JPH0792120A - 物理化学センサ - Google Patents
物理化学センサInfo
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Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 本発明は、この表面光電圧法を用いた物理化
学センサに於いて、新規の差動構成法で高感度、高安定
なセンシングシステムを実現するのが目的である。 【構成】 半導体基体上に絶縁層を設け、この上部に検
知電極を設け、前記検知電極の表面もしくは半導体基体
の裏面より断続した光ビ−ムを照射して半導体基体内に
電子、正孔対を発生させることにより半導体基体表面に
交流光電流及び光電圧を生じせしめるように構成された
物理化学センサにおいて前記同一半導体基体上で、特性
の揃った２本の断続した光ビ−ムにより２つの信号の差
をとる差動構成とし、前記半導体基体表面のセンシング
部と参照部とを、同一波長の２つのパルス光の位相を半
波長ずらして半波長づつ別々に照射し、これにより生じ
る半波長づつの光電流を一周期ごとに差をとることを特
徴とする。
学センサに於いて、新規の差動構成法で高感度、高安定
なセンシングシステムを実現するのが目的である。 【構成】 半導体基体上に絶縁層を設け、この上部に検
知電極を設け、前記検知電極の表面もしくは半導体基体
の裏面より断続した光ビ−ムを照射して半導体基体内に
電子、正孔対を発生させることにより半導体基体表面に
交流光電流及び光電圧を生じせしめるように構成された
物理化学センサにおいて前記同一半導体基体上で、特性
の揃った２本の断続した光ビ−ムにより２つの信号の差
をとる差動構成とし、前記半導体基体表面のセンシング
部と参照部とを、同一波長の２つのパルス光の位相を半
波長ずらして半波長づつ別々に照射し、これにより生じ
る半波長づつの光電流を一周期ごとに差をとることを特
徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する分野の説明】本発明は物理、化学センサ
及び構成に関するものである。
及び構成に関するものである。
【０００２】
【従来技術】（２） 半導体の表面又は裏面よりその禁制帯幅よりエネルギ−
の大きな断続光を照射し、このとき生じる光電流を測定
してセンサ−に応用する方法は表面光電圧法（ＳＰＶ）
と呼ばれている。表面光電圧法は、半導体表面に断続光
を照射することにより生じる光電流を測定する技術であ
り、ガスセンサ、イオンセンサ、バイオセンサなどの化
学センサや半導体製造プロセスにおける結晶欠陥を測定
する物理センサに応用されている。このセンサ−は、非
接触測定で微小面積の情報を検出でき、かつ光ビ−ムを
順次切り変える事により２次元面分布の測定ができる。
このため集積化に有利でありこれが次世代センサとして
嘱望されているゆえんである。
の大きな断続光を照射し、このとき生じる光電流を測定
してセンサ−に応用する方法は表面光電圧法（ＳＰＶ）
と呼ばれている。表面光電圧法は、半導体表面に断続光
を照射することにより生じる光電流を測定する技術であ
り、ガスセンサ、イオンセンサ、バイオセンサなどの化
学センサや半導体製造プロセスにおける結晶欠陥を測定
する物理センサに応用されている。このセンサ−は、非
接触測定で微小面積の情報を検出でき、かつ光ビ−ムを
順次切り変える事により２次元面分布の測定ができる。
このため集積化に有利でありこれが次世代センサとして
嘱望されているゆえんである。
【０００３】図１にその構成図を示す。従来のＳＰＶ法
は、１本の光ビ−ムにより生じた光電流を半導体全体に
共通な電極（図１の場合は透明導電性電極）を使って検
出する。ＳＰＶ法は図１に示すように、光ビ−ムがセン
サ切り換えスイッチの役割をし、光を照射した部分のみ
の情報が得られる。従って光ビ−ムを移動させるだけで
半導体表面のどの部分の検出もできるから高集積化が可
