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▶ ルクセンブルク・インスティテュート・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー・（エルアイエスティ）の特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-25
(54)【発明の名称】イオン感応性電界効果トランジスタ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/414 20060101AFI20220118BHJP
【ＦＩ】
G01N27/414 301V
G01N27/414 301U
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021529455
(86)(22)【出願日】2019-11-20
(85)【翻訳文提出日】2021-07-20
(86)【国際出願番号】 EP2019081951
(87)【国際公開番号】W WO2020109110
(87)【国際公開日】2020-06-04
(31)【優先権主張番号】101020
(32)【優先日】2018-11-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】LU
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】516296566
【氏名又は名称】ルクセンブルク・インスティテュート・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー・（エルアイエスティ）
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】セザール・パスクアル・ガルシア
(72)【発明者】
【氏名】セレーナ・ロッロ
(57)【要約】
ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサは、ソース端子と、ドレイン端子と、ソース端子とドレイン端子との間のトランジスタチャネルと、を含む。ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサは、ソース端子とドレイン端子との間に延びるフィンであって、トランジスタチャネルを含むフィンであり、分析対象溶液との界面を形成するための電荷感応性表面を有する対向面、及び電荷感応性表面と、フィンの対向面の間の中央に位置するトランジスタチャネルとの間の絶縁隔壁を有するフィンもまた含む。トランジスタチャネルは、高さと幅の比が少なくとも１０である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサであって、ソース端子、ドレイン端子、及び前記ソース端子と前記ドレイン端子との間のトランジスタチャネルと、
前記ソース端子と前記ドレイン端子との間に延びるフィンであって、前記トランジスタチャネルを含む前記フィンであり、分析対象溶液との界面を形成するための電荷感応性表面を有する対向面、及び前記電荷感応性表面と、前記フィンの前記対向面の間の中央に位置する前記トランジスタチャネルとの間の絶縁隔壁を有する前記フィンと、
を含むとともに、
前記トランジスタチャネルが、前記ソース端子から前記ドレイン端子に延びる長さ、並びに、前記長さに横方向に延びる幅及び高さを有し、前記トランジスタチャネルは、高さと幅の比が少なくとも１０であり、幅が５０ｎｍから３００ｎｍまでの範囲にあり、高さが５００ｎｍから１０μｍまでの範囲にあり、長さが５μｍから３０μｍまでの範囲にある、ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項2】
前記絶縁隔壁が酸化物層を含む、請求項１に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項3】
前記酸化物層の厚さが３０ｎｍ以下である、請求項２に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項4】
前記絶縁隔壁がＳｉＯ２層、Ａｌ２Ｏ３層、又はＨｆＯ２層を含む、請求項２又は３に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項5】
前記絶縁隔壁が、前記電荷感応性表面をイオン選択的又は分子選択的にする表面機能化を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項6】
前記フィンが半導体基板、例えば、Ｓｉ基板から突き出ている、請求項１～５のいずれか一項に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項7】
前記トランジスタチャネルがｐドープシリコンで形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項8】
前記トランジスタチャネルがｎドープシリコンで形成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項9】
ジャンクションレス電界効果トランジスタとして実装される、請求項１～８のいずれか一項に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項10】
前記トランジスタチャネルは、高さと幅の比が少なくとも１５である、請求項１～９のいずれか一項に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項11】
前記フィンは、幅が５０ｎｍから２５０ｎｍまでの範囲にあり、且つ／又は高さが１μｍから５μｍまでの範囲にあり、且つ／又は長さが７μｍから２０μｍまでの範囲にある、請求項１～１０のいずれか一項に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサ。
【請求項12】
イオン感応性又は分子感応性デバイスであって、請求項１～１１のいずれか一項に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサと、
分析対象溶液を受け入れるためのチャンバであって、前記ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサの前記フィンが、中に突き出ているように配置されている前記チャンバと、
前記分析対象溶液に接触するように配置された基準電極と、
を含む、イオン感応性又は分子感応性デバイス。
【請求項13】
マイクロ流体タンパク質センサ、マイクロ流体生体分子センサ、マイクロ流体ＤＮＡセンサなど、請求項１２に記載のイオン感応性又は分子感応性デバイスとして実装されるマイクロ流体センサ。
【請求項14】
請求項１２に記載の複数のイオン感応性又は分子感応性デバイス、及び／又は請求項１３に記載のマイクロ流体センサを含む、マイクロ流体プラットフォーム。
