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JPH0617892B2 - Amorphous semiconductor ion sensor - Google Patents
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JPH0617892B2 - Amorphous semiconductor ion sensor - Google Patents

Amorphous semiconductor ion sensor

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JPH0617892B2
JPH0617892B2 JP61314244A JP31424486A JPH0617892B2 JP H0617892 B2 JPH0617892 B2 JP H0617892B2 JP 61314244 A JP61314244 A JP 61314244A JP 31424486 A JP31424486 A JP 31424486A JP H0617892 B2 JPH0617892 B2 JP H0617892B2
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JP
Japan
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amorphous semiconductor
ion sensor
ion
semiconductor layer
insulating film
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洋一 細川
和永 津下
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Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
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Kanegafuchi Chemical Industry Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は非晶質半導体イオンセンサに関する。さらに詳
しくは、能動領域として非晶質半導体を使用した電界効
果形トランジスタからなるイオンセンサに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an amorphous semiconductor ion sensor. More specifically, it relates to an ion sensor including a field effect transistor using an amorphous semiconductor as an active region.

[従来の技術および発明が解決しようとする問題点] 従来、電解液中のイオン濃度を検知するセンサとして
は、電界効果形トランジスタとイオン感応膜を組合せた
いわゆる半導体電界効果形イオンセンサなるもの(ISFE
Tとも呼ばれている)がある。これの構造は絶縁ゲート
形電解効果トランジスタとほぼ同様であるが、該トラン
ジスタのゲートには、金属のかわりに電気絶縁膜および
この上に形成されたイオン感応膜を有する。
[Problems to be Solved by the Related Art and Invention] Conventionally, as a sensor for detecting the ion concentration in an electrolytic solution, a so-called semiconductor field effect ion sensor in which a field effect transistor and an ion sensitive film are combined ( ISFE
(Also called T). Its structure is almost the same as that of the insulated gate field effect transistor, but the gate of the transistor has an electric insulating film instead of metal and an ion sensitive film formed thereon.

かかるISFETにおいては、ゲート上の電気絶縁膜と電解
液との間に電解液中のイオン濃度や活量によって決まる
電位が生じ、これによってゲート絶縁膜下の半導体表面
の導電率が変わり、さらにこれによってソース電極とド
レイン電極との間の電流値が変わることにより電解液中
のイオン濃度が検知される。
In such an ISFET, a potential that is determined by the ion concentration and activity in the electrolytic solution is generated between the electric insulating film on the gate and the electrolytic solution, which changes the conductivity of the semiconductor surface under the gate insulating film. As a result, the current value between the source electrode and the drain electrode changes, so that the ion concentration in the electrolytic solution is detected.

このようなISFETとしては、従来、例えば半導体層とし
てバルク状シリコンウェーハを使用し、これを酸化タン
タルなどのイオン感応膜で被覆した構造の結晶シリコン
半導体イオンセンサがある。しかしかかるイオンセンサ
を製造するばあいにおいては、イオン感応膜で被覆され
ていないイオンセンサの部分を被測定溶液である電解液
から絶縁するために、この部分が電気絶縁膜で被覆され
る必要がある。しかしながら、このような被覆をともな
う結晶シリコン半導体イオンセンサの製造は、その工程
が複雑になるという問題がある。
As such an ISFET, there is conventionally a crystalline silicon semiconductor ion sensor having a structure in which a bulk silicon wafer is used as a semiconductor layer and is covered with an ion sensitive film such as tantalum oxide. However, when manufacturing such an ion sensor, in order to insulate the part of the ion sensor that is not covered with the ion-sensitive film from the electrolytic solution that is the solution to be measured, this part needs to be covered with an electrically insulating film. is there. However, the production of the crystalline silicon semiconductor ion sensor with such a coating has a problem that the process is complicated.

そしてこのような欠点を取り除くために、木村純、川名
美江、栗山敏秀:電子材料、Vol23、No.12、1984に記載
されているようにサファイア基板上に島状のシリコン層
を形成する方法が考案されている。かかる方法によって
製造されたISFETにおいては、サファイアが良好な絶縁
体であるため基板領域の絶縁が容易に達成されるという
利点があるが、サファイアが高価であるため、このよう
なISFETの製造コストが高くなるという問題がある。
In order to eliminate such defects, a method of forming an island-shaped silicon layer on a sapphire substrate as described in Jun Kimura, Mie Kawana, Toshihide Kuriyama: Electronic Materials, Vol 23, No. 12, 1984. Invented. In the ISFET manufactured by such a method, sapphire is a good insulator, so that there is an advantage that insulation of the substrate region is easily achieved, but since sapphire is expensive, the manufacturing cost of such ISFET is low. There is the problem of becoming expensive.

