JP2011247795A - Field effect transistor, manufacturing method thereof and biosensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a field effect transistor for reducing burden on manufacturing processes and differences in characteristics between devices, and to provide a manufacturing method of the transistor and a biosensor.SOLUTION: When just a source electrode 3 and a drain electrode 4 are formed, a titanium oxide film 9 is naturally formed on the surfaces of the source electrode 3 and the drain electrode 4 as a coating. Conventionally, coating work on a source electrode 102 and a drain electrode 103 with an insulating epoxy resin 107 has been performed separately, but this process can be eliminated and manufacturing processes can be simplified; thus, burden on manufacturing processes is reduced. Also, since the titanium oxide film 9 coating the surfaces of the source electrode 3 and the drain electrode 4 is formed by natural oxidization in the ambient atmosphere, the film thickness of the titanium oxide film 9 is formed to be extremely thin and uniform. Consequently, the film thickness of the titanium oxide film 9 extending off a surface of a detection layer 7 is the same between different devices, thereby the surface areas of the detection layers 7 being uniform across different devices, and difference of characteristics between devices is reduced.

Description

本発明は、電界効果トランジスタ、その製造方法及びバイオセンサに関し、例えば、参照電極と電界効果トランジスタとを電解質溶液に浸漬させた構成を有するバイオセンサに適用して好適なものである。   The present invention relates to a field effect transistor, a method for manufacturing the same, and a biosensor, and is suitable for application to a biosensor having a configuration in which, for example, a reference electrode and a field effect transistor are immersed in an electrolyte solution.

近年、図13に示すように、多結晶ダイヤモンドからなる基板(以下、ダイヤモンド基板と呼ぶ)101上にソース電極102及びドレイン電極103が形成された電界効果トランジスタ110と、当該電界効果トランジスタ110に対向して配置された参照電極106とを備えるバイオセンサ100が知られている(例えば、非特許文献1参照)。実際上、バイオセンサ100は、電界効果トランジスタ110上に壁部(図示せず)が設けられ、この壁部内に電解質溶液を貯留させて、この電解質溶液内に参照電極106が浸漬された構成を有する。   In recent years, as shown in FIG. 13, a field effect transistor 110 in which a source electrode 102 and a drain electrode 103 are formed on a substrate made of polycrystalline diamond (hereinafter referred to as a diamond substrate) 101, and the field effect transistor 110 is opposed to the field effect transistor 110. There is known a biosensor 100 including a reference electrode 106 arranged as described above (for example, see Non-Patent Document 1). In practice, the biosensor 100 has a configuration in which a wall (not shown) is provided on the field effect transistor 110, an electrolyte solution is stored in the wall, and the reference electrode 106 is immersed in the electrolyte solution. Have.

電界効果トランジスタ110は、ソース電極102及びドレイン電極103間のチャネル層(図示せず)の表面にアミノ終端化された検出層105を有しており、電解質溶液内の検出対象分子が検出層105の表面近傍に固定され得る。これにより、電界効果トランジスタ110では、参照電極106から検出層105に電界が印加されると、検出対象分子が有する電荷により、チャネル層を流れる電流量が変化し得るようになされている。   The field effect transistor 110 has an amino-terminated detection layer 105 on the surface of a channel layer (not shown) between the source electrode 102 and the drain electrode 103, and the detection target molecule in the electrolyte solution is detected by the detection layer 105. It can be fixed in the vicinity of the surface. Thus, in the field effect transistor 110, when an electric field is applied from the reference electrode 106 to the detection layer 105, the amount of current flowing through the channel layer can be changed by the charge of the detection target molecule.

ここで、電界効果トランジスタ110では、ダイヤモンドの物理特性である電位窓が大きいため、検出層105の表面を電解質溶液中に暴露して用いてもリーク電流が発生しない。しかしながら、ソース電極102及びドレイン電極103は、ダイヤモンドに比較して電位窓が小さい金により形成されていることから、ソース電極102及びドレイン電極103を電解質溶液中に直接暴露すると、ソース電極102及びドレイン電極103と、参照電極106との間でリーク電流が生じてしまうという問題があった。   Here, in the field effect transistor 110, since the potential window which is a physical characteristic of diamond is large, no leakage current is generated even when the surface of the detection layer 105 is exposed to the electrolyte solution. However, since the source electrode 102 and the drain electrode 103 are formed of gold having a potential window smaller than that of diamond, when the source electrode 102 and the drain electrode 103 are directly exposed to the electrolyte solution, the source electrode 102 and the drain electrode 103 are exposed. There has been a problem that a leak current is generated between the electrode 103 and the reference electrode 106.

そこで、そのような問題点を解決するために、従来の電界効果トランジスタ110では、ソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107によって覆い、これらソース電極102及びドレイン電極103が電解質溶液中に直接暴露されることが防止されている。   Therefore, in order to solve such a problem, in the conventional field effect transistor 110, the source electrode 102 and the drain electrode 103 are covered with an insulating epoxy resin 107, and the source electrode 102 and the drain electrode 103 are in the electrolyte solution. Direct exposure is prevented.

S.Kuga, J.H.Yang, H.Takahashi, K.Hirama, T.Iwasaki and H.Kawarada, “Detection of Mismatched DNA on Partially Negatively Charged Diamond Surfaces by Optical and Potentiometric Methods”, Am.Chem.Soc, Vol.130, pp.13251-13263, September 2008.S.Kuga, JHYang, H.Takahashi, K.Hirama, T.Iwasaki and H.Kawarada, “Detection of Mismatched DNA on Partially Negatively Charged Diamond Surfaces by Optical and Potentiometric Methods”, Am.Chem.Soc, Vol.130 , pp.13251-13263, September 2008.

しかしながら、かかる構成でなる電界効果トランジスタ110では、ソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で覆う製造工程が必要となることから、製造工程が複雑化し、その分だけ製造コストが増大するという問題があった。   However, the field effect transistor 110 having such a configuration requires a manufacturing process in which the source electrode 102 and the drain electrode 103 are covered with the insulating epoxy resin 107, which complicates the manufacturing process and increases the manufacturing cost accordingly. There was a problem.

また、このような電界効果トランジスタ110では、絶縁性エポキシ樹脂107をソース電極102及びドレイン電極103に塗布する際、検出層105にまで絶縁性エポキシ樹脂107がはみ出す虞もあり、この場合、電解質溶液中に露出する検出層105の面積が電界効果トランジスタ110毎に異なってしまうため、品質の均一化が図れないという問題があった。   Further, in such a field effect transistor 110, when the insulating epoxy resin 107 is applied to the source electrode 102 and the drain electrode 103, the insulating epoxy resin 107 may protrude to the detection layer 105. In this case, the electrolyte solution Since the area of the detection layer 105 exposed inside differs for each field effect transistor 110, there is a problem in that quality cannot be made uniform.

そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、製造コストを低減できるとともに、品質を均一化し得る電界効果トランジスタ、その製造法及びバイオセンサを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in consideration of the above points, and an object thereof is to provide a field effect transistor, a method of manufacturing the same, and a biosensor that can reduce the manufacturing cost and make the quality uniform.

本発明の請求項1では、ダイヤモンド基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に検出層を有する電界効果トランジスタにおいて、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、チタンからなり、前記ダイヤモンド基板上に形成され、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面には自然酸化により酸化チタン膜が形成されていることを特徴とするものである。   According to claim 1 of the present invention, in a field effect transistor having a source electrode and a drain electrode on a diamond substrate, and having a detection layer between the source electrode and the drain electrode, the source electrode and the drain electrode are made of titanium. The titanium oxide film is formed on the diamond substrate, and a titanium oxide film is formed by natural oxidation on the surfaces of the source electrode and the drain electrode.

また、請求項2では、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、炭化チタン層を介して、前記ダイヤモンド基板上に形成されることを特徴とするものである。   According to a second aspect of the present invention, the source electrode and the drain electrode are formed on the diamond substrate via a titanium carbide layer.

また、請求項3では、前記検出層は、アミノ終端化されることを特徴とするものである。   According to a third aspect of the present invention, the detection layer is amino-terminated.

また、請求項4では、前記検出層の表面には、リンカー分子がアミノ基に結合されて設けられることを特徴とするものである。   According to a fourth aspect of the present invention, linker molecules are bonded to amino groups on the surface of the detection layer.

