JPH0518935A - ダイヤモンド薄膜イオンセンサ - Google Patents
ダイヤモンド薄膜イオンセンサInfo
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- JPH0518935A JPH0518935A JP3198822A JP19882291A JPH0518935A JP H0518935 A JPH0518935 A JP H0518935A JP 3198822 A JP3198822 A JP 3198822A JP 19882291 A JP19882291 A JP 19882291A JP H0518935 A JPH0518935 A JP H0518935A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 絶縁破壊が発生しにくいと共に、耐浸水性が
優れたダイヤモンド薄膜イオンセンサを提供することを
目的とする。 【構成】 Si基板1には電気絶縁性ダイヤモンドから
なる絶縁膜2が被覆されており、この絶縁膜2上には半
導体ダイヤモンドからなる半導体膜3が形成されてい
る。また、この半導体膜3上には、半導体ダイヤモンド
からなる電極4a,4bが相互に離隔して形成されてい
る。更に、基板1の全面には、電気絶縁性ダイヤモンド
からなる絶縁膜5が形成されている。この場合に、電極
4a,4b間の絶縁膜5がイオン感応膜として作用す
る。
優れたダイヤモンド薄膜イオンセンサを提供することを
目的とする。 【構成】 Si基板1には電気絶縁性ダイヤモンドから
なる絶縁膜2が被覆されており、この絶縁膜2上には半
導体ダイヤモンドからなる半導体膜3が形成されてい
る。また、この半導体膜3上には、半導体ダイヤモンド
からなる電極4a,4bが相互に離隔して形成されてい
る。更に、基板1の全面には、電気絶縁性ダイヤモンド
からなる絶縁膜5が形成されている。この場合に、電極
4a,4b間の絶縁膜5がイオン感応膜として作用す
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は溶液中のイオン濃度を測
定するイオンセンサにおいて、耐化学薬品性、耐熱性及
び耐放射線性等の耐環境性が優れたダイヤモンド薄膜イ
オンセンサに関する。
定するイオンセンサにおいて、耐化学薬品性、耐熱性及
び耐放射線性等の耐環境性が優れたダイヤモンド薄膜イ
オンセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】溶液中のイオン濃度を測定するために、
電界効果型トランジスタを利用したセンサが使用されて
いる。この種のセンサに使用されるトランジスタはイオ
ン感応性電界効果型トランジスタ(Ion Sensitive Fiel
d Effect Transistor ;以下、ISFETという)であ
り、Si電界効果型トランジスタのゲート部にSi
O2、Si3 N4 、Al2 O3 及びTa2 O5 等の絶縁
膜をイオン感応膜として被覆した構造を有している。
電界効果型トランジスタを利用したセンサが使用されて
いる。この種のセンサに使用されるトランジスタはイオ
ン感応性電界効果型トランジスタ(Ion Sensitive Fiel
d Effect Transistor ;以下、ISFETという)であ
り、Si電界効果型トランジスタのゲート部にSi
O2、Si3 N4 、Al2 O3 及びTa2 O5 等の絶縁
膜をイオン感応膜として被覆した構造を有している。
【0003】図6は、従来のISFETを示す模式図で
ある(軽部征夫、日本金属学会会報、第29巻、第 8号、
1990年発行、第637 頁)。
ある(軽部征夫、日本金属学会会報、第29巻、第 8号、
1990年発行、第637 頁)。
【0004】P型シリコン基板11の表面にはN型のソ
ース領域12a及びドレイン領域12bが所定の間隔だ
け離隔して形成されている。このソース領域12a及び
ドレイン領域12b間の基板11上には、SiO2 膜1
3及びSi3 N4 膜14が積層されて形成されている。
そして、このSiO2 膜13及びSi3 N4 膜14が形
成された領域を除く領域の基板11上には絶縁膜16が
形成されている。
ース領域12a及びドレイン領域12bが所定の間隔だ
け離隔して形成されている。このソース領域12a及び
ドレイン領域12b間の基板11上には、SiO2 膜1
3及びSi3 N4 膜14が積層されて形成されている。
そして、このSiO2 膜13及びSi3 N4 膜14が形
成された領域を除く領域の基板11上には絶縁膜16が
形成されている。
