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特開2023-97030半導体装置、バイオセンサ、バイオセンサアレイ、および論理回路
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023097030
(43)【公開日】2023-07-07
(54)【発明の名称】半導体装置、バイオセンサ、バイオセンサアレイ、および論理回路
(51)【国際特許分類】
H01L 29/786 20060101AFI20230630BHJP
H10K 10/40 20230101ALI20230630BHJP
H10K 85/20 20230101ALI20230630BHJP
H10K 71/10 20230101ALI20230630BHJP
H01L 29/06 20060101ALI20230630BHJP
H01L 29/16 20060101ALI20230630BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20230630BHJP
G01N 27/414 20060101ALI20230630BHJP
B82Y 10/00 20110101ALI20230630BHJP
【ＦＩ】
H01L29/78 618B
H01L29/78 625
H01L29/28 100A
H01L29/28 250E
H01L29/28 310E
H01L29/06 601N
H01L29/16
H01L29/78 617S
H01L29/78 617N
H01L29/78 618E
G01N27/414 301V
B82Y10/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021213152
(22)【出願日】2021-12-27
(71)【出願人】
【識別番号】000006747
【氏名又は名称】株式会社リコー
(74)【代理人】
【識別番号】100089118
【弁理士】
【氏名又は名称】酒井 宏明
(72)【発明者】
【氏名】須藤 亮太
(72)【発明者】
【氏名】細野 信人
【テーマコード（参考）】
5F110
【Ｆターム（参考）】
5F110BB04
5F110BB09
5F110CC01
5F110CC03
5F110CC07
5F110DD01
5F110DD05
5F110DD06
5F110EE08
5F110EE22
5F110EE27
5F110EE30
5F110FF01
5F110FF02
5F110FF09
5F110FF12
5F110FF21
5F110FF27
5F110GG01
5F110GG04
5F110GG20
5F110GG22
5F110GG41
5F110HK02
5F110HK03
5F110HK04
5F110HK21
5F110HK22
5F110HM12
5F110NN02
5F110NN03
5F110NN05
5F110NN22
5F110NN23
5F110NN24
5F110NN27
5F110NN33
5F110NN35
5F110NN36
5F110NN71
5F110QQ05
(57)【要約】
【課題】原子層状材料の下地からの影響を抑制し、かつ歩留まりを高く原子層状材料を形成することができる半導体装置、バイオセンサ、バイオセンサアレイ、および論理回路を提供する。
【解決手段】本発明は、第１ゲート電極と、前記第１ゲート電極の一方の面側に設けられる絶縁部と、前記絶縁部と接続されたソース電極と、前記絶縁部と接続されたドレイン電極と、前記絶縁部上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、かつ原子層状材料を含む接触部と、を備え、前記接触部は、前記絶縁部と対向する第１面と反対側の第２面において試料と接触可能であり、前記絶縁部は、前記接触部と対向する面側に、前記第１ゲート電極を基準とした凹凸構造を有する。
【選択図】図２－１
【解決手段】本発明は、第１ゲート電極と、前記第１ゲート電極の一方の面側に設けられる絶縁部と、前記絶縁部と接続されたソース電極と、前記絶縁部と接続されたドレイン電極と、前記絶縁部上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、かつ原子層状材料を含む接触部と、を備え、前記接触部は、前記絶縁部と対向する第１面と反対側の第２面において試料と接触可能であり、前記絶縁部は、前記接触部と対向する面側に、前記第１ゲート電極を基準とした凹凸構造を有する。
【選択図】図２－１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１ゲート電極と、
前記第１ゲート電極の一方の面側に設けられる絶縁部と、
前記絶縁部と接続されたソース電極と、
前記絶縁部と接続されたドレイン電極と、
前記絶縁部上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、かつ原子層状材料を含む接触部と、を備え、
前記接触部は、前記絶縁部と対向する第１面と反対側の第２面において試料と接触可能であり、
前記絶縁部は、前記接触部と対向する面側に、前記第１ゲート電極を基準とした凹凸構造を有する、半導体装置。
前記第１ゲート電極の一方の面側に設けられる絶縁部と、
前記絶縁部と接続されたソース電極と、
前記絶縁部と接続されたドレイン電極と、
前記絶縁部上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、かつ原子層状材料を含む接触部と、を備え、
前記接触部は、前記絶縁部と対向する第１面と反対側の第２面において試料と接触可能であり、
前記絶縁部は、前記接触部と対向する面側に、前記第１ゲート電極を基準とした凹凸構造を有する、半導体装置。
【請求項2】
前記原子層状材料は、グラフェンを含む、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記絶縁部は、多孔質体である、請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記絶縁部、前記接触部における前記第１ゲート電極とは反対側の面を覆う第１絶縁膜をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項5】
基板と、
前記基板と前記第１ゲート電極との間に設けられる第２絶縁膜と、
をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記基板と前記第１ゲート電極との間に設けられる第２絶縁膜と、
をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項6】
第２ゲート電極と、
前記第２ゲート電極と前記第２面との間に設けられる第３絶縁膜と、
をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記第２ゲート電極と前記第２面との間に設けられる第３絶縁膜と、
をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項7】
前記第２面側に設けられる液体と、
前記液体に接続される第３ゲート電極と、
をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
前記液体に接続される第３ゲート電極と、
をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項8】
前記第２面側に受容部をさらに備える請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項9】
請求項８に記載の半導体装置を備え、
所定物質の濃度に応じた前記接触部の電荷の変化に基づいて、前記所定物質を検出する、バイオセンサ。
所定物質の濃度に応じた前記接触部の電荷の変化に基づいて、前記所定物質を検出する、バイオセンサ。
【請求項10】
請求項８記載の半導体装置を複数組合せたバイオセンサアレイ。
【請求項11】
請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体装置を複数組み合わせた論理回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置、バイオセンサ、バイオセンサアレイ、および論理回路に関する。
