JPH0395452A - Gas sensitive element - Google Patents

Gas sensitive element

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Publication number
JPH0395452A
JPH0395452A JP23208489A JP23208489A JPH0395452A JP H0395452 A JPH0395452 A JP H0395452A JP 23208489 A JP23208489 A JP 23208489A JP 23208489 A JP23208489 A JP 23208489A JP H0395452 A JPH0395452 A JP H0395452A
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JP
Japan
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oxygen
lanthanum fluoride
electrode
platinum
laf3
Prior art date
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Pending
Application number
JP23208489A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Teruaki Katsube
勝部 昭明
Nobuo Adachi
安達 伸雄
Norio Ishibashi
紀雄 石橋
Izumi Serizawa
和泉 芹澤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Orc Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Orc Manufacturing Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to JP23208489A priority Critical patent/JPH0395452A/en
Publication of JPH0395452A publication Critical patent/JPH0395452A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To measure the concentration of oxygen as well as ozone at ordinary temperatures, and to manufacture and solidify an element on a semiconductor substrate during processing thereof by forming a layer of lanthanum fluoride having the atomic composition ratio of La:F=1:2-1:3 on said semiconductor substrate. CONSTITUTION:An n-type silicon substrate n-Si is heated in dried O2, on which SiO2 is formed. Lanthanum fluoride LaF3 is laminated thereover through high frequency sputtering. The lanthanum fluoride has the atomic composition ratio of La:F=1:2-1:3. Further, an electrode 1 as a film having the intermediate characteristic of platinum and platinum black is laminated which can secure an electric conduction with a Pt leading wire with a large surface area and high activation, and the Pt wire is bonded. When the obtained element is left in the atmosphere containing O2 or O3, O2 or O3 is adsorbed by the electrode 1. The adsorbing effect is high and considerably active enough to allow LaF3 to trap O2 or O3 as an oxygen ion O<2->. The composition ratio of LaF3 makes it possible to maintain and form a crystal as the trap center.

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、酸素0■並びにオゾン03に感応ずるガス感
応素子に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION "Field of Industrial Application" The present invention relates to a gas-sensitive element sensitive to oxygen 0 and ozone 0.

「従来の技術」 現在実用化されている酸素センザは、大別すると室温動
作用と高温動作用とがあり、室温動作用の代表的なもの
としてはクラーク(Clark )型酸素センサやガル
ハニ電池型酸素センサが知られるところであり、又高温
動作用として安定化ジルコニア酸素センサが提案されて
いる。クラーク型酸素センサは、作用極として作動する
白金(pt)を用いたカソードと、該カソードと対極の
銀(Ag)を使用したアノードとの二つの電極を電解溶
液としての塩化カリウム水溶液(KCR水溶液)中に配
設し、測定対象の酸素をテフロンやポリエチレン等の酸
素透過性を呈する隔膜がら電解溶液中に取込むようにし
たものである。そして、カソート電極の電位を−0.2
V程度にすると、次の電極反応が始まる。
``Prior Art'' Oxygen sensors currently in practical use can be roughly divided into those for room temperature operation and those for high temperature operation. Representative ones for room temperature operation are the Clark type oxygen sensor and the Garhani cell type. Oxygen sensors are known, and stabilized zirconia oxygen sensors have been proposed for high temperature operation. The Clark-type oxygen sensor has two electrodes: a cathode made of platinum (PT) that acts as a working electrode, and an anode made of silver (Ag) that acts as a counter electrode to the cathode. ), and the oxygen to be measured is taken into the electrolytic solution through a diaphragm exhibiting oxygen permeability such as Teflon or polyethylene. Then, the potential of the cathode electrode was set to −0.2
When the voltage is set to about V, the next electrode reaction begins.

カソード: Ox + 2 HzO + 4 e− →
4 (OH)アノード: 4Ag+ 4 C2− →4
八gcl+4e電源電圧を通常−0.6V〜−〇.8■
に設定して限界電流の大きさを測定し、この限界電流の
大きさから酸素濃度を検出するものである。つまり、一
般に電解反応は分解電圧EA  (上記では−0.2■
)を越えたときに起り、ある限界電圧EB以上の電圧(
上記では−〇.6V乃至−0. 8 V )を加えても
限界電流1.がある値以上にならない(これを限界電流
という)。この分解電圧EA,限界電圧EB及び限界電
流■おは、電解溶液中に存在するイオンの種類や濃度に
よって異なり、各イオンに特有の値を持っていて、標準
溶液中で予めこれらの値EA.EB,IBを測定してお
けば、分解電圧EAからイオンの種類を、又限界電流I
Bからイオンの濃度を検出でき、従って、上記クーラク
型酸素センサにおいて限界電流を計測することで、酸素
濃度を検出することができるものである。
Cathode: Ox + 2 HzO + 4 e- →
4 (OH) anode: 4Ag+ 4 C2- →4
8gcl+4e power supply voltage is usually -0.6V to -0. 8■
is set to measure the magnitude of the limiting current, and the oxygen concentration is detected from the magnitude of this limiting current. In other words, in general, the electrolytic reaction has a decomposition voltage EA (-0.2■
) occurs when the voltage exceeds a certain limit voltage EB (
In the above -〇. 6V to -0. Even if 8 V) is applied, the limiting current 1. The current cannot exceed a certain value (this is called the limiting current). The decomposition voltage EA, limit voltage EB, and limit current (2) vary depending on the type and concentration of ions present in the electrolytic solution, and each ion has a unique value, and these values EA. If EB and IB are measured, the type of ion can be determined from the decomposition voltage EA, and the limiting current I
The concentration of ions can be detected from B, and therefore, the oxygen concentration can be detected by measuring the limiting current in the Coolak type oxygen sensor.

