WO2005022134A1 - 電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ並びにそれを用いたセンサ - Google Patents

電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ並びにそれを用いたセンサ Download PDF

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WO2005022134A1
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Kazuhiko Matsumoto
Atsuhiko Kojima
Satoru Nagao
Masanori Katou
Yutaka Yamada
Kazuhiro Nagaike
Yasuo Ifuku
Hiroshi Mitani
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Definitions

  • the present invention relates to a field effect transistor, a single electron transistor, and a sensor using the same.
  • a field effect transistor (FET) and a single electron transistor (SET) are elements that convert a voltage signal input to a gate into a current signal output from a source electrode or a drain electrode.
  • FET field effect transistor
  • SET single electron transistor
  • the strength of the output current signal is proportional to the density of charged particles.
  • a voltage is applied to the gate located above, on the side, or below the channel via an insulator, the density of charged particles present in the channel changes. This can be used to change the gate voltage. As a result, the current signal can be changed.
  • transistor field effect transistor and the single electron transistor are described without distinction, they are simply referred to as “transistor”.
  • Patent Document 1 describes a sensor having a structure in which a substance that selectively reacts with a substance to be detected is immobilized at the gate of a transistor. A change in the surface charge on the gate due to the reaction between the substance to be detected and the substance immobilized on the gate changes the potential applied to the gate, thereby changing the density of charged particles in the channel. The substance to be detected can be detected by reading the change in the output signal from the drain electrode or source electrode of the transistor caused by this.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 10-260156 Disclosure of the invention
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a sensor capable of detecting a detection target substance that requires a high detection sensitivity.
  • the inventors of the present invention provide a sensor for detecting a detection target substance using a transistor, wherein the transistor is selectively connected to the detection target substance in addition to the source electrode, the drain electrode, and the channel.
  • the detection target substance is highly sensitive. The present invention was completed by discovering that it was possible to detect this.
  • a sensor of the present invention is a field effect transistor comprising a substrate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • the sensor since the interaction can be detected in a state where the transfer characteristic of the transistor has the highest sensitivity, the sensor can be highly sensitive.
  • another sensor of the present invention includes a single substrate including a substrate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • a sensor having an electronic transistor for detecting a substance to be detected, wherein the single electron transistor fixes a specific substance that selectively interacts with the substance to be detected. And a gate to which a voltage is applied to detect the interaction as a change in the characteristics of the single-electron transistor. Section 5). According to this sensor, since the interaction can be detected in a state where the transfer characteristic of the transistor becomes the highest sensitivity, the sensor can be made highly sensitive.
  • the channel is preferably formed of a nanotube-like structure (claims 2 and 6).
  • the sensitivity of the sensor can be further improved.
  • the nanotube-like structure is preferably a structure selected from the group consisting of carbon nanotubes, boron nitride nanotubes, and titania nanotubes (claims 3 and 7).
  • the electric characteristics of the nanotube-shaped structure included in the field effect transistor have semiconducting properties (claim 4).
  • the nanotube-like structure of the single electron transistor has a defect introduced therein (claim 8). Thereby, a quantum dot structure can be formed in the nanotube-like structure.
  • the nanotube-like structure of the single-electron transistor has metallic properties (claim 9).
  • the interaction sensing gate is preferably another gate different from the gate (claim 10).
  • a transistor can be configured with a simple configuration.
  • the other gate includes a top gate provided on a channel upper surface of the substrate surface, a side gate provided on a channel side surface of the substrate surface, and a back gate provided on a back surface side. Any one of them is preferable (claim 11). As a result, the operation at the time of detection can be easily performed.
  • the channel is mounted between the source electrode and the drain electrode in a state of being separated from the substrate (claim 12).
  • the dielectric constant between the interaction sensing gate and the channel decreases, and the capacitance of the interaction sensing gate can be reduced, so that detection can be performed with high sensitivity.
  • the channel is preferably provided in a relaxed state between the source electrode and the drain electrode at room temperature (claim 13). This reduces the possibility of channel damage due to temperature changes.
  • the substrate is preferably an insulating substrate (claim 14).
  • the channel is preferably covered with an insulating member (claim 15).
  • a layer of an insulating material having a low dielectric constant is formed between the channel and the interaction sensing gate (claim 16).
  • the change in charge due to the interaction generated in the interaction sensing gate is more efficiently transmitted to the channel, so that the sensitivity of the sensor can be increased.
  • a layer of an insulating material having a high dielectric constant is formed between the channel and the gate (claim 17).
  • the transfer characteristic of the transistor can be more efficiently modulated by the gate voltage of the gate, and the sensitivity of the sensor can be increased.
  • the sensor of the present invention also includes a sensor in which the specific substance is immobilized on the interaction sensing gate (claim 18).
  • a field effect transistor of the present invention includes a substrate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • Another field effect transistor of the present invention includes a substrate, a gate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • a field effect transistor, wherein the channel is a nanotube-like structure mounted between the source electrode and the drain electrode in a state of being separated from the substrate (claim 20).
  • Another field effect transistor of the present invention includes a substrate, a gate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • a field effect transistor, wherein the channel is formed of a nanotube-like structure, and the nanotube-like structure is mounted in a relaxed state between the source electrode and the drain electrode at room temperature.
  • Another field effect transistor of the present invention includes a substrate, a gate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • a field effect transistor comprising the channel force nanotube-like structure, wherein the substrate is an insulating substrate (claim 22).
  • Another field effect transistor of the present invention includes a substrate, a gate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • a field effect transistor comprising a nanotube-like structure covered with the channel force insulating member (claim 23).
  • a single electron transistor of the present invention comprises a substrate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • a single-electron transistor used in a sensor for detecting a substance, an interaction sensing gate for fixing a specific substance that selectively interacts with the detection target substance, and the interaction as the single electron And a gate to which a voltage is applied in order to detect the change in the characteristics of the transistor (claim 24).
  • Another single-electron transistor of the present invention includes a substrate, a gate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • a single-electron transistor comprising: a nanotube-like structure mounted between the source electrode and the drain electrode in a state of being separated from the substrate by the channel force (claim 25). .
  • Another single electron transistor of the present invention includes a substrate, a gate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • a single-electron transistor comprising a channel having a nanotube-like structure, the nanotube-like structure being loosely mounted between the source electrode and the drain electrode at room temperature (Claim 26).
  • Another single electron transistor of the present invention includes a substrate, a gate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode.
  • a channel effect transistor comprising the channel force nanotubular structure, wherein the substrate is an insulating substrate (claim 27).
  • another single electron transistor of the present invention includes a substrate, a gate, a source electrode and a drain electrode provided on the substrate, and a channel serving as a current path between the source electrode and the drain electrode. And a nanotube-like structure covered with the channel force insulating member (claim 28).
  • the nanotube-like structure is preferably a structure selected from the group consisting of carbon nanotubes, boron nitride nanotubes, and titania nanotubes.
  • the electric characteristics of the nanotube-shaped structure included in the field effect transistor have semiconductor properties.
  • the nanotube-like structure of the single electron transistor has a defect introduced therein (claim 29). Thereby, a quantum dock structure can be formed in the nanotube-like structure.
  • the electrical characteristics of the nanotube-like structure included in the single electron transistor have metallic properties.
  • the senor of the present invention it becomes possible to detect a detection target substance with high sensitivity.
  • FIG. 1 Fig. 1 (a) and Fig. 1 (b) show a sensor as a first embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 (a) is a perspective view of a transistor
  • Fig. 1 (b) FIG. 3 is a side view of a transistor.
  • FIGS. 2 (a) and 2 (b) show a sensor as a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 (a) is a perspective view of the transistor, and FIG. It is a side view.
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) show a sensor as a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 (a) is a perspective view of the transistor, and FIG. It is a side view.
  • FIGS. 4 (a) and 4 (b) show a sensor as a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 (a) is a perspective view of the transistor, and FIG. It is a side view.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) show a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5A is a perspective view of the transistor, and FIG. 5B is a side view of the transistor.
  • FIG. 6 Figs. 6 (a) and 6 (b) show a sixth embodiment of the present invention.
  • 6A is a perspective view of the transistor
  • FIG. 6B is a side view of the transistor.
  • FIGS. 7 (a) to 7 (d) are diagrams for explaining an example of a method for manufacturing a transistor according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining an example of a method for manufacturing a transistor, which focuses on an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining an example of a method for manufacturing a transistor, which focuses on an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 (a) and FIG. 10 (c) are diagrams for explaining an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an example of the present invention.
  • FIG. 12 (a) and FIG. 12 (c) are diagrams for explaining an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining an example of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining an example of the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining an example of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining an example of the present invention.
  • FIG. 17 is a graph showing the results of an example of the present invention.
  • transistor is simply used in the following first, first, and fifth embodiments, it is a term that refers to an electric field characteristic transistor and a single electron transistor without distinction. To do.
  • transistor is simply used in the following first, first, and fifth embodiments, it is a term that refers to an electric field characteristic transistor and a single electron transistor without distinction. To do.
  • the same reference numerals are given to substantially the same parts for explanation.
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) are diagrams for explaining a sensor as a first embodiment of the present invention.
  • the substrate 2 of the transistor 1A is formed of an insulating material, and the upper surface (the upper surface in the figure) is insulative and has a low dielectric constant.
  • a layer of silicon oxide (hereinafter referred to as “low dielectric layer”) 3 is provided.
  • a source electrode 4 and a drain electrode 5 made of gold are disposed on the surface of the low dielectric layer 3, and a channel 6 made of carbon nanotubes is installed between the source electrode 4 and the drain electrode 5. It is built.
  • the channel 6 is installed between the source electrode 4 and the drain electrode 5 by being installed as a bridge connecting the source electrode 4 and the drain electrode 5, and is isolated from the surface of the low dielectric layer 3. ing. That is, the channel 6 is fixed to the transistor 1A at two points, that is, the connection part with the source electrode 4 and the connection part with the drain electrode 5, and the other part is in a state of floating in the air. Furthermore, as shown in FIG. 1 (b), the channel 6 is mounted in a slacked state by a predetermined angle.
  • the predetermined angle at which the channel 6 is slack is the tensile stress applied to the channel 6 due to the change in the distance between the source power source 4 and the drain electrode 5 due to, for example, deformation of the substrate 2 due to temperature change. Or it is a grade which can absorb a compressive stress.
  • the channel 6 is slackened by a predetermined angle under the temperature condition in which the sensor is used, so that the stress caused by the temperature change around the temperature where the sensor is used can be absorbed.
  • the channel 6 is set to be slackened by a predetermined angle at room temperature.
  • a side gate 7 made of gold is provided at a position facing the channel 6 on the surface of the low dielectric layer 3.
  • the side gate 7 is installed to apply a gate voltage to the channel 6.
  • the source electrode 4, the drain electrode 5, and the side gate 7 are connected to an external power source (not shown), and are set so that a voltage is applied from the external power source. Further, the current flowing through each of the source electrode 4, the drain power supply 5, and the side gate 7 and the voltage applied to each are measured by a measuring instrument (not shown).
  • the back surface of the substrate 1A (the lower side surface in the figure), that is, the surface opposite to the low dielectric layer 3, is formed of gold as an interaction sensing gate.
  • a back gate (other gate) 9 is installed over the entire surface.
  • a specific substance (in this embodiment, an antibody) 10 that selectively interacts with a detection target substance detected using the sensor of the present embodiment is immobilized on the back gate 9.
  • the transmission voltage of the transistor 1A is adjusted by adjusting the gate voltage applied to the side gate 7 before the start of measurement or during the measurement. Find the optimal gate voltage with the highest sensitivity. If the optimum gate voltage is found, the gate voltage applied to the side gate 7 is set to the optimum gate voltage.
  • the sample containing the detection target substance to be detected is allowed to interact with the specific substance while keeping the gate voltage at or near the optimum gate voltage.
  • the vicinity of the optimum gate voltage means a range in which the variation in the characteristic value of the transistor can be expected to be large enough to detect the detection target substance when detecting the detection target substance.
  • the phase between the specific substance and the detection target substance Since the potential of the back gate 9 fluctuates due to the interaction, the current value of the current flowing between the source electrode and the drain electrode, the threshold voltage, the slope of the drain voltage with respect to the gate voltage, and the following are specific to single-electron transistors: There are fluctuations due to the interaction of transistor characteristics such as force S, Coulomb oscillation threshold, Coulomb oscillation cycle, Coulomb diamond threshold, and Coulomb diamond cycle. Arise. By detecting this variation, it is possible to detect the interaction between the detection target substance and the specific substance, and thus detect the detection target substance in the sample.
  • the side gate 7 is used so that the transfer characteristic of the transistor 1A has the highest sensitivity, that is, the mutual conductance of the transistor 1A is Transistor 1A can be set to reach a maximum state.
  • This makes it possible to maximize the effect of the change in the gate potential caused by the interaction between the specific substance and the detection target substance on the density change of the charged particles in the channel 6.
  • the interaction between the specific substance and the detection target substance can be measured as a large change in the characteristics of the transistor 1A.
  • the amount of change in the characteristics of the transistor due to the interaction between the specific substance and the detection target substance can be amplified to make the sensor highly sensitive.
  • the detection target substance can be detected with higher sensitivity.
  • the limit of the detection sensitivity of a sensor using a transistor is related to the capacitance of the gate of the transistor (hereinafter referred to as “gate capacitance” as appropriate).
  • the gate capacitance is proportional to the product L XW of the channel length L and the channel width W, miniaturization of the channel is effective in reducing the gate capacitance. Since the nanotube-like structure used in the present embodiment is very fine, the detection target substance can be detected with very high sensitivity for the reasons described above.
  • the back gate 9 is used as the interaction sensing gate and the antibody is fixed to the back gate 9, highly sensitive detection can be performed with a simple configuration.
  • the back gate 9 is provided on the back side of the substrate 1A, the detection operation can be performed easily.
  • the channel 6 is loosely mounted between the source electrode 4 and the drain electrode 5, even if there is a temperature change during detection or storage, the channel 6 is damaged due to deformation due to the temperature change. The possibility can be reduced.
  • the interaction in the back gate 9 can be reliably detected.
  • the low dielectric layer 3 is formed between the channel 6 and the back gate (interaction sensing gate) 9, the surface charge is changed by the interaction in the back gate 9. It is more efficiently transmitted as a change in charge density in channel 6, and appears as a large change in the characteristics of transistor 1A. Thereby, it is possible to further improve the sensitivity of the sensor of the present embodiment.
  • a conventional detection device using an immune reaction based on another detection principle uses a label such as radioimmunoassay or chemiluminescence immunoassay, and the detection sensitivity is almost satisfactory. there were. However, they required dedicated facilities and equipment systems, and had to be measured by a clinical laboratory technician who was an expert in a laboratory or hospital laboratory. Therefore, practitioners, etc. cannot obtain a quick test result because the test is conducted by outsourcing to an inspection center. In addition, because of the long reaction time, few respond to emergency tests. These are because the current immunoassay uses a label, and the reaction process requires complicated operations such as washing.
  • immunosensors based on the non-labeling method have been developed based on various detection principles such as surface plasmon resonance (SPR), but these are merely used as research instruments, and clinical tests are performed.
  • SPR surface plasmon resonance
  • ⁇ ⁇ Sensitivity is not enough for use and has not been put into practical use.
  • the above-described immunosensor uses an optical detection method, there is a problem that the entire apparatus is large.
  • FIG. 2 (a) and 2 (b) are diagrams illustrating a sensor as a second embodiment of the present invention.
  • the transistor 1B constituting the sensor according to the second embodiment of the present invention has the same configuration as the transistor 1A described in the first embodiment.
  • an insulating and high dielectric constant photosensitive resin layer (hereinafter appropriately referred to as "high dielectric layer”) 11 is formed over the entire surface of the low dielectric layer 3. It has been done.
  • This high dielectric layer 11 is formed of a force source electrode 4, drain electrode 5, and side gate 7 formed to cover the entire channel 6 and the side surfaces of the source electrode 4, drain electrode 5, and side gate 7. The upper surface (upper in the figure) is not covered.
  • the high dielectric layer 11 is indicated by a two-dot chain line.
  • the sensor of this embodiment is configured as described above, it is specified by setting the transfer characteristic of the transistor 1B to have the highest sensitivity in the same manner as the sensor of the first embodiment.
  • the interaction between the substance and the substance to be detected can be measured as a large change in the characteristics of transistor 1B. Thereby, it becomes possible to improve the sensitivity of the sensor of this embodiment.
  • the sensor can be made more sensitive.
  • the back gate 9 is used as an interaction sensing gate, highly sensitive detection can be performed with a simple configuration and simple operation.
  • the substrate 2 is an insulating substrate, the interaction between the detection target substance and the specific substance can be reliably detected.
  • the low dielectric layer 3 is formed between the channel 6 and the back gate 9, the surface charge change due to the interaction in the back gate 9 can be transmitted to the channel 6 more efficiently.
  • the sensitivity of the sensor can be further improved.
  • channel 6 is slack, it is possible to prevent damage due to a change in length due to a temperature change or the like.
