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公開番号2024148561
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-18
出願番号2023061782
出願日2023-04-05
発明の名称ガスセンサ
出願人株式会社豊田中央研究所
代理人弁理士法人IPX
主分類G01N 27/04 20060101AFI20241010BHJP(測定;試験)
要約【課題】ガス中の対象物質を正確に検出し得るガスセンサを提供する。
【解決手段】本発明の一態様によれば、ガス中の対象物質を検出するガスセンサが提供される。このガスセンサは、第1の半導体層と、第1の半導体層との間にヘテロ接合を形成する第2の半導体層と、第2の半導体層の第1の半導体層と反対側に設けられ、対象物質を捕捉且つ透過する機能を有する多孔質の感応膜と、第2の半導体層に接触して設けられた一対の電極とを備える。一対の電極は、感応膜中の対象物質の存在により、第1の半導体層と第2の半導体層との界面のチャネル領域に生じる変化を電気特性の変化として検出するように構成されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ガス中の対象物質を検出するガスセンサであって、
第１の半導体層と、
前記第１の半導体層との間にヘテロ接合を形成する第２の半導体層と、
前記第２の半導体層の前記第１の半導体層と反対側に設けられ、前記対象物質を捕捉且つ透過する機能を有する多孔質の感応膜と、
前記第２の半導体層に接触して設けられた一対の電極とを備え、
前記一対の電極は、前記感応膜中の前記対象物質の存在により、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との界面のチャネル領域に生じる変化を電気特性の変化として検出するように構成されている、ガスセンサ。
続きを表示（約 760 文字）【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記感応膜の平均細孔径は、０．１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、ガスセンサ。
【請求項３】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記感応膜の厚さは、０．１ｎｍ以上１００μｍ以下である、ガスセンサ。
【請求項４】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記感応膜は、金属有機構造体、メソポーラスシリカ及びゼオライトのうちの少なくとも１種を含む、ガスセンサ。
【請求項５】
請求項４に記載のガスセンサにおいて、
前記金属有機構造体は、ＵｉＯ－６６、ＭＯＦ－７４、ＺＩＦ－９０及びＨＫＵＳＴ－１のうちの少なくとも１種を含む、ガスセンサ。
【請求項６】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記感応膜は、前記対象物質の種類に応じた表面処理が施されている、ガスセンサ。
【請求項７】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記感応膜は、複数層の積層体で構成されている、ガスセンサ。
【請求項８】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記第２の半導体層の少なくとも前記チャネル領域の厚さは、２５ｎｍ以下である、ガスセンサ。
【請求項９】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記第２の半導体層は、その前記一対の電極が接触する領域に不純物イオンが導入されている、ガスセンサ。
【請求項１０】
請求項１に記載のガスセンサにおいて、
前記第１の半導体層がＧａＮ層であり、前記第２の半導体層がＡｌＧａＮ層又はＩｎＡｌＮ層である、ガスセンサ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関する。
続きを表示（約 2,000 文字）【背景技術】
【０００２】
従来から、各種タイプのガスセンサが提案されている。特許文献１には、半導体を使用したガスセンサが開示されている。このガスセンサは、ヘテロ構造層と、２次元電子ガス層と、センサ部と、検出部とからなる。２次元電子ガス層は、ヘテロ構造層の界面に設けられる。センサ部は、ヘテロ構造層上に形成され、半導体ナノワイヤを有する。検出部は、２次元電子ガス層の抵抗値を用いて雰囲気ガスを検出する。
【０００３】
そして、特許文献１には、半導体ナノワイヤとして、ＺｎＯナノワイヤが開示されている。ＺｎＯナノワイヤは、針状であって膜状ではないため、ヘテロ構造層（ＡｌＧａＮ層）の表面の全体を覆っているわけではない。そのため、センサ部のヘテロ構造層を覆う面積（センサ部の設置面積）を十分に確保することができず、ガスの捕捉による２次元電子ガス層への影響（抵抗変化）が生じ難い。
【０００４】
また、ＺｎＯのような金属酸化物半導体は、高温領域でないと酸化／還元反応が生じ難く、正確なガスの検出を行うことができない。
さらに、ＺｎＯナノワイヤを作製するのに、高温での酸化処理がなされる。このため、ＡｌＧａＮ層に熱によるダメージが生じたり、ＡｌＧａＮ層にＺｎがドープされることで不純物準位が形成されることがある。この場合、２次元電子ガス層の抵抗変化が不安定となり易い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０１１－９４９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明では上記事情に鑑み、ガス中の対象物質を正確に検出し得るガスセンサを提供することとした。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、ガス中の対象物質を検出するガスセンサが提供される。このガスセンサは、第１の半導体層と、第１の半導体層との間にヘテロ接合を形成する第２の半導体層と、第２の半導体層の第１の半導体層と反対側に設けられ、対象物質を捕捉且つ透過する機能を有する多孔質の感応膜と、第２の半導体層に接触して設けられた一対の電極とを備える。一対の電極は、感応膜中の対象物質の存在により、第１の半導体層と第２の半導体層との界面のチャネル領域に生じる変化を電気特性の変化として検出するように構成されている。
【０００８】
かかる態様によれば、ガス中の対象物質を正確に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明のガスセンサの第１実施形態を示す縦断面図である。
第１の半導体層及び第２の半導体層のエネルギーバンドを示す概念図である。
本発明のガスセンサの検出感度について説明するための図である。
本発明のガスセンサの第２実施形態を示す縦断面図である。
本発明のガスセンサの第３実施形態を示す縦断面図である。
本発明のガスセンサの第４実施形態を示す縦断面図である。
本発明のガスセンサの第５実施形態を示す縦断面図である。
本発明のガスセンサの第６実施形態を示す縦断面図である。
本発明のガスセンサの第７実施形態を示す平面図である。
本発明のガスセンサを使用したガスセンサ装置の構成を模式的に示す斜視図（内部透視図）である。
スプレー塗布回数の違いによって変化する金電極の上面に付着する粒子の状態を示した走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
実施例２のガスセンサにおける電流検出の結果を示すグラフである。
実施例１及び比較例１のガスセンサにおける感度測定の結果を示すグラフである。
実施例２及び比較例２のガスセンサにおける感度測定の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明のガスセンサついて、図示の好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第１実施形態>
まず、本発明のガスセンサの第１実施形態について説明する。
図１は、本発明のガスセンサの第１実施形態を示す縦断面図である。図２は、第１の半導体層及び第２の半導体層のエネルギーバンドを示す概念図である。図３は、本発明のガスセンサの検出感度について説明するための図である。なお、以下の説明では、図１中の上側を「上」又は「上方」とも言い、下側を「下」又は「下方」とも言う。また、図１（他の断面を示す図において、同様）では、図面が煩雑となるのを避けるため、断面を示すハッチングを省略している。
（【００１１】以降は省略されています）

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