JP2023111672A - gas sensor - Google Patents
gas sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023111672A JP2023111672A JP2022013634A JP2022013634A JP2023111672A JP 2023111672 A JP2023111672 A JP 2023111672A JP 2022013634 A JP2022013634 A JP 2022013634A JP 2022013634 A JP2022013634 A JP 2022013634A JP 2023111672 A JP2023111672 A JP 2023111672A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- aluminum oxide
- gas sensor
- gas
- film
- graphene film
- 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
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 78
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 78
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 67
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 19
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 claims description 9
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 7
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 71
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 25
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 abstract description 17
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 94
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 57
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 34
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 34
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 description 20
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 19
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 11
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 11
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 4
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N Formaldehyde Chemical compound O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 2
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N methanone Chemical compound O=[14CH2] WSFSSNUMVMOOMR-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
本発明は、アンモニアを検出対象とするガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor that detects ammonia.
従来、高感度ガスセンサでは、高感度とガス選択性を両立することは困難であった。ガス選択性をもつセンサを実現する上で、ガスを検知する構造上に特定のガス分子が選択的に吸着する材料を導入して、その吸着量からガスの濃度を測定するものが一般的である。 Conventionally, it has been difficult for high-sensitivity gas sensors to achieve both high sensitivity and gas selectivity. In order to realize a sensor with gas selectivity, it is common to introduce a material that selectively adsorbs specific gas molecules onto the structure that detects the gas, and measure the gas concentration from the amount of adsorption. be.
酸化物半導体を母材とするセンサに不純物ドープを行う方法が一般に試される他、グラフェン表面への分子吸着による仕事関数の変化を測定して同定するグラフェンセンサが知られている。例えば特許文献1には、半導体層と、半導体層上方に設けられたグラフェン膜と、半導体層とグラフェン膜との間のバリア膜と、グラフェン膜に接して電気的に接続された第1の電極と、半導体層に接して電気的に接続された一対の第2の電極とを備えたガスセンサが開示されている。
A method of doping impurities in a sensor using an oxide semiconductor as a base material is generally tried, and a graphene sensor that measures and identifies a change in work function due to molecular adsorption on the graphene surface is known. For example,
また、検出対象を高感度に検出できるセンサとして、例えば特許文献2には、グラフェン膜と、グラフェン膜に電気的に接触し検出対象との相互作用によるグラフェン膜の電気的特性の変化を読み出すための少なくとも2つの電極とを備えたセンサの構造が開示されている。
In addition, as a sensor capable of detecting a detection target with high sensitivity, for example,
特定のガスをターゲットにしたセンシングを目的とするとき、目的とするガスのみに応答し、それ以外のガスに対しては反応しないことが好ましい。酸化物半導体型のガスセンサにおいては、一般に高い選択性を得ることが難しいとされている。
また、特許文献1に記載のガスセンサは、グラフェンをガス分子との相互作用に利用し、ガスの選択性を仕事関数に依存している。この場合グラフェンに対してドナーとなりうるガスは誤検知の可能性があり、アンモニア選択性については課題がある。またグラフェン自体を化学修飾する方法にも触れているが、簡便さの面において課題がある。
When the purpose is to sense a specific gas as a target, it is preferable to respond only to the target gas and not to other gases. In oxide semiconductor type gas sensors, it is generally considered difficult to obtain high selectivity.
Further, the gas sensor described in
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、アンモニアに対して高い検出感度を有するガスセンサを提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a gas sensor having high detection sensitivity for ammonia.
本発明の一形態に係るガスセンサは、第1の電極と、絶縁層と、一対の第2の電極と、チャネル層とを具備する。
前記絶縁層は、前記第1の電極の上に設けられる。
前記一対の第2の電極は、前記絶縁層の上に設けられる。
前記チャネル層は、グラフェン膜と、酸化アルミニウム膜とを有する。前記グラフェン膜は、前記絶縁層の上に設けられ、前記一対の第2の電極の間を電気的に接続する。前記酸化アルミニウム膜は、前記グラフェン膜を被覆する。
A gas sensor according to one aspect of the present invention includes a first electrode, an insulating layer, a pair of second electrodes, and a channel layer.
The insulating layer is provided on the first electrode.
The pair of second electrodes are provided on the insulating layer.
The channel layer has a graphene film and an aluminum oxide film. The graphene film is provided on the insulating layer and electrically connects the pair of second electrodes. The aluminum oxide film covers the graphene film.
上記ガスセンサによれば、グラフェン膜が酸化アルミニウム膜で被覆されたチャネル層を備えるため、アンモニアガスに対する選択的な吸着作用が得られ、これによりアンモニアガスに対する検出感度を向上させることができる。 According to the above gas sensor, since the graphene film is provided with the channel layer covered with the aluminum oxide film, a selective adsorption action for ammonia gas is obtained, whereby the detection sensitivity for ammonia gas can be improved.
