JP2011094969A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度・高安定で高選択性を有し、さらに低消費電力なガスセンサを提供する。
【解決手段】雰囲気ガスを検出するガスセンサは、ヘテロ構造層２０と、２次元電子ガス層３０と、センサ部４０と、検出部５０とからなる。２次元電子ガス層３０は、ヘテロ構造層２０の界面に設けられる。センサ部４０は、ヘテロ構造層２０上に形成されるものであり、半導体ナノワイヤを有するものである。検出部５０は、２次元電子ガス層３０の抵抗値を用いて雰囲気ガスを検出するものである。
【選択図】図１

Description

本発明はガスセンサに関し、特に、ガスに感応して変化する抵抗値を利用したガスセンサに関する。

従来から、ガスセンサとして種々のタイプのものが存在する。その中で、半導体ガスセンサと言われるものがある。このタイプのガスセンサは、活性表面に用いられる酸化第二錫（ＳｎＯ_２）等の金属酸化物半導体の抵抗値が、対象ガスに感応して変化することを利用したものである（例えば特許文献１，２）。半導体ガスセンサは、略すべてのガスに対して適用できるという適用範囲が広い特徴を有するものである。

特開２００２−０４８７４５号公報 特開２００８−２８６５４９号公報

しかしながら、従来の半導体ガスセンサは、活性表面の大きさに感度が依存していたため、感度を高めるためには、活性領域を大きくする必要があった。また、異なるガスを別々に検出できる選択性も高くなかった。さらに、時間変化が大きく、安定性にも欠けるものであった。さらにまた、非常に大きな電流をセンサ部に流す必要があるため、消費電力も高いものであった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、高感度・高安定で高選択性を有し、さらに低消費電力なガスセンサを提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明によるガスセンサは、ヘテロ構造層と、ヘテロ構造層の界面の２次元電子ガス層と、ヘテロ構造層上に形成される半導体ナノワイヤを有するセンサ部と、２次元電子ガス層の抵抗値を用いて雰囲気ガスを検出する検出部と、を具備するものである。

ここで、センサ部の半導体ナノワイヤは、ＺｎＯ，ＺｎＩｎＯ，Ｇｅ，Ｓｉの群から選択されれば良い。

さらに、センサ部の温度管理が可能な熱源を具備し、検出部は、熱源による温度も考慮して雰囲気ガスを検出しても良い。

また、センサ部はアレイ状に複数配置されても良い。

ここで、熱源は複数のセンサ部毎に温度管理が可能であっても良い。

さらに、ヘテロ構造層を用いてトランジスタを構成し、センサ部をトランジスタのゲートとし、ヘテロ構造層にソース・ドレインが形成されても良い。

また、ヘテロ構造層は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ系、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系、ＳｉＣ／Ｓｉ系、ＣｄＴｅ／ＨｇＴｅ／ＣｄＴｅ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系の群から選択されれば良い。

本発明のガスセンサには、高感度・高安定で高選択性を有し、さらに低消費電力であるという利点がある。

図１は、本発明のガスセンサを説明するための概略断面図である。 図２は、本発明のガスセンサのヘテロ構造層上に成長した半導体ナノワイヤの走査型電子顕微鏡による画像を示す。 図３は、本発明のガスセンサの、ガス濃度に対する抵抗値の変化特性を表わすグラフである。 図４は、本発明のガスセンサを種々のガスに晒した場合の抵抗値の変化特性を表わすグラフである。 図５は、本発明のガスセンサの、温度に対する抵抗値の変化特性を表わすグラフである。 図６は、本発明のガスセンサのセンサ部をアレイ状に複数配置した例を説明するための概略斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明のガスセンサを説明するための概略断面図である。ガスセンサは、センサの雰囲気ガスを検出するためのものである。図示の通り、本発明のガスセンサは、基板１０上に設けられたヘテロ構造層２０と、２次元電子ガス層３０と、センサ部４０と、検出部５０とから主に構成されている。

ヘテロ構造層２０は、図示例ではＡｌＧａＮ層２１及びＧａＮ層２２により構成されている。ＧａＮは、物理的、化学的に安定しており、過酷な環境下での使用に耐え得る材料である。このＧａＮを用いたＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のヘテロ構造層２０を用いることで、低温から高温、例えば絶対零度付近から６００℃程度までといった過酷な環境下でも使用可能なガスセンサも実現可能となる。

そして、ヘテロ構造層２０の界面には、２次元電子ガス層３０が形成される。具体的には、まず基板１０上にＧａＮ層２２が結晶成長等により堆積され、ついでその上にＡｌＧａＮ、例えばｎ型のＡｌＧａＮ層２１が結晶成長等により堆積される。これにより、ＡｌＧａＮとＧａＮの界面に、ＡｌＧａＮ層２１のドナーから発生する電子が分布する２次元電子ガス層３０が形成される。なお、２次元電子ガス層３０は、特定の製造方法に限定されるものではなく、従来の又は今後開発されるあらゆる方法を用いて形成されれば良い。

