感測氫氣MOS電晶體元件之研製和測試

Abstract

Piet Betgveld〔２〕〔３〕 是第一個應用這個原理的學者，利用去掉金屬閘門的MO -SFET 來測量pH值，感測氫離子，製作所謂離子感測場效電晶體（ISFET ，Ion-Sens -itive Field-Effect-Transistor），緊跟著在Bergveld之後Matuse〔４〕也發展成 功了一種ISFET 元件在含鹽類水溶液中應用，Matuse的元件也是應用半導體技術製造 完成，只是Matuso使用了二氧化矽－氮化矽薄膜（SiO-SiN ）做為絕緣層而Bergveld 僅用氧化層（SiO） 做為絕緣層；其後Esashi又和Matuso〔５〕應用FET 原理共同發 展出多離子感測器，用於感測氫離子（H） 和鈉離子（Na），以上這些感測原件就是 我們所謂的化學感測半導體元件（Chemical Sensitive Semiconductor Devices，CS -SD's ）〔６〕〔７〕中的一類。 另外一種在MOSFET的絕緣層上面（SiO和SiN）鍍上一層YSZ（yttria-stabilized-zir -conia）〔８〕然後在其上鍍上白金做為電極的元件，可用來測定O 的存量；還有一 種令人感到興趣但不是用來測定離子的MOSFET型元件是以Palladium 做為金屬閘門〔 ９〕〔１０〕〔１１〕〔１２〕，可用來感測氫氣，利用氫氣會吸附在Pd表面並且會 分解成氫原子穿透Pd薄膜，在Pd和二氧化矽之間的界面引起極化層（dipole layer） 的原理，而改變MOSFET的啟動電位（threshold voltage ）；也有些研究是專注於Pd 閘門下的絕緣層物質〔１３〕，例如，以不同的絕緣層如AlO 和TaO 等來研究這些物 質對於以Pd為閘門的MISFET氫氣感測器所產生的影響；我們的研究方向是製作如上述 MOSFET類元件，而且因為Pt和Pd有類似的化學活性，所以我們選擇了Pt來做為氫氣感 測器元件的閘門。