前記酸化アルミニウム膜は、ナノ粒子サイズの微粒子の集合体であってもよい。これにより、アンモニアガスに対する吸着性のさらに向上させて検出感度を高めることができる。
前記酸化アルミニウム膜の厚みは、例えば、2nm以上40nm以下である。
前記グラフェン膜の表面に占める前記酸化アルミニウム膜の被覆率は、例えば、60%以上である。
The aluminum oxide film may be an aggregate of nanoparticle-sized fine particles. As a result, adsorption to ammonia gas can be further improved, and detection sensitivity can be enhanced.
The thickness of the aluminum oxide film is, for example, 2 nm or more and 40 nm or less.
A coverage of the aluminum oxide film on the surface of the graphene film is, for example, 60% or more.
本発明の他の形態に係るガスセンサは、
一導電型でゲート電極として機能する半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層に設けられた矩形のグラフェン膜と、
前記グラフェン膜の対向側辺およびその近傍を被覆し、前記絶縁層に形成されたソース電極およびドレイン電極と
前記ソース電極およびドレイン電極との間のグラフェン膜上に設けられた酸化アルミニウム膜と、
を具備する
A gas sensor according to another aspect of the present invention comprises
a semiconductor substrate having one conductivity type and functioning as a gate electrode;
an insulating layer provided on the semiconductor substrate;
a rectangular graphene film provided on the insulating layer;
an aluminum oxide film provided on the graphene film between the source electrode and the drain electrode formed on the insulating layer and the source electrode and the drain electrode, the aluminum oxide film covering opposite sides and the vicinity thereof of the graphene film;
comprises
本発明によれば、アンモニアに対して高い検出感度を有するガスセンサを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gas sensor which has high detection sensitivity with respect to ammonia can be provided.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[ガスセンサ]
図1は、本発明の一実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示す側断面図、図2はその平面図である。
なお、図2において、X軸方向は紙面の縦方向、Y軸方向は紙面の横方向、Z軸方向は紙面の高さ(デバイスの厚み)方向にそれぞれ相当する。
[Gas sensor]
FIG. 1 is a side cross-sectional view schematically showing the configuration of a gas sensor according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof.
In FIG. 2, the X-axis direction corresponds to the vertical direction of the paper, the Y-axis direction corresponds to the horizontal direction of the paper, and the Z-axis direction corresponds to the height (the thickness of the device) direction of the paper.
本実施形態のガスセンサ10は、3電極型の半導体デバイスであり、本実施形態では電界効果型トランジスタ(FET)構造を有する。
The
ガスセンサ10は、半導体基板11と、絶縁層12と、一対の金属電極13,14と、チャネル層15とを備える。
The
半導体基板11は、例えば、P型またはN型の不純物元素がドーピングされたシリコン(Si)基板である。半導体基板11は、ゲート電極(第1の電極)として機能し、第1の直流電源(ゲート電圧Vgの電源(図4参照))に接続される。半導体基板11の厚みは特に限定されず、例えば、約500μmである。
The
絶縁層12は、半導体基板11の上に設けられる。絶縁層12は、例えば、酸化シリコンで構成され、ゲート絶縁膜として機能する。絶縁層12は、典型的には、半導体基板11の熱酸化膜であってもよいし、半導体基板11の上にCVD法またはスパッタ法などで形成された膜であってもよい。絶縁層12の厚みは特に限定されず、例えば、285nmである。
An
一対の金属電極13,14は、絶縁層12の上に設けられ、Y軸方向に間隔をおいて対向配置される。一対の金属電極13,14は、ドレイン電極およびソース電極(一対の第2の電極)として機能し、ドレイン電極としての金属電極13は、図4に示すように、第2の直流電源(ドレイン電圧Vdの電源(図4参照))に直列に接続される。ソース電極としての金属電極14は、接地される。一対の金属電極13,14を構成する金属材料は特に限定されず、例えば、クロム(Cr)上に金(Au)を積層した膜(Au/Cr)である。
A pair of
一対の金属電極13,14は、コンタクト部13a,14aとパッド部13b、14bとを有する。近卓タオ部13a,13bは、一対の金属電極13,14が相互に対向する位置に設けられ、チャネル層15と接続される。パッド部13b、14bは、配線引き出し用の電極パッドに相当する。
The pair of
