(57)【要約】【課題】変質によるＤＰの変化を抑制し、被検出分子を高い精度で検出する分子検出装置を提供する。【解決手段】実施形態の分子検出装置は、両極性を有するチャネル層を備え、第１のディラックポイントを有する第１の電界効果トランジスタを含む第１のセンサ２２Ａと、両極性を有するチャネル層を備え、第１のディラックポイントとは異なる第２のディラックポイントを有する第２の電界効果トランジスタを含む第２のセンサ２２Ｂと、第１及び第２のディラックポイントと被検出分子により変化した第１及び第２の電界効果トランジスタのディラックポイントとに基づいて、ディラックポイントのシフト量を求めることにより、被検出分子を検出する検出部とを具備する。【選択図】図３
2020046316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型とｎ型の両極性を有するチャネル層を備え、第１のディラックポイントを有する第１の電界効果トランジスタを含む第１のセンサと、
ｐ型とｎ型の両極性を有するチャネル層を備え、前記第１のディラックポイントとは異なる第２のディラックポイントを有する第２の電界効果トランジスタを含む第２のセンサと、
前記第１及び第２のディラックポイントと被検出分子により変化した前記第１及び第２の電界効果トランジスタのディラックポイントとに基づいて、ディラックポイントのシフト量を求めることにより、前記被検出分子を検出する検出部と
を具備する分子検出装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の電界効果トランジスタは、前記チャネル層としてのグラフェン層と、前記グラフェン層と電気的に接続された第１及び第２の電極と、前記グラフェン層と絶層膜を介して配置された第３の電極とを備える、請求項１に記載の分子検出装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記第１及び第２のディラックポイントを記憶する記憶部と、前記第１及び第２のディラックポイントと前記被検出分子に基づいて変化する前記第１及び第２の電界効果トランジスタのディラックポイントとから前記ディラックポイントのシフト量を求めるシフト量算出部とを備える、請求項１又は請求項２に記載の分子検出装置。
【請求項４】
前記検出部は、前記ディラックポイントのシフト量と前記被検出分子の濃度とを記憶する記憶部と、前記被検出分子に基づく前記ディラックポイントのシフト量から前記被検出分子の濃度を算出する濃度算出部とを備える、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の分子検出装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の電界効果トランジスタの前記絶縁膜がシリコン酸化膜であり、前記シリコン酸化膜の膜厚がｔ［ｎｍ］であるとき、前記第１及び第２の電界効果トランジスタの少なくとも一方のディラックポイント電圧［Ｖ］は０．０１ｔ以上０．１ｔ以下の範囲である、請求項２に記載の分子検出装置。
【請求項６】
ｐ型とｎ型の両極性を有するチャネル層を備え、第１のディラックポイントを有する第１の電界効果トランジスタを含む第１のセンサと、ｐ型とｎ型の両極性を有するチャネル層を備え、前記第１のディラックポイントとは異なる第２のディラックポイントを有する第２の電界効果トランジスタを含む第２のセンサユニットとに、被検出分子を導入する工程と、
前記第１及び第２のディラックポイントと被検出分子により変化した前記第１及び第２の電界効果トランジスタのディラックポイントとに基づいて、ディラックポイントのシフト量を求めることにより、前記被検出分子を検出する工程と
を具備する分子検出方法。
【請求項７】
前記第１及び第２の電界効果トランジスタは、前記チャネル層としてのグラフェン層と、前記グラフェン層と電気的に接続された第１及び第２の電極と、前記グラフェン層と絶層膜を介して配置された第３の電極とを備える、請求項６に記載の分子検出方法。
【請求項８】
前記被検出分子の検出工程は、前記被検出分子が導入されていない前記第１及び第２の電界効果トランジスタの前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる第１の電流を、それぞれ前記第３電極に印加する電圧を変化させつつ測定し、前記第１の電流と前記電圧との相関を示す基準データを求める工程と、前記被検出分子が導入された前記第１及び第２の電界効果トランジスタの前記第３の電極の電圧がゼロのときの前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる第２の電流をそれぞれ測定する工程と、前記第１及び第２の電界効果トランジスタの前記第２の電流の測定値と前記基準データとを比較して、前記ディラックポイントの電圧シフト量を求める工程とを有する、請求項７に記載の分子検出方法。
