JP2015031666A

JP2015031666A - センサ素子

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Publication number: JP2015031666A
Application number: JP2013163637A
Authority: JP
Inventors: 信建小勝負; Nobutake Koshobu; 土居　芳行; Yoshiyuki Doi; 芳行土居; 山田　貴; Takashi Yamada; 貴山田; 都甲　浩芳; Hiroyoshi Toko; 浩芳都甲
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-02-16

Abstract

【課題】グラフェンによる電界効果型トランジスタ素子を作製し、そのセンサ環境を制御することにより、様々な物理量が計測可能である。【解決手段】基板上に絶縁膜で覆われたゲート電極と、互いに対向させたソース電極およびドレイン電極とを積層して形成した電極基板の表面にグラフェン膜を積層したことを特徴とするセンサ素子。前記センサ素子を完全遮光した気密容器内で不活性ガス雰囲気にて封止したことを特徴とする温度測定センサ素子。前記温度測定センサ素子と、該素子に隣接した、前記センサ素子を被測定光波長に対して透明な気密容器内で不活性ガス環境にて封止したセンサ素子と備えることを特徴とする光センサ素子。【選択図】図１

Description

本発明は、外部環境を測定するセンサ素子に関する。

［グラフェン背景］
グラフェンは、炭素原子とその結合からできた蜂の巣のような平面六角形格子構造を有するｓｐ結合炭素原子のシートであり、単層〜数原子層の２次元構造を有するシート構造物である。またグラフェンは、厚さが約０．３ｎｍの非常に薄い状態でも安定な物質であることから、単位面積当たりの質量が０．７７ｍｇ／ｍ＾２と非常に軽量なシート状材料としての特徴を有している。さらに、弾性限界が約２０％ある上に、破壊強度が１３０ＧＰａ以上であるため、非常に強靭な物質であるとともに、ヤング率が鉄の５倍となる約１．１ＴＰａであり、非常に機械的強度に優れた材料でもある。さらに、グラフェン面内方向に約２３００Ｗ／ｍＫのダイアモンドを超える約５，０００Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有し、欠陥が無ければ高圧のＨｅ気体も遮蔽可能であるガスバリアー性をも有している。

グラフェンの電子的性質は、ほとんどの既存の３次元的材料とは異なり、半金属、あるいはバンドギャップがゼロの半導体としての性質を有している。この原因は、グラフェンの二次元的な六角形のブリュアンゾーンにおける６個の頂点付近で、低エネルギーでのエネルギーの分散関係（Ｅ−ｋ）が直線的となり、ディラックコーンと呼ばれる線形分散の特異なバンド構造のため、スピン１／２の粒子に関するディラック方程式で記述される相対論的粒子のように振舞うためと考えられており、キャリア電子の有効質量がゼロとなり、ＧａＡｓの約３０倍（ＧａＡｓ：８５００（ｃｍ＾２／Ｖｓ）、Ｓｉの１００倍以上の室温下で約２００，０００ｃｍ＾２／Ｖｓ以上の非常に高いキャリア移動度を有する。

また、電流密度の許容量も大きく、電流密度の銅（１０＾６Ａ／ｃｍ＾２）の１００倍以上の高い１０＾８Ａ／ｃｍ＾２以上の耐電流密度を有していることが見出されているため、高速電子デバイスへの応用やパワーデバイスへの応用も期待されている。

また光学的性質として、１原子層での垂直光透過率で約２．３％の非常に高い光吸収特性を有する。さらに、ディラックコーンと呼ばれる線形分散を有するバンド構造を有するため、光吸収帯域は非常に広帯域となることが知られており、可視光〜ミリ波といった様々な波長域での光相互作用を示すため、これまであまり有効な光デバイスが得られなかった光波長帯域における光デバイス応用が期待されている。また、高強度の光入射によってカー効果などの光非線形性を示し、より高強度のレーザー照射を行ったグラフェンでは、通常の可飽和吸収に加えて、非線形光学的カー効果による非線形的な位相シフトが生じることが知られている。