ここで、少し詳細にデバイス構造を説明する。図2に示す様に、表面に絶縁層12が被覆されたSi基板11は、平面視で矩形であり、その中央にチャネル層15が設けられている。このチャネル層15は、ごく薄く平面視で矩形、ここでは長方形で成る。そしてこのチャネル層15の対向する側辺およびその近傍を覆うようにコンタクト部13a,14aが設けられる。コンタクト部13a,14aは、ボンディングや半田付けなどの外部電極としては小さいため、矩形の拡張されたパッド部13b,14bがコンタクト部13a,14aに隣接して又は配線を介して設けられる。また後述するが、チャネル層15の膜厚が極めて薄く、平面サイズも小さい事から、コンタクト部13a,14aは、チャネル層15よりも厚いがパッド部13b,14bの厚みよりも薄い膜で構成される。コンタクト部13a,14aが薄い事で、チャネル層15への応力負荷を抑止でき、パターン精度も向上する。パッド部13b,14bは、半田付けまたはワイヤーボンドなどで外部との接続が実現されるため、厚い必要がある。そのため、図1では、金属電極13,14の断面がステップ状に形成されている。
Here, the device structure will be described in a little more detail. As shown in FIG. 2, the
金属電極13,14の各部の厚みは特に限定されず、例えば、コンタクト部13a,14aの厚みは40nm、本体部13b,14bの厚みは80nmである。金属電極13,14の形成方法も特に限定されず、スパッタ法、真空蒸着法等の適宜の成膜方法が適用可能である。なお、コンタクト部13a,14aの形成は省略されてもよく、この場合、各金属電極13,14は、一様な厚みで形成される。
The thickness of each portion of the
図3は、チャネル層15の構造を模式的に示す断面図である。図3に示すように、チャネル層15は、グラフェン膜151と、グラフェン膜151を被覆する酸化アルミニウム膜152とを有する。
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the
グラフェン膜151は、絶縁層12の上に設けられ、一対の金属電極13,14の間に配置される。グラフェン膜151は、金属電極13,14の間を電気的に接続する導電層である。一対の金属電極13,14が、コンタクト部13a,14aを有する場合は、グラフェン膜151は、それぞれのコンタクト部13a,14aと、絶縁層12の間に挟まれることで、金属電極13,14と導通する。一対の金属電極13,14が、コンタクト部13a,14aを有しない場合は、グラフェン膜151は、それぞれのパッド部13b、14bと、絶縁層12の間に挟まれることで、金属電極13,14と導通する。
ガスセンサ10は、チャネル層15における特定のガスの吸着をチャネル層15の電気伝導特性の変化に基づいて検出する。特定のガスの例として、アンモニアガスが挙げられる。グラフェン膜151は、そのチャネル層15における主要な導体部として機能する。
A
The
グラフェン膜151は単層膜であり、本実施形態では、縦および横の長さが200nm、厚みが0.34nm(グラフェン1層分)である。グラフェン膜151は、単層膜に限られず、数層の多層膜であってもよい。グラフェン膜151の形成方法は特に限定されず、ここでは、転写法により絶縁層12の上に設けられる。
The
酸化アルミニウム膜152は、アンモニアに対して高い選択性をもたせるため、グラフェン膜151の表面に形成される。酸化アルミニウム膜152は、アンモニアガスとの接触により酸化反応するため、発生した余剰電子はグラフェン膜151へ流れる。
この現象を利用して、酸化アルミニウム膜152からグラフェン膜151へ流れる電子の流入量に応じて、アンモニアガスの濃度を検出できる。
The
Using this phenomenon, the concentration of ammonia gas can be detected according to the amount of electrons flowing from the
また、酸化アルミニウムは多孔質の材料であるため、グラフェン膜151にアンモニアガスを選択的に吸着させる。このようにグラフェン膜151の表面に酸化アルミニウム膜152を担持させることで、アンモニアガスの吸着性を向上させ、これによりアンモニアに対する検出感度が高いガスセンサ10を得ることができる。
Further, since aluminum oxide is a porous material, ammonia gas is selectively adsorbed on the
酸化アルミニウム膜152を構成する酸素とアルミニウムの組成比は、典型的には量論比であるAl2O3である。酸化アルミニウム膜152は、ナノサイズの微粒子の集合体であるのが好ましい。酸化アルミニウム膜152がナノサイズの微粒子の集合体で構成されることで、酸化アルミニウム膜152の比表面積を大きくすることができる。これにより、グラフェン膜151のみでチャネル層15が構成される場合と比較して、チャネル層15の表面におけるアンモニアガスの吸着性がさらに向上し、アンモニアガスに対する検出感度をさらに高めることができる。
The composition ratio of oxygen and aluminum forming the
上記微粒子の平均粒径は、例えば、10nm以上50nm以下、より好ましくは、20nm以上40nm以下である。
酸化アルミニウム膜152のグラフェン膜151の表面に占める被覆率は高い方が好ましく、典型的には60%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上である。
The average particle diameter of the fine particles is, for example, 10 nm or more and 50 nm or less, more preferably 20 nm or more and 40 nm or less.
The coverage of the surface of the
酸化アルミニウム膜152は、グラフェン膜151の上に真空蒸着法などにより金属アルミニウム膜を形成した後、当該金属アルミニウム膜を酸化させることで形成される。
本実施形態では、アルミニウムの厚さが薄い事から、自然酸化で、酸化アルミニウムを生成させている。
金属アルミニウム膜の酸化方法は特に限定されず、酸素雰囲気で熱酸化させる事も可能である。なお、酸化アルミニウム膜152は、例えばALD法などによって金属アルミニウム膜の酸化処理を経ることなく、グラフェン膜151の上に直接形成されてもよい。
The
In this embodiment, since the thickness of aluminum is thin, aluminum oxide is generated by natural oxidation.
