TWI653447B

TWI653447B - 場效電晶體及包括多個場效電晶體的氣體偵測器

Info

Publication number: TWI653447B
Application number: TW103118607A
Authority: TW
Inventors: 伯納克斯Ｗ馬娃奇庫加
Original assignee: 南非科學與工業研究理事會
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2019-03-11
Also published as: JP2016527476A; US20160116434A1; FI20155966A1; DE112014002575T5; KR102234452B1; US9683957B2; JP6473444B2; ZA201508707B; TW201504623A; CN105474006B; FI130841B1; KR20160040473A; CN105474006A; WO2014191892A1

Abstract

一場效電晶體包含一源極包括其中具有空間的多個電極凸部。一汲極包括各自位在該源極之該等電極凸部間之空間中之一者的多個電極凸部，藉此形成汲極與源極凸部交錯之一汲-源電極連結區。一閘極係與該汲-源電極區隔開藉此形成在該閘極與該汲-源電極連結區間之一通道，其中該閘極係平行於該通道前進。多個奈米結構係位在該汲-源電極區藉此於該汲-源電極連結區內在該汲極與源極之該等電極凸部間形成一電氣連結。本發明擴充至包括多個如前述場效電晶體位在一基體上之一氣體偵測器。

Description

場效電晶體及包括多個場效電晶體的氣體偵測器

發明領域

本發明係有關於場效電晶體及包括多個場效電晶體的氣體偵測器。

場效電晶體(FET)乃眾所周知及包括三個端子，亦即源極、汲極及閘極。有許多具有各種結構及製法之不同型別的FET。

以氣體感測器而言，基於半導體材料的傳統氣體感測器裝置採用兩個端子以於有或無氣體存在時量測材料之阻抗。

為了提升敏感度以及氣體專一性，此等裝置須於中高溫度加熱。

然而，加熱不只限制了小型微晶片內的大規模集積，同時也造成重大成本，其妨礙了操作且對電池壽命之要求高。

本發明尋求提供改良式FET結構連同該改良式FET用於改良式氣體偵測器之應用。

發明概要

依據本發明之第一面向提出一種場效電晶體包含：一源極包括其中具有空間的多個電極凸部；一汲極包括各自位在該源極之該等電極凸部間之空間中之一者的多個電極凸部，藉此形成汲極與源極凸部交錯之一汲-源電極連結區；一閘極係與該汲-源電極區隔開藉此形成在該閘極與該汲-源電極連結區間之一通道，其中該閘極係平行於該通道；及多個奈米結構位在該汲-源電極區內藉此於該汲-源電極連結區內在該汲極與源極之該等電極凸部間形成一電氣連結。

該汲極、源極及該閘極較佳地係在該相同平面。

該汲極之該等電極凸部之形狀可為細長且連結於或接近於其末端中之一者。

該源極之該等電極凸部之形狀可為細長且連結於或接近於其末端中之一者。

位在該汲-源電極區之該等多個奈米結構係隨機地位在該汲-源電極區上。

該汲-源電極連結區係為約90微米乘90微米。

依據本發明之一第二面向提出一種包括位在一基體上的多個場效電晶體之氣體偵測器，該等場效電晶體各自包括：一源極包括其中具有空間的多個電極凸部；一汲極包括各自位在該源極之該等電極凸部間之空間中之一者的多個電極凸部，藉此形成汲極與源極凸部交錯之一汲-源電極連結區；一閘極係與該汲-源電極區隔開藉此形成在該閘極與該汲-源電極連結區間之一通道，其中該閘極係平行於該通道；及多個奈米結構位在該汲-源電極區內藉此於該汲-源電極連結區內在該汲極與源極之該等電極凸部間形成一電氣連結。

該氣體偵測器可包括位在一基體上的八個場效電晶體。

該氣體偵測器可包括一處理器以接收來自該等場效電晶體各自之信號及處理該等信號以決定一或多個氣體之該存在。

10‧‧‧場效電晶體(FET)

