新規な複合酸化物薄膜を用いる大気環境センシング用超高感度半導体ガスセンサーの研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10750325
• 研究機関: 金沢工業大学
• 研究代表者: 宮田 俊弘 金沢工業大学, 工学部, 助教授 (30257448)
• キーワード: 複合酸化物薄膜 / ガスセンサ / (ZnO-In_2O_3)_X-(MgO-In_2O_3)_<1-X> / オゾン / 塩素

研究概要

本研究は、新規な複合酸化物薄膜を採用することにより、塩素やオゾンガス等の大気環境ガスに対して極めて高感度のガスセンサー素子を実現することを目的としている。平成11年度は、平成10年度の成果を基に以下に述べる成果を上げることができた。
平成10年度に確立した成膜技術を駆使して、大気環境ガスセンサー用材料として、全く新規な酸化亜鉛-酸化インジウム(ZnO-In_2O_3)系薄膜、(MgO-In_2O_3)系薄膜およびその両者を組み合わせた(ZnO-In_2O_3)_X-(MgO-In_2O_3)_<1-X>複合酸化物薄膜を作製し、それを用いたガスセンサ素子において、0.01ppmという極めて低濃度から塩素ガスを検出でき、濃度7ppmの塩素ガスに対しては約100倍の高い抵抗変化を実現できた。一方、ターゲット組成を(ZnO-In_2O_3)_<0.2>-(MgO-In_2O_3)_<0.8>とし、上記と同様成膜技術を用いて作製した複合酸化物薄膜を採用したガスセンサ素子において、0.4ppmという極めて低濃度からオゾンガスを検出可能なガスセンサ素子を実現した。さらに、これらの薄膜をSi基板上に集積させ、ワンチップガスセンサー素子を作製した。その結果、それぞれの膜のガス検出特性の差を利用することにより、ガスの種類の判別を実現できた。
一方、これらの超高感度が実現できた素子のガス検出メカニズムを検討するため、ガス検出時の薄膜の低効率、ホール移動度およびキャリア密度の測定システムを開発した。その測定システム用いて、本ガスセンサー素子のガス検出時の電気的特性の変化について検討した結果、本(ZnO-In_2O_3)_X-(MgO-In_2O_3)_<1-X>複合酸化物薄膜ガスセンサ素子はオゾンおよび塩素にさらされると、膜のキャリア密度およびホール移動度の両方が減少することにより、膜の抵抗率が上昇することを初めて明らかに出来た。

研究成果

• [文献書誌] T.Miyata,T.Minami: "New Multicomponent Oxide Materials for Thin-Film Gas Sensors"Proc.of SPIE,Smart Materials Technologies. 3675. 150-158 (1999)
• [文献書誌] T.Miyata,T.Minami: "Stability and Sensing Mechanism of High Sensitivity Chlorine Gas Sensors Using TCO Thin Films"Thin Solid Films. 355-356. 35-40 (1999)
• [文献書誌] T.Miyata,T.Hikosaka,T,Minami: "High Sensitivity Chlorine Gas Sensors Using Multicomponent Transparent Conducting Oxide Thin Films"Sensord and Actuators B Chemical. 3282. in press (2000)
• [文献書誌] T.MIyata,T.Hikosaka,T.Minami: "Ozone Gas Sensors with High Sensitivity Using Zn_2In_2O_5-MgIn_2O_4 Multicomponent Oxide Thin Films"Surface&Coatings Technology. in press. (2000)