JP2020513684A - 感応性電界効果デバイス及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、半導体チャネル（１１０）と、前記半導体チャネル（１１０）に接続されたソース電極（１２０）と、前記半導体チャネル（１１０）が前記ソース電極（１２０）とドレイン電極（１３０）の間に介在するように、前記半導体チャネル（１１０）に接続されたドレイン電極（１３０）と、ゲート電極（１４０）と、前記ゲート電極（１４０）と前記半導体チャネル（１１０）との間に介挿された誘電体層（１５０）と、を備える感応性電界効果デバイス（１００）に関し、前記半導体チャネル（１１０）は層であって、アモルファス酸化物からなり、且つ前記センサ手段（１７０，１７１，１７２，１７３，１７４，１７５）は、前記ゲート電極（１４０）と前記ソース電極（１２０）との間の電圧をそれらの電気的状態を変化させ得るセンシング事象時に変化させるように構成されている、ことを特徴とする。
Description
本発明は感応性電界効果デバイス及びその製造方法に関する。
より詳しくは、本発明は、従来の類似のセンサと比較して、高度に感応性となるように高帯域幅のみならず低リーク電流を特徴とするように設計された電界効果トランジスタに関する。該トランジスタは特に検出回路にも適応され、温度、機械的応力、光、薬物、Ｘ線などの電離放射線、などの幾種類かの物理量を検出するように設計され、フレキシブル基板のアレイ又はマトリクスに配列するにも適している。
以下において、本明細書は、以下で詳しく説明するように、幾種類かの物理的現象を感知するように構成された電界効果デバイスに向けられるが、これらの特定の用途に限定されるとみなすべきではない。
周知のように、現在、様々な物理的現象を検出するために高感度センサが産業及び科学的調査に要求されている。
一例として、通常ＣＭＯＳ技術で実現される一般にトランジスタよりなる特定のチッププローブに接続されたＲＦＩＤレシーバの普及が進んでいる。
低コストＲＦＩＤチップはセンサ接続用の補助端末を呈することも知られている。ＲＦＩＤチップは接続されたセンサのインピーダンスＺを（１００ｋＨｚ程度の）高帯域幅で探査する。２０ＭΩより大きいインピーダンスＺは状態０をもたらし、２ＭΩより低いインピーダンスＺの値は状態１をもたらす。
当分野における現在切実な技術的な問題は、(i)ＲＦＩＤの高帯域幅で動作するセンサ、(ii)感知事象によりトリガされる所定の範囲内のインピーダンス応答の大きさ変化の程度を示すセンサ、(iii)感知事象の発生後もインピーダンス変化を維持するセンサ、及び(iv)低コスト大量生産技術に適合するセンサを生成することにある。
今日では、ＲＦＩＤはＣＭＯＳ技術に基づいているが、ＣＭＯＳ技術は電流リーク現象に起因して、上記の目的の達成に幾つかの限界を示し、単一電界効果トランジスタの消費電力を著しく増加する。
利用可能な従来のデバイスの技術的欠点を克服し得るデバイスの必要性が深まっているため、放射線検出及び線量測定の特定の技術的問題について以下に概説する。
実際上、現在では放射線検出及び線量測定は画像診断及び放射線治療に、原子炉、核廃棄物場、手荷物検査などの汚染されている可能性のある区域で働く職員の保護に及び宇宙等の厳しい放射線環境内の線量測定に適切であることが知られている。
多くの場合、低電圧及び低電力動作と高感度、軽量及びフレキシブルな機械特性を兼ね備えるウェアラブル検出器が必要とされる。
既存の電離放射線用線量計は２つの異なる主なタイプに区別できるが、両者とも固有の欠点を示す。
第１のタイプの線量計は熱ルミネスセントリン酸塩ガラス又はガフクロミックフィルムに基づき、実際に高い感度を達成することができる。しかし、欠点として、これらの線量計は放射線のリアルタイム検出が不可能であり、暴露後に専用の機器で光学技術により読み出す必要がある。
第２のタイプの線量計は相補型シリコンメタルオキサイド半導体エレクトロニクスを使用し、直接電子読み出しを提供し、従って放射線被爆に関するリアルタイムデータを提供する。この技術的アプローチの欠点は、被爆電離粒子の一部分を吸収するのみであるため感度が低いこと、センサが機械的に剛性であること、及び大面積のフレキシブル基板上にデバイスを製造することが不可能であることにある。加えて、更なる欠点として、これらのデバイスは機械的にフレキシブルでないため、ウェアラブル線量計への利用が制限される。
以上を考慮して、本発明の目的は従来のデバイスの欠点を克服し、様々な物理的現象を検出するのに適した高感度の汎用デバイスを提供することにある。
本発明の他の目的は、Ｘ線などの電離放射線を検出することを特徴とするデバイスを提供することにある。
本発明は放射線被爆のリアルタイム電子読み出しを特徴とするフレキシブルデバイスを提供することも目的とする。
本発明の別の目的は、Ｘ線光子吸収量及びひいては感度を増加し得るデバイス構造を提供することにある。
よって、本発明の特定の目的は、物理的現象の小さな変化も検出し得る高感度及び高帯域幅の電界効果トランジスタを提供することにある。