The method of oxidizing the metal aluminum film is not particularly limited, and thermal oxidation can be performed in an oxygen atmosphere. Note that the
酸化アルミニウム膜152の厚みは、例えば、2nm以上40nm以下、より好ましくは、5nm以上20nm以下である。厚みが2nm未満では、酸化アルミニウムの担持量を十分に確保できず、グラフェン膜151の上に酸化アルミニウム膜152を所望の被覆率で安定に形成することが困難である。
このため、グラフェン膜151とアンモニア以外の他のガス種との接触機会が増えるため、検出対象であるアンモニアガスの選択性および感度の低下が余儀なくされる。
一方、厚みが40nmを超えると、アンモニアガスとの反応により生じた余剰電子のグラフェン膜151への流入が困難になり、アンモニアガスに対する検出感度に悪影響をもたらすおそれがある。
The thickness of the
Therefore, the chances of contact between the
On the other hand, if the thickness exceeds 40 nm, it becomes difficult for surplus electrons generated by the reaction with ammonia gas to flow into the
なお、アルミニウムは酸化時に体積膨張を伴うため、アルミニウム膜を酸化させて酸化アルミニウム膜152を形成する場合は、グラフェン膜151上に成膜する金属アルミニウムの膜厚を調整することで、酸化アルミニウム膜152の厚みを上記の範囲に収めることができる。例えば、金属アルミニウム膜を0.5nm~5nmの厚みの範囲に調整することで、2.5nm~10nmの厚みの酸化アルミニウム膜を形成できることが確認された。また、厚み0.5nmの金属アルミニウム膜から酸化アルミニウム膜152を形成した場合、酸化アルミニウムのナノ粒子の平均粒径は約30nm、グラフェン膜151に対する被覆率は約80%であった。
Note that since aluminum expands in volume when oxidized, in the case of forming the
酸化アルミニウム膜152を構成するナノ粒子膜の凝集度合いは金属アルミニウムの成膜条件によって異なり、成膜速度が速いほど凝集が強くなる傾向がある。膜の凝集が強いと、粒子サイズの拡大、膜厚の不均一化が起こりやすくなる。このため、金属アルミニウムの成膜速度は、1.0Å/sec以下であることが好ましく、より好ましくは、0.5Å/sec以下、さらに好ましくは、0.1Å/sec以下である。
The degree of agglomeration of the nanoparticle film forming the
次に、以上のように構成されるガスセンサ10の作製方法について、簡単に説明する。
一導電型の不純物元素がドープされたSi基板(半導体基板11)を用意する。そしてこの基板を酸化性雰囲気に晒し、基板の上に絶縁層12を形成する。
続いて、この絶縁層12上に別途作製したグラフェン膜151を転写する。
次に、リソグラフィー技術及び蒸着法を用いて、ソース/ドレイン電極として一対の金属電極13,14を、グラフェン膜151の両端を被覆するように形成する。
続いて、一対の金属電極13,14のコンタクト部13a,14a間にあるグラフェン膜151を所定の大きさ(例えば、200nm×200nm)のレジストで保護した後、酸素プラズマエッチングにより保護されていない余分なグラフェンを除去することで、グラフェン膜151を矩形のリボン形状に加工する。
保護層に用いたレジストを除去した後、再度リソグラフィーによりグラフェン膜151以外の部分をレジストで保護し、蒸着によってアルミニウムを蒸着する。蒸着されたアルミニウムは、真空チャンバから取り出す際に自然に酸化され、アルミニウム酸化物となる。残されたレジストを除去することで、グラフェン膜151にアルミニウム酸化物ナノ粒子を担持させたチャネル層15を有するガスセンサ10が作製される。
Next, a method for manufacturing the
A Si substrate (semiconductor substrate 11) doped with an impurity element of one conductivity type is prepared. The substrate is then exposed to an oxidizing atmosphere to form an insulating
Subsequently, a separately produced
Next, a pair of
Subsequently, after protecting the
After removing the resist used for the protective layer, portions other than the
この製造プロセスのため、コンタクト部13a,14aの上面の一部にアルミニウム酸化物が形成されることもある。コンタクト部13a,14aの側面にも、わずかにアルミニウム酸化物が形成されることもある。以上の説明は、金属電極13,14がコンタクト部13a,14aを有しない場合でも同様である。その場合は、パッド部13b,14bの上面または側面にアルミニウム酸化物が形成される。
レジストを用いずに、蒸着などでアルミニウムを形成してもよい。その際は、金属電極13,14の本体部13b,14bとコンタクト部13a,14aの上面または側面にも、アルミニウム酸化物が形成される。
Due to this manufacturing process, aluminum oxide may be formed on part of the upper surface of the
Aluminum may be formed by vapor deposition or the like without using a resist. At that time, aluminum oxide is also formed on the upper surfaces or side surfaces of the
[ガス検出原理]
続いて、以上のように構成されるガスセンサ10を用いたアンモニアガスの検出方法について説明する。
[Gas detection principle]
Next, a method for detecting ammonia gas using the
図4は、ガスセンサ10を用いたアンモニアガスの検出方法を説明する模式図である。ゲート電極としての半導体基板11にゲート電圧Vgの電源が接続され、ドレイン電極としての金属電極13にドレイン電圧Vdの電源が接続される。ソース電極としての金属電極14は、グランド電位に接続される。ゲート電圧Vgの電源は、ゲート電極を例えば-40Vから+40Vまで(または、-80Vから+80V)まで掃引印加可能な可変電源である。ドレイン電圧Vdの電源は、ドレイン電極に例えば2mVの定電圧を印加可能な固定電源である。そして、ソース-ドレイン間にドレイン電圧を印加した状態で、ゲート電極を上記電圧範囲で掃引したときのソース-ドレイン間に流れる電流(ドレイン電流Id)の変化を検出する。掃引条件は特に限定されず、例えば、掃引間隔は0.5V、掃引時間は1分である。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a method of detecting ammonia gas using the
図5は、ゲート電圧Vgとドレイン電流Idとの関係(Id-Vg特性)を示す図である。
図において、
符号51は、検出対象ガス導入前のドレイン電流曲線、
符号52は、検出対象ガス導入後のドレイン電流曲線
である。いずれの曲線も、下に凸なる形状の放物線形状を示す。各ドレイン電流曲線51,52の最小値31,32は電荷中性点(CNP:Charge Neutral Point)とも呼ばれる。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship (Id-Vg characteristic) between the gate voltage Vg and the drain current Id.