【請求項15】
請求項１２に記載のイオン感応性又は分子感応性デバイス、請求項１３に記載のマイクロ流体センサ、又は請求項１４に記載のマイクロ流体プラットフォームを使用する方法であって、前記分析対象溶液が前記チャンバに導かれるとともに、前記分析対象溶液が前記チャンバに対して静止しているときに、前記ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサのコンダクタンスに依存する電気量が測定される方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、概して、化学種及び生物種を検出するためのセンサ、特に、イオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ：ｉｏｎ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、並びに、このようなトランジスタを実装するデバイス、例えば、ＤＮＡ－ＩＳＦＥＴ、免疫ＩＳＦＥＴ、酵素ＦＥＴ、等々を含むＩＳＦＥＴベースのバイオセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
ＩＳＦＥＴは、溶液中のイオン濃度を測定するために構成された電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。ＩＳＦＥＴベースの（バイオ）センサはＩＳＦＥＴの修正版であり、グローバル電荷、又は導通チャネルに局所的に影響を与えるグローバルニュートラルなローカル電荷を持つ特定の（生体）分子を選択的に捕捉するように、界面が機能化されている。
【0003】
ＩＳＦＥＴは、ｐＨ測定及びイオン測定用のガラス電極に代わるものとして、最初に１９７０年代に開発された。ＩＳＦＥＴの構造は、ゲート誘電体が分析対象溶液にさらされているため、溶液中のイオンがゲート電位に影響を及ぼし、ソース－ドレイン電流を静電的に制御するという点を除き、ＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の構造に類似している。分析対象溶液と接触する基準電極を使用して、分析対象溶液の電位を判定する。基準電極で固定された電位（基準電位）の場合、ゲート誘電体の表面電位だけがｐＨとともに変化し、ソース－ドレイン電流もまた変化する。
【0004】
シリコンナノワイヤ（ＮＷ：ｎａｎｏｗｉｒｅ）ベースのＦＥＴが、化学種及び生物種を検出するための新世代のラベルフリーのリアルタイムセンサ向けに考案されている。シリコンＮＷは、三次元で構成されることにより、平面ＩＳＦＥＴ（いわゆるリボン型ＩＳＦＥＴ）よりも効率的に、超低濃度の分子を検出するようになっている。これは、拡散が制限されたプロセスでの、すなわち、低濃度の標的イオンでのゲーティングが良くなること、及びジオメトリがより効率的になることによる。ＤＮＡ及びタンパク質を含む様々な生体分子に対して、低い検出限界が示されている。ＳｉＮＷベースのＩＳＦＥＴは、半導体業界の製造方法を使用しており、フットプリント、動作電流及び電圧が低いため、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ：ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）回路と互換性を有する。これにより、例えば、パーソナライズされた精密医療といったような、大規模な多重化を必要とする用途に適したものとなる。
【0005】
静電容量が小さいことにより、ＳｉＮＷ ＩＳＦＥＴは応答時間が短いため、それらはリアルタイム感知であると認められている。しかしながら、実際には、電解質溶液中のイオンの静電遮蔽という制限がある。この理由で、ほとんどの実験では、等張条件で定温放置した後に、イオン強度の低い液体で洗浄してから測定するという２つのプロセスを組み合わせている。
【0006】
（特許文献１）は、「ＦｉｎＦＥＴ」と呼ばれる、感知環境（液体、気体、固体）に完全に浸漬されたデバイスを開示している。提案されているデバイスは、ＮＷ ＩＳＦＥＴの変形である。このデバイスは、バルクシリコン基板の表面から垂直方向に突き出ているシリコンフィンを含む。デバイスの垂直構造及びマルチゲート制御により、平面型の比較対照物であるＩＳＦＥＴ、及び一般的なＳｉＮＷに比べて、安定性が高くなり、信号対雑音比が高くなる。開示されているＦｉｎＦＥＴの高さと幅の比は、約３になる。フィンは、底部がテーパ状になっているか、又は基板から完全に外れた状態で製造されている。それに応じて、ＦｉｎＦＥＴのトランジスタチャネルは、空隙及び／又はシリコン酸化物によって、互いに、そしてシリコン基板から電気的に絶縁されている。したがって、トランジスタチャネルは、事実上、垂直方向に伸びた断面を有するナノワイヤに相当する。（特許文献１）は、ＦｉｎＦＥＴの製造方法もまた開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１５／０２６８１８９Ａ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ＳｉＮＷ－ＦＥＴには、それでもなお繰返し精度及び信頼性の問題がある。それらのトランジスタチャネルの断面積が小さいため、製造及び機能化上の欠陥が、ＮＷのパンク及び不均一性につながるリスクが高くなる。このため、ＮＷの組成及び均一性を制御するために努力しなければならない。ＳｉＮＷは、比較的小さい信号を生成することにより、抵抗性の高いデバイスを分極するために電圧を昇圧する必要があるため、集積化の難易度が高くなっている。ＮＷアレイを並列で測定すると、総信号を増やし、信頼性の欠如を軽減する可能性がある。この手法のマイナス面は、デバイス全体のフットプリントが大きくなるということである。このように、並列のＮＷのアレイは、拡散が制限されたプロセスで分析対象の濃度が低いと効率が低下するという欠点があり、フットプリントが大きくなるため、大規模な多重化にはあまり適していない。
【0009】
本発明の一態様の目的は、上記で明らかにした課題を軽減する代替的なＩＳＦＥＴを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様によれば、ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサは、
－ソース端子、ドレイン端子、及びソース端子とドレイン端子との間のトランジスタチャネルと、
－ソース端子とドレイン端子との間に延びるフィンであって、トランジスタチャネルを含むフィンであり、分析対象溶液との界面を形成するための電荷感応性表面を有する対向面、及び電荷感応性表面と、フィンの対向面の間の中央に位置するトランジスタチャネルとの間の絶縁隔壁を有するフィンと、
を含む。
－ソース端子、ドレイン端子、及びソース端子とドレイン端子との間のトランジスタチャネルと、
