JP2001343347A - Oxide semiconductor and nitrogen oxide sensor - Google Patents
Oxide semiconductor and nitrogen oxide sensorInfo
- Publication number
- JP2001343347A JP2001343347A JP2000164066A JP2000164066A JP2001343347A JP 2001343347 A JP2001343347 A JP 2001343347A JP 2000164066 A JP2000164066 A JP 2000164066A JP 2000164066 A JP2000164066 A JP 2000164066A JP 2001343347 A JP2001343347 A JP 2001343347A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sensor
- oxide
- oxide semiconductor
- gas
- resistance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、高抵抗の酸化タ
ングステンに対し、不純物を添加して低抵抗化した酸化
チタンを混合した酸化物半導体、およびこれを用いて窒
素酸化物を検出する窒素酸化物センサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxide semiconductor in which a high-resistance tungsten oxide is mixed with a low-resistance titanium oxide by adding an impurity, and a nitrogen oxide for detecting nitrogen oxide using the same. Object sensor.
【0002】[0002]
【従来の技術】窒素酸化物(NOX )は例えば燃焼機関
の排ガス中に大量に含まれ、環境に対して様々な影響を
与える。このため、NOX ガスの検出は社会からの要請
が高いにもかかわらず、高価な分析用検出器が使用され
るため、まだ一般には普及していない。こうした状況の
中、燃焼機関排ガス検出や密閉空間のガス検出用に安価
で小型なNOX センサの開発が求められている。2. Description of the Related Art Nitrogen oxides (NO x ) are contained in large quantities, for example, in the exhaust gas of a combustion engine and have various effects on the environment. Therefore, despite the detection of the NO X gas is high demand from society for expensive analytical detector is used, not widespread in still generally. Under these circumstances, the development of inexpensive and compact NO X sensor is demanded for gas detection in a combustion engine exhaust gas detected or enclosed space.
【0003】酸化物半導体ガスセンサは都市ガス(メタ
ン)センサなどに商品化され、信頼性が高いガスセンサ
である。これをNOX センサに適用できれば、小型で安
価なセンサを実現できると期待される。そのためには、
NOX に感応する材料をまず発見する必要がある。表1
に、現在NOX 用ガスセンサの検知材料として検討され
ている酸化物半導体材料を示し、NOX ガスはNO2 と
NOが主成分であるので、両方の感度を示している。な
お、感度は、ガス中の酸化物半導体の抵抗値を、大気中
の酸化物半導体の抵抗値で割ったものとして定義してい
る。[0003] Oxide semiconductor gas sensors are commercialized as city gas (methane) sensors and the like, and are highly reliable gas sensors. If applying this to the NO X sensor, it is expected to small and can realize an inexpensive sensor. for that purpose,
First it is necessary to find a material that is sensitive to NO X. Table 1
To show the oxide semiconductor material has been studied as a detection material currently NO X gas sensor for, NO X gas because NO 2 and NO is a main component, shows both the sensitivity. Note that sensitivity is defined as a value obtained by dividing the resistance value of an oxide semiconductor in gas by the resistance value of an oxide semiconductor in air.
【表1】 [Table 1]
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】n型酸化物半導体とし
ての酸化タングステンWO3 がNO2 ガスにより抵抗が
増大するのは、WO3 表面にNO2 ガスが負電荷吸着
し、その際にWO3 中のキャリア電子をトラップしてし
まうためである。その結果、NO2 ガス吸着時のセンサ
抵抗は数百MΩにも達し、センサ検知回路の制御範囲を
越えてしま。そこで、酸化タングステンの抵抗を下げよ
うとする場合、例えば酸素欠損形にすることが考えられ
るが、NOX 検知時の昇温中に酸素欠損が埋まったり、
NOX 吸着が生じるので、センサの安定性に問題があ
る。[0007] The n-type oxide of tungsten oxide WO 3 as a semiconductor increases the resistance by NO 2 gas, NO 2 gas is negatively charged adsorbed on WO 3 surface, WO 3 in the This is for trapping the carrier electrons inside. As a result, the sensor resistance during NO 2 gas adsorption reaches several hundred MΩ, exceeding the control range of the sensor detection circuit. Therefore, if you attempted to lower the resistance of the tungsten oxide, for example, it is conceivable to oxygen deficiency type, or buried oxygen deficiency during heating at the time of NO X sensing,
Since NO x adsorption occurs, there is a problem in the stability of the sensor.
