[go: up one dir, main page]

JP5459554B2 - Sensor device - Google Patents

Sensor device Download PDF

Info

Publication number
JP5459554B2
JP5459554B2 JP2010206467A JP2010206467A JP5459554B2 JP 5459554 B2 JP5459554 B2 JP 5459554B2 JP 2010206467 A JP2010206467 A JP 2010206467A JP 2010206467 A JP2010206467 A JP 2010206467A JP 5459554 B2 JP5459554 B2 JP 5459554B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
oxide
insulating layer
sensor device
porous insulating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2010206467A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2012063194A (en
Inventor
洋之 家地
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2010206467A priority Critical patent/JP5459554B2/en
Publication of JP2012063194A publication Critical patent/JP2012063194A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5459554B2 publication Critical patent/JP5459554B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Description

本発明は、センサデバイスに係り、特に多孔質絶縁層を有するトランジスタを用いたセンサデバイスに関する。   The present invention relates to a sensor device, and more particularly to a sensor device using a transistor having a porous insulating layer.

従来、様々なセンサの研究開発がなされており、センサは工業的なものから医学的なものまで、或いは一般家庭にまで広く浸透しており、現代社会において欠くことのできない存在となっている。センサは、例えば測定対象、信号変換機能、又は構成材料等により分類され、信号変換機能は、物理センサ、化学センサ、又はバイオセンサに大別することができる。   Conventionally, various sensors have been researched and developed. Sensors have spread widely from industrial to medical or from homes, and are indispensable in modern society. The sensors are classified according to, for example, a measurement object, a signal conversion function, or a constituent material, and the signal conversion function can be roughly classified into a physical sensor, a chemical sensor, or a biosensor.

この中で、バイオセンサは、生体のもつ優れた分子認識能力を模倣、又は直接利用した計測デバイスであり、幅広い応用の可能性が期待され注目されている。特に、創薬、臨床検査、医学研究分野での応用を目指したさまざまなバイオチップの研究が活発に進められている。 Among these, a biosensor is a measurement device that imitates or directly uses an excellent molecular recognition ability of a living body, and is expected to be applicable to a wide range of applications. In particular, research on various biochips aimed at application in the fields of drug discovery, clinical testing, and medical research is being actively promoted.

これらのバイオチップは、生体分子の特異的反応の検出に、蛍光、屈折率、質量、酸化・還元電流、化学発光などの物性(物質が示す物理的性質)の変化を用いている。
また、2003 年にヒトゲノムの全塩基配列の解読が完了したのを契機に、その成果を基盤とする遺伝子機能解析が行われ、生体分子固有の電荷(キャリア)を電界効果により、特異的反応を直接検出するバイオトランジスタの研究が行なわれるようになっている。
These biochips use changes in physical properties (physical properties exhibited by the substance) such as fluorescence, refractive index, mass, oxidation / reduction current, and chemiluminescence to detect specific reactions of biomolecules.
In 2003, when the entire base sequence of the human genome was completely deciphered, gene function analysis was performed based on the results, and the specific charges (carriers) of biomolecules were subjected to specific reactions using the electric field effect. Research into biotransistors that detect directly is underway.

さらにまた、将来のテーラーメイド医療の実現を目指して、遺伝子検査用DNAチップの開発も進められており、ゲノムDNA配列の個人差を簡単に調べることができる技術として期待され、ゲノムDNA配列の個人差の中で、疾病との関係性や薬剤代謝に関連する遺伝子塩基が注目されており、個人の塩基のタイプを調べることにより、薬の効き具合や副作用を予測して、個人の体質に合った医療の提供が推進されようとしている。 Furthermore, with the aim of realizing future tailor-made medicine, the development of DNA chips for genetic testing is also progressing, and it is expected as a technology that can easily examine individual differences in genomic DNA sequences. Among them, gene bases related to diseases and drug metabolism are attracting attention, and by examining the types of individual bases, the effectiveness and side effects of drugs are predicted and matched to the individual's constitution The provision of medical care is being promoted.

図1に、従来のバイオトランジスタを説明するための素子概略断面図と電気回路図を示す。
生体の絶縁ゲート電界効果トランジスタ(Insulated Gate Field Effect Transistor:IGFET)は、ゲート絶縁膜の表面にDNA、RNA、抗原・抗体、たんぱく質などの分子認識材料が固定化され、参照電極と共に溶液の中に浸漬される。
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an element and an electric circuit diagram for explaining a conventional biotransistor.
Insulated Gate Field Effect Transistor (IGFET) is a biological insulating gate field effect transistor (IGFET) in which molecular recognition materials such as DNA, RNA, antigens / antibodies, and proteins are immobilized on the surface of a gate insulating film. Soaked.

IGFETは、溶液の電位を、参照電極により制御し、ゲート絶縁膜の表面における分子認識材料の分子認識による電荷密度を、参照電極を介して測定する。
シリコン(Si)表面では、ゲート絶縁膜の表面における電荷密度に応答して、チャネル(ソース電極とドレイン電極間)の電子密度が変化するため、ドレイン電流を測定することにより、原理的に分子認識による電荷の変位量に基づく信号のみを検出することができる(例えば、非特許文献1、2参照)。
In the IGFET, the potential of the solution is controlled by a reference electrode, and the charge density by molecular recognition of the molecular recognition material on the surface of the gate insulating film is measured through the reference electrode.
In the silicon (Si) surface, the electron density of the channel (between the source electrode and the drain electrode) changes in response to the charge density on the surface of the gate insulating film. It is possible to detect only a signal based on the amount of electric charge displacement due to (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).

ここで、IGFETを用いたDNAの電位計測について説明する。
図1に示すように、IGFETのゲート絶縁膜表面にオリゴヌクレオチドプローブを固定化し、参照電極と共に溶液中に浸漬する。溶液の電位は参照電極により制御される。このように、ゲート絶縁膜表面での分子認識による電荷密度変化を、参照電極を介して測定する。この中で、ゲート絶縁膜表面にターゲットDNAを含有する試料溶液を導入すると、ハイブリダイゼーションにより二本鎖DNAが形成される。DNA分子は水溶液中でリン酸イオンに起因する負の電荷を有しているためDNA分子とシリコン基板中の電子が静電的に相互作用する状態を実現することができる。
したがって、ゲート絶縁膜表面のDNA分子の電荷密度変化に応答してシリコン表面(チャネル)の電子密度が変化するため、ソース(S)−ドレイン(D)間電流を測定することにより、原理的にDNAのハイブリダイゼーションを検出できる。
しかしながら、図1に示すIGFETは、横型の電解効果トランジスタ構造を基本としているために、高感度検出および高速度検出には限界があった。
Here, the measurement of DNA potential using IGFET will be described.
As shown in FIG. 1, the oligonucleotide probe is immobilized on the surface of the gate insulating film of the IGFET and immersed in the solution together with the reference electrode. The potential of the solution is controlled by a reference electrode. Thus, the change in charge density due to molecular recognition on the surface of the gate insulating film is measured through the reference electrode. Among these, when a sample solution containing the target DNA is introduced into the surface of the gate insulating film, double-stranded DNA is formed by hybridization. Since DNA molecules have a negative charge due to phosphate ions in an aqueous solution, it is possible to realize a state in which the DNA molecules and electrons in the silicon substrate interact electrostatically.
Accordingly, since the electron density of the silicon surface (channel) changes in response to the change in the charge density of DNA molecules on the surface of the gate insulating film, the current between the source (S) and the drain (D) is measured in principle. DNA hybridization can be detected.
However, since the IGFET shown in FIG. 1 is based on a horizontal field effect transistor structure, there is a limit to high sensitivity detection and high speed detection.

