JP6251738B2 - 半導体ガスセンサ - Google Patents
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Description
ΔVg=ΔVgmax×√(C/C0)/(1+√(C/C0))
・・・式(1)
と表すことができる。ここで、ΔVgmaxはセンサ応答強度ΔVgの最大値、Cはガスセンサ近傍の水素ガス濃度、C0はガスセンサの水素吸着サイトの半分を埋める時の水素濃度である(例えばT. Usagawa 他、IEEE Sensors Journal、12(2012)2243-2248参照)。従って、センサ応答強度ΔVgを測定することにより、水素ガス濃度を検知することができる。
・・・式(2)
and Actuators、B160(2011)105-114参照)。これらの実験によれば、MOSトランジスタの平面構造(ゲート長やゲート幅)にはセンサ応答強度ΔVgは殆ど依存しないことが分かっており、本実施例では、ゲート構造とは、MOSトランジスタのゲート領域断面で、半導体界面までの構造を意味する。
相補型金属−酸化膜−半導体)型であることを特徴とする。
Vtn=Vtn0−Kn(T−T0)・・・式(3)
Vtp=Vtp0+Kp(T−T0)・・・式(4)
と表される。Vtn0およびVtp0は、基準温度T0の時のしきい値電圧であり、基準温度近傍でのKnおよびKpは、
Kn≒Kp=2〜3mV/℃・・・式(5)
である。KnおよびKpの具体的な値は、半導体材料であるSi、SiC、GaC(炭化ガリウム)、またはダイヤモンド(炭素)に依存するが、しきい値電圧Vtn,Vtpの温度特性およびKn≒Kpの関係は維持される。
Ids=βn(Vin−Vtn)2/2・・・式(6)
βn=Wg(n)μnCOx(n)/Lg(n)・・・式(7)
と表わされる。
Ids=βp(Vin−Vdd−Vtp)2/2・・・式(8)
βp=Wg(p)μpCOx(p)/Lg(p)・・・式(9)
と表される。
Vtc=[Vdd+√(βR)Vtn+Vtp]/(1+√(βR))
・・・式(10)
と表わされる。absは絶対値信号であり、
βR=βn/βp・・・式(11)
である。ゲート長Lg(n),Lg(p)、ゲート幅Wg(n),Wg(p)、および単位面積当たりのゲート容量COx(n),COx(p)は設計パラメータであり、nチャネル実効電子移動度μnおよびpチャネル実効正孔移動度をμpが測定できれば、論理反転特性のしきい値入力電位Vtcを設計することができる。
この時、図6に示すように、センサ応答強度ΔVgに対する出力電位Voutは、入力電位VinをΔVgとするCMOSインバータ(前述の図4参照)の動作と類似の関数型になる。
ΔVthN=ΔVg(n)+ΔVth(n)・・・式(13)
ΔVthP=ΔVg(p)−ΔVth(p)・・・式(14)
と表される。センサ応答強度ΔVgはΔVg(n)=ΔVg(p)であり、また、ΔVth(n)≒ΔVth(p)である。
触媒ゲート電極を有するCMOSインバータを導入し、CMOSインバータの入力設定ゲート電位Vin(D)をΔVgth=Vtc−Vin(D)を満足するようにする。ここで、ΔVgthは警報または警告を出したい所望のガス濃度に対応するセンサ応答しきい値強度、VtcはCMOSインバータのしきい値入力電圧である。警報または警告を出したい所望のしきい値濃度が複数ある場合には、それぞれのガス濃度に対応したセンサ応答しきい値強度ΔVgthを複数用意して、それぞれのCMOSインバータにおいて、ΔVgth=Vtc−Vin(D)を満足するように入力設定ゲート電位Vin(D)を設計する。
触媒ゲート電極を有するCMOSインバータを導入し、CMOSインバータの入力設定ゲート電位Vin(D)をΔVgth=Vtc−Vin(D)を満足するようにする。ここで、ΔVgthは警報または警告を出したい所望のガス濃度に対応するセンサ応答しきい値強度、VtcはCMOSインバータのしきい値入力電圧である。そして、所望のセンサ応答しきい値強度ΔVgthに応じて、入力設定ゲート電位Vin(D)を可変にできるようにする。
CMOSインバータのしきい値入力電圧VtcをβR=βn/βp=1にし、所望の基準動作温度で、nMOSトランジスタのしきい値電圧Vtn0とpMOSトランジスタのしきい値電圧Vtp0とがVtn0=−Vtp0となるようにする。また、後述する実施例3で説明する様に、同じ触媒ゲート構造を有するnMOSトランジスタとpMOSトランジスタにおいて、それぞれのセンサ応答強度の和をとり、その1/2をセンサ信号とする。
Ids=βp(Vin+ΔVg(p)−Vdd−Vtp)2/2
・・・式(16)
式(15)と式(16)のソース−ドレイン間電流Idsが等しいとおくと、式(10)の論理反転特性のしきい値入力電位Vtcを用いて、
ΔVgeff=Vtc−Vin・・・式(17)
が求まる。ただし、ΔVgeffは次式で定義される触媒ゲートCMOS型ガスセンサの実効的な水素応答強度である。
(1+√(βR))・・・式(18)
ΔVgeffは、βR=1なら、ΔVg(n)とΔVg(p)の平均値ΔVgavになる。
ΔVg(n)とΔVg(p)の差分ΔVgdifを次式で定義する。
ΔVgeffは、一般には(βR≠1の時も含めて)、平均値ΔVgavと差分ΔVgdifを用いて、次式で表わすこともできる。
(1+√(βR))・・・式(21)
同一水素ガス濃度をnMOSトランジスタとpMOSトランジスタに照射した時、それぞれが互いに異なるセンサ応答強度ΔVg(n)とセンサ応答強度ΔVg(p)を持つ場合を考える。この場合、nMOSトランジスタのセンサ応答しきい値強度ΔVgth(n)とpMOSトランジスタのセンサ応答しきい値強度ΔVgth(p)が異なるので、センサ応答しきい値強度ΔVgthは、式(18)を用いて、新たなセンサ応答しきい値強度ΔVgeffthを次式で定義する。
(1+√(βR))・・・式(22)
この場合、CMOSインバータの入力設定ゲート電位Vin(D)は、式(12)の代わりに、
Vin(D)=Vtc−ΔVgeffth・・・式(23)
を用いる。これにより、nMOSトランジスタとpMOSトランジスタのセンサ応答強度ΔVgが互いに異なる値を持つ場合でも、センサ応答しきい値強度ΔVgthをΔVgeffth(式(22))で読み替えることにより、本発明を実現することができる。そのため、実施例1では、nMOSトランジスタのセンサ応答強度ΔVg(n)とpMOSトランジスタのセンサ応答強度ΔVg(p)が同じ場合についてのみ説明した。
ΔV=ΔφsCS・CE/[CS・CE+CM(CS+CE)] ・・・式(24)
の関係があり、ガス吸着に対してゲート電位の変化量ΔVを観測することができる。
+0.5]・・・式(25)
2 Ti改質膜
2a TiOxナノ結晶
2b アモルファスTi膜
3 Pt結晶粒
4 ゲート絶縁膜
5 シリコン基板
6 水素原子励起双極子
7 TiOxナノ構造体
7a 結晶粒界間隙
8 吸着極性分子の分極
9 キャリア反転層
19 開口部
20 ゲート電極
21 ソース電極
22 ドレイン電極
23 窒化シリコン膜
24 PSG(リンドープガラス)
25 ゲート絶縁膜
26 絶縁膜
27d ドレイン領域
27s ソース領域
28 局所酸化膜
29,30 制御電極
31 ソース電極
40 局所酸化膜
41 pコンタクト層
42d ドレイン領域
42s ソース領域
43 シリコン基板
44 nウェル
45 nコンタクト層
46 コンタクト孔
47 n型チャネル領域
48 p型チャネル領域
49 コンタクト孔
50,51反転加算増幅回路
52 加算回路部
53 nMOSトランジスタ
54 pMOSトランジスタ
56 出力
70 ゲート電極
71 ソース電極
72 ドレイン電極
73 PSG(リンドープガラス)
74 窒化シリコン膜
75 ゲート絶縁膜
76 絶縁膜
77d ドレイン領域
77s ソース領域
78 局所酸化膜
79,80 制御電極
81 pコンタクト層
82d ドレイン領域
82s ソース領域
83 半導体層
84 pウェル
85 nコンタクト層
86 コンタクト孔
87 半導体層
88 半導体層
89 コンタクト孔
90 局所酸化膜
98 SiCチャネル層
99 開口部
NTr nMOSトランジスタ
PTr pMOSトランジスタ
SGR ステップ型ガス応答
Claims (10)
- 触媒作用を有する第1ゲートを備えるnチャネル型電界効果トランジスタと、触媒作用を有する第2ゲートを備えるpチャネル型電界効果トランジスタと、から構成されるCMOSインバータを有し、
前記CMOSインバータによるガス濃度の検知動作時に前記第1ゲートおよび前記第2ゲートに印加される入力設定ゲート電位は、前記ガス濃度が所望のガス濃度に達すると前記CMOSインバータの出力が反転するように、前記CMOSインバータのしきい値入力電位と、前記nチャネル型電界効果トランジスタにおいて、前記所望のガス濃度に対応するしきい値電圧のシフト量の絶対値を示す第1センサ応答強度と、前記pチャネル型電界効果トランジスタにおいて、前記所望のガス濃度に対応するしきい値電圧のシフト量の絶対値を示す第2センサ応答強度と、に基づいて設定される、半導体ガスセンサ。 - 請求項1記載の半導体ガスセンサにおいて、
前記ガスは、水素ガス、水素化合物ガス、または極性分子ガスである、半導体ガスセンサ。 - 請求項1記載の半導体ガスセンサにおいて、
前記nチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電圧がVtn、
前記pチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電圧がVtp、
前記CMOSインバータのしきい値入力電位がVtcであり、
前記第1センサ応答強度がΔVgth(n)および前記第2センサ応答強度がΔVgth(p)である場合、
前記nチャネル型電界効果トランジスタの特性係数をβn、
前記pチャネル型電界効果トランジスタの特性係数をβp、
としたとき、
Vtn=−Vtp>0
βR=βn/βp
であり、
前記CMOSインバータの入力設定ゲート電位であるVin(D)は、
ΔVgeffth=[√(βR)ΔVgth(n)+ΔVgth(p)]/(1+√(βR))と定義されたΔVgeffthを用いて、
Vin(D)=Vtc−ΔVgeffth
に設定される、半導体ガスセンサ。 - 請求項1記載の半導体ガスセンサにおいて、
前記CMOSインバータのしきい値入力電位がVtcであり、
前記第1センサ応答強度および前記第2センサ応答強度がΔVgthである場合、
前記CMOSインバータの入力設定ゲート電位であるVin(D)は、
Vin(D)=Vtc−ΔVgth
に設定される、半導体ガスセンサ。 - 請求項1記載の半導体ガスセンサにおいて、
前記CMOSインバータのしきい値入力電位がVtcであり、
前記所望のガス濃度には、第1ガス濃度と、前記第1ガス濃度とは異なる第2ガス濃度とがあり、
前記第1ガス濃度に対応する前記nチャネル型電界効果トランジスタの前記第1センサ応答強度および前記pチャネル型電界効果トランジスタの前記第2センサ応答強度がそれぞれΔVgth1であり、
前記第2ガス濃度に対応する前記nチャネル型電界効果トランジスタの前記第1センサ応答強度および前記pチャネル型電界効果トランジスタの前記第2センサ応答強度がそれぞれΔVgth2である場合、
前記第1ガス濃度を検知するときには、
前記CMOSインバータの第1入力設定ゲート電位であるVin(D)1は、
Vin(D)1=Vtc−ΔVgth1
に設定され、
前記第2ガス濃度を検知するときには、
前記CMOSインバータの第2入力設定ゲート電位であるVin(D)2は、
Vin(D)2=Vtc−ΔVgth2
に設定される、半導体ガスセンサ。 - 請求項1記載の半導体ガスセンサにおいて、
前記所望のガス濃度には、N個のガス濃度があり、
前記N個のガス濃度に対応する前記nチャネル型電界効果トランジスタの前記第1センサ応答強度および前記pチャネル型電界効果トランジスタの前記第2センサ応答強度が、N個の条件に応じて、それぞれΔVgth(N)である場合、
前記CMOSインバータのしきい値入力電位がVtc(I)、前記第1センサ応答強度および前記第2センサ応答強度がΔVgth(I)である、第I番目のガス濃度を検知するときには、
前記CMOSインバータの前記第I番目の入力設定ゲート電位であるVin(D)Iは、
Vin(D)I=Vtc(I)−ΔVgth(I)
に設定され、
同一基板上に形成されたN個の前記CMOSインバータから構成される、半導体ガスセンサ。 - 請求項1記載の半導体ガスセンサにおいて、
前記CMOSインバータの低電位側の電位をVss、
前記CMOSインバータの高電位側の電位をVdd、
前記nチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電位をVtn、
前記pチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電位をVtp、
前記CMOSインバータのしきい値入力電位をVtc、
としたとき、
Vtn>0、
Vtp<0、
Vdd+Vtp>Vtc>Vtn
の関係を有する、半導体ガスセンサ。 - 請求項1記載の半導体ガスセンサにおいて、
前記nチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電位をVtn、
前記pチャネル型電界効果トランジスタのしきい値電位をVtp、
前記CMOSインバータのしきい値入力電位をVtc、
前記nチャネル型電界効果トランジスタの特性係数をβn、
前記pチャネル型電界効果トランジスタの特性係数をβp、
としたとき、
Vtn=−Vtp>0、
βn/βp=1
の関係を有する、半導体ガスセンサ。 - 請求項1記載の半導体ガスセンサにおいて、
前記nチャネル型電界効果トランジスタおよび前記pチャネル型電界効果トランジスタが配置された領域に近接してヒータ領域が配置されている、半導体ガスセンサ。 - 請求項1記載の半導体ガスセンサにおいて、
前記第1ゲートおよび前記第2ゲートのそれぞれは、酸素を含有する酸素ドープチタン膜とチタン微結晶とが混合したチタン改質膜と、前記チタン改質膜上に形成されたプラチナ膜と、から構成され、前記プラチナ膜は、複数の結晶粒から構成され、前記複数の結晶粒の間にある粒界領域には酸素とチタンが存在する、半導体ガスセンサ。
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