JP6955145B2 - Transistor and its manufacturing method - Google Patents

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本発明は、トランジスタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a transistor and a method for manufacturing the same.

近年、グラフェンを用いた電子デバイスの開発が盛んに行われており、様々な応用が模索されている。グラフェンを用いた電子デバイスは、グラフェンの比表面積が大きいことに起因して、動作雰囲気等の外界の影響を大きく受けることが知られている。最近では、この性質を逆に利用することで、グラフェンの化学センサへの応用も研究されている。典型的なグラフェンセンサはチャネルにグラフェンを用いたバックゲート型のトランジスタ構造をとっている。このグラフェンセンサでは、グラフェンの表面にガス分子が着脱した際に生じる、グラフェンとガス分子との間での電子のやり取り(電荷移動)に起因する電流変化からガスの検出を行う。このグラフェンセンサにより、アンモニアや二酸化窒素を検出できることが報告されている。その一方で、ppmレベルのアンモニアに対する電気伝導度の変化は小さく、その変化率は数%程度と低い。 In recent years, the development of electronic devices using graphene has been actively carried out, and various applications are being sought. It is known that an electronic device using graphene is greatly affected by the outside world such as an operating atmosphere due to the large specific surface area of graphene. Recently, the application of graphene to chemical sensors has been studied by utilizing this property in reverse. A typical graphene sensor has a back gate type transistor structure using graphene for the channel. This graphene sensor detects gas from a current change caused by electron exchange (charge transfer) between graphene and gas molecules, which occurs when gas molecules are attached to and detached from the surface of graphene. It has been reported that this graphene sensor can detect ammonia and nitrogen dioxide. On the other hand, the change in electrical conductivity with respect to ppm level ammonia is small, and the rate of change is as low as several percent.

グラフェンをゲートに用いたグラフェンセンサも提案されている。しかしながら、このグラフェンセンサで検出できるガスの種類は限定的である。 A graphene sensor using graphene as a gate has also been proposed. However, the types of gas that can be detected by this graphene sensor are limited.

国際公開第2017/002854号International Publication No. 2017/002854

Nature Materials, 6, 652 (2007)Nature Materials, 6, 652 (2007) Materials Science and Engineering C, 31, 1405 (2011)Materials Science and Engineering C, 31, 1405 (2011) Sensors and Actuators B, 155, 451(2011)Sensors and Actuators B, 155, 451 (2011)

本発明の目的は、多様なガスの検出に用いることができるトランジスタ及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a transistor that can be used for detecting various gases and a method for manufacturing the same.

トランジスタの一態様には、半導体層と、前記半導体層上方に設けられたグラフェン膜と、前記グラフェン膜の表面を修飾し、少なくとも一部が気体に接するSnS 2 、ポリアニリン、ポリピロール、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフエン)、フタロシアニン、又はペンタセンを含む修飾部と、前記半導体層と前記グラフェン膜との間のバリア膜と、前記半導体層の表面に前記バリア膜の下方の部分を間に挟むようにして設けられた2個の電極と、が含まれる。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。 In one aspect of the transistor, the semiconductor layer, the graphene film provided above the semiconductor layer, and SnS 2 , polyaniline, polypyrrole, poly (3,) which modifies the surface of the graphene film and is in contact with at least a part of the gas. A modified portion containing 4-ethylenedioxythiophene), phthalocyanine, or pentacene, a barrier film between the semiconductor layer and the graphene film, and a portion below the barrier film on the surface of the semiconductor layer. Includes two electrodes provided so as to sandwich them. The graphene film refers to a film composed of one or more unit layers of graphene.

ガスセンサの一態様には、上記のトランジスタが含まれる。 One aspect of the gas sensor includes the above transistors.

トランジスタの製造方法の一態様では、半導体層上方にグラフェン膜を設け、前記グラフェン膜の表面を修飾し、少なくとも一部が気体に接するSnS 2 、ポリアニリン、ポリピロール、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフエン)、フタロシアニン、又はペンタセンを含む修飾部を設け、前記半導体層と前記グラフェン膜との間のバリア膜を形成し、前記半導体層の表面に前記バリア膜の下方の部分を間に挟むようにして2個の電極を形成する。 In one aspect of the method for manufacturing a transistor, a graphene film is provided above the semiconductor layer, the surface of the graphene film is modified, and SnS 2 , polyaniline, polypyrrole, and poly (3,4-ethylenedioxy), which are at least partially in contact with a gas. A modified portion containing thiofene), phthalocyanine, or pentacene is provided to form a barrier film between the semiconductor layer and the graphene film, and a lower portion of the barrier film is sandwiched between the surfaces of the semiconductor layer. Two electrodes are formed.

上記のトランジスタ等によれば、適切なグラフェン膜、修飾部、バリア膜及び半導体層が含まれるため、多様なガスの検出に用いることができる。 According to the above-mentioned transistor and the like, since an appropriate graphene film, a modified portion, a barrier film and a semiconductor layer are included, it can be used for detecting various gases.

