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

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09555103
• 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(研究 ; 庄子 習一 早稲田大学, 理工学部, 教授 (00171017)
• キーワード: ヘテロエピタキシャルダイヤモンド / 水素終端表面 / イオン感応性ダイヤモンドFET

研究概要

1. ダイヤモンドー電解液界面の電気特性およびそのpH依存性
水素終端ホモエピタキシャルダイヤモンドおよび水素終端多結晶ダイヤモンドと電解液との界面特性では、フェルミレベルと電解液との酸化還元電位が一致するように電気化学平衡が成り立つ。このため、p型である水素終端ダイヤモンドー電解液界面では明瞭な整流性が観声された。これは、ショットキー障壁の形成を意味し、障壁高さが電解液のpH依存性を持つことを確認した。液体中での整流現象は、ダイヤモンドでは初めての成果であるとともに、Si等の半導体でも観測されている例が非常に少ない。
2. 水素終端ダイヤモンドを用いたMES型ISFET
多結晶ダイヤモンドのp型表面伝導層をチャネルとして中性りん酸塩pH緩衝液中のFETはゲート電位(酸化還元電位)によりドレイン電流が制御されることが確認された。この場合、ゲート長1mmでゲート幅15mmであり、開口したダイヤモンド表面と電解液との接触部がゲートなっている構造である。相互コンダクタンスは0.4mS/mmであった。ダイヤモンドでは初めてのISFETの動作である。今後防水加工を施した数ミクロンのゲート長を持つISFETを作製する予定である。
3. pHセンサーならびにバイオセンサーへの発展
上記1,2の結果から、ダイヤモンド中の空乏層幅は電解液の酸化還元電位により変化すること。つまり酸化還元電位をドレイン電流の変化として検知し、イオン濃度を測定することが可能であることがわかり、ダイヤモンドがpHセンサーおよびバイオセンサーとして機能する可能性が極めて高くなった。

研究成果

• [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)
• [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)
• [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)
• [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)
• [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)