(57)【要約】  大気中に含まれる電荷の濃度を検出および／または測定するためのセンサが提供される。本センサは、ドレイン領域（６）とソース領域（７）との間に位置する活性層（１０）の上に懸架されておりゲートを形成するブリッジ（４）を含む電界効果トランジスタ構造を有する。ある特定の値を有するゲート電圧がブリッジ（４）に印加される。ブリッジ（４）と活性層（１０）もしくは活性層（１０）上に積層した絶縁層（８）との間に含まれており特定の高さを持ついわゆるエアギャップ領域（９）も前記構造に含まれる。エアギャップ領域（９）内には、ゲート電圧とエアギャップ（９）の高さとの比で定義される電場（Ｅ）が生成される。エアギャップ（９）内に生成される電場（Ｅ）は、大気中に含まれかつエアギャップ（９）内に存在する電荷の分布に影響を及ぼすとともに活性層（１０）上の電荷の蓄積によって高いセンサ感度が得られることを可能にするのに十分な大きさのある特定の閾値（５０，０００Ｖ／ｃｍ、１００，０００Ｖ／ｃｍ、好ましくは２００，０００Ｖ／ｃｍ）以上の値を有する。
2008506099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある環境内に含まれる電荷の濃度を検出および／または測定するためのセンサであって、
ドレイン領域（６）とソース領域（７）との間に位置する活性層（１０）の上に懸架されていてゲートを形成するブリッジ（４）と、前記ブリッジと前記活性層もしくは前記活性層上に積層した絶縁層（８）との間に含まれていて特定の高さを持ついわゆるエアギャップ領域（９）と、前記エアギャップ内に生成される電場であって、前記ブリッジに印加されたある特定の電圧値を有するゲート電圧と前記エアギャップの高さとの比で定義される電場Ｅと、を含む電界効果トランジスタ構造を有し、
前記エアギャップ内に生成される電場Ｅは、当該環境に含まれかつ前記エアギャップ内に存在する電荷の分布に影響を及ぼすとともに、前記活性層上の電荷の蓄積によって高いセンサ感度が得られることを可能にするのに十分な大きさの特定の閾値以上の値を有する、ことを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記エアギャップ内に生成される電場は、５０，０００Ｖ／ｃｍ以上の値を有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記エアギャップ内に生成される電場は、１００，０００Ｖ／ｃｍ以上の値を有することを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記エアギャップ内に生成される電場は、２００，０００Ｖ／ｃｍ以上の値を有することを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記エアギャップの高さは、１μｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項６】
前記エアギャップの高さは、０．５μｍ未満であることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記ドレイン領域と前記ソース領域とを含む、前記電界効果トランジスタ構造の表面の少なくとも一部分において、当該センサが液体環境に浸漬することができるように前記ブリッジと前記活性層が絶縁材料（３０）で覆われている、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項８】
ある環境に含まれる電荷の濃度を検出および／または測定するための請求項１乃至７のいずれか１項に記載されたセンサの用途。
【請求項９】
電荷を含む環境は、気体環境と液体環境を含むグループに属することを特徴とする請求項８に記載のセンサの用途。
【請求項１０】
前記電荷は、気体環境に含まれるＮＨ3分子であることを特徴とする請求項９に記載のセンサの用途。
【請求項１１】
前記電荷は、気体環境に含まれるＮＯ2分子であることを特徴とする請求項９に記載のセンサの用途。
【請求項１２】
前記電荷は、液体環境に含まれるＨ+イオンであることを特徴とする請求項９に記載のセンサの用途。
【請求項１３】
気体環境に含まれるＯＨ-イオンの濃度を検出および／または測定することによってその気体環境の湿度を検出および／または測定するための請求項１乃至７のいずれか１項に記載されたセンサの用途。
【請求項１４】
気体環境とスモークに含まれる電荷を検出および／または測定することによってその気体環境中のスモークの濃度を検出および／または測定するための請求項１乃至６のいずれか１項に記載されたセンサの用途。
【請求項１５】
大気中に含まれる負電荷の量を測定することによって大気質を測定するための請求項１乃至６のいずれか１項に記載されたセンサの用途。
【請求項１６】
気体環境から消滅していない電荷を検出および／または測定することによってその気体環境のボイド率を検出および／または測定するための請求項１乃至６のいずれか１項に記載されたセンサの用途。
【請求項１７】
液体環境に含まれるＨ+イオンの濃度を測定することによってその液体環境のｐＨ値を測定するための請求項１乃至７のいずれか１項に記載されたセンサの用途。
【請求項１８】
前記環境に含まれる荷電した生物学的実体を検出するための請求項１乃至７のいずれか１項に記載されたセンサの用途。
