KR101960963B1 - 수평형 플로팅 게이트를 갖는 fet형 센서의 펄스 구동 방법 - Google Patents

수평형 플로팅 게이트를 갖는 fet형 센서의 펄스 구동 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101960963B1
KR101960963B1 KR1020170068246A KR20170068246A KR101960963B1 KR 101960963 B1 KR101960963 B1 KR 101960963B1 KR 1020170068246 A KR1020170068246 A KR 1020170068246A KR 20170068246 A KR20170068246 A KR 20170068246A KR 101960963 B1 KR101960963 B1 KR 101960963B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reading
bias
read
heating
pulse
Prior art date
Application number
KR1020170068246A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170137641A (ko
Inventor
이종호
신종민
Original Assignee
서울대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교 산학협력단 filed Critical 서울대학교 산학협력단
Publication of KR20170137641A publication Critical patent/KR20170137641A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101960963B1 publication Critical patent/KR101960963B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/002—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the work function voltage
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/16—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by burning or catalytic oxidation of surrounding material to be tested, e.g. of gas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0031—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector comprising two or more sensors, e.g. a sensor array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42324—Gate electrodes for transistors with a floating gate
    • H01L29/42328—Gate electrodes for transistors with a floating gate with at least one additional gate other than the floating gate and the control gate, e.g. program gate, erase gate or select gate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/788—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with floating gate

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

본 발명은 수평형 플로팅 전극을 가지는 FET형 센서의 펄스 구동방법에 관한 것이다. 상기 FET 형 센서의 펄스 구동 방법은, 상기 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 펄스 형태의 읽기 준비 전압(pre-bias(V pre))를 인가하는 읽기 준비 단계; 및 상기 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 펄스 형태의 읽기 전압(read-bias (V rCG) )을 인가하고, 상기 드레인과 소스 사이에는 상기 읽기 전압 펄스와 동기화된 펄스 전압(V rDS )을 인가하는 읽기 단계;를 구비한다. 제어 전극의 입력 단자에 인가되는 pre-bias 펄스 전압의 폭이나 크기에 따라 반응성 및 회복 시간을 개선시킬 수 있고, 산화성 및 환원성 가스의 구분이 가능하다. 또한, 읽기구간에만 FET형 센서에 전류가 흐르기 때문에 전력 소모를 크게 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 펄스 구동방법은 히터를 내장한 FET형 센서에도 적용될 수 있다. Heater의 heating-bias, pre-bias, read-bias 펄스의 폭, 크기, 순서, 개수를 조합하여 인가해줌으로써, 반응 시 감지물질층을 가열시켜 반응 및 회복 특성을 개선시킬 수 있다. 또한, 읽기 구간을 제외한 pre-bias 와 heating구간에서는 센서에 전류가 흐르지 않기 때문에 소비 전력을 낮출 수 있어 저전력, 모바일 제품에 적용이 가능하다.