  • the photosensitive resin (photoresist) constituting the high-sensitivity layer 11 is a soft material that allows the deformation of the channel 6. Therefore, damage can be prevented as described above.
  • high dielectric constant insulation is provided between the channel 6 and the side gate 7. Since it has the high dielectric layer 11, which is a material layer, the transfer characteristics of the transistor 1B can be more efficiently modulated by applying the gate voltage to the side gate 7, and the sensitivity of the sensor is further improved. be able to.
  • the channel 6 is covered with the insulating high dielectric layer 11, the charged particles in the channel 6 leak to the outside of the channel 6, and the channel 6 outside from other than the source electrode and the drain electrode. Can be prevented from entering the channel 6. This makes it possible to stably detect the interaction between the specific substance and the detection target substance.
  • the sensor of this embodiment If the sensor of this embodiment is used, real-time measurement is possible, and the interaction between substances can be monitored. Furthermore, since integration is easy, it is possible to measure the phenomenon of interaction between substances that occurs at the same time.
  • the transistor 1C constituting the sensor of the present embodiment is composed of a substrate 2 made of an insulating material, an insulating and low dielectric constant low. It has a dielectric layer 3, a source electrode 4 and a drain electrode 5 made of gold, and a channel 6 made of carbon nanotubes is mounted between the source electrode 4 and the drain electrode 5.
  • a back gate 12 for applying a gate voltage to the transistor 1C is formed on the entire surface.
  • the back gate 12 is connected to a power source (not shown), and a voltage is applied from the power source.
  • the voltage applied to the back gate 12 can be measured by a measuring instrument (not shown).
  • a silicon oxide film (insulating film) 13 which is an insulating material having a low dielectric constant is formed on the surface of the low dielectric layer 3 from the middle part of the channel 6 to the edge part in the rear direction in the figure.
  • the channel 6 penetrates the insulating film 13 in the lateral direction. In other words, the intermediate portion of the channel 6 is covered with the insulating film 13.
  • a top that is an interaction sensing gate formed of gold is formed on the upper surface of the insulating film 13.
  • a gate 14 is formed. That is, the top gate 14 is formed on the low dielectric layer 3 via the insulating film 13.
  • the top gate 14 is configured so that no voltage is applied from the outside. Further, the antibody 10 as a specific substance is fixed on the upper surface of the top gate 14.
  • An insulator 21 is formed on the entire surface of the low dielectric layer 3 over the entire surface.
  • the insulator 21 is formed so as to cover the entire portion of the channel 6 that is not covered with the insulating film 13 and the side surfaces of the source electrode 4, the drain electrode 5, the insulating film 13, and the top gate 14. The force on the upper surface of the source electrode 4, the drain electrode 5, and the top gate 14 is not covered.
  • the insulator 21 is indicated by a two-dot chain line.
  • the transfer characteristic of the transistor 1C has the highest sensitivity as in the sensor according to the first embodiment.
  • the interaction between the specific substance and the detection target substance can be measured as a large change in the characteristics of the transistor 1C, and the sensor can be highly sensitive.
  • the carbon nanotube is used as the channel 6 as in the first embodiment, the sensitivity of the sensor can be further increased.
  • the substrate 2 is an insulating substrate, the interaction between the detection target substance and the specific substance can be reliably detected.
  • the top gate 14 is used as the interaction sensing gate, highly sensitive detection can be performed with a simple configuration and simple operation.
  • the insulating film 13 having a low dielectric constant is formed between the channel 6 and the top gate 14, this makes it possible to more efficiently change the surface charge due to the interaction in the top gate 14. And the sensitivity of the sensor can be further improved.
  • the channel 6 is covered with the insulator 21, the charged particles in the channel 6 leak to the outside of the channel 6, and the charged particles outside the channel 6 from other than the source electrode and the drain electrode are channeled. 6 can be prevented from entering. This makes it possible to stably detect the interaction between the specific substance and the detection target substance.
  • the sensor of this embodiment is used, real-time measurement is possible, and the interaction between substances can be monitored. Furthermore, since integration is easy, inter-substance phases occur simultaneously and frequently. The interaction phenomenon can be measured at once.
  • the transistor 1D constituting the sensor of this embodiment is composed of a substrate 2 made of an insulating material, an insulating material and a low low dielectric constant. It has a dielectric layer 3, a source electrode 4 and a drain electrode 5 made of gold, and a channel 6 made of carbon nanotubes is mounted between the source electrode 4 and the drain electrode 5. In addition, a side gate 7 is provided.
  • the transistor 1D of the present embodiment includes a side gate 15 as an interaction sensing gate on the opposite edge to the side gate 7 on the low dielectric layer 3, and on the surface thereof. Antibody 10 is immobilized. Further, the side gate 15 is configured so as not to be applied with an external voltage.
  • the insulator 21 is formed so that the surface of the low dielectric layer 3 extends over the entire surface.
  • the insulator 21 is a force formed so as to cover the entire channel 6 and the side surfaces of the source electrode 4, the drain electrode 5, and the side gates 7, 15.
  • the source electrode 4, the drain electrode 5, and the side The upper surface (upper in the figure) of gates 7 and 15 is not covered.
  • the insulator 21 is indicated by a two-dot chain line.
  • the sensor of the present embodiment is configured as described above, by setting the transfer characteristic of the transistor 1D to have the highest sensitivity in the same manner as the sensor of the first embodiment.
  • the interaction between the specific substance and the substance to be detected can be measured as a large change in the characteristics of the transistor 1D. As a result, it is possible to improve the sensitivity of the sensor of the present embodiment.
  • the following effects can be achieved. That is, since carbon nanotubes are used as the channel 6, the sensor can be made more sensitive. In addition, since the side gate 15 is used as the interaction sensing gate, a simple configuration is used. Therefore, highly sensitive detection can be performed. Further, since the substrate 2 is an insulating substrate, the interaction between the detection target substance and the specific substance can be reliably detected.
  • the channel 6 is covered with the insulating insulator 21, the charged particles in the channel 6 leak outside the channel 6, and the channel 6 outside from the source electrode 4 and the drain electrode 5 other than the channel 6 outside. Can be prevented from entering the channel 6. This makes it possible to stably detect the interaction between the specific substance and the detection target substance.
  • the sensor of this embodiment If the sensor of this embodiment is used, real-time measurement is possible, and the interaction between substances can be monitored. Furthermore, since integration is easy, it is possible to measure the phenomenon of interaction between substances that occurs at the same time.
  • FIG. 5 (a) and FIG. 5 (b) are diagrams showing a fifth embodiment of the present invention.
  • the transistor 1E according to the fifth embodiment of the present invention is the same as the first embodiment except that the back gate 9 and the antibody 10 are not provided.
  • the configuration is the same as that of the described transistor 1A.
  • the substrate 2 of the transistor 1E is formed of an insulating material, and the upper surface (the upper surface in the figure) is insulative over the entire surface.
  • a low dielectric constant silicon oxide layer (low dielectric layer) 3 is provided.
  • a source electrode 4 and a drain electrode 5 formed of gold are disposed on the surface of the low dielectric layer 3, and a channel 6 formed of carbon nanotubes is formed between the source electrode 4 and the drain electrode 5. Is mounted.
  • the channel 6 is installed between the source electrode 4 and the drain electrode 5 by being installed in a bridge shape connecting the source electrode 4 and the drain electrode 5, and is isolated from the surface of the low dielectric layer 3. ing. That is, the channel 6 is fixed to the transistor 1A only at the two points of the connection portion with the source electrode 4 and the connection portion with the drain electrode 5, and the other portion is in a state of floating in the air. Further, as shown in FIG. 5 (b), the channel 6 is mounted in a state of being slackened by a predetermined angle.
  • the predetermined angle at which the channel 6 is slackened means that the fluctuation occurs when the distance between the source power supply 4 and the drain electrode 5 fluctuates due to, for example, deformation of the substrate 2 due to temperature change. Therefore, the tensile stress or compressive stress applied to the channel 6 can be absorbed.
  • the channel 6 is slackened by a predetermined angle under the temperature conditions in which the sensor is used, so that stress caused by temperature changes around the temperature at which the sensor is used can be absorbed.
  • the channel 6 is set to be slackened by a predetermined angle at room temperature.
  • a side gate 7 made of gold is provided at a position facing the channel 6 on the surface of the low dielectric layer 3.
  • the side gate 7 is installed to apply a gate voltage to the channel 6.
  • the source electrode 4, the drain electrode 5, and the side gate 7 are connected to an external power source (not shown), and are set so that a voltage is applied from the external power source.
  • the channel 6 is loosely mounted between the source electrode 4 and the drain electrode 5, so that the detection time or Even if the temperature changes during storage, the possibility that the channel 6 will be damaged due to deformation due to the temperature change can be reduced.
  • the substrate 2 is an insulating substrate, the dielectric constant of the substrate 2 can be lowered and the gate capacitance can be reduced, so that the sensitivity of the transistor 1E can be improved.
  • Power S can be.
  • 6 (a) and 6 (b) are views showing a sixth embodiment of the present invention.
  • the transistor 1F according to the sixth embodiment of the present invention is the same as that of the second embodiment except that the back gate 9 and the antibody 10 are not provided.
  • the configuration is the same as that of the described transistor 1B.
  • the transistor 1F constituting the sensor according to the sixth embodiment of the present invention has the same configuration as the transistor 1E described in the fifth embodiment.
  • a photosensitive resin layer (high dielectric layer) 11 having an insulating and high dielectric constant is formed over the entire surface of the low dielectric layer 3.
  • the high dielectric layer 11 is formed so as to cover the entire channel 6 and the side surfaces of the source electrode 4, the drain electrode 5, and the side gate 7, but the source electrode 4, the drain electrode 5, and the side gate 7 of The upper surface (upper side in the figure) is not covered.
  • the high dielectric layer 11 is indicated by a two-dot chain line.
  • the sensor of the present embodiment is configured as described above. Therefore, in this embodiment, since the high dielectric layer 11 which is a layer of an insulating material having a high dielectric constant is provided between the channel 6 and the side gate 7, by applying the gate voltage of the side gate 7, The transmission characteristic of the transistor 1E can be modulated more efficiently.
  • the channel 6 is covered with the insulating high dielectric layer 11, the charged particles in the channel 6 leak to the outside of the channel 6, and from other than the source electrode 4 and the drain electrode 5 to the channel 6 It is possible to prevent external charged particles from entering the channel 6. As a result, the behavior of the transistor 1E can be stabilized.
  • a plurality of source electrodes, drain electrodes, gates, channels, and interaction sensing gates may be formed as appropriate.
  • the transistor may be installed in a suitable housing or installed in another device.
  • the specific substance is fixed to the sensor.
  • the sensor does not fix the specific substance at the manufacturing stage or the shipping stage, and the user fixes the specific substance. There may be. That is, it should be understood that the sensor as an embodiment of the present invention includes a sensor in which a specific substance is not immobilized.
  • the top gate, the side gate, and the back gate are used as the interaction sensing gate.
  • the interaction sensing gate may be formed by a gate other than the above gates. Needless to say, other members may be used.
  • the channel 6 is formed by slackening. You may form in.
  • the channel 6 is mounted between the source electrode 4 and the drain electrode 5, but the channel 6 may be provided in contact with the substrate 2, the low dielectric layer 3, etc. . Even if the channel 6 is in contact with the substrate 2 or the low dielectric layer 3, if the channel 6 is in a relaxed state, the possibility of damage due to temperature change can be reduced. A voltage can also be applied to the interaction sensing gate.
  • the “transistor” refers to the displacement of the field effect transistor and the single electron transistor.
  • the field effect transistor and the single electron transistor have the same basic structure, but both have different channels serving as current paths. Specifically, the channel of a single electron transistor has a quantum dot structure, and the channel of a field effect transistor does not have a quantum dot structure. Therefore, they can be distinguished from each other by the presence or absence of the quantum dot structure.
  • an insulating substrate or an insulating semiconductor substrate can be used as long as it is formed of any material without any other restrictions.
  • an insulating substrate or a substrate whose surface is coated with a material constituting the insulating substrate is preferable.
  • the stray capacitance can be reduced because the dielectric constant is lower than that of a semiconductor substrate. Therefore, when the back gate is an interaction sensing gate, the detection sensitivity of the interaction can be increased. it can.
  • the insulating substrate is a substrate formed of an insulator. In this specification, unless otherwise specified, it means an electrical insulator. Specific examples of the insulator forming the insulating substrate include silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, titanium oxide, calcium fluoride, acrylic resin, polyimide, and Teflon (registered trademark). These may be used in any kind and ratio. [0091]
  • the semiconductor substrate is a substrate formed of a semiconductor. Specific examples of the semiconductor forming the semiconductor substrate include silicon, gallium arsenide, gallium nitride, zinc oxide, indium phosphide, and silicon carbide. These may be used in any kind and ratio.
  • the insulator for forming the insulating film when an insulating film is formed on a semiconductor substrate for insulation, specific examples of the insulator for forming the insulating film include those similar to the insulator for forming the insulating substrate.
  • the semiconductor substrate can also act as a gate described later.
  • the shape of the substrate is arbitrary, but it is usually formed in a flat plate shape. There are no particular restrictions on the dimensions, but it is preferably 100 zm or more in order to maintain the mechanical strength of the substrate.
  • the source electrode (indicated by reference numeral 4 in the above embodiment) is not limited as long as it is an electrode that can supply the carrier of the transistor.
  • the drain electrode (indicated by reference numeral 5 in the above embodiment) is not limited as long as it is an electrode that can receive the carrier of the transistor.
  • Each of the source electrode and the drain electrode can be formed of an arbitrary conductor.
  • Specific examples include gold, platinum, titanium, titanium carbide, tungsten, ano-remium, molybdenum, chrome key tungsten nitride, tungsten nitride, and polycrystalline silicon. Can be mentioned. These may be used in any kind and ratio.
  • any gate can be used without limitation as long as the density of charged particles in the channel of the transistor can be controlled.
  • the gate is composed of a conductor insulated from the channel, and is generally composed of a conductor and an insulator.
  • the conductor constituting the gate include gold, platinum, titanium, titanium carbide, tandasten, tungsten silicide, tungsten nitride, ano-remium, molybdenum, chromium, and polycrystalline silicon. These may be used in any kind and ratio.
  • the position where the gate is arranged is not limited as long as it is a position where a gate voltage can be applied to the channel.
  • the gate is disposed above the substrate and may be used as a top gate. It may be provided on the same side as the channel and used as a side gate, or may be provided on the back surface of the substrate as a back gate.
  • the top gate and the side gate may be formed on the surface of the channel via an insulating film.
  • the insulating film is not particularly limited as long as it is an insulating material, but specific examples include inorganic materials such as silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, titanium oxide, and calcium fluoride. Polymer materials such as acrylic resin, epoxy resin, polyimide, and Teflon (registered trademark).
  • the interaction sensing gate may be any member that can fix a specific substance that interacts with the detection target substance. Can do.
  • the interaction sensing gate is preferably one that is not applied with an external voltage. Therefore, the interaction sensing gate can be said to be a non-voltage applied type fixing member.
  • various types such as a conductor, a semiconductor, and an insulator can be used. However, conductors are usually used in the same way as the source and drain electrodes. Therefore, the interaction sensing gate can also be referred to as an electrode structure member, and can also be referred to as a voltage non-application type electrode structure member together with the absence of voltage.
  • conductors that form the interaction sensing gate include gold, platinum, titanium, titanium carbide, tandastene, tungsten silicide, tungsten nitride, ano-remium, molybdenum, chromium, and polycrystalline silicon. These may be used in any kind and ratio.
  • the interaction sensing gate it is preferable to use a gate that is not used for applying a gate voltage in the transistor. Specifically, it is more preferably one of a top gate and a back gate, which is preferably selected from a top gate, a side gate, and a back gate. If the top gate is an interaction sensing gate, the distance between the channel and the top gate is generally shorter than the distance between the channel and other gates, so that the sensitivity of the sensor can be increased. In addition, the back gate is In this case, a specific substance can be easily fixed to the interaction sensing gate.
  • the channel (indicated by reference numeral 6 in the above embodiment) can serve as a current path between the source electrode and the drain electrode, and a known channel can be used as appropriate.
  • the channel be covered with an insulating member for passivation or protection.
  • an insulating member any member can be used as long as it is an insulating member.
  • Specific examples include photoresist (photosensitive resin), acrylic resin, epoxy resin, polyimide, Teflon ( Registered polymer), self-assembled films such as aminopropyl ethoxysilane, PER-fluoropolyether, fomblin (trade name), etc., fullerene compounds, silicon oxide, fluoride Inorganic materials such as silicate glass, H SQ (Hydrogen Silsesquioxane ⁇ MSQ (Methyl Lisesquioxane), poly-L poor silica, silicon nitride, aluminum oxide, titanium oxide, calcium fluoride, and diamond thin film can be used. Further, these may be used in combination in any kind and ratio.
