透明バイオセンサ
【課題】ＴＦＴを有するバイオセンサを用いて顕微鏡観察と同時に生体関連物質の信号情報を取得する場合に、その信号情報を正確に取得することができる透明バイオセンサを提供する。
【解決手段】透明基材１と、透明基材１上に設けられた透明な薄膜トランジスタ素子部Ａ及び透明な生体関連物質感応部Ｂとを有し、その薄膜トランジスタ素子部Ａが有するゲート電極２を、薄膜トランジスタ素子部Ａを構成する酸化物半導体膜４に対する紫外線カット機能を有するように構成して、上記課題を解決した。このゲート電極２を、(i)紫外線カット材料を含む透明電極、(ii)紫外線カット材料からなる透明電極、及び、(iii)前記酸化物半導体膜のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極、のいずれかであるように構成する。
【解決手段】透明基材１と、透明基材１上に設けられた透明な薄膜トランジスタ素子部Ａ及び透明な生体関連物質感応部Ｂとを有し、その薄膜トランジスタ素子部Ａが有するゲート電極２を、薄膜トランジスタ素子部Ａを構成する酸化物半導体膜４に対する紫外線カット機能を有するように構成して、上記課題を解決した。このゲート電極２を、(i)紫外線カット材料を含む透明電極、(ii)紫外線カット材料からなる透明電極、及び、(iii)前記酸化物半導体膜のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極、のいずれかであるように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明バイオセンサに関し、さらに詳しくは、顕微鏡観察と同時に生体関連物質の信号情報を取得する場合に、その信号情報を正確に取得することができる透明バイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
生物はμｍオーダーの細胞から構成されており、その細胞はタンパク質、脂質又は核酸等のｎｍオーダーの構造の集合体である。一方、半導体加工技術の微細加工もｎｍオーダーであり、細胞の大きさと同程度である。こうした半導体加工技術で作製された素子を生物のナノ構造に対して適用することにより、例えば細胞の機能発現を制御したり、タンパク質や核酸等の生体分子情報を取得したりすることが可能になり、現在多方面で研究されている（非特許文献１）。
【０００３】
特に、疾患の診断、薬物代謝に関する個人差の検出、又は、食品若しくは環境モニタ等の目的で、ＤＮＡ、糖鎖又はタンパク質等の生体関連物質を検査する種々の方法が開発されており、生体分子（biomolecule）から電気的な信号情報を取得するバイオセンサの研究が進んでいる。最近では、電気的な信号の転換が速く、集積回路とＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）との接続が容易であるという観点から、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）を使用して生物学的な反応を検出するバイオセンサについて、多くの研究がなされている。
【０００４】
ＦＥＴを用いたバイオセンサは、ＭＯＳＦＥＴからゲート電極を除き、絶縁膜上に感応膜を被着した構造を有しており、「ＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive FET）」と呼ばれている。そして、感応膜上に酸化還元酵素、各種タンパク質、ＤＮＡ、抗原又は抗体等を載置することによって、各種バイオセンサとして機能できるようになっている（特許文献１，２）。具体的には、バイオセンサに用いられるＦＥＴは、シリコン基板の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート絶縁膜を形成し、ソース電極とドレイン電極と間のゲート絶縁膜の表面に金属電極を有している。この金属電極の表面には、ＤＮＡプローブとアルカンチオールが載置されている。
【０００５】
ところで、近年、酸化物半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」ともいう。）の研究が活発に行われている。特許文献３では、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎからなる酸化物（「ＩＧＺＯ」と略す。）の多結晶膜を薄膜トランジスタの半導体膜に用いた例が提案され、非特許文献２と特許文献４では、ＩＧＺＯの非晶質膜を薄膜トランジスタの半導体膜に用いた例が提案されている。これらのＩＧＺＯを半導体膜に用いた薄膜トランジスタは、室温での低温成膜が可能であり、プラスチック基板等の非耐熱性基板に熱ダメージを与えることなく形成できるとされている。このＩＧＺＯ系の酸化物半導体は、可視光に対する透過率が高い透明材料であるとともに、ＩＴＯ等の従来公知の透明導電材料をゲート電極、ソース電極又はドレイン電極とした場合であっても良好な電気的な接触特性が得られることから、透明材料のみを用いた透明な薄膜トランジスタも検討されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】松元亮、宮原裕二、「バイオセンサの現状と今後の課題」、応用物理、第80巻、第3号、p.205-210(2011).
【非特許文献２】K.Nomura et.al., Nature, vol.432, p.488-492(2004)
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２９６２２８号公報
【特許文献２】特開２００７−１０８１６０号公報
【特許文献３】特開２００４−１０３９５７号公報
【特許文献４】特表２００５−０８８７２６号公報
【特許文献５】特開２０１１−００９２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＴＦＴを用いたバイオセンサは、半導体加工技術を利用した微細加工が可能であることから研究が進められている。ＴＦＴを用いたバイオセンサによって細胞又はＤＮＡ等の生体関連物質の状態を電気的な信号情報として検出する場合、得られた情報データは重要な評価要素となるが、その検出時の細胞又はＤＮＡの状態を顕微鏡観察することも重要な評価手段である。細胞等の顕微鏡観察は、透過光により高倍率で直接観察することが望ましい。感応膜上の生体関連物質から電気的な信号情報を取得するのと同時にその状態を顕微鏡観察するためには、生体関連物質をバイオセンサの下側から観察する倒立型顕微鏡が好ましく用いられる。そのため、ＴＦＴを有するバイオセンサでは、半導体膜として透明な酸化物半導体膜を用いることが好ましい。
【０００９】
透明酸化物半導体であるＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜の使用は、ＴＦＴを有するバイオセンサ全体の透明化を実現できるが、その酸化物半導体自体が紫外線、特に波長が２００ｎｍ〜２８０ｎｍのＵＶ−Ｃに対して感応することが知られている（特許文献５）。しかしながら、そうした酸化物半導体膜を、電気的な信号情報を取得すると共に顕微鏡観察できる透明なバイオセンサに適用した場合、その透明バイオセンサに対し、顕微鏡観察時の照射光が上方から又は下方から照射される。そのため、その照射光に含まれる紫外線によって、酸化物半導体膜からの出力信号が変動又は低下するおそれがある。その結果、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報と、顕微鏡観察と同時に取得しない生体関連物質の信号情報とが異なるおそれがある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ＴＦＴを有するバイオセンサを用いて顕微鏡観察と同時に生体関連物質の信号情報を取得する場合に、その信号情報を正確に取得することができる透明バイオセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明に係る透明バイオセンサは、透明基材と、該透明基材上に設けられた透明な薄膜トランジスタ素子部及び透明な生体関連物質感応部とを有し、前記薄膜トランジスタ素子部が有するゲート電極が、前記薄膜トランジスタ素子部を構成する酸化物半導体膜に対する紫外線カット機能を有することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、透明な薄膜トランジスタ素子部が有するゲート電極が、酸化物半導体膜に対する紫外線カット機能を有するので、透明バイオセンサの下方又は上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側に配置されたゲート電極が紫外線をカットするように作用する。その結果、酸化物半導体膜が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００１３】
（２）本発明に係る透明バイオセンサにおいて、前記ゲート電極が、(i)紫外線カット材料を含む透明電極、(ii)紫外線カット材料からなる透明電極、及び、(iii)前記酸化物半導体膜のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極、のいずれかであるように構成する。
【００１４】
この発明によれば、紫外線カット手段であるゲート電極が、上記(i)〜(iii)のいずれかであるので、透明バイオセンサの下方又は上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側に配置されたゲート電極が紫外線をカットするように作用する。特に、酸化物半導体膜のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極は、照射光のうち、酸化物半導体膜で電子を励起する紫外線をカットできるので好ましい。
【００１５】
（３）本発明に係る透明バイオセンサにおいて、前記薄膜トランジスタ素子部が、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ構造又はトップゲート型の薄膜トランジスタ構造を有する。
【００１６】
この発明によれば、トップゲート型及びボトムゲート型のいずれの薄膜トランジスタ構造でも好ましく適用できる。
【００１７】
（４）本発明に係る透明バイオセンサにおいて、前記薄膜トランジスタ素子部がボトムゲート型の薄膜トランジスタ構造であり、該薄膜トランジスタ構造の上方に絶縁膜を介して前記ゲート電極に接続する検出電極が設けられ、該検出電極が前記酸化物半導体膜に対する前記紫外線カット機能を有する。
【００１８】
この発明によれば、薄膜トランジスタ構造の上方に設けられた検出電極が、ゲート電極と同じ紫外線カット機能を有するので、透明バイオセンサの下方及び上方の両方から入り込む紫外線を、酸化物半導体膜の下方に配置されたゲート電極と上方に配置され検出電極とでカットするように作用する。
【００１９】
（５）本発明に係る透明バイオセンサにおいて、前記酸化物半導体膜が、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜であることが好ましい。
【００２０】
ＩＧＺＯ系酸化物半導体材料からなる酸化物半導体膜は、生体関連物質を顕微鏡観察する際に照射される光に含まれる紫外線に感応し易い。この発明によれば、その酸化物半導体膜からの出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができるので、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る透明バイオセンサによれば、透明バイオセンサの下方又は上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側に配置されたゲート電極が紫外線をカットするので、酸化物半導体膜が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサの一例を示す模式断面図である。
【図２】本発明に係るボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサの他の一例を示す模式断面図である。
【図３】本発明に係るボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサのさらに他の一例を示す模式断面図である。
【図４】本発明に係るトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサの一例を示す模式断面図である。
【図５】本発明に係るトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサの他の一例を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係る透明バイオセンサについて図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、その技術的思想を含む範囲内で以下の形態に限定されない。
【００２４】
本発明に係る透明バイオセンサ１０，２０は、図１〜図５に示すように、透明基材１と、透明基材１上に設けられた透明な薄膜トランジスタ素子部Ａ（以下「ＴＦＴ素子部Ａ」ともいう。）及び透明な生体関連物質感応部Ｂとを有する。そして、ＴＦＴ素子部Ａが有するゲート電極２を、ＴＦＴ素子部Ａを構成する酸化物半導体膜２に対する紫外線カット機能を有するように構成したことに特徴がある。
