JP7334862B2 - 半導体センサ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体センサに関する。
特許文献１には、電界効果型トランジスタおよびそれを用いたセンサを開示している。特許文献１に記載の電界効果型トランジスタでは、非金属材料からなる粒子を成長核として使用し、化学気相成長法で成長させたカーボンナノチューブ薄膜で電界効果型トランジスタのチャンネルを構成している。
国際公開第２０１６／０２１６９３号
近年、半導体センサの性能を向上させることが求められている。
本発明は、性能を向上させることができる半導体センサを提供することを目的とする。
本発明の一態様の半導体センサは、
基板と、
前記基板上に配置される誘電体層と、
前記誘電体層上に配置される第１電極と、
前記第１電極と間隔を有して、前記誘電体層上に配置される第２電極と、
前記誘電体層上において前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する半導体シートと、
前記誘電体層に少なくとも一部が覆われ、前記半導体シートに前記誘電体層を介して対向する第３電極と、
前記第３電極の表面と前記第３電極の表面に配置される前記誘電体層とのうち少なくとも１つに配置され、検出対象物を吸着する複数の第１吸着部と、
を備える。
本発明によれば、性能を向上させることができる半導体センサを提供することができる。
本発明に係る実施の形態１の半導体センサの主要な構成の一例を示す概略斜視図である。 本発明に係る実施の形態１の検出装置の主要な構成の一例を示す概略斜視図である。 本発明に係る実施の形態１の半導体センサの主要な構成の一例を示す概略平面図である。 図２の半導体センサをＡ－Ａ線で切断した概略断面図である。 本発明に係る実施の形態１の検出装置の概略断面図である。 図３Ｂの検出装置のＺ１部分の構成の一例を示す概略断面図である。 図３Ｂの検出装置のＺ２部分の構成の一例を示す概略断面図である。 演算部を備える検出装置の一例を示す概略図である。 半導体センサにおいて検出対象物を吸着した状態の一例示す概略図である。 検出対象物を吸着した場合の電流の変化の一例を示す概略図である。 本発明に係る実施の形態１の変形例１の半導体センサの主要な構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態１の変形例１の検出装置の主要な構成の一例を示す概略断面図である。 図７Ｂの検出装置のＺ３部分の構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態１の変形例２の検出装置の主要な構成の一例を示す概略断面図である。 容量結合をするための構成の一例を示す概略図である。 容量結合をするための構成の一例を示す概略図である。 容量結合をするための構成の一例を示す概略図である。 本発明に係る実施の形態２の半導体センサの主要な構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態２の検出装置の主要な構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態３の半導体センサの主要な構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態３の検出装置の主要な構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態４の半導体センサの主要な構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態４の検出装置の主要な構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態５の半導体センサの主要な構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態５の検出装置の主要な構成の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態５の変形例３の検出装置の主要な構成を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態５の変形例４の検出装置の主要な構成を示す概略断面図である。 本発明に係る実施の形態６の検出装置の主要な構成の一例を示す概略断面図である。 複数の検出対象物を吸着した場合の電流の変化の一例を示す概略図である。 ダイナミックレンジの一例を示す概略図である。 本発明に係る実施の形態６の変形例５の検出装置の主要な構成を示す概略断面図である。
（本発明に至った経緯）
半導体センサとして、バイオセンサなどに用いられる溶液トップゲートＦＥＴが知られている。このような半導体センサにおいては、例えば、ドレイン電極とソース電極とに電気的に接続されるグラフェンなどの半導体シートを用いて、半導体チャネルを形成している。
半導体シートを用いたセンサでは、例えば、半導体シートの表面に特定のターゲット分子を結合するレセプタが修飾されている。ターゲット分子とレセプタとが特異的に結合した際、ターゲット分子の電荷によって半導体シートの電気特性が変調される。半導体センサは、半導体シートの電気特性の変調を測定することで、ターゲット分子の有無をセンシングしている。
本発明者らは、鋭意研究したところ、半導体シートを用いた半導体センサにおいて、２次元半導体である半導体シートの表面だけでなく、裏面からもゲート駆動が可能であることを見出した。具体的には、本発明者らは、半導体シートと電解液とに誘電体層を介して対向するバックゲート電極を配置すると共に、バックゲート電極の表面とバックゲート電極の表面に配置される誘電体層とのうち少なくとも１つに複数の吸着部を配置する半導体センサの構成を見出した。これにより、半導体センサの性能を向上させることを見出した。これらの知見に基づき、本発明について説明する。
本発明の一態様の半導体センサは、
基板と、
前記基板上に配置される誘電体層と、
前記誘電体層上に配置される第１電極と、
前記第１電極と間隔を有して、前記誘電体層上に配置される第２電極と、
前記誘電体層上において前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する半導体シートと、
前記誘電体層に少なくとも一部が覆われ、前記半導体シートに前記誘電体層を介して対向する第３電極と、
前記第３電極の表面と前記第３電極の表面に配置される前記誘電体層とのうち少なくとも１つに配置され、検出対象物を吸着する複数の第１吸着部と、
を備える。
このような構成により、半導体センサの性能を向上させることができる。
前記半導体センサは、更に、
前記誘電体層上に配置され、前記第１電極、前記第２電極及び前記半導体シートを覆うカバー層を備えていてもよい。
このような構成により、カバー層により第１電極、第２電極及び半導体シートを保護することができる。
前記半導体センサは、更に、
前記半導体シート上に配置され、検出対象物を吸着する複数の第２吸着部を備えていてもよい。
このような構成により、半導体センサの性能を更に向上させることができる。
前記複数の第２吸着部は、前記複数の第１吸着部が吸着する第１検出対象物とは異なる第２検出対象物を吸着してもよい。
このような構成により、２つの検出対象物を検出することができる。
前記誘電体層は、前記基板上において前記第３電極の少なくとも一部を覆う第１誘電体層であり、
前記半導体センサは、更に、
前記第１誘電体層上に配置され、前記第１電極、前記第２電極及び前記半導体シートを覆う第２誘電体層と、
前記第２誘電体層上に配置される第４電極と、
前記第４電極上に配置され、検出対象物を吸着する複数の第３吸着部と、
を備えていてもよい。
このような構成により、半導体センサの性能を更に向上させることができる。
前記第４電極は、
前記第２誘電体層上に配置される第２本体電極と、
前記第２本体電極から離れて配置される第２外部電極と、
前記第２本体電極と前記第２外部電極とを接続する第２接続線と、
を有し、
前記第２外部電極の表面には、検出対象物を吸着する複数の第３吸着部が配置されていてもよい。
このような構成により、半導体センサの性能を更に向上させることができる。
前記複数の第３吸着部は、前記複数の第１吸着部が吸着する第１検出対象物とは異なる第３検出対象物を吸着してもよい。
このような構成により、２つの検出対象物を検出することができる。
前記誘電体層は、前記基板上において前記第３電極の少なくとも一部を覆う第１誘電体層であり、
前記半導体センサは、更に、
