JP6792141B2

JP6792141B2 - ガスセンサ及びその使用方法

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Publication number: JP6792141B2
Application number: JP2016124681A
Authority: JP
Inventors: 原田　直樹; 直樹原田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2036-06-23
Also published as: JP2017227561A

Description

本発明は、ガスセンサ及びその使用方法に関する。

ガスセンサは化学物質センサの一種であり、気体中に含まれる化学物質を検出する。ガスセンサは、例えば医療機器及び診断機器に使用される。人間がある特定の疾病に罹患した場合、呼気中に含まれる特定の化学物質の含有量が変化することが知られており、その変化量を検出することができれば、簡便かつ迅速な診断が可能となる。簡便かつ迅速な診断は、高齢化社会における健康維持及び医療費抑制に貢献し得る。例えば、胃癌に罹患すると、呼気中のアンモニア濃度が増加することが知られており、アンモニア濃度の経過観察が胃癌発症の判定に有効であり、その診断閾値は２００ｐｐｂ程度と考えられている。従って、胃癌の診断には、ｐｐｂレベルのアンモニアを検出できるガスセンサが有効である。

しかしながら、これまでのところ、アンモニアをｐｐｂレベルの高感度で検出できるようなガスセンサは開発されていない。

特開２０１１−１６９６３４号公報

F. Schedin et al., Nature Mater. Vol. 6, pp. 652 (2007) H. J. Yoon et al., Sensors and Actuators B, vol. 157, pp. 310 (2011) M. Gautan et al., Materials Science and Engineering C, vol. 31, pp. 1405 (2011) D. Sarkar et al., nature 526, 91 (2015)

本発明の目的は、アンモニア等のガスを高感度で検出することができるガスセンサ及びその使用方法を提供することにある。

ガスセンサの一態様には、バルク半導体を含むソース半導体領域と、前記ソース半導体領域上に設けられたソース電極と、ドレイン電極と、前記ソース半導体領域上に設けられ、層状物質半導体又は線状物質半導体を含む半導体層と、前記半導体層の上方に設けられ、少なくとも一部が気体に接するグラフェン膜と、前記半導体層と前記グラフェン膜との間の誘電体膜と、が含まれる。前記半導体層は、前記ソース半導体領域上の部分がチャネル半導体領域として機能し、前記ドレイン電極と接する部分がドレイン半導体領域として機能し、前記ソース半導体領域から前記チャネル半導体領域へのキャリアの移動がバンド間トンネル効果により生じる。グラフェン膜とは、１又は２以上のグラフェンの単位層からなる膜をいう。

ガスセンサの使用方法の一態様では、上記のガスセンサの前記グラフェン膜の仕事関数の変化量に相当する物理量を検出する。

上記のガスセンサ等によれば、適切なグラフェン膜、ソース半導体領域及びチャネル半導体領域が含まれるため、アンモニア等のガスを高感度で検出することができる。

第１の実施形態に係るガスセンサの構造を示す断面図である。アンモニア分子による被覆率とグラフェンの仕事関数の変化量との関係を示す図である。第１の実施形態に係るガスセンサの使用方法を示す図である。ガスの吸着に伴うバンドの変化を示す図である。フラットバンド電圧の変化とドレイン電流の変化との関係を示す図である。第１の実施形態に係るガスセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。図６Ａに引き続き、ガスセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。グラフェン膜を絶縁膜上に設ける方法を工程順に示す断面図である。第２の実施形態に係るガスセンサの構造を示す断面図である。第２の実施形態に係るガスセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。図９Ａに引き続き、ガスセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。