12‧‧‧汲極

14‧‧‧源極

16‧‧‧閘極

18‧‧‧基體

20‧‧‧奈米結構

22、24‧‧‧電極凸部

26‧‧‧汲-源電極連結區

28‧‧‧通道

d1-8‧‧‧汲極

g1-8‧‧‧閘極

s1-8‧‧‧源極

圖1顯示依據一具體實施例場效電晶體(FET)之一示意圖；圖2顯示圖1之該FET之一進一步細節示意圖，特別以更進一步細節顯示該等源極、汲極及閘極區；圖3(a)顯示顯示當該汲-源電壓VDS為常數時，如上例示之該FET之閘極電壓(Vg)對源極至汲極電流(Ids)之效應之機制的四個主要狀況；(b)相對於汲-源極性而正或負連結該閘極端子之四種主要方式(A、B、C及D)之示意圖，例示下述事實於本新穎種類之電晶體中，兩個組態導致平順輸出特性及另兩個導致隨機及失序的輸出特性；圖4顯示VO₂之奈米條帶如何展開遍布該指狀交叉汲源區之一例示；圖5顯示依據一具體實施例使用多個圖1及2顯示之FET之一氣體偵測器之一示意圖；圖6顯示圖5所示該氣體偵測器之該等FET中之一者之另一示意圖；圖7顯示VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶於正常空氣中及暴露於潮濕空氣後之正向電流-電壓特性，顯示當暴露於潮濕空氣時該電感減低及閘極電壓對汲極(輸出電流)的影響；圖8顯示於正常空氣時及當其暴露於潮濕空氣時橫跨VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶之電阻，響應時間典型為5秒，而回復時間約為數分鐘；圖9顯示針對MWCNT纖絲於正常空氣中及暴露於潮濕空氣後之正向電流-電壓(Id相對於Vds)特性；圖10顯示當CNT晶片於正常空氣中及受潮濕空氣影響下汲極電流對閘極電壓之作圖；圖11顯示當暴露於潮濕空氣時橫過一多壁碳奈米管之電阻；圖12顯示本發明之一範例應用於糖尿病病人體內與血糖濃度相關的丙酮之偵測；圖13為一方塊圖例示一氣體偵測器可如何布線以供於周圍溫度偵測多達八種不同氣體；圖14顯示VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶之正向電流-電壓特性；圖15顯示針對MWCNT纖絲之正向電流-電壓(ID相對於VDS)特性；圖16顯示對典型於晶片上VO₂/V₂O₅ FET感測器之不同程度濕度相較於閘極電壓之響應；及圖17顯示全部電晶體之一家族樹及強調本發明所位在的此一家族。

較佳實施例之詳細說明

於後文詳細說明部分中，陳述無數特定細節以供徹底瞭解本文揭示之實施例。但熟諳技藝人士將瞭解可無此等特定細節而實施本文揭示。

參考附圖，例示場效電晶體(FET)10之一實施例。

該FET 10包括一汲極12、一源極14及一閘極16，全部皆定位在一基體18上。

連結該汲極12與該源極14者為多個奈米結構20，容後詳述。

參考圖2，如圖例示，該源極14包括其間有間隔的多個電極凸部24。

該源極14之電極凸部形狀可為細長，且在或接近其末端中之一者連結。

汲極12也包括多個電極凸部22，各自位在該源極之該等電極凸部間的空間中之一者，藉此形成交錯汲極凸部與源極凸部之一汲-源電極連結區26。

該汲極12之電極凸部形狀可為細長，且在或接近其末端中之一者連結。

如此形成一汲-源電極連結區26包括指狀交叉的電極凸部24及26其係類似十指緊扣互鎖。

閘極16係與汲-源電極連結區26隔開，藉此形成閘極與汲-源電極連結區26間之一通道28，使得閘極16係平行於通道28。

須瞭解閘極16停駐在與汲極12及源極14之相同表面平面上，但不接觸汲極12或源極14。

須瞭解汲極12、源極14及該閘極16係在相同平面。

多個奈米結構20係位在汲-源電極區26，藉此形成在汲-源電極連結區中該汲極與源極之電極凸部間之一電氣連結。此等示意表示於圖1，及容後詳述。

於一原型實施例中，該FET 10係製造如下。

首先，從氧化鋁方形基體製成基體18。然後此等藉直流濺鍍被覆以金屬膜，較佳為金。

該金膜利用鑽石刀，其梢端典型為30-60微米雕刻一T字形溝槽。進行該雕刻係為了確保在期望為絕緣區內的金膜完全被挖出，因而只有標示為該汲極、該源極及該閘極的薄膜部分保留被塗覆以金。

