JP2742019B2 - Polarized gas detector - Google Patents

Polarized gas detector

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JP2742019B2
JP2742019B2 JP12923294A JP12923294A JP2742019B2 JP 2742019 B2 JP2742019 B2 JP 2742019B2 JP 12923294 A JP12923294 A JP 12923294A JP 12923294 A JP12923294 A JP 12923294A JP 2742019 B2 JP2742019 B2 JP 2742019B2
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工 岡田
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、有極性ガス検出器に
関し、特に、多孔質シリコンを用いる有極性ガス検出器
に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polar gas detector, and more particularly, to a polar gas detector using porous silicon.

【0002】[0002]

【従来の技術】ガスの種類や濃度を検出するガス検出器
としては、例えば、SnO2 ,ZnO,TiO2 などの
酸化物半導体を用いたものが知られており、この種の半
導体は、400℃前後の高温雰囲気中で還元性ガスと接
触すると抵抗が変化し、この抵抗の変化量からガス種や
濃度を検出する。また、非電気抵抗式ガス検出器とし
て、MOSFET構造のものも知られており、この種の
ガス検出器では、Pbなどのイオン感応膜をゲート電極
として設け、この膜の水素などのガスに対する反応を利
用して、MOSFETの閾値電圧の変化を検出して、ガ
ス濃度を測定する。
2. Description of the Related Art As a gas detector for detecting the type and concentration of a gas, for example, a gas detector using an oxide semiconductor such as SnO 2 , ZnO, or TiO 2 is known. The resistance changes when it comes into contact with the reducing gas in a high-temperature atmosphere of about ° C, and the type and concentration of the gas are detected from the amount of change in the resistance. As a non-electrical resistance gas detector, one having a MOSFET structure is also known. In this type of gas detector, an ion-sensitive film such as Pb is provided as a gate electrode, and the reaction of the film with respect to a gas such as hydrogen is performed. , The change in the threshold voltage of the MOSFET is detected, and the gas concentration is measured.

【0003】ところで、上述した如き構成のガス検出器
では、まず、前者の場合には、高温雰囲気中での測定で
あるため、常温での測定ができず、対象ガスにも制限が
あった。また、後者の場合にも、同様に対象ガスに制限
があって、例えば、アルコールなどの有極性ガスの検出
には適用することができなかった。そこで、近時、常温
での測定が可能であって、しかも、有極性ガスの検出用
として、多孔質シリコンを利用する技術が注目されてい
て、各種の研究開発が行なわれている。
By the way, in the gas detector having the above-described configuration, first, in the former case, since the measurement is performed in a high-temperature atmosphere, measurement cannot be performed at room temperature, and the target gas is also limited. Also, in the latter case, the target gas is similarly limited, and cannot be applied to detection of a polar gas such as alcohol. Therefore, recently, a technique that enables measurement at room temperature and uses porous silicon for detecting a polar gas has attracted attention, and various R & D has been conducted.

【0004】1986年10月に行なわれた第47回応
用物理学会の講演会では、p型シリコン基板の上面側
に、多孔質シリコン層を形成したガス検出器が発表され
ている。この講演会の資料によると、多孔質シリコン層
が有極性ガスを吸着すると、検出器の静電容量が約10
0倍に増加するとともに、電気抵抗が約1/20に減少
することが報告されており、このような変化を利用する
ことにより、ガス種や濃度を常温で検出できることが示
唆されている。
A gas detector having a porous silicon layer formed on the upper surface side of a p-type silicon substrate was announced at the 47th lecture of the Japan Society of Applied Physics held in October 1986. According to the materials of this lecture, when the porous silicon layer adsorbs the polar gas, the capacitance of the detector becomes about 10%.
It has been reported that the electrical resistance decreases to about 1/20 with the increase of 0 times, and it is suggested that the gas type and concentration can be detected at room temperature by utilizing such a change.

【0005】しかしながら、本発明者らの検討による
と、この講演会で発表されたガス検出器には、以下に説
明する技術的課題があった。
However, according to studies by the present inventors, the gas detector presented at this lecture had the following technical problems.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】すなわち、上述した如
き構成のガス検出器における、p型シリコン基板上に形
成した多孔質シリコンの電気伝導性に関しては、講演会
での頒布資料には詳細な説明がないが、例えば、「19
94 American Instituteof P
hsics」のVol.64,No.4,24Janu
ary(第481頁〜第483頁)には、詳細な実験報
告が記載されている。
That is, the electric conductivity of the porous silicon formed on the p-type silicon substrate in the gas detector having the above-described structure is described in detail in the materials distributed at the lecture. Although there is no
94 American Instituteof P
hsics ”, Vol. 64, no. 4,24Janu
ary (pages 481 to 483) describes a detailed experimental report.

