WO2020075889A1 - 가스 분자 검출 센서 및 방법 - Google Patents

가스 분자 검출 센서 및 방법 Download PDF

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WO2020075889A1
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field effect
gate
gas
effect transistor
floating gate
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PCT/KR2018/012009
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Inventor
이국녕
성우경
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전자부품연구원
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • 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

Definitions

  • the problem to be solved by the present invention is to provide a gas molecule detection sensor and method capable of mass-producing a device having excellent sensitivity and uniformity by utilizing a silicon nano FET device.
  • Another problem to be solved by the present invention is the principle of setting and initializing the operation area of the sensor by controlling the control gate electrode without the need to initialize the sensor through the desorption of gas molecules, so there is no need for a heater structure for gas desorption. It is possible to provide a gas molecule detection sensor and method for manufacturing a sensor element because the structure of the element can be reduced and the structure of the element is simplified because an insulation structure is unnecessary.
  • Another problem to be solved by the present invention is to provide a gas molecule detection sensor and method that can easily increase the sensitivity and further facilitate device fabrication because the region of the sensing area that reacts with the gas molecule can be expanded.
  • a gas molecule detection sensor includes: a sensing area that adsorbs gas molecules; A floating gate disposed under the sensing region, wherein the amount of charge changes when the gas molecules are adsorbed on the sensing region; A nano field effect transistor channel that is disposed under the floating gate and whose resistance changes according to an electric field effect when the amount of charge of the floating gate changes; And a substrate gate disposed under the nano field effect transistor channel to adjust the control gate voltage.
  • a floating gate and another floating gate formed on a different substrate gate are electrically connected to each other to detect at least one other gas molecule having a sensing surface extended by different sensing regions formed on another substrate gate. It further includes a sensor.
  • the at least one other gas molecule detection sensor includes a heater unit for increasing the sensitivity of the gas molecules in the sensing region and the other sensing region by a preset sensitivity.
  • a gas sensing film is formed on an upper portion of the floating gate, so it is easy to apply various gas sensing films, and it is easy to implement a sensor array.
  • the area of the sensing area that reacts with the gas molecules can be expanded, it is easy to further improve the sensitivity and facilitate device manufacturing.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a gas molecule detection sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the principle of initialization of the nano-field effect transistor channel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing electrical characteristics of a nano-field effect transistor channel by a control gate electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an initialization mechanism of a nano field effect transistor channel according to a sweep by a floating gate and a gate electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining a mechanism of a sensor element for detecting gas molecular adsorption according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A and 7B are diagrams for explaining the structure of an extended gate device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a gas molecule detection method according to an embodiment of the present invention.
  • Combinations of each block of the block diagram and each step of the flowchart may be performed by algorithms or computer program instructions, consisting of firmware, software, or hardware. These algorithms or computer program instructions can be mounted on a processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable digital signal processing device, so that the instructions are performed through a processor of a computer or other programmable data processing equipment. These will create a means to perform the functions described in each block of the block diagram or in each step of the flowchart.
  • each block or each step may represent a module, segment, or portion of code that includes one or more executable instructions for executing the specified logical function (s). It should also be noted that in some alternative embodiments it is possible that the functions mentioned in blocks or steps occur out of order. For example, two blocks or steps shown in succession may in fact be executed substantially simultaneously, or it is also possible that the blocks or steps are sometimes performed in reverse order depending on the corresponding function.
  • the gas molecule detection sensor 100 is a sensing area (sensing area, 110), a floating gate (floating gate, 120), gate oxide (Gate oxide, 130), nano field effect transistor channel (nano Field Effect) Transistor channel, 140, a BOX layer (buried oxide layer, substrate gate oxide), a gate electrode (substrate gate electrode, 150), a substrate gate (Silicon substrate, 160).
  • the sensing region 110 is located at the top of the gas molecule detection sensor 100 to adsorb gas molecules.
  • the sensing region 110 may have different adsorption rates of gas molecules according to various types of metal oxides constituting the sensing region 100. That is, the adsorption rate may be increased by varying the metal oxide material constituting the sensing region 110 according to the gas molecules to be detected in the sensing region 110.
