(57)【要約】【課題】高感度化、高歩留まり、小型化及び省電力化を実現可能なガスセンサを得る。【解決手段】ガスセンサ１０は、ガス感応膜２０を含む。ガス感応膜２０は、非晶質組織を有する酸化物半導体により構成されている。酸化物半導体は、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａからなる群より選択された少なくとも一つの元素を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスに接触することで物性値が変化するガス感応膜を備えるガスセンサであって、
前記ガス感応膜が、非晶質組織を有する酸化物半導体により構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記酸化物半導体が、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａからなる群より選択された少なくとも一つの元素を含むことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記ガス感応膜の膜厚が、２〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記物性値が電気的特性値であり、
前記電気的特性値を測定するための複数の電極をさらに備え、
前記複数の電極間の最短距離が、１μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか１項に記載したガスセンサと、
前記ガスセンサによるセンシング結果をユーザに報知する報知手段とを備えていることを特徴とするガス検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ及びこれを備えたガス検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
多結晶の金属酸化物薄膜（ＳｎＯ２、ＺｎＯ等）をガス感応膜として利用したガスセンサが知られている。このガスセンサでは、酸化ガス又は還元ガスの接触により、多結晶金属酸化物薄膜中の結晶粒界において、伝導電子に対する粒界ポテンシャルが変化することで、電気抵抗が変化する性質を利用している。そのため、金属酸化物の結晶粒径を細かくすることで、電気抵抗が変化する結晶粒界の割合を高め、センサの高感度化が図られている。
【０００３】
例えば特許文献１には、ガス感応膜として、大きさがナノサイズで揃った多数の微結晶粒子が面方向において互いに接合した多結晶膜を利用したガスセンサに関する技術が開示されている。この技術では、非晶質膜を形成した後の急速熱処理でこれを多結晶化することで、ガス感応膜を形成している。この際にナノサイズの微結晶組織として結晶粒界を多数形成し、かつその大きさを揃えることで、すべての結晶粒界においてガスセンシング機能を最大限に引き出すことが可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１８７４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されているような多結晶の金属酸化物をガス感応膜として使用した場合、以下のような問題点がある。
【０００６】
ガスセンサを高感度化するためには、ガス感応膜を薄膜化すると共に、ガス感応膜の電気抵抗等を測定する電極間の距離を短くすることが好ましい。ところが、多結晶の金属酸化物を使用した場合、膜厚方向又は電極間方向に存在する結晶粒径が数えられるほどに少なくなると、それぞれの方向に並ぶ結晶粒の数に応じて特性が大きく変化してしまうため、同品質のガスセンサを作製することが困難となり、歩留まりが悪化する。そのため、多結晶の金属酸化物では、ガス感応膜の薄膜化及び電極間距離の短縮による高感度化に限界がある。
【０００７】
また、電極間距離を短縮できないため、ガスセンサの微細化及び小型化も制限されている。
【０００８】
さらに、ガスセンサを小型化できないため、ガス感応膜をヒーターで加熱した状態で動作させる一般的なガスセンサの広範囲を加熱しなければならず、省電力化にも限界がある。
