JP2017129537A - 電界効果型トランジスタガスセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】容易に製造することができる感ガス性の層を有するガスセンサ用電界効果型デバイス及びガスセンサを提供する。【解決手段】ガスが透過するゲート電極２４と、前記ゲート電極を透過したガスを選択的に吸着する有機材料及び／又は錯体材料からなるガス吸着層２２と、前記ガス吸着層に対して前記ゲート電極とは反対側に配置されたゲート絶縁層２０と、前記ゲート絶縁層に対して前記ガス吸着層とは反対側で互いに離間して配置されたソース電極１２Ｓ及びドレイン電極１２Ｄと、ソース電極とドレイン電極との間でチャネルを形成する半導体層１０と、を有するガスセンサ用電界効果型デバイス１００。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサ用電界効果型デバイス及びガスセンサに関する。

従来、電界効果型トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＦＥＴ）を利用したガスセンサが提案されている。
例えば、特許文献１には、ソース領域、ドレイン領域、及びゲート領域を備える基板を含み、ゲート領域に多孔質の接着剤を介して感ガス性の層が付着している電界効果トランジスタを有するガスセンサが開示されている。感ガス性の層としては、結晶質の金属又はナノ結晶質の金属を含む層が記載されている。
また、特許文献２には、基板と、基板上に配置された、ガス暴露可能なゲート電極と、ソース電極と、ドレイン電極と、基板とゲート電極との間に配置された、層システムとして構成された電気的絶縁体とを有し、層システムの少なくとも１の層に、一定の安定化された電荷が導入されているガスセンサが開示されている。感ガス性の層に相当する層システムを構成する材料としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素等が記載されている。

特開２０１０−１４５４０２号公報 特開２０１４−１３２３９号公報

特許文献１に開示されているガスセンサは、金属を含む感ガス性の層を多孔質の接着層を介してゲート電極に付着させるため、製造に手間が掛かる。
特許文献２に開示されているガスセンサは、特定のガス成分を感受するための層を金属、金属化合物等で形成するため、ガス感受層を高温で成膜したり、フォトリソグラフィ等によってパターニングする必要がある。
また、いずれも、互いに成分が異なる材料で感ガス性の層を形成した複数のＦＥＴをアレイ化して複数種のガスを検出するセンサを製造するにはコストや手間がかかる。
さらに、上記先行技術文献では、ガス検出の選択性は、結晶質の金属又はナノ結晶質の金属を含む層、あるいは金属、金属化合物等へのガス分子の物理吸着によって決まり、大きく選択性を変えることが困難であった。

本発明は、容易に製造することができる感ガス性の層を有するガスセンサ用電界効果型デバイス及びガスセンサを提供することを目的とする。
さらに本発明は、ガス検出の選択性を変え、高い選択性でガスを検出したり、あるいは複数の異なる選択性を有するガスセンサを用い、それらの信号を情報処理することによりガスを同定・定量することができるように、ガス選択性の異なる複数のガスセンサデバイスを容易に集積化することが可能なガスセンサシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、以下の手段が提供される。
＜１＞ ガスが透過するゲート電極と、
前記ゲート電極を透過したガスを選択的に吸着する有機材料及び／又は錯体材料を含むガス吸着層と、
前記ガス吸着層に対して前記ゲート電極とは反対側に配置されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層に対して前記ガス吸着層とは反対側で互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間でチャネルを形成する半導体層と、
を有するガスセンサ用電界効果型デバイス。
＜２＞ 前記ガス吸着層が、
前記有機材料として、ポリエチレングリコール、シロキサン系化合物、又は、ポリエチレングリコール若しくはシロキサン系化合物を、ベンゼン環、プロリン、及び二級アミンからなる群より選ばれる機能性官能基によって化学修飾した化合物を含む層、
前記錯体材料として、金属有機構造体(MOF：Metal Organic Frameworks)を含む層、又は、
前記有機材料中に前記錯体材料を分散させた層である＜１＞に記載のガスセンサ用電界効果型デバイス。