－ソース端子とドレイン端子との間に延びるフィンであって、トランジスタチャネルを含むフィンであり、分析対象溶液との界面を形成するための電荷感応性表面を有する対向面、及び電荷感応性表面と、フィンの対向面の間の中央に位置するトランジスタチャネルとの間の絶縁隔壁を有するフィンと、
を含む。
【0011】
トランジスタチャネル、すなわち、導電率が分析対象の濃度の関数として変化するフィンの内部にある領域は、高さと幅の比が少なくとも１０であり、幅が５０ｎｍから３００ｎｍまでの範囲にあり、高さが５００ｎｍから１０μｍまでの範囲にあり、長さが５μｍから３０μｍまでの範囲にある。本発明の文脈において使用される寸法表示に関して、「長さ」とは、ソース端子からドレイン端子まで延びる方向を指し、「高さ」及び「幅」は、長さに対して横方向である。より具体的には、「幅」とは、ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサの基板の長さに対して横方向であり、且つ基板に平行な方向を指し、「高さ」とは、長さに対して横方向であり、且つ、基板に垂直な方向を指す。トランジスタチャネルは、概して平面状とすることができるが、曲線状の長さの広がりを有する場合もあることに留意されたい。幅及び高さは、トランジスタチャネルの長さ全体にわたって均一であることが好ましい。或いは、幅及び高さは、トランジスタチャネルの中央部分全体にわたって均一である場合があり（端部がテーパ状になっている場合がある）－この場合には、高さと幅の比は、中央部分で測定されることになる。中央部分の長さは、トランジスタチャネルの全長の少なくとも３分の２になるのが好ましい。
【0012】
フィンは、標的分析対象濃度範囲（分析対象の最大及び最小検出可能濃度）に応じて、（幅、高さ、長さ、トランジスタチャネルのドーピング（ドーパント種及び濃度）、絶縁隔壁の厚さ及び材料、等々の点で）構成されることが好ましい。ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサが空乏モード（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ－ｍｏｄｅ）トランジスタ（すなわち、分析対象の濃度が高くなると導電率が低下する）として設計されている場合、フィンは、求められる最大の分析対象の濃度に対して所望の感度を有するように、且つ、完全な空乏に達するように構成されることが好ましい。理論による束縛を望まないが、高感度（低い検出限界）に達するためには、ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサのサイズを小型化しなければならないことは経験則である。このため、高アスペクト比のフィン（及びトランジスタチャネル）を有するＩＳＦＥＴであれば、ＮＷ ＩＳＦＥＴと比較して検出限界が大幅に悪化することが予測される。しかしながら、本発明者らは、意外にも、本発明によるＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサは、感度を大幅に悪化させないだけでなく、信頼性が向上し、信号対雑音比が高くなることによる恩恵も受けることを見出した。ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサの寸法により、デバイスが、ヌクレオチド、ヌクレオチド結合部位、ペプチド、タンパク質又はタンパク結合部位による機能化に特に適したものになることが認識されるであろう。実際、利用可能な表面は、取得可能な機能化部位の数が十分に多く、機能化部位の密度の小さな欠陥又は統計的変動が、ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサの応答関数に及ぼす影響は、小さいか又は無視できる程度になっている。したがって、所与の製造バッチのＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサは、本質的に同じ応答関数を有することが期待できる。利用可能な表面が小さければ、機能化部位の立体効果及び／又は密度の統計的変動が応答関数に大きな影響を及ぼす可能性があり、各デバイスを個別に較正する必要があるだけでなく、場合によっては、仕様要件を満たさない高い割合のデバイスを拒絶することが必要になる。寸法が大きくなり、したがって、利用可能な表面が大きくなると、ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサの感度が低下する可能性があり、標的分析対象濃度が低いこと、及び／又はマイクロ流体の流れがない場合に体積が小さいことを特徴とする用途にはあまり適さなくなる。
【0013】
本発明によるＩＳＦＥＴの一実施形態は、完全に導電性の状態から、約ｐＨ８台の範囲でほぼ完全に空乏化された状態になるように、（寸法及びドーピングに関して）構成されたｐドープトランジスタチャネルを有するｐＨセンサとして実装された。分析対象の静電効果と、フィンの物理的な高さとの間の関係は、ＩＳＦＥＴの性能に対する深い因果関係を有する。フィンの表面積が大きいことにより、トランジスタチャネル内の電荷キャリアの移動度が二次元になり、ＮＷ ＩＳＦＥＴと比較した場合、表面欠陥がトランジスタ性能に及ぼす影響の減少につながる。この構成の選択により、従来のＮＷ（又はＮＷアレイ）と比較して断面積が大きくなり、線形応答が向上した大きな出力電流に対応できる。試験ＩＳＦＥＴのサイズがＮＷに比べて大きくなっても、感度が大幅に低下することはなかった。ｎドープ又はｐドープＳｉトランジスタチャネルを有するＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサの場合、その中のドーパント濃度は、最大で５・１０１７／ｃｍ３になることが好ましい。
【0014】
このように、本明細書に提示されているＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサは、ＮＷベースのセンサの利点を平面デバイスの信頼性と組み合わせつつ、その一方で、特定の実施形態では、三次元バイオセンサの利点もまた保つことができる。
【0015】
絶縁隔壁は、酸化物層を含むことが好ましい。酸化物層は、厚さが３０ｎｍ以下、例えば、２５ｎｍ以下、２０ｎｍ以下、又は１５ｎｍ以下、１０ｎｍ以下であることが好ましい。酸化物層は、二元又は三元酸化物、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＣｅＯ２、ＤｙＳｃＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＧｄＳｃＯ３、ＬａＳｃＯ３、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、及びこれらの組み合わせを含むか、又はそれらで構成することが可能である。二元酸化物の中では、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＨｆＯ２が好適であるが、その理由は、ＳｉＯ２は、Ｓｉとの界面が良好であるため、Ａｌ２Ｏ３は、原子層堆積（ＡＬＤ：ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスで最も一般的に実装されている酸化物のうちの１つであるため、そしてＨｆＯ２は、誘電率が高く、Ｓｉとのバンドオフセットが大きく、熱力学的及び動力学的に安定しており、Ｓｉとの界面が良好であるためである。これに加えて、又はこの代わりに、絶縁隔壁は、酸化物でない誘電体、例えば、Ｓｉ３Ｎ４を含む場合がある。
