KR102234452B1 - 전계 효과 트랜지스터, 그리고 복수의 전계 효과 트랜지스터들을 포함하는 가스 검출기 - Google Patents
전계 효과 트랜지스터, 그리고 복수의 전계 효과 트랜지스터들을 포함하는 가스 검출기 Download PDFInfo
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Abstract
전계 효과 트랜지스터가 제공되며, 이러한 전계 효과 트랜지스터는 소스를 포함하고, 여기서 소스는 복수의 전극 돌출부들을 포함하고, 소스의 전극 돌출부들 사이에는 공간들이 있다. 드레인이 복수의 전극 돌출부들을 포함하고, 드레인의 전극 돌출부들 각각은 소스의 전극 돌출부들 사이의 공간들 중 하나의 공간에 위치하여 드레인 및 소스 돌출부들이 번갈아 배치되는 드레인-소스 전극 연결 영역이 형성되도록 한다. 게이트가 드레인-소스 전극 영역으로부터 이격되어 드레인-소스 전극 연결 영역과 게이트 사이에 채널이 형성되도록 하고, 게이트는 채널과 평행하게 진행한다. 복수의 나노 구조들이 드레인-소스 전극 연결 영역 내의 드레인 및 소스의 전극 돌출부들 간의 전기적 연결을 형성하도록 드레인-소스 전극 영역 내에 위치한다. 본원 발명은 기판 상에 위치하는 복수의 앞서 설명된 바와 같은 전계 효과 트랜지스터들을 포함하는 가스 검출기로 확장된다.
Description
본 특허 출원은 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET), 그리고 복수의 전계 효과 트랜지스터들을 포함하는 가스 검출기에 관한 것이다.
전계 효과 트랜지스터들(FET)은 잘 알려져 있고 세 개의 단자(terminal)들을 포함하며, 여기서 세 개의 단자들은 소스(source), 드레인(drain) 및 게이트(gate)이다. 다양한 구조들 및 제조 방법들을 갖는 상이한 타입의 FET들이 존재할 수 있다.
가스 센서(gas sensor)들에 있어서, 반도체 물질들에 기반을 둔 종래의 가스 센서 디바이스들은 가스들의 존재 혹은 부존재시 이러한 반도체 물질의 임피던스(impedance)를 측정하기 위해 두 개의 단자들을 이용한다.
감도(sensitivity) 및 가스-특정성(gas-specificity)을 증진시키기 위해, 이러한 디바이스들은 적절하게 높은 온도로 가열돼야만 한다.
그러나, 가열(heating)은 작은 마이크로-칩(micro-chip)들 내에서의 대-규모 집적화(large-scale integration)를 제한할 뿐만 아니라 중요한 비용 요인이 되는데, 이것은 동작을 방해하고 배터리 수명을 크게 요구한다.
본원 발명은 향상된 FET 구조를 제공하려는 것이며, 아울러 향상된 가스 검출기에서 이러한 향상된 FET를 적용하려는 것이다.
본원 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 전계 효과 트랜지스터가 제공되며, 이러한 전계 효과 트랜지스터는,
복수의 전극 돌출부(electrode projection)들을 포함하는 소스와(여기서, 소스의 전극 돌출부들 사이에는 공간(space)들이 있음);
복수의 전극 돌출부들을 포함하는 드레인과(여기서, 드레인의 전극 돌출부들 각각은 소스의 전극 돌출부들 사이의 공간들 중 하나의 공간에 위치하여 드레인 및 소스 돌출부들이 번갈아 배치되는 드레인-소스 전극 연결 영역(drain-source electrode connection area)이 형성되도록 함);
게이트와(여기서, 게이트는 드레인-소스 전극 영역으로부터 이격되어 드레인-소스 전극 연결 영역과 게이트 사이에 채널(channel)이 형성되도록 하고, 게이트는 채널과 평행하게 진행함); 그리고
복수의 나노-구조(nano-structure)들을 포함하며, 여기서 복수의 나노-구조들은 드레인-소스 전극 연결 영역 내의 드레인 및 소스의 전극 돌출부들 간의 전기적 연결을 형성하도록 드레인-소스 전극 영역 내에 위치한다.
드레인, 소스 및 게이트는 바람직하게는 동일한 평면(plane) 내에 있다.
드레인의 전극 돌출부들은 길게 연장(elongate)된 형상을 가질 수 있으며 드레인의 전극 돌출부들의 말단(end)들 중 하나의 말단에서 혹은 하나의 말단 가까이에서 연결될 수 있다.
소스의 전극 돌출부들은 길게 연장된 형상을 가질 수 있으며 소스의 전극 돌출부들의 말단들 중 하나의 말단에서 혹은 하나의 말단 가까이에서 연결될 수 있다.
드레인-소스 전극 영역 내에 위치하는 복수의 나노 구조들은 드레인-소스 전극 영역 상에 무작위로(randomly) 배치된다.
드레인-소스 전극 연결 영역은 대략 90 마이크론(micron) × 90 마이크론이다.
본원 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 기판 상에 위치하는 복수의 전계 효과 트랜지스터들을 포함하는 가스 검출기가 제공되며, 여기서 전계 효과 트랜지스터들 각각은,
복수의 전극 돌출부들을 포함하는 소스와(여기서, 소스의 전극 돌출부들 사이에는 공간들이 있음);
복수의 전극 돌출부들을 포함하는 드레인과(여기서, 드레인의 전극 돌출부들 각각은 소스의 전극 돌출부들 사이의 공간들 중 하나의 공간에 위치하여 드레인 및 소스 돌출부들이 번갈아 배치되는 드레인-소스 전극 연결 영역이 형성되도록 함);
게이트와(여기서, 게이트는 드레인-소스 전극 영역으로부터 이격되어 드레인-소스 전극 연결 영역과 게이트 사이에 채널이 형성되도록 하고, 게이트는 채널과 평행하게 진행함); 그리고
복수의 나노-구조들을 포함하며, 여기서 복수의 나노-구조들은 드레인-소스 전극 연결 영역 내의 드레인 및 소스의 전극 돌출부들 간의 전기적 연결을 형성하도록 드레인-소스 전극 영역 내에 위치한다.
이러한 가스 검출기는 기판 상에 위치하는 8개의 전계 효과 트랜지스터들을 포함할 수 있다.
이러한 가스 검출기는, 전계 효과 트랜지스터들 각각으로부터 신호들을 수신하는 것과, 그리고 하나 이상의 가스들의 존재를 결정하기 위해 이러한 신호들을 처리하는 것을 수행하기 위한 프로세서를 포함할 수 있다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 전계 효과 트랜지스터(FET)의 도식적 도면을 보여준다.
도 2는 도 1의 FET를 더 상세히 나타낸 도식적 도면을 보여주며, 특히 소스, 드레인 및 게이트 영역들을 더 상세히 보여주고 있다.
도 3에서 (a)는 드레인-소스 전압(VDS)이 일정할 때 앞서 예시된 FET의 소스 대 드레인 전류(Ids)에 대한 게이트 전압(Vg)의 영향을 나타낸 메커니즘들의 4개의 주요 시나리오들을 보여주며, (b)는 드레인-소스 극성들에 대해 게이트 단자를 양으로 혹은 음으로 연결시킨 네 가지 주된 방식들(A, B, C 및 D)을 도식적으로 나타내고 있으며, 여기서 예시되고 있는 것은 이러한 새로운 종류의 트랜지스터에 있어서 두 개의 구성들은 부드러운 출력 특성들에 이르게 된다는 것, 그리고 다른 두 개의 구성들은 무작위적이고 무질서한 출력 특성들에 이르게 된다는 것이다.