  • the floating gate 120 is disposed under the sensing region 110, and when a gas molecule is adsorbed on the sensing region 110, the amount of charge (or polarization of charge) of the entire gate electrode is changed.
  • the nano-field effect transistor channel 140 is disposed under the floating gate 120, and when the amount of charge of the floating gate 120 changes, resistance changes according to the field effect.
  • the nano field effect transistor channel 140 is reset to have a resistance value of a semiconductor channel set as a field effect of the substrate gate gate by a gate voltage applied to the substrate gate gate electrode.
  • the gate electrode 150 sets the voltage set by the substrate gate gate 160 to initialize the nano field effect transistor channel 140 to a set resistance value with the best sensitivity (for example, a semiconductor channel is located in a subthreshold region). To supply.
  • the substrate gate gate 160 serves to support the gas molecule detection sensor 110.
  • the nano field effect transistor channel 140 is supplied with a voltage from the gate electrode 150 to a set resistance value. To initialize it, it is transferred to the nano field effect transistor channel 140.
  • FIG. 2 is a view for explaining the principle of initialization of the nano-field effect transistor channel according to an embodiment of the present invention.
  • the sensing sensor without a floating gate and having only a gate oxide structure is a nano field effect transistor channel due to the influence of the adsorbent regardless of the substrate gate gate electrode sweep after the detection target molecule adsorption You can see that this is not initialized.
  • the gas molecule detection sensor according to an embodiment of the present invention includes a floating gate, it can be confirmed that the nano field effect transistor channel is initialized according to the substrate gate gate electrode sweep.
  • the sweep is an operation for initializing the nano-field effect transistor channel by a gate electrode, and when each forward sweep and reverse sweep are completed, one sweep operation is completed.
  • the nano-field effect transistor channel is initialized by the sweep operation. As the sweep operation is repeated, the initialization effect of the nano-field effect transistor channel is improved.
  • the initialization effect of the nano field effect transistor channel is improved when the second and third sweeps are completed, rather than when the first forward sweep and the first reverse sweep are completed. have.
  • the nano-field effect transistor channel is initialized, so initialization is possible regardless of whether or not gas molecules are adsorbed on the sensing region. It is advantageous in that the sensor can be initialized by the control of the control gate electrode without the physical desorption of gas molecules, and the next measurement can be performed.
  • FIG. 3 is a view showing electrical characteristics of a nano-field effect transistor channel by a control gate electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows typical field effect transistor characteristics of a nano field effect transistor channel.
  • the nano field effect transistor channel shows p-type FET characteristics according to the size of the control gate electrode, and as the control gate voltage increases to a negative value, that is, the nano field effect transistor channel turns below a threshold voltage of -12 V or less. You can see that it is -on.
  • the best sensitivity can be expected by fixing the voltage of the control gate electrode to the sub-threshold voltage near the threshold voltage. That is, in this section, the largest resistance change to the gate potential change appears.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an initialization mechanism of a nano field effect transistor channel according to a sweep by a floating gate and a gate electrode according to an embodiment of the present invention.
  • the gate electrode may be adjusted to remain in the sub-threshold voltage region.
  • FIG. 5 is a view for explaining a mechanism of a sensor element for detecting gas molecular adsorption according to an embodiment of the present invention.
  • gas molecule adsorption may be detected using a read-out algorithm.
  • the read-out algorithm is to initialize the nano-field effect transistor sensor by adjusting the gate electrode, set the gate electrode at the point where the gas molecule has the best adsorption sensitivity among the resistance values of the channel, or the sensor's operating characteristics are in a linear section. Therefore, it is defined as an algorithm for setting the FET channel resistance value in a region where motion reproducibility is guaranteed.
  • the gas molecule detection apparatus and method after adjusting the gate electrode to initialize the control gate electrode so that the nano field effect transistor channel is at the set threshold voltage value, and then adsorb the target gas molecule to be detected.
  • the gate electrode By changing the resistance of the nano-field effect transistor channel, gas molecule adsorption can be easily detected.
  • the di / dt value is a current value over time, and the higher the concentration of gas molecules, the more the slope increases, and the lower the concentration of gas molecules, the lower the slope.
  • the voltage of the gate electrode can be set at the point where the detection sensitivity of a specific gas molecule to be detected is best using the above-described lead-out algorithm.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the concept of a gas sensor array to improve gas molecule detection selectivity according to an embodiment of the present invention.