以下、実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係るガスセンサの構造を示す断面図である。

第１の実施形態に係るガスセンサ１００には、図１に示すように、半導体層１３１の表面のソース半導体領域１０２及びドレイン半導体領域１０３が含まれ、半導体層１３１のソース半導体領域１０２とドレイン半導体領域１０３との間の領域にチャネル半導体領域１０１がある。ガスセンサ１００には、チャネル半導体領域１０１上の誘電体膜１０４及び誘電体膜１０４上のグラフェン膜１０５が含まれる。ガスセンサ１００には、グラフェン膜１０５上のゲート電極１０６、ソース半導体領域１０２上のソース電極１０７及びドレイン半導体領域１０３上のドレイン電極１０８が含まれる。ガスセンサ１００には、ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８を覆う保護膜１０９が含まれる。グラフェン膜１０５の一部は保護膜１０９から露出しており、気体に対して曝露されている。例えば、半導体層１３１は意図的な不純物の導入が行われていないＳｉ層（ｉ−Ｓｉ層）であり、ソース半導体領域１０２はｐ型不純物を含むＳｉ層（ｐ−Ｓｉ層）であり、ドレイン半導体領域１０３はｎ型不純物を含むＳｉ層（ｎ−Ｓｉ層）であり、誘電体膜１０４はＳｉＯ₂膜である。つまり、ソース半導体領域１０２、チャネル半導体領域１０１及びドレイン半導体領域１０３はバルク半導体を含む。後述のように、ソース半導体領域１０２からチャネル半導体領域１０１へのキャリアの移動がバンド間トンネル効果により生じる。

ここで、グラフェンの性質について説明する。グラフェンにアンモニア分子（ＮＨ₃）が吸着されると、このアンモニア分子がグラフェンに対してドナーとして働き、グラフェンはｎ型にドーピングされる。アンモニア分子を吸着したグラフェンの仕事関数は密度汎関数理論を用いた第一原理計算法により求めることができる。図２は、アンモニア分子による被覆率とアンモニア分子の吸着前後のグラフェンの仕事関数の変化量Δφ_gとの関係を示す図である。被覆率とは、表面原子数に対する吸着分子数の割合（％）である。図２に示すように、被覆率が増加するにつれて、つまりは吸着分子数が増加するに従って、グラフェンの仕事関数は減少する。

図２に示すように、グラフェンの仕事関数の変化量は大きい。これは次のように解釈できる。仕事関数の変化は、（１）吸着分子からの電荷移動による双極子の効果、及び（２）ｎ型ドーピングによるフェルミ準位の上昇の効果、により引き起こされると考えられる。ドーピングされた電子濃度をρとすると、（２）によるフェルミ準位の上昇量ΔＥ_Fはρ／Ｄ程度である。ここでＤは物質の状態密度である。グラフェンの状態密度はフェルミ準位で０になるため、上昇量ΔＥ_Fが比較的大きなものとなる。その一方で、銅等の金属の状態密度は一般にフェルミ準位で大きいため、上昇量ΔＥ_Fは小さい。このような理由で、金属と比べて、グラフェンの仕事関数の変化量が大きくなると考えられる。

従って、第１の実施形態におけるグラフェン膜１０５にアンモニア分子が吸着されると、その量が僅かであってもグラフェン膜１０５の仕事関数が大きく変化する。このため、この変化の量を検出することで、グラフェン膜１０５に吸着されたアンモニア分子の量を高い精度で検出し、環境中のアンモニアの濃度を高い精度で特定することができる。

次に、ガスセンサ１００を使用する方法について説明する。図３は、第１の実施形態に係るガスセンサの使用方法を示す図である。図４は、ガスの吸着に伴うバンドの変化を示す図である。

図３（ａ）に示すように、ガスセンサ１００は、例えば、ソース電極１０７とドレイン電極１０８との間にこれらの間を流れる電流を検知する電流モニタリング装置１１１を接続して用いられる。ソース電極１０７は接地され、ゲート電極１０６にはバイアス電源１１２によりバイアス電圧Ｖ_biasを印加する。電流モニタリング装置１１１に、例えば、各種の電源、増幅回路、サンプリング回路、アナログ−デジタル（ＡＤ）変換器、データ処理用コンピュータ等が含まれてもよい。

