JP2017129537A - Field effect transistor gas sensor - Google Patents

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宮原 裕二
Yuji Miyahara
裕二 宮原
亮 松元
Ryo Matsumoto
亮 松元
達郎 合田
Tatsuro Goda
達郎 合田
年弘 吉住
Toshihiro Yoshizumi
年弘 吉住
沖 明男
Akio Oki
明男 沖
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Panasonic Corp
Tokyo Medical and Dental University NUC
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Panasonic Corp
Tokyo Medical and Dental University NUC
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a field effect device, for a gas sensor, which has a gas-sensitive layer and can be easily manufactured; and the gas sensor.SOLUTION: A field effect device 100 for a gas sensor comprises: a gate electrode 24 where gas passes therethrough; a gas absorption layer 22 which is made of an organic and/or complex material selectively absorbing the gas passing through the gate electrode; a gate insulating layer 20 which is arranged opposite to the gate electrode with respect to the gas absorption layer; a source electrode 12S and a drain electrode 12D which are arranged, with a distance therebetween, at positions opposite to the gas absorbing layer with respect to the gate insulating layer; and a semiconductor layer 10 which forms a channel between the source electrode and the drain electrode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ガスセンサ用電界効果型デバイス及びガスセンサに関する。   The present invention relates to a field effect device for a gas sensor and a gas sensor.

従来、電界効果型トランジスタ(Field effect transistor,FET)を利用したガスセンサが提案されている。
例えば、特許文献1には、ソース領域、ドレイン領域、及びゲート領域を備える基板を含み、ゲート領域に多孔質の接着剤を介して感ガス性の層が付着している電界効果トランジスタを有するガスセンサが開示されている。感ガス性の層としては、結晶質の金属又はナノ結晶質の金属を含む層が記載されている。
また、特許文献2には、基板と、基板上に配置された、ガス暴露可能なゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、基板とゲート電極との間に配置された、層システムとして構成された電気的絶縁体とを有し、層システムの少なくとも1の層に、一定の安定化された電荷が導入されているガスセンサが開示されている。感ガス性の層に相当する層システムを構成する材料としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素等が記載されている。
Conventionally, a gas sensor using a field effect transistor (FET) has been proposed.
For example, Patent Document 1 discloses a gas sensor including a field effect transistor including a substrate including a source region, a drain region, and a gate region, and a gas-sensitive layer attached to the gate region via a porous adhesive. Is disclosed. As the gas-sensitive layer, a layer containing a crystalline metal or a nanocrystalline metal is described.
Further, Patent Document 2 is configured as a layer system that is disposed between a substrate, a gas-exposed gate electrode, a source electrode, a drain electrode, and the substrate and the gate electrode disposed on the substrate. A gas sensor is disclosed in which a constant stabilized charge is introduced into at least one layer of the layer system. Aluminum oxide, silicon oxide and the like are described as materials constituting the layer system corresponding to the gas-sensitive layer.

特開2010−145402号公報JP 2010-145402 A 特開2014−13239号公報JP 2014-13239 A

特許文献1に開示されているガスセンサは、金属を含む感ガス性の層を多孔質の接着層を介してゲート電極に付着させるため、製造に手間が掛かる。
特許文献2に開示されているガスセンサは、特定のガス成分を感受するための層を金属、金属化合物等で形成するため、ガス感受層を高温で成膜したり、フォトリソグラフィ等によってパターニングする必要がある。
また、いずれも、互いに成分が異なる材料で感ガス性の層を形成した複数のFETをアレイ化して複数種のガスを検出するセンサを製造するにはコストや手間がかかる。
さらに、上記先行技術文献では、ガス検出の選択性は、結晶質の金属又はナノ結晶質の金属を含む層、あるいは金属、金属化合物等へのガス分子の物理吸着によって決まり、大きく選択性を変えることが困難であった。
The gas sensor disclosed in Patent Document 1 takes time and effort to manufacture because a gas-sensitive layer containing metal is attached to the gate electrode via a porous adhesive layer.
Since the gas sensor disclosed in Patent Document 2 is formed of a metal, a metal compound, or the like for sensing a specific gas component, the gas sensing layer needs to be formed at a high temperature or patterned by photolithography or the like. There is.
In addition, it is costly and labor-intensive to manufacture a sensor that detects a plurality of types of gases by arraying a plurality of FETs in which gas-sensitive layers are formed of materials having different components.
Furthermore, in the above prior art documents, gas detection selectivity is determined by physical adsorption of gas molecules on a layer containing a crystalline metal or a nanocrystalline metal, or a metal, a metal compound, etc., and the selectivity is greatly changed. It was difficult.

本発明は、容易に製造することができる感ガス性の層を有するガスセンサ用電界効果型デバイス及びガスセンサを提供することを目的とする。
さらに本発明は、ガス検出の選択性を変え、高い選択性でガスを検出したり、あるいは複数の異なる選択性を有するガスセンサを用い、それらの信号を情報処理することによりガスを同定・定量することができるように、ガス選択性の異なる複数のガスセンサデバイスを容易に集積化することが可能なガスセンサシステムを提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide a gas sensor field effect device and a gas sensor having a gas-sensitive layer that can be easily manufactured.
Furthermore, the present invention changes the gas detection selectivity, detects the gas with high selectivity, or uses a gas sensor having a plurality of different selectivity, and processes and processes the signals to identify and quantify the gas. An object of the present invention is to provide a gas sensor system capable of easily integrating a plurality of gas sensor devices having different gas selectivity.

上記目的を達成するため、以下の手段が提供される。
<1> ガスが透過するゲート電極と、
前記ゲート電極を透過したガスを選択的に吸着する有機材料及び/又は錯体材料を含むガス吸着層と、
前記ガス吸着層に対して前記ゲート電極とは反対側に配置されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層に対して前記ガス吸着層とは反対側で互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間でチャネルを形成する半導体層と、
を有するガスセンサ用電界効果型デバイス。
<2> 前記ガス吸着層が、
前記有機材料として、ポリエチレングリコール、シロキサン系化合物、又は、ポリエチレングリコール若しくはシロキサン系化合物を、ベンゼン環、プロリン、及び二級アミンからなる群より選ばれる機能性官能基によって化学修飾した化合物を含む層、
前記錯体材料として、金属有機構造体(MOF:Metal Organic Frameworks)を含む層、又は、
前記有機材料中に前記錯体材料を分散させた層である<1>に記載のガスセンサ用電界効果型デバイス。
In order to achieve the above object, the following means are provided.
<1> a gas-permeable gate electrode;
A gas adsorption layer containing an organic material and / or a complex material that selectively adsorbs the gas that has passed through the gate electrode;
A gate insulating layer disposed on the opposite side of the gas adsorption layer from the gate electrode;
A source electrode and a drain electrode that are spaced apart from each other on the opposite side of the gas adsorption layer with respect to the gate insulating layer;
A semiconductor layer forming a channel between the source electrode and the drain electrode;
A field effect device for a gas sensor.
<2> The gas adsorption layer is
As the organic material, a layer containing a polyethylene glycol, a siloxane compound, or a compound obtained by chemically modifying a polyethylene glycol or a siloxane compound with a functional functional group selected from the group consisting of a benzene ring, a proline, and a secondary amine,
As the complex material, a layer containing a metal organic structure (MOF: Metal Organic Frameworks), or
The field effect device for a gas sensor according to <1>, which is a layer in which the complex material is dispersed in the organic material.