【0007】この実験報告によると、p型シリコン基板
上に形成した多孔質シリコンの電気伝導性は非常に小さ
く、約100Vの電圧を印加しても、約25nA程度の
電流しか流れず、このような印加電圧および電流変化率
では、実用的なガス検出器として用いることができなか
った。本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的とするところは、低い印加
電圧で、大きい電流変化が得られる実用的な有極性ガス
検出器を提供することにある。また、他の目的として、
広く採用されている半導体製造技術を用いて簡単に製造
することができる有極性ガス検出器を提供することにあ
る。
According to this experimental report, the electrical conductivity of porous silicon formed on a p-type silicon substrate is very small, and even when a voltage of about 100 V is applied, only a current of about 25 nA flows. At a low applied voltage and current change rate, it could not be used as a practical gas detector. The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a practical polar gas detector capable of obtaining a large current change with a low applied voltage. It is in. For other purposes,
An object of the present invention is to provide a polar gas detector that can be easily manufactured by using a widely used semiconductor manufacturing technique.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、n型またはp型シリコン基板と、このシ
リコン基板に形成されたp型またはn型半導体層と、前
記シリコン基板と前記半導体層との間にそれぞれ接触す
るように形成された多孔質シリコン層とを有することを
特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides an n-type or p-type silicon substrate, a p-type or n-type semiconductor layer formed on the silicon substrate, A porous silicon layer formed so as to be in contact with the semiconductor layer.

【0009】前記半導体層は、前記シリコン基板に複数
個が隔成された状態で形成され、複数の前記半導体層を
並列接続することができる。また、前記半導体層は、前
記シリコン基板に少なくとも一対が所定の間隔をおいて
形成され、前記シリコン基板と前記一対の半導体層とで
3極構造とすることができる。
A plurality of the semiconductor layers are formed on the silicon substrate so as to be separated from each other, and a plurality of the semiconductor layers can be connected in parallel. In addition, at least one pair of the semiconductor layers is formed on the silicon substrate at a predetermined interval, and the silicon substrate and the pair of semiconductor layers may have a three-pole structure.

【0010】[0010]

【作用】上記構成の有極性ガス検出器によれば、n型ま
たはp型シリコン基板と、このシリコン基板に形成され
たp型またはn型半導体層と、前記シリコン基板と前記
半導体層とにそれぞれ接触するように形成された多孔質
シリコン層とを有しているので、後述する実験結果など
から明らかなように、数ボルト程度の低い印加電圧で、
μAないしはmA単位の大きな電流変化が得られる。
According to the polar gas detector having the above-described structure, the n-type or p-type silicon substrate, the p-type or n-type semiconductor layer formed on the silicon substrate, the silicon substrate and the semiconductor layer, respectively. Since it has a porous silicon layer formed so as to be in contact with it, as apparent from the experimental results described below, at a low applied voltage of about several volts,
A large current change on the order of μA or mA can be obtained.

【0011】[0011]

【実施例】以下本発明の好適な実施例について添附図面
を参照して詳細に説明する。図1および図2は、本発明
にかかる有極性ガス検出器の第1実施例を示している。
同図に示す有極性ガス検出器は、シリコン単結晶基板に
Bなどの不純物をドーピングしたp型シリコン基板1
と、このp型シリコン基板1に対向するように形成され
た一対のn型半導体層2,2と、p型シリコン基板1と
n型半導体層2,2との間に形成された多孔質シリコン
層3とから構成されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. 1 and 2 show a polar gas detector according to a first embodiment of the present invention.
The polar gas detector shown in the figure is a p-type silicon substrate 1 in which a silicon single crystal substrate is doped with an impurity such as B.
And a pair of n-type semiconductor layers 2 and 2 formed so as to face the p-type silicon substrate 1, and porous silicon formed between the p-type silicon substrate 1 and the n-type semiconductor layers 2 and 2. And a layer 3.

【0012】一対のn型半導体層2,2は、図2にその
上面形状を示すように、所定の間隔Lを隔てて、長辺の
長さがW1 で、短辺の長さがW2 の同一長方形に形成さ
れている。多孔質シリコン層3は、p型シリコン基板1
の表面に接触するとともに、各n型半導体層2,2の四
周において、長,短辺の側面にそれぞれ接触するように
形成されていて、n型半導体層2,2は、多孔質シリコ
ン層3中に埋め込まれた状態になっている。
As shown in FIG. 2, a pair of n-type semiconductor layers 2 and 2 have a long side of W 1 and a short side of W 1 at a predetermined interval L. Two identical rectangles are formed. The porous silicon layer 3 is a p-type silicon substrate 1
And the n-type semiconductor layers 2 and 2 are formed so as to come into contact with the long and short sides, respectively, on the four circumferences of each of the n-type semiconductor layers 2 and 2. It is embedded inside.