須瞭解此項技術比較於標準無塵室設施內完成相同工作的複雜度及成本簡化。

三型不同一維奈米結構材料(TiO₂奈米絲、V₂O₅奈米絲、SnO₂奈米線及ZnO奈米桿)之晶片上生長可藉不同技術進行，例如：(1)電旋；(2)化學氣相沈積及(3)水熱合成。如此形成奈米結構20。

如此印在90微米x90微米一面積上呈指狀交叉電極形式的金接點形成汲極及源極終端。第三電極之位置平行於汲-源區且在相同平面。唯有當奈米材料係在汲-源區上時，該裝置變成電晶體。此種電晶體可稱作側向閘指狀交叉汲-源FET(LGIDSFET)。一例示給定於圖2。此等八個電晶體係以一陣列排列在1毫米x1毫米Si/SiO₂晶圓上，各個電極係打線接合於一晶片載具的24接腳各自上，容後詳述。

為了讓FET 10用於氣體偵測器，容後詳述，該FET 10係使用製作奈米結構20的兩種奈米材料中之任一者製作。

此等兩種奈米材料為VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶及多壁碳奈米管。

為了達成此項目的，形成VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶及多壁碳奈米管於異丙醇液體之懸浮液。

於一個實施例中，該VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶於異丙醇液體之懸浮液之製法係經由稱重5、3、1、0.5、0.2毫克VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶及將該粉末轉移入100毫升異丙醇試管內。同理，5、3、1、0.5、0.4、0.2毫克碳奈米管可釋放入100毫升異丙醇液體內。

懸浮液置於超音波浴內5分鐘以便讓奈米結構振搖及均勻分散於液體。

經數次測試之後發現針對VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶，最佳濃度為1毫克/100毫升，而碳奈米管為0.4毫克/100毫升。

一旦懸浮液製備妥，使用滴管將微升液滴移至汲-源電極區26中之FET上。

在液滴澆鑄奈米結構之後，執行掃描電子顯微術(SEM)以確保奈米結構就位。圖4為SEM影像顯示VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶如何展開於汲-源區26上。

如圖可知，位在汲極電極與源極電極間之指狀交叉接點上的奈米粒子係隨機落下使得於該等奈米粒子或奈米線中之汲-源通道係與閘極方向隨機角度定向。此種配置提供閘極電場與汲極及源極內之電子流間更大的互動自由度，此乃先前不可能者。

於傳統電晶體中，奈米結構大半垂直閘極端定向。於此種情況下，汲極電流係藉針對MOSFET的蕭特基方程式給定：

及至於接面FET(JFET)具有：

於該處W及L係分別地相對應於通道直徑及長度，及C為每單位長度之閘極介電電容，r=L/2為通道半徑，h為電介質之厚度，及其餘符號載有尋常定義。藉將一維奈米結構諸如奈米線、奈米桿及奈米管置於本發明之汲-源區上，閘極電極與奈米結構間之任何角度皆屬可能，使得必須決定與蕭特基方程式不同的新方程式。從本發明之第一實驗結果，顯然有兩項可能亦即：(1)立方法則為較佳而非蕭特基平方法則，如此：於該處針對與一特定感測奈米材料交互作用的一特定氣體，在將方程式2帶入得自本發明微晶片的實驗資料之後，須決定係數α₀、α₁、α₂及α₃之值及極性。

或(2)至於反偏壓：因ID相較於VGS顯示蕭特基方程式的倒式，可採用指數衰減方程式。於正偏壓中，ID相較於VGS再度顯示蕭特基方程式的倒式。此處發明人可採用方程式1之負值。正與反偏壓方程式之和導致