前記第１誘電体層上に配置され、前記第１電極、前記第２電極及び前記半導体シートを覆う第２誘電体層と、
前記第２誘電体層上に配置される第４電極と、
前記第３電極と前記第４電極とを接続する接続導体と、
を備え、
前記第３電極は、
前記第１誘電体層に覆われる第１本体電極と、
前記第１本体電極から離れて配置される第１外部電極と、
前記第１本体電極と前記第１外部電極とを接続する第１接続線と、
を有し、
前記複数の第１吸着部は、前記第１外部電極の表面に配置されていてもよい。
このような構成により、半導体センサの性能を更に向上させることができる。
前記第３電極は、前記基板として構成されていてもよい。
このような構成により、部品点数を減らすことができる。
前記半導体センサは、更に、
前記半導体シートから出力される電気信号を受信し、前記電気信号に基づいて前記検出対象物の量を演算する演算部を備えていてもよい。
このような構成により、検出対象物の量を演算することができる。
本発明の一態様の検出装置は、
前記態様のいずれか１つの半導体センサと、
前記第１電極と前記第２電極との間の電流を制御する第５電極と、
を備える。
このような構成により、検出装置の性能を向上させることができる。
以下、本発明に係る実施の形態１について、添付の図面を参照しながら説明する。また、各図においては、説明を容易なものとするため、各要素を誇張して示している。
（実施の形態１）
［全体構成］
図１Ａは、本発明に係る実施の形態１の半導体センサ１Ａの主要な構成の一例を示す概略斜視図である。図１Ｂは、本発明に係る実施の形態１の検出装置５０Ａの主要な構成の一例を示す概略斜視図である。図２は、本発明に係る実施の形態１の半導体センサ１Ａの主要な構成の一例を示す概略平面図である。図３Ａは、図２の半導体センサ１ＡをＡ－Ａ線で切断した概略断面図である。図３Ｂは、本発明に係る実施の形態１の検出装置５０Ａの概略断面図である。図中のＸ、Ｙ、Ｚ方向は、それぞれ半導体センサ１Ａの縦方向、横方向、高さ方向を示している。
図１Ａ－３Ｂに示すように、半導体センサ１Ａは、基板１１、誘電体層１２、第１電極１３、第２電極１４、半導体シート１５、第３電極１７及び複数の吸着部１８を備える。半導体センサ１Ａにおいて、第１電極１３、第２電極１４及び第３電極１７は、それぞれ、ドレイン電極、ソース電極及びバックゲート電極と称する場合がある。
検出装置５０Ａは、半導体センサ１Ａと、追加電極１６と、を備える。検出装置５０Ａにおいては、半導体センサ１Ａに電解液２０が充填されている。電解液２０としては、例えば、リン酸緩衝生理食塩水、塩化ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩化カルシウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液、リン酸緩衝液、酢酸緩衝液、トリス緩衝液、ＭＥＳ緩衝液、及びこれらを部分的に含む混合液が挙げられる。
検出装置５０Ａにおいて、第１電極１３と第２電極１４との間には、ドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓが印加される。追加電極１６は、第５電極１６又はゲート電極と称する場合がある。追加電極１６は、外部電源と接続されており、ゲート電圧Ｖｇを印加する。
［半導体センサ］
半導体センサ１Ａの詳細な構成について説明する。
＜基板＞
基板１１は、板状を有する。基板１１には、第３電極１７及び誘電体層１２が配置される。実施の形態１では、基板１１は、例えば、絶縁材料によって形成されている。例えば、基板１１は、ＳｉＯ２などの絶縁材料で形成されている。
＜誘電体層＞
誘電体層１２は、基板１１上に配置される。また、誘電体層１２は、基板１１上において第３電極１７を覆っている。誘電体層１２は、板状の誘電体材料で形成される層である。実施の形態１では、誘電体層１２は、絶縁体層１２ａで形成されている。
絶縁体層１２ａは、基板１１上に配置され、第３電極１７の表面を覆っている。絶縁体層１２ａは、絶縁材料で形成されている。絶縁材料としては、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２などのセラミック、もしくはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂、フォトレジストなどの樹脂材料、もしくは窒化ホウ素などの２次元絶縁材料、などが挙げられる。実施の形態１では、絶縁体層１２ａには、第３電極１７の表面１７ａａを露出する開口１２ａａが設けられている。第３電極１７の表面１７ａａは、基板１１に接する面と反対側の面である。
図１Ｂ及び図３Ｂに示すように、半導体センサ１Ａに電解液２０を充填した状態において、絶縁体層１２ａの開口１２ａａから露出する第３電極１７の表面１７ａａと絶縁体層１２ａとに電気二重層１２ｂが形成される。電気二重層１２ｂは、第３電極１７と電解液２０との界面及び絶縁体層１２ａと電解液との界面に発生する誘電体である。電気二重層１２ｂは液状の層である。
なお、実施の形態１では、電気二重層１２ｂは、絶縁体層１２ａ上に形成されなくてもよい。
絶縁体層１２ａの厚さは、半導体シート１５と第３電極１７とが容量結合できる程度の寸法に設計される。電気二重層１２ｂは、電解液２０と第３電極１７とが容量結合できる程度の厚みを有する。容量結合についての詳細な説明は後述する。
＜第１電極＞
第１電極１３は、誘電体層１２上に配置されている。具体的には、第１電極１３は、絶縁体層１２ａ上に配置されている。第１電極１３は、板状を有する。半導体センサ１Ａの平面視において、第１電極１３はＹ方向に延びる矩形状を有する。第１電極１３は、導電性材料で形成されている。例えば、第１電極１３は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔなどの導電性材料で形成されている。実施の形態１では、第１電極１３は、ドレイン電極として機能する。
＜第２電極＞
第２電極１４は、第１電極１３と間隔を有して、誘電体層１２上に配置されている。具体的には、第２電極１４は、絶縁体層１２ａ上において、第１電極１３と対向して配置されている。第２電極１４は、板状を有する。半導体センサ１Ａの平面視において、第２電極１４はＹ方向に延びる矩形状を有する。第２電極１４は、第１電極１３と同様の導電性材料で形成されている。実施の形態１では、第２電極１４は、ソース電極として機能する。
＜半導体シート＞
半導体シート１５は、半導体で形成されるシートである。半導体シート１５は、導電性の材料で形成されており、検出対象物の付着を電気信号（例えば、電流信号）に置換して出力するシートである。半導体シート１５は、検出対象物が付着すると電気的特性（例えば、電流電圧特性）が変化する。例えば、半導体シート１５は、グラフェン、カーボンナノチューブ、有機半導体、ＭＸＥＮＥＳ及び遷移金属ダイカルコゲナイド層状物質、シリコン薄膜、シリコンナノワイヤのうちのいずれかで形成される。実施の形態１では、半導体シート１５は、グラフェンで形成されている。グラフェンは他の半導体材料と比較してキャリア移動度が大きい。その結果、同一の検出対象物の付着によって変調される電流量を他の半導体材料よりも大きくすることが可能になる。
半導体シート１５の厚さは、例えば、０．３ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。
半導体シート１５は、誘電体層１２上において第１電極１３と第２電極１４との間に配置され、第１電極１３と第２電極１４とを電気的に接続する。具体的には、半導体シート１５は、絶縁体層１２ａ上において、第１電極１３と第２電極１４とに跨って配置されている。半導体シート１５は、第１電極１３の表面の一部、第１電極１３と第２電極１４との間の絶縁体層１２ａ及び第２電極１４の表面の一部に配置されている。このようにして、半導体シート１５は、半導体チャネルとして用いることができる。
半導体シート１５は、第１主面ＰＳ１と、第１主面ＰＳ１と反対側の第２主面ＰＳ２と、を有する。実施の形態１では、第１主面ＰＳ１は、半導体シート１５の裏面に相当し、誘電体層１２の絶縁体層１２ａと接触する面である。第２主面ＰＳ２は、半導体シート１５の表面に相当し、電解液２０と接触する面である。
半導体シート１５は、ファンデルワールス力によって、誘電体層１２の絶縁体層１２ａ、第１電極１３及び第２電極１４に密着している。
半導体シート１５の表面には、保護膜として、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）が設けられていてもよい。