【0016】
絶縁隔壁は、電荷感応性表面を特定の種のイオン又は（生体）分子に対して選択的にする表面機能化を含むことが好ましい。機能化層は、特定のイオン又は生体分子（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＰＮＡ鎖及びアプタマーのようなヌクレオチド、抗体又は抗体フラグメント、ペプチド、ポリペプチド、タンパク質又はタンパク質フラグメント、選択的な糖類、酵素）がそこに結合することを可能にする表面を提供し得る。（生体）分子はイオンである（すなわち、正味の全体的な電荷を持っている）必要はないが、トランジスタチャネルに影響を与えるローカル電荷を持っているグローバルニュートラルである可能性があることは注目に値し得る。
【0017】
フィンは、半導体基板、例えば、Ｓｉ基板から突き出ていることが好ましい。
【0018】
トランジスタチャネルは、ｎドープシリコンで形成される場合がある。或いは、ｐドープシリコンで形成される場合もある。トランジスタチャネルは、蓄積モード又は空乏モードではさらに作用する場合がある。
【0019】
ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサは、ジャンクションレス電界効果トランジスタとして、すなわち、トランジスタチャネルとソースとの間、及びトランジスタチャネルとドレインとの間にそれぞれドーピング濃度勾配を設計せずに実装されることが好ましい。ジャンクションレス電界効果のトランジスタは、通常、高濃度にドープされたＳｉナノワイヤとして実装され、このナノワイヤは、トランジスタがオフになったときにキャリアを完全に空乏化させるのに十分な細さである。しかしながら、本開示の文脈では、ジャンクションレス電界効果トランジスタは、ナノワイヤのような一次元ではなく、二次元（トランジスタチャネルが完全に空乏化されていない場合）でのキャリア移動度を可能にするナノフィンによって実装される。
【0020】
トランジスタチャネルは、高さと幅の比が少なくとも１５であることが好ましい。それよりも高い高さと幅の比、例えば、２０、２５、３０、又はもっとその上であっても除外されない。
【0021】
フィンは、幅が５０ｎｍから２５０ｎｍまでの範囲にあることが好ましい。高さもまた、１μｍから５μｍまでの範囲にあることが好ましい。
【0022】
トランジスタチャネルの長さは、７μｍから２０μｍまでの範囲にあることが好ましい。トランジスタチャネルの中央部分（一定の幅及び高さを有する）の長さは、３μｍから２０μｍまでの範囲にあることが好ましく、５μｍから１８μｍまでの範囲にあることがより好ましい。
【0023】
本発明のさらなる一態様は、イオン感応性又は分子感応性デバイスであって、
－本明細書に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサと、
－分析対象溶液を受け入れるためのチャンバであって、ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサのフィンが、中に突き出ているように配置されているチャンバと、
－分析対象溶液に接触するように配置された基準電極又は疑似基準電極と、
を含む、イオン感応性又は分子感応性デバイスに関する。
－本明細書に記載のＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサと、
－分析対象溶液を受け入れるためのチャンバであって、ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサのフィンが、中に突き出ているように配置されているチャンバと、
－分析対象溶液に接触するように配置された基準電極又は疑似基準電極と、
を含む、イオン感応性又は分子感応性デバイスに関する。
【0024】
好適な一実施形態によれば、イオン感応性又は分子感応性デバイスは、マイクロ流体センサ、例えば、マイクロ流体タンパク質センサ、マイクロ流体生体分子センサ、又はマイクロ流体ＤＮＡセンサを含む。
【0025】
本発明のまださらなる一態様は、複数のイオン感応性デバイス及び／又はマイクロ流体センサを含むマイクロ流体プラットフォームに関する。
【0026】
本発明のやはりさらなる一態様は、イオン感応性又は分子感応性デバイス、マイクロ流体センサ、又はマイクロ流体プラットフォームを使用する方法であって、分析対象溶液がチャンバに導かれるとともに、分析対象溶液がチャンバに対して静止しているときに、ＩＳＦＥＴ又はＩＳＦＥＴベースのセンサのコンダクタンスに依存する電気量（例えば、ソース端子とドレイン端子との間の電圧降下及び／又は電流）が測定される方法に関する。
【0027】
本明細書では、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という動詞、及び「からなる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ ｏｆ）」という表現は、「少なくとも～で構成された（ｃｏｎｓｉｓｔ ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｆ）」又は「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」を意味する非限定的な移行句として使用される。「垂直方向の（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」及び「水平方向の（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」という用語は、絶対的な向きを指定すると解釈されるのではなく、基板に垂直な向き、又は平行な向きをそれぞれ指すものである。
【0028】
添付の図面は、本発明のいくつかの態様を図示し、詳細な説明とともに、本発明のいくつかの態様の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【0029】
【図1】本発明の一実施形態によるＩＳＦＥＴの概略的な部分斜視図である。
【図3】２キャパシタ式モデルによる電解質／誘電体界面、及び誘電体／半導体界面を図示したものである。
【図5】標的イオンの濃度が低い電解質に浸漬したときの、本発明の一実施形態によるＩＳＦＥＴのトランジスタチャネルを図示したものである。