【0013】そして、p型シリコン基板1の背面側と、
n型半導体層2,2の表面側には、アルミニウム電極層
4,4が設けられている。このような構造の有極性ガス
検出器を製造する方法について図3に基づいて説明す
る。p型シリコン基板1は、例えば、pー型シリコン
(100),比抵抗が10〜20Ωcm程度のウエハA
を用いる。
Then, the back side of the p-type silicon substrate 1 and
Aluminum electrode layers 4, 4 are provided on the surface side of the n-type semiconductor layers 2, 2. A method for manufacturing a polar gas detector having such a structure will be described with reference to FIG. The p-type silicon substrate 1 is, for example, a p-type silicon (100), a wafer A having a specific resistance of about 10 to 20 Ωcm.
Is used.

【0014】そして、このウエハAに、標準的な集積回
路技術を用いて、酸化,リン拡散を行い、n型半導体層
2,2を形成して、pn接合部を設ける(図3(B)参
照)。次いで、表面に形成された酸化膜B,Bを除去し
たのち、ウエハAの裏面側に電極層4用のアルミニウム
Cを真空蒸着する。次に、レジストDでn型半導体層
2,2の表面をカバーした後、HF溶液中で陽極化成処
理を行なう。この過程で、レジストDでカバーした領域
(n型半導体層2,2)を除いて、ウエハAの表面は、
多孔質化され多孔質シリコン層3が形成される。そし
て、多孔質シリコン層3の安定化のために、300℃で
低温熱処理を行なう(図3(C)参照)。
Then, oxidation and phosphorus diffusion are performed on the wafer A using standard integrated circuit technology to form n-type semiconductor layers 2 and 2 and to provide a pn junction (FIG. 3B). reference). Next, after removing the oxide films B formed on the front surface, aluminum C for the electrode layer 4 is vacuum-deposited on the back surface side of the wafer A. Next, after covering the surfaces of the n-type semiconductor layers 2 and 2 with the resist D, anodizing treatment is performed in an HF solution. In this process, except for the regions (n-type semiconductor layers 2 and 2) covered with the resist D, the surface of the wafer A
The porous silicon layer 3 is formed by making it porous. Then, low-temperature heat treatment is performed at 300 ° C. for stabilization of the porous silicon layer 3 (see FIG. 3C).

【0015】次いで、レジストDを除去した後に、各n
型半導体層2,2上にアルミニウムDを蒸着して、電極
層4を形成すると、図1に示した構成のガス検出器が得
られる。ここで、陽極化成処理の詳細について説明す
る。多孔質シリコンとは、通常、孔径が数nm〜数μm
の孔を多数含むシリコンのことである。このような多孔
質シリコンを形成するための陽極化成処理には、フッ化
水素酸水溶液(HF)をベースに純水,アルコールなど
で希釈した溶液が用いられる。
Next, after removing the resist D, each n
When aluminum D is deposited on the mold semiconductor layers 2 and 2 to form the electrode layer 4, the gas detector having the configuration shown in FIG. 1 is obtained. Here, the details of the anodizing treatment will be described. Porous silicon usually has a pore size of several nm to several μm.
Silicon containing a large number of holes. In the anodizing treatment for forming such porous silicon, a solution obtained by diluting a hydrofluoric acid aqueous solution (HF) with pure water, alcohol, or the like is used.

【0016】ウエハAを陽極化成処理する際には、ウエ
ハAが図4に示すような反応器Fの下端側にセットさ
れ、ウエハAと対向するようにして、その上方に網状の
白金電極Gが設置される。そして、希釈したHF溶液を
反応器F内に満たし、ウエハA側がプラスで、白金電極
G側がマイナスになる直流電圧を印加することにより行
なわれる。
When anodizing the wafer A, the wafer A is set on the lower end side of a reactor F as shown in FIG. Is installed. Then, the reaction is performed by filling the reactor F with the diluted HF solution and applying a DC voltage in which the wafer A side is positive and the platinum electrode G side is negative.

【0017】このような陽極化成処理によって得られる
多孔質層の構造と厚みは、使用するウエハAの伝導度,
抵抗,結晶方向,さらにHF溶液の温度,HF濃度,電
流密度,光照射などに依存する。本発明のガス検出器を
得るために採用した陽極化処理の条件を以下の表に示し
ている。
The structure and thickness of the porous layer obtained by such anodizing treatment depend on the conductivity of the wafer A used,
It depends on resistance, crystal direction, temperature of HF solution, HF concentration, current density, light irradiation, and the like. The following table shows the anodizing conditions employed to obtain the gas detector of the present invention.

【表1】 図5から図10は、図1に示した構造の有極性ガス検出
器の作用効果を確認するために行なった性能試験の測定
結果を示している。このときの性能試験では、図1に示
すように、電圧可変型の電源evを用い、この電源ev
の+側を一方のn型半導体層2上の電極4に接続すると
ともに、−側を他方のn型半導体層2上の電極4と接続
し、p型シリコン基板1の電極4は、電源evの−側に
接続し、トランジスタと同様な3極構造とした。
[Table 1] 5 to 10 show measurement results of a performance test performed to confirm the operation and effect of the polar gas detector having the structure shown in FIG. In the performance test at this time, as shown in FIG. 1, a variable voltage power supply ev was used.
Is connected to the electrode 4 on one n-type semiconductor layer 2 and the-side is connected to the electrode 4 on the other n-type semiconductor layer 2, and the electrode 4 of the p-type silicon substrate 1 is connected to the power supply ev. , And a three-pole structure similar to that of the transistor.