電離放射線（例えば、Ｘ線、ガンマ線、中性子線、アルファ線、ベータ線）を検出しモニタし得るフレキシブルな電離感応性電界効果トランジスタ（ＦＩＳＦＥＴ）を提供することも本発明の特定の目的である。
従って、本発明の目的は、半導体チャネルと、前記半導体チャネルに接続されたソース電極と、前記半導体チャネルが前記ソース電極とドレイン電極との間に介在するように、前記半導体チャネルに接続されたドレイン電極と、ゲート電極と、前記ゲート電極と前記半導体チャネルとの間に介在する誘電体層とを備える感応性電界効果デバイスにおいて、前記半導体チャネルはアモルファス酸化物よりなる層であり、且つ前記センサ手段は前記ゲート電極と前記ソース電極との間の電圧をそれらの電気的状態を変化し得るセンシング事象時に変化するように構成されている。
本発明によれば、常に、前記アモルファス酸化物は高い移動度のアモルファス酸化物としてよく、インジウム・ガリウム・亜鉛酸化物（ＩＧＺＯ）及び／又はインジウム・ハフニウム・亜鉛酸化物（ＩＨＺＯ）及び／又は亜鉛・錫酸化物（ＺＴＯ）及び／又はガリウム・亜鉛・錫酸化物（ＧＺＴＯ）からなる群から選ばれる。
更に本発明によれば、前記センシング手段は、前記ゲート電極と前記ソース電極に接続されたキャパシタ（１７１）を備える。
更に本発明によれば、前記センシング手段は、Ｘ線などの電離放射線に暴露可能に配置された誘電体層を備えてよく、該誘電体層は、検出すべき前記入射電離放射線の吸収を増加するために選択された原子番号を有する少なくとも１つの陽イオン元素を有する少なくとも１つの材料からなる少なくとも１つの主層を順に備える。
本発明によれば、好ましくは、前記誘電体層の前記少なくとも１つの材料は３６より高い原子番号Ｚ（Ｚ＞３６）を有してよい。
本発明によれば、常に、前記誘電体層の前記少なくとも１つの主層は、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）及び／又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）及び／又は酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）及び／又は五酸化タンタルＴａ２Ｏ５）及び／又は酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）からなるものとしてよい。
本発明によれば、更に、前記センシング手段は、前記ゲート電極と前記ソース電極に接続された、電磁放射線を検出するためのフォトダイオードを備えてよい。
本発明によれば、更に、前記センシング手段は、圧電センサと直列に接続された整流ダイオードを備えてよく、前記センシング手段は前記ゲート電極と前記ソース電極に並列に接続される。
本発明によれば、有利には、前記センシング手段は環境温度を検出し得る焦電センサを備えてよく、前記焦電センサは前記ゲート電極と前記ソース電極に接続される。
本発明によれば、好ましくは、前記センシング手段は、前記ゲート電極と前記ソース電極に接続された化学センサを備えてよい。
本発明によれば、常に、前記誘電体層は前記ソース電極と前記ドレイン電極に電気的に接触してよい。
本発明によれば、更に、前記誘電体層は１５０ｎｍより大きい又はそれに等しい厚さを有する。
本発明によれば、更に、前記誘電体層は多層としてよく、前記主層の原子番号より低い原子番号を有する１つ以上の絶縁層を含んでよい。
本発明によれば、有利には、前記誘電体層の前記１つ以上の絶縁層は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び／又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるものとしてよい。
本発明によれば、好ましくは、前記誘電体層は、低い原子番号を有する前記絶縁層と前記主層とが２〜１０回繰り返されてなる複合層と、低い原子番号を有する前記絶縁層の最上層とを備えてよい。
本発明によれば、常に、少なくとも１つの基板を備えてよく、該基板の上に前記ゲート電極と前記誘電体層が堆積される。
本発明によれば、更に、前記少なくとも１つの基板はフレキシブルであってよい。
本発明によれば、有利には、前記少なくとも１つの基板はポリエチレンナフタレイトからなるものとしてよい。
本発明によれば、更に、前記ゲート電極、前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）及び／又は銀（Ａｇ）などの導電材料、及び／又はガリウム添加酸化亜鉛（ＧＺＯ）又はインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの導電性酸化物及び／又はＰｅｄｏｔ：Ｐｓｓなどの導電性ポリマからなるものとしてよい。
本発明の他の目的は検出センサにあり、該検出センサは、基板と、 前記基板の上に配列された上記の複数の感応性電界効果デバイスとを備え、前記電離放射感応性電界効果デバイスは少なくとも別の感応性電界効果デバイスと接続されている。
本発明によれば、常に、前記基板はフレキシブルであり、好ましくはポリエチレンナフタレイトからなるものとしてよい。
本発明によれば、更に、前記電界効果デバイスはアレイ又はマトリクスとして配列してよい。