Description

수평형 플로팅 게이트를 갖는 FET형 센서의 펄스 구동 방법 {PULSE METHOD FOR FET-TYPE SENSOR HAVING HORIZONTAL FLOATING GATE}
본 발명은 센서에서 펄스 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수평 방향으로 형성된 플로팅 게이트를 갖는 FET(Field Effect Transistor)형 센서에 pre-bias 펄스를 인가하여 센서의 감지 및 회복(recovery) 성능을 개선하고 저전력으로 동작이 가능하게 하는 센서 구동 방법에 관한 것이다.
최근 센서에 대한 수요의 증가로 다양한 형태의 센서가 개발되고 있다. 이런 센서들 중에서 높은 입력 임피던스를 가지며, 높은 증폭률을 가지는 플로팅 게이트를 이용한 FET(Field Effect Transistor)에 대한 연구가 진행되고 있다. 또한, 저전력, 높은 Transconductance에 의한 높은 감지 감도(Sensitivity) 및 기존 CMOS 회로와의 융합이 요구되면서 FET형 센서에 대한 연구가 점차 증가하고 있다.
특허문헌 1에서는 기존의 수직방향으로 형성된 플로팅 및 제어 전극, 감지층을 갖는 FET형 센서에서 발생하는 제조공정상의 문제인 감지물질 선택의 제한, 기생 용량성분으로 인한 제어 및 플로팅 전극 사이의 낮은 coupling ratio, 낮은 감지 감도 및 높은 전력소모, 그리고 공정의 복잡도로 발생하는 높은 제조비용 등의 문제점들을 개선하기 위하여, 수평방향으로 제어 전극 및 플로팅 전극을 형성하고 이들 사이에 감지물질층을 형성하는 소자를 제안하였다. 또한 센서의 구조에 따른 몇 가지 감지 기작(mechanism)을 제공하고 이들 감지 기작으로 동작하는 복수 개의 가스 센서를 어레이 형태도 제안하였다.
도 1은 특허문헌 1에서 개시된 일함수 변화를 감지 할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 FET형 가스 센서의 단면도들이다. 제어 전극은 감지 물질층과 직접 전기적으로 연결되어 형성되므로 제어 전극의 전압 변화에 따라 감지물질층의 전압이 제어 전극과 같이 변한다. 상기 감지물질층이 특정가스에 반응하여 일함수가 변하면 결국 제어 전극의 일함수 변화를 초래하므로 플로팅전극의 전달되는 전압이 달라지고, 결국 반도체 바디의 채널 형성 및 채널 저항에 영향을 주게 되는 점을 이용하여, 이를 소스/드레인 전극을 통해 흐르는 전류로 감지하게 된다.
도 2는 특허문헌 1에서 개시된 일함수 및 커패시턴스 변화를 감지 할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 FET형 가스 센서의 단면도들이다. 도 1에서 개시된 가스센서와는 달리 제어 전극과 감지물질층이 절연물질을 사이에 두고 떨어져 형성 되어있다. 따라서 제어 전극의 전압이 제어 전극과 감지물질층의 커패시턴스에 의하여 감지물질층에 전달이 되고, 플로팅 전극의 전압은 감지물질층과 플로팅 전극의 커패시턴스에 의하여 전압이 결정된다. 상기 감지물질층이 특정가스와 반응하여 유전상수가 변하거나 일함수가 변하여 플로팅전극에 전달되는 전압이 바뀌게 된다. 결국 반도체 바디의 채널 형성 및 채널 저항에 영향을 주는 특징을 이용하여, 이를 소스/드레인 전극을 통해 흐르는 전류의 변화로 감지하게 된다.
도 5는 제1 전극의 양단에 전압을 인가하여 히터로써도 사용 할 수 있는 FET형 가스센서의 단면도들을 보여준다. 상기 제1 전극과 상기 감지물질층 하부에 있는 반도체 기판을 일정 깊이로 공기층을 형성함으로써 열 전도율이 높은 반도체 기판을 통해 빠져나가는 것을 차단하여 효과적으로 상기 감지물질층에 열전달이 가능해진다. 상기 제1 전극의 양단에 소정의 전압을 인가함으로써, 전류가 흘러 열이 발생하게 하고, 이를 통해 감지물질층과 가스의 반응성을 개선할 수 있는 장점을 지닌다.
특허문헌 2에서는 특허 문헌 1에서 3차원 핀펫형 가스센서에 관한 것으로, 플로팅 전극을 핀 형태로 돌출된 반도체 바디를 감싸며 형성되도록 하여 채널의 폭을 넓혀 드레인 전류를 크게 함으로써, 센서의 감도를 높일 수 있는 장점을 지닌다.
또한, 비특허문헌 1에서는 특허문헌 1에서 제안한 일함수 변화를 감지하도록 수평방향으로 제어 전극 및 플로팅 전극을 형성하고 이들 사이에 감지물질층을 형성한 FET형 가스센서를 사용하여 가스 반응이 확인되었다. 산화성 및 환원성 가스와 감지물질층이 반응을 하면 감지물질층의 일함수 변화가 일어나고, 그 결과 FET형 가스센서의 문턱전압이 변하여 드레인 전류의 변화가 감지된다. 일정한 읽기전압(read-bias)을 게이트, 소스, 드레인에 인가하여 가스 흡착 유무에 따른 소스/드레인 전류변화로 가스 반응성이 확인되었다. 그러나 FET형 가스센서에서 가스 반응측정 시 일정한 전압(DC전압)이 인가되면 드레인 전류가 계속하여 흐르게 되므로 가스센서에 가해지는 스트레스 및 전력 소모가 증가한다.
비특허문헌 2에서는 본 발명의 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 가스센서의 펄스 구동방법의 일례로 비특허논문 1에서의 DC 전압 인가를 통한 측정의 결과대비 센서의 반응 및 회복 시간을 크게 개선시킨 결과를 보인다. 제어 전극에 음의 pre-bias를 인가하여 산화성 가스인 NO2의 반응이 향상되었고, 회복기에는 양의 pre-bias를 인가하여 산화성 가스의 탈착을 촉진시켜 회복시간이 크게 감소된다. 소스 전압은 항상 0 V로 인가시키고, 드레인 전극의 펄스는 제어 전극의 펄스와 화시켜 동작한다. 소스 전압은 항상 0V로 인가하고, 제어 전극에 pre-bias가 인가되는 동안 드레인 전극에 0 V를 인가시켜 가스센서에 전류가 흐르지 않도록 하여 소모전력을 줄인다.
이에 본 발명은 수평형 플로팅 전극을 갖는 FET형 가스센서 및 이를 사용하여 제작한 센서 어레이에서 가스 반응 및 회복 특성을 개선시킬 수 있고, 소비전력을 낮출 수 있는 펄스 구동방법을 제안하고자 한다. 또한, 펄스 전압 인가에 따른 특징을 이용하여 국소적으로 구현된 히터를 효과적으로 작동시킬 수 있는 바이어싱 방법을 고안한다.
1.한국등록특허공보 제 10-1427348 호 2. 한국등록특허공보 제 10-1495627 호
1. Y. Hong et al., Highly selective ZnO gas sensor based on MOSFET having a horizontal floating-gate, Sensors and Actuator B : Chemical, 232, p653, 2016 2. J. Shin et al., Highly improved response and recovery characteristics of Si FET-type gas sensor Using pre-bias, International Electron Device Meeting, 2016.