【0018】なお、この様な接続状態は、MOSFET
のゲート端子を除いて、ソース・ドレイン・基板間の接
続状態と同じものである。そして、電源evの電圧を徐
々に連続的に上昇させ、そのときにn型半導体層2,2
間に流れる電流をそれぞれ測定した。なお、この時に使
用したガス検出器の寸法形状は、n型半導体層2,2間
の間隔Lが30〜40μm,n型半導体層2,2の長辺
側の長さW1 が500〜2100μm,多孔質シリコン
層3の厚みが約0.3〜0.6μmであった。
Note that such a connection state is based on MOSFET
The connection state between the source, the drain and the substrate is the same except for the gate terminal. Then, the voltage of the power supply ev is gradually and continuously increased, and at that time, the n-type semiconductor layers 2, 2
The current flowing between them was measured. The dimensions and shape of the gas detector used at this time were such that the distance L between the n-type semiconductor layers 2 and 30 was 30 to 40 μm, and the length W 1 of the long side of the n-type semiconductor layers 2 and 2 was 500 to 2100 μm. The thickness of the porous silicon layer 3 was about 0.3 to 0.6 μm.

【0019】図5に示した測定結果は、ガス検出器を大
気中(ガス無印加の時)で測定したものであり、n型半
導体層2,2間の電流は、十分に低く、ガス検出器は、
オフ状態になっていることが判る。図6は、窒素をキャ
リアガスとしてエタノールの飽和蒸気をガス測定器に供
給した時の測定結果である。この図を見ると明らかなよ
うに、n型半導体層2,2間の電圧が2V以上になる
と、流れる電流が増加し、ガス検出器がオン状態にな
る。
The measurement results shown in FIG. 5 are obtained by measuring the gas detector in the atmosphere (when no gas is applied). The current between the n-type semiconductor layers 2 and 2 is sufficiently low. The vessel is
It turns out that it is in an off state. FIG. 6 shows the measurement results when saturated vapor of ethanol was supplied to a gas measuring instrument using nitrogen as a carrier gas. As is apparent from this figure, when the voltage between the n-type semiconductor layers 2 and 2 becomes 2 V or more, the flowing current increases and the gas detector is turned on.

【0020】そして、電圧の増加に伴って流れる電流は
単調に増加して、飽和傾向は見られなかった。ガス供給
後、約1分程度で特性は安定し、ガス停止後は、1〜2
分程度で最初の状態に復帰した。図7〜図10は、測定
対象ガスをアセトン,メタノール,トリクレン,シンナ
の飽和蒸気とした場合のそれぞれの測定結果である。こ
れらの試験結果において、電流の増加は、エタノール>
メタノール>アセトン>シンナの順となり、所定の印加
電圧でn型半導体層2,2間に流れる電流を測定する
と、ガスの種別が特定できることが確認された。なお、
シンナ,トリクレンの場合には、印加電圧が5Vで流れ
る電流の増加が10μA以下であったが、前述した従来
のこの種の検出器よりも非常に大きな値であって、十分
に実用性が認められる。
The current flowing with the increase in voltage monotonously increased, and no saturation tendency was observed. The characteristics are stable in about 1 minute after the gas is supplied, and 1-2
It returned to the initial state in about a minute. 7 to 10 show the respective measurement results when the measurement target gas is a saturated vapor of acetone, methanol, trichlene, and thinner. In these test results, the increase in current was due to ethanol>
When the current flowing between the n-type semiconductor layers 2 and 2 was measured at a predetermined applied voltage in the order of methanol>acetone> thinner, it was confirmed that the type of gas could be specified. In addition,
In the case of cinna and trichlene, the increase in the current flowing at an applied voltage of 5 V was 10 μA or less, but the value was much larger than that of the above-mentioned conventional detector, and the practicality was sufficiently recognized. Can be

【0021】また、この性能試験では、図1に示した構
造で、多孔質シリコン層3を有しないものも試作して、
同様の試験を行なったが、電流の変化が全く観測できな
かった。すなわち、ガス検出において、多孔質シリコン
層3が重要な役割を果たしていることが判った。電流の
変化は、陽極化成処理の時間、すなわち、多孔質シリコ
ン層3の厚み,孔径,密度に依存性があるので、陽極化
成処理の時間を1分としたものと、同2分としたものと
を作成し、それぞれの電流ー電圧特性を測定した。
In this performance test, a prototype having the structure shown in FIG. 1 and having no porous silicon layer 3 was produced.
A similar test was performed, but no change in current was observed. That is, it was found that the porous silicon layer 3 plays an important role in gas detection. The change in the current depends on the time of the anodizing treatment, that is, the thickness, the pore diameter, and the density of the porous silicon layer 3. Were prepared, and the current-voltage characteristics of each were measured.

