JP4481967B2

JP4481967B2 - センサ装置

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Publication number: JP4481967B2
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Inventors: 亮太関口; 洋一郎飯田; 敏彦尾内
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Current assignee: Canon Inc
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Filing date: 2006-08-25
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Description

本発明は３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ（ミリ波帯からテラヘルツ帯）の周波数領域におけるセンサ装置に関する。

微量検体および検体の光学的性質の高感度な測定手段として、表面プラズモン共鳴を利用したセンサがこれまでに知られている。典型的な表面プラズモン共鳴センサは、ＡＴＲプリズムカプラの端面に設けた金属薄膜に表面プラズモンを共鳴的に発生させ、その近傍に配置した検体の光学的性質を高感度で測定するものである。検体固有の情報は、屈折率、吸収、蛍光特性などの光学的性質より読み取ることができるため、表面プラズモン共鳴センサをバイオセンサとしても応用することも可能である。

ＪｉｒｉＨｏｍｏｌａ，ｅｔａｌ：ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＢ，Ｖｏｌ．５４（１９９９），３は、表面プラズモン共鳴センサの感度が、可視領域において優れていることを示している。たとえば、ＡＴＲプリズムカプラを用いた典型的なセンサ装置（ＡＴＲプリズムカプラ媒体としてＢＫ７ガラス、金属薄膜として金５０ｎｍ、検体の屈折率１．３２）の角度反応測定において、検体の屈折率変化と共鳴条件の変化によって定義される感度Ｓ（ｐθ）は１００〜２００［ｄｅｇ／ＲＩＵ］という値を示す。この値は、典型的なシステムの角度分解能（１×１０^−４［ｄｅｇ］）を仮定すれば、検体の屈折率変化が５×１０^−７〜１×１０^−６［ＲＩＵ］といった極めて微小な変化でさえも測定可能であることを意味している。
特開２００４−３５４２４６ＪｉｒｉＨｏｍｏｌａ，ｅｔａｌ：ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓＢ，Ｖｏｌ．５４（１９９９），１６

一方、最近になって、糖やタンパク質などの光学的性質の特徴がミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域にも存在することが知られつつあり、可視領域における表面プラズモン共鳴センサをミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域に応用する重要性は高い。しかし、非特許文献１によれば、感度Ｓ（ｐθ）は、使用する電磁波の長波長化にともなって低下することが示されている。

また、特許文献１はテラヘルツ帯におけるプリズムを用いたセンサ装置を開示するが、非共鳴的な構成のため、表面プラズモン共鳴時に発生する電界増強効果が得られず、検体の光学的性質の高感度な測定手段とはならない。

したがって、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ（ミリ波帯からテラヘルツ帯）の周波数領域においても、可視領域で実用されている程度の感度を有するようなセンサが求められていた。

本発明は上記課題を解決し、可視領域における表面プラズモン共鳴センサと同程度の感度を有する３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数領域における表面プラズモン共鳴センサを提供することを目的とする。

そこで、本発明は、
検体を配置するための検体保持部と、
前記検体保持部に向かって３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数領域の一部を含む電磁波を照射するための照射手段と、
検体保持部から反射してきた電磁波を検出するための検出手段とを備え、
前記検体保持部は半導体と媒体とを備え、
前記半導体の誘電率実部は負であり、前記媒体の屈折率の２乗は前記半導体の誘電率実部の大きさより小さく、且つ
前記検体を検出するときに、前記検体が前記半導体を介して前記媒体と対向する位置に配されていることを特徴とするセンサ装置を提供するものである。

また、本発明は、
検体を配置するための検体保持部と、
前記検体保持部に向かって３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数領域の一部を含む電磁波を照射するための照射手段と、
検体保持部から反射してきた電磁波を検出するための検出手段とを備え、
前記検体保持部は半導体と媒体とを備え、
前記半導体の誘電率実部は負であり、前記媒体の屈折率の２乗は前記半導体の誘電率実部の大きさより小さく、且つ
前記検体を検出するときに、前記検体が前記半導体と前記媒体との間に配されていることを特徴とするセンサ装置を提供するものである。