【背景技術】
【0002】
グラフェン（原子層状材料の一例）をチャネル（接触部の一例）に用いたグラフェン電界効果トランジスタ（ＧＦＥＴ：Graphene Field Effect Transistor）は、グラフェンの持つ特異な物性から様々な用途への応用が期待されている。特に、シリコン（Ｓｉ）の１００倍以上の超高移動度を持つこと、および２次元形状のためチャネルの体積に対する表面積比が大きいことから、高感度センサへの応用に注目が集まっている。その中でも、グラフェンは、炭素のみから構成され生体分子と相性が良いため、特に生体分子等のバイオセンシングへの応用が非常に期待されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、従来のＧＦＥＴは、チャネルとなるグラフェンが下地膜（絶縁部の一例）と全面で接触しており、接触面積が大きいので、下地膜のクーロン散乱等の影響を非常に大きく受ける。例えば、グラフェンの下全面が中空構造の場合は、２００，０００ｃｍ２／Ｖ・ｓという超高移動度を示すのに対し、センサ等で一般的に使われるシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ２）上では５，０００ｃｍ２／Ｖ・ｓほどに抑制されてしまう。
【0004】
これに対して、グラフェンの下全面が中空構造である構造が知られている（非特許文献１参照）。この構成によれば超高移動度を示すことができるが（非特許文献１参照）、中空構造上へのグラフェン膜の形成は、転写工程の際のダメージおよびグラフェンにかかる応力、グラフェン自体の持つ欠陥等によって破れてしまったりする。そのため、中空構造上へのグラフェン膜の形成は、非常に歩留まりが低くなる。
【0005】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、原子層状材料の下地からの影響を抑制し、かつ歩留まりを高く原子層状材料を形成することができる半導体装置、バイオセンサ、バイオセンサアレイ、および論理回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１ゲート電極と、前記第１ゲート電極の一方の面側に設けられる絶縁部と、前記絶縁部と接続されたソース電極と、前記絶縁部と接続されたドレイン電極と、前記絶縁部上において前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に設けられ、かつ原子層状材料を含む接触部と、を備え、前記接触部は、前記絶縁部と対向する第１面と反対側の第２面において試料と接触可能であり、前記絶縁部は、前記接触部と対向する面側に、前記第１ゲート電極を基準とした凹凸構造を有する。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、原子層状材料の下地からの影響を抑制し、かつ歩留まりを高く原子層状材料を形成することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下に添付図面を参照して、半導体装置、バイオセンサ、バイオセンサアレイ、および論理回路の実施の形態を詳細に説明する。
【0010】
（第１の実施の形態）
図１－１および図１－２は、従来のグラフェントランジスタの構成の一例を表す図である。従来のグラフェントランジスタは、基板１、絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、およびドレイン電極５を備えている。基板１は、導電性を有するもの、例えば、高濃度にドーピングされたシリコン基板であっても良い。
図１－１および図１－２は、従来のグラフェントランジスタの構成の一例を表す図である。従来のグラフェントランジスタは、基板１、絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、およびドレイン電極５を備えている。基板１は、導電性を有するもの、例えば、高濃度にドーピングされたシリコン基板であっても良い。
【0011】
ソース電極４およびドレイン電極５は、電圧Ｖｄｓを印加した状態で、基板１に電圧Ｖｇｓが印加されることで、チャネル３にキャリアを誘起させて、ソースドレイン間電流Ｉｄｓが流れる。グラフェントランジスタは、電圧Ｖｇｓの値によって、ソースドレイン間電流Ｉｄｓを変調することができ、これにより、トランジスタ（バックゲート型トランジスタ）として動作する。
【0012】
トランジスタの性能指標として、電界効果移動度μＦＥが用いられ、μＦＥは、下記の式（１）で表される。
ここで、Ｌはチャネル長を表し、Ｗはチャネル幅を表し、Ｖｄｓはソースドレイン間電圧を表し、ｇｍは下記の式（２）で表される相互コンダクタンスを表し、ＣＯＸは下記の式（３）で表されるゲート容量を表す。
【数1】
【0013】
【数2】
【数3】
【0014】
チャネルとなるグラフェン自体は、室温で２００，０００ｃｍ２／Ｖｓを超えるキャリア移動度μを持つことが実験的に示されている。しかし、実際に電界効果トランジスタとして利用する場合の上記の式（１）から算出する電界効果移動度μFEは、グラフェンの下地膜のフォノン散乱およびクーロン散乱の影響等により数万ｃｍ２／Ｖｓ程度に制限されてしまう。
【0015】
実際に、グラフェンが室温で２００，０００ｃｍ２／Ｖｓを超えるキャリア移動度μを持つことを示した非特許文献１では、図１－２のように絶縁膜２とソースドレイン電極間のチャネル３の間を全て空洞にすることで、下地膜のチャネル３への影響を最小化している。
【0016】
しかし、図１－２に示す構造を作製するプロセスは非常に難易度が高く、非特許文献２では、工業利用のために大面積でグラフェンを作製できるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で作製した単層グラフェンを空洞（キャビティ）構造の上に転写した際の歩留まりが２．７％と非常に低いことが示されている。低歩留まりの原因として、下地が空洞のためグラフェン膜に応力がかかり破れてしまうことが考えられる。
【0017】
図２－１は、第１の実施の形態にかかる半導体装置を適用したグラフェントランジスタの一例の断面図および鳥瞰図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタ（半導体装置の一例）は、多孔質体の絶縁膜上に形成されるグラフェントランジスタである。具体的には、グラフェントランジスタは、基板１（第１ゲート電極の一例）、多孔質体の絶縁膜２（絶縁部の一例）、チャネル３、絶縁膜２と接続されるソース電極４、および絶縁膜２に接続されるドレイン電極５を備えている。
【0018】
ここで、チャネル３は、絶縁膜２上においてソース電極４とドレイン電極５との間に設けられ、試料と接触可能なグラフェン（原子層状材料の一例）を含む接触部の一例である。また、チャネル３は、絶縁膜２と対向する面（第１面の一例）と反対側の面（第２面の一例）において試料と接触可能である。試料は、基板１にも接触可能である。
【0019】
また、ここで、絶縁膜２は、例えば、チャネル３と対向する面側に、基板１を基準とした孔としての複数の凹凸構造を有する絶縁部の一例である。例えば、絶縁膜２は、チャネル３と対向する面側に孔としての複数の凹凸構造を有する絶縁膜、すなわち多孔質体の絶縁膜であっても良い。すなわち、絶縁膜２は、チャネル３と対向する面側に、基板１を基準として、第１距離の位置に設けられる第１面と、当該第１距離とは異なる第２距離の位置に設けられる第２面と、を有する。これにより、絶縁膜２と、チャネル３とは、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していない。その結果、多孔質体の絶縁膜２上に原子層状材料を含むチャネル３を形成することで、原子層状材料の下地（絶縁膜２）からの影響を抑制し、かつ歩留まりを高く原子層状材料を形成することができる。
【0020】