【０００９】
本発明の目的は、高感度化、高歩留まり、小型化及び省電力化を実現可能なガスセンサ及びこれを備えたガス検知器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガスセンサは、ガスに接触することで物性値が変化するガス感応膜を備えるガスセンサであって、前記ガス感応膜が、非晶質組織を有する酸化物半導体により構成されている。
【００１１】
ここで、非晶質組織とは、X線回折（ＸＲＤ）測定において明確な結晶ピークが観測されない、もしくは透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察において明瞭な周期性や結晶粒界が観察されない組織のことを指す。なお、非晶質組織中に数ｎｍ程度の大きさの微結晶が、体積割合として１０％程度含まれていてもよい。
【００１２】
本発明のガスセンサでは、酸化物半導体が、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａからなる群より選択された少なくとも一つの元素を含むことが好ましく、酸化物半導体が、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａからなる群より選択された少なくとも二つの元素を含むことがより好ましい。
【００１３】
また、酸化物半導体がＩｎ、Ｚｎ、Ｇａのすべてを含むことがさらに好ましく、５〜９０％のＩｎ、５〜９０％のＺｎ、及び、５〜９０％のＧａを含むことがより一層好ましい。
【００１４】
本発明のガスセンサでは、前記ガス感応膜の膜厚が、２〜５０ｎｍであることが好ましい。
【００１５】
本発明のガスセンサでは、前記ガス感応膜の表面に凹凸構造が形成されていることが好ましい。
【００１６】
本発明のガスセンサでは、前記ガス感応膜の内部に空隙が設けられていることが好ましい。
【００１７】
本発明のガスセンサでは、前記ガス感応膜の表面、または内部に触媒作用を持つ物質が配置されていることが好ましい。
【００１８】
本発明のガスセンサでは、前記物性値が電気的特性値であり、前記電気的特性値を測定するための複数の電極をさらに備え、前記複数の電極間の最短距離が、１μｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
本発明のガス検知器は、上述したガスセンサと、前記ガスセンサによるセンシング結果をユーザに報知する報知手段とを備えている。
【発明の効果】
【００２０】
従来のガスセンサにくらべ、高感度化、高歩留まり、小型化及び省電力化を実現可能なガスセンサ及びこれを備えたガス検知器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガスセンサの概略構成を示す斜視図である。
【図２】ＩＧＺＯ薄膜の低角Ｘ線回折スペクトルを示すグラフである。
【図３】ＩＧＺＯ薄膜の酸素濃度とキャリア密度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態に係るガスセンサの斜視図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るガスセンサの斜視図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係るガスセンサの部分断面図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係るガスセンサの部分断面図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係るガス検知器の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係るガスセンサ１０について、図１を参照して説明する。図１に示すガスセンサ１０は、正方形平板状に形成されたガス感応膜２０と、ガス感応膜２０上に凹凸形状を有し且つ互いに噛み合うように配置された２つの櫛形電極３０ａ、３０ｂと、ガス感応膜２０及び櫛形電極３０ａ、３０ｂを支持する基板４０とから構成されている。ガス感応膜２０は、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａを含む酸化物半導体からなる。ガス感応膜２０は、ガスに接触することで、キャリア密度の変化に伴う電気抵抗の変化を発生する薄膜である。ガス感応膜２０は、スパッタリング法などの薄膜作製手法により、任意の基板４０上に作製される。
