(57)【要約】  微細な部分の温度測定が可能で、また、低温から高温まで幅広いレンジの温度測定も可能な、シンプルな構造の温度センサを提供提供する。  ２次元電子ガスの抵抗値を用いて温度を測定する温度センサである。２次元電子ガスとしては、あらゆるものが利用可能であるが、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ系、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系、ＳｉＣ／Ｓｉ系、ＣｄＴｅ／ＨｇＴｅ／ＣｄＴｅ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系の群から選択されるヘテロ構造を有するものが挙げられる。
2009524798.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元電子ガスを具備し、前記２次元電子ガスの抵抗値を用いて温度が測定されることを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の温度センサであって、さらに、前記温度センサの接触部に保護膜を有することを特徴とする温度センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の温度センサにおいて、前記温度センサは、光励起されることを特徴とする温度センサ。
【請求項４】
請求項１に記載の温度センサにおいて、前記２次元電子ガスは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ系、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系、ＳｉＣ／Ｓｉ系、ＣｄＴｅ／ＨｇＴｅ／ＣｄＴｅ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系の群から選択されるヘテロ構造を有することを特徴とする温度センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の温度センサにおいて、前記２次元電子ガスは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のヘテロ構造を有し、前記温度センサは、さらに、供給層とそれよりもバンドギャップの小さい層との間に、薄いバリア層を有することを特徴とする温度センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の温度センサにおいて、該温度センサが複数マトリックス状に配置されることを特徴とする温度センサ。
【請求項７】
請求項１に記載の温度センサにおいて、該温度センサが電磁変換素子から構成されることを特徴とする温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は温度センサに関し、特に、温度に対する抵抗値の変化を利用した温度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
温度センサ、特に接触型の温度センサとしては、白金測温抵抗体や半導体の抵抗対温度特性を利用したサーミスタ、２種類の金属を用いる熱電対等が知られている。また、トランジスタのベース・エミッタ間電圧の温度特性を利用した半導体温度センサも種々存在する。このようなセンサは、例えば特開２００４−２９４３２２に開示される。
【特許文献１】特開２００４−２９４３２２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、白金測温抵抗体はセンサ部が大きくなるため、微細部分の温度測定が困難であるという問題があった。また、サーミスタは、感度は良いが抵抗対温度特性の直線性が悪く、また、使用温度範囲の下限が−５０℃程度に制限されているという問題があった。さらに、熱電対は、測温接点以外に一定温度に保つ必要がある基準接点が必要であり、温度センサの構造が複雑化するという問題があった。
【０００４】
また、従来の温度センサの感温部は、センサの接触部近傍ではなく奥にあったので、センサの接触部と実際に温度を測定する感温部とが位置的にずれているため、被測定点の正確な温度が測定できないという問題もあった。さらに、物理的・化学的に不安定で測定する雰囲気に制限がある場合もあった。また、低温から高温まで幅広いレンジの使用温度範囲を実現しているものもなかった。
【０００５】
本発明は、斯かる実情に鑑み、微細な部分の正確な温度測定が可能で、また、低温から高温まで幅広いレンジの温度測定も可能な、シンプルな構造の温度センサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による温度センサは、２次元電子ガスを具備し、２次元電子ガスの抵抗値を用いて温度が測定されるものである。
【０００７】
さらに、温度センサの接触部に保護膜を有するように構成しても良い。
【０００８】
また、温度センサは、光励起されても良い。
【０００９】
ここで、２次元電子ガスは、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ系、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系、ＳｉＣ／Ｓｉ系、ＣｄＴｅ／ＨｇＴｅ／ＣｄＴｅ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系の群から選択されるヘテロ構造を有するものが挙げられる。
【００１０】
２次元電子ガスは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のヘテロ構造を有し、前記温度センサは、さらに、供給層とそれよりもバンドギャップの小さい層との間に、薄いバリア層を有する。