In the figure,
Reference numeral 51 denotes a drain current curve before introduction of the gas to be detected;
電荷中性点は、キャリア層(本実施形態ではグラフェン膜151)中の正負のキャリアの総量が極小になる点を示しており、電子供与性又は電子受容性のガスが吸着されると、電荷中性点を与えるゲート電圧が変化する。電子供与性とは、ドナー性とも呼び、電荷を与える性質のことでる。この性質を持つガスを、ドナーと呼ぶ。アンモニアガスはドナーとして機能する。反対に、電子供与性とは、アクセプタ性とも呼び、電荷をもらう性質のことである。このゲート電圧の変化を追跡することにより、ガスの吸着を検出することができる。以下、電荷中性点といった場合、この極小の点を与えるゲート電圧のことを指すものとする。また、ガス導入前後における電荷中性点の変化量を電荷中性点のシフト量(ΔVCNP(絶対値))ともいう。シフト量(ΔVCNP)は、検出対象ガスの濃度に比例して大きくなる傾向を示す。本実施形態ではこのような検出原理を利用して、アンモニアガスの濃度を検出する。以降、この検出原理はCNP法ともいう。
The charge neutral point indicates the point where the total amount of positive and negative carriers in the carrier layer (the
図6は、ガスセンサ10を備えたガス検出システム1を示す模式図である。ガス検出システム1は、検出チャンバ2と、情報処理装置4と、表示装置5と、記憶部6と、を備える。
FIG. 6 is a schematic diagram showing a
検出チャンバ2は、収容室20内に、ガスセンサ10と、加熱部26とを備える。
収容室20は、外部からガスを吸気する吸気口21と、収容室20から外部に排気する排気口22とを有する。吸気口21には収容室20内へのガスの流入を調節するバルブ24が設けられ、排気口22には収容室20内のガスの外部への流出を調節するバルブ25が設けられている。排気口22には、バルブ25の先に真空ポンプが接続される。
加熱部26は、例えばヒータからなり、ガスセンサ10を所定温度に加熱することで、グラフェン膜151の表面を清浄化する。清浄化するとは、グラフェン膜151に吸着したガスや水分を脱着させることである。
The
The
The
情報処理装置4は、取得部41と、演算部42と、制御部43と、を備える。
取得部41は、ガスセンサ10のドレイン電流Id(図4参照)およびその変化に関する電流情報を取得する。
演算部42は、取得部41で取得された電流情報に基づき、ガス導入前後におけるガスセンサ10の電荷中性点を算出し、その算出結果を表示装置5へ出力する。
制御部43は、図4に示したゲート電圧Vgの電源およびドレイン電圧Vdの電源、検出チャンバ2の各部の動作など、ガス検出システム1の動作を統括的に制御する。
The
The
The
The
表示装置5は表示部を有し、情報処理装置4から出力されたガスの種類や濃度等を表示部に表示する。
The
記憶部6は、制御部43において実行されるソフトウェアプログラムを記憶する。また、記憶部6は、情報処理装置4から送信される取得部41における取得データ、演算部42における演算パラメータや演算結果、および制御部43における制御データ等を記憶する。記憶部6は、情報処理装置4が通信可能なクラウドサーバ上にあってもよいし、情報処理装置4に内蔵されてもよい。
The
図7は、ガス検出システム1の動作手順を示すフローチャートである。
FIG. 7 is a flow chart showing the operation procedure of the
まず、収容室20内を真空排気する(ステップS101)。
続いて、上述したCNP法の条件で、当該真空雰囲気でのガスセンサ10のドレイン電流特性に基づいてチャネル層15の電荷中性点を測定する(ステップS102)。
First, the
Subsequently, under the conditions of the CNP method described above, the charge neutral point of the
続いて、収容室20にアンモニアガスを導入する(ステップS103)。アンモニアガスの導入圧は、ここでは、ゲージ圧で700Torr(93.3kPa)とした。
続いて、上述したCNP法の条件で、当該アンモニアガス雰囲気でのガスセンサ10のドレイン電流特性に基づいてチャネル層15の電荷中性点を測定する(ステップS104)。
Subsequently, ammonia gas is introduced into the storage chamber 20 (step S103). The introduction pressure of the ammonia gas was 700 Torr (93.3 kPa) in gauge pressure here.
