特表 2020-502484 ガス感知センサー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】特表2020-502484(P2020-502484A)

(43)【公表日】2020年1月23日

(54)【発明の名称】ガス感知センサー

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/00 20060101AFI20191220BHJP

   H01L 29/06 20060101ALI20191220BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/00 J

   H01L29/06 601D

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2019-520374(P2019-520374)

(86)(22)【出願日】2017年11月2日

(85)【翻訳文提出日】2019年5月29日

(86)【国際出願番号】KR2017012334

(87)【国際公開番号】WO2018084602

(87)【国際公開日】20180511

(31)【優先権主張番号】10-2016-0144843

(32)【優先日】2016年11月2日

(33)【優先権主張国】KR

(31)【優先権主張番号】10-2017-0145147

(32)【優先日】2017年11月2日

(33)【優先権主張国】KR

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ

(71)【出願人】

【識別番号】500239823

【氏名又は名称】エルジー・ケム・リミテッド

(71)【出願人】

【識別番号】505176556

【氏名又は名称】コリア ユニバーシティ リサーチ アンド ビジネス ファウンデーション

(74)【代理人】

【識別番号】110000877

【氏名又は名称】龍華国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】ジョン、クワン ソブ

(72)【発明者】

【氏名】シン、ハン ベウム

(72)【発明者】

【氏名】チョイ、ドン スン

(72)【発明者】

【氏名】ユン、ビット ナ

(72)【発明者】

【氏名】ジョン、ジュ イェオン

【テーマコード（参考）】

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G060AA01

2G060AB09

2G060AE19

2G060AF20

2G060BA07

2G060DA01

2G060DA06

2G060DA09

2G060DA14

2G060HC10

2G060KA01

(57)【要約】

本発明は、ガス感知センサーに関し、本発明の日側面によれば、基板と、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられた絶縁層と、絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、ソース電極とドレーン電極の間に設けられたｎ型チャネルと、ｎ型チャネル上に設けられ、ターゲットガス分子の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層とを含むガス感知センサーが提供される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
基板上に設けられたゲート電極と、
ゲート電極上に設けられた絶縁層と、
絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、
ソース電極とドレーン電極との間に設けられたｎ型チャネルと、
ｎ型チャネル上に設けられ、ターゲットガス分子の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含むガス感知センサー。

【請求項2】

前記量子ドット層の量子ドットは、コロイド状量子ドットである、請求項１に記載のガス感知センサー。

【請求項3】

前記量子ドット層の量子ドットは、ＩＩ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、ＩＶ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＶ族半導体化合物、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１または２に記載のガス感知センサー。

【請求項4】

前記量子ドットは、ＡｕＳ、ＡｕＳｅ、ＡｕＴｅ、ＡｇＳ、ＡｇＳｅ、ＡｇＴｅ、ＡｇＯ、ＣｕＳ、ＣｕＳｅ、ＣｕＴｅ、ＣｕＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｕＳｅＳ、ＡｕＳｅＴｅ、ＡｕＳＴｅ、ＡｇＳｅＳ、ＡｇＳｅＴｅ、ＡｇＳＴｅ、ＣｕＳｅＳ、ＣｕＳｅＴｅ、ＣｕＳＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＡｕＡｇＳ、ＡｕＡｇＳｅ、ＡｕＡｇＴｅ、ＡｕＣｕＳ、ＡｕＣｕＳｅ、ＡｕＣｕＴｅ、ＡｕＺｎＳ、ＡｕＺｎＳｅ、ＡｕＺｎＴｅ、ＡｕＣｄＳ、ＡｕＣｄＳｅ、ＡｕＣｄＴｅ、ＡｕＨｇＳ、ＡｕＨｇＳｅ、ＡｕＨｇＴｅ、ＡｇＺｎＳ、ＡｇＺｎＳｅ、ＡｇＺｎＴｅ、ＡｇＣｕＳ、ＡｇＣｕＳｅ、ＡｇＣｕＴｅ、ＡｇＣｄＳ、ＡｇＣｄＳｅ、ＡｇＣｄＴｅ、ＡｇＨｇＳ、ＡｇＨｇＳｅ、ＡｇＨｇＴｅ、ＣｕＺｎＳ、ＣｕＺｎＳｅ、ＣｕＺｎＴｅ、ＣｕＣｄＳ、ＣｕＣｄＳｅ、ＣｕＣｄＴｅ、ＣｕＨｇＳ、ＣｕＨｇＳｅ、ＣｕＨｇＴｅ、ＺｎＣｄＳ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＣｄＴｅ、ＺｎＨｇＳ、ＺｎＨｇＳｅ、ＺｎＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ；ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡＳ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡＳ、ＩｎＳｂ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡＳ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡＳ、ＧａＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡＳ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡＳ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡＳ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡＳ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳｅＳ、ＳｎＳｅＴｅ、ＳｎＳＴｅ、ＰｂＳｅＳ、ＰｂＳｅＴｅ、ＰｂＳＴｅ、ＳｎＰｂＳ、ＳｎＰｂＳｅ、ＳｎＰｂＴｅ、ＳｎＰｂＳＳｅ、ＳｎＰｂＳｅＴｅ、ＳｎＰｂＳＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、およびＳｉＧｅよりなる群から選択される一つ以上である、請求項３に記載のガス感知センサー。