さらに、本発明は、
検体を配置するための検体保持部と、
前記検体保持部に向かって３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数領域の一部を含む電磁波を照射するための照射手段と、
検体保持部から反射してきた電磁波を検出するための検出手段とを備え、
前記検体保持部が第１の層と第２の層とを備え、
前記第１の層と第２の層が以下の式を満たすセンサ装置を提供するものである。
Ｒｅ（ε_１）＜−ｎ_２ ^２
ただし、Ｒｅ（ε_１）は第１の層の誘電率実部、ｎ_２は第２の層の屈折率を表す。

本発明の構成をとることにより、３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数領域における、感度の向上したセンサを提供することが可能になる。

（構成）
本発明について、図１を用いて具体的なセンサ装置の構成を説明する。図１は本発明における一実施形態のセンサ装置の構成を示すもので、センサ装置の断面図である。

センサ装置は、検体保持部１０２と検出手段１０３とを備え、検体保持部は、半導体１０４と媒体１０５とを備える。図１では、さらに電極１０６を備えている。検体１０１は、半導体１０４を介して媒体１０５と対向する位置に配置する。

検体が検体保持部近傍に配された状態で、３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ（ミリ波帯からテレヘルツ帯）の周波数帯領域の一部を含む電磁波を照射する電磁波照射手段１０７から電磁波を照射することにより検体の検出を行う。測定の方法によっては、入射角１０９を変更するための角度変更手段１０８を設けておくと好ましい。

検出手段は、反射してきた電磁波の振幅や強度の検出するためのもので、ボロメータ、パイロやショットキーダイオードなどよく知られる検出器を用いるとよい。取得した電磁波の振幅や強度は、後に述べる測定において利用する。

または、検体保持部は、第１の層と第２の層とを備え、以下のような式を満たすものであればよい。
Ｒｅ（ε_１）＜−ｎ_２ ^２
ここで、Ｒｅ（ε_１）は第１の層の誘電率実部、ｎ_２は第２の層の屈折率を表す。上式は、検体保持部における第１の層に表面プラズモンが保持されるための必要な関係式であって、ミリ波帯からテラヘルツ帯３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚにおいて、半導体１０４と媒体との関係は上式を満たす可能性が高く、図１の場合では、第１の層が半導体１０４、第２の層が媒体１０５に相当する。分かりやすく言うと、半導体の誘電率実部は負であり、媒体の屈折率の２乗は半導体の誘電率実部の大きさより小さくなっている状態のことである。

半導体１０４としては、ミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域において金属的効果を示すものが適当で、キャリアドープされた半導体やアンドープの半導体を用いることが可能である。媒体としては、電磁波の全反射（ＡｔｔｅｎｕａｔｅｄＴｏｔａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を利用した電磁波と表面プラズモンとの結合効果を示すものが適当で、ＡＴＲプリズムカプラを用いるのが最も簡単である。媒体は端面を有する形状であれば本質的にはどのような形状でもよい。また、媒体と半導体との間に電磁波的な十分な結合を期すためには、媒体の端面に局在するエバネッセント波の減衰長か、それ以下に半導体を配置することが必要である。好ましくは、媒体端面からの距離が使用する電磁波の波長以下の距離内に半導体を設ける。

さらに、検体保持部が電極１０６を有する場合があるが、電極１０６は、半導体に電界を印加して、半導体中のキャリア濃度を制御するためのものである。電界を印加できるものであればどのようなものでもよく、金、白金、パラジウム、銅、アルミ、タングステンなどでよい。あるいは、半導体中のキャリア濃度を変調するためには光照射も考えられ、このときの光照射は半導体のバンドギャップより大きなフォトンエネルギーを有するレーザやＬＥＤなどを用いるとよい。

（原理）
本発明において、電磁波の周波数をミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域としたときのセンサの感度向上を可能にしている原理について説明する。