  • a layer of a low dielectric constant material (low dielectric constant layer) is provided between the interaction sensing gate and the channel. Furthermore, it is more preferable that the distance from the interaction sensing gate to the channel has the property of a low dielectric constant as a whole (that is, all the layers between the interaction sensing gate and the channel).
  • the low dielectric constant means that the relative dielectric constant is 4.5 or less.
  • the material constituting the low dielectric constant layer is not limited as long as it is an insulating material having a low dielectric constant as described above.
  • Specific examples include silicon dioxide, fluorinated silicate glass, HS Q (Hydrogen Silsesquioxane), MSQ (Methyl Lisesquioxane, polysilicic silica, inorganic materials such as diamond thin film, polyimide, Parylene_N, Parylene_F, fluoride Examples thereof include organic materials such as polyimide, and these may be used in any kind and in any ratio.
  • a layer (high dielectric layer) of an insulating material having a high dielectric constant is formed between a gate for applying a gate voltage to the transistor and the channel. Furthermore, it is more preferable that the entire structure from the gate to the channel (that is, all the layers between the gate and the channel) have a high dielectric constant property.
  • the high dielectric constant means that the relative dielectric constant is 4.5 or more.
  • the material for forming the high dielectric layer is not limited as long as it has insulating properties and a high dielectric constant as described above. Specific examples thereof include inorganic substances such as silicon nitride, aluminum oxide, and tantalum oxide, and polymer materials having high dielectric constant characteristics. Also, these can be used in any kind and ratio.
  • the insulating layer between the gate and the channel is insulative and has a high dielectric constant.
  • FET channel the channel of the field effect transistor
  • SET channel the channel of the single electron transistor
  • the FET channel can serve as a current path, and a known channel can be used as appropriate. Usually, the FET channel is preferably small in size.
  • the nanotube-like structure is a tube-like structure having a cross-sectional diameter perpendicular to the longitudinal direction of 0.4 nm or more and 50 nm or less.
  • the tube shape Refers to a shape in which the ratio of the length in the longitudinal direction of the structure to the length of one of the longest directions perpendicular to the structure is in the range of 10 to 10000, rod-shaped (cross-sectional shape is substantially circular), Each shape includes ribbons (substantially square with a flat cross section).
  • the nanotube-like structure can be used as a charge transporter, and has a one-dimensional quantum wire structure with a diameter of several nanometers. Therefore, the nanotube-like structure can be used as a gate compared to a field-effect transistor used in a conventional sensor. The capacity is significantly reduced. Therefore, the change in the gate potential caused by the interaction between the specific substance and the substance to be detected becomes extremely large, and the change in the density of charged particles existing in the channel becomes extremely large. This dramatically improves the detection sensitivity of the detection substance.
  • nanotube-like structure examples include carbon nanotubes (CNT), boron nitride nanotubes, titaure nanotubes, and the like.
  • CNT carbon nanotubes
  • boron nitride nanotubes boron nitride nanotubes
  • titaure nanotubes and the like.
  • Nanotube-like structures exhibit both semiconducting and metallic electrical properties depending on their chirality, but when used for semiconducting FET channels, nanotubular structures are It is more desirable to have semiconducting properties as the electrical properties.
  • the SET channel like the FET channel, can be a current path, and a known channel can be used as appropriate, and the size is usually fine. Furthermore, as with the FET channel, the SET channel can use a nanotube-like structure. Specific examples include carbon nanotubes (CNT), boron nitride nanotubes, and titanium nanotubes. Is the same.
  • the difference from the FET channel is that the SET channel has a quantum dot structure.
  • the SET channel can use any known substance having a quantum dot structure. Force that can be used S
  • carbon nanotubes with defects are used.
  • carbon nanotubes having a quantum dot structure of usually not less than 0.1 nm and not more than 4 nm between defects are used.
  • a quantum dot structure with a size of several nanometers is formed between the defects in the nanotube-like structure, and the gate capacitance is further reduced.
  • a Coulomb blockade phenomenon occurs in which electrons are restricted from flowing into the quantum dot structure. Realized.
  • the gate capacitance of conventional silicon-based MOSFET is about 10_ 15 F (farad)
  • the nanotube-like structures contrast to introducing the defect the gate capacitance of the single-electron transistor using is 1 9 F 10- 2 ° about F LCT.
  • the gate capacitance of a single-electron transistor is reduced by a factor of 10,000 to 100,000 compared to a conventional silicon M0 SFET.
  • nanotube-like structure when used as a SET channel, it is preferable that they have metallic properties as electrical characteristics.
  • methods for confirming whether a nanotube-like structure is metallic or semiconducting include methods for confirming the chirality of carbon nanotubes by Raman spectroscopy, and scintillation tunneling microscope (STM) spectroscopy. The method of confirming by measuring the electronic density of states of the carbon nanotubes using is used.
  • any substance can be used.
  • any substance without particular limitation can be used as long as it can selectively interact with the detection target.
  • Specific examples thereof include enzymes, antibodies, proteins such as lectins, peptides, hormones, Sugar chains such as nucleic acids, sugars, oligosaccharides and polysaccharides, lipids, low molecular weight compounds, organic substances, inorganic substances, or fusions thereof, or viruses, cells, living tissues, and substances constituting them Is mentioned.
  • the protein may be a full-length protein or a partial peptide containing a binding active site.
  • the protein may be an amino acid sequence 'J and a protein whose function is known or an unknown protein.
  • These are synthesized peptide chains, proteins purified from living organisms, certain les, or cDNA libraries translated using an appropriate translation system, and purified proteins can be used as target molecules.
  • the synthesized peptide chain may be a glycoprotein having a sugar chain bound thereto.
  • a purified protein having a known amino acid sequence or a protein that has been translated and purified from a cDNA library or the like by an appropriate method can be used.
  • nucleic acid DNA or RNA without particular limitation can be used. Further, it may be a nucleic acid with a known base sequence or function or an unknown nucleic acid. Preferably, a nucleic acid having a binding ability to a protein and a nucleic acid with a known base sequence, or a nucleic acid that has been cleaved and isolated from a genomic library etc. using a restriction enzyme or the like can be used. .
  • the sugar chain may be a sugar chain with a known sugar sequence or a functional ability or an unknown sugar chain.
  • a sugar chain that has already been separated and analyzed and whose sugar sequence or function is known is used.
  • the low molecular compound is not particularly limited as long as it has the ability to interact. Even those whose functions are unknown or those whose ability to bind to or react with proteins are already known can be used.
  • the interaction sensing gate on which a specific substance is immobilized can be suitably used for a biosensor that detects a substance that interacts with the functional substance.
  • a substance that further interacts with a substance that interacts with a specific substance may be an enzyme, a substance that has an electrochemical reaction or a luminescent reaction, a charged polymer or particle. Etc., and these are methods widely used as a labeling measurement method in the area of DNA analysis using an immunoassay intercalator. (reference Literature: Kazuhiro Imai Bioluminescence and chemiluminescence 1988, Yodogawa Shoten, P.TUSSEN Enzyme Imassay )
  • the "interaction" between the specific substance and the detection target substance is not particularly limited, and is usually a covalent bond, a hydrophobic bond, a hydrogen bond, a van der Waals bond, or an electrostatic force bond. It shows the effect of forces acting between molecules that arise from at least one.
  • the term “interaction” in this specification should be interpreted in the broadest sense and should not be interpreted in any way restrictive.
  • Covalent bonds include coordination bonds and dipole bonds.
  • electrostatic coupling includes electric repulsion in addition to electrostatic coupling.
  • a binding reaction, a synthesis reaction, and a decomposition reaction resulting from the above action are also included in the interaction.
  • Specific examples of the interaction include binding and dissociation between antigen and antibody, binding and dissociation between protein receptor and ligand, binding and dissociation between adhesion molecule and partner molecule, binding between enzyme and substrate. And dissociation, binding and dissociation between apoenzyme and coenzyme, binding and dissociation between nucleic acid and protein binding to it, binding and dissociation between nucleic acid and nucleic acid, binding and dissociation between proteins in information transmission system , Binding and dissociation between glycoprotein and protein, or binding and dissociation between sugar chain and protein, binding and dissociation between cell and living tissue and protein, between cell and living tissue and low molecular weight compound Force S, which includes binding and dissociation, interaction between ions and ion-sensitive substances, etc., not limited to this range.
  • Fab fragments of proteins
  • receptors enzymes and their derivatives, nucleic acids, natural or artificial peptides, artificial polymers, carbohydrates, lipids, inorganic substances or organic ligands, viruses, cells, drugs and the like.
  • a transistor using carbon nanotubes is manufactured as follows.
  • Carbon nanotubes used in transistors must be formed by controlling their position and direction. For this reason, it is usually produced by controlling the growth position and direction of carbon nanotubes using a catalyst patterned by a photolithography method or the like.
  • carbon nanotubes are formed in the following steps.
  • Step 1 As shown in FIG. 7A, a photoresist 16 is patterned on the substrate 2.
  • a pattern to be formed is determined according to the position and direction in which the carbon nanotube is to be formed, and patterning is performed on the substrate 2 with a photoresist 16 in accordance with the pattern.
  • Step 2 As shown in FIG. 7B, a metal catalyst 17 is deposited.
  • a metal serving as the catalyst 17 is deposited on the two patterned substrates.
  • the metal used as the catalyst 17 include transition metals such as iron, nickel and cobalt, or alloys thereof.
  • Step 3 As shown in FIG. 7 (c), lift-off is performed and the pattern of the catalyst 17 is formed.
  • Step 4 As shown in FIG. 7 (d), a raw material gas such as methane gas or alcohol gas is allowed to flow at a high temperature in a CVD (chemical vapor deposition) furnace 18 so that the catalyst 17 and the catalyst 17 Carbon nanotubes 19 are formed between them.
  • CVD chemical vapor deposition
  • the metal catalyst 17 is in the form of fine particles having a diameter of several nm, and carbon nanotubes grow using this as a nucleus.
  • high temperature means 300 ° C or more and 1200 ° C or less.
  • the source electrode and the drain electrode are formed at both ends of the carbon nanotube 19.
  • the electrode and the drain electrode are ohmic electrodes.
  • the source electrode and the drain electrode may be attached to the tip of the carbon nanotube 19 or may be attached to the side surface.
  • heat treatment in the range of 300 ° C. to 1000 ° C. may be performed.
  • a transistor is manufactured by providing a gate and an interaction sensing gate at an appropriate position.
  • a transistor can be manufactured by forming the carbon nanotube 19 while controlling the position and direction.
  • the probability that carbon nanotubes 19 are formed between the metals that are the catalysts is small (in the inventors' tests, about 10%). Therefore, as shown in FIG. 8, the shape of the catalyst 17 is made sharp, and a charge is applied between the two catalysts during the growth of the carbon nanotube 19. As a result, it can be expected that the carbon nanotubes 19 grow along the electric lines of force between the steep catalysts.
  • the carbon nanotube 19 of the fabricated electric field characteristic transistor is added to hydrogen, oxygen,
  • a single electron transistor can be fabricated by performing chemical treatments such as heating in an atmospheric gas such as Lugon or boiling in an acid solution, and introducing a defect to form a quantum dot structure.
  • the method for immobilizing the specific substance on the interaction sensing gate there are no particular limitations on the method for immobilizing the specific substance on the interaction sensing gate as long as the specific substance can be immobilized on the interaction sensing gate.
  • the flexible spacer has the structural formula (CH) (n is a force representing a natural number from 1 to 30, 2 forces, 30 forces, S is desirable, 2 15
  • One end of the spacer molecule is suitable for adsorption to metals such as gold, and a thiol group or disulfide group is used as the anchor part, and the spacer molecule is separated from the interaction sensing gate of the spacer molecule.
  • the other end that is facing contains one or more bonds that can bind the specific substance to be immobilized.
  • binding sites include, for example, various reactive functional groups such as amino group, carboxyl group, hydroxy group, succinimide group, and hapten groups such as gioxin, digoxigenin, fluorescein, and derivatives, theophylline and the like. Chelate may be used.
  • a conductive polymer, a hydrophilic polymer, an LB film, or a matrix is bonded to the interaction sensing gate directly or via these spacers, and the conductive polymer, the hydrophilic polymer, the LB.
  • One or more kinds of specific substances to be immobilized on a membrane or a matrix may be bonded or encapsulated / supported, or one or more kinds of substances to be immobilized on a conductive polymer, hydrophilic polymer or matrix may be bonded or It may be coupled to the interaction sensing gate after carrying the inclusion Z.
  • the conductive polymer polypyrrole, polythiophene, polyaniline, etc. are used, and as the hydrophilic polymer, dextran, polyethylene oxide, or the like having no charge may be used, and polyacrylic acid, carboxy Charged polymers such as methyl dextran may be used.
  • a polymer having a charge opposite to that of the substance to be fixed is used to bind or carry using the charge concentration effect. be able to.
  • an ion sensitive film corresponding to the specific ions can be formed on the interaction sensing gate.
  • the target substance can be detected by measuring the product resulting from the enzyme acting as a catalyst for the target substance. You can also.
  • a thin insulating film may be used as the interaction sensing gate.
  • inorganic materials such as silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, titanium oxide, and calcium fluoride, and polymer materials such as acrylic resin, epoxy resin, polyimide, and Teflon (registered trademark) can be used. .
  • an ion sensitive film corresponding to each ion to be measured can be formed on the insulating film.
  • the detection target substance can be detected by measuring the product produced as a result of the enzyme acting as a catalyst for the target substance by forming an enzyme-immobilized film instead of or together with the ion-sensitive film. You can also. (Reference: Shuichi Suzuki: Kodansha 1984 Kodansha, Karube et al .: Development and commercialization of sensors, No. 30, Vol. 1, No. 1, Chemical Industries, 1986)
  • the sensor of the present invention can be used in any field as appropriate.
  • the sensor can be used in the following fields.
  • sensors for clinical tests such as blood and urine are listed, including pH, electrolyte, dissolved gas, organic matter, honolemon, allergen, drugs, antibiotics, enzyme activity Proteins, peptides, mutagens, microbial cells, blood cells, blood types, blood clotting ability, and gene analysis can be measured.
  • ion sensor enzyme sensor, microorganism sensor, immunosensor, enzyme immunosensor, photoluminescence immunosensor, bacteria count sensor, blood coagulation electrochemical sensing and various types of electricity
  • Electrochemical sensors using chemical reactions are conceivable, but all the principles that can be finally extracted as electrical signals are included. (Reference: Shuichi Suzuki: Kodan Kodansha (1984) Karabe et al .: Development and practical use of sensors, Vol. 30, No. 1, separate chemical industry (196))
  • Fabrication of a field effect transistor using a carbon nanotube as a channel was performed as follows.
  • the surface of the cleaned Si substrate 2 was thermally oxidized using an oxidation furnace at 1100 ° C for 30 minutes at an oxygen flow rate of 3 L / min.
  • a photoresist 16 was patterned by a photolithography method ⁇ FIG. 10 (a) ⁇ .
  • spin coat the insulating layer 20 (hexamethinoresilazane CHMDS) under the conditions of 500 rpm, 10 ⁇ 4000 rpm, 30 min. Spin coat under conditions.
  • the Si substrate 2 was placed on a hot plate and baked at 90 ° C for 1 minute.
  • 5 Si substrates 2 coated with photoresist 16 in black-and-white benzene 5 After soaking for 5 minutes and drying with nitrogen blow, it was placed in an oven and baked at 85 ° C for 5 minutes.
  • the catalyst pattern was exposed using an aligner, developed for 4 minutes in a developer (AZ300MIF developer (2.38%) manufactured by Clariant Tone), rinsed with running water for 3 minutes, and dried with nitrogen blow.
  • Si substrate 2 patterned with catalyst 17 was placed in a CVD furnace, and bubbled with Ar at 750 cc / min. And hydrogen at 500 cc Zmin. At 900 ° C for 20 minutes. The resulting carbon nanotube 19 was grown (FIG. 11). At this time, the temperature was raised and lowered while flowing Ar at 1000 cc / min.
  • a photoresist 16 was patterned on the Si substrate 2 again by the above-described photolithography method in order to produce a source electrode, a drain electrode, and a side gate electrode ⁇ FIG. 12 (a) ⁇ .
  • the drain electrode 5, and the side gate electrode 7 (this, Si substrate 2 surface, HMDS is reduced to 500rpm, 10 ⁇ ⁇ , 4000rpm, 30 ⁇ )
  • the above-mentioned photoresist was spin-coated under the same conditions, and then the photoresist was baked in an oven at 110 ° C for 30 minutes to form an element protective film. did.
  • Pt / Au 300/2000 A in order of Pt and Au, Pt deposition rate of 0.5 A / min, Au deposition rate of 5 A / min.
  • a sensing gate 9 was deposited (Fig. 13).
  • the device protection film formed on the surface of the Si substrate 2 was washed and removed for 3 minutes each in the order of boiled acetone, acetone, ethanol and running water.
  • the photoresist is applied to the source electrode 4 on the element surface in the same manner as in the photolithography method for patterning the source electrode 4, the drain electrode 5, and the side gate electrode 7.