도 4는 VO2의 나노-리본(nano-ribbon)들이 어떻게 깍지낀 형상의 드레인 소스 영역에 걸쳐 퍼져 있는 지를 예시한 도면을 보여준다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 도 1 및 도 2에서 보여진 복수의 FET들을 사용하는 가스 검출기의 도식적 도면을 보여준다.
도 6은 도 5에서 보여진 가스 검출기의 FET들 중 하나의 FET의 또 하나의 다른 도식적 도면을 보여준다.
도 7은 정상적인 상태에서 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본(core-shell nano-ribbon)들에 대한 순방향 전류-전압 특성들을 보여주며, 아울러 습한 공기(humid air)에 노출된 이후도 보여주고 있으며(습한 공기에 노출시 컨덕턴스(conductance)가 감소하는 것을 보여줌), 아울러 게이트 전압이 드레인(출력 전류)에 미치는 영향을 보여준다.
도 8은 정상적인 공기에서 시간에 따라 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들에 걸쳐 나타나는 저항을 보여주며, 아울러 이러한 코어-쉘 나노-리본들이 습한 공기에 노출된 경우도 보여주고 있으며, 응답 시간들은 전형적으로 5초(seconds)이고, 반면 복원 시간들은 대략 수 분(minutes)이다.
도 9는 정상적인 상태에서의 MWCNT 파이버(fibre)에 대한 순방향 전류-전압(Id 대 Vds) 특성들을 보여주며, 아울러 습한 공기에 노출된 이후도 보여주고 있다.
도 10은 CNT 칩이 정상적인 공기 안에 있을 때 및 습한 공기의 영향 하에 있을 때 게이트 전압에 대해 그려진 드레인 전류를 보여준다.
도 11은 다중벽 탄소 나노-튜브(MultiWall Carbon Nano-Tube)가 습한 공기에 노출됨에 따라 다중벽 탄소 나노-튜브에 걸쳐 나타나는 저항을 시간에 따라 보여준다.
도 12는 혈당 레벨들과 상관되어 있는 당뇨병 환자 호흡에서의 아세톤 검출시 본원 발명의 예시적 적용을 보여준다.
도 13은 가스 검출기가 주위 온도에서 최대 8개의 서로 다른 가스들의 검출을 위해 어떻게 유선으로 연결될 수 있는 지를 예시하는 블록도이다.
도 14는 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들에 대한 순방향 전류-전압 특성들을 보여준다.
도 15는 MWCNT 파이버에 대한 순방향 전류-전압(ID 대 VDS) 특성들을 보여준다.
도 16은 칩 상의 전형적인 VO2/V2O5 FET 센서의 상이한 레벨의 습도에 대한 응답을 게이트 전압에 대비하여 보여준다.
도 17은 모든 트랜지스터들의 패밀리 트리(family tree)를 보여주고 있으며, 이러한 패밀리에서 본원 발명이 위치하는 곳이 강조(highlight)되어 있다.
도 2는 도 1의 FET를 더 상세히 나타낸 도식적 도면을 보여주며, 특히 소스, 드레인 및 게이트 영역들을 더 상세히 보여주고 있다.
도 3에서 (a)는 드레인-소스 전압(VDS)이 일정할 때 앞서 예시된 FET의 소스 대 드레인 전류(Ids)에 대한 게이트 전압(Vg)의 영향을 나타낸 메커니즘들의 4개의 주요 시나리오들을 보여주며, (b)는 드레인-소스 극성들에 대해 게이트 단자를 양으로 혹은 음으로 연결시킨 네 가지 주된 방식들(A, B, C 및 D)을 도식적으로 나타내고 있으며, 여기서 예시되고 있는 것은 이러한 새로운 종류의 트랜지스터에 있어서 두 개의 구성들은 부드러운 출력 특성들에 이르게 된다는 것, 그리고 다른 두 개의 구성들은 무작위적이고 무질서한 출력 특성들에 이르게 된다는 것이다.
도 4는 VO2의 나노-리본(nano-ribbon)들이 어떻게 깍지낀 형상의 드레인 소스 영역에 걸쳐 퍼져 있는 지를 예시한 도면을 보여준다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 도 1 및 도 2에서 보여진 복수의 FET들을 사용하는 가스 검출기의 도식적 도면을 보여준다.
도 6은 도 5에서 보여진 가스 검출기의 FET들 중 하나의 FET의 또 하나의 다른 도식적 도면을 보여준다.
도 7은 정상적인 상태에서 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본(core-shell nano-ribbon)들에 대한 순방향 전류-전압 특성들을 보여주며, 아울러 습한 공기(humid air)에 노출된 이후도 보여주고 있으며(습한 공기에 노출시 컨덕턴스(conductance)가 감소하는 것을 보여줌), 아울러 게이트 전압이 드레인(출력 전류)에 미치는 영향을 보여준다.
도 8은 정상적인 공기에서 시간에 따라 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들에 걸쳐 나타나는 저항을 보여주며, 아울러 이러한 코어-쉘 나노-리본들이 습한 공기에 노출된 경우도 보여주고 있으며, 응답 시간들은 전형적으로 5초(seconds)이고, 반면 복원 시간들은 대략 수 분(minutes)이다.
도 9는 정상적인 상태에서의 MWCNT 파이버(fibre)에 대한 순방향 전류-전압(Id 대 Vds) 특성들을 보여주며, 아울러 습한 공기에 노출된 이후도 보여주고 있다.
도 10은 CNT 칩이 정상적인 공기 안에 있을 때 및 습한 공기의 영향 하에 있을 때 게이트 전압에 대해 그려진 드레인 전류를 보여준다.
도 11은 다중벽 탄소 나노-튜브(MultiWall Carbon Nano-Tube)가 습한 공기에 노출됨에 따라 다중벽 탄소 나노-튜브에 걸쳐 나타나는 저항을 시간에 따라 보여준다.
도 12는 혈당 레벨들과 상관되어 있는 당뇨병 환자 호흡에서의 아세톤 검출시 본원 발명의 예시적 적용을 보여준다.
도 13은 가스 검출기가 주위 온도에서 최대 8개의 서로 다른 가스들의 검출을 위해 어떻게 유선으로 연결될 수 있는 지를 예시하는 블록도이다.
도 14는 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들에 대한 순방향 전류-전압 특성들을 보여준다.
도 15는 MWCNT 파이버에 대한 순방향 전류-전압(ID 대 VDS) 특성들을 보여준다.
도 16은 칩 상의 전형적인 VO2/V2O5 FET 센서의 상이한 레벨의 습도에 대한 응답을 게이트 전압에 대비하여 보여준다.
도 17은 모든 트랜지스터들의 패밀리 트리(family tree)를 보여주고 있으며, 이러한 패밀리에서 본원 발명이 위치하는 곳이 강조(highlight)되어 있다.
아래의 설명에서는, 본 개시내용의 실시예의 충분한 이해를 제공하기 위해 설명 목적으로 다수의 특정 세부사항들이 제시된다. 그러나, 본 개시내용이 이러한 특정 세부사항들 없이도 실시될 수 있음은 본원 발명의 기술분야에서 숙련된 자에게 명백할 것이다.
첨부되는 도면들을 참조하면, 예시적 전계 효과 트랜지스터(FET)(10)가 제시되어 있다.
FET(10)는 드레인(12), 소스(14), 및 게이트(16)를 포함하고, 이들 모두는 베이스(base)(18) 상에 위치하고 있다.
드레인(12)과 소스(14)를 연결하는 것은 복수의 나노 구조들(20)이며, 이러한 나노 구조들(20)은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 2를 참조하면, 예시된 바와 같이, 소스(14)는 복수의 전극 돌출부들(24)을 포함하고, 소스(14)의 전극 돌출부들(24) 사이에는 공간들이 있다.