【００２３】
本実施形態において、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａを含む酸化物半導体からなるガス感応膜２０は、均質な非晶質組織を有している。そのため、ガス感応膜２０を薄膜化して及び／又は電極間距離（櫛形電極３０ａと櫛形電極３０ｂとの最短距離を意味する）を短縮化してセンサ感度を向上させても、多結晶のガス感応膜を使用したガスセンサで問題となる歩留まりの低下を抑えることができる。したがって、ガス感応膜２０の薄膜化及び電極間距離の短縮による高感度化、さらにその結果としてガスセンサ１０の小型化及び省電力化を図ることが可能となる。また、結晶粒界を持たないため、多結晶のガス感応膜を使用したガスセンサを繰り返し使用した際に問題となる粒成長や粒界近傍のクラック発生による感度低下が発生せず、長寿命となる。
【００２４】
本発明においては、ガス感応膜２０を非晶質組織とすることで、櫛形電極３０の端から端までの距離が短い構成でも、歩留まりを落とすことがないため、ガスセンサを小型化することが可能である。そのため、ヒーターによる加熱領域を狭くすることが可能であり、ガスセンサの動作電力を抑え、かつセンサ全体が発生する総熱量を抑制することが可能となる。
【００２５】
本実施形態では、櫛形電極３０ａ、３０ｂを用いているために、実質的な電極の幅が広がって、シグナルとなる電流値を増加させることができる。なお、櫛形電極３０ａと櫛形電極３０ｂとの距離は、櫛形電極３０ａと櫛形電極３０ｂとの間の全領域で同じ距離（最短距離）となっている。ただし、櫛形電極３０ａと櫛形電極３０ｂとの間で両者間の距離が均等ではなく、その一部領域での両者間の距離（最短距離）が他の領域での両者間の距離よりも長くてもよい。ガスセンサ１０においてセンス電流は電極間抵抗値が低い最短距離となった領域に多く流れ、それがセンサ信号において支配的となる。
【００２６】
ガス感応膜２０の膜厚は２〜５０ｎｍである。ガス感応膜２０の膜厚を５０ｎｍ以下とすることで、ガス感応膜中でガスに反応する部分の割合が増加し、センサ感度が向上する。さらに、ガス感応膜２０が均質な非晶質組織であるため、多結晶のガス感応膜を使用したガスセンサで問題となる歩留まりの低下を抑えることができる。また、ガス感応膜２０の膜厚を２ｎｍ以上とすることで、センシングを行うための電流パスを確保することができる。
【００２７】
ガス感応膜中にどの程度の深さまで空気中のガスが侵入するかを確認するため、以下のような実験を行った。スパッタリング法にて作製した膜厚５０ｎｍのＩＧＺＯ薄膜（元素数比率で３３．３％のＩｎ、３３．３％のＺｎ及び３３．３％のＧａを金属元素として含む酸化物薄膜）を空気中に２日間暴露し、低角Ｘ線回折測定を行った。なお、作製したＩＧＺＯ薄膜のキャリア密度は２．４×１０１８ｃｍ−３、キャリア移動度は１０．１ｃｍ２／Ｖｓであった。得られた低角Ｘ線スペクトルを高速フーリエ変換処理した結果を、図２に示す。図２には、作製した膜厚に相当する膜厚５０ｎｍ付近のピークに加えて、５ｎｍ付近及び４５ｎｍ付近にピークが現れている。前者は、作製直後の状態から大気暴露により酸化が促進され、キャリア密度が大きく低下した５ｎｍ付近にある層の存在を、後者は、酸化されずに残っている４５ｎｍ付近にある層の存在をそれぞれ反映している。すなわち、ＩＧＺＯ薄膜の表面から５ｎｍ程度の範囲で、酸素が侵入し、酸化が進行した層（キャリア密度が大きく低下した層）が形成されていることを示している。この結果から、大気中の酸素のＩＧＺＯ薄膜への侵入深さは、５ｎｍ程度であるとわかった。このような薄膜をガス感応膜２０に用いれば、酸化された５ｎｍの層は酸化によって一桁以上の大きさでキャリア密度が低下するため、ガス感応膜２０を流れる電流は、酸化されずに残っている厚さ４５ｎｍの部分を流れ、抵抗値が概ね５０／４５≒１．