＜第３電極＞
第３電極１７は、一端と他端とを有する長手方向の板状を有する。半導体センサ１Ａの平面視において、第３電極１７はＸ方向に延びる矩形状を有する。第３電極１７は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｐｔなどの導電性材料で形成されている。
第３電極１７は、基板１１上に配置されている。第３電極１７は、半導体シート１５の第１主面ＰＳ１側に配置されている。図２に示すように、半導体センサ１Ａの平面視において、第３電極１７は、第１電極１３と第２電極１４との間に配置されている。具体的には、第３電極１７の一端側が第１電極１３と第２電極１４との間に配置されている。なお、半導体センサ１Ａの平面視において、第３電極１７は、第１電極１３と第２電極１４とに部分的に重なっていてもよい。
第３電極１７の少なくとも一部は、誘電体層１２により覆われている。実施の形態１では、第３電極１７の表面の一部は、誘電体層１２の絶縁体層１２ａの開口１２ａａから露出している。具体的には、第３電極１７の他端側の表面１７ａａは、絶縁体層１２ａの開口１２ａａから露出している。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように第３電極１７は、半導体シート１５に誘電体層１２を介して対向する。具体的には、第３電極１７の一端側は、絶縁体層１２ａを介して半導体シート１５と対向する。第３電極１７の一端側において基板１１を接する面と反対側の面は、絶縁体層１２ａを介して半導体シート１５の第１主面ＰＳ１と面している。
第３電極１７の他端側において、第３電極１７の表面１７ａａは、絶縁体層１２ａの開口１２ａａから露出している。半導体センサ１Ａに電解液２０が充填された状態では、第３電極１７の表面１７ａａ上に電気二重層１２ｂが形成される。第３電極１７の他端側は、電気二重層１２ｂを介して電解液２０と対向する。このように、電解液２０が充填される前では、第３電極１７の他端側において、第３電極１７の表面１７ａａは、絶縁体層１２ａの開口１２ａａから露出している。電解液２０が充填されると、第３電極１７の他端側において第３電極１７の表面１７ａａは、電気二重層１２ｂを介して電解液２０と面している。
第３電極１７は、半導体シート１５と電解液２０とにそれぞれ容量結合している。具体的には、第３電極１７は、絶縁体層１２ａを介して半導体シート１５と対向する部分、即ち、図３Ｂに示すＺ１部分において、半導体シート１５と容量結合している。また、第３電極１７は、電気二重層１２ｂを介して電解液２０と対向する部分、即ち、図３Ｂに示すＺ２部分において、電解液２０と容量結合している。これにより、第３電極１７は、電気的にフローティングな状態であるバックゲート電極として機能する。「電気的にフローティングな状態」とは、ゲート電極と異なり、外部電源と接続されておらず、電位が固定されていない状態を意味する。
第３電極１７が半導体シート１５と電解液２０とにそれぞれ容量結合する条件は、第３電極１７と、絶縁体層１２ａ及び／又は電気二重層１２ｂを形成する誘電体の厚さが０．３ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。好ましくは、誘電体の厚さは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。より好ましくは、誘電体の厚さは、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
図４Ａは図３Ｂの半導体センサ１ＡのＺ１部分の構成の一例を示す概略断面図である。図４Ａに示すように、Ｚ１部分においては、第３電極１７、絶縁体層１２ａ及び半導体シート１５の順に配置されている。即ち、第３電極１７と半導体シート１５との間には、絶縁体層１２ａが配置されている。半導体シート１５は、半導体１５ａと、キャリア変調領域１５ｂと、を含む。Ｚ１部分において、半導体シート１５と第３電極１７とが容量結合するための条件として、絶縁体層１２ａの厚さＴ１は０．３ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。好ましくは、絶縁体層１２ａの厚さＴ１は、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。より好ましくは、絶縁体層１２ａの厚さＴ１は、２ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。なお、絶縁体層１２ａの厚さＴ１とは、絶縁体層１２ａにおいて、半導体シート１５と第３電極１７とで挟まれている部分の厚さを意味する。
図４Ｂは、図３Ｂの半導体センサ１ＡのＺ２部分の構成の一例を示す概略断面図である。図４Ｂに示すように、Ｚ２部分においては、第３電極１７、電気二重層１２ｂ及び電解液２０の順に配置されている。即ち、第３電極１７と電解液２０との間には、電気二重層１２ｂが配置されている。Ｚ２部分において、第３電極１７と電解液２０とが容量結合するための条件として、電気二重層１２ｂの厚さＴ２は０．３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。好ましくは、電気二重層１２ｂの厚さＴ２は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。より好ましくは、電気二重層１２ｂの厚さＴ２は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。
＜複数の吸着部＞
複数の吸着部１８は、検出対象物を吸着する。検出対象物は、例えば、ウィルスなどのターゲット分子である。複数の吸着部１８は、例えば、ターゲット分子を吸着するレセプタである。本明細書においては、複数の吸着部１８を複数の第１吸着部１８と称する場合がある。
図３Ａに示すように、複数の吸着部１８は、第３電極１７の表面１７ａａに配置される。具体的には、複数の吸着部１８は、絶縁体層１２ａの開口１２ａａから露出される第３電極１７の表面１７ａａ上に配置されている。
図３Ｂに示すように、電解液２０が充填された状態では、第３電極１７の表面１７ａａ上に電気二重層１２ｂが形成される。これにより、複数の吸着部１８は、電気二重層１２ｂ中に配置される。第３電極１７は、電気二重層１２ｂを介して電解液２０と容量結合する。複数の吸着部１８は、第３電極１７と電解液２０とが容量結合する部分に配置されている。また、複数の吸着部１８は、電解液２０内に配置されており、電解液２０中に存在するターゲット分子（検出対象物）を吸着する。
第３電極１７は、半導体シート１５と電解液２０とそれぞれ容量結合している。このため、第３電極１７と電解液２０とが容量結合する部分に配置された複数の吸着部１８が、ターゲット分子を吸着すると、ターゲット分子の電荷により半導体シート１５の電気特性が変化する。したがって、半導体シート１５の電気特性の変化を検出することによって、検出対象物を検出することができる。
［検出装置］
検出装置５０Ａの詳細な構成について説明する。
検出装置５０Ａは、上述した半導体センサ１Ａと、第１電極１３と第２電極１４との間の電流を制御する追加電極１６と、を備える。
＜追加電極＞
追加電極１６は、電解液２０の電位を制御するための電極である。追加電極１６は、電解液２０と接触し、第１電極１３と第２電極１４との間の電流を制御する。追加電極１６は、柱状を有する。追加電極１６は、例えば、Ａｇ／ＡｇＣｌを構成部材とする参照電極である。あるいは、追加電極１６の構成部材はＡｕ又はＰｔなどの水溶液中で安定な金属単体に置き換えてもよい。実施の形態１では、追加電極１６は、ゲート電極として機能する。
図５は、演算部１９を備える検出装置５０Ａの一例を示す概略図である。図５に示すように、演算部１９は、第１電極１３と、第２電極１４と、追加電極１６とに接続されている。演算部１９は、半導体シート１５から出力される電気信号を受信し、電気信号に基づいて検出対象物の量を演算する。演算部１９は、電気信号に基づいて検出対象物を定量的に検出する。実施の形態１では、演算部１９は、半導体センサ１Ａに含まれる。なお、演算部１９は、半導体センサ１Ａに含まれず、検出装置５０Ａに含まれていてもよい。
半導体シート１５から出力される電気信号の変化量と検出対象物の量とは相関していることが知られている。演算部１９は、電気信号の変化量の量に基づいて検出対象物の量を演算する。これにより、検出対象物の有無の判定、及び／又は濃度を演算することができる。
また、演算部１９は、第１電極１３と第２電極１４との間に印加されるドレイン－ソース間電圧Ｖｄｓ、及び第５電極１６に印加されるゲート電圧Ｖｇを制御する。