  • the portion other than the drain electrode 5 and the side gate electrode 7 was patterned to form a channel protective layer 16 (FIG. 14).
  • FIG. 14 A schematic diagram of the carbon nanotube single-field effect transistor (hereinafter referred to as “CNT-FET” as appropriate) completed through the above steps is shown in FIG.
  • the characteristics before and after antibody immobilization were measured by the following method.
  • the channel protective layer 16 is indicated by a two-dot chain line.
  • Source drain current IA was measured. In FIG. 17, the source / drain current is negative.
  • the side gate voltage after antibody immobilization is very large, + 47V compared to the side gate voltage before immobilization. It was. From this measurement result, it was found that the transfer characteristics of CNT-FET changed significantly before and after antibody immobilization, and the interaction due to antibody immobilization that occurred near the back gate surface could be directly measured. From this, it is shown that the sensor according to the present invention has extremely high sensitivity for detecting a chemical substance, and it can be inferred that it can be used for detecting an interaction between a detection target substance and a specific substance.
  • the present invention can be widely used for analyzes such as chemical analysis, physical analysis, and biological analysis, and is suitable for use as, for example, a medical sensor or a biosensor.

Abstract

　基板２と基板２に設けられたソース電極４及びドレイン電極５とソース電極４及びドレイン電極５間の電流通路になるチャネル６とを備えた電界効果トランジスタ１Ａを有し検出対象物質を検出するためのセンサにおいて、電界効果トランジスタ１Ａが検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質１０を固定するための相互作用感知ゲート９と相互作用を電界効果トランジスタ１Ａの特性の変化として検出するべく電圧を印加されるゲート７とを有するように構成することにより、高感度の検出感度が要求される検出対象物質の検出を可能としたセンサを提供する。  

Description

明 細 書
電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ並びにそれを用いたセン サ
技術分野
[0001] 本発明は、電界効果トランジスタ及び単一電子トランジスタ、並びにそれを用いたセ ンサに関する。
背景技術
[0002] 電界効果トランジスタ（FET)及び単一電子トランジスタ（SET)は、ゲートに入力さ れる電圧信号を、ソース電極あるいはドレイン電極から出力される電流信号に変換す る素子である。ソース電極とドレイン電極との間に電圧を加えると、チャネルに存在す る荷電粒子がソース電極とドレイン電極との間を電界方向に沿って移動し、ソース電 極あるいはドレイン電極から電流信号として出力される。
[0003] この際、出力される電流信号の強さは荷電粒子の密度に比例する。絶縁体を介し てチャネルの上方、側面、あるいは下方などに設置したゲートに電圧を加えると、チヤ ネルに存在する荷電粒子の密度が変化するため、これを利用して、ゲート電圧を変 化させることにより電流信号を変化させることができる。なお以下、電界効果トランジス タと単一電子トランジスタとを区別せずに述べる場合、単に「トランジスタ」という。
[0004] 現在知られている、トランジスタを用いた化学物質検出素子（センサ）は上に述べた トランジスタの原理を応用したものである。具体的なセンサの例としては、特許文献 1 に記載されているものが挙げられる。特許文献 1には、トランジスタのゲートに検出す べき物質と選択的に反応する物質を固定化した構造を有するセンサが記載されてい る。検出すべき物質とゲートに固定化された物質との反応によるゲート上の表面電荷 の変化により、ゲートにかかる電位が変化するため、チャネルに存在する荷電粒子の 密度が変化する。これによつて生じるトランジスタのドレイン電極あるいはソース電極 からの出力信号の変化を読み取ることによって、検出すべき物質を検出することがで きる。
[0005] 特許文献 1 :特開平 10— 260156号公報 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] し力しながらこのようなセンサは、例えば極めて高感度の検出感度を要する抗原一 抗体反応を利用した免疫センサなどへの応用を考えた場合、検出感度に技術的制 限があり実用化に至ってレ、なレ、。
本発明は、上記の課題に鑑みて創案されたもので、高感度の検出感度が要求され る検出対象物質の検出を可能としたセンサを提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0007] 本発明の発明者らは、トランジスタを用いて検出対象物質を検出するためのセンサ において、該トランジスタが、ソース電極、ドレイン電極、及びチャネルのほかに、該 検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用感知 ゲートと、該相互作用を該トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加さ れるゲートとを有することにより、該検出対象物質を高感度に検出することが可能で あることを見出し、本発明を完成させた。
[0008] 即ち、本発明のセンサは、基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電 極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた電 界効果トランジスタを有し、検出対象物質を検出するためのセンサであって、該電界 効果トランジスタが、該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定す るための相互作用感知ゲートと、該相互作用を該電界効果トランジスタの特性の変 ィ匕として検出するべく電圧を印加されるゲートとを有することを特徴とする（請求項 1)
。このセンサによれば、トランジスタの伝達特性が最高感度となる状態で該相互作用 の検出を行なうことができるので、センサを高感度にすることができる。
[0009] また、本発明の別のセンサは、基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイ ン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備え た単一電子トランジスタを有し、検出対象物質を検出するためのセンサであって、該 単一電子トランジスタが、該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固 定するための相互作用感知ゲートと、該相互作用を該単一電子トランジスタの特性 の変化として検出するべく電圧を印加されるゲートとを有することを特徴とする (請求 項 5)。このセンサによれば、トランジスタの伝達特性が最高感度となる状態で該相互 作用の検出を行なうことができるので、センサを高感度にすることができる。
[0010] また、該チャネルは、ナノチューブ状構造体からなることが好ましい（請求項 2, 6)。
これにより、センサの感度をより向上させることができる。
また、上記のナノチューブ状構造体は、カーボンナノチューブ、ボロンナイトライドナ ノチューブ、及び、チタニアナノチューブよりなる群から選ばれる構造体であることが 好ましい (請求項 3， 7)。
[0011] また、上記の電界効果トランジスタが有するナノチューブ状構造体の電気特性は、 半導体的性質を有することが好ましレ、 (請求項 4)。
また、上記の単一電子トランジスタが有するナノチューブ状構造体は、欠陥が導入 されていることが好ましい（請求項 8)。これにより、ナノチューブ状構造体中に量子ド ット構造を形成することができる。
また、上記の単一電子トランジスタが有するナノチューブ状構造体の電気特性は、 金属的性質を有することが好ましレヽ (請求項 9)。
[0012] また、該相互作用感知ゲートは、該ゲートとは異なる他のゲートであることが好まし レ、（請求項 10)。これにより、簡単な構成でトランジスタを構成することができる。
[0013] また、上記の他のゲートは、該基板の表面のチャネル上面に設けられたトップゲー ト、該基板表面のチャネル側面に設けられたサイドゲート、及び裏面側に設けられた バックゲートのいずれかであることが好ましい（請求項 11)。これにより、検出時の操 作が簡単に行なうことができる。
[0014] また、該チャネルは、該基板から離隔した状態で上記のソース電極及びドレイン電 極間に装架されていることが好ましい（請求項 12)。これにより、相互作用感知ゲート とチャネルとの間の誘電率が低くなり、相互作用感知ゲートの電気容量を小さくでき るため、感度よく検出することが可能となる。
[0015] また、該チャネルは、室温において上記のソース電極及びドレイン電極の間に弛ん だ状態で設けられていることが好ましい（請求項 13)。これにより、温度変化によって チャネルが破損する可能性を小さくすることができる。
[0016] また、該基板は、絶縁性基板であることが好ましレヽ（請求項 14)。 また、該チャネルは、絶縁性部材で被覆されていることが好ましい（請求項 15)。 これにより、トランジスタ内の電流が確実にチャネルを流れるようにすることができ、 安定して検出をおこなうことができる。
[0017] また、該チャネルと該相互作用感知ゲートとの間には、低誘電率の絶縁性材料の 層が形成されていることが好ましい（請求項 16)。これにより、相互作用感知ゲートで 生じる相互作用による電荷の変化が、より効率的にチャネルに伝達されるので、セン サの感度を高めることができる。
[0018] 該チャネルと該ゲートとの間には、高誘電率の絶縁性材料の層が形成されているこ とが好ましい（請求項 17)。これにより、ゲートのゲート電圧により、トランジスタの伝達 特性をより効率よく変調させることができ、センサの感度を高めることができる。
また、本発明のセンサは、該相互作用感知ゲートに、該特定物質を固定化したもの も含む (請求項 18)。
[0019] 本発明の電界効果トランジスタは、基板と、該基板に設けられたソース電極及びド レイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを 備え、検出対象物質を検出するためのセンサに用いられる電界効果トランジスタであ つて、該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互 作用感知ゲートと、該相互作用を該電界効果トランジスタの特性の変化として検出す るべく電圧を印加されるゲートとを有することを特徴とする（請求項 19)。
[0020] 本発明の別の電界効果トランジスタは、基板と、ゲートと、該基板に設けられたソー ス電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になる チャネルとを備えた電界効果トランジスタであって、該チャネルが、該基板から離隔し た状態で上記のソース電極及びドレイン電極間に装架されたナノチューブ状構造体 であることを特徴とする (請求項 20)。
[0021] 本発明の別の電界効果トランジスタは、基板と、ゲートと、該基板に設けられたソー ス電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になる チャネルとを備えた電界効果トランジスタであって、該チャネルがナノチューブ状構造 体で構成され、該ナノチューブ状構造体が室温にぉレ、て上記のソース電極及びドレ 電極の間に弛んだ状態で装架されていることを特徴とする (請求項 21)。 [0022] 本発明の別の電界効果トランジスタは、基板と、ゲートと、該基板に設けられたソー ス電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になる チャネルとを備えた電界効果トランジスタであって、該チャネル力 ナノチューブ状構 造体であり、該基板が、絶縁性基板であることを特徴とする（請求項 22)。
[0023] 本発明の別の電界効果トランジスタは、基板と、ゲートと、該基板に設けられたソー ス電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になる チャネルとを備えた電界効果トランジスタであって、該チャネル力 絶縁性部材で被 覆されたナノチューブ状構造体であることを特徴とする（請求項 23)。
[0024] 本発明の単一電子トランジスタは、基板と、該基板に設けられたソース電極及びド レイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを 備え、検出対象物質を検出するためのセンサに用いられる単一電子トランジスタであ つて、該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互 作用感知ゲートと、該相互作用を該単一電子トランジスタの特性の変化として検出す るべく電圧を印加されるゲートとを有することを特徴とする（請求項 24)。
[0025] 本発明の別の単一電子トランジスタは、基板と、ゲートと、該基板に設けられたソー ス電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になる チャネルとを備えた単一電子トランジスタであって、該チャネル力 該基板から離隔し た状態で上記のソース電極及びドレイン電極間に装架されたナノチューブ状構造体 であることを特徴とする（請求項 25)。
[0026] 本発明の別の単一電子トランジスタは、基板と、ゲートと、該基板に設けられたソー ス電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路になる チャネルとを備えた単一電子トランジスタであって、該チャネルがナノチューブ状構造 体で構成され、該ナノチューブ状構造体は、室温において上記のソース電極及びド レイン電極の間に弛んだ状態で装架されていることを特徴とする（請求項 26)。
[0027] また、本発明の別の単一電子トランジスタは、基板と、ゲートと、該基板に設けられ たソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路 になるチャネルとを備えた電界効果トランジスタであって、該チャネル力 ナノチュー ブ状構造体であり、該基板が、絶縁性基板であることを特徴とする (請求項 27)。 [0028] また、本発明の別の単一電子トランジスタは、基板と、ゲートと、該基板に設けられ たソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及びドレイン電極間の電流通路 になるチャネルとを備えた電界効果トランジスタであって、該チャネル力 絶縁性部材 で被覆されたナノチューブ状構造体であることを特徴とする（請求項 28)。
[0029] 上記のナノチューブ状構造体は、カーボンナノチューブ、ボロンナイトライドナノチュ ーブ、及び、チタニアナノチューブよりなる群から選ばれる構造体であることが好まし レ、。
[0030] また、上記の電界効果トランジスタが有するナノチューブ状構造体の電気特性は、 半導体的性質を有することが好ましレヽ。
また、上記の単一電子トランジスタが有するナノチューブ状構造体は、欠陥が導入 されていることが好ましい（請求項 29)。これにより、ナノチューブ状構造体中に量子 ドッ卜構造を形成することができる。
また、上記の単一電子トランジスタが有するナノチューブ状構造体の電気特性は、 金属的性質を有することが好ましい。
発明の効果
[0031] 本発明のセンサによれば、検出対象物質を高感度に検出することが可能となる。
図面の簡単な説明
[0032] [図 1]図 1 (a)，図 1 (b)は本発明の第 1実施形態としてのセンサを示すもので、図 1 (a )はトランジスタの斜視図、図 1 (b)はトランジスタの側面図である。
[図 2]図 2 (a) ,図 2 (b)は本発明の第 2実施形態としてのセンサを示すもので、図 2 (a )はトランジスタの斜視図、図 2 (b)はトランジスタの側面図である。
[図 3]図 3 (a) ,図 3 (b)は本発明の第 3実施形態としてのセンサを示すもので、図 3 (a )はトランジスタの斜視図、図 3 (b)はトランジスタの側面図である。
[図 4]図 4 (a) ,図 4 (b)は本発明の第 4実施形態としてのセンサを示すもので、図 4 (a )はトランジスタの斜視図、図 4 (b)はトランジスタの側面図である。
[図 5]図 5 (a) ,図 5 (b)は本発明の第 5実施形態
5 (a)はトランジスタの斜視図、図 5 (b)はトランジスタの側面図である。
[図 6]図 6 (a) ,図 6 (b)は本発明の第 6実施形態 6 (a)はトランジスタの斜視図、図 6 (b)はトランジスタの側面図である。