  • the gas molecule detection sensor according to an embodiment of the present invention may configure a gas sensor array composed of sensing regions of various materials to selectively detect gas molecules. That is, the gas molecule detection sensor according to an embodiment of the present invention can improve the gas sensor selectivity performance to selectively detect gas molecules to be detected in a mixed gas environment such as the atmosphere through pattern recognition through a sensor array. have.
  • a gas sensor array composed of sensing regions of various materials having different types for each sensing region is arrayed in series or in parallel with respect to the sensing region located at the top of the gas molecule detection sensor. It can be produced with a sensor that selectively detects target gas molecules.
  • FIG. 7A and 7B are diagrams for explaining the structure of an extended gate device according to an embodiment of the present invention.
  • floating gates and different floating gates formed on different substrate gates are electrically connected to each other, and sensing expanded by other sensing regions formed on different substrate gates It may further include at least one other gas molecule detection sensor having a surface.
  • the extended gate is a floating gate and another floating gate formed on another substrate gate are electrically connected to each other, so that the sensing area is defined to be extended by the sensing gate electrode area formed on the other substrate gate.
  • the sensing surface is expanded by an extended gate electrode having a very large gate electrode in the nano field effect transistor channel of the first gas molecule detection sensor 710. You can.
  • the other gas molecule detection sensor 720 may further include a heater unit 730 to increase the sensitivity of the gas molecules by a predetermined sensitivity.
  • another gas molecule detection sensor 720 further includes a heater unit 730 to increase the gas adsorption rate to improve gas reactivity or desorb gas molecules if necessary. It can also be used for initialization.
  • the nano FET channel is not affected by temperature, but the extended sensing gate can be set to the optimal temperature required for the gas adsorption / desorption reaction, so the two effects of maximizing gas adsorption performance and securing sensor operation stability can be expected respectively.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a gas molecule detection method according to an embodiment of the present invention.
  • the nano field effect transistor channel is initialized to have a set voltage value by receiving a gate electrode from a substrate gate (S810).
  • the sensing region adsorbs gas molecules (S820).
  • each block or each step can represent a module, segment, or portion of code that includes one or more executable instructions for executing the specified logical function (s). It should also be noted that in some alternative embodiments it is possible that the functions mentioned in blocks or steps occur out of order. For example, two blocks or steps shown in succession may in fact be executed substantially simultaneously, or it is also possible that the blocks or steps are sometimes performed in reverse order depending on the corresponding function.
  • the steps of a method or algorithm described in connection with the embodiments disclosed herein may be directly implemented by hardware executed by a processor, a software module, or a combination of the two.
  • the software module may reside in RAM memory, flash memory, ROM memory, EPROM memory, EEPROM memory, registers, hard disk, removable disk, CD-ROM, or any other form of storage medium known in the art.
  • An exemplary storage medium is coupled to the processor, which can read information from and write information to the storage medium.
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Abstract

본 발명은 가스 분자 검출 센서 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 가스 분자 검출 센서는, 가스 분자를 흡착하는 센싱 영역; 센싱 영역 아래에 배치되어, 센싱 영역에 상기 가스 분자가 흡착될 경우, 전하량이 변하게 되는 플로팅 게이트; 플로팅 게이트 아래에 배치되어, 플로팅 게이트의 전하량이 변하게 될 경우, 전계효과에 따라 저항이 변화하는 나노 전계효과 트랜지스터 채널; 및 나노 전계효과 트랜지스터 채널 아래에 배치되어, 게이트 전극을 제어하는 기판 게이트를 포함한다.

Description

가스 분자 검출 센서 및 방법
본 발명은 가스 분자 검출 센서 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대기 중의 가스 분자를 검출하는 나노 전계효과 트랜지스터 채널을 이용한 가스 분자 검출 센서 및 방법에 관한 것이다.
종래의 반도체식 가스 센서는 소형/경량/저가형의 가스 센서에 적합하여 많은 연구가 이루어지고 있으나 가스 검출 선택비를 향상시켜야 하는 기술 한계가 있어서, 검출 감도를 향상시키기 위해 가스 감지막 소재인 금속산화물의 비 표면적 매우 크게 하는 등의 가스검출 감지막을 개발하려는 연구가 주로 이루어져 왔다.