須注意當對方程式1至方程式3進行微分/_DS/ V _GS(或跨導g_m)時，只有方程式3(關聯本發明)獲得微分其當以V_GS在縱軸作圖時，在V_GS之特性值顯示一隆起。本電晶體之閘極電壓相依性響應當其應用於感測時，可得自方程式3及4之微分如下：

在此種電晶體感測器上的此型分析具有一個獨一特性，藉由單純「調諧」至利用電晶體感測器的閘極電壓的期望刺激，將有助於區別一種氣體環境與另一種氣體環境，如於其次章節顯示。

閘極之電場對於汲-源區的奈米結構內之汲-源電流有關注效應，如圖3(a)例示給定，當閘極電壓超過臨界值電壓(V_T)時，從源極至汲極的電流逆轉回源極。

此點在任一種電晶體未曾觀察得。於傳統電晶體中，汲-源電流只易被「夾斷」但不會反向流動。此項新穎性質可與Gunn效應相關，於該處電流遭遇減低，因而使用電壓微分變成負電導。於本發明中，電流實際上於反向流動。如此當V_g<0時，I_ds顯著較大原因在於負V_g造成Ids流展開，當V_g=0時並非如此。當V_g>0時，電流持續降低直到當I_ds停止時V_g到達V_pinch-off為止。造成零電流的閘極電壓偶爾稱作為臨界值電壓或V_T。當V_g走高於V_T時，該電晶體顯示I_ds的倒數。

由於其幾何形狀，此種新穎電晶體的另一項新穎特徵為閘極相對於汲-源電流之極性為正或負之四種主要連結方式。汲-源之極性對LGIDSFET之輸出特性有影響。於圖3(b)中，給定示意圖，於該處當G為+或-及輸出特性為平順或隨機時，D與S之極性對調。當源極之極性為閘極之相同極性時為平順，當極性相反時為隨機。

如圖5及6中之例示，前述FET 10用以生成一氣體偵測器30。

於該例示實施例中，多個FET 10用以形成氣體偵測器。原型實施例包括八個FET 10，但取決於要求之應用，須瞭解此一數目可有不同。

8-FET平台製作如下。

在一1000微米x1000微米Si/SiO₂基體32上放置八個FET組件10，各自有三個金端子，顯示為s1；d1；g1、s2；d2；g2等。基體周圍皆留25微米空間。

各個組件之度量250微米x25微米，其間間隔100微米。

三個金端子各自之度量70微米x70微米。端子間之間隔20微米。三個金端子中之二者透過30微米長金條帶而連接至「指」指狀交叉特性件。此等條帶寬1微米。

第三個金端子透過70微米彎曲至金板，度量100微米x3微米，位距指狀交叉指特性件1微米。

指特性件之主通道間隔90微米。指狀交叉指之寬度為1微米，但一個指連結至一個主通道，在相對通道及在相鄰指間留下1微米空間等。指間距1微米及指狀交叉區長度100微米，結果導致約100指狀分裂(來自二通道各有50指)。

於配置VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶或碳奈米管之後，初感測測試係檢查汲-源區之電流-電壓(I-V)特性。

須注意可能配置不同奈米結構於各個FET平台，特別適合感測特殊及特定氣體的該等奈米結構尤為如此。

但奈米級感測器的一個共通問題為奈米級感測器具有高敏感度但低選擇性，故一個於替代之道係將同種奈米結構置於微晶片上的全部位置。各個FET對一特定氣體的選擇性可藉變更在各個FET之閘極電壓偏位達成。此點容後詳述。

總而言之，進行本測試以確定1微米大小的晶片特性件建立與奈米結構之電氣連結。

確定建立接點之後，決定汲-源上的過渡電阻/電感，及透過圖表紀錄儀軟體紀錄。

過渡電阻/電感作圖，亦即電阻/電感相對於時間作圖用以決定響應S_res、回復S_rec、響應時間τ_res、回復時間τ_rec，分別定義於下列各段。

當決定欲採用哪些材料作為特定氣體的感測器時，要緊地須基於有效衡量標準評估材料之範圍。下列優點用以全面評估感測器。此等更綜合地描述於如下附錄A中引述的參考文獻1-10之列表：