近年、環境負荷低減や機器の軽量化や携帯性や柔軟性の必要性から、有機半導体材料をエレクトロニクスに用いることが提案されており、このため有機半導体材料を用いた様々なトランジスタが提案されている。無機半導体材料を用いたトランジスタはそのほとんどが横型トランジスタであり、無機の縦型トランジスタは数少ないが、有機半導体材料を用いたトランジスタにおいては、有機半導体材料が高抵抗でしかも低移動度の材料であるから縦型トランジスタは横型トランジスタよりも大電流、高速動作が容易である点で注目されている。 In recent years, the use of organic semiconductor materials for electronics has been proposed because of the need for reduced environmental impact, lighter equipment, portability, and flexibility. For this reason, various transistors using organic semiconductor materials have been proposed. Yes. Most of the transistors using inorganic semiconductor materials are lateral transistors, and few inorganic vertical transistors are used. However, in transistors using organic semiconductor materials, the organic semiconductor materials are high resistance and low mobility materials. Therefore, vertical transistors are attracting attention because they are easier to operate at higher currents and higher speeds than horizontal transistors.

有機半導体を用いた縦型トランジスタとしては、CuPc(銅フタロシアニン)をソース電極、ドレイン電極で挟み、ゲート電極にスリット状のアルミニウム薄膜をCuPc層に埋め込んで形成したものが報告されている(例えば、非特許文献3参照)。 As a vertical transistor using an organic semiconductor, a transistor in which CuPc (copper phthalocyanine) is sandwiched between a source electrode and a drain electrode and a slit-like aluminum thin film is embedded in a CuPc layer in a gate electrode has been reported (for example, Non-Patent Document 3).

縦型の電界効果トランジスタは、横型の例えばMOS(Metal Oxide Semiconductor)等の電界効果型トランジスタと比較した場合、横型が導電層の水平方向に電流を流すのに対して、縦型が導電層の垂直方向に電流を流すのであるから、縦型の電界効果トランジスタは、トランジスタの電流経路であるチャネル長(ソース−ドレイン間の距離)を導電層厚さ程度に短くすることが可能であり、且つドレイン電流を大きく取ることができるため、トランジスタを高速度で動作させることが可能となる。また、素子構造が簡単なため、素子サイズを小さくすることができる特徴を有している。 When compared with a horizontal field effect transistor such as a MOS (Metal Oxide Semiconductor), the vertical type field effect transistor has a current flowing in the horizontal direction of the conductive layer, whereas the vertical type has a conductive layer. Since the current flows in the vertical direction, the vertical field effect transistor can shorten the channel length (distance between the source and the drain) that is the current path of the transistor to the thickness of the conductive layer, and Since a large drain current can be obtained, the transistor can be operated at a high speed. Further, since the element structure is simple, the element size can be reduced.

縦型トランジスタは、このような特徴を有しているため、例えば、有機EL層等の発光層の制御素子(スイッチング素子と呼ぶ場合もある)として用いられる場合には、有機EL層を用いた表示装置が、高速な応答性と比較的大きな電流を要求されるため、横型トランジスタよりも適している。このように、縦型有機トランジスタは、横型有機トランジスタを用いた場合と比較して、圧倒的に有利に利用可能であることが判明しており、現在では、フレキシブルシートディスプレイの実現化へ向けた活発な研究開発がなされている。
しかし、高性能な縦型バイオトランジスタを提供するには至っていない。
Since the vertical transistor has such a feature, for example, when used as a control element (also referred to as a switching element) of a light emitting layer such as an organic EL layer, an organic EL layer is used. Since a display device is required to have a high response speed and a relatively large current, it is more suitable than a horizontal transistor. As described above, it has been found that the vertical organic transistor can be used overwhelmingly advantageously compared to the case where the horizontal organic transistor is used, and now, it is aimed at realizing a flexible sheet display. There is active research and development.
However, no high-performance vertical biotransistor has been provided.

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、本発明は、縦型の電解効果トランジスタ構造を生体分子の測定に用いることにより、従来の欠点を解消して、高精度で、高速で動作させることができ、小型化可能な高感度・高性能なセンサデバイス(バイオトランジスタ)を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and the present invention eliminates the conventional drawbacks by using a vertical field effect transistor structure for measurement of biomolecules, and achieves high accuracy and high speed. An object is to provide a high-sensitivity and high-performance sensor device (biotransistor) that can be operated and can be miniaturized.

本発明は、下記(1)〜(8)によって解決される。
(1)絶縁物の多孔質により形成される多孔質絶縁層と、前記多孔質絶縁層の一方の面に形成される第1の開口部を有する第1の電極と、前記多孔質絶縁層の他方の面に形成される前記第1の開口部からの孔に対応した第2の開口部を有する第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極の間でかつ、前記多孔質絶縁層に配置された第3の電極とを有することを特徴とするセンサデバイス。
(2)第1の開口部を有する低抵抗基板と、前記低抵抗基板の下の面に形成される第1の電極と、前記低抵抗基板の上の面に形成される絶縁層と、前記絶縁層の上に形成される第3の電極と、前記第3の電極の上に形成される第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層上に形成される多孔質絶縁層と、前記多孔質絶縁層上に形成される前記第1の開口部からの孔に対応した第2の開口部を有する第2の電極とを有することを特徴とするセンサデバイス。
(3)前記第3の電極が絶縁材料ですべて覆われていることを特徴とする前記(1)または(2)に記載のセンサデバイス。
(4)前記第1の電極、前記第2の電極及び多孔質絶縁層のすべてを溶液に浸し、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加することにより流れる電流値を検出し、前記電流値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる物質の特性又は含まれる材料の物性量の計測を行なうことを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれかに記載のセンサデバイス。
(5)前記第1の電極、前記第2の電極、前記第3の電極及び多孔質絶縁層のすべてを溶液に浸し、前記第3の電極に一定の電圧を印加するとともに、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加することにより流れる電流値を検出し、前記電流値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる材料の特性又は含まれる材料の物性量の計測を行なうことを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれかに記載のセンサデバイス。
(6)前記多孔質絶縁層は、前記一方の面から前記他方の面に連通する複数の孔が設けられていることを特徴とする前記(1)乃至(5)のいずれかに記載のセンサデバイス。
(7)前記多孔質絶縁層は、金属酸化物を含み、前記金属酸化物は、(a)酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択された一つの金属酸化物、若しくは(b)酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択された一つの金属酸化物、又は不純物をドーピングして形成された(a)若しくは(b)に記載された金属酸化物であることを特徴とする前記(1)乃至(6)のいずれかに記載のセンサデバイス。
(8)前記第1の電極、又は前記第2、前記第3の電極のいずれかは、クロム、タンタル、チタン、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル、金、パラジウム、白金、銀、錫、マグネシウム、インジュウム錫酸化物、酸化亜鉛の導電性金属酸化物、導電性ポリアニリン、導電性ポリピロール、導電性ポリチアジル、導電性ポリマーよりなる群から選択される少なくとも一種の材料を含むことを特徴とする前記(1)乃至(7)のいずれかに記載のセンサデバイス。