<3> <1>又は<2>に記載のガスセンサ用電界効果型デバイスを備えたガスセンサ。
<4> 前記ガスセンサ用電界効果型デバイスを複数備え、前記複数のガスセンサ用電界効果型デバイスは、前記ガス吸着層のガス吸着特性及び動作温度の少なくとも一方が互いに異なる<3>に記載のガスセンサ。
<3> A gas sensor comprising the field-effect device for gas sensor according to <1> or <2>.
<4> The gas sensor according to <3>, including a plurality of field effect devices for the gas sensor, wherein the plurality of field effect devices for the gas sensor are different from each other in at least one of a gas adsorption characteristic and an operating temperature of the gas adsorption layer.

本発明によれば、容易に製造することができる感ガス性の層を有するセンサ用電界効果型デバイス及びガスセンサを提供することができる。
さらに本発明によれば、ガス検出の選択性を変え、高い選択性でガスを検出したり、あるいは複数の異なる選択性を有するガスセンサを用い、それらの信号を情報処理することによりガスを同定・定量することができるように、ガス選択性の異なる複数のガスセンサデバイスを容易に集積化することが可能なガスセンサシステムを提供することができる。
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the field effect device for sensors and gas sensor which have a gas-sensitive layer which can be manufactured easily can be provided.
Further, according to the present invention, the gas detection selectivity is changed, the gas is detected with high selectivity, or a gas sensor having a plurality of different selectivities is used to process the signals to identify and identify the gas. It is possible to provide a gas sensor system capable of easily integrating a plurality of gas sensor devices having different gas selectivities so that they can be quantified.

本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスの構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the field effect type device for gas sensors which concerns on embodiment of this invention. 図1に示すガスセンサ用電界効果型デバイスにおけるガス吸着層を形成する工程の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the process of forming the gas adsorption layer in the field effect device for gas sensors shown in FIG. 図1に示すガスセンサ用電界効果型デバイスにおけるゲート電極を形成する工程の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the process of forming the gate electrode in the field effect type device for gas sensors shown in FIG. 本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスの他の構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other structural example of the field effect device for gas sensors which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスの他の構成例を示す概略図である。It is the schematic which shows the other structural example of the field effect device for gas sensors which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るガスセンサの構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the gas sensor which concerns on embodiment of this invention. 複数のガスセンサ用電界効果型デバイスを備えたガスセンサの構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the gas sensor provided with the several field effect type device for gas sensors. 実施例で作製したガスセンサ用電界効果型デバイスを示す写真画像である。It is a photographic image which shows the field effect type device for gas sensors produced in the Example. 実施例で用いた電気回路評価系を示す概略図である。It is the schematic which shows the electric circuit evaluation system used in the Example. 実施例1におけるガスフローとガスセンサ用電界効果型デバイス特性の図9に示す電気回路評価系における出力電圧の経時変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the output voltage in the electric circuit evaluation type | system | group shown in FIG. 9 of the gas flow in Example 1, and the field effect type device characteristic for gas sensors. 実施例2におけるガスフローとガスセンサ用電界効果型デバイス特性の図9に示す電気回路評価系における出力電圧の経時変化について温度の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of temperature about the time-dependent change of the output voltage in the electric circuit evaluation system shown in FIG. 9 of the gas flow in Example 2, and the field effect type device characteristic for gas sensors.

以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス(以下、「デバイス」と記す場合がある。)及びガスセンサについて説明する。
なお、以下の説明において「〜」の記号によって示す数値範囲は、「〜」の両側で下限値及び上限値として記載されている数値も含む範囲を意味する。また、上限値又は下限値のみに単位が付されている場合は、数値範囲全体にわたって同じ単位であることを意味する。
Hereinafter, a field-effect device for a gas sensor (hereinafter sometimes referred to as “device”) and a gas sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
In the following description, the numerical range indicated by the symbol “to” means a range including numerical values described as the lower limit value and the upper limit value on both sides of “to”. Moreover, when a unit is attached | subjected only to an upper limit or a lower limit, it means that it is the same unit over the whole numerical range.

[ガスセンサ用電界効果型デバイス]
本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスは、ガスが透過するゲート電極と、前記ゲート電極を透過したガスを選択的に吸着する有機材料を含むガス吸着層と、前記ガス吸着層に対して前記ゲート電極とは反対側に配置されたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層に対して前記ガス吸着層とは反対側で互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間でチャネルを形成する半導体層と、を有する。
[Field-effect device for gas sensor]
A field effect device for a gas sensor according to an embodiment of the present invention includes a gate electrode through which a gas passes, a gas adsorption layer including an organic material that selectively adsorbs the gas that has passed through the gate electrode, and the gas adsorption layer. In contrast, a gate insulating layer disposed on the opposite side of the gate electrode, a source electrode and a drain electrode disposed on the opposite side of the gas insulating layer with respect to the gate insulating layer, and the source A semiconductor layer forming a channel between the electrode and the drain electrode.

本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスは、ガス中の成分を選択的に吸着する有機材料(以下、「ガス吸着性有機材料」と称する場合がある。)を用いてガス吸着層が形成されているため、ガス吸着性有機材料と溶媒を含む溶液又は分散液を用いて塗布及び乾燥させることでガス吸着層を成膜することができる。そのため、例えば、互いに異なる成分に対して吸着特性を示すガスセンサ用電界効果型デバイスを複数配置したアレイ構造を有するガスセンサを製造する場合、検出対象となるガス成分に応じたガス吸着性有機材料を含む塗布液をディスペンサー等で各デバイスのゲート絶縁層上にそれぞれ塗布し、乾燥させることで、複数のガス成分を検出することができる集積化ガスセンサを容易に製造することができる。   The field-effect device for a gas sensor according to an embodiment of the present invention uses a gas adsorption layer using an organic material that selectively adsorbs components in the gas (hereinafter, may be referred to as “gas-adsorbing organic material”). Therefore, a gas adsorption layer can be formed by applying and drying a solution or dispersion containing a gas adsorbing organic material and a solvent. Therefore, for example, when manufacturing a gas sensor having an array structure in which a plurality of field effect devices for gas sensors exhibiting adsorption characteristics with respect to different components are arranged, a gas adsorbing organic material corresponding to the gas component to be detected is included. An integrated gas sensor capable of detecting a plurality of gas components can be easily manufactured by applying the coating liquid onto the gate insulating layer of each device with a dispenser or the like and drying the coating liquid.

