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ヘテロエピタキシャルダイヤモンド電界効果トランジスタを利用した耐環境バイオセンサ

研究課題

研究課題/領域番号 09555103
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分展開研究
研究分野 電子・電気材料工学
研究機関早稲田大学

研究代表者

川原田 洋  早稲田大学, 理工学部, 教授 (90161380)

研究分担者 山下 敏  東京ガス(株), フロンティアテクノロジー研究所, グループリーダ
庄子 習一 (庄司 習一)  早稲田大学, 理工学部, 教授 (00171017)
研究期間 (年度) 1997 – 1999
研究課題ステータス 完了 (1999年度)
配分額 *注記
12,000千円 (直接経費: 12,000千円)
1999年度: 2,300千円 (直接経費: 2,300千円)
1998年度: 3,600千円 (直接経費: 3,600千円)
1997年度: 6,100千円 (直接経費: 6,100千円)
キーワードヘテロエピタキシャルダイヤモンド / 多結晶ダイヤモンド / FET / ISFET / イオンセンサ / バイオセンサ / 閾値電圧 / ネルンスト応答 / 電解質水溶液 / 参照用FET / 水素終端表面 / イオン感応性ダイヤモンドFET / ヘテロエピタキシャルダイヤモンド成膜 / イオン感応性ダイヤモンドFET作製 / センサー特性評価 / センサー回路形成、システム設計
研究概要

本研究では,電気化学的に耐久性のある水素終端ダイヤモンド表面上に,イオン感応性FET(ISFET)を形成し,これをバイオセンサーのトランスデューサとして機能させ,従来のSi MOSFETと比較し,より堅牢なセンサーの試作検討を3ヵ年にて行った.
1.解質溶液をゲートとしたFETを水素終端ダイヤモンド表面上に作製した.このFETのゲート部は,ダイヤモンド水素終端表面を直接電解質水溶液にさらしたもので,溶液とソースの電位差がゲートバイアスとなる.半導体表面を直接液体電解質にさらした構造のFETとしては世界ではじめてのもので,従来のISFETよりも高い電流駆動能力が得られる.
2.作製された電解質ゲートFETは,ホモエピタキシャルダイヤモンドやヘテロエピタキシャルダイヤモンドのみならず,成膜が容易な多結晶ダイヤモンドでも,理想的な静特性をしめした.
3.作製されたFETは,完全なピンチオフとドレイン電流の飽和を示し,オフ時の漏れ電流が極めて少なく,オンオフの電流比が4桁以上ある.さらに、pH1からpH14まで上記の特性で安定に動作した.
4.閾値電圧の溶液pH依存性を調査した結果,閾値電圧は電解質のpHに対してネルンスト応答せず,一定の閾値電圧をとることがわかった.これにより、pHに依存しない表面の上に所望の感応基を設けることが出来る.
5.一方,Cl^-イオン濃度に関しては,濃度が1桁変化するごとにしきい値電圧が30-60mV変化することがわかった.1Mol/Lから10^<-6>Mol/Lの範囲でCl^-イオン濃度の検出が行えることがわかり,Cl^-感応性FETとしての応用が期待される.
以上,耐環境バイオセンサーの基礎デバイスであるダイヤモンド電解質溶液ゲートFETを世界で最初に開発し,過酷な環境での動作確認,さらに微量塩素イオンの検出に成功した.

報告書

(4件)
  • 1999 実績報告書   研究成果報告書概要
  • 1998 実績報告書
  • 1997 実績報告書
  • 研究成果

    (40件)

すべて その他

すべて 文献書誌 (40件)

  • [文献書誌] H.Kawarada et al.: "Surface morphology and surface p-channel field effect transistor on the heteroepitaxial diamond deposited on inclined.-SiC(001)surfaces"Applied Physics Letters. Vol.72. 1878-1880 (1998)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 川原田 洋: "ダイヤモンド電界効果トランジシタの現状と将来"応用物理. 67巻. 128-138 (1998)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] T.Tsugawa and H.Kawarada: "Metal-Semiconductor Field-Effect Transistors on Hydrogen-Terminated Diamond Surfaces"Diamond Films and Technology. Vol.8. 289-297 (1998)