【0005】ソース領域12a及びドレイン領域12b
は、夫々電極15a,15bを介して電源18に電気的
に接続される。また、シリコン基板11自体もこの電源
18の負極に接続される。
は、夫々電極15a,15bを介して電源18に電気的
に接続される。また、シリコン基板11自体もこの電源
18の負極に接続される。
【0006】基板11から離隔して、Ag/AgCl電
極17が配置されている。この電極17には電源19か
ら所定の電圧が印加されるようになっている。
極17が配置されている。この電極17には電源19か
ら所定の電圧が印加されるようになっている。
【0007】次に、このように構成されたISFETの
動作について説明する。
動作について説明する。
【0008】ISFETを溶液に浸漬し、ソース・ドレ
イン間に所定の電圧を印加すると共に電極17に所定の
電圧を印加する。そうすると、溶液中のイオンがゲート
絶縁膜(SiO2 膜13及びSi3 N4 膜14)の表面
に付着する。このゲート絶縁膜の表面に付着したイオン
により、半導体基板11の表面に印加される実行ゲート
電圧が変化し、ソース・ドレイン間に流れる電流が変化
する。この電流に基づいて溶液中のイオン濃度を知るこ
とができる。
イン間に所定の電圧を印加すると共に電極17に所定の
電圧を印加する。そうすると、溶液中のイオンがゲート
絶縁膜(SiO2 膜13及びSi3 N4 膜14)の表面
に付着する。このゲート絶縁膜の表面に付着したイオン
により、半導体基板11の表面に印加される実行ゲート
電圧が変化し、ソース・ドレイン間に流れる電流が変化
する。この電流に基づいて溶液中のイオン濃度を知るこ
とができる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のISFETには以下に示す問題点がある。即
ち、ISFETは溶液中で使用されるため、センサと溶
液とは電気的に絶縁されている必要がある。従来のIS
FETにおいては、イオン感応性絶縁膜であるSiO2
膜13が直接溶液と接触すると、膜全体が溶液中の水と
水和してしまうという性質があるため、SiO2 膜上に
Si3 N4 膜又はAl2 O3 膜を積層することが必要で
ある。しかし、このような処理を施しても、従来のIS
FETは溶液中において長時間使用すると、溶液中のO
H- イオンがトランジスタのゲート絶縁膜中に拡散し
て、測定値のドリフト、感度の低下及び応答速度の低下
等の不都合を招来する。また、従来のISFETにおい
ては、センサに印加される電圧によっては絶縁破壊が発
生することもある。
た従来のISFETには以下に示す問題点がある。即
ち、ISFETは溶液中で使用されるため、センサと溶
液とは電気的に絶縁されている必要がある。従来のIS
FETにおいては、イオン感応性絶縁膜であるSiO2
膜13が直接溶液と接触すると、膜全体が溶液中の水と
水和してしまうという性質があるため、SiO2 膜上に
Si3 N4 膜又はAl2 O3 膜を積層することが必要で
ある。しかし、このような処理を施しても、従来のIS
FETは溶液中において長時間使用すると、溶液中のO
H- イオンがトランジスタのゲート絶縁膜中に拡散し
て、測定値のドリフト、感度の低下及び応答速度の低下
等の不都合を招来する。また、従来のISFETにおい
ては、センサに印加される電圧によっては絶縁破壊が発
生することもある。
【0010】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、耐絶縁破壊特性が優れていると共に、長時
間溶液中に浸漬して使用しても性能が劣化しにくくて耐
浸水性が優れているダイヤモンド薄膜イオンセンサを提
供することを目的とする。
のであって、耐絶縁破壊特性が優れていると共に、長時
間溶液中に浸漬して使用しても性能が劣化しにくくて耐
浸水性が優れているダイヤモンド薄膜イオンセンサを提
供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド薄膜イオンセンサは、基板と、この基板上に形成され
た電気絶縁性ダイヤモンドからなる絶縁膜と、この絶縁
膜上に形成された半導体ダイヤモンドからなる半導体膜
と、この半導体膜上に相互に離隔して形成された第1及
び第2の電極と、この第1及び第2の電極間の前記半導
体膜上に形成された電気絶縁性ダイヤモンドからなるイ
オン感応膜とを有することを特徴とする。
ド薄膜イオンセンサは、基板と、この基板上に形成され
た電気絶縁性ダイヤモンドからなる絶縁膜と、この絶縁
膜上に形成された半導体ダイヤモンドからなる半導体膜
と、この半導体膜上に相互に離隔して形成された第1及
び第2の電極と、この第1及び第2の電極間の前記半導