また、請求項5では、ダイヤモンド基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に検出層を有する電界効果トランジスタの製造方法において、前記ダイヤモンド基板にチタン膜を形成し、前記チタン膜から所定形状でなる前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する電極形成ステップを備え、前記電極形成ステップでは、前記チタン膜が自然酸化によって前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面に酸化チタン膜が形成されることを特徴とするものである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a field effect transistor comprising a source electrode and a drain electrode on a diamond substrate, and having a detection layer between the source electrode and the drain electrode, a titanium film is formed on the diamond substrate, An electrode forming step of forming the source electrode and the drain electrode having a predetermined shape from the titanium film, wherein the titanium film is formed on the surface of the source electrode and the drain electrode by natural oxidation; Is formed.

また、請求項6では、前記ソース電極及び前記ダイヤモンド基板間と、前記ドレイン電極及び前記ダイヤモンド基板間とに、炭化チタン層を形成する炭化チタン形成ステップと、を備えることを特徴とするものである。   According to a sixth aspect of the present invention, the method includes a titanium carbide forming step of forming a titanium carbide layer between the source electrode and the diamond substrate and between the drain electrode and the diamond substrate. .

また、請求項7では、電界効果トランジスタ及び参照電極が電解質溶液に浸漬された構成を有し、前記参照電極から前記電解質溶液を介して前記電界効果トランジスタに電界が印加されることで、前記電解質溶液内の検出対象分子の検出に応じて電流が変化するバイオセンサにおいて、前記電界効果トランジスタは、請求項1〜4の電界効果トランジスタであることを特徴とするものである。   Further, in claim 7, the field effect transistor and the reference electrode are immersed in an electrolyte solution, and an electric field is applied from the reference electrode to the field effect transistor through the electrolyte solution, whereby the electrolyte In the biosensor in which the current changes according to the detection of the molecule to be detected in the solution, the field effect transistor is the field effect transistor according to claims 1 to 4.

本発明の請求項1及び請求項5によれば、ソース電極及びドレイン電極をチタンで形成し、これらソース電極及びドレイン電極を自然酸化させることにより酸化チタン膜を形成して、当該ソース電極及びドレイン電極の表面を酸化チタン膜で被覆するようにしたことにより、従来行われていたソース電極及びドレイン電極を絶縁性エポキシ樹脂で覆う工程を省くことができ、その分だけ製造コストを低減し得る。また、ソース電極及びドレイン電極自体が自然酸化し、それら表面に自然に酸化チタン膜が形成されることから、従来のように検出層にまで絶縁性エポキシ樹脂がはみ出す虞もなく、ソース電極及びドレイン電極だけを酸化チタン膜で確実に被覆させることができ、かくして品質の均一化を図ることができる。   According to the first and fifth aspects of the present invention, the source electrode and the drain electrode are formed of titanium, and the source electrode and the drain electrode are formed by spontaneous oxidation of the source electrode and the drain electrode. By covering the surface of the electrode with the titanium oxide film, the conventional process of covering the source electrode and the drain electrode with the insulating epoxy resin can be omitted, and the manufacturing cost can be reduced accordingly. In addition, since the source electrode and the drain electrode themselves are naturally oxidized, and a titanium oxide film is naturally formed on the surfaces thereof, there is no risk that the insulating epoxy resin will protrude into the detection layer as in the conventional case, and the source electrode and the drain electrode Only the electrode can be reliably coated with the titanium oxide film, and thus the quality can be made uniform.

本発明の電界効果トランジスタを用いたバイオセンサの全体構成と、図1(A)のA−A´部分の側断面構成とを示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the biosensor using the field effect transistor of this invention, and the side cross-section structure of the AA 'part of FIG. 1 (A). 第1の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明(1)に供する概略図である。It is the schematic with which it uses for description (1) of the manufacturing process of the field effect transistor in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明(2)に供する概略図である。It is the schematic with which it uses for description (2) of the manufacturing process of the field effect transistor in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明(3)に供する概略図である。It is the schematic with which it uses for description (3) of the manufacturing process of the field effect transistor in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明(4)に供する概略図である。It is the schematic with which it uses for description (4) of the manufacturing process of the field effect transistor in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明(5)に供する概略図である。It is the schematic with which it uses for description (5) of the manufacturing process of the field effect transistor in 1st Embodiment. 第1の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程の説明(6)に供する概略図である。It is the schematic with which it uses for description (6) of the manufacturing process of the field effect transistor in 1st Embodiment. 本発明の電界効果トランジスタを実際に使用する場合の形態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the form in the case of actually using the field effect transistor of this invention. 第1の実施の形態における電界効果トランジスタを用いたバイオセンサのIDS-VGS特性及びIDS-VDS特性を示すグラフである。Is a graph showing the I DS -V GS characteristic and I DS -V DS characteristics of biosensors using a field effect transistor of the first embodiment. 第1の実施の形態における電界効果トランジスタを用いたバイオセンサにより、プローブDNAと検出対象DNAとのハイブリダイゼーションを検出したことを示すグラフである。It is a graph which shows having detected hybridization with probe DNA and DNA to be detected with the biosensor using the field effect transistor in a 1st embodiment. 第2の実施の形態における電界効果トランジスタの製造工程に供する概略図である。It is the schematic with which it uses for the manufacturing process of the field effect transistor in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における電界効果トランジスタを用いたバイオセンサのIDS-VGS特性及びIDS-VDS特性を示すグラフである。Is a graph showing the I DS -V GS characteristic and I DS -V DS characteristics of biosensors using a field effect transistor of the second embodiment. 従来の電界効果トランジスタを用いたバイオセンサの全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the biosensor using the conventional field effect transistor.

以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(1)バイオセンサの全体構成
図1(A)において、1は本発明によるバイオセンサを示し、ダイヤモンド基板2上にソース電極3及びドレイン電極4を有する電界効果トランジスタ11と、電界効果トランジスタ11に対向して配置された参照電極5とを備えている。このバイオセンサ1は、電界効果トランジスタ11のソース電極3及びドレイン電極4が壁部(図示せず)で取り囲まれており、その壁部で囲まれた領域に、電解質溶液が貯留され、当該電解質溶液内に参照電極5を浸漬させた構成を有する。
(1) Overall Configuration of Biosensor In FIG. 1A, reference numeral 1 denotes a biosensor according to the present invention, which includes a field effect transistor 11 having a source electrode 3 and a drain electrode 4 on a diamond substrate 2, and a field effect transistor 11 And a reference electrode 5 disposed to face each other. In the biosensor 1, the source electrode 3 and the drain electrode 4 of the field effect transistor 11 are surrounded by a wall (not shown), and an electrolyte solution is stored in a region surrounded by the wall, and the electrolyte The reference electrode 5 is immersed in the solution.

ソース電極3及びドレイン電極4間には、ダイヤモンド基板2内にチャネル層(図示せず)が形成されているとともに、チャネル層の表面(以下、単にチャネル層表面と呼ぶ)6にアミノ基によりアミノ終端化された検出層7が設けられている。なお、ダイヤモンド基板2は、ソース電極3、ドレイン電極4及び検出層7以外の領域が酸素終端化されており、絶縁性である酸素終端化層22が形成されている。   A channel layer (not shown) is formed in the diamond substrate 2 between the source electrode 3 and the drain electrode 4, and an amino group is attached to the surface of the channel layer (hereinafter simply referred to as the channel layer surface) 6. A terminated detection layer 7 is provided. The diamond substrate 2 is oxygen-terminated in regions other than the source electrode 3, the drain electrode 4, and the detection layer 7, and an oxygen-terminated layer 22 is formed.

検出層7は、リンカー分子としてのアプタマー8がアミノ基に結合しており、電解質溶液中に存在する検出対象分子が、アプタマー8と結合し得るようになされている。なお、リンカー分子には、DNAのカルボキシル基を用いてもよい。これにより、検出層7は、参照電極5から検出層7に電界が印加されている状態で、検出対象分子がアプタマー8と結合すると、検出対象分子から発生する電荷により、チャネル層において電流量を変化させ得る。   In the detection layer 7, an aptamer 8 as a linker molecule is bonded to an amino group, and a detection target molecule present in the electrolyte solution can be bonded to the aptamer 8. In addition, you may use the carboxyl group of DNA for a linker molecule. As a result, when the detection target molecule binds to the aptamer 8 in a state where an electric field is applied from the reference electrode 5 to the detection layer 7, the detection layer 7 reduces the amount of current in the channel layer by the charge generated from the detection target molecule. Can change.