【請求項９】
さらに、予め用意された前記被検出分子の濃度と前記ディラックポイントのシフト量との相関データを用いて、前記導入された被検出分子に基づく前記ディラックポイントのシフト量から前記被検出分子の濃度を算出する工程を具備する、請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載の分子検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、分子検出装置及び分子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
低濃度の被検出分子の検出素子としては、例えばチャネル層としてグラフェンを有する電界効果トランジスタ（グラフェンＦＥＴ：ＧＦＥＴ）を備え、グラフェンの表面を特定物質と選択的に反応又は吸着する有機物質等で表面修飾した素子が知られている。グラフェンの表面を修飾した有機物質にガス成分が反応又は吸着されることによって、ＧＦＥＴのディラックポイント（ＤＰ）がシフトするため、このＤＰシフトを測定することによりガス成分が検出される。ＧＦＥＴのＤＰシフトを求めるためには、ゲート電圧Ｖｇを変化させて、ドレイン電流Ｉｄの変化を示すＩｄ−Ｖｇ特性を測定する必要がある。
【０００３】
この際、ゲート電圧Ｖｇの印加を繰り返すことによって、測定中のＶｇストレスによりＧＦＥＴが変質し、基準となるＤＰ値が変化するおそれがある。これはＩｄ−Ｖｇ特性の測定に基づくガス成分の検出自体にＧＦＥＴのＤＰ電圧のシフトを利用しているため、基準となるＤＰ電圧の値が変化してしまうとＤＰ電圧のシフト量の測定精度を低下させ、ひいてはガス成分の検出精度を低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１０４１５６号
【特許文献２】国際公開第２０１７／０４２８５１号
【特許文献３】特開２０１８−０４８８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、変質によるＤＰの変化を抑制し、被検出分子を高い精度で検出する分子検出装置及び分子検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の分子検出装置は、ｐ型とｎ型の両極性を有するチャネル層を備え、第１のディラックポイントを有する第１の電界効果トランジスタを含む第１のセンサと、ｐ型とｎ型の両極性を有するチャネル層を備え、第１のディラックポイントとは異なる第２のディラックポイントを有する第２の電界効果トランジスタを含む第２のセンサと、前記第１及び第２のディラックポイントと被検出分子により変化した前記第１及び第２の電界効果トランジスタのディラックポイントとに基づいて、ディラックポイントのシフト量を求めることにより、被検出分子を検出する検出部とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態の分子検出装置を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態の分子検出装置におけるセンサ部を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態の分子検出装置におけるセンサ部を一部透視して示す平面図である。
【図４】図２及び図３に示すセンサ部のセンサユニットにおけるＧＦＥＴを示す断面図である。
【図５】第１の実施形態の分子検出装置における被検出分子の検出結果の一例を示す図である。
【図６】従来の分子検出装置における被検出分子の検出結果の一例を示す図である。
【図７】第１の実施形態の分子検出装置に用いられるＧＦＥＴのＩｄ−Ｖｇ特性の一例を示す図である。
【図８】第２の実施形態の分子検出装置のセンサ部におけるセンサユニット（ＧＦＥＴ）を示す断面図である。
【図９】第２の実施形態の分子検出装置に用いられる有機物プローブの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態の分子検出装置について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態の分子検出装置を示すブロック図である。図１に示す分子検出装置１は、例えば被検出分子（被検出物）２を含む検出対象ガス３から被検出分子２を検出し、被検出分子２の濃度の算出、また場合によっては被検出分子２の種別の識別等を行う装置であり、捕集部１０とセンサ部２０と検出部３０とを備えている。
【００１０】