センサ装置の構成は、図１に示したものを用いる。センサ装置の感度Ｓ（ｐθ）は表面プラズモンの状態に依存し、とくに表面プラズモンを保持する半導体の誘電率実部Ｒｅ（ε）に強く支配される。非特許文献２に示されるように、感度Ｓ（ｐθ）は、ＡＴＲプリズムカプラ媒体の屈折率ｎ_ｐと検体の実効的な屈折率ｎ_ａが
｜Ｒｅ（ε）｜＝ｎ_ｐ ^２ｎ_ａ ^２／（ｎ_ｐ ^２−ｎ_ａ ^２）をとるとき最大となる。可視領域における典型的な金属の誘電率実部はＲｅ（ε）≒−１０といった値であり、これは典型的なＡＴＲプリズムカプラ媒体、検体の参照値としてｎ_ｐ≒１．５，ｎ_ａ≒１．３としたときのオーダに等しい。しかし、ミリ波帯からテラヘルツ帯の周波数領域における金属の誘電率実部は−１０^６≦Ｒｅ（ε）≦−１０^５であることが知られている。一方、半導体の誘電率実部はキャリアドープすることで可変な自由キャリア濃度に支配され、ドゥルーデの式に基づけば
Ｒｅ（ε）＝ε_ｂ−ω_ｐ ^２／（ω^２＋γ^２）
のようにあらわすことができる。ただし、ε_ｂは背景誘電率、γ^−１は緩和時間である。プラズマ周波数ω_ｐは自由キャリア濃度Ｎ、有効質量ｍ_ｅｆｆ、真空の誘電定数ε_０をともなって
ω_ｐ＝√（Ｎｅ^２／ｍ_ｅｆｆε_０）
で書けることが知られている。ｅは素電荷である。いま、典型的な半導体を、キャリアの有効質量０．１、緩和時間２［ｐｓｅｃ］、背景誘電率１０として仮定し、キャリア濃度をパラメータとして、ドゥルーデ分散を示すと図２のようになる。図２においてキャリア濃度は１×１０^１６［ｃｍ^−３］，１×１０^１７［ｃｍ^−３］，１×１０^１８［ｃｍ^−３］である。図２によれば、ミリ波帯からテラヘルツ帯に渡る周波数領域では、半導体の誘電率実部は金属のそれと比べて、センサの感度向上のために適した値ｎ_ｐ ^２ｎ_ａ ^２／（ｎ_ｐ ^２−ｎ_ａ ^２）を選択できることがわかる。したがって、本発明に適用できる半導体は、１０^１５［ｃｍ^−３］≦Ｎ≦１０^１９［ｃｍ^−３］に自由キャリア濃度が調整された半導体であって、これらはアンドープか典型的なキャリアドープによって得ることができる。このときの周波数帯領域としては、０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚの範囲の周波数帯領域を利用することが好ましいことがわかる。

（検体の検出方法）
上述では具体的な構成と原理について説明してきたが、ここでは、検体の検出方法について（１）角度反応測定と（２）キャリア濃度反応測定として説明する。

（１）角度反応測定
一般に表面プラズモン共鳴センサでは、検体の検出方法として角度反応測定（ａｎｇｕｌａｒｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）と呼ばれる測定方法がよく知られている。すなわち、入射波の入射角を制御して、半導体に保持される表面プラズモンに入射波が共鳴しないとき、入射波は全反射を起こし、センサ装置における検出手段で検出される。入射波が共鳴するときは、入射波のエネルギーが表面プラズモンに奪われてしまうため、検出手段で検出されない。このようなセンサ動作を利用する方法が角度反応測定である。さらにいうと、検体の光学的性質が何らかの理由で変化したとき、半導体に保持される表面プラズモンの状態も変化するため、共鳴条件も変化する。このときのセンサ感度Ｓ（ｐθ）は、検体の屈折率変化量に対する入射角（共鳴条件）変化量で定義され、検体の屈折率の変化を定量的に評価することができる。

角度反応測定では、とくに感度Ｓ（ｐθ）が重要であり、感度Ｓ（ｐθ）が優れているとき検体の光学的性質の微小変化を測定できるようになる。本発明では、使用する電磁波の波長に応じて半導体のキャリアドープを行うことができるから、感度Ｓ（ｐθ）を向上することが可能である。