かかる構成に加えて、ソース電極3及びドレイン電極4は、チタンから形成され、その表面全体が酸化チタン膜9により被膜されている。なお、酸化チタンは、非常に安定した物質であって、強い耐食性を有し、その膜質が均質で緻密である。   In addition to this configuration, the source electrode 3 and the drain electrode 4 are made of titanium, and the entire surface thereof is coated with the titanium oxide film 9. Titanium oxide is a very stable substance, has strong corrosion resistance, and has a uniform and dense film quality.

また、図1(A)のA−A´部分の断面構成を示す図1(B)に示すように、ソース電極3及びドレイン電極4は、炭化チタン層10を介在させてダイヤモンド基板2上に接合されており、当該炭化チタン層10によって、ダイヤモンド基板2及びソース電極3間と、ダイヤモンド基板2及びドレイン電極4間とにおいてオーミックな接触が図られている。   Further, as shown in FIG. 1B showing a cross-sectional configuration of the AA ′ portion of FIG. 1A, the source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed on the diamond substrate 2 with the titanium carbide layer 10 interposed therebetween. The titanium carbide layer 10 is bonded, and ohmic contact is achieved between the diamond substrate 2 and the source electrode 3 and between the diamond substrate 2 and the drain electrode 4.

このように、これらソース電極3及びドレイン電極4は、その表面が自然酸化により形成された酸化チタン膜9で被膜されていることから、電解質溶液中に浸漬されても、ソース電極3及びドレイン電極4自体が電解質溶液中に直接露出することが防止されている。かくして、ソース電極3及びドレイン電極4は、参照電極5に電圧が印加されても、参照電極5へのリーク電流の発生を防止し得るようになされている。   Thus, since the surface of the source electrode 3 and the drain electrode 4 is coated with the titanium oxide film 9 formed by natural oxidation, the source electrode 3 and the drain electrode 4 even when immersed in the electrolyte solution. 4 itself is prevented from being directly exposed to the electrolyte solution. Thus, the source electrode 3 and the drain electrode 4 can prevent the occurrence of leakage current to the reference electrode 5 even when a voltage is applied to the reference electrode 5.

(2)電界効果トランジスタの製造方法
次に、上述した電界効果トランジスタ11の製造方法について、以下説明する。先ず、表面全体が水素終端化されたダイヤモンド基板2を用意し、オゾン雰囲気の反応炉(図示せず)内でこのダイヤモンド基板2に対して紫外線(UV)を照射する。これにより、図2(A)と、図2(B)と、図2(B)のB−B´部分の断面構成を示す図2(C)のように、ダイヤモンド基板2には、その表面に酸素終端化した酸素終端化層22が形成され得る。
(2) Manufacturing Method of Field Effect Transistor Next, a manufacturing method of the above-described field effect transistor 11 will be described below. First, a diamond substrate 2 whose surface is entirely hydrogen-terminated is prepared, and the diamond substrate 2 is irradiated with ultraviolet rays (UV) in a reaction furnace (not shown) in an ozone atmosphere. Thus, as shown in FIG. 2 (A), FIG. 2 (B), and FIG. 2 (C) showing the cross-sectional configuration of the BB ′ portion of FIG. An oxygen-terminated layer 22 that is oxygen-terminated can be formed.

なお、この実施の形態の場合、ダイヤモンド基板2の表面に酸素終端化層22を形成する酸素終端化処理は、反応炉内に窒素を5分程度導入し、反応炉内の反応性ガスである酸素を置換して、その後、酸素を反応炉内に10分程度導入し、室温でダイヤモンド基板2の表面に紫外線を3時間程度照射することにより行われる。   In the case of this embodiment, the oxygen termination process for forming the oxygen-terminated layer 22 on the surface of the diamond substrate 2 is a reactive gas in the reaction furnace by introducing nitrogen into the reaction furnace for about 5 minutes. This is performed by replacing oxygen, introducing oxygen into the reaction furnace for about 10 minutes, and irradiating the surface of the diamond substrate 2 with ultraviolet rays for about 3 hours at room temperature.

因みに、酸素終端化処理では、紫外線として、極短波長の光(184.9nm)と短波長の光(253.7nm)との2種類を同時にダイヤモンド基板2の表面に照射している。極短波長の光(184.9nm)は、酸素と反応することでオゾンを発生させるものである。もう一方の短波長の光(253.7nm)は、化学結合解離効果を有している。これら2種類の紫外線は、組み合わされることにより、反応室内で酸素からオゾンを発生させ、ダイヤモンド基板2の表面における炭素と水素との結合を、炭素と酸素との結合に置換し、酸素終端化層22を形成し得る。   Incidentally, in the oxygen termination process, the surface of the diamond substrate 2 is irradiated with two types of ultraviolet light (184.9 nm) and short wavelength light (253.7 nm) simultaneously as ultraviolet rays. Ultrashort wavelength light (184.9nm) reacts with oxygen to generate ozone. The other short wavelength light (253.7 nm) has a chemical bond dissociation effect. By combining these two types of ultraviolet rays, ozone is generated from oxygen in the reaction chamber, and the bond between carbon and hydrogen on the surface of the diamond substrate 2 is replaced with the bond between carbon and oxygen, thereby producing an oxygen-terminated layer. 22 can be formed.

次いで、電極形成ステップについて説明する。ここでは、EB(Electron Beam)蒸着装置を用いて、所定時間、チタンを酸素終端化層22に蒸着させることにより、図3(A)と、図3(B)と、図3(B)のC−C´部分の断面構成を示す図3(C)のように、膜厚が例えば約100nm等のチタン膜23を酸素終端化層22に成膜する。   Next, the electrode forming step will be described. Here, by depositing titanium on the oxygen-terminated layer 22 for a predetermined time by using an EB (Electron Beam) vapor deposition apparatus, FIG. 3 (A), FIG. 3 (B), and FIG. 3 (B). A titanium film 23 having a thickness of, for example, about 100 nm is formed on the oxygen-terminated layer 22 as shown in FIG.

ここで、チタン膜23は、例えばダイヤモンド基板2がEB蒸着装置から取り出されて、その表面が外気と接触すると、直ちに自然酸化し始め、外部に露出した表面に酸化チタン膜9が形成され得る。   Here, for example, when the diamond substrate 2 is taken out of the EB vapor deposition apparatus and the surface thereof comes into contact with the outside air, the titanium film 23 immediately starts to spontaneously oxidize, and the titanium oxide film 9 can be formed on the surface exposed to the outside.

次いで、全面にレジスト(図示せず)を形成し、微細加工が可能なEBリソグラフィー処理を当該レジストに施して、チタン膜23にマスクを形成した後、アルカリ性溶剤と、過酸化水素系の溶剤と、例えば水酸化アンモニウム(NH4OH)と過酸化水素(H2O2)との水溶液などのエッチング剤とを混合した溶液をエッチング溶液として用い、エッチング処理を行う。かくして、このエッチング処理によって、図4(A)と、図4(B)と、図4(B)のD−D´部分の断面構成を示す図4(C)のように、長方形状に形成されたソース電極3及びドレイン電極4がチタン膜23から形成され得る。 Next, a resist (not shown) is formed on the entire surface, and the resist is subjected to EB lithography capable of fine processing to form a mask on the titanium film 23. Then, an alkaline solvent, a hydrogen peroxide solvent, For example, an etching process is performed using a solution obtained by mixing an etching agent such as an aqueous solution of ammonium hydroxide (NH 4 OH) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) as an etching solution. Thus, this etching process forms a rectangular shape as shown in FIG. 4 (A), FIG. 4 (B), and FIG. 4 (C) showing a cross-sectional configuration of the DD ′ portion of FIG. 4 (B). The source electrode 3 and the drain electrode 4 thus formed can be formed from the titanium film 23.

このとき、ソース電極3及びドレイン電極4は、エッチング処理によりチタン膜23の一部が除去され、新たに側面が形成されると、当該側面が外気と接触すると同時に自然酸化し始める。これにより、ソース電極3及びドレイン電極4には、上部表面と同様に側面にも酸化チタン膜9が形成され、表面全体が酸化チタン膜9で被膜された構成となり得る。   At this time, when a part of the titanium film 23 is removed by the etching process and a side surface is newly formed, the source electrode 3 and the drain electrode 4 start to spontaneously oxidize at the same time as the side surface comes into contact with the outside air. As a result, the source electrode 3 and the drain electrode 4 may have a structure in which the titanium oxide film 9 is formed on the side surfaces as well as the upper surface, and the entire surface is coated with the titanium oxide film 9.

