JP6689432B2 - 横方向／垂直方向トランジスタ構造を含むマイクロ流体デバイスならびにそれを作製および使用するプロセス - Google Patents

横方向／垂直方向トランジスタ構造を含むマイクロ流体デバイスならびにそれを作製および使用するプロセス Download PDF

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Description

本発明は、光学的に作動する界面動電構成、特に光学的に作動する誘電泳動（dielectrophoresis）（ＤＥＰ）構成を有する基板を含むマイクロ流体デバイスに関する。
マイクロ流体デバイスは、生物学的細胞などの微小物体を処理するための便利なプラットフォームであり得る。マイクロ流体デバイス内の微小物体は、デバイス内に局所的な界面動電力を選択的に生成することにより、選択して移動させることができる。本出願中に開示される本発明の実施形態は、マイクロ流体デバイス中で界面動電力を生成することの改善を含む。
いくつかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、マイクロ流体構造と、共通の電気導体を含むことができるベース部分とを有するエンクロージャを含む。マイクロ流体構造およびベース部分の外面は、エンクロージャ内に流路を共に画定することができる。ベース部分は、トランジスタ構造のアレイを含むことができ、トランジスタ構造のそれぞれは、ベース部分の外面の対応する領域を共通の導体に接続する横方向バイポーラトランジスタを含むことができる。いくつかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、マイクロ流体デバイスの作動を制御するための制御機器を含むシステムの一部であってもよい。
いくつかの実施形態では、マイクロ流体デバイス内の流体媒体中の微小物体を移動させる方法は、バイアス電極およびベース部分の共通の電気導体にバイアス電力を提供することを含むことができる。この方法はまた、ベース部分の外面の第１の領域で第１のトランジスタ構造を活性化し、活性化された第１のトランジスタ構造の近くで、流路内の近くの微小物体を移動させるのに十分な界面動電力を生成することを含む。
したがって、一態様において、本発明は、マイクロ流体構造とベース部分とを含むエンクロージャを有するマイクロ流体デバイスを提供する。マイクロ流体構造およびベース部分の外面は、エンクロージャ内に流路を共に画定することができる。特定の実施形態では、ベース部分は、共通の導体とトランジスタ構造のアレイとを含むことができ、トランジスタ構造のそれぞれは、ベース部分の外面の対応する領域を共通の導体に接続する横方向バイポーラトランジスタを有する。アレイ内の各トランジスタ構造は、ベース部分の外面の対応する領域を接続する垂直方向バイポーラトランジスタをさらに有することができる。
アレイ内の各トランジスタ構造は、エミッタ領域、ベース領域およびコレクタ領域を含むことができる。特定の実施形態では、ベース領域は、エミッタ領域を取り囲むことができ、およびコレクタ領域は、ベース領域を取り囲むことができる。アレイ内の各トランジスタ構造は、アレイ内の他のトランジスタ構造から物理的に分離することができる。例えば、アレイ内のトランジスタ構造は、トレンチによってアレイ内の他のトランジスタ構造から物理的に分離することができる。
特定の実施形態では、エミッタ領域は、約１０ｎｍ〜約５００ｎｍ、または約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍの垂直厚さを有することができる。特定の実施形態では、エミッタ領域はＮ型ドーパントを含むことができる。エミッタ領域のＮ型ドーパントは、アンチモン、ヒ素およびリンからなる群から選択することができる。
特定の実施形態において、ベース領域は、約１０ｎｍ〜約４００ｎｍ（例えば、約２００ｎｍ〜約３００ｎｍ）である横方向の幅を有することができる。関連する実施形態では、ベース領域は、ベース領域の横方向の幅に等しいかまたはそれを超える垂直方向の厚さを有することができる。例えば、ベース領域の垂直方向の厚さは、ベース領域の横方向の幅よりも約２〜４倍大きく、またはベース領域の横方向の幅よりも約３〜４倍大きい（例えば、約３．５倍大きい）。ベース領域は、ホウ素、アルミニウム、ベリリウム、亜鉛またはカドミウムなどのＰ型ドーパントを含むことができる。
ある実施形態では、コレクタ領域は、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍ、または約６００ｎｍ〜約７５０ｎｍの横方向の幅を有することができる。さらに、コレクタ領域は、コレクタ領域の横方向の幅に等しいかまたはそれを超える垂直方向の厚さを有することができる。例えば、コレクタ領域の垂直方向の厚さは、コレクタ領域の横方向の幅よりも約２倍〜１０倍、またはコレクタ領域の横方向の幅よりも約４倍〜８倍大きい（例えば、約６倍大きい）ことができる。特定の実施形態では、コレクタ領域は、Ｎ型ドーパントを含むことができる。Ｎ型ドーパントは、アンチモン、ヒ素およびリンからなる群から選択することができる。特定の実施形態では、コレクタ領域は、約５オームｃｍ〜約１０オームｃｍの抵抗率を有することができる。
特定の実施形態では、ベース領域の垂直方向の厚さは、エミッタ領域の垂直方向の厚さよりも約６〜１２倍大きいことができる。特定の実施形態では、コレクタ領域の垂直方向の厚さは、ベース領域の垂直方向の厚さよりも約３倍〜６倍大きいことができる。
特定の実施形態では、トレンチは、コレクタ領域、ベース領域およびエミッタ領域の合計垂直深さより少なくとも１０％大きい垂直深さを有することができる。トレンチの垂直方向の深さは、例えば、約２，０００ｎｍ〜約１１，０００ｎｍであり得る。トレンチの横方向の幅は、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍであり得る。特定の実施形態では、トレンチ内に電気絶縁材料を配置することができる。
特定の実施形態では、アレイのトランジスタ構造のピッチは、約１０００ｎｍ〜約２０，０００ｎｍ、または約８０００ｎｍ〜約１２，０００ｎｍ、または約５０００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍであり得る。
特定の実施形態では、共通の導体は、トランジスタ構造のアレイが載置されるＮ＋半導体基板を含むことができる。Ｎ＋半導体基板は、アンチモン、ヒ素およびリンからなる群から選択されるドーパントを含む。特定の実施形態では、Ｎ＋シリコン基板は、約０．０２５オームｃｍ〜約０．０５０オームｃｍの抵抗率を有することができる。
特定の実施形態では、誘電性縁取材は、アレイのトランジスタ構造の隣接する対間でベース部分の外面に配置することができる。縁取材は、開口（または窓）がエミッタ領域の外側の内側部分を露出させている状態で、アレイの各トランジスタ構造のエミッタ領域の周囲部分を覆うことができる。誘電性縁取材の窓は、流路内の流体媒体と直接接触するようにアレイのトランジスタ構造のエミッタ領域の外面の内側部分を露出させることができる。特定の実施形態では、誘電性縁取材は、約７５０ｎｍ〜約２，０００ｎｍの垂直厚さを有することができる。特定の実施形態では、誘電性縁取材は、約１０ｎｍ〜約２００ｎｍだけエミッタ領域の外側の周辺部分を覆うことができる。
ある実施形態では、マイクロ流体構造およびベース部分は、複数の相互接続された流体構造を共に画定することができ、流路は、流体構造の１つである。マイクロ流体構造およびベース部分は、少なくとも１つの保持用囲いを共にさらに画定する。保持用囲いは、流路に接続することができる。流路は、流体チャネルを含むことができる。
アレイのトランジスタ構造は、ベース部分の外面の異なる領域を共通の導体に接続することができ、ベース部分の外面の領域は、流路内の流体媒体に直接接触するように配置することができる。特定の実施形態において、マイクロ流体デバイスは、バイアス電極をさらに含むことができる。流路は、バイアス電極とベース部分の共通の電気導体との間に配置することができる。
特定の実施形態では、マイクロ流体デバイスのベース部分は、第１のセクションと、第１のセクションから電気的に絶縁された第２のセクションとを含む。トランジスタ構造のアレイは、トランジスタ構造の第１のアレイおよびトランジスタ構造の第２のアレイであることができ、トランジスタ構造の第１のアレイは、ベース部分の第１のセクションに配置することができ、およびトランジスタ構造の第２のアレイは、ベース部分の第２のセクションに配置することができる。共通の導体は、トランジスタ構造の第１のアレイ（例えば、ベース部分の第１のセクションのトランジスタ構造）に共通であるが、トランジスタ構造の第２のアレイ（例えば、ベース部分の第２のセクションのトランジスタ構造）に共通でない第１の共通の導体であることができる。ベース部分は、第２のセクションのトランジスタ構造に共通であるが、第１のセクションのトランジスタ構造に共通でない第２の共通の導体をさらに含むことができる。