本発明によれば、更に、前記センサは、関連する電界効果デバイスのソース電極とゲート電極に接続された１対の電極を有し、ＲＦＩＤ受信機（ＲＦＩＤ−Ｒ）に接続可能に構成された少なくとも１つのＲＦＩＤ送信機を備えてよい。
有利には、前記ＲＦＩＤ送信機はＲＦＩＤチップ及びアンテナを備えてよい。
本発明によれば、好ましくは、前記センサは複数のＲＦＩＤ送信機を備えてよく、前記各ＲＦＩＤ送信機の各々は関連する電界効果デバイスに動作可能に接続される。
本発明は、上記の電界効果デバイスを製造する方法も目的とし、該方法は、次のステップ、（Ａ）前記ゲート電極を前記フレキシブル基板の上に堆積し、前記ゲート電極にフォトリソグラフィ及びエッチング又はリフトオフを実行するステップと、（Ｂ）前記誘電体層を堆積し、前記誘電体層にフォトリソグラフィ及びエッチング又はリフトオフを実行するステップと、（Ｃ）前記半導体チャネルを堆積し、前記半導体チャネルにフォトリソグラフィ及びエッチング又はリフトオフを実行するステップと、（Ｄ）前記半導体チャネルにフォトリソグラフィを実行し、前記ソース電極及び前記ドレイン電極を堆積するステップと、（Ｅ）前記ソース電極及び前記ドレイン電極をリフトオフによってパターン化するステップと、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、常に、前記ステップ（Ｂ）は、前記誘電体層の前記絶縁層の材料及び前記主層の材料を含有する２つの別個のターゲットから並行して実行されるＲＦスパッタリング、及び／又は前記誘電体層の前記絶縁層の材料及び前記主層の材料を含有する溶液ベース加工工程によって実行されることができ、それにより二酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び／又は酸化アルミニウム（Ａｌ２０３）等の絶縁層のみの交互堆積と、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び／又は酸化アルミニウム（Ａｌ２０３）等の絶縁材料及び前記誘電体層の前記主層の前記材料の同時堆積とで前記誘電体層の多層構造を生成することができる。
本発明は、限定のためでなく説明のために、添付の図面のいくつかの図を参照して、好ましい実施形態に従って、以下に説明される。
様々な図において、類似の部分は同一の参照番号で示されている。
図１を参照すると、本発明による電界効果デバイス１００の第１の実施形態が示され、ここでは電磁放射、特にＸ線などの電離放射線を検出するデバイス構造の詳細も明示されている。
デバイス１００は主に、ソース電極１２０、ドレイン電極１３０及びゲート電極１４０、誘電体層１５０の上に配置された半導体チャネル層１１０、及び基板１６０を備える。
前記ソース電極１２０、前記ドレイン電極１３０及び前記ゲート電極１４０はモリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）などの導電材料、又は酸化ガリウム亜鉛、酸化インジウム亜鉛などの導電性酸化物からなる。
前記誘電体層１５０はトンネル効果及び関連するリーク電流を抑制するために１５０ｎｍより大きい厚さを有する。これは他の現象により生じる可能性のある全リーク電流も低減することができる。
半導体チャネル層１１０は前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置され、それらと電気接触している。前記半導体チャネル層１１０は高移動度のアモルファス酸化物からなる。特に、前記半導体チャネル層１１０はインジウム・ガリウム・亜鉛酸化物（ＩＧＺＯ）、インジウム・ハフニウム・亜鉛酸化物（ＩＨＺＯ）、亜鉛・鈴酸化物（ＺＴＯ）又はガリウム・亜鉛・鈴酸化物（ＧＺＴＯ）で形成してよい。
前記半導体チャネル層１１０に使用される高移動度アモルファス酸化物はフォトリソグラフィで製造される。それらは、図２から理解されるように、高い帯域幅、低い寄生キャパシタンス及び最小のゲート電流を特徴とし、よって低電圧動作に適合し、特にＲＦＩＤ回路に対応する。
前記電界効果デバイス１００はセンサ手段も含むため、センシング時及び検出すべき事象時に、半導体チャネル層１１０のインピーダンス（一般にＺで表される）が１桁以上変化し、よって、以下でより良く説明されるように、例えばＲＦＩＤの接続を可能にする。
本実施形態において、上記に加えて、半導体チャネル層１１０は検出すべき放射線に暴露される。
本実施形態による電界効果デバイス１００に設けられたセンシング手段は多層誘電体酸化物構造の誘電体層１５０を備え、該誘電体層は低い原子番号の原子を有する１以上の他の層と組み合わされた主層を備える。
前記主層は高Ｚ層であり、これは原子番号が３６より高いことを意味する。特に、前記主層は以下の材料：
酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）；
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）
酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）