参考例のガスセンサの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the gas sensor of a reference example. 参考例のガスセンサの使用方法を示す図である。It is a figure which shows the usage method of the gas sensor of a reference example. 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。It is a figure which shows the relationship between the change of a flat band voltage and the change of a drain current. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the gas sensor which concerns on 1st Embodiment. 修飾部の機能を示す図である。It is a figure which shows the function of the modification part. ホルムアルデヒド分子が吸着する前又は後のバンド構造を示す図である。It is a figure which shows the band structure before or after the formaldehyde molecule is adsorbed. 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。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the gas sensor which concerns on 2nd Embodiment in process order. 図7A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。Following FIG. 7A, it is sectional drawing which shows the manufacturing method of a gas sensor in the order of a process.

先ず、ガスセンサの参考例について説明する。図1は、参考例のガスセンサの構造を示す断面図である。 First, a reference example of the gas sensor will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a gas sensor of a reference example.

参考例のガスセンサ100には、図1に示すように、p型層101、p型層101上の絶縁膜104及び絶縁膜104上のグラフェン膜105が含まれる。ガスセンサ100には、p型層101の表面のn型層102及びn型層103が含まれる。n型層102及びn型層103は、平面視で絶縁膜104及びグラフェン膜105を挟む。ガスセンサ100には、グラフェン膜105上のゲート電極106、n型層102上のソース電極107及びn型層103上のドレイン電極108が含まれる。 As shown in FIG. 1, the gas sensor 100 of the reference example includes a p-type layer 101, an insulating film 104 on the p-type layer 101, and a graphene film 105 on the insulating film 104. The gas sensor 100 includes an n-type layer 102 and an n-type layer 103 on the surface of the p-type layer 101. The n-type layer 102 and the n-type layer 103 sandwich the insulating film 104 and the graphene film 105 in a plan view. The gas sensor 100 includes a gate electrode 106 on the graphene film 105, a source electrode 107 on the n-type layer 102, and a drain electrode 108 on the n-type layer 103.

次に、ガスセンサ100を使用する方法について説明する。図2は、参考例のガスセンサの使用方法を示す図である。 Next, a method of using the gas sensor 100 will be described. FIG. 2 is a diagram showing how to use the gas sensor of the reference example.

図2(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(ドレイン電流)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Vbias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。 As shown in FIG. 2A, the gas sensor 100 is used, for example, by connecting a current monitoring device 111 that detects a current (drain current) flowing between the source electrode 107 and the drain electrode 108. .. The source electrode 107 is grounded, and a bias voltage V bias is applied to the gate electrode 106 by the bias power supply 112. The current monitoring device 111 may include, for example, various power supplies, an amplifier circuit, a sampling circuit, an analog-to-digital (AD) converter, a data processing computer, and the like.

図2(b)に、グラフェン膜105、絶縁膜104及びp型層101のバンド図を示す。グラフェン膜105の仕事関数φgとp型層101の仕事関数φsとの間には、フラットバンド電圧VFBを用いて次の関係が成り立つ。
FB=φg−φs
FIG. 2B shows a band diagram of the graphene film 105, the insulating film 104, and the p-type layer 101. Between the work function phi s work function phi g and p-type layer 101 of the graphene film 105, the following relationship holds with flat band voltage V FB.
V FB = 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型にドープされる。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Δφg、フラットバンド電圧の変化量をΔVFBとすると、次の関係が成り立つ。
ΔVFB=Δφg
When the graphene membrane 105 adsorbs the ammonia molecule 113, which is a test molecule, the ammonia molecule 113 acts as a donor to the graphene membrane 105, and the graphene membrane 105 is doped in an n-type. As a result, the work function of the graphene film 105 changes, and the flat band voltage also changes. Assuming that the amount of change in the work function of the graphene film 105 is Δφ g and the amount of change in the flat band voltage is ΔV FB , the following relationship holds.
ΔV FB = Δφ g

そして、フラットバンド電圧が変化すると、図3に示すように、同一のバイアス点Vbiasにおけるドレイン電流がId1からId2へとΔIdだけ変化する。この変化量ΔId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ΔIdは物理量の一例である。 When the flat-band voltage is changed, as shown in FIG. 3, the drain current at the same bias point V bias is changed from I d1 to I d2 by [Delta] I d. By detecting the amount of change [Delta] I d by the current monitoring device 111 may graphene film 105 to identify the number of ammonia molecules 113 adsorbed, it is possible to identify the concentration of ammonia from this number. Variation [Delta] I d is an example of a physical quantity.

変化量ΔId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Vbias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ΔIdを大きなものとすることができる。例えば、仕事関数の変化量が60mVの場合に一桁の変化量、すなわちΔId/Id1として1000%を得ることができる。また、例えばバイアス電圧Vbiasとしてオン領域の電圧を用いた場合には、ドレイン電流の絶対的変化はその電界効果トランジスタの最大電流付近に設定することができる。このような本実施形態によれば、ppbレベルのアンモニアを簡易に検出することができる。 Since the amount of change [Delta] I d is dependent on the transconductance, for example by using a voltage of subthreshold region as the bias voltage V bias, the drain current changes exponentially. Therefore, even a small amount of change in the work function of the graphene layer 105 may be a variation [Delta] I d of the drain current large. For example, it is possible to the amount of change in the work function is obtained an order of magnitude of the change amount in the case of 60 mV, i.e. a 1000% as ΔI d / I d1. Further, for example , when a voltage in the on region is used as the bias voltage V bias , the absolute change in the drain current can be set near the maximum current of the field effect transistor. According to such an embodiment, ppb level ammonia can be easily detected.