[図 7]図 7 (a)—図 7 (d)はいずれも、本発明の一実施形態に力かるトランジスタの製 造方法の一例を説明する図である。
[図 8]本発明の一実施形態に力、かるトランジスタの製造方法の一例を説明する図であ る。
[図 9]本発明の一実施形態に力、かるトランジスタの製造方法の一例を説明する図であ る。
[図 10]図 10 (a) 図 10 (c)はいずれも、本発明の実施例を説明する図である。
[図 11]本発明の実施例を説明する図である。
[図 12]図 12 (a) 図 12 (c)はいずれも、本発明の実施例を説明する図である。
[図 13]本発明の実施例を説明する図である。
[図 14]本発明の実施例を説明する図である。
[図 15]本発明の実施例を説明する図である。
[図 16]本発明の実施例を説明する図である。
[図 17]本発明の実施例の結果を示すグラフである。
符号の説明
1A— 1F トランジスタ
2 基板
3 低誘電層
4 ソース電極
5 ドレイン電極
6 チヤネノレ
7 サイドゲート
9 バックゲート（電圧非印加電極構造部材）
10 抗体
11 高誘電層
12 バックゲート
13 絶縁膜 14 トップゲート（電圧非印加電極構造部材）
15 サイドゲート（電圧非印加電極構造部材）
16 フォトレジスト（チャネル保護層）
17 触媒
18 CVD (化学気相堆積法)炉
19 カーボンナノチューブ
20 スぺーサ層（絶縁層）
21 絶縁体
発明を実施するための最良の形態
[0034] 以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるも のではなぐその要旨を逸脱しない範囲において適宜変形して実施することができる 。なお、後で詳細に説明するが、以下の第 1一第 5実施形態において単に「トランジス タ」と記載した場合、電界特性トランジスタと単一電子トランジスタとを区別せずに指 す用語であるとする。また、下記の各実施形態間において、実質同一の部分には同 じ符号を付して説明する。
[0035] [第 1実施形態]
図 1 (a)，図 1 (b)は、本発明の第 1実施形態としてのセンサを説明する図である。 図 1 (a)に示すように、トランジスタ 1Aの基板 2は絶縁性の素材で形成されていて、 その上面（図中上側の面）には、全面に渡って絶縁性で且つ低誘電率の酸化シリコ ンの層（以下適宜、「低誘電層」という） 3が設けられている。また、低誘電層 3の表面 には、金で形成されたソース電極 4及びドレイン電極 5が設置されていて、ソース電極 4及びドレイン電極 5の間にはカーボンナノチューブで形成されたチャネル 6が装架さ れている。
[0036] チヤネノレ 6は、ソース電極 4とドレイン電極 5との間を繋ぐ橋渡し状に設置されること によりソース電極 4とドレイン電極 5との間に装架され、低誘電層 3表面から隔離され ている。つまり、チャネル 6はソース電極 4との接続部及びドレイン電極 5との接続部の 2点でトランジスタ 1Aに固定され、他の部分は空中に浮いた状態とされている。さら に、図 1 (b)に示すように、チャネル 6は所定角度だけ弛んだ状態で装架されている。 ここで、チャネル 6が弛んだ所定角度とは、例えば温度変化により基板 2が変形する などによりソース電源 4及びドレイン電極 5の間の距離が変動した場合に、その変動 によりチャネル 6にかかる引張応力又は圧縮応力を吸収できる程度である。なお、通 常は、センサを使用する温度条件下においてチャネル 6が所定角度だけ弛むように され、センサを使用する温度周辺での温度変化により生じる応力を吸収できるように する。ただし、本実施形態では室温においてチャネル 6が所定角度だけ弛むよう設定 されている。
[0037] 低誘電層 3表面のチャネル 6に対向する位置には、金で形成されたサイドゲート 7が 設置されている。サイドゲート 7はチャネル 6にゲート電圧を印加するために設置され たものである。ソース電極 4、ドレイン電極 5、及び、サイドゲート 7は、図示しない外部 電源に接続されていて、この外部電源から電圧が印加されるよう設定されている。さ らに、ソース電極 4、ドレイン電源 5、及び、サイドゲート 7それぞれを流れる電流及び それぞれに印加される電圧は、図示しない測定器によって測定されている。
[0038] 本実施形態のセンサに用いるトランジスタ 1Aでは、さらに、基板 1Aの裏面（図中下 側面）、即ち、低誘電層 3と逆側の面に、相互作用感知ゲートとして金で形成された バックゲート（他のゲート） 9が全面に亘つて設置されている。このバックゲート 9には、 本実施形態のセンサを用いて検出する検出対象物質と選択的に相互作用をする特 定物質 (本実施形態では、抗体） 10が固定化されている。
また、バックゲート 9には、外部からなんら電圧が印加されないようになされている。
[0039] 本実施形態のセンサは以上のように構成されているので、測定の開始前、あるいは 測定の最中に、サイドゲート 7に印加するゲート電圧を調整して、トランジスタ 1Aの伝 達特性が最高感度を有する最適なゲート電圧を調べる。最適なゲート電圧が判明す れば、サイドゲート 7に印加するゲート電圧を最適なゲート電圧に設定する。
[0040] その後、ゲート電圧を最適なゲート電圧、若しくは最適なゲート電圧の近傍に保ち ながら、検出すべき検出対象物質を含む試料を特定物質と相互作用させる。なお、 最適なゲート電圧の近傍とは、検出対象物質の検出に際し、トランジスタの特性値の 変動が検出対象物質を検出するために充分な大きさになるものと期待できる程度の 範囲をいう。試料が検出対象物質を含んでいれば、特定物質と検出対象物質との相 互作用によってバックゲート 9の電位が変動するので、ソース電極とドレイン電極間に 流れる電流の電流値、しきい値電圧、ドレイン電圧のゲート電圧に対する傾き、また 次に挙げるものは単一電子トランジスタ特有の特性である力 S、クーロン振動のしきい 値、クーロン振動の周期、クーロンダイァモンドのしきい値、クーロンダイァモンドの周 期などのトランジスタの特性値にその相互作用に起因する変動が生じる。この変動を 検出することにより、検出対象物質と特定物質との相互作用を検出することができ、 ひいては試料中の検出対象物質を検出することが可能となる。
[0041] 以上のように、本実施形態のセンサによれば、サイドゲート 7を用いてトランジスタ 1 Aの伝達特性が最高感度を有する状態となるように、即ち、トランジスタ 1 Aの相互コ ンダクタンスが最大となる状態になるようにトランジスタ 1Aを設定することができる。こ れにより、特定物質と検出対象物質との間の相互作用によって生じるゲート電位の変 化がチャネル 6の荷電粒子の密度変化へ与える効果を最大にすることが可能となる。 その結果、特定物質と検出対象物質との間の相互作用を、トランジスタ 1Aの特性の 大きな変化として測定することが可能となる。即ち、本実施形態のセンサによれば、 特定物質及び検出対象物質の間の相互作用に起因するトランジスタの特性の変化 量を増幅させて、センサを高感度にすることができるのである。
[0042] また、チャネル 6としてナノチューブ状構造体であるカーボンチューブを用いたので 、更に高感度に検出対象物質を検出することができる。一般に、トランジスタを用いた センサの検出感度の限界は、トランジスタのゲートの電気容量 (以下適宜、「ゲート容 量」という）に関係している。ゲート容量が小さいほど、ゲートの表面電荷の変化を大 きなゲート電位の変化として捉えることができ、センサの検出感度が向上するのであ る。ゲート容量はチャネルの長さ Lとチャネルの幅 Wとの積 L XWに比例するので、ゲ ート容量の減少にはチャネルの微細化が効果的である。本実施形態に用いたような ナノチューブ状構造体は非常に微細であるので、上記の理由により、非常に高感度 に検出対象物質を検出することができる。
[0043] また、相互作用感知ゲートとしてバックゲート 9を用い、バックゲート 9に抗体を固定 しているので、簡単な構成で、高感度な検出を行なうことができる。特に、バックゲート 9は基板 1Aの裏面に設けられているので、検出時の操作を簡単に行なうことができ る。
[0044] また、チャネル 6がソース電極 4とドレイン電極 5との間に弛んで装架されているので 、検出時や保存時に温度変化があっても、チャネル 6が温度変化による変形によって 破損する可能性を低くすることができる。
[0045] また、基板 2を絶縁性基板とすることにより、バックゲート 9における相互作用を確実 に検出することができる。
[0046] また、チャネル 6とバックゲート（相互作用感知ゲート） 9との間に、低誘電層 3が形 成されているので、これにより、バックゲート 9における相互作用による表面電荷の変 化が、より効率的にチャネル 6内の電荷密度の変化として伝達され、トランジスタ 1A の特性の大きな変化として現れる。これにより本実施形態のセンサの感度をより向上 させること力できる。
[0047] また、本実施形態のセンサを用いれば、実時間測定も可能であり、物質間相互作 用のモニタリングできる。
[0048] また、例えば、従来の他の検出原理に基づく免疫反応を利用した検出機器は、ラジ オイムノアツセィ、化学発光ィムノアッセィなど標識体を用いたものは、検出感度とし てはほぼ満足のできる状態にあった。し力 ながら、それらは専用の施設、機器シス テムが必要であり、検査センターや病院の検査室で専門家である臨床検査技師が測 定しなければならなかった。したがって開業医等では、検査センターへの外注により 検査を実施しているため迅速な検査結果を得ることはできない。また、反応時間が長 いため緊急検査に対応できるものは少ない。これらは、現在の免疫測定法が標識体 を用いるものであるため、反応工程に洗浄等の複雑な操作を必要することによる。
[0049] また、非標識法による免疫センサとしては、表面プラズモン共鳴（SPR)など種々の 検出原理に基づくものが開発されているが、いずれも研究機器として利用されている にすぎず、臨床検查用途には感度が充分ではなく実用化には至っていない。また、 上記の免疫センサは光学的検出法を用いるため、装置全体が大型であるという課題 もあった。
しかし、本実施形態のセンサを用いれば、センサの小型化、検出の迅速化、操作の 簡便等の利点を得ることができる。 [0050] [第 2実施形態]
図 2 (a)，図 2 (b)は、本発明の第 2実施形態としてのセンサを説明する図である。 図 2 (a)に示すように、本発明の第 2実施形態としてのセンサを構成するトランジスタ 1Bは、第 1実施形態において説明したトランジスタ 1Aと同様の構成を有している。
[0051] さらに、本実施形態のトランジスタ 1Bは、低誘電層 3表面の全面に亘つて、絶縁性 且つ高誘電率の感光性樹脂の層（以下適宜、「高誘電層」という） 11が形成されてい る。この高誘電層 11は、チャネル 6の全体と、ソース電極 4、ドレイン電極 5、及びサイ ドゲート 7の側面とを覆うように形成されている力 ソース電極 4、ドレイン電極 5、及び サイドゲート 7の上側（図中上方）の面は被覆していなレ、。なお、図 2 (a) ,図 2 (b)中 では、高誘電層 11は二点鎖線で示す。
[0052] 本実施形態のセンサは上記のように構成されているので、第 1実施形態のセンサと 同様にして、トランジスタ 1Bの伝達特性が最高感度を有する状態となるよう設定する ことにより、特定物質及び検出対象物質の間の相互作用を、トランジスタ 1Bの特性の 大きな変化として測定することができる。これにより、本実施形態のセンサの感度を向 上させることが可能になる。
[0053] また、上記第 1実施形態と同様に、次のような効果を奏することができる。即ち、チヤ ネル 6としてカーボンナノチューブを用いたので、センサをさらに高感度にすることが できる。また、相互作用感知ゲートとしてバックゲート 9を用いているので、簡単な構 成、及び、簡単な操作で、高感度な検出を行なうことができる。また、基板 2が絶縁性 基板であるので、検出対象物質と特定物質との相互作用を確実に検出することがで きる。また、チャネル 6とバックゲート 9との間に、低誘電層 3が形成されているので、こ れにより、バックゲート 9における相互作用による表面電荷の変化を、より効率的にチ ャネル 6に伝達することができ、センサの感度をより向上させることができる。また、チ ャネル 6が弛んでいるため、温度変化等による長さの変化に起因する破損を防ぐこと ができる。なお、本実施形態ではチャネル 6の周囲には高感度層 11が充填されてい る力 高感度層 11を構成する感光樹脂（フォトレジスト）はチャネル 6の変形を許容で きる程度に柔らかい物質であるので、上記のように破損を防ぐことができるのである。
[0054] さらに、本実施形態では、チャネル 6とサイドゲート 7との間に、高誘電率の絶縁性 材料の層である高誘電層 11を有しているので、サイドゲート 7のゲート電圧印加によ り、トランジスタ 1Bの伝達特性をより効率よく変調させることができ、センサの感度をよ り向上させることができる。
[0055] また、チャネル 6が絶縁性の高誘電層 11で被覆されているので、チャネル 6内の荷 電粒子がチャネル 6外部に漏れること、及び、ソース電極やドレイン電極以外からチヤ ネル 6外部の電荷粒子がチャネル 6に侵入することを防止することができる。これによ り、特定物質と検出対象物質との相互作用を安定して検出することが可能となる。
[0056] また、本実施形態のセンサを用いれば、実時間測定も可能であり、物質間相互作 用のモニタリングできる。さらに集積化が容易なため、同時多発的に起こる物質間相 互作用の現象を 1度に測定ができる。
また、本実施形態のセンサを用いれば、センサの小型化、検出の迅速化、操作の 簡便等の利点を得ることができる。
[0057] [第 3実施形態]
図 3 (a)，図 3 (b)は、本発明の第 3実施形態としてのセンサを説明する図である。 図 3 (a)に示すように、第 1実施形態と同様、本実施形態のセンサを構成するトラン ジスタ 1Cは、絶縁性の素材で形成された基板 2、絶縁性で且つ低誘電率の低誘電 層 3、金で形成されたソース電極 4及びドレイン電極 5を有していて、ソース電極 4及 びドレイン電極 5の間にはカーボンナノチューブで形成されたチャネル 6が装架され ている。
[0058] 基板 2の裏面には、トランジスタ 1Cにゲート電圧を印加するバックゲート 12が全面 に形成されている。また、バックゲート 12は図示しない電源に接続され、その電源に より電圧を印加される。なお、バックゲート 12に印加される電圧は、図示しない測定 器によって測定可能となっている。
[0059] 低誘電層 3表面の、チャネル 6中間部から図中奥方向の縁部にかけて、低誘電率 の絶縁材である酸化シリコンの膜 (絶縁膜） 13が形成されている。
チャネル 6はこの絶縁膜 13を横方向に貫通していている。言い換えれば、チャネル 6の中間部は絶縁膜 13によって被覆されている。
[0060] また、絶縁膜 13の上側表面には、金で形成された相互作用感知ゲートであるトップ ゲート 14が形成されている。即ち、トップゲート 14は絶縁膜 13を介して低誘電層 3上 に形成されていることになる。トップゲート 14には、外部から電圧は印加されないよう 構成されている。さらに、トップゲート 14の上側表面には特定物質である抗体 10が固 定されている。
[0061] 低誘電層 3の表面には、全面に亘つて、絶縁体 21が形成されている。この絶縁体 2 1は、チャネル 6の絶縁膜 13に被覆されていない部分全体と、ソース電極 4、ドレイン 電極 5、絶縁膜 13、及び、トップゲート 14のそれぞれの側面とを覆うように形成されて いる力 ソース電極 4、ドレイン電極 5、及びトップゲート 14の上側の面は被覆してい なレ、。なお、図 3 (a) ,図 3 (b)中、絶縁体 21は二点鎖線で示す。
[0062] 本発明の第 3実施形態としてのセンサは、上記のように構成されているので、第 1実 施形態のセンサと同様に、トランジスタ 1Cの伝達特性が最高感度を有する状態とな るよう設定することにより、特定物質及び検出対象物質の間の相互作用を、トランジス タ 1Cの特性の大きな変化として測定することができ、センサを高感度にすることがで きる。
また、上記第 1実施形態と同様に、チャネル 6としてカーボンナノチューブを用いた ので、センサをさらに高感度にすることができる。また、基板 2が絶縁性基板であるの で、検出対象物質と特定物質との相互作用を確実に検出することができる。
[0063] 本実施形態では、相互作用感知ゲートとしてトップゲート 14を用いているので、簡 単な構成、及び、簡単な操作で、高感度な検出を行なうことができる。
また、チャネル 6とトップゲート 14との間に、低誘電率の絶縁膜 13が形成されている ので、これにより、トップゲート 14における相互作用による表面電荷の変化を、より効 率的にチャネル 6に伝達することができ、センサの感度をより向上させることができる。
[0064] また、チャネル 6が絶縁体 21で被覆されているので、チャネル 6内の荷電粒子がチ ャネル 6外部に漏れること、及び、ソース電極やドレイン電極以外からチャネル 6外部 の電荷粒子がチャネル 6に侵入することを防止することができる。これにより、特定物 質と検出対象物質との相互作用を安定して検出することが可能となる。
[0065] また、本実施形態のセンサを用いれば、実時間測定も可能であり、物質間相互作 用のモニタリングできる。さらに集積化が容易なため、同時多発的に起こる物質間相 互作用の現象を 1度に測定ができる。
また、本実施形態のセンサを用いれば、センサの小型化、検出の迅速化、操作の 簡便等の利点を得ることができる。
[0066] [第 4実施形態]
図 4 (a) ,図 4 (b)は、本発明の第 4実施形態としてのセンサを説明する図である。 図 4 (a)に示すように、第 1実施形態と同様、本実施形態のセンサを構成するトラン ジスタ 1Dは、絶縁性の素材で形成された基板 2、絶縁性で且つ低誘電率の低誘電 層 3、金で形成されたソース電極 4及びドレイン電極 5を有していて、ソース電極 4及 びドレイン電極 5の間にはカーボンナノチューブで形成されたチャネル 6が装架され ている。また、サイドゲート 7を有している。
[0067] さらに、本実施形態のトランジスタ 1Dは、低誘電層 3上におけるサイドゲート 7に対 して反対側の縁部に、相互作用感知ゲートとしてサイドゲート 15を備えていて、その 表面には抗体 10が固定されている。また、サイドゲート 15は、外部から電圧が印加さ れなレヽよう構成されてレ、る。