又、ガルハニ電池型酸素センサぱ、上記クラーク型酸素
センサが外部に電圧回路を要するのに対して、電解槽自
体に内部起電力を持つもので、電解溶液として水酸化カ
リウム(KOH )水溶液、作用極として作動するカソ
ードに白金(pt) 、対極のアノードに鉛(Pb) 
、隔膜にテフロンを用い、テフロン膜を透過させて酸素
を電解溶液中に取込むものである。そして、次の電極反
応によって起電力が生ずる。
Also, unlike the Clark type oxygen sensor, which requires an external voltage circuit, the Galhani cell type oxygen sensor has an internal electromotive force in the electrolytic cell itself, and uses a potassium hydroxide (KOH) aqueous solution as the electrolytic solution. Platinum (PT) is used as the cathode that acts as the electrode, and lead (Pb) is used as the counter anode.
, Teflon is used for the diaphragm, and oxygen is taken into the electrolytic solution by passing through the Teflon membrane. Then, an electromotive force is generated by the next electrode reaction.

カソード:02+2H20 +4e一→4(011)?
ノード: 2 Pb−+ 2 Pb”+ 4 e2 P
b”+4 (OH)−→2 Pb (OH) 2この反
応速度は酸素濃度に比例するので、二つの電極間を抵抗
で結線すれば、電流の大きさから酸素濃度が検出できる
ものである。一方、安定化ジルコ二酸素センサは、酸化
ジルコニウム(ZrO■)に酸化カルシウム(CaO 
)を固容したタイプと、同様にZrOzに酸化イッ1ヘ
リウム(Y203 )を固容したタイプなどがある。何
れのタイプのものも、円筒状に或形して空気中に置き、
孔内部には300゜C以上に過熱した測定対象の雰囲気
を注入する。安定化ジルコニアは○−イオンしか通過さ
せないので、円筒状の外面と内面との0■の分圧比に応
じた電位差が生して平衡状態になり、この電位差を計測
すれば、雰囲気中の酸素濃度を検出することができる。
Cathode: 02+2H20 +4e1→4(011)?
Node: 2 Pb-+ 2 Pb”+ 4 e2 P
b''+4 (OH)-→2 Pb (OH) 2 This reaction rate is proportional to the oxygen concentration, so if the two electrodes are connected with a resistor, the oxygen concentration can be detected from the magnitude of the current. On the other hand, a stabilized zirconium oxygen sensor uses calcium oxide (CaO) on zirconium oxide (ZrO).
) and another type that similarly solidifies 11helium oxide (Y203) in ZrOz. Either type is shaped into a cylinder and placed in the air.
The atmosphere of the object to be measured heated to 300°C or higher is injected into the hole. Stabilized zirconia allows only ○- ions to pass through, so a potential difference is created between the outer and inner surfaces of the cylinder according to the partial pressure ratio of 0, resulting in an equilibrium state.If this potential difference is measured, the oxygen concentration in the atmosphere can be determined. can be detected.

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、上記クラーク型酸素センサやガルハニ電
池型酸素センサは、電解溶液を必要とするため、電極や
隔膜等の劣化に伴い寿命が著し《短い。一方、ジルコニ
ア酸素センサは、電解溶液を必要としないが、動作温度
が300゜C以上と高く、高温下での温度制御等を行う
ための付帯装置を必要とし、現在要望されている常温で
かつ容易に計測し得るといった条件を満足し得るもので
はなく、又半導体の製法プロセスとは整合せず、一体化
による小型化は困難である。
"Problems to be Solved by the Invention" However, since the Clark type oxygen sensor and the Galhany cell type oxygen sensor require an electrolytic solution, their lifespan is extremely short due to deterioration of the electrodes, diaphragm, etc. On the other hand, zirconia oxygen sensors do not require an electrolytic solution, but their operating temperature is as high as 300°C or higher, and they require additional equipment to control the temperature at high temperatures. It does not satisfy the condition of being easily measurable, and it also does not match the semiconductor manufacturing process, making it difficult to miniaturize through integration.