演算部１９は、半導体素子などで実現可能である。演算部１９は、例えば、マイコン、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ディスクリート半導体、ＬＳＩで構成することができる。演算部１９の機能は、ハードウェアのみで構成してもよいし、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせることにより実現してもよい。演算部１９は、演算部１９内の図示しない記憶部に格納されたデータやプログラムを読み出して種々の演算処理を行うことで、所定の機能を実現する。記憶部は、例えば、ハードディスク（ＨＤＤ）、ＳＳＤ、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、強誘電体メモリ、フラッシュメモリ、磁気ディスク、又はこれらの組み合わせによって実現できる。
図６Ａは、半導体センサ１Ａにおいて検出対象物２を吸着した状態の一例示す概略図である。図６Ｂは、検出対象物２を吸着した場合の電流の変化の一例を示す概略図である。図６Ａに示すように検出対象物２を吸着部１８によって吸着すると、図６Ｂに示すように半導体シート１５の電気特性が変化する。具体的には、検出対象物２の吸着によって、電流値が減少する。演算部１９は、電流値の変化に基づいて検出対象物２の有無や量を検出することができる。
［効果］
実施の形態１に係る半導体センサ１Ａによれば、以下の効果を奏することができる。
半導体センサ１Ａは、基板１１、誘電体層１２、第１電極１３、第２電極１４、半導体シート１５、第３電極１７及び複数の吸着部１８を備える。誘電体層１２は、基板１１上に配置される。第１電極１３は、誘電体層１２上に配置される。第２電極１４は、第１電極１３と間隔を有して、誘電体層１２上に配置される。半導体シート１５は、誘電体層１２上において第１電極１３と第２電極１４との間に配置され、第１電極１３と第２電極１４とを電気的に接続する。第３電極１７は、誘電体層１２に一部が覆われ、半導体シート１５に誘電体層１２を介して対向する。複数の吸着部１８は、第３電極１７の表面１７ａａに配置され、検出対象物２を吸着する。
このような構成により、半導体センサ１Ａの性能を向上させることができる。半導体センサ１Ａにおいては、複数の吸着部１８を半導体シート１５以外の部分にも配置することができる。具体的には、複数の吸着部１８は、第３電極１７が半導体シート１５及び電解液２０と容量結合する部分に配置することができる。このため、複数の吸着部１８の配置する部分を容易に広げることができる。これにより、半導体センサ１Ａのセンサ感度を向上させることができる。
半導体シート１５に複数の吸着部１８を配置しない場合、半導体シート１５が複数の吸着部１８により損傷することを抑制することができる。また、複数の吸着部１８を誘電体層１２上に配置することは、半導体シート１５上に配置することに比べて容易である。
検出装置５０Ａは、半導体センサ１Ａと、追加電極１６と、を備える。追加電極１６は、第１電極１３と第２電極１４との間の電流を制御する。
このような構成により、半導体センサ１Ａで述べた効果と同様の効果を奏することができる。即ち、検出装置５０Ａの性能を向上させることができる。
なお、実施の形態１では、基板１１が絶縁材料で形成される例について説明したが、これに限定されない。例えば、基板１１は、導電性材料で形成されていてもよい。
実施の形態１では、誘電体層１２が絶縁体層１２ａで形成される例について説明したが、これに限定されない。誘電体層１２は誘電体材料で形成されていればよい。また、誘電体層１２は、第３電極１７が半導体シート１５に容量結合できる程度の厚さを有していればよい。
実施の形態１では、絶縁体層１２ａに開口１２ａａが設けられており、第３電極１７の表面１７ａａが開口１２ａａから露出している例について説明したが、これに限定されない。例えば、絶縁体層１２ａに開口１２ａａが設けられておらず、第３電極１７の表面１７ａａ全体が絶縁体層１２ａに覆われていてもよい。この場合、第３電極１７は、絶縁体層１２ａを介して電解液２０と容量結合してもよい。また、複数の吸着部１８は、絶縁体層１２ａ上に配置されてもよい。
実施の形態１では、半導体センサ１Ａの平面視において、第１電極１３、第２電極１４及び第３電極１７が矩形状を有する例について説明したが、これに限定されない。第１電極１３、第２電極１４及び第３電極１７は、任意の形状を有していてもよい。
実施の形態１では、第３電極１７の一端側が半導体シート１５と容量結合し、第３電極１７の他端側が電解液２０と容量結合する例について説明したが、これに限定されない。例えば、第３電極１７の中央側が半導体シート１５と容量結合し、第３電極１７の両端側が電解液２０と容量結合してもよい。あるいは、第３電極１７の中央側が電解液２０と容量結合し、第３電極１７の一端側又は他端側が半導体シート１５と容量結合してもよい。
実施の形態１では、検出対象物２がウィルスなどのターゲット分子である例について説明したが、これに限定されない。例えば、検出対象物２は、細菌、血中成分、尿中成分、スワブ成分、唾液成分、汗成分、液中のプロトン（ｐＨ）やイオン、各種化学物質、空気中のガスなどであってもよい。
実施の形態１では、吸着部１８がレセプタである例について説明したが、これに限定されない。吸着部１８は、検出対象物２によって異なっていてもよい。例えば、検出対象物２が化学物質である場合、吸着部１８は感応膜であってもよい。検出対象物２がｐＨである場合、吸着部１８はＳｉ３Ｎ４やＡｌ２Ｏ３であってもよい。
実施の形態１では、検出装置５０Ａにおいて半導体センサ１Ａが電解液２０で充填されている例について説明したが、これに限定されない。電解液２０は必須の構成ではない。
実施の形態１では、追加電極１６が検出装置５０Ａに含まれる例について説明したが、これに限定されない。追加電極１６は、半導体センサ１Ａに含まれてもよい。
（変形例１）
図７Ａは、本発明に係る実施の形態１の変形例１の半導体センサ１ＡＡの主要な構成の一例を示す概略断面図である。図７Ｂは、本発明に係る実施の形態１の変形例１の検出装置５０ＡＡの主要な構成の一例を示す概略断面図である。図７Ｂにおいて、半導体センサ１ＡＡに電解液２０が充填されている。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、半導体センサ１ＡＡの誘電体層１２Ａは、開口１２ａａを有さない絶縁体層１２ａで形成されている。即ち、半導体センサ１ＡＡにおいて、第３電極１７は、絶縁体層１２ａに覆われており、表面が露出していない。半導体センサ１ＡＡにおいては、第３電極１７が絶縁体層１２ａを介して電解液２０と対向している。複数の吸着部１８は、第３電極１７と電解液２０との間に位置する絶縁体層１２ａに配置されている。具体的には、複数の吸着部１８は、絶縁体層１２ａにおいて電解液２０と接する面側に配置されている。
図７Ｂに示すように、半導体センサ１ＡＡに電解液２０が充填されている状態では、誘電体層１２Ａの絶縁体層１２ａの表面に電気二重層１２ｂが形成される。第３電極１７は、絶縁体層１２ａ及び電気二重層１２ｂを介して電解液２０と容量結合する。複数の吸着部１８は、絶縁体層１２ａ上において、電気二重層１２ｂに覆われている。
図７Ｃは、図７Ｂの検出装置５０ＡＡのＺ３部分の構成の一例を示す概略断面図である。図７Ｃに示すように、Ｚ３部分においては、第３電極１７、絶縁体層１２ａ、電気二重層１２ｂ及び電解液２０の順に配置されている。即ち、第３電極１７と電解液２０との間には、絶縁体層１２ａと電気二重層１２ｂとが配置されている。Ｚ３部分において、第３電極１７と電解液２０とが容量結合するための条件として、絶縁体層１２ａの厚さＴ１と電気二重層１２ｂの厚さＴ２は、それぞれ、図４Ａに示す絶縁体層１２ａの厚さＴ１と図４Ｂに示す電気二重層１２ｂの厚さＴ２と同様である。
（変形例２）
図８は、本発明に係る実施の形態１の変形例２の検出装置５０ＡＢの主要な構成の一例を示す概略断面図である。図８に示すように、検出装置５０ＡＢの半導体センサ１ＡＢは、変形例１の半導体センサ１ＡＡの構成に加えて、カバー層２１を備えていてもよい。カバー層２１は、誘電体層１２Ａ上に配置され、第１電極１３、第２電極１４及び半導体シート１５を覆う。カバー層２１は、例えば、絶縁材料で形成されている。絶縁材料としては、例えば、Ｓｉ３Ｎ４膜、ＴＥＯＳ膜、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、レジスト膜、フッ素系樹脂膜などが挙げられる。