図1は、本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス100の構成の一例を示す概略図である。図1に示すガスセンサ用電界効果型デバイス100は、ガスが透過するゲート電極24と、ゲート電極24を透過したガスを選択的に吸着する有機材料を含むガス吸着層22と、ガス吸着層22に対してゲート電極24とは反対側に配置されたゲート絶縁層20と、ゲート絶縁層20に対してガス吸着層22とは反対側で互いに離間して配置されたソース電極12S及びドレイン電極12Dと、ソース電極12Sとドレイン電極12Dとの間でチャネルを形成する半導体層10と、を有している。以下、本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス100の各構成について具体的に説明する。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a configuration of a field effect device 100 for a gas sensor according to an embodiment of the present invention. A gas sensor field effect device 100 shown in FIG. 1 includes a gate electrode 24 through which a gas passes, a gas adsorption layer 22 containing an organic material that selectively adsorbs the gas that has passed through the gate electrode 24, and a gas adsorption layer 22. On the other hand, a gate insulating layer 20 disposed on the opposite side of the gate electrode 24, and a source electrode 12S and a drain electrode 12D disposed on the opposite side of the gas insulating layer 20 from the gate insulating layer 20 and spaced apart from each other. And a semiconductor layer 10 forming a channel between the source electrode 12S and the drain electrode 12D. Hereinafter, each structure of the field effect type device 100 for gas sensors which concerns on embodiment of this invention is demonstrated concretely.

(ゲート電極)
ゲート電極24は、導電性材料で構成されており、ガスが透過する構造を有する。
ゲート電極24を構成する導電性材料としては、Pt、Ir、Pd,Au、Ag、Al、Cu、Cr、Mo、Ti等の金属、Pt合金、Ir合金、Pd合金、Ag合金、Cu合金等の合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化亜鉛インジウム等の金属酸化物を用いて形成することができる。また、PEDOT(ポリ3,4−エチレンジオキチオフェン)にPSS(ポリスチレンスルホン酸)がドーピングされた高分子材料(PEDOT/PSS)等の導電性ポリマーを用いることもできる。ゲート電極24は、複数の材料を組み合わせて構成されてもよい。
(Gate electrode)
The gate electrode 24 is made of a conductive material and has a structure that allows gas to pass therethrough.
Examples of the conductive material constituting the gate electrode 24 include metals such as Pt, Ir, Pd, Au, Ag, Al, Cu, Cr, Mo, Ti, Pt alloy, Ir alloy, Pd alloy, Ag alloy, Cu alloy, and the like. And metal oxides such as tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide, and zinc indium oxide can be used. Alternatively, a conductive polymer such as a polymer material (PEDOT / PSS) in which PSS (poly3,4-ethylenedioxythiophene) is doped with PSS (polystyrene sulfonic acid) can also be used. The gate electrode 24 may be configured by combining a plurality of materials.

ゲート電極24はガスを透過させる観点から、貫通する孔を含む多孔質構造を有することが好ましい。多孔質構造を有するゲート電極24は、ゲート電極24を形成する段階で多孔質構造を有するゲート電極24を形成してもよいし、ゲート電極24を形成した後、厚さ方向に貫通する孔を形成するなどして多孔質構造を形成してもよい。ゲート電極24の全面が多孔質構造を有することが好ましい。ゲート電極24の一部が多孔質構造を有してもよい。ゲート電極24は弾性を有してもよい。   The gate electrode 24 preferably has a porous structure including through holes from the viewpoint of allowing gas to pass therethrough. For the gate electrode 24 having a porous structure, the gate electrode 24 having a porous structure may be formed at the stage of forming the gate electrode 24, or after forming the gate electrode 24, a hole penetrating in the thickness direction may be formed. You may form a porous structure by forming. The entire surface of the gate electrode 24 preferably has a porous structure. A part of the gate electrode 24 may have a porous structure. The gate electrode 24 may have elasticity.

ゲート電極24の厚みは特に限定されないが、ゲート電極24の厚みが薄過ぎると抵抗が高くなり、厚過ぎるとガス透過性が低下する傾向となる。かかる観点から、ゲート電極24の厚みは、1nm〜数十nmであることが好ましい。   The thickness of the gate electrode 24 is not particularly limited, but if the thickness of the gate electrode 24 is too thin, the resistance increases, and if it is too thick, the gas permeability tends to decrease. From this viewpoint, the thickness of the gate electrode 24 is preferably 1 nm to several tens of nm.

(ガス吸着層)
ガス吸着層22は、ゲート電極24を透過したガスを選択的に吸着する有機材料(ガス吸着性有機材料)を含んでいる。ガス吸着層22に含まれるガス吸着性有機材料は、検出対象のガスの極性、溶解性、親和性、親水性、疎水性、分子サイズ等に応じて選択すればよい。また、ガスセンサを繰り返し使用する観点から、ガス吸着性有機材料は、1種又は2種以上のガスを選択的に吸着(捕捉)し、吸着したガスを加熱によって脱着させる材料であることが好ましい。
また、ガス吸着層22を塗布法によって容易に成膜する観点から、ガス吸着性有機材料は、溶媒に溶解又は分散し、塗布及び乾燥によって成膜することができる材料が好ましい。溶媒は、ガス吸着性有機材料に応じて選択すればよい。
(Gas adsorption layer)
The gas adsorption layer 22 includes an organic material (gas adsorbing organic material) that selectively adsorbs the gas that has passed through the gate electrode 24. The gas adsorbing organic material contained in the gas adsorbing layer 22 may be selected according to the polarity, solubility, affinity, hydrophilicity, hydrophobicity, molecular size, etc. of the gas to be detected. From the viewpoint of repeatedly using the gas sensor, the gas adsorbing organic material is preferably a material that selectively adsorbs (captures) one or more gases and desorbs the adsorbed gas by heating.
Further, from the viewpoint of easily forming the gas adsorbing layer 22 by a coating method, the gas adsorbing organic material is preferably a material that can be dissolved or dispersed in a solvent and formed by coating and drying. The solvent may be selected according to the gas adsorbing organic material.

ガス吸着層22に含まれるガス吸着性有機材料として、例えば、シロキサン結合(Si−O−Si)を有するシロキサン系化合物、ポリエチレングリコール(PEG)を好適に使用することができる。以下にガス吸着層22を構成し得るシロキサン系化合物及びポリエチレングリコール(PEG)の構造を示すが、これらに限定されるものではない。なお、式中、n、mは整数を表す。   As the gas adsorbing organic material contained in the gas adsorption layer 22, for example, a siloxane compound having a siloxane bond (Si—O—Si), polyethylene glycol (PEG) can be preferably used. Although the structure of the siloxane compound and polyethylene glycol (PEG) which can comprise the gas adsorption layer 22 is shown below, it is not limited to these. In the formula, n and m represent integers.

例えば、シロキサン系化合物は、低極性又は中極性のガス成分の吸着に適しており、PEGは、高極性のガス成分の吸着に適している。
なお、ガス吸着層22に含まれるガス吸着性有機材料はシロキサン系化合物及びPEGに限定されず、例えば、超分子、ペプチド等を使用することもできる。また、ガス吸着性有機材料は、有機材料を含み、ガス吸着層22を形成し得る材料であれば有機化合物のみに限定されず、有機化合物と金属元素を含む材料であってもよい。例えば、錯体材料として金属イオンに有機配位子が配位した金属有機構造体を用いてガス吸着層22を形成してもよい。尚、金属有機構造体は、多孔性配位高分子(Porous Coordination Polymer, PCP)とも呼ばれる。
For example, a siloxane compound is suitable for adsorption of a low polar or medium polar gas component, and PEG is suitable for adsorption of a high polar gas component.
The gas adsorbing organic material contained in the gas adsorbing layer 22 is not limited to siloxane compounds and PEG, and for example, supramolecules, peptides, etc. can be used. Further, the gas adsorbing organic material is not limited to an organic compound as long as it includes an organic material and can form the gas adsorption layer 22, and may be a material including an organic compound and a metal element. For example, the gas adsorption layer 22 may be formed using a metal organic structure in which an organic ligand is coordinated to a metal ion as a complex material. The metal organic structure is also called a porous coordination polymer (PCP).