別の態様では、第１および第２のマイクロ流体デバイスを有するマイクロ流体装置が提供され、第１および第２のマイクロ流体デバイスのそれぞれは、本明細書に記載されるかまたは他の方法で開示されるマイクロ流体デバイスのいずれかの方式で構成される。第１のマイクロ流体デバイスのエンクロージャは、第２のマイクロ流体デバイスのエンクロージャと分離された別個のものとすることができる。第１のマイクロ流体デバイスの共通の電気導体および第２のマイクロ流体デバイスの共通の電気導体は、電気的に接続することができる。したがって、第１のマイクロ流体デバイスおよび第２のマイクロ流体デバイスに共通の電気導体が存在し得る。
別の態様では、本明細書に記載されるかまたは他の方法で開示されるマイクロ流体デバイスと、マイクロ流体デバイスの動作を制御するための制御機器とを含むシステムが提供される。制御機器は、流路内の流体媒体の流れを制御するための流れ制御器、ならびに／または光源、空間光変調器、および選択されたパターンの光をエンクロージャに向けるための光路を含むことができる。代替的にまたは加えて、制御機器は、エンクロージャ内の画像をキャプチャするための光学デバイスを含むことができる。制御機器は、マイクロ流体デバイスの動作を制御するためのプロセッサを含むことができる。
別の態様では、マイクロ流体デバイス内の流体媒体中の微小物体を移動させる方法が提供される。マイクロ流体デバイスは、本明細書に記載されるかまたは他の方法で開示されているマイクロ流体デバイスのいずれかであることができる。この方法は、マイクロ流体デバイス（例えば、バイアス電極およびベース部分の共通の電気導体）にバイアス電力を提供するステップと、ベース部分の外面の第１の領域で第１のトランジスタ構造を活性化するステップであって、それにより、活性化された第１のトランジスタ構造の近くで、マイクロ流体デバイスの流路内の近くの微小物体を動かすのに十分な界面動電力を生成するステップとを含む。特定の実施形態において、第１のトランジスタ構造を活性化することは、第１のトランジスタ構造のベース領域上に光ビームを向けることを含む。光ビームは、約０．１Ｗ／ｃｍ２〜約１０００Ｗ／ｃｍ２の強度を有することができる。
特定の実施形態では、マイクロ流体デバイスに提供されるバイアス電力は、約１Ｖｐｐｋ〜約５０Ｖｐｐｋのピークツーピーク電圧を有する。特定の実施形態では、バイアス電力は、約１００ｋＨｚ〜約１０ＭＨｚの周波数を有する。特定の実施形態では、バイアス電力は、方形波形、正弦波形、または三角波形を有する。
特定の実施形態では、第１のトランジスタ構造を活性化することは、第１のトランジスタ構造の横方向バイポーラトランジスタに第１の電流を誘起することを含むことができる。第１の電流は、活性化された第１のトランジスタ構造とバイアス電極との間で流路内に不均一電界を誘起することができ、不均一電界は、界面動電力を生成することができる。界面動電力は、近くの微小物体を不均一電界から弾き飛ばすことができる。したがって、界面動電力は、活性化された第１のトランジスタ構造に対応するベース部分の外面の第１の領域から離れる方に近くの微小物体を移動させることができる。
特定の実施形態では、第１のトランジスタ構造を活性化することは、活性化された第１のトランジスタ構造の垂直方向バイポーラトランジスタに第２の電流を誘起することを含むことができる。第２の電流は、界面動電力を高めることができる。例えば、第２の電流は、界面動電力の大きさを少なくとも２５％だけ増大させることができる。特定の実施形態では、横方向トランジスタにおける第１の電流の電流密度は、活性化された第１のトランジスタ構造の垂直方向トランジスタの第２の電流の電流密度の少なくとも１．５倍であり得る。
特定の実施形態では、微小物体は、ポリスチレンビーズまたはガラスビーズなどのビーズであり得る。ビーズは、約１μｍ〜約５０μｍの直径を有することができる。特定の実施形態では、微小物体は生物学的細胞であり得る。細胞は、ＳＰ２、ＨｅＬａ、胚、***、卵母細胞、およびジャーカット細胞からなる群から選択することができる。
特定の実施形態では、マイクロ流体デバイスの流路内の流体媒体は、ＰＢＳ、ＲＰＭＩ、またはＤＭＥＭからなる群から選択することができる。マイクロ流体デバイスの流路内の流体媒体は、約１０ｍＳ／ｍ〜約２Ｓ／ｍの導電率を有することができる。
特定の実施形態では、方法は、流路内の流体媒体の温度を維持することを含む。温度は、約５℃〜約５５℃に維持することができる。
本発明のいくつかの実施形態によるデバイス内部で局所的な界面動電力を選択的に生成するように構成されたマイクロ流体デバイスの例を示す。 本発明のいくつかの実施形態による図１のデバイスのベース部分の例示的な構成の部分断面斜視図である。 図２のベース部分の側断面図である。 図３Ａの上面図である。 縁取材構造を有さない図３Ｂの上面図である。 様々な寸法に符号が付された図３Ａの側断面図である。 本発明のいくつかの実施形態による同じ共通の電気導体を共有する複数のマイクロ流体デバイスの側面断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイスの異なるセクションに共通の複数の電気導体を含むマイクロ流体デバイスの側面断面図である。 本発明のいくつかの実施形態によるデバイス内の微小物体を選択的に移動させる例を示す、図２のベース部分を含むマイクロ流体デバイスの部分側断面図である。 図７に示すような微小物体を移動させるためのプロセスの例である。 本発明のいくつかの実施形態による図２のベース部分を作製するプロセスの例である。 本発明のいくつかの実施形態による図９のプロセスによって形成される中間構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による図９のプロセスによって形成される中間構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による図９のプロセスによって形成される中間構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による図９のプロセスによって形成される中間構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による図９のプロセスによって形成される中間構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による図９のプロセスによって形成される中間構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による図９のプロセスによって形成される中間構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による図９のプロセスによって形成される中間構造を示す。 本発明のいくつかの実施形態による図９のプロセスによって形成される中間構造を示す。
例示的実施形態の詳細な記載
本明細書は、本発明の例示的な実施形態および使用を記載する。しかしながら、本発明は、これらの例示的な実施形態および使用に限定されず、また、それらの例示的な実施形態および使用は、本明細書において機能するまたは記載される態様にも限定されない。さらに、図面は、単純化されたまたは部分的な図を示す場合があり、図中の要素の寸法は誇張されているか、または比例していない場合がある。加えて、用語「〜上に」、「〜に取り付けられている」、「〜に接続されている」、「〜に結合されている」または類似の語が本明細書で使用されている場合、一方の要素（例えば、材料、層、基板等）は、一方の要素が直接的に他の要素の上にあるか、それに取り付けられているか、それに接続されているか、またはそれに結合されているか、あるいは一方の要素と他方の要素との間に１つまたは複数の介在要素が存在しているかにかかわらず、他方の要素「上に」あるか、それに「取り付けられている」か、それに「接続されている」か、またはそれに「結合されている」ことができる。同じく、方向（例えば、上方、下方、頂部、底部、横、上、下、〜の下、〜の上、上部、下部、水平、垂直、「ｘ」、「ｙ」、「ｚ」等）は、提示されている場合、相対的なものであり、限定としてではなく単に例として、説明および考察を容易にするために提示される。加えて、要素の列記（例えば、要素ａ、ｂ、ｃ）に言及する場合、そのような言及は、列記された要素のうちのいずれか１つを単独で、列記された要素の全て未満のあらゆる組合せを、および／または列記された要素の全ての組み合わせを含むことを意図している。
本明細書で使用される場合、「実質的に」、「概ね」または「約」は、意図された目的のために機能するのに十分であることを意味する。用語「実質的に」、「概ね」または「約」は、したがって、当業者によって期待されるであろうような絶対的または完全な状態、寸法、測定値、結果などからの軽微でわずかな変化であるが、全体のパフォーマンスにほとんど影響を及ぼさない変化を許容する。数値または数値として表現できるパラメータまたは特性に関して使用される場合、「実質的に」または「概ね」は１０パーセント以内を意味する。「いくつか」という用語は１よりも多いことを意味する。「配置される」という用語は、その意味において「位置付けられる」を包含する。
数値、寸法、またはパラメータに関して本明細書で使用される場合、以下の略語を記載の通り定義する：「ｎｍ」はナノメートルを意味し、「μｍ」はマイクロメーターを意味し、「Ｗ／ｃｍ」は１センチメートル当たりのワットを意味し、「Ｗ／ｃｍ２」は１平方センチメートル当たりのワットを意味し、「ｋＨｚ」はキロヘルツを意味し、「ＭＨｚ」はメガヘルツを意味し、「Ｖｐｐｋ」はピーク間電位差を意味し、「ｍＳ／ｍ」は１メートル当たりのミリジーメンスを意味する。記号「／」は数学的区分を意味する。