The present invention is solved by the following (1) to (8).
(1) A porous insulating layer formed of a porous insulating material, a first electrode having a first opening formed on one surface of the porous insulating layer, and the porous insulating layer A second electrode having a second opening corresponding to a hole from the first opening formed on the other surface; between the first electrode and the second electrode; and the porous And a third electrode disposed on the insulating layer.
(2) a low resistance substrate having a first opening; a first electrode formed on a lower surface of the low resistance substrate; an insulating layer formed on an upper surface of the low resistance substrate; A third electrode formed on the insulating layer; a second insulating layer formed on the third electrode; a porous insulating layer formed on the second insulating layer; And a second electrode having a second opening corresponding to a hole from the first opening formed on the porous insulating layer.
(3) The sensor device according to (1) or (2), wherein the third electrode is entirely covered with an insulating material.
(4) A current value that flows by immersing all of the first electrode, the second electrode, and the porous insulating layer in a solution, and applying a voltage between the first electrode and the second electrode. And measuring a property of the solution or a substance contained in the solution or a physical property amount of the contained material based on the current value, according to any one of (1) to (3), Sensor device.
(5) All of the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the porous insulating layer are immersed in a solution, a constant voltage is applied to the third electrode, and the first electrode A current value flowing by applying a voltage between an electrode and the second electrode is detected, and the property of the solution or the material contained in the solution or the physical property amount of the contained material is measured based on the current value. The sensor device according to any one of (1) to (3), wherein the sensor device is performed.
(6) The sensor according to any one of (1) to (5), wherein the porous insulating layer is provided with a plurality of holes communicating from the one surface to the other surface. device.
(7) The porous insulating layer includes a metal oxide, and the metal oxide includes (a) zinc oxide, titanium oxide, tin oxide, indium oxide, aluminum oxide, niobium oxide, tantalum pentoxide, and barium titanate. And one metal oxide selected from strontium titanate, or (b) one metal oxide selected from nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, manganese oxide, chromium oxide, and bismuth oxide, or impurities. The sensor device according to any one of (1) to (6), wherein the sensor device is a metal oxide described in (a) or (b) formed by doping.
(8) Either the first electrode or the second and third electrodes is made of chromium, tantalum, titanium, copper, aluminum, molybdenum, tungsten, nickel, gold, palladium, platinum, silver, tin , magnesium, indium tin oxide, characterized in that it comprises conductive metal oxides of the zinc oxide, conductive polyaniline, conductive polypyrrole, conductive polythiazyl, at least one material selected from the group consisting of a conductive polymer The sensor device according to any one of (1) to (7).

以下の詳細かつ具体的な説明から理解されるように、本発明によれば、本発明による縦型バイオトランジスタをたとえばDNAシークエンシングに用いることにより、高感度かつ高速の信号検出が可能になり、小型で低コストで高性能なセンサデバイスを提供できる。   As will be understood from the following detailed and specific description, according to the present invention, the vertical biotransistor according to the present invention can be used for, for example, DNA sequencing, thereby enabling high-sensitivity and high-speed signal detection. A small, low-cost and high-performance sensor device can be provided.

従来のバイオトランジスタを説明するための素子概略断面図と電気回路図である。It is the element schematic sectional drawing and electric circuit diagram for demonstrating the conventional biotransistor. 本発明の縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。It is sectional drawing and the electric circuit diagram which showed typically the vertical type biotransistor single element of this invention. バイオセンサアレイの中で本発明の縦型バイオトランジスタを示す図である。It is a figure which shows the vertical type | mold biotransistor of this invention in a biosensor array. 縦型バイオトランジスタの製造方法を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing method of a vertical type biotransistor. 本発明の多孔質絶縁層の孔径およびセル周期の定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of the hole diameter and cell period of the porous insulating layer of this invention. 本発明の多孔質絶縁層の製造方法を模式的に示した図、および、多孔質絶縁膜の表面および断面の形態を示す図である。It is the figure which showed the manufacturing method of the porous insulating layer of this invention typically, and the figure which shows the form of the surface of a porous insulating film, and a cross section.

本発明のセンサデバイスについて図を用いて詳細に説明する。
<縦型バイオトランジスタ単素子>
図2は、本発明の縦型バイオトランジスタ単素子を模式的に示した断面図及び電気回路図である。図2に示すように、縦型バイオトランジスタ(10)は、多孔部の一方の面には第1の開口部(63)を有するソース電極(20)が形成され、多孔部の他方の面には第2の開口部(64)を有するドレイン電極(40)と、ドレイン電極(40)の下に形成された絶縁層(50)と、ソース電極(20)及びドレイン電極(40)の間でかつ多孔部近傍に設けられたゲート電極(30)により構成される。
The sensor device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<Vertical biotransistor single element>
FIG. 2 is a cross-sectional view and an electric circuit diagram schematically showing a vertical biotransistor single element of the present invention. As shown in FIG. 2, in the vertical biotransistor (10), the source electrode (20) having the first opening (63) is formed on one surface of the porous portion, and the other surface of the porous portion is formed. Between the drain electrode (40) having the second opening (64), the insulating layer (50) formed under the drain electrode (40), and the source electrode (20) and the drain electrode (40). And it is comprised by the gate electrode (30) provided in the porous part vicinity.

図3の中図は、図3の下図に示すバイオセンサアレイ(11)の中で、本発明の縦型バイオトランジスタ(10)を示している。単素子断面中に円形で表示された図3の上図(拡大図)は、多孔部(60)の断面図である。多孔部(60)に形成された多孔質アルミナ(ポーラスAl)は、多孔質絶縁層(50)であり、上下に突き抜ける多数の孔(65)が形成されている。
即ち、多孔質アルミナ(50)には、ソース電極(20)が形成されている面からドレイン電極(40)に形成されている面に連通する複数の孔(65)が設けられている(図では代表して1個の連通する孔が描かれている)。多孔質アルミナの孔は、上下に突き抜ける空間的な隙間を有している。図中、1本の鎖状に連結した、A、T、G、CはDNAの4塩基を示している。これについては後述する。
The middle diagram of FIG. 3 shows the vertical biotransistor (10) of the present invention in the biosensor array (11) shown in the lower diagram of FIG. The upper view (enlarged view) of FIG. 3 displayed in a circle in the cross section of the single element is a cross-sectional view of the porous portion (60). The porous alumina (porous Al 2 O 3 ) formed in the porous portion (60) is a porous insulating layer (50), and a large number of holes (65) penetrating vertically are formed.
That is, the porous alumina (50) is provided with a plurality of holes (65) communicating from the surface on which the source electrode (20) is formed to the surface on which the drain electrode (40) is formed (see FIG. In the figure, one communicating hole is drawn as a representative). The pores of the porous alumina have a spatial gap that penetrates up and down. In the figure, A, T, G, and C linked in a single strand form 4 bases of DNA. This will be described later.

多孔質アルミナ(50)は、ソース電極(20)と、ドレイン電極(40)との間に設けられ、多孔質アルミナには、ソース電極(20)に被われない第1の開口部(63)と、ドレイン電極に被われない第2の開口部(64)が設けられている。第1の開口部及び第2の開口部における開口は対応しているものであり、例えば矩形、円形、又は楕円形状に、形成されている。 The porous alumina (50) is provided between the source electrode (20) and the drain electrode (40), and the porous alumina has a first opening (63) that is not covered with the source electrode (20). And a second opening (64) which is not covered with the drain electrode. The openings in the first opening and the second opening correspond to each other, and are formed in, for example, a rectangle, a circle, or an ellipse.