上記のように様々な特異な性質を有するグラフェンを光・電子デバイスとして用いる場合、グラフェン表面のπ電子により電子伝導が行われていることから、外部環境からの光照射、物質の物理吸着などの影響や基板の熱膨張に伴うグラフェンの炭素原子間の歪などにより、電子伝導が様々な影響を受けるため様々なセンサ応用が期待される。

［センサネットワーク］
一方、非特許文献２でも示されるように、複数のセンサ付無線機能などを有する端末を空間に散在させ、それらが協調して環境や物理的状況を採取することを可能とする無線ネットワークであるセンサネットワーク（ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＳＮ）の構想が検討されている。センサネットワークの構想は戦闘地域の監視など軍事目的に端を発するが、現在は民間用途などでも注目を浴びており、特に省エネルギー管理、工業計測装置、居住環境計測、自然保護監視、健康管理、交通状況監視などの情報収集モニタへの応用などにおいて期待が高まっている。センサネットワークに搭載するセンサの種類および入力形式は電力・温度・湿度・ガス・照度、アナログ・ＥＩＡ−４８５・Ｍｏｄｂｕｓなど様々な種類、形式が求められており、センサネットワークの用途は主に監視、追跡、そして制御などを中心としてその応用は多岐にわたる。具体例では電力や温度などのモニタ、赤外線や慣性センサによる行動モニタ、ＧＰＳ／電波／音波／慣性などによる追跡などが挙げられる。多点を同時計測できるため、物理現象の分布変化を把握するのにも有効であると考えられる。

家近泰、「グラフェンの高速トランジスタ応用への注目と課題」、科学技術動向、２０１０年５月号、Ｐ２９−４２「センサネットワーク活動調査に関する報告書」、次世代電子取引推進協議会発行、平成２０年３月

センサネットワーク用のセンサとしては、日照量、温度、湿度、気圧など、様々な観測量を求められるが、測定する物理量に応じて異なるセンサを用意する必要があった。

例えば、光の照射量を電気的に測定するためには、被測定光波長に応じた光センサ素子、例えば、可視光領域ではＳｉ、近赤外光域ではＧａＡｓの光ダイオード、などが必要である。また、温度を電気的に測定するには、熱電対が必要であり、酸素を電気的に測定するにはジルコニア式酸素濃度計などが、湿度を電気的に測定するには、塩化リチウム、高分子、セラミックを用いた電気抵抗式センサや、高分子電気容量式センサなどが必要であった。

そのため、外気環境センシングには、複数の様々なセンサを組み合わせた測定装置やデータ収集システムの構築が不可欠であり、観測点を増やすことも容易なことではなかった。しかし、詳細な環境情報を得るためには、できるだけ多くの観測点を緻密にかつ広範囲に設置して観測することが必要であり、そのため、各種センサの共用化、集積化による小型化、低コスト化などが求められている。例えば、チップ状のセンサを広範囲に空中散布することにより、センサネットワークを構築することが可能であれば、迅速に正確な環境情報を入手することが可能となる。

本発明者は、上記課題に鑑み鋭意検討した結果、グラフェンによる電界効果型トランジスタ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、ＦＥＴと表記）素子を作製し、そのセンサ環境を制御することにより、様々な物理量が計測可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、基板上に絶縁膜で覆われたゲート電極と、互いに対向させたソース電極およびドレイン電極とを積層して形成した電極基板の表面にグラフェン膜を積層することを特徴とするセンサー素子である。

本発明のセンサ素子用いることにより光、温度、外気環境のセンサ素子が実現され、環境測定の分野で用いられる種々のセンサ素子として導入する事が可能となり、その産業上の利用価値は極めて大である。