【0005】タングステンも酸素も共に周期表6族元素
で、酸素に塩素などの7B族元素を置換してn型にする
のは困難である。また、マンガン等の7A族をタングス
テンと置換しても、7価の電子状態を得ることは困難で
ある。一方、酸化チタン(TiO2 )は、5A族の元素
を不純物として添加して抵抗を低下させることは可能で
あるが、表1に示すように感度が低い。したがって、こ
の発明の課題は、酸化タングステンの感度は維持したま
まで抵抗値を低減すること、およびこのような特性を持
つNOX センサを実現することにある。[0005] Both tungsten and oxygen are Group 6 elements of the periodic table, and it is difficult to replace the oxygen with a Group 7B element such as chlorine to make them n-type. Further, even if the 7A group such as manganese is replaced with tungsten, it is difficult to obtain a valence electronic state. On the other hand, titanium oxide (TiO 2 ) can reduce the resistance by adding a group 5A element as an impurity, but has low sensitivity as shown in Table 1. Accordingly, an object of the present invention is to reduce the resistance value remains the sensitivity of the tungsten oxide were maintained, and to realize an NO X sensor with these characteristics.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項1の発明では、酸化タングステンに酸化
チタンを混合した酸化物半導体において、バナジウム,
ニオブ,タンタルを含む周期表5A族元素、またはリ
ン,ヒ素,アンチモン,ビスマスを含む周期表5B族元
素のうちの少なくとも1つの元素を不純物元素として添
加されn形伝導性を持つことを特徴とする。According to the first aspect of the present invention, there is provided an oxide semiconductor comprising a mixture of tungsten oxide and titanium oxide, comprising vanadium,
At least one of Group 5A elements of the periodic table including niobium and tantalum or elements of the Group 5B of the periodic table including phosphorus, arsenic, antimony, and bismuth is added as an impurity element to have n-type conductivity. .
【0007】請求項1の発明においては、前記酸化チタ
ンを30から70重量%の範囲で混合することができ
(請求項2の発明)、または、前記不純物元素の添加量
をチタン元素に対して10原子%以下とすることができ
る(請求項3の発明)。上記請求項1ないし3のいずれ
かに記載の酸化物半導体を用いて窒素酸化物センサとす
ることができ(請求項4の発明)、この請求項4の窒素
酸化物センサを薄膜構造とすることができ(請求項5の
発明)、さらに、その薄膜をダイアフラム付きヒータに
形成することができる(請求項6の発明)。According to the first aspect of the present invention, the titanium oxide can be mixed in the range of 30 to 70% by weight (the second aspect of the invention), or the amount of the impurity element added to the titanium element is It can be 10 atomic% or less (the invention of claim 3). The oxide semiconductor according to any one of claims 1 to 3 can be used as a nitrogen oxide sensor (invention of claim 4), and the nitrogen oxide sensor of claim 4 has a thin film structure. (Invention of claim 5), and the thin film can be formed on a heater with a diaphragm (invention of claim 6).
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】図1はこの発明の実施の形態とし
てのガスセンサの全体構成図である。まず、Si基板
(Siウエハ)2の裏面にはPtヒータ32が設けら
れ、表面には同じくPtからなる2つの電極31が形成
されている。この基板2上の電極31,31間にまたが
って、センサ層1としての酸化タングステンWO3 と酸
化チタンTiO2 の混合酸化膜を、スパッタ法でメタル
マスクを利用して成膜した。成膜はスパッタターゲット
にW,Ti合金を利用し、アルゴンと酸素の混合ガスを
用いて反応性スパッタリング法により薄膜を作製した。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a gas sensor according to an embodiment of the present invention. First, a Pt heater 32 is provided on the back surface of a Si substrate (Si wafer) 2, and two electrodes 31 also made of Pt are formed on the front surface. A mixed oxide film of tungsten oxide WO 3 and titanium oxide TiO 2 as the sensor layer 1 was formed by sputtering using a metal mask over the electrodes 31 on the substrate 2. The thin film was formed by reactive sputtering using a W and Ti alloy as a sputtering target and a mixed gas of argon and oxygen.
