東大ら,1024個の分子センサを1チップに集積

東京大学と慶應義塾大学は,1024個の堅牢な金属酸化物ナノ薄膜分子センサを1cm2以下の面積に集積化したセンサアレイチップを開発し,1cm2以下の領域における空気中の分子の濃度分布を可視化することに成功した(ニュースリリース)。

気体に含まれている分子(揮発性分子群)を電気信号として検出する分子センサは,検出対象のガスに数十から数百種類程度の分子が含まれていることから,多数のセンサを集積化する必要があると考えられている。だが,高密度集積化と長期間安定性(堅牢性)を両立したセンサアレイ技術は開発されていない。

研究では,高温下でも劣化せずに分子の検出が可能な金属酸化物半導体を,理想的な集積化が可能なクロスバー構造に配置したセンサアレイの開発により高密度集積と安定性の両立を実現した。酸化スズ(SnO2)のナノ薄膜をチャネルとする横型チャネル構造センサを半導体微細加工技術により作製し,格子状に電極(クロスバー電極)を配置した。

このセンサの特徴は,クロスバー構造により,従来広く開発されている縦型チャネル構造と比べてセンサの表面積/体積比が大きくなる点とセンサの電気抵抗を大きくできる点であり,これらによって効率的な分子検出と多数センサの集積化を実現した。

研究では1辺32本の電極を有するクロスバー構造により,合計1024個(32×32)の分子センサを5mm四方程度の面積に集積化することに成功した。そして,これらの1024個のセンサの電気抵抗値を1秒以下で同時に計測するアナログフロントエンド回路を開発した。

クロスバー構造はセンサの高密度集積化に優れている一方で,配線の電気抵抗がセンサの電気抵抗に加わってしまい,正しく測定できないという問題が知られている。研究で配線の電気抵抗の影響を抑え,1024個のセンサを集積化したクロスバー構造のセンサアレイにおいてもセンサの電気抵抗の正確な計測を実現した。

研究では分子を検知する材料として極めて安定であることが知られている酸化スズを採用。さらに,電極材料として導電性の金属酸化物(アンチモン添加酸化スズ)を採用した。この電極界面材料設計により,500℃の熱負荷後においても電気特性が劣化しないセンサの開発に成功した。

開発したセンサアレイ・システムを用いて,センサの近傍から蒸発・拡散してくる分子の検出を行ない,応答の位置による変化が分子の空間的な濃度分布を反映していることを明らかにした。さらに,センサ応答の勾配が分子の種類に応じて異なる傾向を示し,分子の種類(蒸気圧)を判別できる可能性を示した。

研究グループは,この技術により多種類のセンサを高密度に集積化することができるとしている。

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