カバー層２１には、複数の吸着部１８が配置される部分を形成するための孔２１ａが設けられている。複数の吸着部１８は、孔２１ａ内において誘電体層１２Ａ上に配置される。半導体センサ１ＡＢに電解液２０が充填された状態では、孔２１ａ内に電気二重層１２ｂが形成される。複数の吸着部１８は、孔２１ａ内において、電気二重層１２ｂに覆われる。
このような構成により、第１電極１３、第２電極１４及び半導体シート１５をカバー層２１によって保護することができる。また、複数の吸着部１８を配置する位置が孔２１ａを設ける位置によって制御することができる。
なお、カバー層２１は、第１電極１３、第２電極１４及び半導体シート１５の少なくとも一部を覆っていればよい。
実施の形態１では、容量結合するための構成及び容量結合する部分について図４Ａ，図４Ｂ及び図７Ｃに示す例を用いて説明したが、これに限定されない。また、複数の吸着部１８は、第３電極１７の表面１７ａａ又は絶縁体層１２ａに配置される例について説明したが、これに限定されない。複数の吸着部１８は、容量結合する部分に配置されていればよい。例えば、複数の吸着部１８は、半導体シート１５の第２主面ＰＳ２に配置されていてもよい。
図９Ａ－９Ｃは、容量結合をするための構成の一例を示す概略図である。図９Ａに示すように、容量結合をするための構成の一例として、第３電極１７、絶縁体層１２ａ及び電極層２２の順に配置されていてもよい。電極層２２は、例えば、導電性材料で形成されている。例えば、電極層２２は、半導体シート１５であってもよい。図９Ａに示す絶縁体層１２ａの厚さＴ１は、図４Ａに示す絶縁体層１２ａの厚さＴ１と同様である。
図９Ｂに示すように、容量結合をするための構成の一例として、半導体シート１５、電気二重層１２ｂ及び電解液２０の順に配置されてもよい。図９Ｂに示す電気二重層１２ｂの厚さＴ２は、図４Ｂに示す電気二重層１２ｂの厚さＴ２と同様である。図９Ｂに示す構成は、例えば、半導体シート１５と電解液２０とが容量結合する例に適用される。この場合、複数の吸着部１８は、半導体シート１５上に配置された電気二重層１２ｂに配置されてもよい。
図９Ｃに示すように、容量結合をするための構成の一例として、半導体シート１５、絶縁体層１２ａ、電気二重層１２ｂ及び電解液２０の順に配置されてもよい。図９Ｃに示す絶縁体層１２ａの厚さＴ１及び電気二重層１２ｂの厚さＴ２は、図４Ａに示す絶縁体層１２ａの厚さＴ１及び図４Ｂに示す電気二重層１２ｂの厚さＴ２と同様である。図９Ｃに示す構成は、例えば、半導体シート１５と電解液２０とが容量結合する例に適用される。この場合、複数の吸着部１８は、絶縁体層１２ａ上に配置された電気二重層１２ｂに配置されてもよい。
（実施の形態２）
本発明に係る実施の形態２の半導体センサについて説明する。
実施の形態２では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態２においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態２では、実施の形態１と重複する記載は省略する。
図１０Ａは、本発明に係る実施の形態２の半導体センサ１Ｂの主要な構成の一例を示す概略断面図である。図１０Ｂは、本発明に係る実施の形態２の検出装置５０Ｂの主要な構成の一例を示す概略断面図である。
実施の形態２では、半導体シート１５上に複数の吸着部２３が配置されている点で、実施の形態１と異なる。
実施の形態２では、実施の形態１における複数の吸着部１８を複数の第１吸着部１８と称し、複数の吸着部２３を複数の第２吸着部２３と称する。
図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、半導体センサ１Ｂは、半導体シート１５上に配置され、検出対象物２を吸着する複数の第２吸着部２３を備える。複数の第２吸着部２３は、半導体シート１５の第２主面ＰＳ２上に配置されている。実施の形態２では、複数の第２吸着部２３は、複数の第１吸着部１８と同様の構成を有する。
図１０Ｂに示すように、検出装置５０Ｂにおいて半導体センサ１Ｂに電解液２０が充填された状態では、誘電体層１２及び半導体シート１５上に電気二重層１２ｂが形成されている。複数の第２吸着部２３は、電気二重層１２ｂに覆われている。
［効果］
実施の形態２に係る半導体センサ１Ｂによれば、以下の効果を奏することができる。
半導体センサ１Ｂは、半導体シート１５上に配置され、検出対象物２を吸着する複数の第２吸着部２３を備える。このような構成により、半導体センサ１Ｂの性能を更に向上させることができる。半導体センサ１Ｂにおいては、半導体シート１５の両面を利用することができる。具体的には、半導体センサ１Ｂにおいては、検出対象物２によって半導体シート１５に与えられるゲート変調が半導体シート１５の第１主面ＰＳ１と第２主面ＰＳ２との両方から得ることができる。また、実施の形態１と比べて、広い面積で検出対象物２を吸着することができる。これにより、センサ感度を向上させることができる。
なお、実施の形態２では、複数の第２吸着部２３が複数の第１吸着部１８と同様である例について説明したが、これに限定されない。例えば、複数の第２吸着部２３は、複数の第１吸着部１８と異なっていてもよい。言い換えると、複数の第２吸着部２３は、複数の第１吸着部１８とは異なる検出対象物を検出してもよい。
（実施の形態３）
本発明に係る実施の形態３の半導体センサについて説明する。
実施の形態３では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態３においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態３では、実施の形態１と重複する記載は省略する。
図１１Ａは、本発明に係る実施の形態３の半導体センサ１Ｃの主要な構成の一例を示す概略断面図である。図１１Ｂは、本発明に係る実施の形態３の検出装置５０Ｃの主要な構成の一例を示す概略断面図である。
実施の形態３では、第３電極１７Ａが基板１１として構成されている点で、実施の形態１と異なる。
図１１Ａ及び図１１Ｂに示すように、半導体センサ１Ｃにおいて、第３電極１７Ａは基板１１として構成されている。基板１１として構成されているとは、第３電極１７Ａが基板１１と一体で形成されており、基板１１としての機能を有していることを意味する。
第３電極１７Ａは、例えば、ハイドープＳｉ基板、ＩＴＯ基板、Ｃｕ基板などで形成されている。
［効果］
実施の形態３に係る半導体センサ１Ｃによれば、以下の効果を奏することができる。
半導体センサ１Ｃにおいて、第３電極１７Ａは基板１１として構成されている。このような構成により、半導体センサ１Ｃを構成する部品点数を減らすことができる。また、半導体センサ１Ｃを小型化することができる。
（実施の形態４）
本発明に係る実施の形態４の半導体センサについて説明する。
実施の形態４では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態４においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態４では、実施の形態１と重複する記載は省略する。
図１２Ａは、本発明に係る実施の形態４の半導体センサ１Ｄの主要な構成の一例を示す概略断面図である。図１２Ｂは、本発明に係る実施の形態４の検出装置５０Ｄの主要な構成の一例を示す概略断面図である。
実施の形態４では、誘電体層１２Ｂ、第４電極２４及び複数の吸着部２５を備える点で、実施の形態１と異なる。
実施の形態４では、基板１１上に配置される誘電体層１２を第１誘電体層１２と称する。第１誘電体層１２の絶縁体層１２ａ上に配置される誘電体層１２Ｂを第２誘電体層１２Ｂと称する。第３電極１７の表面１７ａａ上に配置される複数の吸着部１８を複数の第１吸着部１８と称する。第４電極２４に配置される複数の吸着部２５を複数の第３吸着部２５と称する。追加電極１６を第５電極１６と称する。
図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、半導体センサ１Ｄは、第２誘電体層１２Ｂ、第４電極２４及び複数の第３吸着部２５を備える。また、半導体センサ１Ｄに電解液２０を充填した状態において、第４電極２４の表面には電気二重層１２ｂが形成されている。
＜第２誘電体層＞
第２誘電体層１２Ｂは、第１誘電体層１２の絶縁体層１２ａ上に配置され、第１電極１３、第２電極１４及び半導体シート１５を覆う。第２誘電体層１２Ｂは、第１誘電体層１２と同様の誘電体材料で形成されている。実施の形態４では、第２誘電体層１２Ｂは、絶縁体層１２ａで形成されている。
＜第４電極＞