【００１１】
また、温度センサが複数マトリックス状に配置されるように構成されても良い。
【００１２】
また、温度センサが電磁変換素子から構成されても良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の温度センサには、材料の選択により、物理的、化学的に安定した温度センサを構成することが可能となるため、過酷な環境下での使用も可能となるという利点がある。また、被測定点とセンサの感温部とが非常に近いため、被測定点の正確な温度測定が可能であるという効果もある。さらに、材料の選択によって、使用温度範囲も非常に広い温度センサを構成可能であるという効果もある。本発明の温度センサは、温度に対する抵抗値の変化が大きいため、感度も良い。また、抵抗値を測定するのみで温度測定が可能であるため、シンプルな構造が実現可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。本発明の温度センサは、２次元電子ガスを有するものである。そして、温度により２次元電子ガスの抵抗値が変化するので、この変化曲線を利用して温度が測定される。
【００１５】
通常、半導体はドーピングにより電気伝導率を高めている。そのため、温度に対する抵抗値の変化は、イオン化不純物散乱とフォノン散乱の両方の影響を受ける。低温ではイオン化不純物錯乱の影響が大きく、高温ではフォノン錯乱の影響が大きくなるが、室温付近では両方の錯乱が影響するため、温度変化に対する抵抗値の変化が鈍くなる。これに対して、２次元電子ガスは、ドーピングする領域と電流が流れる領域が分離されており、電流が流れる２次元電子ガスの領域には不純物がないので、温度に対する２次元電子ガスの抵抗値の変化は、フォノン錯乱の影響だけを受けることになる。したがって、温度変化に対する抵抗値の変化は、室温付近であっても敏感になる。よって、このような特徴を有する２次元電子ガスを利用する本発明の温度センサは、温度測定感度が高いものとなる。
【００１６】
以下、本発明の温度センサをより具体的に説明していく。図１は、本発明の温度センサの構造を説明するための概略断面図である。なお、２次元電子ガスとして、図示例では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造を用いたものを示す。ＧａＮは、物理的、化学的に安定しており、過酷な環境化での使用に耐え得る材料である。このＧａＮを用いたＡｌＧａＮ／ＧａＮ系の２次元電子ガスを用いることで、低温から高温、具体的には、例えば絶対零度付近から６００℃程度まで使用可能な温度センサを実現可能となる。
【００１７】
図示の通り、本発明の温度センサは、基板１上にまずＧａＮ層２が結晶成長等により堆積され、ついでその上にＡｌＧａＮ、例えばｎ型のＡｌＧａＮ層３が結晶成長等により堆積されて形成されている。これにより、ＡｌＧａＮとＧａＮの界面に２次元電子ガス４が形成される。本発明の温度センサは、この２次元電子ガスの抵抗値をオーミックコンタクト等を用いて測定することにより、温度を測定するものである。なお、温度センサの各層は、従来の又は今後開発されるあらゆる方法を用いて形成されれば良く、特定の製造方法に限定されるわけではない。
【００１８】
図１において、ＡｌＧａＮ層３が、例えば約３０ｎｍの膜厚を有すれば、２次元電子ガス４は温度センサの表面から深さ約３０ｎｍのところに位置することになる。このように、本発明の温度センサは、２次元電子ガスからなる感温部が被測定点に非常に近いため、被測定点のより正確な温度測定が可能となる。また、感温部までの距離が短いため熱伝導率も良く、反応速度も速い。
【００１９】
なお、図示例では、２次元電子ガスとして、具体的にＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のヘテロ構造を示したが、本発明に用いられる２次元電子ガスはこれに限定されない。２次元電子ガスの例としては、例えばＡｌＧａＮ／ＧａＮ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ系、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系、ＳｉＣ／Ｓｉ系、ＣｄＴｅ／ＨｇＴｅ／ＣｄＴｅ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系、さらにはナノ結晶シリコンを用いたヘテロ構造等が挙げられる。但し、本発明の温度センサの２次元電子ガスはこれらの材料には限定されず、バンドギャップの異なる異種の半導体材料を接合することでその界面に２次元電子ガスを形成可能なものであれば、如何なる材料であっても良い。
【００２０】
上述のようなＡｌＧａＮ／ＧａＮのヘテロ構造を用いた、本発明の温度センサの温度対抵抗値の変化特性のグラフを図２に示す。図示の通り、本発明の温度センサは、約−２６３℃から約６００℃付近まで抵抗値が増加している。また、この変化特性は３次曲線で容易に近似化することも可能である。したがって、この変化曲線を用いて温度を測定すれば良い。なお、０℃以下では抵抗値の変化の幅が小さいが、測定時に２次元電子ガスに電流を流したときの出力電圧のぶれ（ノイズ）が、高温時に比べて低温時は小さいので、変化幅が小さくても良好に温度測定が可能となる。なお、図示例の温度範囲及び抵抗値に関しては、作成する温度センサのドープ量等に応じて種々変化するため、図示例のものに限定されるものではない。
【００２１】
次に、２次元電子ガスの長さ対幅の比は等しいが、大きさの異なる２つの温度センサの温度対抵抗値の変化特性のグラフを図３に示す。図３は、幅１０μｍ×長さ３０μｍの２次元電子ガスと、幅５０μｍ×長さ１５０μｍの２次元電子ガスの温度対抵抗値の変化特性を示している。なお、２次元電子ガスとしては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のヘテロ構造を用いた。図示の通り、本発明の温度センサは、２次元電子ガスの大きさが異なっていても略同様の特性を示していることが分かる。したがって、本発明の温度センサは、感温部の大きさを任意に設定可能であり、汎用性が高い。