本明細書で使用される場合、「マイクロ流体デバイス」または「マイクロ流体装置」は、流体を保持するように構成された１つまたは複数の個別のマイクロ流体回路を含むデバイスであり、それぞれのマイクロ流体回路は、流体的に相互接続された回路要素から構成され、回路要素には、限定しないが、領域、流路、チャネル、チャンバおよび／または囲いが含まれる。特定のマイクロ流体デバイス（例えば、カバーを含むもの）は、流体（および任意選択的に流体中に存在する微小物体または液滴）がマイクロ流体デバイスの内部および／または外部に流れることを可能にするように構成された少なくとも２つのポートをさらに含む。マイクロ流体デバイスのいくつかのマイクロ流体回路は、少なくとも１つのマイクロ流体チャネルおよび／または少なくとも１つのチャンバを含む。いくつかのマイクロ流体回路は、約１ｍＬ未満、例えば、約７５０、５００、２５０、２００、１５０、１００、７５、５０、２５、２０、１５、１０、９、８、７、６、５、４、３または２μＬ未満の流体体積を保持する。特定の実施形態では、マイクロ流体回路は、約１〜２、１〜３、１〜４、１〜５、２〜５、２〜８、２〜１０、２〜１２、２〜１５、２〜２０、５〜２０、５〜３０、５〜４０、５〜５０、１０〜５０、１０〜７５、１０〜１００、２０〜１００、２０〜１５０、２０〜２００、５０〜２００、５０〜２５０または５０〜３００μＬを保持する。
本明細書で使用される場合、「ナノ流体デバイス」または「ナノ流体装置」は、約１μＬ未満、例えば、約７５０、５００、２５０、２００、１５０、１００、７５、５０、２５、２０、１５、１０、９、８、７、６、５、４、３、２、１ｎＬ以下の流体体積を保持するように構成された少なくとも１つの回路要素を含むマイクロ流体回路を有するタイプのマイクロ流体デバイスである。典型的には、ナノ流体デバイスは、複数の回路要素（例えば、少なくとも２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、５０、７５、１００、１５０、２００、２５０、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１５００、２０００、２５００、３０００、３５００、４０００、４５００、５０００、６０００、７０００、８０００、９０００、１０，０００、またはそれを超える）を含み得る。特定の実施形態では、少なくとも１つの回路要素の１つまたは複数（例えば、全て）は、約１００ｐＬ〜１ｎＬ、１００ｐＬ〜２ｎＬ、１００ｐＬ〜５ｎＬ、２５０ｐＬ〜２ｎＬ、２５０ｐＬ〜５ｎＬ、２５０ｐＬ〜１０ｎＬ、５００ｐＬ〜５ｎＬ、５００ｐＬ〜１０ｎＬ、５００ｐＬ〜１５ｎＬ、７５０ｐＬ〜１０ｎＬ、７５０ｐＬ〜１５ｎＬ、７５０ｐＬ〜２０ｎＬ、１〜１０ｎＬ、１〜１５ｎＬ、１〜２０ｎＬ、１〜２５ｎＬ、または１〜５０ｎＬの流体体積を保持するように構成される。他の実施形態では、少なくとも１つの回路要素の１つまたは複数（例えば、全て）は、約１００〜２００ｎＬ、１００〜３００ｎＬ、１００〜４００ｎＬ、１００〜５００ｎＬ、２００〜３００ｎＬ、２００〜４００ｎＬ、２００〜５００ｎＬ、２００〜６００ｎＬ、２００〜７００ｎＬ、２５０〜４００ｎＬ、２５０〜５００ｎＬ、２５０〜６００ｎＬ、または２５０〜７５０ｎＬの流体体積を保持するように構成される。
本明細書で使用する際、「マイクロ流体チャネル」または「流れチャネル」は、水平方向の寸法（および、マイクロ流体デバイスがカバーを含む場合には垂直方向の寸法）よりもかなり長い長さを有するマイクロ流体デバイスの流れ領域を指す。例えば、流れチャネルは、水平（または垂直）寸法の長さの少なくとも５倍の長さ、例えば少なくとも１０倍の長さ、少なくとも２５倍の長さ、少なくとも１００倍の長さ、少なくとも２００倍の長さ、少なくとも５００倍の長さ、少なくとも１，０００倍の長さ、少なくとも５，０００倍の長さ、またはそれを超える長さを有することができる。いくつかの実施形態では、流れチャネルの長さは、その間のあらゆる範囲を含めて、約１００，０００ミクロン〜約５００，０００ミクロンの範囲にある。いくつかの実施形態では、水平方向の寸法は、約１００ミクロン〜約１０００ミクロン（例えば、約１５０〜約５００ミクロン）の範囲内であり、存在する場合、垂直方向の寸法は、約２５ミクロン〜約２００ミクロン、例えば約４０〜約１５０ミクロンの範囲にある。流れチャネルは、マイクロ流体デバイスにおいて様々な異なる空間構成を有することができ、したがって、完全に直線的な要素に限定されないことに留意されたい。例えば、流れチャネルは、以下の構成：湾曲、曲げ、螺旋、傾斜、窪み、フォーク（例えば、複数の異なる流れチャネル）およびそれらの任意の組み合わせを有する１つまたは複数のセクションであってもよく、またはそれを含んでもよい。加えて、流れチャネルは、その経路に沿って異なる断面積を有し、所望の流体の流れをその中に提供するように拡張し、収縮することができる。
いくつかの実施形態では、マイクロ流体デバイスは、流体媒体を収容するための１つまたは複数のエンクロージャの一部である外面を有するベース部分を備えることができる。ベース部分は、個々に制御可能なトランジスタ構造のアレイを備えることができ、個々に制御可能なトランジスタ構造のそれぞれは、その両方がフォトトランジスタであり得る横方向トランジスタおよび縦方向トランジスタを含むことができる。各トランジスタ構造は、ベース部分の外面の領域（したがって、エンクロージャ内の流体媒体）から共通の電気導体への一時的な電気接続を確立するように活性化させることができる。一時的な電気接続は、概ねその領域において、エンクロージャ内で近くの微小物体を動かすのに十分な強さであることができる局所的な界面動電力を誘起することができる。
図１は、マイクロ流体デバイス１００と制御および監視システム１７０とを含むマイクロ流体システムの例を示す。マイクロ流体デバイス１００は、１つまたは複数のマイクロ流体回路要素１０４（例えば、マイクロ流体チャネル１４２およびマイクロ流体チャンバ１４４）を含むことができる１つまたは複数のエンクロージャ１０２を含むことができる。エンクロージャ１０２、したがって、マイクロ流体回路要素１０４は、１種または複数種の流体媒体（図示せず）を含むように構成することができる。例えば、媒体（図示せず）は、エンクロージャ１０２の内面１１２上に配置することができる。マイクロ流体回路要素１０４は、相互に接続されて１つまたは複数のマイクロ流体回路を形成することができる。図示されるように、エンクロージャ１０２の内面１１２は、エンクロージャ１０２内の微小物体（図示せず）を移動させるのに十分な強さの局所的な界面動電力を選択的に誘起するように構成された界面動電要素を含むことができる。界面動電力の例は、誘電泳動（ＤＥＰ）力である。
エンクロージャ１０２は様々な方法で構成することができるが、エンクロージャ１０２は、界面動電的に構成されたベース部分１１０（以下、「ＥＫ構成ベース部分」と呼ぶ）、マイクロ流体構造１４０およびカバー１５０を含むものとして図１に示されている。ベース部分１１０、マイクロ流体構造１４０、およびカバー１５０は、互いに取り付け合うことができる。例えば、マイクロ流体構造１４０は、ベース部分１１０上に配置することができ、カバー１５０は、マイクロ流体構造１４０の上に配置することができる。ベース部分１１０、マイクロ流体構造１４０、およびカバー１５０は、エンクロージャ１０２を、したがってマイクロ流体回路要素１０４を画定することができる。１つまたは複数のポート１５２は、エンクロージャ１０２への入口および／またはそれからの出口を提供することができる。２つ以上のポート１５２が存在することができ、そのそれぞれは、入口、出口、または入口／出口ポートであることができる。代替的に、入口／出口ポートであることができる１つのポート１５２が存在することができる。１つまたは複数のポート１５２は、例えば、貫通路、弁等を備えることができる。
ＥＫ構成ベース部分１１０は、基板または相互接続されていてもよい複数の基板を含むことができる。例えば、ＥＫ構成ベース部分１１０は、１つまたは複数の半導体基板を含むことができる。ＥＫ構成ベース部分１１０は、プリント回路基板アセンブリ（「ＰＣＢＡ」）をさらに備えることができる。例えば、基板はＰＣＢＡ上に実装することができる。記載したように、マイクロ流体構造１４０は、ベース部分１１０上に配置することができる。エンクロージャ１０２の内面１１２は、ベース部分１１０の外面を含むことができ、ベース部分１１０の外面は、したがってエンクロージャ１０２の壁（例えば、床壁）のいくつかを、したがってマイクロ流体回路要素１０４を提供することができる。表面１１２は、エンクロージャ１０２内の微小物体（図示せず）に局所的な界面動電力を選択的に誘起するように個別に制御可能な界面動電要素１１４を含むことができる。図示されているように、各界面動電要素１１４は、両方ともフォトトランジスタとすることができる横方向トランジスタと縦方向トランジスタとの両方を含むトランジスタ構造を含むことができる。マイクロ流体デバイス１００は、界面動電要素１１４に電力を供給するためにバイアス電源１６４を接続可能なバイアス電極１６０、１６２を備えることができる。エンクロージャ１０２は、図示のようにバイアス電極１６０、１６２間に直接配置することができる。バイアス電極１６０、１６２はそれぞれ、１つまたは複数の電気導体（例えば、電気伝導性プレート、トレース等）を備えることができる。バイアス電極１６０、１６２の電気導体／伝導性プレートは、個別に対応可能である。個別に対応可能な導体／伝導性プレートは、ＥＫ構成ベース部分１１０の異なる領域に電気的に接続されることができ、それにより離散したＥＫ構成領域を有するＥＫ構成ベース部分１１０を提供する。例えば、複数の基板を含むＥＫ構成ベース部分１１０の場合、各基板は、バイアス電極１６２の単一の個別に対応可能な伝導性プレートに電気的に接続されることができる。個別に対応可能な導体／伝導性プレートは、対応するトランジスタスイッチを介して１つまたは複数のＡＣ電源に接続可能である。