(a)響應S_res(一材料在一氣體的存在或不存在下之電阻的相對變化)。舉例言之，為了研究響應，參考文獻中有兩個主要定義：S=|R_in-R_out|/R_in或單純S=R_out/R_in，於該處R_in 為當被分析物氣體存在時該感測器材料之電阻，及R_out為此種氣體不存在時的電阻。呈時間之函數的響應已經由發明人導出具有S(T)=(R_in/R_out)exp((E_a-E_0in)/k_BT))或S(T)=1-(R_in/R_out)exp((E_a-E_0in)/k_BT))之形式，於該處E_a及E_0in分別為該被分析物氣體不存在及存在下該感測器材料之活化能及k_B為波茲曼常數。本方程式提示當E_a>E_0in(E_a<E_0in)時，亦即當被分析物-感測器交互作用為氧化性(還原性)時，隨著溫度的升高而響應增加(減低)。

(b)回復S_rec，該感測器完全暴露於被分析物時及該刺激完全被去除時，電阻的相對變化。

(c)選擇性(一材料對該特定氣體而非對其它存在的氣體型別的響應能力)。

(d)響應時間τ_res，此乃電阻改變(|R_in-R_out|)至原先電阻的90%或達一個次冪幅度所耗時間週期tres。

(e)回復時間τ_rec，感測後電阻返回原先電阻的90%或達原先電阻之一個次冪幅度所耗時間。

決定感測器效能上重要的其它參數為：

(f)工作溫度T_opt，此乃感測器材料須加熱以獲得最佳響應的溫度。

(g)周圍相對濕度(H)。

(h)大氣壓(p_atm)。

於原型中發現，針對VO₂/V₂O₅系統，響應時間典型為約5秒，但回復時間遠更長，此乃典型奈米結構。此項缺點可藉在閘極導入一脈衝及感測器再刷新而予解決。

但發現多壁碳奈米管之電阻-時間輪廓具有較慢的響應，響應時間少於3秒，及遠更慢的回復7秒。如此無需閘極再刷新或紫外光活化。

也須強調響應時間及回復時間受閘極電壓(V_GS)影響。此點例示於圖14(f)，於該處可觀察得當V_GS=0時回復時間為20分鐘，但當偏位電壓變成-5V時，變成遠更短(約1分鐘)。

如上定義(c)中，為了追求閘極電壓之選擇性如何改變及在暴露於各種氣體前後，相對應汲-源如何改變。於本發明之原型中，當閘極電壓從負電壓掃掠至正電壓時，發現汲極電流減低。此點與正常背閘電晶體不同，於該處當增高閘極電壓時，汲極電流增加。於正閘極電壓中，汲極電流遽降至「夾斷」態。各種氣體環境獲得獨一夾斷電壓或臨界值電壓V_T。此項性質有助於對一特定氣體校準本晶片上的八個感測器各自(圖11)。

當晶片係在普通空氣內時及當在潮濕空氣的影響下時，汲極電流對閘極電壓之作圖顯示向下趨勢，至零汲極電流，於該處臨界值電壓V_T取決於感測器的周圍裝境。本趨勢顯示各個氣體環境具有其獨一V_T。

具有最高響應的材料為理想，但若此高響應只能在極低溫或極高溫達成則為徒然，於該種情況下，操作此種感測器裝置將為能量昂貴。良好感測器須於室溫具有高響應，即便於相對高濕條件下亦復如此。此等特性乃長電池壽命需求的增加所需。若該感測器須加熱高於室溫或冷卻低於室溫，則電池電力需求變大，而感測器無法操作夠長時間。於室溫操作避免此項額外加熱或冷卻。此外，良好感測器須具有對被分析物氣體之極短響應時間，以及當該被分析物氣體被去除時的快速回復。響應時間及回復時間轉而為溫度相依性。難以從單一材料獲得全部此等良好品質。