五酸化タンタル（ＴａＯ５）
酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）
のうちの少なくとも１つからなる。
酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）；
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）
酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）
五酸化タンタル（ＴａＯ５）
酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）
のうちの少なくとも１つからなる。
低い原子番号の原子を有する前記１以上の他の層は絶縁層であり、例えばＳｉＯ２又はＡｌ２Ｏ３とすることができる。
多成分誘電体の最下層は低い原子番号の原子を有する前記絶縁層であり、その後に主層が続く。この構造がその後２〜１０回反復され、その後に低い原子番号の原子を有する前記絶縁層の最上層が続く。
誘電体層１５０は、フレキシブルな感応性電界効果デバイス１００を達成するためにポリエチレンナフタレイトなどの前記フレキシブル基板１６０の上に堆積される。もっと具体的に言えば、図２において、ポリマ／プラスチック基板上にパターン化されたアレイが示され、該アレイは複数の電離感応性電界効果デバイス１００を備える。
上記に加えて、ゲート電極１４０が前記フレキシブル基板１６０と前記誘電体層１５０との間に配置されることが示されている。
上記のようにＸ線照射に起因する多層誘電体酸化物構造１５０内の電離電荷の蓄積に基づくデバイス１００の動作は以下のとおりである。
図３ａ−図３ｃにおいて、デバイスの基本的な動作過程が概略的に示されている。
電離電荷の形成は高エネルギー光子又は光電子２００の吸収により開始され（図３ａ参照）、誘電体層１５０内に電子正孔対３１０を生成する。
電子３１１（図３ｂ参照）が高速過程で、即ちそれぞれの正孔収集過程より高速に、ゲート電極１４０に収集される。
残存する正孔電荷３１２は、前述したように、熱的に活性化されるホッピング過程において半導体チャネル１１０との界面にゆっくり移動する（図３ｃ参照）。
よって、Ｘ線被爆の結果として、大きなドレイン電流及び閾電圧の負値へのシフトが生じる。
図４は、一例として、Ｘ線源として６０ｍＧｙ／ｓの線量率で動作するモリブデン（Ｍｏ）チューブにより放射された６０ｍＧｙの総線量（空気中；Ｇｙはグレイ単位測定量である）に被爆する前又は被爆後に飽和状態（ドレイン電極１３０電圧ＶＤ＝２０ボルト）で測定された電離感応性電界効果デバイス１００の伝達曲線を示す。
伝達特性は、Ｘ線被爆（図３ａの状態参照）後に、より負のゲート電位への０．３２６Ｖのシフトを示す。サブ閾値勾配又は移動度などの他のトランジスタパラメータは被爆に影響されない。
このシフトは誘電体層１５０と半導体チャネル１１０との間の界面での正キャリアの蓄積の結果である（図３ｃ参照）。正キャリアの蓄積は一定の電流束において前記ソース電極と前記ゲート電極との間の電圧に影響を与える。ゲート電位の変化を測定することによって、装置１００に暴露されたＸ線の線量を推測することができる。
電離に対するデバイス１００の感度は高Ｚ誘電体多層１５０の構成に大きく依存する。
この層の低いＸ線減衰長（λ＜６０μｍ）は高い原子番号（例えば、酸化タンタル）を使用することにより達成されるが、酸化層（例えばＳｉＯ２）は良好な絶縁性及び界面特性を維持するのに役立つ。多層誘電体酸化物構造１５０の厚さを増大すると、図５ａに示されるようにＸ線応答を更に改善することができる。この図は、誘電体層１５０の厚さを１１４ｎｍから３８１ｎｍまで増大することにより、閾値シフトが６倍も増大することを示している。
更に、本発明による電離感応性電界効果デバイス１００は、１００ｍＧｙ未満の残存総線量に対して被爆線量と閾値シフトの間に線形依存性を提供するので、閾値の変化を監視することにより定量的な線量測定を実行することができる。
この発見は図５ｂに示され、この図は１秒間変化する線量率のＸ線２００に暴露することにより生じる閾値電圧の変化を示す。差し込み図は得られる閾値電圧の変化を線量の関数として示す。その直線近似は５．５ｍＶ／ｍＧｙの感度をもたらす。
デバイス１００は積分線量計として動作し、Ｘ線被爆事象後も閾値電圧を維持する。
図６ａ及び６ｂは回復測定を表し、閾値電圧を２１Ｇｙの線量に被爆後２２時間の間監視した。曲線は数時間の特性時間スケールを有する引き伸ばされた指数関数に追従する。
これらのデータから、回復ドリフトに起因する誤差を１０％未満に維持するためにデバイス１００の読み出しが実行されなければならない時間を計算することができる。引き伸ばされた指数関数挙動のために、この時間インターバルは検出線量に依存し、より低い線量でより長い保持時間が観測される。これらのデータから、最大の読み出し時間を決定することができ、それが図６ｂに放射線線量の関数としてプロットされている。
最大読み出し時間インターバルはここではＸ線被爆事象後も閾値電圧のドリフトが１０％未満にとどまる時間と定義される。