【0022】図11は、この測定結果を示しており、同
図を見ると明らかなように、陽極化成処理の時間の長い
方、すなわち、多孔質シリコン層3の厚みが大きい方
が、電流の変化を大きく、多孔質シリコン層3は、ある
程度の厚みを有していることが望ましいことが判った。
なお、このときのサンプルの多孔質シリコン層3の厚み
は、2分処理のものが約0.6μm,1分処理のものが
約0.3μmであった。
FIG. 11 shows the measurement results. As is apparent from FIG. 11, the longer the anodizing treatment time, that is, the larger the thickness of the porous silicon layer 3, the larger the current. The change was large, and it was found that the porous silicon layer 3 preferably had a certain thickness.
At this time, the thickness of the porous silicon layer 3 of the sample was about 0.6 μm for the 2-minute processing and about 0.3 μm for the 1-minute processing.

【0023】また、電流は、n型半導体層2,2の寸法
(L,W1,2 )にも依存性があり、特に、長手方向の
長さW2 が大きくなるほど電流値が高くなることを確認
している。なお、図1に示した第1実施例において、p
型シリコン基板1と電源evとの間の電気的な接続を除
去した状態であっても、上記第1実施例と同様な電流応
答が認められ、n型半導体層2同士の2極接続状態でも
ガス検出機能を有していることを確認している。
The current also depends on the dimensions (L, W 1, W 2 ) of the n-type semiconductor layers 2, 2. In particular, the current value increases as the length W 2 in the longitudinal direction increases. Make sure that. In the first embodiment shown in FIG.
Even when the electrical connection between the silicon substrate 1 and the power supply ev is removed, a current response similar to that of the first embodiment is observed, and even when the n-type semiconductor layers 2 are connected to each other in a two-pole state. It has been confirmed that it has a gas detection function.

【0024】図12は、本発明にかかる有極性ガス検出
器の第2実施例を示しており、以下にその特徴点につい
てのみ説明する。同図に示す有極性ガス検出器は、n型
シリコン基板5と、このn型シリコン基板5に対向する
ように形成された一対のp型半導体層6,6と、n型シ
リコン基板5とp型半導体層6,6との間に形成された
多孔質シリコン層3aとから構成され、基板5と半導体
層6には、それぞれ電極層4が形成されている。
FIG. 12 shows a polar gas detector according to a second embodiment of the present invention. Only the features of the second embodiment will be described below. The polar gas detector shown in FIG. 1 includes an n-type silicon substrate 5, a pair of p-type semiconductor layers 6 and 6 formed so as to face the n-type silicon substrate 5, An electrode layer 4 is formed on each of the substrate 5 and the semiconductor layer 6. The porous silicon layer 3 a is formed between the mold semiconductor layers 6 and 6.

【0025】つまり、この第2実施例のガス検出器は、
第1実施例に対して、p−n接合をn−p接合に代えた
ものである。このような構成の有極性ガス検出器におい
ても上記第1実施例と同様な性能試験を行なった。この
実施例のガス検出器では、飽和ガス導入後、約3分程度
で特性が安定し、ガス停止後は、数時間後でも最初の状
態に復帰しなかったが、ガスに対する電流の変化は、第
1実施例のものと同様な傾向を示した。
That is, the gas detector of the second embodiment is
As compared with the first embodiment, the pn junction is replaced with an pn junction. A performance test similar to that of the first embodiment was performed on the polar gas detector having such a configuration. In the gas detector of this embodiment, the characteristics were stabilized in about 3 minutes after the introduction of the saturated gas, and did not return to the initial state even after several hours after the gas was stopped. The tendency was similar to that of the first embodiment.

【0026】なお、この第2実施例のガス検出器では、
多孔質シリコン層3aを形成するために、陽極化成処理
中に光照射を行なった。図13は、本発明にかかる有極
性ガス検出器の第3実施例を示しており、以下にその特
徴点についてのみ説明する。同図に示すガス検出器は、
シリコン単結晶基板にBなどの不純物をドーピングした
p型シリコン基板1と、このp型シリコン基板1に形成
された一個のn型半導体層2と、p型シリコン基板1と
n型半導体層2との間に形成された多孔質シリコン層3
とから構成されている。
In the gas detector of the second embodiment,
Light irradiation was performed during the anodizing treatment to form the porous silicon layer 3a. FIG. 13 shows a third embodiment of the polar gas detector according to the present invention. Only the features of the third embodiment will be described below. The gas detector shown in FIG.
A p-type silicon substrate 1 in which a silicon single crystal substrate is doped with an impurity such as B, one n-type semiconductor layer 2 formed on the p-type silicon substrate 1, a p-type silicon substrate 1 and an n-type semiconductor layer 2; Porous silicon layer 3 formed between
It is composed of