使用本發明得以更接近獲得任何單一感測材料的全部良好品質。

發明人與合作者已經公開評估數種感測材料之前述性質之方法。該方法使用有些數學式，其統合了感測器響應S_res、感測器回復S_rec、響應時間及回復時間(τ_res、τ_rec)、溫度T、大氣壓p、濕度H。任何感測材料如何有效之方程式給定如下：

於本新近公開中接觸材料為粉末。該方法極為粗糙，在於針對全部考慮材料，接觸模式非相同。

為了例示本發明，給定藉粗糙方法所得全部參數於表1(於該處CoP表示效能係數，與感測效率不同)，且與至目前為止在本發明微晶片上測試的相同兩種材料亦即 VO₂及碳奈米管的性質作比較。表示藉採用新發明，獲得重大效能改良。

舉例言之，VO₂奈米桿當置於本微晶片上時有11%效率改善(從η=36.5變成η=47.5)，而碳奈米管從η=8.5改進成η=42.2，等於34%效率改善。如此表示利用本發明實際上任何感測材料今日皆可於室溫感測。

本發明不僅顯示較佳效能，同時也顯示優於至目前為止參考文獻中之最快速感測與最快速回復。

效率改善也帶來了選擇性改善的額外特徵。此點係結合於設計中，具有一閘極電壓極性及幅值兩者可用以調諧裝置而只對某些氣體敏感而「切斷」其它氣體。

放置奈米材料於裝置上的容易程度乃本發明之另一項優點。

於本發明之一原型中，偵測器係用以偵測及量化下列氣體：典型由採礦發射的氣體、甲烷(CH₄)、氡(Rn)、及工業相關污染諸如氨(NH₃)、氮氧化物(NO_x)、一氧化碳(CO)及甲矽烷(SiH₄)，如圖8(e)所示，於該處VO₂/V₂O₅ FET感測器顯示對氨比其它氣體更具選擇性。

本發明之創新面向係有能力使用閘極電壓作為FET感測器之「調諧」變數。依據方程式3及4，如同傳統FET，汲-源電流大為受閘極電壓影響，但此處，當閘極電壓超過特性臨界值電壓(V_T)時，汲極電流經歷方向逆轉(負電感/電阻)。此種表現於FET為新穎，此點係歸因於指狀交叉汲-源區及閘極的幾何形狀。額外特徵係有能力在響應相對於閘極電壓之作圖中顯示一隆起。此種隆起出現在FET感測器上針對各個材料以及針對各項刺激之特性閘極電壓。先前曾經使用背閘FET嘗試此點[2、3]，於該處最終研究未能顯示傳統背閘電晶體能夠顯示與刺激氣體濃度獨立無關的相同臨界閘極電壓。

但於本發明中，與丙酮濃度或濕度無關，VO₂/V₂O₅及CNT FET感測器兩者顯示針對一特定氣體的相同臨界閘極電壓。此等隆起符合上式6。此點將成為全球感測業的轉折點，其中奈米材料的選擇性一直是最弱環節。

於圖16(a)中顯示本發明晶片上典型VO₂/V₂O₅ FET感測器相較於閘極電壓之對不同濕度的響應；及(b)較低濕度線形之放大。於(a)及(b)兩者，於8V臨界閘極電壓對濕度有特性最佳響應而與濕度無關；於(c)八個CNT FET感測器中之一者相較於閘極電壓之對不同濕度的響應。於此種情況下，CNT在3V臨界電壓對濕度的響應最佳。於(d)顯示八個VO₂/V₂O₅ FET感測器中之一者相較於閘極電壓之對濕度及丙酮蒸氣兩者的響應。無論濃度如何，丙酮於VGS=-5V顯示峰值，而無論強度如何，濕度於VGS=8V顯示峰值。