そこで、本発明は、上記事情に鑑ノなされたもので、常
温でオゾンはもとより酸素濃度を計測でき、又半導体プ
ロセス上で製作し得て固体化を図ることのできるガス感
応素子を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a gas sensing element that can measure the concentration of not only ozone but also oxygen at room temperature, and that can be manufactured using a semiconductor process and solidified. With the goal.

「課題を解決するための手段並びに作用」本発明は、上
記目的を達或ずべく、請求項(1)では半導体基板上に
フッ化ランタンを成層し、かつ該フッ化ランタンにおけ
るフッ素:ランタンの原子組威比が1:2〜1:3から
或り、上記フッ化ランタンの層上には白金と白金黒との
中間性状の電極を積層し、該白金と白金黒との中間性状
の電極で吸着された酸素分子やオゾン分子を活性化し、
?温において上記フッ化ランタンの捕獲中心に酸素イオ
ンを捕獲させるようにしたものである。請求項(2)で
は半導体基板とフッ化ランタンとの間に絶縁層を介在さ
せたものである。
"Means and operations for solving the problem" In order to achieve the above object, the present invention in claim (1) includes layering lanthanum fluoride on a semiconductor substrate, and in which fluorine:lanthanum in the lanthanum fluoride is layered. An electrode having an atomic composition ratio of 1:2 to 1:3 and having an intermediate property between platinum and platinum black is laminated on the lanthanum fluoride layer, and an electrode having an intermediate property between platinum and platinum black. Activates adsorbed oxygen molecules and ozone molecules,
? At high temperatures, oxygen ions are captured at the capture center of the lanthanum fluoride. In claim (2), an insulating layer is interposed between the semiconductor substrate and the lanthanum fluoride.

「実施例」 以下に、本発明に係るガス感応素子の実施例を図面に基
づき説明する。第1図は第1実施例の構造を示すもので
、図中n−Siはn型シリコンの基板である。該基板n
−Siのウエハー厚は450μm程度のものを使用して
おり、基板n−Siをドライ02中において加熱して、
該基板n−Si上にシリコンの酸化111sio■を形
或する。シリコンの酸化膜Si02上にはフッ化ランタ
ンLaF3を高周波スパッタリングにて積層する。フッ
化ランタンLaF3の或膜状態は、スパッタリングの条
件を変えて行ったところ、下記に示す第1表の如き実験
データが得られた。
"Example" Below, an example of the gas sensing element according to the present invention will be described based on the drawings. FIG. 1 shows the structure of the first embodiment, and n-Si in the figure is an n-type silicon substrate. The substrate n
-Si wafer thickness is about 450 μm, and the n-Si substrate is heated in dry 02.
A silicon oxide layer (111sio) is formed on the n-Si substrate. Lanthanum fluoride LaF3 is laminated on the silicon oxide film Si02 by high frequency sputtering. When a film of lanthanum fluoride LaF3 was formed under different sputtering conditions, experimental data as shown in Table 1 below was obtained.