본 발명은 종래 수평 방향으로 형성된 플로팅 게이트를 갖는 FET형 센서에서 소비 전력을 낮추고, 감지성능 개선 및 회복 시간을 줄이고자 제안된 것으로, 수평 방향으로 형성된 플로팅 게이트를 갖는 FET형 센서의 펄스 구동 방법 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발병의 제1 특징에 따른 FET형 센서의 펄스 구동 방법은 감지물질층이 제어 전극과 플로팅 전극 사이에 형성되어있는 FET형 센서에서, 제어 전극의 입력단자에 펄스 형태의 전압을 인가하되 양(positive) 또는 음(negative)의 pre-bias를 위한 전압(Vpre)과 읽기 전압(read-bias)을 인가하되 펄스의 크기, 폭, 순서, 개수를 조합하여 인가해준다. 드레인 전압은 상기 제어 전극에 인가되는 read-bias 펄스와 동기화 되어 인가시키고, pre-bias가 인가되는 동안 소스 와 드레인 사이의 전압은 0V로 인가하여 센서에 전류가 흐르지 않도록 하는 것이 바람직하다.
전술한 제1 특징에 따른 FET형 센서의 펄스 구동방법에 있어서, 가스센서에 적용할 경우, 제어 전극에 음의 pre-bias를 인가하면 산화성 가스의 흡착 및 환원성 가스의 탈착을 촉진 시킬 수 있다. 반면 양의 pre-bias를 인가하면 산화성 가스의 탈착 및 환원성 가스의 흡착을 촉진시킬 수 있는 특징을 갖는다.
상기 제어 전극에 pre-bias 펄스와 read-bias 펄스는 alternative하게 인가하거나 pre-bias를 적어도 한 개 인가한 후 read-bias를 적어도 한 개 인가할 수 있다.
전술한 제 1 특징에 따른 펄스 구동 방법에 있어서, 제어 전극의 pre-bias의 크기를 달리 인가함으로써 센서의 반응성 및 회복 특성을 개선시킬 수 있다.
상기 제어 전극에 인가되는 전압은 pre-bias 직후 인가되는 것이 바람직하며 그 폭은 최소한으로 하여 소모 전력을 줄일 수 있다.
본 발명의 제 2특징은, 히터를 내장한 FET형의 펄스 구동방법에 있어서, 상기 제어 전극의 입력 단자에 heating을 위한 전압, pre-bias를 위한 전압 및 읽기를 위한 전압을 인가하되 펄스의 크기, 폭, 순서, 개수를 조합하여 인가한다.
전술한 제 2특징에 의한 펄스 구동방법을 히터를 내장한 가스센서에 적용하여, 제어 전극에 heating, pre-bias, read-bias를 위한 펄스를 조합하여 인가할 경우, 감지물질층에 특정 가스를 흡착이나 탈착을 용이하게 하여 가스 반응성을 개선시킬 수 있다.
본 발명에 의한 복수개의 감지 기작으로 동작하는 센서를 포함하는 센서 어레이의 펄스 구동 방법에 있어서, 상기 복수개의 제어 전극에 음 또는 양의 pre-bias 인가가 가능하고, 인가되는 펄스의 크기와 폭을 다르게 인가할 수 있다. 여기서 상기 복수개의 센서에 있는 복수개의 드레인 전극에 전압을 인가시켜 한꺼번에 읽기 동작을 수행하거나, 순서에 따라 드레인 펄스를 인가하여 읽는 것이 가능하다.
본 발명에 의한 히터를 내장한 복수개의 FET형 센서 어레이의 펄스 구동방법은 제어 전극에 heating, pre-bias, read-bias 펄스의 폭, 크기, 순서, 개수를 조합하여 인가가 가능하고, 히터 동작을 위한 전압은 감지물질층에 따라 그 크기와 시간을 다르게 인가 가능하다.
본 발명에 의한 펄스 구동 방법을 특허문헌 1에서 제공된 제어 전극, 감지물질층, 플로팅 전극을 가지는 FET형 센서에 적용함으로써 비특허문헌 1에서 일정한 DC 전압으로 측정한 반응 결과에 비해 높은 반응성, 짧은 회복시간, 낮은 전력 소모를 가진다. 본 발명에서는 제어 전극의 입력 단자에 인가되는 pre-bias 펄스 전압의 폭이나 크기에 따라 반응성 및 회복 시간을 개선시킬 수 있고, 가스 센서에 적용 할 경우 산화성 및 환원성 가스의 구분이 가능하다.
본 발명에 따른 펄스 구동방법은 히터를 내장한 FET형 센서에도 적용될 수 있다. Heater의 heating, pre-bias, read-bias 펄스의 폭, 크기, 순서, 개수를 조합하여 인가해줌으로써, 반응 및 회복 특성을 개선시킬 수 있다. 또한, 읽기 구간을 제외한 pre-bias 와 heating구간에서는 가스센서에 전류가 흐르지 않기 때문에 소비 전력을 낮출 수 있어 저전력, 모바일 제품에 적용이 가능하다.
도 1a 내지 도 1d는 종래 기술의 일례로 커패시턴스 변화 감지나 전하의 생성/소멸을 감지할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 FET형 센서를 보인 것으로, 도 1a는 평면도, 도 1b는 도 1a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도, 도 1d는 B-B'선을 따라 자른 단면도이다. 도 1b의 변형된 형태로 도 1c는 3차원 핀펫형 센서의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 종래 기술의 일례로 일함수 변화를 감지할 수 있는 수평형 플로팅 전극을 갖는 FET형 센서를 보인 것으로, 도 2a는 평면도, 도 2b는 도 2a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 FET형 센서에서 펄스 구동 방법을 나타내기 위하여, 제어 전극, 드레인 전극, 소스 전극의 바이어스 상태를 나타낸 그래프들이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 의한 펄스 구동방법을 적용한 일례로 수평형 플로팅 전극을 갖는 FET형 센서에서 가스 반응을 측정한 그래프들이다.
도 5a 및 도 5b는 종래 기술의 일례로 도 1에 도시된 센서를 변형한 것으로서, 히터를 내장한 FET형 센서를 도시한 것으로서, 도5a는 평면도, 도 5b는 도 5a에서 A-A'선을 따라 자른 단면도, 도 5c는 B-B'선을 따라 자른 단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 따른 히터를 내장한 FET형 센서에서 펄스 구동 방법을 설명하기 위하여, 히터, 제어 전극, 바이어스 상태를 나타낸 그래프들이다.
도 7은 본 발명에 따른 복수개의 센서들을 배열하여 센서 어레이를 구성한 모습을 일례로 보여준다.
도 8은 본 발명에 따른 히터를 내장한 복수개의 센서들을 배열하여 어레이를 구성한 모습을 일례로 보여준다.
본 발명에 따른 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서의 펄스 구동방법은, 제어 전극에 pre-bias(V pre)를 인가하여 반응 및 회복 특성을 개선시키고, 감지물질층의 일함수 및 커패시턴스 변화에 따른 플로팅 게이트 전압을 변화시켜 소스/드레인에 흐르는 전류로 감지한다. pre-bias의 크기에 따라 반응성 및 회복 시간을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라, pre-bias 구간에서 소스/드레인에 전류가 흐르지 않게하여 저전력으로 구현할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들에 따른 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서의 펄스 구동방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명에 의한 펄스 구동방법이 적용될 수 있는 종래 기술에 의한 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서들에 대하여 간단하게 설명한다. 도 1a 및 도 2a는 종래 기술의 일례로 커패시턴스 및 일함수 변화를 감지할 수 있는 센서이다.