図３（ｂ）に、グラフェン膜１０５、誘電体膜１０４及びチャネル半導体領域１０１のバンド図を示す。ここでは、誘電体膜１０４がＳｉＯ₂からなり、チャネル半導体領域１０１がｉ−Ｓｉからなるものとしている。グラフェン膜１０５の仕事関数φ_gとチャネル半導体領域１０１の仕事関数φ_sとの間には、フラットバンド電圧Ｖ_FB0を用いて次の関係が成り立つ。
Ｖ_FB0＝φ_g−φ_s

グラフェン膜１０５が被検分子であるアンモニア分子１１３を吸着すると、アンモニア分子１１３はグラフェン膜１０５に対してドナーとして働き、グラフェン膜１０５はｎ型にドーピングされる。この結果、グラフェン膜１０５の仕事関数が変化し、フラットバンド電圧も変化する。グラフェン膜１０５の仕事関数の変化量をΔφ_g、フラットバンド電圧の変化量をΔＶ_FBとすると、次の関係が成り立つ。
ΔＶ_FB＝Δφ_g

グラフェン膜１０５がアンモニア分子１１３を吸着していない場合は、図４（ａ）に示すように、オフ状態にバイアスされており、バンドギャップに遮られて、ソース半導体領域１０２中の電子はチャネル半導体領域１０１へと移動できない。その一方で、グラフェン膜１０５がアンモニア分子１１３を吸着すると、上記のように、グラフェン膜１０５の仕事関数が低下し、フラットバンド電圧が負の方向へシフトする。この結果、図４（ｂ）に示すように、チャネル半導体領域１０１の伝導帯も低エネルギ側にシフトし、バンド間トンネル効果によりソース半導体領域１０２中の電子がチャネル半導体領域１０１へと移動できるようになり、ソース半導体領域１０２とドレイン半導体領域１０３との間を電流が流れるようになる。

そして、図５に示すように、同一のバイアス点Ｖ_biasにおけるドレイン電流がＩ_d1からＩ_d2へとΔＩ_dだけ変化する。この変化量ΔＩ_dを電流モニタリング装置１１１で検出することにより、グラフェン膜１０５が吸着したアンモニア分子１１３の数を特定することができ、この数からアンモニアの濃度を特定することができる。変化量ΔＩ_dは物理量の一例である。

変化量ΔＩ_dは相互コンダクタンスに依存するため、例えばバイアス電圧Ｖ_biasとしてサブスレショルド領域の電圧を用いることにより、ドレイン電流は指数関数的に変化する。従って、グラフェン膜１０５の仕事関数の変化量が僅かであっても、ドレイン電流の変化量ΔＩ_dを大きなものとすることができる。特に、第１の実施形態では、バンド間トンネル効果によりソース半導体領域１０２中の電子がチャネル半導体領域１０１へと移動するため、サブスレッショルド領域では、ゲート電圧の僅かな変化でドレイン電流が大きく変化する。例えば、従来のＭＯＳＦＥＴではドレイン電流を１桁変化させるために仕事関数を６０ｍＶ以上変化させる必要があるのに対し、第１の実施形態では６０ｍＶ未満の仕事関数の変化でドレイン電流を１桁変化させることができる。このような第１の実施形態によれば、ｐｐｂレベルのアンモニアを簡易に検出することができる。

なお、グラフェン膜１０５がアンモニア分子１１３を吸着すると、その量に応じてグラフェン膜１０５の電気伝導度が変化するため、これを検出することでアンモニアの濃度を特定することも不可能ではない。しかしながら、電気伝導度の変化は、仕事関数の変化に比べて極めて小さいため、高い感度でアンモニアの濃度を検出することはできない。