【００２５】
この透明バイオセンサ１０，２０では、透明なＴＦＴ素子部Ａが有するゲート電極２が、酸化物半導体膜４に対する紫外線カット機能を有するので、透明バイオセンサ１０，２０の下方又は上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側に配置されたゲート電極２が紫外線をカットするように作用する。その結果、酸化物半導体膜４が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜４による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００２６】
以下、透明バイオセンサの構成を、ボトムゲート型ＴＦＴを有するものと、トップゲート型ＴＦＴを有するものとに分けて詳しく説明する。なお、本発明において、「上に」とは、そのものの上に直に設けられていることを意味し、直に設けられていない場合は「上方に」と言い分ける。また、「覆う」とは、そのものの上に直接設けられるとともに、そのものの周りにも設けられていることを意味する。また、「紫外線をカットする」とは、紫外線を吸収又は反射することをいう。
【００２７】
［ボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ］
図１〜図３に示す透明バイオセンサ１０は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」ともいう。）を有するＴＦＴ素子部Ａと、生体関連物質感応部Ｂとを有している。
【００２８】
図１に示すボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０Ａは、透明基材１と、透明基材１上に設けられたＴＦＴ素子部Ａ及び生体関連物質感応部Ｂとで構成されている。ＴＦＴ素子部Ａと生体関連物質感応部Ｂとは、平面視で重ならずに並んで設けられている。また、生体関連物質感応部Ｂの絶縁膜３’及び感応膜８の下に設けられた電極２’は、ＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート電極２に接続されている。
【００２９】
ＴＦＴ素子部Ａは、ボトムゲート型ＴＦＴを有するものであり、図１に示すように、透明基材１上に設けられたゲート電極２と、ゲート電極２上に設けられたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に設けられた酸化物半導体膜４と、酸化物半導体膜４の両側にトップコンタクト状に設けられたソース電極５及びドレイン電極６と、酸化物半導体膜４、ソース電極５及びドレイン電極６を覆う保護膜７とを有している。一方、生体関連物質感応部Ｂは、図１に示すように、透明基材１上にＴＦＴ素子部Ａのゲート電極２と共に形成された電極２’と、その電極２’上にＴＦＴ素子部Ａのゲート絶縁膜３と共に形成された絶縁膜３’と、その絶縁膜３’上に設けられた感応膜８とを有している。生体関連物質は、感応膜８上に載置される。
【００３０】
図２に示すボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０Ｂは、透明基材１と、透明基材１上に設けられたＴＦＴ素子部Ａと、そのＴＦＴ素子部Ａを覆う保護膜７と、その保護膜７上に設けられた生体関連物質感応部Ｂとで構成されている。ＴＦＴ素子部Ａと生体関連物質感応部Ｂとは、平面視で重ならずに並んで設けられている。また、生体関連物質感応部Ｂの絶縁膜３’及び感応膜８の下に設けられた電極２’は、ＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート電極２と、絶縁膜３’及び感応膜８を上下に貫く配線２”を介して接続されている。
【００３１】
ＴＦＴ素子部Ａもボトムゲート型ＴＦＴを有するものであり、図２に示すように、図１と同じ形態であるのでここではその説明を省略する。一方、生体関連物質感応部Ｂは、図２に示すように、透明基材１と、透明基材１上に設けられた絶縁膜３’と、絶縁膜３’上に設けられた保護膜７’と、保護膜７’上に設けられた電極２’と、電極２’上に設けられた感応膜８とを有している。生体関連物質は、感応膜８のうち、電極２’が設けられた範囲の感応膜８上に載置される。
【００３２】
図３に示すボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０Ｃは、図２とほぼ同じ形態である。異なる点は、生体関連物質感応部Ｂを構成する電極２’が、ＴＦＴ素子部Ａの上方にまで延びていることであり、それ以外は図１と同じ形態であるのでここではその説明を省略する。生体関連物質は、感応膜８のうち、電極２’が設けられた範囲の感応膜８上に載置される。
【００３３】
（透明基材）
透明基材１は、透明であればその種類や構造は特に限定されるものではなく、用途に応じてフレキシブルな材料や硬質な材料等が選択される。具体的には、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等を挙げることができる。通常は、ＩＴＯ付きガラス基板やＩＴＯ付きプラスチック基板等が好ましく用いられる。なお、金属膜や透明導電膜がゲート電極として形成されたガラス基板やプラスチック基板等を用いてもよい。
【００３４】
透明の定義は、透明基材１の下方から生体関連物質感応部Ｂに載置された生体関連物質を観察することができる程度に透明であればよい。例えば、(i)反射率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光域において、各膜の屈折率が約２以下で屈折率差が約０．５以下であることが好ましく、(ii)透過率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光域において、各膜の消光係数ｋが約０．１以下と低いことが好ましい。また、透明基材１の厚さは特に制限されないが、通常、１μｍ〜１ｍｍ程度である。透明基材１の形状は特に限定されないが、顕微鏡観察に利用できる形状であることが好ましく、例えばチップ状、カード状、ディスク状等を挙げることができる。
【００３５】
（ゲート電極）
ゲート電極２は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａではゲート電極２として設けられ、生体関連物質感応部Ｂではゲート電極２が延びた電極２’として設けられており、いずれも透明基材１上にパターン形成されている。ゲート電極２の形成材料は、透明電極であればよく、例えばＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透明導電膜を好ましく挙げることができる。なお、所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような透明な導電性高分子等であってもよい。
【００３６】
ゲート電極２の形成は、ゲート電極材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、透明導電膜でゲート電極２を形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種ＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート電極２の形成に低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。また、導電性高分子でゲート電極２を形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法やパターン印刷法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート電極２の形成工程時には、同時に、ゲート電極用配線、グラウンド配線及び電源配線等の回路配線群を、ゲート電極２と同一材料で形成してもよい。ゲート電極２の厚さ、及び、ゲート電極２の形成時に同時に形成する回路配線群（電極や配線）の厚さは、通常、０．０５μｍ〜０．２μｍ程度である。
【００３７】
（ゲート電極の紫外線カット機能）
本発明では、ＴＦＴ素子部Ａが有するゲート電極２が、ＴＦＴ素子部Ａを構成する酸化物半導体膜４に悪影響を及ぼす紫外線をカットする。こうしたゲート電極２を設けることにより、図１〜図３に示す透明バイオセンサ１０では下方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側である下方に配置されたゲート電極２が紫外線をカットするように作用し、後述する図４及び図５に示す透明バイオセンサ２０では上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側である上方に配置されたゲート電極２が紫外線をカットするように作用する。その結果、酸化物半導体膜４が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜４による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００３８】
ゲート電極２としては、(i)紫外線カット材料を含む透明電極、(ii)紫外線カット材料からなる透明電極、及び、(iii)酸化物半導体膜４のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極、のいずれかを挙げることができる。「紫外線カット材料」とは、紫外線を吸収又は反射する能力のある材料を意味する。
【００３９】
(i)又は(ii)の透明電極をゲート電極２として用いる場合、ゲート電極２の形成材料としては、例えば、ＩＴＯやＺｎＯ等の紫外線カット材料を挙げることができる。これらの材料を含むゲート電極２又はこれらの材料からなるゲート電極２は、その形成材料の種類等に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。成膜手段としては、スパッタリング法、各種ＣＶＤ法、塗布等で成膜した後にフォトリソグラフィ等でパターニングすればよい。なお、紫外線カット材料を含有させる場合の含有量は、含有させる材料の特性によって任意に選択される。
【００４０】
(iii)の透明電極をゲート電極２として用いる場合、ゲート電極２の形成材料としては、ゲート電極の形成材料のバンドギャップが酸化物半導体膜の形成材料のバンドギャップよりも小さく、且つ透明なゲート電極２を形成できる材料を用いる。こうした材料で形成したゲート電極２は、今まで酸化物半導体膜４でカットしていた紫外線をゲート電極２でカットできるので、酸化物半導体膜４への紫外線の入射を減らすことができ、紫外線に基づいた影響を極力減らすことができる。
【００４１】
例えば酸化物半導体膜４をＩＧＺＯ酸化物半導体で形成した場合には、バンドギャップが３．１ｅＶ超、４．０５Ｖ未満の範囲の材料でゲート電極２を形成することが好ましい。詳しくは、ＩＧＺＯ酸化物半導体のバンドギャップは最大４．０５ｅＶであり、一方、可視光域と紫外光域の境目はエネルギーが３．１ｅＶの４００ｎｍである。そのため、ゲート電極２としては、４００ｎｍ未満の紫外線を吸収し、ＩＧＺＯ酸化物半導体のバンドギャップよりも小さい範囲であることが好ましい。したがって、４００ｎｍの光のエネルギー（３．１ｅＶ）を超えるエネルギー（３．１ｅＶ超）から、ＩＧＺＯ酸化物半導体のバンドギャップ（最大４．０５ｅＶ）未満のエネルギー（４．０５ｅＶ未満）の範囲のバンドギャップを持つ材料でゲート電極２を作製すれば、そのゲート電極２がその範囲のエネルギーの光を吸収でき、酸化物半導体膜４に紫外線の影響を及ぼさない。
【００４２】
その結果、バンドギャップが４．０５ｅＶのＩＧＺＯで酸化物半導体膜４を構成した場合、その酸化物半導体膜４に、エネルギーが４．０５ｅＶよりも小さい光が照射しても、その光は酸化物半導体膜４を透過して電子を励起しない。一方、その酸化物半導体膜４に、エネルギーが４ｅＶよりも大きい光が照射すると、その光は酸化物半導体膜４で吸収されて電子を励起する。したがって、ゲート電極２は、酸化物半導体膜４が吸収するエネルギーの光、すなわち紫外線を吸収する材料で構成されていればよい。波長４００ｎｍの可視光のエネルギーは、３．１ｅＶ（４００ｎｍ）〜１．５５ｅＶ（８００ｎｍ）であるので、これらの範囲の光は、バンドギャップが４．０５ｅＶのＩＧＺＯ酸化物半導体膜４を透過し、電子が励起しないので、悪影響が生じない。なお、光エネルギーＥ（ｅＶ）は、１２４０／λ（波長：ｎｍ）で計算できる。
【００４３】
この例では、バンドギャップが４．０５ｅＶのＩＧＺＯで酸化物半導体膜４を作製しているが、用いる酸化物半導体材料によってバンドギャップは違ってくる。そのため、上記同様の考え方で、用いた酸化物半導体膜４のバンドギャップに応じて、ゲート電極２を構成する材料を選定する。例えば、ゲート電極２に使用可能な透明材料としては、ＩＴＯ（３．３ｅＶ）、ＩＺＯ（３．３ｅＶ）、ＺｎＯ（３．２ｅＶ）、ＳｎＯ（３．８ｅｖ）等を挙げることができる。中でも、ＩＴＯ（３．３ｅＶ）、ＩＺＯ（３．３ｅＶ）、ＺｎＯ（３．２ｅＶ）が好ましい。
【００４４】
