JP2011080852A - 電子デバイス及びこれを用いた光センサーとガスセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、カーボンなどの不純物を含まないナノ素子を有するデバイスを提供することを目的とする。
【解決手段】上記課題を解決するために、電子デバイスは、ナノ素子中に炭素が含有されていないこと、また、前記素子がＭｏＯ_ｘであること、および前記ナノ素子は、電子線誘起蒸着法により基板上に形成されたものであることを特徴とする手段を採用した。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板上にナノ素子が形成されてなる電子デバイスに関する。

走査電子顕微鏡装置や、透過走査電子顕微鏡装置において、観察する試料周辺に原料ガスとなる金属などを含むガスを導入し、電子線によってこれを分解し、ナノサイズの加工を行う手法を電子線誘起蒸着法とよび、ナノサイズの構造物を複雑な工程なしに直接作製する手法として研究が行われている。
非特許文献１に示されているように、これまで電子線誘起蒸着法では炭素などの不純物の混入を防ぐ事ができず、金属酸化物などの半導体を作る事は出来なかった。
それにより、ナノサイズのガスセンサー・半導体センサーを作る事は出来なかった。
非特許文献２には、ＦＩＧ．２に、ＭｏＯ３のナノロッドを用いたガスセンサーの実施例があるが、ナノロッドは水熱合成法により大量に合成された塊に電極を付けたもので、ナノワイヤー一本にたいして配線したものではなく、素子サイズも（３ ×３）ｍｍ^２と大きいものである。この手法によって作製されたナノワイヤー一本を用いて素子を作ることは難しく、なされていない。
収束した電子線によって有機金属ガスなどの金属を含むガスを分解することで、電子線を照射した領域のみに蒸着を行い、ナノ構造を作製する手法を電子線誘起蒸着法とよぶ。 この手法はナノ構造を高い制御性と自由度で作製することができるが、蒸着する際に試料周辺や原料ガス自身に含まれるカーボンなどのガスが混入するためナノサイズの半導体素子、センサーを作ることはできなかった。

本発明は、カーボンなどの不純物を含まないナノ素子を有するデバイスを提供することを目的とする。

発明１の電子デバイスは、ナノ素子中に炭素が含有されていないことを特徴とする。
発明２は、発明１のデバイスにおいて、前記素子がＭｏＯ_ｘであることを特徴とする。
発明３は、発明１又は２のデバイスにおいて、前記ナノ素子は、電子線誘起蒸着法により基板上に形成されたものであることを特徴とする。
発明４は、雰囲気中のガス濃度を電子的に感知するガスセンサーであって、発明１から３のいずれかの電子デバイスをガス感知素子として用いたことを特徴とする。
発明５は、照射された光成分を感知する光センサーであって、発明１から３のいずれかの電子デバイスを感光素子として用いたことを特徴とする。

本件では、蒸着時の試料領域の真空度を向上し、大電流の電子銃により電子線の強度を増し、さらに酸素を適量、有機原料ガスに混ぜて蒸着を行ったものをさらに熱処理することによって、電子線誘起蒸着法でこれまで作製することの出来なかったカーボンの含有しないナノサイズの素子を基板上に作製することができたとの知見に基づくものである。
この結果、本発明の電子デバイスでは、極めて高い感度のガス・光センサーへの応用を可能にしたものである。さらに、サイズがナノスケールであるため集積化が可能でありデバイスとしての応用が広く、センサーとして用いたときには全体の電流が流れる領域に対する表面積の割合が高いために感度が高い。
具体的には、本発明の電子デバイスをガス感知素子或いは感光素子として用いた場合は、従来にはない高い感度が得られた。

本実験に用いた装置の模式図。 実験番号４のデバイスのＳｉＯ_２基板上に作製されたＭｏＯ_ｘ細線の走査電子顕微鏡写真。 実験番号１のデバイスのＭｏＯ_ｘ細線のＥＥＬＳ分析結果。 蒸着物がモリブデンと酸素から出来ていることを示している。 実験番号４のデバイスのガスセンサーとしての特性を評価した図。真空チャンバーの真空度に合わせて電気抵抗が大きく変化しており、ガスセンサーとして働いている事が確認できる。 実験番号４のデバイスに光の照射を行い、光を照射したときとしない時の伝導率の変化を測定し、光センサーとしての特性を評価したグラフ。伝導率が大きく変化し光センサーとして働いている事がわかる。 実験番号４のバイスの光センサーとしての動作を確認するために、さまざまな波長の光を照射したときの伝導率の変化を示すグラフ。

電子線誘起蒸着法では、電子線リソグラフィーなど他のナノ作製技術と異なり、リフトオフなどの複雑なプロセスなしにナノ構造を狙った場所に直接作製することが出来る。 これまで半導体をつくることが出来なかったが、本発明により所望の場所に半導体を作る事が可能であり、半導体・金属接合や、異なる半導体同士の接合もナノサイズで電子線誘起蒸着法を用いて直接作製可能になり、ナノダイオード、ナノトランジスタなど、さまざまな半導体デバイスの微細化やプロセスの単純化が可能になる。
今回の実施例では、モリブデンを含むガスを用いて酸化モリブデンの半導体を作製したが、他の金属酸化物半導体もガス種を変えることで容易に実現可能と思われる。
下記実施例では、酸素とＭｏ（ＣＯ）_６を用いてＭｏＯ_ｘ細線を基板上に形成した例を示したが、これらと同様に、細線形成用の元素を含有する原料有機ガスとこれから炭素を離脱する為の酸素などの炭素離脱用ガスの組合せによって、下記実施例と同様な高真空と熱処理により、それぞれカーボンが含有されていない、所望の元素からなるナノ素子を基板上に形成することが可能である。