Subsequently, under the conditions of the CNP method described above, the charge neutral point of the
続いて、アンモニアガス導入前の電荷中性点に対するアンモニアガス導入後の電荷中性点のシフト量を算出し、このシフト量に対応するアンモニアガスの濃度を判定する(ステップS105,S106)。アンモニアガス濃度の判定は、例えば、あらかじめ記憶部6に格納された電荷中性点のシフト量とアンモニアガス濃度との関係を示すテーブルを用いて判定される。
Subsequently, the shift amount of the charge neutral point after introduction of ammonia gas with respect to the charge neutral point before introduction of ammonia gas is calculated, and the concentration of ammonia gas corresponding to this shift amount is determined (steps S105 and S106). The ammonia gas concentration is determined using, for example, a table stored in advance in the
[本実施形態の作用]
本実施形態のガスセンサ10においては、チャネル層15がグラフェン膜151とそれを被覆する酸化アルミニウム膜152とを有する。
アルミニウム酸化物は、アンモニアの酸化を促進する機能を有すると考えられている。これは、アルミニウムをドープした酸化亜鉛を母材とする酸化物半導体ガスセンサによるアンモニア応答の結果によって知られている。
アルミニウム酸化物層上に存在する酸化物イオンがアンモニアガスを酸化することにより、余剰の電子が発生する。この余剰の電子は酸化アルミニウム膜152からグラフェン膜151へと流入し、グラフェン膜151の電荷中性点を変化させる。
[Action of this embodiment]
In the
Aluminum oxide is believed to have the function of promoting the oxidation of ammonia. This is known from the result of the ammonia response by an oxide semiconductor gas sensor based on zinc oxide doped with aluminum.
Oxide ions present on the aluminum oxide layer oxidize the ammonia gas to generate surplus electrons. The surplus electrons flow from the
酸化アルミニウム膜152について考えるとき、その厚みは以下のように制限される。
まず、酸化アルミニウム膜152は、比較的薄い方が優れていると考えられる。これは、酸化アルミニウム膜152の表面でアンモニアの酸化反応が起きる為、発生した余剰の電子はグラフェン膜151へと流れる必要がある。したがって、酸化アルミニウム膜152の厚みが厚いと、表面で発生した余剰の電子がグラフェン膜151へと到達できず、感度に悪影響をもたらすこととなる。
一方、酸化アルミニウム膜152は、一定以上の厚みがある必要がある。これは、酸化アルミニウム膜152の厚みが薄い、すなわち酸化アルミニウムの担持量が少ない場合、グラフェン膜151の露出を意味し、直接グラフェン膜151へのガスの相互作用を認める他、酸化アルミニウム膜151の表面積の低下を意味し、選択性及び感度の低下が起きると考えらえる。したがって、酸化アルミニウム膜152には一定の厚みが求められる。
以上から、酸化アルミニウム膜152の厚みとして、およそ2nmから40nm程度の範囲が最適と考えられる。なお、露出するグラフェン膜151が少ないほど高い選択性が予想されることから、グラフェン膜151を覆う酸化アルミニウム膜152の被覆率は高い方が好ましい。具体的には、80%以上が好ましい。
また酸化アルミニウムの形状である、ナノ粒子形状によるグラフェン膜151への担持は、ガス吸着に寄与する表面積を大きくするという意味で重要である。酸化アルミニウム膜151をナノ粒子サイズの微粒子膜にすることにより、膜厚を大きくすることなく、アンモニアに対する吸着反応サイトの数を増大させることができ、感度の向上が達成できると考えられる。
When considering the
First, it is considered that the relatively thin
On the other hand, the
From the above, it is considered that the optimum thickness of the
In addition, the support on the
図8で特性を説明する。グラフェン膜151の厚みは、0.34nm。金属アルミニウム膜の厚みは5nmで、これを酸化させた。
この条件で形成した酸化アルミニウム膜152を有するガスセンサ10(以下、サンプル1ともいう)を作製し、このガスセンサ10のId-Vg特性を図8に示す。
同図において、
曲線C1は、アンモニアガス導入前の真空雰囲気下での測定結果、
曲線C2は、濃度4ppmのアンモニアガスが存在する雰囲気下での測定結果、
曲線C3は、曲線C2で示した測定後、ガスの追加の導入を止めて5分間静置し、再度測定した結果である。曲線C3で示した測定は、5分後に測定しても、ガスセンサ10のId-Vg特性にあまり変化がないことを示した。曲線C3で示した測定は、ガスセンサ10のId-Vg特性を確認するために行ったため、本発明の測定のために必須ではない。
Characteristics will be described with reference to FIG. The thickness of the
A gas sensor 10 (hereinafter also referred to as sample 1) having an
In the same figure,
Curve C1 is the result of measurement under a vacuum atmosphere before introducing ammonia gas,
Curve C2 is the measurement result in an atmosphere in which ammonia gas with a concentration of 4 ppm is present,