次いで、炭化チタン形成ステップを説明する。ここでは、ソース電極3及びドレイン電極4が形成されたダイヤモンド基板2に対し、水素雰囲気中でアニール処理(水素流量100sccm、基板温度600℃、圧力30Torr、処理時間30分)を施し、ソース電極3及びドレイン電極4のチタンと、ダイヤモンド基板2の炭素とを反応させ、これらソース電極3及びダイヤモンド基板2の界面と、ドレイン電極4及びダイヤモンド基板2の界面とに炭化チタン層10をそれぞれ形成させ得る。これにより、ソース電極3及びドレイン電極4は、ダイヤモンド基板2とオーミックな接触が取れるように形成されている。   Next, the titanium carbide forming step will be described. Here, the diamond substrate 2 on which the source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed is annealed in a hydrogen atmosphere (hydrogen flow rate 100 sccm, substrate temperature 600 ° C., pressure 30 Torr, treatment time 30 minutes). The titanium of the drain electrode 4 and the carbon of the diamond substrate 2 can be reacted to form the titanium carbide layer 10 at the interface between the source electrode 3 and the diamond substrate 2 and the interface between the drain electrode 4 and the diamond substrate 2, respectively. . Thereby, the source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed so as to be in ohmic contact with the diamond substrate 2.

その後、図5(A)と、図5(B)と、図5(B)のE−E´部分の断面構成を示す図5(C)のように、ダイヤモンド基板2の表面は、先端放電型ラジカルCVDを用いて、酸素終端化層22に水素終端化処理を施し、水素終端化層22aを形成する。   After that, as shown in FIG. 5A, FIG. 5B, and FIG. 5C showing a cross-sectional configuration of the EE ′ portion of FIG. Using hydrogen radical CVD, the oxygen-terminated layer 22 is subjected to a hydrogen-termination process to form a hydrogen-terminated layer 22a.

因みに、この水素終端化処理では、例えば水素流量100sccm、基板ホルダー及びプラズマ固定アンテナ間の距離50mm、マイクロ波出力60W、基板温度600℃、圧力20Torr、及び処理時間30分の条件で行われる。このような条件にすることにより、この水素終端化処理では、イオン等の高エネルギー粒子がダイヤモンド基板2に到達せずに、ラジカルのみがダイヤモンド基板2に照射されるリモートプラズマ条件が実現され、ダイヤモンド基板2の表面を水素終端化させる。   For example, this hydrogen termination process is performed under the conditions of a hydrogen flow rate of 100 sccm, a distance between the substrate holder and the plasma fixed antenna of 50 mm, a microwave output of 60 W, a substrate temperature of 600 ° C., a pressure of 20 Torr, and a processing time of 30 minutes. By adopting such conditions, this hydrogen termination process realizes a remote plasma condition in which high-energy particles such as ions do not reach the diamond substrate 2 and only the radicals are irradiated to the diamond substrate 2. The surface of the substrate 2 is terminated with hydrogen.

そして、この水素終端化処理では、上述したリモートプラズマ条件を実現することにより、プラズマ27によるダイヤモンド基板2の加熱が抑止され得る。かくして、この水素終端化処理では、ダイヤモンド基板2の温度制御が基板ホルダーのヒーターのみで可能となり、ダイヤモンド基板2の水素終端化層22aの形成を、チタン(ソース電極3及びドレイン電極4)が融解しない温度で実行し得る。   And in this hydrogen termination process, the heating of the diamond substrate 2 by the plasma 27 can be suppressed by realizing the above-mentioned remote plasma conditions. Thus, in this hydrogen termination process, the temperature of the diamond substrate 2 can be controlled only by the heater of the substrate holder, and the hydrogen termination layer 22a of the diamond substrate 2 is formed by melting titanium (source electrode 3 and drain electrode 4). Can run at a temperature that does not.

次いで、図6(A)と、図6(B)と、図6(B)のF−F´部分の断面構成を示す図6(C)に示すように、チャネル層表面6と、当該チャネル層表面6に隣接するソース電極3及びドレイン電極4上の酸化チタン膜9の一部とに、レジスト24が形成された後、上述した酸素終端化処理が施される。   Next, as shown in FIG. 6A, FIG. 6B, and FIG. 6C showing a cross-sectional configuration of the FF ′ portion of FIG. 6B, the channel layer surface 6 and the channel After the resist 24 is formed on a part of the titanium oxide film 9 on the source electrode 3 and the drain electrode 4 adjacent to the layer surface 6, the above-described oxygen termination treatment is performed.

これにより、ダイヤモンド基板2の表面は、レジスト24で覆われていない外部に露出した領域に酸素終端化層22が形成され、チャネル層表面6上の水素終端化層22aと、酸素終端化層22とに素子分離される。   As a result, the surface of the diamond substrate 2 is formed with an oxygen-terminated layer 22 in an externally exposed region that is not covered with the resist 24, and a hydrogen-terminated layer 22a on the channel layer surface 6 and an oxygen-terminated layer 22 are formed. The elements are separated.

因みに、ソース電極3及びドレイン電極4は、チャネル層表面6に隣接する一部領域のみがレジスト24で覆われており、その状態で酸素雰囲気中、紫外線が照射されることから、当該レジスト24で覆われていない外部に露出した領域では酸化が促進され得る。   Incidentally, only a part of the source electrode 3 and the drain electrode 4 adjacent to the channel layer surface 6 is covered with the resist 24, and in this state, ultraviolet rays are irradiated in an oxygen atmosphere. Oxidation can be promoted in unexposed areas exposed to the outside.

次いで、チャネル層表面6と、当該チャネル層表面6に隣接するソース電極3及びドレイン電極4上の酸化チタン膜9の一部とを覆っているレジスト24を、レジスト剥離液を用いて除去し、図7(A)と、図7(B)と、図7(B)のG−G´部分の断面構成を示す図7(C)に示すような電界効果トランジスタ11となる。なお、図7(A)及び(B)において9aは、レジスト24で覆われていた領域を示している。   Next, the resist 24 covering the channel layer surface 6 and part of the titanium oxide film 9 on the source electrode 3 and the drain electrode 4 adjacent to the channel layer surface 6 is removed using a resist stripping solution, A field effect transistor 11 as shown in FIG. 7A, FIG. 7B, and FIG. 7C showing a cross-sectional configuration of the GG ′ portion of FIG. 7B is obtained. In FIGS. 7A and 7B, reference numeral 9a denotes a region covered with the resist 24.

次いで、反応炉内に窒素を5分程度導入し、反応炉内の反応性ガスであるアンモニアガス(99.9%)を置換して、その後、アンモニアガスを反応炉内に100ml/minでフローさせ、室温で水素終端化層22aを紫外線で3時間程度照射することにより、チャネル層表面6上の水素終端化層22aをアミノ終端化して検出層7を形成して、電界効果トランジスタ11を製造し得る。   Next, nitrogen is introduced into the reaction furnace for about 5 minutes to replace the ammonia gas (99.9%), which is a reactive gas in the reaction furnace, and then the ammonia gas is allowed to flow into the reaction furnace at 100 ml / min. By irradiating the hydrogen-terminated layer 22a with ultraviolet rays at room temperature for about 3 hours, the hydrogen-terminated layer 22a on the channel layer surface 6 is amino-terminated to form the detection layer 7, whereby the field effect transistor 11 can be manufactured. .

因みに、電界効果トランジスタ11は、電解質溶液中でバイオセンサとして実際に使用する場合、ソース電極3及びドレイン電極4間に電圧を印加するための配線がソース電極3及びドレイン電極4に設けられる。そのため、ソース電極3及びドレイン電極4には、配線を接合させる領域が形成されている。但し、図2〜図7に示す電界効果トランジスタ11では、ソース電極3及びドレイン電極4が自然酸化して酸化チタンが形成される点に着目して説明しているために、ソース電極3及びドレイン電極4を単なる長方形状とし、ソース電極3及びドレイン電極4に配線を接合する工程の説明については省略している。   Incidentally, when the field effect transistor 11 is actually used as a biosensor in an electrolyte solution, wiring for applying a voltage between the source electrode 3 and the drain electrode 4 is provided on the source electrode 3 and the drain electrode 4. Therefore, the source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed with regions where wires are joined. However, in the field effect transistor 11 shown in FIGS. 2 to 7, since the source electrode 3 and the drain electrode 4 are described by paying attention to the spontaneous oxidation to form titanium oxide, the source electrode 3 and the drain electrode The electrode 4 has a simple rectangular shape, and the description of the process of bonding the wiring to the source electrode 3 and the drain electrode 4 is omitted.