도 1a 및 도 1b에서 도시된 바와 같이 감지물질층(6)은 보호 절연막을 사이에 두고 서로 마주보며 이격된 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3) 사이에 형성하여 반응시 유전상수가 변하여 커플링 비를 변화를 야기하여 플로팅 전극(3)의 전위에 직접 영향을 주게 됨으로써, 반응 전 후에 따라 제어 전극(2)에 인가된 동작 전압이 플로팅 전극(3)에 전달되는 전압이 달라지고, 결국 반도체 바디(12)의 채널 형성 및/또는 채널 저항에 영향을 주게 되는 점을 이용하여, 이를 소스/드레인 전극(5a)을 통해 흐르는 전류로 감지하게 되는 기작(mechanism)으로 동작하게 된다.
도 1c는 특허문헌 2에서 제공하는 3차원 핀펫형 센서의 구조이다. 반도체 기판, 상기 반도체 기판에 돌출되게 형성된 반도체 바디, 상기 반도체 바디의 측면 및 상기 반도체 기판 상에 형성된 격리 절연막, 상기 반도체 바디 상에 형성된 게이트 절연막, 상기 게이트 절연막 및 상기 격리 절연막 상에 형성된 플로팅 전극, 상기 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 상기 격리 절연막 상에 형성된 제어 전극, 상기 제어 전극과 상기 플로팅 전극 사이에 형성된 감지물질층 및 상기 플로팅 전극을 사이에 두고 상기 반도체 바디에 형성된 소스/드레인 영역을 포함하되, 상기 격리 절연막은 상기 반도체 바디가 돌출되도록 상기 반도체 바디의 하부 측면 상에 형성되고, 상기 플로팅 전극은 상기 격리 절연막 상으로 돌출된 상기 반도체 바디를 상기 게이트 절연막을 사이에 두고 감싸며 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 핀펫형 센서를 제공한다. 플로팅 전극을 핀 형태로 돌출된 반도체 바디를 감싸며 형성되도록 하여 채널의 폭을 넓혀 드레인 전류를 크게 함으로써, 센서의 감도를 높일 수 있는 장점을 지닌다.
도 2a 및 도 2b에서 도시된 바와 같이 제어 전극(2)과 감지물질층(6) 사이에 제 1 전극(5)을 형성한 경우에는, 감지물질층(6)의 일함수 변화에 따른 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3) 사이의 전기적 퍼텐셜이 변하는 것을 동작 기작으로 이용하게 된다. 즉, 상기 구조에서 상기 감지물질층(6)이 특정가스에 반응하여 일함수를 변하게 하는 물질로 형성된 경우에는 제 1 전극(5)을 통하여 직접 제어 전극(2)에 전기적으로 연결된 구조이므로, 결국 제어 전극(2)의 일함수를 변하게 하는 결과를 초래하여 동일한 동작 전압에 대해서도 특정 가스의 존재 유무에 따라 플로팅 전극(3)에 전달되는 전압이 달라지고, 이를 소스/드레인 전극(5a)을 통해 흐르는 전류로 감지하는 기작으로 동작하게 된다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서의 펄스 구동방법에 대하여 설명하기 위하여, 각 전극에 인가된 바이어스 상태를 도시한 그래프이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서의 펄스 구동방법은 pre-bias 단계 및 읽기 단계(read step)를 구비한다. 여기서 pre-bias 단계는 없어도 가능하나, 반응성 및 회복 특성 개선측면에서 있는 것이 바람직하다.
전술한 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서들에 있어서, 상기 제어 전극과 드레인 전극에 펄스형태로 전압을 인가한다. 제어 전극에 pre-bias를 위한 전압(Vpre)과 read-bias(V rCG)를 인가하되 펄스의 크기, 폭, 순서, 개수를 조합하여 인가해준다. 감지하는 가스의 특성에 따라 제어 전극에 인가하는 pre-bias는 음 또는 양의 펄스를 인가할 수 있다. 드레인 전극에 인가되는 펄스 전압은 제어 전극의 read-bias 펄스와 동기화시켜 인가하여 주는 것이 바람직하다.
상기 제어 전극에 pre-bias(V pre)가 인가될 때 드레인과 소스 사이의 전압을 0V로 유지하여 센서에 전류가 흐르지 않는 것이 바람직하다.
상기 제어 전극에 음의 pre-bias를 적어도 한 개 인가한 후 read-bias를 적어도 한 개 인가한 후 양의 pre-bias를 적어도 한 개 인가한 후 read-bias를 적어도 한 개 인가하고 또는 양의 pre-bias를 적어도 한 개 인가한 후 read-bias를 적어도 한 개 인가한 후 음의 pre-bias를 적어도 한 개 인가한 후 read-bias를 적어도 한 개 인가하여 산화성 가스와 환원성 가스의 구분이 가능한 것을 특징으로 한다.
도 3a 및 도 3b는 각각 p-MOSFET과 n-MOSFET형 센서의 제어 전극에 음의 pre-bias를 인가하는 펄스 바이어싱 방법을 도시한 그래프이고, 도 3c 및 도 3d는 각각 상기 제어 전극에 양의 pre-bias를 인가하는 펄스 바이어싱 방법을 도시한 그래프이다. 도 3e는 도 3a의 변형된 형태로 인가해주는 pre-bias 펄스의 수를 달리하여 인가하는 펄스 바이어싱 방법을 도시한 그래프이다.
상기 p-MOSFET의 경우 드레인 전극에 음의 read-bias를 인가하고, n-MOSFET의 경우 드레인 전극에 양의 read-bias를 인가해 주는 것이 바람직하다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 펄스 구동방법을 ZnO를 감지 물질로 가지는 p-MOSFET형 가스센서에 적용한 것으로 대표적인 산화성 가스인 이산화질소에 대한 반응성을 측정한 결과를 도시한 그래프들이다.
상기 펄스 구동 방법을 가스센서에 적용하여 상기 제어 전극에 pre-bias를 인가하여 특정 가스를 흡착시키거나 탈착시키는데, 이러한 pre-bias에 의한 효과를 최대화하기 위하여 제어 전극의 read-bias는 pre-bias 직후 인가되는 것이 바람직하며, 그 폭은 최소한으로 하여 소모 전력을 줄이는 것이 주는 것이 바람직하다.
도 4a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 가스센서의 펄스 구동방법을 적용한 일례로 비특허문헌 2에 기술된 바 있다. 특허문헌1에서 제공한 일함수 변화를 감지기작으로 가지는 p-MOSFET형 가스센서의 제어 전극에 인가하는 음의 pre-bias의 크기에 따른 이산화질소와 반응을 측정한 그래프이다.
도 2a처럼 일함수 변화를 감지기작으로 가지는 FET형 가스센서는 제어 전극과 감지물질층이 전기적으로 연결되어 있어 인가된 pre-bias에 따라 감지물질층(6)과 플로팅 전극(3)을 감싸고 있는 보호절연막(10)의 계면(interface)에서 전자 농도가 달라지게 된다. 음의 pre-bias가 가해지면 제어 전극과 전기적으로 연결된 감지물질층의 에너지 밴드가 위로 올라가게 되어 감지물질층(6)과 플로팅 전극(3)을 감싸고 있는 보호절연막(10) 계면(interface)에 전자가 축적(accumulation)되게 된다. 보호절연막 계면의 감지물질층에서 이산화질소는 전자를 얻어 이온화되고 감지물질층에 흡착반응이 활발히 일어난다. 따라서 감지물질층의 전자 농도는 낮아지며 일함수가 증가하게 되고, 도 4a에 도시된 바와 같이, p-MOSFET의 소스/드레인에 흐르는 전류의 크기가 증가한다. 또한, 제어 전극에 인가하여 주는 음의 pre-bias의 크기가 커짐에 따라 감지물질층과 플로팅 전극(3)을 감싸고 있는 보호절연막(10)의 계면(interface)에 축적된 전자 농도가 증가하여 반응하는 이산화질소의 수가 많아지고 이에 따른 일함수 증가가 커지게 되어 반응성이 커지게 된다.