マイクロ流体構造１４０は、エンクロージャ１０２の、したがってマイクロ流体回路要素１０４の壁のいくつかを提供するキャビティまたは同様のものを含むことができる。例えば、マイクロ流体構造１４０は、マイクロ流体回路要素１０４の側壁を提供することができる。マイクロ流体構造１４０は、ゴム、プラスチック、エラストマー、シリコーン（例えば、光パターン形成可能なシリコーン、すなわち「ＰＰＳ」）、ポリジメチルシロキサン（「ＰＤＭＳ」）等などの可撓性および／または弾性材料を含むことができ、それらの材料はいずれもガス透過性であり得る。マイクロ流体構造１４０を構成することができる材料の他の例には、成形ガラスなどの剛性材料、シリコンなどのエッチング可能材料、フォトレジスト（例えば、ＳＵ８）等が含まれる。前述の材料は、ガスに対して実質的に不浸透性であり得る。図１に示すマイクロ流体回路要素１０４の例は、マイクロ流体チャンバ１４４（例えば保持用囲い）が流体的に接続されるマイクロ流体チャネル１４２（流路の一例）を含む。マイクロ流体回路要素１０４の他の例には、マイクロ流体リザーバ（図示せず）、マイクロ流体ウェル（図示せず）等が含まれる。
カバー１５０は、マイクロ流体構造１４０上に配置することができ、エンクロージャ１０２の、したがってマイクロ流体回路要素１０４の壁（例えば、天井壁）の一部を提供することができる。いくつかの実施形態では、カバー１５０は、実質的に剛性の材料を含むことができる。１つまたは複数のポート１５２は、バイアス電極１６２およびカバー１５０を通ってエンクロージャ１０２に至る１つまたは複数の通路を提供することができる。したがって、液体媒体（図示せず）は、ポート１５２を介してエンクロージャ１０２に注入するか、エンクロージャ１０２から排出することができる。カバー１５０は、図１においてマイクロ流体構造１４０より上に配置されているが、上記の向きは異なっていてもよい。例えば、ベース部分１１０は、カバー１５０より上にあってもよいマイクロ流体構造１４０より上に配置することができる。
図１はまた、マイクロ流体デバイス１００を制御および監視するための制御および監視システム１７０の例を示している。図示のように、システム１７０は、制御器１７２および制御／監視機器１７８を備えることができる。図１において別々に示されているが、制御可能な投光システム１８０は、制御／監視機器１７８の一部と見なすことができる。制御器１７２は、デバイス１００を直接的におよび／または制御／監視機器１７８を介して制御および監視するように構成することができる。
制御器１７２は、デジタルプロセッサ１７４およびデジタルメモリ１７６を備えることができる。プロセッサ１７４は、例えば、デジタルプロセッサ、コンピュータ等であることができ、デジタルメモリ１７６は、データおよび機械実行可能命令（例えば、ソフトウェア、ファームウェア、マイクロコード等）を一過性でないデータまたは信号として記憶するためのデジタルメモリであることができる。プロセッサ１７４は、メモリ１７６に記憶されたそのような機械実行可能命令に従って動作するように構成することができる。代替的にまたは加えて、プロセッサ１７４は、ハードワイヤードのデジタル回路および／またはアナログ回路を備えることができる。したがって、制御器１７２は、本明細書で考察されるあらゆるプロセス（例えば、図８のプロセス８００）、そのようなプロセスのステップ、機能、動作等を実行するように構成することができる。プロセッサ１７４がメモリ１７６に記憶された機械実行可能命令に従って動作するように構成されており、および／またはデジタル論理回路および／もしくはアナログ回路を含むかどうかにかかわらず、制御器１７２または制御器１７２のいずれの部分も本明細書において１つまたは複数の「回路」と呼ばれることがある。
制御可能な投光システム１８０は、光源（例えば、高圧水銀ランプ、キセノンアークランプ等の水銀ランプ）、空間光変調器（例えば、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、マイクロシャッターアレイシステム（microshutter array system）（ＭＳＡ）、透過型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、液晶オンシリコン（liquid crystal on silicon）（ＬＣＯＳ）デバイス、強誘電性液晶オンシリコンデバイス（ferroelectric liquid crystal on silicon device）（ＦＬＣＯＳ）、走査型レーザデバイス等）、および選択されたパターンの光をエンクロージャ１０２に向けるための光路（例えば、光学系）を含むことができる。例えば、制御器１７２は、投光システム１８０に、エンクロージャ１０２への光の変化パターンを投射させることができる。
制御可能な投光システム１８０を備えることに加えて、制御／監視機器１７８は、マイクロ流体デバイス１００およびマイクロ流体デバイス１００で実行されるプロセスを制御または監視するための多数の異なるタイプの機器のいずれかを備えることができる。例えば、機器１７８は、マイクロ流体デバイス１００に電力を供給するための電源（図示せず）、マイクロ流体デバイス１００に流体媒体を提供するか、またはマイクロ流体デバイス１００から流体媒体を受け取る流体媒体源（図示せず）、エンクロージャ１０２内の媒体の流れを制御する流れ制御器（図示せず）、エンクロージャ１０２の内部の（例えば、微小物体の）画像をキャプチャするための光学デバイス（図示せず）などの画像キャプチャ機構（図示せず）、反応を刺激するためにエンクロージャ１０２にエネルギーを向けるための刺激機構（図示せず）等を含むことができる。
エンクロージャ１０２の全てまたは一部は、電極１６０、１６２間に配置することができる。例えば、図示するように、バイアス電極１６０をカバー１５０上に配置することができ、バイアス電極１６２をベース部分１１０上に配置することができる。バイアス電源１６４の例としては、交流（ＡＣ）電源が挙げられる。図２〜４は、図１のＥＫ構成ベース部分１１０の例示的な（２００）構成を示しており、ここで界面動電要素１１４は、横方向トランジスタ２５２および垂直方向トランジスタ２５４をそれぞれ含むトランジスタ構造２０６として実装されている。したがって、ＥＫ構造ベース部分２００は図１のおよび／または本明細書のいかなる考察におけるベース部分１１０にも取って代わることができる。図２のベース部分２００の外面２１４は、図１のエンクロージャ１０２の内面１１２と均等である。したがって、エンクロージャ１０２内の流体媒体（図示せず）は、ベース部分２００の外面２１４上に直接存在することができ、したがって、縁取材２１０および縁取材２１０の開口２０８によって露出された表面２１４の領域２０２などの外面２１４の特徴部と直接接触することができる。図２では、ＥＫ構成のベース部分２００はバイアス電極１６２上に配置されて示されている。
図示のように、ＥＫ構成ベース部分２００は、トランジスタ構造２０６のアレイを含むことができ、トランジスタ構造２０６のアレイのそれぞれは、ベース部分２００の外面２１４の別個の領域２０２を共通の導体（例えば、支持基板２０４および／またはバイアス電極１６２）に選択的に接続するように起動されることができる。図示されているように、これは、エンクロージャ１０２内の外面２１４に配置された流体媒体（図示せず）内の局所的な界面動電力を概ね領域２０２の上方に一時的に生成することができる。エンクロージャ１０２内に配置されているとき、そのような媒体（図示せず）は領域２０２と直接接触することができる。トランジスタ構造２０６のアレイは、図２では、規則的な行および列のパターンとして示されているが、トランジスタ構造２０６は、不規則なパターンを含む他のパターンに配置することができる。したがって、トランジスタ構造２０６のアレイは、規則的または不規則なアレイであり得る。
トランジスタ構造２０６は、支持層２０４上に配置（例えば、載置）することができる。誘電体縁取材層２１０および電気絶縁障壁２１２は、トランジスタ構造２０６を物理的に分離することができる。縁取材層２１０は、外面２１４上に配置可能であり、したがって外面２１４の一部と考えることができる。縁取材層２１０は、隣接するトランジスタ構造２０６間に外側誘電体縁取材を提供することができるが、開口２０８をトランジスタ構造２０６に個別に提供することもできる。障壁２１２は、縁取材層２１０から支持層２０４内に延び、ベース部分２００内の隣接するトランジスタ構造２０６を物理的に分離することができる。図示のように、開口２０８は、縁取材層２１０がトランジスタ構造２０６のエミッタ領域２４０の外側２４６の外周と重なるようにサイズを決めることができる。以下、エミッタ領域２４０の周囲部分と重なる縁取材層２１０の部分はオーバーラップ部分と呼ばれ、図３Ａにおいて２５６の符号が付される。縁取材層２１０は、誘電材料を含むことができ、その例は酸化シリコンを含む。障壁２１２は、電気絶縁材料を含むことができる。