図１に示す分子検出装置１は、その前段の前処理装置として、フィルタ装置や分子分配装置等を有していてもよい。検出対象ガス３は、被検出分子２に類似する分子量や分子構造等を有する物質を不純物として含んでいる場合がある。また、空気中に漂う被検出分子２は、におい成分や微粒子等の様々な夾雑物と混ざった状態で存在することが多い。検出対象ガス３は、予めフィルタ装置等で前処理した後に、分子検出装置１に送るようにしてもよい。フィルタ装置には、一般的な中高性能フィルタ等が用いられる。なお、フィルタ装置等の前処理装置は必要に応じて設置されるものであり、被検出分子２を含む検出対象ガス３を分子検出装置１の捕集部１０で直接捕集してもよい。
【００１１】
被検出分子２を含む検出対象ガス３は、直接もしくはフィルタ装置等で前処理された後に捕集部１０で捕集される。捕集部１０としては、例えば吸引ポンプ、送風ポンプ、真空ポンプ等のポンプが用いられる。捕集部１０のポンプにより被検出分子２を含む検出対象ガス３を吸引し、この吸引した検出対象ガス３がセンサ部２０に送られる。ポンプの動作をオンオフすることによって、検出対象ガス３のセンサ部２０への導入の開始及び停止が制御される。捕集部１０はポンプに代えて、バルブを有する配管や一般的な捕集器等を適用してもよい。捕集部１０における配管のバルブを開閉することによって、検出対象ガス３のセンサ部２０への導入の開始及び停止が制御される。捕集器は捕集口で捕集された検出対象ガス３をセンサ部２０に導入する。
【００１２】
センサ部２０は被検出分子２の有無等を測定するものであり、センサ部２０の測定結果に基づいて判別部３０で被検出分子２の検出、さらには被検出分子２の濃度算出や種別識別等が実施される。センサ部２０は、図２に示すように、測定室２１と、測定室２１内に配置されたセンサユニット（単にセンサとも言う）２２とを有している。測定室２１にはガス導入口２３とガス導出口２４とが設けられている。測定室２１は検出対象ガス３が流れる空間であり、その中にセンサユニット２２が配置されている。図２及び図３に示す矢印は、検出対象ガス３の流れの方向を示している。なお、捕集部１０としてのポンプに代えて、バルブを有する配管や一般的な捕集器等を適用する場合、センサ部２０は測定室２１内を減圧する減圧ポンプのような減圧機構を備えていてもよい。
【００１３】
センサ部２０のセンサユニット２２は、図３に示すように、第１のセンサユニット２２Ａと第２のセンサユニット２２Ｂとを含んでいる。第１及び第２のセンサユニット２２Ａ、２２Ｂは、それぞれ測定室２１内に配置されている。第１のセンサユニット２２Ａ及び第２のセンサユニット２２Ｂは、それぞれ図４に示すようなバックゲート型のグラフェンＦＥＴ（ＧＦＥＴ）２５を備えている。ＧＦＥＴ２５は、シリコン基板のような半導体基板２５１と、半導体基板２５１の下面に設けられたゲート電極（第３の電極）２５２と、半導体基板２５１の上面に設けられたゲート絶縁膜２５３と、ゲート絶縁膜２５３上にチャネルとして設けられたグラフェン層２５４と、グラフェン層２５４の一端に設けられたソース電極（第１の電極）２５５と、グラフェン層２５４の他端に設けられたドレイン電極（第２の電極）２５６とを有している。ゲート絶縁膜２５３としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。ソース電極２５５とドレイン電極２５６は、グラフェン層２５４の下部に形成されていてもよい。ここではシリコン基板のような半導体基板２５１を用いたが、半導体基板２５１は省いてもよい。グラフェン層２５４はゲート絶縁膜２５３を介してゲート電極２５２上に形成されていてもよい。
【００１４】
センサユニット２２上に導入された被検出分子２は、グラフェン層２５４に付着又は吸着され、ＧＦＥＴ２５の電気特性に基づく出力を変化させる。具体的には、ＧＦＥＴ２５のゲート電圧Ｖｇを変化させてドレイン電流Ｉｄの変化を測定したＩｄ−Ｖｇ特性において、被検出分子２がグラフェン層２５４に付着又は吸着されると、ディラックポイント（ＤＰ）が変化する。ＤＰの変化は、例えばＤＰ電圧のシフトとして測定される。ＤＰ電圧のシフト量を測定することで、被検出分子２としてのガス成分（ガス分子）が検出される。なお、後に詳述するように、実施形態の分子検出装置１においては、基準時のＤＰが異なる第１のセンサユニット２３Ａ及び第２のセンサユニット２３Ｂを用いている。このため、ドレイン電流Ｉｄを変化させたＩｄ−Ｖｇ特性の測定は、第１及び第２のセンサユニット２２Ａ、２２Ｂの基準時のＤＰを決定する場合のみでもよく、ガス分子の検出時には例えばＶｇがゼロの際のＩｄに基づいてＤＰ電圧のシフト量が測定される。
【００１５】
