| 研究課題/領域番号 |
24241025
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| 研究機関 | 高知工科大学 |
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研究代表者 |
山本 哲也 高知工科大学, 公私立大学の部局等, 教授 (30320120)
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| 研究分担者 |
宋 華平 高知工科大学, 公私立大学の部局等, 助教 (00611831)
牧野 久雄 高知工科大学, 公私立大学の部局等, 准教授 (40302210)
岸本 誠一 高知工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (90177816)
野本 淳一 高知工科大学, 公私立大学の部局等, 助教 (30711288)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | 水素センサー / 酸化物半導体式 / 酸化亜鉛 / 応答時間 / 起動時間 / スーパーオキシドアニオン / 活性酸素 / 化学吸着 |
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| 研究概要 |
本研究目的は、室温高感度水素センサーの実現である。研究作業仮説として、（１）水素分子は、結晶粒子内および粒界に化学吸着している原子状酸素と水分子を形成し、その際、キャリア電子を放出する、（２）水分子は薄膜内ではなく、大気中へ拡散する、を提案し、実証研究を行う。プラズマを用いた成膜プロセスでマイナス１価、およびマイナス２価の活性吸着酸素原子を内蔵させ、室温駆動での高感度を実現させる。
本年度は上記作業仮説（１）に当たっては、実証研究が進展した。特に温度150℃では、水素ガス（H2）応答時間（検知起動（出力）後、飽和出力値の90%までに至る時間、で定義されている）は１秒から２秒以内であることが実証できた。該応答時間は、報告されている酸化物半導体式H2センサー（20sec）、接触燃焼式H2センサー（5sec）及びFET式H2センサー（2sec）のいずれよりも短い大きさであり、良好な結果が得られた。この成果は半導体産業新聞（2014.02.12)に掲載された。一方で、起動時間（H2を導入してから検知起動が始まるまでの時間）は１回目では１０秒程度、２回目では２秒といった履歴のある実験事実が判明した。解析することで、検知に対し、現段階では「初期化」プロセスがある、と判断した。具体的には感材成膜後、大気中暴露により、酸素分子が化学吸着し、１価に帯電したスーパーオキシドアニオンが生成される。H2検知はH2と１価に帯電した原子状酸素（O-）との反応で生成される自由電子に因るが、「初期化：大部分のH2が、スーパーオキシドアニオンと反応し、O-が生成される」が上記１回目に該当し、上記２回目が本研究の作業仮説に該当する、と結論した。来年度目標は,低温化を目的にスーパーオキシドアニオン密度を超える活性吸着酸素原子密度をいかに内臓させるか、そのプロセス研究開発となる。関連特許を２件、出願した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
理由は、研究を推進するに当たり設けた作業仮説を実証する実験において、水素検知機構を説明する分子レベルにおける「新規モデル」の提案に至ったからである。該モデル構築により、研究計画及びその成果により期待される効果が、当初よりも、かなり明白となった。
大気中の酸素分子の感材への化学吸着およびその状態の不安定化温度（当研究では150℃）は、従来の電子スピン共鳴（ESR）実験結果（170℃）と整合する。加えて出力電流は従来のμAよりも２桁程度大きいことが明白となった。
この特徴は電流増幅回路を必要としないばかりか、交流使用が可能となるセンサーとなり、実用的な観点からも進歩性の大きい研究成果に至った（特許出願済）。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の目標は、低温起動化を目的にスーパーオキシドアニオン密度を超える活性吸着酸素原子密度をいかに内臓させるか、そのプロセス研究開発となる。
当初の計画通り、解決方策はプラズマ技術である。
ポイントは２つである。１つめは、有効に薄膜中に内蔵させる１価帯電の原子状酸素を生成することである。２つめは、１価帯電の原子状酸素を高密度で薄膜内に内蔵させることである。
１つめのポイント達成のためには、放電電流を下げると共に圧力を上げるプラズマプロセスを成膜プロセス中に適用させる。２つめのポイント達成のためには、内蔵させるサイトを多く薄膜中に設けるために、より酸素空孔ができやすい亜鉛極性薄膜を成膜するプロセスに今後は焦点を絞る。
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