第1表 LaF3のスバッタ戒膜 即ち、スパッタリングのパラメータの設定につき、八r
(アノレコ゛ン)ガス圧を80mtorr , 20m
torr5 mtorrの3種類とし、それぞれの場合
において、スパッタパワー(陽極電圧・電力)を1. 
5 K V・120W,1.25KV・80W, 1.
 O K V・50W,0.8KV・30W、0. 6
 K V・20Wの5段階で行ない、従って或膜条件の
設定には、3種類×5段階のl5種類の条件設定とした
。その結果、上記第l表の如く、0. 6 K V・2
0Wのスパッタパワーでは放電はするがフッ化ランタン
LaF3の膜の戒長は観測できなかった。一方、スパッ
タバワーが高くなる程、スパッタレートが増すが、戒膜
する面積が狭くなり、このため均一性が悪化する。スパ
ンタパワーが小さい方が均一性は増すが、0. 8 K
 V・30W未満では不安定な放電となって、或膜され
ず、第1表の如く二重丸印の条件で最良で、丸印からΔ
印に至るに従って均一性が低下する。本実施例における
後述のデータは、Arガス圧80mtorr ,スバッ
タパワー]..5KV・ 120Wとして膜厚が100
0人のものを採用してあるが、膜厚として500人〜3
000人ぐらいが適当と思われ、使用条件等により適時
選定すればよい。上記フッ化ランタンLaF.の膜上に
は、白金ptをスパッタリングにて積層して一方の電極
1とずる。電極1は、酸素を活性化するための作用極と
して動作させるためのもので、フッ化ランタンLaF*
の膜上全域に亙って形或し、又は使用条件等により所定
の範囲のみ積層することも可能である。電極1は、酸素
を吸着して活性化を図るためのものであるから、表面積
が大きくかつ活性化が高いものが良く、この条件を満た
ずものとしては白金黒が理想的である。しかしながら、
完全な白金黒であると、引き出し線としてボンディング
する白金pt線との電気的導通状態を充分確保できない
。そこで、白金と白金黒との中間性状を呈する膜として
積層したものである。本実施例における後述のデータは
、白金と白金黒との中間性状の電極1を100人の膜厚
で或膜させた資料を採用している。上記白金と白金黒と
の中間性状を呈する層には、白金pt線をボンディング
する。
Table 1 Regarding setting of LaF3 sputtering film, that is, sputtering parameters, 8r
(Anoreco) Gas pressure 80mtorr, 20m
torr5 mtorr, and in each case, the sputtering power (anode voltage/power) was set to 1.
5KV・120W, 1.25KV・80W, 1.
OK V・50W, 0.8KV・30W, 0. 6
The test was carried out in 5 stages of KV and 20W, and therefore, the film conditions were set in 15 types (3 types x 5 stages). As a result, as shown in Table 1 above, 0. 6K V・2
At a sputtering power of 0 W, discharge occurred, but the length of the lanthanum fluoride LaF3 film could not be observed. On the other hand, as the sputtering power becomes higher, the sputtering rate increases, but the area covered by the film becomes narrower, which deteriorates the uniformity. The smaller the spanner power is, the better the uniformity will be, but if the spanner power is smaller, the uniformity will be higher. 8K
If the voltage is less than 30W, the discharge becomes unstable and no film is formed.
The uniformity decreases as the mark is reached. The data described below in this example is as follows: Ar gas pressure 80 mtorr, spatter power]. .. The film thickness is 100 at 5KV/120W.
0 people is used, but the film thickness is 500 people to 3
Approximately 1,000 people is thought to be appropriate, and may be selected at an appropriate time depending on usage conditions, etc. The above lanthanum fluoride LaF. On the film, platinum PT is laminated by sputtering and separated from one electrode 1. Electrode 1 is intended to operate as a working electrode for activating oxygen, and is made of lanthanum fluoride LaF*.
It is also possible to laminate the laminate over the entire surface of the film, or only in a predetermined range depending on the usage conditions. Since the electrode 1 is for adsorbing oxygen and activating it, it is preferable to have a large surface area and high activation, and if this condition is not met, platinum black is ideal. however,
If it is completely platinum black, it will not be possible to ensure sufficient electrical continuity with the platinum PT wire to be bonded as a lead wire. Therefore, it is laminated as a film exhibiting properties intermediate between platinum and platinum black. The data to be described later in this example uses data obtained by forming an electrode 1 having intermediate properties between platinum and platinum black to a thickness of 100 people. A platinum PT wire is bonded to the layer exhibiting intermediate properties between platinum and platinum black.

一方、基板n−Sjの裏面には、他方の対を為す?極と
して蒸着やスパッタリング等によりオー旦ツタコンタク
トのアルミ層Mを形或し、該アルご層Mに白金pt線等
の引き出し線2をボンディングする。その後白金ptと
白金黒との中間性状を呈する電極■乃至フッ化ランタン
LaF.の層以外をカハー材で被覆する。カバー材とし
てはPSG(Phospho Silicate Gl
ass )が好適である。
On the other hand, the other pair is formed on the back side of the substrate n-Sj. An aluminum layer M with an overlapping contact is formed as a pole by vapor deposition, sputtering, etc., and a lead wire 2 such as a platinum PT wire is bonded to the aluminum layer M. Thereafter, electrodes 1 to lanthanum fluoride LaF. Cover the other layers with Caher wood. The cover material is PSG (Phospho Silicate Gl).
ass) is preferred.

そして、」二記第1実施例のガス感応素子を酸素0■や
オゾン03を含む雰囲気中に臨ませれば、白金ptと白
金黒との中間性状を呈ずる電極1に酸素0。
Then, when the gas sensing element of the first embodiment described in Section 2 is exposed to an atmosphere containing zero oxygen or ozone, the electrode 1, which exhibits properties intermediate between platinum pt and platinum black, will have zero oxygen.