소스(14)의 전극 돌출부들은 길게 연장된 형상을 가질 수 있으며, 소스(14)의 전극 돌출부들의 말단들 중 하나의 말단에서 혹은 하나의 말단 가까이에서 연결될 수 있다.
드레인(12)은 또한, 복수의 전극 돌출부들(22)을 포함하며, 드레인(12)의 전극 돌출부들(22) 각각은 소스의 전극 돌출부들 사이의 공간들 중 하나의 공간에 위치하여 드레인 및 소스 돌출부들이 번갈아 배치되는 드레인-소스 전극 연결 영역(26)이 형성되도록 한다.
드레인(12)의 전극 돌출부들은 길게 연장된 형상을 가질 수 있으며, 드레인(12)의 전극 돌출부들의 말단들 중 하나의 말단에서 혹은 하나의 말단 가까이에서 연결될 수 있다.
이것은 양쪽 손을 깍지껴 움켜잡을 때의 손가락처럼 서로 맞물려 있는 깍지낀 형상의 전극 돌출부들(24 및 26)을 포함하는 드레인-소스 전극 연결 영역(26)을 형성한다.
게이트(16)는 드레인-소스 전극 영역(26)으로부터 이격되어 드레인-소스 전극 연결 영역(26)과 게이트 사이에 채널(28)이 형성되도록 하고, 이에 따라 게이트(16)는 채널(28)과 평행하게 진행하게 된다.
게이트(16)는 드레인(12) 및 소스(14)와 동일한 표면의 평면에 있지만 드레인(12) 혹은 소스(14)와 접촉하지 않음이 이해될 것이다.
드레인(12), 소스(14), 및 게이트(16)가 동일한 평면에 있음이 이해될 것이다.
복수의 나노-구조들(20)은 드레인-소스 전극 연결 영역 내의 드레인 및 소스의 전극 돌출부들 간의 전기적 연결을 형성하도록 드레인-소스 전극 영역(26) 내에 위치한다. 이러한 것들이 도 1에서 도식적으로 나타나 있으며, 이것은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
기본적 실시예에서, FET(10)는 다음과 같이 제조된다.
먼저 베이스(18)가 알루미나 정방형 기판들(alumina square substrates)로부터 형성된다. 그 다음에, 이들은 d.c. 스퍼터링(sputtering)에 의해 금속 필름(metal film)으로 바람직하게는 골드(gold)로 코팅(coating)된다.
골드 필름(gold film)은 다이아몬드 나이프(diamond knife)를 사용하여 T자-형상의 그루브(groove)를 갖도록 스크라이빙(scribing)되며, 여기서 다이아몬드 나이프의 팁(tip)은 전형적으로 30 내지 60 마이크로-미터(micro-meters)이다. 이러한 스크라이빙은 절연되기를 원하는 영역들에서 골드 필름이 완전히 파내어지는 것을 보장하도록 행해지며, 이에 따라 드레인, 소스 및 게이트가 되도록 지정된 필름의 해당 부분들만이 골드로 코팅된 채로 남게 되는 방식으로 이루어진다.
이러한 기법은 표준 클린 룸 시설(standard clean room facility)에서 동일한 작업을 달성할 때의 비용 및 복잡도와 비교하는 경우 간단하다는 것이 이해될 것이다.
일 차원적 나노-구조 물질(TiO2 나노-파이버들(nano-fibres), V2O5 나노-파이버들, SnO2 나노와이어들(nanowires) 및 ZnO 나노-로드들(nano-rods))의 세 가지 상이한 타입들의 온-칩 성장(on-chip growth)은 상이한 기법들, 예를 들어, (1) 전기-스피닝(electro-spinning), (2) 화학적 기상 증착(chemical vapor deposition) 및 (3) 수열 합성(hydrothermal synthesis)에 의해 달성될 수 있다. 이것은 나노 구조들(20)을 형성한다.
따라서, 깍지낀 형상의 전극들의 형태로 90 마이크론 × 90 마이크론의 영역 상에 프린트되는 골드 콘택(gold contact)들은 드레인 및 소스 단자를 형성한다. 제3의 전극이 드레인-소스 영역과 동일한 평면 내에 평행하게 배치된다. 단지 나노-물질들이 드레인-소스 영역 상에 배치되면, 디바이스는 트랜지스터가 되게 된다. 이러한 종류의 트랜지스터는 측면 게이트 깍지낀 드레인-소스 FET(Lateral Gate Interdigitated Drain-Source FET, LGIDSFET)로서 지칭될 수 있다. 도 2에서 하나의 예시가 제공된다. 이러한 트랜지스터 8개가 1 mm × 1 mm Si/SiO2 웨이퍼 상에서 하나의 어레이(array)로 정렬되며, 각각의 전극은 칩 캐리어(chip carrier)의 24 핀들 각각에서 와이어 본딩(wire bonding)되는바, 이것은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같다.
아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, FET(10)가 가스 검출기에서 사용되기 위해서, FET(10)는 나노 구조들(20)을 만들기 위한 두 가지 나노-물질들 중 어느 하나로 제조된다.
이러한 두 가지 나노-물질들은 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들 및 다중-벽 탄소 나노-튜브들이다.
이러한 것을 달성하기 위해, 이소프로판올 용액(isopropanol liquid) 내에 VO2/V2O5 나노-리본들 혹은 다중-벽 탄소 나노-튜브들의 서스펜션(suspension)이 형성된다.
일 예에서, 이소프로판올 내의 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들의 서스펜션은, 중량 5, 3, 1, 0.5, 0.2 mg의 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들을 준비하고 그 파우더(powder)를 100 mL의 이소프로판올 튜브로 전달함으로써 조제된다. 유사하게, 5, 3, 1, 0.5, 0.4, 0.2 mg의 탄소 나노-튜브들이 100 mL의 이소프로판올 용액으로 방출될 수 있다.
서스펜션은 나노-구조들이 용액 내에서 균일하게 흔들리고 퍼질 수 있도록 하기 위해 초음파 배스(ultrasonic bath) 내에 5분 동안 놓인다.
수 번의 테스트들 이후에, 발견된 것은 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들에 있어서 가장 최적의 농도는 1 mg/100 mL이였고, 반면 탄소 나노튜브들에 대해서는 0.4 mg/100 mL이었다.
서스펜션들이 조제되면, 마이크로-리터의 작은방울(micro-litre droplet)들이 점적기(dropper)를 사용하여 FET 상으로 드레인 소스 전극들을 포함하는 영역(26) 내에 전달된다.
나노구조들을 드롭 캐스팅(drop casting)한 이후에, 나노구조들이 제자리에 있는지 확인하기 위해 스캐닝 전자 현미경법(Scanning Electron Microscopy)이 수행된다. 도 4는 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들이 어떻게 드레인-소스 영역(26) 상에 퍼져 있는 지를 보여주는 SEM 이미지이다.
알 수 있는 바와 같이, 드레인 전극들과 소스 전극들 사이에서 깍지형 콘택들(interdigitated contacts) 상에 놓이는 나노-입자들은 이러한 나노-입자들 혹은 나노-와이어들에서의 드레인-소스 채널이 게이트 방향과 무작위 각도에서 배향되는 방식으로 무작위적으로 떨어진다. 이러한 구성은 이전에는 가능하지 않았던 드레인 및 소스에서의 전자 전류(electron current)와 게이트에서의 전계(electric field) 간의 상호작용의 훨씬 더 많은 자유도(degrees of freedom)를 제공한다.