ソース電極(20)は、低抵抗基板であるシリコン(Si)を用いるが、例えばSi基板にアルミニウム(Al)等の導電性材料を真空蒸着などにより配置しても良い。電気的に接続される第1の電極としてのソース電極が設けられ、多孔質アルミナ(50)の一方の面における第1の開口部の周縁部に、例えば矩形、円形、又は楕円形状に、形成される。多孔質アルミナ(50)の他方の面における第2の開口部の周縁部には同様に、第2の電極としてのドレイン電極(40)が形成される。また、ドレイン電極直下には、絶縁層(50)が形成される。
ゲート電極(30)は、ソース電極とドレイン電極の間に形成され、第3の電極となる。このゲート電極は、シリコン酸化物などの絶縁膜で覆われている。
上述した構成において、ソース電極からドレイン電極へ電荷が移動するときに、ソース−ドレイン電極間の電気伝導度が増加して(抵抗が小さくなって)、効率よくソース−ドレイン電極間に電流を流すことが可能となる。
The source electrode (20) uses silicon (Si), which is a low resistance substrate, but a conductive material such as aluminum (Al) may be disposed on the Si substrate by vacuum deposition or the like. A source electrode as a first electrode to be electrically connected is provided, and is formed, for example, in a rectangular shape, a circular shape, or an elliptical shape on the peripheral edge portion of the first opening on one surface of the porous alumina (50). Is done. Similarly, a drain electrode (40) as a second electrode is formed at the peripheral edge of the second opening on the other surface of the porous alumina (50). An insulating layer (50) is formed immediately below the drain electrode.
The gate electrode (30) is formed between the source electrode and the drain electrode and serves as a third electrode. This gate electrode is covered with an insulating film such as silicon oxide.
In the configuration described above, when electric charge moves from the source electrode to the drain electrode, the electrical conductivity between the source and drain electrodes increases (resistance becomes small), and current flows efficiently between the source and drain electrodes. It becomes possible.

次に、本発明のセンサデバイスを図3の拡大図により、DNAの場合を例に説明する。
図3の上図には、連通する複数の孔を通り抜けて動く一本鎖DNA(図中左)と折りたたまれたDNA(図中右)が孔にトラップされている様子を示している。また、1本鎖DNAの塩基配列の例を最も左側に示している。
これはDNAに代表される生体物質溶液の圧力流とソース−ドレイン間の電界による力を利用した分子通過現象として説明される。これにより、第1の電極、前記第2の電極及び多孔質絶縁層のすべてを溶液に浸し、第1の電極と第2の電極との間に電圧を印加することにより、第1の電極と第2の電極間を流れる電流値を検出し、溶液に含まれる物質の特性又は含まれる材料の物性量の計測を行なうことができる。
さらに、第3の電極を用いて、デバイ長制御することで選択的で、より効率的な分子通過現象を実現可能になる。
Next, the sensor device of the present invention will be described with reference to an enlarged view of FIG. 3, taking DNA as an example.
The upper diagram of FIG. 3 shows a state where single-stranded DNA (left in the figure) and folded DNA (right in the figure) moving through a plurality of communicating holes are trapped in the holes. An example of the base sequence of single-stranded DNA is shown on the leftmost side.
This is explained as a molecular passage phenomenon using a force generated by a pressure flow of a biological material solution represented by DNA and an electric field between the source and drain. As a result, the first electrode, the second electrode, and the porous insulating layer are all immersed in the solution, and a voltage is applied between the first electrode and the second electrode. The value of the current flowing between the second electrodes can be detected, and the characteristics of the substance contained in the solution or the physical properties of the contained material can be measured.
Furthermore, selective and more efficient molecular passage can be realized by controlling the Debye length using the third electrode.

DNAシークエンシングについて、説明を加えると、DNAシークエンシングとはDNAを構成するヌクレオチドの結合順序(塩基配列)を決定することである。
DNAは、生物の遺伝情報のほとんどすべてを担う分子であり、基本的に塩基配列の形で符号化されている。このため、DNAシークエンシングは遺伝情報を解析するための基本手段になっている。このため、生物分類学や生態学などでも盛んに応用されている。また、医学分野では、遺伝疾患や感染病の診断や治療法の開発や創薬などに役立っている。現在主流になっているDNAシークエンシング方法は、塩基依存的にDNA断片を作製し、その長さを比べることで塩基の順序(配列)を決定する方法である。
たとえば、DNAの塩基は4塩基からなるが、アデニン(A)、グアニン(G)、シトシン(C)、チミン(T)の4塩基、それぞれの塩基に対応して一回ずつ切断し、長さの短い断片から並べ直し、切断した塩基の順に読めば塩基配列が決定できる。
With regard to DNA sequencing, a description will be added. DNA sequencing is to determine the binding order (base sequence) of nucleotides constituting DNA.
DNA is a molecule responsible for almost all genetic information of an organism, and is basically encoded in the form of a base sequence. For this reason, DNA sequencing has become a basic means for analyzing genetic information. For this reason, it is actively applied in biotaxonomy and ecology. In the medical field, it is useful for diagnosis and treatment of genetic diseases and infectious diseases, and for drug discovery. The DNA sequencing method which is currently mainstream is a method in which a DNA fragment is prepared in a base-dependent manner and the base order (sequence) is determined by comparing the lengths.
For example, the base of DNA consists of 4 bases, but adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T), 4 bases, each corresponding to each base is cleaved once, The base sequence can be determined by rearranging the short fragments and reading them in the order of the cleaved bases.

DNAは、デオキシリボース、リン酸と塩基から構成される核酸である。前述の4塩基は、デオキシリボースと結合してヌクレオシドを形成し、このヌクレオシドにリン酸が結合したものをヌクレオチドと呼ぶ。このヌクレオチドは核酸の最小単位であるが、DNAはデオキシヌクレオチドの高分子である。ヌクレオチド分子は、リン酸を介した結合で連結して鎖状の分子構造をとる。
したがって、DNA鎖は相補的な塩基(AとT、GとC)による水素結合を介して全体として2重らせん構造をしている。塩基の相補性とは、塩基のA、T、G、Cの4種類のうち1種が決まればそれと水素結合で結ばれるもう1種も決まる性質である。このことから、鎖状の2重らせん構造を化学反応により1本鎖DNAに加工することにより得られ、この1本鎖DNAの塩基配列を決定すれば、すべての塩基配列が判明する。
DNA is a nucleic acid composed of deoxyribose, phosphate and base. The aforementioned four bases are combined with deoxyribose to form a nucleoside, and this nucleoside having a phosphate bonded thereto is called a nucleotide. Although this nucleotide is the smallest unit of nucleic acid, DNA is a polymer of deoxynucleotides. Nucleotide molecules are linked by a phosphate-mediated bond to form a chain-like molecular structure.
Therefore, the DNA strand has a double helix structure as a whole through hydrogen bonding with complementary bases (A and T, G and C). Base complementarity is a property in which if one of the four types of bases A, T, G, and C is determined, the other is linked with a hydrogen bond. From this, it is obtained by processing a chain double helix structure into a single-stranded DNA by a chemical reaction. If the base sequence of this single-stranded DNA is determined, all the base sequences are revealed.

本発明においては、1本鎖DNAのヌクレヲチド分子の大きさは結合している塩基により異なること、及び、ヌクレオチド分子が固有の負電荷を保持していることを利用して、電界効果トランジスタの原理応用により、DNA シークエンシングを可能にするものである。
ヌクレオチド分子の大きさが異なることは、以下のように利用される。すなわち、連通する孔の径をゲート電極に印加する電圧によるデバイ長制御により、ヌクレオチド分子を補足できる。このときに、ソース−ドレイン間の電流を計測することによりDNAシークエンシングができる。
In the present invention, the principle of a field effect transistor is utilized by utilizing the fact that the size of a nucleotide molecule of single-stranded DNA varies depending on the base to which it is bound, and that the nucleotide molecule retains a unique negative charge. Depending on the application, it enables DNA sequencing.
The different sizes of nucleotide molecules are used as follows. That is, nucleotide molecules can be supplemented by controlling the Debye length by the voltage applied to the gate electrode with the diameter of the communicating hole. At this time, DNA sequencing can be performed by measuring the current between the source and the drain.