（２）キャリア濃度反応測定
さらに本発明では、従来の表面プラズモン共鳴センサと異なるセンサの動作も可能である。すなわち、半導体中の自由キャリア濃度を変化させ、入射波と半導体に保持される表面プラズモンとの共鳴条件を変化させる方法である。これをキャリア濃度反応測定と呼ぶことにする。一般に、半導体中の自由キャリア濃度は、電界印加による空乏層の制御、あるいは比較的短い時間ではあるが、使用する半導体のバンドギャップよりフォトンエネルギーの大きな光の光照射によって変調することが可能である。たとえば次のような構成で従来と異なるセンサ動作を期すことができる。たとえば、半導体の一部に上記電界印加をすることのできるいくつかの電極を付加しておく。このときのセンサ動作としては、電界印加によって半導体の自由キャリア濃度を変化させ、半導体に保持される表面プラズモンに入射波が共鳴しないとき、入射波は全反射を起こし、センサ装置の検出手段で検出される。入射波が共鳴するときは、入射波のエネルギーが表面プラズモンに奪われてしまうため、検出手段で検出されない。このようなセンサ動作を利用する方法がキャリア濃度反応測定である。もちろん、同じセンサ動作は光照射によっても行うことができる。さらに、キャリア濃度反応測定においても、検体の光学的性質の定量的な評価は角度反応測定に準じる方法で行うことができる。

（検体の測定結果）
ここでは（１）角度反応測定と（２）キャリア濃度反応測定において得られた測定結果ついて説明する。

（１）角度反応測定の結果
図３は本実施の形態における、センサ装置の角度反応測定の結果を示している。グラフは図１において、半導体１０４近傍のＡＴＲプリズムカプラ１０５の端面を経た反射波の強度と入射角θ１０９との関係を示している。共鳴条件θｓｐｒにおけるディップは入射波と半導体１０４に保持される表面プラズモンが共鳴していることを表し、特に入射波にｐ偏光成分を含むとき（好ましくはｐ偏光）、反射強度は極小となる。検体の屈折率に何らかの微小変化があった場合、共鳴条件θｓｐｒは感度Ｓ（ｐθ）と検体の屈折率微小変化△ｎ_ａの積で表されるＳ（ｐθ）△ｎ_ａだけシフトする。図３におけるａは検体の屈折率微小変化が起こる前を表し、ｂは屈折率微小変化が起きた後を表す。シフトが大きいほど検出が容易であり、つまり、感度Ｓ（ｐθ）が大きいほど小さい屈折率微小変化△ｎ_ａの検出が容易である。すでに述べたように本発明では感度Ｓ（ｐθ）を向上することが可能であるから、より小さい屈折率の微小変化Δｎ_ａを検出することが可能である。このとき、図３における共鳴幅（ＲｅｓｏｎａｎｔＷｉｄｔｈ）はより狭いことが望まれる。可視領域における表面プラズモン共鳴センサとのアナロジーによれば、使用する半導体の複素誘電率εの実部と虚部の比｜Ｒｅ（ε）｜／Ｉｍ（ε）がより大きな材料を使用することによって、共鳴幅をより狭くすることができる。ドゥルーデの式に従えば、Ｉｍ（ε）は使用する半導体の緩和時間γ^−１に反比例するため、緩和時間γ^−１がより大きいほどＩｍ（ε）は小さい。したがって、易動度が大きな材料が好ましく、たとえばＩｎＡｓ、ＧａＡｓなどの材料を選択することが望まれる（キッテル著、固体物理入門第７版（丸善）を参照）。さらに易動度の高いＩｎＳｂなどのアンチモン系の材料も最近では入手しやすくなってきたため、好適である。また、有効質量が大きいわりに易動度が比較的高い材料も緩和時間γ^−１が比較的大きいため、窒化物系のＩｎＮも好ましい。