本発明は以上のような問題点を解決するためになされた
もので、製造工程が複雑でなく、容易にかつ廉価に製造
できる非晶質半導体イオンセンサを提供することを目的
とする。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an amorphous semiconductor ion sensor that does not require a complicated manufacturing process and can be manufactured easily and inexpensively.

[問題点を解決するための手段] 本発明による非晶質半導体イオンセンサは絶縁基板上
に、金属からなるソース電極とドレイン電極を有し、該
両電極を覆う非晶質半導体層からなる能動領域を有し、
該能動領域は電気絶縁膜および/またはイオン感応膜で
覆われているものからなる。
[Means for Solving Problems] An amorphous semiconductor ion sensor according to the present invention has a source electrode and a drain electrode made of metal on an insulating substrate, and an active layer made of an amorphous semiconductor layer covering both electrodes. Have an area,
The active region is covered with an electrically insulating film and / or an ion sensitive film.

[実施例] 以下、本発明による非晶質半導体イオンセンサをその実
施例を示す図によって説明する。第1〜4図は本発明に
よる非晶質半導体イオンセンサの一実施例を示す図であ
る。
Example An amorphous semiconductor ion sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings showing an example. 1 to 4 are views showing an embodiment of an amorphous semiconductor ion sensor according to the present invention.

第1図は本発明の一実施例である非晶質半導体イオンセ
ンサの平面図であり、第2図は第1図におけるA-A線断
面図であり、第3図は第1図におけるB-B線断面図であ
り、第4図は第1図におけるC-C線断面図である。図に
おいて(1)は縦断面および横断面が長方形であるガラス
からなる絶縁基板である。絶縁基板(1)の表面上であっ
て第1図で示す左端部(以下、上、下、左、右は第1〜
4図の各図におけるものを示す。また第2〜4図におけ
る上、下、左、右を示すばあいには、例えば第2図左の
ように記す。)および上端部にはこれらの端部に沿って
L字形のクロムからなるソース電極(2)が真空蒸着法に
より固着して形成されている。そしてソース電極(2)の
左下端は、絶縁基板(1)の幅方向の上端からその幅のほ
ぼ中央付近まで伸びて形成されている。
FIG. 1 is a plan view of an amorphous semiconductor ion sensor which is an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a sectional view taken along the line BB in FIG. FIG. 4 is a sectional view taken along line CC in FIG. 1. In the figure, (1) is an insulating substrate made of glass having a rectangular vertical cross section and a rectangular horizontal cross section. On the surface of the insulating substrate (1), the left end portion shown in FIG. 1 (hereinafter, upper, lower, left, right are
What is shown in each figure of FIG. 4 is shown. Further, when the upper, lower, left and right sides in FIGS. 2 to 4 are shown, they are described as shown in the left side of FIG. ) And an upper end portion, a source electrode (2) made of L-shaped chromium is fixedly formed along these ends by a vacuum deposition method. The lower left end of the source electrode (2) is formed so as to extend from the upper end of the insulating substrate (1) in the width direction to almost the center of the width.