【請求項１９】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載されたセンサにおける前記電界効果トランジスタ構造は表面マイクロ加工技術を使用して形成されることを特徴とするセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体環境または液体環境において使用可能な生物化学センサに関する。
【０００２】
特に、本発明は、気体環境または液体環境に存在する電荷の濃度を検出および／または測定するための高感度センサに関する。
【０００３】
本発明のセンサは、ドレイン領域とソース領域の間に位置する活性層の上に懸架されていてゲートを形成するブリッジを含む電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）構造を有するセンサのカテゴリーに属する。
【０００４】
本発明は、例えば、気体環境においてＮＨ3、ＮＯ2、湿気、スモークに感応するセンサ、あるいは液体環境において溶液のｐＨに感応するセンサなど、数々の用途を有する。
【０００５】
一般に、本発明のセンサは、電荷を含む任意の気体環境または液体環境に適用可能である。しかしながら、本発明は電気的に中性の環境には適用されないことに留意することは大切である。
【背景技術】
【０００６】
ＣＨＥＭＦＥＴ（chemically sensitiveＦＥＴ）の歴史は３０年前に始まった。それは気体環境における気体感応性構造のほかに液体環境におけるイオン感応性構造も含む。
【０００７】
従来の気体感応性電界効果トランジスタ（ＦＥＴ構造）は、
・ドレイン領域とソース領域との間に位置する活性層に隣接して配置されるゲートであって、気体がそのゲートを貫通する開口（複数）を通り抜けて活性層まで到達するように、パラジウム（palladium）またはポリマ（polymer）からできた透過性ゲート、または、
・ドレイン領域とソース領域との間に位置する活性層と（自分自身と）の間、または活性層上に積層した絶縁層と（自分自身と）の間に含まれるいわゆる“エアギャップ”領域に気体が存在することを可能にするサスペンデッド（suspended）ゲート（“サスペンデッド・ブリッジ”とも称される）、
のいずれかのゲートを使用して製造される。
【０００８】
サスペンデッド・ゲートＦＥＴ構造は、J.Janataに帰属する米国特許第4,411,741号（１９８３年）および第4,514,263号（１９８５年）に記述されている。この構造は、懸架された有孔ゲートがブリッジを形成する従来のＰ型単結晶シリコンＦＥＴトランジスタを使用する。感応パラメータ（sensitive parameter）は、ブリッジの仕事関数であって、それは流体に含まれる双極子（ダイポール）の吸収に関連して変化するとともにトランジスタ構造のフラットバンド電圧の変化を必要とする。
【０００９】
別の特許［S.C.Pykeに帰属する米国特許第4,671,852号（１９８７年）］は、犠牲層（sacrificial layer）の除去に基づく、サスペンデッド・ゲート型ＣＨＥＭＦＥＴを形成するための方法を開示している。該米国特許に関しては、金属ゲートがサスペンデッド・ブリッジに使用される。
【００１０】
B.Flietner、T.Doll、J.Lechner、M.LeuおよびI.Eisele共著論文（センサとアクチュエータＢ（Sensors and Actuators B）、１９９４年、第１８−１９巻、p．６３２−６３６）は、トランジスタのゲートとチャネルの間（つまりトランジスタのゲートと活性層との間）に感応層を容易に積層することを可能にするハイブリッド・サスペンデッド・ゲートＦＥＴ（ＨＳＧＦＥＴ：hybrid suspended gate FET）を提案した。この方法では、ゲートは別個に形成され、続いて、事前に形成された無ゲートＦＥＴ上に取り付けられる。
【００１１】
これらの特許に続いて、気体感応性サスペンデッド・ゲートＦＥＴ構造を最適化する目的の多数の出版物や特許が生み出された。これらの研究は吸収現象がその上で起こる感応層を形成するために使用される材料の最適化を主に扱っている。
【００１２】
これらの周知のＦＥＴ構造の気体感応性は、気体に曝されたときの感応層の仕事関数の変化（しきい電圧のシフトを引き起こす）によって説明される。言い換えると、感応パラメータは、感応層による、ブリッジと活性層との間に含まれる領域（いわゆるエアギャップ）に含まれる分子（例えば双極子）の吸収に関連して変化する仕事関数である（正確には、この場合、ブリッジと感応層との間に吸収が存在する）。
【００１３】
通常、エアギャップ内に存在する所望の分子の量の指標を得るため、ドレイン領域とソース領域の間の電流（活性層に流れ込む電流ＩDS）が測定され、測定電流がどのように変化するかが決定されることを思い起こす。吸収現象に基づく上記最新技術を使用すると、測定電流の変化は感応層による分子の吸収に起因する。例えば、前記米国特許第4,514,263号に説明されているように、ブリッジ上に正電荷が存在する場合、活性層上に積層した感応層によってより多くの量の双極子が吸収されるほど、電流ＩDSはより強くなる。実際のところ、この場合、吸収された双極子はそれぞれ正（＋）の端部を活性層の方を向けて独りでに整列し、そのため引きつけられる電子の数が増大し、よって活性層に流れる電流ＩDSが増大する。
【００１４】
液体環境（または溶液）内におけるイオン感応性（ion-sensitive）構造は、Bergveldのイオン感応性ＦＥＴ（ＩＳＦＥＴ）と呼ばれている。これは無ゲート構造であって、一方ではチャネル絶縁体をカバーする感応層と、他方では溶液に浸漬（しんし）したゲートバイスを固定する基準電極とを有する。