一方、そうした材料と組み合わされるＩＧＺＯ酸化物半導体としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が１．１：０．９：１（３．７７ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が１：１：１（３．８１ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が０．７：１．３：１（３．９７ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が０．５：１．５：１（４．０５ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が１．１：０．９：２（３．６１ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が１：１：２（３．６８ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が０．７：１．３：２（３．７９ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が０．５：１．５：２（３．８５ｅＶ）、等を挙げることができる。
【００４５】
また、ＩＧＺＯ酸化物半導体以外の酸化物半導体としては、ｎ型半導体では、ＺｎＯ（３．３７ｅＶ）、Ｉｎ２Ｏ３（３．７５）、Ｇａ２Ｏ３（４．８ｅＶ）、ＳｎＯ２（３．５７ｅＶ）を挙げることができ、ｐ型半導体では、ＣｕＡｌＯ２（３．５ｅＶ）、ＬａＣｕＯＳ（３．１ｅＶ）、ＬａＣｕＯＳｅ（３．１ｅＶ）、ＳｒＣｕ２Ｏ２（３．２ｅＶ）等を挙げることができる。本発明では、透明性が必要であるので、ＩＧＺＯ酸化物半導体が好ましく用いられる。
【００４６】
上記した材料からなるゲート電極２の成膜には、その形成材料の種類等に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。成膜手段としては、スパッタリング法、各種ＣＶＤ法、塗布等で成膜した後にフォトリソグラフィ等でパターニングすればよい。なお、紫外線カット材料を含有させる場合の含有量は、含有させる材料の特性によって任意に選択される。
【００４７】
ここで説明した紫外線カット材料であるＩＴＯ膜（バンドギャップ３．３ｅＶ）をゲート電極２とし、ＩＧＺＯ（バンドギャップ４．０５ｅＶ）を酸化物半導体膜４としたときの半導体特性を測定した。具体的には、ソース電極とドレイン電極との間のチャネル長さを１０μｍとし、チャネル幅を１００μｍとしたＩＧＺＯ酸化物半導体膜を用いた。ＵＶライトとしては、SPECTROLINE LONGGIFE_TM FILTER HIGHEST ULTRAVILET INTENSITY GUARANTEEDを用い、半導体膜とＵＶライトとの距離を１３ｃｍとして３６５ｎｍの紫外光を照射した。このとき、ドレイン電圧を１Ｖ固定とし、ゲート電圧を１５Ｖ〜−１５Ｖの間で変化させたときの半導体特性（ＶＧ−ＩＤ特性）を測定した。ＩＴＯ膜で遮蔽したときと遮蔽しないときの半導体特性の結果は、移動度で最大約１０３ｃｍ／（Ｖ・ｓ）の差が確認できた。ＩＴＯ膜で遮蔽しない場合は、遮蔽した場合と比較して、紫外線照射によりキャリアが増加してリーク電流が増加し、ＯＦＦレベルが上がって、ＯＮ／ＯＦＦ比が悪化した。そして、キャリアが多くなったため、トランジスタがＯＮし易くなり、閾値Ｖｔｈがマイナスにシフトした。さらに、閾値Ｖｔｈがマイナスにシフトした。
【００４８】
（ゲート絶縁膜）
ゲート絶縁膜３は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａではゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３として設けられ、生体関連物質感応部Ｂでは電極２’を覆うように絶縁膜３’として設けられている。ゲート絶縁膜３は、透明で、絶縁性が高く、誘電率が比較的高く、ゲート絶縁膜として適しているものであれば各種の材料を用いることができる。例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素又は酸窒化ケイ素等のケイ素の酸化物、窒化物又は酸窒化物等を好ましく挙げることができる。また、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化スカンジウム及びチタン酸バリウムストロンチウムのうち少なくとも１種又は２種以上を挙げることができる。特に透明性に優れる酸化ケイ素、窒化ケイ素又は酸窒化ケイ素等のケイ素の酸化物、窒化物又は酸窒化物等が好ましい。
【００４９】
ゲート絶縁膜３の形成は、ゲート絶縁膜材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、ケイ素の酸化物、窒化物又は酸窒化物等でゲート絶縁膜３を形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種ＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート絶縁膜３の成膜に低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。なお、ゲート絶縁膜３の厚さは、通常、０．１μｍ〜０．３μｍ程度である。
【００５０】
（酸化物半導体膜）
酸化物半導体膜４は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａで、ＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート絶縁膜３上であって、ゲート電極２の上方に所定のパターンで設けられている。酸化物半導体膜４は、透明であり、ＴＦＴ素子部Ａを構成するチャネル領域として使用できる程度の移動度を有するものであれば、その種類は特に限定されず、現在知られている酸化物半導体膜であっても、今後発見される酸化物半導体膜であってもよい。
【００５１】
こうした透明な酸化物半導体膜４は、例えばＩＧＺＯ系酸化物半導体膜のように紫外線に感応し易いものが多く、生体関連物質を顕微鏡観察する際に照射される光に含まれる紫外線に感応して、酸化物半導体膜４からの出力信号が変動又は低下することがある。そのため、紫外線カット能を有するゲート電極２で紫外線をカットすることにより、酸化物半導体膜４からの出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００５２】
酸化物半導体膜４を構成する酸化物としては、例えば、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ及びＦｅのうち少なくとも１種）を主たる構成元素とするアモルファス酸化物を挙げることができる。特に、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましく、この場合、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）であることが好ましい。また、Ｍｇをさらに含む場合には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ1-xＭｇxの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）で０＜ｘ≦１であることが好ましい。なお、組成割合は、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）装置で測定したものである。ＩｎＭＺｎＯを含むアモルファス酸化物である酸化物半導体材料で酸化物半導体膜４を形成した場合、その酸化物半導体膜４は、特に可視光域で良好な光透過性を示するので好ましく適用できる。特にＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。
【００５３】
ＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物については、ＩｎとＧａとＺｎの広い組成範囲でアモルファス相を示す。この三元系でアモルファス相を安定して示す組成範囲としては、ＩｎｘＧａｙＺｎｚＯ（３ｘ／２＋３ｙ／２＋ｚ）で比率ｘ／ｙが０．４〜１．４の範囲であり、比率ｚ／ｙが０．２〜１２の範囲にあるように表すことができる。なお、ＺｎＯに近い組成とＩｎ２Ｏ３に近い組成で結晶質を示す。
【００５４】
また、アモルファス酸化物が、ＩｎxＧａ1-x酸化物（０≦ｘ≦１）、ＩｎxＺｎ1-x酸化物（０．２≦ｘ≦１）、ＩｎxＳｎ1-x酸化物（０．８≦ｘ≦１）、及びＩｎx（Ｚｎ，Ｓｎ）1-x酸化物（０．１５≦ｘ≦１）から選ばれるいずれかのアモルファス酸化物であってもよい。
【００５５】
ＩｎＧａＺｎＯ系（以下「ＩＧＺＯ系」と略す）酸化物半導体膜は、可視光を透過して透明膜となるので好ましく用いられる。また、このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ又はＳｎ等を構成元素として加えたものであってもよい。このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜は、透明性を要求される薄膜集積回路に好ましく用いられる。また、このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜は、スパッタリング法（特にＲＦスパッタリング法）により、室温から１５０℃程度の低温での成膜が可能であることから、ガラス転移温度が２００℃未満の耐熱性に乏しいプラスチック基板に対して好ましく適用できる。
【００５６】
酸化物半導体膜４の形成は、酸化物半導体材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、成膜手段としてスパッタリング法やＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できるが、低温成膜が要求される場合には、成膜手段としてスパッタリング法（特にＲＦスパッタリング法）やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。
【００５７】
酸化物半導体膜４の厚さは、成膜条件によって任意に設計されるために一概には言えないが、通常１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内であることが好ましく、３０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であることがより好ましい。
【００５８】
（ソース電極、ドレイン電極）
ソース電極５及びドレイン電極６は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａで、酸化物半導体膜４の両側にトップコンタクトするようにパターン形成されている。ソース電極材料及びドレイン電極材料は、透明であり、酸化物半導体膜４のソース電極接続部（図示しない）及びドレイン電極接続部（図示しない）とのオーミック接触が考慮されて選択される。ソース電極材料及びドレイン電極材料としては、通常、導電性の良い金属膜又は導電性酸化物膜等が用いられる。金属膜としては、チタン膜、アルミニウム膜、アルミニウム膜上にチタン膜を設けた積層膜等を挙げることができ、導電性酸化物膜としては、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透明導電膜を挙げることができる。また、所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子等であってもよい。
【００５９】
ソース電極５及びドレイン電極６の形成は、電極材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、金属膜又は導電性酸化物でソース電極５及びドレイン電極６を形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法、スパッタリング法又は各種のＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できるが、低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。また、導電性高分子でソース電極５及びドレイン電極６を形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法やパターン印刷法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ソース電極５及びドレイン電極６の形成工程時には、同じ電極材料で、同時に、既に形成されている回路配線群への接続や新しい回路配線群の形成を行うことが好ましい。ソース電極５及びドレイン電極６の厚さは、通常、０．１μｍ〜０．３μｍ程度である。
【００６０】
（保護膜）
保護膜７は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａで、酸化物半導体膜４、ソース電極５及びドレイン電極６を覆うように形成されている。透明な保護膜７としては、厚さ５００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度のＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）膜等の有機保護膜、又は厚さ１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素や酸窒化ケイ素等からなるガスバリア性の無機保護膜等を好ましく挙げることができる。また、上記した酸化物半導体膜４の構成材料と同じ酸化物半導体材料で形成してもよい。
【００６１】