偵測器也可組配供下列用途：

●偵測病人的呼氣氣味用以早期偵測糖尿病、腎(腎臟及肝臟)衰竭及潰瘍。

●偵測從TNT及從密封爆裂物諸如地雷及於公共空間諸如機場的行動炸彈等其它爆裂物發出的每十億份之份數氣體濃度。

●藉偵測從各型有毒藥物諸如複方鎮定劑(mandrax)、大麻等發出的氣體作藥物追蹤控制。

須瞭解前述FET係屬奈米級，許可室溫氣體偵測，許可污染監控而無需如同傳統電子鼻加熱感測器。

圖12顯示該感測器應用於糖尿病監視之應用實施例。本發明感測器響應係對病人血液中之葡萄糖濃度作圖。須瞭解於第一結果中，提示血糖與感測器響應間之線性關係。

如此顯示使用傳統血糖監測裝置，每日折磨病人兩次的疼痛的手指扎針可能下述裝置替代，其中病人只需呼氣在感測器上即可獲得相同的血糖讀數。

傳統上基於加熱器的感測器整合在此種單一晶圓上使用針對各個感測器採用一個加熱器的傳統氣體感測器為不可能，原因在於熱量從一點流至晶片其餘部分。

於傳統氣體感測器中，係透過在基體背面的印刷鉑或鈷鉑電極加熱，感測材料置於基體頂上。感測器裝置背側之加熱器的需要係植基於觀察得於一特定最佳溫度，各個特定氣體係與感測器材料獨一地且最適地交互作用。印刷加熱器上的特性件間之間隙可為150-180微米。同理，駕馭感測材料的電極間之特性件大小傳統上具有如同印刷加熱器之相同次冪幅度之特性件大小。

若須在一個微晶片上放置數個此種裝置，各個裝置須設定於其特定溫度以供針對特定氣體校準該特定裝置。難以將數個感測模組置於一個微晶片上，原因在於若該等裝置係置於單一基體上，則來自一個感測器的熱將散至其它感測器裝置。藉此方式，極其難以將一特定裝置上的溫度維持於期望的恆溫，原因在於裝置間有大量的熱串擾，及因此理由故，氣體專一性已經成為現今全球氣體感測社群的最大挑戰。

本發明去除了加熱，但反而透過場效電晶體之閘極電壓而控制一種氣體與感測材料間的交互作用。特性件大小今日已可小至1微米，因而今日可能將八個FET感測模組置於一個極小點而無串擾問題。

總而言之，圖13顯示含多個FET之本發明微晶片如何與具有多達八種不同氣體的微處理器、資料儲存裝置及顯示器的介面特性件的電子裝置互連之示意圖。

接收自感測器的信號經放大，然後藉類比至數位轉換器轉換成數位信號。來自各個晶片之各種信號經多工化，然後透過USB連接器，饋至電腦，該電腦含軟體操作處理所接收的信號及然後顯示、儲存及操縱信號。

如此，處理器接收來自場效電晶體各自之信號，及處理信號以決定一或多個氣體的存在。

須瞭解微晶片之大小使其可能與近代裝置整合，諸如手機接收器及其它記憶體裝置。

也須瞭解於本發明中，閘極與汲-源間並無接觸。如此獲得新穎FET性質。

奈米粒子隨機置於汲-源間，許可調整通道對閘極長度(CGL)，此乃FET之新穎參數。

此等LGNFET整合於單一1毫米x1毫米Si/SiO₂晶圓，將此微晶片製作成至目前為止含有八個(8)感測元件之最小面積中之一者。

各個FET可經校準以感測一型特定氣體，使此晶片變成1毫米平方8-氣體感測器。

圖14(a)顯示於正常條件下針對不同位準之閘極電壓，VO₂/V₂O₅核-殼奈米帶之正向電流-電壓特性。於(b)中顯示ID相對於V_GS之作圖。注意當V_GS變成大於V_T時汲極電流逆轉。於(c-d)中顯示當八個VO₂/V₂O₅ FET感測器中之一者暴露於各種相對濕度的潮濕空氣時及當閘極電壓(V_GS)從0改變至15V時之汲極電流相對於時間。於(e)中顯示VO₂對各種氣體(CO、CH₄、NO₂、NH₃及H₂S)之典型響應及對氨之偏好選擇性。於(f)中顯示當閘極電壓從-5V改變至5V時之汲-源通道相對於時間。注意當感測器施加-5V閘極電壓偏壓時快速回復。此等資料之更多分析顯示於圖16。