【００１５】
この構造についての最初の刊行物はP.Bergveld著「神経生理学的測定のためのイオン感応性固体素子の開発（Development of an ion-sensitive solid-state device for neuro-physiological measurements）」、生物医学工学に関するＩＥＥＥトランザクションズ（IEEE Trans.Biomed.Eng.）、１９７０年、第１７巻、ｐ．７０−７１によるものであるが、最初の特許はC.C.Johnson、S.D.MossおよびJ.A.Janata等に帰属する米国特許第4,020,830号（１９７７年）「選択性ＣＨＥＭＦＥＴトランデューサ（Selective chemical sensitive FET transducers）」である。
【００１６】
上記特許、５００を超える刊行物、および１５０もの特許は、ＩＳＦＥＴを対象としている。取り扱われた主題は、吸収現象が起こる感応層の感度と選択性の改善（米国特許第5,319,226号／第5,350,701号／第5,387,328号）と、ドリフトの研究のほか温度効果と基準ＦＥＴ構造の使用［J.M.Chovelon著論文、センサとアクチュエータＢ８（Sensors and Actuators B8）、１９９２年、ｐ．２２１−２２５］に関するものである。
【００１７】
気体感応性ＦＥＴ構造に関して、ＩＳＦＥＴの感度はフラットバンド電圧ＶFBの変化によって誘起されるしきい電圧の変化によって説明される。言い換えると、吸収現象の効果のみが周知のＩＳＦＥＴで使用される。
【００１８】
フラットバンド電圧ＶFBは次式で表される。
【数１】
2008506099.tif 000003
上式においてＶrefは基準電極の寄与、χsolは溶液の表面双極子電位、Ψ0は絶縁体と溶液との界面における表面電位、Φsは半導体の仕事関数である。
【００１９】
Ψ0のみがｐＨ値に感応する。Ψ0−ｐＨの関係は［R.E.G.van Hal、J.C.T.Eijkel、P.Berveld共著「電解液／酸化物界面における静電ポテンシャルを記述する一般モデル（A general model to describe the electrostatic potential at electrolyte/oxide interfaces）」、コロイド界面科学の発展（Adv.Colloid. Interface Sci.）、１９６６年、第６９巻、ｐ．３１−６２）］に次式で与えられている。
【数２】
2008506099.tif 000004
上式においてαは０から１までの値をとる無次元パラメータである。αが１に等しいとき、ネルンスト感度（Nernstian sensitivity）と呼ばれる最大感度５９ｍＶ／ｐＨに達する。
【００２０】
以前のどの特許も刊行物も増幅回路を使用することなくこれより高い感度を報告していない。
【００２１】
電界効果トランジスタ構造を有する周知のセンサの１つの欠点は限られた感度しか持たないことである。一般的に、その感度は液体環境の場合には５９ｍＶ／ｐＨが限度である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
そこで本発明の目的は従来技術のこれらの様々な欠点を軽減することにある。
【００２３】
より具体的には、本発明の目的の１つは、電界効果トランジスタから構成される、周知のセンサより高感度のセンサを提供することにある。
【００２４】
本発明のもう１つの目的は、気体環境内において使用することが可能な斯かるセンサを提供することにある。
【００２５】
本発明のもう１つの目的は、液体環境内において使用することが可能な斯かるセンサを提供することにある。
【００２６】
本発明の更なる目的は、製造がシンプルで安価な斯かるセンサを提供することにある。
【００２７】
本発明のなお更なる目的は、感応層（吸収現象がそこで起こる）に使用される材料の選択の制約を取り払うことを可能にする斯かるセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
これらの様々な目的は、後で明らかとなる他の目的とともに、環境に含まれる電荷の濃度を検出および／または測定するための本発明のセンサによって達成される。本センサは、ドレイン領域とソース領域との間に位置する活性層の上に懸架（支持部以外は宙に浮かせた状態で掛け渡すこと）されておりゲートを形成するブリッジを含む電界効果トランジスタ構造を具備する。特定の値を有するゲート電圧が前記ブリッジに印加される。前記電界効果トランジスタ構造には、前記ブリッジと前記活性層もしくは前記活性層上に積層した絶縁層との間に含まれておりある特定の高さを持ついわゆるエアギャップ領域も含まれる。前記エアギャップ領域内には、ゲート電圧と前記エアギャップの高さとの比で定義される電場Ｅが生成される。本発明によれば、前記エアギャップ内に生成される電場Ｅは、当該環境内に含まれかつ前記エアギャップ内に存在する電荷の分布に影響を与えるとともに前記活性層上の電荷の蓄積によって高いセンサ感度が得られることを可能にするのに十分な大きさの特定の閾値以上の値を有する。
【００２９】
本発明の基本原理は、気体環境に適用されるか液体環境に適用されるかを問わず、前記エアギャップ内に強い電場を生成し、電荷を前記活性層の方に押しやるだけでなくそれによってセンサ感度を向上させることを可能にすることにある。そのため、それ故、本発明は前記エアギャップ内に生成された電場が作用することが可能な電荷が全く存在しない電気的に中性の環境には適用されない。