図２－２～２－５は、第１の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの変形例の断面図および鳥瞰図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図２－２に示すように、絶縁膜２のチャネル３と対向する面の全面に孔（すなわち、凹凸構造）が形成されていても良い。また、本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図２－３に示すように、チャネル３となるグラフェンがソース電極４およびドレイン電極５の外側まで延長されていても良い。また、本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図２－４に示すように、絶縁膜２が有する孔が基板１まで貫通していても良い。また、絶縁膜２が有する孔は曲率をもって延びる孔であっても良く、複数の孔同士が連通する連通孔であっても良い。
【0021】
図２－２に示すグラフェントランジスタは、絶縁膜２におけるチャネル３と対向する面の全面が多孔質体になっており、絶縁膜２におけるチャネル３と対向する面において多孔質体とする領域を限定するプロセスが必要ないという利点がある。また、チャネル３が含むグラフェンは、ソース電極４とドレイン電極５間で電気的導通が取れれば良いので、チャネル３は、少なくとも、ソース電極４およびドレイン電極５に接触していれば良い。つまり、図２－３に示すように、チャネル３が、ソース電極４およびドレイン電極５以外の電極と接していなければ、ソース電極４およびドレイン電極５の外側まで伸びていても良い。また、図２－４に示すグラフェントランジスタは、グラフェンを含むチャネル３の下に完全に絶縁膜２が存在しない箇所が存在するため、絶縁膜２のクーロン散乱の影響を大きく抑えられる。
【0022】
多孔質体の絶縁膜２（孔としての複数の凹凸構造を有する絶縁膜２）と、チャネル３とは、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していないという構造を有する。しかし、この構造を形成するために、チャネル３が含むグラフェンの形成手法は、一般的なウェット転写での形成であると、水等の溶液が多孔質体内に残留してしまう懸念、グラフェンが多孔質体に追従してしまう（凹部でも絶縁膜２とグラフェンが接触してしまう）懸念がある。そのため、Ｒ２Ｒ（Roll to Roll）、ＰＤＭＳ等の樹脂を介したスタンプ等のドライ転写によって、チャネル３が含むグラフェンを形成することが好ましい。
【0023】
ここで、絶縁膜２が有する多孔質体の孔径は、多孔質体の生成法にもよるが、数ｎｍ～１００ｎｍ程度であり、チャネル３の長さより小さい。また、チャネル３が有する多孔質体の孔の深さは、孔径程度であっても良いし、貫通していても良い。ここでいう貫通は、図２－４のように、絶縁膜２のチャネル３側の面から基板１に対して垂直方向に貫通していても良いし、図２－５に示すように、絶縁膜２のチャネル３側の面から基板１に対して垂直方向とは異なる方向で貫通していても良い。絶縁膜２にこのような構造を形成することで、図１－１に示す従来のグラフェントランジスタと比較して、チャネル３と下地膜（絶縁膜２）との接触面積が小さくなるため、下地膜のグラフェンへの影響を抑制できる。また、図１－２に示す従来のグラフェントランジスタよりグラフェンへかかる応力が小さくなるため、グラフェントランジスタの歩留まり向上が期待できる。
【0024】
本実施の形態では、基板１は、シリコン（Ｓｉ）基板であるが、これに限定するものではなく、導体であれば良い。また、凹凸面部（凹凸構造）を有する絶縁膜２は、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜とする。凹凸面部の形成方法は、例えば、非特許文献３に示すように、原子層１層単位での制御が可能なＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法でＡｌ２Ｏ３膜とＳｉＯｘ膜を交互に積層形成した後、Ａｌ２Ｏ３膜のみが溶解するリン酸系溶液でエッチングすることにより形成可能である。絶縁膜２の膜厚は、積層するＡｌ２Ｏ３膜とＳｉＯｘ膜の総サイクル数で決まるが、各積層膜が十分厚いと溶液エッチング後に凹凸構造が形成されない為、各積層膜は１０サイクル以下が望ましい。また、絶縁膜２の総膜厚が薄いと、凹凸構造が十分に形成されない為、凹凸構造の厚みが１００ｎｍ以上にすることが望ましい。この方法で絶縁膜２に凹凸構造を作成することにより、孔径が数ｎｍ～数十ｎｍの凹凸構造を均一に形成することが可能である。
【0025】
また、絶縁膜２が有する凹凸構造の孔径は、Ａｌ２Ｏ３膜とＳｉＯｘ膜の積層膜の割合（膜厚）により変えることができるため、各積層膜の比率は、1～１０サイクルの中で最適化することが望ましい。例えば、Ａｌ２Ｏ３膜とＳｉＯｘ膜の比率は、１サイクル：１サイクルであっても良いし、２サイクル：５サイクルであっても良い。
【0026】
また、ここで、絶縁膜２がＳｉＯｘの例を示したが、積層させる膜、エッチャントを適切に選択することで、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、酸化イットリウム（ＹＯｘ）等、ＡＬＤ法で形成可能な酸化膜であれば形成可能である。また、トランジスタの絶縁部として絶縁膜２を形成する場合、絶縁膜２は、高誘電率を持つ酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）等が好ましい。凹凸構造を有する絶縁膜２の形成方法としては、ＡＬＤ法以外にも、陽極酸化法等で凹凸構造を形成しても良い。
【0027】
チャネル３は、グラフェンであっても良いが、グラフェン以外にも、グラフェンと同様の原子層状材料であっても良い。例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ２）等に代表される遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤＣ：Transition Metal DiChalcogenide）、黒リン、シリセン、ゲルマネンは、原子層状のため下地膜からの影響が大きいと予想されるため、グラフェンと同様の効果が期待できる。
【0028】
ソース電極４およびドレイン電極５は、例えば、Ａｕ、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ、Ｃｒ／Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｎｉ／ＡｕやＣｒ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕとする。ＣｒおよびＴｉは、基板１との密着層として機能する。また、ＮｉおよびＰｄは、例えば、チャネル３がグラフェンだった場合、接触抵抗の低減層として機能する。
【0029】
このように、第１の実施の形態にかかるグラフェントランジスタによれば、多孔質体の絶縁膜２と、チャネル３とは、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していない。その結果、多孔質体の絶縁膜２上に原子層状材料を含むチャネル３を形成することで、原子層状材料の下地（絶縁膜２）からの影響を抑制し、かつ歩留まりを高く原子層状材料を形成することができる。
【0030】
（第２の実施の形態）
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、チャネルにおける、基板とは反対側の面を覆う絶縁膜を備える例である。以下の説明では、第１の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、チャネルにおける、基板とは反対側の面を覆う絶縁膜を備える例である。以下の説明では、第１の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
【0031】
図３－１は、第２の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの一例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図３－１に示すように、多孔質体の絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、およびドレイン電極５における、基板１とは反対側の面が絶縁膜６（第１絶縁膜の一例）で覆われている。
