JP7215347B2 - ガスセンサ、及びガスセンサの製造方法 - Google Patents
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Description
図1に示すように、グラフェンは、グラファイトの一原子層に相当するシート状の物質であって、炭素原子が蜂の巣状に結合した結晶構造を持つ。このような結晶構造に起因してグラフェンの比表面積はグラファイトのそれよりも大きくなり、外界の雰囲気等にグラフェンの電子状態が大きく影響されることになる。この特徴を利用すれば、大気や呼気に含まれる特定のガスでグラフェンの電子状態が変化し、そのガスを検出することができると考えられる。
図3に示すように、ゲート電極7の仕事関数φmは、真空準位E0とフェルミ準位EFとの差で定義される。シリコン基板2においては、価電子帯BSVと伝導帯BSCとの間のバンドギャップGにそのフェルミ準位EFが位置しており、そのフェルミ準位EFと真空準位E1との差がシリコン基板2の仕事関数φsとなる。
本実施形態に係るガスセンサについて、その製造工程を追いながら説明する。そのガスセンサはグラフェン層を利用して一酸化窒素を検出する。そこで、まずグラフェン層の形成方法について説明する。
まず、電極形状の開口を備えたレジスト層(不図示)を半導体基板30の上側に形成し、更にその開口内に蒸着法でアルミニウム層を10nm~1000nm程度の厚さに形成する。そして、レジスト層を除去することによりソース領域31とドレイン領域32の各々の上のアルミニウム層をソース電極37及びドレイン電極38にすると共に、グラフェン層21の上のアルミニウム層をゲート電極39とする。このような電極のパターニング方法はリフトオフ法とも呼ばれる。
なお、図9では金属フタロシアニン層40を省いてある。また、前述の図8は、図9のI-I線に沿う断面図に相当する。
図10は、ガスセンサ50の使用方法について説明するための断面図である。
図17(a)~(c)は、金属フタロシアニン層40として銅フタロシアニン層を形成したときのシミュレーション結果を示すエネルギバンド図である。
図18(a)~(c)は、金属フタロシアニン層40としてニッケルフタロシアニン層を形成したときのシミュレーション結果を示すエネルギバンド図である。
図19(a)~(c)は、金属フタロシアニン層40としてコバルトフタロシアニン層を形成したときのシミュレーション結果を示すエネルギバンド図である。
図20(a)~(c)は、金属フタロシアニン層40としてマンガンフタロシアニン層を形成したときのシミュレーション結果を示すエネルギバンド図である。
図21(a)~(c)は、金属フタロシアニン層40としてクロムフタロシアニン層を形成したときのシミュレーション結果を示すエネルギバンド図である。
図22(a)~(c)は、金属フタロシアニン層40としてチタンフタロシアニン層を形成したときのシミュレーション結果を示すエネルギバンド図である。
なお、図23においては、前述のフェルミ準位EFの変化量ΔEFの他に、結合エネルギEbinとドレイン電流の変化量をId2/Id1も併記してある。このうち、結合エネルギEbinは、金属フタロシアニン層40と一酸化窒素のガス分子48との間の結合エネルギである。その結合エネルギEbinは、クロムフタロシアニン層40において特に強くなっており、一酸化窒素のガス分子48がクロム原子に吸着することが示唆された。
ガスセンサでガス分子を検出した後は、加熱によりガス分子をガスセンサから脱離させるリフレッシュを行い、ガスセンサを再利用できるようにするのが好ましい。本実施形態では、リフレッシュによってガス分子を脱離させ易いガスセンサについて説明する。
まず、第1実施形態の図5(a)~(c)の工程を行うことにより、支持層22の上にグラフェン層21が形成された構造を作製する。そして、そのグラフェン層21の裏面21bを金属フタロシアニン層40に密着させ、支持層22を押圧することにより、金属フタロシアニン層40にグラフェン層21を圧着する。
本実施形態では、第2実施形態とは異なる方法でグラフェン層21と金属フタロシアニン層40とを積層する。
(付記1) 半導体基板と、
前記半導体基板の表層に形成されたソース領域と、
前記半導体基板の前記表層に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体基板の上に形成されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層の上に形成されたグラフェン層と、
前記グラフェン層の第1の領域における表面に形成されたゲート電極と、
前記グラフェン層の第2の領域における前記表面と裏面のいずれかに形成された金属フタロシアニン層と、
を有することを特徴とするガスセンサ。
(付記2) 前記グラフェン層の厚さは、一原子層の厚さであることを特徴とする付記1に記載のガスセンサ。
(付記3) 前記金属フタロシアニン層は、前記表面に一分子層の厚さに形成されたことを特徴とする付記1に記載のガスセンサ。
(付記4) 前記金属フタロシアニン層は、チタンフタロシアニン層、バナジウムフタロシアニン層、クロムフタロシアニン層、マンガンフタロシアニン層、鉄フタロシアニン層、及びコバルトフタロシアニン層のいずれかであることを特徴とする付記1に記載のガスセンサ。
(付記5) 前記金属フタロシアニン層が前記裏面に形成され、
前記第2の領域における前記グラフェン層が露出していることを特徴とする付記1に記載のガスセンサ。
(付記6) 前記金属フタロシアニン層が前記表面に形成され、前記第2の領域において前記金属フタロシアニン層が露出していることを特徴とする付記1に記載のガスセンサ。
(付記7) 前記ソース領域寄りの前記グラフェン層の側面が、前記ソース領域寄りの前記ゲート絶縁層の側面から前記ドレイン領域側に後退していることを特徴とする付記1に記載のガスセンサ。