１１倍に大きくなる。ガスセンサ１０が大気中の酸素よりも反応性の高いガスや侵入深さの深いガスを検出する目的で用いられることを考慮すれば抵抗値の変化はより大きくなることから、ガス感応膜の膜厚を前記大気暴露での進入深さの結果の１０倍程度である５０ｎｍまでとすることで高感度のガスセンサ１０を実現可能である。さらに、より高い感度（例えばｐｐｂオーダー）でのガス検出を必要とする場合には、前記実験で確認された大気中酸素の進入深さの５倍である２５ｎｍ以下とすることが特に望ましい。
【００２８】
ガス感応膜２０は、好ましくは、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａからなる群より選択された少なくとも一つの元素、より好ましくはＩｎ、Ｚｎ及びＧａからなる群より選択された少なくとも二つの元素、さらに好ましくはＩｎ、Ｚｎ及びＧａをすべて含む酸化物で構成されている。この場合、ガス感応膜２０が上記３つの元素の中のより多くの種類の元素を含有しているほど、非晶質組織を安定して作製することが可能となる。特に、Ｇａを含む場合、低キャリア密度の状態を安定して保つことが可能となり、ガス接触時のキャリア密度の変化量が大きくなるため、ガスセンサの感度が向上する。
【００２９】
酸化物半導体がＩｎ、Ｚｎ、Ｇａのすべてを含むことがさらに好ましく、元素濃度として、５〜９０％のＩｎ、５〜９０％のＺｎ、及び、５〜９０％のＧａを含むことがより一層好ましい。酸化物半導体がＩｎ、Ｚｎ、Ｇａのすべてを含む場合、非晶質組織をより一層安定して作製することが可能となる。また、ＩＧＺＯ薄膜では、キャリア密度を半導体領域（例えば１０１９から１０１１ｃｍ−３の範囲）で制御可能であるので、高キャリア密度領域のみを使用する従来の検出材料に比べ、酸化／還元ガスによるわずかなキャリア密度の変化を大きな抵抗変化として得ることができる。また、非晶質であってもキャリア移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ前後と高いため、従来の検出材料に比べて、材料中の電子散乱因子が少なく、ＳＮ比が高くなる。
【００３０】
ここで、キャリア密度の制御範囲を示す実験データとして、スパッタリング法により作製したＩＧＺＯ薄膜の作製中の酸素濃度に対するキャリア密度の変化の実測データについて、図３に基づいて説明する。１×１０１４ｃｍ−３以下のキャリア密度を測定できないホール効果測定装置を用いているものの、図３から、酸素濃度が増加するに連れてキャリア密度の低い（抵抗値の高い）ＩＧＺＯ薄膜を作製可能であることが理解できる。ＩＧＺＯ薄膜のキャリア密度は、図３に示す１×１０１９〜１×１０１４ｃｍ−３程度の半導体的な領域から、ホール効果測定が困難な、ほぼ絶縁体となる１×１０１１ｃｍ−３程度の領域まで、安定して変化する。
【００３１】
また、ガス感応膜２０の表面、または内部に、触媒作用を持つ物質（例えばＰｔ、Ｐｄなどの貴金属）を配置していてもよい。この構成によれば、触媒の作用により、ガスセンサの感度を向上することができる。また、触媒の選択により、ガスセンサにガス選択性を付与することが可能となる。また、ガス感応膜２０が非晶質材料であるため、触媒を備えるガスセンサの劣化の原因となる粒界拡散による触媒材料のガス感応膜中への拡散を防止することができる。
【００３２】
本実施形態において、櫛形電極３０ａ、３０ｂは、ガスに接触することで変化するガス感応膜２０の電気抵抗を測定するための電極である。櫛形電極３０ａ、３０ｂは、スパッタリング法などの薄膜作製手法で作製できる。材料としては、一般的な金属や透明導電膜など、任意の電気抵抗の低い材料を使用することができる。櫛形の形状は、メタルマスクやフォトリソグラフィーといった手法で作製することが可能である。
【００３３】