종래의 트랜지스터들에서, 나노-구조는 대부분 게이트 단자에 수직으로 진행한다. 이러한 상황에서, 드레인 전류는 MOSFET에 대한 아래와 같은 쇼클리 방정식(Shockely's equation)에 의해 주어진다.
그리고 접합형 FET(Junction FET, JFET)에 대해서 아래와 같은 식을 갖는다.
여기서, W 및 L은 채널 직경 및 길이에 각각 대응하고, C는 단위 길이 당 게이트 유전체 커패시턴스이고, r = L/2은 채널의 반경이고, h는 유전체의 두께이고, 그리고 나머지 심볼들은 통상적 의미를 갖는다. 본원 발명에서 드레인-소스 영역 상에 나노-와이어들, 나노-로드들 및 나노튜브들과 같은 일-차원 나노-구조들을 배치함으로써, 쇼클리 방정식과는 다른 새로운 방정식이 결정돼야만 하는 방식으로 게이트 전극과 나노-구조들 간의 임의의 각도가 가능하게 된다. 본원 발명에 관한 제1의 경험적 결과들로부터 두 가지 가능성이 존재함이 명백하게 되는데, 즉, 첫 번째 가능성 (1)은 쇼클리의 제곱 법칙(square law)과는 다른 아래와 같은 세제곱 법칙(cubic law)이 바람직하다는 것이고,
여기서, 계수들 
, 
, 
, 
의 값 및 극성은 본원 발명의 마이크로-칩으로부터의 실험적 데이터에 대해 방정식 2를 적합하게 한 이후 특정 감지 나노-물질과 상호작용하는 특정 가스에 대해 결정돼야만 하며,
또는 두 번째 가능성 (2)는 역방향 바이어스(reverse bias)에 대한 것인데, ID 대 VGS가 쇼클리 방정식과는 반대로 나타나기 때문에, 지수함수형 감쇠 방정식(exponential decay equation)이 채택될 수 있다. 순방향 바이어스(forward bias)에서, ID 대 VGS는 다시 쇼클리 방정식과는 반대의 프로파일(profile)을 나타낸다. 이 경우 방정식 1의 네거티브(negative)형이 채택될 수 있다. 순방향 및 역방향 바이어스 방정식들을 모두 더하면 아래와 같은 식이 도출된다.
미분 
(또는 상호컨덕턴스(transconductance) gm)가 방정식 1 내지 방정식 3에 관해 수행될 때, (본원 발명과 관련된) 방정식 3만이, 세로 축(ordinate axis) 상에서 VGS로 제시될 때 VGS의 특성 값에서 험프(hump)를 보여주는 미분을 생성함에 유의해야 한다. 이러한 트랜지스터의 게이트 전압 의존성 응답 
는 감지시 적용되는 경우 아래와 같은 방정식 3 및 방정식 4의 미분으로부터 획득될 수 있다.
이러한 종류의 트랜지스터 센서 상에서의 이러한 타입의 분석은, 트랜지스터 센서의 게이트 전압에 의해 원하는 자극에 대한 간단한 "튜닝(tuning)"을 행함으로써 하나의 가스 환경을 다른 가스 환경과 구분하는 능력에 있어 도움을 줄 하나의 고유한 특성인바, 이는 다음 섹션들에서 제시되는 바와 같다.
게이트에서의 전계가 드레인-소스 영역에 배치되는 나노-구조들에서의 드레인-소스 전류에 미치는 흥미로운 영향이 또한 존재하는데, 이것은 도 3의 (a)에서 예시되는 바와 같이 게이트 전압이 임계 전압(VT)을 초과할 때 소스로부터 드레인으로의 전류가 다시 소스로 귀속하는 것이 가능하다는 것이다.
이것은 어떤 종류의 트랜지스터에서도 관측되지 않았던 것이다. 종래의 트랜지스터에서, 드레인-소스 전류는 단지 "핀치-오프(pinch-off)"하는 경향만이 있을 뿐 네거티브 방향(negative direction)으로 흐르지는 않는다. 이러한 새로운 성질은 건 효과(Gunn effect)와 관련될 수 있는데, 여기서 전류는 감소를 겪게 되고 따라서 전압에 따른 미분은 음의 컨덕턴스(negative conductance)가 된다. 본원 발명에서, 전류는 실제로 반대 반향으로 흐른다. 따라서, Vg < 0일 때, Ids는 상당량 커지는데 왜냐하면 음의 Vg는 Ids 흐름이 퍼지되도록 하기 때문이다(이것은 Vg = 0인 경우가 아님). Vg > 0일 때, 전류는 Vg가 Vpinch -off에 도달할 때(이 경우 Ids는 멈춤)까지 계속 강하(drop)한다. 제로 전류(zero current)를 일으키는 게이트 전압은 때때로 임계 전압 혹은 VT로서 지칭된다. Vg가 VT보다 더 커질 때, 트랜지스터는 Ids에서의 역전(reversal)을 나타낸다.
이러한 새로운 트랜지스터의 또 하나의 다른 새로운 특징은, 그 기하학적 구조로 인한 것으로, 드레인-소스 전류의 극성에 대해 게이트를 양으로서 혹은 음으로서 연결시키는 네 가지 주된 방식들이다. 드레인-소스의 극성은 LGIDSFET의 출력 특성에 영향을 미친다. 도 3의 (b)에서는, G가 + 혹은 -일 때 D와 S의 극성들이 바뀐 경우의 도면이 제시되며, 출력 특성들은 부드럽거나 혹은 무작위적이다. 소스의 극성이 게이트의 극성과 동일한 경우 부드럽고 극성이 반대인 경우 무작위적이다.
앞에서 설명된 FET(10)는 도 5 및 도 6에서 예시되는 바와 같은 가스 검출기(30)를 생성하기 위해 사용된다.
예시된 실시예에서, 복수의 FET들(10)이 가스 검출기를 형성하기 위해 사용된다. 기본적 실시예는 여덟 개의 FET들(10)을 포함하지만 이러한 개수는 요구되는 응용에 따라 달라질 수 있음이 이해될 것이다.
여덟 개 FET 플랫폼(eight FET platform)은 다음과 같이 제조된다.
1000 um × 1000 um Si/SiO2 기판(32) 상에, 여덟 개의 FET 컴포넌트들(FET components)(10)이 배치되며, 여덟 개의 FET 컴포넌트들 각각은 세 개의 골드 단자(gold terminal)들을 갖는데, 이들 단자들은 s1;d1;g1, s2;d2;g2 등으로서 제시되어 있다. 기판 둘레 전체에 걸쳐 25 um의 공간이 남겨져 있다.
각각의 컴포넌트의 크기는 250 um × 25 um이고, 이들 사이에는 100 um의 간격이 있다.
세 개의 골드 단자들 각각의 크기는 70 um × 70 um이다. 이들 단자들 간의 간격은 20 um로 주어진다. 세 개의 골드 단자들 중 두 개는 30 um의 길이가 긴 골드 스트립(gold strip)들을 통해 '핑거(finger)' 깍지형 특징부들에 연결된다. 이러한 스트립들의 폭은 1 um이다.
세 번째 골드 단자는 깎지형 핑거 특징부들로부터 1 um 떨어져 배치된 크기 100 um × 3 um의 골드 플레이트(gold plate)에 70 um의 굴곡부(bend)를 통해 이어진다.
핑거 특징부들의 메인 하이-웨이(main high-way)들은 90 um 떨어져 있다. 깍지형 핑거들의 폭은 1 um이고, 하나의 하이-웨이에 연결된 하나의 핑거는 반대쪽 하이웨이에 대해 1 um 공간을 남겨놓으며, 이웃하는 핑거들 사이의 공간은 1 um이고, 다른 핑거들도 동일하다. 개개의 핑거들 사이의 피치(pitch)가 1 um이고 깍지형 영역의 크기가 그 길이에 있어 100 um이기 때문에 대략 100개의 개별부분들이 존재한다(두 개의 하이웨이들 각각으로부터 50개의 핑거들).
