JPS6045368B2 - 半導体ガスセンサ - Google Patents
半導体ガスセンサInfo
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- JPS6045368B2 JPS6045368B2 JP52147492A JP14749277A JPS6045368B2 JP S6045368 B2 JPS6045368 B2 JP S6045368B2 JP 52147492 A JP52147492 A JP 52147492A JP 14749277 A JP14749277 A JP 14749277A JP S6045368 B2 JPS6045368 B2 JP S6045368B2
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- gas
- gas sensor
- oxide film
- semiconductor gas
- gate electrode
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4141—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for gases
- G01N27/4143—Air gap between gate and channel, i.e. suspended gate [SG] FETs
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はＭＯＳ型トランジスタのしきい値変化により
ガスを検知する半導体ガスセンサに関する。
ガスを検知する半導体ガスセンサに関する。
本発明の目的は小型でしかも信頼性の高いガスセンサを
、安く供給することにある。 近年家庭及び公共施設に
おけるガス爆発及び火災の防止、あるいは企業における
作業環境安全性向上から、安価で信頼性の高いガスセン
サの開発が盛んになり、一部商品化されて来ている。
、安く供給することにある。 近年家庭及び公共施設に
おけるガス爆発及び火災の防止、あるいは企業における
作業環境安全性向上から、安価で信頼性の高いガスセン
サの開発が盛んになり、一部商品化されて来ている。
ガスセンサは万一故障が起きた時は人身事故につながる
ことから高い信頼性が要求される。さらに一般家庭への
普及を考えるとあまり高価格であつてはならない。 こ
のような観点から従来のガスセンサを見直した場合、（
１）に白金触媒の燃焼を利用したのがあるが経時的な触
媒劣化により警報発生が高濃度ガス側にずれることや、
検出電圧が非常に小さいために複雑なブリッジ回路を要
するために高価になること、更にガス選択能がない等の
理由により次の（２）の焼結金属酸化物半導体方式が多
く利用されて いる。
ことから高い信頼性が要求される。さらに一般家庭への
普及を考えるとあまり高価格であつてはならない。 こ
のような観点から従来のガスセンサを見直した場合、（
１）に白金触媒の燃焼を利用したのがあるが経時的な触
媒劣化により警報発生が高濃度ガス側にずれることや、
検出電圧が非常に小さいために複雑なブリッジ回路を要
するために高価になること、更にガス選択能がない等の
理由により次の（２）の焼結金属酸化物半導体方式が多
く利用されて いる。
この方式は検出感度が高くて回路も簡単であるが、一般
に感度向上のためにセンサ素子を数百゜Ｃに加熱して使
用するためにかなりの電力を消費することと加熱のため
にやはり素子の経時安定性が劣ること、さらにはガス選
択能が未だ不充分てある。 その地理感知器として（３
）光電方式や（４）イオン化方式等を挙げることができ
るが、両者共にガス選択能に乏し大がかりな装置となる
こと、更に後者は放射線同位元素をイオン化源として使
用するために人体への亜影響が懸念される。
に感度向上のためにセンサ素子を数百゜Ｃに加熱して使
用するためにかなりの電力を消費することと加熱のため
にやはり素子の経時安定性が劣ること、さらにはガス選
択能が未だ不充分てある。 その地理感知器として（３
）光電方式や（４）イオン化方式等を挙げることができ
るが、両者共にガス選択能に乏し大がかりな装置となる
こと、更に後者は放射線同位元素をイオン化源として使
用するために人体への亜影響が懸念される。
以上のような方式以外に近時新しい方式としてＭＯＳ
トランジスタを利用したガスセンサの考え方が提案され
ている。
トランジスタを利用したガスセンサの考え方が提案され
ている。
即ちトランジスタのゲート電極にガスに吸着感応する物
質を使用し、ガスの存否によるしきい値変化を検出する
原理を有している。この方式によれば通例のＩＣ製造技
術によつて大量の素子を安価に製造する二とができ、素
子品質の制御が容易である。またセンサ素子を極・めて
小さくすることができるため駆動回路も、同一基板上に
作製することも困難ではなく、消費電力もわずかである
。しかし唯一の欠点は他方式と同じ加熱手段をＭＯＳの
長期信頼性の観点から採用できにくいために充分なガス
検出感度が得られ・ないことであつた。そこで本発明者
は常温動作するＭＯＳｌ−ランジスタにおいて実用上満
足できるガス検出能を実現するために、ガス吸着としき
い値変化機構に検討を加え、ガスの吸脱着によるしきい
値変化の非常に大きい高感度ＭＯＳトランジスタを製作
することができた。以下実施例に従つて詳しく述べる。
質を使用し、ガスの存否によるしきい値変化を検出する
原理を有している。この方式によれば通例のＩＣ製造技
術によつて大量の素子を安価に製造する二とができ、素
子品質の制御が容易である。またセンサ素子を極・めて
小さくすることができるため駆動回路も、同一基板上に
作製することも困難ではなく、消費電力もわずかである
。しかし唯一の欠点は他方式と同じ加熱手段をＭＯＳの
長期信頼性の観点から採用できにくいために充分なガス
検出感度が得られ・ないことであつた。そこで本発明者
は常温動作するＭＯＳｌ−ランジスタにおいて実用上満
足できるガス検出能を実現するために、ガス吸着としき
い値変化機構に検討を加え、ガスの吸脱着によるしきい
値変化の非常に大きい高感度ＭＯＳトランジスタを製作
することができた。以下実施例に従つて詳しく述べる。
実施例１
第１図は水素ガス検出に用いるＭＯＳ型トランジスタの
断面図である。
断面図である。
図中の１はシリコン基板、２はシリコン基板１と反対の
導電型の拡散層、３はフィールド酸化膜、４はゲート酸
化膜、５はパラジウムゲート電極、６はクロム・金で形
成されたソースとドレイン間の引き出し配線である。Ｓ
ＮＧ．．Ｄはそれぞれソース、ゲート、ドレインを意味
する。第１図の水素ガス検出用ＭＯＳトランジスタの原
理は、水素ガスの存在によりパラジウム電極５中に水素
が侵入するとゲート酸化膜界面に分極層を形成し、パラ
ジウムとシリコン基板との仕事関数が変化するためにし
きい値がずれることを利用し、このしきい値変化を検出
するものである。
導電型の拡散層、３はフィールド酸化膜、４はゲート酸
化膜、５はパラジウムゲート電極、６はクロム・金で形
成されたソースとドレイン間の引き出し配線である。Ｓ
ＮＧ．．Ｄはそれぞれソース、ゲート、ドレインを意味
する。第１図の水素ガス検出用ＭＯＳトランジスタの原
理は、水素ガスの存在によりパラジウム電極５中に水素
が侵入するとゲート酸化膜界面に分極層を形成し、パラ
ジウムとシリコン基板との仕事関数が変化するためにし
きい値がずれることを利用し、このしきい値変化を検出
するものである。
一般に第１図のような構造を有するＭＯＳ型トランジス
タにおいては、基板としてシリコンウェハを使用し、ゲ
ート酸化膜には酸化ケイ素を用いることが常である。し
かしガス検知センサとして上記構成物質を利用する場合
には、水素ガスの吸着、或いは脱着に伴うゲート酸化膜
界面の分極現象が緩慢であり従つてしきい値変化も少な
く、実用に共するにはかなり困難である。従つて本発明
者はこのしきい値、或いは仕事関数の変化を容易かつ大
きく取り出すために従来の酸化ケイ素膜に代わり、誘電
分極の大きい物質を使用することとした。
タにおいては、基板としてシリコンウェハを使用し、ゲ
ート酸化膜には酸化ケイ素を用いることが常である。し
かしガス検知センサとして上記構成物質を利用する場合
には、水素ガスの吸着、或いは脱着に伴うゲート酸化膜
界面の分極現象が緩慢であり従つてしきい値変化も少な
く、実用に共するにはかなり困難である。従つて本発明
者はこのしきい値、或いは仕事関数の変化を容易かつ大
きく取り出すために従来の酸化ケイ素膜に代わり、誘電
分極の大きい物質を使用することとした。
具体的には従来の酸化ケイ素膜の誘電率が４〜７である
のに対し、１８〜２５の．酸化チタンー酸化マグネシウ
ム７０〜８５の酸化チタン膜の二種類をゲート酸化膜と
して使用した。第２図にドレイン電圧、ゲート電圧とし
て共に１０Ｖを印加した場合の水素ガス濃度に対するド
レイン電流変化を示す。この時の検知回路は、ドレイン
Ｊ電流変化が０．３ｍＡ以上となつた時に信号を発生す
る仕様とした。第２図において、７はゲート膜化膜とし
て従来の酸化ケイ素膜を用いた場合、８は酸化チタンー
酸化マグネシウム膜を、９は酸化チタン膜を用いた場合
を示す。得られた素子の水く素ガス検知能は従来素子と
比較して非常に検出感度が高く、従つて従来素子の場合
に増幅なしに検知できる水素ガス濃度が２００〜３００
ｐｐｍであつたのに対し、本例素子はいずれも５０〜８
０ｐｐｍの検知感度を有しており、従来にない優れたガ
ス検知能を示した。なお誘電体膜としては酸化ケイ素も
４〜７の誘電率を有するものであるが、ガスの検知能力
を上けるためには最低１０以上の誘電率をもつ各種酸化
物や窒化物、硫化物、の他の化合物等を用いることが有
効である。
のに対し、１８〜２５の．酸化チタンー酸化マグネシウ
ム７０〜８５の酸化チタン膜の二種類をゲート酸化膜と
して使用した。第２図にドレイン電圧、ゲート電圧とし
て共に１０Ｖを印加した場合の水素ガス濃度に対するド
レイン電流変化を示す。この時の検知回路は、ドレイン
Ｊ電流変化が０．３ｍＡ以上となつた時に信号を発生す
る仕様とした。第２図において、７はゲート膜化膜とし
て従来の酸化ケイ素膜を用いた場合、８は酸化チタンー
酸化マグネシウム膜を、９は酸化チタン膜を用いた場合
を示す。得られた素子の水く素ガス検知能は従来素子と
比較して非常に検出感度が高く、従つて従来素子の場合
に増幅なしに検知できる水素ガス濃度が２００〜３００
ｐｐｍであつたのに対し、本例素子はいずれも５０〜８
０ｐｐｍの検知感度を有しており、従来にない優れたガ
ス検知能を示した。なお誘電体膜としては酸化ケイ素も
４〜７の誘電率を有するものであるが、ガスの検知能力
を上けるためには最低１０以上の誘電率をもつ各種酸化
物や窒化物、硫化物、の他の化合物等を用いることが有
効である。
実施例２
上例と同様に第１図に示す構造のガスセンサをフ製作し
た。
た。
本例では強誘電体として一般に知られているチタン酸バ
リウム（ＢａＴｉＯ３）膜をゲート電極と基板間に反応
性スパッタリングによつて形成した。得られたチタン酸
バリウム膜は誘電率は６２０〜１１００であり、第２図
の１０に示すように、７そのガス検知感度は従来素子の
数十倍〜百数十倍の能力を示した。なお第１図において
はゲート電極線Ｇを設けてあるが特殊な誘電体膜を使用
する場合には電気的にフロートさせ、つまり電極線Ｇを
用いないで使ノ用することも差しつかえない。
リウム（ＢａＴｉＯ３）膜をゲート電極と基板間に反応
性スパッタリングによつて形成した。得られたチタン酸
バリウム膜は誘電率は６２０〜１１００であり、第２図
の１０に示すように、７そのガス検知感度は従来素子の
数十倍〜百数十倍の能力を示した。なお第１図において
はゲート電極線Ｇを設けてあるが特殊な誘電体膜を使用
する場合には電気的にフロートさせ、つまり電極線Ｇを
用いないで使ノ用することも差しつかえない。
以上の実施例では、ゲート電極物質としてパラジウムを
用いた水素ガスを検知する素子について述べたが、この
ゲート電極物質を他のものに変えることにより、水素以
外のガスを検知する素子にも応用できる。
用いた水素ガスを検知する素子について述べたが、この
ゲート電極物質を他のものに変えることにより、水素以
外のガスを検知する素子にも応用できる。
例えばＳｊ．．ＬｉあるいはＴｉは、ＣＯ．．ＳＯ２な
どの検出素子として知られており、また金属以外にも、
例えばＳｎＯ２は可然性ガスの、またＦｅ２Ｏ３は０３
、ＣＯｌ炭化水素などの検出素子として知られている。
したがつて、目的に応じてこれらの物質を選択してゲー
ト電極物質として用いることにより、従来にないすぐれ
た検知能を有するガスセンサが得られ、非常に広い応用
範囲を有するものである。以上のように本願ではＭＯＳ
型トランジスタを利用したガスセンサにおいて、ゲート
電極と基板間に誘電率の高い誘電膜を使用することによ
り、常温でガス検知感度と応答性の非常に大きなガスセ
ンサを作り得たものであり、従来の白金触媒燃焼方式や
焼結半導体方式と比べて安価で信頼性の高いガスセンサ
を提供するものである。
どの検出素子として知られており、また金属以外にも、
例えばＳｎＯ２は可然性ガスの、またＦｅ２Ｏ３は０３
、ＣＯｌ炭化水素などの検出素子として知られている。
したがつて、目的に応じてこれらの物質を選択してゲー
ト電極物質として用いることにより、従来にないすぐれ
た検知能を有するガスセンサが得られ、非常に広い応用
範囲を有するものである。以上のように本願ではＭＯＳ
型トランジスタを利用したガスセンサにおいて、ゲート
電極と基板間に誘電率の高い誘電膜を使用することによ
り、常温でガス検知感度と応答性の非常に大きなガスセ
ンサを作り得たものであり、従来の白金触媒燃焼方式や
焼結半導体方式と比べて安価で信頼性の高いガスセンサ
を提供するものである。
第１図はＭＯＳ型半導体ガスセンサの断面図を示す図で
ある。 第２図は、種々のゲート酸化膜による水素ガス濃度に対
するドレイン電流変化を示す図てある。１一基板、２一
基板と導電型が反対の拡散層、３−フィールド酸化膜、
４−ゲート酸化膜、５ーゲート電極、６−クロム・金配
線。
ある。 第２図は、種々のゲート酸化膜による水素ガス濃度に対
するドレイン電流変化を示す図てある。１一基板、２一
基板と導電型が反対の拡散層、３−フィールド酸化膜、
４−ゲート酸化膜、５ーゲート電極、６−クロム・金配
線。
Claims (1)
- １ ＭＯＳ型電界効果トランジスタのしきい値電圧のゲ
ート電極にガス吸脱着することによる変化を検出して特
定ガスの存在を検知するＭＯＳ型半導体ガスセンサにお
いて、ゲート部構造としてシリコン基板と前記ゲート電
極間に酸化チタン−酸化マグネシウム膜、酸化チタン膜
あるいはチタン酸バリウム膜からなる誘電体層を形成し
たことを特徴とする半導体ガスセンサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP52147492A JPS6045368B2 (ja) | 1977-12-08 | 1977-12-08 | 半導体ガスセンサ |
| DE2852999A DE2852999C2 (de) | 1977-12-08 | 1978-12-07 | Gasfühler |
| US05/967,816 US4238758A (en) | 1977-12-08 | 1978-12-08 | Semiconductor gas sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP52147492A JPS6045368B2 (ja) | 1977-12-08 | 1977-12-08 | 半導体ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5480194A JPS5480194A (en) | 1979-06-26 |
| JPS6045368B2 true JPS6045368B2 (ja) | 1985-10-09 |
Family
ID=15431604
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP52147492A Expired JPS6045368B2 (ja) | 1977-12-08 | 1977-12-08 | 半導体ガスセンサ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4238758A (ja) |
| JP (1) | JPS6045368B2 (ja) |
| DE (1) | DE2852999C2 (ja) |
Families Citing this family (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS577549A (en) * | 1980-06-17 | 1982-01-14 | Kuraray Co Ltd | Fet gas sensor |
| JPS60242354A (ja) * | 1984-05-16 | 1985-12-02 | Sharp Corp | Ｆｅｔ型センサ |
| JPH0623750B2 (ja) * | 1988-11-19 | 1994-03-30 | 新日本製鐵株式会社 | 溶鋼中の水素オンライン分析方法および装置 |
| US5018380A (en) * | 1989-02-06 | 1991-05-28 | Allied-Signal Inc. | Dielectric sensors |
| US5679968A (en) * | 1990-01-31 | 1997-10-21 | Texas Instruments Incorporated | Transistor having reduced hot carrier implantation |
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