【0009】実施例1 まず、WO3 とTiO2 の合金比率を変えることで対応
した。図2に、センサ層には何もドーピングしない場合
の、大気中350℃での抵抗とガスセンサ感度との関係
を示す。なお、センサ抵抗および感度は、NO2 が6p
pmのときの値である。感度は、センサのNO2 ガス中
での抵抗RNO2 と大気中での抵抗Rair との比RNO2 /
Rair で定義している。図2から、WO3 が70wt%
以下(TiO2 が30wt%以上)で、RNO2が10M
Ω以下と低くなった。また、WO3 が30wt%以上
(TiO2 が70wt%以下)で、感度RNO2 /Rair
が2.5以上になり、十分な感度が得られていると言え
る。Example 1 First, a measure was taken by changing the alloy ratio between WO 3 and TiO 2 . FIG. 2 shows the relationship between the resistance at 350 ° C. in air and the sensitivity of the gas sensor when the sensor layer is not doped with anything. The sensor resistance and sensitivity, NO 2 is 6p
pm. The sensitivity is the ratio of the sensor's resistance R NO2 in NO 2 gas R NO2 to resistance R air in the atmosphere R NO2 /
Defined by R air . From FIG. 2, WO 3 is 70 wt%.
Below (TiO 2 is 30 wt% or more) and R NO2 is 10M
Ω or less. When WO 3 is 30 wt% or more (TiO 2 is 70 wt% or less), sensitivity R NO2 / R air
Is 2.5 or more, indicating that sufficient sensitivity has been obtained.
【0010】実施例2 ここでは、センサ層に添加する不純物の量を調整する。
そのために、例えばターゲット上に不純物元素のチップ
やバーをおくことにより実現する。このように不純物の
添加量を変えてガスセンサのNO2 感度を調べると、図
3のようになる。この例は、センサ層のTiに対してニ
オブ(Nb)を10原子%添加したときの、大気中35
0℃での抵抗Rair およびガス中での抵抗RNO2 ならび
に感度RNO2 /Rair の関係を示す。なお、ガス中での
センサ抵抗および感度は、NO2 が6ppmのときの値
である。Embodiment 2 Here, the amount of impurities added to the sensor layer is adjusted.
For that purpose, for example, it is realized by placing a tip or a bar of an impurity element on a target. When the NO 2 sensitivity of the gas sensor is examined by changing the amount of addition of the impurities as described above, the result is as shown in FIG. This example is based on the case that 35 atomic% of niobium (Nb) is added to Ti of the sensor layer.
The relationship between the resistance R air at 0 ° C., the resistance R NO2 in gas, and the sensitivity R NO2 / R air is shown. Note that the sensor resistance and sensitivity in gas are values when NO 2 is 6 ppm.
【0011】図3からも明らかなように、WO3 が70
wt%以下(TiO2 が30wt%以上)で、RNO2 が
1MΩ以下と低くなった。また、WO3 が30wt%以
上(TiO2 が70wt%以下)で、感度RNO2 /R
air が2.5以上になり、十分な感度が得られていると
言える。また、Tiに対して1原子%以上Nbを添加し
ても、同様な効果が得られる。[0011] As is apparent from FIG. 3, WO 3 is 70
At less than 30 wt% (TiO 2 is 30 wt% or more), R NO2 was as low as 1 MΩ or less. When WO 3 is 30 wt% or more (TiO 2 is 70 wt% or less), the sensitivity R NO2 / R
It can be said that air is 2.5 or more, and sufficient sensitivity is obtained. The same effect can be obtained even if Nb is added to Ti in an amount of 1 atomic% or more.