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      「研究成果報告書概要(和文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A.Hokazono et al.: "Surface p-channel metal-oxide-semiconductor field effect transistors fabricated on hydrogen terminated (001)surfaces of diamond"Solid-State Electronics. Vol.43. 1465-1471 (1999)

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    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K.Tsugawa et al.: "High-performance diamond surface-channel field-effect transistors and their operation mechanism"Diamond and Related Materials. Vol.8. 927-933 (1999)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Umezawa et al.: "High-Performance Diamond Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor with 1.m Gate Length"Japan Journal of of Applied Physics. Vol.38. L1222-L1224 (1999)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Tachiki et.al.: "Control of absorbates and conduction on CVD-grown diamond surface,Using scanning probe microscope"Applied Surface Science. Vol.159-160. 578-582 (2000)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Tachiki et.al.: "Nanofabrication on Hydrogen-Terminated Diamond Surfaces By Atomic Force Microscope Probe-Induced Oxidation"Japan Journal of Applied Physics. vol.39. 4631-4632 (2000)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] S.Kano et.al.: "Surface Order Evaluation of the Heteroepitaxial Diamond Film Grown on an inclined -SiC(001)"Japan Journal of Applied Physics. Vol.39. 4372-4373 (2000)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Umezawa et.al.: "Cu/CaF_2/Diamond Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor Utilizing Self-Aligned Gate Fabrication Process"Japan Journal of Applied Physics. Vol.39. L908-L910 (2000)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Kawarada et.al.: "Electrolyte-Solution-Gate FETs Using diamond Surface for Biocompatible Ion Sensors"Physica Status Solidi(a). (in press). (2001)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 川原田 洋 他: "表面伝導層を用いたダイヤモンド電子デバイス"応用物理. (印刷中). (2001)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Kawarada: "Chapter8"Hetero-epitaxy and highly oriented diamond deposition",in Low pressure synthetic diamond:manufacturing and applications"Springer-Verlag. 384 (1998)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Kawarada et al.: "Surface morphology and surface p-channel field effect transistor on the heteroepitaxial diamond deposited on indined. -SiC(001) surfaces"Applied physics Letters. Vol.72. 1878-1880 (1998)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Kawarada: "Diamond field-effect transistor-Its present status and future"Oyobutnin. Vol.67, No.2. 128-138 (1998)

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      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K.Tsugawa and H.Kawarada: "Metal-Semiconductor Field-Effect Transistors on Hydrogen-Terminated Diamond Surfaces"Dianond Films and Technology. Vol.8. 289-297 (1998)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] A.Hokazono et al.: "Surface p-channel metal-oxide-semiconduotor field effect transistors fabricated on hydrogen teminated (001) surfaces of diamond"Solid-State Electronics. Vol.43. 1465-1471 (1999)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] K.Tsugawa et al.: "High-performance diamond surface-channel field-effect transistors and their operation mechanism"Diamond and Related makerials. Vol.8. 927-933 (1999)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Umezawa et al.: "High-Performance Diamond Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor with 1.m Gate Length"Japan Journa of Applied Physics. Vol.38. L1222-L1224

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Tachiki et al.: "Control of adsorbents and conduction on CVD-grown diamond surface, Using scanning probe microscope"Applied Surface Science. Vol.159-160. 578-582 (2000)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] M.Tachiki et al.: "Nanofabrication on Hydrogen-Terminated Diamond Surfaces By Atomic Force Microscope Probe-Induced Oxidation"Japan Journal of Applied Physics. Vol.39. 4631-4632 (2000)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] S.Kano et al.: "Surface Order Evaluation of the Heteroepitaxial Diamond Film Grown on an inclined. -SiC(001)"Japan Journal of Applied Physics. Vol.39. 4372-4373 (2000)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Umezawa et al.: "Cu/CaF2/Diamond Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor Utilizing Self-Aligned Gate Fabrication Process"Japan Journal of Applied Physics. Vol.39. L908-L910 (2000)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Kawarada et. al.: "Electrolyte-Solution-Gate FETs Using diamond Surface for Biocompatible Ion Sensors"Physica Status Solidi(a). (in Press). (2001)