【請求項5】

量子ドットは、リガンド置換された量子ドットである、請求項１に記載のガス感知センサー。

【請求項6】

量子ドットは、有機リガンドおよび無機リガンドのうち少なくとも一つのリガンドに置換された量子ドットである、請求項５に記載のガス感知センサー。

【請求項7】

前記ｎ型チャネルは、ＩＧＺＯ、ＺｎＯ、ＺＴＯ、ＩＺＯ、ＩＨＺＯ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮおよびＩｎＧａＮよりなる群から選択されるいずれか一つのｎ型物質よりなる、請求項１から６のいずれか一項に記載のガス感知センサー。

【請求項8】

基板と、
基板上に設けられたゲート電極と、
ゲート電極上に設けられた絶縁層と、
絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、
絶縁層上に設けられ、ソース電極およびドレーン電極を電気的に連結するように設けられ、ターゲットガス分子の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含むガス感知センサー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガス感知センサーに関し、特に量子ドットを利用したガス感知センサーに関する。

【0002】

本出願は、２０１６年１１月２日付けの韓国特許出願第１０−２０１６−０１４４８４３号および２０１７年１１月２日付けの韓国特許出願第１０−２０１７−０１４５１４７号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。

【背景技術】

【0003】

量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ）は、そのサイズを調節することにより、エネルギーバンドギャップを容易に調節でき、このような特性を利用して発光材料に使用できる。また、量子ドットは、多様な波長の光を吸収して電荷を発生させることができ、したがって、発光材料の他にもバイオセンサーおよび光感知センサーの素材に活用できる。

【0004】

従来、二酸化炭素の濃度を測定するためにＮＤＩＲセンサーが使用されているが、リアルタイム測定のためには、エネルギー消耗が大きく、装備のウォーム−アップ（ｗａｒｍ−ｕｐ）時間が長いため、非効率的であるという不都合がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、量子ドット層とターゲットガス分子と帯内における電子遷移エネルギーの共鳴による量子ドット層の電流変化を測定できるガス感知センサー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】

前記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、基板と、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられた絶縁層と、絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、ソース電極とドレーン電極との間に設けられたｎ型チャネルと、ｎ型チャネル上に設けられ、ターゲットガス分子の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含むガス感知センサーが提供される。

【0007】

また、本発明の他の態様によれば、基板と、基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極上に設けられた絶縁層と、絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、絶縁層上に設けられ、ソース電極およびドレーン電極を電気的に連結するように設けられ、ターゲットガス分子の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含むガス感知センサーが提供される。

【発明の効果】

【0008】

以上説明したように、本発明の少なくとも一実施形態に係るガス感知センサーによれば、量子ドット層の電子−遷移エネルギーとターゲットガス分子の振動エネルギーの共鳴（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）による量子ドット層の電流変化を測定できるので、ターゲットガスの濃度を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１実施形態に係るガス感知センサーを示す概略断面図である。