体膜上に形成された電気絶縁性ダイヤモンドからなるイ
オン感応膜とを有することを特徴とする。
【0012】
【作用】ダイヤモンドはSiに比して絶縁破壊電圧が高
いという性質を有している。例えば、Siの絶縁破壊電
圧が 3×105 V/cmであるのに対し、ダイヤモンドの
絶縁破壊電圧は 100×105 V/cmである。本発明にお
いては、イオン感応膜及び半導体膜等の半導体素子材料
として、ダイヤモンドが使用されているため、耐絶縁破
壊特性が優れている。また、ダイヤモンドからなるイオ
ン感応膜は耐水性が優れていると共に、ダイヤモンドか
らなる半導体膜との密着性も良好である。このため、本
発明に係るイオンセンサは、溶液中に長時間浸漬して使
用しても、性能の劣化が殆どなく、耐水性が優れてい
る。
いという性質を有している。例えば、Siの絶縁破壊電
圧が 3×105 V/cmであるのに対し、ダイヤモンドの
絶縁破壊電圧は 100×105 V/cmである。本発明にお
いては、イオン感応膜及び半導体膜等の半導体素子材料
として、ダイヤモンドが使用されているため、耐絶縁破
壊特性が優れている。また、ダイヤモンドからなるイオ
ン感応膜は耐水性が優れていると共に、ダイヤモンドか
らなる半導体膜との密着性も良好である。このため、本
発明に係るイオンセンサは、溶液中に長時間浸漬して使
用しても、性能の劣化が殆どなく、耐水性が優れてい
る。
【0013】
【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。
参照して説明する。
【0014】図1は本発明の第1の実施例に係るダイヤ
モンド薄膜イオンセンサを示す断面図である。
モンド薄膜イオンセンサを示す断面図である。
【0015】Si等の基板1の周囲には絶縁性ダイヤモ
ンドからなる絶縁膜2が形成されており、この絶縁膜2
上には半導体ダイヤモンドからなる半導体膜3が形成さ
れている。また、この半導体膜3上には、半導体ダイヤ
モンドからなる電極4a,4bが相互に離隔して形成さ
れている。更に、この電極4a,4b及び半導体膜3上
を含む基板1の全面には絶縁性ダイヤモンドからなる絶
縁膜5が被覆されている。なお、電極4a,4b間の絶
縁膜5がイオン感応膜である。また、このダイヤモンド
薄膜イオンセンサはホルダ(図示せず)に収納されてお
り、外部から電極4a,4bに電圧を印加することがで
きるようになっている。
ンドからなる絶縁膜2が形成されており、この絶縁膜2
上には半導体ダイヤモンドからなる半導体膜3が形成さ
れている。また、この半導体膜3上には、半導体ダイヤ
モンドからなる電極4a,4bが相互に離隔して形成さ
れている。更に、この電極4a,4b及び半導体膜3上
を含む基板1の全面には絶縁性ダイヤモンドからなる絶
縁膜5が被覆されている。なお、電極4a,4b間の絶
縁膜5がイオン感応膜である。また、このダイヤモンド
薄膜イオンセンサはホルダ(図示せず)に収納されてお
り、外部から電極4a,4bに電圧を印加することがで
きるようになっている。
【0016】次に、このように構成された本実施例のイ
オンセンサの動作について説明する。
オンセンサの動作について説明する。
【0017】本実施例に係るイオンセンサを溶液中に浸
漬すると、ゲート部に形成されたイオン感応膜は溶液中
において水と反応し、このイオン感応膜の表面に水酸基
(−OH)が形成される。このとき、膜の表面は電気的
に帯電した状態になっており、この帯電によりゲート部
に電位が発生する。このイオン感応膜表面の帯電状態は
水素イオン(H+ )濃度により変化する。従って、溶液
中の水素イオン濃度によりイオン感応膜の表面電荷状態
(表面電位)が決定される。これにより、電極4a,4
b間に流れる電流が決定されるため、この電流を測定す
ることによりイオン濃度を知ることができる。
漬すると、ゲート部に形成されたイオン感応膜は溶液中
において水と反応し、このイオン感応膜の表面に水酸基
(−OH)が形成される。このとき、膜の表面は電気的
に帯電した状態になっており、この帯電によりゲート部
に電位が発生する。このイオン感応膜表面の帯電状態は
水素イオン(H+ )濃度により変化する。従って、溶液
中の水素イオン濃度によりイオン感応膜の表面電荷状態
(表面電位)が決定される。これにより、電極4a,4
b間に流れる電流が決定されるため、この電流を測定す
ることによりイオン濃度を知ることができる。
【0018】本実施例においては、半導体膜3及び絶縁
膜5がダイヤモンド薄膜からなるため、イオン感応絶縁
膜の膜質が良好である。また、半導体膜3と絶縁膜5と
の密着性が良好であると共に耐浸水性が優れている。更
