JP3313696B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents
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Description
トとして使用し、ダイヤモンドの水素終端表面をチャネ
ルとした電界効果トランジスタに関するものである。
されたアンドープ水素終端ダイヤモンド薄膜において
は、単結晶、多結晶に関わらず、その表面にp型伝導層
ができることが知られている。これまでに、本願発明者
等は、この表面導電層を利用してゲート部分に金属、絶
縁物を堆積させない電界効果トランジスタ(FET)を
作製し、その電解質水溶液中での動作を確認してきた
〔北谷謙一他 第46回応用物理学関係連合講演会講演
予稿集、30a−P7−22(1999)pp.62
8〕。
電解質界面では電気二重層が形成されていると考えられ
ている〔細見剛他 第13回ダイヤモンドシンポジュー
ム講演要旨集、115(1999)、pp.36〕。
ン感受性FET(ISFET:Ion Sensiti
ve Field Effect Transisto
r)をトランスデューサとし、酵素を分子認識物質とし
て用いたISFETバイオセンサの開発に取り組み、か
かるISFETバイオセンサを、臨床検査、工業計測、
環境計測用マイクロセンサとして、将来には体内埋め込
みセンサとして方向付けをしている。
子を選択しても、ISFET自体が外界からの侵入物質
により安定動作せず、そのためISFETバイオセンサ
は、実用上の問題を有しているのが現状である。その原
因は、SiMOSFETで最もデリケートな酸化膜/S
i界面でのイオンの存在や界面準位の発生による閾値電
圧の大幅な変動にある。センサでは表面の外界への露出
は避けられない。つまり、保護膜を使用してもイオンセ
ンサやバイオセンサでは酸化膜/Si界面への異種分
子、イオンの侵入がLSIよりも桁違いに多い。その意
味で、ISFETバイオセンサの発展には、化学的に強
い半導体表面の創製が不可欠である。
(水素終端表面)は真空中700℃、大気中300℃ま
で安定で、液体中でも化学的に不活性で、室温周辺では
強酸あるいは強アルカリによる構造変化はない。しか
も、この水素終端構造によるダイヤモンド表面近傍にp
型伝導層が形成される。
せて、液体電解質をゲートとしたFETの開発を行っ
た。
をゲートとし、液体電解質の中で安定して動作する電界
効果トランジスタを提供することを目的とする。
成するために、 〔1〕ソース電極とドレイン電極間にダイヤモンドの水
素終端表面が露出したpチャネルと、このpチャネルの
露出したダイヤモンドの水素終端表面に接触する液体電
解質からなるゲートとを備える電界効果トランジスタで
あって、ドレイン電流はゲート電圧により制御され、ピ
ンチオフすることを特徴とする。
ヤモンドの水素終端表面が露出したpチャネルと、この
pチャネルの露出したダイヤモンドの水素終端表面に接
触する液体電解質からなるゲートとを備える電界効果ト
ランジスタであって、前記pチャネルはノーマリーオフ
型であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
ヤモンドの水素終端表面が露出したpチャネルと、この
チャネルの露出したダイヤモンドの水素終端表面に接触
する液体電解質からなるゲートとを備える電界効果トラ
ンジスタであって、閾値電圧が前記液体電解質のpHに
略依存しない特性を有することを特徴とする。
て詳細に説明する。
質ゲートダイヤモンドFET(pチャネルFET)の断
面図、図2はその平面図である。
結晶ダイヤモンド、2はチャネル(多結晶ダイヤモンド
終端表面:p型表面伝導層)、3はソース電極(Au電
極)、4はゲート(液体電解質:例えばKOH水溶
液)、5はゲート電極、6はドレイン電極(Au電
極)、7は保護膜、8は液槽(絶縁体)である。
れ、完全にピンチオフできる。閾値電圧は、液体電解質
のpH1−14の変化に対し、±0.2V範囲内であ
り、ネルンスト応答せず、pH依存性がほとんどないと
いえる。FETの動作電圧範囲は、ダイヤモンドを電気
化学的電極とした場合の電位窓の範囲に対応するダイヤ
モンドの単結晶又は多結晶であり、表面は水素原子によ
り被覆されている。
の製造方法を説明する。
質ゲートダイヤモンドFETの製造工程図であり、図3