保護膜７の形成は、保護膜材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、有機保護膜を形成する場合には、塗布法や蒸着法等を適用でき、無機保護膜を形成する場合には、スパッタリング法や各種のＣＶＤ法等を適用できる。また、パターニングする場合は、フォトリソグラフィを適用できる。
【００６２】
（感応膜）
感応膜８は、図１〜図３に示すように、生体関連物質感応部Ｂで、絶縁膜３’上にパターン形成されている。感応膜８は、被検査流体に含まれる生体関連物質、例えば細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質、酸化還元酵素、抗原又は抗体等を載置可能な材料で形成される。感応膜８の形成材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等を挙げることができる。これらの材料で形成した感応膜８は、イオン感応性膜であり、測定したいイオン種に応じて適宜選定される。感応膜８は、単層であっても積層であってもよく、積層の場合は、例えば酸化ケイ素膜上に窒化ケイ素膜を設けてもよいし、さらにその上に酸化タンタル膜を設けてもよい。
【００６３】
また、必要に応じて、ＤＮＡ、タンパク質又は糖鎖等を固定化するための表面修飾を行うこともできる。感応膜８の周囲には、後述する隔壁９が設けられ、酸化物半導体膜４のチャネル領域（図示しない）上に、被検査流体に含まれる生体関連物質を載置する載置領域が設けられている。
【００６４】
なお、感応膜８は絶縁性を有するので、例えばゲート電極２を覆う保護膜として利用してもよい。感応膜８の形成は、感応膜材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、スパッタリング法や各種のＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてはフォトリソグラフィを適用できる。
【００６５】
感応膜８の厚さは、通常、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。例えば厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素膜を単層で形成したり、例えば厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素膜上に厚さ１００ｎｍの窒化ケイ素膜を形成したりしてもよいし、さらにその上に厚さ１００ｎｍの酸化タンタル膜を形成したりしてもよい。
【００６６】
以上説明したように、ボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０では、透明バイオセンサ１０の下方から照射される光に含まれる紫外線を、紫外線カット機能を有するゲート電極２によって紫外線をカットする。その結果、酸化物半導体膜４が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜４による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００６７】
［トップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ］
図４及び図５に示す透明バイオセンサ２０は、トップゲート型のＴＦＴを有するＴＦＴ素子部Ａと、生体関連物質感応部Ｂとを有している。なお、このトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ２０では、紫外線カット能を有するゲート電極２を含め、ＴＦＴ素子部Ａ及び生体関連物質感応部Ｂの各構成要素は、図１〜図３のボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０の場合と同様である。そのため、図４及び図５には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００６８】
図４に示すトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ２０Ａは、透明基材１と、透明基材１上に設けられたＴＦＴ素子部Ａ及び生体関連物質感応部Ｂとで構成されている。図４に示すＴＦＴ素子部Ａと生体関連物質感応部Ｂとは、平面視で重ならずに並んで設けられている。また、生体関連物質感応部Ｂの感応膜８の下方に設けられた電極２’は、ＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート電極２に接続されている。
【００６９】
ＴＦＴ素子部Ａは、トップゲート型ＴＦＴを有するものであり、図４に示すように、透明基材１上に設けられたソース電極５及びドレイン電極６と、そのソース電極５及びドレイン電極６にボトムコンタクト態様で両側で接続するように設けられた酸化物半導体膜４と、ソース電極５、酸化物半導体膜４及びドレイン電極６を覆うように設けられたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に設けられたゲート電極２と、ゲート電極２上に設けられた保護層７とを有している。一方、生体関連物質感応部Ｂは、図４に示すように、透明基材１上にＴＦＴ素子部Ａのゲート絶縁膜３と共に形成された絶縁膜３’と、その絶縁膜３’上にＴＦＴ素子部Ａのゲート電極２と共に形成された電極２’と、その電極２’上にＴＦＴ素子部Ａの保護膜７と共に形成された保護膜７と、その保護膜７上に設けられた感応膜８とを有している。生体関連物質は、感応膜８上に載置される。
【００７０】
図４に示す透明バイオセンサ２０Ａにおいては、紫外線カット能を有するゲート電極２は酸化物半導体膜４の上方に設けられているので、そのゲート電極２は、透明バイオセンサ２０の上方から照射される光に含まれる紫外線をカットする。なお、図４の例では、感応膜８は、平面視でＴＦＴ素子部Ａ以外の領域に設けられているが、ＴＦＴ素子部Ａの上方にも設けてもよい。そうすることで、感応膜８上での生体関連物質の載置面積を大きくし、観察範囲を広くすることができる。
【００７１】
図５に示すトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ２０Ｂは、透明基材１と、透明基材１上に設けられたＴＦＴ素子部Ａ及び生体関連物質感応部Ｂとで構成されている。図５に示すＴＦＴ素子部Ａと生体関連物質感応部Ｂとは、平面視で重なるように上下の位置関係で設けられている。また、生体関連物質感応部Ｂの感応膜８の下方に設けられた電極は、感応膜８の検出電極２’とＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート電極２とを兼ねている。
【００７２】
ＴＦＴ素子部Ａは、トップゲート型ＴＦＴを有するものであり、図５に示すように、透明基材１上に設けられたソース電極５及びドレイン電極６と、そのソース電極５及びドレイン電極６にボトムコンタクト態様で両側で接続するように設けられた酸化物半導体膜４と、ソース電極５、酸化物半導体膜４及びドレイン電極６を覆うように設けられたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に設けられたゲート電極２とを有している。なお、ゲート電極２と感応膜８との間には、保護膜７が設けられていてもよい。
【００７３】
一方、生体関連物質感応部Ｂは、図５に示すように、そのＴＦＴ素子部Ａ上を構成するゲート電極２上に設けられたものである。そして、この生体関連物質感応部Ｂでは、ＴＦＴ素子部Ａが有するゲート電極２を、検出電極２’として併用し、その検出電極２’上には、感応膜８が設けられている。感応膜８が設けられた生体関連物質感応部Ｂの周縁には、隔壁９が設けられており、その隔壁９で囲まれた領域に、被検査流体に含まれる生体関連物質が投入され、透明バイオセンサによる電気的な信号情報と、顕微鏡観察とが同時に行われる。「周縁」とは、生体関連物質感応部Ｂに設けられた検出電極２’を平面視した場合に、その検出電極２’に重ならない外側位置のことを意味する。感応膜８上には、被検査流体に含まれる生体関連物質、例えば細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質、酸化還元酵素、抗原又は抗体等が、隔壁９，９間に配置される。
【００７４】
隔壁９は、生体関連物質感応部Ｂの周縁の感応膜８上に設けられている。隔壁９は、水溶液又は培養液等の被検査流体を感応膜８上に滞留させるためのものであり、所定の高さで設けられる。障壁９の形成材料は、被検査流体を漏出させない材料であればよく、特に限定されるものではない。具体的には被検査流体の種類に応じて、各種の樹脂材料や金属材料から選択して適用できる。
【００７５】
図５に示す透明バイオセンサ２０Ｂにおいては、紫外線カット能を有するゲート電極２は酸化物半導体膜４の上方に設けられているので、そのゲート電極２は、透明バイオセンサ２０の上方から照射される光に含まれる紫外線をカットする。
【００７６】
以上説明したように、トップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ２０では、透明バイオセンサ２０の上方から照射される光に含まれる紫外線を、紫外線カット機能を有するゲート電極２によって紫外線をカットする。その結果、酸化物半導体膜４が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜４による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１ 透明基材
２ ゲート電極
２’ 検出電極
２” 連結配線
３ ゲート絶縁膜
３’ 絶縁膜
４ 酸化物半導体膜
５ ソース電極
６ ドレイン電極
７ 保護膜
８ 感応膜
９ 隔壁
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 透明バイオセンサ
２０，２０Ａ，２０Ｂ 透明バイオセンサ
Ａ 薄膜トランジスタ素子部
Ｂ 生体関連物質感応部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明バイオセンサに関し、さらに詳しくは、顕微鏡観察と同時に生体関連物質の信号情報を取得する場合に、その信号情報を正確に取得することができる透明バイオセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
生物はμｍオーダーの細胞から構成されており、その細胞はタンパク質、脂質又は核酸等のｎｍオーダーの構造の集合体である。一方、半導体加工技術の微細加工もｎｍオーダーであり、細胞の大きさと同程度である。こうした半導体加工技術で作製された素子を生物のナノ構造に対して適用することにより、例えば細胞の機能発現を制御したり、タンパク質や核酸等の生体分子情報を取得したりすることが可能になり、現在多方面で研究されている（非特許文献１）。
【０００３】
特に、疾患の診断、薬物代謝に関する個人差の検出、又は、食品若しくは環境モニタ等の目的で、ＤＮＡ、糖鎖又はタンパク質等の生体関連物質を検査する種々の方法が開発されており、生体分子（biomolecule）から電気的な信号情報を取得するバイオセンサの研究が進んでいる。最近では、電気的な信号の転換が速く、集積回路とＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）との接続が容易であるという観点から、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）を使用して生物学的な反応を検出するバイオセンサについて、多くの研究がなされている。
【０００４】
ＦＥＴを用いたバイオセンサは、ＭＯＳＦＥＴからゲート電極を除き、絶縁膜上に感応膜を被着した構造を有しており、「ＩＳＦＥＴ（Ion Sensitive FET）」と呼ばれている。そして、感応膜上に酸化還元酵素、各種タンパク質、ＤＮＡ、抗原又は抗体等を載置することによって、各種バイオセンサとして機能できるようになっている（特許文献１，２）。具体的には、バイオセンサに用いられるＦＥＴは、シリコン基板の表面にソース電極、ドレイン電極及びゲート絶縁膜を形成し、ソース電極とドレイン電極と間のゲート絶縁膜の表面に金属電極を有している。この金属電極の表面には、ＤＮＡプローブとアルカンチオールが載置されている。
【０００５】
ところで、近年、酸化物半導体膜を用いた薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」ともいう。）の研究が活発に行われている。特許文献３では、Ｉｎ、Ｇａ及びＺｎからなる酸化物（「ＩＧＺＯ」と略す。）の多結晶膜を薄膜トランジスタの半導体膜に用いた例が提案され、非特許文献２と特許文献４では、ＩＧＺＯの非晶質膜を薄膜トランジスタの半導体膜に用いた例が提案されている。これらのＩＧＺＯを半導体膜に用いた薄膜トランジスタは、室温での低温成膜が可能であり、プラスチック基板等の非耐熱性基板に熱ダメージを与えることなく形成できるとされている。このＩＧＺＯ系の酸化物半導体は、可視光に対する透過率が高い透明材料であるとともに、ＩＴＯ等の従来公知の透明導電材料をゲート電極、ソース電極又はドレイン電極とした場合であっても良好な電気的な接触特性が得られることから、透明材料のみを用いた透明な薄膜トランジスタも検討されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】松元亮、宮原裕二、「バイオセンサの現状と今後の課題」、応用物理、第80巻、第3号、p.205-210(2011).