(付記8) 半導体基板の表層にソース領域を形成する工程と、
前記半導体基板の前記表層にドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体基板の上にゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層の上にグラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層の第1の領域における表面にゲート電極を形成する工程と、
前記グラフェン層の第2の領域における前記表面に金属フタロシアニン層を形成する工程と、
を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。
(付記9) 前記グラフェン層を形成する工程は、
前記グラフェン層を加熱しながら、支持層の上に形成された前記グラフェン層を前記ゲート絶縁層に圧着する工程と、
前記圧着の後、前記支持層を除去する工程とを有することを特徴とする付記8に記載のガスセンサの製造方法。
(付記10) 前記金属フタロシアニン層を形成する工程は、前記半導体基板を加熱しながら蒸着法により行われることを特徴とする付記8に記載のガスセンサの製造方法。
(付記11) 半導体基板の表層にソース領域を形成する工程と、
前記半導体基板の前記表層にドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体基板の表面にゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層の上に金属フタロシアニン層を形成する工程と、
前記金属フタロシアニン層の上にグラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層の第2の領域が露出するように、前記グラフェン層の第1の領域における表面にゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。
(付記12) 前記金属フタロシアニン層を形成する工程と、前記グラフェン層を形成する工程は、
支持層の上に前記グラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層の上に前記金属フタロシアニン層を形成する工程と、
前記金属フタロシアニン層を、前記グラフェン層と共に前記ゲート絶縁層に圧着する工程と、
前記圧着の後、前記支持層を除去する工程とを有することを特徴とする付記11に記載のガスセンサの製造方法。
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の表層に形成されたソース領域と、
前記半導体基板の前記表層に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域とドレイン領域との間の前記半導体基板の上に形成されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層の上に形成されたグラフェン層と、
前記グラフェン層の第1の領域における表面に形成されたゲート電極と、
前記グラフェン層の第2の領域における前記表面に形成されたクロムフタロシアニン層である金属フタロシアニン層と、
を有することを特徴とするガスセンサ。 - 半導体基板と、
前記半導体基板の表層に形成されたソース領域と、
前記半導体基板の前記表層に形成されたドレイン領域と、
前記ソース領域とドレイン領域との間の前記半導体基板の上に形成されたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層の上に形成されたグラフェン層と、
前記グラフェン層の第1の領域における表面に形成されたゲート電極と、
前記グラフェン層の第2の領域における裏面に形成された金属フタロシアニン層と、
を有することを特徴とするガスセンサ。 - 前記グラフェン層の厚さは、一原子層の厚さであることを特徴とする請求項1または2に記載のガスセンサ。
- 前記金属フタロシアニン層は、一分子層の厚さに形成されたことを特徴とする請求項1または2に記載のガスセンサ。
- 半導体基板の表層にソース領域を形成する工程と、
前記半導体基板の前記表層にドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体基板の上にゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層の上にグラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層の第1の領域における表面にゲート電極を形成する工程と、
前記グラフェン層の第2の領域における前記表面にクロムフタロシアニン層である金属フタロシアニン層を形成する工程と、
を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。 - 半導体基板の表層にソース領域を形成する工程と、
前記半導体基板の前記表層にドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の前記半導体基板の上にゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層の上に金属フタロシアニン層を形成する工程と、
前記金属フタロシアニン層の上にグラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層の第2の領域が露出するように、前記グラフェン層の第1の領域における表面にゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とするガスセンサの製造方法。
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