【００３０】
本発明は、吸収現象ではなく、強い電場を印加することに起因するエアギャップ内の電荷の新しい分布によって生み出される効果に基礎を置くことに留意することが重要である。吸収現象に基づく周知のセンサでは、エアギャップ内に印加される電場はあまりも弱すぎるために本発明が基礎を置く効果は存在しない。実際のところ、本願発明者は、本発明が基礎を置く効果はエアギャップ内に印加される電場が５０，０００Ｖ／ｃｍ以上の強電場である場合に限り存在する、という立場をとる。一方、周知のセンサにおけるエアギャップ内に印加される電場は一般に１，０００Ｖ／ｃｍよりずっと低い弱電場である。
【００３１】
当業者が察するところでは、エアギャップの表面による吸収を飽和させないために、エアギャップ内に生成される電場の値を過度に大きくする必要は無いということが常に信じられてきたことにも言及しておきたい。
【００３２】
本発明のセンサの以下の２つの態様が可能である。
・第１の態様では、本センサは本発明に特徴的な効果（強電場の印加によって生じるエアギャップ内における電荷の新しい分布）のみを利用し、従って吸収現象は利用しない。この態様では、感応層は全く必要なく、従って本発明によれば感応層（この層で吸収現象が起こる）に使用される材料の選択における制約を取り払うことが可能となる。
・第２の態様では、本センサは本発明に特徴的な効果（強電場の印加によって生じるエアギャップ内における電荷の新しい分布）と吸収現象を組み合わせる。この態様では、感応層が吸収に必要である。
【００３３】
本発明はサスペンデッド・ブリッジに印加された電圧に起因する電界効果が当該環境内に存在する電荷の分布に影響を与えるのに十分なほど高い任意の幾何学的配列（geometry）に関係する。また、ドレイン領域とソース領域との間の電流の変調は主に、ブリッジと活性層との間（またはブリッジと活性層上に積層した絶縁層との間）のエアギャップ内に存在する電荷の分布の変化によるものであることを思い起こす。
【００３４】
好ましくは、エアギャップ内に生成される電場は１００，０００Ｖ／ｃｍ以上の値を有する。
【００３５】
より好ましくは、エアギャップ内に生成される電場は２００，０００Ｖ／ｃｍ以上の値を有する。
【００３６】
有利には、エアギャップの高さは１μｍ未満である。
【００３７】
好ましくは、エアギャップの高さは０．５μｍ未満である。
【００３８】
エアギャップの高さを低減することによって、ブリッジに印加されるゲート電圧ＶGSを増大することなくより強い電場を印加すること、またはより弱いゲート電圧ＶGSで同じ電場を印加することのどちらか一方が可能であることは理解される。
【００３９】
本発明のある１つの特定の態様では、ドレイン領域とソース領域を含む、電界効果トランジスタ構造の少なくとも一部分において、本センサが液体環境内に浸漬できるように、サスペンデッド・ブリッジと活性層は絶縁層で被覆される。
【００４０】
液体環境に特有なこの態様において、本発明によるセンサは、ゲート（サスペンデッド・ブリッジ）が基準電極の役割を果たすという点と、強電場がエアギャップ内に存在してそれにより電荷を活性層の方に押しやることができるようにエアギャップの高さとブリッジに印加されるゲート電圧が適切に選ばれるという点で、既に言及した周知のＩＳＦＥＴ（既に言及した）とは異なる。
【００４１】
本発明は、ある環境に含まれる電荷の濃度を検出および／または測定するための（本発明による）上記センサの用途にも関係する。
【００４２】
電荷を含む環境は、有利には気体環境と液体環境を含むグループに属する。
【００４３】
本発明によるセンサの第１の有利な用途では、前記電荷は気体環境に含まれるＮＨ3分子である。
【００４４】
本発明によるセンサの第２の有利な用途では、前記電荷は気体環境に含まれるＮＯ2分子である。
【００４５】
ＮＨ3およびＮＯ2分子は双極性分子であり、本発明の意味内において、それらの性質上、電荷と見なすことができることに注意する。実際のところ、エアギャップ内に生成される電場は（これらの双極性分子が全体として電気的に中性であっても）このエアギャップ内に存在する双極性分子の運動に影響を及ぼす。
【００４６】
本発明によるセンサの第３の有利な用途では、前記電荷は液体環境に含まれるＨ+イオンである。
【００４７】
本発明によるセンサの第４の有利な用途では、本発明によるセンサは、気体環境に含まれるＯＨ-イオンの濃度を検出および／または測定することによってその気体環境の湿度（humidity ratio）を検出および／または測定するために使用される。
【００４８】
本発明によるセンサの第５の有利な用途では、本発明によるセンサは、気体環境とスモークに含まれる電荷を検出および／または測定することによってその気体環境中のスモークの濃度を検出および／または測定するために使用される。
【００４９】
本発明によるセンサの第６の有利な用途では、本発明によるセンサは、大気中に含まれる負電荷の量を測定することによって大気質を測定するために使用される。
【００５０】
本発明によるセンサの第７の有利な用途では、本発明によるセンサは、気体環境から消滅していない電荷を検出および／または測定することによってその気体環境のボイド率（void fraction）を検出および／または測定するために使用される。
【００５１】
実際のところ、ボイド（void）が確立されると、その環境内に含まれる空気、従って電荷は消滅する。
【００５２】