초기 감지 테스트는 VO2/V2O5 나노-리본들 혹은 탄소 나노튜브들이 배치된 이후 드레인-소스 영역의 전류-전압(I-V) 특성들을 점검하는 것이다.
각각의 FET 플랫폼에서 상이한 나노-구조들(특히, 특별한 특정 가스를 감지하는데 적합한 그러한 나노-구조들)을 배치하는 것이 가능함에 유의해야 한다.
그러나, 나노-스케일 센서들(nano-scale sensors)에서의 공통적인 문제는 나노-스케일 센서들이 감도는 높지만 선택도는 낮다는 것이고, 이에 따라 하나의 대안적 방법은 마이크로-칩 상의 모든 위치에 동일한 종류의 나노-구조들을 배치하는 것이다. 특정 가스에 대한 각각의 FET의 선택도는 각각의 FET에서의 게이트 전압 바이어스를 변경시킴으로써 달성될 수 있다. 이것은 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
임의의 이벤트(event)에서, 이러한 테스트는 1 um 크기의 칩 특징부가 나노-구조들에 대한 전기적 연결들을 확립했음을 확인하기 위해 수행된다.
콘택들이 확고하게 됨을 확립한 이후, 드레인-소스 상의 순간 저항/컨덕턴스(transient resistance/conductance)가 결정되고 챠트 리코더 소프트웨어(chart recorder software)를 통해 기록된다.
순간 저항/컨덕턴스 그래프들, 다시 말해, 저항/컨덕턴스 대 시간 그래프들은 응답(Sres), 회복(Srec), 응답 시간(
), 회복 시간(
)을 결정하기 위해 사용되며, 이들은 아래의 단락들에서 각각 정의된다.
어떤 물질들이 특정 가스의 센서들로서 이용될 것인지를 결정할 때, 유효한 척도(valid yardstick)에 근거하여 해당 물질들의 범위를 평가하는 것이 중요하다. 아래의 성능 지수들(figures of merit)은 센서들을 평가하기 위해 광범위하게 사용된다. 이들은 아래의 부록 A에서 인용된 참조문헌들 [1] 내지 [10]의 목록에서 더 포괄적으로 설명된다.
(a) 응답(Sres), 이것은 가스의 존재 혹은 부존재시 물질의 저항에서의 상대적 변화다. 이러한 응답에 대해 살펴보기 위해서는, 예를 들어, 기술적으로 두 개의 중요한 정의들이 존재하는데, 이것은 
혹은 간단히 
이며, 여기서 Rin은 분석 가스(analyte gas)가 존재할 때 센서 물질의 저항이고, Rout은 이러한 가스의 부존재시의 저항이다. 온도의 함수로서의 응답은 본원 발명의 발명자에 의해 이미 도출되었는바, 그 형태는,
여기서, Ea 및 E0in은 각각 분석 가스의 부존재 및 존재시의 센서 물질의 활성화 에너지들(activation energies)이며, kB는 볼츠만 상수(Boltzmann constant)이다. 이러한 방정식은 Ea > E0in(Ea < E0in)일 때, 즉, 분석-센서 상호작용이 산화성(oxidative)(환원성(reductive))인 경우, 온도가 증가됨에 따라 응답이 증가(감소)함을 시사한다.
(b) 회복(Srec), 이것은 센서가 분해 가스에 완전히 노출된 때 및 자극이 완전히 제거된 때로부터의 저항에서의 상대적 변화이다.
(c) 선택도(selectivity), 이것은 존재하는 다른 가스 타입들에는 반응하지 않고 특정 가스에 반응하는 물질의 능력이다.
(d) 응답 시간(
), 이것은 저항이 본래 저항의 90%까지 혹은 열 배 정도로 변하기까지(
) 걸리는 시간(tres)이다.
(e) 회복 시간(
), 이것은 저항이 감지 이후 본래 저항에 대해 열 배정도 혹은 본래 저항의 90%로 되돌아가는데 걸리는 시간이다.
센서들의 성능을 결정하는데 중요한 다른 파라미터들은 다음과 같다.
(f) 작동 온도(working temperature)(Topt), 이것은 가장 최적의 응답을 얻기 위해 센서 물질의 가열시 센서 물질이 도달해야만 하는 온도이다.
(g) 주변환경의 상대 습도(relative humidity)(H).
(h) 대기압(atmospheric pressure)(patm).
기본적으로 발견된 것은 VO2/V2O5 시스템에 대해, 응답 시간은 전형적으로 대략 5초이지만 회복 시간은 훨씬 더 길다는 것인데, 이것은 나노-구조들에 있어서 전형적인 것이다. 이러한 단점은 게이트에 펄스(pulse)를 도입함으로써 처리될 수 있고, 센서는 다시 리프레쉬(refresh)된다.
그러나, 다중벽 탄소 나노-튜브의 저항-시간 프로파일은 더 빠른 응답을 갖는다는 것이 발견되었고, 이 경우 응답 시간은 3초보다 낮고, 훨씬 더 빠른 7초에서의 회복을 갖는다. 따라서, 게이트 리프레쉬 혹은 UV 광 활성화가 필요 없다.
응답 시간들 및 회복 시간들이 게이트 전압(VGS)에 의해 영향을 받는다는 것이 또한 강조돼야 한다. 이것은 도 14의 (f)에서 예시되어 있으며, 여기서는 VGS = 0일 때 회복 시간이 20분이지만 바이어스 전압이 -5V가 될 때 회복 시간은 훨씬 더 짧아짐(대략 1분)이 관측될 수 있다.
앞서의 정의 (c)에서와 같은 선택도에 있어서 어떤 선택도를 추구할 것인지를 위해서, 다양한 가스들에 대한 노출 이전에 그리고 노출 이후에, 게이트 전압들은 변화되고 대응하는 드레인-소스들이 취해진다. 본원 발명의 기본예의 경우, 게이트 전압이 음의 전압으로부터 양의 전압으로 진행함에 따라 드레인 전류가 감소한다는 것이 발견되었다. 이것은 게이트 전압이 증가함에 따라 드레인 전류가 증가하는 보통의 후면-게이트 트랜지스터(normal back-gate transistor)들과는 다른 것이다. 양의 게이트 전압에서, 드레인 전류는 "핀치-오프" 상태로 급격히 강하한다. 각각의 가스 환경은 고유한 핀치-오프 전압 혹은 임계 전압(VT)을 제공한다. 이러한 성질은 해당 칩 상의 여덟 개의 센서들 각각을 특정 가스에 대해 조정(calibrating)할 때 도움을 준다(도 11).
칩이 정상적인 공기 내에 있을 때 및 습한 공기의 영향 하에 있을 때 게이트 전압에 대한 드레인 전류의 그래프는 제로의 드레인 전류로의 하향적 경향을 보여주는바, 여기서 임계 전압 값(VT)은 센서를 둘러싸는 환경에 따라 달라진다. 이러한 경향은 각각의 가스 환경이 자신의 고유한 VT를 가짐을 보여준다.