도 4b는 본 발명에 따른 펄스 구동방법을 적용한 일례로, 특허문헌1에서 제공한 일함수 변화를 감지기작으로 가지는 p-MOSFET형 가스센서에 이산화질소와 반응시킨 후 상기 제어 전극에 양의 pre-bias를 인가하여 회복 시간을 개선시킨 것을 측정한 그래프이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 10~70초 동안 이산화질소를 주입한 상태에서 제어전극에 음의 pre-bias를 인가하여 반응시킨 후, 가스 회복성을 확인하기 위하여 70~140초 동안 에어를 주입하면서 pre-bias에 따른 회복 정도를 나타낸 그래프이다.
상기 제어 전극에 양의 pre-bias를 인가하면 제어 전극과 전기적으로 연결된 감지물질층(6)의 에너지 밴드가 내려가 감지물질층과 보호절연막(10) 계면에 전자가 공핍영역(depletion region)이 생기게 된다. 따라서 이온화된 이산화질소로부터 전자가 쉽게 감지물질층으로 이동하여 감지물질층의 일함수가 줄어들게 된다. 따라서 p-MOSFET의 소스/드레인에 흐르는 전류의 크기가 감소한다.
또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 제어 전극에 인가한 pre-bias의 크기가 커짐에 따라 감지물질층과 플로팅 전극(3)을 감싸고 있는 보호절연막(10)의 계면(interface)에서 pre-bias에 의한 전자 공핍층이 늘어나게 되어 이산화질소가 전자를 잃고 탈착되며 회복 특성이 개선된다.
도 4c는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 펄스 구동방법을 도 1의 FET형 가스센서에 적용하여 가스 반응을 확인한 그래프이다. 도 1b에서처럼 감지물질층은(6) 보호절연막(10)으로 덮인 제어 전극(2)과 플로팅 전극(3) 위와 그 사이를 채우고 있다. 따라서 제어 전극에 양의 전압이 인가되면 제어 전극을 덮고 있는 제1 절연막(11) 위에 형성된 감지물질층에 전자가 축적이 되고, 플로팅 전극을 덮고 있는 제 1 절연막 위에 형성된 감지물질층에 전자가 공핍된다. 반면, 상기 제어 전극에 음의 전압이 인가되면 제어 전극을 덮고 있는 제 1 절연막 위에 형성된 감지물질층의 전자가 공핍되고, 플로팅 전극을 덮고 있는 제1 절연막 위에 형성된 감지물질층에 전자가 축적되게 된다.
상기 제어 전극에 양의 pre-bias를 인가하면 플로팅 전극 쪽 감지물질층에서는 전자가 공핍되지만, 제어 전극 쪽 감지물질층에 전자가 축적되어 이산화질소의 이온화 반응이 활발히 일어나게 된다. 제어전극쪽 감지물질층에 흡착된 이산화질소에 의해 전자가 공핍되고 커패시턴스가 줄어들게 된다. 따라서 커플링 비가 줄어들어 플로팅 전극에 전달되는 전압의 크기가 줄어들게 되어 p-MOSFET의 소스/ 드레인 전류의 크기가 줄어들게 된다.
반면, 음의 pre-bias를 제어전극에 인가하면 제어 전극 쪽 감지물질층에서는 전자가 공핍되지만 플로팅 전극 쪽 감지물질층에는 전자가 축적되어 이산화 질소의 이온화 반응이 활발히 일어난다. 플로팅 전극 쪽 감지물질층에 흡착된 이산화질소에 의해 전자 공핍이 생긴다. 따라서 일함수가 늘어나게 되고, p-MOSFET의 소스/ 드레인 전류의 크기가 늘어나게 된다.
따라서, 본 발명에 의한 제 1 실시예의 펄스 구동방법을 적용하여 동일한 감지 물질 및 가스센서를 사용하여 반응성 및 회복 특성을 개선이 가능하고, FET형 가스센서의 구조에 따라 pre-bias의 영향이 다르게 나타나고, 읽기 구간에서만 소스/드레인에 전류가 흐르기 때문에 저전력으로 동작이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 실시예에 의한 히터를 내장한 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 가스센서의 펄스 구동방법을 설명하기 위하여, 먼저 종래의 특허문헌 1에서 제공한 히터를 가지는 FET형 가스센서의 구조에 대하여 간단하게 설명한다.
도 5a 내지 도 5c는 종래 기술에 의한 히터를 내장한 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서의 구조를 나타낸 그림이다. 상기 제어 전극(2)의 양단에 전압을 인가함으로써, 히터(heater)로도 사용할 수 있는 장점이 있다. 상기 제어 전극(2)에 전압을 인가함으로써, 전류가 흘러 열을 발생하게 하여 반응성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
도 5b 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 제어 전극(2)과 상기 감지물질층(6) 하부에 있는 상기 반도체 기판(7)은 일정 깊이로 식각되어 공기층(15)을 형성한 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 상기 제어 전극(2)과 상기 감지물질층(6) 하부에 공기층(15)을 형성함으로써, 히터로 동작하는 제어 전극(2)에서 발생한 열을 열 전도율이 높은 반도체 기판(7)으로 빠져나가는 것을 차단하여 효과적으로 상기 감지물질층(6)에 전달할 수 있는 장점이 있게 된다.
도 5a 내지 도 5c에 언급된 구조 이외에도 히터를 내장한 FET형 센서의 구조는 제어 전극은 플로팅 전극(3)위에 보호 절연막이 구비된 후 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하여 수평으로 이격되어 상기 격리 절연막 상에 특정길이로 구비된 제어 전극을 히터로도 사용이 가능하다. 또한 플로팅 전극(3)을 구비한 후, 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하여 수평으로 이격되어 상기 격리 절연막 상에 특정 길이로 구비된 후 그 위에 보호 절연막을 구비 할 수 있다. 그리고 상기 보호 절연막으로 덮인 상기 격리 절연막과 히터 전극 상에 제어 전극을 구비한 구조도 사용이 가능하다.
이하 도 6a 내지 도 6d를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 히터를 내장한 수평형 플로팅 게이트를 가지는 센서의 펄스 구동방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히터를 내장한 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서의 펄스 구동방법을 설명하기 위해, 각 전극에 인가되는 바이어스 상태를 도시한 그래프들이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 히터를 내장한 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서의 펄스 구동방법은, 히팅 단계(heating step), pre-bias 단계 및 읽기 단계(read step)를 구비한다.
