研究課題
本研究では、独自の表面・界面制御技術とナノテクノロジーを、環境にやさしく表面が化学的に安定なGaN系材料に適用し、高感度・高機能・超微細の化学センサを、AlGaN/GaNナノ細線上に実現し、これをヘキサゴナル2分決定グラフ(BDD)回路と組み合わせ、超低消費電力集積化センサチップを実現する基礎研究を行っている。本年度は、その要となるセンサヘッドの研究開発に主眼をおき研究を推進し、次の成果を得た。(1)AlGaN/GaNウエハ上に、Pdショットキ電極をもつ水素ガスセンサを試作して、真空中および大気中で、水素照射下の定常電流-電圧特性・容量特性とオン・オフ過渡応答特性を明らかにした。ことに、AlGaN表面層にAl膜を用いた酸素ゲッタリングを加えると、電流による水素検出感度が5桁向上する有望な結果を得た。(2)水素センサの詳細な実験データを解析し、センシング機構が原子状水素によるショットキ界面ダイポールの形成にあることを確立し、酸素ゲッタリングの効果や電流輸送機構の定量的解明に成功し、センサ設計理論を構築した。(3)溶液センサとして、オープンゲート構造のAlGaN/GaNヘテロ接合トランジスタを用いたpHセンシングに成功した。結果は、ネルンストの理論式にほぼ従う理想的特性に近い。固体のショットキ障壁で生じるフェルミ準位ピンニングが、溶液-半導体の擬似ショットキ障壁では存在しないのは、極めて興味深く、今後の発展が期待できる。pHセンサはバイオセンサの基礎となるので、この結果は極めて有望である。(4)ナノ細線にセンサヘッドを形成し、ヘキサゴナルBDD回路に接続する方法として、ブリッジ方式を考案し、細線の形成しやすいインジウムリンを用いて、その有効性を実証した。センサ情報を適切に処理しディジタル出力をうるアナログ・ディジタル混在型センサ情報処理回路については、シリコンCMOS集積回路設計の経験を活かし、それを基盤としてAlGaN/GaNヘテロ接合トランジスタBDD回路系を構築することの検討を開始した。
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