【0032】
絶縁膜６は、パッシベーション膜として機能する。例えば、絶縁膜６は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法で形成した酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、防湿性に優れる有機膜であるパリレン膜、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で形成した窒化シリコン（ＳｉＮ）、塗布型絶縁膜、またはそれらの積層膜等が適用可能である。図３－１に示すように、絶縁膜６でチャネル３が覆われているため、測定環境による意図しないドーピング、例えば、大気中の水分および酸素の影響を抑制することが可能である。
【0033】
図３－２は、第２の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの変形例の断面図である。図３－２に示すように、チャネル３は、ソース電極４およびドレイン電極５の上に配置されていても良い。ソース電極４およびドレイン電極５間で電気的導通が取れれば良いので、少なくとも、チャネル３は、ソース電極４およびドレイン電極５に接触していれば良い。つまり、チャネル３は、ソース電極４およびドレイン電極５を全て覆っていても良いし、または、他の電極と接していなければ、ソース電極４およびドレイン電極５の外側まで伸びていても良い。
【0034】
ただし、図３－２に示すグラフェントランジスタは、ソース電極４およびドレイン電極５の上にチャネル３が配置されるため、ソース電極４およびドレイン電極５の段差によってチャネル３に応力がかかってしまう可能性がある。そのため、ソース電極４およびドレイン電極５の形状は、図３－２に示すように、テーパー形状（例えば、順テーパー形状）が望ましい。
【0035】
また、図３－２に示すグラフェントランジスタでは、その作製プロセス上、ソース電極４およびドレイン電極５を形成した後に、チャネル３のグラフェンを形成する。そのため、ソース電極４およびドレイン電極５の形成プロセス中のチャネル３へのダメージおよび意図しないドーピング等を抑制することができる。具体的には、チャネル３とフォトレジストとの接触による化学ドーピングおよびリフトオフ等で用いる剥離液によってチャネル３が、多孔質体の絶縁膜２から剥がれてしまうなどの問題を避けることができる。
【0036】
図３－３は、第２の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの変形例の断面図である。図３－３に示すように、ソース電極４およびドレイン電極５が、多孔質体の絶縁膜２に埋め込まれていても良い。ソース電極４およびドレイン電極５間で電気的導通が取れれば良いので、少なくとも、チャネル３は、ソース電極４およびドレイン電極５に接触していれば良い。つまり、チャネル３は、ソース電極４およびドレイン電極５を全て覆っていても良い。また、チャネル３は、他の電極と接していなければ、ソース電極４およびドレイン電極５の外側まで伸びていても良い。
【0037】
図３－３に示すグラフェントランジスタでは、チャネル３を平坦に形成可能であり、かつ、その作製プロセス上、ソース電極４およびドレイン電極５を形成後にチャネル３のグラフェンを形成する。そのため、チャネル３への応力、ソース電極４およびドレイン電極５の形成プロセス中のチャネル３へのダメージおよび意図しないドーピング等を抑制することができる。具体的には、チャネル３とフォトレジストとの接触による化学ドーピングおよびリフトオフ等で用いる剥離液によってチャネル３が多孔質体の絶縁膜２から剥がれてしまうなどの問題を避けることができる。
【0038】
なお、図３－１～３－３に示す絶縁膜２は、図２－１～２－５に示すグラフェントランジスタと同様に、ソース電極４およびドレイン電極５間のチャネル３の領域の下が多孔質体となっていれば、基板１全面に凹凸構造が形成されていても良く、または、凹凸構造の孔が基板１に貫通していても構わない。
【0039】
このように、第２の実施の形態にかかるグラフェントランジスタによれば、絶縁膜６の導入、ソース電極４とドレイン電極５とチャネル３の配置の工夫によって測定環境による意図しないドーピング、例えば、大気中の水分および酸素の影響、チャネル３にかかる応力、ソース電極４およびドレイン電極５の形成プロセス中のチャネル３へのダメージ等を抑制することが可能である。
【0040】
（第３の実施の形態）
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、基板と、ゲート電極と、の間に絶縁膜を有する例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、基板と、ゲート電極と、の間に絶縁膜を有する例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
【0041】
図４－１は、第３の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの一例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、基板１（基板の一例）、ゲート電極７（第１ゲート電極の一例）、基板１とゲート電極７との間に設けられる絶縁膜８（第２絶縁膜の一例）、絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、およびドレイン電極５を備える絶縁膜上グラフェントランジスタである。絶縁膜２とチャネル３は、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していない。
【0042】
基板１と絶縁膜８は、絶縁性を有する基板として一体化しても良く、例えば、ポリイミド、ＰＥＮ、ＰＥＴ等の可撓性を有する基板であっても良い。可撓性を有する基板１上にグラフェントランジスタを形成すると、曲面上にグラフェントランジスタを応用したセンサ等を形成でき、例えば、人体に貼る形態のセンサ等を実現可能であり、バイタルデータのセンシングにとって非常に有用である。また、可撓性を有する基板１上にグラフェントランジスタを形成することにより、センサと体を密着させることが可能となり、心拍および筋電位をリアルタイムに正確に検出でき、体臭、または汗，涙等の体液のセンシングをリアルタイムにできる等の可能性があり、それらのデータから健康状態および気分等を知ることもできる可能性がある。
【0043】
また、図４－１に示すグラフェントランジスタによれば、ゲート電極７が基板１の表面に配置されるため、グラフェントランジスタの集積化および実装が容易になる。また、グラフェントランジスタをアレイ化する場合に、個々の素子（グラフェントランジスタ）に個々のゲート電圧を印加可能であり、素子毎に基準電圧（ディラック電圧）の制御が可能である等の利点がある。
【0044】
図４－２は、第３の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの他の例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図４－２に示すように、チャネル３、ソース電極４、ドレイン電極５、および絶縁膜８が、絶縁膜６で覆われていても良い。これにより、図４－１に示すグラフェントランジスタと同等の機能を有し、かつ絶縁膜６でチャネル３が覆われているため、測定環境による意図しないドーピング、例えば、大気中の水分および酸素の影響を抑制することが可能である。
【0045】
図４－３は、第３の実施の形態にかかるグラフェントランジスタを２つ有するトランジスタアレイの一例の断面図である。図４－４は、第３の実施の形態にかかるグラフェントランジスタを２つ有するトランジスタアレイの他の例の断面図である。図４－３，４－４に示すグラフェントランジスタアレイによれば、ゲート電極７およびゲート電極７′のそれぞれに異なるゲート電圧を印加することが可能であり、個々のチャネル３およびチャネル３’に個別で任意のキャリアを誘起させることができ、個々のグラフェントランジスタの基準電圧（ディラック電圧）の制御が可能である。また、個々のグラフェントランジスタの基準電圧（ディラック電圧）を個々に制御可能なため、グラフェントランジスタアレイのセンサ間の特性ばらつきを抑制および制御し、精度よく各種情報を測定することができる。