第１の実施形態のセンサ素子の断面を模式的に示した図である。（ボトムゲート型ＦＥＴ素子）トップゲート型ＦＥＴ素子の断面を模式的に示した図である。ヂュアルゲート型ＦＥＴ素子の断面を模式的に示した図である。グラフェンのディラック点近傍のバンド構造を模式的に示した図である。グラフェンＦＥＴセンサ素子の光電流発生原理を模式的に示した図である。第１の実施形態のセンサ素子の製造工程の断面図である。第２の実施形態のセンサ素子の断面を模式的に示した図である。第２の実施形態のセンサ素子の製造工程の断面図である。第３の実施形態のセンサ素子の断面を模式的に示した図である。第３の実施形態のセンサ素子の製造工程の断面図である。第４の実施形態のセンサ素子の断面を模式的に示した図である。第４の実施形態のセンサ素子の製造工程の断面図である。第５の実施形態のセンサ素子の断面を模式的に示した図である。第５の実施形態のセンサ素子の製造工程の断面図である。温度変化に対するＩｄｓのＶｇｓ依存性を示す図である。光照射ＯＮ／ＯＦＦに対するＩｄｓのＶｄｓ依存性とＯＮ／ＯＦＦ差分を示す図である。５０ｋＨｚ変調光照射ＯＮ／ＯＦＦに対するＩｄｓのＶｇｓ依存性を示す図である。真空中、窒素中、大気中でのＩｄｓのＶｇｓ依存性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかるセンサ素子の断面模式図である。第１の実施形態のセンサ素子（グラフェンＦＥＴセンサ素子）１０は、基板１上に絶縁膜２で覆われたゲート電極３を積層し、その表面に対向させたソース電極４、ドレイン電極５を形成した電極基板１の表面にグラフェン膜６を積層した構成を備えている。

図１のセンサ素子は、いわゆるボトムゲート型ＦＥＴの電極配置の素子であり、半導体部分であるグラフェン膜６が最表面に配置された構造となっている。グラフェン膜６は、単層もしくは１０原子層未満であることが好ましい。

図１のセンサ素子の構造はグラフェン６表面がむき出しであり、かつ、予め電極付基板１を作製しておいてから、グラフェン膜６を転写・加工でき、作製プロセスを段階ごとで分けられるので作製効率がよく、量産性にも優れている。その他には、グラフェン６表面に絶縁膜もしくは誘電体膜２を積層し、その表面にゲート電極３を形成するトップゲート型ＦＥＴ素子２０（図２）や、ソース電極４、ドレイン電極５に対して膜厚方向に上下にゲート電極３を配置したデュアルゲート型ＦＥＴ素子３０（図３）なども作製可能である。

センサ素子のゲート電極３、ソース電極４、ドレイン電極５の材質としては、導電性を示す材料であればよく、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属材料、高濃度にボロン、リン等ドーピング元素を導入したシリコン、ゲルマニウムなどの半導体材料のほか、ポリアセチレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレンスルフィド）などの導電性高分子材料や、アントラセン、ルブレンなどの有機材料も含まれる。特に、グラフェン膜６との仕事関数差による電子や正孔の伝導障壁が発生することから、仕事関数差の小さいアントラセン等の芳香族有機分子材料などが望まれる。

ゲート電極３とソース電極４、ドレイン電極５を電気的に絶縁する絶縁膜２（ゲート絶縁膜）としては、ＳｉＯ_２やＧｅＯ_２、ＨｆＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５などの半導体および、金属材料の酸化物や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの誘電性材料が望ましい。ゲート絶縁膜２の厚さは、グラフェン６に掛かる電界強度の可変幅を広く取り、低電圧駆動も可能にするため、１ミクロン以下が望ましく、ゲート絶縁膜２の耐電圧が許せば、１００ｎｍ以下がさらに望ましい。

図４に、グラフェンのブリュアンゾーンにおける６個の頂点付近で形成されるディラックコーンと呼ばれる線形分散のバンド構造の模式図を示し、また図５にグラフェンＦＥＴセンサ素子の光電流の発生原理模式図を示す。図４において、外部よりグラフェン６に光が入射された場合、グラフェン６の電子が光吸収を起こし、ディラックコーンの下円錐中のエネルギー準位から上円錐のエネルギー順位に遷移し、伝導電子とホール（正孔）が発生する。それら発生した電子と正孔は、図５中のソース電極４、ドレイン電極５間に掛かっている電位差によって、それぞれソース電極４、ドレイン電極５に引き寄せられ、電流となって光電流が発生する。

さらに図５のソース−ドレイン間の電流は、グラフェン６のバンドギャップがゼロのため、光照射がなくても電流が流れる。その際、グラフェン６表面に物理吸着した酸素・水分等の極性物質の影響でグラフェン膜６自体のドーピング濃度が変化する。また、グラフェン膜６中に掛かる応力歪の影響で原子間隔が変化し、それに伴ってバンド構造が歪むと、グラフェン膜６の電気伝導度が変化するため、特定のゲート電圧に対するソース−ドレイン間の電流に変化が生じる。

以上のような変化から、光、熱、外気中に含まれる酸素、水分といったドーピング濃度が変化する極性分子の物理吸着をゲート電圧に対するソース−ドレイン電流の変化として検知することが可能となる。

次に、第１の実施形態のセンサ素子の製造方法について図６を用いて説明する。図６は第１の実施形態にかかるセンサ素子の製造方法を示すものである。

まず、基板１表面にフォトレジストによるリフトオフ法やプラズマもしくはイオンエッチング法などにより、スパッタ法や真空蒸着法で堆積した金属膜を加工し、ゲート電極３を作製し、その上に、スパッタ法、真空蒸着法、化学気相成長法、原子堆積法などを用いてＳｉＯ_２、ＨｆＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などの絶縁膜を堆積し、ゲート絶縁膜を形成する（図６（ａ））。その後、ゲート電極３と同様に、フォトレジストによるリフトオフ法やプラズマもしくはイオンエッチング法などにより、スパッタ法や真空蒸着法で堆積した金属膜を加工しソース電極４とドレイン電極５を形成し、ＦＥＴ素子の基板１を得る（図６（ｂ））。その後、基板１表面にグラフェン膜６を転写し、レジスト等を用いてパターニング後、酸素プラズマなどでＲＩＥ加工することにより、グラフェンＦＥＴセンサ素子を得る（図６（ｃ））。

このグラフェンは、剥離法によりグラファイトから粘着シートを用いてグラフェン６を剥離したり、ＳｉＣ基板を１５００℃以上で熱分解してグラフェン６を形成した後に粘着シート等で剥離したり、ＣｕやＮｉなどの金属基板１上に化学気相成長（ＣＶＤ）法でグラフェン６を製膜し、ＰＭＭＡなどの有機膜を支持層にして、金属基板をエッチングし、転写したものでも構わない。

（第２の実施形態）
図７に第２の実施形態にかかるセンサ素子の断面模式図を示す。第２の実施形態のセンサ素子は、第１の実施形態のグラフェンＦＥＴセンサ素子を完全遮光された気密容器８内で不活性ガス７にて封止して構成されている。これは、第１の実施形態のグラフェンＦＥＴセンサ素子のままでは、光、熱のみならず、外気中の分子の物理吸着の全ての影響を受けて特定のゲート電圧に対するソース−ドレイン電流も変化してしまう。そのため、光および雰囲気変化の影響を可能な限り削減し、温度センサとしての測定感度を高めるために、第１の実施形態のグラフェンＦＥＴセンサ素子を完全遮光状態で密閉し、かつ、不活性ガス７雰囲気で封入することにより温度の測定を可能とするものである。完全遮光された気密容器８としては、自由電子を持つ金属材料で作られた容器が望ましい。また、不活性ガス７としては、アルゴン、ヘリウムなどの希ガスが望ましいが、測定感度によっては、窒素ガスで封入することもできる。

次に、第２の実施形態のセンサ素子の製造方法について図８を用いて説明する。図８は本発明の第２の実施形態にかかるセンサ素子の製造方法を示すものである。

図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、第１の実施形態と同様の工程で製造される。その後、金属などで作られた完全遮光のパッケージ内に、不活性ガス７を充填して封入されることにより、温度センサ素子を得ることができる。

（第３の実施形態）
図９に第３の実施形態にかかるセンサ素子の断面模式図を示す。第３の実施形態にかかるセンサ素子は、第２の実施形態の温度測定センサ素子と第１の実施形態の素子を被測定光波長に対して透明な気密容器８内で不活性ガス７環境にて封止した素子を併用して構成されている。本実施形態では、光電流の緩和（励起）時間が長いものの測定をしている。

第２の実施形態の素子の密閉容器を完全遮光にするのではなく、被測定波長に対して透明な密閉容器を用いることにより、温度変化と特定波長の光によって、ソース−ドレイン電流が変動するセンサ素子が作製可能となる。この素子と第２の発明の温度測定センサ素子を並べて、ソース−ドレイン電流の差分を検出することにより、温度変化に対する変動を取り除くことができ、被測定光波長の光強度を検出することが可能となる。

次に、第３の実施形態のセンサ素子の製造方法について図１０を用いて説明する。図１０は本発明の第３の実施形態にかかるセンサ素子の製造方法を示すものである。

図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）は、第１、２の実施形態と同様である。その後、２つの素子を用いて、一方は、第２の実施形態と同様に、金属などで作られた完全遮光のパッケージ内に、不活性ガス７を充填して封入され、もう一方は、光入射可能な窓などを設けたパッケージ内に不活性ガス７を充填して封入され、それら２つの素子を同一環境と見なせる程度に隣接して設置することにより、光センサ素子を得ることができる。

（第４の実施形態）
図１１に第４の実施形態にかかるセンサ素子の断面模式図を示す。第４の実施形態のセンサ素子は、第３の実施形態のセンサ素子において被測定光波長の光取入れを周期的に開閉させるシャッター機構１１を有し、かつ、気密容器８内で不活性ガス７環境にて封止した素子構造有する。本実施形態では、光電流の緩和（励起）時間が短いものの測定をしている。

センサ素子において透明な気密容器８内で不活性ガス７環境にて封止した場合には、光と温度変動に対して、ソース−ドレイン電流は変化する。しかし、光電流の緩和（励起）時間は数ミリ秒以下で非常に短く、温度変化に対するソース−ドレイン電流の変動時間は、数ミリ秒以上で十分に長い。そのため、光の入射をシャッター１１などで周期的に開閉させ、同期させてロックイン検出することにより、緩和時間の短い光電流のみを検出することが可能となり、光センサ素子が実現可能となる。

シャッター機構１１としては、機械的な扉の開閉、ミラーやグレーティングの反射・干渉、空間光学のチョッパーのように穴の開いた円盤を回転させる機械的なものや、多層膜フィルタ、音響光学素子や液晶などを用いたシャッター機構１１が挙げられる。

図１２は本発明の第３の実施の形態を示すものである。
図１２において（イ）（ロ）（ハ）は、第１、２の実施形態と同様である。その後、光入射がＯＮ／ＯＦＦできるシャッター１１機能を持つ窓などを設けたパッケージ内、不活性ガス７を充填して封入されることにより、光センサ素子を得ることができる。この時シャッター機構１１としては、機械的な扉の開閉、ミラーやグレーティングの反射・干渉、空間光学のチョッパーのように穴の開いた円盤を回転させる機械的なものや、多層膜フィルタ、音響光学素子や液晶などを用いたシャッター機構１１が挙げられる。

（第５の実施形態）
図１３に第５の実施形態にかかるセンサ素子の断面模式図を示す。第５の実施形態にかかるセンサ素子は、第１の実施形態の気密容器８内で不活性ガス７にて封止したセンサ素子と、このセンサ素子に隣接して設けられ、被測定雰囲気中に暴露した第１の実施形態のセンサ素子とを備えている。

前記の通り、第１の実施形態のセンサ素子自体は、光、熱のみならず、外気中の分子の物理吸着の全ての影響を受けて特定のゲート電圧に対するソース−ドレイン電流も変化する。

一方、第２の実施形態のセンサ素子において透明な気密容器８内で不活性ガス７環境にて封止した場合には、光と温度変動に対してのみ、ソース−ドレイン電流は変化する。そのため、センサ素子を被測定雰囲気中に暴露した状態で、透明な気密容器８内で不活性ガス７環境にて封止したセンサ素子を並べて、そのソース−ドレイン電流の差分を検出することにより、外気中の分子の物理吸着の影響のみを抽出することが可能となる。

但し、検出されるソース−ドレイン電流の変化には、あくまでグラフェンＦＥＴ素子のグラフェン膜６へのドーピングによる電流変動しか検出されないため、外気中の分子の種類まで特定することは困難である。しかし、後述の通り酸素の表面物理吸着に対するドーピング効果があるため、密閉容器中の大気漏洩などには、応用可能である。

図１４は本発明の第５の実施の形態を示すものである。図１４中（イ）（ロ）（ハ）は、第１、２の実施の形態と同様である。その後、２つの素子を用いて、一方は、光入射可能な窓などを設けたパッケージ内に不活性ガス７を充填して封入され、もう一方は、第１の実施の形態と同様のセンサ素子を組み合わせることにより、外気環境センサ素子を得ることができる。

上記各実施形態のセンサ素子は、外部環境を測定するものであり、また、高集積チップ表面に作製可能であるため、小型化や、低コスト化が期待され、環境中での光、温度、酸素、または水分の程度を測定する環境測定分野や、パッケージ等の気密性評価、ＬＳＩなどとモノリシック実装されたセンサ素子など様々な環境センシング素子として利用可能である。

さらに、同一素子構造で複数の光・温度、外気環境（酸素、水分）などの物理量を検知することが可能となるため、例えば、チップ状のセンサを並べてアレイ状に作製することにより、同時測定が可能となるとともに、まとめて実装できるため、集積化も実現しやすいという特徴も有している。さらに、ウエハ上で大面積プロセスにより作製することも可能であることから、大量生産が可能となり、安価なセンサ素子の製造も期待できる。
本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。

高濃度ドーピングされた０．０１Ω以下の低抵抗Ｓｉを基板として使用し、基板Ｓｉをボトムゲート電極として用いた。Ｓｉ基板表面に熱酸化膜を形成し、ゲート絶縁膜とした。ゲート絶縁膜厚は約３００ｎｍであった。その後、フォトレジストによるパターニングと蒸着によりＡｕ／Ｃｒ＝２８０／２０ｎｍの電極をリフトオフにより作製し、センサ素子の基板を得た。

一方、アイトリックス社製の銅箔上単層グラフェンサンプルの表面にＰＭＭＡ膜をスピンコートにて作製し、塩化鉄（ＩＩＩ）水溶液を用いて、ＰＭＭＡ支持層付きの単層グラフェン膜を作製した。前記基板表面に水上にて転写後、乾燥し、フォトレジストによりグラフェンのパターニングを行い、Ｏ_２−ＲＩＥによって加工後、有機溶剤等でレジストとＰＭＭＡ膜を隔離し、グラフェンＦＥＴセンサ素子を作製した。センサ素子の動作は、温度制御可能な真空プローバ中にて評価した。

図１５に、それぞれ約２Ｐａの真空中で、光入射なしの密閉環境における（Ａ）２６℃、（Ｂ）４１℃、（Ｃ）５６℃の各温度でのゲート電圧（Ｖｇｓ）に対するソース−ドレイン電流（Ｉｄｓ）を示す。ソース−ドレイン間距離は、４μｍで作製し、ソース−ドレイン間電圧（Ｖｄｓ）は、１．０Ｖで測定した。どの温度においても、極小値を有するＶ字型のＩｄｓ電流変化を示し、ディラック点における極小値を有するグラフェンＦＥＴ特有の挙動が確認できた。

また、（Ａ）２６℃、（Ｂ）４１℃、（Ｃ）５６℃と温度を変化させることにより、ディラック点を示す電圧（ＶＤ）は、徐々に高電位側にシフトし、それに伴って、Ｉｄｓ電流が変化していることが観測された。例えば（Ａ）２６℃、（Ｂ）４１℃、（Ｃ）５６℃と温度を変化させることにより、ゲート電圧（Ｖｇｓ）が−４０Ｖでは、Ｉｄｓ電流が約８０μＡ増加し、Ｖｇｓが＋４０Ｖでは、Ｉｄｓ電流が約８０μＡ減少した。この結果より、ゲート電圧（Ｖｇｓ）を一定にして、ソース−ドレイン電流（Ｉｄｓ）を計測することにより、温度変化が検出できることがわかる。

実施例１と同様に試料を作製し、光入射可能な真空プローバを用いて長期緩和を伴う光入射変化に対する電気特性依存性を評価した。

図１６に、それぞれ約２Ｐａの真空中で（Ａ）光入射なし（密閉状態）、（Ｂ）波長６６０ｎｍレーザーダイオード（ＬＤ）光入射時のソース−ドレイン電圧（Ｖｄｓ）に対するソース−ドレイン電流（Ｉｄｓ）と、波長６６０ｎｍＬＤ光入射ＯＮ／ＯＦＦによるＩｄｓ電流の差分を示す。ソース−ドレイン間距離は、８μｍで作製し、ゲート電圧（Ｖｇｓ）は、０Ｖで測定した。光入射ＯＮ／ＯＦＦによって、Ｉｄｓ電流が変化しており、その差分の変化量は、Ｖｄｓ電圧の絶対値が大きくなるほど、大きな差分が観測された。

実施例１と同様に試料を作製し、光入射可能な真空プローバを用いて短期緩和を伴う光入射に対する変化に対する電気特性依存性を評価した。実施例３では、光電流成分のみを検出するため、入射光の６６０ｎｍＬＤの強度を５０ｋＨｚで強度変調して、入射し、Ｉｄｓ電流から５０ｋＨｚ成分のみをロックイン検出して、光電流を測定した。

図１７に、５０ｋＨｚ変調光照射ＯＮ／ＯＦＦに対する光電流のＶｇｓ依存性を示す。ソース−ドレイン間距離は、８μｍで作製し、ソース−ドレイン間電圧（Ｖｄｓ）は、１．０Ｖで測定した。光入射ＯＮ／ＯＦＦによって、Ｖｇｓが０Ｖより小さい領域では、光電流が観測された。

実施例１と同様に試料を作製し、光入射可能な真空プローバを用いて、封入雰囲気変化に対する電気特性依存性を評価した。

図１８に、それぞれ（Ａ）約０．２Ｐａの真空中、（Ｂ）窒素中（１気圧）、（Ｃ）大気中（１気圧）でのゲート電圧（Ｖｇｓ）に対するソース−ドレイン電流（Ｉｄｓ）を示す。ソース−ドレイン間距離は、８μｍで作製し、ソース−ドレイン間電圧（Ｖｄｓ）は、１．０Ｖで測定した。その環境下においても、極小値を有するＶ字型のＩｄｓ電流変化を示し、ディラック点における極小値を有するグラフェンＦＥＴ特有の挙動が確認できた。

さらに、（Ａ）真空中、（Ｂ）窒素中、（Ｃ）大気中と環境を変化させることにより、ディラック点を示す電圧（ＶＤ）は、徐々に高電位側にシフトし、それに伴って、Ｉｄｓ電流が変化していることが観測された。例えば、ゲート電圧（Ｖｇｓ）が−４０Ｖで、真空中から大気中への環境変化で、Ｉｄｓは約３０μＡ増加し、Ｖｇｓが＋４０Ｖでは、Ｉｄｓは約３０μＡ増加した。この結果より、ゲート電圧（Ｖｇｓ）を一定にして、ソース−ドレイン電流（Ｉｄｓ）を計測することにより、温度変化が検出できることがわかる。

１基板
２絶縁膜
３ゲート電極
４ソース電極
５ドレイン電極
６グラフェン膜

Claims

基板上に絶縁膜で覆われたゲート電極と、互いに対向させたソース電極およびドレイン電極とを積層して形成した電極基板の表面にグラフェン膜を積層したことを特徴とするセンサ素子。
請求項１に記載のセンサ素子を完全遮光した気密容器内で不活性ガス雰囲気にて封止したことを特徴とする温度測定センサ素子。
請求項２に記載の温度測定センサ素子と、該素子に隣接した、請求項１の素子を被測定光波長に対して透明な気密容器内で不活性ガス環境にて封止したセンサ素子と備えることを特徴とする光センサ素子。
請求項１に記載のセンサ素子を被測定光波長の光取入れを周期的に開閉させるシャッター機構を有する気密容器内で不活性ガス環境にて封止したことを特徴とする光センサ素子。
請求項１に記載の素子を気密容器内で不活性ガスにて封止した素子と、該素子に隣接して設けられ、被測定雰囲気中に暴露した請求項１に記載のセンサ素子とを備えること特徴とする外気環境センサ素子。