また絶縁基板(1)の表面上の左端部および下端部にはこ
れらの端部に沿って略逆L字形のクロムからなるドレイ
ン電極(3)がソース電極(2)と同様にして形成されてい
る。ドレイン電極(3)の左上端は、絶縁基板(1)の幅方向
の下端からその幅のほぼ中央付近まで伸びて形成されて
いる。そしてソース電極(2)の左下端とドレイン電極(3)
の左上端との間には、15μmの一定間隔の隙間が形成さ
れている。そしてこの隙間およびソース電極(2)の左下
端部およびドレイン電極(3)の左上端部を覆う形で、非
晶質シリコンからなる非晶質半導体層(4)が形成されて
いる。そして非晶質半導体層(4)はシランガスとホスフ
ィンガスを水素ガスで希釈した混合ガスを、13.56MHzの
高周波でグロー放電分解することによって形成される。
そしてソース電極(2)とドレイン電極(3)のそれぞれの右
端部はそれらの他の部分より少し幅広に形成されてお
り、この右端部を除く該他の部分および非晶質半導体層
(4)を完全に覆う形でかつ絶縁基板(1)の前記右端部に対
する部分を除くほぼ全面を覆う形で酸化シリコンからな
る電気絶縁膜(5)が形成されている。この電気絶縁膜(5)
は、シランガスと笑気ガス(N2Oガス)との混合ガスを1
3.56MHzの高周波でグロー放電分解することにより形成
されている。そして第1図および第2図で示すように、
電気絶縁膜(5)の上面であって、前記非晶質半導体層(4)
の存在する範囲に対応する範囲内には、ソース電極(2)
とドレイン電極(3)の間の前記隙間およびソース電極(2)
の左下端部およびドレイン電極(3)の左上端部を覆う形
で、前記非晶質半導体層(4)より少し面積が小さいイオ
ン感応膜(6)が形成されている。イオン感応膜(6)は窒化
シリコンからなる。またイオン感応膜(6)はシランとア
ンモニアとの混合物を13.56MHzでグロー放電分解するこ
とによって形成されている。
A drain electrode (3) made of substantially inverted L-shaped chromium is formed on the left and lower ends of the surface of the insulating substrate (1) in the same manner as the source electrode (2). There is. The upper left end of the drain electrode (3) is formed so as to extend from the lower end in the width direction of the insulating substrate (1) to almost the center of its width. And the lower left corner of the source electrode (2) and the drain electrode (3)
A gap with a constant interval of 15 μm is formed between the upper left corner and the upper left corner. An amorphous semiconductor layer (4) made of amorphous silicon is formed so as to cover the gap, the lower left end of the source electrode (2) and the upper left end of the drain electrode (3). The amorphous semiconductor layer (4) is formed by glow discharge decomposition of a mixed gas of silane gas and phosphine gas diluted with hydrogen gas at a high frequency of 13.56 MHz.
The right end portion of each of the source electrode (2) and the drain electrode (3) is formed to be a little wider than the other portions thereof, and the other portion excluding the right end portion and the amorphous semiconductor layer.
An electric insulating film (5) made of silicon oxide is formed so as to completely cover (4) and cover almost the entire surface of the insulating substrate (1) except for the right end portion. This electrical insulation film (5)
A mixed gas of silane gas and laughing gas (N 2 O gas) 1
It is formed by glow discharge decomposition at a high frequency of 3.56MHz. And as shown in FIGS. 1 and 2,
The amorphous semiconductor layer (4) on the upper surface of the electric insulating film (5)
Within the range corresponding to the range in which the source electrode (2)
The gap between the drain electrode (3) and the source electrode (2)
An ion sensitive film (6) having a slightly smaller area than the amorphous semiconductor layer (4) is formed so as to cover the lower left lower end and the upper left end of the drain electrode (3). The ion sensitive film (6) is made of silicon nitride. The ion-sensitive film (6) is formed by glow discharge decomposition of a mixture of silane and ammonia at 13.56 MHz.

つぎに以上のような構成からなる本実施例の非晶質半導
体イオンセンサの動作について第5図により説明する。
Next, the operation of the amorphous semiconductor ion sensor of the present embodiment having the above structure will be described with reference to FIG.

第5図はソースフォロワ法によるイオン濃度測定回路を
示している。この回路ではVds(ドメインソース電圧)
が一定に保たれId(ドメイン電流)が一定となるように
定電流回路が用いられている。ここでVdsは数V程度に
している。
FIG. 5 shows an ion concentration measuring circuit by the source follower method. Vds (domain source voltage) in this circuit
Is kept constant and Id (domain current) is kept constant so that a constant current circuit is used. Here, Vds is set to about several volts.

被測定液(電解液)のイオン濃度や活量によってゲート
絶縁膜下の半導体表面の導電率が変化するが、Idが一定
となるようにしているのでゲート絶縁膜と被測定液との
界面電位の変化はソース電位(Vout)の変化として検出さ
れる。
Although the conductivity of the semiconductor surface under the gate insulating film changes depending on the ion concentration and activity of the solution to be measured (electrolyte), since Id is kept constant, the interface potential between the gate insulating film and the solution to be measured is changed. Is detected as a change in source potential (Vout).

なお、前記実施例における絶縁基板(1)、ソース電極
(2)、ドレイン電極(3)、非晶質半導体層(4)、電気絶縁
膜(5)およびイオン感応膜(6)の材質は前記実施例のもの
に限定されるものではなく、被測定液の種類およびイオ
ンセンサの使用条件などによって適宜の他の材料も使用
できる。またソース電極(2)、ドレイン電極(3)、非晶質
半導体層(4)、電気絶縁膜(5)およびイオン感応膜(6)の
形成方法も前記実施例のものに限定されるものではなく
他の方法であってもよい。
The insulating substrate (1) and the source electrode in the above examples
The materials of (2), the drain electrode (3), the amorphous semiconductor layer (4), the electric insulating film (5) and the ion sensitive film (6) are not limited to those in the above-mentioned embodiment, and the material to be measured Appropriate other materials can be used depending on the type of liquid and the usage conditions of the ion sensor. Further, the method of forming the source electrode (2), the drain electrode (3), the amorphous semiconductor layer (4), the electric insulating film (5) and the ion sensitive film (6) is not limited to those in the above-mentioned embodiments. Alternatively, another method may be used.