【0046】
図４－５は、第３の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの４×４アレイの一例を示す図である。本実施の形態では、４×４アレイ（論理回路の一例）は、図４－５に示すように、グラフェントランジスタＳ１１～Ｓ４４が配置されたトランジスタアレイである。グラフェントランジスタＳ１１～Ｓ４４のそれぞれは、例えば、図４－２に示すグラフェントランジスタアレイと同様の構造を備える。
【0047】
ソース電極４は、全センサ（グラフェントランジスタ）で共通であり、各グラフェントランジスタに個々のゲート電圧、ドレイン電圧を印加可能な構成である。例えば、トランジスタＳ１１のゲート電圧はゲート電圧Ｇ１１であり、ドレイン電圧はドレイン電圧Ｄ１１から印加する。なお、図４－１～４－５に示すグラフェントランジスタの絶縁膜２は、図２－１と同様に、ソース電極４とドレイン電極５間のチャネル３の領域の下が多孔質体となっていれば、基板１の全面であっても良く、また、凹凸構造の孔がゲート電極７に貫通していても構わない。
【0048】
このように、第３の実施の形態にかかるグラフェントランジスタによれば、ゲート電極７が基板１の表面に配置されるため、グラフェントランジスタの集積化および実装が容易になる。また、グラフェントランジスタをアレイ化する場合に、個々の素子（グラフェントランジスタ）に個々のゲート電圧を印加可能であり、素子毎に基準電圧（ディラック電圧）の制御が可能である。
【0049】
（第４の実施の形態）
本実施の形態は、グラフェントランジスが、トップゲート電極と、チャネルにおける絶縁膜とは反対側の面と、の間に設けられる絶縁膜を備える例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
本実施の形態は、グラフェントランジスが、トップゲート電極と、チャネルにおける絶縁膜とは反対側の面と、の間に設けられる絶縁膜を備える例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
【0050】
図５－１は、第４の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの一例の断面図である。具体的には、グラフェントランジスタは、図５－１に示すように、基板１、多孔質体の絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、ドレイン電極５、ゲート絶縁膜１４、およびトップゲート電極１５（第２ゲート電極の一例）を備える絶縁膜上トップゲート型グラフェントランジスタである。多孔質体の絶縁膜２と、チャネル３とは、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していない。
【0051】
ゲート絶縁膜１４（第３絶縁膜の一例）は、トップゲート電極１５と、チャネル３における絶縁膜２と反対側の面と、の間に設けられる絶縁膜である。ゲート絶縁膜１４には、ＡＬＤ法またはＣＶＤ法で形成した酸化シリコン（ＳｉＯ２）または酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、またはそれらの積層膜等が適用可能である。ゲート絶縁膜１４は、グラフェントランジスタの特性の向上のために、その膜厚は薄く、高誘電率の材料が好ましい。
【0052】
本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図５－１に示すように、トップゲート電極１５が基板１の表面に配置されるため、集積化および実装が容易になる。また、基板１が、高濃度にドーピングしたシリコン基板の場合、トップゲート電極１５と基板１のデュアルゲートトランジスタとして利用できる等などの利点がある。
【0053】
図５－２は、第４の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの他の例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図５－２に示すように、チャネル３が全てゲート絶縁膜１４に覆われていても良い。ただし、図５－２に示すグラフェントランジスタでは、ソース電極４およびドレイン電極５とトップゲート電極１５の電気的短絡（ショート）を防ぐため、ゲート絶縁膜１４の膜厚が、ソース電極４およびドレイン電極５の膜厚より厚くなければならない。この場合、ゲート絶縁膜１４でチャネル３が全て覆われているため、測定環境による意図しないドーピング、例えば、大気中の水分および酸素の影響を抑制することが可能である。
【0054】
さらに、アクセス領域と呼ばれるソース電極４およびドレイン電極５と、ゲート絶縁膜１４との間に水平方向の距離がないため、チャネル３の領域全体にゲート電圧が印加され、グラフェントランジスタの特性の向上に寄与できる。また、図５－２に示すグラフェントランジスタにおいても、図５－１に示すグラフェントランジスタと同様に、基板１が、例えば、高濃度にドーピングしたシリコン基板の場合、トップゲート電極１５と基板１のデュアルゲートトランジスタとして利用できるなどの利点がある。
【0055】
図５－３は、第４の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの他の例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図５－３に示すように、基板１、絶縁膜８、ゲート電極７、多孔質体の絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、ドレイン電極５、ゲート絶縁膜１４、およびトップゲート電極１５を備えるデュアルゲート型グラフェントランジスタであっても良い。多孔質体の絶縁膜２と、チャネル３とは、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していない。
【0056】
図５－３に示すグラフェントランジスタは、図５－１，５－２に示すグラフェンゲートトランジスタと比較して、ボトムゲート電極（図５－１，５－２に示すグラフェントランジスタでは基板１、図５－３に示すグラフェントランジスタではゲート電極７で）が基板１の表面に配置されるため、グラフェントランジスタの集積化および実装が容易になる。また、グラフェントランジスタをアレイ化する場合に、個々の素子に個々のゲート電圧を印加できるなどの利点がある。
【0057】
図５－４は、第４の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの他の例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図５－４に示すように、チャネル３が全てゲート絶縁膜１４に覆われていても良く、図５－３に示すグラフェントランジスタと同等の機能を有する。図５－４に示すグラフェントランジスタは、ゲート絶縁膜１４でチャネル３が全て覆われているため、測定環境による意図しないドーピング、例えば、大気中の水分および酸素の影響を抑制することが可能である。さらに、ソース電極４およびドレイン電極５と、ゲート絶縁膜１４と、の間の水平方向の距離であるアクセス領域がないため、チャネル３の領域全体にゲート電圧が印加されるので、グラフェントランジスタの特性の向上に寄与できる。
【0058】
図５－５は、第４の実施の形態にかかるグラフェントランジスタをアレイ化した低電圧ＣＭＯＳインバータ回路（論理反転回路）の一例の回路図である。図５－６は、第４の実施の形態にかかるグラフェントランジスタをアレイ化した低電圧ＣＭＯＳインバータ回路の入出力特性の一例を示す図である。図５－６において、縦軸は、出力信号線Ｖｏｕｔに印加される電圧を表し、横軸は、入力信号線Ｖｉｎに印加される電圧を表す。
【0059】