能である。しかし、半導体を用いたセンサでは半導体特
有の温度ドリフトや感応膜のドリフトなどの不安定要因
の除去や外部雑音の低減化が必須である。このため、表
面光電圧法での差動構成が検討されていた。
は、１本の光ビ−ムにより生じた光電流を半導体全体に
共通な電極（図１の場合は透明導電性電極）を使って検
出する。ＳＰＶ法は図１に示すように、光ビ−ムがセン
サ切り換えスイッチの役割をし、光を照射した部分のみ
の情報が得られる。従って光ビ−ムを移動させるだけで
半導体表面のどの部分の検出もできるから高集積化が可
能である。しかし、半導体を用いたセンサでは半導体特
有の温度ドリフトや感応膜のドリフトなどの不安定要因
の除去や外部雑音の低減化が必須である。このため、表
面光電圧法での差動構成が検討されていた。
【０００４】
【従来技術の問題点】しかし、従来の表面光電圧法にお
ける差動測定では、２ケ所での信号をロックインアンプ
で別々に検出した後に、これら２ケ所の出力の差を計算
しなければならないという欠点があり高速デ−タ処理が
出来ないため、従来の方法では、ドリフト、雑音の除去
や高感度化などに限界があった。
ける差動測定では、２ケ所での信号をロックインアンプ
で別々に検出した後に、これら２ケ所の出力の差を計算
しなければならないという欠点があり高速デ−タ処理が
出来ないため、従来の方法では、ドリフト、雑音の除去
や高感度化などに限界があった。
【０００５】
【発明の目的】本発明は、上記欠点を解決し、この表面
光電圧法を用いた物理、化学センサに於いて、新規の差
動構成法で高感度、高安定なセンシングシステムを実現 （３） するのが目的である。
光電圧法を用いた物理、化学センサに於いて、新規の差
動構成法で高感度、高安定なセンシングシステムを実現 （３） するのが目的である。
【０００６】
【課題を解決するための本発明の手段】本発明は半導体
基体上に絶縁層を設けこの上部に検知電極を設け、前記
検知電極の表面もしくは半導体基体の裏面より断続した
光ビ−ムを照射して半導体基体内に電子、正孔対を発生
させることにより半導体基体表面に交流光電流及び光電
圧を生じせしめるように構成された物理、化学センサに
おいて前記同一半導体基体上で、特性の揃った２本の断
続した光ビ−ムにより２つの信号の差をとる差動構成と
し、前記半導体基体表面のセンシング部と参照部とを、
同一波長の２つのパルス光の位相を半波長ずらして半波
長づつ別々に照射し、これにより生じる半波長づつの光
電流を一周期ごとに差をとることを特徴とする。
基体上に絶縁層を設けこの上部に検知電極を設け、前記
検知電極の表面もしくは半導体基体の裏面より断続した
光ビ−ムを照射して半導体基体内に電子、正孔対を発生
させることにより半導体基体表面に交流光電流及び光電
圧を生じせしめるように構成された物理、化学センサに
おいて前記同一半導体基体上で、特性の揃った２本の断
続した光ビ−ムにより２つの信号の差をとる差動構成と
し、前記半導体基体表面のセンシング部と参照部とを、
同一波長の２つのパルス光の位相を半波長ずらして半波
長づつ別々に照射し、これにより生じる半波長づつの光
電流を一周期ごとに差をとることを特徴とする。
【０００７】
【実施例】図２及び図３は本発明の実施例を示す基本構
成図及びその動作説明図で図中１は検知極（透明導電性
電極）、２はエアギャップ、３はスペ−サ（絶縁性）４は
絶縁層、５は半導体基体で基本的にＭＩＳ（Ｍetal−Ｉ
nsulator−Ｓemiconductor）構造のセンサである。
成図及びその動作説明図で図中１は検知極（透明導電性
電極）、２はエアギャップ、３はスペ−サ（絶縁性）４は
絶縁層、５は半導体基体で基本的にＭＩＳ（Ｍetal−Ｉ
nsulator−Ｓemiconductor）構造のセンサである。
【０００８】測定方法は図２、図３に示すように、２本
の特性の揃ったＬＥＤａ、ｂを同一周期、同一強さの電
力６で、５０％デュ−ティ比のパルス電源により駆動す