전술한 본 발명의 제1 실시예와 같이 히터를 내장한 수평형 플로팅 게이트를 가지는 FET형 센서의 제어 전극에 반응성 및 회복 특성을 개선하기 위하여 heating을 위한 전압, pre-bias를 위한 전압 및 읽기를 위한 전압을 인가하되 펄스의 크기, 폭 순서, 개수를 조합하여 인가한다.
따라서, 히팅 단계는 읽기 준비 단계와 읽기 단계보다 먼저 수행하거나 읽기 단계 및 히팅 단계를 순차적으로 수행할 수 있다. 히팅 단계는 읽기 준비 단계와 읽기 단계보다 먼저 수행할 때, 히팅 단계 및 읽기 단계를 순차적으로 수행하거나, 히팅 단계, 읽기 준비 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행될 수 있다. 이때, 히팅 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 과정은 두번 이상 반복될 수 있으며, 히팅 단계, 읽기 준비 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 과정도 두번 이상 반복될 수 있다.
한편, 상기 히팅 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 경우, 히팅 단계의 heating-bias 펄스와 read-bias 펄스가 적어도 일부가 서로 겹치도록 인가될 수 있다. 또한, 히팅 단계, 읽기 준비 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 경우, 상기 히팅 단계의 heating-bias 펄스와 읽기 준비 단계의 pre-bias 펄스는 적어도 일부가 서로 겹치도록 인가되고 읽기 단계의 read-bias 펄스가 인가될 수 있다. 이들 경우의 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V 로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 읽기 단계 및 히팅 단계가 순차적으로 수행될 때, 읽기 단계 및 히팅 단계가 순차적으로 수행되는 과정이 한번 또는 두번 이상 반복될 수 있으며, 상기 히팅 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지되는 것이 바람직하다.
도 6a 내지 도 6d에 도시된 것처럼, heating-bias, pre-bias, read-bias를 조합하여 제어 전극에 인가한다. 먼저 t2~t3 동안 상기 제어 전극에 heating을 위한 전압을 인가하여 상기 감지물질층(6)을 가열하고, t4~t5구간에 pre-bias를 인가하여 반응을 시키고, t5~t6에서 제어 전극과 드레인 전극에 read-bias를 인가함으로써 반응에 따른 변화된 소스/드레인 전류로 가스를 감지한다. 여기서 t1~t2, t3~t4에선 모든 전극에 0V를 인가하여 전력소모를 줄일 수 있고, heating-bias, pre-bias, read-bias 펄스를 크기, 폭, 순서, 개수 조합하여 인가가 가능하다.
상기 적어도 하나의 heating-bias는 pre-bias와 read-bias 펄스 보다 먼저 인가되되, heating-bias 펄스 다음에 read-bias 펄스가 인가되거나 heating-bias, pre-bias, read-bias로 순서로 인가되는 것을 특징으로 한다.
상기 적어도 하나의 heating-bias 펄스는 pre-bias와 read-bias 펄스 보다 먼저 인가되되, 상기 제어 전극에 음의 pre-bias를 적어도 한 개 인가한 후 read-bias를 적어도 한 개 인가한 후 양의 pre-bias를 적어도 한 개 인가한 후 read-bias를 적어도 한 개 인가하고 또는 양의 pre-bias를 적어도 한 개 인가한 후 read-bias를 적어도 한 개 인가한 후 음의 pre-bias를 적어도 한 개 인가한 후 read-bias를 적어도 한 개 인가하여 산화성 가스와 환원성 가스의 구분이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 드레인 전극의 read-bias는 제어 전극의 read-bias와 동기화시켜 인가하고, 나머지 구간에서는 드레인과 소스 사이의 전압을 0V로 유지하여 소스/드레인에 전류가 흐르지 않는 것이 바람직하다. 펄스 형태로 히터, pre-bias, read-bias를 인가하기 때문에 DC 구동방법에 비해 저전력으로 동작이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 실시예로 복수개의 감지 기작으로 동작하는 센서를 포함하는 센서 어레이의 펄스 구동방법이다.
상기 복수개의 제어 전극에 pre-bias를 위한 전압과 읽기를 위한 전압을 인가하되 그 펄스의 폭, 크기, 순서, 개수를 조합하여 인가한다. 또한, 복수개의 제어 전극에 음 또는 양의 pre-bias를 동기시켜 인가되거나, 각 제어 전극에 다르게 인가하는 것이 가능하다.
상기 복수개의 드레인 전극에 인가되는 전압을 동기시켜 한꺼번에 읽기 동작을 수행하거나, 순서에 따라 드레인 펄스를 인가하여 읽는 것이 가능하고, 소스는 모두 0V를 인가하여 준다.
도 7는 감지물질층이 다르거나 FET형 센서의 구조가 달라 감지 기작이 다른 센서(이를 감지 기구라 함)로 구성된 센서 어레이를 나타낸다. 본 발명의 제 3실시예에 의한 펄스를 드레인 전극과 제어 전극에 인가하여 센서 어레이에서 반응성 및 회복 특성을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예로 하나의 반도체 기판에 히터를 내장한 단면구조 또는 감지물질이 달라 동작기작이 다른 2 이상의 FET형 센서를 배열하여 형성한 센서 어레이에 상기 제 1 실시예에 의한 펄스 구동방법을 적용하여 구동이 가능한 것을 특징으로 한다.
도 8는 히터를 내장한 FET형 가스센서 어레이를 나타낸다. 본 발명의 제 2실시예에 의한 heating-bias, pre-bias, read-bias 펄스를 제어 전극에 인가하여 센서 어레이에서 가스 반응성 및 회복 특성을 개선시키고 저전력으로 동작 가능한 것을 특징으로 한다.
일례로 전술한 펄스 구동방법을 가스센서 어레이에 적용하면, 감지물질층의 따라 동작 온도가 다르므로 특정 가스 감지 특성에 알맞은 히터 구동 전압을 인가할 수 있다. 전술한 본 발명의 제 3 실시예와 같이 상기 센서 어레이의 제어 전극에 모두 같거나 또는 다른 pre-bias를 인가가 가능하고, 드레인 전극에 인가하는 전압도 모두 일치시켜 인가하거나 각각 다르게 인가가 가능하다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 액티브 영역 2 : 제어 전극
3 : 플로팅 전극 4 : 컨택
5 : 제 1 전극 5a: 소스/드레인 전극
6 : 감지물질층 7 : 반도체 기판
8 : 격리 절연막 9 : 게이트 절연막
10 : 보호 절연막 11 : 제 1 절연막
12 : 반도체 바디 13 : 소스/드레인 영역
14 : 제 2 전극 15 : 공기층