図５－１～５－４に示すグラフェントランジスタの構造は、アレイ化することで様々な電気回路を構成できる。図５－５（ａ）に示す低電圧ＣＭＯＳインバータ回路において、ＶｄｄとＶｓｓは、電源線の電位であり、例えば、ＶｄｄはＶｓｓに対して、０．５～１．０Ｖ程度の電位差を有する。また、Ｖｉｎが入力信号線であり、Ｖｏｕｔが出力信号線である。Ｖｄｄ側のグラフェントランジスタが、ｐＭＯＳＦＥＴ（p‐channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor） Ｍｐであり、Ｖｓｓ側のグラフェントランジスタが、ｎＭＯＳＦＥＴ（n‐channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor） Ｍｎである。
【0060】
入力信号線ＶｉｎがＶｓｓと同じ電位を持つとき、ｐＭＯＳＦＥＴ Ｍｐがオンになり、ｎＭＯＳＦＥＴ Ｍｎオフになる。このとき、出力信号線Ｖｏｕｔの電位は、Ｖｄｄとほぼ等しくなる。また、入力信号線ＶｉｎがＶｄｄと同じ電位を持つとき、ｐＭＯＳＦＥＴ Ｍｐがオフになり、ｎＭＯＳＦＥＴ Ｍｎがオンになる。このため、出力信号線Ｖｏｕｔの電位は、Ｖｓｓとほぼ等しくなる。このように、入力信号線Ｖｉｎと反対の電位が出力信号線Ｖｏｕｔに現れることになる。
【0061】
図５－５（ｂ）に示すように、電源線のＶｄｄは４５０ｍＶである。この例では、入力信号線Ｖｉｎの電位が０．１５Ｖを超えた場合に、出力信号線Ｖｏｕｔの電位がＶｄｄの０．４５Ｖから０Ｖに変化する。すなわち、“０”と“１”の論理を判定する入力電位（論理反転閾値の入力電位）が０．１５Ｖとなっている。そして、低電圧ＣＭＯＳインバータ回路の入出力特性（図５－６参照）に示すように、それぞれｐＭＯＳＦＥＴの論理反転閾値電位、ｎＭＯＳＦＥＴの論理反転閾値電位である。
【0062】
ここで、低電圧ＣＭＯＳインバータ回路の例を示したが、グラフェンの超高移動度を活かした高周波回路、例えば、ＬＮＡ（Low Noise Amplifier）等、他の回路にも適用可能である。
【0063】
図５－１～５－４に示すグラフェントランジスタの絶縁膜２は、図２－１と同様に、ソース電極４とドレイン電極５間のチャネル３の領域の下が多孔質体となっていれば、基板１の全面が多孔質体となっていても良く、また、絶縁膜２が有する孔が基板１またはゲート電極７に貫通していても構わない。また、図５－３および図５－４に示すグラフェントランジスタにおいて、基板１と絶縁膜８は、絶縁性を有する基板として一体化しても良く、例えば、ポリイミド、ＰＥＮ、ＰＥＴ等の可撓性を有する基板でも良い。可撓性を有する基板１上にグラフェントランジスタを形成することにより、曲面上にグラフェントランジスタを応用したセンサ等を形成でき、例えば、人体に貼る形態のセンサ等を実現可能であり、バイタルデータのセンシングにとって非常に有用である。センサと体を密着させることが可能となり、心拍および筋電位をリアルタイムに正確に取れ、体臭、または汗，涙等の体液のセンシングをリアルタイムにできる等の可能性があり、それらのデータから健康状態や気分等を知ることもできる可能性がある。
【0064】
このように、第４の実施の形態にかかるグラフェントランジスタによれば、トップゲート電極１５が基板１の表面に配置されるため、集積化および実装が容易になる。また、基板１が、高濃度にドーピングしたシリコン基板の場合、トップゲート電極１５と基板１のデュアルゲートトランジスタとして利用できる等などの利点がある。
【0065】
（第５の実施の形態）
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、チャネルにおける絶縁膜とは反対側の面側に設けられる液体と、当該液体内に設けられるゲート電極と、を備える例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、チャネルにおける絶縁膜とは反対側の面側に設けられる液体と、当該液体内に設けられるゲート電極と、を備える例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
【0066】
図６－１は、第５の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの一例の断面図である。多孔質体の絶縁膜上溶液ゲート型グラフェントランジスタを表す図で、本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図６－１に示すように、基板１、多孔質体の絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、ドレイン電極５、絶縁膜６、ゲート電極９、および液体１０を備える絶縁膜上溶液ゲート型グラフェントランジスタである。絶縁膜２とチャネル３は、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していない。液体１０は、チャネル３における絶縁膜２と反対の面側に設けられる液体の一例である。ゲート電極９（第３ゲート電極の一例）は、液体１０に接続される。
【0067】
本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、ゲート電極９に電圧が印加されることにより、液体１０内のゲート電極９近傍とチャネル３近傍に電気二重層を形成し、チャネル３にキャリアを誘起する。電気二重層の厚さは、数ｎｍ程度であるため、低電圧で高電界をチャネル３に印加することができる。
【0068】
ゲート電極９は、液体１０内での電極電位の安定性および再現性に優れる銀―塩化銀電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）、カロメル電極、パラジウム・水素電極（Ｐｄ／Ｈ２）等が好ましい。液体１０は、電気二重層を形成できる液体であれば何でも良いが、トランジスタの特性安定性を確保できるよう、ｐＨを一定に保つことのできるリン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ：Phosphate-Buffered Saline）等が好ましい。
【0069】
本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、基板１が、例えば、高濃度にドーピングしたシリコン基板である場合、ゲート電極９と基板１のデュアルゲートトランジスタとしても利用できる。
【0070】
図６－２は、第５の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの他の例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図６－２に示すように、基板１、絶縁膜８、ゲート電極７、絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、ドレイン電極５、ゲート電極９、および液体１０を備えている。絶縁膜２とチャネル３は、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していない。
【0071】
図６－２に示すグラフェントランジスタは、図６－１に示すデュアルゲートトランジスタとして利用する場合と比べて、ボトムゲート（図６－１に示すグラフェントランジスタの基板１、図６－２に示すグラフェントランジスタのゲート電極７）が基板１の表面に配置されるため、グラフェントランジスタの集積化および実装が容易になる。また、グラフェントランジスタをアレイ化する場合に個々の素子に個々のゲート電圧を印加できるなどの利点がある。
【0072】
図６－３および図６－４は、第５の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの一例の断面図である。図６－１および図６－２に示すグラフェントランジスタでは、ゲート電極９は、棒状の電極であるが、液体１０を介してチャネル３と接続していれば良く、図６－３および図６－４に示すように、絶縁膜２上または絶縁膜８上にゲート電極９が形成されていても良い。
【0073】
図６－１～６－４に示す絶縁膜２は、図２と同様に、ソース電極４とドレイン電極５間のチャネル３の領域が多孔質体となっていれば、基板１の全面が多孔質体であっても良く、また、孔が基板１またはゲート電極７に貫通していても良い。
【0074】