やオゾン03が吸着する。該電極1ば白金ptと白金黒
との中間性状を呈して微小な凹凸を有する所謂蜂の巣の
如き状態になっていて表面積が大きいことから、吸着効
果が高く、又白金黒と同様に、上記酸素0■やオゾン0
3をフッ化ランタンLaF 3に酸素イオン02″ と
して捕獲させるのに充分な活性化を呈する。フッ化ラン
タンLaF.は、F−が欠けるショットキー型欠陥を持
つイオン結晶で、しかもFイオンが上記酸素イオン02
−のイオン半径と略同して1.4人である。従って、上
記酸素イオンO2ば、フッ化ランタンLaF3の結晶中
においてF一の欠落部に捕獲されるものと考えられ、こ
のF一の欠落部が02−の捕獲中心になっているものと
思われる。フッ化ランタンLaFzは、上記の如く、F
の欠落部が捕獲中心となるものと思われるので、La:
Fの原子組成比が1=2〜1:3の範囲であれば、結晶
性を充分維持し得てかつ02−を捕獲し得る層として形
戒が可能である。又このガス感応素子はシリコンStの
酸化膜SiO。及びフッ化ランタンLaF*を誘電層と
するM I S (Metal InsulaterO
xide Semiconductor)ダイオード構
造であり、第2図に示す如く、印加電圧により容量が変
化し、MISダイオード特性を示す。酸素02雰囲気中
では気相/Pt (電極1) /LaF.,の三相界面
で1/2・02 (gas) + 2 e− ;=!Q
”−の反応により酸素イオン02−による界面電位が生
し、印加電圧を低下させる。従って、Si基板に反転層
を生ずるしきい値電圧が正電位側へ変化する。つまり酸
素分圧に応したフッ化ランタンLaFzに捕獲された0
2−の量によってダイオード特性が変化し、この変化量
によって酸素濃度を検出することができる。この変化量
をデータに取れば、第3図に示す如きものが得られた。
and ozone 03 are adsorbed. The electrode 1 exhibits an intermediate property between platinum PT and platinum black, and has a so-called honeycomb-like state with minute irregularities, and has a large surface area, so it has a high adsorption effect, and like platinum black, it has a high adsorption effect on the oxygen. 0 ■ and ozone 0
It exhibits sufficient activation to cause lanthanum fluoride LaF3 to capture 3 as oxygen ions 02''.Lanthanum fluoride LaF. oxygen ion 02
It is approximately the same as the ionic radius of -, which is 1.4 people. Therefore, it is thought that the above oxygen ion O2 is captured in the missing part of F1 in the crystal of lanthanum fluoride LaF3, and this missing part of F1 is thought to be the center of capture of 02-. . As mentioned above, lanthanum fluoride LaFz is F
It seems that the missing part of is the center of capture, so La:
If the atomic composition ratio of F is in the range of 1=2 to 1:3, it is possible to form a layer that can sufficiently maintain crystallinity and capture 02-. Further, this gas sensing element is an oxide film of silicon St (SiO). and lanthanum fluoride LaF* as a dielectric layer.
As shown in FIG. 2, the capacitance changes depending on the applied voltage and exhibits MIS diode characteristics. In an oxygen 02 atmosphere, the gas phase/Pt (electrode 1)/LaF. , at the three-phase interface 1/2・02 (gas) + 2 e- ;=! Q
The reaction of ``-'' generates an interfacial potential due to oxygen ions 02-, which lowers the applied voltage. Therefore, the threshold voltage that creates an inversion layer on the Si substrate changes to the positive potential side. 0 captured by lanthanum fluoride LaFz
The diode characteristics change depending on the amount of 2-, and the oxygen concentration can be detected based on this amount of change. If this amount of change was taken as data, something like the one shown in FIG. 3 was obtained.

第3図のデータは、1分当たり300ccの各種の濃度
の酸素02を試験チャンバ内に注入させた時の応答波形
を示す特性図である。又、酸素濃度を検出するに当たり
上記の如<02−がフッ化ランタンLaF3の捕獲中心
に捕獲されると、電位差が生しるので、この電位差を計
測し、又はこの電位差に基づき、両電極間に接続した外
イ1けの抵抗に流れる電流の値を計測することによって
も酸素やオゾンの濃度を検出することができる。
The data in FIG. 3 is a characteristic diagram showing the response waveform when oxygen 02 of various concentrations at 300 cc per minute was injected into the test chamber. In addition, when detecting the oxygen concentration, as described above, when <02- is captured at the capture center of lanthanum fluoride LaF3, a potential difference is generated, so this potential difference is measured, or based on this potential difference, a The concentration of oxygen or ozone can also be detected by measuring the value of the current flowing through a single resistor connected to the outside.

第4図及び第5図は、第2実施例を示すもので、半導体
基板として450μmの膜厚でp型のシリコンウエハー
を用い、該半導体基板p−Si上に、上記第1実施例と
同様に膜厚が1000人のフッ化ランタンLaFzをス
パッタリングにより積層する。フッ化ランタンLaF3
の原子組成比La:Fは1:2〜1:3にしてあること
も上記第1実施例と同様である。フッ化ランタンLaF
3の膜上には、白金ptをスパッタリングにて積層する
が、本実施例におい11 12 ても、第1実施例と同一条件にて白金と白金黒との中間
性状を呈する電極1として、100人の膜厚に積層する
。該電極1には引き出し電極3としてのアルミMをポン
ディングする。一方、基板pSiの裏面に膜厚が500
0人のオー5 ツタコンタクトのアルミ層Mをスパッタ
リングや蒸着にて積層し、アル5M層には引き出し線2
をボンディングする。更に検知面となる白金と白金黒と
の中間性状を呈する電極1の部分を除いてpsc (カ
バー材として使用)にて被覆する。
4 and 5 show a second embodiment, in which a p-type silicon wafer with a film thickness of 450 μm is used as the semiconductor substrate, and on the semiconductor substrate p-Si, similar to the first embodiment, Lanthanum fluoride LaFz having a film thickness of 1000 nm is laminated by sputtering. Lanthanum fluoride LaF3
Similarly to the first embodiment, the atomic composition ratio La:F is set to 1:2 to 1:3. Lanthanum fluoride LaF
On the film No. 3, platinum PT is laminated by sputtering. In this example, 11 12 is also used as the electrode 1 exhibiting an intermediate property between platinum and platinum black under the same conditions as in the first example. Laminated to the thickness of a person. The electrode 1 is bonded with aluminum M as an extraction electrode 3. On the other hand, there is a film thickness of 500 mm on the back surface of the substrate pSi.
0 person's O5 The aluminum layer M of the ivy contact is laminated by sputtering or vapor deposition, and the lead wire 2 is attached to the Al5M layer.
Bonding. Further, the electrode 1 is covered with psc (used as a cover material) except for the part of the electrode 1 which becomes the sensing surface and has properties intermediate between platinum and platinum black.