＜３＞ ＜１＞又は＜２＞に記載のガスセンサ用電界効果型デバイスを備えたガスセンサ。
＜４＞ 前記ガスセンサ用電界効果型デバイスを複数備え、前記複数のガスセンサ用電界効果型デバイスは、前記ガス吸着層のガス吸着特性及び動作温度の少なくとも一方が互いに異なる＜３＞に記載のガスセンサ。

本発明によれば、容易に製造することができる感ガス性の層を有するセンサ用電界効果型デバイス及びガスセンサを提供することができる。
さらに本発明によれば、ガス検出の選択性を変え、高い選択性でガスを検出したり、あるいは複数の異なる選択性を有するガスセンサを用い、それらの信号を情報処理することによりガスを同定・定量することができるように、ガス選択性の異なる複数のガスセンサデバイスを容易に集積化することが可能なガスセンサシステムを提供することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスの構成の一例を示す概略図である。 図１に示すガスセンサ用電界効果型デバイスにおけるガス吸着層を形成する工程の一例を示す概略図である。 図１に示すガスセンサ用電界効果型デバイスにおけるゲート電極を形成する工程の一例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスの他の構成例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスの他の構成例を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサの構成の一例を示す概略図である。 複数のガスセンサ用電界効果型デバイスを備えたガスセンサの構成の一例を示す概略図である。 実施例で作製したガスセンサ用電界効果型デバイスを示す写真画像である。 実施例で用いた電気回路評価系を示す概略図である。 実施例１におけるガスフローとガスセンサ用電界効果型デバイス特性の図９に示す電気回路評価系における出力電圧の経時変化を示す図である。 実施例２におけるガスフローとガスセンサ用電界効果型デバイス特性の図９に示す電気回路評価系における出力電圧の経時変化について温度の影響を示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス（以下、「デバイス」と記す場合がある。）及びガスセンサについて説明する。
なお、以下の説明において「〜」の記号によって示す数値範囲は、「〜」の両側で下限値及び上限値として記載されている数値も含む範囲を意味する。また、上限値又は下限値のみに単位が付されている場合は、数値範囲全体にわたって同じ単位であることを意味する。

［ガスセンサ用電界効果型デバイス］
本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスは、ガスが透過するゲート電極と、前記ゲート電極を透過したガスを選択的に吸着する有機材料を含むガス吸着層と、前記ガス吸着層に対して前記ゲート電極とは反対側に配置されたゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層に対して前記ガス吸着層とは反対側で互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間でチャネルを形成する半導体層と、を有する。

本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイスは、ガス中の成分を選択的に吸着する有機材料（以下、「ガス吸着性有機材料」と称する場合がある。）を用いてガス吸着層が形成されているため、ガス吸着性有機材料と溶媒を含む溶液又は分散液を用いて塗布及び乾燥させることでガス吸着層を成膜することができる。そのため、例えば、互いに異なる成分に対して吸着特性を示すガスセンサ用電界効果型デバイスを複数配置したアレイ構造を有するガスセンサを製造する場合、検出対象となるガス成分に応じたガス吸着性有機材料を含む塗布液をディスペンサー等で各デバイスのゲート絶縁層上にそれぞれ塗布し、乾燥させることで、複数のガス成分を検出することができる集積化ガスセンサを容易に製造することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス１００の構成の一例を示す概略図である。図１に示すガスセンサ用電界効果型デバイス１００は、ガスが透過するゲート電極２４と、ゲート電極２４を透過したガスを選択的に吸着する有機材料を含むガス吸着層２２と、ガス吸着層２２に対してゲート電極２４とは反対側に配置されたゲート絶縁層２０と、ゲート絶縁層２０に対してガス吸着層２２とは反対側で互いに離間して配置されたソース電極１２Ｓ及びドレイン電極１２Ｄと、ソース電極１２Ｓとドレイン電極１２Ｄとの間でチャネルを形成する半導体層１０と、を有している。以下、本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス１００の各構成について具体的に説明する。