図６－２および図６－４に示すグラフェントランジスタにおいて、基板１と絶縁膜８は、絶縁性を有する基板として一体化しても良く、例えば、ポリイミド、ＰＥＮ、ＰＥＴ等の可撓性を有する基板でも良い。可撓性を有する基板上にグラフェントランジスタを形成すると、曲面上にグラフェントランジスタを応用したセンサ等を形成でき、例えば、人体に貼る形態のセンサ等を実現可能であり、バイタルデータのセンシングにとって非常に有用である。また、センサと体を密着させることが可能となり、心拍および筋電位をリアルタイムに正確に取れ、体臭、または汗，涙等の体液のセンシングをリアルタイムにできる等の可能性があり、それらのデータから健康状態や気分等を知ることもできる可能性がある。
【0075】
このように、第５の実施の形態にかかるグラフェントランジスタによれば、低電圧で高電界を印加可能な電気二重層溶液ゲートトランジスタとして利用できる。
【0076】
（第６の実施の形態）
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、チャネルにおける絶縁膜とは反対の面側に受容層を備える例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、チャネルにおける絶縁膜とは反対の面側に受容層を備える例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
【0077】
図７－１は、第６の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの一例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図７－１に示すように、図２－１に示すグラフェントランジスタのチャネル３上に受容層１１（受容部の一例）を備え、ガスセンサとして機能可能な絶縁膜上グラフェントランジスタである。受容層１１は、標的物質１２のみを補足し、標的物質１２以外の物質１３には反応しない。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、受容層１１が標的物質１２を補足した際にソース電極４とドレイン電極５との間に流れる電流Ｉｄｓが変化することで、標的物質１２の有無および濃度を電気的にセンシングが可能である。
【0078】
受容層１１は、標的物質１２に応じて適宜選択する。例えば、標的物質１２が水素（Ｈ２）の場合、受容層１１は、パラジウム（Ｐｄ）膜等であっても良い。また、標的物質１２が酸素（Ｏ２）の場合、受容層１１は、酸化チタン（ＴｉＯ２）膜であっても良い。また、標的物質１２が二酸化窒素（ＮＯ２）の場合、受容層１１は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜、酸化スズ（ＳｎＯ２）膜等であっても良い。また、標的物質１２がアンモニア（ＮＨ3）の場合、受容層１１は、臭化第一銅（ＣｕＢｒ）膜等であっても良い。
【0079】
図７－２は、第６の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの他の例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図７－２に示すように、ソース電極４およびドレイン電極５が絶縁膜６に覆われているという点で、図７－１に示すグラフェントランジスタと異なるが、図７－１に示すグラフェントランジスタと同等の機能を有する。図７－２に示すグラフェントランジスタは、ソース電極４とドレイン電極５間が受容層１１で接続されないため、センシングの際にノイズとなる受容層１１自体に流れる電流の影響をなくすことができる。
【0080】
図７－３は、第６の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの他の例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図７－３に示すように、基板１、絶縁膜８、ゲート電極７、絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、ドレイン電極５、絶縁膜６、および受容層１１を備えている。絶縁膜２とチャネル３は、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していない。
【0081】
図７－３に示すグラフェントランジスタによれば、ゲート電極７が基板１の表面に配置されるため、グラフェントランジスタの集積化および実装が容易になり、グラフェントランジスタをアレイ化する場合に個々の素子に個々のゲート電圧を印加できるなどの利点がある。例えば、図７－３に示すグラフェントランジスタによれば、センサアレイを形成でき、各センサ（グラフェントランジスタ）に、受容層１１が形成される。受容層１１は、センサ毎に異なっていても良い。これにより、センサの種類だけ、検出する標的物質１２を設定できる。
【0082】
図７－１～７－３に示すグラフェントランジスタの絶縁膜２は、図２－１に示すグラフェントランジスタと同様に、ソース電極４とドレイン電極５間のチャネル３の領域の下が多孔質体となっていれば、基板１の全面が多孔質体であっても良く、また、多孔質体の孔が基板１またはゲート電極７に貫通していても構わない。
【0083】
図７－３に示すグラフェントランジスタおいて、基板１と絶縁膜８は、絶縁性を有する基板として一体化しても良く、例えば、ポリイミド、ＰＥＮ、ＰＥＴ等の可撓性を有する基板でも良い。可撓性を有する基板上にグラフェントランジスタを形成することにより、曲面上にグラフェントランジスタを応用したセンサ等を形成でき、例えば、人体に貼る形態のセンサ等を実現可能であり、バイタルデータのセンシングにとって非常に有用である。センサと体を密着させることが可能となり、心拍および筋電位をリアルタイムに正確に取れる、体臭、または汗，涙等の体液のセンシングをリアルタイムにできる等の可能性があり、それらのデータから健康状態や気分等を知ることもできる可能性がある。
【0084】
このように、第６の実施の形態にかかるグラフェントランジスタによれば、受容層１１が標的物質１２を補足した際にソース電極４とドレイン電極５との間に流れる電流Ｉｄｓが変化することで、標的物質１２の有無および濃度を電気的にセンシングが可能である。
【0085】
（第７の実施の形態）
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、受容層におけるチャネルとは反対の面側に液体を備える例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
本実施の形態は、グラフェントランジスタが、受容層におけるチャネルとは反対の面側に液体を備える例である。以下の説明では、上述の実施の形態と同様の構成については説明を省略する。
【0086】
図８－１は、第７の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの一例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図８－１に示すように、図６－１に示す絶縁膜上溶液ゲート型グラフェントランジスタのチャネル３上に受容層１１を備え、溶液センサとして機能する絶縁膜上グラフェントランジスタである。また、本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図８－１に示すように、受容層１１におけるチャネル３とは反対の面側に液体１０を有する。受容層１１は、センシング標的物質１２以外の物質１３には反応しない。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、受容層１１が標的物質１２を補足した際にソース電極４とドレイン電極５間に流れる電流Ｉｄｓが変化することで、標的物質１２の有無および濃度を電気的にセンシングが可能である。すなわち、本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、標的物質（所定物質の一例）の有無および濃度に応じたチャネル３の電荷の変化に基づいて標的物質を検出するバイオセンサに適用可能である。
【0087】
受容層１１は、標的物質１２に応じて適宜選択する。例えば、標的物質１２が分子の場合、受容層１１は、それに対応した分子鋳型が好ましい。また、標的物質１２がイオンの場合、受容層１１は、それに対応したイオノフォアが好ましい。また、標的物質１２がホルモンなどの抗原の場合、受容層１１は、それに対応した抗体が好ましい。また、標的物質１２が核酸分子の場合、受容層１１は、それに対応した核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）アプタマーが好ましい。また、標的物質１２がアミノ酸およびタンパク質等である場合、受容層１１は、それに対応したペプチドおよびアプタマー等が好ましい。
【0088】
図８－１に示すグラフェントランジスタは、基板１が、例えば、高濃度にドーピングしたシリコン基板である場合、ゲート電極９と基板1のデュアルゲートトランジスタとしても利用できる。
【0089】
図８－２は、第７の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの他の例の断面図である。本実施の形態にかかるグラフェントランジスタは、図８－２に示すように、基板１、絶縁膜８、ゲート電極７、絶縁膜２、チャネル３、ソース電極４、ドレイン電極５、絶縁膜６、および受容層１１を備えている。絶縁膜２とチャネル３は、絶縁膜２の凸部でのみ接触しており、絶縁膜２の凹部では接触していない。
【0090】
図８－２に示すグラフェントランジスタは、図８－１に示すグラフェントランジスタをデュアルゲートトランジスタとして利用する場合と比べて、ボトムゲート（図８－１に示すグラフェントランジスタでは基板１、図８－２に示すグラフェントランジスタではゲート電極７）を基板１の表面に配置できるので、グラフェントランジスタの集積化および実装が容易になる。また、グラフェントランジスタをアレイ化する場合に、個々の素子に個々のゲート電圧を印加できるなどの利点がある。
【0091】
図８－３および図８－４は、第７の実施の形態にかかるグラフェントランジスタの他の例の断面図である。図８－１および図８－２に示すグラフェントランジスタでは、ゲート電極９が棒状の例を示したが、液体１０を介してチャネル３と接続していれば、ゲート電極９は、図８－３および図８－４に示すように、絶縁膜２上、または絶縁膜８上に形成されていても良い。
【0092】
図８－５～８－８は、第７の実施の形態にかかるグラフェントランジスタを用いた溶液センサアレイの断面図である。具体的には、図８－５に示す溶液センサアレイは、図８－１に示すグラフェントランジスタを２つ有する溶液センサアレイである。また、図８－６に示す溶液センサアレイは、図８－２に示すグラフェントランジスタを２つ有する溶液センサアレイである。図８－７に示す溶液センサアレイは、図８－３に示すグラフェントランジスタを２つ有する溶液センサアレイである。図８－８に示す溶液センサアレイは、図８－４に示すグラフェントランジスタを２つ有する溶液センサアレイである。
【0093】
図８－６および図８－８に示す溶液センサアレイは、ゲート電極７とゲート電極７′のそれぞれに異なるゲート電圧を印加することが可能であり、個々のチャネル３およびチャネル３’に個別で任意のキャリアを誘起させることができ、基準電圧（ディラック電圧）の制御が可能である。また、基準電圧（ディラック電圧）を個々に制御可能なため、トランジスタアレイのセンサ間の特性ばらつきを抑制および制御し、精度よく測定することができる。
【0094】
図８－９は、第７の実施の形態にかかるグラフェントランジスタを用いたセンサの４×４アレイの一例を示す図である。具体的には、図８－９に示す４×４アレイは、図８－２に示す絶縁膜上グラフェントランジスタを複数組合せたバイオセンサアレイの一例であり、センサＳ１１～Ｓ４４のそれぞれが図８－２に示す絶縁膜上グラフェントランジスタの構造を備える。ソースは、全センサＳ１１～Ｓ４４で共通であり、各絶縁膜上グラフェントランジスタに個々のゲート電圧、ドレイン電圧を印加可能な構成である。例えば、トランジスタＳ１１のゲート電圧はＧ１１であり、トランジスタＳ１１のドレイン電圧はＤ１１から印加する。
【0095】
また、図８－９に示す４×４アレイの構成の上に、受容層１１（チャネル３上の絶縁膜６が存在しない領域）と、標的物質以外の物質１２および標的物質１３を含んだ液体１０と、ゲート電極９と、を形成することも可能である。
【0096】
図８－９に示す４×４アレイを用いて、例えば、唾液中のホルモンバランスをセンシングする場合、エストロン、エストラジオール、エストリオール、プロゲステロン、テストステロン、ＤＨＴ（ジヒドロテストステロン）、アンドロステンジオン、アンドロステロン、コルチゾール、等の複数のホルモンを一度にセンシングすることができる。図８－９に示す４×４アレイによれば、複数のホルモンのそれぞれの絶対量が分かるだけでなく、単一のサンプルから各ホルモン同士を比較した場合のバランスも把握可能となる。
【0097】
図８－１０は、第７の実施の形態にかかるグラフェントランジスタを用いたセンサによるホルモンのセンシング結果の一例を示す図である。４×４アレイにおける各センサＳ１１～Ｓ４４の位置を工夫することで、図８－１０に示すように、ホルモンの偏り等を可視化することも実現可能となる。
【0098】
図８－１～８－９に示すグラフェントランジスタが有する絶縁膜２は、図２－１と同様に、ソース電極４とドレイン電極５間のチャネル３の領域の下が多孔質体となっていれば、基板１の全面が多孔質体であっても良く、また、多孔質体の孔が基板１またはゲート電極７に貫通していても構わない。
【0099】
図８－２、図８－４、図８－６、および図８－８において、基板１と絶縁膜８は、絶縁性を有する基板として一体化しても良く、例えば、ポリイミド、ＰＥＮ、ＰＥＴ等の可撓性を有する基板でも良い。可撓性を有する基板上にグラフェントランジスタを形成することにより、曲面上にグラフェントランジスタを応用したセンサ等を形成でき、例えば、人体に貼る形態のセンサ等を実現可能であり、バイタルデータのセンシングにとって非常に有用である。センサと体を密着させることが可能となり、心拍および筋電位をリアルタイムに正確に検出できる。また、体臭、または汗，涙等の体液のセンシングをリアルタイムにできる等の可能性があり、それらのデータから健康状態や気分等を知ることもできる可能性がある。
【0100】
このように、第７の実施の形態にかかるグラフェントランジスタによれば、受容層１１が標的物質１２を補足した際にソース電極４とドレイン電極５間に流れる電流Ｉｄｓが変化することで、標的物質１２の有無および濃度を電気的にセンシングが可能である。
【符号の説明】
【0101】
１ 基板
２，６，８ 絶縁膜
３ チャネル
４ ソース電極
５ ドレイン電極
７，９ ゲート電極
１０ 液体
１１ 受容層
１４ ゲート絶縁膜
１５ トップゲート電極
２，６，８ 絶縁膜
３ チャネル
４ ソース電極
５ ドレイン電極
７，９ ゲート電極
１０ 液体
１１ 受容層
１４ ゲート絶縁膜
１５ トップゲート電極
【先行技術文献】
【特許文献】
【0102】
【特許文献1】特開２０１８－０１４３６０号公報
【非特許文献】
【0103】
【非特許文献1】Ｋ．Ｉ．Ｂｏｌｏｔｉｎ ｅｔ ａｌ．， Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｍｍ．１４６，３５１（２００８）
【非特許文献2】Ｓ．Ｗａｇｎｅｒ ｅｔ ａｌ．／Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １５９ （２０１６） １０８－１１３
【非特許文献3】Ｌ Ｇｈａｚａｒｙａｎ ｅｔ ａｌ．Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２７ （２０１６） ２５５６０３
【図1-1】
【図1-2】
【図2-1】
【図2-2】
【図2-3】
【図2-4】
【図2-5】
【図3-1】
【図3-2】
【図3-3】
【図4-1】
【図4-2】
【図4-3】
【図4-4】
【図4-5】
【図5-1】
【図5-2】
【図5-3】
【図5-4】
【図5-5】
【図5-6】
【図6-1】
【図6-2】
【図6-3】
【図6-4】
【図7-1】
【図7-2】
【図7-3】
【図8-1】
【図8-2】
【図8-3】
【図8-4】
【図8-5】
【図8-6】
【図8-7】
【図8-8】
【図8-9】
【図8-10】