に、ダイヤモンドはSiに比して絶縁破壊電圧が高いた
め、センサの耐絶縁破壊性が従来に比して著しく向上す
る。
膜5がダイヤモンド薄膜からなるため、イオン感応絶縁
膜の膜質が良好である。また、半導体膜3と絶縁膜5と
の密着性が良好であると共に耐浸水性が優れている。更
に、ダイヤモンドはSiに比して絶縁破壊電圧が高いた
め、センサの耐絶縁破壊性が従来に比して著しく向上す
る。
【0019】図2乃至図4は本実施例に係るダイヤモン
ド薄膜イオンセンサの製造方法を工程順に示す断面図で
ある。
ド薄膜イオンセンサの製造方法を工程順に示す断面図で
ある。
【0020】先ず、図2に示すように、Si基板1の周
囲に、絶縁膜2として、電気絶縁性ダイヤモンド薄膜を
例えば2μmの厚さで気相合成する。下記表1に、この
絶縁膜2の形成時におけるダイヤモンド薄膜合成条件の
一例を示す。
囲に、絶縁膜2として、電気絶縁性ダイヤモンド薄膜を
例えば2μmの厚さで気相合成する。下記表1に、この
絶縁膜2の形成時におけるダイヤモンド薄膜合成条件の
一例を示す。
【0021】
【表1】
【0022】次に、公知のフォトリソグラフィー技術を
使用して、絶縁膜2上の半導体膜形成予定領域を除く領
域にSiO2 膜からなるマスクを所定のパターンで形成
する。そして、図3に示すように、マスク(図示せず)
が形成されていない領域にP型半導体ダイヤモンド薄膜
を例えば0.5 μmの厚さに形成することにより、半導体
膜3を形成する。その後、前記マスクを除去する。下記
表2に、半導体膜3の形成時におけるダイヤモンド薄膜
合成条件の一例を示す。
使用して、絶縁膜2上の半導体膜形成予定領域を除く領
域にSiO2 膜からなるマスクを所定のパターンで形成
する。そして、図3に示すように、マスク(図示せず)
が形成されていない領域にP型半導体ダイヤモンド薄膜
を例えば0.5 μmの厚さに形成することにより、半導体
膜3を形成する。その後、前記マスクを除去する。下記
表2に、半導体膜3の形成時におけるダイヤモンド薄膜
合成条件の一例を示す。
【0023】
【表2】
【0024】次に、P型半導体膜3上の電極形成領域を
除く領域に、マスクとしてSiO2膜を形成する。その
後、図4に示すように、このマスク(図示せず)に覆わ
れていない領域に半導体ダイヤモンド薄膜を例えば0.2
μmの厚さで形成することにより、電極4a,4bを形
成する。次に、前記マスクを除去する。下記表3に、電
極4a,4b形成時におけるダイヤモンド薄膜の合成条
件の一例を示す。
除く領域に、マスクとしてSiO2膜を形成する。その
後、図4に示すように、このマスク(図示せず)に覆わ
れていない領域に半導体ダイヤモンド薄膜を例えば0.2
μmの厚さで形成することにより、電極4a,4bを形
成する。次に、前記マスクを除去する。下記表3に、電
極4a,4b形成時におけるダイヤモンド薄膜の合成条
件の一例を示す。
【0025】
【表3】
【0026】次いで、図1に示すように、全面に絶縁性
ダイヤモンドからなる絶縁膜5を例えば0.1 μmの厚さ
に形成する。下記表4に、この絶縁膜5形成時における
ダイヤモンド薄膜の成膜条件の一例を示す。
ダイヤモンドからなる絶縁膜5を例えば0.1 μmの厚さ
に形成する。下記表4に、この絶縁膜5形成時における
ダイヤモンド薄膜の成膜条件の一例を示す。
【0027】
【表4】
【0028】その後、ダイシングソーでセンサユニット
を切り離し、このユニットをホルダーに取り付け、金属
電極をワイヤボンディングする。これにより、本実施例
に係るダイヤモンド薄膜イオンセンサが完成する。
を切り離し、このユニットをホルダーに取り付け、金属
電極をワイヤボンディングする。これにより、本実施例
に係るダイヤモンド薄膜イオンセンサが完成する。
【0029】図5は本発明の第2の実施例に係るダイヤ
モンド薄膜イオンセンサを示す断面図である。
モンド薄膜イオンセンサを示す断面図である。
【0030】基板6はAl2 O3 又はSi3 N4 からな
り、この基板6上には絶縁性ダイヤモンドからなる絶縁
膜7が形成されている。また、この絶縁膜7上の所定領
域には、P型半導体ダイヤモンドからなる半導体膜8が
形成されている。そして、この半導体膜8上には、半導
体ダイヤモンドからなる電極9a,9bが相互に離隔し
て形成されている。この電極9a,9b及び半導体膜8
上を含む絶縁膜7上には、絶縁性ダイヤモンドからなる
絶縁膜10が形成されている。なお、電極9a,9b間
の絶縁膜10がイオン感応膜である。
り、この基板6上には絶縁性ダイヤモンドからなる絶縁
膜7が形成されている。また、この絶縁膜7上の所定領
域には、P型半導体ダイヤモンドからなる半導体膜8が