そして、第2実施例においても、第1実施例と同様に酸
素02やオゾン03の含有する雰囲気中では、酸素02
やオヅン03が電極1の白金と白金黒との中間性状の層
で活性化されて、第5図及び第6図に示す如(o2−が
フッ化ランタンLaF3の捕獲中心に捕獲される。02
−がフッ化ランタンLaF3に捕獲されると、ジルコニ
ア酸素センサと同様、〔ここで、const  :定数
、R:気体定数、T:絶対温度、F:ファラデ一定数、
Po2:酸素分圧]の如き電位φ、が生し、この電位φ
,の発生により両電極間に電位差■7が生ずる。又、フ
ッ化ランタンLaF3内に02−が存在すると、02−
の負電荷の作用で基板p−Siの表面電子(少数キャリ
ア)が基板側へ移動し、基板p−Si表面の正札濃度を
増加させる。第7図に示す如く、引き出し電極3つまり
白金と白金黒との中間性状を示す電極1に負電圧を印加
すると、フソ化ランタンLaF3内の02−が他方の電
極であるM層に向って拡散する。
In the second embodiment, as well as in the first embodiment, in an atmosphere containing oxygen 02 and ozone 03, oxygen 02
Odun 03 is activated in the layer with intermediate properties between platinum and platinum black of electrode 1, and as shown in FIGS.
- is captured by lanthanum fluoride LaF3, similarly to the zirconia oxygen sensor, [where const: constant, R: gas constant, T: absolute temperature, F: Faraday constant,
A potential φ such as Po2: oxygen partial pressure] is generated, and this potential φ
, a potential difference 7 occurs between the two electrodes. Moreover, if 02- exists in lanthanum fluoride LaF3, 02-
The surface electrons (minority carriers) of the p-Si substrate move toward the substrate due to the negative charge of the p-Si substrate, increasing the concentration of genuine tags on the surface of the p-Si substrate. As shown in FIG. 7, when a negative voltage is applied to the extraction electrode 3, that is, the electrode 1, which has properties intermediate between platinum and platinum black, 02- in the lanthanum fluoride LaF3 diffuses toward the M layer, which is the other electrode. do.

第8図に示す如く、引き出し電極3に印加ずる電圧をO
■方向に上げてやれば、02−の移動も少なくなり、フ
ッ化ランタンLaFsの誘電率が増加し、これに伴い抵
抗も増加し、又容量が増加する。更に上記印加電圧を正
方向に上げてやればフッ化ランタンLaF3の抵抗の増
加により、基板p−Siからフッ化ランタンLaFzへ
の逆方向の電子の移動が妨げられ、第9図に示す如く、
基板p−Si表面に電子が蓄積して空乏層が生し、M電
極と電極1との間の容量が減少する。この容量変化は、
第1O図に示す如き計測データからも理解することがで
きる。この時、フッ化ランタンLaF3に捕獲される0
2″ の量によって、つまり酸素濃度によって基板p−
Siの正孔濃度が変化しているために、空乏層を生ずる
しきい値電圧も変化することになる。
As shown in FIG. 8, the voltage applied to the extraction electrode 3 is
If it is increased in the direction (2), the movement of 02- will be reduced, the dielectric constant of lanthanum fluoride LaFs will increase, and the resistance and capacitance will increase accordingly. If the applied voltage is further increased in the positive direction, the resistance of the lanthanum fluoride LaF3 increases, which prevents the movement of electrons from the p-Si substrate to the lanthanum fluoride LaFz in the opposite direction, as shown in FIG.
Electrons accumulate on the surface of the p-Si substrate, forming a depletion layer, and the capacitance between the M electrode and the electrode 1 decreases. This capacitance change is
This can also be understood from the measurement data shown in FIG. 1O. At this time, 0 is captured by lanthanum fluoride LaF3.
2", that is, depending on the oxygen concentration, the substrate p-
Since the hole concentration in Si is changing, the threshold voltage that creates a depletion layer will also change.