【0012】図4に、不純物であるNbの添加割合を変
えたときのガスセンサ抵抗Rair ,RNO2 とガスセンサ
感度RNO2 /Rair の関係を示す。横軸はNbの添加割
合を示すNb/(Ti+Nb)で、単位は原子%であ
る。この図からも明らかなように、10原子%近傍で下
げ止まりとなっており、それ以上の不純物添加はむしろ
逆効果となることが分かる。なお、不純物元素の添加に
よる効果は、バナジウム(V),タンタル(Ta)等の
周期表第5A族元素や、アンチモン(Sb),ビスマス
(Bi)等の周期表第5B族元素を用いても同様であ
る。FIG. 4 shows the relationship between the gas sensor resistances R air and R NO2 and the gas sensor sensitivity R NO2 / R air when the addition ratio of Nb as an impurity is changed. The horizontal axis is Nb / (Ti + Nb) indicating the addition ratio of Nb, and the unit is atomic%. As is apparent from this figure, the decrease stops at around 10 atomic%, and it can be seen that the further addition of impurities has the opposite effect. Note that the effect of the addition of the impurity element can be obtained by using a Group 5A element of the periodic table such as vanadium (V) or tantalum (Ta) or a Group 5B element of the periodic table such as antimony (Sb) or bismuth (Bi). The same is true.
【0013】[0013]
【発明の効果】この発明によれば、WO3 とTiO2 を
混合した酸化物半導体に、周期表第5A族元素または周
期表第5B族元素の少なくとも1つの元素を添加するこ
とにより低抵抗となり、特に、NO2 ガスセンサとして
用いて好適となる利点がもたらされる。According to the present invention, a low resistance can be obtained by adding at least one element of Group 5A or Group 5B of the periodic table to an oxide semiconductor in which WO 3 and TiO 2 are mixed. In particular, there are provided advantages that are suitable for use as a NO 2 gas sensor.
【図1】この発明によるガスセンサとしての実施形態を
示す全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an embodiment as a gas sensor according to the present invention.
【図2】WO3 とTiO2 の合金比率を変えたときの抵
抗,ガスセンサ感度特性図である。FIG. 2 is a diagram illustrating resistance and gas sensor sensitivity characteristics when an alloy ratio of WO 3 and TiO 2 is changed.
【図3】センサ層に添加する不純物の量を調整したとき
の抵抗,ガスセンサ感度特性図である。FIG. 3 is a graph showing resistance and gas sensor sensitivity characteristics when the amount of impurities added to a sensor layer is adjusted.
【図4】不純物であるNbの添加割合を変えたときの抵
抗,ガスセンサ感度特性図である。FIG. 4 is a graph showing resistance and gas sensor sensitivity characteristics when the addition ratio of Nb as an impurity is changed.
1…センサ層、2…Si基板(Siウエハ)、31,3
2…Pt電極。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor layer, 2 ... Si substrate (Si wafer), 31,3
2. Pt electrode.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G046 AA13 BA01 BA09 BB02 BC04 BE03 DB05 DC14 FE06 FE24 FE27 FE36 FE41 FE44 FE45 FE46 4G048 AA03 AC04 AC08 AD02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2G046 AA13 BA01 BA09 BB02 BC04 BE03 DB05 DC14 FE06 FE24 FE27 FE36 FE41 FE44 FE45 FE46 4G048 AA03 AC04 AC08 AD02
Claims (6)
た酸化物半導体において、 バナジウム,ニオブ,タンタルを含む周期表5A族元
素、またはリン,ヒ素,アンチモン,ビスマスを含む周
期表5B族元素のうちの少なくとも1つの元素を不純物
元素として添加されn形伝導性を持つ酸化物半導体。1. An oxide semiconductor in which titanium oxide is mixed with tungsten oxide, wherein at least one of a group 5A element in the periodic table containing vanadium, niobium, and tantalum, or a group 5B element in the periodic table containing phosphorus, arsenic, antimony, and bismuth is used. An oxide semiconductor having n-type conductivity in which one element is added as an impurity element.
範囲で混合する請求項1に記載の酸化物半導体。2. The oxide semiconductor according to claim 1, wherein the titanium oxide is mixed in a range of 30 to 70% by weight.