しかしながら、このような使用方法は、アンモニア等のグラフェン膜105に対してドナー又はアクセプタとして働く分子の検出に有効であるが、グラフェン膜105に対してドナー又はアクセプタとして働かない分子を検出することができない。本発明者は、より多様な分子の検出を可能とすべく鋭意検討を行った。この結果、グラフェンの表面に特定の修飾基を付与することで、グラフェン自身とは相互作用を持ち得ない分子の検出が可能になることを見出した。 However, such a method of use is effective in detecting molecules that act as donors or acceptors for graphene membrane 105 such as ammonia, but can detect molecules that do not act as donors or acceptors for graphene membrane 105. Can not. The present inventor has made diligent studies to enable the detection of a wider variety of molecules. As a result, it was found that by imparting a specific modifying group to the surface of graphene, it becomes possible to detect molecules that cannot interact with graphene itself.

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。 Hereinafter, embodiments will be specifically described with reference to the accompanying drawings.

(第1の実施形態)
第1の実施形態について説明する。図4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。
(First Embodiment)
The first embodiment will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of the gas sensor according to the first embodiment.

第1の実施形態に係るガスセンサ200には、図4に示すように、p型層101、p型層101上の絶縁膜104及び絶縁膜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の表面を修飾し、少なくとも一部が気体に接する修飾部109、並びにp型層101の表面のn型層102及びn型層103が含まれる。n型層102及びn型層103は、平面視で絶縁膜104及びグラフェン膜105を挟む。ガスセンサ100には、グラフェン膜105上のゲート電極106、n型層102上のソース電極107及びn型層103上のドレイン電極108が含まれる。このように、ガスセンサ200は、ゲートにグラフェン膜105を有するn型MOSFET構造を備えている。p型層101は半導体層の一例であり、絶縁膜104はバリア膜の一例である。 As shown in FIG. 4, the gas sensor 200 according to the first embodiment includes a p-type layer 101, an insulating film 104 on the p-type layer 101, and a graphene film 105 on the insulating film 104. The gas sensor 100 includes a modified portion 109 that modifies the surface of the graphene film 105 and is in contact with gas at least in part, and an n-type layer 102 and an n-type layer 103 on the surface of the p-type layer 101. The n-type layer 102 and the n-type layer 103 sandwich the insulating film 104 and the graphene film 105 in a plan view. The gas sensor 100 includes a gate electrode 106 on the graphene film 105, a source electrode 107 on the n-type layer 102, and a drain electrode 108 on the n-type layer 103. As described above, the gas sensor 200 includes an n-type MOSFET structure having a graphene film 105 at the gate. The p-type layer 101 is an example of a semiconductor layer, and the insulating film 104 is an example of a barrier membrane.

次に、修飾部109の機能について説明する。ここでは、修飾部109に半導体が用いられていることとするが、修飾部109に絶縁体又は金属が用いられてもよく、修飾部109の材料が無機物又は有機物であってもよい。図5は、修飾部109の機能を示す図である。 Next, the function of the modification unit 109 will be described. Here, it is assumed that a semiconductor is used for the modifying portion 109, but an insulator or a metal may be used for the modifying portion 109, and the material of the modifying portion 109 may be an inorganic substance or an organic substance. FIG. 5 is a diagram showing the function of the modifying unit 109.

修飾部109の表面にガス分子110が吸着すると、図5(a)に示すように、ガス分子110のHOMO(最高占有分子軌道)から修飾部109の伝導帯を経てグラフェン膜105へと電荷(電子)の移動が生じるか、図5(b)に示すように、グラフェン膜105から修飾部109の伝導帯を経てガス分子110のLUMO(最低被占有分子軌道)に電荷(電子)が移動する。このようにしてグラフェン膜105の仕事関数が変化する。つまり、グラフェン膜105自身とは相互作用を持ち得ないガス分子110であっても、修飾部109を通じてグラフェン膜105の仕事関数を変化させることできる。グラフェン膜105の仕事関数の変化は、参考例のガスセンサ100と同様の原理で、電界効果トランジスタ(field effect transistor:FET)のドレイン電流の変化として検出される。 When the gas molecule 110 is adsorbed on the surface of the modified portion 109, as shown in FIG. 5 (a), the HOMO (highest occupied molecular orbital) of the gas molecule 110 is charged to the graphene film 105 via the conduction band of the modified portion 109. Movement of electrons) occurs, or as shown in FIG. 5 (b), charges (electrons) move from the graphene film 105 to the LUMO (minimum occupied molecular orbital) of the gas molecule 110 via the conduction band of the modified portion 109. .. In this way, the work function of the graphene film 105 changes. That is, even the gas molecule 110 that cannot interact with the graphene film 105 itself can change the work function of the graphene film 105 through the modification portion 109. The change in the work function of the graphene film 105 is detected as a change in the drain current of the field effect transistor (FET) by the same principle as the gas sensor 100 of the reference example.

従って、第1の実施形態における修飾部109に特定のガス分子110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に吸着されたガス分子110の量を高い精度で検出することができる。 Therefore, when the specific gas molecule 110 is adsorbed on the modified portion 109 in the first embodiment, the work function of the graphene film 105 changes significantly even if the amount is small. Therefore, by detecting the amount of this change, the amount of gas molecules 110 adsorbed on the graphene film 105 can be detected with high accuracy.