그러나, 가스 분자 흡착에 의해 금속산화물 박막 저항이 변화하는 원리를 활용하기 때문에 반복 측정을 위해 센서를 refresh하기 위해서는 가스 분자의 탈착이 이뤄져야 하며 이를 위해서 고온 가열하는 메커니즘을 사용해야 해서 소비전력이 커지고, 센서 구동이 복잡한 단점이 있었다.
이에 따라, 가스 분자의 흡착과 관계없이 감지센서를 리셋할 수 있고, 사용자가 간편하게 가스 분자의 흡착을 검출할 수 있는 가스센서와 가스검출 알고리즘의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 실리콘 nano FET 소자를 활용하여 감도가 우수한 균일한 특성의 소자를 양산할 수 있는 가스 분자 검출 센서 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 플로팅 게이트 상층부에 가스 감지막을 형성하여, 다양한 가스 감지막을 적용하기 용이하며 센서 어레이를 구현하기 쉬워 가스 검출 선택비를 높이고자 하는 가스 분자 검출 센서 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 가스 분자의 탈착을 통한 센서의 초기화가 필요없이 제어 게이트 전극 조절로 센서의 동작 영역을 설정하여 초기화하는 원리이므로, 가스 탈착을 위한 히터 구조가 필요없어 소비 전력을 낮출 수 있고, 단열 구조가 불필요해 소자의 구조가 단순해지므로 센서 소자의 제작이 매우 간단한 가스 분자 검출 센서 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 가스 분자와 반응하는 센싱 면적의 영역을 확장할 수 있으므로 감도의 추가적인 향상이 용이하고, 소자 제작이 용이한 가스 분자 검출 센서 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 센서는, 가스 분자를 흡착하는 센싱 영역(sensing area); 센싱 영역 아래에 배치되어, 센싱 영역에 상기 가스 분자가 흡착될 경우, 전하량이 변하게 되는 플로팅 게이트(floating gate); 플로팅 게이트 아래에 배치되어, 플로팅 게이트의 전하량이 변하게 될 경우, 전계효과에 따라 저항이 변화하는 나노 전계효과 트랜지스터 채널(nano Field Effect Transistor channel); 및 나노 전계효과 트랜지스터 채널 아래에 배치되어, 제어게이트 전압을 조절하는 기판 게이트를 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 나노 전계효과 트랜지스터 채널은, 기판 게이트로부터 상기 게이트 전압을 전달받아 전계효과를 유발시킴으로써 설정된 저항값을 가지도록 초기화된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 플로팅 게이트와 다른 기판 게이트에 형성된 다른 플로팅 게이트가 상호 전기적으로 연결되어, 다른 기판 게이트에 형성된 다른 센싱 영역에 의해 확장된 센싱 표면을 가지는 적어도 하나의 다른 가스 분자 검출 센서를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 적어도 하나의 다른 가스 분자 검출 센서는, 센싱 영역 및 다른 센싱 영역의 가스 분자의 감도를 설정된 감도만큼 더 높이기 위한 히터부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 센싱 영역은, 구성된 금속 산화물의 종류나 여타의 가스 감지막 예를 들면 펩타이드 리간드 등에 따라 가스 분자의 흡착률을 달리하는 원리로 복수개의 감지막 소재로 각각 형성된 센서 소자의 어레이를 이용하고 센서별 반응 패턴 분석으로 미지의 가스 분자를 선택적으로 검출하도록 한다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 방법은, 센싱 영역에서 가스 분자를 흡착하는 과정; 센싱 영역에 가스 분자가 흡착될 경우, 플로팅 게이트의 전하량이 변하는 과정; 및 플로팅 게이트의 전하량이 변하게 될 경우, 전계효과에 따라 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 변화된 저항값의 크기로 가스 분자를 정량적으로 검출하는 과정을 포함한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 나노 전계효과 트랜지스터 채널이, 기판 게이트로부터 게이트 전압을 전달받아 전계효과에 의해 설정된 저항값을 가지도록 초기화되는 과정을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 플로팅 게이트와 다른 기판 게이트에 형성된 다른 플로팅 게이트가 상호 전기적으로 연결되는 과정; 및 다른 기판 게이트에 형성된 다른 센싱 영역에 의해 확장된 센싱 표면을 가지는 과정을 더 포함한다.