가장 높은 응답을 갖는 물질들이 이상적이지만, 만약 이러한 높은 응답이 극도로 낮거나 높은 온도에서만 단지 달성된다면(이러한 경우 해당 센서 디바이스를 동작시킴에 있어 에너지 비용은 비싸질 것임), 아무 소용이 없는 일일 것이다. 좋은 센서는 상대적으로 높은 습도 상태에서도 실내 온도(room temperature)에서 높은 응답을 가져야만 한다. 이러한 특성들은 긴 배터리 수명에 대한 요구가 증가하고 있기 때문에 필요한 것이다. 만약 센서가 실내 온도보다 높게 가열돼야만 하거나 실내 온도보다 낮게 냉각돼야 한다면, 배터리 전력에 대한 요구가 엄청나게 커지게 되고, 센서는 충분히 긴 시간 동안 동작할 수 없다. 실내 온도에서의 동작은 이러한 과다 가열 혹은 냉각을 피한다. 추가적으로, 좋은 센서는 분석 가스에 대해 매우 짧은 응답 시간을 가져야만 하고, 뿐만 아니라 분석 가스가 제거될 때 빠른 회복을 가져야만 한다. 응답 시간 및 회복 시간은 또한 온도에 의존한다. 이러한 모든 좋은 품질들을 단일 물질로부터 얻는 것은 어렵다.
본원 발명에 따르면, 임의의 단일 감지 물질의 좋은 품질들을 모두 획득하는 것에 더 근접하게 된다.
본원 발명의 발명자 및 공동 연구자들은 앞서의 성질들에 관한 수 가지 감지 물질들을 평가하는 방법을 발표했다. 이러한 방법은 어떤 수학적 공식들을 사용하는데, 이러한 수학적 공식들은 센서 응답(Sres), 센서 회복(Srec), 응답 및 회복 시간들(
, 
), 온도(T), 대기압(p), 습도(H)를 통합한 것이다. 임의의 감지 물질이 얼마나 효율적일 수 있는지에 관한 방정식이 아래와 같이 주어질 수 있다.
이러한 최근의 발표에서, 물질들은 파우더(powder)들로서 콘택(contact)된다. 콘택들의 모드(mode)들이 그 고려되는 모든 물질들에 대해 동일하지 않다는 점에서 이러한 방법은 매우 비정제적(crude)이다.
본원 발명을 예시하기 위해, 테이블 1에는 비정제적 방법에 의해 획득된 모든 파라미터들이 제공되며(여기서, CoP는 성능의 계수를 나타내고, 이것은 감지 효율과는 다른 것임), 이것은 본원 발명의 마이크로칩 상에서 지금까지 테스트된 동일한 두 개의 물질들(VO2 및 탄소 나노튜브들)에 대한 성질들과 비교된다. 이것이 의미하는 것은 신규한 본원 발명을 이용함으로써 성능 향상이 크게 이루어지고 있다는 것이다.
예를 들어, VO2 나노-로드들은 본원 발명의 마이크로-칩 상에 배치될 때 (
= 36.5로부터 
= 47.5로의) 11% 효율 향상으로 동작하고, 반면 탄소 나노튜브들은 
= 8.5로부터 
= 42.2로 향상되는바, 이것은 34% 효율 향상이다. 이것이 의미하는 바는 실제로 임의의 감지 물질이 현재 이러한 본원 발명과 함께 실내 온도에서 감지를 행할 수 있다는 것이다.
본원 발명은 더 좋은 성능을 보여줄 뿐만 아니라 지금까지 기술적으로 존재하는 것과 비교해 가장 빠른 감지 및 가장 빠른 회복을 보여준다.
효율 향상과 더불어 선택도가 향상되는 추가 특징을 또한 얻게 된다. 이것은 해당 디바이스를 다른 가스들은 "셧 오프(shut off)"시킴과 아울러 단지 특정 가스들에 대해서만 선택도가 존재하도록 튜닝하기 위해서 전압 극성 및 크기가 모두 사용될 수 있는 게이트를 구비함으로써 설계시 포함되게 된다.
디바이스 상에 나노-물질들을 배치하는 것이 쉽다는 점은 본원 발명의 또 하나의 다른 중요한 장점이다.
본원 발명의 기본예에서, 검출기는 전형적으로 광산(mines)에서 방출되는 다음과 같은 가스들, 즉, 메탄(methane)(CH4), 라돈(radon)(Rn), 및 산업-관련 오염물, 예컨대, 암모니아(ammonia)(NH3), 질소 산화물들(nitrogen oxides)(NOx), 일산화탄소(carbon monoxide)(CO) 및 실란(silane)(SiH4)과 같은 가스들을 검출 및 정량화하기 위해 사용되며, 이는 도 8의 (e)에서 제시되는 바와 같고, 여기서 VO2/V2O5 FET 센서들은 다른 가스들보다 NH3에 대해 더 큰 선택도를 갖는 것을 보여주고 있다.
본원 발명의 혁신적인 실시형태는 게이트 전압을 FET 센서의 "튜닝" 변수로서 사용할 수 있는 능력이다. 방정식 3 및 방정식 4에 따르면, 드레인-소스 전류는 종래의 FET들에서와 같이 게이트 전압에 의해 크게 영향을 받지만, 본원 발명에서는 게이트 전압이 특성 임계 전압(VT)을 초과하는 경우 드레인 전류는 방향에서의 역전(음의 컨덕턴스/저항)을 겪게 된다. 이러한 동작은 FET들에서 신규한 것이며, 이것은 깍지형 드레인 소스 영역 및 게이트의 기하학적 구조로 인한 것이다. 추가 특징은 응답 대 게이트 전압의 그래픽에서 험프를 보여주는 능력이다. 이러한 험프는 FET 센서 상의 각각의 물질에 대한(뿐만 아니라 각각의 자극에 대한) 특성 게이트 전압에서 나타난다. 이것은 후면게이트 FET들 [2, 3]으로 이전에 시도되었고, 이경우 최종적으로 연구결과는 종래의 후면게이트 트랜지스터가 자극 가스(stimulating gas)의 농도에 상관없이 동일한 임계 게이트 전압(critical gate voltage)을 보여줄 수 있음을 보여주는데 실패했다.
그러나, 본원 발명에서는, 아세톤의 농도 혹은 습도의 레벨에 상관없이, VO2/V2O5 및 CNT FET 센서 모두가 특정 가스에 대해 반복적으로 동일한 임계 게이트 전압을 보여준다. 이러한 험프들은 앞서의 방정식 6과 일치한다. 이것은 나노-물질들의 선택도가 가장 약한 링크(weakest link)였던 전세계에 걸친 감지 산업에서 전환점이 될 것이다.
도 16의 (a)에서는 게이트 전압에 대해서 본원 발명의 칩 상의 전형적인 VO2/V2O5 FET 센서의 상이한 레벨의 습도에 대한 응답이 보여지며, (b)는 아래쪽에 있는 습도 선모양(humidity lineshape)들이 확대된 것을 보여준다. (a)와 (b) 모두에서는, 습도의 레벨에 상관없이 8V의 임계 게이트 전압에서 습도에 대해 특성 최적 응답이 존재하고, (c)에서는 게이트 전압에 대해서 여덟 개의 CNT FET 센서들 중 하나의 센서의 상이한 레벨의 습도에 대한 응답이 보여진다. 이러한 경우, CNT는 3V의 임계 전압에서 최적으로 습도에 응답한다. (d)에서는, 습도와 아세톤 증기 모두에 대한 여덟 개의 VO2/V2O5 FET 센서들 중 하나의 센서의 응답이 보여진다. 아세톤은 그 레벨에 상관없이 VGS = -5V에서 피크(peak)를 보여주고, 반면, 습도는 그 강도에 상관없이 VGS = 8V에서 피크를 보여준다.
검출기는 또한 다음과 같은 사용을 위해 구성될 수 있다.
나노-스케일에 있는 앞서 설명된 FET는 종래의 전자 냄새 검출기들에서 공통적으로 행해지는 바와 같은 센서들을 가열할 필요 없이 실내 온도에서의 가스 검출이 가능한 오염물 모니터링을 수행할 수 있음이 이해될 것이다.