る。これらの２つのパルス電源の位相を半周期ずらし、
図３（ａ）、（ｂ）のような光パルスが得られるように
し、半導体表面の２ケ所を照射する。図３（ｃ）、
（ｄ）はそれぞれ、パルス（ａ）、（ｂ）により生じる
光電流である。出力電流はこれらが重なった（ｅ）とな
る。この出力をロックインアンプ７で測定する。ロック
インアンプ７の参照信号（図中（ｆ））をＬＥＤａ、ｂ
の駆動パルスの周期に合わせる。このときロックインア
ンプ７の出力（ｇ）は表面光電流の出力（ｅ）の振幅
（Ａ）とロックインアンプ７の参照 （４） 信号（ｆ）との位相差（θ）に従った直流出力Ａcosθ
となる。従って、ロックインアンプにより位相検波を行
うと表面光電流（ｃ）と（ｄ）の差が出力となる。図３
（ｇ）中の灰色部分が相殺され斜線部分の差動出力が得
られる。従来のＳＰＶ法の一周期は光を照射する半周期
と照射を行わない半周期から成るが、本発明では光照射
を行わない後半の半周期を活用し、この半周期間に比較
となる半導体表面領域から光電流を検出してこの信号を
前半の半周時期に検出したセンシング信号から差し引い
て出力とするものである。
の特性の揃ったＬＥＤａ、ｂを同一周期、同一強さの電
力６で、５０％デュ−ティ比のパルス電源により駆動す
る。これらの２つのパルス電源の位相を半周期ずらし、
図３（ａ）、（ｂ）のような光パルスが得られるように
し、半導体表面の２ケ所を照射する。図３（ｃ）、
（ｄ）はそれぞれ、パルス（ａ）、（ｂ）により生じる
光電流である。出力電流はこれらが重なった（ｅ）とな
る。この出力をロックインアンプ７で測定する。ロック
インアンプ７の参照信号（図中（ｆ））をＬＥＤａ、ｂ
の駆動パルスの周期に合わせる。このときロックインア
ンプ７の出力（ｇ）は表面光電流の出力（ｅ）の振幅
（Ａ）とロックインアンプ７の参照 （４） 信号（ｆ）との位相差（θ）に従った直流出力Ａcosθ
となる。従って、ロックインアンプにより位相検波を行
うと表面光電流（ｃ）と（ｄ）の差が出力となる。図３
（ｇ）中の灰色部分が相殺され斜線部分の差動出力が得
られる。従来のＳＰＶ法の一周期は光を照射する半周期
と照射を行わない半周期から成るが、本発明では光照射
を行わない後半の半周期を活用し、この半周期間に比較
となる半導体表面領域から光電流を検出してこの信号を
前半の半周時期に検出したセンシング信号から差し引い
て出力とするものである。
【０００９】図４は半導体の欠陥密度の検出システムの
例である。図中、上部から透明導電性電極１、空気ギャ
ップ２、半導体５からなる構成をとっている。半導体レ
−ザ−等を用いて細かく絞った２本の断続した光ビ−ム
を表面から照射し、一方の光ビ−ムは固定し、一方の光
を半導体表面をスィ−プして、これら２ケ所で生じる光
電流の差を出力としてその２次元像をとる。信号は空気
ギャップを介して容量結合によりとり出される。光電流
の分布をコンピュ−タ−に送り画像処理を行って欠陥密
度の分布を求める。光源としては半導体のエネルギ−ギ
ャップに対応した波長（シリコンの場合１.１μｍ程
度）から短波長のレ−ザ−又は発光ダイオ−ドが使用可
能である。この構成では半導体基体の表面欠陥、重金属
汚染等の検出が可能である。
例である。図中、上部から透明導電性電極１、空気ギャ
ップ２、半導体５からなる構成をとっている。半導体レ
−ザ−等を用いて細かく絞った２本の断続した光ビ−ム
を表面から照射し、一方の光ビ−ムは固定し、一方の光
を半導体表面をスィ−プして、これら２ケ所で生じる光
電流の差を出力としてその２次元像をとる。信号は空気
ギャップを介して容量結合によりとり出される。光電流
の分布をコンピュ−タ−に送り画像処理を行って欠陥密
度の分布を求める。光源としては半導体のエネルギ−ギ
ャップに対応した波長（シリコンの場合１.１μｍ程
度）から短波長のレ−ザ−又は発光ダイオ−ドが使用可
能である。この構成では半導体基体の表面欠陥、重金属
汚染等の検出が可能である。
【００１０】図５は化学センサの他の例でガスセンサ
