JP6408863B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサおよびガスセンサの製造方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００９−３００２９７号公報（特許文献１）および国際特許公開ＷＯ １１／０５５６０５号（特許文献２）がある。

特開２００９−３００２９７号公報（特許文献１）には、「ゲート構造において、Ｐｔ微結晶間の結晶粒界に酸素をドープした非晶質のＴｉ、Ｐｔ−Ｔｉ拡散層からなるＰｔ−Ｔｉ−Ｏ領域を形成した構造のＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）型水素ガスセンサ」が記載されている。

また、国際特許公開ＷＯ １１／０５５６０５号（特許文献２）には、ＳＯＩ基板のＳｉ基板をくり貫いたＭＥＭＳ領域に、センサ用ＦＥＴを形成し、センサ用ＦＥＴのＰｔ−Ｔｉ−Ｏゲートとソース電極との間およびＰｔ−Ｔｉ-Ｏゲートとドレイン電極との間にそれぞれヒータ配線を折り曲げて配置したＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）型水素ガスセンサが記載されている。

特開２００９−３００２９７号公報 国際特許公開ＷＯ １１／０５５６０５号

近年、ガスセンサを用いた水素ガス濃度の測定は、放射線環境下においても行われている。しかし、放射線の影響により水素ガス濃度の正確な測定ができず、放射線の影響を補正した正確な水素ガス濃度の測定が望まれている。また、水素ガス濃度の測定と併せて、２〜５ＭＧｙ程度の高い放射線積算線量の測定も望まれているが、水素ガス雰囲気中において、簡便な手法により放射線積算線量を測定することが難しい。

上記課題を解決するために、本発明によるガスセンサは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧との差分とその時間変化を求め、上記差分の初期値、上記差分の時間経過、および上記差分の時間変化の微分信号から、水素ガスに由来するしきい値電圧の差分と、放射線に由来するしきい値電圧の差分とを分離することにより、水素ガス濃度を測定する。

また、本発明によるガスセンサは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ、または同種のゲート構造を持つＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ（Ｓ値測定用参照型ＦＥＴ）において測定したサブスレッショルド領域のＳ値を、放射線積算線量（Ｇ）とＳ値との関係式（１＋（Ｇ／Ｇ０）^η＝Ａ×μ０×Ｓ）に代入することにより、放射線を照射した後の放射線積算線量（Ｇ）を求める。

本発明によれば、放射線の影響を補正して、水素ガス濃度を正確に測定できるガスセンサを提供することができる。

また、本発明によれば、水素ガス濃度の測定と併せて、簡便に２〜５ＭＧｙ程度の高い放射線積算線量を求めることのできるガスセンサを提供することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート領域のエネルギーバンド図である。 集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの放射線効果を概念的に説明するＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。 （ａ）は、種々のＰｔ／Ｔｉ膜厚を有する試料の室温および１１５℃におけるｎチャネル実効電子移動度（μ）を示すグラフ図である。（ｂ）は、室温でのｎチャネル実効電子移動度（μ）と１１５℃でのｎチャネル実効電子移動度（μ）との比（μ（１１５℃）／μ（室温））を示すグラフ図である。 試料の一例である水素センサチップの写真である。 Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサに対して、放射光Ｘ線（３９ＭＧｙ）の照射前後におけるＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。 Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサに対して、γ線（^６０Ｃｏ；１．３３／１．１７ＭｅＶ）の照射前後におけるＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。 Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの温度特性を示すグラフ図である。縦軸は、ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）であり、横軸は、ゲート電圧（Ｖｇ）である。 ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴ（＃２４（ｎ））およびｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴ（＃２Ｃ（ｐ）、＃２４Ｃ（ｐ））に対するソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）を３種類（１μＡ、１０μＡ、１００μＡ）で固定して、水素応答強度（ΔＶｇ）を測定した実験結果を示すグラフ図である。 数１０ＭＧｙの放射光Ｘ線（フォトンエネルギー１０ｋｅＶ）の照射前後におけるセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの室温でのＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフ図である。縦軸は、ソース・ドレイン電流の平方根（√Ｉｄｓ）であり、横軸は、ゲート電圧（Ｖｇ）である。 数１０ＭＧｙの放射光Ｘ線（フォトンエネルギー１０ｋｅＶ）の照射前後におけるセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの室温でのＩ−Ｖ特性の他の例を示すグラフ図である。縦軸は、ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）であり、横軸は、ゲート電圧（Ｖｇ）である。 センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート電極近傍の断面概略図である。 センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート電極の断面模式図である。 センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート領域のエネルギーバンド図である。 格納容器内での水素ガスの相対濃度および格納容器内での放射線積算線量の過酷事故発生時からの経時変化の典型的パターンを示すグラフ図である。パターン（Ｓ）およびパターン（Ｄ）はそれぞれＢＷＲ方式原発のサプレションチャンバおよびドライウェルを模擬している。さらに、放射線積算線量が２ＭＧｙの場合と５ＭＧｙの場合の２つのケースを示す。放射線積算線量を示す縦軸は、２ＭＧｙの場合は７日間程度で２ＭＧｙが０．１に、５ＭＧｙの場合は３日間で５ＭＧｙが０．４５に対応する。 γ線（^６０Ｃｏ；１．３３／１．１７ＭｅＶ）または放射光Ｘ線（フォトンエネルギー１１５ｋｅＶ，１０ｋｅＶ）を照射した後の移動度（μ）と初期値（μ０）との比（μ／μ０）と、フォトンドーズ量との関係を示すグラフ図である。 各種Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの移動度（１０００／μ）とＳ値との関係を示すグラフ図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、同一の基板上の互いに異なる領域に形成された水素ガスセンサを構成するＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴを示した断面図である。 Ｓ値測定用参照型ＦＥＴをセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴと同一基板に形成した平面図である。 水素ガス応答特性を抽出し、水素ガス濃度を求める手法の一例を説明する概念図である。 ２ＭＧｙ（７日程度）の放射線積算線量下の環境における格納容器内での水素ガスの相対濃度および格納容器内での放射線積算線量の過酷事故発生時からの経時変化を示すグラフ図である。 ２ＭＧｙ（７日程度）の放射線積算線量下の環境で、過酷事故時を模擬した格納容器内で水素ガス照射および放射線照射が発生した場合のセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧との差分（ΔＶｔｈ）の初期値（ΔＶｔｈ０）、上記差分（ΔＶｔｈ）の時間経過、および上記差分（ΔＶｔｈ）の経過時間に対する時間微分を示すグラフ図である。 （ａ）は、水素ガス応答特性を抽出し、放射線積算線量を求める手法の一例を説明する概念図である。（ｂ）は、Ｓ値を測定して放射線積算線量（Ｇ）を推定する手法を説明する概念図である。 （ａ）は、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのソース・ドレイン電圧（Ｖｄｓ）を一定にして測定した、ゲート電圧（Ｖｇ）とソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）のＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。（ｂ）は、Ｓ値測定用参照型ＦＥＴのソース・ドレイン電圧（Ｖｄｓ）を一定にして測定した、ゲート電圧（Ｖｇ）とソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）のＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。 同一の基板上の互いに異なる領域に形成された水素ガスセンサを構成するＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴを示した断面図である。 ５ＭＧｙ（３日）の放射線積算線量下の環境における格納容器内での水素ガスの相対濃度および格納容器内での放射線積算線量の過酷事故発生時からの経時変化を示すグラフ図である。 ５ＭＧｙ（３日）の放射線積算線量下の環境で、過酷事故時を模擬した格納容器内で水素ガス照射および放射線照射が発生した場合のセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧との差分（ΔＶｔｈ）の初期値（ΔＶｔｈ０）、上記差分（ΔＶｔｈ）の時間経過、および上記差分（ΔＶｔｈ）の経過時間に対する時間微分を示すグラフ図である。

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、以下の実施の形態において、Ｓｉ_３Ｎ_４と記載しているときは、シリコンの窒化物で類似組成の絶縁膜を含み、また、ＳｉＯ_２と記載しているときは、シリコンの酸化物で類似組成の絶縁膜を含むものとする。

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、本実施の形態によるガスセンサを用いた水素ガス濃度および放射線積算線量の測定方法がより明確になると思われるため、これまでに検討されたＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサおよび集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴに及ぼす放射線の影響などについて詳細に説明する。

なお、本実施の形態では、サブスレッショルド領域でのソース・ドレイン電流がゲート電圧に対する指数関数の傾きを表すため、ソース・ドレイン電流が１桁増加するゲート電圧の増加分をｍＶの単位で表した値をサブスレッショルド領域のＳ値と定義する。

＜Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサ＞
近年、原子炉の高度な安全性技術として、過酷事故時に発生が予測される格納容器内での水素ガス濃度の監視または原発建屋内の水素ガス漏れに伴う水素ガス爆発の防止、あるいは宇宙ビジネスでの複数回使用する宇宙船を運ぶロケットの水素燃料爆発の監視等を目的に水素ガスセンサへのニーズが高まっている。これらの環境での大きな課題は、高い放射線積算線量下（大略２〜５ＭＧｙ：Ｇｙ（グレイ）は放射線線量を測る単位。人体への影響を見積もる時に使うＳｙ（シーベルト）単位と多くの場合ほぼ同一である。）で放射線の影響を補正しつつ、水素ガスセンサを動作させて正しい水素ガス濃度を計測することである。特に、原子炉の場合、過酷環境は３日または１〜２週間程度であり、過酷環境はその後徐々に弱まっていくという特徴がある。ロケットの場合でも、１回当たりのセンシングに必要な時間は１時間にも満たない。

一方、水素ガスセンサとしては、ＭＯＳ（金属−酸化物−半導体）構造の金属に触媒金属としてＰｔ−Ｔｉ−Ｏ構造を用いるＰｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサ（例えば特許文献１参照）がある。ここで、ＭＩＳとは金属−絶縁物−半導体の略号で、ＭＯＳの上位概念である。

その原理は、以下の通りである。すなわち、触媒金属であるＰｔの表面で水素分子がその触媒作用により解離され、触媒ゲート金属とゲート絶縁物との界面に水素原子（または陽子）が拡散により移動する。そして、双極子モーメントを持つ形で陽子と電子との対が分極（陽子の重心と電子の重心とが分離する状態）して、触媒ゲート金属とゲート絶縁物との界面近傍に形成され、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）がシフトする。この現象を利用して水素ガス濃度が検出される。

現在では、水素ガスの場合、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量の絶対値をΔＶｇと表すと、触媒ゲート金属の表面における水素分子の解離吸着を反映して、Langmuir解離吸着の考え方から、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量の絶対値（ΔＶｇ）は、
ΔＶｇ＝ΔＶｇ_ｍａｘ・√（Ｃ／Ｃ_０）／（１＋√（Ｃ／Ｃ_０）） 式（１）
と表される。ここで、ΔＶｇ_ｍａｘはしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量の絶対値（ΔＶｇ）の最大値、Ｃは水素ガスセンサ近傍の水素ガス濃度、Ｃ_０は水素ガスセンサの水素吸着サイトの半分を埋める時の水素ガス濃度である（例えばT. Usagawa et al., IEEE Sensors Journal 12(2012)2243-2248 参照）。以下、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量の絶対値（ΔＶｇ）をセンサ強度と呼ぶ場合もある。

水素ガスのセンシングの原理で重要なのは、環境に水素ガスが存在した場合に、水素ガス濃度に応じたセンサ強度（ΔＶｇ）がゲート電圧（Ｖｇ）に付加的に加わり、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサのＩ−Ｖ特性が実効的に（Ｖｇ＋ΔＶｇ）のゲート電圧が印加したのと同じＩ−Ｖ特性になることである。つまり、ゲート電圧（Ｖｇ）軸の中でセンサ強度（ΔＶｇ）だけ負の側にシフトするだけで、Ｉ−Ｖ特性の関数形自身は変化しないことが特徴である。なお、特に断らなければ、ソース・ドレイン電圧を一定にした場合、ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）のゲート電圧（Ｖｇ）依存性をＩ−Ｖ特性と呼ぶ。

＜Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサと集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴとの違い＞
集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの放射線環境下でのＩ−Ｖ特性の評価は、１９５０年代から始まり、現在でもマイコン等は１００Ｇｙ程度、撮像デバイスは１０,０００Ｇｙ程度が使用限界であると考えられている。その理由は、多数のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴを所望のしきい値電圧（Ｖｔｈ）および飽和電流（Ｉｄｓｓ）を設計値の範囲内で動作させる必要があるためである。すなわち、放射線積算線量が増加するにつれて、しきい値電圧（Ｖｔｈ）がシフトし、放射線被爆の特長が確率現象であるため、しきい値電圧（Ｖｔｈ）の設計値からのバラツキが必然的に大きくなる。そして、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のバラツキがしきい値電圧（Ｖｔｈ）の設計値の範囲を逸脱すると、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴは集積回路として動かなくなる。これまでにも集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴに及ぼす放射線の効果については多くの蓄積された知識があり、集積回路またはイメージセンサに対する放射線対策はなされてきた。

このような集積回路またはイメージセンサでは、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのチャネル層から上のゲート絶縁膜、ゲート電極、およびゲート保護膜等は、１枚のウェーハ上において同じ条件で形成されており、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのチャネル層およびゲート絶縁膜中に形成される欠陥は、少なくとも同一チップ内の１つのＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの周辺にあるＳｉ−ＭＩＳＦＥＴでは、殆ど同じと考えられる。その典型的な証拠としては、例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等が数メガビット〜数ギガビットの集積度であるにもかかわらず信頼性良く動くのは、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）の同一チップ内のバラツキが大略１０ｍＶ以内であるからである。

しかし、水素ガスセンサへの適用を考えた場合、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート電極は触媒ゲート金属であり、外気に接触している必要があり、集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの様に、ゲート電極を保護するゲート保護膜がない。このようにゲート電極が外気に対してむき出しの構造で使用するＳｉ−ＭＩＳＦＥＴに及ぼす放射線の影響に関する知見は皆無であった。さらに、２〜５ＭＧｙ程度の高い放射線積算線量下での、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴに及ぼす放射線の影響は、ほぼ未踏の領域であった。そのため、高い放射線積算線量下でのＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型水素ガスセンサの適用は全く考えられていなかった。なお、本願においてＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと記述した場合にはｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴを念頭に説明するが、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴにおいても、通例の置き換えで理解することができる。