図３Ａ〜図３Ｃで最もよく見られるように、各トランジスタ構造２０６は、エミッタ領域２４０、ベース領域２３０、およびコレクタ領域２２０を備えることができる。エミッタ領域２４０は、ベース領域２３０内に配置することができ、ベース領域２３０は示されるようにコレクタ領域２２０内に配置することができる。障壁２１２は、１つのトランジスタ構造２０６のエミッタ領域２４０、ベース領域２３０、およびコレクタ領域２２０を、隣接するトランジスタ構造２０６のエミッタ領域２４０、ベース領域２３０、およびコレクタ領域２２０から物理的に分離するために縁取材構造２１０から十分にベース部分２００内に延在することができる。
図示されているように、エミッタ領域２４０は、外面２１４の一部を含む外側２４６と、外側２４６の反対側の内側２４４と、垂直側２４２とを含むことができる。ベース部分２００の外側２１４の領域２０２は、縁取材線２１０の開口２０８によって露出されたエミッタ領域２４０の外側２４６の内側部分であることができる。
ベース領域２３０およびコレクタ領域２２０は、横方向部分２３２、２２２および垂直部分２３４、２２４を含むことができる。ベース領域２３０の横方向部分２３２は、図３Ａに示されているように、エミッタ領域２４０の横方向側２４２とコレクタ領域２２０の横方向部分２２２との間に配置することができる。コレクタ領域２２０の横方向部分２２２は、ベース領域２３０の横方向部分２３２および垂直部分２３４と、トランジスタ構造２０６を隣接するトランジスタ構造２０６から分離する障壁２１２との間に配置することができる。
ベース領域２３０の垂直部分２３４は、エミッタ領域２４０の内側２４４とコレクタ領域２２０の垂直部分２２４との間に配置することができる。コレクタ領域２２０の垂直部分２２４は、同様に、ベース領域２３０の垂直部分２３４と支持層２０４との間に配置することができる。
各トランジスタ構造２０６は、複数のトランジスタを含むことができる。例えば、トランジスタ構造２０６は、エミッタ領域２４０と、ベース領域２３０の横方向部分２３２と、コレクタ領域２２０の横方向部分２２２とを含む横方向トランジスタ２５２（例えば、バイポーラ接合トランジスタ）を含むことができる。前述の横方向トランジスタ２５２は、活性化されると、エミッタ領域２４０の外側２４６（したがって、ベース部分２００の外面２１４の領域２０２）から支持層２０４およびバイアス電極１６２へ至る横方向の伝導経路２７０を、以下のように提供する。横方向伝導経路２７０は、エミッタ領域２４０の外側２４６から、エミッタ領域２４０の横方向側２４２を通り、ベース領域２３０の横方向部分２３２を通過し、コレクタ領域２２０の横方向部分２２２を通過し、次いで、コレクタ領域２２０の垂直部分２２４を通過して支持層２０４へ、および支持層２０４を通過してバイアス電極１６２に至ることができる。
トランジスタ構造２０６はまた、エミッタ領域２４０、ベース領域２３０の垂直部分２３４、およびコレクタ領域２２０の垂直部分２２４を含むことができる垂直接合トランジスタ２５４（例えば、別のバイポーラ接合トランジスタ）を含むことができる。前述の垂直方向トランジスタ２５４は、活性化されると、エミッタ領域２４０の外側２４６を含むベース部分２００の外面２１４の領域２０２から支持層２０４およびバイアス電極１６２へ至る垂直伝導経路２７２を以下のように提供することができる、すなわち、垂直伝導経路２７２は、エミッタ領域２４０の外側２４６からエミッタ領域の内側２４４を通過し、ベース領域２３０の垂直部分２３４を通過し、コレクタ領域２２０の垂直部分２２４を通過し、次いで支持層２０４を通過してバイアス電極１６２へ至ることができる。したがって、トランジスタ構造２０６は、活性化されると、エミッタ領域２４０の外側２４６を含むベース部分２００の外面２１４の領域２０２から支持層２０４およびバイアス電極１６２に至る、横方向トランジスタ２５２を通過する横方向伝導経路２７０および垂直方向トランジスタ２５４を通過する垂直伝導経路２７２を提供することができる。理解されるように、支持層２０４およびバイアス電極１６２は、電気伝導性であることができ、したがって、いずれかまたは両方が共通の導体の例であることができる。
ベース部分２００は半導体基板を含むことができる。例えば、ベース部分２００は、シリコン基板、ヒ化ガリウム基板等を含むことができる。支持層２０４、コレクタ領域２２０、ベース領域２３０、およびエミッタ領域２４０は、半導体基板のドープ領域を含むことができる。例えば、支持層２０４、コレクタ領域２２０、およびエミッタ領域２４０は、第１のタイプのドーパントでドープすることができ、ベース領域２３０は、反対のタイプのドーパントでドープすることができる。したがって、例えば、支持層２０４、コレクタ領域２２０、およびエミッタ領域２４０は、Ｎドーパントでドープすることができ、ベース領域２３０は、Ｐドーパントでドープすることができる。別の例として、支持層２０４、コレクタ領域２２０、およびエミッタ領域２４０はＰドーパントでドープすることができ、ベース領域２３０はＮドーパントでドープすることができる。
それにもかかわらず、同じ種類のドーパントでドープされた領域は、異なる濃度のドーパントでドープされてもよい。例えば、支持層２０４、コレクタ領域２２０、および／またはエミッタ領域２４０のうちの１つまたは複数は、いわゆるＮ＋領域としてドープすることができる一方、それらの領域のうちの１つまたは複数の他の領域はＮ領域としてドープすることができ、ここで＋はＮドーパントのより高い濃度を示す。同様に、支持層２０４、コレクタ領域２２０、およびエミッタ領域２４０がＰドープされている場合、これらの領域の１つまたは複数をＰ＋領域としてドープすることができる。さらに、当業者には理解されるように、ＮドーパントがＰドーパントよりも豊富であり、領域の全体的な電気特性を支配する場合、Ｎ＋およびＮ−ドーピング領域はＰドーパントを含むことができる。同様に、ＰドーパントがＮドーパントよりも豊富であり、領域の全体的な電気的特性を支配する場合、Ｐ＋およびＰ−ドーピング領域はＮドーパントを含むことができる。Ｎドーパントは、負のキャリア（例えば、電子）のいずれかの供給源とすることができる。適切なＮまたはＮ＋ドーパントの例には、リン、ヒ素、アンチモン等が含まれる。Ｐドーパントは、正のキャリア（例えば、正孔）のいずれかの供給源とすることができる。適切なＰまたはＰ＋ドーパントの例には、ホウ素、アルミニウム、ベリリウム、亜鉛、カドミウム、インジウム等が含まれる。
支持層２０４は、高濃度にドープすることができ、したがって、例えば、約０．０２５オームｃｍ〜約０．０５０オームｃｍの抵抗率を有するＮ＋領域とすることができる。コレクタ領域２２０および／またはエミッタ領域２４０は、より高濃度でなくドープすることができ、したがって、例えば、約５オームｃｍ〜約１０オームｃｍの抵抗率を有するＮ領域とすることができる。代替的に、エミッタ領域２４０は高濃度にドープすることができる。例えば、エミッタ領域２４０のドーピング濃度は、約１０１８ｃｍ−３〜約１０２１ｃｍ−３の範囲であることができる。ベース領域２３０のドーピング濃度は、約１０１６ｃｍ−３〜約１０１８ｃｍ−３の範囲であることができる。前述の数値および範囲は、単に例として提示され、限定することを意図するものではない。
図４は、ベース部分２００の特定の寸法を明らかにする。示された寸法の適切なサイズの例は、以下を含む。縁取材２１０の厚さ４０２は、約７５０ｎｍ〜約２，０００ｎｍ、または約７５０ｎｍ〜約８５０ｎｍであり得る。エミッタ領域２４０の周囲を覆う縁取材２１０のオーバーレイ部分２５６の長さ４０４は、約１０ｎｍ〜約２００ｎｍであり得る。コレクタ領域２２０の横方向部分２２２の幅４０６は、約１００ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、または約６００ｎｍ〜約７５０ｎｍであり得る。ベース領域２３０の横方向部分２３２の幅４１０は、約１０ｎｍ〜約４００ｎｍ、または約２００ｎｍ〜約３００ｎｍであり得る。エミッタ領域２４０の厚さ４３４は、約１０ｎｍ〜約５００ｎｍ、または約５０ｎｍ〜約１５０ｎｍであり得る。ベース領域２３０の垂直部分２３４の厚さ４３０は、横方向部分２３２の幅４１０に対して以下のいずれかであり得る：それを超えるまたはそれに等しいか、２倍〜４倍大きいか、３倍〜４倍大きいか、または３．５倍大きい。コレクタ領域２２０の垂直部分２２４の厚さ４２６は、横方向部分２２２の幅４０６に対して以下のいずれかであり得る：それを超えるまたはそれに等しいか、２倍〜１０倍大きいか、４倍〜８倍大きいか、または６倍大きい。ベース領域２３０の垂直部分２３４の厚さ４３０は、エミッタ領域４４０の厚さ４３４よりも６倍〜１２倍大きいことができる。コレクタ領域２２０の垂直部分２２４の厚さ４２６は、ベース領域２３０の垂直部分２３４の厚さ４３０よりも３倍〜６倍大きいことができる。前述の数値および範囲は、単に例として提示され、限定することを意図するものではない。
縁取材２１０からベース部分２００への障壁２１２の垂直長さ４１４は、以下の通りであり得る：約２，０００ｎｍ〜約１１，０００ｎｍ、またはエミッタ領域２４０、ベース領域２３０の垂直部分２３４、およびコレクタ領域２２０の垂直部分２２４の厚さ４３４、４３０、４２６の合計より少なくとも１０％大きい。トランジスタ構造２０６のピッチでもある障壁２１２のピッチ４１８（例えば、隣接する障壁２１２の垂直中心軸間の距離）は、以下のようにすることができる：約１，０００ｎｍ〜約２０，０００ｎｍ、約８，０００ｎｍ〜約１２，０００ｎｍ、または約５，０００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍ。障壁２１２の幅４２２は、約１００ｎｍ〜約１，０００ｎｍであり得る。前述の数値および範囲は、単に例として提示され、限定することを意図するものではない。