本発明によるセンサの第８の有利な用途では、本発明によるセンサは、液体環境に含まれるＨ+イオンの濃度を測定することによってその液体環境のｐＨ値を測定するために使用される。
【００５３】
ｐＨ感度はエアギャップの厚みを通じて電界効果に依存する。エアギャップの厚みが増大するにつれてその感度は低減する。
【００５４】
本発明によるセンサの第９有利な用途では、本発明によるセンサは、当該環境に含まれる荷電した生物学的実体（biological entities）を検出するために使用される。
【００５５】
生物学的実体という用語は、特に限定はされないが、ＤＮＡセルまたはブランチを意味すると理解されたい。
【００５６】
本発明の範囲を逸脱することなく他の数々の適用例が考えられることは明らかである。
【００５７】
本発明は上述したような（本発明による）センサの製造方法も提供する。本発明の方法では、サスペンデッド・ブリッジ、電界効果トランジスタ構造は表面マイクロ加工技術を利用して形成される。
【００５８】
表面マイクロ加工技術を利用する利点は、本発明が推奨する高さの低い（有利には０．５μｍ未満、より好ましくは１μｍの高さの）エアギャップを容易に実現することが可能になるということにある。
【００５９】
本発明のその他の特徴および利点が、限定するものではない単なる例として提供される以下の本発明の好ましい実施形態の説明および添付の図面からより明確となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
本発明は、ある環境内に含まれる電荷の濃度を検出および測定するための高感度センサに関する。感度増幅効果はドレイン領域とソース領域との間に含まれる抵抗領域（活性層）の上に（少しの高さのところに）懸架されたブリッジを通じて導入される電界効果に起因する。ドレイン領域とソース領域の間で測定される電流（“ドレイン・ソース間電流”ＩDS）の変調は主に、ブリッジと活性層との間（またはブリッジと活性層上に積層した絶縁層との間）のエアギャップ内に存在する電荷の分布の変化に起因する。
【００６１】
図１ａ、図１ｂ、図１ｃおよび図１ｄを参照して、本発明の第１の実施形態として、気体環境内おける使用に適したセンサについて説明する。
【００６２】
この第１の実施形態において、本発明によるセンサは、窒化シリコン膜２で覆われたガラス基板上に積層した一般的な電界効果トランジスタ構造３を含む。
【００６３】
この電界効果トランジスタ構造３は、ゲート（Ｇ）の役割を果たす高くドープされた多結晶シリコンでできたサスペンデッド・ブリッジ４を含む。
【００６４】
本例では、電界効果トランジスタは実際は薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：thin-film transistor）である。多結晶シリコンのブリッジは、表面マイクロ加工技術を使用して形成される。このように表面マイクロ加工技術を使用して形成された電界効果トランジスタ構造は、例えば“サスペンデッド・ゲート薄膜トランジスタ（ＳＧＴＦＴ：Suspended Gate Thin-Film Transistor）”と称される。
【００６５】
しかしながら、本発明はその電場が環境内に存在する電荷の分布に影響を及ぼすのに十分な強さを持つ全ての電界効果トランジスタ構造に関係することは明らかである。
【００６６】
電界効果トランジスタ構造３は、窒化シリコン層２で覆われたガラス基板１上に積層した意図的にはドープされていない多結晶シリコン膜（活性層）１０を含む。任意の他の絶縁基板または任意の電気絶縁体で覆われた基板も使用することが可能である。多結晶シリコン層は、例えば非結晶状態で積層された後に結晶化される。またそれは、既に結晶化した状態で直に積層させることも可能である。任意の他の非ドープまたは軽くドープされた半導体も使用することが可能である。
【００６７】
次に、今度は高くin-situ（その場）ドープされた第２の多結晶シリコン層５が積層され、ソース領域（Ｓ）７とドレイン領域（Ｄ）６を形成するためにエッチングされる。それも、非結晶状態で積層された後に結晶化されるかまたは既に結晶化した状態で直に積層されることも可能である。それは、任意のドーピング方法でポストドープ（post-dope）されることも可能である。任意の他の高導電性材料も使用することができる。
【００６８】
続いてオプションとして、ソース領域とドレイン領域の間の表面を覆うため、二酸化シリコン／窒化シリコンの二重層（bilayer）または窒化シリコンの単層８が積層され、エッチングされる。任意のタイプの電気絶縁層も使用することができる。
【００６９】
次にゲルマニウム層（図示されていない）が積層され、犠牲層として利用される。ＳｉＯ2層または当該トランジスタ構造に存在するその他の層と相性の良い任意の他の材料も犠牲層として利用することが可能である。犠牲層の層厚ｈはエアギャップ９（ブリッジ下の空間）の高さの最終的な値を決める。
【００７０】
エアギャップ内に生成される電場Ｅは、ゲート電圧ＶGSとエアギャップの高さｈとの比で定義されることを思い起こす。本発明によれば、エアギャップ内に生成されるこの電場はある特定の閾値（５０，０００Ｖ／ｃｍ、好ましくは１００，０００Ｖ／ｃｍ、またはより好ましくは２００，０００Ｖ／ｃｍ）以上の値を持つ。エアギャップの高さｈとゲート電圧ＶGSは電場Ｅを含むこの条件が満足されるように選ばれる。
【００７１】