〔A〕はその上面工程図、図3〔B〕はその断面工程図
である。
フォトリソグラフィであける。金属にはダイヤモンド薄
膜とオーミック接触を形成する金を使用し、これがパッ
ドとなり、ソース・ドレイン電極になる。因みに、ゲー
ト長は1mmとした。
しながら詳細に述べる。
終端表面)11の全面にAu13を蒸着し、全面にフォ
トレジストAZを塗布する。塗布条件はスピナーを15
00rpm回転で5秒、5000rpm回転で15秒と
した。次に、試料の中央部分にAu13が残るようにマ
スクをし、光露光し現像する。ここで、試料11表面に
はp型表面伝導層12が形成される。そして、レジスト
で保護された部分以外のAu13をヨウ化カリウムでエ
ッチングし、剥がす。その後、レジストを落とし、露出
したダイヤモンド水素終端面に、中電流イオン装置でA
rイオン14を注入し、p型表面伝導層12を破壊して
素子分離領域15を形成する。これは外周から電流が漏
れないようにするためである。なお、ドーズ量は2×1
013/cm2 である〔図3〔A〕及び図3〔B〕の
(a)参照〕。
し、ゲート部分のAu13が露出するようにマスク16
をし、光露光して現像する〔図3〔A〕及び図3〔B〕
の(b)参照〕。
ウ化カリウムでエッチング除去した〔図3〔A〕及び図
3〔B〕の(c)参照〕後、マスク16を落とす。ここ
で、ソース電極13Aとドレイン電極13Bが形成され
る。
配線17を施し、防水処理を施すためにエポキシ樹脂
(保護層)18を塗布する〔図3〔A〕及び図3〔B〕
の(d)参照〕。
アルカリ水溶液である液体電解質19で満たし、ゲート
電極20を形成する。なお、18Aは絶縁体からなる液
槽である。
質ゲートダイヤモンドFETの製造工程図であり、図4
〔A〕はその上面工程図、図4〔B〕はその断面工程図
である。
ストを2回塗布するという煩雑さがあり時間がかかるの
で、これを簡便にするために、この第2実施例の製造工
程では、金属マスクを作製し、ゲート部分をエッチング
する必要が無いようにした。金属マスクにはモリブデン
板を利用し、はじめからソース・ドレイン部分だけが形
成できるようにした。それに伴い、ゲート長1mmから
0.5mmに縮めるようにした。
しながら詳細に述べる。
用して、試料(多結晶ダイヤモンド終端表面)21上に
ソース電極23Aとドレイン電極23BからなるAuを
蒸着する〔図4〔A〕及び図4〔B〕の(a)参照〕。
22はp型表面伝導層である。
(OEBR2000)を塗布する〔図4〔A〕及び図4
〔B〕の(b)参照〕。
rイオン25でゲート部分、および金属部分以外のp型
表面伝導層22を破壊して素子分離領域26を形成す
る。なお、ドーズ量は2×1013/cm2 である〔図4
〔A〕及び図4〔B〕の(c)参照〕。
をプレパラートに接着し配線27を施し、防水処理を施
すためにエポキシ樹脂(保護層)28を塗布する〔図4
〔A〕及び図4〔B〕の(d)参照〕。
アルカリ水溶液である液体電解質29で満たし、ゲート
電極30を形成する〔図4〔A〕及び図4〔B〕の
(e)参照〕。なお、28Aは絶縁体からなる液槽であ
る。
工程の大幅な単純化を図り、半分の時間でFETを製造
することができた。
造された液体電解質ゲートダイヤモンドFETの静特性
図である。
ルカリ水溶液(KOH水溶液)で満たし、ダイヤモンド
FETを動作させて、図5〜図7に示すような静特性を
得た。
H水溶液pH9、図7はKOH水溶液pH8のそれぞれ
の場合の測定結果を示す図である。
よるドレイン電流の制御が行われており、確かにFET
動作していることが確認できる。そして、このFETが
ノーマリーオフモードで動作しており、ゲートバイアス
の絶対値が小さい領域では、ドレイン電流値は微小で、
ゲートバイアスの絶対値の増加と、ドレイン電流の絶対
値の増加が逆転しているところが見受けられる。この領
域では、FETがオフモードになっていると考えられ
る。また、静特性がピンチオフしていることが確認でき
る。
ス及びソース−ドレイン間の電圧を変化させたところ完
全にピンチオフし、飽和が明瞭な静特性が得られた。ま
た、閾値電圧はKOH、pH8で−0.2V前後で一定
で、ノーマリーオフ型であることが確認できた。
ンドFETの閾値電圧の測定と液体電解質のpH依存性
について見ることにする。
−Ids特性とその対数表示を示す図、図9はpH8K
OH水溶液におけるVg−Ids特性とその対数表示を
示す図であり、図8においては閾値電圧が−0.12