【非特許文献２】K.Nomura et.al., Nature, vol.432, p.488-492(2004)
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２９６２２８号公報
【特許文献２】特開２００７−１０８１６０号公報
【特許文献３】特開２００４−１０３９５７号公報
【特許文献４】特表２００５−０８８７２６号公報
【特許文献５】特開２０１１−００９２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＴＦＴを用いたバイオセンサは、半導体加工技術を利用した微細加工が可能であることから研究が進められている。ＴＦＴを用いたバイオセンサによって細胞又はＤＮＡ等の生体関連物質の状態を電気的な信号情報として検出する場合、得られた情報データは重要な評価要素となるが、その検出時の細胞又はＤＮＡの状態を顕微鏡観察することも重要な評価手段である。細胞等の顕微鏡観察は、透過光により高倍率で直接観察することが望ましい。感応膜上の生体関連物質から電気的な信号情報を取得するのと同時にその状態を顕微鏡観察するためには、生体関連物質をバイオセンサの下側から観察する倒立型顕微鏡が好ましく用いられる。そのため、ＴＦＴを有するバイオセンサでは、半導体膜として透明な酸化物半導体膜を用いることが好ましい。
【０００９】
透明酸化物半導体であるＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜の使用は、ＴＦＴを有するバイオセンサ全体の透明化を実現できるが、その酸化物半導体自体が紫外線、特に波長が２００ｎｍ〜２８０ｎｍのＵＶ−Ｃに対して感応することが知られている（特許文献５）。しかしながら、そうした酸化物半導体膜を、電気的な信号情報を取得すると共に顕微鏡観察できる透明なバイオセンサに適用した場合、その透明バイオセンサに対し、顕微鏡観察時の照射光が上方から又は下方から照射される。そのため、その照射光に含まれる紫外線によって、酸化物半導体膜からの出力信号が変動又は低下するおそれがある。その結果、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報と、顕微鏡観察と同時に取得しない生体関連物質の信号情報とが異なるおそれがある。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ＴＦＴを有するバイオセンサを用いて顕微鏡観察と同時に生体関連物質の信号情報を取得する場合に、その信号情報を正確に取得することができる透明バイオセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明に係る透明バイオセンサは、透明基材と、該透明基材上に設けられた透明な薄膜トランジスタ素子部及び透明な生体関連物質感応部とを有し、前記薄膜トランジスタ素子部が有するゲート電極が、前記薄膜トランジスタ素子部を構成する酸化物半導体膜に対する紫外線カット機能を有することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、透明な薄膜トランジスタ素子部が有するゲート電極が、酸化物半導体膜に対する紫外線カット機能を有するので、透明バイオセンサの下方又は上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側に配置されたゲート電極が紫外線をカットするように作用する。その結果、酸化物半導体膜が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００１３】
（２）本発明に係る透明バイオセンサにおいて、前記ゲート電極が、(i)紫外線カット材料を含む透明電極、(ii)紫外線カット材料からなる透明電極、及び、(iii)前記酸化物半導体膜のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極、のいずれかであるように構成する。
【００１４】
この発明によれば、紫外線カット手段であるゲート電極が、上記(i)〜(iii)のいずれかであるので、透明バイオセンサの下方又は上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側に配置されたゲート電極が紫外線をカットするように作用する。特に、酸化物半導体膜のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極は、照射光のうち、酸化物半導体膜で電子を励起する紫外線をカットできるので好ましい。
【００１５】
（３）本発明に係る透明バイオセンサにおいて、前記薄膜トランジスタ素子部が、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ構造又はトップゲート型の薄膜トランジスタ構造を有する。
【００１６】
この発明によれば、トップゲート型及びボトムゲート型のいずれの薄膜トランジスタ構造でも好ましく適用できる。
【００１７】
（４）本発明に係る透明バイオセンサにおいて、前記薄膜トランジスタ素子部がボトムゲート型の薄膜トランジスタ構造であり、該薄膜トランジスタ構造の上方に絶縁膜を介して前記ゲート電極に接続する検出電極が設けられ、該検出電極が前記酸化物半導体膜に対する前記紫外線カット機能を有する。
【００１８】
この発明によれば、薄膜トランジスタ構造の上方に設けられた検出電極が、ゲート電極と同じ紫外線カット機能を有するので、透明バイオセンサの下方及び上方の両方から入り込む紫外線を、酸化物半導体膜の下方に配置されたゲート電極と上方に配置され検出電極とでカットするように作用する。
【００１９】
（５）本発明に係る透明バイオセンサにおいて、前記酸化物半導体膜が、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜であることが好ましい。
【００２０】
ＩＧＺＯ系酸化物半導体材料からなる酸化物半導体膜は、生体関連物質を顕微鏡観察する際に照射される光に含まれる紫外線に感応し易い。この発明によれば、その酸化物半導体膜からの出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができるので、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る透明バイオセンサによれば、透明バイオセンサの下方又は上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側に配置されたゲート電極が紫外線をカットするので、酸化物半導体膜が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係るボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサの一例を示す模式断面図である。
【図２】本発明に係るボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサの他の一例を示す模式断面図である。
【図３】本発明に係るボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサのさらに他の一例を示す模式断面図である。
【図４】本発明に係るトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサの一例を示す模式断面図である。
【図５】本発明に係るトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサの他の一例を示す模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係る透明バイオセンサについて図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、その技術的思想を含む範囲内で以下の形態に限定されない。
【００２４】
本発明に係る透明バイオセンサ１０，２０は、図１〜図５に示すように、透明基材１と、透明基材１上に設けられた透明な薄膜トランジスタ素子部Ａ（以下「ＴＦＴ素子部Ａ」ともいう。）及び透明な生体関連物質感応部Ｂとを有する。そして、ＴＦＴ素子部Ａが有するゲート電極２を、ＴＦＴ素子部Ａを構成する酸化物半導体膜２に対する紫外線カット機能を有するように構成したことに特徴がある。
【００２５】
この透明バイオセンサ１０，２０では、透明なＴＦＴ素子部Ａが有するゲート電極２が、酸化物半導体膜４に対する紫外線カット機能を有するので、透明バイオセンサ１０，２０の下方又は上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側に配置されたゲート電極２が紫外線をカットするように作用する。その結果、酸化物半導体膜４が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜４による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００２６】
以下、透明バイオセンサの構成を、ボトムゲート型ＴＦＴを有するものと、トップゲート型ＴＦＴを有するものとに分けて詳しく説明する。なお、本発明において、「上に」とは、そのものの上に直に設けられていることを意味し、直に設けられていない場合は「上方に」と言い分ける。また、「覆う」とは、そのものの上に直接設けられるとともに、そのものの周りにも設けられていることを意味する。また、「紫外線をカットする」とは、紫外線を吸収又は反射することをいう。
【００２７】
［ボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ］
図１〜図３に示す透明バイオセンサ１０は、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ（以下「ＴＦＴ」ともいう。）を有するＴＦＴ素子部Ａと、生体関連物質感応部Ｂとを有している。
【００２８】
図１に示すボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０Ａは、透明基材１と、透明基材１上に設けられたＴＦＴ素子部Ａ及び生体関連物質感応部Ｂとで構成されている。ＴＦＴ素子部Ａと生体関連物質感応部Ｂとは、平面視で重ならずに並んで設けられている。また、生体関連物質感応部Ｂの絶縁膜３’及び感応膜８の下に設けられた電極２’は、ＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート電極２に接続されている。
【００２９】
ＴＦＴ素子部Ａは、ボトムゲート型ＴＦＴを有するものであり、図１に示すように、透明基材１上に設けられたゲート電極２と、ゲート電極２上に設けられたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に設けられた酸化物半導体膜４と、酸化物半導体膜４の両側にトップコンタクト状に設けられたソース電極５及びドレイン電極６と、酸化物半導体膜４、ソース電極５及びドレイン電極６を覆う保護膜７とを有している。一方、生体関連物質感応部Ｂは、図１に示すように、透明基材１上にＴＦＴ素子部Ａのゲート電極２と共に形成された電極２’と、その電極２’上にＴＦＴ素子部Ａのゲート絶縁膜３と共に形成された絶縁膜３’と、その絶縁膜３’上に設けられた感応膜８とを有している。生体関連物質は、感応膜８上に載置される。
【００３０】
図２に示すボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０Ｂは、透明基材１と、透明基材１上に設けられたＴＦＴ素子部Ａと、そのＴＦＴ素子部Ａを覆う保護膜７と、その保護膜７上に設けられた生体関連物質感応部Ｂとで構成されている。ＴＦＴ素子部Ａと生体関連物質感応部Ｂとは、平面視で重ならずに並んで設けられている。また、生体関連物質感応部Ｂの絶縁膜３’及び感応膜８の下に設けられた電極２’は、ＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート電極２と、絶縁膜３’及び感応膜８を上下に貫く配線２”を介して接続されている。