所与のゲート電圧ＶGSに対して、エアギャップ内に生成される電場Ｅが強く、その電界効果が感度に支配的な影響を及ぼすよう、エアギャップの高さｈは低く設定される。言い換えると、ブリッジに印加されたゲート電圧ＶGSが、当該環境内に含まれかつエアギャップ内に存在する電荷の分布に影響を及ぼすのに十分な強さを持つ電場Ｅを生成することができるよう、エアギャップの高さｈは十分低くなければならない。本発明によれば、この高さｈは１μｍ以下、好ましくは０．５μｍ以下である。
【００７２】
従って、０．５μｍに等しいエアギャップの高さに対して、ゲート電圧ＶGSが少なくとも２．５Ｖ、５Ｖまたは１０Ｖである場合に応じて、電場Ｅは少なくとも５０，０００Ｖ／ｃｍ、１００，０００Ｖ／ｃｍ、または２００，０００Ｖ／ｃｍに等しい。
【００７３】
次に、ゲート（Ｇ）の役割を果たすブリッジを形成するため、高くin-situドープされた多結晶シリコン層４が積層され、エッチングされる。当該トランジスタ構造に存在するその他の層と相性が良く、ブリッジを保持するのに十分な機械的強度特性を持つ任意の他の高導電性材料も使用することが可能である。
【００７４】
次に、電気的なソース、ドレインおよび（ゲートの役割を果たす）ブリッジ・コンタクトを形成するため、金属層（図示されていない）を積層し、エッチングすることが可能である。電界効果トランジスタ構造３はこの金属層が無くても形成可能である。
【００７５】
ブリッジ４の真下に位置する空間（エアギャップ）９を空けるため、使用される様々な材料同士の相性に応じて、金属コンタクトを積層する前または積層した後に、犠牲層がエッチングされる。このようにして、気体環境はこの空間９を占有することが可能である。
【００７６】
上述した本発明の第１の実施形態であるセンサは様々な気体に感応する。様々な環境に対する感度が示されてきた。本発明の電界効果トランジスタ構造は、電気的に中性の環境には感応しない。トランジスタ特性は、例えば真空、Ｏ2環境、またはＮ2環境において同じようなものである。これら全ての環境において、しきい電圧は非常に高い。この高いしきい電圧値は、通常のＭＯＳ理論方程式を（比）誘電率が１でゲート絶縁体が０．５μｍ以上の厚みを持つ場合に考察すれば異常ではない。トランジスタ特性は、荷電した環境では変化する。
【００７７】
以下、本発明に特徴的な効果（強電場が印加されたことに起因するエアギャップ内における電荷の新しい分布）について、および、吸収効果とのその可能な組み合わせについて、理論的な説明を与える。
【００７８】
ここでのコンテクストは、本発明によるセンサにおいてトランジスタのしきい電圧が以下の効果に起因してシフトする場合を含む。
・電界効果（本発明に特徴的な効果）：強電場がエアギャップ領域内に生成され、それによりエアギャップ内に電荷の新しい分布が生じる。
・トランジスタの活性層上に積層した感応層の表面における吸収効果（周知効果）。しかし、既に示唆したように、本発明は電界効果のみが（吸収効果と組み合わさることなく）利用される場合にも適用されることは明らかである。
【００７９】
この場合、センサのしきい電圧ＶTH（ドレイン・ソース間電流ＩDSが飽和するゲート電圧ＶGSの値）は次式で与えられる。
【数３】
2008506099.tif 000005
上式において、ΦMSはゲートと半導体の仕事関数の差である。φFは禁制帯中央からのフェルミ準位の位置である。ＱSCは半導体内における空間電荷である。Ｃはブリッジと半導体との間の単位面積あたりの全静電容量である。ｅoxは絶縁体の全層厚（エアギャップの高さｈと、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ2）／窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）二重層または窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）単層といった絶縁層８の層厚との総和）である。ρ（ｘ）は絶縁体内のブリッジから距離ｘだけ離れたところの電荷である。
【００８０】
エアギャップ内における環境の任意の変化は絶縁体内の全電荷量の変化とその分布の可能な変化を引き起こす。さらに、エアギャップの内側表面上で化学反応（吸収現象）が起こり、その結果、パラメータΦMSの変化が生じることがある。
【００８１】
従来技術の場合、吸収現象に関連するこの後者の変化のみが議論される。
【００８２】
しかしながら、本発明の目的として、強電場がエアギャップ内に存在すると、エアギャップ内における電荷の分布が変化し、それに伴ってρ（ｘ）の変化が生じる。さらに、この強電場は電荷を感応層の表面上に押しやることによって吸収に影響を及ぼす。
【００８３】
これらの効果の全てが、ΦMSの変化だけでなく、上記式（１）の最後の項ももたらす。結果、閾値ＶTHの変化は本発明により強電場の効果が考慮に入れられる場合には非常に大きくなる可能がある。
【００８４】
次に、本発明のこの第１の実施形態であるセンサの用途のいくつかの例について図２ａ乃至図２ｈを参照して説明する。これらの用途例では、トランジスタはＮ型多結晶シリコンのサスペンデッド・ゲートを有する薄膜トランジスタである。エアギャップの高さは０．５μｍである。また本発明の範囲内において多数の他の用途が考えられることは明らかである。
【００８５】
図２ａと図２ｂは、ＮＨ3環境（図２ａ）またはＮＯ2環境（図２ｂ）において、本センサ（特にトランジスタ構造）の感度はかなり高いことを示している。ＮＯ2とＮＨ3はトランジスタの特性に正反対の効果を及ぼす試験気体（テストガス）として選ばれた。図２ａは、ＮＨ3が導入されると、曲線ＩDS（ＶGS）が最も弱い電圧に向かってシフトすること（しきい電圧の（−）シフト）を示している。図２ｂはＮＯ2の導入が正反対の効果（しきい電圧の（＋）シフト）を及ぼすことを示している。従って、１００ｐｐｍのＮＨ3と２ｐｐｍのＮＯ2でしきい電圧の６Ｖのシフトが得られる。
