JP6473444B2 - 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

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_２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_２／Ｖ_２Ｏ_５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_２／Ｖ_２Ｏ_５・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_２／Ｖ_２Ｏ_５・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_２ナノファイバ、Ｖ_２Ｏ_５ナノファイバ、ＳｎＯ_２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_２／Ｖ_２Ｏ_５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_２／Ｖ_２Ｏ_５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_２／Ｖ_２Ｏ_５コアシェル・ナノリボンの懸濁液が、ＶＯ_２／Ｖ_２Ｏ_５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_２／Ｖ_２Ｏ_５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_２／Ｖ_２Ｏ_５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。

接合ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）に対しては、以下のようになる。

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。

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_０、α_１、α_２及びα_３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。

注目すべきは次のことである。つまり、微分∂I_DS/∂V_GS（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Ｖ_ＧＳでプロットするとＶ_ＧＳ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（Ｖ_ＧＳ）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。

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_ｇ＜０のとき、Ｉ_ｄｓはかなり大きい。負のＶ_ｇによりＩ_ｄｓ電流が拡散するからであるが、このことはＶ_ｇ＝０のときは生じない。Ｖ_ｇ＞０のとき、Ｉ_ｄｓが停止する、Ｖ_ｇがＶ_{ｐｉｎｃｈ−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_Ｔと称されることもある。Ｖ_ｇがＶ_Ｔよりも高くなると、トランジスタは、Ｉ_ｄｓ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_２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_２／Ｖ_２Ｏ_５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Ｓ_ｒｅｓ、リカバリＳ_ｒｅｃ、レスポンスタイムｔ_ｒｅｓ、リカバリタイムｔ_ｒｅｃ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、Ｓ_ｒｅｓ（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＝｜Ｒ_ｉｎ−Ｒ_ｏｕｔ｜／Ｒ_ｉｎ、若しくは単にＳ＝Ｒ_ｏｕｔ／Ｒ_ｉｎ。ここで、Ｒ_ｉｎは、検体の気体が存在する際のセンサ材料の抵抗であり、Ｒ_ｏｕｔ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）＝（Ｒ_ｉｎ／Ｒ_ｏｕｔ）ｅｘｐ（（Ｅ_ａ−Ｅ_０ｉｎ）／ｋ_ＢＴ））若しくはＳ（Ｔ）＝１−（Ｒ_ｉｎ／Ｒ_ｏｕｔ）ｅｘｐ（（Ｅ_ａ−Ｅ_０ｉｎ）／ｋ_ＢＴ））の形式で既に導出した。ここで、Ｅ_ａ及びＥ_０ｉｎ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_ａ＞Ｅ_０ｉｎのとき（Ｅ_ａ＜Ｅ_０ｉｎ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、ｔ_ｒｅｓ、抵抗（｜Ｒ_ｉｎ−Ｒ_ｏｕｔ｜）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、ｔ_ｒｅｃ、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、Ｔ_ｏｐｔ、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（ｐ_ａｔｍ）。

ＶＯ_２／Ｖ_２Ｏ_５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（Ｖ_ＧＳ）により影響されることも強調されるべきである。これは、Ｖ_ＧＳ＝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_Ｔ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_Ｔ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_Ｔ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Ｓ_ｒｅｓ、センサリカバリＳ_ｒｅｃ、レスポンス及びリカバリタイム（ｔ_ｒｅｓ、ｔ_ｒｅｃ）、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。

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_２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。

例えば、ＶＯ_２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_４）、ラドン（Ｒｎ）、並びに、図１４（ｅ）に示す、アンモニア（ＮＨ_３）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）及びシラン（ＳｉＨ_４）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_２／Ｖ_２Ｏ_５ＦＥＴ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_２／Ｖ_２Ｏ_５、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_２／Ｖ_２Ｏ_５ＦＥＴ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_２／Ｖ_２Ｏ_５ＦＥＴ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_２／Ｖ_２Ｏ_５ＦＥＴ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_４、ＮＯ_２、ＮＨ_３及びＨ_２Ｓ）へのＶＯ_２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_２／Ｖ_２Ｏ_５ＦＥＴ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_２／Ｖ_２Ｏ_５ＦＥＴ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

[1] Bonex wakikunga, Sarah Motshekga, Lucky Sikhwivhilu, Mathew Moodley, Gerald Malgas, Manfred Scriba, Suprakas Sinha-Ray, A classification and ranking system on H2 gas sensing capabilities of nano- materials based on proposed coefficients of sensor performance and sensor efficiency equations（センサ性能及びセンサ効率の式に関する提案された係数に基づく、ナノ材料のＨ２気体検知能力に関する分類及びランキングシステム）, Sensors & Actuators B 184 (2013) 170- 178