ガス吸着層22は、複数種のガスに対して吸着性を示すガス吸着性有機材料あるいは前記錯体材料を用いて構成してもよい。また、ガス吸着層22は、複数種のガス吸着性有機材料を含んでもよいし、ガス吸着性有機材料とガスを吸着しない有機材料を含んでもよい。
また、ガス吸着層22は、ガス吸着の選択性を高めるために、ガス吸着性有機材料として、シロキサン系化合物、ポリエチレングリコール等の有機材料に、ベンゼン環、プロリン、二級アミンなどの機能性官能基を化学修飾した有機材料を含む層としてもよいし、あるいは金属有機構造体などの錯体材料を含む層としてもよい。あるいは上記錯体材料を上記有機材料中に分散させた層とすることも効果的である。
The gas adsorbing layer 22 may be configured by using a gas adsorbing organic material exhibiting adsorbing properties for a plurality of types of gases or the complex material. The gas adsorption layer 22 may include a plurality of types of gas adsorbing organic materials, or may include a gas adsorbing organic material and an organic material that does not adsorb gas.
Further, the gas adsorption layer 22 has an organic functional material such as a benzene ring, proline, secondary amine or the like as an organic material such as a siloxane compound or polyethylene glycol as a gas adsorbing organic material in order to enhance gas adsorption selectivity. A layer containing an organic material whose group is chemically modified may be used, or a layer containing a complex material such as a metal organic structure may be used. Alternatively, it is also effective to form a layer in which the complex material is dispersed in the organic material.

ガス吸着層22の厚みは、例えば、数nm〜1μmであることが好ましい。ガス吸着層22の厚みが上記範囲内であれば、塗布法による形成が容易であり、ゲート電極24を透過した特定のガス成分を捕捉してトランジスタ特性に影響を与えることでガスを検出することができる。   The thickness of the gas adsorption layer 22 is preferably several nm to 1 μm, for example. If the thickness of the gas adsorbing layer 22 is within the above range, formation by a coating method is easy, and gas is detected by capturing a specific gas component that has passed through the gate electrode 24 and affecting the transistor characteristics. Can do.

(ゲート絶縁層)
ゲート絶縁層20は、ガス吸着層22に対してゲート電極24とは反対側に配置されている。ゲート絶縁層20は、FETのゲート絶縁層20として公知の材料によって形成することができる。例えば、酸化ケイ素、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素などが挙げられる。
ゲート絶縁層20は1層又は2層以上の積層構造であってもよい。例えば、図1に示すガスセンサ用電界効果型デバイス100は、ゲート絶縁層20として、酸化ケイ素膜14、窒化ケイ素膜16、酸化タンタル膜18を備えているが、ゲート絶縁層20は、酸化ケイ素膜14、窒化ケイ素膜16及び酸化タンタル膜18のいずれか一つの絶縁膜を有する構造でもよいし、他の絶縁材料によって構成してもよい。
(Gate insulation layer)
The gate insulating layer 20 is disposed on the opposite side of the gas adsorption layer 22 from the gate electrode 24. The gate insulating layer 20 can be formed of a known material as the gate insulating layer 20 of the FET. Examples thereof include silicon oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, aluminum oxide, silicon nitride, and silicon oxynitride.
The gate insulating layer 20 may have a single layer structure or a stacked structure of two or more layers. For example, the field effect device 100 for a gas sensor shown in FIG. 1 includes a silicon oxide film 14, a silicon nitride film 16, and a tantalum oxide film 18 as the gate insulating layer 20, and the gate insulating layer 20 includes a silicon oxide film. 14, the structure which has any one insulating film of the silicon nitride film 16 and the tantalum oxide film 18 may be sufficient, and you may comprise with another insulating material.

ゲート絶縁層20の厚みは、例えば、5nm〜500nm程度であることが好ましい。ゲート絶縁層20の厚みが上記範囲内であればソース電極12S及びドレイン電極12D(以下、「ソース・ドレイン電極12S,12D」と記す場合がある。)との間で絶縁性を確保し、かつ、ガス吸着層22にガスが吸着したときに電流又は電圧の変化によって検出し易い。   The thickness of the gate insulating layer 20 is preferably about 5 nm to 500 nm, for example. If the thickness of the gate insulating layer 20 is within the above range, insulation between the source electrode 12S and the drain electrode 12D (hereinafter sometimes referred to as “source / drain electrodes 12S, 12D”) is ensured, and When gas is adsorbed to the gas adsorption layer 22, it is easy to detect by a change in current or voltage.

(パッシベーション層)
図1に示すガスセンサ用電界効果型デバイス100は、例えばガス吸着層22とゲート絶縁層20との間、又は絶縁層20と半導体層10との間にパッシベーション層を設けてもよい。パッシベーション層を設けることで半導体層10を保護し、動作安定性を図ることができる。
パッシベーション層を構成する材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素等の絶縁性の無機材料及び炭化ケイ素等の半導体性の無機材料のほか、ポリイミド等の絶縁性の有機材料を使用することもできる。パッシベーション層は1種の材料で構成されていてもよいし、2種以上の材料で構成されていてもよい。なお、図1に示すガスセンサ用電界効果型デバイス100では、ゲート絶縁層20を構成する酸化ケイ素膜14及び窒化ケイ素膜16は、パッシベーション層も兼ねている。
(Passivation layer)
In the field effect device 100 for a gas sensor illustrated in FIG. 1, for example, a passivation layer may be provided between the gas adsorption layer 22 and the gate insulating layer 20 or between the insulating layer 20 and the semiconductor layer 10. By providing the passivation layer, the semiconductor layer 10 can be protected and operational stability can be achieved.
As a material constituting the passivation layer, an insulating inorganic material such as silicon oxide or silicon nitride and a semiconductor inorganic material such as silicon carbide, or an insulating organic material such as polyimide can be used. The passivation layer may be composed of one kind of material or may be composed of two or more kinds of materials. In the gas sensor field effect device 100 shown in FIG. 1, the silicon oxide film 14 and the silicon nitride film 16 constituting the gate insulating layer 20 also serve as a passivation layer.

(ソース・ドレイン電極)
ソース電極12S及びドレイン電極12Dは、一対の電極を成し、ゲート絶縁層20に対してガス吸着層22とは反対側で互いに離間して配置されている。
ソース電極12S及びドレイン電極12Dは、導電性材料により構成される。具体的には、ゲート電極24を構成する材料として例示した金属、金属化合物、導電性ポリマー等の導電性材料によりソース・ドレイン電極12S,12Dを形成することができる。
(Source / drain electrodes)
The source electrode 12S and the drain electrode 12D form a pair of electrodes, and are spaced apart from each other on the side opposite to the gas adsorption layer 22 with respect to the gate insulating layer 20.
The source electrode 12S and the drain electrode 12D are made of a conductive material. Specifically, the source / drain electrodes 12S and 12D can be formed of a conductive material such as a metal, a metal compound, or a conductive polymer exemplified as the material constituting the gate electrode 24.