なお、電荷の移動の有無及び移動量は、修飾部109とガス分子110との相互作用の有無にも依存する。具体的には、電荷の移動の有無及び移動量は、修飾部109の表面に対するガス分子110の吸着エネルギー、修飾部109とガス分子110との間の電気陰性度の差、及びグラフェンを含む各材料の相対的なバンドアラインメント(電子状態の相対的なエネルギー位置)に依存する。 The presence or absence of charge transfer and the amount of transfer also depend on the presence or absence of interaction between the modified portion 109 and the gas molecule 110. Specifically, the presence / absence and amount of charge transfer include the adsorption energy of the gas molecule 110 with respect to the surface of the modified portion 109, the difference in electronegativity between the modified portion 109 and the gas molecule 110, and graphene. It depends on the relative band alignment of the material (relative energy position of the electronic state).

例えば、SnO2及びZnO等の酸化物の膜又は微粒子が修飾部109に用いられた場合、ガスセンサ200は、H2、CO、H2S及びSO2等の還元性ガスの検出に適している。例えば、H2のガス分子110が修飾部109の表面に吸着すると、H2+O-→H2O+e-の反応が起こり、図5(a)に示すように、放出された電子がグラフェン膜105へと移動し、グラフェン膜105のフェルミ準位が上昇する。つまり、グラフェン膜105はn型にドープされる。この結果、グラフェン膜105の仕事関数が減少し、ドレイン電流が変化する。 For example, when an oxide film or fine particles such as SnO 2 and ZnO are used for the modified portion 109, the gas sensor 200 is suitable for detecting reducing gases such as H 2 , CO, H 2 S and SO 2. .. For example, the gas molecules 110 in the H 2 is adsorbed on the surface of the modified portion 109, H 2 + O - → H 2 O + e - occurs in the reaction, Figure 5 (a), the emitted electrons graphene film 105 The Fermi level of the graphene film 105 rises. That is, the graphene film 105 is doped in an n-type. As a result, the work function of the graphene film 105 decreases and the drain current changes.

ポリアニリンが修飾部109に用いられた場合、ガスセンサ200は、メタノール及びエタノール等のアルコールの検出に適している。アルコールのガス分子110が修飾部109に吸着すると、図5(a)に示すように、電子が修飾部109からグラフェン膜105へと移動し、グラフェン膜105のフェルミ準位が上昇する。つまり、グラフェン膜105はn型にドープされる。この結果、グラフェン膜105の仕事関数が減少し、ドレイン電流が変化する。 When polyaniline is used in the modifier 109, the gas sensor 200 is suitable for detecting alcohols such as methanol and ethanol. When the gas molecule 110 of alcohol is adsorbed on the modified portion 109, as shown in FIG. 5A, electrons move from the modified portion 109 to the graphene film 105, and the Fermi level of the graphene film 105 rises. That is, the graphene film 105 is doped in an n-type. As a result, the work function of the graphene film 105 decreases and the drain current changes.

例えば、SnO2及びZnO等の酸化物の膜又は微粒子が修飾部109に用いられた場合、ガスセンサ200は、O2等の酸化性ガスの検出にも適している。例えば、O2のガス分子110が修飾部109の表面に吸着すると、O2+e-→2O-の反応のために、図5(b)に示すように、電子が修飾部109からガス分子110へと移動する。このため、グラフェン膜105から修飾部109に電子が移動し、グラフェン膜105のフェルミ準位が下降する。つまり、グラフェン膜105はp型にドープされる。この結果、グラフェン膜105の仕事関数が増加し、ドレイン電流が変化する。 For example, when an oxide film or fine particles such as SnO 2 and ZnO are used for the modified portion 109, the gas sensor 200 is also suitable for detecting an oxidizing gas such as O 2. For example, the gas molecules 110 of the O 2 is adsorbed on the surface of the modified portion 109, O 2 + e - → 2O - for reaction, 5 (b), the gas molecules 110 from the electronic modifications 109 Move to. Therefore, electrons move from the graphene film 105 to the modified portion 109, and the Fermi level of the graphene film 105 drops. That is, the graphene film 105 is doped in a p-type. As a result, the work function of the graphene film 105 increases and the drain current changes.

ポリピロールが修飾部109に用いられた場合、ガスセンサ200は、メタノール及びエタノール等のアルコールの検出に適している。アルコールのガス分子110が修飾部109に吸着すると、図5(b)に示すように、電子がグラフェン膜105から修飾部109へと移動し、グラフェン膜105のフェルミ準位が下降する。つまり、グラフェン膜105はp型にドープされる。この結果、グラフェン膜105の仕事関数が増加し、ドレイン電流が変化する。 When polypyrrole is used in the modifier 109, the gas sensor 200 is suitable for detecting alcohols such as methanol and ethanol. When the gas molecule 110 of alcohol is adsorbed on the modified portion 109, electrons move from the graphene film 105 to the modified portion 109, and the Fermi level of the graphene film 105 is lowered, as shown in FIG. 5 (b). That is, the graphene film 105 is doped in a p-type. As a result, the work function of the graphene film 105 increases and the drain current changes.