（２）キャリア濃度反応測定の結果
図４は本実施形態における、センサ装置のキャリア濃度反応測定の結果を示している。グラフは図１おいて、半導体１０４近傍のＡＴＲプリズムカプラ１０５の端面を経た反射波の強度と半導体におけるキャリア濃度との関係を示している。ここで、キャリア濃度の変調手段が電界印加であればグラフの横軸を電界強度と読み替えてもよく、またキャリア濃度の変調手段が光照射であれば、グラフの横軸を光強度と読み替えてもよい。共鳴条件Ｎｓｐｒにおけるディップは入射波と半導体薄２０４に保持される表面プラズモンが共鳴していることを表し、特に入射波にｐ偏光成分を含むとき（好ましくはｐ偏光）、反射強度は極小となる。検体の屈折率に何らかの微小変化があった場合、共鳴条件Ｎｓｐｒはシフトし、とくにドゥルーデ分散が大きい材料を用いるとシフト量は大きくなる。図４におけるａは検体の屈折率微小変化が起こる前を表し、ｂは屈折率微小変化が起きた後を表す。

（付加機能）
以上に示された本発明に加えて、目的に応じて、次のような構成もとることができる。
１．検体が半導体に対して腐食性を有する場合、半導体の腐食防止を目的としたコーティング層を半導体が有する構成。
２．検体の半導体に対する吸着力や保持力が低い場合、吸着力や保持力の向上を目的としたコーティング層を半導体が有する構成。
３．検体に複数の物質が含まれる場合、測定したい特定の物質のみを選択的に吸着あるいは保持することを目的としたコーティング層を半導体が有する構成。
４．検体が液体状あるいは気体状の物質の場合、検体が半導体の近傍に導かれることを目的としたガイド（流路）を含む構成。
５．検体の蒸発性、昇華性が高い場合、検体を半導体の近傍より流失させないことを目的とした封止部材を含む構成。

ただし、以上のコーティング層、ガイド（流路）や封止部材が、検体と半導体との間に位置する場合、少なくとも形状の一部が使用される波長より薄くなくてはならない。さらに、使用される波長に対して透明度の高い材料であることが望ましい。

また、ＡＴＲプリズムカプラ媒体は、検体の屈折率より大きな屈折率を持つ媒体である必要がある。ただし、ＡＴＲプリズムカプラ全体がそのようになっている必要はなく、ＡＴＲプリズムカプラの一部が検体の屈折率より大きな屈折率を持つ媒体となっていればよい。

なお、本明細書における“近傍”という文言は、一般的な近接場領域のことを指し、本明細書でのセンサ装置で使用される電磁波の波長と同程度、あるいはそれ以下の空間領域を指す意味で使用する。

図５は本発明に係る、センサ装置の構成の実施例を示した断面図である。図５において１０５はＡＴＲプリズムカプラ、１０４は半導体、１０１は検体を示している。図５のような配置のとき（これをクレッチマン配置という）、半導体１０４は波長以下の薄さでなくてはならず、典型的な場合、λ／５０〜λ／１０程度が選択される。より好ましくは、半導体１０４の厚さを解析し、最適設計をすることが望ましい。たとえば、フレネルの反射式を用いてＡＴＲプリズムカプラ／半導体／検体の三層構造について解析すると、半導体１０４の厚さの最適値が決定される。この手法は当業者であればよく知られた方法である。図５のような実施例１のクレッチマン配置において、半導体１０４に最適設計がなされると、角度反応測定やキャリア濃度反応測定の結果において、共鳴条件を満たす場合の反射強度は限りなくゼロに漸近し、測定が行いやすくなる。なお、１０８は入射波の角度変更手段、１０６は半導体のキャリア濃度変更手段を表しており、それぞれ角度反応測定、キャリア濃度反応測定を行うためのものである。また、１０３は検出器を表す。このようなクレッチマン配置では検体の配置といった点で制約がない。