（ゲート電極）
ゲート電極２４は、導電性材料で構成されており、ガスが透過する構造を有する。
ゲート電極２４を構成する導電性材料としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｐｄ，Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ等の金属、Ｐｔ合金、Ｉｒ合金、Ｐｄ合金、Ａｇ合金、Ｃｕ合金等の合金、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫、酸化亜鉛インジウム等の金属酸化物を用いて形成することができる。また、ＰＥＤＯＴ（ポリ３，４−エチレンジオキチオフェン）にＰＳＳ（ポリスチレンスルホン酸）がドーピングされた高分子材料（ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ）等の導電性ポリマーを用いることもできる。ゲート電極２４は、複数の材料を組み合わせて構成されてもよい。

ゲート電極２４はガスを透過させる観点から、貫通する孔を含む多孔質構造を有することが好ましい。多孔質構造を有するゲート電極２４は、ゲート電極２４を形成する段階で多孔質構造を有するゲート電極２４を形成してもよいし、ゲート電極２４を形成した後、厚さ方向に貫通する孔を形成するなどして多孔質構造を形成してもよい。ゲート電極２４の全面が多孔質構造を有することが好ましい。ゲート電極２４の一部が多孔質構造を有してもよい。ゲート電極２４は弾性を有してもよい。

ゲート電極２４の厚みは特に限定されないが、ゲート電極２４の厚みが薄過ぎると抵抗が高くなり、厚過ぎるとガス透過性が低下する傾向となる。かかる観点から、ゲート電極２４の厚みは、１ｎｍ〜数十ｎｍであることが好ましい。

（ガス吸着層）
ガス吸着層２２は、ゲート電極２４を透過したガスを選択的に吸着する有機材料（ガス吸着性有機材料）を含んでいる。ガス吸着層２２に含まれるガス吸着性有機材料は、検出対象のガスの極性、溶解性、親和性、親水性、疎水性、分子サイズ等に応じて選択すればよい。また、ガスセンサを繰り返し使用する観点から、ガス吸着性有機材料は、１種又は２種以上のガスを選択的に吸着（捕捉）し、吸着したガスを加熱によって脱着させる材料であることが好ましい。
また、ガス吸着層２２を塗布法によって容易に成膜する観点から、ガス吸着性有機材料は、溶媒に溶解又は分散し、塗布及び乾燥によって成膜することができる材料が好ましい。溶媒は、ガス吸着性有機材料に応じて選択すればよい。

ガス吸着層２２に含まれるガス吸着性有機材料として、例えば、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）を有するシロキサン系化合物、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を好適に使用することができる。以下にガス吸着層２２を構成し得るシロキサン系化合物及びポリエチレングリコール（ＰＥＧ）の構造を示すが、これらに限定されるものではない。なお、式中、ｎ、ｍは整数を表す。

例えば、シロキサン系化合物は、低極性又は中極性のガス成分の吸着に適しており、ＰＥＧは、高極性のガス成分の吸着に適している。
なお、ガス吸着層２２に含まれるガス吸着性有機材料はシロキサン系化合物及びＰＥＧに限定されず、例えば、超分子、ペプチド等を使用することもできる。また、ガス吸着性有機材料は、有機材料を含み、ガス吸着層２２を形成し得る材料であれば有機化合物のみに限定されず、有機化合物と金属元素を含む材料であってもよい。例えば、錯体材料として金属イオンに有機配位子が配位した金属有機構造体を用いてガス吸着層２２を形成してもよい。尚、金属有機構造体は、多孔性配位高分子（Porous Coordination Polymer, PCP）とも呼ばれる。