例えば、二硫化スズ(SnS2)が修飾部109に用いられた場合、ガスセンサ200は、ホルムアルデヒド(HCHO)の検出に適している。ホルムアルデヒドのガス分子110が修飾部109に吸着すると、図5(a)に示すように、電子が修飾部109からグラフェン膜105へと移動し、グラフェン膜105のフェルミ準位が上昇する。つまり、グラフェン膜105はn型にドープされる。この結果、グラフェン膜105の仕事関数が減少し、ドレイン電流が変化する。 For example, when tin disulfide (SnS 2 ) is used in the modifier 109, the gas sensor 200 is suitable for detecting formaldehyde (HCHO). When the formaldehyde gas molecule 110 is adsorbed on the modified portion 109, electrons move from the modified portion 109 to the graphene film 105, and the Fermi level of the graphene film 105 rises, as shown in FIG. 5 (a). That is, the graphene film 105 is doped in an n-type. As a result, the work function of the graphene film 105 decreases and the drain current changes.

本発明者が、グラフェン上に二硫化スズを配置したときの電荷移動の有無をシミュレーションにより計算したところ、グラフェンから二硫化スズに電子が移動することが分かった。また、グラフェン上に配置した二硫化スズの表面にホルムアルデヒド分子が吸着したときの安定構造モデルを計算したところ、グラフェンと二硫化スズとの間の距離は3.7Åであり、二硫化スズとホルムアルデヒド分子との間の距離は2.8Åであり、ホルムアルデヒド分子が二硫化スズの表面に物理吸着することが示唆された。本発明者は、このモデルに対して、ホルムアルデヒド分子が吸着する前後のバンド構造を計算した。この結果を図6に示す。図6(a)は吸着後のバンド構造を示し、図6(b)は吸着前のバンド構造を示す。二硫化スズはグラフェンと同様に層状物質であり、1層ずつ厚みを変えることが可能である。層数は限定しないが、ここでは単層を想定している。 When the present inventor calculated the presence or absence of charge transfer when tin disulfide was placed on graphene by simulation, it was found that electrons were transferred from graphene to tin disulfide. In addition, when a stable structure model was calculated when formaldehyde molecules were adsorbed on the surface of tin disulfide placed on graphene, the distance between graphene and tin disulfide was 3.7 Å, and tin disulfide and formaldehyde were found. The distance between the molecules was 2.8 Å, suggesting that the formaldehyde molecules were physically adsorbed on the surface of tin disulfide. The present inventor calculated the band structure before and after the formaldehyde molecule was adsorbed for this model. The result is shown in FIG. FIG. 6A shows the band structure after adsorption, and FIG. 6B shows the band structure before adsorption. Similar to graphene, tin disulfide is a layered substance, and its thickness can be changed layer by layer. The number of layers is not limited, but a single layer is assumed here.

図6に示すように、ホルムアルデヒドの吸着により、グラフェンの仕事関数が10meV減少した。これは、二硫化スズに移動した電子の一部が、ホルムアルデヒド分子の吸着により再びグラフェンへ移動したこと、つまりグラフェンがn型にドープされたことを意味している。バイアス電圧Vbiasをサブスレショルド領域にとったとき、FETの単位電圧当たりのドレイン電流変化量(サブスレショルドスイング)が60mV/decadeとすると、ホルムアルデヒド分子の吸着によるドレイン電流の変化量は最大で17%程度得られることが示唆された。このように、二硫化スズはホルムアルデヒドと強く相互作用する。このため、二硫化スズを修飾部109に用いることで、ガスセンサ200をホルムアルデヒドのセンサとして利用することが可能である。 As shown in FIG. 6, the work function of graphene was reduced by 10 meV due to the adsorption of formaldehyde. This means that some of the electrons transferred to tin disulfide were transferred to graphene again by the adsorption of formaldehyde molecules, that is, graphene was doped into n-type. When the bias voltage V bias is set in the sub-threshold region and the amount of change in drain current (sub-threshold swing) per unit voltage of the FET is 60 mV / decade, the maximum amount of change in drain current due to adsorption of formaldehyde molecules is 17%. It was suggested that the degree could be obtained. Thus, tin disulfide interacts strongly with formaldehyde. Therefore, by using tin disulfide for the modifying portion 109, the gas sensor 200 can be used as a formaldehyde sensor.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、第1の実施形態に係るガスセンサ200の製造方法に関する。図7A乃至図7Bは、第2の実施形態に係る製造方法を工程順に示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment will be described. The second embodiment relates to the method for manufacturing the gas sensor 200 according to the first embodiment. 7A to 7B are cross-sectional views showing the manufacturing method according to the second embodiment in the order of processes.

先ず、図7A(a)に示すように、p型層101の表面にn型層102及びn型層103を形成する。例えば、p型層101はシリコン基板の表面へのp型不純物のイオン注入により形成することができ、n型層102及びn型層103はp型層101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。次いで、p型層101、n型層102及びn型層103上に絶縁膜104を形成する。絶縁膜104は、例えばp型層101、n型層102及びn型層103の表面の熱酸化により形成することができる。 First, as shown in FIG. 7A (a), the n-type layer 102 and the n-type layer 103 are formed on the surface of the p-type layer 101. For example, the p-type layer 101 can be formed by ion implantation of p-type impurities on the surface of a silicon substrate, and the n-type layer 102 and n-type layer 103 can be formed by ion implantation of n-type impurities on the surface of the p-type layer 101. Can be formed by Next, the insulating film 104 is formed on the p-type layer 101, the n-type layer 102, and the n-type layer 103. The insulating film 104 can be formed, for example, by thermal oxidation of the surfaces of the p-type layer 101, the n-type layer 102, and the n-type layer 103.