Curve C3 is the result of measuring again after stopping the introduction of additional gas after the measurement shown by curve C2 and allowing the sample to stand still for 5 minutes. The measurement shown by curve C3 showed that the Id-Vg characteristics of the
図8において曲線C1,C2で示すように、極小点である電荷中性点(CNP)は、ガス導入により負の方向へ2V、つまり、-2Vシフトしている。これは、アンモニア吸着により、グラフェン膜151に対してアンモニアがドナーとして機能した事を示している。
As indicated by curves C1 and C2 in FIG. 8, the charge neutral point (CNP), which is the minimum point, shifts 2V in the negative direction, that is, -2V, due to the gas introduction. This indicates that ammonia functions as a donor for the
図9は、上記サンプル1に相当するガスセンサ10のチャネル層15の電荷中性点(CNP)とアンモニア濃度との関係を測定したときの実験結果である。測定温度は室温とした。
図9に示すように、アンモニアガスの濃度と電荷中性点のシフト量との間には強い相関があり、濃度が高いほど大きなシフト量が認められた。なお、濃度が2ppmから500ppbの範囲および250ppbから25ppbの範囲でそれぞれ電荷中性点のシフト量が一定値となったが、上記サンプル1の作製精度に由来するものであると推定されるが、例えば濃度3ppmのアンモニアガスの雰囲気中では、約-1.5V以上の電荷シフト量が測定されると考えられる。
FIG. 9 shows experimental results when measuring the relationship between the charge neutral point (CNP) of the
As shown in FIG. 9, there is a strong correlation between the concentration of ammonia gas and the shift amount of the charge neutral point, and the higher the concentration, the greater the shift amount. The shift amount of the charge neutral point was constant when the concentration was in the range of 2 ppm to 500 ppb and in the range of 250 ppb to 25 ppb. For example, in an atmosphere of ammonia gas with a concentration of 3 ppm, a charge shift amount of about -1.5 V or more is considered to be measured.
比較のため、酸化シリコン膜152が形成されていないグラフェン膜151単層のチャネル層を備えたガスセンサ(以下、サンプル2ともいう)を用いて、真空雰囲気および濃度3ppmのアンモニアガスが存在する雰囲気中での電荷中性点のシフト量を測定した。測定温度は室温とした。実験結果を図10に示す。図10に示すように、電荷中性点のシフト量は-1Vであった。
For comparison, a gas sensor having a channel layer of a
図9および図10の結果より、酸化アルミニウム膜152でグラフェン膜151が被覆されたチャネル層を有する本実施形態のガスセンサ10によれば、酸化アルミニウム膜152が無い場合と比較して、アンモニアガスに対して高い感度を有することが確認される。
9 and 10, according to the
続いて、他の例として、厚み0.34nmのグラフェン膜151を被覆する厚み2nmの金属アルミニウム膜を酸化させることで形成された、酸化アルミニウム膜152を有するガスセンサ10(以下、サンプル3ともいう)を作製し、このガスセンサ10のガス選択性について評価した。実験には、サンプル3と同一の条件で作製した5つのサンプル(Device1~5)を用い、評価用ガスとして、アンモニア(NH3)、アセトン(C3H6O)、エタノール(C2H6O)、ホルムアルデヒド(CH2O)および水素(H2)の5種類を用い、それぞれ単一のガス種と窒素(N2)との混合ガス雰囲気下で測定した。各ガスの濃度はいずれも3ppmとし、測定温度は室温とした。その実験結果を図11に示す。
Subsequently, as another example, a gas sensor 10 (hereinafter also referred to as sample 3) having an
図11に示すように、評価用ガスとして用いた5種類のガスのうち、アンモニアに対して高い感度(電荷中性点のシフト量ΔVCNP)が得られた。一方、それ以外のアセトン、エタノール、ホルムアルデヒド、水素については大きくとも-1Vの変動量にとどまっており、比較的小さくノイズ相当の変動のみを示した。つまり、アンモニアにのみ応答し、それ以外のガスについては応答がほとんど見られなかった。
このことから、本実施形態のガスセンサ10によれば、アンモニアガスに対する高い選択性をもつことが確認された。また、測定に用いて5つのサンプル3(Device1~5)について同様な結果が得られており、再現性が得られることも確認された。
As shown in FIG. 11, among the five gases used as evaluation gases, high sensitivity (shift amount ΔV CNP of charge neutral point) was obtained for ammonia. On the other hand, the other acetone, ethanol, formaldehyde, and hydrogen showed only −1 V variation at most, showing only relatively small variations corresponding to noise. In other words, it responded only to ammonia, and almost no response was observed for other gases.