[2] Chao Li, Daihua Zhang, Xiaolei Liu, Song Han, Tao Tang, Jie Han, and Chongwu Zhou, In203 nanowires as chemical sensors（化学センサとしてのＩｎ２Ｏ３ナノワイヤ）, Applied Physic Letters 82 (2003) 1613-1615

[3] Daihua Zhang, Zuqin Liu, Chao Li, Tao Tang, Xiaolei Liu, Song Han, Bo Lei, and Chongwu Zhou, "Detection of N02 down to ppb Levels Using Individual and Multiple In203 Nanowire Devices（個別の及び多数のＩｎ２Ｏ３ナノワイヤデバイスを用いる、ｐｐｂレベルまでのＮＯ２の検出）, NANO LETTERS 2004 Vol. 4, No. 10 1919-1924

[4] Arash Dehzangi, A Makarimi Abdullah, Farhad Larki, Sabar D Hutagalung, Elias B Saion, Mohd N Hamidon, Jumiah Hassan and Yadollah Gharayebi, Electrical property comparison and charge transmission in p-type double gate and single gate junctionless accumulation transistor fabricated by AFM nanolithography（ＡＦＭナノリソグラフィにより製造されるＰ型ダブルゲート及びシングルゲート接合無し蓄積トランジスタにおける電気特性比較及び電荷伝達）, Nanoscale Research Letters 2012, 7:381

[5] Farhad Larki, Arash Dehzangi, E. B. Saion, Sabar D. Hutagalung, A.Makarimi Abdullah, M. N .Hamidon, Study of carrier velocity of lateral gate p-type silicon nanowire transistor (PSNWT)（ラテラルゲートＰ型シリコンナノワイヤトランジスタのキャリア速度の研究）, Solid State Science and Technology Letter, Vol.17 No.1 (2012)

[6] Farhad Larki, Sabar D. Hutagalung, Arash Dehzangi, E. B. Saion, Alam Abedini, A. Makarimi Abdullah, M. N. Hamtdon, Jumiah Hassan, Electronic Transport Properties of Junctionless Lateral Gate Silicon Nanowire Transistor Fabricated by Atomic Force Microscope Nanolithograph（アトミックフォースマイクロスコープナノグラフにより製造される接合無しラテラルゲートシリコンナノワイヤトランジスタの電子輸送特性）y, Microelectronics and Solid State Electronics 2012, 1(1): 15-20

[7] J. Martinez, R. V. Martinez, and R. Garcia, Silicon Nanowire Transistors with a Channel Width of 4 nm Fabricated by Atomic Force Microscope Nanolithography, NANO LETTERS 2008 Vol. 8, No. 1 1 3636-3639

[8] Bonex Mwakikunga, Suprakas Sihna Ray, Malose Mokwena, John Dewar, Irina Giebelhaus, Tri!ok Singh, Thomas Fischer, Sanjay Mathur, Tin dioxide nano-wire device for sensing kinetics of acetone and ethanol towards diabetes monitoring（糖尿病モニタリングに向けてのアセトン及びエチレンの動力学を検知する二酸化スズナノワイヤデバイス）, IEEE Sensors Xplore 2013

[9] Bonex Mwakikunga, Suprakas Sihna Ray, Malose Mokwena, John Dewar, Irina Giebelhaus, Trilok Singh, Thomas Fischer, Sanjay Mathur, IEEE Sensors Journal (2014)

[10] Heng Yuan, Bo Wang, Se-Hyuk Yeom, Dae-Hyuk Kwon, Shin-Won Kang, Room temperature benzene gas detection using gated lateral BJT with assembled solvatochromic dye（アセンブルされたソルバトクロミック色素を伴うゲートラテラルＢＪＴを用いた、室温ベンゼン気体検出）, IMCS 2012 - The 14th International Meeting on Chemical Sensors.

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 (8)

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
   を含み
   ドレーン、ソース及びゲートが同じ平面にある、電界効果トランジスタ。
2. 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に記載の電界効果トランジスタ。
3. 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又は２に記載の電界効果トランジスタ。
4. 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は約９０ミクロン×９０ミクロンである、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. 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
   を含み、
   ドレーン、ソース及びゲートが同じ平面にある、
   気体検出器。
7. 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６に記載の気体検出器。
8. 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６又は７に記載の気体検出器。

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