グラフェン膜１０５に含まれるグラフェンの単位層の数は限定されないが、作製プロセスの容易さ及びグラフェン膜１０５自体の（寄生）抵抗を勘案し、１層〜１００層であることが好ましく、１層であることが特に好ましい。また、より高い感度を得るために、グラフェン膜１０５の気体に接する部分の面積が保護膜又は電極等により覆われた部分の面積と比較して大きければ大きいほど好ましい。

次に、第１の実施形態に係るガスセンサの製造方法について説明する。図６Ａ乃至図６Ｂは、第１の実施形態に係るガスセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図６Ａ（ａ）に示すように、半導体層１３１の表面にソース半導体領域１０２及びドレイン半導体領域１０３を形成する。例えば、半導体層１３１としてｉ−Ｓｉ基板を用い、ソース半導体領域１０２は半導体層１３１の表面へのｐ型不純物のイオン注入により形成することができ、ドレイン半導体領域１０３は半導体層１３１の表面へのｎ型不純物のイオン注入により形成することができる。ソース半導体領域１０２及びドレイン半導体領域１０３の形成に伴ってチャネル半導体領域１０１が画定される。次いで、半導体層１３１、ソース半導体領域１０２及びドレイン半導体領域１０３上に誘電体膜１０４を形成する。誘電体膜１０４は、例えばチャネル半導体領域１０１、ソース半導体領域１０２及びドレイン半導体領域１０３の表面の熱酸化により形成することができる。

その後、図６Ａ（ｂ）に示すように、誘電体膜１０４上にグラフェン膜１０５を設ける。グラフェン膜１０５は、例えば後述の成長基板上への成長及び転写により形成することができる。

続いて、図６Ａ（ｃ）に示すように、グラフェン膜１０５をパターニングする。グラフェン膜１０５は、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングすることできる。エッチング技術としては、例えば酸素プラズマを用いた反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）が挙げられる。

次いで、図６Ｂ（ｄ）に示すように、誘電体膜１０４をパターニングしてソース半導体領域１０２の少なくとも一部及びドレイン半導体領域１０３の少なくとも一部を露出させる。誘電体膜１０４は、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりパターニングすることできる。

その後、図６Ｂ（ｅ）に示すように、グラフェン膜１０５上にゲート電極１０６を、ソース半導体領域１０２上にソース電極１０７を、ドレイン半導体領域１０３上にドレイン電極１０８を形成する。ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８の形成では、例えば、これらを形成する予定の領域を露出するマスクを形成し、真空蒸着法により金属膜を形成し、マスクをその上の金属膜と共に除去する。すなわち、ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８はリフトオフ法により形成することができる。金属膜の形成では、例えば、厚さが５ｎｍのＴｉ膜を形成し、その上に厚さが２００ｎｍのＡｕ膜を形成する。

続いて、図６Ｂ（ｆ）に示すように、ゲート電極１０６、ソース電極１０７及びドレイン電極１０８を覆い、グラフェン膜１０５の少なくとも一部を露出する保護膜１０９を形成する。

このようにして第１の実施形態に係るガスセンサを製造することができる。

ここで、グラフェン膜１０５を誘電体膜１０４上に設ける方法について説明する。図７はグラフェン膜１０５を誘電体膜１０４上に設ける方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図７（ａ）に示すように、触媒作用を有する成長基板１２１上にグラフェン膜１０５を成長させる。成長基板１２１としては、例えばＣｕ基板を用いることができる。グラフェン膜１０５は、例えば、化学気相成長（chemical vapor deposition：ＣＶＤ）合成炉を用いて成長させることができる。このとき、例えば、成長基板１２１の温度を１０００℃とし、原料ガスとしてＨ₂及びＣＨ₄の混合ガスを用い、Ｈ₂の流量をＣＨ₄の流量の５００倍とし、全圧を７６０Ｔｏｒｒとする。

次いで、図７（ｂ）に示すように、グラフェン膜１０５上に支持体１２２を形成する。支持体１２２としては、例えばポリメタクリル酸メチル（polymethyl methacrylate：ＰＭＭＡ）膜を用いることができる。