本発明の縦型バイオトランジスタ用いたDNAシークエンシングについて説明する。
一定のゲート電圧印加時の、閾値電圧及びドレイン電流の変化分を検出し、DNAシークエンシングができる。
図2に示す縦型バイオトランジスタは、例えばDNAの溶液中に浸漬されることにより用いられる。
即ち、縦型バイオトランジスタにおけるソース電極、ドレイン電極、ゲート電極のすべてを溶液に浸した状態で前記電流を検出し、前記電流の値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる材料の特性又は含まれる材料の物性量の計測を行なう。
また、縦型バイオトランジスタにおいて、ソース電極からドレイン電極に移動する電荷が、多孔質アルミナにおいて第1の開口部及び第2の開口部における孔の空間的な隙間を通って移動することにより、電荷移動の距離が短くなり抵抗が低減される。このとき、ゲート電圧を印加せずに0Vにすれば、ソース電極とドレイン電極間の電界勾配によりDNAは搬送され、孔内を通り抜けていくから、ヌクレオチド分子固有の負電荷を計測可能になる。
The DNA sequencing using the vertical biotransistor of the present invention will be described.
DNA sequencing can be performed by detecting changes in threshold voltage and drain current when a constant gate voltage is applied.
The vertical biotransistor shown in FIG. 2 is used, for example, by being immersed in a DNA solution.
That is, the current is detected in a state where all of the source electrode, drain electrode, and gate electrode in the vertical biotransistor are immersed in the solution, and the characteristics of the solution or the material contained in the solution are included based on the value of the current. Measure physical properties of materials.
In the vertical biotransistor, the charge moving from the source electrode to the drain electrode moves through the spatial gap between the holes in the first opening and the second opening in the porous alumina. The distance of movement is shortened and the resistance is reduced. At this time, if the gate voltage is set to 0 V without applying the gate voltage, the DNA is transported by the electric field gradient between the source electrode and the drain electrode and passes through the hole, so that the negative charge inherent to the nucleotide molecule can be measured.

また、縦型バイオトランジスタにおけるソース電極、ドレイン電極、ゲート電極のすべてを溶液に浸した状態で前記電流を検出し、前記電流の値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる材料の特性又は含まれる材料の物性量の計測を行なうことができる。
縦型バイオトランジスタにおいて、ソース電極からドレイン電極に移動する電荷の距離が短いことから抵抗が低減される。ソース電極とドレイン電極間の電界勾配によりDNAは第1の開口部から第2の開口部へ搬送され孔内を通り抜けていく、ことに加えてゲート電極に一定の電圧を印加することによりデバイ長制御によりヌクレオチド分子を多孔部で捕獲する度に、ヌクレオチド分子固有の負電荷をより高精度に計測することが可能になる。計測が終われば、また、DNAは、縦型バイオトランジスタのソース電極とドレイン電極との間における印加電圧に対応してゲート電圧を印加して、多孔質アルミナに形成された孔の隙間を、空乏層制御された実効的な空間的隙間を通って第1の開口部から第2の開口部へ移動する。
これを繰り返すことにより、本発明による縦型バイオトランジスタによりDNAシークエンシングのための高感度計測が可能になる。
In addition, the current is detected in a state where all of the source electrode, drain electrode, and gate electrode in the vertical biotransistor are immersed in the solution, and the characteristics of the solution or the material contained in the solution are included based on the value of the current. Measurement of physical properties of materials can be performed.
In a vertical biotransistor, the resistance is reduced because the distance of charge moving from the source electrode to the drain electrode is short. DNA is transported from the first opening to the second opening due to the electric field gradient between the source electrode and the drain electrode and passes through the hole, and in addition, a constant voltage is applied to the gate electrode to thereby increase the Debye length. Each time the nucleotide molecule is captured in the porous part by the control, the negative charge inherent to the nucleotide molecule can be measured with higher accuracy. When the measurement is completed, the DNA depletes the gap between the holes formed in the porous alumina by applying a gate voltage corresponding to the applied voltage between the source electrode and the drain electrode of the vertical biotransistor. It moves from the first opening to the second opening through a layer controlled effective spatial gap.
By repeating this, the vertical biotransistor according to the present invention enables highly sensitive measurement for DNA sequencing.

DNAシークエンシング以外の別の応用として、例えば、分子認識材料にグルコース分解酵素を用い、あらかじめイオン濃度の変化分の検量線を求めておけば、本発明による縦型バイオトランジスタを、グルコースの量によって変化する糖尿病等の検査用センサとしても用いることができる。
すなわち、縦型バイオトランジスタは、グルコース分解酵素であるグルコースオキシターゼ(GOD)のグルコースの酸化還元反応により、H発生に伴う、水(HO)と酸素イオン(O)の発生による電荷量の変化を検出することによりグルコースセンサとして用いることが可能である。他の分子認識材料を用いて、他の物性を検出することも可能であることは言うまでもない。
As another application other than DNA sequencing, for example, if a glucose degrading enzyme is used as a molecular recognition material and a calibration curve for the change in ion concentration is obtained in advance, the vertical biotransistor according to the present invention can be used according to the amount of glucose. It can also be used as a test sensor for changing diabetes or the like.
That is, the vertical biotransistor is based on the generation of water (H 2 O) and oxygen ions (O ) accompanying the generation of H 2 O 2 by the redox reaction of glucose by glucose oxidase (GOD), which is a glucose degrading enzyme. It can be used as a glucose sensor by detecting a change in the amount of charge. It goes without saying that other physical properties can be detected using other molecular recognition materials.

また、上述した同一のセンサ構造により、物理吸着、化学吸着、及び物理吸着と化学吸着が複合化した吸着によるセンサとして、機能させることも可能である。バイオセンサは、機能性膜を備え、機能性膜における様々な反応による変化を電気信号変換器により電気信号に変換し、この電気信号を検知することでセンサとして機能する。機能性膜における反応としては、機能性膜と、例えば物理吸着、化学吸着、分子吸着、酵素反応、抗原抗体反応、微生物、電気化学反応、DNA等との組み合わせによる反応等があり、電位変化を起こす組み合わせ、選択性があれば良く、多孔質の内壁や近傍に機能性膜を配置すればセンサとして機能することは言うまでもない。 In addition, with the same sensor structure described above, it is possible to function as a sensor by physical adsorption, chemical adsorption, and adsorption in which physical adsorption and chemical adsorption are combined. The biosensor includes a functional membrane, and changes as a result of various reactions in the functional membrane are converted into electrical signals by an electrical signal converter, and functions as a sensor by detecting the electrical signals. Reactions in functional membranes include functional membranes and reactions such as physical adsorption, chemical adsorption, molecular adsorption, enzyme reaction, antigen-antibody reaction, microorganisms, electrochemical reaction, DNA, etc. Needless to say, the combination and selectivity to be generated are sufficient, and if a functional film is arranged on the porous inner wall or in the vicinity thereof, it functions as a sensor.