【００３１】
ＴＦＴ素子部Ａもボトムゲート型ＴＦＴを有するものであり、図２に示すように、図１と同じ形態であるのでここではその説明を省略する。一方、生体関連物質感応部Ｂは、図２に示すように、透明基材１と、透明基材１上に設けられた絶縁膜３’と、絶縁膜３’上に設けられた保護膜７’と、保護膜７’上に設けられた電極２’と、電極２’上に設けられた感応膜８とを有している。生体関連物質は、感応膜８のうち、電極２’が設けられた範囲の感応膜８上に載置される。
【００３２】
図３に示すボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０Ｃは、図２とほぼ同じ形態である。異なる点は、生体関連物質感応部Ｂを構成する電極２’が、ＴＦＴ素子部Ａの上方にまで延びていることであり、それ以外は図１と同じ形態であるのでここではその説明を省略する。生体関連物質は、感応膜８のうち、電極２’が設けられた範囲の感応膜８上に載置される。
【００３３】
（透明基材）
透明基材１は、透明であればその種類や構造は特に限定されるものではなく、用途に応じてフレキシブルな材料や硬質な材料等が選択される。具体的には、例えば、ガラス、石英、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエステル、ポリカーボネート等を挙げることができる。通常は、ＩＴＯ付きガラス基板やＩＴＯ付きプラスチック基板等が好ましく用いられる。なお、金属膜や透明導電膜がゲート電極として形成されたガラス基板やプラスチック基板等を用いてもよい。
【００３４】
透明の定義は、透明基材１の下方から生体関連物質感応部Ｂに載置された生体関連物質を観察することができる程度に透明であればよい。例えば、(i)反射率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光域において、各膜の屈折率が約２以下で屈折率差が約０．５以下であることが好ましく、(ii)透過率で判断する場合には、波長３５０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光域において、各膜の消光係数ｋが約０．１以下と低いことが好ましい。また、透明基材１の厚さは特に制限されないが、通常、１μｍ〜１ｍｍ程度である。透明基材１の形状は特に限定されないが、顕微鏡観察に利用できる形状であることが好ましく、例えばチップ状、カード状、ディスク状等を挙げることができる。
【００３５】
（ゲート電極）
ゲート電極２は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａではゲート電極２として設けられ、生体関連物質感応部Ｂではゲート電極２が延びた電極２’として設けられており、いずれも透明基材１上にパターン形成されている。ゲート電極２の形成材料は、透明電極であればよく、例えばＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透明導電膜を好ましく挙げることができる。なお、所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような透明な導電性高分子等であってもよい。
【００３６】
ゲート電極２の形成は、ゲート電極材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、透明導電膜でゲート電極２を形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種ＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート電極２の形成に低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。また、導電性高分子でゲート電極２を形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法やパターン印刷法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート電極２の形成工程時には、同時に、ゲート電極用配線、グラウンド配線及び電源配線等の回路配線群を、ゲート電極２と同一材料で形成してもよい。ゲート電極２の厚さ、及び、ゲート電極２の形成時に同時に形成する回路配線群（電極や配線）の厚さは、通常、０．０５μｍ〜０．２μｍ程度である。
【００３７】
（ゲート電極の紫外線カット機能）
本発明では、ＴＦＴ素子部Ａが有するゲート電極２が、ＴＦＴ素子部Ａを構成する酸化物半導体膜４に悪影響を及ぼす紫外線をカットする。こうしたゲート電極２を設けることにより、図１〜図３に示す透明バイオセンサ１０では下方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側である下方に配置されたゲート電極２が紫外線をカットするように作用し、後述する図４及び図５に示す透明バイオセンサ２０では上方から照射される光に含まれる紫外線を、その照射光側である上方に配置されたゲート電極２が紫外線をカットするように作用する。その結果、酸化物半導体膜４が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜４による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００３８】
ゲート電極２としては、(i)紫外線カット材料を含む透明電極、(ii)紫外線カット材料からなる透明電極、及び、(iii)酸化物半導体膜４のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極、のいずれかを挙げることができる。「紫外線カット材料」とは、紫外線を吸収又は反射する能力のある材料を意味する。
【００３９】
(i)又は(ii)の透明電極をゲート電極２として用いる場合、ゲート電極２の形成材料としては、例えば、ＩＴＯやＺｎＯ等の紫外線カット材料を挙げることができる。これらの材料を含むゲート電極２又はこれらの材料からなるゲート電極２は、その形成材料の種類等に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。成膜手段としては、スパッタリング法、各種ＣＶＤ法、塗布等で成膜した後にフォトリソグラフィ等でパターニングすればよい。なお、紫外線カット材料を含有させる場合の含有量は、含有させる材料の特性によって任意に選択される。
【００４０】
(iii)の透明電極をゲート電極２として用いる場合、ゲート電極２の形成材料としては、ゲート電極の形成材料のバンドギャップが酸化物半導体膜の形成材料のバンドギャップよりも小さく、且つ透明なゲート電極２を形成できる材料を用いる。こうした材料で形成したゲート電極２は、今まで酸化物半導体膜４でカットしていた紫外線をゲート電極２でカットできるので、酸化物半導体膜４への紫外線の入射を減らすことができ、紫外線に基づいた影響を極力減らすことができる。
【００４１】
例えば酸化物半導体膜４をＩＧＺＯ酸化物半導体で形成した場合には、バンドギャップが３．１ｅＶ超、４．０５Ｖ未満の範囲の材料でゲート電極２を形成することが好ましい。詳しくは、ＩＧＺＯ酸化物半導体のバンドギャップは最大４．０５ｅＶであり、一方、可視光域と紫外光域の境目はエネルギーが３．１ｅＶの４００ｎｍである。そのため、ゲート電極２としては、４００ｎｍ未満の紫外線を吸収し、ＩＧＺＯ酸化物半導体のバンドギャップよりも小さい範囲であることが好ましい。したがって、４００ｎｍの光のエネルギー（３．１ｅＶ）を超えるエネルギー（３．１ｅＶ超）から、ＩＧＺＯ酸化物半導体のバンドギャップ（最大４．０５ｅＶ）未満のエネルギー（４．０５ｅＶ未満）の範囲のバンドギャップを持つ材料でゲート電極２を作製すれば、そのゲート電極２がその範囲のエネルギーの光を吸収でき、酸化物半導体膜４に紫外線の影響を及ぼさない。
【００４２】
その結果、バンドギャップが４．０５ｅＶのＩＧＺＯで酸化物半導体膜４を構成した場合、その酸化物半導体膜４に、エネルギーが４．０５ｅＶよりも小さい光が照射しても、その光は酸化物半導体膜４を透過して電子を励起しない。一方、その酸化物半導体膜４に、エネルギーが４ｅＶよりも大きい光が照射すると、その光は酸化物半導体膜４で吸収されて電子を励起する。したがって、ゲート電極２は、酸化物半導体膜４が吸収するエネルギーの光、すなわち紫外線を吸収する材料で構成されていればよい。波長４００ｎｍの可視光のエネルギーは、３．１ｅＶ（４００ｎｍ）〜１．５５ｅＶ（８００ｎｍ）であるので、これらの範囲の光は、バンドギャップが４．０５ｅＶのＩＧＺＯ酸化物半導体膜４を透過し、電子が励起しないので、悪影響が生じない。なお、光エネルギーＥ（ｅＶ）は、１２４０／λ（波長：ｎｍ）で計算できる。
【００４３】
この例では、バンドギャップが４．０５ｅＶのＩＧＺＯで酸化物半導体膜４を作製しているが、用いる酸化物半導体材料によってバンドギャップは違ってくる。そのため、上記同様の考え方で、用いた酸化物半導体膜４のバンドギャップに応じて、ゲート電極２を構成する材料を選定する。例えば、ゲート電極２に使用可能な透明材料としては、ＩＴＯ（３．３ｅＶ）、ＩＺＯ（３．３ｅＶ）、ＺｎＯ（３．２ｅＶ）、ＳｎＯ（３．８ｅｖ）等を挙げることができる。中でも、ＩＴＯ（３．３ｅＶ）、ＩＺＯ（３．３ｅＶ）、ＺｎＯ（３．２ｅＶ）が好ましい。
【００４４】
一方、そうした材料と組み合わされるＩＧＺＯ酸化物半導体としては、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が１．１：０．９：１（３．７７ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が１：１：１（３．８１ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が０．７：１．３：１（３．９７ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が０．５：１．５：１（４．０５ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が１．１：０．９：２（３．６１ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が１：１：２（３．６８ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が０．７：１．３：２（３．７９ｅＶ）、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ比が０．５：１．５：２（３．８５ｅＶ）、等を挙げることができる。
【００４５】
また、ＩＧＺＯ酸化物半導体以外の酸化物半導体としては、ｎ型半導体では、ＺｎＯ（３．３７ｅＶ）、Ｉｎ２Ｏ３（３．７５）、Ｇａ２Ｏ３（４．８ｅＶ）、ＳｎＯ２（３．５７ｅＶ）を挙げることができ、ｐ型半導体では、ＣｕＡｌＯ２（３．５ｅＶ）、ＬａＣｕＯＳ（３．１ｅＶ）、ＬａＣｕＯＳｅ（３．１ｅＶ）、ＳｒＣｕ２Ｏ２（３．２ｅＶ）等を挙げることができる。本発明では、透明性が必要であるので、ＩＧＺＯ酸化物半導体が好ましく用いられる。
【００４６】
上記した材料からなるゲート電極２の成膜には、その形成材料の種類等に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。成膜手段としては、スパッタリング法、各種ＣＶＤ法、塗布等で成膜した後にフォトリソグラフィ等でパターニングすればよい。なお、紫外線カット材料を含有させる場合の含有量は、含有させる材料の特性によって任意に選択される。
【００４７】