なお、図示例では、ヘテロ構造層２０として、具体的にＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のヘテロ構造を示したが、本発明はこれに限定されない。ヘテロ構造層の例としては、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ系、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系、ＳｉＣ／Ｓｉ系、ＣｄＴｅ／ＨｇＴｅ／ＣｄＴｅ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系、さらにはナノ結晶シリコンを用いたヘテロ構造等が挙げられる。但し、本発明のガスセンサのヘテロ構造層は、これらの材料には限定されず、バンドギャップの異なる異種の半導体材料を接合することでその界面に２次元電子ガスを形成可能なものであれば、如何なる材料であっても良い。

そして、本発明のガスセンサの最も特徴的な部分であるセンサ部４０が、ヘテロ構造層２０上に形成されている。センサ部４０は、半導体ナノワイヤからなる。半導体ナノワイヤは、図示例ではＺｎＯからなるものを示した。ＺｎＯからなる半導体ナノワイヤは、例えば以下のように形成されれば良い。まず、ヘテロ構造層２０上に、Ｚｎ薄膜をＡｒパッタリング等により堆積させる。Ｚｎ薄膜は、例えば、１０ｎｍ程度の膜厚に堆積される。その後、Ｚｎ薄膜を熱酸化炉にて酸化させることで、ＺｎＯからなる半導体ナノワイヤに成長する。例えば、熱酸化炉を用いて、大気中で４２０℃で４時間酸化させると、Ｚｎ薄膜は、例えば５０ｎｍ径のＺｎＯナノワイヤとなる。

図２に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のヘテロ構造層上に成長したＺｎＯからなる半導体ナノワイヤの走査型電子顕微鏡による画像を示す。図示のように、ＺｎＯからなる半導体ナノワイヤが、ヘテロ構造層上で上側に向かって成長していることが分かる。

なお、上述の説明では、本発明のガスセンサの半導体ナノワイヤはＺｎＯからなるものを挙げたが、本発明はこれに限定されず、センサ部の半導体ナノワイヤは、ＺｎＩｎＯ，Ｇｅ，Ｓｉ等の種々の半導体物質から選択されれば良い。

また、半導体ナノワイヤの形成方法についても、Ｚｎ薄膜を熱酸化炉にて酸化させる方法には限定されず、従来の又は今後開発されるあらゆる方法を用いて形成されれば良い。

図１を再度参照すると、検出部５０は、２次元電子ガス層３０の抵抗値を用いて雰囲気ガスを検出するものである。本発明のガスセンサでは、検出部５０がこの２次元電子ガス層の抵抗値を測定することで雰囲気ガスを検出している。センサ部４０が雰囲気ガスに晒されると、２次元電子ガス層３０の抵抗値が変化するため、検出部５０は、この抵抗値の変化量や大きさを測定することで、雰囲気ガスの有無や濃度が検出可能となる。検出部５０は、センサ部４０の両脇にオーミックコンタクト等により接続され、例えば電流を流したときの電圧を測定することで抵抗値が測定される。印加する電流は抵抗を測定できる程度の微弱なもので構わないため、本発明のガスセンサは非常に低消費電力である。

ここで、２次元電子ガス層の抵抗値は、本願の発明者による国際公開公報ＷＯ２００７／０８６２３８等にも開示されるように、温度依存性を有するものである。したがって、本発明のガスセンサは、温度を任意に設定できるように温度管理が可能な熱源を用いて、２次元電子ガス層の温度を管理し、検出部では熱源による温度も考慮して雰囲気ガスを検出するようにしても良い。

図３に、本発明のガスセンサの、ガス濃度に対する抵抗値の変化特性を表わすグラフを示す。同図は、大気中にエタノールガスを２ｐｐｍ噴射した場合と１５０ｐｐｍ噴射した場合の抵抗値の時間変化特性である。なお、縦軸は抵抗値の変化率である。また、測定は２５０℃の環境で行った。

図示の通り、エタノールガスが１５０ｐｐｍの場合、即ちガス濃度が高い場合に、より抵抗値の変化率が大きいことが分かる。したがって、本発明のガスセンサは、特定のガスの濃度を高感度に検出可能であることが分かる。例えば、既知の濃度のガスを用いて検量線を作成すれば、これを用いて未知のガス濃度を検出することも可能となる。

また、図４に、本発明のガスセンサを種々のガスに晒した場合の抵抗値の変化特性を表わすグラフを示す。同図は、大気中にエタノールガス、メタノールガス及びアセトンガスをそれぞれ１０ｐｐｍ噴射した場合の抵抗値の時間変化特性である。なお、縦軸は抵抗値の変化率である。また、測定は２５０℃の環境で行った。

図示の通り、エタノールガスとメタノールガスとアセトンガスでは、それぞれ抵抗値の変化量に差があることが分かる。したがって、本発明のガスセンサは、ガスに対して高選択性を有していることが分かる。