櫛形電極３０ａと櫛形電極３０ｂとの最短距離は、１μｍ以下であることが好ましい。この構成によれば、電極間最短距離が短いために、電気的物性値を測定する際にシグナルとなる電流値が増加することでＳＮ比が向上する。また、微細化による素子の小型化、低コスト化が可能である。さらに、ガス感応膜２０が均質な非晶質組織であるため、多結晶のガス感応膜を使用したガスセンサで問題となる歩留まりの低下を抑えることができる。ただし、電極間の直接接触によるリークを防止するため、微細加工精度の関係上、５ｎｍ以上の電極間最短距離を確保することが好ましい。
【００３４】
本実施形態に係るガスセンサ１０は、ガス感応膜２０を加熱するためのヒーターを備えていてもよい。このヒーターは、ガスセンシング中のガス感応膜２０を加熱することで、ガスに対する感度を向上させるために使用される。また、ガスが接触し、キャリア密度が変化したガス感応膜２０を加熱し、元のキャリア密度に戻すリフレッシュにも利用される。
【００３５】
ヒーターとしては、半導体レーザーダイオードを利用してもよい。レーザー光照射により、ガス感応膜２０の局所的な加熱を行うことが可能である。そのため、半導体レーザーダイオードをヒーターとして好適に使用することができる。
【００３６】
次に、第１実施形態に係るガスセンサ１０の動作について説明する。ガスセンサ１０のガス感応膜２０に酸化性又は還元性のガスが接触すると、酸化物半導体で構成されたガス感応膜２０中の酸素欠損濃度が変化する。酸化物半導体中の酸素欠損は、ドナーとして働くため、酸素欠損濃度の変化に伴い、キャリア密度が変化し、結果として電気抵抗値が変化する。例えば、酸化性のガスと接触した場合、酸化物半導体の酸素欠損濃度が下がり、キャリア密度の低下、電気抵抗値の上昇を引き起こす。そのためで、櫛形電極３０ａ、３０ｂによりガス感応膜２０に電流を流し、電気抵抗値の変化を測定することで、ガス感応膜２０と接触しているガスを検知することができる。 
【００３７】
なお、本実施形態において、ガス感応膜２０は、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇａをいずれも含まない、非晶質組織を有する酸化物半導体からなるものであってもよい。そのような酸化物半導体として、例えば、Ａｌ−Ｚｎ−Ｓｎ−Ｏを組み合わせたものが挙げられる。一般論として、多くの元素を含む酸化物は非晶質になりやすいという傾向がある。
【００３８】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では、ガス感応膜のキャリア密度の変化を測定することで、ガスを検知する。
【００３９】
図４に示すように、本実施形態に係るガスセンサ１１は、正方形平板状に形成されたガス感応膜２１と、ガス感応膜２１の上面の四隅に配置された４つのパッド電極３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄと、ガス感応膜２１及び４つのパッド電極３１ａ〜３１ｄを支持する基板４１と、基板４１の下方に配置された永久磁石６０とから構成されている。ガス感応膜２１及び基板４１に関しては、それぞれ、第１実施形態のガス感応膜２０及び基板４０と形状以外は同じであるため、説明を省略する。
【００４０】
パッド電極３１ａ〜３１ｄは、スパッタリング法などの薄膜作製方法で作製できる。材料としては、一般的な金属や透明導電膜など、任意の電気抵抗の低い材料を使用することができる。永久磁石６０は、ガス感応膜２１に磁場を印加するために用いられる。
【００４１】
前記の構成とすることで、ファン・デル・ポー（ｖａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ）法により、ガス感応膜２１のキャリア密度を測定することが可能となる。すなわち、一対の対向する電極間に電流Ｉを印加した際に、もう一対の電極間に電位差ΔＶが発生した場合、ガス感応膜２１のキャリア密度ｎは、
ｎ＝（ＢＩ）／（ｅｄΔＶ）
と計算できる。ただし、Ｂは永久磁石６０により印加される磁束密度、ｅは素電荷、ｄはガス感応膜２１の膜厚である。
【００４２】
本実施形態におけるガスセンサ１１では、ガス接触による電気抵抗値変化の起源であるガス感応膜２１のキャリア密度の変化を直接的に評価することが可能であり、より正確かつ精密なガスセンシングを行うことができる。