圖15顯示(a)於普通條件下MWCNT纖絲(FET1)之正向電流-電壓(ID相對於V_DS)特性；(b)於正常大氣條件下及暴露於潮濕空氣及丙酮蒸氣後，FET1之於V_DS=5V的ID相對於V_GS；(c-d)於各種閘極電壓於潮濕空氣(c)存在下，於微奈米晶片上針對FET 1及FET 6之汲極電流相對於時間，顯示當閘極電壓從0增至12V時對濕度響應之增減。最大響應出現在3-5V之V_GS，超過該點之濕度響應減低。

圖16(a)對典型於晶片上VO₂/V₂O₅ FET感測器之不同程度濕度相較於閘極電壓之響應及(b)較低濕度線形之放大。於(a)及(b)兩者，於8V的臨界閘極電壓有對濕度的特性最佳響應，而與濕度(c)八個CNT FET感測器中之一者相對於閘極電壓對不同濕度的響應。於此種情況下，CNT對於在3V臨界電壓的濕度有最佳響應。於(d)顯示八個VO₂/V₂O₅ FET感測器中之一者對濕度及丙酮蒸氣兩者之響應。丙酮無論其濃度如何，顯示於V_GS=-5V的峰值；而濕度無論其強度如何，顯示於V_GS=8V的峰值。

圖17(I)顯示全部電晶體之一家族樹及強調本發明所位在的此一家族，(II)本發明獨特之電流-電壓特性對傳統電晶體。(III)分解示意圖顯示(a)傳統熱板位在指狀交叉平台下方，於平台上方安置感測材料，(b)傳統氣體FET顯示增加閘極電極及發明人之無加熱器氣體FET。注意設計與具現示意圖(b)的困難及許多方法。但比較於(b)中之傳統氣體FET，於(c)之本目前設計不僅獲得新穎FET性質，同時也更容易設計具現以及更容易問市活性感測材料。

附錄

[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. Martínez, 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

一種場效電晶體，其包含：一源極，其包括彼此間具有空間的多個電極凸部；一汲極，其包括各自位在該源極之該等電極凸部間之空間中之一者內的多個電極凸部，藉此形成汲極與源極凸部交錯之一汲-源電極連結區；一閘極，其係與該汲-源電極區隔開藉此在該閘極與該汲-源電極連結區間形成一通道，其中該閘極係平行於該通道佈設；及多個奈米結構，位在該汲-源電極區內，藉此於該汲-源電極連結區內在該汲極與源極之該等電極凸部間形成一電氣連結；其中該汲極、該源極及該閘極係在相同平面內。
如請求項1之場效電晶體，其中該汲極之該等電極凸部在形狀上為細長且於或接近於其末端中之一者連結。
如請求項1或2之場效電晶體，其中該源極之該等電極凸部在形狀上為細長且於或接近於其末端中之一者連結。
如請求項1或2之場效電晶體，其中位在該汲-源電極區之該等多個奈米結構係隨機地定位在該汲-源電極區上。
如請求項1或2之場效電晶體，其中該汲-源電極連結區係為約90微米乘90微米。
一種包括設在基體上的多個場效電晶體之氣體偵測器，該等場效電晶體各自包括：一源極，其包括彼此間具有空間的多個電極凸部；一汲極，其包括各自位在該源極之該等電極凸部間之空間中之一者內的多個電極凸部，藉此形成汲極與源極凸部交錯之一汲-源電極連結區；一閘極，其係與該汲-源電極區隔開藉此在該閘極與該汲-源電極連結區間形成一通道，其中該閘極係平行於該通道佈設；及多個奈米結構，位在該汲-源電極區內，藉此於該汲-源電極連結區內在該汲極與源極之該等電極凸部間形成一電氣連結；其中該汲極、該源極及該閘極係在相同平面內。
如請求項6之氣體偵測器，其包括設在一基體上的八個場效電晶體。
如請求項6或7之氣體偵測器，其中該氣體偵測器包括用以接收來自該等場效電晶體各自之信號及處理該等信號以決定一或多個氣體之存在的一處理器。