（マルチセンサ）の場合である。半導体表面に対向して
電極１０（サスペンデッドゲ−ト）を配置した構造のセ
ンサである。ガスセンサでも本発明の差動測定を適用す
ることが出来る。図中９は感応膜（ガスセンサ用）５ａ
はガス入口、５ｂはガス出口である。
（マルチセンサ）の場合である。半導体表面に対向して
電極１０（サスペンデッドゲ−ト）を配置した構造のセ
ンサである。ガスセンサでも本発明の差動測定を適用す
ることが出来る。図中９は感応膜（ガスセンサ用）５ａ
はガス入口、５ｂはガス出口である。
【００１１】図６は本発明のマルチ溶液化学センサシス
テムの１例でＬＥＤを裏面から照射しスキャンする場合
である。ＬＥＤとしては、半導体のバンドギャップのエ
ネルギ−に対応した波長よりも少し短波長のものが使用
できる。半導体としてはシリコンを用いることが出来、
この場合ＬＥＤの波長としては、１.１ （５） 〜０.７μｍ程度が使用可能である。測定は三電極法で
行っているが、基準電極１１としては塩化銀をコ−トし
た銀電極を用いる。この他白金、金などの貴金属電極を
用いることも出来る。また、マルチセンサを実現するた
めには複数の発光ダイオ−ドを固定して順次スイッチで
切り換えることで可能である。
テムの１例でＬＥＤを裏面から照射しスキャンする場合
である。ＬＥＤとしては、半導体のバンドギャップのエ
ネルギ−に対応した波長よりも少し短波長のものが使用
できる。半導体としてはシリコンを用いることが出来、
この場合ＬＥＤの波長としては、１.１ （５） 〜０.７μｍ程度が使用可能である。測定は三電極法で
行っているが、基準電極１１としては塩化銀をコ−トし
た銀電極を用いる。この他白金、金などの貴金属電極を
用いることも出来る。また、マルチセンサを実現するた
めには複数の発光ダイオ−ドを固定して順次スイッチで
切り換えることで可能である。
【００１２】なお化学センサにおける基準電極１１、対
向電極１２、作用電極９（感応部）を用いる三電極法で
は、半導体表面の一部にセンサとしての感度を有しない
が他の特性は同じであるような部分（比較部）を作成
し、この比較部分の出力とセンサ部出力との差をとる構
成は光電流のバイアス部分は相殺され、高感度化が可能
で、また雑音やドリフト等も相殺され出力が安定すると
いう利点がある。さらに、この構成はセンサの微小化を
可能にする。それは、この三電極法の基準電極の電位は
上記の差動構成では、比較部とセンサ部とから見て、相
殺されるのでどんな電極でもよく、基準電極として内部
液形の電極を使う必要がなくなり、白金や銀などの金属
電極を用いることができるので全固体形のセンサを構成
できるのでセンサを微小化することができる。このよう
な金属電極はセンシング部分に近接して配置でき、かつ
センサと同一の半導体基板上にも形成できるので、セン
サの構成が単純になり、より微小化が可能となる。
向電極１２、作用電極９（感応部）を用いる三電極法で
は、半導体表面の一部にセンサとしての感度を有しない
が他の特性は同じであるような部分（比較部）を作成
し、この比較部分の出力とセンサ部出力との差をとる構
成は光電流のバイアス部分は相殺され、高感度化が可能
で、また雑音やドリフト等も相殺され出力が安定すると
いう利点がある。さらに、この構成はセンサの微小化を
可能にする。それは、この三電極法の基準電極の電位は
上記の差動構成では、比較部とセンサ部とから見て、相
殺されるのでどんな電極でもよく、基準電極として内部
液形の電極を使う必要がなくなり、白金や銀などの金属
電極を用いることができるので全固体形のセンサを構成
できるのでセンサを微小化することができる。このよう
な金属電極はセンシング部分に近接して配置でき、かつ
センサと同一の半導体基板上にも形成できるので、セン
サの構成が単純になり、より微小化が可能となる。
【００１３】図７は上記センサの応答特性である。使用
したセンサ９はシリコン表面に窒化膜（５０ｎｍ）、酸