<縦型バイオトランジスタの製造方法>
次に、図4を例に用いて、本発明の縦型バイオトランジスタの製造方法を説明する。
まず、図4(I)に示す工程では、例えばシリコン(Si)基板上に熱酸化等により酸化物を形成する。例えば、低抵抗である約200μm厚の面方位(001)であるSi基板の上に約500nm厚のSi酸化物を形成する。その後に、スパッタ法あるいは真空蒸着法によりチタン(Ti)または白金(Pt)を成膜する。膜厚は100nm程度である。さらにその上に、スパッタ法、あるいはCVD法によりSi酸化物を形成する。その後、室温で、約1.3から約3.9×10−3Paの真空条件下において真空蒸着法を用いてアルミニウム(Al)を約1μm厚で形成する。
<Vertical biotransistor manufacturing method>
Next, the manufacturing method of the vertical biotransistor of the present invention will be described using FIG. 4 as an example.
First, in the step shown in FIG. 4I, an oxide is formed on a silicon (Si) substrate by thermal oxidation or the like, for example. For example, a Si oxide having a thickness of about 500 nm is formed on a Si substrate having a plane orientation (001) of about 200 μm thickness which is a low resistance. Thereafter, titanium (Ti) or platinum (Pt) is formed by sputtering or vacuum deposition. The film thickness is about 100 nm. Further thereon, a Si oxide is formed by sputtering or CVD. Thereafter, aluminum (Al) is formed to a thickness of about 1 μm by using a vacuum deposition method at room temperature under vacuum conditions of about 1.3 to about 3.9 × 10 −3 Pa.

次に、図4(II)に示す工程では、例えばAlを陽極酸化による処理をする。陽極酸化条件は例えば、溶液:硫酸水溶液(0.5mol/リットル)、電圧(15V),電流密度約3〜7mA/cm、液温(10℃)である。陽極酸化条件により、孔径5〜450nm、セル周期10〜500nmまで制御可能である。図5に本発明における孔径およびセル周期の定義を示す。 Next, in the step shown in FIG. 4 (II), for example, Al is treated by anodic oxidation. The anodizing conditions are, for example, solution: sulfuric acid aqueous solution (0.5 mol / liter), voltage (15 V), current density of about 3 to 7 mA / cm 2 , and liquid temperature (10 ° C.). Depending on the anodizing conditions, the pore diameter can be controlled to 5 to 450 nm and the cell period to 10 to 500 nm. FIG. 5 shows the definition of the hole diameter and the cell period in the present invention.

次に、図4(III)に示す工程では、例えば水で希釈した水酸化カリウム(KOH)溶液で約54.7°の順メサになるようにSiを除去する。これにより、第2の開口部が形成される。
次に、図4(IV)に示す工程では、例えばフォトリソ技術によりレジストパターンを形成した後に多孔質アルミナ上に金(Au)を30nm厚さで蒸着し、その後レジストのパターンを除去する。これにより、矩形、円形、又は楕円形に窓開けを形成する。
次に、図4(V)は、作製した縦型バイオトランジスタである。
Next, in the process shown in FIG. 4 (III), Si is removed so as to become a forward mesa of about 54.7 ° with a potassium hydroxide (KOH) solution diluted with water, for example. Thereby, the second opening is formed.
Next, in the step shown in FIG. 4 (IV), after forming a resist pattern by, for example, photolithography, gold (Au) is deposited on porous alumina to a thickness of 30 nm, and then the resist pattern is removed. This forms the window opening in a rectangular, circular or elliptical shape.
Next, FIG. 4 (V) shows the manufactured vertical biotransistor.

なお、多孔部及び絶縁層は、金属酸化物を含み、多孔部の金属酸化物は、(a)酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択される。
また、絶縁層の金属酸化物は、(b)酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択される。
或いは、この金属酸化物は、(a)若しくは(b)に記載された金属酸化物に不純物をドーピングして形成した材料で構成される。
多孔質金属酸化物質としては、例えば、アルミニウムに対する陽極酸化処理条件によるアルミナ(Al)や酸化亜鉛(ZnO)層を用いると好適である。陽極酸化処理条件によれば、均一な多孔が形成されるため、キャリアの移動度が高く、感度の高い、縦型バイオトランジスタが実現される。
The porous part and the insulating layer contain a metal oxide, and the metal oxide in the porous part is (a) zinc oxide, titanium oxide, tin oxide, indium oxide, aluminum oxide, niobium oxide, tantalum pentoxide, titanic acid. It is selected from barium and strontium titanate.
The metal oxide of the insulating layer is selected from (b) nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, manganese oxide, chromium oxide, and bismuth oxide.
Alternatively, this metal oxide is made of a material formed by doping impurities into the metal oxide described in (a) or (b).
As the porous metal oxide material, for example, an alumina (Al 2 O 3 ) or zinc oxide (ZnO) layer according to anodizing conditions for aluminum is preferably used. According to the anodizing treatment conditions, a uniform porosity is formed, so that a vertical biotransistor with high carrier mobility and high sensitivity is realized.

以下、本発明について実施例により詳細に説明するが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。   Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications may be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be changed.

厚さ200μmのSi基板を熱酸化し、厚さ500nmSi酸化物膜を形成した。その後、スパッタ法により、厚さ100nmのチタン(Ti)を成膜した。さらにその上に、スパッタ法によりSi酸化物を形成し、室温で、3.0×10−3Paの減圧条件下で、厚さ1μmのアルミニウム(Al)を蒸着させた。
次に、硫酸水溶液(0.5mol/リットル)、電圧(15V),電流密度5mA/cm、液温(10℃)の条件で、Alを陽極酸化し、孔径約15nm、セル周期約50nmの多孔質層を形成した。
次に、水で希釈した水酸化カリウム(KOH)溶液で約54.7°の順メサになるようにSiを除去し、第2の開口部を形成した。
次に、フォトリソ技術によりレジストパターンを形成した後に多孔質アルミナ上に金(Au)を30nm厚さで蒸着し、その後レジストのパターンを除去し第1の開口部を形成した。
A 200 μm thick Si substrate was thermally oxidized to form a 500 nm thick Si oxide film. Thereafter, a titanium (Ti) film having a thickness of 100 nm was formed by sputtering. Further thereon, a Si oxide was formed by sputtering, and aluminum (Al) having a thickness of 1 μm was vapor-deposited at room temperature under a reduced pressure of 3.0 × 10 −3 Pa.
Next, Al was anodized under conditions of sulfuric acid aqueous solution (0.5 mol / liter), voltage (15 V), current density 5 mA / cm 2 , and liquid temperature (10 ° C.), with a pore diameter of about 15 nm and a cell cycle of about 50 nm. A porous layer was formed.
Next, Si was removed with a potassium hydroxide (KOH) solution diluted with water so as to obtain a forward mesa of about 54.7 °, thereby forming a second opening.
Next, after forming a resist pattern by photolithography, gold (Au) was deposited on porous alumina to a thickness of 30 nm, and then the resist pattern was removed to form a first opening.

図6に、実施例1で作製した多孔質アルミナの製造方法および製造した多孔質アルミナの表面モルホロジーおよび断面のSEM観察結果を示す。
図中、ビーカーに所定の濃度の硫酸水溶液を入れ、黒鉛、または白金を陰極として配置し、これに対向するようにアルミニウムを陽極側に配置する。前述の電圧、電流条件で陽極酸化を行う。SEM観察結果に示すように高密度の孔(約10〜20nm径)が形成されていることが確認できる。
なお、ヌクレオチド分子の典型的な大きさは5〜10nm程度であるのに対して、生理学的塩溶液中のデバイ長は数nm程度であるので、本発明の縦型バイオトランジスタによりDNAシークエンシングが可能であることが推測されるが、実際にバイオトランジスタとして動作することを複数の市販標準液を用いて確認した。
In FIG. 6, the manufacturing method of the porous alumina produced in Example 1, the surface morphology of the produced porous alumina, and the SEM observation result of a cross section are shown.
In the figure, a sulfuric acid aqueous solution having a predetermined concentration is placed in a beaker, graphite or platinum is placed as a cathode, and aluminum is placed on the anode side so as to face this. Anodization is performed under the voltage and current conditions described above. As shown in the SEM observation results, it can be confirmed that high-density holes (about 10 to 20 nm in diameter) are formed.
The typical size of a nucleotide molecule is about 5 to 10 nm, whereas the Debye length in a physiological salt solution is about several nm. Therefore, the vertical biotransistor of the present invention allows DNA sequencing. Although it is speculated that it is possible, it was confirmed by using a plurality of commercially available standard solutions that it actually operates as a biotransistor.