その後、図７（ｃ）に示すように、成長基板１２１を除去する。成長基板１２１は、例えば塩化鉄溶液にて溶解することができる。

続いて、図７（ｄ）に示すように、グラフェン膜１０５を誘電体膜１０４上に配置する。そして、有機溶剤を用いて支持体１２２を除去する。

このようにして、グラフェン膜１０５を誘電体膜１０４上に設けることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態に係るガスセンサの構造を示す断面図である。

第２の実施形態に係るガスセンサ２００では、図８に示すように、下地２３１上にソース半導体領域２０２及び誘電体膜２３２が設けられ、ソース半導体領域２０２及び誘電体膜２３２上に層状物質半導体２３３が設けられている。ソース半導体領域２０２上にソース電極２０７が設けられ、誘電体膜２３２上にドレイン電極２０８が設けられ、層状物質半導体２３３はドレイン電極２０８と接触し、ソース電極２０７から離間している。層状物質半導体２３３を覆う誘電体膜２０４がソース半導体領域２０２及び誘電体膜２３２上に設けられている。誘電体膜２０４の一部は層状物質半導体２３３及びソース電極２０７を互いから絶縁分離している。ガスセンサ２００には、誘電体膜２０４上のグラフェン膜２０５、グラフェン膜２０５上のゲート電極２０６、並びにゲート電極２０６、ソース電極２０７及びドレイン電極２０８を覆う保護膜２０９が含まれる。グラフェン膜２０５の一部は保護膜２０９から露出しており、気体に対して曝露されている。例えば、ソース半導体領域２０２はｐ型不純物を含むＧｅ層（ｐ−Ｇｅ層）であり、層状物質半導体２３３はｎ型のＭｏＳ₂（ｎ−ＭｏＳ₂）であり、誘電体膜２０４はＳｉＯ₂膜であり、下地２３１はＧｅ層であり、誘電体膜２３２はＳｉＯ₂膜である。層状物質半導体２３３のソース半導体領域２０２上の部分がチャネル半導体領域２０１として機能し、ドレイン電極２０８と接する部分がドレイン半導体領域２０３として機能する。つまり、ソース半導体領域２０２はバルク半導体を含み、チャネル半導体領域２０１及びドレイン半導体領域２０３は層状物質半導体を含む。層状物質半導体に代えて半導体カーボンナノチューブ等の線状物質半導体が含まれてもよい。後述のように、ソース半導体領域２０２からチャネル半導体領域２０１へのキャリアの移動がバンド間トンネル効果により生じる。

第２の実施形態では、グラフェン膜１０５がアンモニア分子１１３を吸着していない場合は、ソース半導体領域２０２中の電子はチャネル半導体領域２０１へと移動できない。その一方で、グラフェン膜２０５がアンモニア分子を吸着すると、グラフェン膜２０５の仕事関数が低下し、フラットバンド電圧が負の方向へシフトする。この結果、チャネル半導体領域２０１の伝導帯も低エネルギ側にシフトし、ソース半導体領域２０２中の電子がチャネル半導体領域２０１へと移動できるようになり、バンド間トンネル効果によりソース半導体領域２０２とドレイン半導体領域２０３との間を電流が流れるようになる。従って、第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、ｐｐｂレベルのアンモニア等のガスを簡易に検出することができる。

次に、第２の実施形態に係るガスセンサの製造方法について説明する。図９Ａ乃至図９Ｂは、第２の実施形態に係るガスセンサの製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図９Ａ（ａ）に示すように、下地２３１上にソース半導体領域２０２を形成する。次いで、図９Ａ（ｂ）に示すように、ソース半導体領域２０２に素子分離溝等の開口部２２３を形成する。例えば、開口部２２３はＲＩＥ又は酸を用いたウェットエッチングにより形成することができる。その後、図９Ａ（ｃ）に示すように、開口部２２３内に誘電体膜２３２を形成する。誘電体膜２３２の形成では、例えば、ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を開口部２２３内及びソース半導体領域２０２上に形成し、ＲＩＥによりＳｉＯ₂膜のエッチバックを行う。続いて、図９Ａ（ｄ）に示すように、ソース半導体領域２０２及び誘電体膜２３２上に層状物質半導体２３３を設ける。層状物質半導体２３３は、例えば成長基板上への成長及び転写により形成することができる。次いで、層状物質半導体２３３をパターニングする。

