体素子を含有するセンサであって、前記半導体層がカーボンナノチューブを含有し、前記半導体層の少なくとも一部にセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質を有し、前記半導体素子のチャネル長ＬＣおよびチャネル幅ＷＣの関係が０．０１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．８であるセンサ。
  2. 前記半導体素子において０．１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．８である請求項１記載のセンサ。
  3. 前記カーボンナノチューブの長さＬＣＮＴと前記チャネル長ＬＣの関係が５≦ＬＣ／ＬＣＮＴである請求項１または２に記載のセンサ。
  4. 前記カーボンナノチューブ中の金属型カーボンナノチューブが０．５重量％以上１０重量％以下である請求項１～３のいずれかに記載のセンサ。
  5. 前記カーボンナノチューブが表面の少なくとも一部にポリマーが付着したカーボンナノチューブ複合体である請求項１～４のいずれかに記載のセンサ。
  6. 前記ポリマーが共役系ポリマーである請求項５記載のセンサ。
  7. 前記第１電極および前記第２電極間における前記基板表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が２ｎｍ以下である請求項１～６のいずれかに記載のセンサ。
  8. 前記基板上にポリシロキサン層を含む請求項１～７のいずれかに記載のセンサ。
  9. 前記半導体素子において５μｍ≦ＬＣ≦３０μｍである請求項１～８のいずれかに記載のセンサ。
  10. 前記半導体素子が薄膜トランジスタであって、さらに第３電極および絶縁層を含有し、前記第３電極は前記絶縁層により、前記第１電極、前記第２電極および前記半導体層とは電気的に絶縁されて配置された請求項１～９のいずれかに記載のセンサ。
  11. 基板、第１電極、第２電極および半導体層を含有し、前記半導体層が前記第１電極と前記第２電極の間に配置され、前記半導体層がカーボンナノチューブを含有し、前記半導体層の少なくとも一部にセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質を有し、チャネル長ＬＣおよびチャネル幅ＷＣの関係が０．０１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．８である半導体素子を個別半導体素子として複数含有したセンサであって、前記複数の個別半導体素子における各第１電極同士が電気的に接続され、かつ、前記複数の個別半導体素子における各第２電極同士が電気的に接続されたセンサ。
  12. 基板、第１電極、第２電極および半導体層を含有し、前記半導体層が前記第１電極と前記第２電極の間に配置され、前記半導体層がカーボンナノチューブを含有し、前記半導体層の少なくとも一部にセンシング対象物質と選択的に相互作用する生体関連物質を有し、チャネル長ＬＣおよびチャネル幅ＷＣの関係が０．０１≦ＷＣ／ＬＣ≦０．８である半導体素子を個別半導体素子として複数含有したセンサであって、前記複数の個別半導体素子における各第１電極同士が電気的に接続され、かつ、前記複数の個別半導体素子における各第２電極同士が電気的に接続され、さらに第３電極および絶縁層を含有し、前記第３電極は前記絶縁層により、前記複数の個別半導体素子における各第１電極、前記複数の個別半導体素子における各第２電極および前記複数の個別半導体素子における各半導体層とは電気的に絶縁されて配置されたセンサ。
  13. カーボンナノチューブを含む溶液を塗布および乾燥することにより前記半導体層を形成する工程を含む請求項１～１２のいずれかに記載のセンサの製造方法。
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