【0027】つまり、この実施例のガス検出器は、第1
実施例のガス検出器において、一方のp−n接合部のみ
を取り出した構造となっている。図14は、第3実施例
のガス検出器に図13に示すように、可変電圧電源ev
を接続し、その電流ー電圧特性を測定した際の測定結果
である。図14においては、大気中とエタノールの飽和
蒸気中とで、電流ー電圧特性をそれぞれ測定しており、
エタノールを供給した場合に、電圧の上昇に伴って、電
流が増加しており、第1実施例のものに比べて、電流の
大きさが異なるものの、低い電圧で、電流変化を十分に
検出することができる。
That is, the gas detector of this embodiment has the first
The gas detector of the embodiment has a structure in which only one pn junction is taken out. FIG. 14 shows the gas detector of the third embodiment as shown in FIG.
Are connected, and the current-voltage characteristics are measured. In FIG. 14, current-voltage characteristics are measured in the atmosphere and in saturated steam of ethanol, respectively.
When ethanol is supplied, the current increases as the voltage increases. Although the magnitude of the current is different from that of the first embodiment, the current change is sufficiently detected at a low voltage. be able to.

【0028】図15は、本発明にかかる有極性ガス検出
器の第4実施例を示しており、以下にその特徴点につい
てのみ説明する。同図に示すガス検出器は、シリコン単
結晶基板にBなどの不純物をドーピングしたp型シリコ
ン基板1と、このp型シリコン基板1に形成された複数
個のn型半導体層2,2,2と、p型シリコン基板1と
n型半導体層2との間に形成された多孔質シリコン層3
とから構成されている。
FIG. 15 shows a fourth embodiment of the polar gas detector according to the present invention. Only the features of the fourth embodiment will be described below. The gas detector shown in FIG. 1 includes a p-type silicon substrate 1 in which a silicon single crystal substrate is doped with an impurity such as B, and a plurality of n-type semiconductor layers 2, 2, 2 formed on the p-type silicon substrate 1. And a porous silicon layer 3 formed between the p-type silicon substrate 1 and the n-type semiconductor layer 2
It is composed of

【0029】そして、各n型半導体層2,2,2は、そ
れぞれ並列接続されている。つまり、この実施例のガス
検出器は、第1実施例のガス検出器において、p−n接
合部を2以上の多数個形成し、これらを2極構造の状態
で並列接続した構造になっている。図16は、第4実施
例のガス検出器に図15に示すように、可変電圧電源e
vを接続し、その電流ー電圧特性を測定した際の測定結
果である。図16においては、大気中とエタノールの飽
和蒸気中とでそれぞれ電流ー電圧特性を測定しており、
エタノールを供給した場合に、電圧の上昇に伴って、電
流が増加している。
The respective n-type semiconductor layers 2, 2, 2 are connected in parallel. That is, the gas detector of this embodiment has a structure in which two or more pn junctions are formed in the gas detector of the first embodiment, and these are connected in parallel in a two-pole structure. I have. FIG. 16 shows a gas detector according to the fourth embodiment, as shown in FIG.
5 is a measurement result when v is connected and the current-voltage characteristic is measured. In FIG. 16, current-voltage characteristics are measured in the atmosphere and in a saturated vapor of ethanol, respectively.
When ethanol is supplied, the current increases as the voltage increases.

【0030】この場合、並列接続するpn接合部の数を
増加すると、電流はこれに伴って増加することがわか
る。つまり、5V以上の印加電圧で、pn接合の面積が
2倍になると、電流も約2倍に増加するという結果が得
られ、pn接合部を並列接続すれば、より一層大きな電
流変化が得られることが判った。以上のように、本発明
にかかる有極性ガス検出器によれば、数V程度の印加電
圧で、3極構造の場合には、mAオーダーの電流変化
が、また、2極構造の場合には、μAオーダーの電流変
化が得られ、従来の多孔質シリコンを利用するこの種の
ガス検出器に対して、十分実用的なものとなる。
In this case, when the number of pn junctions connected in parallel is increased, the current increases accordingly. That is, if the area of the pn junction doubles with an applied voltage of 5 V or more, the result is that the current also increases approximately twice, and if the pn junctions are connected in parallel, a larger current change can be obtained. It turns out. As described above, according to the polar gas detector according to the present invention, a current change of the order of mA occurs in the case of a three-pole structure at an applied voltage of about several V, and in the case of a two-pole structure, , And a current change on the order of μA, which is sufficiently practical for this type of gas detector utilizing conventional porous silicon.

【0031】次に、本発明にかかる有極性ガス検出器の
動作機構について説明する。なお、多孔質シリコンのガ
ス検出機能については、その動作機構は、必ずしも明ら
かではないが、本発明者らは以下のように推論してい
る。多孔質シリコンの実効的な表面積は、非常に大きく
(〜200m2 /cm3 )、表面には、SiーO,Si
ーH,SiーF結合が存在すると言われている。このよ
うな表面に有極性ガスが供給されると、ガス分子の双極
子が弱い静電引力によって吸着される。この場合の吸着
は、有極性分子のOH基と水素結合が重要な役割を果た
すものと思われる。
Next, the operation mechanism of the polar gas detector according to the present invention will be described. The operation mechanism of the gas detection function of porous silicon is not necessarily clear, but the present inventors infer as follows. The effective surface area of porous silicon is very large ((200 m 2 / cm 3 ), and the surface is made of Si—O, Si
It is said that -H, Si-F bonds exist. When a polar gas is supplied to such a surface, dipoles of gas molecules are adsorbed by weak electrostatic attraction. In this case, it is considered that the OH group and the hydrogen bond of the polar molecule play an important role in the adsorption.