そこで、本実施例のガス感応素子を80゜Cで加熱した
状態と常温とでオゾンの検出能力を計測すると、第11
図及び第12図に示す如きデータが得られた。測定物で
あるオゾン濃度は何れの場合も1%で流量を10n/m
inに設定し、該雰囲気中の試験チャンハ内にガス感応
素子を配置する。ガス感応素子の両電極間には、酸素濃
度に応じて生ずる電位差に起因して流れる電流値を計測
する計測器5を接続させる。第12図に示す80゜Cに
加熱したガス感応素子によるデータに比較して、常温で
計測したデータの値と応答速度とが低下すると難も、常
温においても充分に計測し得る旨を示している。
Therefore, when measuring the ozone detection ability of the gas sensing element of this example heated at 80°C and at room temperature, the 11th
Data as shown in the figure and FIG. 12 were obtained. In both cases, the ozone concentration to be measured was 1%, and the flow rate was 10n/m.
The gas sensing element is placed in the test chamber in the atmosphere. A measuring device 5 is connected between both electrodes of the gas sensing element to measure the value of current flowing due to the potential difference generated depending on the oxygen concentration. Compared to the data obtained with the gas sensing element heated to 80°C as shown in Figure 12, although the values and response speed of the data measured at room temperature are lower, this shows that measurements can be made satisfactorily even at room temperature. There is.

尚、第12図においてはオゾンの注入を停止して窒素ガ
スN2を注入し、これにより回復特性をも実験した。本
実施例においても、上記容量や電流値?他、両電極間の
電位差及び抵抗値によっても酸素やオゾンの濃度を検出
できることは勿論である。
In addition, in FIG. 12, the injection of ozone was stopped and nitrogen gas N2 was injected, and thereby the recovery characteristics were also tested. In this example as well, the above capacitance and current value? Of course, the concentration of oxygen and ozone can also be detected by the potential difference and resistance value between the two electrodes.

例えば、紫外線ランプによるオゾン発生器と他のオゾン
発生器とによるオゾン濃度を上記計測器5を用いて両電
極間に生ずる電流値と抵抗値を求めると、第13図に示
す如きデータが得られた。
For example, if the ozone concentration generated by an ozone generator using an ultraviolet lamp and another ozone generator is determined by the current value and resistance value generated between the two electrodes using the measuring device 5, data as shown in FIG. 13 will be obtained. Ta.

第14図は第3実施例を示し、第1実施例のシリコン基
板にP型を使用したもので、その他第l実施例の構造と
同一であり、又製法やその時の条件についても第1実施
例及び第2実施例と同一である。そして、雰囲気中から
フッ化ランタンLaFz内に02−を捕獲すると、第2
実施例と同様に02の濃度に応して動作して容量が変化
し、又両電極の電位差,電流,及び抵抗値が変化して雰
囲気中の酸素0■やオゾン0,の濃度を計測できる。こ
の時、酸化膜SiO■は、第15図に示す如く分極作用
を呈し、その他は第2実施例と同じ作用をする。
FIG. 14 shows the third embodiment, in which a P-type silicon substrate is used as the silicon substrate of the first embodiment, and the structure is otherwise the same as that of the first embodiment, and the manufacturing method and conditions are also the same as those of the first embodiment. This is the same as the example and the second embodiment. Then, when 02- is captured from the atmosphere into lanthanum fluoride LaFz, the second
As in the example, it operates according to the concentration of 02, and the capacitance changes, and the potential difference, current, and resistance value of both electrodes change, making it possible to measure the concentration of oxygen 0 and ozone 0 in the atmosphere. . At this time, the oxide film SiO2 exhibits a polarization effect as shown in FIG. 15, and the other functions are the same as in the second embodiment.

第16図は、第4実施例を示すもので、上記第3実施例
の基板p−SiにN型のソース6とドレイン7とを形威
し、該ソース6及びドレイン7に15 16 ?ルくM電極を蒸着により付設させたもので、その他は
第2実施例と同じ製法条件及び構造である。
FIG. 16 shows a fourth embodiment, in which an N-type source 6 and drain 7 are formed on the p-Si substrate of the third embodiment, and the source 6 and drain 7 have 15 16 ? The M electrode is attached by vapor deposition, and the other manufacturing conditions and structure are the same as in the second embodiment.

そして、酸素02又はオゾン03の雰囲気中からフッ化
ランタンLaF 3が02−を捕獲すると、フッ化ラン
タンLaF.lが捕獲した02−により負電位となって
、基板p−St内のソース6とドレイン7間のNチャン
ネルをフッ化ランタンLaF 3の02一濃度に応した
負電位で制御することになる。従って、電tA8により
ソース6及びドレイン7の各アル果M電極間に流れる電
流を、電流計9で計測すれば、酸素0。やオヅン03の
濃度に応した電流値が測定できる。
When lanthanum fluoride LaF 3 captures 02- from the atmosphere of oxygen 02 or ozone 03, lanthanum fluoride LaF. The 02− captured by l becomes a negative potential, and the N channel between the source 6 and drain 7 in the substrate p-St is controlled by a negative potential corresponding to the 02 concentration of the lanthanum fluoride LaF 3. Therefore, if the current flowing between the source 6 and drain 7 electrodes M due to the electric current tA8 is measured by the ammeter 9, oxygen is 0. The current value corresponding to the concentration of Odun 03 can be measured.