デバイス１００が線形応答を示す範囲において、最大読み出し時間は３００秒を越える。この長い保持時間は大きな検出器アレイの逐次読み出しをも実現可能にする。
電離感応性電界効果デバイス１００の製造は次の主ステップを備える。
ゲート電極１４０をフレキシブル基板１６０の上に、スパッタリングなどの物理的手法又はスクリーン印刷、ゾルゲル、などの溶液ベースプロセスのような化学的手法による材料加工を用いて堆積する。ゲート電極１４０のパターン化はフォトリソグラフィとエッチングプロセス又はリフトオフを用いて実行する。
誘電体層１５０は、ＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５を含有する２つの別個のターゲットから、ＲＦスパッタリングなどの種々の技術を用いて、又は前記元素を含有する溶液ベースプロセスによって堆積することができる。両プロセスは平行して実行してよい。スパッタリングの場合には、機械的シャッタを使用し、ＳｉＯ２のみの堆積とＳｉＯ２及びＴａ２Ｏ５の同時堆積を交互に行うことによって誘電体層１５０の多層構造を生成した。溶液手法の場合には、厚さをディープステップ（例えば、ゾルゲルディープコーティング）の回数により又は表面に広げる材料の量（例えば、スクリーン印刷）により決定した。誘電体層１５０のパターン化はフォトリソグラフィとエッチングプロセス又はリフトオフで実行される。
次のステップは、誘電体層１５０の上に高移動度のアモルファス酸化物半導体チャネル１１０を、スパッタリングなどの物理的手法又は溶液ベースプロセス（例えば、スクリーン印刷、ゾルゲルなど）のような化学的手法による材料加工を用いて堆積する。酸化物半導体チャネルのパターン化はフォトリソグラフィとエッチングプロセス又はリフトオフで実行する。
最後に、前記ソース電極１２０と前記ドレイン電極１３０が、スパッタリングなどの物理的手法又は溶液ベースプロセス（例えば、スクリーン印刷、ゾルゲルなど）のような化学的手法による材料加工を用いて堆積する。酸化物半導体チャネルのパターン化はフォトリソグラフィとエッチングプロセス又はリフトオフで実行する。前記ソース電極１２０と前記ドレイン電極１３０はリフトオフを用いてパターン化する。
電界効果デバイス１００はＲＦＩＤ送信機に接続することもできる。特に、図７を参照すると、本発明による電界効果デバイス１００の一般的な電気接続が示され、ＲＦＩＤ４００が前記デバイス１００と適切に一体化されている。
前記ＲＦＩＤ送信機４００は、ソース電極１２０とドレイン電極１３０に接続された、即ち半導体チャネル層１１０に並列に接続された、ＲＦＩＤチップ４０１を備え、更にアンテナ４０２がＲＦＩＤチップ４００に接続される。この図には、論理状態を決定するインピーダンスＺの典型的なレベルも示されている。
加えて、図８は電界効果デバイス１００とＲＦＩＤ送信機４００との接続を示し、そのＲＦＩＤチップ４０１は電界効果デバイス１００のソース１２０とドレイン１３０との間に接続され、ＲＦＩＤ送信機４００はＲＦＩＤ受信機ＲＦＩＤ−Ｒにアンテナ４０２を介して遠隔接続される。
センシング事象時に、ゲート端子１４０とソース端子１２０との間の電位ＶGSが変化を受ける。このとき、半導体チャネル層１１０のインピーダンスＺは図９にプロットした曲線に類似の特性曲線に従って変化する。
ＲＦＩＤ送信機の状態はこのとき、図９に示すように、高インピーダンス（０論理状態）から低インピーダンス（１論理状態）に切り替わる。
以上のように、センシング事象時に、半導体チャネル層のインピーダンスＺは大きく減少し、電界効果デバイス１００のソース１２０とドレイン１３０の電極間電圧を測定すれば、論理状態の変化が検出可能である。
図１０ａ及び図１０ｂは電界効果デバイス１００の伝達特性とその周波数応答を示す。特に、図１０ａには異なるドレイン電圧におけるドレイン電流及びゲート電流がゲート−ソース電圧の関数としてプロットされ、図１０ｂには異なる周波数におけるゲート容量ＣＧ（ピコファラッド単位）がゲート−ソース電圧ＶGSの関数としてプロットされている。
センシング事象時に、ゲート電極１４０の電圧は一定に維持され、よってＲＦＩＤチップ４０１により検出されたインピーダンスＺは不変のままになる。このように、センシング事象の発生はパッシブメモリ状態で記憶され、以下で説明されるように、電界効果デバイス１００はいくつかの用途が検討され、特に、周知のように検出感度を高めるために高感度のデバイスが必要とされるＲＦＩＤデバイスの用途に向けられている。
実際には、多くの用途において、例えば職場内、収納室内、技術エンジン（モータ、コンピュータ）内、又は小荷物内の環境状態を、起こり得る健康上の危険又は被害を避けるために所定の許容差内に維持することを保証する必要がある。
以下に記載する用途に対して、次のパラメータが該当する。
−典型的なＲＦＩＤチップ４０１のインピーダンス要件に適合する十分に高いオン／オフ比；
−センサ状態が不明確になる遷移領域の幅を決定する急勾配のサブ閾値勾配；
−高い動作周波数においても高いインピーダンス状態を実現するための低い寄生キャパシタンス；及び
−安定な電荷状態を実現するための低いリーク電流（＜１０ｎＡ／ｃｍ２）;