そこで、実際にソース電極3及びドレイン電極4に対して配線を接合させた電界効果トランジスタを図8に示す。図8に示すように、電界効果トランジスタ31は、ソース電極3及びドレイン電極4がそれぞれL字形状に形成されている。ソース電極3には、一端部に検出層7の長手方向と直交する方向に延びた配線接合部32が形成されている。また、ドレイン電極4には、一端部に検出層7の長手方向と直交する方向に延び、かつ、ソース電極3の配線接合部32と逆方向に延びた配線接合部33が形成されている。   Therefore, FIG. 8 shows a field effect transistor in which wirings are actually joined to the source electrode 3 and the drain electrode 4. As shown in FIG. 8, in the field effect transistor 31, the source electrode 3 and the drain electrode 4 are each formed in an L shape. In the source electrode 3, a wiring junction 32 extending in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the detection layer 7 is formed at one end. Further, the drain electrode 4 is formed with a wiring junction 33 extending at one end in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the detection layer 7 and extending in the opposite direction to the wiring junction 32 of the source electrode 3.

そして、これら配線接合部32,33には、配線部32a,33aがそれぞれ設けられており、当該配線部32a,33aに配線36が伝導性樹脂34(伝導エポキシ樹脂又は銀ペースト)で電気的に接続されている。また、配線接合部32,33には、絶縁性エポキシ樹脂35が配線部32a,33aを覆うように塗布されており、参照電極5とともに電解質溶液に浸漬させたとき、伝導性樹脂34からのリーク電流の発生を防止し得るようになされている。   The wiring joint portions 32 and 33 are provided with wiring portions 32a and 33a, respectively, and the wiring 36 is electrically connected to the wiring portions 32a and 33a with a conductive resin 34 (conductive epoxy resin or silver paste). It is connected. In addition, an insulating epoxy resin 35 is applied to the wiring joint portions 32 and 33 so as to cover the wiring portions 32a and 33a, and leaks from the conductive resin 34 when immersed in the electrolyte solution together with the reference electrode 5. It is designed to prevent the generation of current.

ここでは、このようにして製造した電界効果トランジスタ31を、参照電極5とともに電解質溶液に浸漬させ、電界効果トランジスタ31の動作状況について検証した。具体的には、ソース電極3及びドレイン電極4間に流れるドレイン電流IDS(μA/mm)と、参照電極5に印加するゲート電圧VGSとを測定したところ、図9(A)に示すような結果が得られた。 Here, the field effect transistor 31 manufactured in this way was immersed in an electrolyte solution together with the reference electrode 5, and the operation state of the field effect transistor 31 was verified. Specifically, the drain current I DS (μA / mm) flowing between the source electrode 3 and the drain electrode 4 and the gate voltage V GS applied to the reference electrode 5 were measured, as shown in FIG. 9A. Results were obtained.

図9(A)では、横軸にゲート電圧VGS(単位:V)を示し、縦軸にドレイン電流IDS(単位:μA/mm)を示している。図9(A)は、ドレイン電圧VDSを-0.1Vに設定し、ゲート電圧VGSを0.2〜-0.6Vまで変化させた。その結果、ゲート電圧VGSが増加すると、ドレイン電流IDSは、増加することが分かった。 In FIG. 9A, the horizontal axis represents the gate voltage V GS (unit: V), and the vertical axis represents the drain current I DS (unit: μA / mm). In FIG. 9A, the drain voltage V DS is set to −0.1V, and the gate voltage V GS is changed from 0.2 to −0.6V. As a result, it was found that the drain current I DS increases as the gate voltage V GS increases.

また、ソース電極3及びドレイン電極4間に流れるドレイン電流IDS(μA/mm)と、ソース電極3及びドレイン電極4間のドレイン電圧VDSとを測定したところ、図9(B)に示すような結果が得られた。 Further, the drain current I DS (μA / mm) flowing between the source electrode 3 and the drain electrode 4 and the drain voltage V DS between the source electrode 3 and the drain electrode 4 were measured, as shown in FIG. 9B. Results were obtained.

また、図9(B)では、横軸にドレイン電圧VDS(単位:V)を示し、縦軸にドレイン電流IDS(単位:μA/mm)を示している。図9(B)は、ゲート電圧VGSを-0.3,-0.4,-0.5Vに設定し、ドレイン電圧VDSを0〜-0.6Vに変化させた。その結果、いずれのゲート電圧VGSでも、ドレイン電圧VDSが増加すると、ドレイン電流IDSも増加することが分かった。 In FIG. 9B, the horizontal axis represents the drain voltage V DS (unit: V), and the vertical axis represents the drain current I DS (unit: μA / mm). In FIG. 9B, the gate voltage V GS was set to −0.3, −0.4, and −0.5 V, and the drain voltage V DS was changed to 0 to −0.6 V. As a result, it was found that the drain current I DS increases as the drain voltage V DS increases at any gate voltage V GS .

これら図9(A)及び(B)から、この電界効果トランジスタ31では、ドレインバイアス、ゲートバイアスともに0V〜−0.8Vの範囲で、酸化チタン膜9により、リーク電流の発生を抑制できることが確認できた。   9 (A) and 9 (B), it can be confirmed that in this field effect transistor 31, the generation of leakage current can be suppressed by the titanium oxide film 9 in the range of 0 V to −0.8 V for both the drain bias and the gate bias. It was.

また、リンカー分子であるプローブDNAをアミノ終端化された検出層7に固定した電界効果トランジスタ31を用いたバイオセンサを電解質溶液に浸漬して、このプローブDNAと相補的な検出対象DNAとをハイブリダイゼーションさせた場合における当該バイオセンサの動作状況について検証した。具体的には、ソース電極3及びドレイン電極4間に流れるドレイン電流IDS(μA)と、参照電極5に印加するゲート電圧VGSとを測定したところ、図10に示すような結果が得られた。 In addition, a biosensor using a field effect transistor 31 in which a probe DNA, which is a linker molecule, is immobilized on an amino-terminated detection layer 7 is immersed in an electrolyte solution, so that the probe DNA and a complementary DNA to be detected are high. The operation status of the biosensor in the case of hybridization was verified. Specifically, when the drain current I DS (μA) flowing between the source electrode 3 and the drain electrode 4 and the gate voltage V GS applied to the reference electrode 5 are measured, the result shown in FIG. 10 is obtained. It was.

図10では、横軸にゲート電圧VGS(単位:V)を示し、縦軸にドレイン電流IDS(単位:μA)を示し、aはプローブDNAと相補的な検出対象DNAとがハイブリダイゼーションした際におけるバイオセンサの測定結果を、bはプローブDNAと相補的な検出対象DNAとがハイブリダイゼーションする前におけるバイオセンサの測定結果を示している。これにより、図10は、リンカー分子と検出対象分子とが結合することで、検出対象分子が有する電荷により検出層の電荷量が変化したことで、bからaに23.5mvシフトしており、その結果、ゲート電圧に対するドレイン電流が変化したことが分かる。 In FIG. 10, the horizontal axis represents the gate voltage V GS (unit: V), the vertical axis represents the drain current I DS (unit: μA), and a is the hybridization between the probe DNA and the complementary DNA to be detected. B shows the measurement result of the biosensor before the hybridization between the probe DNA and the complementary DNA to be detected. As a result, FIG. 10 shows that the amount of charge in the detection layer is changed by the charge of the detection target molecule due to the binding between the linker molecule and the detection target molecule, thereby shifting from 2 to 33.5 mv from b to a. As a result, it can be seen that the drain current with respect to the gate voltage has changed.

従って、アミノ終端化された検出層を有するバイオセンサは、リンカー分子と結合する特定の検出対象分子を検出し得ることが確認できた。   Therefore, it was confirmed that a biosensor having an amino-terminated detection layer can detect a specific detection target molecule that binds to a linker molecule.