본 발명은 실리콘 nano FET 소자를 활용하여 감도가 우수한 균일한 특성의 가스센서를 양산할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 플로팅 게이트 상층부에 가스 감지막을 형성하여, 다양한 가스 감지막을 적용하기 용이하며 센서 어레이를 구현하기 쉬워 검출 가스 선택성을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 가스 분자의 탈착을 통한 센서의 초기화가 필요없이 제어 게이트 전극 조절로 센서의 동작 영역을 설정하여 초기화하는 원리이므로, 가스 탈착을 위한 히터 구조가 필요없어 소비 전력을 낮출 수 있고, 단열 구조가 불필요해 소자의 구조가 단순해지므로 센서 소자의 제작이 매우 간단한 효과가 있다. 즉, FET의 채널 저항이 초기에 Ro 에서 동작하여 가스분자 흡착에 의해 Ro+R'로 변경된 후 재측정을 위해 초기값인 Ro에서 시작하려면 흡착된 만큼 가스분자가 탈착되어야 하지만 기판 게이트 전극의 전압을 조절하여 Ro+R'였던 FET 채널 저항을 초기 Ro값과 동일하게 만들 수 있다. 추가적인 가스 분자의 흡착에 따라 초기와 동일한 FET 채널 저항 변화가 나타나게 할 수 있어서 가스센서의 초기화 효과가 나는 것이다.
본 발명은 가스 분자와 반응하는 센싱 면적의 영역을 확장할 수 있으므로 감도의 추가적인 향상이 용이하고, 소자 제작이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 센서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 초기화 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 게이트 전극에 의한 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 전기적 특성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 게이트와 게이트 전극에 의한 스윕에 따른 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 초기화 매커니즘을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 흡착을 검출하는 센서 소자의 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 nanoFET 가스센서 소자의 어레이 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 확장된 게이트 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 방법의 순서도를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 펌웨어 (firmware), 소프트웨어 (software), 또는 하드웨어 (hardware) 로 구성된, 알고리즘 또는 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 알고리즘 또는 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 디지털 신호 처리 디바이스(Digital Signal Processing Device) 의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 알고리즘 또는 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또한, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 여러 실시 예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시 예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 센서의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 가스 분자 검출 센서(100)는 센싱 영역(sensing area, 110), 플로팅 게이트(floating gate, 120), 게이트 옥사이드(Gate oxide, 130), 나노 전계효과 트랜지스터 채널(nano Field Effect Transistor channel, 140), BOX 층 (buried oxide layer, 기판 게이트 옥사이드), 게이트 전극(기판 게이트 전극, 150), 기판 게이트(Silicon substrate, 160)를 포함한다.
먼저, 센싱 영역(110)는 가스 분자 검출 센서(100)의 최상위에 위치하여, 가스 분자를 흡착한다. 여기서, 센싱 영역(110)는 센싱 영역(100)를 구성하는 다양한 금속 산화물의 종류에 따라 가스 분자의 흡착률을 달리할 수 있다. 즉, 센싱 영역(110)에서 감지하고자 하는 가스 분자에 따라 센싱 영역(110)를 구성하는 금속 산화물 소재를 달리하여 흡착률을 높일 수 있다.
플로팅 게이트(120)는 센싱 영역(110) 아래에 배치되어, 센싱 영역(110)에 가스 분자가 흡착될 경우, 게이트 전극 전체의 전하량(혹은 전하의 분극)이 변하게 된다.
나노 전계효과 트랜지스터 채널(140)은 플로팅 게이트(120) 아래에 배치되어, 플로팅 게이트(120)의 전하량이 변하게 될 경우, 전계효과에 따라 저항이 변화된다.
또한, 나노 전계효과 트랜지스터 채널(140)은 기판 게이트 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압에 의해 기판 게이트 게이트의 전계효과로 설정된 반도체 채널의 저항값을 갖도록 초기화(reset)된다.