その後、図９Ｂ（ｅ）に示すように、層状物質半導体２３３を覆う誘電体膜２０４をソース半導体領域２０２及び誘電体膜２３２上に形成する。誘電体膜２０４は、例えば原子層堆積（atomic layer deposition：ＡＬＤ）法により形成することができる。続いて、図９Ｂ（ｆ）に示すように、誘電体膜２０４上にグラフェン膜２０５を設ける。グラフェン膜２０５は、例えば成長基板上への成長及び転写により形成することができる。次いで、グラフェン膜２０５をパターニングする。その後、図９Ｂ（ｇ）に示すように、誘電体膜２０４にソース用の開口部２２４及びドレイン用の開口部２２５を形成する。開口部２２４及び開口部２２５は、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により形成することできる。続いて、グラフェン膜２０５上にゲート電極２０６を、開口部２２４内にソース電極２０７を、開口部２２５内にドレイン電極２０８を形成する。ゲート電極２０６、ソース電極２０７及びドレイン電極２０８は、例えばリフトオフ法により形成することができる。次いで、ゲート電極２０６、ソース電極２０７及びドレイン電極２０８を覆い、グラフェン膜２０５の少なくとも一部を露出する保護膜２０９を形成する。

このようにして第２の実施形態に係るガスセンサを製造することができる。

チャネル半導体領域の材料として、IV族半導体、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、酸化物半導体、窒化物半導体、有機物半導体、層状物質半導体、半導体カーボンナノチューブ及びグラフェンナノリボンが例示される。IV族半導体として、単結晶Ｓｉ及び多結晶Ｓｉが例示される。III−V族化合物半導体として、ＧａＡｓ等の砒化物半導体が例示される。II−VI族化合物半導体として、ＣｄＴｅが例示される。酸化物半導体として、ＺｎＯが例示される。窒化物半導体として、ＧａＮが例示される。有機物半導体として、ペンタセンが例示される。層状物質半導体として、４族金属原子を含む金属カルコゲナイド、６族金属原子を含む金属カルコゲナイド、７族金属原子を含む金属カルコゲナイド、８族金属原子を含む金属カルコゲナイド、１０族金属原子を含む金属カルコゲナイド、１３族金属原子を含む金属カルコゲナイド、１４族原子を含む金属カルコゲナイド、１５族原子を含む金属カルコゲナイド、及び黒リンが例示される。カルコゲンとして、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅが例示される。４族金属原子として、Ｔｉ、Ｚｒ及びＨｆが例示される。６族金属原子として、Ｍｏ及びＷが例示される。７族金属原子として、Ｔｃ及びＲｅが例示される。８族金属原子として、Ｆｅが例示される。１０族金属原子として、Ｎｉ、Ｐｄ及びＰｔが例示される。１３族金属原子として、Ｇａ及びＩｎが例示される。１４族金属原子として、Ｇｅ、Ｓｎ及びＰｂが例示される。１５族金属原子として、Ｓｂ及びＢｉが例示される。半導体カーボンナノチューブは線状物質半導体の一例である。

誘電体膜１０４及び２０４の材料として、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、ゲルマニウム酸化物、高誘電率絶縁物及び層状絶縁物が例示される。高誘電率絶縁物として、アルミニウム、チタン、タンタル若しくはハフニウム又はこれらの任意の組み合わせを含む絶縁物、例えばアルミニウム酸化物及びハフニウム酸化物が例示される。層状絶縁物として、六方晶窒化ホウ素（ＢＮ）及び窒化ホウ素とグラファイトとの混晶である六方晶炭窒化ホウ素（ＢＣＮ）が例示される。