質量のある電子線、陽子線、およびアルファ線等の粒子線は、適当な遮蔽等で除去できるので、粒子線による固体中の原子を弾き飛ばしてダメージを与える結晶欠陥生成に伴う効果は本願では対象としない。本願で対象とする放射線は、質量のないγ線またはＸ線であり、放射線と記述している場合、断りのない限り本願ではγ線と大略１０ｋｅＶ以上のエネルギーのＸ線をさしている。その理由は、１０ｋｅＶより低いエネルギーの放射線は、比較的容易に遮蔽構造で除去できるからである。特に、１０ｋｅＶ領域の低いエネルギーの放射線とγ線（^６０Ｃｏ；１．３３／１．１７ＭｅＶ）とでは、物質に対する照射効果（物質が受け取る吸収エネルギーまたは損傷量）がほぼ同じであるので、本実施の形態では、γ線（^６０Ｃｏ；１．３３／１．１７ＭｅＶ）、並びに１０ｋｅＶおよび１１５ｋｅＶのエネルギーのＸ線を用いた場合について明示する。

集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴへのこれまでのγ線の影響の研究の殆どは、放射線積算線量としては１０ｋＧｙ程度までの評価がほとんどであり、ごく少数例として、〜１００ｋＧｙでの評価がある。また、集積回路の高集積化に伴い、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴが急激に縮小されてきたため、ゲート長が１０〜５０μｍ程度のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴへの放射線影響の評価は意外に少ない。また、ゲート絶縁膜の厚さは１００〜５００ｎｍと厚かった。例えば１９７８年当時の集積回路の放射線劣化が、例えばB. L. Buchanan et al., IEEE Trans. ED-25, No. 8(1978)959-970 において議論されているが、放射線積算線量は１００ｋＧｙ（１０^７ｒａｄ）程度、ゲート絶縁膜の厚さは５０〜２００ｎｍ程度、ドレイン電圧は１０〜１５Ｖ程度が想定されており、当時のリソグラフィーのレベルでは大略数μｍ程度のゲート長である。

放射線によるしきい値電圧（Ｖｔｈ）の劣化、すなわち、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト（ΔＶｔｈ）は、ゲート絶縁膜の厚さ（ｄ）の１．５〜２．０乗（ｄ^{１．５〜２．０}）に比例することが知られており、
ΔＶｔｈ∝ｄ^{１．５〜２．０} 式（２）
ゲート絶縁膜の厚さ（ｄ）が厚い場合、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト（ΔＶｔｈ）は非常に大きくなる。

しかし、水素ガスセンサに使用するゲート絶縁膜の厚さ（ｄ）は３〜７２ｎｍ程度であり、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト（ΔＶｔｈ）は小さい。また、集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの場合、集積回路への放射線の影響が主たる関心事であったので、多くの放射線実験の対象はゲート長が２〜３μｍ以下のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴであり、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの寸法が非常に小さくなった時に、放射線照射による特有な劣化が見え始める。

＜集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴへ及ぼすγ線照射による影響＞
これまでに集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴで得られた知見、特にｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴに及ぼすγ線照射による影響を表１にまとめる。

しきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト（ΔＶｔｈ）は、ゲート絶縁膜の膜さ（ｄ）の１．５〜２．０乗に比例するので、本実施の形態において典型的なゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２）の厚さ（ｄ）である１８ｎｍでは、１６ｋＧｙ程度の放射線積算線量ではしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト（ΔＶｔｈ）は見られず、１６０ｋＧｙ程度の放射線積算線量からしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト（ΔＶｔｈ）が見え始める。

表１に示す移動度とは、ホール効果から求めた集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのキャリア移動度ではなく、所謂飽和領域のＩ−Ｖ特性に現れる実効移動度である。具体的には、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴの飽和領域のＩ−Ｖ特性は、
Ｉｄｓ＝β（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）^２／２ 式（３）
β＝μＣｏｘＷｇ／Ｌｇ 式（４）
で表される。ここで、Ｉｄｓはソース・ドレイン電流、Ｖｇｓはソース・ゲート電圧、Ｖｔｈはしきい値電圧、μはｎチャネル実効電子移動度、Ｃｏｘは単位面積当たりのゲート容量、Ｗｇはゲート幅、Ｌｇはゲート長である。このｎチャネル実効電子移動度（μ）が表１に示す移動度である。

Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサでは、ゲート長（Ｌｇ）は１０〜５０μｍ、ゲート絶縁膜の厚さ（ｄ）は５〜５０ｎｍであり、Ｉ−Ｖ特性はgradual近似でよく記述できることから、反転層が形成される（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ＝１．５Ｖ）での移動度を標準として採用している。

放射線を照射する前の室温における移動度の初期値（μ０）は、例えば３２９ｃｍ^２／Ｖｓであり、水素ガスセンサの標準動作温度である１１５℃における移動度の初期値（μ０）は、例えば２３０ｃｍ^２／Ｖｓである。なお、移動度の初期値（μ０）は、集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの作製条件および動作温度により変わることは周知である。

＜集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴに対する放射線照射の影響（トータルドーズ効果）＞
次に、これまでに理解されていた、集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴに対する放射線照射の影響（トータルドーズ効果）について、図１を用いて説明する。図１は、集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート領域のエネルギーバンド図である。

集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴでは、例えばＳｉからなる半導体基板３上に、ＳｉＯ_２からなるゲート絶縁膜４を介して多結晶Ｓｉからなるゲート電極８０が形成されており、ゲート電極８０上に、ゲート保護膜として絶縁膜８１が形成されている。図１には、このＭＩＳ構造に放射線が照射されたときに、エネルギー（ｈν）の放射線６０がゲート絶縁膜４に入射した場合に起こる現象をまとめている。放射線６０のエネルギー（ｈν）がゲート絶縁膜４中で電子・正孔対６１を発生させ、ＭＩＳ構造の電気的性質に影響を与える。ＭＩＳ構造では、その製造過程において、ゲート絶縁膜４中に固有欠陥６が発生し、ゲート絶縁膜４と半導体基板３との界面に界面準位７が発生している。但し、固有欠陥６は、そのままでは中性であり、しきい値電圧（Ｖｔｈ）に影響を与えない。以下の説明では、固有欠陥密度をＮｏｔ、界面準位密度をＮｉｔと記載する。

集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴでは、チャネル層から上のゲート絶縁膜４、ゲート電極８０、ゲート保護膜等は１枚のウェーハ上において同じ条件で形成されており、チャネル層およびゲート絶縁膜４中に形成される欠陥（固有欠陥６および界面準位７）は、少なくとも同一チップ内の１つのＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの周辺にあるＳｉ−ＭＩＳＦＥＴでは、殆ど同じと考えられる。現在では、集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの場合、半導体プロセス技術の向上により欠陥密度は減少している。

放射線６０をＭＩＳ構造に照射すると、ゲート絶縁膜４中に入射した放射線６０は、電子・正孔対６１を発生させ、電子は早急に逸出する。しかし、ゲート絶縁膜４中での正孔移動度は電子移動度に比べて５桁程度小さく、ホッピング伝導により正孔移動が起こり、ゲート絶縁膜４と半導体基板３との界面付近のゲート絶縁膜４中に正孔は捕獲されて、プラスにチャージアップする。このチャージアップにより集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴでは、しきい値電圧（Ｖｔｈ）はマイナス側にシフトする（つまり電流が流れやすくなる）。ゲート絶縁膜４中での放射線６０に由来した正孔トラップとして働く固有欠陥６の固有欠陥密度（Ｎｏｔ）の増加分をδＮｏｔと記載する。すなわち、固有欠陥密度（Ｎｏｔ）の増加分（δＮｏｔ）は、放射線６０に由来したゲート絶縁膜４中でのプラスチャージ増加分（チャージアップ分）である。但し、放射線６０が固有欠陥密度（Ｎｏｔ）を増加させる訳ではないと理解されている。

さらに、ゲート絶縁膜４中にあるＳｉ原子と結合している水素が放射線６０により乖離して、ゲート絶縁膜４と半導体基板３との界面に移動し、半導体基板３の表面の弱い結合を切断して未結合のＳｉを作り、界面準位７を増加させる。界面準位７自身は、固有欠陥６と異なり、ゲート電圧を高くしていくとマイナスにチャージアップし、集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴでは、しきい値電圧（Ｖｔｈ）はプラス側にシフトする。放射線６０に由来した界面準位７の界面準位密度（Ｎｉｔ）の増加分をδＮｉｔと記載する。固有欠陥密度（Ｎｏｔ）のチャージアップ分（δＮｏｔ）および界面準位密度（Ｎｉｔ）の増加分（δＮｉｔ）は、放射線積算線量の増加とともに増加することから、トータルドーズ効果と呼ばれている。

＜集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの放射線照射前後でのＩ−Ｖ特性の変化＞
次に、これまでに理解されていた、集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの放射線照射前後でのＩ−Ｖ特性の変化について、図２を用いて説明する。図２は、集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの放射線効果を概念的に説明するＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。図中（ａ）は、放射線照射前のＩ−Ｖ特性、図中（ｂ）は、放射線照射後のゲート絶縁膜中に正孔トラップ準位（正孔トラップとして働く固有欠陥；チャージアップ分）が形成された場合のＩ−Ｖ特性、図中（ｃ）は、放射線照射後のゲート絶縁膜と半導体基板との界面に界面準位が形成された場合のＩ−Ｖ特性を概念的に示したものである。現実には、図中（ｂ）に示した正孔トラップ準位と図中（ｃ）に示した界面準位とは、同時に起きると考えてよい。

正孔トラップ準位が形成された場合は、ゲート絶縁膜がプラスにチャージアップするだけなので、しきい値電圧（Ｖｔｈ）の変化としては、Ｉ−Ｖ特性がマイナス側にシフトするだけである。一方、界面準位が形成された場合は、ゲート電圧（Ｖｇ）が高くなるに従い、ゲート絶縁膜と半導体基板との界面のシリコンバンドが曲がり、徐々に界面準位に負のチャージが見えるようになり、Ｉ−Ｖ特性はプラス側にゲート電圧（Ｖｇ）に応じてシフトする。そのため、サブスレッショルド領域でのＩ−Ｖ特性の立ち上がりは傾き、しきい値電圧（Ｖｔｈ）はプラス方向にずれてしまう。

サブスレッショルド領域でのＩ−Ｖ特性は、一般的に指数関数Ｅｘｐ（ｑＶｇ／ｋＴ）からのズレを表すｎ値を用いて、式（５）で記述することができる。

Ｉｄｓ∝Ｅｘｐ（ｑＶｇ／ｎｋＴ） 式（５）
ここで、Ｖｇはゲート電圧、Ｔは絶対温度、ｋはボルツマン定数、ｑは単位電荷である。

ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）はゲート電圧（Ｖｇ）に対する指数関数の傾きを表すため、ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）が１桁増加するゲート電圧（Ｖｇ）の増加分（ΔＶｇ）をｍＶの単位で表してＳ因子と呼ぶ。すなわち、Ｓ因子は式（６）で定義するΔＶｇ（ｍＶ）である。

Ｅｘｐ（ｑΔＶｇ（ｍＶ）／ｎｋＴ）＝１０ 式（６）
つまり、サブスレッショルド領域におけるＩ−Ｖ特性のソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）の立ち上がりを式（７）で定義するＳ値で評価することできる。

Ｓ＝ΔＶｇ（ｍＶ）＝（ｎｋＴＬｎ１０）／ｑ 式（７）
ここで、Ｌｎは自然対数である。

＜放射線線量の測定の必要性＞
原子炉の格納容器内や原発建屋内の放射線積算線量は、過酷事故時にも計測している。しかし、原子炉の格納容器内や原発建屋内は非常に体積が大きく、放射線源が局在しているため、放射線積算線量は、場所により大きく異なることが経験的に知られている。そのため、水素ガスセンサの設置場所において放射線積算線量（できれば放射線積算線量率）が大まかにでも測定できれば、放射線に関する有益な情報を得るとともに、水素ガス以外の要因に起因するしきい値電圧（Ｖｔｈ）の変動の補正が正しいか否かの判断材料を提供することができる。さらに、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサを構成するセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ、または同種のゲート構造を持つＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ（以下、Ｓ値測定用参照型ＦＥＴと呼ぶ）を用いて高い放射線積算線量が測定できれば、水素ガス濃度の測定と併せて放射線積算線量を測定することができる。

本実施の形態による水素ガスセンサでは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとのしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分を用いて水素ガス濃度を評価するので、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート構造は触媒ゲート電極上の積層膜（例えばゲート保護膜およびＳｉ_３Ｎ_４膜）を残していること以外には、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート構造と同じにする（加工バラツキやプロセスバラツキによる誤差は除く）。また、Ｓ値を計測するため、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴを用いて計測することもできるが、Ｓ値を測定する専用のＳ値測定用参照型ＦＥＴを水素センサチップ内に形成することが望ましく、放射線環境下でのＳ値を精度よく計測することができる。

原発事故時の２〜５ＭＧｙ程度の放射線を計測する以外に、例えば宇宙または資源探査などへの応用には、より低い０．１〜５ＭＧｙ程度の放射線を計測する場合、より高い５〜２５０ＭＧｙ程度の放射線を計測する場合がある。このような場合には、式（２）に示すように、放射線効果をゲート絶縁膜の厚さに敏感にするため、ゲート絶縁膜の厚さを最適範囲に変更することができる。具体例は後述する。

ところで、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサでは、開発初期時から、しきい値電圧（Ｖｔｈ）がドリフトする現象が問題点として指摘されていた（例えばS. Y. Choi et al., Sensors and Actuators, 9(1986)353-361 参照）。このしきい値電圧（Ｖｔｈ）のドリフトの問題は、今日でも未解決だと考えられており、議論がされる場合がある。開発初期のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサまたは今日でも実験室で作製されたＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサでは、半導体製造工程が十分に管理されていない環境下で作製された可能性が高く、しきい値電圧（Ｖｔｈ）のドリフト現象が実験室内での１,０００時間動作で４００ｍＶも発生することが報告されている。

このドリフト現象の解決手段としては、差動回路が有効であると考えられている。例えばガス応答しない参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴを用意して、ボルテージフォロワー回路（例えばS. Y. Choi et al., Sensors and Actuators, 9(1986)353-361 参照）を用いて回路出力とＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの出力ΔＶｇとの差分をとることで、水素ガスに由来したしきい値電圧（Ｖｔｈ）のドリフト以外をキャンセルする差動回路方式が提案されている。

本発明者らも、クリーンルームでゲート絶縁膜を形成した後、一般の実験室で触媒ゲート金属を形成したＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサでは、ゲート絶縁膜またはチャネル層にダメージが発生して電子トラップの原因になり、しきい値電圧（Ｖｔｈ）がドリフトする現象が見られることを経験している。このしきい値電圧（Ｖｔｈ）のドリフトは、図１に示す様に、ゲート電極８０の近傍に電子・正孔のトラップ準位が存在して、各種電流がこの準位に出入りすることにより発生していると推定される。

本実施例１では、放射線積算線量が２〜５ＭＧｙ程度でのセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴへの放射線の影響を調べる過程において、本発明者らによって新たに見出された幾つかの知見に基づいて得られた本発明の内容について、以下に詳細に説明する。

第１に、放射線積算線量の増加の時間経過が水素ガス濃度の時間変化に比べてゆっくり動き、単調増加である点を利用して、水素ガス以外の原因が引き起こすセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）の変化を差し引き、水素ガス濃度を正確に測定する方法を提供する。

第２に、Ｓ値測定用参照型ＦＥＴのサブスレッショルド領域のＳ値を測定することにより、それまでに浴びた放射線積算線量を求める方法を提供する。

１．水素ガス濃度の正確な検出方法
＜移動度に関する新たな知見＞
図３（ａ）に、式（４）に示す移動度（μ）の室温での値および１１５℃での値を種々のＰｔ／Ｔｉ膜厚を有する試料について評価した結果を示す。Ｐｔ／Ｔｉ膜厚は、Ｐｔ／Ｔｉ＝１５ｎｍ／３ｎｍ、１５ｎｍ／５ｎｍ、３０ｎｍ／５ｎｍ、４５ｎｍ／５ｎｍ、９０ｎｍ／５ｎｍ、９０ｎｍ／１５ｎｍおよび９０ｎｍ／４５ｎｍである。

Ｐｔ／Ｔｉ＝１５ｎｍ／５ｎｍの試料では、バラツキはあるものの室温での移動度（μ）は３２９ｃｍ^２／Ｖｓ程度、１１５℃での移動度（μ）は２３０ｃｍ^２／Ｖｓ程度である。しかし、Ｐｔ膜厚が４５ｎｍ、９０ｎｍと厚くなるに従い、移動度（μ）は３６％程度大きくなる。移動度（μ）は式（３）および式（４）において（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ＝１．５Ｖ）で測定しており、試料のＭＩＳ構造のバンドの曲がりは同じはずであり、チャネル層のドーピング仕様は同じであることから、この差異の理由は定かではない。

しかし、素子を作製する時に行うゲート電極の酸化工程またはゲート保護膜の除去工程において、Ｐｔ膜厚が薄い方が、ゲート絶縁膜と半導体基板との界面にダメージを与えやすくその差が出ていると考えられる。

しかし、図３（ｂ）に示すように、室温での移動度（μ）と１１５℃での移動度（μ）との比（μ（１１５℃）／μ（室温））を調べると、Ｐｔ膜厚およびＴｉ膜厚によらず、その比（μ（１１５℃）／μ（室温））は平均的に０．６９９程度となり、ほぼ一定となる。

μ（１１５℃）／μ（室温）＝０．６９９ 式（８）
移動度（μ）は、半導体物理の理論では、伝導キャリアの平均衝突時間（τ）、単位電荷（ｑ）、有効質量（ｍ^＊）を用いて、
μ＝ｑτ／ｍ^＊ 式（９）
と記述でき、１／τはキャリア間の衝突確率を与えている。キャリア間の衝突要因はいくつも存在するが、その要因ごとにキャリアの平均衝突時間（τｉ）があり、形式的には、１／τ＝Σ１／τｉ（各要因ごとに１／τｉの和をとる）で決定される。

最も短い平均衝突時間（τｉ）が実際の移動度（μ）を主として決めている。室温以上の温度領域では格子振動に起因する衝突が支配的であると予想される。半導体物理の理論によれば、格子振動に起因する移動度（μ_Ｌ）は、絶対温度（Ｔ）に対して−３／２乗に比例する。

μ_Ｌ∝Ｔ^−３／２ 式（１０）
つまり、
μ_Ｌ（１１５℃）／μ_Ｌ（室温）＝０．６７０ 式（１１）
となり、式（８）の実験結果と非常に良く一致する。すなわち、ゲート絶縁膜と半導体基板との界面の移動度（μ）は室温以上の高温では、格子振動に起因する移動度（μ_Ｌ）と同じ温度特性になることが分かった。実際の使用環境では、室温以上の温度領域で使用することが多いので、格子振動起因および放射線由来の界面準位が移動度を主として決めていることになる。

＜放射線照射による第１の実験結果＞
次に、本発明者らにより行われた放射線照射による第１の実験結果を、図４〜図８を用いて以下に説明する。

図４は、実験に用いた試料の一例である水素センサチップの写真である。ゲート長がＬｇ＝１０〜５０μｍ、ゲート幅がＷｇ＝１５０μｍ、３００μｍのセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとを用いている。チップ内は左右対称にセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとが配置されており、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの中心から半径３００μｍの円領域に入射したフォトン数を計測し、放射線カウンターからの計測結果と比較することにより、フォトンドーズ量と放射線積算線量（単位Ｇｙ）との換算関係を求めることができる。

図５は、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサ（例えば特許文献１参照）に対して、放射光Ｘ線の照射前後におけるＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。縦軸は、ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）であり、横軸は、ゲート電圧（Ｖｇ）であり、ソース・ドレイン電圧（Ｖｄｓ）は１．５Ｖである。放射線積算線量は３９ＭＧｙ（ＳＲ（synchrotron radiation）−Ｘ線：フォトンエネルギー１０ｋｅＶ、フォトンドーズ量２×１０^１６／ｃｍ^２、半径３００μｍの円領域換算（図４参照））であり、放射光Ｘ線は室温で照射した。

まず、Ｓｉ-ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの原理を、照射前Ｉ−Ｖ特性を用いて簡単に説明する。

ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）が急激に立ち上がるサブスレッショルド領域でのＩｄｓ＝１０μＡを一定にして、水素ガスが暴露されると、このＩｄｓ＝１０μＡを保つようにゲート電圧（Ｖｇ）がマイナス側にシフトする。このシフト量の絶対値をΔＶｇと記載し、水素応答強度の目安としてきた。図５において特に注目すべきは、大量の放射線を浴びた前後で、ゲート電圧（Ｖｇ）が負の領域のソース・ドレイン電流（以後、リーク電流と呼ぶ）の値が数ｎＡであり、変化していないことである。

図６は、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサ（例えば特許文献１参照）に対して、γ線（^６０Ｃｏ；１．３３／１．１７ＭｅＶ）の照射前後におけるＩ−Ｖ特性を示すグラフ図である。放射線積算線量は１．７８５ＭＧｙである。

この場合も、照射前のＳ値（ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）が１桁高くなるゲート電圧（Ｖｇ）を測った時の値：式（７）参照）はＳ＝１１６．２、照射後のＳ値はＳ＝１６４．８であり、Ｓ値は変化しているが、ソース・ドレイン間のリーク電流の値に変化はみられない。初期値のＳ値（Ｓ＝１１６．２）が非常に大きいのは、ゲート電極の酸素アニール処理の影響である可能性が高い。

Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの場合、ゲート長（Ｌｇ）およびゲート幅（Ｗｇ）は非常に大きく、素子間分離も基本的にはｐｎ接合分離である。このため、ソース・ドレイン間のリーク電流は、ゲート電圧（Ｖｇ）が負の領域では、ソース（ｎ^＋型）→ｐ型に蓄積した正孔２次元層（ゲート絶縁膜直下）→ドレイン（ｎ^＋型）につながる電流経路で、放射線によるキャリアキラーセンタの形成が、正孔２次元層の厚さが薄いため小さく、また、ソース（ｎ^＋型）およびドレイン（ｎ^＋型）と、ｐ型ウェルとが逆バイアスになっているので、リーク電流は元々小さい。

Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサは、例えば図５に示したように、３９ＭＧｙの高い放射線積算線量を照射してもリーク電流はほぼ変わらず、サブスレッショルド領域でのソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）曲線の傾きであるＳ値が非常に大きく変化する。照射前のＳ値はＳ＝１０８．５、照射後のＳ値はＳ＝４６７．５である。高い放射線積算線量を照射して、Ｉ−Ｖ特性の関数形は大きく変化しても、リーク電流が殆ど増加しないので、水素ガス照射において、水素ガス濃度を知ることができる可能性が残されている。

図７は、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの温度特性を示すグラフ図である。縦軸は、ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）であり、横軸は、ゲート電圧（Ｖｇ）である。

２００℃を超えたあたりから急速にリーク電流が増えて、２７０℃以上では、水素ガスに対して応答が難しくなる（リーク電流が邪魔して、測定精度が急激に落ちる）。これは、Ｓｉのバンドギャップが１．１ｅＶ程度であるための制限である。

一方、図５に示した３９ＭＧｙの高い放射線積算線量を照射しても、リーク電流にほとんど影響がないことは驚くべき実験事実であり、上記電流経路に殆ど放射線によるキャリアキラーセンタの形成がないことになる。ここで、放射線積算線量に依存したリーク電流が発生すれば、図７に示す温度特性のように、水素ガスセンサとして動作できる放射線積算線量の上限が決まることになる。現状、高い放射線積算線量の照射において、リーク電流が急増する放射線積算線量を決める物理は見出されていないが、少なくとも今回問題にする２〜５ＭＧｙのレベルでは、問題ないことが分かる。

一方、図８は、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴ（＃２４（ｎ））およびｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴ（＃２Ｃ（ｐ）、＃２４Ｃ（ｐ））に対するソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）を３種類（１μＡ、１０μＡ、１００μＡ）で固定して、水素応答強度（ΔＶｇ）を測定した実験結果を示すグラフ図である。

水素応答強度（ΔＶｇ）はソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）に依存せず、動作温度が変わらなければ、水素ガス照射でｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴおよびｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴともにＩ−Ｖ特性の関数形は変わらないことを示している。つまり、水素ガス照射に対して、単純にＩ−Ｖ特性が負側にシフトするだけである（例えばT. Usagawa et al., IEEE Sensors Journal 12(2012)2243-2248 参照）。

＜放射線照射による第２の実験結果＞
次に、本発明者らにより行われた放射線照射による第２の実験結果を、図９〜図１３を用いて以下に説明する。

図９は、数１０ＭＧｙの放射光Ｘ線（フォトンエネルギー１０ｋｅＶ）の照射前後におけるセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの室温でのＩ−Ｖ特性の一例を示すグラフ図である。縦軸は、ソース・ドレイン電流の平方根（√Ｉｄｓ）であり、横軸は、ゲート電圧（Ｖｇ）である。図中、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴをＳ−ＦＥＴ、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴをＲｅｆ−ＦＥＴと記している。

この特性から得られた、移動度（μ）、しきい値電圧（Ｖｔｈ）、およびＳ値の解析結果を表２にまとめる。但し、移動度（μ）は室温での参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの移動度である３２９（ｃｍ^２／Ｖｓ）を基準として、その相対値を記載している。

図１０は、数１０ＭＧｙの放射光Ｘ線（フォトンエネルギー１０ｋｅＶ）の照射前後におけるセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの室温でのＩ−Ｖ特性の他の例を示すグラフ図である。縦軸は、ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）であり、横軸は、ゲート電圧（Ｖｇ）である。図中、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴをＳ−ＦＥＴ、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴをＲｅｆ−ＦＥＴと記している。

図９、図１０および表２の実験データを中心に解析した結果について、以下にまとめる。

放射線照射前のセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのＩ−Ｖ特性から、放射線照射前にはセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）は参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）に比べて９４ｍＶ（表２参照）から一般には２００ｍＶ程度高い（後述の表３に示すＮｉｔ（damage）が増加）。一方、放射線照射後のセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのＩ−Ｖ特性から、放射線照射後にはセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）は参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）に比べて２６１ｍＶ（表２参照）から一般には５００ｍＶ程度低い（後述の表３に示すδＮｏｔ（damage）が増加）。

センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとの違いは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの場合には、ゲート電極を外気に晒す必要性があり、ゲート電極上のゲート保護膜、例えばＰＳＧ（Phosphorus Silicon Glass）膜とＳｉ_３Ｎ_４膜との積層膜を除去するプロセス（以下、ゲート孔開けプロセスと言う）があることのみである。このゲート孔開けプロセス以外のプロセスでは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとが同一チップ内に形成され、両者の距離が最大１ｍｍ程度である。このことを考えれば、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとのしきい値電圧（Ｖｔｈ）との違いは、ゲート絶縁膜の形成を由来とする、半導体基板近傍のゲート絶縁膜中の固有欠陥密度（Ｎｏｔ）またはゲート絶縁膜と半導体基板との界面における界面準位密度（Ｎｉｔ）の違いに起因するとは考えにくい。

次に、図１１、図１２および図１３を用いて、新たに見出した現象について説明する。図１１は、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート電極近傍の断面概略図、図１２は、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート電極の断面模式図、図１３は、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート領域のエネルギーバンド図である。

触媒ゲート金属は、外気に触れる必要があるので、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏ構造上に形成しているゲート保護膜、例えばＰＳＧ膜とＳｉ_３Ｎ_４膜との積層膜を除去する必要がある。そのため、図１１に示すように、典型的な構造では、Ｓｉ層５上にゲート絶縁膜４、Ｔｉ改質層（ＴｉＯｘナノ結晶と酸素ドープＴｉとの混合層）２、ゲート電極（Ｐｔ触媒層）２０があり、その上部にＰＳＧ膜２４およびＳｉ_３Ｎ_４膜２３からなるゲート保護膜が形成され、ゲート電極２０の主要部上のＰＳＧ膜２４およびＳｉ_３Ｎ_４膜２３は除去されている。ゲート電極２０の表面を露出させるためのＰＳＧ膜２４とＳｉ_３Ｎ_４膜２３との積層膜の除去はドライエッチングとウェットエッチングを用いて行われるが、このゲート孔開けプロセスにおいて、加工ダメージのため、ゲート絶縁膜４中に固有欠陥９および界面準位１０が形成される。以下の説明では、加工ダメージにより形成された固有欠陥密度をＮｏｔ（damage）、加工ダメージにより形成された界面準位密度をＮｉｔ（damage）と記載する。

この場合、放射線照射前には、固有欠陥９は中性であり、電荷は持たないが、界面準位１０はゲート電圧を高くしているマイナスにチャージアップする。固有欠陥密度（Ｎｏｔ（damage））および界面準位密度（Ｎｉｔ（damage））は、ゲート孔開けプロセスに起因して発生する増加分である。一方、ゲート孔開けプロセス後に、放射線に由来した正孔トラップとして働く固有欠陥の固有欠陥密度（Ｎｏｔ（damage））の増加分はチャージアップ分して、δＮｏｔ（damage）と記載し、放射線に由来した界面準位の界面準位密度（Ｎｉｔ（damage））の増加分をδＮｉｔ（damage）と記載する。固有欠陥密度（Ｎｏｔ）の増加分（δＮｏｔ，δＮｏｔ（damage））および界面準位密度（Ｎｉｔ）の増加分（δＮｉｔ、δＮｉｔ（damage））は、放射線積算線量の増加とともに増加することから、トータルドーズ効果と呼ばれている。

集積回路用のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴでは、放射線に由来した正孔トラップとして働く固有欠陥の固有欠陥密度の増加分（δＮｏｔ）および界面準位密度の増加分（δＮｉｔ）の影響は、ゲート絶縁膜中の固有欠陥密度（Ｎｏｔ）および界面準位密度（Ｎｉｔ）がほぼ同じ密度に形成できるので、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が一様にずれて、放射線効果が確率現象であるため、しきい値電圧（Ｖｔｈ）バラツキが大きくなるだけであった。

センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの固有欠陥密度（Ｎｏｔ）および界面準位密度（Ｎｉｔ）と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの固有欠陥密度（Ｎｏｔ）および界面準位密度（Ｎｉｔ）とをそれぞれほぼ同じ密度に形成できれば、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）との差分をとることにより、放射線効果もある程度相殺はできる。この方法は、例えばしきい値電圧（Ｖｔｈ）の温度変動をキャンセルする信号処理技術の手法として知られている。しかし、ゲート孔開けプロセスなどでセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの固有欠陥密度（Ｎｏｔ）および界面準位密度（Ｎｉｔ）と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの固有欠陥密度（Ｎｏｔ）および界面準位密度（Ｎｉｔ）とがそれぞれ異なると、相殺はできなくなる。これは、固有欠陥密度の増加分（δＮｏｔ）および界面準位密度の増加分（δＮｉｔ）が放射線積算線量とともに増加するので、初期値の差が、放射線積算線量の増加とともに増えて、２〜５ＭＧｙ程度の高い放射線積算線量の領域では問題になるからである。

さらに、半導体プロセスでは、ゲート絶縁膜内に放射線の影響を受けない固定チャージが僅かではあるが存在し、同一チップ内のセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとでは、厳密にはその数は異なる。

センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴに現れる放射線照射前後のそれぞれの固有欠陥密度および界面準位密度等のパラメータをを表３にまとめる。表３に示す（ｓ）はセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ、（ｒ）は参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴに関するパラメータである。

ここで、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴに関する差分量について、ゲート絶縁膜中の固有欠陥密度（Ｎｏｔ）を例にとって説明する。差分量は次式（１２）により定義される。

ΔＮｏｔ＝Ｎｏｔ（ｒ）−Ｎｏｔ（ｓ） 式（１２）
表３では、他の物理量の差分記号も同様に定義している。

センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ（s））と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ（ref））との差分を、
ΔＶｔｈ（ref−s）＝Ｖｔｈ（ref）−Ｖｔｈ（s） 式（１３）
と定義すると、図９では、放射線照射前のしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分はΔＶｔｈ（ref−s）before＝−９４ｍＶ、放射線照射後のしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分はΔＶｔｈ（ref−s）after＝２６１ｍＶとなる（表２参照）。

上記考察から放射線照射前のしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分（ΔＶｔｈ（ref−s）before）は、固有欠陥密度（Ｎｏｔ）および界面準位密度（Ｎｉｔ）と放射線に依存しないゲート絶縁膜中の固定電荷密度（Ｎｏ（ｓ），Ｎｏ（ｒ））とが同じであると仮定し、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの単位面積当たりのゲート容量をＣｏｘとすると、
ΔＶｔｈ（ref−s）before＝−ｑ［Ｎｉｔ（damage）］／Ｃｏｘ 式（１４）
となる。

また、同様に、放射線照射後のしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分（ΔＶｔｈ（ref−s）after）は、
ΔＶｔｈ（ref−s）after＝−ｑ［Ｎｉｔ（damage）＋δＮｉｔ（damage）
−δＮｏｔ（damage）］／Ｃｏｘ 式（１５）
となる。

但し、固有欠陥密度（Ｎｏｔ）および界面準位密度（Ｎｉｔ）と放射線積算線量に依存しないゲート絶縁膜中の固定電荷密度（Ｎｏ（ｓ），Ｎｏ（ｒ））とが異なる場合、式（１４）および式（１５）にはそれぞれΔＶｔｈ補正beforeの項とΔＶｔｈ補正afterの項が付加される。具体的には、
ΔＶｔｈ補正before＝ｑ［ΔＮｏ−ΔＮｉｔ］／Ｃｏｘ 式（１６）
ΔＶｔｈ補正after＝ｑ［ΔＮｏ−ΔＮｉｔ−ΔδＮｉｔ＋ΔδＮｏｔ］／Ｃｏｘ
式（１７）
となる。

式（１６）および式（１７）では、放射線照射に依存する項（ΔδＮｏｔ−ΔδＮｉｔ）と放射線照射に依存しない項（ΔＮｏ−ΔＮｉｔ）とに分けられる。放射線照射に依存する項（ΔδＮｏｔ−ΔδＮｉｔ）では、式（１５）のδＮｏｔ（damage）にΔδＮｏｔを繰り入れて、δＮｉｔ（damage）にΔδＮｉｔを繰り入れて解釈することで、式（１５）によって現象論的には代用することができる。一方、放射線照射に依存しない項（ΔＮｏ−ΔＮｉｔ）は、初期値として最後まで残る項である。つまり、式（１６）は、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとの差分を取っても初期値（ΔＶｔｈ０）の中に最後まで残る項である。

ΔＶｔｈ０＝ｑ［ΔＮｏ−ΔＮｉｔ−Ｎｉｔ（damage）］／Ｃｏｘ 式（１８）
そこで、放射線照射に依存しない項（ΔＮｏ−ΔＮｉｔ）は、半導体プロセス技術の進歩から、加工ダメージに由来するＮｉｔ（damage）に比べて小さいと考えられるので、加工ダメージで形成される界面準位密度（Ｎｉｔ（damage））を次式（１９）から、求めることができる。

Ｎｉｔ（damage）＝ａｂｓ［ΔＶｔｈ（ref−s）］Ｃｏｘ／ｑ 式（１９）
ここで、ａｂｓは絶対値をとる演算である。

そこで、ここでは、簡単のため、上記のように解釈して初期値をゼロと仮定し、表２の値から大凡の値を見積もる。具体的には、ゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２）の比誘電率を３．９、その厚さを１８ｎｍとすると、ｑ／Ｃｏｘの値は、８３．５ｍＶ×１０^−１１ｃｍ^２となり、放射線照射前のしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分（ΔＶｔｈ（ref−s）before）が−９４ｍＶ（表２参照）であることから、ダメージにより形成された界面準位密度（Ｎｉｔ（damage））は１．１３×１０^１１ｃｍ^-２と推定することができる。

同様に、放射線照射後のしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分（ΔＶｔｈ（ref−s）after）が２６１ｍＶ（表２参照）であることから、（δＮｉｔ（damage）−δＮｏｔ（damage））の値も式（１４）〜式（１９）から求めることができる。同様に求めると、３５５ｍＶ（＝２６１ｍＶ−（−９４ｍＶ））が［δＮｏｔ（damage）−δＮｉｔ（damage）］Ｃｏｘ／ｑになるので、（δＮｉｔ（damage）−δＮｏｔ（damage））は−４．２５×１０^１１ｃｍ^-２と推定することができる。この結果から、この試料では、界面準位密度の増加分（δＮｉｔ（damage））に比べて固有欠陥密度のチャージアップ分（δＮｏｔ（damage））が支配的と考えられる。ゲート保護膜の除去工程におけるエッチングダメージも、放射線照射に伴うダメージの増加分については、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの電子反転層のシート濃度、数因子×１０^１２ｃｍ^-２から考えても合理的な値になっている。

水素照射なしの場合の放射線照射前後のしきい値電圧の差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の変化は非常に示唆に富む。

第１は、しきい値電圧の差分（ΔＶｔｈ（ref−s））が負の値−９４ｍＶから正の値２６１ｍＶに変化しており、数１０ＭＧｙの放射線照射後は、放射線由来による固有欠陥密度のチャージアップ分（δＮｏｔ（damage））が界面準位密度の増加分（δＮｉｔ（damage））に比べてより多く増加した点である。これは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート孔開けプロセスなどで形成された固有欠陥密度（Ｎｏｔ）の方が界面準位密度（Ｎｉｔ）より非常に多く形成されたためと考えられる。

第２は、水素がないのに放射線効果でしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト（ΔＶｔｈ（ref−s））が正の方向に動き、あたかも水素が存在するかのような偽信号を与える可能性が出てくる点である。これは、固有欠陥密度のチャージアップ分（δＮｏｔ（damage））が界面準位密度の増加分（δＮｉｔ（damage））より大きいということは、水素ガスセンサの応答の方向（水素はしきい値電圧の差分（ΔＶｔｈ（ref−s））が正方向にシフトする）と同じように、しきい値電圧の差分（ΔＶｔｈ（ref−s））が正になるためである。

そのため、図９および図１０では、加工ダメージが比較的大きくでているが、この種のプロセス起因の加工ダメージに関しては、幾つかの改善により、加工ダメージ、すなわち、ダメージにより形成された固有欠陥密度（Ｎｏｔ（damage））および界面準位密度（Ｎｉｔ（damage））を減らすことが可能であり、さらに放射線効果を低減することができる。

Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの場合、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとの水素応答強度の測定では、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ）との差分をとる方法が一般的である（例えばS. Y. Choi et al., Sensors and Actuators, 9(1986)353-361 参照）。この方法は、しきい値電圧（Ｖｔｈ）の温度特性またはしきい値電圧（Ｖｔｈ）のドリフトを相殺する手法として用いられている。

この場合、しきい値電圧（Ｖｔｈ）の温度特性またはしきい値電圧（Ｖｔｈ）のドリフトの様に、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとでほぼ同じ場合（同位相）には、有効なセンサ信号の注出手法である。特に、同一チップ内にセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴを形成する場合には、特に有効である。

一方、放射線がＭＩＳ構造に入射した時に起きる事象は、確率事象であり、非常に近接した場所に設置したセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとであっても、放射線の影響にはバラツキが発生する。しかし、本発明者らは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとのしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分をとる手法を用いることにより、放射線の影響を、かなりの確度で取り除ける手法を見出したので、以下具体例を示しながら説明する。

＜放射線の影響を補正する手法＞
単調に増加するという放射線積算線量の特徴的な振る舞いを利用して、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ（ｓ））と参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖｔｈ（ref））との差分の時間変化を求め、その差分の初期値、その差分の時間経過、およびその差分の時間変化の一次微分信号から、水素ガスに由来するしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量と放射線に由来するしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量とを分離する。これにより、水素ガス濃度を正確に導きだすことができる。以下具体的に説明する。

図１４に、格納容器内での水素ガスの相対濃度の過酷事故発生時からの経時変化の典型的パターンを２種類、パターン（Ｓ）およびパターン（Ｄ）に示す。パターン（Ｓ）およびパターン（Ｄ）はＢＷＲ（Boiling Water Reactor）方式原発のサプレションチャンバおよびドライウェルをそれぞれ模擬している。さらに、格納容器内での放射線積算線量の過酷事故発生時からの経時変化を２ＭＧｙの場合と５ＭＧｙの場合の２つのケースを示す。放射線積算線量を示す縦軸は、２ＭＧｙの場合は７日間程度で２ＭＧｙが０．１に、５ＭＧｙの場合は３日間で５ＭＧｙが０．４５に対応する様に記載されている。

放射線積算線量は単調増加であり、２ＭＧｙの場合は１４日間程度で飽和し、５ＭＧｙの場合は７日間で飽和する。一方、水素ガス濃度は上昇したり、下降したりする挙動であり、放射線積算線量の様に単調増加ではない。事実、２ＭＧｙの場合、１６８時間で２．２ＭＧｙ、４時間５．４分で０．１ＭＧｙ程度の放射線積算線量になっており、時間（ｔ）後の放射線積算線量（Ｍ（ｔ））は、近似曲線式（２０）で近似的に記述できる。

Ｍ（ｔ）＝Ａｔ^{０．８３１} 式（２０）
但し、Ａは２９．４ＫＧｙであり、時間（ｔ）は時間（hour）を単位とする。

この性質を用いると、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの場合、センサ強度（ΔＶｇ）は、式（１３）を用いて、
ΔＶｇ＝Ｖｔｈ（ref）−Ｖｔｈ（s） 式（２１）
と定義することができる。従って、センサ強度（ΔＶｇ）は、過酷事故時の始まりを初期値（ΔＶｇ（０））、つまり式（１８）とし、その後の経時変化を追跡することで、放射線由来のセンサ強度（ΔＶｇ（rad））と、水素ガス由来のセンサ強度（ΔＶｇ（Ｈ_２））と、初期値（ΔＶｔｈ０）とに分けることができる。

ΔＶｇ＝ΔＶｇ（Ｈ_２）＋ΔＶｇ（rad）＋ΔＶｔｈ０ 式（２２）
ここで、式（１７）から式（１８）の間に記述したように、放射線由来のセンサ強度（ΔＶｇ（rad））は、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとの各種ダメージの差を繰りこんだ値とみなすと、
ΔＶｇ（ｒａｄ）＝−ｑ［δＮｉｔ（damage）−δＮｏｔ（damage）］／Ｃｏｘ
式（２３）
と記述される。つまり、式（２３）のＮｉｔ（damage）の項およびＮｏｔ（damage）の項にセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ以外から来る差分を繰りこんでいると再定義されているとみなせばよい。

式（２２）のセンサ強度（ΔＶｇ）は直接観測できる量であり、式（１８）の初期値（ΔＶｔｈ０）も直接観測できるので、水素ガス由来のセンサ強度（ΔＶｇ（Ｈ_２））と放射線由来のセンサ強度（ΔＶｇ（rad））とを上手く分離できると、本来要求される水素ガス由来のセンサ強度（ΔＶｇ（Ｈ_２））を抽出することができる。

以下に、水素ガス由来のセンサ強度（ΔＶｇ（Ｈ_２））と放射線由来のセンサ強度（ΔＶｇ（rad））との分離を如何にして行うかについて具体的に説明する。

一般的に言って、センサ強度（ΔＶｇ）の速い時間変化は、ほぼ水素ガス由来であり、センサ強度（ΔＶｇ）の大きさが減少するのも水素ガス由来である。一方、放射線由来のセンサ強度（ΔＶｇ（rad））の時間変化は、非常にゆっくりしたものである。従って、センサ強度（ΔＶｇ）の絶対値の時間変化、特にセンサ強度（ΔＶｇ）の時間に対する一次微分信号をモニターすることで、ガス由来のセンサ強度（ΔＶｇ（Ｈ_２））と放射線由来のセンサ強度（ΔＶｇ（rad））とを分離することができる。

放射線由来のセンサ強度（ΔＶｇ（rad））は、式（２３）に示す様に、δＮｉｔ（damage）よりδＮｏｔ（damage）が大きいと正の方向に動き、水素ガス濃度が増加することに由来するシフトと同じ方向（同位相）であり、δＮｉｔ（damage）よりδＮｏｔ（damage）が小さいと負の方向に動き、水素ガス濃度が減少することに由来するシフトと同じ方向（同位相）である。δＮｉｔ（damage）およびδＮｏｔ（damage）の値は放射線ドーズ量に比例する量と考えられているが、比例係数は両者で異なることもある。従って、放射線由来のセンサ強度（ΔＶｇ（rad））の時間変化の可能性は、単調増加、単調減少、一度だけ単調増加から単調減少、または一度だけ単調減少から単調増加の４パターンだけであるが、以下に説明するように低濃度の水素ガス濃度の場合には、時間変化等の解析が必要となる。

前述した＜放射線照射による第２の実験結果において＞の項で説明したように、水素を印加しない状態で数１０ＭＧｙの放射線を照射した前後では、ΔＶｔｈ０≒−９４ｍＶ、ΔＶｇ（rad；１０ＭＧｙ後）＝２６１ｍＶの実験値が得られている。つまり、本実験例では、数１０ＭＧｙの照射でΔＶｇ（rad）＝３５５ｍＶ（＝２６１ｍＶ−（−９４ｍＶ））のセンサ強度（Ｖｔｈシフト量）が見出されている。

本実験例は、放射光Ｘ線（１０ｋｅＶ）を短時間に照射したものであるが、γ線では、５ＭＧｙ相当の事故時のケースでも３日間を有しているので、数１０ＭＧｙでは７日間程度と想定される。つまり、放射線由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）は７日間で３５５ｍＶの変化を起こし、単位時間換算では２．１ｍＶ／ｈの非常に遅い単調増加によるセンサ強度（ΔＶｇ（rad））であり、２４時間でも５０．７ｍＶの変化しかない。従って、水素換算では、例えば７０ｐｐｍの水素ガス濃度になり（例えば、特許文献１など参照）、殆ど無視することができる。

但し、７日で数１０ＭＧｙを照射した場合ならば、放射線由来のセンサ強度（ΔＶｇ（rad））は３５５ｍＶの変化を起こすので、数日後からは、水素ガス濃度の検出に影響を与え始める。この場合、過去からの（ΔＶｇ−ΔＶｔｈ０）の時間変化の履歴を解析することで、水素ガス濃度を推定することになる。例えば式（２０）のように放射線積算線量でフィッティングを行い、水素との違いを明らかにする。何れにしても過酷事故時には、放射線積算線量がＭＧｙ程度を超える前後から、放射線補正が必要になる。抜本的には、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート保護膜の除去工程でのエッチングダメージをできるだけ小さくすることが最も簡単な対策となる。

本実施例によるガスセンサでは、事故時以来のセンサ強度（ΔＶｇ）の記録が０．１秒程度の間隔で蓄積できており、この記録と、その時々の時点でのセンサ強度（ΔＶｇ）の値の時間変化から、水素由来のセンサ強度か、放射線由来のセンサ強度かはかなりの確度で分離することができる。時間変化は通例、センサ強度（ΔＶｇ）の一次微分情報で十分であるが、さらに詳しく検証するには二次微分などの高次の微分を加えていくこともできる。一次微分がゼロの点は、水素ガス濃度の極大値および極小値をほぼ表わし、格納容器内の状態の変化を如実に表している。二次微分がゼロの点の前後で応答強度の時間依存性で凹凸が変われば、格納容器内の水素の増加傾向が減少傾向に変化し始める兆候を捕まえることができる。

２．放射線積算線量の計測方法
（ｉ）室温における移動度のフォトンドーズ量依存性の詳しい分析と、（ii）同一温度でサブスレッショルド領域でのＩ−Ｖ特性を支配するＳ値と１／μとの相関関係について説明し、Ｓ値測定用参照型ＦＥＴを用いて、２〜５ＭＧｙ程度の高い放射線積算線量を導出する手法について説明する。

（ｉ）室温における移動度のフォトンドーズ量依存性
図１５は、γ線（^６０Ｃｏ；１．３３／１．１７ＭｅＶ）または放射光Ｘ線（フォトンエネルギー１１５ｋｅＶ，１０ｋｅＶ）を照射した後の移動度（μ）と初期値（μ０）との移動度比（μ／μ０）と、フォトンドーズ量との関係を示すグラフ図である。ここで、フォトンドーズ量とは、図４に示すセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの中心から半径３００μｍの円領域に照射したフォトンドーズ量である。

初期値（μ０）は室温での値であり、試料により、例えば図３（ａ）の様に変化する。白丸（○）で示すγ線（^６０Ｃｏ；１．３３／１．１７ＭｅＶ）と、黒三角（▲）で示すＸ線（フォトンエネルギー１０ｋｅＶ）は平均的にみて、黒丸（●）で示すＸ線（フォトンエネルギー１１５ｋｅＶ）に比べて、移動度の劣化が激しい。この理由は、先に説明したように、放射線に特有な吸収率のエネルギー依存性で説明することができる。

これまでのγ線照射では、表１の項目１にコメントした様に、０〜１０ｋＧｙの放射線積算線量では、移動度の劣化はあまり見られない。実際の原発事故で問題になるγ線を中心に移動度劣化の実験データを式（２４ａ）および式（２４ｂ）にフィッティングする。フォトンドーズ量（dose）がdose＝１０^１２でμ／μ０＝１になり、それ以下のフォトンドーズ量では、誤差範囲でμ／μ０＝１とみなせる。実験結果は、dose＝１０^１６でμ／μ０＝０．３になり、μ／μ０＝０．０になるフォトンドーズ量は、フィッティング上はdose＝５．１８×１０^１７である。

μ／μ０＝１．０ ０≦dose≦ｄＴ 式（２４ａ）
＝３．１−０．１７５Ｌｏｇ（dose） ｄＴ≦dose≦ｄＴＸ 式（２４ｂ）
但し、ｄＴ＝１０^１２、ｄＴＸ＝５．１８×１０^１７である。

一方、実用的には、γ線では線量率（Ｇｙ／ｈ）を放射線カウンターで計測するので、γ線のフォトンドーズ量（フォトン数）との関係が導出され、ｄＴ＝１０^１２から、
１０^１２dose＝０．５１５４×１０^９Ｇｙ 式（２５）
と表される。放射線による劣化が見られる式（２４ｂ）の範囲ｄＴ≦dose≦ｄＴＸを線量の単位Ｇｙで表わすと式（２６）を用いて、
１,９４０Ｇｙ≦dose≦１０^９Ｇｙ 式（２６）
となる。１,９４０Ｇｙと１０^９Ｇｙの幾何平均Ｇ０（＝√１,９４０Ｇｙ×１０^９Ｇｙ）を導入すると、Ｇ０＝１．３９２８ＭＧｙとなり、規格化された移動度比（μ／μ０）は、
μ／μ０＝１．０ ０≦Ｇ≦１９４０Ｇｙ 式（２７ａ）
μ／μ０＝０．５−０．１７５Ｌｏｇ（Ｇ／Ｇ０）
１９４０Ｇｙ≦Ｇ≦１０^９Ｇｙ 式（２７ｂ）
と表される。

ところで、一般にＸの常用対数ＬｏｇＸは、Ｘが０．１から１０の範囲で、式（２８）で良く近似される（例えばT.Usagawa et al., IEEE Sensor Journal， Vol.12、No.6, (2012)2243-2248 参照）。特に、Ｘ＝０．１，１，１０では両者は一致する。

ＬｏｇＸ＝［２Ｘ^η／（１＋Ｘ^η）−１］／γ^η ０．１≦Ｘ≦１０ 式（２８）
但し、
γ^η＝（１０^η−１）／（１０^η＋１） 式（２９）
である。

このように、変換する時には、式（２７ｂ）に示す様に、放射線積算線量（Ｇ）の測定範囲の両端の幾何平均（Ｇ０）を用いて、式（２８）のＸをＧ／Ｇ０に置き換えることで、式（２７ｂ）を式（３０）に変換することができる。

μ／μ０＝０．５−０．１７５／γ^η＋０．３５／（１＋Ｘ^η）／γ^η 式（３０）
ここで、γ^η＝０．３５と置くと、式（２９）からη＝０．３１７４となり、１／η＝３．１５となる。

このとき、
μ／μ０＝１／（１＋Ｘ^η） 式（３１）
となる。

ＭＩＳ構造のデバイス性能を支配する移動度（μ）は、放射線照射がない時に室温より高温領域の初期値（μ０）では、式（８）と式（１１）から、格子振動（フォノン）起因の散乱で支配される移動度（μ_Ｌ（Ｔ））で支配されることが確認されている。そのため、以後、初期値（μ０）は移動度（μ_L（Ｔ））と同一視して考える。放射線が照射されると、その放射線積算線量に依存して移動度（μ）が劣化するので、放射線由来の移動度（μ）をμradと表わすと、放射線照射下の移動度（μ）は、
１／μ＝１／μ０＋１／μrad 式（３２）
と表すことができ、さらに、式（３３）に変形される。

μ／μ０＝１／（１＋μ０／μrad） 式（３３）
Ｘ＝Ｇ／Ｇ０であることから、式（３１）を用いて、放射線由来の移動度（μrad）と放射線積算線量（Ｇ）との間に、式（３４）に示す非常に簡単な関係が得られる。

μ０／μrad＝Ｘ^η 式（３４）
このような評価法については、表２のセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの場合、放射線照射後のμ／μ０は０．１６２であるが、式（３１）および式（３４）がら放射線積算線量（Ｇ）を見積もると、７２ＭＧｙと非常に大きい値となる。本方式の放射線積算線量（Ｇ）の見積もり精度はあまり期待できないが、傾向と目安を簡便に求める、あるいは格納容器内での放射線量計またはガスセンサの設定値の放射線積算線量（Ｇ）と比較して、水素応答の解釈と矛盾しないかなどを知るには、有益なツールとなりうる。

（ii）Ｓ値と１／μとの相関関係
図１６は、各種Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの移動度（単位はｃｍ^２／Ｖｓ）の逆数（１／μ）と式（５）〜式（７）で定義されるＳ値（単位はｍＶ）のそれぞれの実測値をプロットしたグラフ図である。これまでに移動度μとＳ値とを関係づけたデータは存在しなかったが、図１６に示すように、種々のＰｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造のＳｉ−ＭＩＳＦＥＴガスセンサにおいては、移動度（１／μ）とＳ値との間には強い相関関係があることを本発明者らは見出した。それぞれの単位を用いると、以下のような現象論的な式（３５）でフィッティングすることができる。温度は室温である。

１０００／μ＝０．３１０３＋０．０２２２×Ｓ 式（３５）
図１６のフィッティングを注視すると、データの分散が大きいため、式（３５）の右辺第１項の定数項は、理論的にはないものとみなせる。つまり、移動度（１／μ）とＳ値とは比例関係にあり、物理的には次式（３６）で近似されていると考えられる。両者の比例係数は放射線照射前の移動度（μ）が３２９ｃｍ^２／ＶｓのセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのＳ値が１２３ｍＶであった例を参考に暫定的に決めている。この場合、図５の実験データでは、Ｓ値は４６７．５ｍＶであり、式（３６）では、対応する移動度（μ）は８６．６ｃｍ^２／Ｖｓとなり、実測値の９３．５ｃｍ^２／Ｖｓと多少異なるが、以下の議論には殆ど影響は与えない。

１／μ＝Ａ×Ｓ 式（３６）
但し、Ａは２.４７×１０^−５、μはｃｍ^２／Ｖｓ単位で測り、ＳはｍＶ単位で測る。

水素ガス濃度計に設置したＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ型ガスセンサの移動度を各時刻で計測することは多大な困難があるが、Ｓ値の測定を通して、移動度の劣化と放射線積算線量の相関から、その時刻の放射線積算線量の値を簡便に推測することができる。以下に、その技術を提示する。

放射線積算線量下でのセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴの移動度（μ）は式（３３）において、
μ＝μ０／（１＋α（δＮｉｔ＋δＮｉｔ（damage）） 式（３７）
と表わすデバイスモデルが知られている（例えばK. F. Galloway et al., IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-31, No.6, 1984 pp.1497-1501にＳｉ−ＭＯＳＦＥＴの簡単な照射放射線の影響に関する現象論的移動度モデルが検討されている）。参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴでは、当然ながら増加分（δＮｉｔ（damage））の項はない。ここでは、パラメータ（α）の物理的意味および放射線による界面準位密度（Ｎｉｔ）の変化の次数（増加分（δＮｉｔ）の何乗かなど、ここでは１乗だが根拠はない）はアドフホック的に導入されているのみで、物理的意味は考慮されていない。

一方、移動度（μ）とＳ値とに相関があることが見出されたことはないが、図２の（ｃ）に示すゲート絶縁膜と半導体基板との界面の界面準位の効果を表現する曲線は、放射線由来であり、サブスレッシュホールド領域においてＩ−Ｖ特性が傾くことが知られている。その影響が、界面準位の増加に起因する事は認識されている。式（１５）に示す様に、しきい値電圧（Ｖｔｈ）への放射線の影響には、界面準位の増加（δＮｉｔ＋δＮｉｔ（damage））に直接関係していること、Ｓ値の増加が直接サブスレッシュホールド領域においてＩ−Ｖ特性の傾きに反映することを併せて考えると、実験的に見出された移動度（μ）とＳ値との相関（式（３５）および式（３６））は、以下のように説明することができる。なお、増加分（δＮｉｔ（damage））については、これまで議論したように形式的には増加分（δＮｉｔ）に繰り込めることができるので、以後の議論には、増加分（δＮｉｔ（damage））を顕には記載しないことがある。

ここで想定する移動度（μ）は、式（３２）に示す様に分割することができる。放射線由来の項には、界面準位の放射線照射による増加分（δＮｉｔ）があるが、放射線に由来しない項にも元々存在した界面準位（Ｎｉｔ）があるので、一般的には式（３８）で記述することができる。

１／μ＝１／μ０＋α（Ｎｉｔ+δＮｉｔ）／μ０ 式（３８）
つまり、式（３３）、式（３４）、および式（３６）から、放射線積算線量（Ｇ）とＳ値との間には、
１＋（Ｇ／Ｇ０）^η＝Ａ×μ０×Ｓ 式（３９）
の関係がある。

放射線照射がない場合または放射線エージングした場合には、μ０／（１＋αＮｉｔ）を初期値（μ０）に使用することができる。基本的には、式（３６）に示す様に、１／μはＳ値に比例するので、式（３６）を通じて界面準位に直結する。

次に、本モデルの妥当性について物理モデルを見出したので、以下に説明する。

ゲート絶縁膜と半導体基板との界面には、界面準位密度（Ｎｉｔ）が存在すると、準位間の平均距離（Ｌ）は１／√Ｎｉｔで表される。

Ｌ＝１／√Ｎｉｔ 式（４０）
つまりゲート絶縁膜と半導体基板との界面内に２次元的に平均距離（Ｌ）で界面準位を形成する原子構造（欠陥）が正方格子上に並んだ状態をイメージする。

一方、今回問題にする移動度（μ）は式（４）で定義されたデバイス特性に直結した移動度であり、通例、（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ＝１．５Ｖ）で計測しているので、伝導電子はゲート絶縁膜と半導体基板との界面にへばりついて、謂わば２次元的に面内を運動している。動作温度は室温からの高温を問題にしているので、二次元のボルツマン統計の議論が適用できる領域である。そのため電子の平均速度（ｖ）は、電子の有効質量を（ｍ^＊）とすると１／２ｍ^＊×ｖ²＝ｋＴから、
ｖ＝√（2ｋＴ/ｍ^＊） 式（４１）
で求めることができる。但し、ｋはボルツマン定数、Ｔは動作温度である。

ゲート絶縁膜と半導体基板との界面内を電子が動きまわる時、界面準位の散乱断面積の幅（電子が衝突する時の的の幅）をσｅと定義すると電子が平均的に界面準位を形成する原子構造（欠陥）に衝突する時間（τ）は、
τ＝１／（ｖ√Ｎｉｔ） 式（４２）
で記述される。電子が平均的に平均距離（Ｌ）だけ進んだ時、電子が界面準位を形成する原子構造（欠陥）に衝突する確率はσｅ／Ｌであるので、結局電子が界面準位に衝突する単位時間当たりの確率（１／τｅ）は、平均衝突時間（τｅ）を用いて、
τｅ＝Ｌ／ｖ×Ｌ／σｅ＝１／（ｖ×σｅ×Ｎｉｔ） 式（４３）
τｅ＝√（ｍ^＊／２ｋ）／（σｅ×√Ｔ×Ｎｉｔ） 式（４４）
となり、放射線由来の移動度（μ（rad））は式（９）から、
μ（rad）＝ｑτｅ／ｍ^＊ 式（４５）
となる。つまり、放射線由来の移動度（μ（rad））は、
μ（rad）＝ｑ／√（２ｍ^＊ｋ）／（σｅ×√Ｔ×Ｎｉｔ） 式（４６）
と求めることができ、式（３７）および式（３８）の物理的理解のバックグラウンドを見出すことができる。

特に、放射線由来の移動度（μ（rad））の分母には界面準位密度（Ｎｉｔ）がそのまま出され、これまで見出していなかった温度因子（√Ｔ）を見出した。放射線由来の移動度（μ（rad））の温度特性は、μ（rad）∝Ｔ^−１／２であり、また、式（１０）から、これまで議論してきたように、初期値（μ０）の温度特性はμ０∝Ｔ^−３／２である。

式（３８）から、
１／μ（rad）＝αδＮｉｔ／μ０ 式（４７）
であるので、μ０＝μ０^＊Ｔ^−３／２から、式（４６）および式（４７）から、
α＝μ０^＊×σｅ×√（２ｍ^＊ｋ）／ｑ×Ｔ^−１ 式（４８）
となる。すなわち、パラメータ（α）の温度変化はＴ^−１に比例する。但し、μ０^＊は初期値（μ０）の温度変化しない部分を表わしている。

通例では、αＮｉｔ≪１であり、αδＮｉｔ＝１の時、図１５のμ／μ０＝０．５の点を表わし、室温においては、この点は、１．３９２８ＭＧｙの放射線積算線量（Ｇ）に対応している。

前述したように、詳細実験のフィッティングでは、１／η＝３．１５となったが、実験誤差の範囲で１／η＝３であると考えられる。つまり、移動度の劣化は放射線積算線量の立方根に比例する。つまり、物理モデルとして、式（３４）は、
μ０／μrad＝（Ｇ／Ｇ０）^１／３ 式（４９）
となる。

この物理的理由は、エネルギーの非常に高い放射線の場合、放射線フォトンの大きさというべきドブロイ波長は非常に小さい。ＭＩＳ構造を形成する原子からみた場合、放射線積算線量は、単位体積に流し込まれた放射線フォトンの総数であり、その体積での放射線フォトン数密度の立方根は、放射線フォトンの間隔を表わすので、その間隔に反比例して欠陥生成および界面準位密度が形成されることを意味している。事実、フォトンのドブロイ波長λ（λ＝ｈ／ｐ；ｈはプランク定数、ｐはフォトンの運動量）は、１ＭｅＶのフォトンの場合、λは１．２４ｐｍ（ピコメータ）、１０ｋｅＶのフォトンの場合、λは０．１２４ｎｍ（ナノメータ）であり、ＭＩＳ構造を形成する原子の原子間隔に比べて、数分の１から数百の１小さい値である。

室温においてＳ値が計測できれば、この解析を基に、それまでの放射線積算線量（Ｇ）の値を推定できることを説明する。

Ｓ値が計測できれば、式（３５）または式（３６）を用いて、移動度（μ）を推定することができる。初期値（μ０）は既知であるので、式（３３）から放射線由来の移動度（μ（rad））を推定することができ、式（３４）または式（４９）から、Ｘ＝Ｇ／Ｇ０の値を推定することができる。室温の場合、幾何平均（Ｇ０）は１．３９２８ＭＧｙなので、放射線積算線量（Ｇ）の値を推定できることになる。

前述した＜放射線線量の測定の必要性＞の項で説明したように、放射線積算線量を測定するＳ値計測参照型ＦＥＴのゲート絶縁膜の厚さと、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜の厚さとの最適値は異なり、対象とする放射線積算線量の領域にも依存する。なお、水素ガスセンサの点からは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとのゲート絶縁膜の厚さは同じであることが、しきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分を取る関係で望ましい。また、式（２）に示す様に、放射線積算線量の効果はゲート構造（ゲート絶縁膜の厚さ）に敏感であることから、ゲート絶縁膜の厚さは、対象とする放射線積算線量の範囲により異なる。

そこで、今回原発事故時に想定される２〜５ＭＧｙの範囲と、それ以下の領域（例えば打ち上げ用ロケットの水素エンジン監視用）と、それ以上の領域（例えば長期滞在宇宙船の水素エンジン監視用）との３ケースで、各種ＦＥＴのゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２）の厚さと放射線積算線量との関係の一例を表４にまとめる。表４中、ゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２）の厚さの下限は、電源によるゲート耐圧、ドレイン耐圧が律測して決まる値である。

現行のセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２）の厚さは１８ｎｍと薄いので、２〜５ＭＧｙ領域より低い放射線積算線量の領域では、放射線の影響は受け難い。しかし、僅かではあるが影響を受けているので、水素ガス濃度の計測には、さらに薄い厚さのゲート絶縁膜がよい。また、Ｓ値測定用参照型ＦＥＴでは、さらに厚い厚さのゲート絶縁膜を用いることにより、放射線の影響を受けやすくして、Ｓ値の計測を容易にすることもできる。これは、設計の問題であり、広い設計の自由度がある。表４では、式（２）に示す様に、ゲート絶縁膜の厚さの２乗に比例して、しきい値電圧（Ｖｔｈ）が変わることを参考にして、ゲート絶縁膜の厚さの範囲を決めている。

ここでは、室温周辺でのデータを議論したが、式（３２）と式（７）に示す様に、移動度の初期値（μ０）および放射線由来の移動度（μ（rad））の温度特性、並びに値の温度依存性は理解されているので、１１５〜２５０℃程度の温度範囲においても、補正をかけて放射線積算線量を見積もることができる。

実際の水素ガスセンサの環境温度で放射線積算線量を推定するには、移動度の初期値（μ０）とＳ値の温度依存性をセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ、または同種のゲート構造を持つＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ（Ｓ値測定用参照型ＦＥＴ）において先ず取得しておく。この場合、ＦＥＴを放射線エージングによって、予備的に１０〜１００ｋＧｙ程度の積算放射線を照射して、初期値（μ０（Ｔ））にすることで、プロセス終了後の素子の初期不良を取り除き、ガスセンサのキャリブレーション工程を円滑にできる。このような放射線エージングを行うことで、素子の初期不良を取り除くことができる。

何れにしても、最初室温から２５０℃程度までのＩ−Ｖ特性を取り、移動度とＳ値の温度特性を明らかにする。すなわち、μ０（Ｔ）およびＳ（Ｔ）を確定させる。センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴではゲート保護膜の除去工程でゲート領域にダメージができる可能性があること、実際の環境下では水素ガスも存在するので、これらの影響を受けなる心配のないＳ値測定用参照型ＦＥＴを用いて放射線積算線量を推定する方が良い。

放射線環境下で計測中にチップ温度（Ｔ）とＳ値を測定する。これによりμ／μ０が分かるので、式（３４）から放射線由来の移動度（μ（rad））が分かり、μ０／μ（rad）からＧ／Ｇ０も導出することができる。問題は幾何平均（Ｇ０）の温度特性である。

μ（rad）∝Ｔ^−１／２、かつμ０∝Ｔ^−３／２であるので、μ０／μrad＝（Ｇ／Ｇ０）^１／３∝Ｔ^−１となり、
Ｇ０∝Ｔ^３ 式（５０）
になる。

これでは、高温での放射線被爆効果が高い放射線積算線量により発生することになる。例えば２５０℃では、室温時のＧ０＝１．３９２８ＭＧｙよりも５．３倍高い放射線積算線量からμ０／２の劣化が起こることになる。

実際には、放射線照射による界面準位密度の増加分（δＮｉｔ）は、照射放射線が当たる試料のチップ温度（Ｔ）にも依存する。その場合、所謂アレニウス型に振る舞うことが報告されている。室温から２５０℃程度の変化であれば、その増加分はそれほど多くはない。

δＮｉｔ（Ｔ）＝δＮｉｔ（０）×Ｅｘｐ（−Ｅｔｈ／ｋＴ） 式（５１）
ここで、Ｅｔｈはアレニウスギャップ、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。

この効果を取り入れると、上記議論に補正が入り、以下のように表わされる。

μ（rad）∝Ｔ^−１／２Ｅｘｐ（Ｅｔｈ／ｋＴ） 式（５２）
Ｇ０∝Ｔ^３Ｅｘｐ（３Ｅｔｈ／ｋＴ） 式（５３）
Ｔ^３の項だけでは、幾何平均（Ｇ０）が大きくなりすぎて不自然であったが、幾何平均（Ｇ０）は、高温状態では値を大きくするＴ^３と値を小さくするＥｘｐ（３Ｅｔｈ／ｋＴ）の積になるので、アレニウスギャップ（Ｅｔｈ）を正確に求めておくことが必要になる。

何れにしても、Ｓ値測定用参照型ＦＥＴのアレニウスギャップ（Ｅｔｈ）を求めておけば、幾何平均（Ｇ０）の温度特性から、放射線積算線量（Ｇ）を求めることができる。

また、移動度について、１,９４０Ｇｙまでは、放射線の影響がほとんどないので、〜１００ｋＧｙ程度までの放射線エージングをセンサチップに施し、少し移動度を劣化させてから、これをμ０に用いることで、データの再現性および信頼性を上げることができる。

このように、Ｓ値測定用参照型ＦＥＴのサブスレッショルド領域の放射線照射後のＳ値をそれぞれ測定することにより、それまでに浴びた放射線積算線量を求めることができる。

３．水素ガスセンサの基本構成
本実施例１によるＳｉ−ＭＩＳＦＥＴを用いた水素ガスセンサについて図１７Ａを用いて説明する。図１７Ａ（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、同一の基板上の互いに異なる領域に形成された水素ガスセンサを構成するＳｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴを示した断面図である。Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴは、ゲート長（Ｌｇ）が２０μｍ、ゲート幅（Ｗｇ）が３００μｍのｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴであるが、ゲート電極を覆う保護膜の有無が相違する。ここでは、水素ガスセンサの主要部分であるＰｔゲート構造を作製する部分を中心に説明する。