(3)動作及び効果
以上の構成において、電界効果トランジスタ11では、チタンからなるチタン膜23をダイヤモンド基板2上に形成し、当該チタン膜23を外気と接触させることで、チタン膜23の表面を自然酸化させ、チタン膜23の表面に酸化チタン膜9を形成させる。
(3) Operation and Effect In the above-described configuration, in the field effect transistor 11, the titanium film 23 made of titanium is formed on the diamond substrate 2, and the titanium film 23 is brought into contact with the outside air so that the surface of the titanium film 23 is The titanium oxide film 9 is formed on the surface of the titanium film 23 by natural oxidation.

また、電界効果トランジスタ11では、EBリソグラフィー処理をチタン膜23に施し、当該チタン膜23をエッチング処理して、ソース電極3及びドレイン電極4を形成した際、新たに外部に露出したソース電極3及びドレイン電極4の側面も自然酸化させ、ソース電極3及びドレイン電極4の側面にも酸化チタン膜9を形成させる。これにより、電界効果トランジスタ11では、ソース電極3及びドレイン電極4の表面全体を酸化チタン膜9で被膜させることができる。   Further, in the field effect transistor 11, when the source film 3 and the drain electrode 4 are formed by performing EB lithography on the titanium film 23 and etching the titanium film 23, the source electrode 3 newly exposed to the outside and The side surfaces of the drain electrode 4 are also naturally oxidized, and a titanium oxide film 9 is formed also on the side surfaces of the source electrode 3 and the drain electrode 4. Thereby, in the field effect transistor 11, the entire surface of the source electrode 3 and the drain electrode 4 can be coated with the titanium oxide film 9.

かくして、電界効果トランジスタ11では、ソース電極3及びドレイン電極4の周囲が壁部で囲まれ、壁部で囲まれた領域内に電解質溶液が貯留されて、ソース電極3及びドレイン電極4が電解質溶液内に浸漬しても、ソース電極3及びドレイン電極4の表面全体が酸化チタン膜で被覆されていることから、ソース電極3及びドレイン電極4から参照電極5へのリーク電流の発生を確実に防止できる。   Thus, in the field effect transistor 11, the periphery of the source electrode 3 and the drain electrode 4 is surrounded by the wall portion, the electrolyte solution is stored in the region surrounded by the wall portion, and the source electrode 3 and the drain electrode 4 become the electrolyte solution. Even when immersed in the electrode, the entire surface of the source electrode 3 and the drain electrode 4 is covered with the titanium oxide film, so that the leakage current from the source electrode 3 and the drain electrode 4 to the reference electrode 5 can be reliably prevented. it can.

また、電界効果トランジスタ11では、ソース電極3及びドレイン電極4自体が自然酸化することにより酸化チタン膜9が形成されることから、ソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で覆う従来の電界効果トランジスタ100よりも、当該絶縁性エポキシ樹脂107をソース電極102及びドレイン電極103に設けない分だけ、薄型化できる。   Further, in the field effect transistor 11, since the source electrode 3 and the drain electrode 4 themselves are naturally oxidized to form the titanium oxide film 9, the conventional method of covering the source electrode 102 and the drain electrode 103 with an insulating epoxy resin 107 is used. As compared with the field-effect transistor 100, the insulating epoxy resin 107 can be made thinner as long as the source electrode 102 and the drain electrode 103 are not provided.

さらに、電界効果トランジスタ11では、ソース電極3及びドレイン電極4の自然酸化が、室温で酸素濃度が一定である空気中で行われることから、ソース電極3及びドレイン電極4の表面全体に膜厚が均一な酸化チタン膜9を形成できる。   Further, in the field effect transistor 11, since the natural oxidation of the source electrode 3 and the drain electrode 4 is performed in air having a constant oxygen concentration at room temperature, the film thickness is formed on the entire surface of the source electrode 3 and the drain electrode 4. A uniform titanium oxide film 9 can be formed.

また、電界効果トランジスタ11では、ソース電極3及びドレイン電極4自体が自然酸化してソース電極3及びドレイン電極4の表面全体に均一な膜厚の酸化チタン膜9が形成されることから、従来の電界効果トランジスタ100のようにソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で覆うことにより生じていた絶縁性エポキシ樹脂107の検出層7の表面への不均一なはみ出しを防止できる。   In the field effect transistor 11, the source electrode 3 and the drain electrode 4 themselves are naturally oxidized to form a titanium oxide film 9 having a uniform thickness on the entire surface of the source electrode 3 and the drain electrode 4. The non-uniform protrusion of the insulating epoxy resin 107 to the surface of the detection layer 7 which is generated by covering the source electrode 102 and the drain electrode 103 with the insulating epoxy resin 107 as in the field effect transistor 100 can be prevented.

以上の構成によれば、電界効果トランジスタ11では、ソース電極3及びドレイン電極4を形成しさえすれば、その表面に自然に酸化チタン膜が形成され、これらソース電極3及びドレイン電極4の表面を酸化チタン膜9で被膜させることができ、かくして、従来行われてきたソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で別途覆う作業が不要となり、その分だけ製造時の負担を低減できる。   According to the above configuration, in the field effect transistor 11, as long as the source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed, a titanium oxide film is naturally formed on the surface, and the surfaces of the source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed. The film can be coated with the titanium oxide film 9, thus eliminating the need to separately cover the source electrode 102 and the drain electrode 103 with the insulating epoxy resin 107, which has been conventionally performed, thereby reducing the manufacturing burden.

また、電界効果トランジスタ11では、ソース電極3及びドレイン電極4自体が自然酸化し、それら表面に自然に酸化チタン膜9が形成されることから、均一な膜厚の酸化チタン膜9でソース電極3及びドレイン電極4を被覆でき、従来の電界効果トランジスタ100のようにソース電極102及びドレイン電極103を覆っていた絶縁性エポキシ樹脂107が検出層7の表面へ不均一にはみ出す虞もなく、品質の均一化を図ることができる。   Further, in the field effect transistor 11, the source electrode 3 and the drain electrode 4 themselves are naturally oxidized, and the titanium oxide film 9 is naturally formed on the surfaces thereof. The insulating epoxy resin 107 covering the source electrode 102 and the drain electrode 103 as in the conventional field effect transistor 100 can be coated on the surface of the detection layer 7 in a non-uniform manner. Uniformity can be achieved.

(4)第2の実施の形態
図11(A)〜(F)は、第2の実施の形態による電界効果トランジスタ及びその製造方法を示す。図11(F)において、41は第2の実施の形態による電界効果トランジスタを示し、上述した第1の実施の形態とは、ソース電極3及びドレイン電極4を形成するまでの製造方法が相違している。
(4) Second Embodiment FIGS. 11A to 11F show a field effect transistor and a method for manufacturing the same according to a second embodiment. In FIG. 11F, reference numeral 41 denotes the field effect transistor according to the second embodiment, which is different from the first embodiment described above in the manufacturing method until the source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed. ing.

この場合、図11(A)に示すように、先ずダイヤモンド基板2を用意して、上述した第1の実施の形態における酸素終端化処理により、ダイヤモンド基板2の表面を酸素終端化し、酸素終端化層22を形成する。その後、図11(B)に示すように、酸素終端化層22の表面にチタンを蒸着させてチタン膜23を形成する。チタン膜23は、その表面が外気と接触すると、直ちに自然酸化し始める。これにより、チタン膜23の表面には、自然酸化によって、酸化チタン膜9が形成され得る。   In this case, as shown in FIG. 11A, first, a diamond substrate 2 is prepared, and the surface of the diamond substrate 2 is oxygen-terminated by the oxygen-termination process in the first embodiment described above, thereby oxygen-termination. Layer 22 is formed. Thereafter, as shown in FIG. 11B, titanium is deposited on the surface of the oxygen-terminated layer 22 to form a titanium film 23. As soon as the surface of the titanium film 23 comes into contact with the outside air, it spontaneously begins to oxidize. Thereby, the titanium oxide film 9 can be formed on the surface of the titanium film 23 by natural oxidation.

次いで、直方形状のレジストにより酸化チタン膜9をマスクした後、チタン膜23及び酸化チタン膜9をエッチング処理することで、図11(C)に示すような直方形状の電極形成部25を形成する。電極形成部25は、エッチング処理により形成された側面が外気と接触すると、その側面が直ちに自然酸化し始める。これにより、電極形成部25の全面には、自然酸化によって、酸化チタン膜9が形成され得る。   Next, after masking the titanium oxide film 9 with a rectangular resist, the titanium film 23 and the titanium oxide film 9 are etched to form a rectangular electrode forming portion 25 as shown in FIG. . When the side surface formed by the etching process comes into contact with outside air, the electrode forming portion 25 immediately begins to spontaneously oxidize. Thereby, the titanium oxide film 9 can be formed on the entire surface of the electrode forming portion 25 by natural oxidation.