また、例えば、半導体層10としてシリコン基板を用い、ドーピングによってソース電極(ソース領域)及びドレイン電極(ドレイン領域)を形成してもよい。図1に示すガスセンサ用電界効果型デバイス100は、支持基板と半導体層10を兼ねたp型シリコン基板を用い、シリコン基板の所定の箇所に不純物を注入(ドーピング)することでn型のソース・ドレイン電極(ソース・ドレイン領域)12S,12Dを形成している。   Further, for example, a silicon substrate may be used as the semiconductor layer 10 and a source electrode (source region) and a drain electrode (drain region) may be formed by doping. A gas sensor field effect device 100 shown in FIG. 1 uses a p-type silicon substrate serving as both a support substrate and a semiconductor layer 10, and implants (dopes) impurities into a predetermined portion of the silicon substrate to thereby form an n-type source Drain electrodes (source / drain regions) 12S and 12D are formed.

ソース・ドレイン電極12S,12Dの厚みは、形成容易性及び導電性の観点から、例えば、0.01〜5μmである。   The thickness of the source / drain electrodes 12S and 12D is, for example, 0.01 to 5 μm from the viewpoint of ease of formation and conductivity.

(半導体層)
半導体層10はソース電極12S及びドレイン電極12Dに接続しており、半導体層10を介してソース電極12Sとドレイン電極12Dとの間でチャネルが形成される。なお、図1に示すデバイス100では、ソース電極12Sとドレイン電極12Dが半導体層10と接触しているが、ソース電極12Sとドレイン電極12Dは、オーミックコンタクト層(不図示)を介して半導体層10と電気的に接続されていてもよい。
(Semiconductor layer)
The semiconductor layer 10 is connected to the source electrode 12S and the drain electrode 12D, and a channel is formed between the source electrode 12S and the drain electrode 12D through the semiconductor layer 10. In the device 100 shown in FIG. 1, the source electrode 12S and the drain electrode 12D are in contact with the semiconductor layer 10, but the source electrode 12S and the drain electrode 12D are connected to the semiconductor layer 10 via an ohmic contact layer (not shown). And may be electrically connected.

半導体層10は、シリコン、ゲルマニウム、GaAs、GaP、InP等の化合物半導体、酸化物半導体、有機半導体が挙げられる。安定性、移動度、コスト等の観点からシリコンが好ましい。なお、低温成膜性の観点からは、酸化物半導体及び有機物半導体が好ましい。
前述したように半導体層10としてシリコン基板を用い、ドーピングによってソース電極(ソース領域)12S及びドレイン電極(ドレイン領域)12Dを形成してもよい。
Examples of the semiconductor layer 10 include compound semiconductors such as silicon, germanium, GaAs, GaP, and InP, oxide semiconductors, and organic semiconductors. Silicon is preferable from the viewpoints of stability, mobility, cost, and the like. Note that an oxide semiconductor and an organic semiconductor are preferable from the viewpoint of low-temperature film formability.
As described above, a silicon substrate may be used as the semiconductor layer 10, and the source electrode (source region) 12S and the drain electrode (drain region) 12D may be formed by doping.

[ガスセンサ用電界効果型デバイスの製造方法]
本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス100の製造方法は特に限定されないが、図1に示す構成のガスセンサ用電界効果型デバイス100は、例えば以下の方法によって製造することができる。
まず、p型シリコン基板の所定の位置にリン、ヒ素等の不純物を注入(ドーピング)することでソース・ドレイン電極(ソース・ドレイン領域)12S,12Dを形成する。
次いで、ゲート絶縁層20として、SiO膜、Si膜、Ta膜を順次形成する。なお、半導体層10構成を有する材料は、ISFET(Ion−Sensitive Field Effect Transistor)として市販されているデバイス100を用いることもできる。
[Method for producing field-effect device for gas sensor]
Although the manufacturing method of the field effect device 100 for gas sensors which concerns on embodiment of this invention is not specifically limited, The field effect device 100 for gas sensors of the structure shown in FIG. 1 can be manufactured with the following method, for example.
First, source / drain electrodes (source / drain regions) 12S and 12D are formed by implanting (doping) impurities such as phosphorus and arsenic into predetermined positions of the p-type silicon substrate.
Next, as the gate insulating layer 20, a SiO 2 film, a Si 3 N 4 film, and a Ta 2 O 5 film are sequentially formed. In addition, the device 100 marketed as ISFET (Ion-Sensitive Field Effect Transistor) can also be used for the material which has the semiconductor layer 10 structure.

次いで、ゲート絶縁層20上にガス吸着層22を形成する。図2は、ガス吸着層22の形成方法の一例を示している。ガス吸着層22を構成するガス吸着性有機材料を溶媒に溶解又は分散させた塗布液22Aを、図2に示すようにゲート絶縁層20上にディスペンサー30によって滴下し、乾燥させることでガス吸着性有機材料を含むガス吸着層22を形成することができる。   Next, the gas adsorption layer 22 is formed on the gate insulating layer 20. FIG. 2 shows an example of a method for forming the gas adsorption layer 22. A coating solution 22A in which a gas adsorbing organic material constituting the gas adsorbing layer 22 is dissolved or dispersed in a solvent is dropped onto the gate insulating layer 20 by a dispenser 30 as shown in FIG. A gas adsorption layer 22 containing an organic material can be formed.

ガス吸着層22を形成する方法としては、ディスペンサー法に限らず、例えば、インクジェット法、ディップコート法、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法、ミスト法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、電解重合法、電界紡糸法等を適用してもよい。   The method for forming the gas adsorbing layer 22 is not limited to the dispenser method. For example, the inkjet method, the dip coating method, the spray coating method, the spin coating method, the blade coating method, the casting method, the roll coating method, the bar coating method, and the die coating method. A method, a mist method, a screen printing method, a relief printing method, an intaglio printing method, an electrolytic polymerization method, an electrospinning method, and the like may be applied.

次いで、ガス吸着層22上にガス透過性を有するゲート電極24を形成する。例えば、ゲート電極24を構成する金属のターゲットを用いてスパッタリングすることによりガス吸着層22上にゲート電極24を形成する。このとき、例えば10nm以下の厚みで成膜すれば、図3に示すようにガス吸着層22に付着した金属粒子の間に隙間を有する多孔質構造のゲート電極24が形成され、ガス吸着層22にもガスを接触させることができる。
なお、ゲート電極24の成膜方法は、スパッタリングに限定されず、有機材料を含むガス吸着層22を損傷せずにガス透過性を有するゲート電極を形成することができればよい。例えば、電子ビーム蒸着や印刷、塗布等の湿式方式によりゲート電極を形成してもよい。
Next, a gas permeable gate electrode 24 is formed on the gas adsorption layer 22. For example, the gate electrode 24 is formed on the gas adsorption layer 22 by sputtering using a metal target constituting the gate electrode 24. At this time, if the film is formed with a thickness of 10 nm or less, for example, a porous gate electrode 24 having a gap between the metal particles attached to the gas adsorption layer 22 is formed as shown in FIG. Also gas can be contacted.
Note that the method for forming the gate electrode 24 is not limited to sputtering as long as the gate electrode having gas permeability can be formed without damaging the gas adsorption layer 22 containing an organic material. For example, the gate electrode may be formed by a wet method such as electron beam evaporation, printing, or coating.