[0068] また、図 4 (b)に示すように、本実施形態のトランジスタ 1Dは、低誘電層 3の表面が 全面に亘つて、絶縁体 21が形成されている。この絶縁体 21は、チャネル 6の全体と、 ソース電極 4、ドレイン電極 5、及びサイドゲート 7, 15のそれぞれの側面とを覆うよう に形成されている力 ソース電極 4、ドレイン電極 5、及びサイドゲート 7, 15の上側（ 図中上方）の面は被覆していない。なお、図 4 (a) ,図 4 (b)中では、絶縁体 21は二点 鎖線で示す。
[0069] 本実施形態のセンサは、上記のように構成されているので、第 1実施形態のセンサ と同様にして、トランジスタ 1Dの伝達特性が最高感度を有する状態となるよう設定す ることにより、特定物質及び検出対象物質の間の相互作用を、トランジスタ 1Dの特性 の大きな変化として測定することができる。これにより、本実施形態のセンサの感度を 向上させることが可能になる。
[0070] また、上記第 1実施形態と同様に、次のような効果を奏することができる。即ち、チヤ ネル 6としてカーボンナノチューブを用いたので、センサをさらに高感度にすることが できる。また、相互作用感知ゲートとしてサイドゲート 15を用いているので、簡単な構 成で、高感度な検出を行なうことができる。また、基板 2が絶縁性基板であるので、検 出対象物質と特定物質との相互作用を確実に検出することができる。
[0071] また、チャネル 6が絶縁性の絶縁体 21で被覆されているので、チャネル 6内の荷電 粒子がチャネル 6外部に漏れること、及び、ソース電極 4やドレイン電極 5以外からチ ャネル 6外部の電荷粒子がチャネル 6に侵入することを防止することができる。これに より、特定物質と検出対象物質との相互作用を安定して検出することが可能となる。
[0072] また、本実施形態のセンサを用いれば、実時間測定も可能であり、物質間相互作 用のモニタリングできる。さらに集積化が容易なため、同時多発的に起こる物質間相 互作用の現象を 1度に測定ができる。
また、本実施形態のセンサを用いれば、センサの小型化、検出の迅速化、操作の 簡便等の利点を得ることができる。
[0073] [第 5実施形態]
図 5 (a)，図 5 (b)は、本発明の第 5実施形態を示す図である。
図 5 (a) ,図 5 (b)に示すように、本発明の第 5実施形態としてのトランジスタ 1Eは、 バックゲート 9及び抗体 10を有していないことのほかは、第 1実施形態で説明したトラ ンジスタ 1Aと同様の構成となっている。
[0074] 即ち、図 5 (a)に示すように、トランジスタ 1Eの基板 2は絶縁性の素材で形成されて いて、その上面（図中上側の面）には、全面に渡って絶縁性で且つ低誘電率の酸化 シリコンの層（低誘電層） 3が設けられている。また、低誘電層 3の表面には、金で形 成されたソース電極 4及びドレイン電極 5が設置されていて、ソース電極 4及びドレイ ン電極 5の間にはカーボンナノチューブで形成されたチャネル 6が装架されている。
[0075] チヤネノレ 6は、ソース電極 4とドレイン電極 5との間を繋ぐ橋渡し状に設置されること によりソース電極 4とドレイン電極 5との間に装架され、低誘電層 3表面から隔離され ている。つまり、チャネル 6はソース電極 4との接続部及びドレイン電極 5との接続部の 2点のみでトランジスタ 1Aに固定され、他の部分は空中に浮いた状態とされている。 さらに、図 5 (b)に示すように、チャネル 6は所定角度だけ弛んだ状態で装架されてい る。ここで、チャネル 6が弛んだ所定角度とは、例えば温度変化により基板 2が変形す るなどによりソース電源 4及びドレイン電極 5の間の距離が変動した場合に、その変動 によりチャネル 6にかかる引張応力又は圧縮応力を吸収できる程度である。なお通常 は、センサを使用する温度条件下においてチャネル 6が所定角度だけ弛むようにさ れ、センサを使用する温度周辺での温度変化により生じる応力を吸収できるようにす る。ただし、本実施形態では室温においてチャネル 6が所定角度だけ弛むよう設定さ れている。
[0076] 低誘電層 3表面のチャネル 6に対向する位置には、金で形成されたサイドゲート 7が 設置されている。サイドゲート 7はチャネル 6にゲート電圧を印加するために設置され たものである。ソース電極 4、ドレイン電極 5、及び、サイドゲート 7は、図示しない外部 電源に接続されてレ、て、この外部電源から電圧が印加されるよう設定されてレ、る。
[0077] 本実施形態のトランジスタ 1Eは、以上のように構成されているので、チャネル 6がソ ース電極 4とドレイン電極 5との間に弛んで装架されていることにより、検出時や保存 時に温度変化があっても、チャネル 6が温度変化による変形によって破損する可能 性を低くすることができる。
[0078] また、本実施形態では基板 2が絶縁性基板であるので、基板 2の誘電率を低くする ことができ、ゲート容量を低下させることができるので、トランジスタ 1Eの感度を向上さ せること力 Sできる。
[0079] [第 6実施形態]
図 6 (a)，図 6 (b)は本発明の第 6実施形態を示す図である。
図 6 (a) ,図 6 (b)に示すように、本発明の第 6実施形態としてのトランジスタ 1Fは、 バックゲート 9及び抗体 10を有していないことのほかは、第 2実施形態で説明したトラ ンジスタ 1Bと同様の構成となっている。
[0080] 即ち、図 6 (a)に示すように、本発明の第 6実施形態としてのセンサを構成するトラン ジスタ 1Fは、第 5実施形態において説明したトランジスタ 1Eと同様の構成を有してい る。
[0081] さらに、本実施形態のトランジスタ 1Fは、低誘電層 3の表面が全面に亘つて、絶縁 性且つ高誘電率の感光性樹脂の層（高誘電層） 11が形成されている。この高誘電層 11は、チャネル 6の全体と、ソース電極 4、ドレイン電極 5、及びサイドゲート 7の側面 とを覆うように形成されているが、ソース電極 4、ドレイン電極 5、及びサイドゲート 7の 上側（図中上方）の面は被覆していない。なお、図 6 (a) ,図 6 (b)中では、高誘電層 1 1は二点鎖線で示す。
[0082] 本実施形態のセンサは上記のように構成されている。したがって、本実施形態では 、チャネル 6とサイドゲート 7との間に、高誘電率の絶縁性材料の層である高誘電層 1 1を有しているので、サイドゲート 7のゲート電圧印加により、トランジスタ 1Eの伝達特 性をより効率よく変調させることができる。
[0083] また、チャネル 6が絶縁性の高誘電層 11で被覆されているので、チャネル 6内の荷 電粒子がチャネル 6外部に漏れること、及び、ソース電極 4やドレイン電極 5以外から チャネル 6外部の電荷粒子がチャネル 6に侵入することを防止することができる。これ により、トランジスタ 1Eの挙動を安定させることができる。
[0084] [その他]
以上、第 1一第 6実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は上記の各実施 形態に限定されるものではなぐ適宜変形して実施することができる。
例えば、上記実施形態を任意に組み合わせて実施しても良い。
また、ソース電極、ドレイン電極、ゲート、チャネル、及び、相互作用感知ゲートは、 それぞれ適宜、複数形成してもよい。
[0085] また、上記実施形態ではセンサにおいてトランジスタが露出した構成で説明したが
、上記トランジスタを適当なハウジング内に設けたり、他の装置に設置したりしてもよ レ、。
また、上記実施形態ではセンサに特定物質を固定した例を示して説明したが、上 記センサは製造段階や出荷段階では特定物質を固定されず、ユーザが特定物質を 固定化するようなものであってもよい。即ち、本発明の実施形態としてのセンサは、特 定物質が固定化されていないものも含むものとして理解すべきである。
また、上記実施形態では相互作用感知ゲートとしてトップゲート、サイドゲート、及び 、バックゲートを用いたが、相互作用感知ゲートを上記ゲート以外の他のゲートで形 成してもよぐまた、さらにゲート以外の他の部材で構成してもよいことは言うまでも無 レ、。
[0086] また、上記実施形態ではチャネル 6を弛ませて形成したが、もちろん弛ませず柱状 に形成しても良い。
また、上記実施形態ではチャネル 6はソース電極 4とドレイン電極 5との間に装架さ れているが、チャネル 6は基板 2や低誘電層 3などに接触して設けられても良レ、。また 、基板 2や低誘電層 3にチャネル 6が接触している状態であっても、チャネル 6が弛ん だ状態であれば、温度変化による破損の可能性を低下させることは可能である。 なお、相互作用感知ゲートには電圧を印加することもできる。
[0087] [構成要素]
続いて、上記の各実施形態の構成要素について、詳細に説明する。
上述したように、上記実施形態において、「トランジスタ」とは、電界効果トランジスタ 及び単一電子トランジスタのレ、ずれかのことを指す。
[0088] 電界効果トランジスタと単一電子トランジスタとは、その基本構造は共通しているが 、両者は、電流通路となるチャネルが異なっている。具体的には、単一電子トランジス タのチャネルは量子ドット構造を有し、電界効果トランジスタのチャネルは量子ドット 構造を有さない。したがって、両者は構造的には量子ドット構造の有無により区別す ること力 Sできる。
[0089] <基板 >
基板（上記実施形態では、符号 2で示したもの）は、絶縁性基板、あるいは絶縁され た半導体基板であれば他に制限は無ぐ任意の素材で形成されたものを用いること ができる。但し、センサとして用いる場合、絶縁性基板、あるいは、表面を絶縁性基板 を構成する素材で被覆した基板であることが好ましい。絶縁性基板を用いた場合、半 導体基板に比べ、誘電率が低いために浮遊容量を低減することができ、そのためバ ックゲートを相互作用感知ゲートとした場合に相互作用の検知感度を高めることがで きる。
[0090] 絶縁性基板は、絶縁体で形成された基板である。なお、本明細書にぉレ、ては、特 に断らない限り電気絶縁体のことを意味するものとする。絶縁性基板を形成する絶縁 体の具体例としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、弗 化カルシウム、アクリル樹脂、ポリイミド、テフロン (登録商標）等が挙げられる。また、こ れらは任意の種類及び比率で組み合わせて用いても良い。 [0091] 半導体基板は、半導体で形成された基板である。半導体基板を形成する半導体の 具体例としては、シリコン、ガリウム砒素、窒化ガリウム、酸化亜鉛、インジウム燐、炭 化シリコン等が挙げられる。また、これらは任意の種類及び比率で組み合わせて用い ても良い。
さらに、半導体基板の上に絶縁膜を形成して絶縁する場合は、絶縁膜を形成する 絶縁体の具体例としては、上記の絶縁性基板を形成する絶縁体と同様のものが挙げ られる。この場合、半導体基板は後述するゲートとしても作用させることができる。
[0092] 基板の形状は任意であるが、通常は平板状に形成する。また、その寸法にっレ、て も特に制限は無いが、基板の機械的強度を保っため 100 z m以上であることが好ま しい。
[0093] <ソース電極，ドレイン電極 >
ソース電極（上記実施形態では、符号 4で示したもの）は、上記トランジスタのキヤリ ァを供給できる電極であれば他に制限は無い。また、ドレイン電極（上記実施形態で は、符号 5で示したもの）は、上記トランジスタのキャリアを受け取ることができる電極 であれば、他に制限は無い。
ソース電極及びドレイン電極はそれぞれ任意の導体で形成することができ、具体例 としては、金、白金、チタン、炭化チタン、タングステン、ァノレミニゥム、モリブデン、クロ ムケィ化タングステン、窒化タングステン、多結晶シリコンなどが挙げられる。また、こ れらは任意の種類及び比率で組み合わせて用いても良い。
[0094] <ゲート >
ゲート（上記実施形態では、符号 7, 12で示したもの）は、上記トランジスタのチヤネ ル内の荷電粒子の密度を制御できるものであれば制限は無ぐ任意のものを用いる こと力 Sできる。通常、ゲートはチャネルから絶縁された導体を有して構成され、一般的 には導体および絶縁体から構成される。
ゲートを構成する導体の具体例としては、金、白金、チタン、炭化チタン、タンダステ ン、ケィ化タングステン、窒化タングステン、ァノレミニゥム、モリブデン、クロム、多結晶 シリコンなどが挙げられる。また、これらは任意の種類及び比率で組み合わせて用い ても良い。 [0095] ゲートを配置する位置は、チャネルに対してゲート電圧を印加することができる位置 であれば他に制限は無ぐ例えば基板の上方に配設してトップゲートとしてもよぐ基 盤のチャネルと同じ側の面上に配設してサイドゲートとしてもよぐ基板の裏面に配設 してバックゲートとしてもよい。
[0096] さらに、ゲートの中でもトップゲート及びサイドゲートは、チャネルの表面に絶縁膜を 介してゲートを形成してもよい。ここでレ、う絶縁膜としては、絶縁性の素材であれば特 に制限は無いが、具体例としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸 ィ匕チタン、弗化カルシウムなどの無機材料、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド、 テフロン (登録商標)などの高分子材料が挙げられる。
[0097] <相互作用感知ゲート >
相互作用感知ゲート（上記実施形態では、符号 9, 14, 15で示したもの）は、検出 対象物質と相互作用をする特定物質を固定することができるものであればよいため、 固定部材ということができる。また、相互作用感知ゲートは外部から電圧を印加されな レ、ものが好ましい。したがって、相互作用感知ゲートは、電圧非印加型固定部材とい うこともできる。また、相互作用感知ゲートは、例えば、導体、半導体、絶縁体など、様 々なものを用いることができる。但し通常は、ソース電極やドレイン電極と同様に導体 を用いる。したがって、相互作用感知ゲートは電極構造部材ということもでき、電圧が 印加されないことと併せて電圧非印加型電極構造部材ということもできる。相互作用 感知ゲートを形成する導体の具体例としては、金、白金、チタン、炭化チタン、タンダ ステン、ケィ化タングステン、窒化タングステン、ァノレミニゥム、モリブデン、クロム、多 結晶シリコンなどが挙げられる。また、これらは任意の種類及び比率で組み合わせて 用いても良い。
[0098] また、相互作用感知ゲートとしては、トランジスタにおいてゲート電圧の印加に用い られていないゲートを用いることが好ましい。具体的には、トップゲート、サイドゲート、 及びバックゲートから選ばれるいずれかであることが好ましぐトップゲート及びバック ゲートのいずれかであることがより好ましい。トップゲートを相互作用感知ゲートとする と、一般にチャネルとトップゲートとの距離はチャネルと他のゲートとの距離に比べて 近いため、センサの感度を高めることができる。また、バックゲートを相互作用感知ゲ ートとした場合は、相互作用感知ゲートに特定物質を簡単に固定することができる。
[0099]
チャネル（上記実施形態では、符号 6で示したもの）は、ソース電極及びドレイン電 極の間の電流の通路となりうるものであり、公知のチャネルを適宜用いることができる
[0100] チャネルは、絶縁性部材により被覆して、パッシベーシヨンあるいは保護することが 望ましレ、。この絶縁性部材としては、絶縁性の部材であれば任意の部材を用いること が可能であるが、具体例としては、フォトレジスト (感光性樹脂）、アクリル樹脂、ェポキ シ樹脂、ポリイミド、テフロン (登録商標）などの高分子材料、ァミノプロピルエトキシシ ランなどの自己組織化膜、 PER—フルォロポリエーテル、フォンブリン（商品名）など のルブリカント、フラーレン類化合物、あるいは酸化シリコン、弗化ケィ酸塩ガラス、 H SQ (Hydrogen Silsesquioxane ^ MSQ (Methyl Lisesquioxane)、多す L貧シ リカ、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、弗化カルシウム、ダイヤモンド薄 膜などの無機物質を用いることができる。また、これらは任意の種類及び比率で組み 合わせて用いてもよい。
[0101] また、相互作用感知ゲートとチャネルとの間には、絶縁性であってかつ低誘電率の 材料の層（低誘電率層）が設けられていることが好ましい。さらに、相互作用感知ゲー トからチャネルまでの間が全体に（即ち、相互作用感知ゲートからチャネルまでの間 にある層がすべて)低誘電率の性質を有することがより好ましい。ここで、低誘電率と は、比誘電率が 4. 5以下であることを意味する。
[0102] 低誘電率層を構成する材料は、上記のように絶縁性であり低誘電率の材料であれ ば他に制限は無い。その具体例としては、二酸化シリコン、弗化ケィ酸塩ガラス、 HS Q (Hydrogen Silsesquioxane)、 MSQ (Methyl Lisesquioxane 、多孑し質シリ 力、ダイヤモンド薄膜などの無機材料、ポリイミド、 Parylene_N、 Parylene_F、弗化 ポリイミドなどの有機材料が挙げられる。また、これらは任意の種類及び比率で組み 合わせて用いてもよい。
[0103] つまり、チャネルから相互作用感知ゲートにかけての間が絶縁性で且つ低誘電率 であることにより、相互作用感知ゲート上で生じた表面電荷の変化が、チャネル内の 電荷密度の変化としてより効率的に伝達されるのである。これにより、上記相互作用 をトランジスタの大きな出力特性の変化として検出することができるので、上記のトラ ンジスタをセンサに用いた場合に、センサの感度をより向上させることができる。
[0104] また、トランジスタにゲート電圧を印加するゲートとチャネルとの間には、絶縁性であ つてかつ高誘電率の材料の層（高誘電層）が形成されていることが好ましい。さらに、 ゲートからチャネルまでの間が全体に（即ち、ゲートからチャネルまでの間にある層が すべて）高誘電率の性質を有することがより好ましい。ここで、高誘電率とは、比誘電 率が 4. 5以上であることを意味する。
[0105] 高誘電層を形成する材料は、上記のように絶縁性を有して且つ高誘電率のもので あれば他に制限は無レ、。その具体例としては、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化 タンタルなどの無機物質、高誘電率特性を有する高分子材料などが挙げられる。ま た、これらは任意の種類及び比率で組み合わせて用いてもょレ、。
つまり、ゲートからチャネルにかけての間が絶縁性で且つ高誘電率であること高誘 電層を形成することにより、ゲートの電圧印加により、トランジスタの伝達特性をより効 率よく変調させること力 Sできるのである。これにより、上記のトランジスタをセンサとして 用いた場合、センサとしての感度をより向上させることができる。
[0106] 次に、電界効果トランジスタのチャネル（以下適宜、「FETチャネル」という）と、単一 電子トランジスタのチャネル（以下適宜、「SETチャネル」という）とについて、それぞ れ説明する。なお、上述のように電界効果トランジスタと単一電子トランジスタとはチヤ ネルによって区別することができ、上記各実施形態において説明した各トランジスタ 1S FETチャネルを有する場合はそのトランジスタは電界効果トランジスタであり、 SE Tチャネルを有する場合はそのトランジスタは単一電子トランジスタと認識すべきであ る。
[0107] FETチャネルは、電流の通路となりうるものであり、公知のチャネルを適宜用いるこ とができるが、通常はその大きさが微細であることが好ましい。
このような微細なチャネルの例としては、例えばナノチューブ状構造体が挙げられる 。ナノチューブ状構造体とは、チューブ状の構造体であって、その長手方向に直交 する断面の直径が 0. 4nm以上 50nm以下のものをいう。なお、ここでチューブ状、と は、構造体の長手方向の長さと、これに垂直な方向のうち最も長い一方向の長さとの 比が 10以上 10000以下の範囲にある形状を指し、ロッド状（断面形状が略円形）、リ ボン状（断面形状が扁平な略方形)等の各形状を含む。
[0108] ナノチューブ状構造体は電荷輸送体として用いることができ、直径が数ナノメートル の一次元量子細線構造を有するため、従来のセンサに用いられていた電界効果トラ ンジスタの場合に比べてゲート容量は著しく低減する。したがって、特定物質及び検 出対象物質の間の相互作用により生じるゲート電位の変化は極めて大きくなり、チヤ ネルに存在する荷電粒子の密度の変化は著しく大きくなる。このことにより検出物質 の検出感度は劇的に向上する。
[0109] ナノチューブ状構造体の具体例としては、カーボンナノチューブ (CNT)、ボロンナ イトライドナノチューブ、チタユアナノチューブ等が挙げられる。従来の技術では、半 導体微細加工技術を用いても、 10nm級のチャネルの形成は困難であり、それにより センサーとしての検出感度も制限されていた力 これらのナノチューブ状構造体を用 レ、ることにより、従来よりも微細なチャネルを形成することができる。
[0110] ナノチューブ状構造体は、そのカイラリティに応じて半導体的な電気的性質及び金 属的な電気的性質の両方を示すが、半導体的 FETチャネルに用いる場合、ナノチュ ーブ状構造体は、その電気的性質として半導体的性質を有することがより望ましい。
[0111] 一方、 SETチャネルも FETチャネルと同様、電流の通路となりうるものであり、公知 のチャネルを適宜用いることができ、また、通常はその大きさが微細であることが好ま しレ、。さらに、 SETチャネルも FETチャネルと同様に、ナノチューブ状構造体を用い ること力 Sでき、具体例としてカーボンナノチューブ（CNT)、ボロンナイトライドナノチュ ーブ、チタユアナノチューブ等を使用することができることも同様である。
[0112] しかし、 FETチャネルと異なる点としては、 SETチャネルは量子ドット構造を有する 点が挙げられる。 SETチャネルは量子ドット構造を有する公知の物質を任意の用い ること力 Sできる力 通常は、欠陥を導入したカーボンナノチューブを用いる。具体的に は、欠陥と欠陥との間に通常 0. lnm以上 4nm以下の量子ドット構造を有するカーボ ンナノチューブを用いる。これらは、欠陥を有さないカーボンナノチューブに水素、酸 素、アルゴンなどの雰囲気ガス中での加熱、あるいは酸溶液等中での煮沸などの化 学的処理を施すことによって作製することができる。
[0113] 即ち、ナノチューブ状構造体に欠陥を導入することにより、ナノチューブ状構造体 内に欠陥と欠陥の間に領域が数ナノメートルの大きさの量子ドット構造が形成され、 さらにゲート容量は低減する。量子ドット構造を有するナノチューブ状構造体におい ては量子ドット構造内への電子の流入が制限されるクーロンブロッケイド現象が生じ るため、そのようなナノチューブ状構造をチャネルに用いれば単一電子トランジスタが 実現される。
[0114] 例えば従来のシリコン系 MOSFET (メタル'オキサイド 'セミコンダクタ一'電界効果 トランジスタ）のゲート容量は 10_15F (ファラッド)程度であり、これに対して上記の欠陥 を導入したナノチューブ状構造体を用いた単一電子トランジスタのゲート容量は lCT1 9F 10— 2°F程度である。このように、単一電子トランジスタでは従来のシリコン系 M〇 SFETに比べて、ゲート容量が 1万一 10万分の一程度減少する。
[0115] その結果、このようなナノチューブ状構造体をチャネル用いた単一電子トランジスタ を形成すれば、従来のナノチューブ状構造体を用いない電界効果トランジスタに比 ベ、ゲート電位の変化を極めて大きなものとすることができ、チャネルに存在する荷電 粒子の密度の変化は著しく大きくなる。このことにより、検出物質の検出感度を大きく 向上させることができるのである。
[0116] また、 SETチャネル力 ΦΕΤチャネルと異なるもう一つの点としては、ナノチューブ状 構造体を SETチャネルとして用いる場合、それらは電気的特性として金属的性質を 有することが好ましい。なお、ナノチューブ状構造体が金属的か半導体的かを確認 する手法の例としては、ラマン分光法でカーボンナノチューブのカイラリティを決定す ることにより確認する手法や、走查トンネル顕微鏡（STM)分光法を用いてカーボン ナノチューブの電子状態密度を測定することにより確認する手法が挙げられる。
[0117] ぐ検出対象物質及び特定物質 >
検出対象物質については特に制限は無ぐ任意の物質を用いることができる。また 、特定物質 (上記実施形態では、符号 10で示したもの）は、検出対象物と選択的に 相互作用できるものであれば特に制限は無ぐ任意の物質を用いることができる。そ れらの具体的としては、酵素、抗体、レクチン等のタンパク質、ペプチド、ホルモン、 核酸、糖、オリゴ糖、多糖等の糖鎖、脂質、低分子化合物、有機物質、無機物質、若 しくはこれらの融合体、または、ウィルス若しくは、細胞、生体組織やこれらを構成す る物質などが挙げられる。
[0118] タンパク質としては、タンパク質の全長であっても結合活性部位を含む部分べプチ ドでもよレ、。またアミノ酸配歹' J、及びその機能が既知のタンパク質でも、未知のタンパ ク質でもよい。これらは、合成されたペプチド鎖、生体より精製されたタンパク質、ある レ、は cDNAライブラリ一等から適当な翻訳系を用いて翻訳し、精製したタンパク質等 でも標的分子として用いることができる。合成されたペプチド鎖は、これに糖鎖が結合 した糖タンパク質であってもよい。これらのうち好ましくは、アミノ酸配列が既知の精製 されたタンパク質力 あるいは cDNAライブラリ一等から適当な方法を用いて翻訳、 精製されたタンパク質を用いることができる。
[0119] 核酸としては、 特に制限はなぐ DNAあるいは RNAも用いることができる。また、 塩基配列あるいは機能が既知の核酸でも、未知の核酸でもよい。好ましくは、タンパ ク質に結合能力を有する核酸としての機能、及び塩基配列が既知のもの力 \あるい はゲノムライブラリ一等から制限酵素等を用いて切断単離してきたものを用いることが できる。
[0120] 糖鎖としては、その糖配列あるいは機能力 既知の糖鎖でも未知の糖鎖でもよい。
好ましくは、既に分離解析され、糖配列あるいは機能が既知の糖鎖が用いられる。 低分子化合物としては、相互作用する能力を有する限り、特に制限はない。機能が 未知のものでも、あるいはタンパク質と結合もしくは反応する能力が既に知られている ものでも用いることができる。
[0121] 上記の通り、相互作用感知ゲート上には数多くの特定物質を固定化できる。特定 物質が固定化された相互作用感知ゲートは、その機能性物質と相互作用する物質 を検出するバイオセンサーに好適に使用できる。また、検出されるシグナルの増幅や 特定を目的として、特定物質と相互作用した物質と更に相互作用する物質を酵素あ るいは電気化学的反応や発光反応を有する物質、荷電を有する高分子及び粒子等 で標識することも可能であり、これらはィムノアツセィゃインターカレーター等を利用し た DNA解析の領域では標識化測定法として広く用いられている方法である。 （参考 文献:今井一洋 生物発光と化学発光 昭和 64年 廣川書店、 P.TUSSENェンザ ィムィムノアッセィ 生化学実験法 11 東京化学同人、 Takenaka, Anal. Bioche m. , 218, 436 (1994)等多数）
[0122] これら特定物質と検出対象物質との「相互作用」とは特に限定されるものではない 、通常は、共有結合、疎水結合、水素結合、ファンデルワールス結合、及び静電力 による結合のうち少なくとも 1つから生じる分子間に働く力による作用を示す。ただし、 本明細書に言う「相互作用」との用語は最も広義に解釈すべきであり、いかなる意味 においても限定的に解釈してはならない。共有結合としては、配位結合、双極子結 合を含有する。また静電力による結合とは、静電結合の他、電気的反発も含有する。 また、上記作用の結果生じる結合反応、合成反応、分解反応も相互作用に含有され る。
[0123] 相互作用の具体例としては、抗原と抗体間の結合及び解離、タンパク質レセプター とリガンドの間の結合及び解離、接着分子と相手方分子の間の結合及び解離、酵素 と基質の間の結合及び解離、アポ酵素と補酵素の間の結合及び解離、核酸とそれに 結合するタンパク質の間の結合及び解離、核酸と核酸の間の結合及び解離、情報 伝達系におけるタンパク質同士の間の結合と解離、糖タンパク質とタンパク質との間 の結合及び解離、あるいは糖鎖とタンパク質との間の結合及び解離、細胞及び生体 組織と蛋白質の間の結合及び解離、細胞及び生体組織と低分子化合物の間の結合 及び解離、イオンとイオン感応性物質間の相互作用等が挙げられる力 S、この範囲に 限られるものではなレ、。例えば、ィムノグロブリンやその派生物である F (ab' ) 、 Fab'
2
、 Fab、レセプターや酵素とその派生物、核酸、天然あるいは人工のペプチド、人工 ポリマー、糖質、脂質、無機物質あるいは有機配位子、ウィルス、細胞、薬物等が挙 げられる。
[0124] また、相互作用感知ゲートに固定化される特定物質と他の物質との「相互作用」とし て、物質以外にも PHやイオン、温度、圧力等の外環境の変化に対するゲートに固定 化される機能性物質の関与する応答も挙げられる。
[0125] [トランジスタの作製方法]
次に、チャネルとしてカーボンナノチューブを用いた場合を例にとり、上記実施形態 で説明したトランジスタの作成方法の一例を図 7 (a)—図 7 (d)を用いて説明する。
[0126] カーボンナノチューブを用いたトランジスタの作製は以下のように行なう。
トランジスタに使用するカーボンナノチューブは、その位置と方向とを制御して形成 しなければならなレ、。このため、通常はフォトリソグラフィ一法などによりパターユング した触媒を利用して、カーボンナノチューブの成長位置と方向とを制御するして作製 する。
具体的には次に述べる工程でカーボンナノチューブを形成する。
[0127] (工程 1)図 7 (a)に示すように、基板 2上にフォトレジスト 16をパターユングする。
カーボンナノチューブを形成しょうとする位置及び方向に応じて形成するパターン を決定し、そのパターンに合わせて基板 2上にフォトレジスト 16でパターユングを行な う。
[0128] (工程 2)図 7 (b)に示すように、金属の触媒 17を蒸着する。
パターニングを行なった基板 2面に、触媒 17となる金属を蒸着する。触媒 17となる 金属の例としては、鉄、ニッケル、コバルトなどの遷移金属、あるいはそれらの合金な どが挙げられる。
[0129] (工程 3)図 7 (c)に示すように、リフトオフを行なレ、、触媒 17のパターンを形成する。
触媒 17の蒸着後、リフトオフを行なう。リフトオフにより、フォトレジスト 16は基板 2か ら除去されるため、フォトレジスト 16表面に蒸着された触媒 17もともに基板 2から除去 される。これにより、工程 1で形成したパターンに合わせて触媒 17のパターンが形成 される。
[0130] (工程 4)図 7 (d)に示すように、 CVD (化学気相堆積法）炉 18で、高温においてメタ ンガスやアルコールガスなどの原料ガスを流し、触媒 17と触媒 17との間にカーボン ナノチューブ 19を形成する。
高温においては、金属触媒 17は直径数 nmの微粒子状になり、これを核としてカー ボンナノチューブが成長する。なお、ここで通常、高温とは 300°C以上 1200°C以下 を指す。
[0131] 以上、工程 1一工程 4によってカーボンナノチューブ 19を形成した後、そのカーボ ンナノチューブ 19の両端にソース電極及びドレイン電極を形成する。ここではソース 電極及びドレイン電極はォーミック電極を形成したものとする。この際、ソース電極や ドレイン電極はカーボンナノチューブ 19の先端に取り付けてもよいし、側面に取り付 けてもよい。また、ソース電極やドレイン電極の電極形成の際に、よりよい電気的接続 を目的として、例えば 300°C— 1000°Cの範囲の熱処理を行ってもよい。
さらに、適当な位置にゲート及び相互作用感知ゲートを設けて、トランジスタを作製 する。
[0132] 以上の方法を用いれば、位置及び方向を制御しながらカーボンナノチューブ 19を 形成して、トランジスタを作製することができる。しかし、上記の方法では触媒である金 属間にカーボンナノチューブ 19が形成される確率は小さい (発明者らの試験では、 1 0%程度)。そこで、図 8に示すように、触媒 17の形状を先端が急峻な形状とし、カー ボンナノチューブ 19の成長中にこの 2つの触媒間に電荷を印加する。これにより、急 峻な触媒間の電気力線に沿ってカーボンナノチューブ 19が成長することが期待でき る。
[0133] 触媒 17間に電荷を印加することによって、上記のように電気力線に沿ってカーボン ナノチューブ 19が成長する理由は定かではなレ、が、次の 2通りが推察される。一方の 考えは、電極 (ここでは、触媒 17)から成長を開始したカーボンナノチューブ 19は大 きな分極モーメントを有しているために、電界に沿った方向に成長する、という考えで ある。もう一方の考えは、高温で分解したカーボンイオンが電気力線に沿ってカーボ ンナノチューブ 19を形成していぐという考えである。
[0134] また、カーボンナノチューブ 19の成長を阻害する要因として、基板 2とカーボンナノ チューブ 19との間に働く大きなファンデルワールス力の影響でカーボンナノチューブ 19が基板 2に密着し、方向制御が困難になることが考えられる。このファンデルヮー ノレス力の影響を小さくするため、上記のトランジスタの作成方法において、図 9に示 すように、触媒 17と基板 2との間に酸化シリコン等で形成したスぺーサ層 20を設け、 カーボンナノチューブ 19を基板 2から浮力、して成長を行なうようにすることが好ましレ、
[0135] 以上の作製方法により、電界特性トランジスタを作成することができる。
さらに、作製した電界特性トランジスタのカーボンナノチューブ 19に水素、酸素、ァ ルゴンなどの雰囲気ガスでの加熱、酸溶液中での煮沸などの化学処理を行ない、欠 陥を導入して量子ドット構造を形成させることにより、単一電子トランジスタを作製する こと力 Sできる。
[0136] [相互作用感知ゲートへの特定物質の固定化方法]
相互作用感知ゲートへの特定物質の固定化方法としては、相互作用感知ゲートに 特定物質を固定することができる方法であれば特に制限は無い。例えば、相互作用 感知ゲートに直接物理吸着で結合させることも可能であるが、予め相互作用感知ゲ ート上にアンカー部を有するフレキシブルスぺーサーを介して結合させても良い。
[0137] 相互作用感知ゲートに金等の金属を用いた場合、フレキシブルスぺーサ一は構造 式（CH ) (nは 1から 30までの自然数を表す力 2力 30まで力 S望ましく、 2から 15ま
2 n
でがさらに望ましい）のアルキレンを含有することが望ましい。スぺーサ一分子の一端 は、金等の金属への吸着として適してレ、るアンカー部としてチオール基やジスルフィ ド基を使用し、スぺーサ一分子の相互作用感知ゲートから離れた方を向いている他 端には固定化したい特定物質を結合しうる結合部を 1個または複数個含有する。この ような結合部は、例えばアミノ基ゃカルボキシノレ基、ヒドロキシノレ基、スクシミド基等種 々の反応性官能基やピオチン及びピオチン誘導体、ジゴキシン、ジゴキシゲニン、フ ルォレセイン、および誘導体、テオフィリン等のハプテンゃキレートを用いても良い。
[0138] また相互作用感知ゲートに直接またはこれらスぺーサーを介して導電性高分子、 親水性高分子、 LB膜等やマトリックスを結合させ、その導電性高分子、親水性高分 子、 LB膜等やマトリックスに固定化したい特定物質を 1または複数種結合または包括 /担持させても良いし、予め導電性高分子、親水性高分子やマトリックスに固定化し たい物質を 1または複数種結合または包括 Z担持させた後に相互作用感知ゲートに 結合させても良い。
[0139] 導電性高分子としてはポリピロール、ポリチオフヱン、ポリア二リン等が使用され、親 水性高分子としてはデキストラン、ポリエチレンォキシド等電荷を持たなレ、高分子でも 良いし、ポリアクリル酸、カルボキシメチルデキストラン等電荷を持った高分子でも良く 、特に電荷を持った高分子の場合固定ィヒしたい物質と反対の荷電を持つ高分子を 使用することにより電荷濃縮効果を利用して結合または担持させることができる。 （引 用：ファノレマシア特許 特許第 2814639号）
[0140] 特に、特定のイオンを検出する場合は、相互作用感知ゲート上に特定のイオンに 対応するイオン感応膜を形成させることができる。さらにイオン感応膜の代わりにある いは一緒に酵素固定膜を形成させることにより検出対象物質に対して酵素が触媒と して作用した結果生じる生成物を測定することにより検出対象物質を検出することも できる。
[0141] また、固定化したい特定物質を固定化した後、牛血清アルブミン、ポリエチレンォキ シドまたは他の不活性分子により表面を処理したり、 UF膜で被覆することにより非特 異的反応を抑制したり、透過することのできる物質を選択したりすることもできる。
[0142] また、相互作用感知ゲートとして、金属以外に薄い絶縁膜を使用してもよい。絶縁 膜としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、弗化カルシ ゥムなどの無機材料、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド、テフロン (登録商標）な どの高分子材料を用いることができる。
[0143] H+、 Na+等のイオンを測定する際は更に必要であればこの絶縁膜上にそれぞれ 測定対象となるイオンに対応するイオン感応膜を形成させることができる。さらにィォ ン感応膜の代わりにあるいは一緒に酵素固定膜を形成させることにより検出対象物 質に対して酵素が触媒として作用した結果生じる生成物を測定することにより検出対 象物質を検出することもできる。 （参考文献 鈴木周一:バイオセンサー 1984 講 談社、 軽部ら:センサーの開発と実用化、第 30卷、第 1号、別冊化学工業 1986)