その後、図7A(b)に示すように、絶縁膜104上にグラフェン膜105を設ける。グラフェン膜105は、例えば成長基板上への成長及び転写により設けることができる。 Then, as shown in FIG. 7A (b), the graphene film 105 is provided on the insulating film 104. The graphene film 105 can be provided, for example, by growing and transferring onto a growth substrate.

続いて、図7A(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リアクティブイオンエッチング(reactive ion etching:RIE)が挙げられる。 Subsequently, as shown in FIG. 7A (c), the graphene film 105 is patterned. The graphene film 105 can be patterned by, for example, a photolithography technique and an etching technique. Examples of the etching technique include reactive ion etching (RIE) using oxygen plasma.

次いで、図7B(d)に示すように、絶縁膜104をパターニングしてn型層102の少なくとも一部及びn型層103の少なくとも一部を露出させる。絶縁膜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。 Next, as shown in FIG. 7B (d), the insulating film 104 is patterned to expose at least a part of the n-type layer 102 and at least a part of the n-type layer 103. The insulating film 104 can be patterned by, for example, a photolithography technique and an etching technique.

その後、図7B(e)に示すように、グラフェン膜105上にゲート電極106を、n型層102上にソース電極107を、n型層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。 Then, as shown in FIG. 7B (e), the gate electrode 106 is formed on the graphene film 105, the source electrode 107 is formed on the n-type layer 102, and the drain electrode 108 is formed on the n-type layer 103. In the formation of the gate electrode 106, the source electrode 107, and the drain electrode 108, for example, a mask is formed to expose the area where they are to be formed, a metal film is formed by a vacuum vapor deposition method, and the mask is formed together with the metal film on the mask. Remove. That is, the gate electrode 106, the source electrode 107, and the drain electrode 108 can be formed by the lift-off method. In the formation of the metal film, for example, a Ti film having a thickness of 5 nm is formed, and an Au film having a thickness of 200 nm is formed on the Ti film.

続いて、図7B(f)に示すように、グラフェン膜105上に修飾部109を設ける。修飾部109が層状物質であれば、例えば、修飾部109は成長基板上への成長及び転写により設けることができる。修飾部109をグラフェン膜105上に設ける方法は限定されず、蒸着法、スパッタリング法、CVD法、ディップ法、スピンコーティング法、ドロップキャスト法が例示される。蒸着法、スパッタリング法及びCVD法はドライプロセスの例であり、これらでは、修飾部109をグラフェン膜105上に直接的に堆積させる。ディップ法、スピンコーティング法、ドロップキャスト法はウェットプロセスの例であり、これらでは、溶媒中に修飾部109の材料を分散又は溶解させた溶液を用いる。 Subsequently, as shown in FIG. 7B (f), the modification portion 109 is provided on the graphene film 105. If the modified portion 109 is a layered substance, for example, the modified portion 109 can be provided by growth and transfer onto a growth substrate. The method of providing the modified portion 109 on the graphene film 105 is not limited, and examples thereof include a vapor deposition method, a sputtering method, a CVD method, a dip method, a spin coating method, and a drop casting method. The vapor deposition, sputtering and CVD methods are examples of dry processes, in which the modified portion 109 is deposited directly on the graphene film 105. The dip method, spin coating method, and drop casting method are examples of wet processes, and in these, a solution in which the material of the modified portion 109 is dispersed or dissolved in a solvent is used.

このようにして第1の実施形態に係るガスセンサ200を製造することができる。 In this way, the gas sensor 200 according to the first embodiment can be manufactured.

修飾部109の材料は上記の例に限定されない。例えば、SnO2、Pb、SnS2、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフエン)、フタロシアニン及びペンタセンを修飾部109の材料に用いることができる。SnO2はNOX及びCOXの検出に好適であり、PbはH2の検出に好適であり、SnS2はホルムアルデヒド及びアセトンの検出に好適である。ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフエン)はDNAの検出に好適であり、フタロシアニンはヨウ素及び臭素の検出に好適であり、ペンタセンは1−ペンタノールの検出に好適である。Au、Ag、Pd、TiO2及びプロピレンを修飾部109の材料に用いてもよい。 The material of the modifying portion 109 is not limited to the above example. For example, SnO 2 , Pb, SnS 2 , poly (3,4-ethylenedioxythiophen), phthalocyanine and pentacene can be used as materials for the modification section 109. SnO 2 is suitable for detecting NO X and CO X , Pb is suitable for detecting H 2 , and SnS 2 is suitable for detecting formaldehyde and acetone. Poly (3,4-ethylenedioxythiophen) is suitable for detecting DNA, phthalocyanine is suitable for detecting iodine and bromine, and pentacene is suitable for detecting 1-pentanol. Au, Ag, Pd, TiO 2 and propylene may be used as the material of the modified portion 109.

グラフェン膜105に含まれるグラフェンの層数は特に限定されない。修飾部109の厚さも特に限定されないが、修飾部109の厚さは1分子層程度であることが好ましい。これは、ガス分子とグラフェン膜105との間を電子が容易に移動しやすくするためである。 The number of graphene layers contained in the graphene film 105 is not particularly limited. The thickness of the modified portion 109 is not particularly limited, but the thickness of the modified portion 109 is preferably about one molecular layer. This is to facilitate the movement of electrons between the gas molecule and the graphene film 105.