図２〜図４に示すようなＥＫ構成ベース部分２００は一例であり、変形形態が考えられる。例えば、トランジスタ構造２０６の１つまたは複数において、領域２４０をコレクタ領域とすることができ、領域２２０をエミッタ領域とすることができる。別の例として、横方向トランジスタ２５２および／または垂直方向トランジスタ２５４の一方または両方は、接合トランジスタ以外のタイプのトランジスタであってもよい。例えば、横方向トランジスタ２５２および／または垂直方向トランジスタ２５４の一方または両方は、電界効果トランジスタとすることができる。図５および図６は、追加の変形形態の例を示す。
図５は、それぞれ図１のデバイス１００と同様のものであり得る複数のマイクロ流体デバイス５０２、５０４（２つが示されているが、より多く存在することができる）を示すが、ここで図２〜４のベース部分２００がベース部分１１０に取って代わっている。図示されているように、マイクロ流体デバイス５０２、５０４は、互いに区別され、分離することができるが、同じ共通の電気コネクタ５１２を共有することができ、電気コネクタ５１２はこれを用いない場合には図１のバイアス電極１６２と同様のものであり得る。
図６は、互いに電気的に絶縁された複数のセクション６０４、６０６を含むベース部分６０２を含むマイクロ流体デバイス６００を示す。ベース部分６０２の第１のセクション６０４は、障壁２１２によって分離されたトランジスタ構造２０６のアレイを含む、図２〜図４のベース部分２００のようにすることができる。第２のセクション６０６は、他の障壁２１２によって分離されたトランジスタ構造２０６の別のアレイを含む、ベース部分２００のように同様にすることができる。セクション６０４、６０６は、同じベース部分６０２の一部であるが、セクション６０４、６０６は例えば電気絶縁セパレータ６０８によって互いに電気的に絶縁されていてもよい。図示のように、第１のセクション６０４は、第２のセクション６０６のトランジスタ構造２０６ではなく、第１のセクション６０４のトランジスタ構造２０６に接続され、したがって、それに共通である第１の共通の電気導体６１２を含むことができる。同様に、第２のセクション６０６は、第１のセクション６０４のトランジスタ構造２０６ではなく、第２のセクション６０６のトランジスタ構造２０６に接続され、したがって、それに共通である第２の共通の電気導体６１４を含むことができる。
図７は、図１のデバイス１００の部分断面側面図を示すが、ここで図２〜４のＥＫ構成ベース部分２００がベース部分１１０に取って代わっている。微小物体７０２は、図示されているように、チャネル１４２中の流体媒体７４２内に配置される。図示されるように、トランジスタ構造２０６ｂの１つを活性化し、その横方向トランジスタ２５２および垂直方向トランジスタ２５４をオンにすることができる。この結果、横方向電流経路２７０（図３Ａに示される）に沿った横方向電流７２４および垂直方向電流経路２７２（同じく図３Ａに示される）に沿った垂直方向電流７２２を生じさせることができる。これは、バイアス電極１６０と、活性化されたトランジスタ構造２０６ｂのエミッタ領域２４０の外側２４６との間に局所的な不均一電界７１４を誘起することができる。不均一電界７１４は、活性化されたトランジスタ構造２０６ｂの外側２４６に対応するベース部分２００の表面２１４の領域２０２の概ね上のエンクロージャ内に局所的な界面動電力７０６（例えば、ＤＥＰ力）を生成することができる。
横方向電流７２４および垂直方向電流７２２の両方の組み合わせは、界面動電力７０６の強度を、電流７２２、７２４の１つのみによって生成され得る力よりも高めることができる。横方向電流７２４は、界面動電力７０６を、垂直方向電流のみによって生成され得る界面動電力よりも少なくとも５％、少なくとも１０％、少なくとも１５％、少なくとも２０％、少なくとも２５％、少なくとも３０％、少なくとも３５％、少なくとも４０％、少なくとも４５％、少なくとも５０％、少なくとも５５％、少なくとも６０％、少なくとも６５％、またはそれを超えて増大することができると考えられている。いくつかの実施形態では、横方向電流７２４は、垂直方向電流７２２の少なくとも１．５倍であり得る。
不均一電界７１４によって生成された力７０６は、（図７に示すように）反発力とすることができ、これは、近くの微小物体７０２を活性化されたトランジスタ構造２０６ｂから、例えば非活性化トランジスタ構造２０６ａまで押しやるのに十分に強くすることができる。代替的に、図７には示されていないが、不均一電界７１４によって生成された力７０６は、微小物体７０２を不均一電界７１４に引っ張る引力とすることができる。力７０６が反発力であるかまたは引力であるかは、媒体７４２の導電率、（例えば、バイアス電源１６４（図１参照）によって提供される）バイアス電力の周波数、および／または同様のものを含む多くのパラメータに依存し得る。
トランジスタ構造２０６は、多数の方法のいずれかで活性化されるように構成することができる。例えば、トランジスタ構造２０６は、そのベース領域２３０を活性化することによって活性化することができ、これは上で考察した電流７２２、７２４を生じさせることができる。いくつかの実施形態では、トランジスタ構造２０６は、ベース領域２３０に向けられた光ビームによって活性化されるように構成されたフォトトランジスタ構造とすることができる。例えば、図７に示すように、トランジスタ構造２０６ｂは、そのベース領域２３０の横方向部分２３２上に光ビーム７１２を向けることによって活性化することができる。代替的にまたは加えて、トランジスタ構造２０６ｂは、そのベース領域２３０の垂直部分２３４上に光ビーム（図示せず）を向けることによって活性化することができる。バイアス電極１６０およびカバー１５０は、光線に対して実質的に透明であり得、および／または光線（例えば、７１２）のための経路を提供する配置であり得る。縁取材２１０の厚さは、光ビーム７１２がベース領域２３０の横方向部分２３２まで貫通できるように十分に薄くすることができ、および／またはエミッタ領域２４０の厚さは、光ビームがベース領域２３０の垂直部分２３４まで貫通できるように十分に薄くすることができる。縁取材２１０およびエミッタ領域２４０の適切な厚さの例は上に提示されている。
同じく図７に示されているように、光ビームが存在しない場合、トランジスタ構造２０６ａは活性化されない。したがって、トランジスタ構造２０６のアレイ内のトランジスタ構造２０６は、個々の光ビーム７１２をトランジスタ構造２０６のベース領域２３０に向けることによって個々に活性化および非活性化され、次いで光ビーム７１２を除去することができる。上述のように、制御器１７２は、制御可能な投光システム１８０によってエンクロージャ１０２に向けられる光のパターンを制御および変更することができ、したがって、図７に示すトランジスタ構造２０６のように構成されたＥＫ要素１１４の個々のおよびパターンの活性化を制御および変更することができる。
代替的に、１つまたは複数のトランジスタ構造２０６は、光以外の方法で活性化されるように構成することができる。例えば、個別の電気リード（図示せず）をトランジスタ構造２０６の１つまたは複数のベース領域２３０に提供することができ、このようにして、これは活性化信号をリードを介してベース領域２３０に適用することによって活性化することができ、および活性化信号を除去することによって非活性化することができる。
図８は、１つのトランジスタ構造２０６から別のトランジスタ構造２０６に微小物体（７０２のような）を移動させるプロセス８００の例である。ステップ８０２において、トランジスタ構造が活性化される。例えば、図７に示すように、トランジスタ構造２０６ｂは、上で考察したように（例えば、光ビーム７１２を用いて）活性化することができる。ステップ８０４において、活性化されたトランジスタ構造（例えば、図７の２０６ｂ）は、横方向および垂直方向の電流（例えば、図７の７２２、７２４）を誘起し、これにより概ね活性化されたトランジスタ構造の上方に局所的な非均一電界（例えば、７１４）を生成する。ステップ８０６において、不均一電界は、上で考察したように、近くの微小物体に、微小物体７０２を力に近づけたり遠ざけたりするのに十分な界面動電力（例えば、図７の７０６）を誘起することができる。例えば、図７に示すように、力７０６は、微小物体７０２を活性化されたトランジスタ構造２０６ｂから隣接する非活性化トランジスタ構造２０６ａに押しやる反発力とすることができる。
上述のように、図１の界面動電要素１１４は、それぞれトランジスタ構造２０６として構成することができる。微小物体（例えば、図７の７０２のようなもの）は、エンクロージャ１０２内の微小物体７０２を必要に応じて動かすパターンで界面動電要素１１４の１つを選択的に活性化および非活性化するステップ６０２〜６０６を繰り返すことにより、界面動電要素１１４から界面動電要素１１４へ移動させることができる。図示していないが、界面動電要素１１４のパターンを同時に活性化して、微小物体を所望の方向に押すことができる。