実施例1の縦型バイオトランジスタを作製する工程において、多孔質アルミナに換えて、酸化亜鉛を成膜してそれぞれソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極とを形成した。この場合においても、上述した実施例1と同様の動作が確認された。 In the process for producing the vertical biotransistor of Example 1, instead of porous alumina, a zinc oxide film was formed to form a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode, respectively. Even in this case, the same operation as that of Example 1 was confirmed.

実施例2の縦型バイオトランジスタを作製する工程において、酸化亜鉛に換えて、酸化コバルトを成膜してそれぞれソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極を形成した。この場合においても、上述した実施例と同様の動作が確認された。 In the process of manufacturing the vertical biotransistor of Example 2, instead of zinc oxide, a cobalt oxide film was formed to form a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode, respectively. Even in this case, the same operation as in the above-described embodiment was confirmed.

実施例1の縦型バイオトランジスタを作製する工程において、Auに換えて、アルミニウム(Al)を用いてソース電極を形成した。この場合にも、上述した実施例と同様の動作が確認された。 In the process of manufacturing the vertical biotransistor of Example 1, a source electrode was formed using aluminum (Al) instead of Au. Also in this case, the same operation as in the above-described embodiment was confirmed.

実施例1の縦型バイオトランジスタを作製する工程において、Auに換えて、Pdを用いてソース電極を形成した。この場合にも、上述した実施例と同様の動作が確認された。 In the process of manufacturing the vertical biotransistor of Example 1, a source electrode was formed using Pd instead of Au. Also in this case, the same operation as in the above-described embodiment was confirmed.

実施例1の縦型バイオトランジスタを作製する工程において、Auに換えて、アルミニウム(Al)をドープした酸化亜鉛を用いてソース電極を形成した。この場合にも、上述した実施例と同様の動作が確認された。 In the process of manufacturing the vertical biotransistor of Example 1, a source electrode was formed using zinc oxide doped with aluminum (Al) instead of Au. Also in this case, the same operation as in the above-described embodiment was confirmed.

実施例1の縦型バイオトランジスタを作製する工程において、Auに換えて、導電性ポリアニリンを用いてソース電極を形成した。この場合にも、同様の動作が確認された。 In the process of manufacturing the vertical biotransistor of Example 1, a source electrode was formed using conductive polyaniline instead of Au. In this case, the same operation was confirmed.

また、上記実施例1〜実施例7に示した縦型バイオトランジスタについても、実施例1に記載した縦型バイオトランジスタと同様にして、電流−電圧特性を測定した。その結果、実施例1による縦型バイオトランジスタとほぼ同様以上の測定結果が得られ、効果を奏することが確認された。 Further, the current-voltage characteristics of the vertical biotransistors shown in Examples 1 to 7 were measured in the same manner as the vertical biotransistor described in Example 1. As a result, a measurement result almost the same as or higher than that of the vertical biotransistor according to Example 1 was obtained, and it was confirmed that the effect was obtained.

また、上述した絶縁層の金属酸化物が、シリコン酸化物、タンタル酸化物、チタン酸化物、アルミニウム酸化物、ハフニウム酸化物、ジルコン酸化物、ランタン酸化物、スカンジウム酸化物、プラセオジム酸化物、ビスマス酸化物、ニオブ酸化物、タングステン酸化物、イットリウム酸化物、シリコン窒化物よりなる群から選択される少なくとも一種の材料を含む構成においても好適であった。 In addition, the metal oxide of the insulating layer described above is silicon oxide, tantalum oxide, titanium oxide, aluminum oxide, hafnium oxide, zircon oxide, lanthanum oxide, scandium oxide, praseodymium oxide, bismuth oxide. It is also suitable for a configuration including at least one material selected from the group consisting of oxides, niobium oxides, tungsten oxides, yttrium oxides, and silicon nitrides.

上述のように、本発明によれば、縦型バイオトランジスタを用いたことを特徴とするセンサ特性を示す、新規な構造で且つ高性能なセンサデバイスを提供することができる。
また、本発明によれば、キャリアの移動度が高く、出力電流(ソース−ドレイン間電流)の立ち上がり信号が急峻で、動作速度が高速度で、低コストのセンサデバイス及び回路構成を提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a high-performance sensor device having a novel structure and exhibiting sensor characteristics characterized by using a vertical biotransistor.
In addition, according to the present invention, it is possible to provide a low-cost sensor device and circuit configuration with high carrier mobility, a steep rise signal of an output current (source-drain current), a high operating speed, and a low cost. Can do.

10 縦型バイオトランジスタ
20 ソース電極
30 ゲート電極
40 ドレイン電極
50 絶縁層
60 多孔部
63 第1の開口部
64 第2の開口部
65 孔
10 Vertical biotransistor
20 Source electrode
30 Gate electrode
40 Drain electrode 50 Insulating layer 60 Porous portion 63 First opening 64 Second opening 65 Hole

T. SAKATA, M. KAMAHORI, Y. MIYAHARA: Mater. Sci. and Eng. C 24 (2004) p.827 - 832T. SAKATA, M. KAMAHORI, Y. MIYAHARA: Mater. Sci. And Eng. C 24 (2004) p.827-832 T. SAKATA, M. KAMAHORI, Y. MIYAHARA: Jpn. J. Appl. Phys, 44, 4B, (2005) p. 2854 - 2859T. SAKATA, M. KAMAHORI, Y. MIYAHARA: Jpn. J. Appl. Phys, 44, 4B, (2005) p. 2854-2859 K. Kudo et. al: T. IEE Japan, Vol. 118-A, No. 10, (1998) p. 1166-1171K. Kudo et.al: T. IEE Japan, Vol. 118-A, No. 10, (1998) p. 1166-1171

Claims (7)