【0032】そして、このような有極性分子の吸着は、
結晶表面のポテンシャルに変化をもたらし、このポテン
シャルの変化は、多孔質ー結晶界面に電荷を誘導し、こ
の電荷の誘導により、第1および第2実施例の場合に
は、n型半導体層間ないしはp型半導体層間に電流が流
れるものと考えられる。この場合、n−p−n3極構造
(第1実施例)およびp−n−p3極構造(第2実施
例)の両者において、電流の増加が観測され、その特性
は、通常のMOSFETと異なり、電圧の上昇に伴って
電流は、単調に増加し、飽和特性を示さなかった。
The adsorption of the polar molecule is as follows.
This causes a change in the potential of the crystal surface, and this change in the potential induces a charge at the porous-crystal interface, and in the case of the first and second embodiments, the charge induces a charge at the porous-crystal interface. It is considered that a current flows between the mold semiconductor layers. In this case, an increase in current is observed in both the pnp3 pole structure (first embodiment) and the pnp3 pole structure (second embodiment), and the characteristics are different from those of a normal MOSFET. As the voltage increased, the current increased monotonously, and did not show a saturation characteristic.

【0033】電流増加のメカニズムとしては、まず、吸
着分子が多孔質ー結晶界面に電荷を誘導し、一対のn型
ないしはp型半導体層間に反転層を形成し、それによっ
て流れる電流が考えられる。また、逆バイアスされた一
方のpnないしはnp接合部の側面から誘導電荷による
漏れ電流が流れ込むことも考えられる。本発明にかかる
ガス検出器では、後者の漏れ電流が電流増加に大きく寄
与しているものと考えられる。すなわち、図13に示し
た第3実施例においては、図14に示すように、逆バイ
アスしたpn接合部の電流ー電圧特性では、印加電圧が
2V前後で電流が流れ始め、その後に単調に増加してい
ることからみると、3極構造のガス検出器の電流増加
は、誘導電荷による漏れ電流に基づくものと推測され
る。
As a mechanism of the current increase, first, the adsorbed molecules induce electric charges at the porous-crystal interface to form an inversion layer between a pair of n-type or p-type semiconductor layers, and the current flowing therewith is considered. It is also conceivable that leakage current due to induced charge flows from the side surface of one of the reverse-biased pn or np junctions. In the gas detector according to the present invention, it is considered that the latter leakage current greatly contributes to the current increase. That is, in the third embodiment shown in FIG. 13, as shown in FIG. 14, according to the current-voltage characteristics of the reverse-biased pn junction, the current starts to flow when the applied voltage is around 2 V, and then increases monotonously. From this fact, it is assumed that the increase in the current of the gas detector having the three-electrode structure is based on the leakage current due to the induced charge.

【0034】なお、上記第1および第2実施例では、n
−p−n3極構造およびp−n−p3極構造をそれぞれ
1個設けたものを例示したが、本発明の実施はこれに限
定されることはなく、複数個を並列接続してもよい。ま
た、第3および第4実施例においても、pn接合に代え
てnp接合にすることも可能である。
In the first and second embodiments, n
Although an example in which one pn3 pole structure and one pnp3 pole structure are provided has been illustrated, the present invention is not limited to this, and a plurality of pnp3 pole structures may be connected in parallel. Also, in the third and fourth embodiments, it is also possible to use an np junction instead of a pn junction.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上、実施例で詳細に説明したように、
本発明にかかる有極性ガス検出器によれば、数ボルト程
度の低い印加電圧で、μAないしはmA単位の大きな電
流変化が得られ、実用的なものとなっている。また、本
発明のガス検出器では、広く採用されている既存の半導
体製造技術を用いて、簡単に製造することができるとい
う優位性もある。
As described above in detail in the embodiments,
According to the polar gas detector of the present invention, a large current change of μA or mA can be obtained at a low applied voltage of about several volts, which is practical. Further, the gas detector of the present invention has an advantage that it can be easily manufactured by using an existing semiconductor manufacturing technology widely used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明にかかる有極性ガス検出器の第1実施例
を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a polar gas detector according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の上面図である。FIG. 2 is a top view of FIG.