以下は、実施例１の数値例である。たとえば、使用する電磁波の周波数を３．０［ＴＨｚ］としたとき、ＡＴＲプリズムカプラ１０５には高抵抗率Ｓｉ（抵抗率１０［ｋΩ．ｃｍ］以上）を用いると透明度が非常に高く、減衰を考えなくてよい。検体１０１は適当な物質を仮定してｎ_ｐ＝３．４，ｎ_ａ＝２．５５と値をおく。さらに半導体材料としては、製作の容易さを考慮してＳｉ（Ｎ＝１．０×１０^１８［ｃｍ^−３］、ｍ_ｅｆｆ＝０．４、γ／２π＝１．４［ＴＨｚ］、ε_ｂ＝１１．６）を仮定する。このとき、フレネルの反射式を用いるとＳｉの厚さは２．５［μｍ］が最適である。以上の仮定の下で数値解析を進めると感度Ｓ（ｐθ）は３４［ｄｅｇ／ＲＩＵ］を示し、この値は可視領域における表面プラズモン共鳴センサの典型的な感度と、ほぼ同程度の感度といえるだろう。

また、実施例１に係る構成の製作手順を以下に説明する。ＡＴＲプリズムカプラ１０５としては高抵抗率Ｓｉ基板を用いる。半導体１０４は、たとえば高抵抗率Ｓｉ基板上に熱ＣＶＤ法などを用いてｎ−Ｓｉをエピタキシャル成長する。上記数値例ではキャリアとして電子を選び、自由電子濃度１．０×１０^１８［ｃｍ^−３］、膜厚２．５［μｍ］としている。検体１０１は半導体１０４上に置けばよく、このようにすれば、図５のようなクレッチマン配置を比較的容易に構成することができる。また、角度変更手段１０８としては反射ミラーを回転させて使用するかセンサ装置自体を回転させる方法が最も単純である。また、キャリア濃度変更手段１０６として電極を利用する場合、半導体プロセスを用いて半導体１０４の表面に複数の電極を付加して、半導体表面での制御用電界を印加する方法を選択することができる。

図６は本発明に係る、センサ装置の構成の実施例を示した断面図である。図６において１０５はＡＴＲプリズムカプラ、１０４は半導体、１０１は検体を示している。図６のような配置のとき（これをオットー配置という）、検体１０１の厚さ方向に制約をともなう。というのも、すでに述べたように半導体１０４はＡＴＲプリズムカプラ１０５近傍に配置される必要があるからである。典型的な場合、λ／２５０〜λ／５０程度が選択される。より好ましくは、検体１０１を配置するためのスペーサ６１１の最適厚さをあらかじめ解析し、最適設計をすることが望ましい。たとえば、フレネルの反射式を用いてスペーサ６１１の厚さの最適値が決定される。このようにして、最適設計がなされると、角度反応測定やキャリア濃度反応測定の結果において、共鳴条件を満たす場合の反射強度はやはり限りなくゼロに漸近し、測定が行いやすくなる。なお、１０８は入射波の角度変更手段、１０６は半導体のキャリア濃度変更手段を表しており、それぞれ角度反応測定、キャリア濃度反応測定を行うためのものである。また、１０３は検出器を表す。可視領域ではあまり好まれなかったこのような配置（オットー配置）でも、ミリ波帯からテラヘルツ帯の波長は可視領域のそれとはオーダが異なるため、検体１０４を配置するため制約が比較的少ないことが、従来と異なる利点である。

以下は、実施例２の数値例である。オットー配置ではクレッチマン配置と比較して製作が容易であるため、次のように比較的高い易動度を有する半導体材料を選択してもよい。すなわち、ＡＴＲプリズムカプラ１０５には高抵抗率Ｓｉを用いることにして、また、検体１０１に適当な物質を仮定し、ｎ_ｐ＝３．４，ｎ_ａ＝２．５５と値をおく。さらに使用する半導体材料としては、易動度の大きさを考慮してＩｎＡｓ（ｎ＝１．０×１０^１６［ｃｍ^−３］、ｍ_ｅｆｆ＝０．０３、γ／２π＝０．３０［ＴＨｚ］、ε_ｂ＝１４．５）を仮定する。以上の仮定の下で数値解析を進めると、たとえば、使用する電磁波の周波数を１．０［ＴＨｚ］としたとき、感度Ｓ（ｐθ）は４４［ｄｅｇ／ＲＩＵ］を示す。