V、図9においては閾値電圧が−0.16Vであり、こ
れはダイヤモンドFETとしては非常に低い値である。
また、様々な試料、pHで同様の測定を行い、閾値電圧
を算出したところ、図10のような特性が得られた。な
お、図10においては、各試料(NIS03、NIS0
4、NIS05)における閾値電圧とpHの関係を示し
ている。
性より、FETのオン−オフ状態の電流比は4桁弱であ
ることがわかった。これは使用した多結晶ダイヤモンド
が凹凸があり、成長後の平坦化を行っていない状態であ
ることを考えると、非常に高い値である。
晶ダイヤモンドが低消費電力型FETとして応用できる
ことを示している。
に安定であり、電位窓の広い電気化学的電極として、二
次電池やバイオセンサの一部として注目されている。
安定に動作し、pH依存性がないチャネル上でのイオン
選択性官能基の表面修飾により、より高感度なバイオセ
ンサが期待できる。
を示しているが、これに限定するものではなく、これ以
外に、しゅう酸塩(pH1.68)、フタル酸塩(pH
4)、中性りん酸塩(pH7)、ほう酸塩(pH9.1
8)、炭酸塩(pH10.01)の各標準液でFET特
性を観測している。
示しているが、必ずしもFET各素子毎に必要になるも
のではない。図3や図4の(d)工程で得られる素子の
複数個に共通に液体電解質を満たすようにし、適当な位
置に共通ゲート電極を配置するようにしてもよい。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
よれば、以下のような効果を奏することができる。
質の中で安定に動作し、pH依存性がないチャネル上で
のイオン選択性官能基の表面修飾により、より高感度な
液体電解質ゲートダイヤモンドFETを得ることができ
る。
とを利用して、イオン官能FET測定回路における基準
電位を決定する参照用FETとして利用することができ
る。
モンドFET(pチャネルFET)の断面図である。
モンドFET(pチャネルFET)の平面図である。
イヤモンドFETの製造工程図である。
イヤモンドFETの製造工程図である。
質(KOH水溶液pH11)ゲートダイヤモンドFET
の静特性図である。
質(KOH水溶液pH9)ゲートダイヤモンドFETの
静特性図である。
質(KOH水溶液pH8)ゲートダイヤモンドFETの
静特性図である。
のpH11KOH水溶液におけるFETVg−Ids特
性とその対数表示を示す図である。
のpH8KOH水溶液におけるFETVg−Ids特性
とその対数表示を示す図である。
Tの各試料における閾値電圧とpHの関係を示す図であ
る。
面伝導層) 3,13A,23A ソース電極(Au電極) 4 ゲート(液体電解質:例えばKOH水溶液) 5,20,30 ゲート電極 6,13B,23B ドレイン電極(Au電極) 7 保護膜 8,18A,28A 液槽(絶縁体) 11,21 成膜した試料(多結晶ダイヤモンド終端
表面) 12,22 p型表面伝導層 13 Au 14,25 Arイオン 15,26 素子分離領域 16 マスク 17,27 配線 18,28 エポキシ樹脂(保護層) 19,29 液体電解質 24 レジスト
Claims (3)
- 【請求項1】 ソース電極とドレイン電極間にダイヤモ
ンドの水素終端表面が露出したpチャネルと、該pチャ
ネルの露出したダイヤモンドの水素終端表面に接触する
液体電解質からなるゲートとを備える電界効果トランジ
スタであって、ドレイン電流はゲート電圧により制御さ
れ、ピンチオフすることを特徴とする電界効果トランジ
スタ。 - 【請求項2】 ソース電極とドレイン電極間にダイヤモ
ンドの水素終端表面が露出したpチャネルと、該pチャ
ネルの露出したダイヤモンドの水素終端表面に接触する
液体電解質からなるゲートとを備える電界効果トランジ
スタであって、前記pチャネルはノーマリーオフ型であ
ることを特徴とする電界効果トランジスタ。 - 【請求項3】 ソース電極とドレイン電極間にダイヤモ
ンドの水素終端表面が露出したpチャネルと、該pチャ
ネルの露出したダイヤモンドの水素終端表面に接触する
液体電解質からなるゲートとを備える電界効果トランジ
スタであって、閾値電圧が前記液体電解質のpHにネル
ンスト応答しない特性を有することを特徴とする電界効
果トランジスタ。
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