(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（２）と、
半導体基板の表層部において互いに離間するように形成されたソース領域（３）およびドレイン領域（４）と、
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間をチャネルとすると、該チャネルの上に外気に触れる露出部分が備えられて形成された浮遊ゲート（６）と、
前記浮遊ゲートの電位を制御するコントロールゲート（８）と、
前記浮遊ゲートと前記コントロールゲートとの間に配置されたトンネル膜（７）とを備えていることを特徴とする帯電粒子検出装置。
【請求項２】
前記浮遊ゲート、前記コントロールゲートおよび前記トンネル膜は絶縁膜（５）を介して前記チャネル上に形成されており、前記浮遊ゲートを中央に配置して、前記トンネル膜と前記コントロールゲートとが順に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の帯電粒子検出装置。
【請求項３】
前記ソース領域と前記ドレイン領域との間の電流（ＩDS）が一定となるように前記コントロールゲートの電位を調整すると共に、該コントロールゲートの電位に基づいて帯電粒子の濃度を求めるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の帯電粒子検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界効果を利用して帯電粒子（例えば、液中のマイナスイオン、プラスイオン、ウィルス、細菌等）の濃度等を求める帯電粒子検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の帯電粒子検出装置を図４に示す。この図に示すように、帯電粒子検出装置は、円柱形状の棒状電極Ｊ１と、この棒状電極Ｊ１と同心円を成すように棒状電極Ｊ１から絶縁して設置された円筒電極Ｊ２とを備えて構成される。
【０００３】
このような装置では電圧や電流に基づいて帯電粒子の濃度等が求められる。例えば、電圧に基づいて求める場合には、まず一方の電極を接地し、スイッチＪ３をＯＮすることで両電極間に予め電荷を蓄える。そして、スイッチＪ３をＯＦＦしたあと一定時間円筒内に帯電粒子を流通させることで、時間に対する電圧の変化、つまり帯電粒子による電荷の中和量分の電位降下を測り、帯電粒子の濃度を求めるようになっている。逆に、電流に基づいて求める場合には、電圧が一定になるように補充電流を加えれば補充電流と帯電粒子とが１：１の関係となることから、加えた補充電流を測ることで帯電粒子の濃度を求めるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の帯電粒子検出装置は体格が大きく、重いことから各種機器への組み込みが容易ではなく、また、コストも高いという問題があった。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、小型、軽量で各種機器に組み込みが容易な帯電粒子検出装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１乃至３に記載の発明では、半導体基板（２）と、半導体基板の表層部において互いに離間するように形成されたソース領域（３）およびドレイン領域（４）と、ソース領域とドレイン領域との間をチャネルとすると、該チャネルの上に外気に触れる露出部分が備えられて形成された浮遊ゲート（６）と、浮遊ゲートの電位を制御するコントロールゲート（８）と、浮遊ゲートとコントロールゲートとの間に配置されたトンネル膜（７）とを備えていることを特徴としている。
【０００７】
このような構成によれば、小型、軽量で各種機器に組み込みが容易な構造で帯電粒子検出装置を実現することができる。例えば、請求項３に示すように、ソース領域とドレイン領域との間の電流（ＩDS）が一定となるようにコントロールゲートの電位を調整することで、コントロールゲートの電位に基づいて帯電粒子の濃度を求めることが可能である。
【０００８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に、本発明の一実施形態を適用した電界効果トランジスタ型の帯電粒子検出装置１の断面構成を示す。以下、図１に基づいて帯電粒子検出装置１の構成についての説明を行なう。
【００１０】
図１に示すように、帯電粒子検出装置１は、シリコン基板２を用いて形成されている。シリコン基板２の表層部には、互いに離間するようにソース領域３、ドレイン領域４が形成されており、これらソース領域３、ドレイン領域４の表面には、それぞれソース電極３ａ、ドレイン電極４ａが形成されている。
【００１１】
また、ソース領域３およびドレイン領域４の間をチャネル領域とすると、このチャネル領域上には絶縁膜５がパターニングされている。この絶縁膜５の表面上には金等で構成される浮遊ゲート６、トンネル膜７、金やアルミニウム等で構成されるコントロールゲート８および側壁酸化膜９が備えられ、絶縁膜５の中央部に外部に露出するように浮遊ゲート６が配置されると共に、その浮遊ゲート６の両側壁にトンネル膜７、コントロールゲート８、側壁酸化膜９が順に配置された構成となっている。
【００１２】
このように構成された帯電粒子検出装置１により、以下のように帯電粒子の濃度等の検出を行なうことができる。
【００１３】
まず、コントロールゲート−ソース間電圧ＶCGSが正となるように電圧を印加すると、浮遊ゲート６の電子が引き抜かれて浮遊ゲート６が正に帯電される。この時の浮遊ゲート−ソース間電圧をＶFGS、浮遊ゲート６の帯電量をｑとし、コントロールゲート−ソース間の電気容量がｃであるとすると、数１に示す関係が成り立つ。