Claims (19)

  1. 반도체 기판에 돌출되게 구비된 반도체 바디; 상기 반도체 바디 상에 구비된 게이트 절연막; 상기 게이트 절연막 상에 구비된 플로팅 전극; 상기 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 구비된 제어 전극; 상기 제어 전극 및 상기 플로팅 전극의 적어도 수평으로 대향하는 측벽 상에 배치된 감지물질층; 및 상기 플로팅 전극을 사이에 두고 상기 반도체 바디에 구비된 소스/드레인을 포함하는 FET형 센서의 구동방법에 있어서,
    상기 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 펄스 형태의 읽기 준비 전압(pre-bias(V pre))를 인가하는 읽기 준비 단계; 및
    상기 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 펄스 형태의 읽기 전압(read-bias (V rCG) )을 인가하고, 상기 드레인과 소스 사이에는 상기 읽기 전압 펄스와 동기화된 펄스 전압(V rDS )을 인가하는 읽기 단계;
    를 구비하고, pre-bias와 read-bias 펄스의 크기, 폭, 순서, 개수를 조합하여 인가하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 읽기 준비 단계와 상기 읽기 단계는 교대로(alternatively) 수행되는 것을 특징으로 하며,
    읽기 준비 단계에서 pre-bias 펄스가 인가되는 동안 소스와 드레인 사이의 전압은 0V 가 유지되는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 읽기 준비 단계와 상기 읽기 단계는 반복하여 교대로 수행되되,
    상기 읽기 준비 단계들 중 첫번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 음의 pre-bias 펄스를 인가하고, 두번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 양의 pre-bias 펄스를 인가하거나,
    상기 읽기 준비 단계들 중 첫번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 양의 pre-bias 펄스를 인가하고, 두번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 음의 pre-bias 펄스를 인가하는 것을 특징으로 하며,
    읽기 준비 단계들에서 pre-bias 펄스가 인가되는 동안 소스와 드레인 사이의 전압은 0V 가 유지되는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    산화성 가스를 감지하는 경우, 음의 pre-bias 펄스를 인가하는 읽기 준비 단계 및 read-bias 펄스를 인가하는 읽기 단계를 순차적으로 수행하며,
    환원성 가스를 감지하는 경우, 양의 pre-bias 펄스를 인가하는 읽기 준비 단계 및 read-bias 펄스를 인가하는 읽기 단계를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하며,
    읽기 준비 단계에서 pre-bias 펄스가 인가되는 동안 소스와 드레인 사이의 전압은 0V 가 유지되는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 FET형 센서의 제어 전극이 사전 설정된 길이로 이루어져 히터 전극으로도 사용되도록 구성되고,
    상기 펄스 구동 방법은,
    상기 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 펄스 형태의 히팅 전압(heating-bias)을 인가하는 히팅 단계;를 더 구비하고,
    상기 heating-bias 펄스의 크기, 폭, 순서, 개수를 조합하여 인가하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 히팅 단계는 읽기 준비 단계와 읽기 단계보다 먼저 수행되되, 상기 읽기 준비 단계와 읽기 단계는 교대로 수행되며,
    상기 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 히팅 단계는 읽기 준비 단계 및 읽기 단계보다 먼저 수행되되,
    상기 읽기 준비 단계와 상기 읽기 단계는 반복하여 교대로 수행되는 것을 특징으로 하며,
    상기 읽기 준비단계 중 첫번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 음의 pre-bias 펄스를 인가하고, 두번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 양의 pre-bias 펄스를 인가하거나,
    상기 읽기 준비단계 중 첫번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 양의 pre-bias 펄스를 인가하고, 두번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 음의 pre-bias 펄스를 인가하는 것을 특징으로 하며,
    상기 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 히팅 단계는 읽기 준비 단계 및 읽기 단계보다 먼저 수행되되,
    산화성 가스를 감지하는 경우, 음의 pre-bias 펄스를 인가하는 읽기 준비 단계 및 read-bias 펄스를 인가하는 읽기 단계를 순차적으로 수행하며,
    환원성 가스를 감지하는 경우, 양의 pre-bias 펄스를 인가하는 읽기 준비 단계 및 read-bias 펄스를 인가하는 읽기 단계를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하며,
    상기 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 히팅 단계는 읽기 준비 단계와 읽기 단계보다 먼저 수행되되,
    히팅 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되거나 히팅 단계, 읽기 준비 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하며,
    상기 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는
    드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  10. 제 9항에 있어서, 히팅 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 과정 또는 히팅 단계, 읽기 준비 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 과정이 두번 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 FET 형 센서의 펄스 구동 방법.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 읽기 단계 및 히팅 단계가 순차적으로 수행되는 과정이 한 번 또는 두 번 이상 반복되는 것을 특징으로 하며,
    상기 히팅 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 FET 형 센서는 상기 플로팅 전극의 적어도 일 측면과 마주하며 수평으로 이격되어 구비되되 특정 길이로 이루어진 히터 전극을 더 구비하는 것을 특징으로 하며,
    상기 히터 전극에 하나 또는 둘 이상의 펄스 형태의 히팅 전압(heating-bias)을 인가하는 히팅 단계;를 더 구비하고,
    상기 heating-bias 펄스의 크기, 폭, 순서, 개수를 조합하여 인가하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 히팅 단계는 읽기 준비 단계와 읽기 단계보다 먼저 수행되되, 상기 읽기 준비 단계와 읽기 단계는 교대로 수행되며,
    상기 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 히팅 단계는 읽기 준비 단계 및 읽기 단계보다 먼저 수행되되,
    상기 읽기 준비 단계와 상기 읽기 단계는 반복하여 교대로 수행되는 것을 특징으로 하며,
    상기 읽기 준비 단계 중 첫번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 음의 pre-bias 펄스를 인가하고, 두번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 양의 pre-bias 펄스를 인가하거나,
    상기 읽기 준비 단계 중 첫번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 양의 pre-bias 펄스를 인가하고, 두번째 읽기 준비 단계에서는 제어 전극에 하나 또는 둘 이상의 음의 pre-bias 펄스를 인가하며,
    상기 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 히팅 단계는 읽기 준비 단계 및 읽기 단계보다 먼저 수행되되,
    산화성 가스를 감지하는 경우, 음의 pre-bias 펄스를 인가하는 읽기 준비 단계 및 read-bias 펄스를 인가하는 읽기 단계를 순차적으로 수행하며,
    환원성 가스를 감지하는 경우, 양의 pre-bias 펄스를 인가하는 읽기 준비 단계 및 read-bias 펄스를 인가하는 읽기 단계를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하며,
    상기 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  16. 제 12항에 있어서,
    상기 히팅 단계는 읽기 준비 단계와 읽기 단계보다 먼저 수행되되,
    히팅 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되거나 히팅 단계, 읽기 준비 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하며,
    상기 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는
    드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  17. 제 16항에 있어서, 히팅 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 과정 또는 히팅 단계, 읽기 준비 단계 및 읽기 단계가 순차적으로 수행되는 과정이 두 번 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 FET 형 센서의 펄스 구동 방법.
  18. 제 12항에 있어서,
    상기 읽기 단계 및 히팅 단계가 순차적으로 수행되는 과정이 한 번 또는 두 번 이상 반복되는 것을 특징으로 하며,
    상기 히팅 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 히팅 단계의 heating-bias 펄스와 읽기 준비 단계의 pre-bias 펄스는 적어도 일부가 서로 겹치도록 인가되고, 읽기 단계의 read-bias 펄스가 인가되거나
    상기 히팅 단계의 heating-bias 펄스와 read-bias 펄스는 적어도 일부가 서로 겹치도록 인가되는 것을 특징으로 하며,
    상기 히팅 단계와 읽기 준비 단계에서는 드레인과 소스 사이의 전압은 0V로 유지하는 것을 특징으로 하는 FET형 센서의 펄스 구동방법.
KR1020170068246A 2016-06-03 2017-06-01 수평형 플로팅 게이트를 갖는 fet형 센서의 펄스 구동 방법 KR101960963B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662345194P 2016-06-03 2016-06-03
US62/345,194 2016-06-03