第１及び第２のセンサユニット２２Ａ、２２ＢのＧＦＥＴ２５において、グラフェン層２５４はホールと電子という２つのキャリアを持つことが可能である。ここで、一般的な３次元固体のバンド構造では、低いエネルギー価電子帯と高いエネルギー伝導帯との間にバンドギャップを有している。これに対して、グラフェンは低いエネルギー帯と高いエネルギー帯とがＤＰで接しており、このＤＰ付近でキャリア密度が最小となるバンド構造を有している。すなわち、グラフェン層２５４はｐ型とｎ型の両極性を有しており、Ｖｇを変化させてＩｄ−Ｖｇ特性を測定したとき、ＤＰ付近でＩｄが最小値をとる。ＤＰ特性はグラフェン層２５４にガス成分（ガス分子）が吸着した際にシフトするため、ガス分子を検出することができる。このようなガス分子の検出は、グラフェン層２５４を有するＦＥＴに限定されるものではない。すなわち、グラフェン層２５４と同様に、ｐ型とｎ型の両極性を有するチャネル層を備えたＦＥＴを用いたセンサユニットにおいても、例えばＤＰ電圧のシフト量の測定によりガス分子を検出することができ、後述する２つのセンサユニットを用いたＤＰ電圧のシフト量の測定に適用することができる。
【００１６】
また、グラフェンの層数が２層、３層と増えるとバンドギャップが生じることがあり、この場合、検出感度が高まることがある。従って、グラフェン層２５４はグラフェンの単層構造に限らず、５層以下程度のグラフェンの積層体で作製してもよい。また、グラフェン層２５４をグラフェンのナノリボンを用いて作製してバンドギャップを形成してもよい。さらに、グラフェン層２５４をメッシュ状にしてバンドギャップを形成してもよい。これらに限定されず、その他の各種方法によりグラフェン層２５４にバンドギャップを形成してもよい。
【００１７】
実施形態の分子検出装置１において、第１のセンサユニット２３Ａ及び第２のセンサユニット２３ＢのＧＦＥＴ２５は、それぞれディラックポイント（ＤＰ）を備えている。ただし、第１のセンサユニット２３Ａの第１のＧＦＥＴ２５が備える基準時の第１のＤＰは、例えば図５に示すように、第２のセンサユニット２３Ｂの第２のＧＦＥＴ２５が備える基準時の第２のＤＰと異なっている。ここで、基準時のＤＰとは、ガス検知前（ガス導入前）のＩｄ−Ｖｇ特性に基づいて測定したＤＰである。例えば、第１のＧＦＥＴ２５が備える第１のＤＰ電圧が１０Ｖとした場合、第２のＧＦＥＴ２５が備える第２のＤＰは−１０Ｖというように、第１のＧＦＥＴ２５の第１のＤＰ電圧とは異なっている。以下に詳述するように、２つのセンサユニット２３Ａ、２３ＢのＤＰ電圧を用いてシフト量を測定することによって、ガス検知時にＶｇを変化させることなくＤＰシフト量を測定することができる。ＤＰシフト量は、第１及び第２のＤＰ（基準時のＤＰ）と被検出分子２により変化した第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＤＰとに基づいて求められる。従って、測定中のＶｇストレスによるＧＦＥＴの基準時のＤＰ電圧の変化を抑制することができる。さらに、２点のＶｇを測定して得たＩｄからＤＰ電圧のシフト量を求めているため、ＤＰ電圧のシフトの方向（極性）及びシフト量を確定することができる。これらによって、ガス分子の検出精度を高めることが可能になる。
【００１８】
第１のセンサユニット２３Ａの第１のＧＦＥＴ２５と第２のセンサユニット２３Ｂの第２のＧＦＥＴ２５とは、ＤＰが異なることを除いて、同一の構成を有することが好ましい。言い換えると、図５に示すＩｇ−Ｖｄ特性において、２つのＧＦＥＴ２５はＤＰ値が異なることを除いて、おおよそ同一な曲線形状を有していることが好ましい。これによって、２つのＧＦＥＴ２５のＤＰ電圧に基づくＤＰシフト量の測定精度を高めることができる。２つのＧＦＥＴ２５における異なるＤＰは、例えばＧＦＥＴの製造条件の誤差等により生じたものであってもよいし、また積極的にＤＰが異なるような条件を適用してもよい。例えば、２つのＧＦＥＴ２５のゲート絶縁膜２５３の厚さを変えたり、一方のＧＦＥＴ２５のゲート絶縁膜２５３にイオン注入することによって、ＤＰを異ならせることができる。なお、センサユニット２３の数は２つに限られるものではなく、３つ以上であってもよい。センサユニット２３の数が複数であれば、ガス分子の検知時にＶｄを変化させることなくＤＰのシフト量を測定することができる。
【００１９】
センサ部２０は、さらに第１及び第２のセンサユニット２３Ａ、２３Ｂから出力された電気信号を必要に応じて処理して検出部３０に送る信号処理部や、第１及び第２のセンサユニット２３Ａ、２３Ｂの動作を制御する制御部等を有している。検出部３０には、第１及び第２のセンサユニット２３Ａ、２３Ｂのグラフェン層２５４に被検出分子２が吸着されることにより変化するＧＦＥＴ２５の出力信号、例えば各ＧＦＥＴ２５のＤＰ電圧に対応する電気信号が必要に応じて処理されて送られる。信号処理部や制御部は、例えばプロセッサ等を用いたハードウェアにより実現してもよい。
【００２０】