化膜（５０ｎｍ）４を有するものであり、電解液１３中
での光電流を測定したものである。図中Ａは光ビ−ムを
一個のみ用いた従来の方法、Ｂは比較電極からの光電流
である。本発明の方法で求めた信号ＣはＡ、Ｂの差にな
っていることがわかる。
したセンサ９はシリコン表面に窒化膜（５０ｎｍ）、酸
化膜（５０ｎｍ）４を有するものであり、電解液１３中
での光電流を測定したものである。図中Ａは光ビ−ムを
一個のみ用いた従来の方法、Ｂは比較電極からの光電流
である。本発明の方法で求めた信号ＣはＡ、Ｂの差にな
っていることがわかる。
【００１４】図８は酵素センサの例で、センシング部と
してシリコン表面の窒化膜上にグルコ−スオキシタ−ゼ
をアルブミン中に固定化し堆積したグルコ−ス感応膜 （６） と、比較電極部にはグルコ−スオキシタ−ゼを除いたア
ルブミンを固定化したグルコ−ス非感応膜から成る。こ
のグルコ−スセンサの応答はグルコ−スの分解に基づく
ｐＨ変化に応答したものである。グルコ−スを含まない
バッファ液やグルコ−スの替わりに尿素を含んだ電解液
を滴下しても出力の変化はなかった。
してシリコン表面の窒化膜上にグルコ−スオキシタ−ゼ
をアルブミン中に固定化し堆積したグルコ−ス感応膜 （６） と、比較電極部にはグルコ−スオキシタ−ゼを除いたア
ルブミンを固定化したグルコ−ス非感応膜から成る。こ
のグルコ−スセンサの応答はグルコ−スの分解に基づく
ｐＨ変化に応答したものである。グルコ−スを含まない
バッファ液やグルコ−スの替わりに尿素を含んだ電解液
を滴下しても出力の変化はなかった。
【００１５】図９は測定液のｐＨを変化させたときのセ
ンサの応答を見たものである。ａが本発明の差動測定の
例である。１ｍＭＫＣＬ溶液中にｐＨ４の電解液を矢印
で示したとき滴下しｐＨを変化させた。測定液のｐＨ変
化に対しては、比較電極の方でも同様な変化があるので
相殺されて出力はほとんど零となっていることがわか
る。図中ｂは、一つの光ビ−ムを用い従来の方法でｐＨ
変化に対する応答を見たものである。ｐＨに対し大きな
変化が見られているので不適当である。
ンサの応答を見たものである。ａが本発明の差動測定の
例である。１ｍＭＫＣＬ溶液中にｐＨ４の電解液を矢印
で示したとき滴下しｐＨを変化させた。測定液のｐＨ変
化に対しては、比較電極の方でも同様な変化があるので
相殺されて出力はほとんど零となっていることがわか
る。図中ｂは、一つの光ビ−ムを用い従来の方法でｐＨ
変化に対する応答を見たものである。ｐＨに対し大きな
変化が見られているので不適当である。
【００１６】
【発明の効果】本発明により表面光電圧法を用いたセン
サで差動測定が可能となった。このためバイアス電流を
相殺したセンサの信号のみが検出でき、高感度化が可能
となった。又半導体基板や電解液、センサ膜等に共通に
生じる不安定性やドリフト、例えば温度変化、ｐＨ変
化、雑音、振動による液のゆらぎの影響等が差動効果に
よって除去され、低ドリフト化、低雑音化が達成され
る。
サで差動測定が可能となった。このためバイアス電流を
相殺したセンサの信号のみが検出でき、高感度化が可能
となった。又半導体基板や電解液、センサ膜等に共通に
生じる不安定性やドリフト、例えば温度変化、ｐＨ変
化、雑音、振動による液のゆらぎの影響等が差動効果に
よって除去され、低ドリフト化、低雑音化が達成され
る。
【図１】従来の表面光電圧法の原理図
【図２】本発明の実施例図
【図３】本発明実施例の動作説明図
【図４】（７） 本発明の他の実施例図
【図５】本発明の他の実施例図
【図６】本発明の他の実施例図
【図７】本発明の他の実施例図
【図８】本発明実施例の出力特性図
【図９】本発明実施例の出力特性図
１ 検知極（透明導電性電極） ２ エアギャップ ３ スペ−サ ４ 絶縁層 ５ 半導体基体 ６ ドライバ− ７ ロックインアンプ ８ コンピュ−タ ９ 感応部（センサ） １０ サスペンデットゲ−ト １１ 基準電極 １２ 対向電極
Claims (4)
- 【請求項１】 半導体基体上に絶縁層を設けこの上部に