【図3】図1に示したガス検出器の製造方法の一例を工
程順に示した断面説明図である。
FIG. 3 is an explanatory sectional view showing an example of a method for manufacturing the gas detector shown in FIG. 1 in the order of steps;

【図4】図3の製造工程で多孔質シリコン層を形成する
際の陽極化成処理の説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view of an anodizing treatment when forming a porous silicon layer in the manufacturing process of FIG. 3;

【図5】図1に示した第1実施例のガス検出器の大気中
における電流ー電圧特性図である。
FIG. 5 is a current-voltage characteristic diagram of the gas detector of the first embodiment shown in FIG. 1 in the atmosphere.

【図6】図1に示した第1実施例のガス検出器のエタノ
ール飽和蒸気中における電流ー電圧特性図である。
6 is a current-voltage characteristic diagram of the gas detector of the first embodiment shown in FIG. 1 in saturated ethanol vapor.

【図7】図1に示した第1実施例のガス検出器のアセト
ン飽和蒸気中における電流ー電圧特性図である。
FIG. 7 is a current-voltage characteristic diagram of the gas detector of the first embodiment shown in FIG. 1 in acetone-saturated steam.

【図8】図1に示した第1実施例のガス検出器のメタノ
ール飽和蒸気中における電流ー電圧特性図である。
FIG. 8 is a current-voltage characteristic diagram of the gas detector of the first embodiment shown in FIG. 1 in methanol-saturated steam.

【図9】図1に示した第1実施例のガス検出器のトリク
レン飽和蒸気中における電流ー電圧特性図である。
FIG. 9 is a current-voltage characteristic diagram of the gas detector of the first embodiment shown in FIG. 1 in trichlene-saturated steam.

【図10】図1に示した第1実施例のガス検出器のシン
ナ飽和蒸気中における電流ー電圧特性図である。
FIG. 10 is a current-voltage characteristic diagram in thinner saturated steam of the gas detector of the first embodiment shown in FIG.

【図11】図1に示した第1実施例のガス検出器の多孔
質シリコン層の厚みを代えた場合のエタノール飽和蒸気
中における電流ー電圧特性図である。
11 is a current-voltage characteristic diagram in ethanol-saturated steam when the thickness of the porous silicon layer of the gas detector of the first embodiment shown in FIG. 1 is changed.

【図12】本発明にかかる有極性ガス検出器の第2実施
例を示す断面図である。
FIG. 12 is a sectional view showing a second embodiment of the polar gas detector according to the present invention.

【図13】本発明にかかる有極性ガス検出器の第3実施
例を示す断面図である。
FIG. 13 is a sectional view showing a third embodiment of the polar gas detector according to the present invention.

【図14】図13に示したガス検出器の電流ー電圧特性
を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing current-voltage characteristics of the gas detector shown in FIG.

【図15】本発明にかかる有極性ガス検出器の第4実施
例を示す断面図である。
FIG. 15 is a sectional view showing a polar gas detector according to a fourth embodiment of the present invention.

【図16】図15に示したガス検出器の電流ー電圧特性
を示す図である。
16 is a diagram showing current-voltage characteristics of the gas detector shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 p型シリコン基板 2 n型半導体層 3 多孔質シリコン層 4 電極層 5 n型シリコン基板 6 p型半導体層 Reference Signs List 1 p-type silicon substrate 2 n-type semiconductor layer 3 porous silicon layer 4 electrode layer 5 n-type silicon substrate 6 p-type semiconductor layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡辺 一仁 東京都葛飾区新宿1−17−14 (56)参考文献 特開 昭61−218932(JP,A) 特開 平2−10146(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Kazuhito Watanabe 1-17-14 Shinjuku, Katsushika-ku, Tokyo (56) References JP-A-61-218932 (JP, A) JP-A-2-10146 (JP, A)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 n型またはp型シリコン基板と、このシ
リコン基板に形成されたp型またはn型半導体層と、前
記シリコン基板と前記半導体層との間にそれぞれ接触す
るように形成された多孔質シリコン層とを有することを
特徴とする有極性ガス検出器。
1. An n-type or p-type silicon substrate, a p-type or n-type semiconductor layer formed on the silicon substrate, and a porous layer formed so as to be in contact with the silicon substrate and the semiconductor layer, respectively. A polar gas detector characterized by having a porous silicon layer.
【請求項2】 前記半導体層は、前記シリコン基板に複
数個が隔成された状態で形成され、複数の前記半導体層
を並列接続したことを特徴とする請求項1記載の有極性
ガス検出器。
2. The polar gas detector according to claim 1, wherein a plurality of the semiconductor layers are formed on the silicon substrate so as to be separated from each other, and a plurality of the semiconductor layers are connected in parallel. .
【請求項3】 前記半導体層は、前記シリコン基板に少
なくとも一対が所定の間隔をおいて形成され、前記シリ
コン基板と前記一対の半導体層とで3極構造とすること
を特徴とする請求項1記載の有極性ガス検出器。
3. The semiconductor layer according to claim 1, wherein at least one pair of the semiconductor layers is formed on the silicon substrate at a predetermined interval, and the silicon substrate and the pair of semiconductor layers have a three-pole structure. A polar gas detector as described.
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