【図2】量子ドット層の帯内における電子−遷移エネルギーとターゲットガス分子の振動エネルギーの共鳴を説明するための概念図である。

【図3】本発明のガス感知センサーを利用した実験結果を示すグラフである。

【図4】本発明のガス感知センサーを利用した実験結果を示すグラフである。

【図5】本発明のガス感知センサーを利用した実験結果を示すグラフである。

【図6】本発明の第２実施形態に係るガス感知センサーを示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の一実施形態に係るガス感知センサーを添付の図面を参照して詳細に説明する。

【0011】

また、参照符号に関係なく、同一または対応の構成要素は、同一または同様の参照番号を付与し、これに対する重複説明を省略することとし、説明の便宜のために図示された各構成部材のサイズおよび形状は、誇張されたり縮小され得る。

【0012】

図１は、本発明の第１実施形態に係るガス感知センサー１００を示す概略断面図であり、図２は、量子ドット層の帯内における電子−遷移エネルギーとターゲットガス分子の振動エネルギーの共鳴を説明するための概念図であり、図３は、本発明のガス感知センサーを利用した実験結果を示すグラフである。

【0013】

本発明は、ｎ型チャネル上に形成された量子ドット層１６０を含むガス感知センサー１００を提供する。また、前記量子ドット層１６０は、ターゲットガス（例えば、二酸化炭素）分子１７０の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられる。

【0014】

また、量子ドット層１６０の帯内における電子−遷移エネルギーを調節することにより、ガス感知センサー１００は、多様なガス濃度の測定に使用され得る。

【0015】

また、量子ドット層１６０とターゲットガス分子と電子−振動エネルギー伝達による量子ドット層の電位が変わるようになるが、この際に発生する微細な電位差を電流変化に誘導して測定できる。

【0016】

図１を参照すると、第１実施形態に係る前記ガス感知センサー１００は、基板１１０、ゲート電極１４０、絶縁層１８０、ソース電極１２０、ドレーン電極１３０、ｎ型チャネル１５０、および量子ドット層１６０を含む。

【0017】

具体的に、本発明の一実施形態に係るガス感知センサー１００は、基板１１０と、基板１１０上に設けられたゲート電極１４０と、ゲート電極１４０上に設けられた絶縁層１８０と、絶縁層１８０上にそれぞれ設けられたソース電極１２０およびドレーン電極１３０とを含む。また、ガス感知センサー１００は、ソース電極１２０とドレーン電極１３０との間に設けられたｎ型チャネル１５０と、電流が流れるように設けられ、ｎ型チャネル１５０上に設けられた量子ドット層１６０とを含む。また、ソース電極１２０とドレーン電極１３０は、それぞれ絶縁層１８０とｎ型チャネル１５０上にわたって設けられる。

【0018】

また、前記ｎ型チャネル１５０は、ソース電極１２０とドレーン電極１３０を電気的に連結するように設けられる。

【0019】

量子ドット層１６０は、ターゲットガス分子の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギー（帯内における電子遷移エネルギー）を有するように設けられる。

【0020】

また、量子ドット層１６０は、ソース電極１２０とドレーン電極１３０を電気的に連結するように設けられてもよく、量子ドット層１６０は、ソース電極１２０とドレーン電極１３０を電気的に連結しないように設けられてもよい。

【0021】

量子ドット層１６０は、球形状を有する複数の量子ドットが層を成すように配列されたものであり、量子ドットは、そのサイズと組成を調節することにより、電子構造のエネルギーギャップを容易に調節することができる。

【0022】

量子ドットを利用したガス感知センサー１００の作動原理は、量子ドット層１６０に流れる電流をリアルタイムで感知して、量子ドット層１６０の電流変化を利用することである。例えば、量子ドットを利用したガス感知センサー１００の場合、電界効果薄膜トランジスターＴＦＴと結合してこれを応用できる。