【図8】本発明に従う３つの試験ＩＳＦＥＴの伝達特性（左側の図）、及びｐＨの関数としてのフラットバンド電圧（右側の図）を示したものである。
【図9】分析対象溶液のｐＨ値が異なる場合の、固定基準電圧における３つの試験ＩＳＦＥＴの出力特性（グラフ（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ））、異なる固定値の基準電位における電解質ｐＨの関数としての試験デバイスのコンダクタンス（グラフ（ｄ）、（ｅ）、及び（ｆ））、並びに相対的なコンダクタンスの変化（グラフ（ｇ）、（ｈ）、及び（ｉ））を示したものである。
【図10】試験ＩＳＦＥＴのうちの１つのコンダクタンス対表面電位Ψ０（又は最上部の目盛りで表示されたｐＨ）の変化と、高さと幅のアスペクト比が１であるナノワイヤのコンダクタンスとの比較を示したものである。
【図12】試験ＩＳＦＥＴのうちの１つの電流対時間特性（グラフ（ａ）：ｐＨを変動させた場合、グラフ（ｃ）：基準電圧を変動させた場合、グラフ（ｄ）：ｐＨは変動させたが、電解質の濃度が異なる場合）、及びグラフ（ａ）の測定値に対応する分析対象イオンの拡散時間（グラフ（ｂ））を示したものである。
【図13】ジオメトリ構成が異なるＩＳＦＥＴに向けてのイオン又は分子の拡散を図示したものである。
【図14】イオン選択的又は分子選択的表面機能化を含むＩＳＦＥＴベースのバイオセンサのフィンの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
図１及び図２は、本発明の一実施形態によるＩＳＦＥＴ１０を図示したものである。ＩＳＦＥＴ１０（以下、ＦｉｎＦＥＴも同様）は、ソース端子１２と、ドレイン端子１４と、ソース端子１２とドレイン端子１４との間に延びるフィン１６と、を含む。フィン１６は、その中にトランジスタチャネル１８を含むが、このトランジスタチャネルは、１つ又は複数の誘電体層、例えば、酸化物層を含む絶縁隔壁であって、電荷感応性（例えば、イオン感応性）表面２２を有する絶縁隔壁２０によって、分析対象溶液から隔てられている。トランジスタチャネルは、フィン１６の対向する横方向の面２４と２６の間の中央に位置している。絶縁隔壁２０は、フィン１６の横方向の面２４、２６、及び狭い上面２８を覆っている。フィン１６は、半導体基板３０から突き出ており、この半導体基板から、誘電体層３２によってフィン１６が電気的に絶縁されている。ソース領域及びドレイン領域は、不活性化層３３内に封入され、分析対象溶液中の短絡を防いでいる。
【0031】
トランジスタチャネル１８は、高さと幅の比が、少なくとも１０以上、例えば、１２、１５、２０、２５又はもっとその上である。
【0032】
図１４～図１６は、図１及び図２に示されているＦｉｎＦＥＴ１０の変形形態を図示したものである。具体的には、図１４～図１６のＦｉｎＦＥＴは、フィン１６の絶縁隔壁２０上の表面機能化３８を含む。表面機能化３８により、電荷感応性表面２２はイオン選択的又は分子選択的になり、すなわち、特定の分子種だけが表面に結合することが可能になる。それ以外のすべてに関しては、図１４～図１６のフィン１６の構造は、図１及び図２に示されている構造と同じである。
【0033】
図１５は、分析対象に特有の受容体４２で構成された表面機能化３８の第１の変形形態を概略的に図示したものである。図１６は、第２の変形形態を概略的に図示したものであり、表面機能化３８は、分析対象に特有の受容体４２だけでなく、（例えば、ポリエチレングリコールの）防汚コーティング４０もまた含む。様々なタイプの表面機能化が存在するので、本発明は、表面機能化の特定の種類に限定されない。
【0034】
分析対象のイオン濃度（この例ではＨ＋）の関数としてのトランジスタチャネル１８の挙動を、分析対象溶液と接触するＳｉＯ２バリア層で覆われたｐドープＳｉトランジスタチャネルについて以下で論じることにする。半導体内部の空乏領域の幅ＷＤは、化学的平衡及び静電気的平衡を考慮したモデルによって説明することができる。第１の効果は、プロトン化又は脱プロトン化することが可能な、プロトンと酸化物表面のシラノール群との相互作用である。化学的平衡では、表面に電荷があると、表面電位Ψ０が発生する。この表面電位と、分析対象溶液のｐＨとの間の関係は、ネルンスト式（Ｎｅｒｎｓｔ ｅｑｕａｔｉｏｎ）によって説明される。
【0035】
【数1】
【0036】
式中、ｋは、ボルツマン定数（Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ）であり、Ｔは、Ｋにおける温度であり、ｑは、素電荷であり、ｐＨＢは、バルクのｐＨであり、αは、酸化物のバッファ容量及び二重層静電容量を考慮した感度パラメータである。
【0037】
静電気的平衡は、半導体内部の電荷キャリアの再分配によって達せられる。これは、ポアソン方程式（Ｐｏｉｓｓｏｎ ｅｑｕａｔｉｏｎ）によって説明することができる。
【0038】
【数2】
【0039】
式中、Ψｓは、酸化物／半導体界面の電位であり、ρは、全空乏の近似ではドーピング（ＮＡ）に等しい半導体内部の電荷密度であり、ε０は、電気定数（真空誘電率）であり、εＳｉは、シリコンの比誘電率である。２つの平衡現象間の関係は、２キャパシタ式モデルによって説明することができ、酸化物及び空乏領域は、図３及び図４に図示されているような、直列のキャパシタと見なされる。平衡状態では、キャパシタは、等しい電荷Ｑｏｘ及びＱＤを持つ。
Ｑｏｘ＝（Ψ０－Ｖｆｇ－ΨＳ）Ｃｏｘ＝ΨＳＣＤ＝ＱＤ 式３
式中、Ｖｆｇは、通常、基準電極を通して電解質に印加される前面ゲート電位であり、Ｃｏｘは、酸化物の面積静電容量（
Ｑｏｘ＝（Ψ０－Ｖｆｇ－ΨＳ）Ｃｏｘ＝ΨＳＣＤ＝ＱＤ 式３
式中、Ｖｆｇは、通常、基準電極を通して電解質に印加される前面ゲート電位であり、Ｃｏｘは、酸化物の面積静電容量（
【0040】
【数3】
【0041】
式中、ｔｏｘは、酸化物の厚さを表す）であり、ＣＤは、空乏層の面積静電容量である。
【0042】
【数4】
【0043】
式２及び式３を組み合わせると、ＷＤは、Ψ０と、半導体のドーパント密度ＮＡ及び感知用酸化物の厚さなどの製造パラメータと、の関数として表現することができる。
【0044】
【数5】
【0045】
式１により、ＷＤもまた、ｐＨ、ＮＡ、及びｔｏｘの関数として表現することができる。酸性条件（プロトン濃度が高く、ｐＨが低い）のｐドープ半導体の場合、トランジスタチャネルの空乏領域の幅は、塩基性条件よりも大きくなる。ＩＳＦＥＴが一定である場合、ＷＤは、ｐＨのみの関数になる。これは、シリコン酸化膜表面がさらにプロトン化されることで、フィンの内部に反発的な電界が発生することにより、説明することができる。図５、図６、及び図７は、周囲の溶液のｐＨを減少させるためのトランジスタチャネルの空乏領域３４の増加（したがって、導電領域３６の減少も）を図示したものである。
【0046】