ここで、本発明のガスセンサでは、雰囲気ガスに対する抵抗値の変化率が、温度依存性を有しており、温度によって変化する。図５は、本発明のガスセンサの、温度に対する抵抗値の変化特性を表わすグラフを示す。同図は、温度を変えて真空状態と大気状態を繰り返したときの、抵抗値の時間変化特性である。なお、縦軸は抵抗値である。温度環境としては、１００℃と２００℃と３００℃の場合についてそれぞれ測定を行った。

図示の通り、雰囲気ガスが大気の場合には、３００℃のときが最も抵抗値の変化率が大きいことが分かる。したがって、本発明のガスセンサは、熱源によりセンサ部の温度管理を行い、この温度も考慮して雰囲気ガスを検出することで、より高感度に雰囲気ガスを検出可能であることが分かる。即ち、雰囲気ガスの種類によって抵抗値の変化率が大きくなる温度が異なるため、センサ部を所定の温度にすることで、特定の雰囲気ガスに反応が大きいガスセンサとすることも可能となる。また、同図から、雰囲気ガスの変化に対して抵抗値の変化の反応が良いことも分かる。

本発明のガスセンサは、上述のように雰囲気ガスの変化に高感度に反応するものであるため、例えば真空装置の真空度を測定する場合にも利用可能である。本発明のガスセンサは、化学的にも物理的にも高安定なものであるため、このような過酷な環境化での使用にも十分耐え得るものであり、扱いも容易である。また、本発明のガスセンサは、半導体基板上にワンチップで構成可能であるため、非常にコンパクトに提供可能である。

ここで、例えば、本発明のガスセンサにおいて、ヘテロ構造層を用いてトランジスタを構成し、センサ部をトランジスタのゲートとし、ヘテロ構造層にソース・ドレインが形成されるように構成してＨＥＭＴとしても良い。即ち、検出部をトランジスタのソース・ドレインに接続するようにし、センサ部をスイッチとして機能させる。これにより、ソース・ドレイン電流を測定することで、雰囲気ガスの有無を検出できるようになる。

次に、本発明のガスセンサで、同時に複数のガスの検出が可能な構成の一例について説明する。図６は、本発明のガスセンサのセンサ部をアレイ状に複数配置した例を説明するための概略斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表わしているため、詳説は省略する。

図示例では、センサ部４０をヘテロ構造層２０上でアレイ状に複数配置している。個々のセンサ部４０において、それぞれ２次元電子ガス層３０の抵抗値の変化を測定することが可能であるため、例えば広いエリアにおける雰囲気ガスの種類や濃度について同時に測定することも可能となる。

さらに、図示のように、熱源６０を個々のセンサ部４０に対応して配置することで、複数のセンサ部４０毎に温度管理が可能なように構成しても良い。例えば複数のセンサ部４０毎に温度を変えることで、それぞれ特定の雰囲気ガスに反応が大きくなるように構成することができる。これにより、所定の雰囲気ガスのうちのどのガスが含まれているか等を解析することも可能となる。

なお、本発明のガスセンサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、図示した変化特性については、製造するガスセンサのドープ量等に応じて種々変化するため、図示例のものに必ずしも限定されるものではない。

１０ 基板
２０ ヘテロ構造層
２１ ＡｌＧａＮ層
２２ ＧａＮ層
３０ ２次元電子ガス層
４０ センサ部
５０ 検出部
６０ 熱源

Claims (7)

1. 雰囲気ガスを検出するガスセンサであって、該ガスセンサは、
   ヘテロ構造層と、
   前記ヘテロ構造層の界面の２次元電子ガス層と、
   前記ヘテロ構造層上に形成される半導体ナノワイヤを有するセンサ部と、
   ２次元電子ガス層の抵抗値を用いて雰囲気ガスを検出する検出部と、
   を具備することを特徴とするガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサにおいて、前記センサ部の半導体ナノワイヤは、ＺｎＯ，ＺｎＩｎＯ，Ｇｅ，Ｓｉの群から選択されることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガスセンサであって、さらに、前記センサ部の温度管理が可能な熱源を具備し、前記検出部は、熱源による温度も考慮して雰囲気ガスを検出することを特徴とするガスセンサ。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載のガスセンサにおいて、前記センサ部はアレイ状に複数配置されることを特徴とするガスセンサ。
5. 請求項４に記載のガスセンサにおいて、前記熱源は複数のセンサ部毎に温度管理が可能であることを特徴とするガスセンサ。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載のガスセンサであって、さらに、前記ヘテロ構造層を用いてトランジスタを構成し、前記センサ部をトランジスタのゲートとし、ヘテロ構造層にソース・ドレインが形成されることを特徴とするガスセンサ。
7. 請求項１乃至請求項６の何れかに記載のガスセンサにおいて、前記ヘテロ構造層は、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ系、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系、ＳｉＣ／Ｓｉ系、ＣｄＴｅ／ＨｇＴｅ／ＣｄＴｅ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系の群から選択されることを特徴とするガスセンサ。