ガス吸着層２２は、複数種のガスに対して吸着性を示すガス吸着性有機材料あるいは前記錯体材料を用いて構成してもよい。また、ガス吸着層２２は、複数種のガス吸着性有機材料を含んでもよいし、ガス吸着性有機材料とガスを吸着しない有機材料を含んでもよい。
また、ガス吸着層２２は、ガス吸着の選択性を高めるために、ガス吸着性有機材料として、シロキサン系化合物、ポリエチレングリコール等の有機材料に、ベンゼン環、プロリン、二級アミンなどの機能性官能基を化学修飾した有機材料を含む層としてもよいし、あるいは金属有機構造体などの錯体材料を含む層としてもよい。あるいは上記錯体材料を上記有機材料中に分散させた層とすることも効果的である。

ガス吸着層２２の厚みは、例えば、数ｎｍ〜１μｍであることが好ましい。ガス吸着層２２の厚みが上記範囲内であれば、塗布法による形成が容易であり、ゲート電極２４を透過した特定のガス成分を捕捉してトランジスタ特性に影響を与えることでガスを検出することができる。

（ゲート絶縁層）
ゲート絶縁層２０は、ガス吸着層２２に対してゲート電極２４とは反対側に配置されている。ゲート絶縁層２０は、ＦＥＴのゲート絶縁層２０として公知の材料によって形成することができる。例えば、酸化ケイ素、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素などが挙げられる。
ゲート絶縁層２０は１層又は２層以上の積層構造であってもよい。例えば、図１に示すガスセンサ用電界効果型デバイス１００は、ゲート絶縁層２０として、酸化ケイ素膜１４、窒化ケイ素膜１６、酸化タンタル膜１８を備えているが、ゲート絶縁層２０は、酸化ケイ素膜１４、窒化ケイ素膜１６及び酸化タンタル膜１８のいずれか一つの絶縁膜を有する構造でもよいし、他の絶縁材料によって構成してもよい。

ゲート絶縁層２０の厚みは、例えば、５ｎｍ〜５００ｎｍ程度であることが好ましい。ゲート絶縁層２０の厚みが上記範囲内であればソース電極１２Ｓ及びドレイン電極１２Ｄ（以下、「ソース・ドレイン電極１２Ｓ，１２Ｄ」と記す場合がある。）との間で絶縁性を確保し、かつ、ガス吸着層２２にガスが吸着したときに電流又は電圧の変化によって検出し易い。

（パッシベーション層）
図１に示すガスセンサ用電界効果型デバイス１００は、例えばガス吸着層２２とゲート絶縁層２０との間、又は絶縁層２０と半導体層１０との間にパッシベーション層を設けてもよい。パッシベーション層を設けることで半導体層１０を保護し、動作安定性を図ることができる。
パッシベーション層を構成する材料としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素等の絶縁性の無機材料及び炭化ケイ素等の半導体性の無機材料のほか、ポリイミド等の絶縁性の有機材料を使用することもできる。パッシベーション層は１種の材料で構成されていてもよいし、２種以上の材料で構成されていてもよい。なお、図１に示すガスセンサ用電界効果型デバイス１００では、ゲート絶縁層２０を構成する酸化ケイ素膜１４及び窒化ケイ素膜１６は、パッシベーション層も兼ねている。

（ソース・ドレイン電極）
ソース電極１２Ｓ及びドレイン電極１２Ｄは、一対の電極を成し、ゲート絶縁層２０に対してガス吸着層２２とは反対側で互いに離間して配置されている。
ソース電極１２Ｓ及びドレイン電極１２Ｄは、導電性材料により構成される。具体的には、ゲート電極２４を構成する材料として例示した金属、金属化合物、導電性ポリマー等の導電性材料によりソース・ドレイン電極１２Ｓ，１２Ｄを形成することができる。