検出部３０は、ガス導入前の第１及び第２のＧＦＥＴ２５の基準時のＩｇ−Ｖｄ特性における第１及び第２のＤＰ信号（基準値）を記憶する記憶部と、センサ部２０から送られた第１及び第２のＧＦＥＴ２５のガス検出時の第１及び第２のＤＰ信号を記憶部に記憶された第１及び第２のＤＰ信号と比較し、第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＤＰ電圧のシフト量を求めるシフト量算出部と、これら各部の動作を制御する制御部とを有している。検出部３０は、さらに被検出分子２が既知の場合、第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＤＰ電圧のシフト量と被検出分子２の濃度との相関関係から、検出され被検出分子２の濃度を算出する濃度算出部を有している。第１及び第２のＧＦＥＴ２５の出力信号値（ＤＰ信号値）は、検出部３０で信号処理される。検出部３０においては、センサ部２０から送られた検出信号（検出値）を記憶部に記憶された各ＧＦＥＴ２５の基準信号（基準値）と比較して被検出分子２を検出し、さらに被検出分子２の濃度を算出する。そして、被検出分子２の検出結果や濃度が出力される。ここでは、被検出分子２の種別が既知の場合に被検出分子２の検出や濃度を算出する方法を示したが、被検出分子２の検出はこれに限られない。例えば、第２の実施形態に示すように、ＧＦＥＴ２５が特定の被検出分子２に対して選択性を有する場合、被検出分子２の種別を特定しつつ、その濃度を算出することができる。
【００２１】
次に、第１及び第２のセンサユニット２３Ａ、２３Ｂを有するセンサ部２０によるガス分子の検出方法について述べる。まず、センサ部２０でガス分子を検出する前に、第１及び第２のセンサユニット２３Ａ、２３Ｂの第１及び第２のＧＦＥＴ２５のそれぞれのＤＰを基準値として測定する。測定結果の一例を図５の上図及び表１に示す。第１及び第２のＧＦＥＴ２５の基準値の測定は、図５の上図に示すように、Ｖｇを変化させた際のＩｄを測定し、Ｉｄ−Ｖｇ特性を取得する。測定は、表１に示すように、各Ｖｇに対応させた第１及び第２のＧＦＥＴ２５の各Ｉｄを得ることにより行う。
【００２２】
【表１】
2020046316.tif 000003
表１は基準値としてのＩｄ−Ｖｇ特性テーブルの一例を示している。
【００２３】
Ｖｇに対応させた各Ｉｄのテーブルは、例えば検出部３０の記憶部に記憶しておいてもよいし、情報ネットワークを介して分子検出装置１と接続された情報処理部等に記憶しておいてもよい。なお、Ｉｄ−Ｖｇ特性の基準値の測定は、分子検出装置１を作製する際に予め実施しておいてもよいし、またガス分子の検出を行う直前に実施してもよい。また、分子検出装置１とセンサユニット２２とを別に作製し、使用時に組合せても良い。この場合、センサユニット２２のＩｄ−Ｖｇ特性の基準値の測定は、センサユニット２２を作製する際に予め実施しておいてもよいし、またガス分子の検出を行う直前に実施してもよい。センサユニット２２は、作製する際に予めＩｄ−Ｖｇ特性の基準値の測定を行った後に、ソース電極２５５とゲート電極２５２を結線してショートさせて用いることも可能である。この場合、分子検出装置１にはゲート電圧を制御するための回路が不要となるので、装置の小型化が図れ、価格を安価にできる。このときのソース電極２５５とゲート電極２５２の結線によるショートは、分子検出装置１に取り付けることでなされてもよい。この場合、ソース電極２５５とゲート電極２５２を結線ショートさせる替りに、ドレイン電極２５６とゲート電極２５２を結線ショートさせてもよい。また、Ｉｄ−Ｖｇ特性の基準値の測定を行う際のＶｇの変化のさせ方は、Ｖｇをステップ状に変化させてもよく、このときのステップ幅は、測定精度が得られる範囲で決めればよい。Ｖｇステップの値は、例えば１ｍＶ〜１０Ｖの範囲で決めることができる。なお、Ｉｄ−Ｖｇ特性を取得する際にソース電極２５５とドレイン電極２５６との間に印加するドレイン電圧（Ｖｄ）はＧＦＥＴの特性に合わせて適切に調整すればよく、例えば１ｍＶから１Ｖの範囲で決めればよい。また、ガス分子検出時には、このときのＶｄを印加すればよい。また、予めＶｄの値と基準値のＩｄ−Ｖｇ特性との関係を取得しておくことにより、基準値測定の際のＶｄとガス分子検出時のＶｄを異なる値にしてもよい。
【００２４】
