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ワイドギャップの窒化物半導体を利用した高温動作が可能な高感度ガスセンサー コモンズ

国内特許コード P130010144
掲載日 2013年12月11日
出願番号 特願2013-245916
公開番号 特開2015-102538
出願日 平成25年11月28日(2013.11.28)
公開日 平成27年6月4日(2015.6.4)
発明者
  • 三好 実人
出願人
  • 国立大学法人 名古屋工業大学
発明の名称 ワイドギャップの窒化物半導体を利用した高温動作が可能な高感度ガスセンサー コモンズ
発明の概要 【課題】小型・高性能、且つ信頼性の高いガスセンサーを提供する。
【解決手段】半導体材料上に積層された金属酸化物層をガス感応部として備え、前記半導体材料がIII族窒化物半導体である半導体ガスセンサーであり、III族窒化物半導体が、AlGaN/GaN積層構造を含み、金属酸化物が主成分としてSnO2、ZnO、ZrO2のいずれかまたはそれらの複合材料を含む、ダイオード型もしくは電界効果トランジスタ型の半導体ガスセンサーである。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要



NOxガスは、代表的な有害ガスであり、石油、石炭、ガスなどの化石燃料の燃焼にともなって発生し、その発生源は自動車をはじめ、工場、家庭の厨房施設など、多種多様である。NOxガスによる被害を防ぐためには、ガス排出量を削減する必要であるが、同時に排出される量を正確に検知し制御する技術が重要となっている。また、環境意識が世界的に高まる中、排出ガス規制も年を追って強化されており、それに応えていくために高感度で高速にガス検知するセンサーの重要性がますます増えてくると予想される。





これに対して、昨今、水素ガス検知用に開発が進んでいるシリコン製FET(電界効果トランジスタ)型センサーは、電気信号を増幅できる特性を持つことから、原理的に高感度化し易いという特長を有するほか、小型化が容易で、温度補償回路をワンチップに集積化できることや、コンピュータや各種通信メディアと直結できるなどの特長があり、利便性に優れた次世代型のセンサーとして期待されている(特許文献1参照)。しかしながら、シリコン製FET型センサーはその材料特性から動作温度が100℃程度に制限されている。これは、ガス感応部に用いる触媒金属や酸化物半導体などが100℃以上でもその機能を発揮することを考えると、ガスセンサー自体の感度向上を制限しているといわざるをえない。





このような問題に対し、半導体にSiCを、酸化物層にSnOを用いたMOS(金属-酸化物-半導体)ダイオード型センサーが報告されている(非特許文献1)。SiCは、シリコンに比べ高温動作が可能なワイドギャップ半導体であり、触媒金属や酸化物半導体がその効力を発揮する温度域でも十分使用できる。MOSダイオード構造の逆方向電流は極微量のガスに晒された場合であっても敏感に反応するので、単なる電気抵抗変化だけで検知する従来のガスセンサーに比べ、より高感度なガス検知能が期待できる。また、ダイオード構造は、トランジスタ構造に比べ、動作電源が少なく且つ簡易な回路で動作させることができるという特長も備えている。





一方、より高性能なガスセンサーを得るには、2端子素子のMOSダイオードではなく、3端子素子であるトランジスタ構造を用いてガス検知による電気的信号を増幅することが望まれる。しかしながら、酸化膜界面品質の観点から、信頼性の高いSiC製MOSトランジスタを製造することは容易ではなく、MOSトランジスタ構造としてSiCがガスセンサーに用いられた事例は無い。また、SiC単結晶はシリコンに比べ非常に高価であることに加え、SiCを用いたデバイス作製プロセスは、シリコンの融点以上の1500℃以上という高温が必要であり、結果としてシリコンデバイスとの集積化も困難である。従って、SiCを用いたガスセンサーは、原理的に優れた性能が予想されるとはいえ、小型・高性能で且つ利便性に優れるセンサーとしてはあまり期待できない状況となっている。





SiCとは異なり、GaNは、気相成長技術を用いてシリコン基板上に直接半導体薄膜を形成できるほか、デバイス作製プロセスも簡便でプロセス温度も数100℃程度と比較的低いため、GaN製センサー部のみ高温にするマイクロヒーターを集積するなどの工夫により、既存のシリコンデバイスやICと集積化することも容易である。さらに、GaN系のような化合物半導体は混晶化合物を作ることができる。そして、これを用いて、高温動作が可能であり、より高性能なFETを実現することができる。

産業上の利用分野



本発明は、ガスセンサー、特にNOセンサーに関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
半導体材料上に積層された金属酸化物層をガス感応部として備え、前記半導体材料がIII族窒化物半導体であることを特長とする半導体ガスセンサー。

【請求項2】
前記III族窒化物半導体が、n型GaNを含む、請求項1に記載の半導体ガスセンサー。

【請求項3】
]前記III族窒化物半導体が、AlGaN/GaN積層構造を含む、請求項1に記載の半導体ガスセンサー。

【請求項4】
前記金属酸化物が、主成分としてSnO2、ZnO、ZrO2のいずれかまたはそれらの複合材料を含む、請求項1~3のいずれかに記載の半導体ガスセンサー。

【請求項5】
前記ガス感応部である金属酸化物上に金属材料からなるアノード電極を備え、前記半導体材料に金属材料からなるカソード電極を備えた半導体ダイオードであって、前記半導体ダイオードの主電流回路に一定電圧を印加し、主電流値の増減もしくは前記金属酸化物の電気容量変化によりガスを検知する、請求項1~4のいずれかに記載のダイオード型半導体ガスセンサー。

【請求項6】
前記ガス感応部である金属酸化物上に金属材料からなるゲート電極を備え、前記半導体材料に金属材料からなるソース電極ならびにドレイン電極を備えた電界効果トランジスタであって、前記電界効果トランジスタのソース電極を接地状態とし、且つドレイン電極ならびにゲート電極に各々一定電圧を印加し、ソース電極とドレイン電極間を導通する主電流の増減によりガスを検知する、請求項1~4のいずれかに記載の電界効果トランジスタ型半導体ガスセンサー。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 公開
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