また、例えば、半導体層１０としてシリコン基板を用い、ドーピングによってソース電極（ソース領域）及びドレイン電極（ドレイン領域）を形成してもよい。図１に示すガスセンサ用電界効果型デバイス１００は、支持基板と半導体層１０を兼ねたｐ型シリコン基板を用い、シリコン基板の所定の箇所に不純物を注入（ドーピング）することでｎ型のソース・ドレイン電極（ソース・ドレイン領域）１２Ｓ，１２Ｄを形成している。

ソース・ドレイン電極１２Ｓ，１２Ｄの厚みは、形成容易性及び導電性の観点から、例えば、０．０１〜５μｍである。

（半導体層）
半導体層１０はソース電極１２Ｓ及びドレイン電極１２Ｄに接続しており、半導体層１０を介してソース電極１２Ｓとドレイン電極１２Ｄとの間でチャネルが形成される。なお、図１に示すデバイス１００では、ソース電極１２Ｓとドレイン電極１２Ｄが半導体層１０と接触しているが、ソース電極１２Ｓとドレイン電極１２Ｄは、オーミックコンタクト層（不図示）を介して半導体層１０と電気的に接続されていてもよい。

半導体層１０は、シリコン、ゲルマニウム、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ等の化合物半導体、酸化物半導体、有機半導体が挙げられる。安定性、移動度、コスト等の観点からシリコンが好ましい。なお、低温成膜性の観点からは、酸化物半導体及び有機物半導体が好ましい。
前述したように半導体層１０としてシリコン基板を用い、ドーピングによってソース電極（ソース領域）１２Ｓ及びドレイン電極（ドレイン領域）１２Ｄを形成してもよい。

［ガスセンサ用電界効果型デバイスの製造方法］
本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス１００の製造方法は特に限定されないが、図１に示す構成のガスセンサ用電界効果型デバイス１００は、例えば以下の方法によって製造することができる。
まず、ｐ型シリコン基板の所定の位置にリン、ヒ素等の不純物を注入（ドーピング）することでソース・ドレイン電極（ソース・ドレイン領域）１２Ｓ，１２Ｄを形成する。
次いで、ゲート絶縁層２０として、ＳｉＯ_２膜、Ｓｉ_３Ｎ_４膜、Ｔa_２Ｏ_５膜を順次形成する。なお、半導体層１０構成を有する材料は、ＩＳＦＥＴ（Ｉｏｎ−Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）として市販されているデバイス１００を用いることもできる。

次いで、ゲート絶縁層２０上にガス吸着層２２を形成する。図２は、ガス吸着層２２の形成方法の一例を示している。ガス吸着層２２を構成するガス吸着性有機材料を溶媒に溶解又は分散させた塗布液２２Ａを、図２に示すようにゲート絶縁層２０上にディスペンサー３０によって滴下し、乾燥させることでガス吸着性有機材料を含むガス吸着層２２を形成することができる。

ガス吸着層２２を形成する方法としては、ディスペンサー法に限らず、例えば、インクジェット法、ディップコート法、スプレーコート法、スピンコート法、ブレードコート法、キャスト法、ロールコート法、バーコート法、ダイコート法、ミスト法、スクリーン印刷法、凸版印刷法、凹版印刷法、電解重合法、電界紡糸法等を適用してもよい。

次いで、ガス吸着層２２上にガス透過性を有するゲート電極２４を形成する。例えば、ゲート電極２４を構成する金属のターゲットを用いてスパッタリングすることによりガス吸着層２２上にゲート電極２４を形成する。このとき、例えば１０ｎｍ以下の厚みで成膜すれば、図３に示すようにガス吸着層２２に付着した金属粒子の間に隙間を有する多孔質構造のゲート電極２４が形成され、ガス吸着層２２にもガスを接触させることができる。
なお、ゲート電極２４の成膜方法は、スパッタリングに限定されず、有機材料を含むガス吸着層２２を損傷せずにガス透過性を有するゲート電極を形成することができればよい。例えば、電子ビーム蒸着や印刷、塗布等の湿式方式によりゲート電極を形成してもよい。