実施例２に係る構成の製作手順を以下に説明する。ＡＴＲプリズムカプラ１０５としては高抵抗率Ｓｉ基板を用いる。半導体１０４は、たとえば上記数値例のＩｎＡｓ単結晶基板を用いるか、あるいは何らかの基板上にＩｎＡｓをエピタキシャル成長してもよい。ＡＴＲプリズムカプラ１０５と半導体１０４とはスペーサ６１１を介して接合される。このようにすれば、図６のようなオットー配置は比較的容易に構成することができる。なお、検体が液体状あるいは気体状である場合、スペーサ６１１とＡＴＲプリズムカプラ１０５と半導体１０４とによって作られる間隙が検体１０１を導くためのガイド（流路）となっていてもよい。角度変更手段１０８としては、すでに述べたように反射ミラーを回転させて使用するかセンサ装置自体を回転させる方法が最も単純である。また、キャリア濃度変更手段１０６として電極を利用する場合、半導体プロセスを用いて半導体１０４の表面に複数の電極を付加して、半導体表面での制御用電界を印加する方法を選択することができる。

図７は本発明に係る、センサ装置の構成の実施例を示した断面図である。実施例３は実施例１の変形例であり、検体がたとえば抗原抗体反応における抗原であるときのバイオセンサとしての利用法を示すものである。図７において、１０５はＡＴＲプリズムカプラ、１０４は半導体、１０１は抗原抗体反応における抗原、すなわち検体を示している。また７１１は吸着性コーティング、７１４は抗体を示す。このとき、吸着性コーティング７１１として、吸着性が高いことで知られる金の薄膜を用いても良い。ただし、金の薄膜は使用する波長について透明性が高い必要もあり、たとえば使用する電磁波として１［ＴＨｚ］周辺の周波数を選択したときは、５［ｎｍ］かそれ以下の膜厚とすることで透明性を確保する。このようにして、吸着性コーティング７１１に抗体７１４を保持しておき、抗原１０１が抗体７１４に反応すると、半導体１０４に保持される表面プラズモンの状態が変化し、角度反応測定やキャリア濃度反応測定における共鳴条件がシフトする。

このようなバイオセンサとしては、ＤＮＡのハイブリタイゼーションによる２本鎖を構成する反応をみたり、タンパク質、ペプチド、アミノ酸などのリガンドとレセプタの反応をみたり、糖鎖結合の反応をみたりするなど、様々な応用が可能である。

実施例３に係る構成の製作手順をとしては、ほぼ等しい構成の実施例１の方法を用いることができ、さらに吸着性コーティング７１１としての金の薄膜は典型的な半導体プロセス技術を用いて容易に付加することができる。抗体７０１を吸着性コーティング７１１へ固定化する方法としては、たとえば、金との親和性の高い官能基を有する抗体７０１を選び、それを溶液としてスポッタなどで滴下する方法を選択することができる。

図８は本発明に係る、センサ装置によって健康診断や食品検査を行えるような配置を示す図である。実施例４は実施例１の変形例であり、図８において、１０５はＡＴＲプリズムカプラ、１０４は半導体を示している。半導体１０４によって保持される表面プラズモンは使用する電磁波の波長程度の空間領域まで及んでいるため、検体１０１として、たとえば人間の手や顔などを選び、非破壊で皮下組織を測定することもできる（図８ａ）。使用する波長がミリ波帯からテラヘルツ波帯の周波数領域であれば、皮下１０［ｍｍ］〜１０［μｍ］のオーダを測定していることになる。よって、コラーゲン、汗腺や毛細血管を含む真皮の状態を高感度に測定できることが期待され、たとえば、皮下の毛細血管中における血糖値測定をおこなって、採血せずに健康状態を確認するセンサとしての可能性がある。あるいは、検体１０１として果物を選び、非破壊で内部組織を測定することもできる（図８ｂ）。同様の周波数領域を選んだとき、果肉の状態を高感度に測定することが期待され、たとえば、皮下の果肉中における果糖濃度測定をおこなって、傷をつけずに食品状態を確認するセンサとしての可能性がある。