なお、図1に示すガスセンサ用電界効果型デバイス100は、Nチャネル、ディプレッション型(ノーマリーオン)のFETであるが、本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス100は、Pチャネルでもよいし、エンハンスメント型(ノーマリーオフ)でもよい。
また、図1に示すガスセンサ用電界効果型デバイス100は、シリコン基板にドーピングによりソース・ドレイン電極12S,12Dを形成した構成を有するが、図1に示す構成に限定されず、ガラス基板、樹脂基板等の支持基板上に本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス100を形成し、薄膜トランジスタ型(Thin Film Transistor, TFT)としてもよい。支持基板上に本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス100を形成する場合、例えば、図4に示すように、ガラス等の支持基板50上に、半導体層10、ソース・ドレイン電極12S,12D、絶縁層20、ガス吸着層22、ゲート電極24を順次形成してもよいし、図5に示すように、支持基板50上に、ソース・ドレイン電極12S,12D、半導体層10、絶縁層20、ガス吸着層22、ゲート電極24を順次形成してもよい。
1 is an N-channel depletion type (normally on) FET, the field-effect device 100 for gas sensor according to the embodiment of the present invention may be a P-channel. It may be an enhancement type (normally off).
1 has a configuration in which source / drain electrodes 12S and 12D are formed on a silicon substrate by doping, but is not limited to the configuration shown in FIG. 1, and a glass substrate or a resin substrate. The field effect device 100 for a gas sensor according to the embodiment of the present invention may be formed on a support substrate such as a thin film transistor (TFT). When forming the field effect device 100 for a gas sensor according to the embodiment of the present invention on a support substrate, for example, as shown in FIG. 4, the semiconductor layer 10 and the source / drain electrodes 12S are formed on the support substrate 50 such as glass. , 12D, the insulating layer 20, the gas adsorption layer 22, and the gate electrode 24 may be formed sequentially. As shown in FIG. 5, the source / drain electrodes 12S and 12D, the semiconductor layer 10, the insulating layer 10 are formed on the support substrate 50. The layer 20, the gas adsorption layer 22, and the gate electrode 24 may be sequentially formed.

[ガスセンサ]
本発明の実施形態に係るガスセンサは、前述したガスセンサ用電界効果型デバイス100を備えている。図6は、本発明の実施形態に係るガスセンサの構成の一例を概略的に示している。
本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス100は、ゲート電極24を透過したガスに含まれる特定のガス成分がガス吸着層22に吸着されることで、ガス吸着層22の誘電率などの特性変化が生じる。そのため、ガスセンサ用電界効果型デバイス100のトランジスタ特性(電圧及び/又は電流)の変化を電気的に検出することでガスを検出することができる。
[Gas sensor]
A gas sensor according to an embodiment of the present invention includes the above-described field-effect device 100 for a gas sensor. FIG. 6 schematically shows an example of the configuration of the gas sensor according to the embodiment of the present invention.
In the field effect device 100 for a gas sensor according to the embodiment of the present invention, a specific gas component contained in the gas that has passed through the gate electrode 24 is adsorbed by the gas adsorption layer 22, so that the dielectric constant of the gas adsorption layer 22, etc. The characteristic change occurs. Therefore, gas can be detected by electrically detecting a change in transistor characteristics (voltage and / or current) of the field effect device 100 for gas sensor.

また、極性、溶解性、親和性、親水性、疎水性、分子サイズ等が異なるガス吸着性有機材料を用いてそれぞれガス吸着層22を形成した複数のガスセンサ用電界効果型デバイス100をアレイ化し、集積させることで、種々のガス検出が可能なガスセンサとすることもできる。   In addition, a plurality of field-effect devices 100 for gas sensors each having a gas adsorption layer 22 formed using gas adsorbing organic materials having different polarities, solubility, affinity, hydrophilicity, hydrophobicity, molecular size, etc. are arrayed, By integrating, a gas sensor capable of detecting various gases can be obtained.

図7は、ガス吸着層22のガス吸着特性及び動作温度の少なくとも一方が互いに異なる複数のガスセンサ用電界効果型デバイス100を備えたガスセンサの一例を示している。図7に示すガスセンサ300は、それぞれ極性が異なり、それによりガス吸着特性が異なるガス吸着性有機材料によってガス吸着層を有する4つのガスセンサ用電界効果型デバイス100a、100b、100c、100d、各デバイス100の電圧及び電流を測定する機器44、ディスプレイ46等を備え、各デバイス100のトランジスタ特性の変化を測定できるように構成されている。ガスセンサ用電界効果型デバイス100a、100b、100c、100dをガスフローセル40内に配置し、配管42A,42Bを通じてガスフローセル40内に試料ガスを導入し、排出する。このようにガス吸着層22に用いる材料の極性が互いに異なる複数のガスセンサ用電界効果型デバイス100を備えたガスセンサであれば、複数種のガスを検出することができる。   FIG. 7 shows an example of a gas sensor including a plurality of gas sensor field effect devices 100 in which at least one of the gas adsorption characteristics and the operating temperature of the gas adsorption layer 22 is different from each other. The gas sensor 300 shown in FIG. 7 has four gas sensor field effect devices 100a, 100b, 100c, and 100d each having a gas adsorbing layer made of gas adsorbing organic materials having different polarities and different gas adsorbing characteristics. A device 44 for measuring the voltage and current, a display 46, and the like are provided, and a change in transistor characteristics of each device 100 can be measured. The gas sensor field effect devices 100a, 100b, 100c, and 100d are arranged in the gas flow cell 40, and the sample gas is introduced into the gas flow cell 40 through the pipes 42A and 42B and discharged. As described above, a plurality of types of gases can be detected if the gas sensor includes a plurality of field effect devices 100 for gas sensors having different polarities of materials used for the gas adsorption layer 22.