なお、図１に示すガスセンサ用電界効果型デバイス１００は、Ｎチャネル、ディプレッション型（ノーマリーオン）のＦＥＴであるが、本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス１００は、Ｐチャネルでもよいし、エンハンスメント型（ノーマリーオフ）でもよい。
また、図１に示すガスセンサ用電界効果型デバイス１００は、シリコン基板にドーピングによりソース・ドレイン電極１２Ｓ，１２Ｄを形成した構成を有するが、図１に示す構成に限定されず、ガラス基板、樹脂基板等の支持基板上に本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス１００を形成し、薄膜トランジスタ型（Thin Film Transistor, TFT）としてもよい。支持基板上に本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス１００を形成する場合、例えば、図４に示すように、ガラス等の支持基板５０上に、半導体層１０、ソース・ドレイン電極１２Ｓ，１２Ｄ、絶縁層２０、ガス吸着層２２、ゲート電極２４を順次形成してもよいし、図５に示すように、支持基板５０上に、ソース・ドレイン電極１２Ｓ，１２Ｄ、半導体層１０、絶縁層２０、ガス吸着層２２、ゲート電極２４を順次形成してもよい。

［ガスセンサ］
本発明の実施形態に係るガスセンサは、前述したガスセンサ用電界効果型デバイス１００を備えている。図６は、本発明の実施形態に係るガスセンサの構成の一例を概略的に示している。
本発明の実施形態に係るガスセンサ用電界効果型デバイス１００は、ゲート電極２４を透過したガスに含まれる特定のガス成分がガス吸着層２２に吸着されることで、ガス吸着層２２の誘電率などの特性変化が生じる。そのため、ガスセンサ用電界効果型デバイス１００のトランジスタ特性（電圧及び／又は電流）の変化を電気的に検出することでガスを検出することができる。

また、極性、溶解性、親和性、親水性、疎水性、分子サイズ等が異なるガス吸着性有機材料を用いてそれぞれガス吸着層２２を形成した複数のガスセンサ用電界効果型デバイス１００をアレイ化し、集積させることで、種々のガス検出が可能なガスセンサとすることもできる。

図７は、ガス吸着層２２のガス吸着特性及び動作温度の少なくとも一方が互いに異なる複数のガスセンサ用電界効果型デバイス１００を備えたガスセンサの一例を示している。図７に示すガスセンサ３００は、それぞれ極性が異なり、それによりガス吸着特性が異なるガス吸着性有機材料によってガス吸着層を有する４つのガスセンサ用電界効果型デバイス１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄ、各デバイス１００の電圧及び電流を測定する機器４４、ディスプレイ４６等を備え、各デバイス１００のトランジスタ特性の変化を測定できるように構成されている。ガスセンサ用電界効果型デバイス１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄをガスフローセル４０内に配置し、配管４２Ａ，４２Ｂを通じてガスフローセル４０内に試料ガスを導入し、排出する。このようにガス吸着層２２に用いる材料の極性が互いに異なる複数のガスセンサ用電界効果型デバイス１００を備えたガスセンサであれば、複数種のガスを検出することができる。

なお、各デバイス１００のガス吸着層２２を構成するガス吸着性有機材料は複数種のガス成分を吸着する場合もあるし、ガス吸着性有機材料の種類が異なっても同じガス成分を吸着する場合があるが、ガス吸着性有機材料の種類が異なれば、基本的にガスに対する吸着特性は異なる。そのため、検出対象とするガス成分に対し、各デバイス１００のガス吸着特性が反映されたトランジスタ特性の変化を予め調べておけば、種々のガスを検出することができる。
また、本発明のデバイスは、温度によって、ガスの吸脱着特性やＦＥＴとしての電気特性が変化する。本発明のガスセンサに含まれる各デバイスは、それぞれ動作する温度が異なるように構成してもよい。ガスセンサの動作温度を調整・制御すると、吸着したガス分子の脱離特性が分子の種類によって異なり、分子識別の重要な指標になる。例えば、複数のデバイス１００が、同じ材料で構成したガス吸着層２２を有していても、ガスセンサを異なる温度で動作させておけば、センサの応答が異なる。ガス吸着性有機材料の種類とセンサの動作温度を制御・最適化することにより、ガス検出の精度を向上させることができる。
また、ガス検出の選択性を変え、高い選択性でガスを検出したり、あるいは複数の異なる選択性を有するガスセンサを用い、それらの信号を情報処理することによりガスを同定・定量することができるように、ガス選択性の異なる複数のガスセンサデバイスを容易に集積化することが可能なガスセンサシステムとすることもできる。