【0023】

また、量子ドット層１６０は、フィルム形態で製造され得る。

【0024】

前記電界効果薄膜トランジスターにおいて量子ドット層１６０の電流変化は、その電子がｎ型チャネル１５０の伝導チャネル（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ）に移動して臨界電圧の変化を発生させ、これを測定してバイオセンサーに応用できる。具体的に、前記電界効果薄膜トランジスターにおいて量子ドット層１６の表面で起こる官能基の変化は、量子ドットの電位を変化させるが、この微細な電位の変化を、電子がｎ型チャネルの伝導チャネルの電流変化に変換および増幅させるようになる。つまり、量子ドットにおける表面電位の変化は、すなわち薄膜トランジスターにおける電流変化を示すようになるが、臨界電圧の変化にも現れ、これを測定してガス感知センサー１００に応用できる。

【0025】

具体的に、ＴＦＴにおいてソース電極１２０とゲート電極１３０との間に臨界電圧（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｖｏｌｔａｇｅ）以上の電圧が印加されると、ｎ型チャネルで伝導チャネルが形成され、これを通じて、ソース電極１２０とドレーン電極１３０との間に電子が移動し得る。また、量子ドットの電位もやはり、ｎ型伝導チャネルに影響を与えることができるので、臨界電圧に影響を及ぼすことができる。

【0026】

図２を参照すると、本発明によるガス感知センサー１００において、ソース電極１２０とゲート電極１３０との間に電流をリアルタイムで測定すると、量子ドット層１６０に誘導される電位差を観察することができ、ターゲットガス分子（ｇａｓ ｍｏｌｅｃｕｌｅ）から量子ドット層１６０（ＱＤ）に伝達される特定の電子−振動エネルギー伝達（ｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）により変化した電流を測定するように設けられる。また、測定しようとする電流は、ターゲットガス分子の特定の官能基の振動によって量子ドットの帯内における遷移エネルギーが吸収されて、電流の変化が起こるようになる。

【0027】

また、ターゲットガス分子の振動による電位の増加は、新規な且つ実現可能性が高い測定方式であり、バイオ分子の濃度に応じて電位値が比例するようになる。

【0028】

また、量子ドット層１６０とガス分子振動との間のカップリングによるエネルギー伝達であるので、ガス分子と量子ドット層１６０との間の物理的距離に対する情報も測定できる。

【0029】

なお、本発明で使用できるｎ型チャネル１５０は、ＩＧＺＯ、ＺｎＯ、ＺＴＯ、ＩＺＯ、ＩＨＺＯ、ＡＩＮ、ＩｎＮ、ＧａＮおよびＩｎＧａＮよりなる群から選択されるいずれか一つのｎ型物質よりなり得る。

【0030】

特に、ＩＧＺＯよりなるｎ型チャネル１５が好ましいが、これは、優れた光学透明性、非結晶構造、高い電子移動性を有しており、また、量子ドットが直接ＩＧＺＯチャネル上に機能化され得るためである。ひいては、ＩＧＺＯチャネルは、直接アクティブマトリクスバックプレーンとして機能し得るので、別途の集積化工程が省略され得るという長所がある。

【0031】

また、本発明で使用できる量子ドットは、コロイド状量子ドットを使用することが好ましい。コロイド状量子ドットを使用する場合、ｎ型チャネル１５上にスピンコーティングのような簡単な方法で形成することができ、量子ドットを均一に分布させることができる。

【0032】

前記量子ドットは、ＩＩ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、ＩＶ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＶ族半導体化合物、またはこれらの組み合わせを含むことができる。

【0033】

具体的に、前記量子ドットは、ＡｕＳ、ＡｕＳｅ、ＡｕＴｅ、ＡｇＳ、ＡｇＳｅ、ＡｇＴｅ、ＡｇＯ、ＣｕＳ、ＣｕＳｅ、ＣｕＴｅ、ＣｕＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｕＳｅＳ、ＡｕＳｅＴｅ、ＡｕＳＴｅ、ＡｇＳｅＳ、ＡｇＳｅＴｅ、ＡｇＳＴｅ、ＣｕＳｅＳ、ＣｕＳｅＴｅ、ＣｕＳＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＡｕＡｇＳ、ＡｕＡｇＳｅ、ＡｕＡｇＴｅ、ＡｕＣｕＳ、ＡｕＣｕＳｅ、ＡｕＣｕＴｅ、ＡｕＺｎＳ、ＡｕＺｎＳｅ、ＡｕＺｎＴｅ、ＡｕＣｄＳ、ＡｕＣｄＳｅ、ＡｕＣｄＴｅ、ＡｕＨｇＳ、ＡｕＨｇＳｅ、ＡｕＨｇＴｅ、ＡｇＺｎＳ、ＡｇＺｎＳｅ、ＡｇＺｎＴｅ、ＡｇＣｕＳ、ＡｇＣｕＳｅ、ＡｇＣｕＴｅ、ＡｇＣｄＳ、ＡｇＣｄＳｅ、ＡｇＣｄＴｅ、ＡｇＨｇＳ、ＡｇＨｇＳｅ、ＡｇＨｇＴｅ、ＣｕＺｎＳ、ＣｕＺｎＳｅ、ＣｕＺｎＴｅ、ＣｕＣｄＳ、ＣｕＣｄＳｅ、ＣｕＣｄＴｅ、ＣｕＨｇＳ、ＣｕＨｇＳｅ、ＣｕＨｇＴｅ、ＺｎＣｄＳ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＣｄＴｅ、ＺｎＨｇＳ、ＺｎＨｇＳｅ、ＺｎＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ；ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡＳ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡＳ、ＩｎＳｂ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡＳ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡＳ、ＧａＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡＳ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡＳ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡＳ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡＳ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳｅＳ、ＳｎＳｅＴｅ、ＳｎＳＴｅ、ＰｂＳｅＳ、ＰｂＳｅＴｅ、ＰｂＳＴｅ、ＳｎＰｂＳ、ＳｎＰｂＳｅ、ＳｎＰｂＴｅ、ＳｎＰｂＳＳｅ、ＳｎＰｂＳｅＴｅ、ＳｎＰｂＳＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、およびＳｉＧｅよりなる群から選択されるいずれか一つ以上が使用できる。

【0034】

特に、本発明の一実施形態に係るガス感知センサー１００は、赤外線領域、特に中赤外線領域で電子遷移を有する量子ドット層１６０が使用できる。この場合、前記量子ドットの種類またはサイズを調節して、赤外線領域、特に１０００ｎｍ〜２０μｍの波長、好ましくは、１０００ｎｍ〜８０００ｎｍの波長の光を吸収する量子ドットが使用できる。また、コロイド状量子ドットは、低費用で大面積の加工が可能であるので、本発明においてもコロイド状量子ドットを利用することが好ましい。

【0035】

また、前記量子ドットは、リガンド置換された量子ドットが使用できる。量子ドットは、有機リガンドおよび無機リガンドのうち少なくとも一つのリガンドに置換され得る。前記リガンドの例としては、ＥＤＴ（ｅｔｈａｎｅｄｉｔｈｏｌ）、ＢＤＴ（ｂｕｔａｎｅｔｈｉｏｌ）、ＭＰＡ（ｍｅｒｃａｐｔｏｃａｒｂｏｘｙｌｉｃ ａｃｉｄ）、ＣＴＡＢ（ｔｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、ＨＴＡＣ（ｈｅｘａｄｅｃｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＴＢＡＩ（ｔｅｔｒａｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ）、またはＮａ２Ｓが挙げられる。

【0036】

量子ドットは、コロイド状溶液の分散性と安定性のためにオレイン酸リガンドで取り囲んでいる構造を有している。この状態の量子ドットもガス感知センサーに適用できるが、オレイン酸リガンドは、鎖構造が長いため、量子ドットで発生した電子がｎ型チャネル１５０に移動するのに妨げられる。したがって、より短い鎖構造のリガンドとして前記のリガンドに置換することが好ましい。前記リガンド置換された量子ドットを使用する場合、例えばオレイン酸リガンドで取り囲まれた量子ドットをｎ型チャネル１５０上に形成した後、前記リガンドと反応させて置換する方法で使用できる。

【0037】

これとは異なって、コロイド状量子ドット層の有機物質リガンドを単分子有機リガンドまたは無機リガンドに置換してターゲットバイオ分子の接近性を向上させ、バイオ分子の官能基の振動モードと量子ドット層の帯内における遷移の共鳴を容易にし得る。

【0038】

一実施形態において、電荷移動のための有機リガンドとしては、前述したＥＤＴ、ＢＤＴ、ＭＰＡなどの長さが短い二座リガンド（ｂｉｄｅｎｔａｔｅ ｌｉｇａｎｄ）を使用する計画であり、無機リガンドと混合してコロイド状量子ドット層のフィルム構造を均一に形成することができる。

【0039】

ＣＴＡＢ（Ｃｅｔｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｂｒｏｍｉｄｅ）、ＣＴＡＣｌ（Ｃｅｔｙｌｔｒｉｍｅｔｈｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｃｈｌｏｒｉｄｅ）、ＴＢＡＩ（Ｔｒｉｂｕｔｙｌａｍｍｏｎｉｕｍ ｉｏｄｉｄｅ）などのハロゲンイオンを提供する化合物を利用して合成した後に使用されている有機リガンドをＢｒ⁻、Ｃｌ⁻、Ｉ⁻などのハロゲンイオンに置換し得る。有機リガンドで取り囲まれたコロイド状量子ドット層で構成されたフィルム上に数分間ハロゲンイオンを存在するようにして、常温で置換過程を進めることができる。フィルムの厚さは、順次に増加させることができ、厚さは、１０ｎｍから３００ｎｍまでであってもよい。ハロゲンの場合、原子リガンドであるので、リガンドによる振動運動がないため、中赤外線領域でターゲットガス分子以外の共鳴現象を起こす分子を除去することができる。これにより、より向上し且つ安定した電気信号を得ることができる。

【0040】

無機リガンドに置換する他の方法としては、極性溶液と無極性溶液との極性差を利用する方法が利用され得る。無極性有機リガンドに改質されているコロイド状量子ドット溶液を極性無機リガンド溶液と常温で撹拌させる場合、コロイド状量子ドットの表面に極性リガンドが改質されるようになって、コロイド状量子ドットの誘電率が増加する。したがって、無機リガンドに改質されたコロイド状量子ドットは、極性溶液に存在するようになる。極性無機リガンドに改質されたコロイド状量子ドット溶液は、表面の上にコロイド溶液をコーティングさせることができるという長所がある。

【0041】

また、前記絶縁層１８０は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、またはＳｉＮｘなどで形成され得る。

【0042】

また、前記ゲート電極１４０は、金属で形成され得、例えばＣｒ、ＭＯ、Ａｌ、Ｔｉ／Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、およびＰｔよりなる群から選択され得る。

【0043】

また、前記ソース電極１２０およびドレーン電極１３０は、それぞれ金属で形成され得、例えばＣｒ、Ｔｉ／Ａｕ、ＭＯ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、ＰｔおよびＷよりなる群から選択され得る。

【0044】

なお、前述した絶縁層１８０、ｎ型チャネル１５０、量子ドット層１６０、ソース電極およびドレーン電極１２０、１３０以外の残りの構成は、一般的にガス感知センサー１００において使用できるものであれば、特に限定されない。

【0045】

例えば、前記基板１１０としては、ガラス基板やプラスチック基板が使用され得る。

【0046】

図３〜図５を参照すると、図１に示されたガス感知センサー１００において、ｎ型チャネル上に所定の遷移エネルギーを有するコロイド量子ドットフィルムをコートして、ガス感知センサーのＩｄ（ドレーン電流）−Ｖｇ（ゲート電圧）を測定しつつ、二酸化炭素ガスによる電流値の変動を測定した。量子ドット層１６０は、２００〜３００ｎｍの厚さでスピンコーティングし、ガス感知センサーのゲート電圧Ｖｇのスイープ範囲（ｓｗｅｅｐｉｎｇ ｒａｎｇｅ）は、−１０Ｖから１０Ｖに設定した。量子ドット層と二酸化炭素ガス間のエネルギー共鳴によるＩｄ−Ｖｇ特性曲線においてドレーン電流の変動または臨界電圧Ｖｔの変動を通じてガス感知システムを構築した。

【0047】

図３〜図５を参照すると、二酸化炭素ガスの存在によりガス感知センサーの臨界電圧Ｖｔが移動したことを確認することができる。また、二酸化炭素ガスを除去すると、臨界電圧Ｖｔがさらに戻ることを確認することができる。これは、二酸化炭素が量子ドット層に吸着されながら変化する電位変化または量子ドット層の表面の化学的吸着における電気的結合力が、量子ドット層の下で電流が流れるｎ型チャネル１５０に電場で影響を与えるので、そのため、臨界電圧Ｖｔに影響を及ぼすことを確認することができる。

【0048】

最初の状態である図３を参照すると、直線Ｈとｘ軸Ｖｇとの交差線である臨界電圧Ｖｔが４Ｖ以下で形成されることを確認することができる。

【0049】

また、図４を参照すると、二酸化炭素の吸着が生じた場合、臨界電圧Ｖｔが４Ｖ以上に変更されることを確認することができる。

【0050】

また、図５を参照すると、二酸化炭素が除去された場合、さらに臨界電圧Ｖｔが４Ｖ以下に戻ることを確認することができ、これにより、量子ドット層１６０で二酸化炭素と反応が行われることが分かる。

【0051】

なお、未説明符号Ｌは、ドレーン電流Ｉｄをログｌｏｇスケールと平方根（ｓｑｕａｒｅ ｒｏｏｔ）スケールで表示したグラフを示す。

【0052】

図６は、本発明の第２実施形態に係るガス感知センサー２００を示す概略断面図である。

【0053】

図６を参照すると、ガス感知センサー２００は、基板２１０と、基板２１０上に設けられたゲート電極２４０と、ゲート電極２４０上に設けられた絶縁層２８０と、絶縁層２８０上にそれぞれ設けられたソース電極２２０およびドレーン電極２３０と、を含む。また、ガス感知センサー２００は、絶縁層２８０上に位置し、ソース電極２２０とドレーン電極２３０との間に電流が流れるように設けられ、ターゲットガス分子の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層２６０を含む。

【0054】

第２実施形態では、第１実施形態とは異なって、ｎ型層１５０が設けられなくてもよく、量子ドット層２６０がソース電極２２０とドレーン電極２３０を電気的に連結する。

【0055】

上記で説明された本発明の好ましい実施形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明における通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で多様な修正、変更、付加が可能であり、このような修正、変更および付加は、下記の特許請求の範囲に属すると見なすべきである。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本発明の少なくとも一実施形態に係るガス感知センサーによれば、量子ドット層の電子−遷移エネルギーとターゲットガス分子の振動エネルギーの共鳴による量子ドット層の電流変化を測定できるので、ターゲットガス濃度を測定できる。

【0057】

［項目１］
基板と、
基板上に設けられたゲート電極と、
ゲート電極上に設けられた絶縁層と、
絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、
ソース電極とドレーン電極との間に設けられたｎ型チャネルと、
ｎ型チャネル上に設けられ、ターゲットガス分子の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含むガス感知センサー。
［項目２］
量子ドット層の量子ドットは、コロイド状量子ドットである、項目１に記載のガス感知センサー。
［項目３］
量子ドット層の量子ドットは、ＩＩ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物、ＩＶ−ＶＩ族半導体化合物、ＩＶ族半導体化合物、またはこれらの組み合わせを含む、項目１または２に記載のガス感知センサー。
［項目４］
量子ドットは、ＡｕＳ、ＡｕＳｅ、ＡｕＴｅ、ＡｇＳ、ＡｇＳｅ、ＡｇＴｅ、ＡｇＯ、ＣｕＳ、ＣｕＳｅ、ＣｕＴｅ、ＣｕＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＺｎＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＡｕＳｅＳ、ＡｕＳｅＴｅ、ＡｕＳＴｅ、ＡｇＳｅＳ、ＡｇＳｅＴｅ、ＡｇＳＴｅ、ＣｕＳｅＳ、ＣｕＳｅＴｅ、ＣｕＳＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＡｕＡｇＳ、ＡｕＡｇＳｅ、ＡｕＡｇＴｅ、ＡｕＣｕＳ、ＡｕＣｕＳｅ、ＡｕＣｕＴｅ、ＡｕＺｎＳ、ＡｕＺｎＳｅ、ＡｕＺｎＴｅ、ＡｕＣｄＳ、ＡｕＣｄＳｅ、ＡｕＣｄＴｅ、ＡｕＨｇＳ、ＡｕＨｇＳｅ、ＡｕＨｇＴｅ、ＡｇＺｎＳ、ＡｇＺｎＳｅ、ＡｇＺｎＴｅ、ＡｇＣｕＳ、ＡｇＣｕＳｅ、ＡｇＣｕＴｅ、ＡｇＣｄＳ、ＡｇＣｄＳｅ、ＡｇＣｄＴｅ、ＡｇＨｇＳ、ＡｇＨｇＳｅ、ＡｇＨｇＴｅ、ＣｕＺｎＳ、ＣｕＺｎＳｅ、ＣｕＺｎＴｅ、ＣｕＣｄＳ、ＣｕＣｄＳｅ、ＣｕＣｄＴｅ、ＣｕＨｇＳ、ＣｕＨｇＳｅ、ＣｕＨｇＴｅ、ＺｎＣｄＳ、ＺｎＣｄＳｅ、ＺｎＣｄＴｅ、ＺｎＨｇＳ、ＺｎＨｇＳｅ、ＺｎＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ、ＨｇＺｎＳＴｅ；ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡＳ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡＳ、ＩｎＳｂ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡＳ、ＧａＮＳｂ、ＧａＰＡＳ、ＧａＰＳｂ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡＳ、ＩｎＮＳｂ、ＩｎＰＡＳ、ＩｎＰＳｂ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡＳ、ＧａＩｎＮＳｂ、ＧａＩｎＰＡＳ、ＧａＩｎＰＳｂ、ＳｎＳ、ＳｎＳｅ、ＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、ＳｎＳｅＳ、ＳｎＳｅＴｅ、ＳｎＳＴｅ、ＰｂＳｅＳ、ＰｂＳｅＴｅ、ＰｂＳＴｅ、ＳｎＰｂＳ、ＳｎＰｂＳｅ、ＳｎＰｂＴｅ、ＳｎＰｂＳＳｅ、ＳｎＰｂＳｅＴｅ、ＳｎＰｂＳＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ、およびＳｉＧｅよりなる群から選択される一つ以上である、項目３に記載のガス感知センサー。
［項目５］
量子ドットは、リガンド置換された量子ドットである、項目１に記載のガス感知センサー。
［項目６］
量子ドットは、有機リガンドおよび無機リガンドのうち少なくとも一つのリガンドに置換された量子ドットである、項目５に記載のガス感知センサー。
［項目７］
ｎ型チャネルは、ＩＧＺＯ、ＺｎＯ、ＺＴＯ、ＩＺＯ、ＩＨＺＯ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＧａＮおよびＩｎＧａＮよりなる群から選択されるいずれか一つのｎ型物質よりなる、項目１から６のいずれか一項に記載のガス感知センサー。
［項目８］
基板と、
基板上に設けられたゲート電極と、
ゲート電極上に設けられた絶縁層と、
絶縁層上にそれぞれ設けられたソース電極およびドレーン電極と、
絶縁層上に設けられ、ソース電極およびドレーン電極を電気的に連結するように設けられ、ターゲットガス分子の振動エネルギーと共鳴が起こり得る電子遷移エネルギーを有するように設けられた量子ドット層と、を含むガス感知センサー。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】