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170137641A KR20170137641A (ko) 2017-12-13
KR101960963B1 true KR101960963B1 (ko) 2019-03-22

Family

ID=60483123

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170068246A KR101960963B1 (ko) 2016-06-03 2017-06-01 수평형 플로팅 게이트를 갖는 fet형 센서의 펄스 구동 방법
KR1020170068247A KR101954250B1 (ko) 2016-06-03 2017-06-01 Fet형 센서 어레이

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170068247A KR101954250B1 (ko) 2016-06-03 2017-06-01 Fet형 센서 어레이

Country Status (2)

Country Link
US (2) US10156542B2 (ko)
KR (2) KR101960963B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11531027B2 (en) 2017-12-01 2022-12-20 University Of Florida Research Foundation, Inc. Low cost disposable medical sensor fabricated on glass, paper or plastics
WO2022081165A1 (en) * 2020-10-16 2022-04-21 University Of Florida Research Foundation Modularized inexpensive detection of cerebral spinal fluid for medical applications
KR102604420B1 (ko) 2021-05-25 2023-11-20 서울대학교산학협력단 전하 저장 엔지니어링 효과를 이용한 fet형 가스 센서의 구동 방법
KR102655502B1 (ko) 2021-09-28 2024-04-09 서울대학교산학협력단 상보형 센서 일체형 인터페이스 회로 및 상보형 센서 일체형 차동 인터페이스 회로
KR20230152345A (ko) 2022-04-27 2023-11-03 서울대학교산학협력단 마이크로 히터를 갖는 가스 센서

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013519076A (ja) * 2010-02-05 2013-05-23 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング ２種以上のガス種の検出法
JP2015092163A (ja) * 2006-12-14 2015-05-14 ライフ テクノロジーズ コーポレーション 大規模ｆｅｔアレイを用いた分析物測定のための方法および装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3959782A (en) * 1974-12-04 1976-05-25 Semi, Inc. MOS circuit recovery time
GB2096825A (en) * 1981-04-09 1982-10-20 Sibbald Alastair Chemical sensitive semiconductor field effect transducer
US5605612A (en) * 1993-11-11 1997-02-25 Goldstar Electron Co., Ltd. Gas sensor and manufacturing method of the same
KR100482285B1 (ko) * 2002-10-30 2005-04-14 한국전자통신연구원 유로형 다중 전기 화학 시스템 및 그의 제조방법
DE102007029153A1 (de) * 2007-06-25 2009-01-08 Robert Bosch Gmbh Halbleitergassensor mit zusätzlichen Funktionalitäten der signalbildenden Elektrode
JP4296356B1 (ja) * 2008-09-12 2009-07-15 国立大学法人 岡山大学 ガスセンサ
CN102678218B (zh) * 2009-01-19 2014-10-29 三井造船株式会社 内燃机的排气气体分离装置的结构
KR101427348B1 (ko) * 2011-11-11 2014-08-06 서울대학교산학협력단 수평형 플로팅 게이트를 갖는 ｆｅｔ형 가스 감지소자
KR20140010633A (ko) * 2012-07-16 2014-01-27 삼성에스디아이 주식회사 배터리 팩
US20150323482A1 (en) * 2012-12-28 2015-11-12 The University Of Tokyo Gas sensor and gas sensor structural body
KR101495627B1 (ko) * 2013-02-26 2015-02-25 서울대학교산학협력단 수평형 플로팅 게이트를 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자
US20160187279A1 (en) 2014-12-24 2016-06-30 Intel Corporation Metal oxide gas sensor array devices, systems, and associated methods
WO2017132667A1 (en) * 2016-01-30 2017-08-03 The Regents Of The University Of California In-situ localized growth of porous metal oxide films on microheater platform for low temperature gas detection

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015092163A (ja) * 2006-12-14 2015-05-14 ライフ テクノロジーズ コーポレーション 大規模ｆｅｔアレイを用いた分析物測定のための方法および装置
JP2013519076A (ja) * 2010-02-05 2013-05-23 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング ２種以上のガス種の検出法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170137641A (ko) 2017-12-13
US20170350853A1 (en) 2017-12-07
US10156542B2 (en) 2018-12-18
US20170350852A1 (en) 2017-12-07
KR20170137642A (ko) 2017-12-13
KR101954250B1 (ko) 2019-03-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101960963B1 (ko) 수평형 플로팅 게이트를 갖는 fet형 센서의 펄스 구동 방법
US8453494B2 (en) Gas detector that utilizes an electric field to assist in the collection and removal of gas molecules
Jung et al. A low-power embedded poly-Si micro-heater for gas sensor platform based on a FET transducer and its application for NO2 sensing
US7182914B2 (en) Structure and manufacturing process of a nano device transistor for a biosensor
TW201225304A (en) Chemically sensitive sensor with lightly doped drains
WO2008099863A1 (ja) 半導体，半導体装置及び相補型トランジスタ回路装置
JP2008215974A (ja) 電界効果トランジスタ型イオンセンサ
TW200707737A (en) Field effect transistor, biosensor provided with it, and detecting method
US20110138882A1 (en) Semiconductor gas sensor having low power consumption
JP2006138846A (ja) 核酸検出センサ、核酸検出チップ及び核酸検出装置
US20110108892A1 (en) Detector of biological or chemical material and corresponding array of detectors
WO2008147497A3 (en) Ultra-thin organic tft chemical sensor, making thereof, and sensing method
JP4927785B2 (ja) 電界効果型センサ
US20200088664A1 (en) Gas sensing device and a method for sensing gas
Mukhopadhyay et al. Performance analysis of the diagonal tunneling-based dielectrically modulated tunnel FET for bio-sensing applications
Singh et al. Dielectric-modulated bulk-planar junctionless field-effect transistor for biosensing applications
CN103426930B (zh) 用于信号放大的具有双栅极生物场效应晶体管的系统和方法
CN100421262C (zh) 半导体元件
US10845348B2 (en) Gas sensor and gas sensing system
Kang et al. Improved pH sensitivity and reliability for extended gate field-effect transistor sensors using high-K sensing membranes
KR101997367B1 (ko) 전도성 필라멘트 기반 가스 센서 및 이를 이용한 가스 센싱방법
CN103424457A (zh) 生物传感器及其dna测序方法
KR20100072610A (ko) 반도체 장치 및 그 제조 방법
US20080258179A1 (en) Hybrid molecular electronic device for switching, memory, and sensor applications, and method of fabricating same
KR20140106335A (ko) 수평형 플로팅 게이트를 갖는 3차원 핀펫형 가스 감지소자

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right