−ＲＦＩＤチップ４０１の周波数において低いインピーダンス状態を実現するための高いカットオフ周波数（＞３０ｋＨｚ）。
−典型的なＲＦＩＤチップ４０１のインピーダンス要件に適合する十分に高いオン／オフ比；
−センサ状態が不明確になる遷移領域の幅を決定する急勾配のサブ閾値勾配；
−高い動作周波数においても高いインピーダンス状態を実現するための低い寄生キャパシタンス；及び
−安定な電荷状態を実現するための低いリーク電流（＜１０ｎＡ／ｃｍ２）;
−ＲＦＩＤチップ４０１の周波数において低いインピーダンス状態を実現するための高いカットオフ周波数（＞３０ｋＨｚ）。
分極の観点から、デバイス１００は閾値の近くで動作し、よってゲート電極１４０とソース電極１２０との間の通常の小さい電圧変化でもＲＦＩＤセンサ４００端末により直接検出される半導体チャネル１１０に大きな電圧変化を生じることは明らかである。
図１１は第１の実施形態による電界効果デバイス１００を示し、ＲＦＩＤ送信機４００がソース電極１２０とドレイン電極１３０との間に、即ち半導体チャネル層１１０と並列に接続される。ソース電極１２０はゲート電極１４０とも接続される。電離放射線ビーム、図ではＸ線、が半導体チャネル層１１０に入射すると、半導体チャネル層１１０のインピーダンス増大によって図１２に示すように論理状態スイッチが生じる。
この論理スイッチ状態はＲＦＩＤ送信機４００により読み出され、関連するアンテナ４０２によりＲＦＩＤ受信機ＲＦＩＤ−Ｒに送信される。
図１３−１５を参照すると、電界効果デバイス１００の第２の実施形態が示され、そのセンシング手段は共に前記ゲート電極１０４とソース電極１２０との間に並列に接続されたフォトダイオード１７０及びキャパシタ１７１を備える。
可視帯域内又はそのすぐ近くの帯域（例えば、ＵＶ又はＩＲ帯域）内の波長を有する光ビームが前記フォトダイオード１７０に到達すると、該ダイオードは導通するため、ゲート電極１４０とソース電極１２０との間の電位が変化する。図１５はチャネル層１１０のインピーダンスの変化及びその結果のＲＦＩＤチップ４０１の論理状態を時間の関数として示す。
図１６ａ及び１６ｂは本発明の第３の実施形態を示し、本実施形態では本発明による電界効果デバイス１００のセンシング手段は、前記ゲート電極１４０と前記ソース電極１２０との間に接続されたキャパシタ１７１と、前記ゲート電極１４０と前記ソース電極１２０との間に接続された整流ダイオード１７２と圧電センサ１７３の直列接続とを備える。
機械的応力が圧電センサ１７３に加えられると、ゲート−ソース間電圧が変化し、半導体チャネル層１１０のインピーダンスの変化を生じ、よって電界効果デバイス１００の論理的スイッチオフが可能になる。
図１７ａ及び１７ｂを参照すると、本発明の第４の実施形態が示され、本実施形態ではセンシング手段はキャパシタ１７１と焦電センサ１７４を備え、環境温度を測定することができる。キャパシタ１７１及び前記焦電センサ１７４は直列接続される。
前記センシング手段は、上記の他の実施形態と同様に、ゲート電極１２０とソース電極１３０との間に接続される。
本実施形態の動作は他の実施形態に類似する。ゲート−ソース電位ＶGSの変化が半導体チャネル層１１０のインピーダンスＺの変化を生ぜしめる。
図１８ａ及び１８ｂを参照すると、本発明の第４の実施形態が示され、本実施形態でもセンサ手段はキャパシタ１７１及び化学センサ１７５である。前記化学センサ１７５及び前記キャパシタ１７１の接続は上記の第３の実施形態と同じである。
電気的動作も図１７ａ及び１７ｂに示す第３の実施形態と同じであり、明白な差は、本例ではセンサの電気的状態及びゲート−ソース間電圧を変化させて前記ソース電極１２０と前記ドレイン電極１３０との間のインピーダンスを変化させるセンシング事象が化学物質検出であることである。
以上からわかるように、上記のすべての実施形態において、ＲＦＩＤチップ４０１を前記ソース電極１２０と前記ドレイン電極１３０との間に接続して両電極間の電位の変化を検出し、その状態の変化、即ち電離放射線、光、機械的応力、温度の変化及び化学物質の検出をＲＦＩＤ受信機ＲＦＩＤ−Ｒに送信するようにすることができる。
キャパシタ１７１などの上述のパッシブ構成要素のみならず様々なセンサも単一のデバイスに組み込むことができること明らかである。
加えて、幾つかの上述のセンシング手段も互いに組み合わせてもよい。
本発明による電界効果デバイスの利点は、特定の環境状態（電離放射線、光、温度、化学物質、機械的力）が規定の限界を超えるかどうかを監視し得る低コストのＲＦＩＤセンサを生成することができることにある。状態が限界を超えると、ＲＦＩＤセンサの状態が変化し、その事象をその後無線ＲＦＩＤ読み出しシステムを用いて追跡することができる。
本発明によるデバイスの更なる利点は、ユニークな電子センサ性能を大きなエリアの上及びフレキシブルなプラスチック基板の上にマイクロ構造アレイ状にセンサを堆積する可能性と組み合わせることが許される革新的なナノ構造物質の導入にある。
本発明は好ましい実施形態に従って説明のために記載され、限定を目的とするものではなく、添付の請求項で特定される関連範囲から逸脱することなく多くの修正及び／又は変更を導入することが当業者にできることは理解されよう。
Claims (27)
- 半導体チャネル（１１０）と、
前記半導体チャネル（１１０）に接続されたソース電極（１２０）と、
前記半導体チャネル（１１０）が前記ソース電極（１２０）とドレイン電極（１３０）の間に介在するように、前記半導体チャネル（１１０）に接続されたドレイン電極（１３０）と、
ゲート電極（１４０）と、
前記ゲート電極（１４０）と前記半導体チャネル（１１０）との間に介挿された誘電体層（１５０）と、
を備える感応性電界効果デバイス（１００）において、
前記半導体チャネル（１１０）は層であって、アモルファス酸化物からなり、且つ
前記センサ手段（１７０，１７１，１７２，１７３，１７４，１７５）は、前記ゲート電極（１４０）と前記ソース電極（１２０）との間の電圧をそれらの電気的状態を変化させ得るセンシング事象時に変化させるように構成されている、
ことを特徴とする感応性電界効果デバイス（１００）。 - 前記アモルファス酸化物は、高い移動度のアモルファス酸化物であって、インジウム・ガリウム・亜鉛酸化物（ＩＧＺＯ）及び／又はインジウム・ハフニウム・亜鉛酸化物（ＩＨＺＯ）及び／又は亜鉛・錫酸化物（ＺＴＯ）及び／又はガリウム・亜鉛・錫酸化物（ＧＺＴＯ）からなる群から選ばれる、ことを特徴とする請求項１に記載のデバイス（１００）。
- 前記センシング手段は、前記ゲート電極（１４０）と前記ソース電極（１２０）に接続されたキャパシタ（１７１）を備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス（１００）。
- 前記センシング手段は、Ｘ線などの電離放射線に暴露可能に配置された誘電体層（１５０）を備え、該誘電体層は、検出すべき前記入射電離放射線の吸収を増加するために選択された原子番号を有する少なくとも１つの陽イオン元素を有する少なくとも１つの材料からなる少なくとも１つの主層を順に備える、ことを特徴とする請求項１−３の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 前記誘電体層（１５０）の前記少なくとも１つの材料は、高い原子番号Ｚを有し、前記原子番号Ｚは３６より高い（Ｚ＞３６）、ことを特徴とする請求項４に記載のデバイス（１００）。
- 前記誘電体層（１５０）の前記少なくとも１つの主層は、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）及び／又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）及び／又は酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）及び／又は五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）及び／又は酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）からなる、ことを特徴とする請求項４又は５に記載のデバイス（１００）。
- 前記センシング手段は、前記ゲート電極（１４０）と前記ソース電極（１２０）に接続された、電磁放射線を検出するためのフォトダイオードを備える、ことを特徴とする請求項１−６の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 前記センシング手段は、圧電センサ（１７３）と直列に接続された整流ダイオード（１７２）を備え、前記センシング手段は、前記ゲート電極（１４０）と前記ソース電極（１２０）に並列に接続されている、ことを特徴とする請求項１−７の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 前記センシング手段は、環境温度を検出し得る焦電センサ（１７４）を備え、前記焦電センサ（１７４）は、前記ゲート電極（１４０）と前記ソース電極（１２０）に接続されている、ことを特徴とする請求項１−８の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 前記センシング手段は、前記ゲート電極（１４０）と前記ソース電極（１２０）に接続された化学センサ（１７５）を備える、ことを特徴とする請求項１−９の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 前記誘電体層（１５０）は、前記ソース電極（１４０）及び前記ドレイン電極（１３０）に電気的に接触している、ことを特徴とする請求項１−１０の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 前記誘電体層は、１５０ｎｍより大きい又はそれに等しい厚さを有する、ことを特徴とする請求項１−１１の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 前記誘電体層（１５０）は、多層であって、前記主層の原子番号より低い原子番号を有する１つ以上の絶縁層を備える、ことを特徴とする請求項１−１２の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 前記誘電体層（１５０）の前記１つ以上の絶縁層は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び／又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる、ことを特徴とする請求項１３に記載のデバイス（１００）。