게이트 전극(150)은 나노 전계효과 트랜지스터 채널(140)을 감도가 가장 좋은 설정된 저항값(예를 들면, 반도체 채널을 subthreshold 영역에 위치)으로 초기화하기 위해, 기판 게이트 게이트(160)로 설정된 전압을 공급한다.
기판 게이트 게이트(160)는 가스 분자 검출 센서(110)를 지지하는 역할을 수행하며, 상술한 바와 같이, 게이트 전극(150)에서 전압을 공급받아 나노 전계효과 트랜지스터 채널(140)을 설정된 저항 값으로 초기화하기 위해 나노 전계효과 트랜지스터 채널(140)로 전달한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 초기화 원리를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 플로팅 게이트를 구비하지 않고, 게이트 옥사이드 구조만 구비한 감지 센서는 검출 타겟 분자 흡착 후 기판 게이트 게이트 전극 스윕에 관계없이 흡착물에 의한 영향으로 나노 전계효과 트랜지스터 채널이 초기화되지 않는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 센서는 플로팅 게이트를 구비하기 때문에 기판 게이트 게이트 전극 스윕에 따라 나노 전계효과 트랜지스터 채널이 초기화됨을 확인할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 센서에서 나노 전계효과 트랜지스터 채널을 초기화하기 위한 동작인 스윕(sweep)을 설명하도록 하겠다.
여기서, 스윕이란 게이트 전극에 의하여 나노 전계효과 트랜지스터 채널을 초기화하기 위한 동작으로, 각각 1회의 포워드 스윕(forward sweep)과 리버스 스윕(reverse)이 완료되면 1회의 스윕 동작이 완료된다.
또한, 스윕 동작으로 나노 전계효과 트랜지스터 채널이 초기화되는데, 스윕 동작이 반복될 수록 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 초기화 효과가 향상된다.
예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 첫 번째 포워드 스윕과 첫 번째 리버스 스윕이 완료될 때보다, 두 번째 및 세 번째 스윕이 완료될 때 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 초기화 효과가 향상됨을 확인할 수 있다.
이하, 상술한 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 초기화를 기반으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 센서의 동작을 설명하도록 하겠다.
먼저, 센싱 영역에 의해 특정 가스 분자가 흡착되면, 센싱 영역 아래에 배치된 플로팅 게이트의 전하량이 변화하게 된다. 이후, 플로팅 게이트 아래에 배치된 나노 전계효과 트랜지스터 채널에 전계효과가 나타나 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 저항이 바뀌게 되어, 이를 이용하여 가스 분자의 흡착을 정성/정략적으로 측정할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 센서는 가스 분자의 흡착에 관계없이 제어 게이트 전극을 스윕하면 나노 전계효과 트랜지스터 채널은 초기화되므로, 센싱 영역 상부의 가스 분자의 흡착 여부와 관계없이 초기화가 가능해져, 가스 분자의 물리적 탈착 없이도 제어 게이트 전극의 조절로 센서를 초기화하여 다음측정을 진행할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어 게이트 전극에 의한 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 전기적 특성을 도시한 도면이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 도 3은 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 전형적인 전계효과 트랜지스터 특성을 보여준다. 구체적으로, 나노 전계효과 트랜지스터 채널은 제어 게이트 전극의 크기에 따라 p형 FET 특성을 보여주며, 제어 게이트 전압이 음의 값으로 커질수록, 즉 문턱 전압인 -12V 이하에서 나노 전계효과 트랜지스터 채널은 turn-on 되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 나노 전계효과 트랜지스터 채널을 센서로 활용할 때는 문턱 전압 근처의 서브 문턱 전압에 제어 게이트 전극의 전압을 고정시키면, 가장 좋은 감도를 기대할 수 있다. 즉, 이 구간에서 게이트 전위 변화에 대해 가장 큰 저항변화가 나타난다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플로팅 게이트와 게이트 전극에 의한 스윕에 따른 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 초기화 매커니즘을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 플로트 게이트가 있는 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 경우 히스테리시스 특성으로 인해 게이트 전극을 -30V에서 +20V로 변경시키는 스윕을 하면, 플로팅 게이트 상부에 있던 전하들은 영향을 받아 나노 전계효과 트랜지스터 채널이 초기 상태로 되돌아가는 것을 확인할 수 있다.