ここで説明した紫外線カット材料であるＩＴＯ膜（バンドギャップ３．３ｅＶ）をゲート電極２とし、ＩＧＺＯ（バンドギャップ４．０５ｅＶ）を酸化物半導体膜４としたときの半導体特性を測定した。具体的には、ソース電極とドレイン電極との間のチャネル長さを１０μｍとし、チャネル幅を１００μｍとしたＩＧＺＯ酸化物半導体膜を用いた。ＵＶライトとしては、SPECTROLINE LONGGIFE_TM FILTER HIGHEST ULTRAVILET INTENSITY GUARANTEEDを用い、半導体膜とＵＶライトとの距離を１３ｃｍとして３６５ｎｍの紫外光を照射した。このとき、ドレイン電圧を１Ｖ固定とし、ゲート電圧を１５Ｖ〜−１５Ｖの間で変化させたときの半導体特性（ＶＧ−ＩＤ特性）を測定した。ＩＴＯ膜で遮蔽したときと遮蔽しないときの半導体特性の結果は、移動度で最大約１０３ｃｍ／（Ｖ・ｓ）の差が確認できた。ＩＴＯ膜で遮蔽しない場合は、遮蔽した場合と比較して、紫外線照射によりキャリアが増加してリーク電流が増加し、ＯＦＦレベルが上がって、ＯＮ／ＯＦＦ比が悪化した。そして、キャリアが多くなったため、トランジスタがＯＮし易くなり、閾値Ｖｔｈがマイナスにシフトした。さらに、閾値Ｖｔｈがマイナスにシフトした。
【００４８】
（ゲート絶縁膜）
ゲート絶縁膜３は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａではゲート電極２を覆うゲート絶縁膜３として設けられ、生体関連物質感応部Ｂでは電極２’を覆うように絶縁膜３’として設けられている。ゲート絶縁膜３は、透明で、絶縁性が高く、誘電率が比較的高く、ゲート絶縁膜として適しているものであれば各種の材料を用いることができる。例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素又は酸窒化ケイ素等のケイ素の酸化物、窒化物又は酸窒化物等を好ましく挙げることができる。また、酸化イットリウム、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化スカンジウム及びチタン酸バリウムストロンチウムのうち少なくとも１種又は２種以上を挙げることができる。特に透明性に優れる酸化ケイ素、窒化ケイ素又は酸窒化ケイ素等のケイ素の酸化物、窒化物又は酸窒化物等が好ましい。
【００４９】
ゲート絶縁膜３の形成は、ゲート絶縁膜材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、ケイ素の酸化物、窒化物又は酸窒化物等でゲート絶縁膜３を形成する場合には、成膜手段としてスパッタリング法や各種ＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ゲート絶縁膜３の成膜に低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。なお、ゲート絶縁膜３の厚さは、通常、０．１μｍ〜０．３μｍ程度である。
【００５０】
（酸化物半導体膜）
酸化物半導体膜４は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａで、ＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート絶縁膜３上であって、ゲート電極２の上方に所定のパターンで設けられている。酸化物半導体膜４は、透明であり、ＴＦＴ素子部Ａを構成するチャネル領域として使用できる程度の移動度を有するものであれば、その種類は特に限定されず、現在知られている酸化物半導体膜であっても、今後発見される酸化物半導体膜であってもよい。
【００５１】
こうした透明な酸化物半導体膜４は、例えばＩＧＺＯ系酸化物半導体膜のように紫外線に感応し易いものが多く、生体関連物質を顕微鏡観察する際に照射される光に含まれる紫外線に感応して、酸化物半導体膜４からの出力信号が変動又は低下することがある。そのため、紫外線カット能を有するゲート電極２で紫外線をカットすることにより、酸化物半導体膜４からの出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００５２】
酸化物半導体膜４を構成する酸化物としては、例えば、ＩｎＭＺｎＯ（ＭはＧａ，Ｓｎ，Ａｌ及びＦｅのうち少なくとも１種）を主たる構成元素とするアモルファス酸化物を挙げることができる。特に、ＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましく、この場合、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）であることが好ましい。また、Ｍｇをさらに含む場合には、Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ1-xＭｇxの比が１：１：ｍ（ｍ＜６）で０＜ｘ≦１であることが好ましい。なお、組成割合は、蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）装置で測定したものである。ＩｎＭＺｎＯを含むアモルファス酸化物である酸化物半導体材料で酸化物半導体膜４を形成した場合、その酸化物半導体膜４は、特に可視光域で良好な光透過性を示するので好ましく適用できる。特にＭがＧａであるＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物が好ましい。
【００５３】
ＩｎＧａＺｎＯ系のアモルファス酸化物については、ＩｎとＧａとＺｎの広い組成範囲でアモルファス相を示す。この三元系でアモルファス相を安定して示す組成範囲としては、ＩｎｘＧａｙＺｎｚＯ（３ｘ／２＋３ｙ／２＋ｚ）で比率ｘ／ｙが０．４〜１．４の範囲であり、比率ｚ／ｙが０．２〜１２の範囲にあるように表すことができる。なお、ＺｎＯに近い組成とＩｎ２Ｏ３に近い組成で結晶質を示す。
【００５４】
また、アモルファス酸化物が、ＩｎxＧａ1-x酸化物（０≦ｘ≦１）、ＩｎxＺｎ1-x酸化物（０．２≦ｘ≦１）、ＩｎxＳｎ1-x酸化物（０．８≦ｘ≦１）、及びＩｎx（Ｚｎ，Ｓｎ）1-x酸化物（０．１５≦ｘ≦１）から選ばれるいずれかのアモルファス酸化物であってもよい。
【００５５】
ＩｎＧａＺｎＯ系（以下「ＩＧＺＯ系」と略す）酸化物半導体膜は、可視光を透過して透明膜となるので好ましく用いられる。また、このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜には、必要に応じて、Ａｌ、Ｆｅ又はＳｎ等を構成元素として加えたものであってもよい。このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜は、透明性を要求される薄膜集積回路に好ましく用いられる。また、このＩＧＺＯ系酸化物半導体膜は、スパッタリング法（特にＲＦスパッタリング法）により、室温から１５０℃程度の低温での成膜が可能であることから、ガラス転移温度が２００℃未満の耐熱性に乏しいプラスチック基板に対して好ましく適用できる。
【００５６】
酸化物半導体膜４の形成は、酸化物半導体材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、成膜手段としてスパッタリング法やＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できるが、低温成膜が要求される場合には、成膜手段としてスパッタリング法（特にＲＦスパッタリング法）やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。
【００５７】
酸化物半導体膜４の厚さは、成膜条件によって任意に設計されるために一概には言えないが、通常１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲内であることが好ましく、３０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であることがより好ましい。
【００５８】
（ソース電極、ドレイン電極）
ソース電極５及びドレイン電極６は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａで、酸化物半導体膜４の両側にトップコンタクトするようにパターン形成されている。ソース電極材料及びドレイン電極材料は、透明であり、酸化物半導体膜４のソース電極接続部（図示しない）及びドレイン電極接続部（図示しない）とのオーミック接触が考慮されて選択される。ソース電極材料及びドレイン電極材料としては、通常、導電性の良い金属膜又は導電性酸化物膜等が用いられる。金属膜としては、チタン膜、アルミニウム膜、アルミニウム膜上にチタン膜を設けた積層膜等を挙げることができ、導電性酸化物膜としては、ＩＴＯ（インジウム錫オキサイド）、酸化インジウム、ＩＺＯ（インジウム亜鉛オキサイド）、ＳｎＯ２、ＺｎＯ等の透明導電膜を挙げることができる。また、所望の導電性を有するものであれば、ポリアニリン、ポリアセチレン、ポリアルキルチオフェン誘導体、ポリシラン誘導体のような導電性高分子等であってもよい。
【００５９】
ソース電極５及びドレイン電極６の形成は、電極材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、金属膜又は導電性酸化物でソース電極５及びドレイン電極６を形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法、スパッタリング法又は各種のＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できるが、低温成膜が要求される場合には、成膜手段として低温成膜可能なスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を好ましく適用できる。また、導電性高分子でソース電極５及びドレイン電極６を形成する場合には、成膜手段として真空蒸着法やパターン印刷法等を適用でき、パターニング手段としてフォトリソグラフィを適用できる。ソース電極５及びドレイン電極６の形成工程時には、同じ電極材料で、同時に、既に形成されている回路配線群への接続や新しい回路配線群の形成を行うことが好ましい。ソース電極５及びドレイン電極６の厚さは、通常、０．１μｍ〜０．３μｍ程度である。
【００６０】
（保護膜）
保護膜７は、図１〜図３に示すように、ＴＦＴ素子部Ａで、酸化物半導体膜４、ソース電極５及びドレイン電極６を覆うように形成されている。透明な保護膜７としては、厚さ５００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度のＰＶＰ（ポリビニルピロリドン）膜等の有機保護膜、又は厚さ１００ｎｍ〜５００ｎｍ程度の酸化ケイ素や酸窒化ケイ素等からなるガスバリア性の無機保護膜等を好ましく挙げることができる。また、上記した酸化物半導体膜４の構成材料と同じ酸化物半導体材料で形成してもよい。
【００６１】
保護膜７の形成は、保護膜材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、有機保護膜を形成する場合には、塗布法や蒸着法等を適用でき、無機保護膜を形成する場合には、スパッタリング法や各種のＣＶＤ法等を適用できる。また、パターニングする場合は、フォトリソグラフィを適用できる。
【００６２】
（感応膜）
感応膜８は、図１〜図３に示すように、生体関連物質感応部Ｂで、絶縁膜３’上にパターン形成されている。感応膜８は、被検査流体に含まれる生体関連物質、例えば細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質、酸化還元酵素、抗原又は抗体等を載置可能な材料で形成される。感応膜８の形成材料としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等を挙げることができる。これらの材料で形成した感応膜８は、イオン感応性膜であり、測定したいイオン種に応じて適宜選定される。感応膜８は、単層であっても積層であってもよく、積層の場合は、例えば酸化ケイ素膜上に窒化ケイ素膜を設けてもよいし、さらにその上に酸化タンタル膜を設けてもよい。
【００６３】