なお、各デバイス100のガス吸着層22を構成するガス吸着性有機材料は複数種のガス成分を吸着する場合もあるし、ガス吸着性有機材料の種類が異なっても同じガス成分を吸着する場合があるが、ガス吸着性有機材料の種類が異なれば、基本的にガスに対する吸着特性は異なる。そのため、検出対象とするガス成分に対し、各デバイス100のガス吸着特性が反映されたトランジスタ特性の変化を予め調べておけば、種々のガスを検出することができる。
また、本発明のデバイスは、温度によって、ガスの吸脱着特性やFETとしての電気特性が変化する。本発明のガスセンサに含まれる各デバイスは、それぞれ動作する温度が異なるように構成してもよい。ガスセンサの動作温度を調整・制御すると、吸着したガス分子の脱離特性が分子の種類によって異なり、分子識別の重要な指標になる。例えば、複数のデバイス100が、同じ材料で構成したガス吸着層22を有していても、ガスセンサを異なる温度で動作させておけば、センサの応答が異なる。ガス吸着性有機材料の種類とセンサの動作温度を制御・最適化することにより、ガス検出の精度を向上させることができる。
また、ガス検出の選択性を変え、高い選択性でガスを検出したり、あるいは複数の異なる選択性を有するガスセンサを用い、それらの信号を情報処理することによりガスを同定・定量することができるように、ガス選択性の異なる複数のガスセンサデバイスを容易に集積化することが可能なガスセンサシステムとすることもできる。
The gas adsorbing organic material constituting the gas adsorbing layer 22 of each device 100 may adsorb a plurality of types of gas components, or the same gas component may be adsorbed even if the types of the gas adsorbing organic materials are different. However, if the type of the gas adsorbing organic material is different, the adsorption characteristics for the gas are basically different. Therefore, various gases can be detected if the change in transistor characteristics reflecting the gas adsorption characteristics of each device 100 is examined in advance for the gas component to be detected.
In addition, the device of the present invention changes the gas adsorption / desorption characteristics and the electric characteristics as an FET depending on the temperature. Each device included in the gas sensor of the present invention may be configured such that the operating temperature is different. When the operating temperature of the gas sensor is adjusted and controlled, the desorption characteristics of the adsorbed gas molecules differ depending on the types of molecules, and become an important index for molecular identification. For example, even if the plurality of devices 100 have the gas adsorption layer 22 made of the same material, if the gas sensors are operated at different temperatures, the responses of the sensors are different. By controlling and optimizing the type of gas adsorbing organic material and the operating temperature of the sensor, the accuracy of gas detection can be improved.
In addition, gas can be identified and quantified by changing the gas detection selectivity and detecting the gas with high selectivity, or by using a plurality of gas sensors having different selectivity and processing these signals. As described above, a gas sensor system in which a plurality of gas sensor devices having different gas selectivity can be easily integrated can be provided.

本発明に係るガスセンサによる検出対象となるガスは特に限定されない。例えば、屋内外での有毒ガスの検出、呼気に含まれるアルコール、違法薬物などの検出に適用することができる。また、呼気中に含まれる成分を検出して臓器等の診断を行う場合にも適用することも考えられる。   The gas to be detected by the gas sensor according to the present invention is not particularly limited. For example, the present invention can be applied to detection of toxic gas indoors and outdoors, detection of alcohol contained in exhaled breath, illegal drugs, and the like. It is also conceivable to apply this method when detecting components contained in exhaled breath and diagnosing organs and the like.

以下に本発明の実施例について説明するが、本発明は以下に示す実施例に限定的に解釈されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not construed as being limited to the following examples.

[実施例1]
<ガスセンサ用電界効果型デバイス1の作製>
半導体層、ソース・ドレイン電極、絶縁層を備えた基板として、アイスフェトコム社製、研究用ISFETを用いた。各層の構成は以下の通りである。
半導体層:p−Si
ソース・ドレイン電極:n−Si
ゲート絶縁層:SiO、Si、Ta
[Example 1]
<Production of Field Effect Device 1 for Gas Sensor>
As a substrate provided with a semiconductor layer, source / drain electrodes, and an insulating layer, a research ISFET manufactured by Ice Fetcom Corp. was used. The configuration of each layer is as follows.
Semiconductor layer: p-Si
Source / drain electrodes: n-Si
Gate insulating layer: SiO 2 , Si 3 N 4 , Ta 2 O 5

(ガス吸着層の形成)
Ta層上に、PEG溶液(溶媒:純水、PEG濃度:0.5mg/1mL)を滴下し、80℃で、1時間乾燥させた。これによりTa層上にPEG層(ガス吸着層)を形成した。
(Formation of gas adsorption layer)
On the Ta 2 O 5 layer, a PEG solution (solvent: pure water, PEG concentration: 0.5 mg / 1 mL) was dropped, and dried at 80 ° C. for 1 hour. As a result, a PEG layer (gas adsorption layer) was formed on the Ta 2 O 5 layer.

(ゲート電極の形成)
ゲート電極として、ガス吸着層上にスパッタリングによってPt層を形成した。スパッタリングの条件は下記の通りである。Pt層の厚みは6nmであった。
−スパッタリング条件−
・ターゲット;Pt
・成膜圧力;チャンバー内圧力1Pa
・成膜温度;室温
・成膜雰囲気;Arガス
(Formation of gate electrode)
As a gate electrode, a Pt layer was formed on the gas adsorption layer by sputtering. The sputtering conditions are as follows. The thickness of the Pt layer was 6 nm.
-Sputtering conditions-
・ Target: Pt
・ Film formation pressure: chamber pressure 1Pa
・ Deposition temperature; room temperature ・ deposition atmosphere; Ar gas

上記工程を経て、図8に示すガスセンサ用電界効果型デバイス1を作製した。   Through the above steps, a field effect device 1 for a gas sensor shown in FIG. 8 was produced.

<評価>
図9に示す電気回路の評価系の下、ガスセンサ用電界効果型デバイス1をガスフローセル内に配置し、ガスセンサ用電界効果型デバイス1を約60℃付近に温めながら250s毎にガスフローのON、OFFを行い、図9における出力電圧Voutを測定した。また、本ガスセンサ用デバイスの動作に使用される電気回路は図9に示す電気回路に限定されるものではない。
使用した試料ガスの成分及び流量は下記の通りである。なお、デバイスの加温は吸着したガスの脱着を促すためである。
試料ガス:CHOHとNの混合ガス(CHOH濃度:543ppm)
流量:1L/min
<Evaluation>
Under the electric circuit evaluation system shown in FIG. 9, the gas sensor field effect device 1 is placed in the gas flow cell, and the gas flow field effect device 1 is turned on at about 250 ° C. while the gas sensor field effect device 1 is heated to about 60 ° C., The output voltage Vout in FIG. 9 was measured after turning OFF. Further, the electric circuit used for the operation of the gas sensor device is not limited to the electric circuit shown in FIG.
The composition and flow rate of the sample gas used are as follows. The heating of the device is to promote desorption of the adsorbed gas.
Sample gas: CH 3 OH and N 2 mixed gas (CH 3 OH concentration: 543 ppm)
Flow rate: 1 L / min

図10は、実施例1におけるガスフローと出力電圧の経時変化を示している。図10に示すように、ガスフローをON、すなわち、セル内に試料ガスを供給すると出力電圧が上昇し、ガスフローをOFF、すなわち、セル内への試料ガスの供給を止めると出力電圧が降下する現象が、規則的にかつ安定して繰り返された。
この結果から、ガスセンサ用電界効果型デバイス1を用いることでCHOHを含んだガスとデバイスのガス吸着層が相互作用した際のデバイスの電気的特性変化を検出することでガスを検出できることがわかる。
FIG. 10 shows changes over time in gas flow and output voltage in Example 1. As shown in FIG. 10, when the gas flow is turned on, that is, when the sample gas is supplied into the cell, the output voltage increases. When the gas flow is turned off, that is, when the supply of the sample gas into the cell is stopped, the output voltage decreases. This phenomenon was repeated regularly and stably.
From this result, it is possible to detect the gas by detecting the change in the electrical characteristics of the device when the gas containing the CH 3 OH and the gas adsorption layer of the device interact by using the field effect device 1 for gas sensor. Recognize.