【００４３】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第１及び第２実施形態では、ガス感応膜の電気的特性の変化を測定することでガスを検知していた。本実施形態では、ガスとの接触によるガス感応膜の光学的特性の変化を測定することで、ガスを検知する。
【００４４】
図５は、本実施形態に係るガスセンサ１２の概略構成を示す模式図である。本実施形態に係るガスセンサ１２は、ガス感応膜２２と、ガス感応膜２２を支持する基板４２と、ガス感応膜２２の表面に向けて光を照射する光源７０と、ガス感応膜２２及び基板４２を挟んで光源７０と対向配置された光センサ７１とから構成されている。ガス感応膜２１及び基板４２は透光性を有している。透光性の点を除いて、ガス感応膜２１及び基板４２に関しては、それぞれ、第１実施形態のガス感応膜２０及び基板４０と形状以外は同じであるため、説明を省略する。
【００４５】
光源７０としては、例えばＬＥＤ又はレーザーダイオードを使用することができる。光センサ７１としては、例えばフォトダイオードを使用することができる。
【００４６】
第３実施形態に係るガスセンサ１２の動作について説明する。ガスセンサ１２のガス感応膜２２に酸化性又は還元性のガスが接触すると、酸化物半導体で構成されるガス感応膜２２中の酸素欠損濃度が変化する。このとき、酸素欠損に起因する光の吸収量が変化するため、ガス感応膜２２の光透過率が変化する。そのため、光源７０によりガス感応膜２２に光を照射し、光センサ７１により透過光の強度を測定することで、ガスの検知が可能となる。
【００４７】
本実施形態におけるガスセンサ１２では、光源７０による光照射により、ヒーターによるガス感応膜２２の加熱動作を代用することが可能なため、構成を簡略化することができる。また、ガス感応膜２２が結晶粒界を持たないため、多結晶のガス感応膜を使用したガスセンサを繰り返し使用した際に問題となる粒成長や粒界近傍のクラック発生による感度低下が発生せず、長寿命となる。
【００４８】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第１〜第３実施形態では、ガス感応膜が平面基板上に作製されていた。本実施形態では、凹凸基板上にガス感応膜を作製し、表面に凹凸構造を有するガス感応膜を使用する。
【００４９】
図６に示すように、本実施形態に係るガスセンサにおいて、ガス感応膜２３はその表面及び裏面に凹凸構造を有している。このような表面に凹凸構造を有するガス感応膜２３は、例えば表面に凹凸構造を有する凹凸基板４３上に、スパッタリングや蒸着等の手法によりガス感応膜２３を垂直入射で製膜することで作製できる。この構成によれば、ガス感応膜２３の表面が凹凸構造を有していることで、ガス感応膜２３の表面積が増加し、ガスに対するガス感応膜２３の反応が速くなるため、ガスセンサの反応が向上する。
【００５０】
なお、ガス感応膜の表面に形成される凹凸パターンは、ラインやドット、ランダムなど、任意のものでよい。また、凹凸パターンのサイズも任意でよいが、感度向上のために、ガス感応膜の膜厚の薄膜化及び／又は電極間距離の短縮を行う場合、一つの凸部が３〜５０ｎｍ程度のサイズであることが好ましい。
【００５１】
〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態では、ガス感応膜の内部に空隙が設けられている。
【００５２】
図７に示すように、本実施形態に係るガスセンサにおいて、ガス感応膜２４は、第４実施形態と同じように、凹凸基板４４上に形成されており、表面及び裏面に凹凸構造を有している。また、ガス感応膜２４の内部には空隙５０が形成されている。空隙５０は、基板４４の凹部に対応する位置のそれぞれに、基板４４の凸部に挟まれる高さに形成されている。このようなガス感応膜２４は、例えば凹凸基板４４上に、凹凸基板４４を回転させながら、スパッタリングや蒸着等の手法によりガス感応膜２４を斜め入射で製膜することで作製できる。斜め入射により、基板４４の凸部がマスクとなり、凹部の膜成長が阻害され、凸部の上部のみで膜成長することを利用している。この構成によれば、ガス感応膜２４の内部に空隙５０が形成されることで、ガス感応膜２４の表面積がさらに増加し、ガス感応膜２４中のガス拡散が推進されるため、ガスに対する反応速度がさらに向上する。なお、本実施形態において、ガス感応膜２４の表面に凹凸形状が設けられていなくてもよい。また、空隙５０は、ガス感応膜２４の内部に形成されていれば、基板４４の凹部に対応する位置になくてもよく、不規則的に形成されていてもよい。