【００８６】
図２ａと図２ｂにおいて、本発明によるこのセンサ例から、検出が可能になるにはゲート電圧ＶGSは１０Ｖより大きくなくてはならず、従って電場は２００，０００Ｖ／ｃｍ（＝１０Ｖ／０．５μｍ）より大きくなくてはならないことがわかる。
【００８７】
図２ｃと図２ｄは、スモーク（煙）が導入されると、しきい電圧と閾値以下の勾配は急峻に降下し、輸送特性が飽和することを示している。これは特に図２ｅの線形プロットで見ることが可能である。
【００８８】
同じように、図２ｆと図２ｇは、湿気が導入されると、しきい電圧と閾値以下の勾配は急峻に降下し、輸送特性が飽和することを示している。湿度（ＨＲ：humidity ratio）が２５％から７０％までシフトすると、しきい電圧は１８Ｖ以上も変化する。
【００８９】
図２ｈは、本トランジスタ構造が低い相対湿度（例えば、湿度は２５％未満で一定に保たれる）でスモークに感応することを示している。
【００９０】
次に、図３を参照して液体環境における使用に適した本発明の第２の実施形態であるセンサについて説明する。
【００９１】
本トランジスタ構造は、窒化シリコン層３０がその表面（特に、ドレイン領域６とソース領域５、活性層１０とサスペンデッド・ブリッジ４の表面）に積層している点で図１ａの構造（気体環境における使用に適した第１の実施形態）とは異なる。本トランジスタ構造は、このように液体に浸漬可能に修正されており、液中でin-situ測定することが可能である。溶液から本トランジスタ構造を絶縁することを可能にする任意の他の材料も使用することができる。さらに、コンタクト領域は樹脂または任意の他の電気絶縁体で被覆される。
【００９２】
本トランジスタ構造は、例えば液体に含まれる電荷の量を測定するために使用される。それは例えば、“ＩＳＴＦＴ（Ion-Sensitive Thin-Film Transistor）”と称される。
【００９３】
図４ａは、２８５ｍＶ／ｐＨのｐＨ感度が０．５μｍに等しい高さを有するエアギャップで得られることを示している。エアギャップの斯かる高さでゲート電圧の変化が約６．５Ｖ乃至９Ｖということは、それに相当する（エアギャップ内の）電場の変化が約１３０，０００Ｖ／ｃｍ乃至１８０，０００Ｖ／ｃｍであることを意味する。図４ｂは、０．８μｍに等しい高さを持つエアギャップに対してはこの感度が９０ｍＶ／ｐＨに降下することを示している。斯かるエアギャップの高さでゲート電圧の変化が約６．２５Ｖ乃至７．２５Ｖということは、それに相当する（エアギャップ内の）電場の変化は約６２，５００Ｖ／ｃｍ乃至７２，５００Ｖ／ｃｍであることを意味する。図４ａの場合と比べたとき、こうした感度の低下は電界効果が高感度の実現に支配的な影響を及ぼしていることを示している。言い換えると、液中では、本発明の修正されたトランジスタ構造は通常のＩＳＦＥＴ構造の感度よりも約２倍から６倍高いｐＨ感度（エアギャップの厚みに依存する）を実現する。
【００９４】
一般に、数式（１）に関連して述べたように、本発明によるセンサの荷電環境に対する高感度は、特に小さな厚みｈ（例えば、１００，０００Ｖ／ｃｍ以上の電場Ｅを生成するには、ＶGS≧１０Ｖならｈ≦１μｍ、あるいはＶGS≧５Ｖならｈ≦０．５μｍ）を有するエアギャップのせいで生み出される強い電界効果（斯かるエアギャップ内において５０，０００Ｖ／ｃｍ以上、場合によっては２００，０００Ｖ／ｃｍ以上の強電場が生成される）によって説明される。エアギャップの厚みが大きく、エアギャップ内の電場Ｅが５０，０００Ｖ／ｃｍ未満のとき（従来技術の場合、電場Ｅは１０，０００Ｖ／ｃｍよりずっと低い）、電界効果は不十分で、電荷の分布はエアギャップ内部で一様である。特に、（本発明の場合のように）エアギャップの厚みが減少することにより電場が強くなる（５０，０００Ｖ／ｃｍ以上）と、この分布はもはや一様ではなくなる。本発明によれば、エアギャップの一表面上に電荷がより多く蓄積するために（電荷の分布が一様な従来技術とは異なり）本センサの感度は高まる。ゲート・ソース間電圧が増大し、従って電界効果が増大するにつれ、この蓄積はますます大きくなる。輸送特性の飽和は、電荷が電界効果の結果として蓄積するときのエアギャップ表面の飽和によって説明される。この飽和現象は、当該環境内に含まれる電荷量が増大するほどより低いゲート・ソース電圧（より弱い電界効果）でも現れる。最後に、エアギャップの厚みが増大するとｐＨ感度が低減することから電界効果の影響力は明確に実証される（図４ａおよび図４ｂの上記説明参照）。
【００９５】
以下、図５を参照して、本発明に特徴的な電界効果（強電場を印加したことに起因するエアギャップ内における電荷の新しい分布）並びに吸収効果とのその可能な組み合わせを例示的に説明する。
【００９６】
ＫＣｌとＮａＣｌの塩類溶液とＫＯＨの塩基性溶液が正確に同じ濃度で用意された。
【００９７】
ＫＣｌとＮａＣｌといった塩類溶液が使用されるときにはｐＨは変化しない。結果、これらの溶液中に置かれた本発明によるセンサの輸送特性を追跡すると、電荷の分布に対する電場の効果のみが観測される。
【００９８】
他方、ＫＯＨが存在すると、ｐＨが変化し、結果として（電場の効果のもとでの）電荷の新しい分布の効果だけでなく吸収効果も観測される。
【００９９】