次いで、図11(D)に示すように、電極形成部25をマスクとして用いてアルゴンイオンの照射を行い、酸素終端化層22にアルゴンイオンを打ち込んでアルゴン含有酸素終端化層22bを形成する。このアルゴン含有酸素終端化層22bは、酸素終端化層22と同様に絶縁性を有している。   Next, as shown in FIG. 11D, argon ion irradiation is performed using the electrode forming portion 25 as a mask, and argon ions are implanted into the oxygen-terminated layer 22 to form an argon-containing oxygen-terminated layer 22b. The argon-containing oxygen-terminated layer 22b has an insulating property like the oxygen-terminated layer 22.

次いで、所定形状のレジストで電極形成部25をマスクし、電極形成部25をエッチング処理して、図11(E)に示すように、電極形成部25の一部を除去して帯状の酸素終端化層22を形成するとともに、ソース電極3及びドレイン電極4を形成する。ソース電極3及びドレイン電極4は、新たに形成された側面が外気と接触すると、直ちに自然酸化し始める。これにより、ソース電極3及びドレイン電極4には、表面全体に酸化チタン膜9が形成され得る。   Next, the electrode forming portion 25 is masked with a resist having a predetermined shape, the electrode forming portion 25 is etched, and a part of the electrode forming portion 25 is removed as shown in FIG. The source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed as well as the formation layer 22. The source electrode 3 and the drain electrode 4 start to spontaneously oxidize immediately when the newly formed side surface comes into contact with the outside air. Thereby, the titanium oxide film 9 can be formed on the entire surface of the source electrode 3 and the drain electrode 4.

次いで、上述した第1の実施の形態におけるアニール処理と同様に、水素雰囲気中でダイヤモンド基板2をアニール処理し、ソース電極3及びダイヤモンド基板2間と、ドレイン電極4及びダイヤモンド基板2間とに、それぞれ炭化チタン層10を形成する。その後、水素終端化処理では、第1の実施の形態における水素終端化処理と同様にして、酸素終端化層22を水素終端化させ、図11(F)に示すように、ゲート幅Kと電極長Lとが等しく形成された水素終端化層22aを形成する。   Next, similarly to the annealing process in the first embodiment described above, the diamond substrate 2 is annealed in a hydrogen atmosphere, and between the source electrode 3 and the diamond substrate 2, and between the drain electrode 4 and the diamond substrate 2, A titanium carbide layer 10 is formed respectively. Thereafter, in the hydrogen termination process, the oxygen termination layer 22 is hydrogen terminated in the same manner as the hydrogen termination process in the first embodiment, and as shown in FIG. A hydrogen-terminated layer 22a having the same length L is formed.

因みに、この実施の形態の場合、アルゴン含有酸素終端化層22bには、アルゴンイオンが照射されていることから、水素終端化処理を行っても水素終端化されず、水素終端化層22aが形成されない。   Incidentally, in this embodiment, since the argon-containing oxygen-terminated layer 22b is irradiated with argon ions, the hydrogen-terminated layer 22a is not formed even if the hydrogen-termination process is performed. Not.

このようにして製造された電界効果トランジスタ41では、参照電極5とともに電解質溶液に浸漬させて、ソース電極3及びドレイン電極4間に流れるドレイン電流IDS(μA)と、参照電極5に印加するゲート電圧VGSと、ソース電極3及びドレイン電極4間の電圧であるドレイン電圧VDSとを測定し、図12(A)及び(B)に示すようなIDS−VGS特性及びIDS−VDS特性を得ることができた。 In the field effect transistor 41 manufactured as described above, the drain current I DS (μA) flowing between the source electrode 3 and the drain electrode 4 and the gate applied to the reference electrode 5 are immersed in the electrolyte solution together with the reference electrode 5. The voltage V GS and the drain voltage V DS which is the voltage between the source electrode 3 and the drain electrode 4 are measured, and the I DS -V GS characteristics and I DS -V as shown in FIGS. DS characteristics could be obtained.

図12(A)では、横軸にゲート電圧VDS(単位:V)を示し、縦軸にドレイン電流IDS(単位:μA)を示している。図12(A)は、ドレイン電圧VDSを-0.1Vに設定し、ゲート電圧VGSを0.2〜-0.6Vまで変化させた。その結果、ゲート電圧VGSが増加すると、ドレイン電流IDSは、増加することが分かった。 In FIG. 12A, the horizontal axis represents the gate voltage V DS (unit: V), and the vertical axis represents the drain current I DS (unit: μA). In FIG. 12A, the drain voltage V DS is set to −0.1V, and the gate voltage V GS is changed from 0.2 to −0.6V. As a result, it was found that the drain current I DS increases as the gate voltage V GS increases.

また、図12(B)では、横軸にドレイン電圧VDS(単位:V)を示し、縦軸にドレイン電流IDS(単位:μA)を示している。図12(B)は、ゲート電圧VGSを-0.3,-0.4,-0.5Vと設定し、ドレイン電圧VDSを0〜-0.6Vで変化させた。その結果、設定したどのゲート電圧VGSでも、ドレイン電圧VDSが増加すると、ドレイン電流IDSは、増加することが分かった。 In FIG. 12B, the horizontal axis represents the drain voltage V DS (unit: V), and the vertical axis represents the drain current I DS (unit: μA). In FIG. 12B, the gate voltage V GS was set to −0.3, −0.4, and −0.5 V, and the drain voltage V DS was changed from 0 to −0.6 V. As a result, it was found that the drain current I DS increases as the drain voltage V DS increases at any set gate voltage V GS .

これら図12(A)及び(B)から、この電界効果トランジスタ41は、ドレインバイアス、ゲートバイアスともに0V〜−0.8Vの範囲で、酸化チタン膜9によりリーク電流の発生を抑制し得ることが確認できた。   From these FIGS. 12A and 12B, it is confirmed that the field effect transistor 41 can suppress the generation of leak current by the titanium oxide film 9 in the range of 0 V to −0.8 V for both the drain bias and the gate bias. did it.

また、電界効果トランジスタ41では、製造過程で電極形成部25に対してもアルゴンイオンが照射されているが、当該アルゴンイオンが酸化チタン膜9に損傷を与えたり、ダイヤモンド基板2まで貫通していたりしていないことが確認できた。   In the field effect transistor 41, the electrode forming part 25 is also irradiated with argon ions in the manufacturing process. However, the argon ions damage the titanium oxide film 9 or penetrate to the diamond substrate 2. It was confirmed that it was not.

このように、この電界効果トランジスタ41は、第1の実施の形態と異なる製造方法で作製したものであるが、電界効果トランジスタ31と同様に動作することも確認できた。   As described above, the field effect transistor 41 was manufactured by a manufacturing method different from that of the first embodiment, but it was confirmed that the field effect transistor 41 operates in the same manner as the field effect transistor 31.

以上の構成において、上述したような製造方法によってソース電極3及びドレイン電極4を形成しても、これらソース電極3及びドレイン電極4の表面全体を酸化チタン膜9で被覆させることができ、かくして、従来行われてきたソース電極102及びドレイン電極103を絶縁性エポキシ樹脂107で別途覆う作業が不要となり、その分だけ製造時の負担を低減できる。   In the above configuration, even if the source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed by the manufacturing method as described above, the entire surfaces of the source electrode 3 and the drain electrode 4 can be covered with the titanium oxide film 9, and thus The conventional work of separately covering the source electrode 102 and the drain electrode 103 with the insulating epoxy resin 107 becomes unnecessary, and the burden at the time of manufacturing can be reduced accordingly.

また、この第2の実施の形態による製造方法でも、ソース電極3及びドレイン電極4自体が自然酸化し、それら表面に自然に酸化チタン膜9が形成されることから、均一な膜厚の酸化チタン膜9でソース電極3及びドレイン電極4を被覆でき、従来の電界効果トランジスタ100のようにソース電極102及びドレイン電極103を覆っていた絶縁性エポキシ樹脂107が検出層7の表面へ不均一にはみ出す虞もなく、品質の均一化を図ることができる。   Also in the manufacturing method according to the second embodiment, the source electrode 3 and the drain electrode 4 themselves are naturally oxidized, and the titanium oxide film 9 is naturally formed on the surfaces thereof. The source electrode 3 and the drain electrode 4 can be covered with the film 9, and the insulating epoxy resin 107 covering the source electrode 102 and the drain electrode 103 like the conventional field effect transistor 100 protrudes unevenly to the surface of the detection layer 7. There is no fear that the quality can be made uniform.