本発明に係るガスセンサによる検出対象となるガスは特に限定されない。例えば、屋内外での有毒ガスの検出、呼気に含まれるアルコール、違法薬物などの検出に適用することができる。また、呼気中に含まれる成分を検出して臓器等の診断を行う場合にも適用することも考えられる。

以下に本発明の実施例について説明するが、本発明は以下に示す実施例に限定的に解釈されるものではない。

［実施例１］
＜ガスセンサ用電界効果型デバイス１の作製＞
半導体層、ソース・ドレイン電極、絶縁層を備えた基板として、アイスフェトコム社製、研究用ＩＳＦＥＴを用いた。各層の構成は以下の通りである。
半導体層：ｐ−Ｓｉ
ソース・ドレイン電極：ｎ−Ｓｉ
ゲート絶縁層：ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｔａ_２Ｏ_５

（ガス吸着層の形成）
Ｔａ_２Ｏ_５層上に、ＰＥＧ溶液（溶媒：純水、ＰＥＧ濃度：０．５ｍｇ／１ｍＬ）を滴下し、８０℃で、１時間乾燥させた。これによりＴａ_２Ｏ_５層上にＰＥＧ層（ガス吸着層）を形成した。

（ゲート電極の形成）
ゲート電極として、ガス吸着層上にスパッタリングによってＰｔ層を形成した。スパッタリングの条件は下記の通りである。Ｐｔ層の厚みは６ｎｍであった。
−スパッタリング条件−
・ターゲット；Ｐｔ
・成膜圧力；チャンバー内圧力１Ｐａ
・成膜温度；室温
・成膜雰囲気；Ａｒガス

上記工程を経て、図８に示すガスセンサ用電界効果型デバイス１を作製した。

＜評価＞
図９に示す電気回路の評価系の下、ガスセンサ用電界効果型デバイス１をガスフローセル内に配置し、ガスセンサ用電界効果型デバイス１を約６０℃付近に温めながら２５０ｓ毎にガスフローのＯＮ、ＯＦＦを行い、図９における出力電圧Ｖｏｕｔを測定した。また、本ガスセンサ用デバイスの動作に使用される電気回路は図９に示す電気回路に限定されるものではない。
使用した試料ガスの成分及び流量は下記の通りである。なお、デバイスの加温は吸着したガスの脱着を促すためである。
試料ガス：ＣＨ_３ＯＨとＮ_２の混合ガス（ＣＨ_３ＯＨ濃度：５４３ｐｐｍ）
流量：１Ｌ／ｍｉｎ

図１０は、実施例１におけるガスフローと出力電圧の経時変化を示している。図１０に示すように、ガスフローをＯＮ、すなわち、セル内に試料ガスを供給すると出力電圧が上昇し、ガスフローをＯＦＦ、すなわち、セル内への試料ガスの供給を止めると出力電圧が降下する現象が、規則的にかつ安定して繰り返された。
この結果から、ガスセンサ用電界効果型デバイス１を用いることでＣＨ_３ＯＨを含んだガスとデバイスのガス吸着層が相互作用した際のデバイスの電気的特性変化を検出することでガスを検出できることがわかる。