以上に説明してきたように、半導体は自由キャリア濃度を調整することができるため、使用する電磁波の波長に応じて感度向上が可能である。このような構成によって、可視領域ですでに行われているような検体の光学的性質の高感度な測定が、ミリ波帯からテラヘルツ帯でも行えるようになる。また、半導体中の自由キャリア濃度の制御を行うことで、センサ動作としての従来と異なる測定を行うこともできる。

本実施形態に係る、センサ装置の構成を示す断面図。本発明に係る、センサ装置における半導体の分散を示す図。本実施形態に係る、角度反応測定の結果を表す図。本実施形態に係る、キャリア濃度反応測定の結果を示す図。本実施例１に係る、センサ装置の構成を示す断面図。本実施例２に係る、センサ装置の構成を示す断面図。本実施例３に係る、センサ装置の構成を示す断面図。本実施例４に係る、センサ装置の構成を健康診断や食品検査に利用する場合の図。

符号の説明

１０１検体
１０２検体保持部
１０３検出手段（検出器）
１０４半導体
１０５媒体
１０６電極
１０７電磁波照射手段
１０８角度変更手段
１０９入射角
１１０反射波
６１１スペーサ
７０１抗体
７１１吸着性コーティング

Claims

表面プラズモン共鳴センサ装置であって、
半導体と媒体とからなり、検体を配置するための検体保持部と、
前記検体保持部に向かって３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数領域の少なくとも一部を含む電磁波を前記媒体側から照射するための照射手段と、
前記検体保持部から反射してきた電磁波を検出するための検出手段と、を備え、
前記半導体の誘電率実部は負であり、
前記媒体の屈折率の２乗は前記半導体の誘電率実部の絶対値より小さく、且つ
前記半導体を介して前記媒体と対向する位置に前記検体を配置するように構成されていることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
表面プラズモン共鳴センサ装置であって、
半導体と媒体とからなり、検体を配置するための検体保持部と、
前記検体保持部に向かって３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数領域の少なくとも一部を含む電磁波を前記媒体側から照射するための照射手段と、
前記検体保持部から反射してきた電磁波を検出するための検出手段と、を備え、
前記半導体の誘電率実部は負であり、
前記媒体の屈折率の２乗は前記半導体の誘電率実部の絶対値より小さく、且つ
前記半導体と前記媒体との間に前記検体を配置するように構成されていることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
前記半導体に配置された電極を備えることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。
前記電極が前記半導体に電界を印加するための手段であることを特徴とする請求項３に記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。
前記半導体中のキャリア濃度を変調するために、該半導体に光を照射するための光照射手段を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。
３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数領域の一部を含む電磁波の前記検体保持部への入射角を変更するための角度変更手段を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。
前記半導体は、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮのいずれかから選択されることを特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。
前記半導体が検体の吸着性を向上するための５［ｎｍ］以下の金の薄膜によってコーティングされることを特徴とする請求項１から７いずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。
前記媒体は、ＡＴＲプリズムカプラであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。
表面プラズモン共鳴センサ装置であって、
誘電率実部が負の半導体からなる第１の層と、第２の層とからなり、検体を配置するための検体保持部と、
前記検体保持部に向かって３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの周波数領域の少なくとも一部を含む電磁波を前記第２の層側から照射するための照射手段と、
前記検体保持部から反射してきた電磁波を検出するための検出手段と、を備え、
前記照射手段によって照射される前記電磁波と前記第１の層の表面プラズモンとを結合させ、
前記第１の層と第２の層とが、Ｒｅ（ε_１）を第１の層の誘電率実部とし、ｎ_２を第２の層の屈折率としたときに、以下の関係式を満たすことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
Ｒｅ（ε_１）＜−ｎ_２ ^２
前記半導体は、１０ ^１５［ｃｍ ^−３］以上１０ ^１９［ｃｍ ^−３］以下のキャリア濃度であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴センサ装置。