JP2016527476A - 電界効果トランジスタ及び複数の電界効果トランジスタを含む気体検出器 - Google Patents

電界効果トランジスタ及び複数の電界効果トランジスタを含む気体検出器 Download PDF

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Abstract

間に空間を伴う複数の電極突起を含む、ソースを含む、電界効果トランジスタ。ドレーンは、複数の電極突起を含み、複数の電極突起の各々は前記ソースの電極突起の間の空間の一つに配置され、このことにより、交互のドレーン及びソースの突起からなるドレーン−ソース電極接続エリアを形成する。ゲートは、ドレーン−ソース電極接続エリアから離間しており、このことにより、ゲートとドレーン−ソース電極接続エリアとの間にチャネルが形成され、ゲートがチャネルに並行に走る。複数のナノ構造は、ドレーン−ソース電極接続エリア内に配置され、このことにより、ドレーン−ソース電極接続エリア内にてドレーン及びソースの電極突起の間に電気接続を形成する。本発明は、基板に配置された前述の複数の電界効果トランジスタを含む気体検出器にまで及ぶ。

Description

この特許出願は、電界効果トランジスタ及び複数の電界効果トランジスタを含む気体検出器に関する。
電界効果トランジスタ(FET)は周知であり、ソース、ドレーン、及びゲートの三つのターミナルを含む。様々な構造及び製造方法を伴う、多数の様々なタイプのFETがある。
気体センサに関して、半導体材料に基づく従来の気体センサデバイスは、気体が在るとき若しくは無いときの材料のインピーダンスを測定するために二つのターミナルを採用する。
気体特異性と共に感度を高めるために、それらデバイスは中高音にて加熱されねばならない。
しかしながら、加熱は、小さいマイクロチップの大規模集積化を限定するだけで無く、オペレーションを妨げてバッテリ寿命を大いに必要とする主たるコストである。
本発明は、改良された気体検出器内の改良されたFETのためのアプリケーションと共に、改良されたFETを提供しようとするものである。
本発明の第1の形態によると、電界効果トランジスタが提供され、該電界効果トランジスタは、
間に空間を伴う複数の電極突起を含む、ソースと、
複数の電極突起を含むドレーンであって、複数の電極突起の各々は前記ソースの電極突起の間の空間の一つに配置され、このことにより、交互のドレーン及びソースの突起からなるドレーン−ソース電極接続エリアを形成する、ドレーンと、
ドレーン−ソース電極接続エリアから離間しているゲートであって、このことにより、ゲートとドレーン−ソース電極接続エリアとの間にチャネルが形成され、ゲートがチャネルに並行に走る、ゲートと、
ドレーン−ソース電極接続エリア内に配置される複数のナノ構造であって、このことにより、ドレーン−ソース電極接続エリア内にてドレーン及びソースの電極突起の間に電気接続を形成する、複数のナノ構造と
を含む。
ドレーン、ソース及びゲートが同じ平面にあるのが好ましい。
ドレーンの電極突起は形状が細長であってもよく、それらの端部の一つにて若しくは近くにて、接続してもよい。
ソースの電極突起は形状が細長であってもよく、それらの端部の一つにて若しくは近くにて、接続してもよい。
ドレーン−ソース電極接続エリア内に配置された複数のナノ構造は、ドレーン−ソース電極接続エリア上にランダムに位置する。
ドレーン−ソース電極接続エリアは約90ミクロン×90ミクロンである。
本発明の第2の形態によると、基板上に配置された複数の電界効果トランジスタを含む気体検出器が提供され、
電界効果トランジスタの各々は、
間に空間を伴う複数の電極突起を含む、ソースと、
複数の電極突起を含むドレーンであって、複数の電極突起の各々は前記ソースの電極突起の間の空間の一つに配置され、このことにより、交互のドレーン及びソースの突起からなるドレーン−ソース電極接続エリアを形成する、ドレーンと、
ドレーン−ソース電極接続エリアから離間しているゲートであって、このことにより、ゲートとドレーン−ソース電極接続エリアとの間にチャネルが形成され、ゲートがチャネルに並行に走る、ゲートと、
ドレーン−ソース電極接続エリア内に配置される複数のナノ構造であって、このことにより、ドレーン−ソース電極接続エリア内にてドレーン及びソースの電極突起の間に電気接続を形成する、複数のナノ構造と
を含む。
気体検出器は、基板上に配置された八つの電界効果トランジスタを含んでもよい。
気体検出器は、電界効果トランジスタの各々から信号を受信し、信号を処理して一つ若しくはそれ以上の気体の存在を判別する、プロセッサを含んでもよい。
図1は、例示の実施形態に係る電界効果トランジスタ(FET)の概略図を示す。 図2は、図1のFETのより詳細な概略図を示し、特に詳細にソース、ドレーン及びゲートを示す。 図3(a)は、ドレーン−ソース電圧VDSが一定であるときの、上述のFETのソースドレーン電流(Ids)に関するゲート電圧(Vg)の効果のメカニズムの四つのメインシナリオを示し、図3(b)は、ドレーン−ソース極性に対して、正又は負のゲートターミナルを接続する四つのメインウエイ(A、B、C、D)の概略であり、この新たな種類のトランジスタでは二つの構成は円滑なアウトプット特性に繋がり、他の二つはランダムで乱雑なアウトプット特性に繋がる、という事実を示している。 図4は、VOのナノ−リボンが、相互入り込みのドレーンソースエリア全体にどのように拡がるかの、例示を示す。 図5は、例示の実施形態に係る、複数の、図1及び図2に示すFETを用いる気体検出器の概略図を示す。 図6は、図5に示す気体検出器のFETの一つの別の概略図を示す。 図7は、通常の条件と加湿空気に曝された後とでのVO2/V2O5コアシェル・ナノリボンに対する順方向電流−電圧特性を示し、加湿空気へ曝される際のコンダクタンスの減少と、ドレーン上でのゲート電圧の影響(アウトプット電流)を示す。 図8は、通常の空気のときと、加湿空気に曝されるときとの、VO2/V2O5コアシェル・ナノリボンにおける抵抗を示し、レスポンスタイムは通常5秒であるが、リカバリタイムは分のオーダである。 図9は、通常の条件と加湿空気に曝された後とでの、MWCNTファイバに対する順方向電流−電圧(Id対Vds)特性を示す。 図10は、CNTチップが通常の空気にあるとき、及び加湿空気の影響下にあるときの、ゲート電圧に対してプロットされるドレーン電流を示す。 図11は、加湿空気に曝された際の、マルチウオールカーボンナノチューブにおける抵抗を示す。 図12は、血糖値と相関する、糖尿病患者の呼吸内のアセトンの検出における本発明の例示のアプリケーションを示す。 図13は、大気温における八つの異なる気体の検出のために、気体検出器がどのように配線され得るかを示すブロック図である。 図14(a)は、VO/Vコアシェル・ナノリボンに対する順方向電流−電圧特性を示す。 図14(b)は、VO2/V2O5コアシェル・ナノリボンに対する順方向電流−電圧特性を示す。 図14(c)は、VO2/V2O5コアシェル・ナノリボンに対する順方向電流−電圧特性を示す。 図15(a)は、MWCNTファイバに対する順方向電流−電圧(Id対Vds)特性を示す。 図15(b)は、MWCNTファイバに対する順方向電流−電圧(Id対Vds)特性を示す。 図16(a)は、ゲート電圧に対する、通常のVO/V・FETセンサの湿気の様々なレベルのレスポンスを示す。 図16(b)は、ゲート電圧に対する、通常のVO/V・FETセンサの湿気の様々なレベルのレスポンスを示す。 図17は、全てのトランジスタ及びハイライトのファミリツリーを示し、このファミリ内に本発明が位置付けられる。
以下の記載では、説明として、本発明の実施形態の十分な理解を提供するために複数の具体的詳細が示される。しかしながら、これらの具体的詳細が無くとも本開示は実施され得ることは、当業者には自明である。
添付の図面を参照すると、例示の電界効果トランジスタ(FET)10が示される。
FET10はドレーン12、ソース14及びゲート16を含み、全てベース18上に配置される。
ドレーン12とソース14の接続は、複数のナノ構造20であるが、これについては以下により詳細に説明する。
図2を参照して、ソース14は、図示のようにスペースが間に存在する、複数の電極突起24を含む。
ソース14の電極突起は細長の形状であってよく、端部の一つにて若しくは近くにて接続され得る。
ドレーン12も、複数の電極突起22を含み、各々はソースの電極間の空間の一つに配置され、このことにより、交互のドレーン及びソースの突起の、ドレーン−ソース電極接続エリア26を形成する。
ドレーン12の電極突起は細長の形状であってよく、端部の一つにて若しくは近くにて接続され得る。
このようにして、握り合う手の指のように相互にロックされた相互入り込みの電極突起24及び26を含む、ドレーン−ソース電極接続エリア26が形成される。
ゲート16は、ドレーン−ソース電極26から間隔を空けて離れており、このことにより、ゲートとドレーン−ソース電極接続エリア26との間にチャネル28を形成し、ゲート16はチャネル28と並行に走る。
ゲート16はドレーン12及びソース14と同じ表面に存在するが、ドレーン12にもソース14にも接触しないことが、理解されるであろう。
ドレーン12、ソース14及びゲート16は同じ面に在ることが、理解されるであろう。
複数のナノ構造20は、ドレーン−ソース電極エリア26内に配置され、このことにより、ドレーン−ソース電極接続エリア26内にてドレーン及びソースの電極突起の間で電気接続を形成する。これらは図1に図解的に示されており、以下でより詳細に説明する。
試作品の実施形態では、FET10は以下のように製造された。
先ず、アルミナスクエア基板からベース18が形成される。続いてこれらは、直流スパッタリングにより、金属膜で、好ましくは金でコートされる。
金膜は、先端が通常、30〜60マイクロメータであるダイヤモンドナイフにより、T形状溝でスクライブされる。ドレーン、ソース及びゲートに指定された膜の領域のみが金でコートされるものとして残されるように、絶縁が所望されるエリア内で金膜が完全に掘り出されることを保証すべく、スクライビングが為される。
標準的クリーンルーム施設で同じタスクを遂行する複雑さ及びコストと比較して、この技術は簡素であることが理解されるであろう。
三つの異なるタイプの、一次元構造の材料(TiOナノファイバ、Vナノファイバ、SnOナノワイヤ及びZnOナノロッド)のオンチップ成長は、例えば、(1)エレクトロスピニング、(2)化学蒸着、及び(3)熱水合成の、三つの異なる技術により実施され得る。
よって、相互入り込み電極の形式の金コンタクトは、90ミクロンのエリア上で90ミクロンだけプリントされて、ドレーン及びソース・ターミナルを形成する。第3の電極が、並行に、ドレーン−ソースエリアと同じ平面に、配置される。ナノ材料がドレーン−ソースエリア上に配置されるときのみ、デバイスはトランジスタとなる。この種類のトランジスタは、外側ゲート相互入り込みドレーン−ソースFET(LGIDSFET)と呼ばれ得る。例が図2に示される。更に以下で説明するように、それら八つのトランジスタは1mmずつのSi/SiO2のウエファ上でアレイ状で配置され、個々の電極はチップキャリアの24品の各々にワイヤボンドされる。
気体検出器で用いるFET10に対しては、以下でより詳細に説明するが、FET10は、二つのナノ材料のいずれかで製造されて、ナノ構造20を形成した。
これら二つのナノ材料は、VO/Vコアシェル・ナノリボン、及びマルチウオールカーボンナノチューブであった。
このことを遂行するために、イソプロパノール液体内のVO/Vコアシェル・ナノリボン若しくはマルチウオールカーボンナノチューブの懸濁液が、形成される。
一つの例では、イソプロパノールのVO/Vコアシェル・ナノリボンの懸濁液が、VO/Vコアシェル・ナノリボンの5、3、1、0.5、0.2mgの重さで用意され、粉末がイソプロパノールチューブの100ml内に移される。同様に、カーボンナノチューブの5、3、1、0.5、0.2mgが、イソプロパノール液体の100ml内に放出され得る。
ナノ構造がシェークされ液体内に均等に分散させるために、懸濁液は、5分間超音波浴内に配置される。
複数のテストの後、VO/Vコアシェル・ナノリボンに対しては、最適な濃度は1mg/100mlであり、カーボンナノチューブに対しては0.4mg/100mlであることが、見出された。
懸濁液が用意されると、マイクロリットルの液滴が点滴器を用いて、FET上の、ドレーン−ソース電極を含むエリア26内に移された。
液滴がナノ構造をキャストした後、電子顕微鏡をスキャンすることが実行されて、ナノ構造が適所に在ることが確かめられる。図4は、VO/Vコアシェル・ナノリボンが、ドレーンソースエリア26上にどのように拡がるか、を示すSEM(走査電子顕微鏡法)画像である。
確認できるように、ドレーン電極とソース電極との間の相互入り込みのコンタクト上に配置されたナノ粒子は、ナノ粒子若しくはナノワイヤがゲート方向に関してランダムな角度を向くように、ランダムに落ちる。この配置により、ゲート内の電場とドレーン及びソース内の電子流との間の相互作用についてより大きい自由度がもたらされるのであり、このことは従前、可能では無かったものである。
従来のトランジスタでは、ナノ構造は大抵、ゲートターミナルに直交する向きとなる。この状況では、ドレーン電流は、MOSFETのためのショックレーの式により与えられる。
Figure 2016527476
接合FET(JFET)に対しては、以下のようになる。
Figure 2016527476
ここで、W及びLは夫々、チャネル直径及び長さに対応し、Cは単位長さ当たりのゲート誘電容量であり、「r=L/2」はチャネルの半径であり、hは誘電体の厚さであり、残りの記号は通常の意味を有する。ナノワイヤ、ナノロッド及びナノチューブなどの一次元ナノ構造を、本発明のドレーン−ソースエリア上に配置することで、ゲート電極とナノ構造との間のどんな角度も可能となる。ここでは、ショックレーの式とは異なる新しい式が決定されなければならない。本発明に関する、第1の経験的結果から、二つの可能性が存在することが明白となった。即ち、まず(1)ショックレーの二乗法則ではない三乗法則が好ましい。
Figure 2016527476
ここで、本発明のマイクロチップからの実験データに数2の式を適合した後、特定の検知ナノ材料と相互作用する特定の気体に対して、計数α、α、α及びαの値及び極性が、決定されなければならない。
又は、(2)逆バイアスに対して、ID対VGSはショックレーの式の逆を示すので、指数関数的減衰の式を採用し得る。順方向バイアスでは、ID対VGSはショックレーの式の逆プロファイルを示す。ここで、数1の式の否定を採用してもよい。順方向バイアスの式と逆バイアスの式の両方の合計は、以下のようになる。
Figure 2016527476
注目すべきは次のことである。つまり、微分∂IDS/∂VGS(若しくは相互インダクタンスgm)が数1から数3で実行されると、(本発明に係る)数3のみが、縦軸にVGSでプロットするとVGSの特徴値におけるコブを示す微分を生じる。ゲート電圧従属レスポンス、このトランジスタのR(VGS)は、センシングで適用されると、以下のように数3及び数4の微分から取得され得る。
Figure 2016527476
Figure 2016527476
この種類のトランジスタセンサに関するこのタイプの分析は、次の章で示すようにトランジスタセンサのゲート電圧による所望の刺激に単に「チューニングする」ことによって一つの気体環境を他の気体環境と区別する能力の役に立つ、一つの固有の特徴である。
ドレーン−ソースエリア内に配置されるナノ構造内の、ドレーン−ソース電流に関するゲート内の電場の興味深い効果も存在する。その効果とは、図3(a)の図に示すように、ゲート電圧が閾値(VT)を超えるとき、ソースからドレーンへの電流がソースに立ち戻ることが可能である、ということである。
このことは、どの種類のトランジスタでも観察されていない。従来のトランジスタでは、ドレーン−ソース電流は、「ピンチオフ」する傾向にあるのみであり、負の方向に確かに流れる。この新規の特性は、電流が減少を経験し電圧による微分が負の伝導度となるガン(Gunn)効果に関連し得る。本発明では、電流は実際に逆の方向に流れる。よって、V<0のとき、Idsはかなり大きい。負のVによりIds電流が拡散するからであるが、このことはV=0のときは生じない。V>0のとき、Idsが停止する、VがVpinch−offに到達するときまで、電流は下降し続ける。ゼロ電流を生じるゲート電圧は、閾値電圧、若しくはVと称されることもある。VがVよりも高くなると、トランジスタは、Idsにおける反転を示す。
その形状による、この新しいトランジスタの別の新規の特徴は、ドレーン−ソース電流の極性に対して、正に若しくは負に、ゲートを接続する、四つの主たる方法である。ドレーン−ソースの極性は、LGIDSFETのアウトプット特性に対する効果を有する。図3(b)では、Gが+若しくは−でありアウトプット特性が円滑若しくはランダムであるときに、D及びSの極性がスワップされる、概略が示される。ソースの極性がゲートと同じ極性であるとき、円滑であり、極性が逆であるとき、ランダムである。
前述のFET10は、図5及び図6に示すように、気体検出器を形成するのに用いられた。
例示の実施形態では、複数のFET10が、気体検出器を作成するのに用いられる。試作品の実施形態は、八つのFET10を含んだが、この数字は要求されるアプリケーションにより異なり得ることが理解されるであろう。
八つのFETプラットフォームは以下のように製造された。
1000μm×1000μmのSi/SiO基板32上に、八つのFETコンポーネント10が配置され、各々は、s1;d1;g1、s2;d2;g2などとして示される三つの金のターミナルを有する。基板の周囲全てに、25μmのスペースが残された。
個々のコンポーネントは、250μm×25μmを計測し、100μmの間隔がそれらの間の内に配置される。
三つの金のターミナルの各々は、70μm×70μmを計測する。ターミナル間に、20μmの間隔が与えられる。三つの金のターミナルのうち二つは、30μmの長さの金のストリップを介して「フィンガ」相互入り込みの特徴に接続する。これらのストリップは幅1μmである。
第3の金のターミナルは、70μmベンドにより金のプレートに繋がり、該金のプレートは、100μm×3μmを計測し、相互入り込みのフィンガの特徴から1μm離れて配置される。
フィンガの特徴のメインのハイウエイは、90μm離れる。相互入り込みのフィンガは、幅1μmであるが、一つのハイウエイに接続する一つのフィンガは、対向するハイウエイ上に、及び、近接するフィンガ間の内などに、1μmのスペースを残す。フィンガデジット間の1μmのピッチ、及び、長さ100μを計測する相互入り込みエリアにより、約100の指状突起(二つのハイウエイの各々からの50フィンガ)に繋がる。
最初の検知テストは、VO/Vナノリボン若しくはカーボンナノチューブが配置された後、ドレーン−ソースの電流−電圧(I−V)特性をチェックすることである。
個々のFETプラットフォームにて様々なナノ構造を、特に、特定の具体的な気体を検知するのに適したナノ構造を配置することが、可能であることも明記される。
しかしながら、ナノスケールセンサにおける共通の問題は、ナノスケールセンサは高感度を有するが低選択性しか有さない、ということであり、よって一つの代替手段は、マイクロチップの全ての位置にて、同じ種類のナノ構造を配置するということである。特定の気体に対する個々のFETの選択性は、個々のFETにおけるゲート電圧バイアスを変動することにより、完遂され得る。このことについては、以下により詳細に記載する。
いずれにせよ、1μmのチップ特徴のサイズがナノ構造への電気接続を確立することを解明するために、このテストは実行される。
コンタクトが確固としたものであることを確立した後、ドレーン−ソース上の一時抵抗/伝導が、チャートレコーダソフトウエアを介して判定されて記録される。
一時抵抗/伝導のプロット、即ち、時間に対する抵抗/伝導プロットは、レスポンスSres、リカバリSrec、レスポンスタイムtres、リカバリタイムtrecを決定するのに用いられるが、夫々は以下の段落で定義される。
特定の気体のセンサとしてどの材料が採用されるべきか決定するとき、有効な尺度に基づいて材料の範囲を評価することが重要である。以下のフィギュアオブメリット(性能指数)は、センサを評価するために幅広く用いられている。これらは、後で引用するアペンディクスAのレファレンス1〜10のリストに、より包括的に記載されている。
(a)レスポンス、Sres(気体の存在若しくは不在における、材料の抵抗内の相対的変化)。レスポンスを調べるためには、例えば、文献上、二つの主たる定義がある。S=|Rin−Rout|/Rin、若しくは単にS=Rout/Rin。ここで、Rinは、検体の気体が存在する際のセンサ材料の抵抗であり、Routは、その気体が存在しない際の抵抗である。温度の関数としてのレスポンスは、本発明者がS(T)=(Rin/Rout)exp((E−E0in)/kT))若しくはS(T)=1−(Rin/Rout)exp((E−E0in)/kT))の形式で既に導出した。ここで、E及びE0inは、検体の気体の存在及び不在の夫々における、センサ材料の活性化エネルギである。この式は、レスポンスは、E>E0inのとき(E<E0inのとき)、即ち、検体センサ相互作用が酸化するものであるとき(還元するものであるとき)、温度が増加するにつれてレスポンスが増加する(減少する)、ということを示す。
(b)リカバリ、Srec、センサが検体に完全に曝されるとき、及び、刺激が完全に除去されるときから、抵抗内の相対的変化。
(c)選択性(その特定の気体に反応し、存在する他の気体のタイプに反応しない、材料の能力)。
(d)レスポンスタイム、tres、抵抗(|Rin−Rout|)が元の抵抗の90%まで、若しくは1次の大きさまで、変化するのに掛かる期間、tres。
(e)リカバリタイム、trec、検知後、抵抗が元の抵抗の90%まで、若しくは元の抵抗に対して1次の大きさまで、戻るのに掛かる時間。
センサの性能を判別するのに重要な他のパラメータは、以下の通りである。
(f)運転温度、Topt、最適なレスポンスを獲得するためにセンサ材料が加圧されねばならない温度。
(g)周囲の相対湿度(H)。
(h)大気圧(patm)。
VO/Vシステムに対して、レスポンスタイムは通常約5秒であるが、ナノ構造に特有のリカバリタイムはずっと長い、ということが試作品で見出された。ゲート内にパルスを導入することにより、この欠点の対処は可能であり、センサは再びリフレッシュされる。
しかしながら、マルチウオールカーボンナノチューブの抵抗−時間プロファイルがより速いレスポンスを有し、レスポンスタイムが3秒より低く、より迅速なリカバリが7秒である。よって、ゲートリフレッシング若しくはUV光活性化の必要は無い。
レスポンスタイム及びリカバリタイムはゲート電圧(VGS)により影響されることも強調されるべきである。これは、VGS=0のときリカバリタイムが20分であるがバイアス電圧が5Vになるときずっと短くなる(約1分)、ということを観察できる図14の(f)に示されている。
高い選択性を追求するために、前記の定義(c)のように、ゲート電圧は変動し、種々の気体に曝す前及び後に、対応するドレーン−ソースが採られる。本発明の試作品では、ゲート電圧が負電圧から正電圧へスイープするとドレーン電流は減少するということが、見出された。このことは、ゲート電圧が増加するとドレーン電流は増加する、通常のバックゲートトランジスタとは異なる。正のゲート電圧では、ドレーン電流は「ピンチオフ」状態へ大幅に降下する。個々の気体の環境は、固有のピンチオフ電圧若しくは閾値電圧Vを提供する。この属性は、特定の気体に対して、このチップ上の八つのセンサの各々を較正するのに、役立つ(図11)。
ゲート電圧に対するドレーン電流のプロットは、チップが通常の気体内にあり湿度の高い気体の影響下にあるとき、閾値電圧値Vがセンサ周りの環境に依存する、ドレーン電流ゼロ時への下方トレンドを示す。このトレンドは、個々の気体環境はその固有のVを有することを示す。
最も高いレスポンスを伴う材料は理想的であるが、そのようなセンサデバイスを操作することがエネルギ的に高価であるケースにおける極度に低い若しくは高い温度のみにてこの高レスポンスが達成されるならば、無益である。相対的に高い湿度条件であっても、良好なセンサは室温にて高いレスポンスを有するべきである。これらの特徴は、長いバッテリ寿命に対する増大する要求によって、必要とされる。センサが、室温以上に加熱されなければならないならば、若しくは、室温以下に冷却されなければならないならば、バッテリパワーに関する要求は膨大となりセンサは長い十分な時間動作し得ない。室温における動作は、このような特別な加熱や冷却を回避する。更に、良好なセンサは、検体の気体に対する非常に短いレスポンスタイムを有するだけでなく、検体の気体が除去されたとき迅速なリカバリを有さなければならない。レスポンス及びリカバリタイムは、次に温度依存である。これらの良好な性質の全ては、単体の材料から得ることが困難である。
本発明により、任意の単体の検知材料に関する良好な性質の全てを得ることに近づく。
発明者及び協力者は、上記の特性に関して複数の検知材料を評価する方法を発行した。方法は、センサレスポンスSres、センサリカバリSrec、レスポンス及びリカバリタイム(tres、trec)、温度T、大気圧p、湿度Hを結合する複数の数学の式を利用する。任意の検知材料はどのくらい効率的であり得るか、に対する式は、以下のようになる。
Figure 2016527476
この最近の発行物では、材料は粉末として接触された。接触のモードが考慮される全ての材料に対して同じで無いという点で、方法は非常に大雑把であった。
本発明を示すために、大雑把な方法により得られたパラメータの全てが表1(ここで、CoPは、検知効率とは異なる性能計数を意味する。)にて提示され、これらは、本発明に係るマイクロチップ上の、これまでにテストされた同じ二つの材料−VO及びカーボンナノチューブ(CNT)−のための特性と比較されている。このことは、新しい発明を採用することにより、大きい性能改良を得ることを、意味する。
Figure 2016527476
例えば、VOナノロッドは、本マイクロチップに配置されると(η=36.5%からη=47.5%へ)11%の効率の改良と共に実行され、一方、カーボンナノチューブは、η=8.5%からη=42.2%へ向上し、34%の効率の向上となる。このことは、本発明により任意の検知材料が室温で検知し得ることを、実際に意味する。
本発明は、より良好なパフォーマンスをディスプレイするだけでなく、これまで記載したことに関して、更にこれまで記載した以上に、最も速い検知及び最も速いリカバリを示す。
効率性の改良は、選択性の改良の更なる特徴も招来する。このことは、電圧の極性と大きさの両方ともが、或る気体のみ検知し他の気体を「シャットオフ」するようにデバイスを調整するのに用いられ得るゲートを備えることにより、設計に組み込まれる。
デバイス上にナノ材料を容易に配置できることは、本発明の別の重要な利点である。
本発明の試作品では、検出器は、通常、鉱山で放たれる以下の気体、メタン(CH)、ラドン(Rn)、並びに、図14(e)に示す、アンモニア(NH)、窒素酸化物(NOx)、一酸化炭素(CO)及びシラン(SiH)などの産業関連汚染物を、検出して定量化するのに、用いられた。図14(e)では、VO/VFETセンサは、他の気体よりもNH3により選択性があることを示す。
本発明の斬新な形態は、FETセンサの「調整」変数としてゲート電圧を利用できることである。数3及び図4の式によると、ドレーン−ソース電流は、従来のFETのようにゲート電圧に大きく影響されるが、ここでは、ゲート電圧が特徴的な閾値電圧(VTを有する胡)を超えるときにはドレーン電流は方向の反転(負の伝導/抵抗)を経験する。この挙動はFETでは新規であり、これは相互入り込みのドレーンソースエリア及びゲートの形状に帰するものである。更なる特徴は、レスポンス対ゲート電圧のプロットにおけるコブを示すことができることである。このコブは、FETセンサ上の個々の材料に対する、更には、個々の刺激に対する、特徴的なゲート電圧にて現れる。刺激気体の濃度に拘わらず、従来のバックゲートトランジスタが同じ臨界ゲート電圧を示せることを、最終的に研究が示さなかった、バックゲートFET[2、3]により、このことは従前に試みられている。
しかしながら、本発明では、アセトンの濃度、若しくは湿度のレベルに関わりなく、VO/V、及び、カーボンナノチューブ(CNT)FETセンサの両方は、特定の気体に対する同じ臨界ゲート電圧を繰り返し示す。これらのコブは、上述の数6の式と合致する。このことは、ナノ材料の選択性が最も弱いリンクであった、全世界の検知産業におけるターニングポイントとなる。
図16(a)には、ゲート電圧に対する、本発明に係るチップ上の通常のVO/VFETセンサの異なるレベルの湿度に対するレスポンスが示され、(b)には、下方の湿度のライン形状のズームインが示される。(a)と(b)の両方にて、湿度のレベルに関わらず、8Vの臨界ゲート電圧での湿度への特徴的な最適レスポンスが存在し、(c)には、ゲート電圧に対する八つのCNTFETセンサの一つの異なるレベルの湿度へのレスポンスが存在する。この場合、CNTは、3Vの臨界電圧にて湿度に対して最適なレスポンスを行う。(d)では、湿度とアセトン蒸気に対する、八つのVO/VFETセンサの一つのレスポンスが示される。アセトンは、そのレベルに関わらず、VGS=−5Vにおけるピークを示し、湿度は、その強度に関わらず、VGS=8Vにおけるピークを示す。
検出器は、以下の利用のためにも構成され得る。
・糖尿病、腎(腎臓及び肝臓)不全、及び潰瘍の、早期検出のために、患者からの口臭を検出する。
・空港などの公共の場所内の、地雷及び可動性爆弾などの隠し爆発物から(TNTや他の爆発物から)発せられる気体濃度の10億分の1の検出。
・マンドラクス、マリワナなどの、様々なタイプの中毒性ドラッグから発せられる気体を検出することによるドラッグ取引のコントロール。
ナノスケールである、前述のFETは、従来の電子鼻に共通するような、センサの加熱を、行う必要なく、汚染モニタリングを行う室温気体検出を可能にすることが、認められるであろう。
図12は、糖尿病モニタリングへのセンサの適用例を示す。本発明に係るセンサのレスポンスが、患者の血液内のグルコース濃度に対してプロットされている。最初の結果では、血糖とセンサのレスポンスとの間の線形相関が示唆されることが、認められるであろう。
血中グルコースをモニタリングする従来の手段により日に二度以上患者が耐えなければならない、痛みを伴う指差しの試練は、患者が単に自分の息をセンサ上に吐くことを要求されるに過ぎないデバイスで、置きかえ可能であり、血糖値に関する同じ読み出しが得られる、ということを、このことは示す。
この種類の単体のウエファ上での集積、即ち、従来のヒータベースのセンサは、個々のセンサに対してヒータを採用する従来の気体センサによっては、可能とはならない。一つのスポットからの熱が、チップの他の部分に流れるからである。
従来の気体センサでは、検知材料が頂部に配置される基板の背面にて、検知材料がプリントされたPt若しくはCoPt電極を介して加熱される。センサデバイスの背面におけるヒータの必要性は、個々の特定の気体が、特定の最適温度にてセンサ材料と一意的に且つ最適に相互作用することから、生じる。プリントされたヒータ上のフィーチャ間のギャップは、150−180μmとなり得る。同様に、検知材料を利用する電極間のフィーチャサイズは、プリントされたヒータと同じオーダの規模のフィーチャサイズを、伝統的に有するであろう。
一つのマイクロチップ上に複数のそれらデバイスを配置しなければならないならば、個々のデバイスは、その特定のデバイスが特定の気体に対して較正されるべき、その特定の温度にて設定されなければならない。複数のデバイスが単体の基板上に在るならば一つのセンサからの熱が他のセンサデバイス内に浸入するので、複数のそれら検知モジュールを一つのマイクロチップ内に配置することは、困難である。デバイス間にて大量の熱的クロストークが存在するので所望の一定の温度にて特定のデバイス上の温度を保持することは、非常に困難であり、このために、気体特異性は、全世界的に現代の気体検知コミュニティにて最も困難な挑戦である。
本発明は加熱を除去するが、電界効果トランジスタのゲート電圧を介して、一つの気体の検知材料との相互作用を制御する。フィーチャサイズは、1μmほど小さくてもよく、従って、前述のクロストークを被ること無く、八つのFET検知モジュールを非常に小さいスポットに配置することが可能である。
いずれにせよ、図13は、複数のFETを含む本発明のマイクロチップが、マイクロプロセッサ、データストレージ、及び八つまでの異なる気体のディスプレイとの、インタフェースをフィーチャするエレクトロニクスと、どのように相互接続し得るかの、概略図を示す。
センサから受信される信号は増幅され、アナログデジタルコンバータによりデジタル信号に変換される。チップの各々からの種々の信号は、マルチプレクスされ、続いてUSBコネクタを介して、受信信号を処理して表示させ、記録させ及び操作させるソフトウエアオペレーティングを含むコンピュータに、供給される。
よって、プロセッサは電界効果トランジスタの各々から信号を受信し、信号を処理して一つ若しくはそれ以上の気体を判別する。
マイクロチップは、携帯電話レシーバや他のメモリデバイスのような最新のデバイスと集積することが可能であることが、認められる。
本発明では、ゲートとドレーン−ソースとの間のコンタクトが無いことが、認められる。このことは、新たなFET属性を生み出す。
ドレーン−ソース間のナノ粒子のランダム配置は、FETの新しいパラメータであるチャネルツーゲート長さ8CGL)の調整を可能にする。
これらLGNFETは単体の1mm×1mmSi/SiO2ウエファ上に集積され、このマイクロチップを、八つ(8)までの検知素子を含むこれまでで最も小さいエリアの一つにする。
個々のFETは、較正されて一つの特定の気体タイプを検知することが可能であり、このチップを、1mm平方の8気体検出器とするものである。
図14(a)は、異なるレベルのゲート電圧に対する、通常の条件でのVO2/V2O5コアシェル・ナノリボンのための順方向電流電圧特性を示す。(b)では、VGSに対するIDのプロットを示す。VGSがVTより大きくなるとき、ドレーン電流が逆方向となることに留意されたい。(c−d)では、時間に対するドレーン電流が示され、この際、八つのVO/VFETセンサの一つは様々な相対湿度レベルの加湿空気に曝されており、更にゲート電圧(VGS)は0から15Vまで変動する。(e)では、種々の気体(CO、CH、NO、NH及びHS)へのVOの通常のレスポンス、及び、NH3の優先選択性が示される。(f)では、時間に対するドレーン−ソースチャネルの抵抗が示されており、この際、ゲート電圧は−5Vから+5Vに変動する。センサが−5Vのゲート電圧でバイアスされるとき、迅速なリカバリであることに留意されたい。これらのデータのより多くの分析は図16に示される。
図15は、(a)通常の条件でのMWCNTファイバ(FET1)のための、順方向電流−電圧(ID対VDS)特性、(b)標準大気条件における、且つ、加湿空気及びアセトン蒸気に曝された後の、FET1のVDS=5VにおけるID対VGS、(c−d)加湿空気が存在する、マイクロナノチップ上でのFET1及びFET6のための、ドレーン電流対時間、(e)ゲート電圧が0から12Vに増加する際、種々のゲート電圧における、湿度に応じる増加及び減少を示す。最大限のレスポンスは、3〜5VのVGSにて示されるが、それを超えて湿度のレスポンスは減少する。
図16(a)には、ゲート電圧に対する、チップ上の通常のVO/VFETセンサの異なるレベルの湿度に対するレスポンスが示され、(b)には、下方の湿度のライン形状のズームインが示される。(a)と(b)の両方にて、湿度のレベルに関わらず、8Vの臨界ゲート電圧での湿度への特徴的な最適レスポンスが存在し、(c)には、ゲート電圧に対する八つのCNTFETセンサの一つの異なるレベルの湿度へのレスポンスが存在する。この場合、CNTは、3Vの臨界電圧にて湿度に対して最適なレスポンスを行う。(d)では、湿度とアセトン蒸気に対する、八つのVO/VFETセンサの一つのレスポンスが示される。アセトンは、そのレベルに関わらず、VGS=−5Vにおけるピークを示し、湿度は、その強度に関わらず、VGS=8Vにおけるピークを示す。
図17は、(I)ファミリ内に本発明が配置される、全てのトランジスタ及び主要部のファミリツリー、及び(II)従来のトランジスタに対する、本発明の複数の識別される電流−電圧特性、並びに、(III)(a)検知材料が配置される相互入り込みのプラットフォームの下の従来のホットプレート、(b)追加されたゲート電極を示す従来の気体FET及び(c)本発明に係るヒータの無い気体FET、を示す、分解概略図を、示す。概略図(b)を設計して実装するには困難と多数の処理を要することに留意されたい。しかしながら、(c)の本発明に係る設計は、新しいFET属性を生み出すだけで無く、(b)の従来の気体FETよりも、能動検知材料を実装し加えて導入することがより容易な設計である。
アペンディクスA
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10・・・電界効果トランジスタ、12・・・ドレーン、14・・・ソース、16・・・ゲート、18・・・ベース、20・・・ナノ構造。

Claims (9)

  1. 電界効果トランジスタにおいて、
    間に空間を伴う複数の電極突起を含む、ソースと、
    複数の電極突起を含むドレーンであって、複数の電極突起の各々は前記ソースの電極突起の間の空間の一つに配置され、このことにより、交互のドレーン及びソースの突起からなるドレーン−ソース電極接続エリアを形成する、ドレーンと、
    ドレーン−ソース電極接続エリアから離間しているゲートであって、このことにより、ゲートとドレーン−ソース電極接続エリアとの間にチャネルが形成され、ゲートがチャネルに並行に走る、ゲートと、
    ドレーン−ソース電極接続エリア内に配置される複数のナノ構造であって、このことにより、ドレーン−ソース電極接続エリア内にてドレーン及びソースの電極突起の間に電気接続を形成する、複数のナノ構造と
    を含む、電界効果トランジスタ。
  2. ドレーン、ソース及びゲートが同じ平面にある、請求項1に記載の電界効果トランジスタ。
  3. ドレーンの電極突起は形状が細長でありそれらの端部の一つにて若しくは近くにて、接続する、請求項1又は2に記載の電界効果トランジスタ。
  4. ソースの電極突起は形状が細長でありそれらの端部の一つにて若しくは近くにて、接続する、請求項1から3のうちのいずれか一に記載の電界効果トランジスタ。
  5. ドレーン−ソース電極接続エリア内に配置された複数のナノ構造は、ドレーン−ソース電極接続エリア上にランダムに位置する、請求項1から4のうちのいずれか一に記載の電界効果トランジスタ。
  6. ドレーン−ソース電極接続エリアは約90ミクロン×90ミクロンである、請求項1から5のうちのいずれか一に記載の電界効果トランジスタ。
  7. 基板上に配置された複数の電界効果トランジスタを含む気体検出器において、
    電界効果トランジスタの各々は、
    間に空間を伴う複数の電極突起を含む、ソースと、
    複数の電極突起を含むドレーンであって、複数の電極突起の各々は前記ソースの電極突起の間の空間の一つに配置され、このことにより、交互のドレーン及びソースの突起からなるドレーン−ソース電極接続エリアを形成する、ドレーンと、
    ドレーン−ソース電極接続エリアから離間しているゲートであって、このことにより、ゲートとドレーン−ソース電極接続エリアとの間にチャネルが形成され、ゲートがチャネルに並行に走る、ゲートと、
    ドレーン−ソース電極接続エリア内に配置される複数のナノ構造であって、このことにより、ドレーン−ソース電極接続エリア内にてドレーン及びソースの電極突起の間に電気接続を形成する、複数のナノ構造と
    を含む、
    気体検出器。
  8. 基板上に配置された八つの電界効果トランジスタを含む、請求項7に記載の気体検出器。
  9. 電界効果トランジスタの各々から信号を受信し、信号を処理して一つ若しくはそれ以上の気体の存在を判別する、プロセッサを含む、請求項7又は8に記載の気体検出器。
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