도 12는 당뇨병 모니터링에 센서를 적용한 예를 보여준다. 환자의 혈액 내에서의 글루코스 농도(glucose concentrations)에 대한 본원 발명의 센서 응답이 그래프로 그려져 있다. 첫 번째 결과들에서 혈당과 센서 응답 간에는 선형의 상관관계가 시사되고 있음이 이해될 것이다.
이것은 환자가 종래의 혈당 모니터링 수단으로 하루에 두 번 이상 경험해야만 하는 손가락 찌르기의 아픈 시련이 본원 발명의 디바이스로 대체될 수 있음을 보여주는바, 본원 발명에서 환자는 간단히 자신의 호흡을 센서를 향해 내쉬면 되고 동일한 혈당 판독값이 획득된다.
각각의 센서에 대해 히터(heater)를 이용하는 종래의 가스 센서들을 갖는 이러한 종류의 센서들(즉, 종래의 히터-기반의 센서들)을 단일 웨이퍼 상에 통합시키는 것은 불가능한데, 왜냐하면 한 지점으로부터 열이 칩의 다른 부분들로 흐르기 때문이다.
종래의 가스 센서들에서, 감지 물질은 기판의 후면(back)에서의 프린트(print)된 Pt 혹은 CoPt 전극들을 통해 가열되며, 기판의 상부에는 감지 물질이 배치된다. 센서 디바이스의 후면에서의 히터가 필요한 이유는 각각의 특정 가스가 특정 최적 온도에서 센서 물질과 고유하게 그리고 최적으로 상호작용한다는 관측결과 때문이다. 프린트된 히터 상의 특징부들 간의 간격(gap)은 150 내지 180 ㎛일 수 있다. 유사하게, 감지 물질들을 이용하는 전극들 간의 특징부 크기는 일반적으로 그 프린트된 히터와 동일한 정도의 특징부 크기들을 가질 것이다.
하나의 마이크로칩 상에 수 개의 이러한 디바이스들이 배치돼야 한다면, 그 특정 디바이스가 특정 가스에 대해 조정되도록 하기 위해 각각의 디바이스는 특정 온도에서 설정돼야만 한다. 하나의 마이크로-칩에 이러한 센서 모듈들 수 개를 배치하는 것은 어려운데, 왜냐하면 만약 디바이스들이 단일 기판 상에 존재하게 된다면 하나의 센서로부터의 열이 다른 센서 디바이스들로 흘러들어가 디퓨즈(defuse)가 일어나게 되기 때문이다. 이와 같이, 특정 디바이스 상에서의 온도를 원하는 일정한 온도로 유지시키는 것은 극히 어려운 것인데, 왜냐하면 디바이스들 간에 다량의 열 크로스-토크(thermal cross-talk)가 일어나게 되기 때문인바, 이러한 이유로 전세계에 걸쳐 현재 가스 검출 커뮤니티에서 가스 특정(gas specificity)은 가장 어려운 도전 과제가 되고 있다.
신규한 본원 발명은 이러한 가열을 제거함과 아울러, 감지 물질과 하나의 가스와의 상호작용을 오히려 전계-효과 트랜지스터의 게이트 전압을 통해 제어한다. 특징부 크기들은 현재 1 ㎛만큼 작을 수 있으며, 따라서 상기 크로스-토크 문제를 유발함이 없이 매우 작은 지점에 현재 여덟 개의 FET 감지 모듈들을 배치하는 것이 가능하다.
임의의 이벤트에서, 도 13은 복수의 FET들을 포함하는 본원 발명의 마이크로-칩이 어떻게 (마이크로-프로세서, 데이터 저장소, 및 최대 여덟 개의 상이한 가스들을 보여주는 디스플레이와 인터페이스할 수 있는 특징이 있는) 전자기기들과 상호-연결될 수 있는지를 나타낸 도면을 보여준다.
센서로부터 수신된 신호들은 증폭되고, 그 다음에 아날로그 대 디지털 변환기에 의해 디지털 신호로 변환된다. 칩들 각각으로부터의 다양한 신호들은 멀티플렉싱(multiplexing)되고, 그 다음에 USB 커넥터를 통해 컴퓨터로 제공되는바, 여기서 컴퓨터는 동작하는 소프트웨어를 포함하여, 그 수신된 신호들을 처리하고, 이들이 디스플레이, 저장 및 조작될 수 있게 한다.
따라서, 프로세서는 전계 효과 트랜지스터들 각각으로부터 신호들을 수신하고, 하나 이상의 가스들의 존재를 결정하기 위해 이러한 신호들을 처리한다.
이러한 마이크로-칩의 크기는 마이크로-칩이 셀 폰 수신기들 및 다른 메모리 디바이스들과 같은 현대의 디바이스들과 통합되는 것을 가능하게 함이 이해될 것이다.
본원 발명에서 게이트와 드레인-소스 간에는 어떠한 콘택도 존재하지 않음이 또한 이해될 것이다. 이것은 새로운 FET 성질들이 생기게 한다.
드레인-소스 사이에 나노-입자들의 무작위 배치는 FET들에 대해 새로운 파라미터인 채널-대-게이트 길이(Channel-to-Gate Length, CGL)의 튜닝을 가능하게 한다.
이러한 LGNFET들은 단일의 1mm × 1mm Si/SiO2 웨이퍼 상에 통합되어, 지금까지 가장 작은 영역들 중 하나에 이러한 마이크로-칩이 최대 여덟(8) 개의 감지 소자들을 포함하도록 제조되게 한다.
각각의 FET는 하나의 특정 가스 타입을 감지하도록 조정될 수 있어, 이러한 칩이 1 mm-정방형-8-가스 검출기가 되도록 제조되게 한다.
도 14의 (a)는 상이한 레벨의 게이트 전압에 대해 정상적인 상태들에서의 VO2/V2O5 코어-쉘 나노-리본들에 대한 순방향 전류-전압 특성들을 보여준다. (b)에서는, ID 대 VGS의 그래프가 보여진다. VGS가 VT보다 더 크게 될 때 드레인 전류에서의 역전이 일어남에 유의해야 한다. (c) 및 (d)에서는, 여덟 개의 VO2/V2O5 FET 센서 중 하나가 다양한 상대 습도 레벨들의 습한 공기에 노출됨에 따른 아울러 게이트 전압(VGS)이 0V로부터 15V로 변함에 따른 드레인 전류 대 시간의 관계가 보여진다. (e)에서는, 다양한 가스들(CO, CH4, NO2, NH3 및 H2S)에 대한 VO2의 전형적인 응답들이 보여지며, 그리고 NH3에 대한 우선적 선택도(preferential selectivity)가 보여진다. (f)에서는, 게이트 전압들이 -5V로부터 5V로 변함에 따른 드레인-소스 채널의 저항 대 시간의 관계가 보여진다. 센서가 -5V의 게이트 전압으로 바이어스될 때 빠른 회복이 일어남에 유의해야 한다. 이러한 데이터의 더 많은 분석이 도 16에서 보여진다.
도 15의 (a)는 정상적인 상태들에서의 MWCNT 파이버(FET1)에 대한 순방향 전류-전압(ID 대 VDS) 특성들을 보여주고, (b)는 정상적인 대기 상태들에서 그리고 습한 공기 및 아세톤 증기에 노출된 이후 FET1의 VDS = 5V에서의 ID 대 VGS 관계를 보여주고, (c) 및 (d)는 습한 공기의 존재시 마이크로-나노칩 상의 FET 1 및 FET 6에 대한 드레인 전류 대 시간의 관계를 보여주고, (c)는 게이트 전압이 0V로부터 12V로 증가됨에 따라 습도에 응답하여 증가 및 감소를 보여주는 다양한 게이트 전압에서의 응답을 보여준다. 최대 응답은 3V 내지 5V의 VGS에서 나타나며, 이것을 넘는 경우 습도 응답은 감소한다.