図５に本発明の同じ第２の実施形態であるセンサの、このセンサが脱イオン化水（DI water）、ＫＯＨ、ＫＣｌおよびＮａＣｌの同じ濃度の溶液といった液体環境に浸漬された後に得られた輸送特性（ドレイン・ソース間電流ＩDS−ゲート電圧ＶGS）を示す。
【０１００】
同じ濃度のＫＣｌまたはＮａＣｌが存在する中では、脱イオン化水で得られた輸送特性からの輸送特性のシフトは２つとも同じであることが観測される。このシフトは、強電場が印加された結果生じるエアギャップ内の電荷の新しい分布のみに起因するものである。しきい電圧ＶTHのシフトは、数式（１）の最後の項の変化によって誘起される。電荷の分布が同じであればシフトも同じである。同じ濃度のＫＯＨ溶液では、追加のシフトが観測される。それはＫＯＨのｐＨ、従って窒化シリコンＳｉ3Ｎ4から成る絶縁層の表面（図３の符号３０）で吸収される電荷（数式（１）の最初の項）に起因するものである。本例では、絶縁層は吸収過程に対する感応層の役割も果たすことに注意する。結果、ＫＯＨが存在する中では、輸送特性のシフトは、一方では（電場の影響のもとでの）電荷の新しい分布に起因し、他方では吸収された電荷に起因する。こうして、２つの効果は組み合わさって、本発明による本例におけるセンサの優れたｐＨ感度に寄与する。
【０１０１】
本発明は、限定された数の実施形態に関連して説明されてきたが、当業者であれば、以上の説明を読めば、本発明の範囲を逸脱することなく他の多くの実施形態も思いつくことができることは容易に理解できる。本発明の範囲は特許請求の範囲の各請求項によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１ａ−１ｂ】それぞれ気体環境内における使用に適した本発明の第１の実施形態であるセンサの断面図と斜視図である。
【図１ｃ】図１ａと図１ｂに示されたタイプの本発明によるセンサの電子顕微鏡写真の図である。
【図１ｄ】図１ｃのエアギャップ部分の拡大図である。
【図２ａ】本発明の同じ第１の実施形態であるセンサをドライエア（乾燥空気）環境に置いたときとその環境に１００ｐｐｍのＮＨ3を導入した後に得られる２つの輸送特性（ドレイン・ソース間電流ＩDS−ゲート電圧ＶGS）を示す図である。
【図２ｂ】本発明の同じ第１の実施形態であるセンサを相対湿度（ＲＨ）１０％の空気の中に置いて２ｐｐｍのＮＯ2を導入する前と導入した後にそれぞれ得られた２つの輸送特性（ドレイン・ソース間電流ＩDS−ゲート電圧ＶGS）を示す図である。
【図２ｃ】本発明の同じ第１の実施形態であるセンサの、スモークを環境内に導入した後の様々な連続した時間に得られた複数の輸送特性（ドレイン・ソース間電流ＩDS−ゲート電圧ＶGS）を示す図である。
【図２ｄ】スモーク導入後の経過時間に対するしきい電圧の変化曲線を示すことによって図２ｃをまとめた図である。
【図２ｅ】本発明の同じ第１の実施形態であるセンサの、スモークを環境内に導入した後の様々な連続した時間に得られた複数の輸送特性（ドレイン・ソース間電流ＩDS−ゲート電圧ＶGS）を線形プロット（その他の図に見られるような対数スケールではない）した図である。
【図２ｆ】本発明の同じ第１の実施形態であるセンサの、環境内の様々な相対湿度に対して得られた複数の輸送特性（ドレイン・ソース間電流ＩDS−ゲート電圧ＶGS）を示す図である。
【図２ｇ】湿度（ＨＲ）に対するしきい電圧の変化曲線を示すことによって図２ｆをまとめた図である。
【図２ｈ】本発明の同じ第１の実施形態であるセンサの、相対湿度１０％と２０％においてスモークを環境内に導入する前と導入した後に得られた複数の輸送特性（ドレイン・ソース間電流ＩDS−ゲート電圧ＶGS）を示す図である。
【図３】液体環境内における使用に適した本発明の第２の実施形態であるセンサの断面図である。
【図４ａ】ドレイン・ソース間電流を１００μＡ、エアギャップの厚みを０．５μｍに設定したときのｐＨに対するゲート電圧の変化曲線を示す図である。
【図４ｂ】ドレイン・ソース間電流を４００μＡ、エアギャップの厚みを０．８μｍに設定したときのｐＨに対するゲート電圧の変化曲線を示す図である。
【図５】本発明の同じ第２の実施形態であるセンサを、脱イオン化水、ＫＯＨ溶液、ＫＣＬ溶液およびＮＡＣＬ溶液といった様々な液体環境に浸漬した後に得られた複数の輸送特性（ドレイン・ソース間電流ＩDS−ゲート電圧ＶGS）を示す図である。
【図１】
2008506099.tif 000006
【図２ａ】
2008506099.tif 000007
【図２ｂ】
2008506099.tif 000008
【図２ｃ】
2008506099.tif 000009
【図２ｄ】
2008506099.tif 000010
【図２ｅ】
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【図２ｆ】
2008506099.tif 000012
【図２ｇ】
2008506099.tif 000013
【図２ｈ】
2008506099.tif 000014
【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
2008506099.tif 000017
【図５】
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【国際調査報告】
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2008506099.tif 000021
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