また、必要に応じて、ＤＮＡ、タンパク質又は糖鎖等を固定化するための表面修飾を行うこともできる。感応膜８の周囲には、後述する隔壁９が設けられ、酸化物半導体膜４のチャネル領域（図示しない）上に、被検査流体に含まれる生体関連物質を載置する載置領域が設けられている。
【００６４】
なお、感応膜８は絶縁性を有するので、例えばゲート電極２を覆う保護膜として利用してもよい。感応膜８の形成は、感応膜材料の種類や透明基材１の耐熱性に応じた成膜手段とパターニング手段が適用される。例えば、スパッタリング法や各種のＣＶＤ法等を適用でき、パターニング手段としてはフォトリソグラフィを適用できる。
【００６５】
感応膜８の厚さは、通常、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度である。例えば厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素膜を単層で形成したり、例えば厚さ１００ｎｍの酸化ケイ素膜上に厚さ１００ｎｍの窒化ケイ素膜を形成したりしてもよいし、さらにその上に厚さ１００ｎｍの酸化タンタル膜を形成したりしてもよい。
【００６６】
以上説明したように、ボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０では、透明バイオセンサ１０の下方から照射される光に含まれる紫外線を、紫外線カット機能を有するゲート電極２によって紫外線をカットする。その結果、酸化物半導体膜４が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜４による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【００６７】
［トップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ］
図４及び図５に示す透明バイオセンサ２０は、トップゲート型のＴＦＴを有するＴＦＴ素子部Ａと、生体関連物質感応部Ｂとを有している。なお、このトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ２０では、紫外線カット能を有するゲート電極２を含め、ＴＦＴ素子部Ａ及び生体関連物質感応部Ｂの各構成要素は、図１〜図３のボトムゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ１０の場合と同様である。そのため、図４及び図５には同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００６８】
図４に示すトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ２０Ａは、透明基材１と、透明基材１上に設けられたＴＦＴ素子部Ａ及び生体関連物質感応部Ｂとで構成されている。図４に示すＴＦＴ素子部Ａと生体関連物質感応部Ｂとは、平面視で重ならずに並んで設けられている。また、生体関連物質感応部Ｂの感応膜８の下方に設けられた電極２’は、ＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート電極２に接続されている。
【００６９】
ＴＦＴ素子部Ａは、トップゲート型ＴＦＴを有するものであり、図４に示すように、透明基材１上に設けられたソース電極５及びドレイン電極６と、そのソース電極５及びドレイン電極６にボトムコンタクト態様で両側で接続するように設けられた酸化物半導体膜４と、ソース電極５、酸化物半導体膜４及びドレイン電極６を覆うように設けられたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に設けられたゲート電極２と、ゲート電極２上に設けられた保護層７とを有している。一方、生体関連物質感応部Ｂは、図４に示すように、透明基材１上にＴＦＴ素子部Ａのゲート絶縁膜３と共に形成された絶縁膜３’と、その絶縁膜３’上にＴＦＴ素子部Ａのゲート電極２と共に形成された電極２’と、その電極２’上にＴＦＴ素子部Ａの保護膜７と共に形成された保護膜７と、その保護膜７上に設けられた感応膜８とを有している。生体関連物質は、感応膜８上に載置される。
【００７０】
図４に示す透明バイオセンサ２０Ａにおいては、紫外線カット能を有するゲート電極２は酸化物半導体膜４の上方に設けられているので、そのゲート電極２は、透明バイオセンサ２０の上方から照射される光に含まれる紫外線をカットする。なお、図４の例では、感応膜８は、平面視でＴＦＴ素子部Ａ以外の領域に設けられているが、ＴＦＴ素子部Ａの上方にも設けてもよい。そうすることで、感応膜８上での生体関連物質の載置面積を大きくし、観察範囲を広くすることができる。
【００７１】
図５に示すトップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ２０Ｂは、透明基材１と、透明基材１上に設けられたＴＦＴ素子部Ａ及び生体関連物質感応部Ｂとで構成されている。図５に示すＴＦＴ素子部Ａと生体関連物質感応部Ｂとは、平面視で重なるように上下の位置関係で設けられている。また、生体関連物質感応部Ｂの感応膜８の下方に設けられた電極は、感応膜８の検出電極２’とＴＦＴ素子部Ａを構成するゲート電極２とを兼ねている。
【００７２】
ＴＦＴ素子部Ａは、トップゲート型ＴＦＴを有するものであり、図５に示すように、透明基材１上に設けられたソース電極５及びドレイン電極６と、そのソース電極５及びドレイン電極６にボトムコンタクト態様で両側で接続するように設けられた酸化物半導体膜４と、ソース電極５、酸化物半導体膜４及びドレイン電極６を覆うように設けられたゲート絶縁膜３と、ゲート絶縁膜３上に設けられたゲート電極２とを有している。なお、ゲート電極２と感応膜８との間には、保護膜７が設けられていてもよい。
【００７３】
一方、生体関連物質感応部Ｂは、図５に示すように、そのＴＦＴ素子部Ａ上を構成するゲート電極２上に設けられたものである。そして、この生体関連物質感応部Ｂでは、ＴＦＴ素子部Ａが有するゲート電極２を、検出電極２’として併用し、その検出電極２’上には、感応膜８が設けられている。感応膜８が設けられた生体関連物質感応部Ｂの周縁には、隔壁９が設けられており、その隔壁９で囲まれた領域に、被検査流体に含まれる生体関連物質が投入され、透明バイオセンサによる電気的な信号情報と、顕微鏡観察とが同時に行われる。「周縁」とは、生体関連物質感応部Ｂに設けられた検出電極２’を平面視した場合に、その検出電極２’に重ならない外側位置のことを意味する。感応膜８上には、被検査流体に含まれる生体関連物質、例えば細胞、ＤＮＡ、糖鎖、タンパク質、酸化還元酵素、抗原又は抗体等が、隔壁９，９間に配置される。
【００７４】
隔壁９は、生体関連物質感応部Ｂの周縁の感応膜８上に設けられている。隔壁９は、水溶液又は培養液等の被検査流体を感応膜８上に滞留させるためのものであり、所定の高さで設けられる。障壁９の形成材料は、被検査流体を漏出させない材料であればよく、特に限定されるものではない。具体的には被検査流体の種類に応じて、各種の樹脂材料や金属材料から選択して適用できる。
【００７５】
図５に示す透明バイオセンサ２０Ｂにおいては、紫外線カット能を有するゲート電極２は酸化物半導体膜４の上方に設けられているので、そのゲート電極２は、透明バイオセンサ２０の上方から照射される光に含まれる紫外線をカットする。
【００７６】
以上説明したように、トップゲート型ＴＦＴを有する透明バイオセンサ２０では、透明バイオセンサ２０の上方から照射される光に含まれる紫外線を、紫外線カット機能を有するゲート電極２によって紫外線をカットする。その結果、酸化物半導体膜４が紫外線に感応するのを防いで、その酸化物半導体膜４による出力信号が変動又は低下するのを防ぐことができ、顕微鏡観察と同時に取得する生体関連物質の信号情報を正確に取得することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１ 透明基材
２ ゲート電極
２’ 検出電極
２” 連結配線
３ ゲート絶縁膜
３’ 絶縁膜
４ 酸化物半導体膜
５ ソース電極
６ ドレイン電極
７ 保護膜
８ 感応膜
９ 隔壁
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 透明バイオセンサ
２０，２０Ａ，２０Ｂ 透明バイオセンサ
Ａ 薄膜トランジスタ素子部
Ｂ 生体関連物質感応部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基材と、該透明基材上に設けられた透明な薄膜トランジスタ素子部及び透明な生体関連物質感応部とを有し、前記薄膜トランジスタ素子部が有するゲート電極が、前記薄膜トランジスタ素子部を構成する酸化物半導体膜に対する紫外線カット機能を有することを特徴とする透明バイオセンサ。
【請求項２】
前記ゲート電極が、(i)紫外線カット材料を含む透明電極、(ii)紫外線カット材料からなる透明電極、及び、(iii)前記酸化物半導体膜のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極、のいずれかである、請求項１に記載の透明バイオセンサ。
【請求項３】
前記薄膜トランジスタ素子部が、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ構造又はトップゲート型の薄膜トランジスタ構造を有する、請求項１又は２に記載の透明バイオセンサ。
【請求項４】
前記薄膜トランジスタ素子部がボトムゲート型の薄膜トランジスタ構造であり、該薄膜トランジスタ構造の上方に絶縁膜を介して前記ゲート電極に接続する検出電極が設けられ、該検出電極が前記酸化物半導体膜に対する前記紫外線カット機能を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の透明バイオセンサ。
【請求項５】
前記酸化物半導体膜が、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の透明バイオセンサ。
【請求項１】
透明基材と、該透明基材上に設けられた透明な薄膜トランジスタ素子部及び透明な生体関連物質感応部とを有し、前記薄膜トランジスタ素子部が有するゲート電極が、前記薄膜トランジスタ素子部を構成する酸化物半導体膜に対する紫外線カット機能を有することを特徴とする透明バイオセンサ。
【請求項２】
前記ゲート電極が、(i)紫外線カット材料を含む透明電極、(ii)紫外線カット材料からなる透明電極、及び、(iii)前記酸化物半導体膜のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを持つ透明電極、のいずれかである、請求項１に記載の透明バイオセンサ。
【請求項３】
前記薄膜トランジスタ素子部が、ボトムゲート型の薄膜トランジスタ構造又はトップゲート型の薄膜トランジスタ構造を有する、請求項１又は２に記載の透明バイオセンサ。
【請求項４】
前記薄膜トランジスタ素子部がボトムゲート型の薄膜トランジスタ構造であり、該薄膜トランジスタ構造の上方に絶縁膜を介して前記ゲート電極に接続する検出電極が設けられ、該検出電極が前記酸化物半導体膜に対する前記紫外線カット機能を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の透明バイオセンサ。
【請求項５】
前記酸化物半導体膜が、ＩＧＺＯ系の酸化物半導体膜である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の透明バイオセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７６６５６（Ｐ２０１３−７６６５６Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７２８２（Ｐ２０１１−２１７２８２）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００２８９７）大日本印刷株式会社 (14,506)
【Ｆターム（参考）】
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