도 16의 (a)는 게이트 전압에 대해서 칩 상의 전형적인 VO2/V2O5 FET 센서의 상이한 레벨의 습도에 대한 응답이고, (b)는 아래쪽에 있는 습도 선모양들이 확대된 것이다. (a)와 (b) 모두에서는, 습도의 레벨에 상관없이 8V의 임계 게이트 전압에서 습도에 대해 특성 최적 응답이 존재하고, (c)는 게이트 전압에 대해서 여덟 개의 CNT FET 센서들 중 하나의 센서의 상이한 레벨의 습도에 대한 응답이다. 이러한 경우, CNT는 3V의 임계 전압에서 최적으로 습도에 응답한다. (d)에서는, 습도와 아세톤 증기 모두에 대한 여덟 개의 VO2/V2O5 FET 센서들 중 하나의 센서의 응답이 보여진다. 아세톤은 그 레벨에 상관없이 VGS = -5V에서 피크를 보여주고, 반면, 습도는 그 강도에 상관없이 VGS = 8에서 피크를 보여준다.
도 17의 (Ⅰ)는 모든 트랜지스터들의 패밀리 트리를 보여주고 있으며, 이러한 패밀리에서 본원 발명이 위치하는 곳이 강조되어 있으며, (Ⅱ)는 종래의 트랜지스터들에 대비하여 본원 발명의 일부 차별화되는 전류-전압 특성들을 보여준다. (Ⅲ) 도식적으로 분해된 도면들로서, (a)는 종래의 열-판(hot-plate)이 깍지형 플랫폼 아래에 배치되고 그 위에는 감지 물질들이 배치된 것을 보여주며, (b)는 게이트 전극이 부가되어 있는 것을 보여주는 종래의 가스FET이고, 그리고 본원 발명의 히터-없는 가스FET가 제시되어 있다. 구성 (b)를 설계 및 구현함에 있어서 어려움이 있고 많은 프로세스들이 필요함에 유의해야 한다. 그러나, (c)에서의 본원 발명의 디자인은 새로운 FET 성질들이 생기게 할 뿐만 아니라, (b)에서의 종래의 가스FET보다 구현하기 훨씬 더 쉬운 디자인이고, 더욱이 활성 감지 물질을 도입하기 훨씬 더 용이하다.
부록 A(Appendix A)
[1] Bonex Mwakikunga, 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, Sensors & Actuators B 184 (2013) 170-178
[2] Chao Li, Daihua Zhang, Xiaolei Liu, Song Han, Tao Tang, Jie Han, and Chongwu Zhou, In2O3 nanowires as chemical sensors, 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 NO2 down to ppb Levels Using Individual and Multiple In2O3 Nanowire Devices, 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, 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), 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. Hamidon, Jumiah Hassan, Electronic Transport Properties of Junctionless Lateral Gate Silicon Nanowire Transistor Fabricated by Atomic Force Microscope Nanolithography, 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. 11 3636-3639
[8] Bonex Mwakikunga, Suprakas Sihna Ray, Malose Mokwena, John Dewar, Irina Giebelhaus, Trilok Singh, Thomas Fischer, Sanjay Mathur, Tin dioxide nano-wire device for sensing kinetics of acetone and ethanol towards diabetes monitoring, 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, IMCS 2012 - The 14th International Meeting on Chemical Sensors.
Claims (9)
- 전계 효과 트랜지스터(field effect transistor)로서,
복수의 전극 돌출부(electrode projection)들을 포함하는 소스(source)와, 여기서 상기 소스의 전극 돌출부들 사이에는 공간(space)들이 있고;
복수의 전극 돌출부들을 포함하는 드레인(drain)과, 여기서 상기 드레인의 전극 돌출부들 각각은 상기 소스의 전극 돌출부들 사이의 상기 공간들 중 하나의 공간에 위치하여 드레인 및 소스 돌출부들이 번갈아 배치되는 드레인-소스 전극 연결 영역(drain-source electrode connection area)이 형성되도록 하며;
게이트(gate)와, 여기서 상기 게이트는 상기 드레인-소스 전극 영역으로부터 이격되어 상기 드레인-소스 전극 연결 영역과 상기 게이트 사이에 채널(channel)이 형성되도록 하고, 상기 게이트는 상기 채널과 평행하게 진행하며; 그리고
복수의 나노 구조(nano-structure)들을 포함하여 구성되고,
상기 복수의 나노 구조들은 상기 드레인-소스 전극 연결 영역 내의 상기 드레인 및 상기 소스의 전극 돌출부들 간의 전기적 연결을 형성하도록 상기 드레인-소스 전극 영역 내에 위치하고,
상기 드레인, 상기 소스 및 상기 게이트는 동일한 평면(plane) 내에 있는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 드레인의 전극 돌출부들은 길게 연장(elongate)된 형상을 가지며 상기 드레인의 전극 돌출부들의 말단(end)들 중 하나의 말단에서 혹은 하나의 말단 가까이에서 연결되는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 소스의 전극 돌출부들은 길게 연장된 형상을 가지며 상기 소스의 전극 돌출부들의 말단들 중 하나의 말단에서 혹은 하나의 말단 가까이에서 연결되는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 드레인-소스 전극 영역 내에 위치하는 상기 복수의 나노 구조들은 상기 드레인-소스 전극 영역 상에 무작위로(randomly) 배치되는 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 드레인-소스 전극 연결 영역은 90 마이크론(micron) × 90 마이크론인 것을 특징으로 하는 전계 효과 트랜지스터. - 기판 상에 위치하는 복수의 전계 효과 트랜지스터들을 포함하는 가스 검출기(gas detector)로서, 상기 전계 효과 트랜지스터들 각각은,
복수의 전극 돌출부들을 포함하는 소스와, 여기서 상기 소스의 전극 돌출부들 사이에는 공간들이 있고;
복수의 전극 돌출부들을 포함하는 드레인과, 여기서 상기 드레인의 전극 돌출부들 각각은 상기 소스의 전극 돌출부들 사이의 상기 공간들 중 하나의 공간에 위치하여 드레인 및 소스 돌출부들이 번갈아 배치되는 드레인-소스 전극 연결 영역이 형성되도록 하며;
게이트와, 여기서 상기 게이트는 상기 드레인-소스 전극 영역으로부터 이격되어 상기 드레인-소스 전극 연결 영역과 상기 게이트 사이에 채널이 형성되도록 하고, 상기 게이트는 상기 채널과 평행하게 진행하며; 그리고
복수의 나노 구조들을 포함하여 구성되며,
상기 복수의 나노 구조들은 상기 드레인-소스 전극 연결 영역 내의 상기 드레인 및 상기 소스의 전극 돌출부들 간의 전기적 연결을 형성하도록 상기 드레인-소스 전극 영역 내에 위치하고,
상기 드레인, 상기 소스 및 상기 게이트는 동일한 평면 내에 있는 것을 특징으로 하는 가스 검출기. - 제7항에 있어서,
상기 가스 검출기는 기판 상에 위치하는 8개의 전계 효과 트랜지스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출기. - 제7항에 있어서,
상기 가스 검출기는, 상기 전계 효과 트랜지스터들 각각으로부터 신호들을 수신하는 것과, 그리고 하나 이상의 가스들의 존재를 결정하기 위해 상기 신호들을 처리하는 것을 수행하기 위한 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 검출기.
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