尚、本発明は、上記各実施例において、半導体の基板と
してシリコンを用いたが、その他のものでも適用が可能
であり、又P型やN型の何れのものでも可能である。そ
して、感応ガスとして、酸素0■,オゾン03の他に、
N08の濃度測定も可能である。
In the present invention, silicon is used as the semiconductor substrate in each of the above embodiments, but other materials may be used, and either P-type or N-type material may be used. In addition to oxygen 0■ and ozone 03 as sensitive gases,
It is also possible to measure the concentration of N08.

「発明の効果」 以上の如く、本発明に係るガス感応素子によれば、常温
でオゾンはもとより酸素濃度を計測でき、又半導体プロ
セス上で製作し得て固体化を図ることができ、かつ利用
上からも優れた効果を発揮し得るものである。
"Effects of the Invention" As described above, the gas sensing element according to the present invention can measure not only ozone but also oxygen concentration at room temperature, can be manufactured using a semiconductor process, can be solidified, and can be used. It can also be effective from above.

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

図面は本発明に係るガス感応素子の実施例を示し、第l
図は第1実施例のガス感応素子の構造図、第2図は第1
図のガス感応素子の容量一電圧特性図、第3図は第1図
のガス感応素子の各種酸素濃度に対する常温時の応答波
形図、第4図は第2実施例のガス感応素子の構造図、第
5図乃至第9図は第4図のガス感応素子の動作を説明す
る説明図、第10図は第4図のガス感応素子のオゾン及
び窒素ガス中の酸素における容量一電圧特性図、第11
図は第4図のガス感応素子の1%オゾンにおける常温時
の応答波形図、第12図は第4図のガス感応素子の1%
オゾンにおける80゜C時の応答波形図、第13図は第
4図のガス感応素子の常温時におけるオゾン濃度依存性
を示す特性図、第14図は第3実施例のガス感応素子の
構造図、第15図は第14図のガス感応素子の動作を示
す説明図、第16図は第4実施例のガス感応素子の構造
図である。 19 第 tρ加電圧(V)
The drawings show embodiments of the gas-sensitive element according to the invention, and
The figure is a structural diagram of the gas sensing element of the first embodiment, and the second figure is the structural diagram of the gas sensing element of the first embodiment.
Figure 3 is a capacitance-voltage characteristic diagram of the gas sensing element shown in Figure 1, response waveform diagram at room temperature for various oxygen concentrations of the gas sensing element shown in Figure 1, Figure 4 is a structural diagram of the gas sensing element of the second embodiment. , FIGS. 5 to 9 are explanatory views explaining the operation of the gas sensing element shown in FIG. 4, and FIG. 10 is a capacitance-voltage characteristic diagram of the gas sensing element shown in FIG. 4 in ozone and oxygen in nitrogen gas. 11th
The figure shows the response waveform of the gas-sensitive element shown in Fig. 4 in 1% ozone at room temperature, and Fig. 12 shows the response waveform of the gas-sensitive element shown in Fig. 4 at 1% ozone.
A diagram of the response waveform in ozone at 80°C, Figure 13 is a characteristic diagram showing the ozone concentration dependence at room temperature of the gas sensing element of Figure 4, and Figure 14 is a structural diagram of the gas sensing element of the third embodiment. , FIG. 15 is an explanatory diagram showing the operation of the gas sensing element of FIG. 14, and FIG. 16 is a structural diagram of the gas sensing element of the fourth embodiment. 19 tρ applied voltage (V)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)半導体基板上にフッ化ランタンを成層し、かつ該
フッ化ランタンにおけるLa:Fの原子組成比が1:2
〜1:3から成り、上記フッ化ランタンの層上には、白
金と白金黒との中間性状の電極を積層させたことを特徴
とするガス感応素子。
(1) Lanthanum fluoride is layered on a semiconductor substrate, and the atomic composition ratio of La:F in the lanthanum fluoride is 1:2.
~1:3, and an electrode having an intermediate property between platinum and platinum black is laminated on the lanthanum fluoride layer.
(2)半導体基板とフッ化ランタンとの間に絶縁層を介
在させたことを特徴とする請求項(1)記載のガス感応
素子。
(2) The gas-sensitive element according to claim (1), characterized in that an insulating layer is interposed between the semiconductor substrate and the lanthanum fluoride.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63128247A (en) * 1986-11-19 1988-05-31 Seitai Kinou Riyou Kagakuhin Shinseizou Gijutsu Kenkyu Kumiai Metal/insulator/semiconductor capacitor type gaseous oxygen sensor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS63128247A (en) * 1986-11-19 1988-05-31 Seitai Kinou Riyou Kagakuhin Shinseizou Gijutsu Kenkyu Kumiai Metal/insulator/semiconductor capacitor type gaseous oxygen sensor

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