次に、センサ部２０の第１及び第２のセンサユニット２３Ａ、２３Ｂの第１及び第２のＧＦＥＴ２５のそれぞれに、被検出分子２を含む検出対象ガス３を導入する。そして、図５の下図に示すように、検出対象ガス３の導入後の第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＤＰを測定する。ここで、図５の下図には、便宜的に上図と同様にＶｇを変化させた際のＩｄ−Ｖｇ特性を示しているが、検出対象ガス３の導入後の測定は例えばＶｇがゼロの場合のＩｄのみを測定する。例えば、検出対象ガス３が導入された後のＶｇがゼロのときのＩｄの測定結果において、第１のＧＦＥＴ２５のＩｄが３０μＡで、第２のＧＦＥＴ２５のＩｄが６０μＡである場合を考える。表１に示した基準テーブルにおいて、これらの値と対比すると、Ｖｇが１５Ｖの場合が当てはまる。つまり、ガス検知時に第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＤＰ電圧は、基準電圧の１５Ｖから０Ｖにシフトしたことになる。ＤＰ電圧はマイナス方向にシフトしているため、ＤＰ電圧のシフト量（ΔＤＰ）は「−１５Ｖ」となる。ΔＤＰと被検出分子２の濃度との相関関係を示すテーブルとΔＤＰの測定結果とを比較することによって、測定値であるΔＤＰが−１５Ｖの場合の被検出分子２の濃度を算出及び判定することができる。
【００２５】
さらに、第１及び第２のセンサユニット２３Ａ、２３Ｂの第１及び第２のＧＦＥＴ２５のそれぞれのＤＰの基準値とは別に、ガス分子の導入直前に改めて第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＶｇがゼロの場合のＩｄを測定するようにしてもよい。これによって、ガス導入後の第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＤＰ電圧のシフト量をより精度よく測定することができる。例えば、表１に示したＩｄ−Ｖｇ特性を有する第１及び第２のＧＦＥＴ２５において、検出対象ガス３を導入する直前にＶｇがゼロのときのＩｄを測定したとき、第１のＧＦＥＴ２５のＩｄが１０μＡで、第２のＧＦＥＴ２５のＩｄが４０μＡであるとする。次いで、検出対象ガス３が導入された後のＶｇがゼロのときのＩｄの測定したとき、第１のＧＦＥＴ２５のＩｄが６０μＡで、第２のＧＦＥＴ２５のＩｄが３０μＡであるとする。これらの値を表１に示した基準テーブルの値と対比すると、ガスの導入直前のＩｄの測定値は基準Ｖｇが５Ｖの場合に当てはまり、またガスの導入後のＩｄの測定値は基準Ｖｇが−２０Ｖの場合に当てはまる。つまり、ガス検知時に第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＤＰ電圧は、５Ｖから−２０Ｖにシフトしたことになる。ＤＰ電圧はマイナス方向にシフトしているため、ＤＰ電圧のシフト量（ΔＤＰ）は「−２５Ｖ」となる。
【００２６】
上述したように、実施形態の分子検出装置１においては、ガス分子の検出時に２つのセンサユニット２３Ａ、２３Ｂの第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＶｇがゼロの場合のＩｄをそれぞれ測定し、それらをガス導入前の基準時の第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＩｄと比較することによって、第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＤＰ電圧のシフト量を求めている。２つのセンサユニット２３Ａ、２３Ｂを用いることで、ガス分子の検出時にＶｇを変化させてＩｄ−Ｖｇ特性を測定することなく、１点のＶｇによるＩｄの測定値からＤＰ電圧のシフト量を求めることができる。従って、ガス検出時にＶｇの印加を繰り返すことによって、Ｖｇストレスが加わってＧＦＥＴが変質したり、さらにはＧＦＥＴの変質によるＤＰの基準値の変化を抑制することができる。これによって、ＤＰの基準値の変化に基づく被検出分子（ガス分子）２の検出精度や濃度の測定精度の低下を抑制することができる。
【００２７】
さらに、従来の１つのセンサユニットでＧＦＥＴのＶｇがゼロの場合のＩｄを測定した場合、ＤＰ電圧のシフトの極性及びシフト量を確定することができない。例えば、図６に示すように、ガス吸着後におけるＶｇがゼロのＩｄが４×１０−６Ａであった場合、ガス吸着前のＩｄ−Ｖｄ特性と比較しても、ＤＰ電圧のシフト量が「−４Ｖ」であるのか、「−３３Ｖ」であるのかを特定することができない。これに対して、実施形態の分子検出装置１においては、上述したように２つのセンサユニット２３Ａ、２３Ｂを用いて、図５に示したようにＤＰ電圧のシフト量を測定しているため、測定時間や測定工数を低減することが可能な１点のＶｄ電圧によるＩｄの測定で、ＤＰ電圧のシフト方向（極性）及びシフト量を確定することができる。従って、被検出分子（ガス分子）２の検出精度や濃度の測定精度を向上させることができると共に、被検出分子２の検出工数を低減することが可能になる。さらに、被検出分子２の検出工程における時間分解能を高めることができる。
【００２８】