トランジスタチャネルのコンダクタンス（Ｇ）の変動は、ＷＤを使用してオームの法則によって計算し、導電領域３６の断面積の有効な変化を計算することができる。
【0047】
【数6】
【0048】
式中、σは、バルクシリコンの導電率を表し、△Ｓは、導電断面積の変動を表し、Ｌは、チャネルの長さを表し、ｗは、トランジスタチャネルの高さを表し、ｈは、トランジスタチャネルの高さを表す。
【実施例】
【0049】
本発明によるＳｉ ＦｉｎＦＥＴは、厚さ２±０．１μｍの、導電率０．１１５Ω・ｃｍ（等価ドーピング１０１７／ｃｍ３）のシリコンデバイス層（＜１１０＞配向）、及びＵｌｔｒａｓｉｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製の厚さ１μｍの埋め込みＳｉＯ２を有するｐドープ絶縁体上シリコン（ＳＯＩ：ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上に、異方性ウェットエッチングすることにより製造された。
【0050】
大気圧で純酸素流量２００ｓｃｃｍ、及び１０００℃で１９０秒間、急熱化学蒸着（ＲＴＣＶＤ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）反応器を使用して、基板の上にＳｉＯ２の薄層（厚さ４０ｎｍ）を成長させた。次に、厚さ２００ｎｍのｍａ－Ｎ２０４３の負電子ビーム（ｅビーム）レジスト層を２０００ｒｐｍで１分間スピン成形した。レジストを１２０℃で５分間ベーキングした。ＸＥＮＯＳリソグラフィシステムを装備したＦＥＩ－ＨＥＬＩＯＳ顕微鏡を使用して、ＦｉｎＦＥＴのデザインのパターニングを行った。手動で撹拌しながらｍａ－Ｄ現像液中で１分間現像した後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ）により、２５Ｗのプラズマを７５トル（Ｔｏｒｒ）の圧力で使用して、１５分間パターンを転写し、パターンの外側に数ｎｍのエッチングされていないＳｉＯ２を残し、その後、これを希薄なＨＦの等方性処理によって除去し、滑らかなシリコン表面を残した。続いて、２５重量％のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド、８．５容量％のイソプロピルアルコール水溶液中で、４３±１℃で自動撹拌（２５０ｒｐｍ）の下でサンプルをウェットエッチングした。エッチングは、パターニングされた領域の外側でデバイス層が完全に除去されるまで行われた。続いて、ＨＦでマスクを除去した。続いて、ＲＴＣＶＤを使用して、２０ｎｍのＳｉＯ２層を成長させた。オーム性接触は、走査型ＵＶレーザリソグラフィ（ＳＬＬ：ｓｃａｎｎｉｎｇ ＵＶ ｌａｓｅｒ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）によってパターニングされた。デバイスへのリード接点を画定するために、第２のＳＬＬステップが行われた。これらは、メサのオーム性接触の段差を克服するために、ｅビーム蒸着（５ｎｍのＴｉ、次に、５０ｎｍのＡｕ）と、それに続く１００ｎｍのコンフォーマルスパッタリングの組み合わせを使用して堆積された。ＳＵ－８フォトレジストを用いたＵＶ ＳＳＬパターニングを使用して、感知領域以外の領域をすべて不活性化した。続いて、各サンプルをプリント回路基板にマウントし、ワイヤボンディングした。金属ワイヤは、医療級の市販の液体エポキシ接着剤Ｌｏｃｔｉｔｅ Ｈｙｓｏｌ Ｍ－３１ＣＬを使用して不活性化した。
【0051】
得られたフィンは、測定された全長（Ｌ）が１４μｍであった。フィンの高さ（ｈ）は、２μｍであった。以下では、上述したように製造された、１５０、１７０、及び１９０ｎｍのフィン幅（Ｗ）をそれぞれ有するＦｉｎＦＥＴについて、より詳細に論じることにする。アスペクト比Ｗ／ｈは、１３．３（「デバイス１」の場合）、１１．８（「デバイス２」の場合）、及び１０．５（「デバイス３」の場合）であった。
【0052】
２線式構成を使用してＫｅｉｔｈｌｅｙ ２６１４ＨＢ ＤＣソースメータを用いて電気的特性評価を行い、電流－電圧（Ｉ－Ｖ）曲線を得た。ＦｉｎＦＥＴは、カロメル基準電極（ＢｉｏＬｏｇｉｃ Ｒ－ＸＲ３００）を使用して分極した。電解質は、開始時のｐＨが２．５の、１：１の緩衝液（０．１Ｍのリン酸カリウム、クエン酸、ホウ酸溶液と０．１Ｍの硝酸カリウム溶液）の混合物であり、より塩基性のｐＨ値に向けて０．１ＭのＫＯＨ溶液で滴定された。すべての緩衝液の溶媒は、Ｍｉｌｌｉ－Ｑ水であった。市販の較正済みｐＨセンサ（Ｓｅｎｔｒｏｎ Ｓ１６００）を使用して、ｐＨ及び温度をモニタリングした。実験の温度は、ホットプレートに置かれた槽を使用することにより、一定に保たれた。
【0053】
ｐドープＦｉｎＦＥＴは、プロトンのような正電荷の場合、空乏モードで作用する。ＦｉｎＦＥＴの出力特性及び伝達特性は、一定のｐＨ＝７で測定された。デバイスは、基準電極電圧（Ｖｒｅｆ）にコヒーレントな依存性を有する線形のドレインソース電流特性対ドレインソース電圧特性（Ｉｄｓ対Ｖｄｓ）を示した。ドレイン電流は、フィンの幅と相関関係があった。ＦｉｎＦＥＴを流れる電流は、ｐ型ＩＳＦＥＴで予測されるように、基準電圧が低下すると増加した。測定された出力特性及び伝達特性から、基準電圧及びドレイン電圧へのドレイン電流の明らかな依存性を観察することができた。試験ＦｉｎＦＥＴは、最大相互コンダクタンスが２６３±０．０６ｎＳであり、これは、ＮＷベースのＩＳＦＥＴの値に匹敵するものであった。
【0054】
基本的な特性評価の後、ＦｉｎＦＥＴのｐＨ変動に対する応答を試験した。伝達特性は、一定のＶｄｓ（５０ｍＶ）で、Ｖｒｅｆを－１．５から１．５Ｖに掃引し、手動滴定によって電解質のｐＨを酸性の値から塩基性の値へと変動させることによって測定した。得られた伝達特性（図８（ａ）、（ｃ）、及び（ｅ））は、分析対象溶液のｐＨが高くなるにつれてドレイン電流が増加することを示している。
【0055】
異なる電解質ｐＨ値でのＦｉｎＦＥＴの対応するフラットバンド電圧（Ｖｆｂ）は、伝達特性の一次導関数を計算することによって評価した。具体的には、相互コンダクタンス（δＩｄｓ／δＶｒｅｆ）の最小値から、ｐＨの関数としてのＶｆｂの値を計算した。最小値のより正確な位置を得るために、ガウス関数を用いて相互コンダクタンスを最小値近辺でフィッティングした。電解質のｐＨの関数としてのＶｆｂが、３つの試験ＦｉｎＦＥＴについて図８（ｂ）、（ｄ）、及び（ｆ）に示されている。ＦｉｎＦＥＴのフラットバンド電圧は、ｐＨが高くなるにつれて増加した。フィンの表面における表面ヒドロキシル基の脱プロトン化により、トランジスタチャネルの多数電荷キャリア（正孔）が増加し、これが空乏領域の減少につながる。得られたプロットから、３つの試験ＦｉｎＦＥＴについて、フラットバンド電圧が、ｐＨの関数として平均変化率が２２±１ｍＶ／ｐＨで変化したことを導き出すことができる。得られた感度は、予測された感度（約３０～３５ｍＶ／ｐＨ）よりも低かった。理論による束縛を望まないが、本発明者らは、これを、多目的処理チャンバでの感知用酸化物の成長中に生じた欠陥によるものであると説明した。