[実施例2]
<ガスセンサ用電界効果型デバイス2の作製>
実施例1と同様の構成を有するISFETを用意した。
[Example 2]
<Production of field effect device 2 for gas sensor>
An ISFET having the same configuration as in Example 1 was prepared.

(ガス吸着層の形成)
Ta層上に、下記構造を有するシロキサン化合物溶液(Silicone OV−73、信和化工株式会社、溶媒:トルエン、濃度:0.5mg/1mL)を滴下し、室温で、1時間乾燥させた。これによりTa層上シロキサン化合物層(ガス吸着層)を形成した。
(Formation of gas adsorption layer)
A siloxane compound solution (Silicon OV-73, Shinwa Kako Co., Ltd., solvent: toluene, concentration: 0.5 mg / 1 mL) having the following structure was dropped on the Ta 2 O 5 layer and dried at room temperature for 1 hour. . Thus, a siloxane compound layer (gas adsorption layer) on the Ta 2 O 5 layer was formed.

(ゲート電極の形成)
ゲート電極として、実施例1と同様にしてガス吸着層上にスパッタリングによってPt層を形成した。
(Formation of gate electrode)
As a gate electrode, a Pt layer was formed on the gas adsorption layer by sputtering in the same manner as in Example 1.

上記工程を経て、ガスセンサ用電界効果型デバイス2を作製した。   The field effect device 2 for gas sensor was produced through the above steps.

<評価>
図9の電気回路評価系の下で、ガスセンサ用電界効果型デバイス2をガスフローセル内に配置し、ガスセンサ用電界効果型デバイス2を約65℃で温めながら250s毎にガスフローのON、OFFを行い、出力電圧Voutを測定した。また、本ガスセンサ用デバイスの動作に使用される電気回路は図9に示す電気回路に限定されるものではない。
使用した試料ガスの成分及び流量は下記の通りである。なお、デバイスの加温は吸着したガスの脱着を促すためである。
試料ガス:CHOHとNの混合ガス(CHOH濃度:543ppm)
流量:1L/min
<Evaluation>
Under the electric circuit evaluation system of FIG. 9, the gas sensor field effect device 2 is placed in the gas flow cell, and the gas sensor field effect device 2 is heated at about 65 ° C., and the gas flow is turned ON / OFF every 250 s. The output voltage Vout was measured. Further, the electric circuit used for the operation of the gas sensor device is not limited to the electric circuit shown in FIG.
The composition and flow rate of the sample gas used are as follows. The heating of the device is to promote desorption of the adsorbed gas.
Sample gas: CH 3 OH and N 2 mixed gas (CH 3 OH concentration: 543 ppm)
Flow rate: 1 L / min

ガスセンサ用電界効果型デバイス2を約70℃又は約75℃で温めながら上記と同様にガスフローのON、OFFを行った。   The gas flow was turned on and off in the same manner as described above while warming the field effect device 2 for gas sensor at about 70 ° C or about 75 ° C.

図11は、ガスフローと出力電圧の経時変化を示している。図11に示すように、デバイスの温度に関わらず、セル内に試料ガスを供給すると出力電圧が上昇し、セル内への試料ガスの供給を止めると出力電圧が降下する現象が、規則的にかつ安定して繰り返された。
この結果から、ガスセンサ用電界効果型デバイス2を用いることでCHOHと窒素の混合ガスを検出できることがわかる。
FIG. 11 shows changes with time in gas flow and output voltage. As shown in FIG. 11, regardless of the temperature of the device, the phenomenon that the output voltage increases when the sample gas is supplied into the cell and the output voltage decreases regularly when the supply of the sample gas into the cell is stopped. And it was repeated stably.
From this result, it can be seen that a mixed gas of CH 3 OH and nitrogen can be detected by using the field effect device 2 for gas sensor.

10 半導体層
12D ドレイン電極
12S ソース電極
14 酸化ケイ素膜
16 窒化ケイ素膜
18 酸化タンタル膜
20 ゲート絶縁層
22 ガス吸着層
24 多孔性ゲート電極
30 ディスペンサー
50 支持基板
100 ガスセンサ用電界効果型デバイス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor layer 12D Drain electrode 12S Source electrode 14 Silicon oxide film 16 Silicon nitride film 18 Tantalum oxide film 20 Gate insulating layer 22 Gas adsorption layer 24 Porous gate electrode 30 Dispenser 50 Support substrate 100 Field effect type device for gas sensors

Claims (4)

ガスが透過するゲート電極と、
前記ゲート電極を透過したガスを選択的に吸着する有機材料及び/又は錯体材料を含むガス吸着層と、
前記ガス吸着層に対して前記ゲート電極とは反対側に配置されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層に対して前記ガス吸着層とは反対側で互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間でチャネルを形成する半導体層と、
を有するガスセンサ用電界効果型デバイス。
A gas permeable gate electrode;
A gas adsorption layer containing an organic material and / or a complex material that selectively adsorbs the gas that has passed through the gate electrode;
A gate insulating layer disposed on the opposite side of the gas adsorption layer from the gate electrode;
A source electrode and a drain electrode that are spaced apart from each other on the opposite side of the gas adsorption layer with respect to the gate insulating layer;
A semiconductor layer forming a channel between the source electrode and the drain electrode;
A field effect device for a gas sensor.
前記ガス吸着層が、
前記有機材料として、ポリエチレングリコール、シロキサン系化合物、又は、ポリエチレングリコール若しくはシロキサン系化合物を、ベンゼン環、プロリン、及び二級アミンからなる群より選ばれる機能性官能基によって化学修飾した化合物を含む層、
前記錯体材料として、金属有機構造体を含む層、又は、
前記有機材料中に前記錯体材料を分散させた層である請求項1に記載のガスセンサ用電界効果型デバイス。
The gas adsorption layer is
As the organic material, a layer containing a polyethylene glycol, a siloxane compound, or a compound obtained by chemically modifying a polyethylene glycol or a siloxane compound with a functional functional group selected from the group consisting of a benzene ring, a proline, and a secondary amine,
As the complex material, a layer containing a metal organic structure, or
The field effect device for a gas sensor according to claim 1, which is a layer in which the complex material is dispersed in the organic material.
請求項1又は請求項2に記載のガスセンサ用電界効果型デバイスを備えたガスセンサ。   A gas sensor comprising the field effect device for a gas sensor according to claim 1. 前記ガスセンサ用電界効果型デバイスを複数備え、前記複数のガスセンサ用電界効果型デバイスは、前記ガス吸着層のガス吸着特性及び動作温度の少なくとも一方が互いに異なる請求項3に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to claim 3, comprising a plurality of field effect devices for gas sensor, wherein the plurality of field effect devices for gas sensor are different from each other in at least one of a gas adsorption characteristic and an operating temperature of the gas adsorption layer.
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