検知電極を設け、前記検知電極の表面もしくは半導体基
体の裏面より断続した光ビ−ムを照射して半導体基体内
に電子、正孔対を発生させることにより半導体基体表面
に交流光電流及び光電圧を生じせしめるように構成され
た物理化学センサにおいて前記同一半導体基体上で、特
性の揃った２本の断続した光ビ−ムにより２つの信号の
差をとる差動構成とし、前記半導体基体表面のセンシン
グ部と参照部とを、同一波長の２つのパルス光の位相を
半波長ずらして半波長づつ別々に照射し、これにより生
じる半波長づつの光電流を一周期ごとに差をとることを
特徴とする物理化学センサ。 - 【請求項２】 差動構成において、半波長づつの光電流
を一周期ごとに差をとるのに、パルス光の駆動電源と同
期し、かつ、半周期ごとに反転と非反転の切り換えを行
なう参照信号に方形波を用い、センシング信号の振幅
（Ａ）と上記参照信号との位相差（θ）に従った直流出
力（Ｅ＝Ａcosθ）をロックインアンプで位相検波を行
なうことにより得ることを特徴とする請求項１記載の物
理化学センサ。 - 【請求項３】 半導体基体上に絶縁層を設け、前記絶縁
層上に１乃至複数の感応膜を設けたことを特徴とする請
求項１記載の物理化学センサ。 - 【請求項４】 差動構成において、基準電極として白金
又は金等の金属電極を用いたことを特徴とする請求項３
記載の物理化学センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25916793A JP3258465B2 (ja) | 1993-09-22 | 1993-09-22 | 物理化学センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25916793A JP3258465B2 (ja) | 1993-09-22 | 1993-09-22 | 物理化学センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0792120A true JPH0792120A (ja) | 1995-04-07 |
| JP3258465B2 JP3258465B2 (ja) | 2002-02-18 |
Family
ID=17330290
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25916793A Expired - Fee Related JP3258465B2 (ja) | 1993-09-22 | 1993-09-22 | 物理化学センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3258465B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000241343A (ja) * | 1999-02-19 | 2000-09-08 | Micronas Gmbh | 測定装置並びに該測定装置の製法 |
| JP2010038663A (ja) * | 2008-08-04 | 2010-02-18 | Nihon Univ | シリコン薄膜の結晶性評価装置及び結晶性評価方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107621567B (zh) * | 2017-09-13 | 2020-12-29 | 吉林大学 | 一种半导体光电材料瞬态光电流测量系统及测量方法 |
-
1993
- 1993-09-22 JP JP25916793A patent/JP3258465B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3258465B2 (ja) | 2002-02-18 |
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