第４電極２４は、一端と他端とを有する長手方向の板状を有する。半導体センサ１Ｄの平面視において、第４電極２４はＸ方向に延びる矩形状を有する。第４電極２４は、第３電極１７と同様の導電性材料で形成されている。
第４電極２４は、第２誘電体層１２Ｂ上に配置される。半導体センサ１Ｄの平面視において、第４電極２４は、第１電極１３と第２電極１４との間に配置されている。具体的には、第４電極２４の一端側が第１電極１３と第２電極１４との間に配置されている。なお、半導体センサ１Ｄの平面視において、第４電極２４は、第１電極１３と第２電極１４とに部分的に重なっていてもよい。なお、第４電極２４の延びる方向は、第３電極１７の延びる方向と逆方向である。図１２Ａ及び図１２Ｂにおいては、第４電極２４は左方向に延びており、第３電極１７は右方向に延びている。半導体センサ１Ｄの平面視において、第４電極２４は、半導体シート１５が配置されている領域において、第３電極１７と重なっている。
図１２Ｂに示すように、電解液２０が充填されている状態では、第４電極２４上に電気二重層１２ｂが形成されている。電気二重層１２ｂは、第４電極２４においてと電解液２０との界面に形成されている。
＜複数の第３吸着部＞
複数の第３吸着部２５は、第４電極２４上に配置され、検出対象物２を吸着する。実施の形態４では、複数の第３吸着部２５は、複数の第１吸着部１８と同様の構成を有する。また、複数の第３吸着部２５は、電気二重層１２ｂに覆われている。
検出装置５０Ｄの半導体センサ１Ｄにおいては、図１２Ｂに示すＺ４部分において、第４電極２４と半導体シート１５とが容量結合する。また、図１２Ｂに示すＺ５部分において、電解液２０と第４電極２４とが容量結合する。
図１２Ｂに示すＺ４部分において、第４電極２４は、第２誘電体層１２Ｂを介して半導体シート１５と対向する。具体的には、第４電極２４の一端側が、第２誘電体層１２Ｂを介して半導体シート１５と対向する。言い換えると、第４電極２４の一端側において第２誘電体層１２Ｂと接する面は、第２誘電体層１２Ｂを介して半導体シート１５の第２主面ＰＳ２と面している。また、第４電極２４と半導体シート１５との間に位置する第２誘電体層１２Ｂの厚さは、第４電極２４と半導体シート１５とが容量結合できる程度の厚さに設計される。例えば、第２誘電体層１２Ｂの厚さは、第１誘電体層１２の絶縁体層１２ａと同様である。即ち、第２誘電体層１２Ｂが絶縁体層１２ａで形成されている場合、第２誘電体層１２Ｂの厚さは、図４Ａに示す絶縁体層１２ａの厚さＴ１と同様である。
図１２Ｂに示すＺ５部分において、第４電極２４は、電気二重層１２ｂを介して電解液２０と対向する。具体的には、第４電極２４の他端側が、電気二重層１２ｂを介して電解液２０と対向する。言い換えると、第４電極２４の他端側において第２誘電体層１２Ｂと接する面と反対側の面は、電気二重層１２ｂを介して電解液２０と面している。また、第４電極２４と電解液２０との間に位置する電気二重層１２ｂの厚さは、第４電極２４と電解液２０とが容量結合できる程度の厚さに設計される。例えば、電気二重層１２ｂの厚さは、図４Ｂに示す電気二重層１２ｂの厚さＴ２と同様である。
第４電極２４は、電解液２０と半導体シート１５とにそれぞれ容量結合することによって、電気的にフローティングな状態であるトップゲート電極として機能する。
［効果］
実施の形態４に係る半導体センサ１Ｄによれば、以下の効果を奏することができる。
半導体センサ１Ｄは、第２誘電体層１２Ｂ、第４電極２４及び複数の第３吸着部２５を備える。第２誘電体層１２Ｂは、第１誘電体層１２上に配置され、第１電極１３、第２電極１４及び半導体シート１５を覆う。第４電極２４は、第２誘電体層１２Ｂ上に配置される。複数の第３吸着部２５は、第４電極２４上に配置され、検出対象物２を吸着する。
このような構成により、半導体センサ１Ｄの性能を更に向上させることができる。半導体センサ１Ｄにおいては、半導体シート１５の両面を利用することができる。具体的には、検出対象物２によって半導体シート１５に与えられるゲート変調が半導体シート１５の第１主面ＰＳ１と第２主面ＰＳ２との両方から得ることができる。また、複数の第３吸着部２５によっても検出対象物２を吸着することができ、実施の形態１と比べて、より広い面積で検出対象物２を吸着することができる。これにより、半導体センサ１Ｄのセンサ感度を向上させることができる。
なお、実施の形態４では、第２誘電体層１２Ｂが絶縁体層１２ａで形成されている例について説明したが、これに限定されない。第２誘電体層１２Ｂは、誘電体材料で形成されていればよい。また、第２誘電体層１２Ｂは、容量結合可能な程度の厚さに設計されていればよい。
実施の形態４では、複数の第３吸着部２５が第４電極２４上に直接配置される例について説明したが、これに限定されない。複数の吸着部２５は、第４電極２４と電解液２０とが容量結合する部分に配置されていればよい。例えば、第４電極２４の表面に誘電体層が配置されていてもよく、複数の第３吸着部２５は、誘電体層を介して第４電極２４上に配置されてもよい。
実施の形態４では、複数の第３吸着部２５が複数の第１吸着部１８と同様である例について説明したが、これに限定されない。例えば、複数の第３吸着部２５は、複数の第１吸着部１８と異なっていてもよい。言い換えると、複数の第３吸着部２５は、複数の第１吸着部１８とは異なる検出対象物を検出してもよい。
（実施の形態５）
本発明に係る実施の形態５の半導体センサについて説明する。
実施の形態５では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態５においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態５では、実施の形態１と重複する記載は省略する。
図１３Ａは、本発明に係る実施の形態５の半導体センサ１Ｅの主要な構成の一例を示す概略断面図である。図１３Ｂは、本発明に係る実施の形態５の検出装置５０Ｅの主要な構成の一例を示す概略断面図である。
実施の形態５では、誘電体層１２Ｂ、第４電極２４及び接続導体２６を有する点、第３電極１７Ｂが本体電極１７ａ、外部電極１７ｂ及び接続線１７ｃを有する点、複数の吸着部１８が外部電極１７ｂの表面に配置されている点、及び電解液２０が容器２７に貯留されている点で、実施の形態１と異なる。
実施の形態５では、基板１１上に配置される誘電体層１２Ａを第１誘電体層１２Ａと称する。第１誘電体層１２Ａ上に配置される誘電体層１２Ｂを第２誘電体層１２Ｂと称する。追加電極１６を第５電極１６と称する。
第３電極１７Ｂにおいて、本体電極１７ａを第１本体電極１７ａと称する場合がある。外部電極１７ｂを第１外部電極１７ｂと称する場合がある。接続線１７ｃを第１接続線１７ｃと称する場合がある。
図１３Ａ及び図１３Ｂに示すように、半導体センサ１Ｅは、第２誘電体層１２Ｂ、第４電極２４、接続導体２６及び容器２７を備える。検出装置５０Ｅは、半導体センサ１Ｅと、第５電極１６と、容器２７と、を備える。
第２誘電体層１２Ｂ及び第４電極２４は、実施の形態４と同様であるため、詳細な説明を省略する。
＜接続導体＞
接続導体２６は、第３電極１７Ｂと第４電極２４とを接続する。接続導体２６は、第３電極１７Ｂと第４電極２４とを電気的に接続する。具体的には、接続導体２６は、第３電極１７Ｂの本体電極１７ａと第４電極２４とを電気的に接続する。接続導体２６は、例えば、導電性材料で形成されている。
＜容器＞
容器２７は、電解液２０を貯留する。容器２７には、第５電極１６が配置されている。第５電極１６は、容器２７に貯留された電解液２０に接触している。
第３電極１７Ｂは、本体電極１７ａ、外部電極１７ｂ及び接続線１７ｃを有する。
＜本体電極＞
本体電極１７ａは、基板１１上に配置され、第１誘電体層１２Ａで覆われている。本体電極１７ａは、実施の形態１の第３電極１７と同様の構成を有する。本体電極１７ａは、半導体シート１５の第１主面ＰＳ１側に配置されており、半導体シート１５と容量結合する。
＜外部電極＞
外部電極１７ｂは、本体電極１７ａから離れて配置される。実施の形態５では、外部電極１７ｂは、電解液２０を貯留する容器２７に配置されている。外部電極１７ｂは、板状を有する。外部電極１７ｂは、例えば、本体電極１７ａと同様に導電性材料で形成されている。
図１３Ｂに示すように、容器２７に電解液２０が充填されている状態では、外部電極１７ｂの表面には、電気二重層１２ｃが形成される。実施の形態５では、電気二重層１２ｃは、実施の形態１の電気二重層１２ｂと同様である。
外部電極１７ｂは、電気二重層１２ｃを介して電解液２０と接触している。これにより、外部電極１７ｂは、電解液２０と容量結合している。電気二重層１２ｃは、外部電極１７ｂと電解液２０とが容量結合できる程度の厚さを有する。