【００１４】
【数１】
ＶFGS＝ｑ／ｃ
この状態においては、ドレイン−ソース間にチャネルが形成され、一定の電流ＩDSが流れる。そして、コントロールゲート−ソース間の電位ＶCGSを０にしても浮遊ゲート６に電荷が蓄えられており、浮遊ゲート６は正に帯電し続ける。
【００１５】
このような状態において、外気中に負の電荷を持つ粒子が存在すると、その粒子が浮遊ゲート６に吸着され、浮遊ゲート６における電荷が中和される。これにより浮遊ゲート−ソース間電圧ＶFGSが低下する。このときの電圧ＶGSの低下量δＶFGSは、吸着した電荷量をｑ’とすると数２のように表される。
【００１６】
【数２】
δＶFGS＝（ｑ−ｑ’）／ｃ
そして、浮遊ゲート６に吸着される帯電粒子量は、大気中に存在する荷電粒子の量に関係するので、浮遊ゲート−ソース間電圧ＶFGSの減少とそれに起因する電流ＩDSの減少が荷電粒子の量を示すことになる。
【００１７】
一方、電圧ＶGSの低下量δＶFGSが０となるようにコントロールゲート８に対して電圧を印加し続ければ、このときのコントロールゲート−ソース間電圧ＶCGSは、単位時間当りに吸着した帯電粒子の電荷量に比例することになるため、電圧ＶCGSに基づいて帯電粒子の電荷量を求めることもできる。
【００１８】
このような場合には、浮遊ゲート６ではなくコントロールゲート８そのものを吸着電極とすることもできるが、上述のように浮遊ゲート６を吸着電極とすれば、トンネル現象により浮遊ゲート６からコントロールゲート８への電荷の移動が起こり、その移動電荷量が指数関数的に変化するため、低濃度の吸着荷電粒子に対する感度を大きくすることができるという効果が得られる。
【００１９】
すなわち、トンネル電流は、大きな電圧を加えなければ流れないが電圧に応じた大きさで流れ、加える電圧を増加させると指数関数的に大きくなるという特性を有していることから、大きな電圧によって小さなトンネル電流を制御でき、上述したように感度が大きくなる。
【００２０】
続いて、図２に、図１に示す帯電粒子検出装置１を用いた帯電粒子検出回路の一例を示す。この検出回路は、帯電粒子検出装置１のコントロールゲート−ソース間電圧ＶCGSに基づいて帯電粒子の電荷量を検出するものであり、ソース−ドレイン間電流ＩDSを一定にしつつ電圧ＶCGSを出力する低電流回路１０に対して、抵抗１１を介してローパスフィルタ１２を接続し、ノイズ対策等を施したものである。
【００２１】
低電流回路１０には定電圧源１３が備えられており、コントロールゲート８およびドレイン電極４ａに対して所望の電圧が印加されるようになっている。また、コントロールゲート８への電圧印加を制御するスイッチ用のトランジスタ１４、荷電粒子検出装置１のソース−ドレイン間電流ＩDSに基づいてトランジスタ１４のＯＮ／ＯＦＦを制御する抵抗１５が備えられており、抵抗１５での電圧降下分に基づいてトランジスタ１４を制御するようになっている。
【００２２】
ローパスフィルタ１２は、オペアンプ１６、コンデンサ１７および抵抗１８、１９によって構成されている。オペアンプ１６の非反転入力端子は抵抗１９を介して仮想ＧＮＤに接続され、オペアンプ１６が仮に片電源であったとしても０Ｖ以下が出力できるような構成になっている。
【００２３】
このような構成の帯電粒子検出回路は以下のように作動する。まず、電流ＩDSが大きくなってソース電極３ａに接続された抵抗１５での電圧降下がほぼ０.７Ｖになると、トランジスタ１４がＯＮし、電圧ＶCGSが減少して電流ＩDSも減少する。そして、電流ＩDSが減少して抵抗１５での電圧降下が０．７Ｖを下回ると、トランジスタ１４がＯＦＦとなり、電圧ＶCGSが増加して電流ＩDSも増加する。このようにして電流ＩDSが一定に保たれ、電圧ＶGSの低下量δＶGSが０となるように制御されるため、このときの電圧ＶCGSを測ることで帯電粒子の単位時間あたりの吸着量、すなわち帯電粒子量を検出することができる。
【００２４】
例えば、帯電粒子検出回路の出力に基づいて想定される電圧ＶCGSと帯電粒子量との関係をグラフに表すと図３のようになり、電圧ＶCGSと帯電粒子量との相関関係に基づき、電圧ＶCGSに基づいて帯電粒子量を検出することが可能となる。
【００２５】
以上説明したように、本実施形態に示す帯電粒子検出装置１は、小型で軽量な電界効果トランジスタ型のセンサ構造により、帯電粒子量の検出を可能としている。このため、小型、軽量で各種機器に組み込みが容易なものとすることができる。
【００２６】
なお、本実施形態のように構成される帯電粒子検出装置１は、シリコン基板１に対して所定パターンのマスクを用いたイオン注入によってソース領域３およびドレイン領域４の形成を行なったあと、絶縁膜５をパターニングし、この絶縁膜５の上に浮遊ゲート６を搭載したのちトンネル膜７の成膜、コントロールゲート８の搭載および側壁酸化膜９の形成等を行なうことで形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における帯電粒子検出装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示す帯電粒子検出装置を適用した帯電粒子検出回路の一例を示した図である。
【図３】電圧ＶCGSと荷電粒子量との関係を示した図である。
【図４】従来の帯電粒子検出装置の全体構成を示した図である。
【符号の説明】
１…帯電粒子検出装置、２…シリコン基板、３…ソース領域、
４…ドレイン領域、５…絶縁膜、６…浮遊ゲート、７…トンネル膜、
８…コントロールゲート、９…側壁絶縁膜、１０…低電流回路、
１２…ローパスフィルタ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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