これら実施形態における半導体の導電型が反対であってもよい。すなわち、ｐ型半導体に代えてｎ型半導体が用いられ、ｎ型半導体に代えてｐ型半導体が用いられてもよい。保護膜１０９及び２０９は、用途や環境に応じて省略してもよい。検知対象のガス（被検ガス）の種類はアンモニアに限定されない。例えば、これらの実施形態により、水素（Ｈ₂）、酸素（Ｏ₂）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、水（Ｈ₂Ｏ）、メタン（ＣＨ₄）、エタノール、メタノール、二酸化窒素（ＮＯ₂）の濃度を測定することも可能である。グラフェンの仕事関数は吸着した分子によっては増加することもある。例えば、二酸化窒素が吸着すると、グラフェンの仕事関数は増加する。従って、検知対象のガスに応じてバイアスの向き、導電型等の条件を選択することが好ましい。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
ソース半導体領域及びドレイン半導体領域と、
前記ソース半導体領域と前記ドレイン半導体領域との間のチャネル半導体領域と、
前記チャネル半導体領域上方に設けられ、少なくとも一部が気体に接するグラフェン膜と、
前記チャネル半導体領域と前記グラフェン膜との間の誘電体膜と、
を有し、
前記ソース半導体領域から前記チャネル半導体領域へのキャリアの移動がバンド間トンネル効果により生じることを有することを特徴とするガスセンサ。

（付記２）
前記ソース半導体領域、前記チャネル半導体領域及び前記ドレイン半導体領域はバルク半導体を含むことを特徴とする付記１に記載のガスセンサ。

（付記３）
前記ソース半導体領域はバルク半導体を含み、
前記チャネル半導体領域及び前記ドレイン半導体領域は層状物質半導体又は線状物質半導体を含むことを特徴とする付記１に記載のガスセンサ。

（付記４）
前記チャネル半導体領域の材料は、IV族半導体、III−V族化合物半導体、II−VI族化合物半導体、酸化物半導体、窒化物半導体、有機物半導体、層状物質半導体、半導体カーボンナノチューブ又はグラフェンナノリボンであることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のガスセンサ。

（付記５）
前記誘電体膜の材料は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物、ゲルマニウム酸化物、高誘電率絶縁物又は層状絶縁物であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載のガスセンサ。

（付記６）
前記グラフェン膜に含まれるグラフェンの単位層の数は１層〜１００層であることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載のガスセンサ。

（付記７）
付記１乃至６のいずれか１項に記載のガスセンサの前記グラフェン膜の仕事関数の変化量に相当する物理量を検出する工程を有することを特徴とするガスセンサの使用方法。

１００、２００：ガスセンサ
１０１、２０１：チャネル半導体領域
１０２、２０２：ソース半導体領域
１０３、２０３：ドレイン半導体領域
１０４、２０４：誘電体膜
１０５、２０５：グラフェン膜

Claims

バルク半導体を含むソース半導体領域と、
前記ソース半導体領域上に設けられたソース電極と、
ドレイン電極と、
前記ソース半導体領域上に設けられ、層状物質半導体又は線状物質半導体を含む半導体層と、
前記半導体層の上方に設けられ、少なくとも一部が気体に接するグラフェン膜と、
前記半導体層と前記グラフェン膜との間の誘電体膜と、
を有し、
前記半導体層は、前記ソース半導体領域上の部分がチャネル半導体領域として機能し、前記ドレイン電極と接する部分がドレイン半導体領域として機能し、
前記ソース半導体領域から前記チャネル半導体領域へのキャリアの移動がバンド間トンネル効果により生じることを有することを特徴とするガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサの前記グラフェン膜の仕事関数の変化量に相当する物理量を検出する工程を有することを特徴とするガスセンサの使用方法。