＜接続線＞
接続線１７ｃは、本体電極１７ａと外部電極１７ｂとを接続する。接続線１７ｃは、本体電極１７ａと外部電極１７ｂとを電気的に接続する。接続線１７ｃは、例えば、導電性材料で形成されている。また、接続線１７ｃは可撓性を有していてもよい。
複数の吸着部１８は、外部電極１７ｂの表面に配置されている。複数の吸着部１８は、外部電極１７ｂと電解液２０とが容量結合する部分に配置されている。具体的には、複数の吸着部１８は、外部電極１７ｂの表面上に配置され、電気二重層１２ｃに覆われている。複数の吸着部１８は、容器２７内の電解液２０中に存在する検出対象物を吸着する。
［効果］
実施の形態５に係る半導体センサ１Ｅによれば、以下の効果を奏することができる。
半導体センサ１Ｅは、第２誘電体層１２Ｂ、第４電極２４及び接続導体２６を備える。第２誘電体層１２Ｂは、第１誘電体層１２Ａ上に配置され、第１電極１３、第２電極１４及び半導体シート１５を覆う。第４電極２４は、第２誘電体層１２Ｂ上に配置される。接続導体２６は、第３電極１７Ｂと第４電極２４とを接続する。第３電極１７Ｂは、本体電極１７ａ、外部電極１７ｂ及び接続線１７ｃを有する。本体電極１７ａは、第１誘電体層１２Ａに覆われている。外部電極１７ｂは、第１本体電極から離れて配置されている。接続線１７ｃは、本体電極１７ａと外部電極１７ｂとを接続する。複数の吸着部１８は、外部電極１７ｂ上に配置されている。
このような構成により、半導体センサ１Ｅの使い勝手を向上させることができる。また、電解液２０と接する部品を減らすことができるため、電解液２０による半導体センサ１Ｅの劣化を抑制することができる。
なお、実施の形態５では、検出装置５０Ｅが容器２７を備える例について説明したが、これに限定されない。容器２７は必須の構成ではない。あるいは、半導体センサ１Ｅが容器２７を備えていてもよい。
（変形例３）
図１４Ａは、本発明に係る実施の形態５の変形例３の検出装置５０ＥＡの主要な構成を示す概略断面図である。図１４Ａに示すように、検出装置５０ＥＡの半導体センサ１ＥＡでは、第４電極２４Ａが、本体電極２４ａ、外部電極２４ｂ及び接続線２４ｃを有する。外部電極２４ｂの表面には、複数の吸着部２５が配置されている。また、電解液２０が充填された状態では、外部電極２４ｂの表面に、電気二重層１２ｄが形成されている。
変形例３においては、本体電極２４ａを第２本体電極２４ａと称する。外部電極２４ｂを第２外部電極２４ｂと称する。接続線２４ｃを第２接続線２４ｃと称する。複数の吸着部２５を複数の第３吸着部２５と称する。
第２本体電極２４ａは、第２誘電体層１２Ｂ上に配置されている。第２本体電極２４ａは、実施の形態５の第４電極２４と同様の構成を有する。第２本体電極２４ａは、半導体シート１５の第２主面ＰＳ２側に配置されており、半導体シート１５と容量結合する。
第２外部電極２４ｂは、第２本体電極２４ａから離れて配置されている。第２外部電極２４ｂは、容器２７内に配置され、電解液２０と接触する。第２外部電極２４ｂは、実施の形態５の第１外部電極１７ｂと同様の構成を有する。
電解液２０が充填された状態では、第２外部電極２４ｂの表面には、電気二重層１２ｄが形成されている。実施の形態５では、電気二重層１２ｄは、実施の形態１の電気二重層１２ｂと同様である。
第２外部電極２４ｂは、電気二重層１２ｄを介して電解液２０と接触している。これにより、第２外部電極２４ｂは、電解液２０と容量結合している。電気二重層１２ｄは、第２外部電極２４ｂと電解液２０とが容量結合できる程度の厚さを有する。
第２接続線２４ｃは、第２本体電極２４ａと第２外部電極２４ｂとを接続する。第２接続線２４ｃは、第２本体電極２４ａと第２外部電極２４ｂとを電気的に接続する。第２接続線２４ｃは、例えば、導電性材料で形成されている。また、第２接続線２４ｃは可撓性を有していてもよい。
複数の第３吸着部２５は、第２外部電極２４ｂの表面に配置されている。複数の第３吸着部２５は、第２外部電極２４ｂと電解液２０とが容量結合する部分に配置されている。具体的には、複数の第３吸着部２５は、第２外部電極２４ｂの表面上で電気二重層１２ｄに覆われている。複数の第３吸着部２５は、容器２７内の電解液２０中に存在する検出対象物２を吸着する。複数の第３吸着部２５は、複数の第１吸着部１８と同様と同様の構成を有する。
このような構成においても、半導体センサ１ＥＡの使い勝手を向上させることができる。また、電解液２０による半導体センサ１ＥＡの劣化を抑制することができる。
また、半導体センサ１ＥＡにおいては、半導体シート１５の両面を利用することができる。更に、複数の第３吸着部２５によっても検出対象物を吸着することができ、実施の形態１と比べて、より広い面積で検出対象物２を吸着することができる。これにより、半導体センサ１ＥＡのセンサ感度を向上させることができる。
なお、変形例３において、複数の第３吸着部２５が複数の第１吸着部１８と同様である例について説明したが、これに限定されない。例えば、複数の第３吸着部２５は、複数の第１吸着部１８と異なっていてもよい。言い換えると、複数の第３吸着部２５は、複数の第１吸着部１８とは異なる検出対象物を検出してもよい。
変形例３において、複数の第３吸着部２５が第２外部電極２４ｂに直接配置される例について説明したが、これに限定されない。複数の第３吸着部２５は、第２外部電極２４ｂと電解液２０とが容量結合する部分に配置されていればよい。例えば、第２外部電極２４ｂが絶縁体層などを含む誘電体層で覆われており、複数の第３吸着部２５が誘電体層を介して第２外部電極２４ｂに配置されていてもよい。
（変形例４）
図１４Ｂは、本発明に係る実施の形態５の変形例４の検出装置の主要な構成を示す概略断面図である。図１４Ｂに示すように、検出装置５０ＥＢの半導体センサ１ＥＢでは、第３電極１７Ｃが、本体電極１７ａ、第１外部電極１７ｄ、第１接続線１７ｅ、第２外部電極１７ｆ及び第２接続線１７ｇを有する。
本体電極１７ａは、基板１１上に配置され、第１誘電体層１２Ａで覆われている。本体電極１７ａは、半導体シート１５の第１主面ＰＳ１側に配置されており、半導体シート１５と容量結合する。
第１外部電極１７ｄは、本体電極１７ａから離れて配置されている。第１外部電極１７ｄは、第２誘電体層１２Ｂ上に配置される。第１外部電極１７ｄは、第２誘電体層１２Ｂを介して半導体シート１５と対向する。半導体センサ１ＥＢの平面視において、第１外部電極１７ｄは、第１電極１３と第２電極１４との間に配置されている。具体的には、第１外部電極１７ｄの一端側が第１電極１３と第２電極１４との間に配置されている。
第１接続線１７ｅは、本体電極１７ａと第１外部電極１７ｄとを電気的に接続する。第１接続線１７ｅは、導電性材料で形成されている。
第２外部電極１７ｆは、本体電極１７ａから離れて配置されている。第２外部電極１７ｆは、容器２７内に配置されている。第２外部電極１７ｆは、容器２７内において、電解液２０と接触する。第２外部電極１７ｆの表面には、複数の吸着部１８が配置されている。
容器２７が電解液２０で満たされている場合、第２外部電極１７ｆと電解液２０との間に電気二重層１２ｃが形成される。複数の吸着部１８は、電気二重層１２ｃに覆われている。
第２接続線１７ｇは、第１外部電極１７ｄと第２外部電極１７ｆとを電気的に接続する。第２接続線１７ｇは、導電性材料で形成されている。
このような構成においても、半導体センサ１ＥＢのセンサ感度を向上させることができる。
なお、変形例４においては、第３電極１７Ｃが２つの外部電極１７ｄ、１７ｆと２つの接続線１７ｅ，１７ｇとを備える例について説明したが、これに限定されない。第３電極１７Ｃは、複数の外部電極と、複数の接続線と、を有していればよい。
（実施の形態６）
本発明に係る実施の形態６の半導体センサについて説明する。
実施の形態６では、主に実施の形態２と異なる点について説明する。実施の形態６においては、実施の形態２と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態６では、実施の形態２と重複する記載は省略する。
図１５は、本発明に係る実施の形態６の検出装置５０Ｆの主要な構成の一例を示す概略断面図である。
実施の形態６では、複数の第１吸着部１８と複数の第２吸着部２３Ａとが異なる構成を有する点で、実施の形態２と異なる。
図１５に示すように、検出装置５０Ｆは、半導体センサ１Ｆと、第５電極１６と、を有する。なお、図１５では、半導体センサ１Ｆに電解液２０が充填されている状態である。半導体センサ１Ｆにおいて、複数の第２吸着部２３Ａは、複数の第１吸着部１８が吸着する第１検出対象物２とは異なる第２検出対象物３を吸着する。例えば、複数の第２吸着部２３Ａは、複数の第１吸着部１８とは異なるターゲット分子を吸着するレセプタを有する。