絶縁物の多孔質により形成される多孔質絶縁層と、前記多孔質絶縁層の一方の面に形成される第1の開口部を有する第1の電極と、前記多孔質絶縁層の他方の面に形成される前記第1の開口部からの孔に対応した第2の開口部を有する第2の電極と、前記第1の電極と前記第2の電極の間でかつ、前記多孔質絶縁層に配置された第3の電極とを有することを特徴とするセンサデバイス。 A porous insulating layer formed of a porous insulating material; a first electrode having a first opening formed on one surface of the porous insulating layer; and the other surface of the porous insulating layer A second electrode having a second opening corresponding to a hole from the first opening formed between the first electrode and the second electrode, and the porous insulating layer And a third electrode disposed on the sensor device. 第1の開口部を有する低抵抗基板と、前記低抵抗基板の下の面に形成される第1の電極と、前記低抵抗基板の上の面に形成される絶縁層と、前記絶縁層の上に形成される第3の電極と、前記第3の電極の上に形成される第2の絶縁層と、前記第2の絶縁層上に形成される多孔質絶縁層と、前記多孔質絶縁層上に形成される前記第1の開口部からの孔に対応した第2の開口部を有する第2の電極とを有することを特徴とするセンサデバイス。 A low resistance substrate having a first opening; a first electrode formed on a lower surface of the low resistance substrate; an insulating layer formed on an upper surface of the low resistance substrate; A third electrode formed thereon, a second insulating layer formed on the third electrode, a porous insulating layer formed on the second insulating layer, and the porous insulation And a second electrode having a second opening corresponding to the hole from the first opening formed on the layer. 前記第3の電極が絶縁材料ですべて覆われていることを特徴とする請求項1または2に記載のセンサデバイス。 The sensor device according to claim 1, wherein the third electrode is entirely covered with an insulating material. 前記第1の電極、前記第2の電極及び多孔質絶縁層のすべてを溶液に浸し、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加することにより流れる電流値を検出し、前記電流値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる物質の特性又は含まれる材料の物性量の計測を行なうことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のセンサデバイス。 The current value flowing is detected by immersing all of the first electrode, the second electrode, and the porous insulating layer in a solution, and applying a voltage between the first electrode and the second electrode. 4. The sensor device according to claim 1, wherein the sensor device measures a characteristic of the solution or a substance contained in the solution or a physical property amount of the contained material based on the current value. 5. 前記第1の電極、前記第2の電極、前記第3の電極及び多孔質絶縁層のすべてを溶液に浸し、前記第3の電極に一定の電圧を印加するとともに、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加することにより流れる電流値を検出し、前記電流値に基づき前記溶液又は前記溶液に含まれる材料の特性又は含まれる材料の物性量の計測を行なうことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のセンサデバイス。 All of the first electrode, the second electrode, the third electrode, and the porous insulating layer are immersed in a solution, a constant voltage is applied to the third electrode, and the first electrode and the Detecting a value of a flowing current by applying a voltage between the second electrode and measuring a property of the solution or a material contained in the solution or a physical property amount of the contained material based on the current value. The sensor device according to claim 1, wherein the sensor device is a device. 前記多孔質絶縁層は、前記一方の面から前記他方の面に連通する複数の孔が設けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のセンサデバイス。 The sensor device according to claim 1, wherein the porous insulating layer is provided with a plurality of holes communicating from the one surface to the other surface. 前記多孔質絶縁層は、金属酸化物を含み、前記金属酸化物は、(a)酸化亜鉛、酸化チタン、酸化錫、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ニオブ、五酸化タンタル、チタン酸バリウム、及び、チタン酸ストロンチウムから選択された一つの金属酸化物、若しくは(b)酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化鉄、酸化マンガン、酸化クロム、酸化ビスマスから選択された一つの金属酸化物、又は不純物をドーピングして形成された(a)若しくは(b)に記載された金属酸化物であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のセンサデバイス The porous insulating layer includes a metal oxide, and the metal oxide includes (a) zinc oxide, titanium oxide, tin oxide, indium oxide, aluminum oxide, niobium oxide, tantalum pentoxide, barium titanate, and One metal oxide selected from strontium titanate, or (b) one metal oxide selected from nickel oxide, cobalt oxide, iron oxide, manganese oxide, chromium oxide, bismuth oxide, or an impurity. The sensor device according to claim 1, wherein the sensor device is a metal oxide described in (a) or (b) .
JP2010206467A 2010-09-15 2010-09-15 Sensor device Expired - Fee Related JP5459554B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010206467A JP5459554B2 (en) 2010-09-15 2010-09-15 Sensor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010206467A JP5459554B2 (en) 2010-09-15 2010-09-15 Sensor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012063194A JP2012063194A (en) 2012-03-29
JP5459554B2 true JP5459554B2 (en) 2014-04-02

Family

ID=46059064

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010206467A Expired - Fee Related JP5459554B2 (en) 2010-09-15 2010-09-15 Sensor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5459554B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9722125B1 (en) 2016-06-30 2017-08-01 International Business Machines Corporation Radiation sensor, method of forming the sensor and device including the sensor
US11110986B2 (en) * 2019-10-11 2021-09-07 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Manufacturing method of body frame

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10130918B2 (en) 2016-09-16 2018-11-20 Pall Corporation Fluoropolymers and membranes comprising fluoropolymers (III)
CN112300913A (en) * 2020-11-11 2021-02-02 深圳市儒翰基因科技有限公司 DNA sequencing device, solid-state nanopore array and preparation method thereof

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3548919B2 (en) * 1995-07-07 2004-08-04 カシオ計算機株式会社 Biosensor
US6413792B1 (en) * 2000-04-24 2002-07-02 Eagle Research Development, Llc Ultra-fast nucleic acid sequencing device and a method for making and using the same
JP2004335557A (en) * 2003-04-30 2004-11-25 Ricoh Co Ltd Vertical organic transistor
JP4848522B2 (en) * 2005-03-31 2011-12-28 国立大学法人 千葉大学 Organic thin film transistor and semiconductor device using the same
JP5228891B2 (en) * 2008-11-21 2013-07-03 株式会社リコー Sensor device

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9722125B1 (en) 2016-06-30 2017-08-01 International Business Machines Corporation Radiation sensor, method of forming the sensor and device including the sensor
US10020416B2 (en) 2016-06-30 2018-07-10 International Business Machines Corporation Radiation sensor, method of forming the sensor and device including the sensor
US10347784B2 (en) 2016-06-30 2019-07-09 International Business Machines Corporation Radiation sensor, method of forming the sensor and device including the sensor
US11110986B2 (en) * 2019-10-11 2021-09-07 Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha Manufacturing method of body frame

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012063194A (en) 2012-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10968481B2 (en) Graphene FET devices, systems, and methods of using the same for sequencing nucleic acids
Sassa et al. Microfabricated electrochemical sensing devices
US9859394B2 (en) Graphene FET devices, systems, and methods of using the same for sequencing nucleic acids
Mir et al. Integrated electrochemical DNA biosensors for lab‐on‐a‐chip devices
Wei et al. Electrochemical biosensors at the nanoscale
US10811539B2 (en) Graphene FET devices, systems, and methods of using the same for sequencing nucleic acids
Wei et al. DNA diagnostics: nanotechnology-enhanced electrochemical detection of nucleic acids
US9857328B2 (en) Chemically-sensitive field effect transistors, systems and methods for manufacturing and using the same
US20180315750A1 (en) Graphene fet devices, systems, and methods of using the same for sequencing nucleic acids
JP5228891B2 (en) Sensor device
EP3308153A1 (en) Graphene fet devices, systems, and methods of using the same for sequencing nucleic acids
WO2012142852A1 (en) High resolution biosensor
KR102282133B1 (en) Flexible ph sensor and method for manufacturing thereof
JP6316958B2 (en) Highly selective coated electrode nanogap converter for redox molecule detection
JP5459554B2 (en) Sensor device
WO2016145110A1 (en) Graphene fet devices, systems, and methods of using the same for sequencing nucleic acids
Zheng et al. Application and prospect of semiconductor biosensors in detection of viral zoonoses
US20220025425A1 (en) Ultralow concentration sensing of bio-matter with perovskite nickelate devices and arrays
Kim et al. Improving the neutrality point uniformity for SG-FET-based DNA sensor
Wang et al. Two-dimensional transistor sensors for biomedical detection
Janićijević et al. Integration Strategies and Formats in Field-Effect Transistor Chemo-and Biosensors: A Critical Review
Rahmani Performance analysis of electrochemical detection platform for DNA hybridization using TGN-based nanobiosensor
Pathak et al. Field-effect transistors: Current advances and challenges in bringing them to point-of-care
Munusami et al. Multiplexed biosensors for efficient diagnosis of the clinical conditions toward Health management
Kappen et al. Graphene-based Disposable Sensors

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20130718

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20130924

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20131003

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20131125

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20131219

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140101

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5459554

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees