JP2001272372A - 電界効果トランジスタ - Google Patents

電界効果トランジスタ

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JP2001272372A JP2000085947A JP2000085947A JP2001272372A JP 2001272372 A JP2001272372 A JP 2001272372A JP 2000085947 A JP2000085947 A JP 2000085947A JP 2000085947 A JP2000085947 A JP 2000085947A JP 2001272372 A JP2001272372 A JP 2001272372A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体電解質をゲートとし、液体電解質の中で
安定に動作する電界効果トランジスタを提供する。 【解決手段】 電界効果トランジスタにおいて、ゲート
電極3とドレイン電極6間にダイヤモンドの水素終端表
面が露出したチャネル2と、このチャネル2の露出した
ダイヤモンドの水素終端表面を満たす液体電解質4から
なるゲートとを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体電解質をゲー
トとして使用し、ダイヤモンドの水素終端表面をチャネ
ルとした電界効果トランジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】マイクロ波プラズマCVD法により成膜
されたアンドープ水素終端ダイヤモンド薄膜において
は、単結晶、多結晶に関わらず、その表面にp型伝導層
ができることが知られている。これまでに、本願発明者
等は、この表面導電層を利用してゲート部分に金属、絶
縁物を堆積させない電界効果トランジスタ(FET)を
作製し、その電解質水溶液中での動作を確認してきた
〔北谷謙一他 第46回応用物理学関係連合講演会講演
予稿集、30a−P7−22(1999)pp.62
8〕。
【0003】また、溶液中のダイヤモンド表面伝導層−
電解質界面では電気二重層が形成されていると考えられ
ている〔細見剛他 第13回ダイヤモンドシンポジュー
ム講演要旨集、115(1999)、pp.36〕。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本願発明者等は、イオ
ン感受性FET(ISFET:Ion Sensiti
ve Field Effect Transisto
r)をトランスデューサとし、酵素を分子認識物質とし
て用いたISFETバイオセンサの開発に取り組み、か
かるISFETバイオセンサが、臨床検査、工業計測、
環境計測用マイクロセンサとして、将来には体内埋め込
みセンサとして方向付けをしている。
【0005】しかし、分子認識物質が機能し、目的の分
子を選択しても、ISFET自体が外界からの侵入物質
により安定動作せず、そのためISFETバイオセンサ
は、実用上の問題を有しているのが現状である。その原
因は、SiMOSFETで最もデリケートな酸化膜/S
i界面でのイオンの存在や界面準位の発生による閾値電
圧の大幅な変動にある。センサでは表面の外界への露出
は避けられない。つまり、保護膜を使用してもイオンセ
ンサやバイオセンサでは酸化膜/Si界面への異種分
子、イオンの侵入がLSIよりも桁違いに多い。その意
味で、ISFETバイオセンサの発展には、化学的に強
い半導体表面の創製が不可欠である。
【0006】ところで、ダイヤモンドの水素吸着表面
(水素終端表面)は真空中700℃、大気中300℃ま
で安定で、液体中でも化学的に不活性で、室温周辺では
強酸あるいは強アルカリによる構造変化はない。しか
も、この水素終端構造によるダイヤモンド表面近傍にp
型伝導層が形成される。
【0007】そして、上記した研究の積み重ねを発展さ
せて、液体電解質をゲートとしたFETの開発を行っ
た。
【0008】本発明は、上記状況に鑑みて、液体電解質
をゲートとし、液体電解質の中で安定して動作する電界
効果トランジスタを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔1〕電界効果トランジスタにおいて、ソース電極とド
レイン電極間にダイヤモンドの水素終端表面が露出した
チャネルと、このチャネルの露出したダイヤモンドの水
素終端表面に接触する液体電解質からなるゲートとを備
えることを特徴とする。
【0010】〔2〕上記〔1〕記載の電界効果トランジ
スタにおいて、前記ダイヤモンドは、アンドープ水素終
端単結晶又は多結晶ダイヤモンド薄膜からなることを特
徴とする。
【0011】〔3〕上記〔1〕記載の電界効果トランジ
スタにおいて、前記チャネルはpチャネルであることを
特徴とする。
【0012】〔4〕上記〔1〕記載の電界効果トランジ
スタにおいて、前記pチャネルはピンチオフすることを
特徴とする。
【0013】〔5〕上記〔1〕記載の電界効果トランジ
スタにおいて、前記pチャネルはノーマリーオフ型であ
ることを特徴とする。
【0014】〔6〕上記〔1〕記載の電界効果トランジ
スタにおいて、前記ダイヤモンドの水素終端表面は広い
電位窓を有し、該電位窓の範囲で正確な動作を行うこと
を特徴とする。
【0015】〔7〕上記〔1〕記載の電界効果トランジ
スタにおいて、前記液体電解質がアルカリ溶液であるこ
とを特徴とする。
【0016】〔8〕上記〔7〕記載の電界効果トランジ
スタにおいて、前記液体電解質がKOH水溶液であるこ
とを特徴とする。
【0017】
〔9〕上記〔1〕記載の電界効果トランジ
スタにおいて、前記液体電解質が酸性溶液であることを
特徴とする。
【0018】〔10〕上記〔1〕記載の電界効果トラン
ジスタにおいて、閾値電圧が前記液体電解質のpHに略
依存しない特性を有することを特徴とする。
【0019】〔11〕上記〔1〕記載の電界効果トラン
ジスタにおいて、閾値電圧が環境に影響されない特性を
有することを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
【0021】図1は本発明の第1実施例を示す液体電解
質ゲートダイヤモンドFET(pチャネルFET)の断
面図、図2はその平面図である。
【0022】これらの図において、1は基板としての多
結晶ダイヤモンド、2はチャネル(多結晶ダイヤモンド
終端表面:p型表面伝導層)、3はソース電極(Au電
極)、4はゲート(液体電解質:例えばKOH水溶
液)、5はゲート電極、6はドレイン電極(Au電
極)、7は保護膜、8は液槽(絶縁体)である。
【0023】ドレイン電流はゲート電圧により制御さ
れ、完全にピンチオフできる。閾値電圧は、液体電解質
のpH1−14の変化に対し、±0.2V範囲内であ
り、ネルンスト応答せず、pH依存性がほとんどないと
いえる。FETの動作電圧範囲は、ダイヤモンドを電気
化学的電極とした場合の電位窓の範囲に対応するダイヤ
モンドの単結晶又は多結晶であり、表面は水素原子によ
り被覆されている。
【0024】この液体電解質ゲートダイヤモンドFET
の製造方法を説明する。
【0025】図3は本発明の第1実施例を示す液体電解
質ゲートダイヤモンドFETの製造工程図であり、図3
〔A〕はその上面工程図、図3〔B〕はその断面工程図
である。
【0026】全面に金属を蒸着し、ゲート部分を後から
フォトリソグラフィであける。金属にはダイヤモンド薄
膜とオーミック接触を形成する金を使用し、これがパッ
ドとなり、ソース・ドレイン電極になる。因みに、ゲー
ト長は1mmとした。
【0027】以下、第1の製造工程について図3を参照
しながら詳細に述べる。
【0028】(1)成膜した試料(多結晶ダイヤモンド
終端表面)11の全面にAu13を蒸着し、全面にフォ
トレジストAZを塗布する。塗布条件はスピナーを15
00rpm回転で5秒、5000rpm回転で15秒と
した。次に、試料の中央部分にAu13が残るようにマ
スクをし、光露光し現像する。ここで、試料11表面に
はp型表面伝導層12が形成される。そして、レジスト
で保護された部分以外のAu13をヨウ化カリウムでエ
ッチングし、剥がす。その後、レジストを落とし、露出
したダイヤモンド水素終端面を、中電流イオン装置でA
rイオン14を注入し、p型表面伝導層12を破壊して
素子分離領域15を形成する。これは外周から電流が漏
れないようにするためである。なお、ドーズ量は2×1
13/cm2 である〔図3〔A〕及び図3〔B〕の
(a)参照〕。
【0029】(2)再び、全面にフォトレジストを塗布
し、ゲート部分のAu13が露出するようにマスク16
をし、光露光して現像する〔図3〔A〕及び図3〔B〕
の(b)参照〕。
【0030】(3)次に、露出した部分のAu13をヨ
ウ化カリウムでエッチング除去した〔図3〔A〕及び図
3〔B〕の(c)参照〕後、マスク16を落とす。ここ
で、ソース電極13Aとドレイン電極13Bが形成され
る。
【0031】(4)次に、基板をプレパラートに接着し
配線17を施し、防水処理を施すためにエポキシ樹脂
(保護層)18を塗布する〔図3〔A〕及び図3〔B〕
の(d)参照〕。
【0032】(5)最後に、その露出したゲート部分を
アルカリ水溶液である液体電解質19で満たし、ゲート
電極20を形成する。なお、18Aは絶縁体からなる液
槽である。
【0033】図4は本発明の第2実施例を示す液体電解
質ゲートダイヤモンドFETの製造工程図であり、図4
〔A〕はその上面工程図、図4〔B〕はその断面工程図
である。
【0034】上記した第1実施例の製造工程では、レジ
ストを2回塗布するという煩雑さがあり時間がかかるの
で、これを簡便にするために、この第2実施例の製造工
程では、金属マスクを作製し、ゲート部分をエッチング
する必要が無いようにした。金属マスクにはモリブデン
板を利用し、はじめからソース・ドレイン部分だけが形
成できるようにした。それに伴い、ゲート長1mmから
0.5mmに縮めるようにした。
【0035】以下、第2の製造工程について図4を参照
しながら詳細に述べる。
【0036】(1)まず、金属マスク(図示なし)を利
用して、試料(多結晶ダイヤモンド終端表面)21上に
ソース電極23Aとドレイン電極23BからなるAuを
蒸着する〔図4〔A〕及び図4〔B〕の(a)参照〕。
22はp型表面伝導層である。
【0037】(2)次に、ゲート部分にレジスト24
(OEBR2000)を塗布する〔図4〔A〕及び図4
〔B〕の(b)参照〕。
【0038】(3)次に、中電流イオン装置を用い、A
rイオン25でゲート部分、および金属部分以外のp型
表面伝導層22を破壊して素子分離領域26を形成す
る。なお、ドーズ量は2×1013/cm2 である〔図4
〔A〕及び図4〔B〕の(c)参照〕。
【0039】(4)次に、レジスト24を除去し、基板
をプレパラートに接着し配線27を施し、防水処理を施
すためにエポキシ樹脂(保護層)28を塗布する〔図4
〔A〕及び図4〔B〕の(d)参照〕。
【0040】(5)最後に、その露出したゲート部分を
アルカリ水溶液である液体電解質29で満たし、ゲート
電極30を形成する〔図4〔A〕及び図4〔B〕の
(e)参照〕。なお、28Aは絶縁体からなる液槽であ
る。
【0041】この実施例は、第1の製造方法に比して、
工程の大幅な単純化を図り、半分の時間でFETを製造
することができた。
【0042】図5〜図7は本発明の第2実施例により製
造された液体電解質ゲートダイヤモンドFETの静特性
図である。
【0043】上記したように、露出したゲート部分をア
ルカリ水溶液(KOH水溶液)で満たし、ダイヤモンド
FETを動作させて、図5〜図7に示すような静特性を
得た。
【0044】図5はKOH水溶液pH11、図6はKO
H水溶液pH9、図7はKOH水溶液pH8のそれぞれ
の場合の測定結果を示す図である。
【0045】これらの図においても、ゲートバイアスに
よるドレイン電流の制御が行われており、確かにFET
動作していることが確認できる。そして、このFETが
ノーマリーオフモードで動作しており、ゲートバイアス
の絶対値が小さい領域では、ドレイン電流値は微小で、
ゲートバイアスの絶対値の増加と、ドレイン電流の絶対
値の増加が逆転しているところが見受けられる。この領
域では、FETがオフモードになっていると考えられ
る。また、静特性がピンチオフしていることが確認でき
る。
【0046】上記したように、電位窓内でゲートバイア
ス及びソース−ドレイン間の電圧を変化させたところ完
全にピンチオフし、飽和が明瞭な静特性が得られた。ま
た、閾値電圧はKOH、pH8で−0.2V前後で一定
で、ノーマリーオフ型であることが確認できた。
【0047】次に、本発明の液体電解質ゲートダイヤモ
ンドFETの閾値電圧の測定と液体電解質のpH依存性
について見ることにする。
【0048】図8はpH11KOH水溶液におけるVg
−Ids特性とその対数表示を示す図、図9はpH8K
OH水溶液におけるVg−Ids特性とその対数表示を
示す図であり、図8においては閾値電圧が−0.12
V、図9においては閾値電圧が−0.16Vであり、こ
れはダイヤモンドFETとしては非常に低い値である。
また、様々な試料、pHで同様の測定を行い、閾値電圧
を算出したところ、図10のような特性が得られた。な
お、図10においては、各試料(NIS03、NIS0
4、NIS05)における閾値電圧とpHの関係を示し
ている。
【0049】図8に示す、Log|Ids|−Vgs特
性より、FETのオン−オフ状態の電流比は4桁弱ある
ことがわかった。これは使用した多結晶ダイヤモンドが
凹凸があり、成長後の平坦化を行っていない状態である
ことを考えると、非常に高い値である。
【0050】さらに、電流比を上げることにより、多結
晶ダイヤモンドが低消費電力型FETとして応用できる
ことを示している。
【0051】また、水素終端ダイヤモンド表面は化学的
に安定であり、電位窓の広い電気化学的電極として、二
次電池やバイオセンサの一部として注目されている。
【0052】本発明により、FETが液体電解質の中で
安定に動作し、pH依存性がないチャネル上でのイオン
選択性官能基の表面修飾により、より高感度なバイオセ
ンサが期待できる。
【0053】更に、液体電解質としては、KOH水溶液
を示しているが、これに限定するものではなく、これ以
外に、しゅう酸塩(pH1.68)、フタル酸塩(pH
4)、中性りん酸塩(pH7)、ほう酸塩(pH9.1
8)、炭酸塩(pH10.01)の各標準液でFET特
性を観測している。
【0054】また、上記実施例では、液槽(絶縁体)を
示しているが、必ずしもFET各素子毎に必要になるも
のではない。図3や図4の(d)工程で得られる素子の
複数個に共通に液体電解質を満たすようにし、適当な位
置に共通ゲート電極を配置するようにしてもよい。
【0055】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【0056】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。
【0057】(A)液体電解質をゲートとし、液体電解
質の中で安定に動作し、pH依存性がないチャネル上で
のイオン選択性官能基の表面修飾により、より高感度な
液体電解質ゲートダイヤモンドFETを得ることができ
る。
【0058】(B)閾値電圧のpH依存性が殆どないこ
とを利用して、イオン官能FET測定回路における基準
電位を決定する参照用FETとして利用することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を示す液体電解質ゲートダイヤ
モンドFET(pチャネルFET)の断面図である。
【図2】本発明の実施例を示す液体電解質ゲートダイヤ
モンドFET(pチャネルFET)の平面図である。
【図3】本発明の第1実施例を示す液体電解質ゲートダ
イヤモンドFETの製造工程図である。
【図4】本発明の第2実施例を示す液体電解質ゲートダ
イヤモンドFETの製造工程図である。
【図5】本発明の第2実施例により製造された液体電解
質(KOH水溶液pH11)ゲートダイヤモンドFET
の静特性図である。
【図6】本発明の第2実施例により製造された液体電解
質(KOH水溶液pH9)ゲートダイヤモンドFETの
静特性図である。
【図7】本発明の第2実施例により製造された液体電解
質(KOH水溶液pH8)ゲートダイヤモンドFETの
静特性図である。
【図8】本発明の液体電解質ゲートダイヤモンドFET
のpH11KOH水溶液におけるFETVg−Ids特
性とその対数表示を示す図である。
【図9】本発明の液体電解質ゲートダイヤモンドFET
のpH8KOH水溶液におけるFETVg−Ids特性
とその対数表示を示す図である。
【図10】本発明の液体電解質ゲートダイヤモンドFE
Tの各試料における閾値電圧とpHの関係を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 多結晶ダイヤモンド 2 チャネル(多結晶ダイヤモンド終端表面:p型表
面伝導層) 3,13A,23A ソース電極(Au電極) 4 ゲート(液体電解質:例えばKOH水溶液) 5,20,30 ゲート電極 6,13B,23B ドレイン電極(Au電極) 7 保護膜 8,18A,28A 液槽(絶縁体) 11,21 成膜した試料(多結晶ダイヤモンド終端
表面) 12,22 p型表面伝導層 13 Au 14,25 Arイオン 15,26 素子分離領域 16 マスク 17,27 配線 18,28 エポキシ樹脂(保護層) 19,29 液体電解質 24 レジスト

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】(a)ソース電極とドレイン電極間にダイ
    ヤモンドの水素終端表面が露出したチャネルと、(b)
    該チャネルの露出したダイヤモンドの水素終端表面に接
    触する液体電解質からなるゲートとを備えることを特徴
    とする電界効果トランジスタ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の電界効果トランジスタに
    おいて、前記ダイヤモンドは、アンドープ水素終端単結
    晶又は多結晶ダイヤモンド薄膜からなることを特徴とす
    る電界効果トランジスタ。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の電界効果トランジスタに
    おいて、前記チャネルはpチャネルであることを特徴と
    する電界効果トランジスタ。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の電界効果トランジスタに
    おいて、前記pチャネルはピンチオフすることを特徴と
    する電界効果トランジスタ。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の電界効果トランジスタに
    おいて、前記pチャネルはノーマリーオフ型であること
    を特徴とする電界効果トランジスタ。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の電界効果トランジスタに
    おいて、前記ダイヤモンドの水素終端表面は広い電位窓
    を有し、該電位窓の範囲で正確な動作を行うことを特徴
    とする電界効果トランジスタ。
  7. 【請求項7】 請求項1記載の電界効果トランジスタに
    おいて、前記液体電解質がアルカリ溶液であることを特
    徴とする電界効果トランジスタ。
  8. 【請求項8】 請求項7記載の電界効果トランジスタに
    おいて、前記液体電解質がKOH水溶液であることを特
    徴とする電界効果トランジスタ。
  9. 【請求項9】 請求項1記載の電界効果トランジスタに
    おいて、前記液体電解質が酸性溶液であることを特徴と
    する電界効果トランジスタ。
  10. 【請求項10】 請求項1記載の電界効果トランジスタ
    において、閾値電圧が前記液体電解質のpHに略依存し
    ない特性を有することを特徴とする電界効果トランジス
    タ。
  11. 【請求項11】 請求項1記載の電界効果トランジスタ
    において、閾値電圧が環境に影響されない特性を有する
    ことを特徴とする電界効果トランジスタ。
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