【0056】
図９のグラフ（ａ）、（ｂ）、及び（ｃ）は、分析対象溶液の異なるｐＨ値について、固定基準電圧Ｖｒｅｆ＝０Ｖでの、３つの試験ＦｉｎＦＥＴの出力特性を示したものである。ワイヤ中のコンダクタンスは、ｐＨが高くなるにつれて増加した。デバイスのＩｄｓ特性対Ｖｄｓ特性は、試験したｐＨ範囲（ｐＨ＝４からｐＨ＝１０まで）にわたってほぼ線形のままであり、広範囲にわたる良好なオーム性挙動を反映している。さらに、異なるｐＨ値でコンダクタンス値を評価した。グラフ（ｄ）、（ｅ）、及び（ｆ）は、異なる固定値Ｖｒｅｆ（－１００ｍＶから１００ｍＶまで、５０ｍＶ刻みで）における電解質のｐＨの関数としての、試験デバイスのコンダクタンスを示したものである。Ｖｒｅｆが低下するにつれて、コンダクタンスの増加が観察される。これは、半導体中の正電荷キャリアが誘引電界を経て、フィンの導電断面積が連続的に大きくなった結果であると解釈することができる。デバイスのコンダクタンスは、ｐＨが高くなるにつれて、ほぼ直線的に増加した。
【0057】
相対的なコンダクタンス変化△Ｇ％＝（（Ｇ－Ｇ０）／Ｇ０））％は、異なる基準電位Ｖｒｅｆで、それぞれのｐＨステップごとに評価された（図９、（ｇ）、（ｈ）、及び（ｉ））。これは、寸法が小さくなり、空乏領域の影響が大きくなったために、幅の狭いＦｉｎＦＥＴでは大幅に高くなった。これは、酸化物の表面電位が変化してもすべてのデバイスで同様の感度が得られた、伝達特性で観察された挙動とは対照的である。デバイス１は、△Ｇ％の実質的に線形の増加もまた示し、ｐＨからのコンダクタンスの二次関数的依存性を反映している。△Ｇ％の傾きもまた、印加された基準電圧Ｖｒｅｆとともに大きくなった。対照的に、デバイス２及びデバイス３は、ｐＨの関数としてほとんど一定の△Ｇ％を示した。この挙動は、電解質と接触する２つの方向でゲーティングが発生するために二次関数的依存性を示すＮＷに関する知見とは、明らかに対照的である。フィンはアスペクト比が１０を超えるため、空乏領域（ＷＤ）は、水平方向ではコンダクタンスに影響を与えるが、垂直方向では、影響は、（無視できるほどではないとしても）はるかに小さくなる（ｈ－ＷＤの相対的な変化は、Ｗ－ＷＤの相対的な変化よりもはるかに小さい）。これは、ＦｉｎＦＥＴの伝達特性ではなく、出力特性を測定することが有利であることを示唆している。
【0058】
ＦｉｎＦＥＴデバイス２で得られた結果を、アスペクト比が１：１であるナノワイヤの計算と比較した。図１０は、ＦｉｎＦＥＴデバイス２のコンダクタンス対表面電位Ψ０の変化を示したものである（相当するｐＨは最上部の目盛りで示されている）。実験データ（黒丸）を、高さ／幅アスペクト比が約１２．７の使用されるＦｉｎＦＥＴの理論モデル（式４及び式５）にフィッティングした。このシミュレーションを用いて、酸化物の厚さのパラメータ及びチャネルドーピングのパラメータが引き出され、それらは、酸化物の成長中に実行される楕円偏光法の較正（計算及び実験データでは、２０ｎｍ）、並びに製造者によって表示されたドーピングと非常に良く一致していることが分かった（フィッティング：２・１０１７ｃｍ－３、製造者情報：１－３・１０１７ｃｍ－３）。同じパラメータで計算されたアスペクト比が１：１のＮＷ ＩＳＦＥＴの曲線もまた、図に示されている。ＮＷのシミュレートされた応答は、考察された表面電位の変化に対してほぼ横這いである。
【0059】
図１１は、断面積に対して正規化された図１０のコンダクタンスを再現したものである。これは、ＦｉｎＦＥＴデバイスを、同じ断面積になる１３個のナノワイヤからなるＮＷアレイと比較することと同等である。曲線をより大きな表面電位の変化に外挿して、完全に導電性であり、且つ完全に空乏化されたデバイスを実現している（グラフの点線部分）。いずれのデバイスも、大体同じ表面電位で絶縁性となる（したがって、それらは同じようなダイナミックレンジを有することになる）。しかしながら、上記で言及した効果により、ＦｉｎＦＥＴがより優れた線形性を提示することが認められる場合がある。すなわち、ナノワイヤでは、空乏化は、ワイヤの２つの物理的な横方向の寸法（Ｗ及びｈ）に等しく依存するのに対し、ＦｉｎＦＥＴでは、空乏化は、はるかに大きな程度で幅（Ｗ）に依存し、ダブルゲート効果をもたらすが、空乏化の垂直成分の影響は比較的小さい。その結果、コンダクタンスの変化はほぼ線形である。結論として、数個のＮＷを並列接続すると、同等の電流を提供することができるが、同等の断面積を有するＦｉｎＦＥＴの方が、線形性に優れ、フットプリントが小さく、全ｐＨ範囲の感度を最適化する。
【0060】
最後に、ＦｉｎＦＥＴの電流特性対時間特性を調べた。ＦｉｎＦＥＴデバイス２に対して一定のＶｄｓ（２００ｍＶ）及びＶｒｅｆ（０Ｖ）で、リアルタイムでドレイン電流測定を実施した。一定のｐＨにおける電流は、長時間の作用時間の間、安定したままであった（３０００秒、観察されたドリフトは１ｎＡ未満）。ヒステリシスの影響を調べるために、複数回のサイクルで電解質のｐＨを最小２．５５から最大１１．４まで変動させた。加えて、ｐＨ測定は、ｐＨ値が異なる溶液間でセンサを移動させて、リアルタイムモードで行われた。これらの実験の間、温度は、氷槽中で零℃近くに保たれた。ＦｉｎＦＥＴの応答は、電解質（濃度：０．１Ｍ）のｐＨを１０．５とそれよりも低い９．４から３．１までの範囲のｐＨ値との間で数回循環させたときに、再現可能であることが観察された（図１２（ａ））。Ｉｄｓの最大値のわずかなドリフトが観察された。これは、ｐＨの変化及び／又はヒステリシスが不完全であることが原因であった可能性がある。
【0061】
これらの測定の間、ＦｉｎＦＥＴデバイスが平衡に達する整定時間を観察した。電流測定値対時間測定値を使用して、電解質のｐＨを値１０．５から７．９、６．２、４．５、及び３．１に変動させたときの、この整定時間をそれぞれ測定した（図１２（ａ））。応答を以下の指数関数を用いてフィッティングした。
【0062】
【数7】
【0063】
式中、Ａ１、ｔｓ、及びｙ０は、フィッティングパラメータを表す。ｔｓは、特徴存続時間に相当し、整定時間と見なされた。整定時間は図１２（ｂ）に示されており、コンマ数秒のオーダーで特徴的な時間があったことが分かる。整定時間の起源としての容量性効果を切り捨てるために、基準電圧を変化させることによって、リアルタイム応答を測定した（図１２（ｃ））。具体的には、基準電極電圧は、複数回のサイクルで０から２４、９６、及び１６５ｍＶに上昇させたが、これは、ｐＨの変化によって生み出された表面電位の変化に相当する。ここでも、一定のドレイン電圧及びｐＨ値で、時間に対してドレイン電流を測定した。電流は、特定のＶｒｅｆで安定しており、調べたＶｒｅｆ値のいずれにおいても整定時間は観察されなかった。電解質のイオン強度に起因する整定時間への寄与は、異なる電解質濃度でリアルタイム応答を測定することによって、切り捨てることができた。図１２（ｄ）は、電解質の濃度が１ｍＭの場合の時間の関数としてのＩｄｓを示したものである。２つの異なる電解質濃度で得られたリアルタイムｐＨ応答は類似しており、したがって、電解質の濃度の変化は、まったく影響しないか、又は、無視できる影響にすぎないと結論付けることができる。