図１は、本装置の要部を示す模式図である。本装置は、走査電子顕微鏡に以下のような改造を行ったもので、走査電子顕微鏡鏡筒に大電流を取り出すことが可能な熱電界放出型電子銃を取り付けることで大電流（１．５ｎＡ以上）の電子線を照射可能とし、かつ鏡筒を１００度以上の焼きだしが可能な金属シールタイプ鏡筒とすることで高真空（真空度を２×１０^−６Ｐａ以下）が可能なようにしたものである。

基板には、あらかじめ電子線リソグラフィーにより櫛状にＰｔ／Ｔｉ電極を作製した。これを、前記本装置の真空チャンバー内に設置し、真空度を２×１０^−６Ｐａ以下まで下げた状態から基板上にモリブデンガスを含む、Ｍｏ（ＣＯ）_６ガスおよび酸素を表１に示す圧力比で３×１０^−５Ｐａまで導入し、電流値１．５ｎＡの電子線を５ｎｍ／ｓのスキャン速度で照射し、この電子線により、気体を分解しナノサイズの酸化モリブデンの細線を作製した。
その後、３００度で２時間熱処理を行い、表１に示す量の酸素を、チャンバー内に導入した。
図２は、実験番号４に示す白い部分が酸化モリブデンの細線であり、その直径は約３０ｎｍであった。

ナノ構造物を電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）により分析した結果を図３に示す。
ＥＥＬＳは、試料を透過した電子線を分光することで、試料に含まれる材料の特定が可能な手法である。
Ｍｏ（ＣＯ）_６のみで電子線誘起蒸着を行った場合（実験番号８）で、この場合は酸素が殆どなくカーボンが非常に多く混入する事がわかる。
酸素とＭｏ（ＣＯ）_６を混ぜて蒸着すると（実験番号１Ａ）のように炭素の混入を殆どなくす事が出来るが、酸素の量はまだ少なくＭｏＯ_０．４と見積もられる。
これを２時間３００℃（５０℃単位）で熱処理する事で（実験番号１Ｂ）のように多くの酸素を導入する事ができ、ＭｏＯ_０．８と見積もられた。
実験番号４の電気抵抗測定は直流および交流４端子法を用いて測定した。測定電流は１−１００ｎＡである。試料は真空チャンバー内に挿入し、電気抵抗測定中に大気開放および真空（５０ｍＴｏｒｒ）で測定を行った。その結果を図４に示す。縦軸が抵抗を横軸は時間（秒）である。真空中から大気中にすることで抵抗は下がり、さらに真空にすると抵抗が増加する。
図５、６は、実験番号４の光センサーとしての動作を確認したものである。ナノサイズ半導体部分にＸｅランプからの光を分光し波長４００ｎｍ、強度６ｍＷの光を選択して照射したときの伝導率の変化である。光を当てると伝導率が大きくなり、光を止めると元の伝導度に戻る。図６はさまざまな波長の光を照射したときの伝導率の変化を示している。
図６（ａ）では低波長の光での感度が低いように見えるが、実は光源の特性によるもので、光のエネルギーを横軸に感度を描くと、図６（ｂ）のように広い範囲で高い感度で観察されている事がわかる。
ガスセンサーとしての動作は、素子を真空チャンバーに入れ、４端子法で測定しながらチャンバー圧力を大気圧から５０ｍＴｏｒｒまで変化させ、素子のガスセンサーとしての特性を評価した。
実験番号４のガスセンサーとしての特性は、図４で示したとおり、真空チャンバーの真空度に合わせて電気抵抗が大きく変化しており、ガスセンサーとして働いている事が確認できる。

本発明のデバイスは、ナノサイズ光センサー、ナノサイズ光センサーの集積による、位置分解２次元受光素子、ナノサイズガスセンサー、ナノサイズガスセンサーの集積による、ナノ領域位置分解ガスセンサー等の利用可能である。ナノサイズ湿度センサー、ナノサイズ温度センサー、ナノサイズ温度センサーの集積による位置分解ナノサイズ温度センサー、ナノサイズトランジスター、ＬＥＤ等の利用が可能である。

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ８８， １５２１１１， （２００６） Ａ． Ｍ． Ｔａｕｒｉｎｏ ｅｔ ａｌ． Ｍ． Ｈａｎ， Ｋ． Ｍｉｔｓｕｉｓｈｉ， Ｋ． Ｓｈｉｍｏｊｏ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａｌ ｍａｇａｚｉｎｅ ８４ （２００４） １２８１

Claims (5)

1. 基板上にナノ素子を形成したデバイスであって、前記素子中に炭素が含有されていないことを特徴とする電子デバイス。
2. 請求項１に記載のデバイスにおいて、前記素子がＭｏＯ_ｘであることを特徴とする電子デバイス。
3. 請求項１又は２に記載のデバイスにおいて、前記ナノ素子は、電子線誘起蒸着法により基板上に形成されたものであることを特徴とする電子デバイス。
4. 雰囲気中のガス濃度を電子的に感知するガスセンサーであって、請求項１から３のいずれかに記載の電子デバイスをガス感知素子として用いたことを特徴とするガスセンサー。
5. 照射された光成分を感知する光センサーであって、請求項１から３のいずれかに記載の電子デバイスを感光素子として用いたことを特徴とする光センサー。