[発明の効果] 本発明の非晶質半導体イオンセンサは以上のように構成
されているので、グロー放電分解法により電気絶縁膜を
形成するなどして、容易にかつ安全に非晶質半導体層な
どの本発明のイオンセンサの所望の部分を被測定溶液か
ら絶縁分離でき、さらにそれは、長さが長い絶縁基板を
使用し、ソース電極およびドレイン電極と、外部回路と
の配線接続を完了した後に、前記所望の部分を電気絶縁
膜で被覆することにより容易に行なうことができる。
EFFECTS OF THE INVENTION Since the amorphous semiconductor ion sensor of the present invention is configured as described above, the amorphous semiconductor layer can be easily and safely formed by forming an electric insulating film by a glow discharge decomposition method. The desired part of the ion sensor of the present invention such as can be insulated and separated from the solution to be measured, and further, it uses an insulating substrate having a long length and after completing the wiring connection between the source electrode and the drain electrode and the external circuit. This can be easily performed by coating the desired portion with an electric insulating film.

また本発明においては、絶縁基板上での非晶質半導体層
や電気絶縁膜の形成が、シランガスなどのガスをグロー
放電分解することにより低温下で容易に行なうことがで
きるため、絶縁基板の材料としてサファイアのような高
価なものでなく、ガラスやプラスチックあるいは表面を
酸化処理し樹脂などで被覆して絶縁した金属なども使用
できるので、廉価な非晶質半導体イオンセンサを製造で
きる効果がある。
Further, in the present invention, the formation of the amorphous semiconductor layer or the electrically insulating film on the insulating substrate can be easily performed at a low temperature by decomposing a gas such as a silane gas by glow discharge. As sapphire, an inexpensive amorphous semiconductor ion sensor can be manufactured because glass, plastic, or metal whose surface is oxidized and coated with resin to insulate it can be used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例である非晶質半導体イオンセ
ンサの平面図、第2図は第1図におけるA-A線断面図、
第3図は第1図におけるB-B線断面図、第4図は第1図
におけるC-C線断面図、第5図はソースフォロワ方式に
よるイオン濃度測定回路を示している。 (図面の主要符号) (1):絶縁基板 (2):ソース電極 (3):ドレイン電極 (4):非晶質半導体層 (5):電気絶縁膜 (6):イオン感応膜
FIG. 1 is a plan view of an amorphous semiconductor ion sensor which is an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA in FIG.
FIG. 3 is a sectional view taken along the line BB in FIG. 1, FIG. 4 is a sectional view taken along the line CC in FIG. 1, and FIG. 5 shows an ion concentration measuring circuit by the source follower method. (Main symbols in the drawing) (1): Insulating substrate (2): Source electrode (3): Drain electrode (4): Amorphous semiconductor layer (5): Electrical insulating film (6): Ion-sensitive film

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】絶縁基板上に、金属からなるソース電極と
ドレイン電極を有し、該両電極を覆う非晶質半導体層か
らなる能動領域を有し、該能動領域は電気絶縁膜および
/またはイオン感応膜で覆われていることを特徴とする
非晶質半導体イオンセンサ。
1. An insulating substrate having a source electrode and a drain electrode made of metal, and having an active region made of an amorphous semiconductor layer covering both electrodes, the active region being an electrically insulating film and / or An amorphous semiconductor ion sensor characterized by being covered with an ion sensitive film.
【請求項2】前記非晶質半導体層が周期律表第4族の元
素を主成分としてなる特許請求の範囲第1項記載の非晶
質半導体イオンセンサ。
2. The amorphous semiconductor ion sensor according to claim 1, wherein the amorphous semiconductor layer contains an element of Group 4 of the periodic table as a main component.
【請求項3】前記非晶質半導体層がシリコンを主成分と
してなる特許請求の範囲第2項記載の非晶質半導体イオ
ンセンサ。
3. The amorphous semiconductor ion sensor according to claim 2, wherein the amorphous semiconductor layer contains silicon as a main component.
JP61314244A 1986-12-26 1986-12-26 Amorphous semiconductor ion sensor Expired - Lifetime JPH0617892B2 (en)

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