- 前記誘電体層（１５０）は、
低い原子番号を有する前記絶縁層と前記主層とが２〜１０回繰り返されてなる複合層と、
低い原子番号を有する前記絶縁層の最上層と、
を備える、ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載のデバイス（１００）。 - 少なくとも１つの基板（１６０）を備え、該基板の上に前記ゲート電極（１４０）と前記誘電体層（１５０）が堆積されている、ことを特徴とする請求項１−１５の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 前記少なくとも１つの基板（１６０）は、フレキシブルである、ことを特徴とする請求項１６に記載のデバイス（１００）。
- 前記少なくとも１つの基板（１６０）は、ポリエチレンナフタレイトからなる、ことを特徴とする請求項１６又は１７に記載のデバイス（１００）。
- 前記ゲート電極（１４０）、前記ソース電極（１２０）及び前記ドレイン電極（１３０）は、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）及び／又は銀（Ａｇ）などの導電材料、及び／又はガリウム添加酸化亜鉛（ＧＺＯ）又はインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）などの導電性酸化物及び／又はＰｅｄｏｔ：Ｐｓｓなどの導電性ポリマからなる、ことを特徴とする請求項１−１８の何れかに記載のデバイス（１００）。
- 基板（１６０）と、
前記基板（１６０）の上に配列された請求項１−１９の何れかに記載の複数の感応性電界効果デバイス（１００）を備え、前記電離感応性電界効果デバイス（１００）は、少なくとも別の感応性電界効果デバイス（１００）と接続されている、ことを特徴とする検出センサ。 - 前記基板は、フレキシブルであって、好ましくはポリエチレンナフタレイトからなる、ことを特徴とする請求項２０に記載のセンサ。
- 前記電界効果デバイス（１００）は、アレイ状又はマトリクス状に配列されている、ことを特徴とする請求項２０又は２１に記載のセンサ。
- 関連する電界効果デバイス（１００）のソース電極（１２０）及びゲート電極（１４０）に接続された１対の電極を有し、ＲＦＩＤ受信機（ＲＦＩＤ−Ｒ）に接続可能に構成された少なくとも１つのＲＦＩＤ送信機（４００）を備える、ことを特徴とする請求項２０−２２の何れかに記載のセンサ。
- 前記ＲＦＩＤ送信機（４００）は、ＲＦＩＤチップ（４０１）及びアンテナ（４０２）を備える、ことを特徴とする請求項２３に記載のセンサ。
- 複数のＲＦＩＤ送信機（４００）を備え、前記各ＲＦＩＤ送信機の各々は、関連する電界効果デバイス（１００）に動作可能に接続されている、ことを特徴とする請求項２３又は２４に記載のセンサ。
- 請求項１−１９の何れかに記載の電界効果デバイス（１００）を製造する方法において、該方法は、下記のステップ、
（Ａ）前記ゲート電極（１４０）を前記フレキシブル基板（１６０）の上に堆積し、前記ゲート電極（１４０）にフォトリソグラフィ及びエッチング又はリフトオフを実行するステップと、
（Ｂ）前記誘電体層（１５０）を堆積し、前記誘電体層（１５０）にフォトリソグラフィ及びエッチング又はリフトオフを実行するステップと、
（Ｃ）前記半導体チャネル（１１０）を堆積し、前記半導体チャネル（１１０）にフォトリソグラフィ及びエッチング又はリフトオフを実行するステップと、
（Ｄ）前記半導体チャネル（１１０）にフォトリソグラフィを実行し、前記ソース電極（１２０）及び前記ドレイン電極を堆積するステップと、
（Ｅ）前記ソース電極（１２０）及び前記ドレイン電極（１３０）をリフトオフによってパターン化するステップと、
を備える、ことを特徴とする製造方法。 - 前記ステップ（Ｂ）は、前記誘電体層（１５０）の前記絶縁層の材料及び前記主層の材料を含有する２つの別々のターゲットから並行して実行されるＲＦスパッタリング、及び／又は前記誘電体層（１５０）の前記絶縁層の材料及び前記主層の材料を含有する溶液ベース加工工程によって実行され、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び／又は酸化アルミニウム（Ａｌ２０３）等の絶縁層のみの交互堆積と、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）及び／又は酸化アルミニウム（Ａｌ２０３）等の絶縁材料及び前記誘電体層（１５０）の前記主層の前記材料の同時堆積と、によって前記誘電体層（１５０）の多層構造を生成する、
ことを特徴とする、請求項２６に記載の製造方法。
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