Ｓ値の計測に、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴを用いるのは、水素センシングとバッチティングする点があるので、同一チップ内にＳ値測定用参照型ＦＥＴを別途作製する。例えば図４に示した水素センサチップでいえば、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとの間にあるＰＮ接合ダイオード部分を止めて、図１７Ｂに示すように、Ｓ値測定用参照型ＦＥＴ８４を形成する。

Ｓ値の測定用には、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ８３と同種構造のＳ値測定用参照型ＦＥＴ８４をセンサチップ内に形成することで、放射線環境下でのＳ値を精度よく計測することができる。図１７Ｂ中、符号８５はヒータ配線部を示す。

センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ８２のゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２）の厚さは１８ｎｍと薄いので、２〜５ＭＧｙ領域より低い放射線線量領域では、影響は受けにくい。そこで、２〜５ＭＧｙ領域の放射線積算線量を測るＳ値測定用参照型ＦＥＴ８４の場合は、式（２）に示す様に放射線効果はゲート構造に敏感にするため、ゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２）の厚さをセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと同じ１８ｎｍ、またはそれ以上に厚くする。１８〜７２ｎｍ程度に厚くすることにより、２〜５ＭＧｙ程度の放射線に対して敏感になる。一方、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜（ＳｉＯ_２）の厚さは、２〜５ＭＧｙ領域に敏感な厚さである１８ｎｍになっているので、式（２）等の傾向からさらに薄く、例えば３〜１８ｎｍ程度の厚さにしておけば、２〜５ＭＧｙ領域の放射線の影響はさらに受けにくくなる。

次に、水素ガスセンサの製造プロセスについて説明する。Ｓｉ基板上に形成されたｐ型の半導体層４３内にゲート電極の領域を定義するため、局所酸化を行い、ＳｉＯ_２からなる局所酸化膜２８を形成する。次に、ｐ型の半導体層４３にイオン注入を行い、しきい値電圧調整用のイオン注入層４７を形成する。

センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとで、通例イオン注入層４７は同じイオン注入条件により形成され、しきい値電圧（Ｖｔｈ）はエンハンスメント型ＦＥＴにするため、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴでは、しきい値電圧（Ｖｔｈ）は１．０〜２．０Ｖの範囲としている。イオン注入条件を同じにするのは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとで、放射線効果以外の表３に示すＭＩＳ構造の界面準位密度およびゲート絶縁膜中の固有欠陥密度を同じにしたいからである。一般には、イオン注入層４７のイオン注入条件を同じにする必要はないが、その場合には式（１３）および式（２２）の初期値（ΔＶｔｈ０）にイオン注入条件が異なることに起因する固有の差が発生する。

さらに、イオン注入を行い、ｎ型のソース、ドレイン領域２７を形成する。

次に、前処理を実施した後、酸素雰囲気中の熱酸化により、厚さが１８ｎｍのゲート絶縁膜２５を形成する。上記説明通り、通例、ゲート絶縁膜２５は３〜３０ｎｍの厚さの中から目的とする放射線積算線量により選んで使用している。素子間を分離する、２５０ｎｍ程度の厚さのＳｉＯ_２からなる局所酸化膜４０を形成する。次に、リフトオフ法により、厚さ１〜７ｎｍ程度のＴｉ膜、厚さ７〜１５０ｎｍ程度のＰｔ膜を連続して成膜して、ゲート電極２０を形成する。このとき、ゲート電極２０はゲート絶縁膜２５上だけでなく、局所酸化膜２８の淵上をかぶるように形成し、ソース・ドレイン領域２７の端上に位置するように形成する。これは、ゲート電極２０に対して自己整合的にソース・ドレイン領域２７を形成することができないからである。ゲート電極２０は電子線照射蒸着法で形成し、成膜速度は、例えば０．１ｎｍ／ｓである。次に、高純度空気中において、４００℃、２時間〜６０日間のアニール処理を行うことにより、ゲート構造を実現する。

次に、ＰＳＧ膜２６を形成し、このＰＳＧ膜２６にコンタクトを形成する。その後、表面処理などを経て、例えばＳｉがドープされたＡｌ膜からなるソース・ドレイン電極２１および半導体層４３に接続する引き出し電極２９を形成する。ソース・ドレイン電極２１および引き出し電極２９の厚さは、例えば５００ｎｍ程度である。なお、図示は省略するが、ゲート電極２０の引き出し線およびチップを加熱するヒータとして、このソース・ドレイン電極２１と同じＳｉがドープされたＡｌ膜からなる配線を形成する。配線幅は、例えば２０μｍ、配線長は、例えば２９,０００μｍである。

次に、ソース・ドレイン電極２１および引き出し電極２９を覆うようにパッシベーション膜として機能するＰＳＧ膜２４およびＳｉ_３Ｎ_４膜２３を形成する。Ｓｉ_３Ｎ_４膜２３は、例えば低温プラズマＣＶＤ法により形成され、その厚さは、例えば７００ｎｍ程度である。

最後に、ボンディングワイヤを接続するための電極パッドの穴あけと、センサ部分のゲート電極２０を露出するための穴あけを行い、開口部１９を形成する。この工程では、ＲＩＥ（Reactive ion etching）によるＳｉ_３Ｎ_４膜２３のドライエッチングと、それに続くオーバエッチング、さらにバッファーフッ酸溶液によるＰＳＧ膜２４のウェットエッチングが行われて、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート電極２０上のＰＳＧ膜２４とＳｉ_３Ｎ_４膜２３が除去される。この場合、図９に示すＩ−Ｖ特性を実現したが、前述したように、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート領域にダメージが発生し、放射線由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトが生じる。Ｓ値測定用参照型ＦＥＴの形成では、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとゲート絶縁膜の厚さが異なり、また、ゲート幅が異なる場合もある。

式（９）から前述した＜放射線照射による第２の実験結果＞の項で指摘したように、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート構造に加工ダメージが存在すると、２〜５ＭＧｙ程度の放射線照射においても、水素応答以外の効果が見えてくるので、この加工ダメージを殆どなくすには適当なウェットエッチング技術が必要である。

このようなプロセス起因のダメージは、ドライエッチングのオーバエッチングを少なくすることでも改善効果はあるが、熱リン酸などによりＳｉ_３Ｎ_４膜２３を除去した後、バッファーフッ酸溶液によりＰＳＧ膜２４を除去するなどの化学処理により大幅にゲート領域のダメージを抑制することができる。この場合には、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとのしきい値電圧の差分を取るので、放射線の影響に伴う項は、非常に小さくなる。

具体的なプロセスとしては、Ｓｉ_３Ｎ_４膜２３を形成後、熱リン酸にエッチされない保護膜（たとえばＰＳＧ膜）をＳｉ_３Ｎ_４膜２３上に２００ｎｍ程度形成し、ゲート孔開けホトレジストをマスクとして、フッ酸系エッチング液（バッファフッ酸）により保護膜を加工する。その後、ゲート孔開けホトレジストを除去し、保護膜をマスクとして、熱リン酸（例えば１４０〜１５０℃）でＳｉ_３Ｎ_４膜２３をエッチング除去する。ＰＳＧ膜２４が完全に露出するまでオーバした後、Ｓｉ_３Ｎ_４膜２３をマスクにして、フッ酸系エッチング液（バッファフッ酸）により保護膜およびＰＳＧ膜２４を除去する。

この過程では、ドライエッチングと異なり、ゲート絶縁膜の周辺にダメージが入りにくく、固有欠陥密度（Ｎｏｔ）および界面準位密度（Ｎｉｔ）が非常に少なく、数１０^１０ｃｍ^-２程度とドライエッチより１桁以上少なくなる。また、これらは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照ＳＩ−ＭＩＳＦＥＴとの差分をとる方式（ΔＶｇ＝Ｖｔｈ（ref）−Ｖｔｈ（s）（式（２１））では、さらに１桁小さい１０^９ｃｍ^-２程度になるまで、水素照射しない時のセンサ強度（ΔＶｇ）の絶対値が３０ｍＶ以内に大略収まる。

これは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとで、通例イオン注入層４７を同じイオン注入条件により形成した場合である。しきい値電圧（Ｖｔｈ）はエンハンスメント型ＦＥＴにするため、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴでは、しきい値電圧（Ｖｔｈ）は１．０〜２．０Ｖの範囲としている。

イオン注入層４７のイオン注入条件を同じにしない場合には、式（１３）および式（２２）の初期値（ΔＶｔｈ０）にイオン注入条件が異なることに起因する固有の差が発生するので、放射線照射環境下での時間変化には、この差分は残る。しかし、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとで、放射線効果以外の表３に示すＭＩＳ構造の界面準位密度およびゲート絶縁膜中の固有欠陥密度の差異に寄与するセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとのしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分の絶対値が３０ｍＶ以内に収まれば、放射線効果は少なくなるので、水素ガス由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）の変化と区別できるので問題はない。

この場合、高い放射線積算線量に由来するセンサ強度（ΔＶｇ）でも１００ｍＶ以下であり、水素ガス濃度が非常に低い数１００ｐｐｍ程度の水素ガス濃度の正確な測定に影響が出る程度である。

このように、ゲート孔開け加工をウェットエッチングに変更することで、放射線影響は劇的に改善される。

本実施例１では、ゲート絶縁膜２５にＳｉＯ_２膜を用いたが、ＳｉＯ_２膜上にＴａ_２Ｏ_５膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜、またはＳｉ_３Ｎ_４膜などの絶縁膜を形成した後、Ｔｉ層およびＰｔ層を順次積層し、前述した製造工程と同様にして、ゲート電極２０を形成してもよい。Ｔａ_２Ｏ_５膜を形成することで、水素ガス照射を切った後、水素ガスセンサから水素が抜ける過程において、ＳｉＯ_２膜中に存在する遅い時定数をもつ水素トラップに由来する長時間での水素応答のテール残りを除去できる効果がある。

高純度空気中において、４００℃、２時間のアニール処理は、製造工程の途中で行わなずに、製造工程終了後に行うこともできる。しかし、製造工程終了後に、４００℃、２時間のアニール処理を行うと、電極パッドの表面を酸化するまたは電極パッド自身が酸化物と反応して、ワイヤボンディングの接着性などに不具合が生じる。また、Ｓｉ_３Ｎ_４膜２３にクラックが発生し、信頼性を損なうおそれがあるので、アニール処理は、本実施例１で示す工程で行うことが望ましい。

このようにして、水素ガスセンサを作製し、例えば図１８に示す様に、ソースフォロワー回路をセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴに適用し、減算回路７２により、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとのしきい値電圧の差分（ΔＶｔｈ（ref−s）＝Ｖｔｈ（ref）−Ｖｔｈ（s））を出力信号端子７６に取り出す。図中、符号７０はセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴのソースフォロワー回路、符号７１は参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのソースフォロワー回路である。ここでは、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとで独立に直流電流源を設置する形式で示しているが、両者を直列接続して１つの直流電流源で構成することもできる。

本実施例１では、例えば図１９に示す環境条件における出力電圧を取り出した。

図２０は、２ＭＧｙ（７日間程度）の放射線積算線量下の環境で、過酷事故時を模擬した格納容器内で発生した水素ガス照射および放射線照射の条件で、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとのしきい値電圧の差分（ΔＶｔｈ（ref−s）＝Ｖｔｈ（ref）−Ｖｔｈ（s））の初期値（ΔＶｔｈ０）および上記差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の時間経過を示したグラフ図である。さらに、図２０には、上記差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の経過時間に対する時間微分（∂ΔＶｔｈ（ref−s）／∂ｔ）を示している。図中、微分信号基準値を示しているが、原点は上側にずらしている。微分信号基準値から水素以外の放射線効果までの距離が放射線照射に伴う放射線由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量を表わしている。

差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の初期値（ΔＶｔｈ０）、差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の時間経過（ゆっくりした時間経過とそれに比べると早い時間変化）、および一次微分の微分信号基準値からの差位を考慮して、差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の値の補正を行い、水素ガス由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトと放射線由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトとを切り分けることができる。これにより、水素ガス濃度を正確に導き出すことができる。

例えば本実施例１では、９０時間以降では、差分（ΔＶｔｈ（ref−s））は非常にゆっくりと増加するが、その時間微分項（傾き）は、図２０において水素以外の放射線効果の所に現れるので、この成分を取り除くことで、残留水素ガス濃度を推測することができる。

先に議論したように、放射線由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトが時間とともに増加する場合には、水素ガス濃度が増加する方向と同じであり、逆に放射線由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトが時間とともに減少する場合には、水素ガス濃度が減少する方向と同じである。放射線由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトが時間とともに減少する場合は、放射線由来による界面準位の増加分（δＮｉｔ（damage））の方が固有欠陥密度のチャージアップ分（δＮｏｔ（damage））に比べてより多く存在する場合に対応する。放射線由来の差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の変動は、水素ガス濃度が高い場合には、対応が容易である。水素ガス濃度が０．１％以下の低濃度では、上記の様に差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の時間軸での振る舞いを詳細に検討することで、放射線由来の効果と水素ガス由来の効果とを選別することができる。

次にＳ値の計測手法について、図２１および図２２を用いて説明する。図２１（ａ）はセンサ信号を取り出す回路にＳ値を評価する回路を付加した概念図である。放射線線量は時々モニターすれば良いので、放射線を計測する僅かな時間では、水素ガスの測定はせず、切り替えスイッチ７８を介して用意された、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴに接続した直流電流源２および別の直流電流源７７を用いてそれぞれソース・ドレイン電流（Ｉ_１，Ｉ_２）を設定して参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの出力端子７９からソース・ドレイン電流（Ｉ_１，Ｉ_２）にそれぞれ対応したゲート電圧（Ｖ_１，Ｖ_２）を測定する。図２１（ａ）の回路構成では、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴに出力端子７９を設け、差動回路とは独立に参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート電圧を計測する。

図２２（ａ）に、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのソース・ドレイン電圧（Ｖｄｓ（通例１．５Ｖ））を一定にして測定した、ゲート電圧（Ｖｇ）とソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）のＩ−Ｖ特性を示している。サブスレッショルド領域のある電流ポイントを２点、ソース・ドレイン電流（Ｉ_１，Ｉ_２）を設けて（例えば１μＡと５μＡ、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴのゲート幅Ｗｇに依存して設定を変えられる）、それぞれに対応するゲート電圧（Ｖ_１，Ｖ_２）を測定する。式（５）〜式（７）を用いて式（５４）によりＳ値を計算する。

Ｓ（ｍＶ）＝Ｌｎ１０／Ｌｎ（Ｉ_２／Ｉ_１）×（Ｖ_２−Ｖ_１） 式（５４）
例えば試験素子ではあるが、表２の参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの数１０ＭＧｙ放射線照射後のＳ値（３６４．５ｍＶ）は、Ｉ_１＝１１．３４ｎＡ、Ｉ_２＝７５．４７ｎＡ、Ｖ_１＝−０．５Ｖ、Ｖ_２＝−０．２Ｖから求めている。

一方、水素ガス濃度を計測する場合、計測しない時間が許されない場合もある。この場合は、図２１（ｂ）に示すように、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと対をなす参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴを使わずに、センサチップ上に、水素に応答しない参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴと断面形状がほぼ同じであるＳ値測定専用の図１７Ｂに示すＳ値測定用参照型ＦＥＴを別途形成して、直接測定してもよい。

Ｓ値の計測において、式（５４）を用いる場合には、測定データの演算を施す必要があるので、信号出力段７９に演算回路と記憶装置８６とを設けて、信号処理装置８７からＳ値を出力する。さらに、Ｓ値から式（３９）を用いて放射線積算線量（Ｇ）を求めるにも記憶装置８６からのデータを用いて信号処理装置８７から放射線積算線量（Ｇ）を推定する。Ｓ値から放射線積算線量（Ｇ）を求めるには、このような手続きが必要になるが、演算処理装置の高速処理が可能であり、また、格納容器内の水素ガス濃度および放射線積算線量の変化が演算速度に比べて遅いので、ほぼリアルタイムで放射線積算線量（Ｇ）を得ることができる。これは、センサ強度（ΔＶｇ）の値から水素ガス濃度を換算する時にも当てはまる。

この場合、さらに図２２（ｂ）に示す様に、Ｓ値測定用参照型ＦＥＴのサブスレッショルド領域のある電流ポイント（通例１０μＡ程度）に定電流源で固定するが、非常に小さい振幅を持つことから、交流源から振幅（Ｉ_１）の交流信号を入力して、ゲート電圧の交流振幅（Ｖ_１）を測定することでＳ値を求めることができる。これにより、２〜５ＭＧｙの高い放射線積算線量を測定することができる。本実施例１では、ゲート幅（Ｗｇ）が３００μｍの例を示したが、Ｓ値の計測を容易にするために、ゲート幅（Ｗｇ）が３〜３０ｍｍ程度の幅広なＦＥＴに変更すれば、測定回路の信頼性は向上する。

その理由は、これまでのソース・ドレイン電流の値は、ゲート長（Ｌｇ）が１０〜５０μｍ、ゲート幅（Ｗｇ）が１５０μｍまたは３００μｍのセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとを用いていることに起因している。すなわち、ゲート幅（Ｗｇ）を３〜３０ｍｍ程度に広げることで、ソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）の値を１〜１０ｍＡ等の大きい電流を用いても、ＦＥＴ特性から見れば、サブスレッショルド領域でのソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）をデバイス原理としては用いており、最もソース・ドレイン電流（Ｉｄｓ）が急激に変化する感度の良い領域をセンサ信号取り出しに使用することができる。

センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ、参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ、およびＳ値測定用参照型ＦＥＴのゲート幅（Ｗｇ）は、通例、１００μｍ〜３０ｍｍの範囲で用いている。

本実施例２によるＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴを用いた水素ガスセンサについて図２３を用いて説明する。図２３は、同一の基板上の互いに異なる領域に形成された水素ガスセンサを構成するＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴおよび参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴを示した断面図である。

前述の実施例１では、Ｓｉ基板を用いたので、２１６〜２７０℃での水素応答では、ソース・ドレイン間のリーク電流の増加に伴い、温度補正が必要になる。この温度領域において、リーク電流の効果が見えないセンサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴと参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴとを同一チップ内に形成した水素ガスセンサの一例について説明する。

４度オフｎ型のＳｉＣ基板３９上に、８μｍ程度の厚さのｎ型のエピタキシャル層３８を形成した後、センサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６２と参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６３のそれぞれのｐ型ウェル４３ａ，４３ｂを形成し、ｐ型ウェル４３ａ，４３ｂのウェル電位固定のためのｐ^＋型インプラ層４９と制御電極４６ａ，４６ｂを形成する。さらに、ＳｉＣ基板３９およびｎ型エピタキシャル層３８の電位を固定するためのｎ^＋型インプラ層４２と制御電極４８を形成する。

センサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６２と参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６３のソース層４５ａおよびドレイン層４５ｂをそれぞれ形成した後、２００℃前後におけるしきい値電圧が１．５〜２．５Ｖになる様に、チャネルインプラ層４７ａ，４７ｂを形成する。

前述の実施例１と同様に、チャネルインプラ層４７ａ，４７ｂのイオン注入条件を同じにしない場合には、式（１３）および式（２２）の初期値（ΔＶｔｈ０）にイオン注入条件が異なることに起因する固有の差が発生するので、放射線照射環境下での時間変化には、この差分は残る。しかし、センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとで、放射線効果以外の表３に示すＭＩＳ構造の界面準位密度およびゲート絶縁膜中の固有欠陥密度の差異に寄与するセンサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴと参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴとのしきい値電圧（Ｖｔｈ）の差分の絶対値が３０ｍＶ以内に収まれば、放射線効果は少なくなるので、水素ガス由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）の変化と区別できるので問題はない。

センサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６２のソース層４５ａにはソース電極３１ａが接続され、ドレイン層４５ｂにはドレイン電極３２ａが接続されている。また、参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６３のソース層４５ａにはソース電極３１ｂが接続され、ドレイン層４５ｂにはドレイン電極３２ｂが接続されている。センサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６２と参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６３のゲート絶縁膜３５ａはそれぞれ、１８〜５０ｎｍの範囲で選択している。ゲート絶縁膜３５ａは、例えばＳｉＯ_２からなる。

ソース４５ａおよびドレイン層４５ｂ上に形成したＳｉＯ_２膜３５ｂは、所謂増殖酸化ほどには膜厚が厚くないが、ゲート絶縁膜３５ａに比べるとやや厚い。パッシベーション膜は、例えばＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate）３６、３７およびＳｉ_３Ｎ_４膜３４であり、ＴＥＯＳ３６の厚さは、例えば２００ｎｍ、ＴＥＯＳ３７の厚さは、例えば４００ｎｍである。

ゲート電極３０ａ，３０ｂは、ゲート絶縁膜３５ａ上に、Ｔｉ膜およびＰｔ膜をＥＢ（Electron Beam）蒸着法およびリフトオフ法により形成される。Ｔｉ膜の厚さは、例えば１〜７ｎｍ、Ｐｔ膜の厚さは、例えば１５〜１５０ｎｍ程度である。センサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６２と参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６３との相違点は、センサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ６２では、ゲート電極３０ａ上のＴＥＯＳ膜３６，３７およびＳｉ_３Ｎ_４膜３４を除去して、開口部３３を形成している点である。ゲート電極３０ａ，３０ｂ以外のオーミック電極および配線は、Ａｌ膜などの金属を用いている。

本実施例２では、２５０℃においてもソース・ドレイン間のリーク電流はｎＡのレベルであり、Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴの様に、リーク電流の補正をする必要がないことが最大のメリットである。

図２４は、過酷事故時を模擬した格納容器内での水素ガスの相対濃度および放射線積算線量の過酷事故発生時からの経時変化を示すグラフ図である。放射線積算線量を示す縦軸は、３日間で５ＭＧｙが０．４５に対応する様に記載されている。

図２５は、５ＭＧｙ（３日）の放射線積算線量下の環境で、過酷事故時を模擬した格納容器内で発生した水素ガス照射および放射線照射の条件で、センサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴと参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧の差分（ΔＶｔｈ（ref-s）＝Ｖｔｈ（ref）−Ｖｔｈ（s））の初期値（ΔＶｔｈ０）および上記差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の時間経過を示したグラフ図である。さらに、図２５には、上記差分（ΔＶｔｈ（ref−s）の経過時間に対する時間微分（∂ΔＶｔｈ（ref−s）／∂ｔ）を示している。図中、微分信号基準値を示しているが、原点は上側にずらしている。微分信号基準値から水素以外の放射線効果までの距離が放射線照射に伴う放射線由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフト量を表わしている。

差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の初期値（ΔＶｔｈ０）、差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の時間経過（ゆっくりした時間経過とそれに比べると早い時間変化）、一次微分の微分信号基準値からの差位を考慮して、差分（ΔＶｔｈ（ref−s））の値の補正を行い、水素ガス由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトと放射線由来のしきい値電圧（Ｖｔｈ）のシフトとを切り分けることができる。これにより、水素ガス濃度を正確に導き出すことができる。

さらに、センサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴと参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴのサブスレッショルド領域のある電流ポイント（通例１０μＡ程度）に定電流源で固定するが、図１８に示す２つの直流電流源に、非常に小さい振幅を持つ交流源を付加することで、サブスレッショルド領域のＩ−Ｖ特性の傾き、すなわち、Ｓ値を式（４）〜式（６）を用いて計測することができる。また、図２２（ａ）に示すように、サブスレッショルド領域のある電流ポイントを２点設けて（通例１０μＡと５０μＡ）、その時のゲート電圧とソース・ドレイン電流をそれぞれ測定することで、同様にＳ値を式（４）〜式（６）を用いて計測することができる。これにより、２〜５ＭＧｙの高い放射線積算線量を測定することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。特に、表４に示した様に、各種ＦＥＴのゲート絶縁膜の厚さは、具体的な放射線量の環境に応じて設計することが望ましい。

例えば、Ｐｔ−Ｔｉ−Ｏゲート構造では、Ｔｉの代わりに、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｃｒを用いてもよく、Ｐｔの代わりにＩｒを用いても良く、同様な手法により、ガスセンサを形成できることは言うまでもない。

また、半導体材料としてはＳｉ以外に、ＳｉＣ半導体、ダイヤモンド半導体、ＧａＮ半導体など、あるいはガラス基板上の薄膜トランジスタ（特許文献２参照）へも適用することができる。ＭＩＳＦＥＴ以外の素子構造としては、ＭＩＳキャパシタ（金属−絶縁体−半導体コンデンサ）にも原理的には適用することができる。

２ Ｔｉ改質層
３ 半導体基板
４ ゲート絶縁膜
５ Ｓｉ層
６ 固有欠陥
７ 界面準位
９ 固有欠陥
１０ 界面準位
１９ 開口部
２０ ゲート電極
２１ ソース・ドレイン電極
２３ Ｓｉ_３Ｎ_４膜
２４ ＰＳＧ膜
２５ ゲート絶縁膜
２６ ＰＳＧ膜
２７ ソース・ドレイン領域
２８ 局所酸化膜
２９ 引き出し電極
３０ａ，３０ｂ ゲート電極
３１ａ，３１ｂ ソース電極
３２ａ，３２ｂ ドレイン電極
３３ 開口部
３４ Ｓｉ_３Ｎ_４膜
３５ａ ゲート絶縁膜
３５ｂ ＳｉＯ_２膜
３６，３７ ＴＥＯＳ膜
３８ ｎ型エピタキシャル層
３９ ＳｉＣ基板
４０ 局所酸化膜
４２ ｎ^＋型インプラ層
４３ 半導体層
４３ａ，４３ｂ ｐ型ウェル
４５ａ ソース層
４５ｂ ドレイン層
４６ａ，４６ｂ 制御電極
４７ しきい値電圧調整用のイオン注入層
４７ａ，４７ｂ チャネルインプラ層
４８ 制御電極
４９ ｐ^＋型インプラ層
６０ 放射線
６１ 電子・正孔対
６２ センサＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ
６３ 参照ＳｉＣ−ＭＩＳＦＥＴ
７０，７１ ソースフォロワー回路
７２ 減算回路
７６ 出力信号端子
７７ 直流電流源
７８ 切り替えスイッチ
７９ 出力端子
８０ ゲート電極
８１ 絶縁膜
８２ センサＳｉ−ＭＩＳＦＥＴ
８３ 参照Ｓｉ−ＭＩＳＦＥＴ
８４ Ｓ値測定用参照型ＦＥＴ
８５ ヒータ配線部
８６ 記憶装置
８７ 信号処理装置

Claims (4)

1. 基板上の互いに異なる領域に、第１センサ部と、第２センサ部と、濃度測定部とを有し、
   前記第１センサ部は、
   （ａ１）半導体層、
   （ｂ１）前記半導体層上に形成された第１ゲート絶縁膜、
   （ｃ１）前記第１ゲート絶縁膜上に形成された第１結晶膜、
   （ｄ１）前記第１結晶膜上に形成され、その表面が露出した第１触媒ゲート電極、
   を備え、
   前記第２センサ部は、
   （ａ２）前記半導体層、
   （ｂ２）前記半導体層上に形成された第２ゲート絶縁膜、
   （ｃ２）前記第２ゲート絶縁膜上に形成された第２結晶膜、
   （ｄ２）前記第２結晶膜上に形成され、その表面が露出していない第２触媒ゲート電極、
   を備え、
   前記濃度測定部において、
   （ｉ）前記第１センサ部のしきい値電圧と前記第２センサ部のしきい値電圧との第１差分の時間変化を求め、
   （ii）前記第１差分の初期値、および前記第１差分の時間変化の微分信号から、ガス濃度に由来する第１微分信号と、前記ガス濃度以外に由来する第２微分信号とを分離し、
   （iii）前記第１微分信号から、前記ガス濃度に由来する前記第１センサ部のしきい値電圧と前記第２センサ部のしきい値電圧との第２差分の時間変化を求め、
   （iv）前記第２差分から、前記ガス濃度を求めて、
   前記ガス濃度を測定する、ガスセンサ。
2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記第１結晶膜および前記第２結晶膜は、ＴｉＯｘナノ結晶と酸素ドープＴｉとの混合層からなり、
   前記第１触媒ゲート電極および前記第２触媒ゲート電極は、Ｐｔからなる、ガスセンサ。
3. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記第１ゲート絶縁膜および前記第２ゲート絶縁膜の厚さが、３ｎｍから７２ｎｍである、ガスセンサ。
4. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
   前記第１触媒ゲート電極および前記第２触媒ゲート電極の幅が、１５０μｍから３０ｍｍである、ガスセンサ。