例えば、複数の第１吸着部１８は、第１検出対象物２として、正電荷のターゲット分子を吸着する。複数の第２吸着部２３Ａは、負電荷のターゲット分子を吸着する。
図１６は、複数の検出対象物２，３を吸着した場合の電流の変化の一例を示す概略図である。図１６は、複数の第１吸着部１８が正電荷のターゲット分子を吸着し、複数の第２吸着部２３Ａが負電荷のターゲット分子を吸着する場合の半導体シート１５の電気特性の変化の一例を示す。
図１６に示すように、半導体シート１５の電気特性の変化の方向に基づいて、検出したターゲット分子を識別することができる。図１６に示す例では、第１吸着部１８によって正電荷のターゲット分子を吸着する場合、半導体シート１５の電気特性は、吸着前の初期特性から正方向に変化する。一方、第２吸着部２３Ａによって負電荷のターゲット分子を吸着する場合、半導体シート１５の電気特性は、吸着前の初期特性から負方向に変化する。
このように、１つの半導体センサ素子によって、２種類のターゲット分子を検出することができる。
また、複数の第２吸着部２３Ａは、複数の第１吸着部１８とダイナミックレンジ（解離係数）の異なるレセプタを有していてもよい。ダイナミックレンジとは、測定できるターゲット分子の濃度レベルのことを意味する。
図１７は、ダイナミックレンジの一例を示す概略図である。図１７では、第１吸着部１８と第２吸着部２３Ａとが互いに異なるダイナミックレンジを有するレセプタを用いている。
図１７に示すように、第１吸着部１８と第２吸着部２３Ａとで、互いに異なるダイナミックレンジのレセプタを使用することによって、ダイナミックレンジを拡大することができる。
［効果］
実施の形態６に係る半導体センサ１Ｆによれば、以下の効果を奏することができる。
半導体センサ１Ｆにおいては、複数の第２吸着部２３Ａは、複数の第１吸着部１８が吸着する第１検出対象物２とは異なる第２検出対象物３を吸着する。このような構成により、１つの半導体センサ素子によって２種類の検出対象物を測定することができる。また、ダイナミックレンジを拡大することもできる。
（変形例５）
図１８は、本発明に係る実施の形態６の変形例５の検出装置５０ＦＡの主要な構成を示す概略断面図である。図１８に示すように、検出装置５０ＦＡの半導体センサ１ＦＡは、複数の第３吸着部２５Ａを除いて、実施の形態５の変形例３の半導体センサ１ＥＡの構成と同様の構成を有する。半導体センサ１ＦＡにおいて、複数の第３吸着部２５Ａは、複数の第１吸着部１８が吸着する第１検出対象物２とは異なる第３検出対象物４を吸着する。このような構成においても、半導体センサ１Ｆと同様の効果を奏することができる。
（その他の実施形態）
その他の実施形態として、半導体センサは、実施の形態１の構成に実施の形態４または５の第４電極２４を備えてもよい。また、当該半導体センサにおいて、第４電極２４の上にカバー層が配置されていてもよい。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した特許請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
本発明の半導体センサは、ケミカルセンサ、バイオセンサ、ガスセンサ、ｐＨセンサなどに有用である。
１Ａ，１ＡＡ，１ＡＢ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１ＥＡ，１ＥＢ，１Ｆ，１ＦＡ 半導体センサ
２，３，４ 検出対象物
１１ 基板
１２，１２Ａ 誘電体層（第１誘電体層）
１２Ｂ 誘電体層（第２誘電体層）
１２ａ 絶縁体層
１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ 電気二重層
１３ 第１電極（ドレイン電極）
１４ 第２電極（ソース電極）
１５ 半導体シート
１５ａ 半導体
１５ｂ キャリア変調領域
１６ 追加電極（第５電極；ゲート電極）
１７，１７Ａ，１７Ｂ、１７Ｃ 第３電極（バックゲート電極）
１７ａ 本体電極（第１本体電極）
１７ｂ 外部電極（第１外部電極）
１７ｃ 接続線（第１接続線）
１７ｄ 第１外部電極
１７ｅ 第１接続線
１７ｆ 第２外部電極
１７ｇ 第２接続線
１８ 吸着部（第１吸着部）
１９ 演算部
２０ 電解液
２１ カバー層
２１ａ 孔
２２ 電極層
２３，２３Ａ 吸着部（第２吸着部）
２４，２４Ａ 第４電極（トップゲート電極）
２４ａ 本体電極（第２本体電極）
２４ｂ 外部電極（第２外部電極）
２４ｃ 接続線（第２接続線）
２５，２５Ａ 吸着部（第３吸着部）
２６ 接続導体
２７ 容器
５０Ａ，５０ＡＡ，５０ＡＢ．５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ，５０Ｅ，５０ＥＡ，５０ＥＢ，５０Ｆ，５０ＦＡ 検出装置

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板上に配置される第１誘電体層と、
    前記第１誘電体層上に配置される第１電極と、
    前記第１電極と間隔を有して、前記第１誘電体層上に配置される第２電極と、
    前記第１誘電体層上において前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する半導体シートと、
    前記第１誘電体層に少なくとも一部が覆われ、前記半導体シートに前記第１誘電体層を介して対向する第３電極と、
    前記第３電極の表面と前記第３電極の表面に配置される前記第１誘電体層とのうち少なくとも１つに配置され、検出対象物を吸着する複数の第１吸着部と、
    前記第１誘電体層上に配置され、前記第１電極、前記第２電極及び前記半導体シートを覆う第２誘電体層と、
    前記第２誘電体層上に配置される第４電極と、
    前記第４電極上に配置され、検出対象物を吸着する複数の第２吸着部と、
    を備え、
    前記第４電極は、
    前記第２誘電体層上に配置される第２本体電極と、
    前記第２本体電極から離れて配置される第２外部電極と、
    前記第２本体電極と前記第２外部電極とを接続する第２接続線と、
    を有し、
    前記第２外部電極の表面には、前記複数の第２吸着部が配置されている、
    半導体センサ。
  2. 前記複数の第２吸着部は、前記複数の第１吸着部が吸着する第１検出対象物とは異なる第２検出対象物を吸着する、
    請求項１に記載の半導体センサ。
  3. 基板と、
    前記基板上に配置される第１誘電体層と、
    前記第１誘電体層上に配置される第１電極と、
    前記第１電極と間隔を有して、前記第１誘電体層上に配置される第２電極と、
    前記第１誘電体層上において前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する半導体シートと、
    前記第１誘電体層に少なくとも一部が覆われ、前記半導体シートに前記第１誘電体層を介して対向する第３電極と、
    前記第３電極の表面と前記第３電極の表面に配置される前記第１誘電体層とのうち少なくとも１つに配置され、検出対象物を吸着する複数の第１吸着部と、
    前記第１誘電体層上に配置され、前記第１電極、前記第２電極及び前記半導体シートを覆う第２誘電体層と、
    前記第２誘電体層上に配置される第４電極と、
    前記第３電極と前記第４電極とを接続する接続導体と、
    を備え、
    前記第３電極は、
    前記第１誘電体層に覆われる第１本体電極と、
    前記第１本体電極から離れて配置される第１外部電極と、
    前記第１本体電極と前記第１外部電極とを接続する第１接続線と、
    を有し、
    前記複数の第１吸着部は、前記第１外部電極の表面に配置される、
    半導体センサ。
  4. 前記第３電極は、前記基板として構成されている、
    請求項１～３のいずれか一項に記載の半導体センサ。
  5. 更に、
    前記半導体シートから出力される電気信号を受信し、前記電気信号に基づいて前記検出対象物の量を演算する演算部を備える、
    請求項１～４のいずれか一項に記載の半導体センサ。
  6. 請求項１～５のいずれか一項に記載の半導体センサと、
    前記第１電極と前記第２電極との間の電流を制御する第５電極と、
    を備える、検出装置。
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