[0144] ほ I」用分野]
本発明のセンサは、任意の分野で適宜用いることができる力 例えば、次のような 分野で用いることができる。
[0145] 相互作用を応用したバイオセンサーとして用いる場合には、血液や尿などの臨床 検查用センサーが挙げられ、 pH、電解質、溶存ガス、有機物、ホノレモン、アレルゲン 、薬物、抗生物質、酵素活性、蛋白質、ペプチド、変異原性物質、微生物細胞、血液 細胞、血液型、血液凝固能、遺伝子解析の測定が可能となる。測定原理としてイオン センサー、酵素センサー、微生物センサー、免疫センサー、酵素免疫センサー、発 光免疫センサー、菌計数センサー、血液凝固電気化学センシング及び各種の電気 化学的反応を利用した電気化学センサー等が考えられるが、最終的に電気的シグ ナルとして取り出せる原理を全て含む。 （参考文献 鈴木周一:バイオセンサー 講談 社 (1984) 軽部ら:センサーの開発と実用化、第 30卷、第 1号、別冊化学工業（19 86) )
[0146] 更に、生体内でのその場 (in situ)測定も可能であり、これらの例としては力テーテ ノレに装着した揷入型マイクロセンサーの他にも埋込型マイクロセンサーや医用カプ セルを利用したカプセル搭載型マイクロセンサー等が考えられる。 （参考文献 軽部 ら:センサーの開発と実用化、第 30卷、第 1号、別冊化学工業 1986) 実施例
[0147] 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
カーボンナノチューブをチャネルとした電界効果トランジスタの作製は以下のように 行った。
[0148] [1.センサの作製]
(基板の準備）
n—型 Si (100)基板 2を、体積比で硫酸:過酸化水素 =4 : 1となるよう混合した酸に 5 分間浸して表面を酸化した後、流水で 5分間すすぎ、その次に体積比でフッ化水素 酸:純水 = 1 : 4となるように混合した酸で酸化膜を除去し、最後に流水で 5分間すす ぎ Si基板表面を洗浄した。洗浄した Si基板 2表面を酸化炉を用いて 1100°C、 30分 間、酸素流量 3L/min.の条件で熱酸化し、厚さ約 lOOnmの SiOを絶縁膜 20とし
2
て成膜した。
[0149] (チャネルの形成）
次に絶縁層 20表面にカーボンナノチューブ成長触媒を形成するために、フォトリソ グラフィ一法によりフォトレジスト 16をパターユングした {図 10 (a) }。まず絶縁層 20上 ίこ、へキサメチノレジシラザン CHMDS)を 500rpm, 10 Η 4000rpm, 30禾少 の 条件でスピンコートし、その上にフォトレジスト（シプレイ'ファーイースト社製 micropo sit S1818)を同条件でスピンコートした。
[0150] スピンコートした後、 Si基板 2をホットプレート上に置き、 90°C, 1分間の条件でベ ークした。ベータ後、モノクロ口ベンゼン中にフォトレジスト 16をコートした Si基板 2を 5 分間浸し、窒素ブローで乾燥させた後、オーブンに入れ 85°C, 5分間の条件でベー クした。ベータ後、ァライナーを用い触媒パターンを露光し、現像液 (クラリアントネ土製 AZ300MIFデベロッパー（2. 38%) )中で 4分間現像した後、流水で 3分間リンスし 、窒素ブローで乾燥させた。
[0151] フォトレジスト 16をパターユングした Si基板 2上に、 EB真空蒸着機を用い Si、 Moお よび Fe触媒 17を、厚さが Si/Mo/Fe = 100A/l00A/30Aとなるよう、蒸着レ -MA/sec.で蒸着した {図 10 (b) }。蒸着後、アセトンを煮沸しながらリフトオフし 、アセトン、エタノール、流水の順に各 3分間試料を洗浄し、窒素ブローで乾燥させた {図 10 (c) }。
[0152] 触媒 17をパターユングした Si基板 2を CVD炉に設置し、 Arを用いてバブリングした エタノールを 750cc/min.および水素を 500ccZmin.流しながら 900°C， 20分間 の条件で、チャネルとなるカーボンナノチューブ 19を成長させた（図 11)。この際、昇 温および降温は Arを 1000cc/min.流しながら行った。
[0153] (ソース電極、ドレイン電極、及びサイドゲート電極の形成）
カーボンナノチューブの成長後、ソース電極、ドレイン電極、及びサイドゲート電極 をそれぞれ作製するために、再度前述したフォトリソグラフィ一法により、 Si基板 2上 にフォトレジスト 16をパターエングした {図 12 (a) }。
[0154] パターニング後、 EB蒸着により、 Tiおよび Auの順に Ti/Au = 300A/3000A、 Tiの蒸着レートが 0. 5A/sec. 、 Auの蒸着レートが 5A/sec. の条件で、 Si基板 2 にソース電極 4、ドレイン電極 5、及びサイドゲート電極 7を蒸着した {図 12 (b) }。蒸着 した後、前述と同様に、アセトンを煮沸しながらリフトオフし、アセトン、エタノール、流 水の順に各 3分間試料を洗浄し、窒素ブローで乾燥させた {図 12 (c) }。
[0155] ソース電極 4、ドレイン電極 5、及びサイドゲート電極 7をパターユングした後、素子 を保護するため (こ、 Si基板 2表面 ίこ HMDSを 500rpm, 10禾少 Γ 、 4000rpm, 30禾少 間の条件でスピンコートし、その上に前述したフォトレジストを同条件でスピンコートし た。その次に、オーブンにて 110°C、 30分間の条件でフォトレジストを焼き固め素子 保護膜を形成した。
[0156] (バックゲート電極の作成） Si基板 2裏面の Si〇膜 20を RIE (リアクティブ'イオン'エッチング）装置を用いてド
2
ライエッチングし除去した。このとき、使用したエツチャントは SFで、 RF出力 100W
6
のプラズマ中で 6分間エッチングを行った。裏面の SiO膜 20を除去した後、 EB蒸着
2
により Ptおよび Auの順に Pt/Au= 300/2000 A、 Ptの蒸着レートが 0. 5A/分 間、 Auの蒸着レートが 5 A/分間の条件で、 Si基板 2にバックゲート電極湘互作用 感知ゲート） 9を蒸着した（図 13)。
[0157] (チャンネル層の形成）
次に Si基板 2表面に形成した素子保護膜を、煮沸したアセトン、アセトン、エタノー ノレ、流水の順に各 3分間洗浄し、除去した。次に、カーボンナノチューブ 19を保護す るために、ソース電極 4、ドレイン電極 5、及びサイドゲート電極 7をパターユングする 際のフォトリソグラフィ一法と同様にして、フォトレジストを素子表面のソース電極 4、ド レイン電極 5、及びサイドゲート電極 7以外の部分にパターユングしチャンネル保護層 16とした（図 14)。以上の工程を経て完成したカーボンナノチューブ一電界効果トラン ジスタ（以下適宜、「CNT— FET」とレ、う）の概略図を図 15に示す。
[0158] [2.センサを用いた特性測定]
作製した CNT— FETを用いて、以下の手法により、抗体固定化前後の特性測定を 行なった。
バックゲート電極 9に、酢酸バッファー溶液で希釈した濃度 100 g/mL]のマウ ス IgG抗体を 50 し滴下し、湿度 90%の湿潤箱で約 15分間反応させ、純水で表面 を洗浄し、抗体の固定化を行った。固定化の結果、図 16のようにバックゲート電極 9 に特定物質として上記 IgG抗体 10が固定された。なお、図 16ではチャネル保護層 1 6は二点鎖線で示す。
[0159] CNT— FETの電気特性評価は、 Agilent社製 4156C半導体パラメータアナライザ 一を用いて行なった。抗体を固定化する前後で電気特性の 1種である伝達特性 (V
SG
-I 特性)を測定し、測定値を抗体固定化の前後で比較することで行なった。その測
SD
定結果を図 16に示す。このとき、サイドゲート電圧 V =— 40— 40V (0. 8Vステップ
SG
)でスイープさせ、その各点においてソース電圧 V =0V、ドレイン電圧 V =-1-1
S D
V (0. 02Vステップ）をスイープさせた時にソース電極 'ドレイン電極間に流れる電流（ ソースドレイン電流） I Aを測定した。なお、図 17においてソースドレイン電流が負の
SD
領域のグラフが V =-1. 0Vにおける測定結果を示し、ソースドレイン電流が正の
SD
領域のグラフが V = + 1. 0Vにおける測定結果を示す。
SD
[0160] 図 17のソースドレイン電流が 5 μ Aの部分に注目すると、抗体固定化後のサイドゲ ート電圧は、固定化前のサイドゲート電圧と比較して +47Vと非常に大きく変化してい た。この測定結果から、抗体固定化前後で CNT— FETの伝達特性が極めて大きく変 化し、バックゲート表面近傍で起こる抗体固定化による相互作用を直接測定ができる ことがわかった。このことから、本発明によるセンサーが極めて高感度の化学物質検 出能力を有していることが示され、検出対象物質一特定物質間の相互作用の検出に 利用できることが推察される。
産業上の利用可能性
[0161] 本発明は、化学分析、物理分析、生物分析などの分析に広く利用することができ、 例えば、医療用センサやバイオセンサとして用いて好適である。

Claims

請求の範囲
[1] 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及 びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた電界効果トランジスタを有し、 検出対象物質を検出するためのセンサであって、
該電界効果トランジスタが、
該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用 感知ゲートと、
該相互作用を該電界効果トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加 されるゲートとを有する
ことを特徴とする、センサ。
[2] 該チャネルが、ナノチューブ状構造体からなる
ことを特徴とする請求項 1に記載のセンサ。
[3] 該ナノチューブ状構造体が、カーボンナノチューブ、ボロンナイトライドナノチューブ
、及び、チタニアナノチューブよりなる群から選ばれる構造体である
ことを特徴とする、請求項 2に記載のセンサ。
[4] 該ナノチューブ状構造体の電気特性が半導体的性質を有する
ことを特徴とする請求項 2または請求項 3に記載のセンサ。
[5] 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及 びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた単一電子トランジスタを有し、 検出対象物質を検出するためのセンサであって、
該単一電子トランジスタが、
該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用 感知ゲートと、
該相互作用を該単一電子トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加 されるゲートとを有する
ことを特徴とする、センサ。
[6] 該チャネルが、ナノチューブ状構造体からなる
ことを特徴とする、請求項 5に記載のセンサ。
[7] 該ナノチューブ状構造体が、カーボンナノチューブ、ボロンナイトライドナノチューブ 、及び、チタニアナノチューブよりなる群から選ばれる構造体である
ことを特徴とする請求項 6に記載のセンサ。
[8] 該ナノチューブ状構造体に欠陥が導入されている
こと特徴とする、請求項 6または請求項 7に記載のセンサ。
[9] 該ナノチューブ状構造体の電気特性が金属的性質を有する
ことを特徴とする、請求項 6 8のいずれか 1項に記載のセンサ。
[10] 該相互作用感知ゲートが、該ゲートとは異なる他のゲートである
ことを特徴とする、請求項 1一 9のいずれか 1項に記載のセンサ。
[11] 上記の他のゲートが、該基板の表面側に設けられたトップゲート、該基板表面のチ ャネル側面に設けられたサイドゲート、及び裏面側に設けられたバックゲートのいず れかである
ことを特徴とする、請求項 10に記載のセンサ。
[12] 該チャネル力 該基板から離隔した状態で上記のソース電極及びドレイン電極間に 装架されている
ことを特徴とする、請求項 1一 11のいずれ力 1項に記載のセンサ。
[13] 該チャネル力 室温において上記のソース電極及びドレイン電極の間に弛んだ状 態で設けられている
ことを特徴とする、請求項 1一 12のいずれ力 1項に記載のセンサ。
[14] 該基板が、絶縁性基板である
ことを特徴とする、請求項 1一 13のいずれ力 1項に記載のセンサ。
[15] 該チャネルが、絶縁性部材で被覆されている
ことを特徴とする請求項 1一 14のいずれか 1項に記載のセンサ。
[16] 該チャネルと該相互作用感知ゲートとの間に、低誘電率の絶縁性材料の層が形成 されている
ことを特徴とする、請求項 1一 15のいずれ力、 1項に記載のセンサ。
[17] 該チャネルと該ゲートとの間に、高誘電率の絶縁性材料の層が形成されている ことを特徴とする、請求項 1一 16のいずれ力、 1項に記載のセンサ。
[18] 該相互作用感知ゲートに、該特定物質を固定化した
ことを特徴とする、請求項 1一 17のいずれ力 1項に記載のセンサ。
[19] 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及 びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備え、検出対象物質を検出するた めのセンサに用いられる電界効果トランジスタであって、
該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用 感知ゲートと、
該相互作用を該電界効果トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加 されるゲートとを有する
ことを特徴とする、電界効果トランジスタ。
[20] 基板と、ゲートと、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソー ス電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた電界効果トランジス タであって、
該チャネル力 該基板から離隔した状態で上記のソース電極及びドレイン電極間に 装架されたナノチューブ状構造体である
ことを特徴とする、電界効果トランジスタ。
[21] 基板と、ゲートと、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソー ス電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた電界効果トランジス タであって、
該チャネルがナノチューブ状構造体で構成され、
該ナノチューブ状構造体が、室温にぉレ、て上記のソース電極及びドレイン電極の 間に弛んだ状態で設けられてレ、る
ことを特徴とする、請求項 20に記載の電界効果トランジスタ。
[22] 基板と、ゲートと、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソー ス電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた電界効果 ί タであって、
該チャネルが、ナノチューブ状構造体であり、
該基板が、絶縁性基板である ことを特徴とする、電界効果 ί
[23] 基板と、ゲートと、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソー ス電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた電界効果トランジス タであって、
該チャネルが、絶縁性部材で被覆されたナノチューブ状構造体である
ことを特徴とする、電界効果トランジスタ。
[24] 基板と、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソース電極及 びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備え、検出対象物質を検出するた めのセンサに用いられる単一電子トランジスタであって、
該検出対象物質と選択的に相互作用をする特定物質を固定するための相互作用 感知ゲートと、
該相互作用を該単一電子トランジスタの特性の変化として検出するべく電圧を印加 されるゲートとを有する
ことを特徴とする、単一電子トランジスタ。
[25] 基板と、ゲートと、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソー ス電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備え単一電子トランジスタ であって、
該チャネル力 該基板から離隔した状態で上記のソース電極及びドレイン電極間に 装架されたナノチューブ状構造体である
ことを特徴とする、単一電子トランジスタ。
[26] 基板と、ゲートと、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソー ス電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備え単一電子トランジスタ であって、
該チャネルがナノチューブ状構造体で構成され、
該ナノチューブ上構造体が、室温にぉレ、て上記のソース電極及びドレイン電極の 間に弛んだ状態で設けられてレ、る
ことを特徴とする、請求項 25に記載の単一電子トランジスタ。
[27] 基板と、ゲートと、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソー ス電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた単一電」 タであって、
該チャネルが、ナノチューブ状構造体であり、
該基板が、絶縁性基板である
ことを特徴とする、単一電子トランジスタ。
[28] 基板と、ゲートと、該基板に設けられたソース電極及びドレイン電極と、上記のソ ス電極及びドレイン電極間の電流通路になるチャネルとを備えた単一電子トランジ タであって、
該チャネルが、絶縁性部材で被覆されたナノチューブ状構造体である ことを特徴とする、単一電子トランジスタ。
[29] 該ナノチューブ状構造体に欠陥が導入されている
ことを特徴とする、請求項 24 28のいずれ力、 1項に記載の単一電子トランジスタ。
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