［実施例２］
＜ガスセンサ用電界効果型デバイス２の作製＞
実施例１と同様の構成を有するＩＳＦＥＴを用意した。

（ガス吸着層の形成）
Ｔａ_２Ｏ_５層上に、下記構造を有するシロキサン化合物溶液（Ｓｉｌｉｃｏｎｅ ＯＶ−７３、信和化工株式会社、溶媒：トルエン、濃度：０．５ｍｇ／１ｍＬ）を滴下し、室温で、１時間乾燥させた。これによりＴａ_２Ｏ_５層上シロキサン化合物層（ガス吸着層）を形成した。

（ゲート電極の形成）
ゲート電極として、実施例１と同様にしてガス吸着層上にスパッタリングによってＰｔ層を形成した。

上記工程を経て、ガスセンサ用電界効果型デバイス２を作製した。

＜評価＞
図９の電気回路評価系の下で、ガスセンサ用電界効果型デバイス２をガスフローセル内に配置し、ガスセンサ用電界効果型デバイス２を約６５℃で温めながら２５０ｓ毎にガスフローのＯＮ、ＯＦＦを行い、出力電圧Ｖｏｕｔを測定した。また、本ガスセンサ用デバイスの動作に使用される電気回路は図９に示す電気回路に限定されるものではない。
使用した試料ガスの成分及び流量は下記の通りである。なお、デバイスの加温は吸着したガスの脱着を促すためである。
試料ガス：ＣＨ_３ＯＨとＮ_２の混合ガス（ＣＨ_３ＯＨ濃度：５４３ｐｐｍ）
流量：１Ｌ／ｍｉｎ

ガスセンサ用電界効果型デバイス２を約７０℃又は約７５℃で温めながら上記と同様にガスフローのＯＮ、ＯＦＦを行った。

図１１は、ガスフローと出力電圧の経時変化を示している。図１１に示すように、デバイスの温度に関わらず、セル内に試料ガスを供給すると出力電圧が上昇し、セル内への試料ガスの供給を止めると出力電圧が降下する現象が、規則的にかつ安定して繰り返された。
この結果から、ガスセンサ用電界効果型デバイス２を用いることでＣＨ_３ＯＨと窒素の混合ガスを検出できることがわかる。

１０ 半導体層
１２Ｄ ドレイン電極
１２Ｓ ソース電極
１４ 酸化ケイ素膜
１６ 窒化ケイ素膜
１８ 酸化タンタル膜
２０ ゲート絶縁層
２２ ガス吸着層
２４ 多孔性ゲート電極
３０ ディスペンサー
５０ 支持基板
１００ ガスセンサ用電界効果型デバイス

Claims (4)

1. ガスが透過するゲート電極と、
   前記ゲート電極を透過したガスを選択的に吸着する有機材料及び／又は錯体材料を含むガス吸着層と、
   前記ガス吸着層に対して前記ゲート電極とは反対側に配置されたゲート絶縁層と、
   前記ゲート絶縁層に対して前記ガス吸着層とは反対側で互いに離間して配置されたソース電極及びドレイン電極と、
   前記ソース電極と前記ドレイン電極との間でチャネルを形成する半導体層と、
   を有するガスセンサ用電界効果型デバイス。
2. 前記ガス吸着層が、
   前記有機材料として、ポリエチレングリコール、シロキサン系化合物、又は、ポリエチレングリコール若しくはシロキサン系化合物を、ベンゼン環、プロリン、及び二級アミンからなる群より選ばれる機能性官能基によって化学修飾した化合物を含む層、
   前記錯体材料として、金属有機構造体を含む層、又は、
   前記有機材料中に前記錯体材料を分散させた層である請求項１に記載のガスセンサ用電界効果型デバイス。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ用電界効果型デバイスを備えたガスセンサ。
4. 前記ガスセンサ用電界効果型デバイスを複数備え、前記複数のガスセンサ用電界効果型デバイスは、前記ガス吸着層のガス吸着特性及び動作温度の少なくとも一方が互いに異なる請求項３に記載のガスセンサ。