形成されている。そして、この半導体膜8上には、半導
体ダイヤモンドからなる電極9a,9bが相互に離隔し
て形成されている。この電極9a,9b及び半導体膜8
上を含む絶縁膜7上には、絶縁性ダイヤモンドからなる
絶縁膜10が形成されている。なお、電極9a,9b間
の絶縁膜10がイオン感応膜である。
【0031】本実施例においても、第1の実施例と同様
の効果を得ることができる。この場合に、基板6の材質
としてAl2 O3 又はSi3 N4 が使用されているた
め、絶縁性ダイヤモンド薄膜を基板6の全面に被覆しな
くても、十分な耐浸水性を得ることができる。
の効果を得ることができる。この場合に、基板6の材質
としてAl2 O3 又はSi3 N4 が使用されているた
め、絶縁性ダイヤモンド薄膜を基板6の全面に被覆しな
くても、十分な耐浸水性を得ることができる。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係るダイヤ
モンド薄膜イオンセンサは、基板上に形成された絶縁
膜、この絶縁膜上に形成された半導体膜及びイオン感応
膜がダイヤモンドにより形成されているから、絶縁破壊
が発生しにくいと共に長時間溶液中に浸漬して使用して
も性能が劣化しにくくて耐浸水性が極めて優れている。
モンド薄膜イオンセンサは、基板上に形成された絶縁
膜、この絶縁膜上に形成された半導体膜及びイオン感応
膜がダイヤモンドにより形成されているから、絶縁破壊
が発生しにくいと共に長時間溶液中に浸漬して使用して
も性能が劣化しにくくて耐浸水性が極めて優れている。
【図1】本発明の第1の実施例に係るダイヤモンド薄膜
イオンセンサを示す断面図である。
イオンセンサを示す断面図である。
【図2】同じくその製造方法の一工程を示す断面図であ
る。
る。
【図3】同じくその製造方法の一工程を示す断面図であ
る。
る。
【図4】同じくその製造方法の一工程を示す断面図であ
る。
る。
【図5】本発明の第2の実施例に係るダイヤモンド薄膜
イオンセンサを示す断面図である。
イオンセンサを示す断面図である。
【図6】従来のISFETを示す模式図である。
1,6,11;基板 2,5,7,10;絶縁膜 3,8;半導体膜 4a,4b,9a,9b;電極 13;SiO2 膜 14;Si3 N4 膜
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項1】 基板と、この基板上に形成された電気絶
縁性ダイヤモンドからなる絶縁膜と、この絶縁膜上に形
成された半導体ダイヤモンドからなる半導体膜と、この
半導体膜上に相互に離隔して形成された第1及び第2の
電極と、この第1及び第2の電極間の前記半導体膜上に
形成された電気絶縁性ダイヤモンドからなるイオン感応
膜とを有することを特徴とするダイヤモンド薄膜イオン
センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3198822A JPH0518935A (ja) | 1991-07-11 | 1991-07-11 | ダイヤモンド薄膜イオンセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3198822A JPH0518935A (ja) | 1991-07-11 | 1991-07-11 | ダイヤモンド薄膜イオンセンサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0518935A true JPH0518935A (ja) | 1993-01-26 |
Family
ID=16397494
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3198822A Pending JPH0518935A (ja) | 1991-07-11 | 1991-07-11 | ダイヤモンド薄膜イオンセンサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0518935A (ja) |
Cited By (7)
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---|---|---|---|---|
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-
1991
- 1991-07-11 JP JP3198822A patent/JPH0518935A/ja active Pending
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