微小物体７０２は、いずれかの種類の無生物または生物学的微小物体とすることができる。例えば、微小物体７０２は、マイクロビーズ（例えば、直径約１μｍ〜約５０μｍのポリスチレンビームまたはガラスビーズ）、マイクロロッド等であってもよい。生物学的微小物体の例には、ＳＰ２、ＨｅＬａ、またはジャーカット細胞等などの細胞、ならびに胚、***、卵母細胞等が含まれる。
いくつかの実施形態では、流体媒体７４２は、約１０ｍＳ／ｍ〜約２Ｓ／ｍの電気伝導率を有することができる。流動媒体の例として、生理食塩水（例えば、ＰＢＳ等）、および細胞培養液（例えば、ＲＰＭＩ ＤＭＥＭ等）等が挙げられる。プロセス９００は、媒体７４２を約５℃〜約５５℃の温度に維持することを含むことができる。
バイアス電源１６４によってバイアス電極１６０、１６２に提供され得るバイアス電力の例は以下を含む。約１Ｖｐｐｋ〜約５０Ｖｐｐｋのピークツーピーク電圧および／または約１００ｋＨｚ〜約１０ＭＨｚの周波数を有する交流（ＡＣ）バイアス電力。バイアス電力は、方形波形、正弦波形、または三角波形であってもよい。光ビーム７１２は、約０．１Ｗ／ｃｍ２〜約１０００Ｗ／ｃｍ２の強度を有することができる。
図９のプロセス９００は、図２〜図４に示されたＥＫ構成ベース部分２００を作製する例を示す。図１０〜図１６は、プロセス９００中に生成された中間構造の例を示す。
ステップ９０２において、プロセス９００は、ドープされた支持層を含む半導体基板を得ることができる。図１０は、ドープされた支持層１００２を含む半導体基板１０００の一例を示す。基板１０００の外面は、図１０〜図１６において１００６と表示されている。半導体基板１０００は上でベース部分２００について特定されたいずれかの半導体材料を含むことができる。図示されるように、ドープされた支持層１００２は、ベース部分２００内の支持層２０４の基礎とすることができ、したがって、上で支持層２０４について特定された材料のいずれかで、およびパラメータのいずれかに従ってドープすることができる。代替的に、プロセス９００の実行中または実行後に形成することができるドープされた支持層１００２なしで、ステップ９０２で基板１０００を得ることができる。
ステップ９０４において、プロセス９００は、ドープされた支持層と同じタイプのドーパントでドープすることができるコレクタドープ層を基板に形成することができる。図１１は、ドープされた支持層１００２に直接隣接する基板１０００に形成されたドープされたコレクタ層１１０２の例を示す。コレクタドープ層１１０２は、上でコレクタ領域２２０用として特定された材料のいずれかで、およびパラメータのいずれかに従ってドープすることができる。
ステップ９０６において、プロセス９００は、ステップ９０２で得られた基板内に電気絶縁障壁２１２（図２〜４参照）を形成することができる。図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、トレンチ１２０２を基板１０００内に、外面１００６からコレクタドープ層１１０２を通りドープされた支持層１００２内へと形成可能である。トレンチ１２０２によって包囲された（例えば、囲まれた）基板１０００の部分は、トランジスタ構造部位１２０６を画定し、ここにトランジスタ構造２０６（図２〜４参照）が形成される。したがって、トレンチ１２０２は、トランジスタ構造２０６が所望される基板１０００内の場所の周りに形成することができる。トレンチ１２０２は、図１２Ａおよび図１２Ｂにも示されているように、電気絶縁材料１２０４で充填することができる。
ステップ９０８において、プロセス９００は、トランジスタ構造部位に開口部を有するマスクを基板上に形成することができる。図１３Ａおよび図１３Ｂは、開口部１３０４を有するマスク１３０２が基板１０００の表面１００６上に形成された例を示す。図示するように、マスク１３０２は厚さ１３１２を有することができ、および各開口部１３０４は対応するトランジスタ構造部位１２０６よりも小さくすることができ、それによりマスク１３０２がトレンチ１２０２に重なり、トレンチ１２０２からトランジスタ構造部位１２０６内へ距離１３０６だけ延在するようにする。図１３Ａおよび図１３Ｂにおいて、開口部１３０４の寸法は、符号１３１４および１３１６で示される。
理解されるように、マスク１３０２は、それを介してトランジスタ構造２０６のベース領域２３０およびエミッタ領域２４０が各トランジスタ部位１２０６に形成されるマスクとして機能する。いくつかの実施形態では、上記はマスク１３０２の唯一の機能であり、その後ステップ９１０、９１２を実行した後に除去される。他の実施形態では、マスク１３０２は縁取材２１０でもある。そのような実施形態では、マスク１３０２は、上で縁取材２１０について特定された材料のいずれかを含むことができ、また寸法およびパラメータのいずれかを有することができる。マスク１３０２は、ステップ９０８において、このような寸法およびパラメータで形成することができる。代替的に、マスク１３０２は、ステップ９０８で異なるパラメータで形成され、次いで、ステップ９１０、９１２を実行した後、縁取材２１０の所望の寸法およびパラメータを有するように修正されてもよい。例えば、マスク１３０２は、ステップ９０８において、ステップ９１０、９１２を実行するために伝導性のある厚さ１３１２で形成可能である。ステップ９１０、９１２を実行した後、厚さ１３１２を縁取材２１０の所望の厚さ４０２（図４参照）に減少させることができる。
ステップ９１０において、プロセス９００は、トランジスタ部位のマスクの開口部を通して、コレクタドープ層のベースドープ領域を形成することができる。図１４は、トランジスタ部位１２０６においてコレクタドープ層１１０２内にベースドープ領域１４０２が形成された例を示す。ドーピングプロセスのパラメータは、基板１０００の表面１００６からコレクタ層１１０２に入り込むベースドープ領域１４０２の深さ１４１４が図４に示される所望の寸法４３０、４３４の合計であるように制御することができる。同様に、ドーピングプロセスのパラメータは、マスク１３０２の下のベースドープ領域１４０２のアンダーラップ１４１２が、図４に示される所望の寸法４１０、４０４の合計であるように制御することができる。ステップ９１０におけるドーピングは、上でトランジスタ構造２０６のベース領域２３０について特定された材料のいずれかによるもの、およびパラメータのいずれかに従うものであることができる。
ステップ９１２において、プロセス９００は、トランジスタ部位のマスクの開口部を通して、ステップ９１０で形成されたベースドープ領域内にエミッタドープ領域を形成することができる。図１５は、エミッタドープ領域１５０２がベースドープ領域１４０２内に形成された例を示す。ドーピングプロセスのパラメータは、基板１０００の表面１００６からベースドープ領域１４０２に入り込むエミッタドープ領域１５０２の深さ１５１４が図４に示される所望の寸法４３４となるように制御することができる。同様に、ドーピングプロセスのパラメータは、マスク１３０２の下のエミッタドープ領域１５０２のアンダーラップ１５１２が図４に示す所望の寸法４０４になるように制御することができる。ステップ９１２におけるドーピングは、上でトランジスタ構造２０６のエミッタ領域２４０について特定された材料のいずれかによるもの、およびパラメータのいずれかに従うものであることができる。
ステップ９１４において、縁取材２１０を提供することができる。上述したように、マスク１３０２を縁取材２１０として利用することができ、この場合、マスク１３０２は必要に応じて修正され、マスク２１０となるように所定の位置に残すことができる。そうでない場合、マスク１３０２はステップ９１４の一部として除去され、縁取材２１０を基板の外面１００６上に形成することができる。
図１６は、プロセス９００の結果としてトランジスタ部位１２０６の１つに形成されたトランジスタ構造２０６（図２〜図４参照）を示す。充填されたトレンチ１２０２は障壁２１２である。ドープされた支持層１００２は支持層２０４である。ベースドープ領域１４０２とエミッタドープ領域１５０２とを除いた充填トレンチ１２０２間のコレクタドープ層１１０２は、コレクタ領域２２０である。エミッタドープ領域１５０２を除くベースドープ領域１４０２はベース領域２３０であり、エミッタドープ領域１５０２はエミッタ領域２４０である。図１０〜図１６は、プロセス９００によって基板１０００にトランジスタ構造２０６を形成することができる多くのトランジスタ部位１２０６のうちの１つのみを示している。したがって、多くのそのようなトランジスタ構造２０６をプロセス９００によって基板１０００上に形成することができる。例えば、複数のトランジスタ構造２０６を、プロセス９００によって基板１０００上に互いに隣接して、例えばランクおよびファイルアレイに形成することができる。
本明細書において本発明の特定の実施形態および使用を説明したが、これらの実施形態および使用は単なる例示であり、多くの変形形態が可能である。

Claims (38)

  1. マイクロ流体デバイスであって、
    マイクロ流体構造とベース部分とを有するエンクロージャを含み、
    前記ベース部分は、共通の電気導体を含み、
    前記マイクロ流体構造および前記ベース部分の外面は、前記エンクロージャ内の流路を共に画定し、
    前記ベース部分は、トランジスタ構造のアレイを含み、前記アレイ中のそれぞれの前記トランジスタ構造は、前記ベース部分の前記外面の対応する領域を前記共通の電気導体に接続する横方向バイポーラトランジスタを含み、