半導体層の材料として、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、有機物半導体、金属カルコゲナイド系半導体、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等の砒化物半導体及びGaN等の窒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。有機物半導体として、ペンタセンが例示される。金属カルコゲナイド系半導体として、MoS2が例示される。層状物質半導体として、黒リンが例示される。半導体層の導電型が反対であってもよい。すなわち、p型層101に代えてn型層が、n型層102に代えてp型層が、n型層103に代えてp型層が用いられてもよい。 Examples of the material of the semiconductor layer include Group IV semiconductors, Group III-V compound semiconductors, Group II-VI compound semiconductors, oxide semiconductors, organic semiconductors, metal chalcogenide semiconductors, layered material semiconductors, semiconductor carbon nanotubes, and graphene nanoribbons. .. Examples of Group IV semiconductors include single crystal Si and polycrystalline Si. Examples of III-V compound semiconductors include arsenide semiconductors such as GaAs and nitride semiconductors such as GaN. CdTe is exemplified as a group II-VI compound semiconductor. ZnO is exemplified as an oxide semiconductor. Pentacene is exemplified as an organic semiconductor. MoS 2 is exemplified as a metal chalcogenide semiconductor. Black phosphorus is exemplified as a layered material semiconductor. The conductive type of the semiconductor layer may be opposite. That is, an n-type layer may be used instead of the p-type layer 101, a p-type layer may be used instead of the n-type layer 102, and a p-type layer may be used instead of the n-type layer 103.

絶縁膜104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。 Examples of the material of the insulating film 104 include silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, germanium oxide, high dielectric constant insulator and layered insulator. Examples of high dielectric constant insulators include aluminum, titanium, tantalum or hafnium, or insulators containing any combination thereof, such as aluminum oxide and hafnium oxide. Examples of the layered insulator include hexagonal boron nitride (BN) and hexagonal carbon boron nitride (BCN), which is a mixed crystal of boron nitride and graphite.

バリア膜は絶縁膜に限定されない。例えば、半導体層に化合物半導体が用いられる場合、バリア膜として、半導体層の化合物半導体よりもバンドギャップが広いIII−V族化合物半導体又はII−VI族化合物半導体を用いることができる。例えば、半導体層及びバリア膜の材料の組み合わせとして、GaAs及びAlGaAsの組み合わせ、InGaAs及びInAlAsの組み合わせ並びにGaN及びAlGaNの組み合わせが例示される。 The barrier film is not limited to the insulating film. For example, when a compound semiconductor is used for the semiconductor layer, a group III-V compound semiconductor or a group II-VI compound semiconductor having a wider band gap than the compound semiconductor of the semiconductor layer can be used as the barrier film. For example, as a combination of materials for the semiconductor layer and the barrier membrane, a combination of GaAs and AlGaAs, a combination of InGaAs and InAlAs, and a combination of GaN and AlGaN are exemplified.

修飾部109が露出するようにゲート電極106、ソース電極107及びドレイン電極108を覆う保護膜が設けられていてもよい。 A protective film covering the gate electrode 106, the source electrode 107, and the drain electrode 108 may be provided so that the modified portion 109 is exposed.

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as appendices.

(付記1)
半導体層と、
前記半導体層上方に設けられたグラフェン膜と、
前記グラフェン膜の表面を修飾し、少なくとも一部が気体に接する修飾部と、
前記半導体層と前記グラフェン膜との間のバリア膜と、
前記半導体層の表面に前記バリア膜の下方の部分を間に挟むようにして設けられた2個の電極と、
を有することを特徴とするトランジスタ。
(Appendix 1)
With the semiconductor layer
The graphene film provided above the semiconductor layer and
A modified portion that modifies the surface of the graphene film and is in contact with at least a part of the gas,
A barrier membrane between the semiconductor layer and the graphene film,
Two electrodes provided on the surface of the semiconductor layer so as to sandwich a lower portion of the barrier membrane,
A transistor characterized by having.

(付記2)
前記グラフェン膜が前記バリア膜に直接接していることを特徴とする付記1に記載のトランジスタ。
(Appendix 2)
The transistor according to Appendix 1, wherein the graphene film is in direct contact with the barrier membrane.

(付記3)
前記修飾部は、SnS2、SnO2、ZnO、ポリアニリン又はポリピロールを含むことを特徴とする付記1又は2に記載のトランジスタ。
(Appendix 3)
The transistor according to Appendix 1 or 2, wherein the modified portion contains SnS 2 , SnO 2, ZnO, polyaniline or polypyrrole.

(付記4)
前記半導体層の材料は、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、有機物半導体、金属カルコゲナイド系半導体、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項に記載のトランジスタ。
(Appendix 4)
The material of the semiconductor layer shall be a group IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, an oxide semiconductor, an organic semiconductor, a metal chalcogenide semiconductor, a layered material semiconductor, a semiconductor carbon nanotube or a graphene nanoribbon. The transistor according to any one of Supplementary Provisions 1 to 3, characterized in that.

(付記5)
前記バリア膜の材料は、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項に記載のトランジスタ。
(Appendix 5)
Item 3. The transistor described.

(付記6)
付記1乃至5のいずれか1項に記載のトランジスタを有することを特徴とするガスセンサ。
(Appendix 6)
A gas sensor comprising the transistor according to any one of Supplementary note 1 to 5.