또는, 게이트 전극을 맞춤으로써 서브 문턱 전압 영역에 머물러 있도록 제어할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 흡착을 검출하는 센서 소자의 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 장치 및 방법에서는 리드-아웃 알고리즘(read-out algorithm)을 이용하여 가스 분자 흡착을 검출할 수 있다.
여기서, 리드-아웃 알고리즘이란 게이트 전극을 조절하여 나노 전계효과 트랜지스터 센서를 초기화하고, 채널의 저항값 중 가스 분자의 흡착 감도가 가장 좋은 지점에 게이트 전극을 설정하거나, 센서의 동작 특성이 선형구간에 있어 동작 재현성이 담보되는 영역에 FET 채널 저항값을 설정하기 위한 알고리즘으로 정의된다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 장치 및 방법에서 사용되는 리드-아웃 알고리즘을 상세히 설명하도록 하겠다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 장치 및 방법에서는 게이트 전극을 조절하여 나노 전계효과 트랜지스터 채널이 설정된 문턱 전압 값에 있도록 제어 게이트 전극을 맞추어 초기화한 후, 감지하고자 하는 타겟 가스 분자의 흡착에 의해 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 저항이 바뀌는 원리로 가스 분자 흡착을 손쉽게 검출할 수 있다.
예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 스윕 동작을 통해 나노 전계효과 트랜지스터를 초기화한 후, di/dt 값을 측정하여, 가스를 검출 한 후, 다음 측정 준비를 위해 나노 전계효과 트랜지스터를 다시 초기화할 수 있다.
여기서, di/dt 값은 시간에 따른 전류 값으로 가스 분자의 농도가 높을수록 기울기는 더 증가하는 그래프를 보이겠고, 반대로 가스 분자의 농도가 낮을수록 기울기는 더 완만한 그래프를 보인다.
즉, 상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 장치 및 방법에서는 상술한 리드-아웃 알고리즘을 이용하여 검출하고자 하는 특정 가스 분자의 검출 감도가 가장 좋은 지점에 게이트 전극의 전압을 설정할 수 있는 장점이 있다.
*도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 선택성을 향상시키기 위해 가스 센서 어레이 개념을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 센서는 가스 분자 검출을 선택적으로 하기 위해 다양한 소재의 센싱 영역으로 구성된 가스 센서 어레이를 구성할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 센서는 센서 어레이를 통해 패턴 인식으로 대기와 같이 혼합된 가스 환경에서 검출하고자 하는 가스 분자를 선택적으로 검출 할 수 있도록 가스센서 선택성 성능을 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 가스 분자 검출 센서의 최상단에 위치한 센싱 영역에 대하여, 센싱 영역 별로 종류를 달리한 다양한 소재의 센싱 영역으로 구성된 가스 센서 어레이를 직렬 또는 병렬로 어레이화하여 타겟한 가스 분자를 선택적으로 검출하는 센서로 제작할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 확장된 게이트 소자의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에서는 플로팅 게이트와 다른 기판 게이트에 형성된(혹은 동일한 기판 게이트에 형성되었더라도 면적이 큰) 다른 플로팅 게이트가 상호 전기적으로 연결되어, 다른 기판 게이트에 형성된 다른 센싱 영역에 의해 확장된 센싱 표면을 가지는 적어도 하나의 다른 가스 분자 검출 센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 확장된 게이트(extended gate)는 플로팅 게이트와 다른 기판 게이트에 형성된 다른 플로팅 게이트가 상호 전기적으로 연결되어, 다른 기판 게이트에 형성된 센싱 게이트 전극 면적에 의해 센싱 면적이 확장되는 것으로 정의된다.
예를 들면, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 제1 가스 분자 검출 센서(710)의 나노 전계효과 트랜지스터 채널에 게이트 전극이 매우 큰 확장된 게이트 전극에 의하여 센싱 표면이 확장되는 효과를 얻을 수 있다.