【００５３】
〔第６実施形態〕
次に、本発明の第６実施形態について説明する。本実施形態は、上述した第１実施形態に係るガスセンサを搭載したガス検知器である。
【００５４】
図８に示すように、ガス検知器８０は、図１に示したガスセンサ１０と、報知部９０とから構成されている。なお、ガスセンサ１０に代えて、第２〜第５実施形態のいずれかに係るガスセンサを用いてもよい。
【００５５】
報知部９０は、ガスセンサ１０においてガスがセンシングされた際に、ユーザにガスのセンシング結果を報知する。報知する方法としては、ピープ音やＬＥＤ等のゲージ、液晶画面の表示などを使用することができるが、ユーザにより感知できるものであれば、どのような方法を採用してもよい。
【００５６】
本実施形態のガス検知器８０は、従来のガスセンサにくらべ、高感度化、高歩留まり、小型化、省電力化、長寿命化が可能なガスセンサ１０を搭載するため、信頼性が高く、長寿命、低コストとなる。
【００５７】
なお、ガス検知器８０は、フィルター等により周辺の空気の微小粒子やガスを取り除く空気清浄機に搭載されていてもよい。
【００５８】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、従来のガスセンサにくらべ、高感度化、高歩留まり、小型化、省電力化、長寿命化が実現可能なガスセンサを提供することが可能であり、特にガス検知器や空気清浄機に好適に用いることができる。
【００６０】
本発明のガスセンサは、ガスに接触することで物性値が変化するガス感応膜（２０，２１，２２，２３，２４）を備えるガスセンサであって、前記ガス感応膜が、非晶質組織を有する酸化物半導体により構成されている。
【００６１】
前記構成によれば、ガス感応膜が均質な非晶質組織であるため、ガス感応膜の薄膜化及び／又は電極間距離の短縮化によってセンサ感度が向上しても、多結晶のガス感応膜を使用したガスセンサで問題となる歩留まりの低下を抑えることができる。したがって、ガス感応膜の薄膜化及び／又は電極間距離の短縮による高感度化、さらに小型化及び省電力化を図ることが可能となる。
【００６２】
また、結晶粒界を持たない非晶質組織を有する酸化物半導体を用いているため、多結晶のガス感応膜を使用したガスセンサを繰り返し使用した際に問題となる粒成長や粒界近傍のクラック発生による感度低下が発生せず、長寿命となる。
【００６３】
本発明のガスセンサでは、酸化物半導体が、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａからなる群より選択された少なくとも一つの元素を含むことが好ましく、酸化物半導体が、Ｉｎ、Ｚｎ及びＧａからなる群より選択された少なくとも二つの元素を含むことがより好ましい。
【００６４】
前記構成とすることで、非晶質組織を安定して作製することが可能となる。特に、Ｇａを含む場合、低キャリア密度の状態を安定して保つことが可能となり、ガス接触時のキャリア密度の変化量が大きくなるため、ガスセンサの感度が向上する。
【００６５】
また、酸化物半導体がＩｎ、Ｚｎ、Ｇａのすべてを含むことがさらに好ましく、５〜９０％のＩｎ、５〜９０％のＺｎ、及び、５〜９０％のＧａを含むことがより一層好ましい。
【００６６】
酸化物半導体がＩｎ、Ｚｎ、Ｇａのすべてを含む場合、非晶質組織をより一層安定して作製することが可能となる。また、キャリア密度を半導体領域（例えば１０１９から１０１１ｃｍ−３の範囲）で制御可能であるので、高キャリア密度領域のみを使用する従来の検出材料に比べ、酸化／還元ガスによる酸素欠損濃度の変化を大きな抵抗変化として得ることができる。また、非晶質であってもキャリア移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ前後と高いため、従来の検出材料に比べて、材料中の電子散乱因子が少なく、ＳＮ比が高くなる。