対して10原子%以下とする請求項1に記載の酸化物半
導体。3. The oxide semiconductor according to claim 1, wherein the amount of the impurity element is 10 atomic% or less with respect to the titanium element.
化物半導体を用いる窒素酸化物センサ。4. A nitrogen oxide sensor using the oxide semiconductor according to claim 1.
化物センサ。5. The nitrogen oxide sensor according to claim 4, which has a thin film structure.
る請求項5に記載の窒素酸化物センサ。6. The nitrogen oxide sensor according to claim 5, wherein the thin film is formed on a heater with a diaphragm.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000164066A JP2001343347A (en) | 2000-06-01 | 2000-06-01 | Oxide semiconductor and nitrogen oxide sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000164066A JP2001343347A (en) | 2000-06-01 | 2000-06-01 | Oxide semiconductor and nitrogen oxide sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001343347A true JP2001343347A (en) | 2001-12-14 |
Family
ID=18667732
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2000164066A Pending JP2001343347A (en) | 2000-06-01 | 2000-06-01 | Oxide semiconductor and nitrogen oxide sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2001343347A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2455642A (en) * | 2007-12-20 | 2009-06-24 | Gen Electric | Gas sensor |
KR101168059B1 (en) | 2009-03-12 | 2012-07-24 | 한국이엔에쓰 주식회사 | gas sensor for volatile basic nitrogen, and manufacturing method thereof |
-
2000
- 2000-06-01 JP JP2000164066A patent/JP2001343347A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2455642A (en) * | 2007-12-20 | 2009-06-24 | Gen Electric | Gas sensor |
JP2009150885A (en) * | 2007-12-20 | 2009-07-09 | General Electric Co <Ge> | Gas sensor and method of making |
US7827852B2 (en) | 2007-12-20 | 2010-11-09 | General Electric Company | Gas sensor and method of making |
GB2455642B (en) * | 2007-12-20 | 2011-11-02 | Gen Electric | Gas sensor and method of making |
KR101168059B1 (en) | 2009-03-12 | 2012-07-24 | 한국이엔에쓰 주식회사 | gas sensor for volatile basic nitrogen, and manufacturing method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yamazoe et al. | Roles of Shape and Size of Component Crystals in Semiconductor Gas Sensors: II. Response to and | |
US5520753A (en) | PDTI metal alloy as a hydrogen or hydrocarbon sensitive metal | |
EP3234573B1 (en) | Nanolaminate gas sensor and method of fabricating a nanolaminate gas sensor using atomic layer deposition | |
Gerblinger et al. | High temperature oxygen sensor based on sputtered cerium oxide | |
JPH07134110A (en) | Combination type semiconductor gas sensitive element | |
WO1992017773A1 (en) | Tin oxide gas sensors | |
JP2001343347A (en) | Oxide semiconductor and nitrogen oxide sensor | |
JP2001221763A (en) | Nitrogen oxide gas sensor | |
JP3412341B2 (en) | Nitrogen oxide detector | |
JP3676194B2 (en) | Nitrogen oxide gas sensor | |
JP2918394B2 (en) | Nitrogen oxide detection sensor | |
JPH0532697B2 (en) | ||
JPH01321348A (en) | Hydrogen gas sensor | |
KR100590305B1 (en) | Alcohol sensing element and its manufacturing method | |
JP2918390B2 (en) | Nitrogen oxide detection sensor | |
JP2948984B2 (en) | Nitrogen oxide detection sensor | |
KR20220147926A (en) | NO2 gas sensor and method for fabricating the same | |
JPH0668475B2 (en) | Thin film ozone sensor | |
JPH05322821A (en) | Gas sensor | |
JP2918391B2 (en) | Nitrogen oxide detection sensor | |
JP3669807B2 (en) | Carbon monoxide detection sensor | |
JPH0572157A (en) | Humidity sensing element | |
JP2918392B2 (en) | Nitrogen oxide detection sensor | |
Tsiulyanu et al. | Chalcogenide semiconductor based sensor for fast NO/sub 2/detection | |
JPH0679000B2 (en) | Humidity detection element |