    前記アレイ中のそれぞれの前記トランジスタ構造は、前記ベース部分の前記外面の前記対応する領域を接続する垂直方向バイポーラトランジスタをさらに含む、マイクロ流体デバイス。
  2. 前記アレイ中のそれぞれの前記トランジスタ構造は、トレンチによって前記アレイ中の他のトランジスタ構造から物理的に分離されている、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  3. 前記共通の電気導体は、トランジスタ構造の前記アレイが載置されるＮ＋半導体基板を含む、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  4. 前記Ｎ＋半導体基板は、アンチモン、ヒ素およびリンからなる群から選択されるドーパントを含む、請求項３に記載のマイクロ流体デバイス。
  5. 前記Ｎ＋シリコン基板は、約０．０２５オームｃｍ〜約０．０５０オームｃｍの抵抗率を有する、請求項３に記載のマイクロ流体デバイス。
  6. 前記アレイの前記トランジスタ構造のピッチは、約１０００ｎｍ〜約２０，０００ｎｍである、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  7. 前記アレイの前記トランジスタ構造のピッチは、約８０００ｎｍ〜約１２，０００ｎｍである、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  8. 前記アレイの前記トランジスタ構造のピッチは、約５０００ｎｍ〜約１０，０００ｎｍである、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 前記トレンチの垂直深さは、前記コレクタ、ベースおよびエミッタ領域の合計垂直深さよりも少なくとも１０％大きい、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
  10. 前記トレンチの垂直深さは、約２，０００ｎｍ〜約１１，０００ｎｍである、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
  11. 前記トレンチの横方向の幅は、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍである、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
  12. 前記トレンチ内に配置された電気絶縁性材料をさらに含む、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
  13. 前記マイクロ流体構造および前記ベース部分は、共に保持用囲いをさらに画定する、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  14. 前記保持用囲いは、前記流路に接続される、請求項１３に記載のマイクロ流体デバイス。
  15. 前記マイクロ流体構造および前記ベース部分は、複数の相互接続された流体構造を共に画定し、および
    前記流路は、前記流体構造の１つである、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  16. 前記流路は、流体チャネルを含む、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  17. 前記アレイの前記トランジスタ構造は、前記ベース部分の前記外面の異なる領域を前記共通の電気導体に接続し、および
    前記ベース部分の前記外面の前記領域は、前記流路内の流体媒体と直接接触するように配置される、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  18. バイアス電極をさらに含み、前記流路は、前記バイアス電極と前記ベース部分の前記共通の電気導体との間に配置される、請求項１７に記載のマイクロ流体デバイス。
  19. 前記ベース部分は、第１のセクションと、前記第１のセクションから電気的に絶縁された第２のセクションとを含み、
    トランジスタ構造の前記アレイは、前記第１のセクション内の前記トランジスタ構造の第１のアレイであり、前記ベース部分は、前記第２のセクション内の前記トランジスタ構造の第２のアレイを含み、
    前記共通の電気導体は、前記第１のセクションの前記トランジスタ構造に共通であるが、前記第２のセクションの前記トランジスタ構造に共通でない第１の共通の導体であり、および
    前記ベース部分は、前記第２のセクションの前記トランジスタ構造に共通であるが、前記第１のセクションの前記トランジスタ構造に共通でない第２の共通の導体をさらに含む、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  20. 第１のマイクロ流体デバイスと、
    第２のマイクロ流体デバイスと
    を含むマイクロ流体装置であって、
    前記第１および第２のマイクロ流体デバイスのそれぞれは、請求項１に記載のマイクロ流体デバイスに従って構成され、
    前記第１のマイクロ流体デバイスの前記エンクロージャは、前記第２のマイクロ流体デバイスの前記エンクロージャから分離され、区別され、
    前記第１のマイクロ流体デバイスの前記共通の電気導体および前記第２のマイクロ流体デバイスの前記共通の電気導体は、電気的に接続されて、前記第１のマイクロ流体デバイスおよび前記第２のマイクロ流体デバイスに共通の電気導体を構成する、マイクロ流体装置。
  21. 請求項１ないし１９のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス、および前記マイクロ流体デバイスの作動を制御するための制御機器を含む、システム。
  22. 前記制御機器は、前記流路内の流体媒体の流れを制御するための流れ制御器を含む、請求項２１に記載のシステム。
  23. 前記制御機器は、光源と、空間光変調器と、選択されたパターンの光を前記エンクロージャに向けるための光路とを含む、請求項２１に記載のシステム。
  24. 前記制御機器は、前記エンクロージャ内の画像をキャプチャするための光学デバイスを含む、請求項２１に記載のシステム。
  25. 前記制御機器は、前記マイクロ流体デバイスの作動を制御するためのプロセッサを含む、請求項２１に記載のシステム。
  26. 請求項１８に記載のマイクロ流体デバイス内の流体媒体中の微小物体を移動させる方法であって、
    前記バイアス電極および前記ベース部分の前記共通の電気導体にバイアス電力を提供すること、および、
    前記ベース部分の前記外面の前記領域のうちの第１の領域で前記トランジスタ構造のうちの第１のトランジスタ構造を活性化すること
    を含み、
    前記活性化することは、前記活性化された第１のトランジスタ構造の近くで、前記流路内の近くの微小物体を移動させるのに十分な界面動電力を生成する、方法。
  27. 前記活性化することは、前記第１のトランジスタ構造の前記横方向バイポーラトランジスタ内に第１の電流を誘起し、前記第１の電流は、前記活性化された第１のトランジスタ構造と前記バイアス電極との間で前記流路内に不均一電界を誘起し、前記不均一電界は、前記界面動電力を生成する、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記界面動電力は、前記近くの微小物体を前記不均一電界から弾き飛ばす、請求項２７に記載の方法。
  29. 前記界面動電力は、前記活性化された第１のトランジスタ構造に対応する前記ベース部分の前記外面の前記第１の領域から離れる方に前記近くの微小物体を移動させる、請求項２６に記載の方法。
  30. 前記活性化することは、前記活性化された第１のトランジスタ構造の前記垂直方向トランジスタ内に第２の電流も誘起し、前記第２の電流は、前記界面動電力を高める、請求項２７に記載の方法。
  31. 前記第２の電流は、前記界面動電力の大きさを少なくとも２５％だけ増大する、請求項３０に記載の方法。
  32. 前記横方向トランジスタ内の前記第１の電流の電流密度は、前記活性化された第１のトランジスタ構造の前記垂直方向トランジスタ内の前記第２の電流の電流密度よりも少なくとも１．５倍大きい、請求項３０に記載の方法。
  33. 前記活性化することは、前記第１のトランジスタ構造の前記ベース領域上に光ビームを向けることを含む、請求項２６から３２のいずれか一項に記載の方法。
  34. 前記微小物体は、生物学的細胞である、請求項２６から３２のいずれか一項に記載の方法。
  35. 前記マイクロ流体デバイスの前記流路内の前記流体媒体は、約１０ｍＳ／ｍ〜約２Ｓ／ｍの導電率を有する、請求項２６から３２のいずれか一項に記載の方法。
  36. 前記提供することは、約１Ｖｐｐｋ〜約５０Ｖｐｐｋのピークツーピーク電圧を有するバイアス電力を提供することを含む、請求項２６から３２のいずれか一項に記載の方法。
  37. 前記提供することは、約１００ｋＨｚ〜約１０ＭＨｚの周波数でバイアス電力を提供することを含む、請求項２６から３２のいずれか一項に記載の方法。
  38. 前記光ビームは、約０．１Ｗ／ｃｍ２〜約１０００Ｗ／ｃｍ２の強度を有する、請求項３３に記載の方法。
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