ガス検知時にＶｇがゼロの場合のＩｄを測定するにあたって、ＧＦＥＴ２５のゲート電極２５２とドレイン電極２５６をショートさせておくことによって、電圧制御を行うことなく、Ｖｇがゼロの場合のＩｄを容易に測定することができる。なお、ガス検知時のＩｄの測定はＶｇがゼロのときに限られるものでなく、一定のＶｇでＩｄを測定すればよい。ただし、ＶｇがゼロのＩｄを測定することによって、Ｖｇストレスをより一層軽減することができる。さらに、ＤＰシフト量の測定をＩｄの変化量が小さい領域で行うと、ＤＰシフト量の測定精度が低下するおそれがある。このため、ガス検知時のＶｇは図７に示すように、Ｖｇに対してＩｄの変化量が大きい範囲、例えばＶｇが−３０Ｖ以上−３Ｖ以下の範囲、又は３Ｖ以上３０Ｖ以下の範囲でＤＰシフト量を測定することが好ましく、そのようなＧＦＥＴ２５を用いることが好ましい。これによって、ＤＰシフト量の測定精度、ひいては被検出分子（ガス分子）２の検出精度や濃度の測定精度を高めることができる。
【００２９】
さらに、ＧＦＥＴ２５のゲート絶縁膜２５４がシリコン酸化膜であり、その膜厚がｔ［ｎｍ］であるとき、２つのセンサユニット２３Ａ、２３ＢのＧＦＥＴ２５の少なくとも一方のＤＰ電圧［Ｖ］は０．０１ｔ以上０．１ｔ以下の範囲であることが好ましい。これによって、ＤＰ電圧のシフト量の測定精度を高めることができる。このＤＰ電圧の範囲条件は、２つのセンサユニット２３Ａ、２３ＢのＧＦＥＴ２５をそれぞれ満足させることが好ましい。なお、ゲート絶縁膜２５４がシリコン酸化膜以外の場合には、それらの誘電率等の特性を考慮して適宜に設定することが好ましい。
【００３０】
上述した実施形態においては、ガス分子の検出時におけるＤＰシフトの測定に、Ｖｇがゼロの場合のＩｄの測定を適用したが、ＤＰシフト量の測定はこれに限られるものではない。例えば、２つのセンサユニット２３Ａ、２３Ｂにおける第１及び第２のＧＦＥＴ２５のＩｄを一定とした場合のＶｇをそれぞれ測定し、これらＶｇの測定結果からＤＰシフト量を求めるようにしてもよい。この場合には、基準のＩｇ−Ｖｄ測定も同様にして、Ｉｄと２つのＧＦＥＴの各Ｖｇのテーブルを作成しておき、それと測定結果を対比することによりＤＰシフト量を求めることが好ましい。
【００３１】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の分子検出装置について、図８及び図９を参照して説明する。第２の実施形態の分子検出装置は、図１に示す分子検出装置１と同様に、捕集部１０とセンサ部２０と検出部３０とを備えている。第２の実施形態の分子検出装置は、センサ部２０の第１及び第２のセンサユニット２３Ａ、２３Ｂにおける第１及び第２のＧＦＥＴ２５の構成が第１の実施形態とは異なっている。以下に詳述する第１及び第２のＧＦＥＴ２５の構成以外は、第１の実施形態と同様である。
【００３２】
第２の実施形態おける第１及び第２のＧＦＥＴ２５は、第１の実施形態と同様に、半導体基板２５１と、半導体基板２５１の下面に設けられたゲート電極（第３の電極）２５２と、半導体基板２５１の上面に設けられたゲート絶縁膜２５３と、ゲート絶縁膜２５３上にチャネルとして設けられたグラフェン層２５４と、グラフェン層２５４の一端に設けられたソース電極（第１の電極）２５５と、グラフェン層２５４の他端に設けられたドレイン電極（第２の電極）２５６とを有している。これらに加えて、第２の実施形態おける第１及び第２のＧＦＥＴ２５は、グラフェン層２５４上に設けられた、被検出分子２を選択的に捕捉又は吸着する有機物プローブ２５７を有している。第１及び第２のセンサユニット２３Ａ、２３Ｂに導入された被検出分子２は、グラフェン層２５４上に設けられた有機物プローブ２５７に捕捉又は吸着される。有機物プローブ２５７に捕捉又は吸着された被検出分子２からＧＦＥＴ２５に電子が移動することで、第１の実施形態と同様に電気的な検出が行われる。被検出分子２の検出は、被検出分子２が有機物プローブ２５７に捕捉又は吸着されることを除いて、第１の実施形態と同様に実施される。
【００３３】
有機物プローブ２５７を形成する有機物は溶剤に溶ける性質を有するため、溶剤に溶かした溶液として塗布することでグラフェン層２５４に有機物プローブ２５７を設置することができる。有機物プローブ２５７はグラフェンと相互作用を得られやすくするために、ピレン環のような構造を有した部位を有することが好ましい。ピレン環のような構造を持つ分子はグラフェンの炭素が形成する六角形状のπ電子系と相互作用を持ち、いわゆるπ―πスタッキングと呼ばれる相互作用状態を形成する。低濃度のプローブ分子を溶媒に溶かしてグラフェンに塗布すると、ピレン環とグラフェンとの間でπ―πスタッキングが形成され、グラフェン上にプローブ分子が整列して固定化される。このような自己配列作用を利用してグラフェン層２５４上に有機物プローブ２５７を設置することができる。有機物プローブ２５７を形成する有機化合物については、後に詳述する。
【００３４】