また、電界効果トランジスタ41では、ゲート幅Kと電極長Lとを等しく形成できることから、第1の実施の形態の電界効果トランジスタ11に比べて、ゲート幅Kを大きくなり、その分だけドレイン電流を大きくでき、かくして第1の実施の形態の電界効果トランジスタ11よりも検出の感度を向上できる。   Further, in the field effect transistor 41, since the gate width K and the electrode length L can be formed to be equal, the gate width K is increased compared to the field effect transistor 11 of the first embodiment, and the drain current is correspondingly increased. Thus, the detection sensitivity can be improved as compared with the field effect transistor 11 of the first embodiment.

(5)他の実施の形態
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した第1の実施の形態においては、微細加工に適したEBリソグラフィー処理によりソース電極3及びドレイン電極4をチタン膜23から微細に形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、微細加工に適していないが作業工程が簡易なフォトリソグラフィーにより、ソース電極及びドレイン電極をチタン膜23から形成するようにしてもよい。
(5) Other Embodiments The present invention is not limited to the present embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. For example, in the first embodiment described above, the case where the source electrode 3 and the drain electrode 4 are finely formed from the titanium film 23 by EB lithography suitable for fine processing has been described. However, the present invention is not limited to this. Alternatively, the source electrode and the drain electrode may be formed from the titanium film 23 by photolithography which is not suitable for fine processing but has a simple work process.

また、上述した第1の実施の形態においては、ダイヤモンド基板2を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばシリコン等からなる基板と、マイクロ波プラズマCVD法により基板上に成膜された多結晶ダイヤモンド薄膜とからなるダイヤモンド基板を適用してもよい。   In the first embodiment described above, the case where the diamond substrate 2 is applied has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a substrate made of silicon or the like and a substrate formed by a microwave plasma CVD method are used. A diamond substrate made of a deposited polycrystalline diamond thin film may be applied.

また、上述した第1の実施の形態においては、目的のパターンをエッチング処理して、ソース電極3及びドレイン電極4をチタン膜23から形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、リフトオフ(レジストで作ったパターンに金属を蒸着して,レジストを除去後,レジストしなかった部分にだけ金属のパターンが残る手法)により、ソース電極3及びドレイン電極4をチタン膜23から形成するようにしてもよい。   In the first embodiment described above, the target pattern is etched and the source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed from the titanium film 23. However, the present invention is not limited to this. The source electrode 3 and the drain electrode 4 are formed from the titanium film 23 by lift-off (a technique in which metal is deposited on a pattern made of a resist and the resist is removed, and a metal pattern is left only on the unresisted portion). It may be.

また、上述した第1の実施の形態においては、アミノ終端化された検出層7にリンカー分子を固定する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば水素終端化層22a自体を検出層7として用いたり、リンカー分子を固定せずにアミノ終端化された検出層7自体を用いたりしてもよい。   In the first embodiment described above, the case where the linker molecule is immobilized on the amino-terminated detection layer 7 has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, the hydrogen-terminated layer 22a itself is detected. It may be used as the layer 7 or the detection layer 7 itself amino-terminated without fixing the linker molecule.

また、上述した第1の実施の形態においては、ソース電極3及びドレイン電極4とダイヤモンド基板2間でオーミックな接触を得るために、ソース電極3及びドレイン電極4とダイヤモンド基板2間の界面に炭化チタン層10を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ソース電極3及びドレイン電極4とダイヤモンド基板2間の界面に炭化タンタル(TaC)、炭化タングステン(WC)又は炭化モリブデン(MoC)等を形成して、ソース電極3及びドレイン電極4とダイヤモンド基板2間でオーミックな接触を得るようにしてもよい。   Further, in the first embodiment described above, in order to obtain ohmic contact between the source electrode 3 and drain electrode 4 and the diamond substrate 2, carbonization is performed at the interface between the source electrode 3 and drain electrode 4 and the diamond substrate 2. Although the case where the titanium layer 10 is formed has been described, the present invention is not limited to this, and tantalum carbide (TaC), tungsten carbide (WC) or molybdenum carbide (WC) is formed at the interface between the source electrode 3 and drain electrode 4 and the diamond substrate 2. MoC) or the like may be formed to obtain ohmic contact between the source electrode 3 and the drain electrode 4 and the diamond substrate 2.

1 バイオセンサ
2 ダイヤモンド基板
3,32 ソース電極
4,33 ドレイン電極
5 参照電極
7 検出層
8 アプタマー(リンカー分子)
9 酸化チタン膜
10 炭化チタン層
25 電極形成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Biosensor 2 Diamond substrate 3,32 Source electrode 4,33 Drain electrode 5 Reference electrode 7 Detection layer 8 Aptamer (linker molecule)
9 Titanium oxide film
10 Titanium carbide layer
25 Electrode forming part

Claims (7)

ダイヤモンド基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に検出層を有する電界効果トランジスタにおいて、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、チタンからなり、前記ダイヤモンド基板上に形成され、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面には自然酸化により酸化チタン膜が形成されている
ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
In a field effect transistor comprising a source electrode and a drain electrode on a diamond substrate, and having a detection layer between the source electrode and the drain electrode,
The source electrode and the drain electrode are made of titanium and formed on the diamond substrate,
A field effect transistor, wherein a titanium oxide film is formed on a surface of the source electrode and the drain electrode by natural oxidation.
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、炭化チタン層を介して、前記ダイヤモンド基板上に形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の電界効果トランジスタ。
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein the source electrode and the drain electrode are formed on the diamond substrate via a titanium carbide layer.
前記検出層は、アミノ終端化される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。
The field effect transistor according to claim 1, wherein the detection layer is amino-terminated.
前記検出層の表面には、リンカー分子がアミノ基に結合されて設けられる
ことを特徴とする請求項3に記載の電界効果トランジスタ。
The field effect transistor according to claim 3, wherein a linker molecule is provided on the surface of the detection layer so as to be bonded to an amino group.
ダイヤモンド基板上にソース電極及びドレイン電極を備え、前記ソース電極及び前記ドレイン電極間に検出層を有する電界効果トランジスタの製造方法において、
前記ダイヤモンド基板にチタン膜を形成し、前記チタン膜から所定形状でなる前記ソース電極及び前記ドレイン電極を形成する電極形成ステップを備え、
前記電極形成ステップでは、前記チタン膜が自然酸化によって前記ソース電極及び前記ドレイン電極の表面に酸化チタン膜が形成される
ことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
In a method of manufacturing a field effect transistor comprising a source electrode and a drain electrode on a diamond substrate and having a detection layer between the source electrode and the drain electrode,
An electrode forming step of forming a titanium film on the diamond substrate and forming the source electrode and the drain electrode in a predetermined shape from the titanium film;
In the electrode forming step, a titanium oxide film is formed on the surfaces of the source electrode and the drain electrode by natural oxidation of the titanium film. A method of manufacturing a field effect transistor.
前記ソース電極及び前記ダイヤモンド基板間と、前記ドレイン電極及び前記ダイヤモンド基板間とに、炭化チタン層を形成する炭化チタン形成ステップと、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の電界効果トランジスタの製造方法。
A titanium carbide forming step of forming a titanium carbide layer between the source electrode and the diamond substrate and between the drain electrode and the diamond substrate;
The method of manufacturing a field effect transistor according to claim 5, comprising:
電界効果トランジスタ及び参照電極が電解質溶液に浸漬された構成を有し、前記参照電極から前記電解質溶液を介して前記電界効果トランジスタに電界が印加されることで、前記電解質溶液内の検出対象分子の検出に応じて電流が変化するバイオセンサにおいて、
前記電界効果トランジスタは、請求項1〜4の電界効果トランジスタである
ことを特徴とするバイオセンサ。
The field effect transistor and the reference electrode have a configuration immersed in an electrolyte solution, and an electric field is applied from the reference electrode to the field effect transistor through the electrolyte solution, thereby detecting molecules to be detected in the electrolyte solution. In a biosensor where the current changes according to the detection,
The biosensor according to claim 1, wherein the field effect transistor is the field effect transistor according to claim 1.
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