【００６７】
本発明のガスセンサでは、前記ガス感応膜（２０，２１，２２，２３，２４）の膜厚が、２〜５０ｎｍであることが好ましい。
【００６８】
前記構成によれば、ガス感応膜の膜厚を５０ｎｍ以下とすることで、ガスに反応するガス感応膜の割合が増加し、センサ感度が向上する。また、一般的な多結晶のガス感応膜を使用した場合、膜厚方向に存在する結晶粒の数のばらつきによる歩留まりの低下が顕著になる５０ｎｍ以下の膜厚であっても、ガス感応膜が均質な非晶質組織であるため、歩留まりの低下が発生しない。さらに、ガス感応膜の薄膜化及び／又は電極間距離の短縮化により、ガス感応膜を作製するための原材料費が抑制できるため、低コスト化が可能である。また、ガス感応膜の膜厚を２ｎｍ以上とすることで、センシングを行うための電流パスを確保することができる。
【００６９】
本発明のガスセンサでは、前記ガス感応膜（２３）の表面に凹凸構造が形成されていることが好ましい。
【００７０】
前記構成とすることで、ガス感応膜の表面積が増加し、ガスに対するガス感応膜の反応が速くなるため、ガスセンサの反応が向上する。
【００７１】
本発明のガスセンサでは、前記ガス感応膜（２４）の内部に空隙（５０）が設けられていることが好ましい。
【００７２】
前記構成とすることで、ガス感応膜の表面積が増加し、ガス感応膜中のガス拡散が推進されるため、ガスに対する反応速度が向上する。
【００７３】
本発明のガスセンサでは、前記ガス感応膜の表面、または内部に触媒作用を持つ物質が配置されていることが好ましい。
【００７４】
前記構成とすることで、触媒の作用により、ガスセンサの感度が向上する。また、触媒の選択により、ガスセンサにガス選択性を付与することが可能となる。また、ガス感応膜が非晶質材料であるため、触媒を備えるガスセンサの劣化の原因となる粒界拡散による触媒材料のガス感応膜中への拡散を防止することができ、長寿命なガスセンサを得ることができる。
【００７５】
本発明のガスセンサでは、前記物性値が電気的特性値であり、前記電気的特性値を測定するための複数の電極（３０ａ、３０ｂ；３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ）をさらに備え、前記複数の電極間の最短距離が、１μｍ以下であることが好ましい。
【００７６】
前記構成によれば、電極間の最短距離を１μｍ以下とすることで、電気的物性値を測定する際にシグナルとなる電流値が増加するため、ＳＮ比が向上する。また、微細化による素子の小型化、低コスト化が可能である。この際、一般的な多結晶のガス感応膜を使用した場合、電極間に存在する結晶粒の数のばらつきによる歩留まりの低下が顕著になる１μｍ以下の電極間最短距離であっても、ガス感応膜が均質な非晶質組織であるため、歩留まりの低下が発生しない。ただし、電極間の直接接触によるリークを防止するため、微細加工精度の関係上、５ｎｍ以上の電極間最短距離を確保することが好ましい。
【００７７】
本発明のガス検知器は、上述したガスセンサ（１０、１１、１２）と、前記ガスセンサによるセンシング結果をユーザに報知する報知手段（９０）とを備えている。
【００７８】
前記構成によれば、信頼性が高く、長寿命、低コストであるガス検知器を実現することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１０、１１、１２  ガスセンサ
２０、２１、２２、２３、２４  ガス感応膜
３０ａ、３０ｂ  櫛形電極
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ  パッド電極
４０、４１、４２、４３、４４  基板
５０  空隙
６０  永久磁石
７０  光源
７１  光センサ
８０  ガス検知器
９０  報知部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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