超薄膜半導体ガスセンサーの開発

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超薄膜半導体ガスセンサについて、以下の実験を実施し新たな知見を得た。1.イオンビームスパッタ法で、パイレックス基板上に、厚さ1〜800nmの酸化スズ薄膜を析出させた。これを、500℃、500時間空気中で熱処理し、白金電極をつけてセンサ素子とした。2.秀過型電子顕微鏡により、超薄膜の結晶粒の観察を行い、次ぎの知見を得た。(1)膜厚が100nm以下の結晶粒は板状であり、粒径は100〜300nmと大きい(2)これに反して、膜厚が100nm以上では粒径は〜40nmと小さい。3.300℃において0.5%水素ガスを流し、空気中と水素中における電気特性より、感度、比抵抗、ホール易動度、キャリア密度を求めた。(1)感度は膜厚5〜20nmの範囲で1万倍以上と高い(2)高感度の原因は空気中における電気抵抗が高いことにある(3)ホール易動度は空気中および水素中でほとんど変わらず、一定値 〜6×10^<-4>m^2v^<-1>s^<-1>を持つ(4)キャリア密度は膜厚100nmまでは空気中と水素中でほぼ等しいが、100nm以下の厚さでは、空気中で減少し、水素中で増大し10^<25>-10^<26>m^<-3>で飽和する傾向にある(5)これらの結果より、酸素ガスの表面吸着と水素との反応によるキャリア密度の変化が感度を支配しており、一部は水素による酸化スズの還元効果もあるとの結論を得た。4.基板をパイレックスガラスから、多孔質ムライトに変えて感度に対する膜厚効果を調べた。この結果、膜厚10nm以下では全く感度がでないことがわかった。5.酸化スズに変えて、酸化亜鉛膜についても水素ガスの感度の膜厚依存を調べた。酸化スズと全く異なり、厚い膜ほど感度が良いことが判明した。これは、検知機構の上からは大変重要な知見なので急いで発表し、今後の検討課題としておく。6.成果は、5については公表し、その他については、化学会およびセラミックス協会の講演会で発表し現在雑誌に投稿準備中である。