From this, it was confirmed that the
図12は、上記サンプル1の実験結果(図8参照)を踏まえた酸化アルミニウム膜152を構成する微粒子膜の粒子サイズと電荷中性点のシフト量との関係を示すシミュレーション結果である。ここでは、酸化アルミニウム膜の個々の微粒子が理想的な球形であると仮定した。酸化アルミニウム膜の担持量が同じであれば、表面体積比率から粒子径が小さいほど比表面積は大きくなるため、その分アンモニアガスに対する感度も向上する傾向にあると予測される。
FIG. 12 is a simulation result showing the relationship between the particle size of the fine particle film forming the
1…ガス検出システム
10…ガスセンサ
11…半導体基板(第1の電極)
12…絶縁層
13,14…金属電極(第2の電極)
15…チャネル層
151…グラフェン膜
152…酸化アルミニウム膜
DESCRIPTION OF
12... Insulating
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1の電極の上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層の上に設けられた一対の第2の電極と、
前記絶縁層の上に設けられ前記一対の第2の電極の間を電気的に接続するグラフェン膜と、前記グラフェン膜を被覆する酸化アルミニウム膜とを有するチャネル層と
を具備するガスセンサ。 a first electrode;
an insulating layer provided on the first electrode;
a pair of second electrodes provided on the insulating layer;
A gas sensor comprising: a channel layer having a graphene film provided on the insulating layer and electrically connecting the pair of second electrodes; and an aluminum oxide film covering the graphene film.
前記酸化アルミニウム膜は、ナノサイズの微粒子の集合体である
ガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1,
The gas sensor, wherein the aluminum oxide film is an aggregate of nano-sized fine particles.
前記酸化アルミニウム膜の厚みは、2nm以上40nm以下である
ガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1 or 2,
The gas sensor, wherein the aluminum oxide film has a thickness of 2 nm or more and 40 nm or less.
前記グラフェン膜の表面に占める前記酸化アルミニウム膜の被覆率は、60%以上である
ガスセンサ。 The gas sensor according to any one of claims 1 to 3,
The gas sensor, wherein a coverage of the aluminum oxide film on the surface of the graphene film is 60% or more.
前記半導体基板上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層に設けられた矩形のグラフェン膜と、
前記グラフェン膜の対向側辺およびその近傍を被覆し、前記絶縁層に形成されたソース電極およびドレイン電極と
前記ソース電極およびドレイン電極との間のグラフェン膜上に設けられた酸化アルミニウム膜と、
を具備するガスセンサ。 a semiconductor substrate having one conductivity type and functioning as a gate electrode;
an insulating layer provided on the semiconductor substrate;
a rectangular graphene film provided on the insulating layer;
an aluminum oxide film provided on the graphene film between the source electrode and the drain electrode formed on the insulating layer and the source electrode and the drain electrode, the aluminum oxide film covering opposite sides and the vicinity thereof of the graphene film;
A gas sensor comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022013634A JP2023111672A (en) | 2022-01-31 | 2022-01-31 | gas sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022013634A JP2023111672A (en) | 2022-01-31 | 2022-01-31 | gas sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023111672A true JP2023111672A (en) | 2023-08-10 |
Family
ID=87551743
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022013634A Pending JP2023111672A (en) | 2022-01-31 | 2022-01-31 | gas sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023111672A (en) |
-
2022
- 2022-01-31 JP JP2022013634A patent/JP2023111672A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101027074B1 (en) | nanostructure gas sensors and nanostructure gas sensor array with metal oxide layer and method of producing the same | |
US6894359B2 (en) | Sensitivity control for nanotube sensors | |
Law et al. | Improving the NH3 gas sensitivity of ZnO nanowire sensors by reducing the carrier concentration | |
EP2623968B1 (en) | Gas sensor comprising a gate structure with capacitively coupled platinum crystal grains | |
US9134270B2 (en) | Amorphous thin film for sensing | |
US9568447B2 (en) | Fluid sensor chip and method for manufacturing the same | |
US8025843B2 (en) | Hydrogen sensor | |
US20140260545A1 (en) | Sensor and sensing method | |
US20100176822A1 (en) | Nanowire sensor | |
CN107430086B (en) | Gas sensor and sensor device | |
WO2015189889A1 (en) | Gas sensor and sensor device | |
JP5743478B2 (en) | Gas sensitive semiconductor device | |
US9418857B2 (en) | Sensor component for a gas and/or liquid sensor, production method for a sensor component for a gas and/or liquid sensor, and method for detecting at least one material in a gaseous and/or liquid medium | |
US7918123B2 (en) | Gas sensor | |
JP7215347B2 (en) | Gas sensor and method for manufacturing gas sensor | |
KR20110066849A (en) | Semiconductor gas sensor with low power consumption | |
KR101113315B1 (en) | Gas sensor having catalyst layer and method for operating the same | |
JP2023111672A (en) | gas sensor | |
WO2015189888A1 (en) | Gas sensor and sensor device | |
JP4340639B2 (en) | Hydrogen sensor and hydrogen detection method | |
US20120151997A1 (en) | Method of making an electrically conductive structure, method of making a gas sensor, gas sensor obtained with the method and use of the gas sensor for sensing a gas | |
US8390037B2 (en) | Gas sensor | |
KR102613378B1 (en) | Carbon nanotube-based humidity sensor and manufacturing method thereof | |
CN118090867B (en) | FET hydrogen sensor and preparation method thereof | |
CN116990374A (en) | MOSFET gas sensor and preparation method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20220707 |