【0064】
理論による束縛は望まないものの、本発明者らは、整定時間をプロトン拡散の効果として解釈している。拡散時間に対応するプロトン拡散距離もまた評価され、図１２（ｂ）に表示されている。計算は、水中のプロトンの拡散定数を考慮に入れて行われた（ＤＨ＋＝９・１０－９ｍ２／秒）。得られた拡散時間の間に、プロトンはセンサ表面に向かって０．５ｍｍから１ｍｍに拡散する。これらの距離は、フィンの高さよりも数桁大きい。これは拡散が制限されたプロセスでは、特に興味深いことである。本発明によるＦｉｎＦＥＴは、分子又はイオンが近距離から（すなわち、通常濃度又は高濃度で）到来する場合、平面センサのように挙動し、一方、分子又はイオンが遠距離から到達する場合、それらの三次元構成が低濃度における整定時間という拡散制限を大幅に改善する、ということが言える。この見地から、本発明によるＦｉｎＦＥＴは、バイオセンサとしての実装には特に興味深いものになっている。
【0065】
イオン又は分子は、センサに付着している限り感知されることで、溶液中の分子を空乏化し、センサ付近に分子の勾配を生み出す。図１３は、異なる時間及び異なるタイプのセンサの拡散フロントを示している。図示されている拡散フロントは、過渡現象中には、すなわち、分析対象のイオン又は分子がセンサ表面に引き寄せられるという事実のために、分析対象の濃度が一時的に不均一である場合には、等濃度平面と同一視することができる。高濃度では、整定時間は短く、大部分のイオン又は分子は、センサの付近から到来する。平面ＩＳＦＥＴの場合（図１３（Ａ））には、拡散フロントは、センサに垂直な一次元で変化する。ＮＷの場合（図１３（Ｂ））には、拡散フロントは、やはりセンサに垂直だが２つの方向で変化する。それに応じて、センサに向かって移動してきたイオン又は分子は、二次元から中に入ってくるイオン又は分子によって置き換えることができる。図１３（Ｃ）は、数個のＮＷが並列に接続されたＮＷアレイの場合に起こることを示している。高濃度では、拡散フロントは、各センサに垂直な方向からも到来する（挿入図に示されている拡大部分）が、濃度が低くなると、（検出限界に達するのに必要なイオン又は分子は、さらに遠方から到来するため）整定時間が長くなり、拡散フロントは、平面ＩＳＦＥＴの拡散フロントのように見える。これは、フラクタルフラストレーション拡散として理解されており、これによりＮＷマイクロアレイは通常、良好な信号対雑音比を有するものの、単一のＮＷに関しては、その感度の一部を失う。ＦｉｎＦＥＴ（図１３（Ｄ））の場合には、高濃度（挿入図の拡大部分）では、センサ付近の拡散フロントは、２面から到来しているものの、平面ＩＳＦＥＴの拡散フロントと同様になる。低濃度では、イオン又は分子は、拡散フロントが２方向で変化する、センサからさらに遠く離れたところから到来する。これにより、ＦＩＮＦＥＴは、関心対象となる低検出限界の範囲では効率的になる。
【0066】
ブラウン運動に従って、拡散時間（τ）に関連付けされた拡散距離（ＬＤ）は、次のように表現することができる。
【0067】
【数8】
【0068】
前述したように、本発明によるセンサの拡散距離の測定結果は、図１２（ｂ）に（右側の縦軸）報告されており、水中のプロトンの拡散定数Ｄは、Ｄ＝９・１０－９ｍ２／秒として使用された。プロトンがそこからＦｉｎＦＥＴ表面に向かって拡散するさらなる距離は、０．５ｍｍから１ｍｍまで変動し、これは、センサの高さよりも３桁大きい。ＦｉｎＦＥＴで観察された整定時間の変化が小さい（標準偏差と同等である）理由は、プロトンの拡散が速いためであると考えられている。拡散定数が遅く、定温放置時間が数時間になる可能性があるＤＮＡ又はタンパク質のような、関心対象となる可能性のある他の分析対象は、初期濃度に応じて、拡散の発生の仕方が異なる挙動を有する可能性がある。初期濃度が高いとき、分析対象は、表面の付近からセンサに到達することができ、二重ゲート効果（「１Ｄ拡散」）をともなってセンサの表面に平行な平面状の濃縮フロント上で拡散する。低濃度では、長い定温放置時間に関連して、センサに到達する分析対象は、さらに遠くの領域から生じ、拡散は２Ｄ（半円筒形）になる（図１３（Ｄ））。他の分析対象の質量輸送におけるＦＩＮＦＥＴの考えられる影響を大まかに比較するために、本発明者らは、ヘモグロビン及び２１ヌクレオチドのＤＮＡ鎖の拡散係数を使用したが、分子はプロトンと同様に信号に寄与することになる（表面電位の変化が同じ）と考察した。この近似値の範囲内であれば、４３秒でＦＩＮＦＥＴは、これらの生体分子の場合、プロトンの場合よりも３桁少ない濃度を検出することになり、一方、０．１ｎＭ（ｐＨ１０のプロトン濃度に近い）を検出する場合、平衡に達するまでに必要な時間は、１０４秒のオーダーである。同じ近似値を使用して、本発明者らは、平面ＩＳＦＥＴの場合（図１３（Ａ））の結果と、単一のＮＷ（図１３（Ｂ））の場合の結果とを比較した。平面ＩＳＦＥＴの場合、本発明者らは、４３秒で、生体分子の場合、μＭのオーダーの濃度が検出可能であり、一方、ＮＷの場合、検出限界は１ｎＭをやや上回ると推定した。同様に、０．１ｎＭの濃度を検出するのに要する時間は、平面ＩＳＦＥＴ及びＮＷでそれぞれ、１０６秒及び１０３秒となる。これとは対照的に、すぐ近傍の分析対象の濃度が減少すると、ＦｉｎＦＥＴは従来のＩＳＦＥＴのような挙動から、２Ｄでのより効率的な拡散に変化することで、低濃度でゆっくりと拡散する分子を測定するときに有利になる。
【0069】
本明細書では、特定の実施形態を詳細に説明してきたが、当業者であれば、本開示の全体的な教示に照らして、それらの詳細に対する様々な修正及び代替的形態を開発し得ることを認識するであろう。したがって、開示されている特定の配置は、例示のみを意図しており、本発明の範囲に関して限定するものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそのすべての均等物の全範囲に与えられるものとする。
【符号の説明】
【0070】
１０ ＩＳＦＥＴ
１２ ソース端子
１４ ドレイン端子
１６ フィン
１８ トランジスタチャネル
２０ 絶縁隔壁
２２ 電荷感応性表面
２４、２６ フィンの横方向の面
２８ 上面
３０ 半導体基板
３２ 誘電体層
３３ 不活性化層
３４ 空乏領域
３６ 導電領域
３８ 表面機能化
４０ 防汚コーティング
４２ 受容体
１２ ソース端子
１４ ドレイン端子
１６ フィン
１８ トランジスタチャネル
２０ 絶縁隔壁
２２ 電荷感応性表面
２４、２６ フィンの横方向の面
２８ 上面
３０ 半導体基板
３２ 誘電体層
３３ 不活性化層
３４ 空乏領域
３６ 導電領域
３８ 表面機能化
４０ 防汚コーティング
４２ 受容体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【国際調査報告】