    • 説明
      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Kawarada et al.: "Diamond electron devices using surface-conductive layer."Oyobutri. Vol.70(in Press). (2001)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] H.Kawarada: "Hetero-epitaxy and highly oriented diamond deposition"Low pressure synthetic diamond : manufacturing and applications, Springer-Verlag. 24 (1998)

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      「研究成果報告書概要(欧文)」より
    • 関連する報告書
      1999 研究成果報告書概要
  • [文献書誌] 梅沢 仁: "High-Performance Diamond Metal-Semiconductor Field-Effect Transistor with 1 μm Gate Length"Japanese Journal of Applied Physics. 38巻・11A号. L1222-L1224 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 北谷 謙一: "MOSFETs on Polished Surfaces of Polycrystalline Diamond"Diamond and Related Materials. 8巻. 1831-1833 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 津川 和夫: "High-Performance Diamond Surface-Channel Field-Effect Transistors and Their Operation Mechanism"Diamond and Related Materials. 8巻. 927-933 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] 外園 明: "Surface p-Channel Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors Fabricated on Hydrogen-Terminated (001) Surfaces of Diamond"Solid State Electronics. 43巻. 1465-1471 (1999)

    • 関連する報告書
      1999 実績報告書
  • [文献書誌] H.Kawarada,C.Wild,N.Hevres,P.Koidl: "Surface Morphology and Surface p-chamnel Field Effect Transistor on the Heteroepitaxial Diamond Deposited on Inclined B-SiC(001)Surfaces" Appl.Phys.Lett.72・15. 1878-1880 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] K.Tsugawa,K.Kitatani H.Kawarada: "High-performance diamond surface channel FETs and their operation mechanism" Diamond Rel.Mat.8. (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] K.Kitatani,K.Tsugawa,H.Umezawa,H.Kawarada: "FETs Fabrication on Hydrogen-Terminaced Polycrystalline Diamond Surfaces." Diamond Rel.Mat.8. (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] A.Hokazono,K.Tsugawa,K.Kitatani,H.Kawarada: "Surface p-channel metal-oxide-semiconductor field effect transistors tablicated on hydrogen terminated(001)surfaces of chamend" Solid-State Electronics. 43. (1999)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] H.Kawarada: "Loco Pressure Synthetic Diamond:Manufecturing and Appli-cation,chap.8:Hetero-Epitaxy and Highly Oriented Diamond Deposition" Springer-Verlag, 25 (1998)

    • 関連する報告書
      1998 実績報告書
  • [文献書誌] 川原田 洋: "ダイヤモンド電界効果トランジスタの現状と将来" 応用物理. 67巻2号. 128-138 (1998)

    • 関連する報告書
      1997 実績報告書
  • [文献書誌] 津川和夫,野田英行,外園明,北谷謙一,森田和敏,川原田洋: "ダイヤモンド表面チャネル型FET-その動作機構と応用-" 電子情報通信学会論文誌. J81巻C-II1号. 172-179 (1998)

    • 関連する報告書
      1997 実績報告書
  • [文献書誌] H.Kawarada, C.Wild, N.Herres, P.Koide, Y.Mizuochi, A.Hokazono and H.Nagasawa: "Surface Morphology and Surface p-Channel Field Effect Transistor on the Heteroepitaxial Diamond Deposited on Inclind β-SiC(001)Surfaces" Appl.Phys.Lett.72巻. (1998)

    • 関連する報告書
      1997 実績報告書
  • [文献書誌] K.Tsugawa, A.Hokazono, H.Noda, K.Kitatani and H.Kawarada: "MESFETs and MOSFETs on Hydrogen-Terminated Diamond Surfaces" Proc.of the International Conference on Silicon Carbide, III-Nitrides and Related Materials. (1998)

    • 関連する報告書
      1997 実績報告書
  • [文献書誌] H.Kawarada: "Low Pressure Synthetic Diamond:Manufacturing and Applications, Chapter8:Hetero-Epitaxy and Highly Oriented Diamond Deposition" Springer-Verlag, 25 (1998)

    • 関連する報告書
      1997 実績報告書

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公開日: 1997-04-01   更新日: 2016-04-21  

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