(付記7)
半導体層上方にグラフェン膜を設ける工程と、
前記グラフェン膜の表面を修飾し、少なくとも一部が気体に接する修飾部を設ける工程と、
前記半導体層と前記グラフェン膜との間のバリア膜を形成する工程と、
前記半導体層の表面に前記バリア膜の下方の部分を間に挟むようにして2個の電極を形成する工程と、
を有することを特徴とするトランジスタの製造方法。
(Appendix 7)
The process of providing a graphene film above the semiconductor layer and
A step of modifying the surface of the graphene film and providing a modified portion in which at least a part of the graphene film is in contact with a gas.
A step of forming a barrier film between the semiconductor layer and the graphene film,
A step of forming two electrodes on the surface of the semiconductor layer with a lower portion of the barrier membrane sandwiched between them.
A method for manufacturing a transistor, which comprises.

(付記8)
前記グラフェン膜が前記バリア膜に直接接していることを特徴とする付記7に記載のトランジスタの製造方法。
(Appendix 8)
The method for manufacturing a transistor according to Appendix 7, wherein the graphene film is in direct contact with the barrier membrane.

(付記9)
前記修飾部は、SnS2、SnO2、ZnO、ポリアニリン又はポリピロールを含むことを特徴とする付記7又は8に記載のトランジスタの製造方法。
(Appendix 9)
The method for manufacturing a transistor according to Appendix 7 or 8, wherein the modified portion contains SnS 2 , SnO 2, ZnO, polyaniline or polypyrrole.

(付記10)
前記半導体層の材料は、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、有機物半導体、金属カルコゲナイド系半導体、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7乃至9のいずれか1項に記載のトランジスタの製造方法。
(Appendix 10)
The material of the semiconductor layer shall be a group IV semiconductor, a group III-V compound semiconductor, a group II-VI compound semiconductor, an oxide semiconductor, an organic semiconductor, a metal chalcogenide semiconductor, a layered material semiconductor, a semiconductor carbon nanotube or a graphene nanoribbon. The method for manufacturing a transistor according to any one of Supplementary Provisions 7 to 9, wherein the method is characterized by the above-mentioned method.

(付記11)
前記バリア膜の材料は、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7乃至10のいずれか1項に記載のトランジスタの製造方法。
(Appendix 11)
Item 1. The method for manufacturing a transistor according to the description.

100、200:ガスセンサ
101:p型層
102、103:n型層
104:絶縁膜
105:グラフェン膜
106:ゲート電極
107:ソース電極
108:ドレイン電極
109:修飾部
100, 200: Gas sensor 101: p-type layer 102, 103: n-type layer 104: Insulating film 105: Graphene film 106: Gate electrode 107: Source electrode 108: Drain electrode 109: Modified part

Claims (5)

半導体層と、
前記半導体層上方に設けられたグラフェン膜と、
前記グラフェン膜の表面を修飾し、少なくとも一部が気体に接するSnS 2 、ポリアニリン、ポリピロール、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフエン)、フタロシアニン、又はペンタセンを含む修飾部と、
前記半導体層と前記グラフェン膜との間のバリア膜と、
前記半導体層の表面に前記バリア膜の下方の部分を間に挟むようにして設けられた2個の電極と、
を有することを特徴とするトランジスタ。
With the semiconductor layer
The graphene film provided above the semiconductor layer and
A modified portion containing SnS 2 , polyaniline, polypyrrole, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), phthalocyanine, or pentacene that modifies the surface of the graphene membrane and is in contact with gas at least in part.
A barrier membrane between the semiconductor layer and the graphene film,
Two electrodes provided on the surface of the semiconductor layer so as to sandwich a lower portion of the barrier membrane,
A transistor characterized by having.
前記グラフェン膜が前記バリア膜に直接接していることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。 The transistor according to claim 1, wherein the graphene film is in direct contact with the barrier membrane. 請求項1又は2に記載のトランジスタを有することを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor comprising the transistor according to claim 1 or 2. 半導体層上方にグラフェン膜を設ける工程と、
前記グラフェン膜の表面を修飾し、少なくとも一部が気体に接するSnS 2 、ポリアニリン、ポリピロール、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフエン)、フタロシアニン、又はペンタセンを含む修飾部を設ける工程と、
前記半導体層と前記グラフェン膜との間のバリア膜を形成する工程と、
前記半導体層の表面に前記バリア膜の下方の部分を間に挟むようにして2個の電極を形成する工程と、
を有することを特徴とするトランジスタの製造方法。
The process of providing a graphene film above the semiconductor layer and
A step of modifying the surface of the graphene film and providing a modified portion containing SnS 2 , polyaniline, polypyrrole, poly (3,4-ethylenedioxythiophene), phthalocyanine, or pentacene which is in contact with gas at least in part.
A step of forming a barrier film between the semiconductor layer and the graphene film,
A step of forming two electrodes on the surface of the semiconductor layer with a lower portion of the barrier membrane sandwiched between them.
A method for manufacturing a transistor, which comprises.
前記グラフェン膜が前記バリア膜に直接接していることを特徴とする請求項に記載のトランジスタの製造方法。 The method for manufacturing a transistor according to claim 4 , wherein the graphene film is in direct contact with the barrier membrane.
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