ＧＦＥＴ２５の電気的な信号は、有機物プローブ２５７と被検出分子２との結合力により変化する。被検出分子２との結合力が強い有機物プローブ２５７を用いることによって、被検出分子２を選択的に検出することができ、さらに被検出分子２の濃度に対するＧＦＥＴ２５の電気的な変化量をより大きくすることができる。また、有機物プローブ２５７に特定の被検出分子２を捕捉又は吸着する有機化合物を用いることによって、被検出分子２の選択性を高めることができ、ひいては被検出分子２の種別まで識別することができる。これらによって、被検出分子２の種別（分子種）を識別した上で、検出精度や濃度の測定精度をより一層高めることができる。
【００３５】
有機物プローブ２５７は、特に限定されるものではないが、例えば被検出分子２と反応して電子のやり取りが生じるような反応基を有する有機化合物が用いられる。有機物プローブ２５７には、例えば被検出分子２に対する反応基としてヒドロキシ基（−ＯＨ）、アミノ基（−ＮＨ２）、シアノ基（−ＣＮ）等を有する有機化合物が用いられる。ただし、反応基のみではほとんどガス成分と反応しない場合がある。そのような場合には、水素結合性等を高めるために、反応基の隣接部位に被検出分子２の誘起効果に優れる官能基（隣接基）を導入した有機化合物を使用することが好ましい。
【００３６】
反応基に対する隣接基としては、トリフルオロメチル基（−ＣＦ３）やヘキサフルオロエチル基（−Ｃ２Ｆ５）等のフッ素化アルキル基、シアノ基（−ＣＮ）、ニトロ基（−ＮＯ２）、−ＣＨＮ基等の窒素を含む官能基、メチル基（−ＣＨ３）やエチル基（−Ｃ２Ｈ５）等のアルキル基が挙げられる。有機物プローブ２５７を形成する有機化合物は、ヒドロキシ基やアミノ基等の反応基と上述したような隣接基とを含む有機基を有するヘッド部と、グラフェン層２５４等に対する設置部位となるベース部と、ヘッド部とベース部とを結合する結合部とを有することが好ましい。図９は有機物プローブ２５７を形成する有機化合物の一例を示している。図９に示す有機化合物は、反応基としてヒドロキシ基（−ＯＨ）と隣接基としてのトリフルオロメチル基（−ＣＦ３）とが結合されたアルキル基を有する炭化水素基からなるヘッド部と、ピレン環からなるベース部と、これらを結合する二価の有機基からなる結合部とを有している。
【００３７】
ベース部は、ピレン環、アントラセン環、ナフタセン環、フェナントレン環等の多環構造を有する置換又は非置換の多環芳香族炭化水素基であることが好ましく、さらに置換又は非置換のピレン基であることがより好ましい。結合部は単結合又は二価の有機基である。結合部となる有機基としては、メチレン基やエチレン基等の置換又は非置換のアルキレン基、エーテル結合（−Ｏ−）、エステル結合（−Ｃ（＝Ｏ）Ｏ−）、カルボニル結合（−ＣＯ−）、アミド結合（−ＮＨ−ＣＯ−）、イミド結合（−ＣＯ−ＮＨ−ＣＯ−）等やそれを含む置換又は非置換のアルキレン基が挙げられる。
【００３８】
有機物プローブ２５７は、１種類の有機化合物をグラフェン層２５４上に設置して形成してもよいし、２種類以上の有機化合物の混合物をグラフェン層２５４上に設置して形成してもよい。上述したような有機物プローブ２５７を形成する有機化合物において、反応基の種類、反応基に対する隣接基の種類や数等によって、有機物プローブ２５７の被検出分子２との結合強度を調整することができる。従って、２種類以上の有機化合物の混合物をグラフェン層２５４上に設置することによって、被検出分子２の濃度に対するＧＦＥＴ２５の電気的な変化量を調整することができる。言い換えると、混合比率を変えた複数種の有機物プローブ２５７をグラフェン層２５４上に設けることによって、被検出分子２との結合強度及びそれに基づく電気的な変化量を任意に得ることができる。
【００３９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４０】
１…分子検出装置、２…被検出分子、３…検出対象ガス、１０…捕集部、２０…センサ部、２１…測定室、２２…センサユニット、２２Ａ…第１のセンサユニット、２２Ｂ…第２のセンサユニット、２５…ＧＦＥＴ、２５１…半導体基板、２５２…ゲート電極（第３の電極）、２５３…ゲート絶縁膜、２５４…グラフェン層、２５５…ソース電極（第１の電極）、２５６…ドレイン電極（第２の電極）、３０…検出部。
【図１】
2020046316.tif 000004
【図２】
2020046316.tif 000005
【図３】
2020046316.tif 000006
【図４】
2020046316.tif 000007
【図５】
2020046316.tif 000008
【図６】
2020046316.tif 000009
【図７】
2020046316.tif 000010
【図８】
2020046316.tif 000011
【図９】
2020046316.tif 000012