여기서, 다른 가스 분자 검출 센서(720)에는 가스 분자의 감도를 설정된 감도만큼 더 높이기 위해 히터부(730)를 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 도 7b에 도시된 바와 같이, 다른 가스 분자 검출 센서(720)는 히터부(730)를 더 포함하여 가스 흡착률을 높여 가스 반응성을 향상시키거나 필요시 가스 분자를 탈착시켜 센서를 초기화하는 용도로 활용할 수도 있다. 이때 나노 FET 채널은 온도의 영향을 받지 않지만 extended 센싱 gate는 가스흡착/탈착 반응에 필요한 최적 온도로 설정할 수 있으므로 가스흡착 성능 극대화와 센서 동작 안정성 담보라는 두가지 효과를 각각 기대할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스 분자 검출 방법의 순서도를 도시한 도면이다.
먼저, 도 8에 도시된 바와 같이, 나노 전계효과 트랜지스터 채널은 기판 게이트로부터 게이트 전극을 전달받아 설정된 전압 값을 가지도록 초기화된다(S810).
이후, 센싱 영역은 가스 분자를 흡착한다(S820).
이후, 센싱 영역에 가스 분자가 흡착될 경우, 플로팅 게이트의 전압이 변화된다(S830).
이후, 플로팅 게이트의 전하량이 변하게 될 경우, 전계효과에 따라 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 변화된 저항값의 비율과 시간 값의 비율에 따라 가스 분자의 흡착률을 검출한다(S840).
본 명세서에서, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능 (들) 을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또한, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
본 명세서에 개시된 실시 예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈 또는 그 2개의 결합으로 직접 구현될 수도 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수도 있다. 예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되며, 그 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다. 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로 (ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 가스 분자를 흡착하는 센싱 영역(sensing area);
    상기 센싱 영역 아래에 배치되어, 상기 센싱 영역에 상기 가스 분자가 흡착될 경우, 전하량이 변하게 되는 플로팅 게이트(floating gate);
    상기 플로팅 게이트 아래에 배치되어, 상기 플로팅 게이트의 전하량이 변하게 될 경우, 전계효과에 따라 저항이 변화하는 나노 전계효과 트랜지스터 채널(nano Field Effect Transistor channel); 및
    상기 나노 전계효과 트랜지스터 채널 아래에 배치되어, 게이트 전압을 공급받는 기판 게이트를 포함하는, 가스 분자 검출 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노 전계효과 트랜지스터 채널은,
    상기 기판 게이트로부터 상기 게이트 전극의 전계효과에 의해 전도성 영역이 조절되도록 초기화되는, 가스 분자 검출 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플로팅 게이트와 다른 기판 게이트에 형성된 다른 플로팅 게이트가 상호 전기적으로 연결되어, 상기 다른 기판 게이트에 형성된 다른 센싱 영역에 의해 확장된 센싱 표면을 가지는 적어도 하나의 다른 가스 분자 검출 센서를 더 포함하는, 가스 분자 검출 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다른 가스 분자 검출 센서는,
    상기 센싱 영역 및 상기 다른 센싱 영역의 가스 분자의 감도를 설정된 감도만큼 더 높이기 위한 히터부를 포함하는, 가스 분자 검출 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 영역은,
    구성된 금속 산화물의 종류 및 구성된 펩타이드 리간드 종류에 따라 상기 가스 분자를 선택적으로 검출하는, 가스 분자 검출 센서.
  6. 센싱 영역에서 가스 분자를 흡착하는 과정;
    상기 센싱 영역에 상기 가스 분자가 흡착될 경우, 플로팅 게이트의 전하량이 변하는 과정; 및
    상기 플로팅 게이트의 전하량이 변하게 될 경우, 전계효과에 따라 나노 전계효과 트랜지스터 채널의 변화된 저항값의 비율과 변화된 시간 값의 비율에 따라 도출되는 흡착량에 비례하여 상기 가스 분자를 정략적으로 검출하는 과정을 포함하는, 가스 분자 검출 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나노 전계효과 트랜지스터 채널이, 기판 게이트로부터 게이트 전압을 전달받아 설정된 전압 값을 가지도록 초기화되는 과정을 더 포함하는, 가스 분자 검출 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 플로팅 게이트와 다른 기판 게이트에 형성된 다른 플로팅 게이트가 상호 전기적으로 연결되는 과정; 및
    상기 다른 기판 게이트에 형성된 다른 센싱 영역에 의해 확장된 센싱 표면을 가지는 과정을 더 포함하는, 가스 분자 검출 방법.
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