【００２２】
さらに、２次元電子ガスの長さ対幅の比を変化させた場合の温度対抵抗値の変化特性のグラフを図４に示す。図４は、長さ対幅の比ｌ／ｗが０．１、０．２、１、３とした場合の各変化特性を示している。なお、２次元電子ガスとしては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のヘテロ構造を用いた。図示の通り、ｌ／ｗが大きいほど抵抗値の増加率が大きいことが分かる。したがって、温度センサの測定感度を、センサの長さと幅の比を変えることで制御することが可能である。即ち、感度を高めるにはセンサ幅を小さくし、センサの長さを長くすれば良い。但し、センサの長さを長くしすぎた場合には、センサの分解能が低下してしまうため、使用目的に応じて設定する必要がある。
【００２３】
また、２次元電子ガスの他の材料として、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の材料を用いた場合の温度センサの特性を図５に示す。図５は、２次元電子ガスとしてＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのヘテロ構造を用いた温度センサの温度対抵抗値の変化特性のグラフである。図示の通り、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系では、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系に比べると使用温度範囲が狭くなっているが、温度上昇に対して抵抗値が増加している特性が得られる。なお、本図示例でも、温度範囲及び抵抗値に関しては、作成する温度センサのドープ量等に応じて種々変化するため、図示例のものに限定されるものではない。
【００２４】
なお、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ等のように、物理的な強度がある程度低い材料を用いる場合には、必要によりＳｉＮ等からなる保護膜を温度センサの接触部に形成し、物理的強度を高めることも勿論可能である。被測定点に接触する接触部の位置としては、センサ表面や側面が考えられる。被測定点に接触する部分を保護膜で覆うことで、物理的、化学的に安定した温度センサとすることが可能となる。
【００２５】
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系のヘテロ構造を用いた温度センサはある程度高温での動作に耐え得るが、温度センサをより高温で使用する場合、条件によっては量子井戸中の電子が励起されＡｌＧａＮとＧａＮの界面のエネルギ壁を越えてしまうため、高温動作しない場合がある。このような問題を解決するための、より高温での動作が可能な温度センサの構造を図６を用いて説明する。図６は、本発明の温度センサの高温耐性のある構造を説明するための概略断面図である。図１と同一の部分には同一の参照符号を用いた。この温度センサは、供給層とそれよりもバンドギャップの小さい層との間に、薄いバリア層を設けた構造を有している。即ち、供給層であるＡｌＧａＮ層３と、それよりもバンドギャップの小さいＧａＮ層２との間に、薄いバリア層であるＡｌＮ層５を設けている。バリア層の膜厚は、約１ｎｍから約２ｎｍ程度であれば良い。これにより、エネルギ壁を高くすることが可能となるため、高温時でもＡｌＧａＮへの電子熱励起を防ぐことが可能となる。したがって、高温でも動作可能な温度センサを得ることが可能となる。
【００２６】
なお、本発明の温度センサは、必ずしも接触型である必要はなく、非接触でも温度測定は可能なものである。
【００２７】
さらに、本発明の温度センサでは、低温測定時等に光励起することで、高密度キャリア状態とすることも可能である。これにより低温時でも電気伝導性を高くすることが可能となり、結果として温度測定の感度が上がる。
【００２８】
なお、これまで説明した本発明の温度センサを用いて、被測定物をスキャンすることで被測定物の面温度を測定することも可能である。本発明の温度センサは、反応速度が速いため、スキャン速度も速くすることが可能である。また、本発明の温度センサを複数マトリックス状に配置して一度に複数の点の温度を測定することも勿論可能である。
【００２９】
また、本発明の温度センサは、種々の半導体製造方法を利用可能であるため、例えばＭＥＭＳ等の微細加工技術によりあらゆる大きさ、形状等にも作成可能である。
【００３０】
さらに、本発明の温度センサは、ホール素子やＭＲ素子等の電磁変換素子の２次元電子ガスの抵抗値を用いて構成されるものであっても良い。即ち、電磁変換素子をＡｌＧａＮ／ＧａＮ等のヘテロ構造を用いて形成し、磁気を測定すると共に、この界面にできる２次元電子ガスの抵抗値を用いて温度も測定するようにしても良い。なお、温度に応じても電磁変換素子からの出力電圧が変化するため、出力信号の変化が温度によるものなのか磁気によるものなのかが判断できない。したがって、測定前に基準温度又は基準磁場において、一旦オフセットした後に測定を行えば良い。
【００３１】
さらに、物質の微細な表面を観察するための走査型プローブ顕微鏡等のような、非常に微細なプローブを用いる装置にも、本発明の温度センサを適用可能である。即ち、プローブ先端に本発明の温度センサを設けることで、表面の形状や磁界分布等の物理情報の測定だけでなく、表面の温度測定も可能な装置が実現できる。プローブ先端が半導体で製造されていれば、本発明の温度センサも半導体製造過程で一緒にプローブ内に形成できるため、物理情報の測定個所と略同じ位置の温度が測定可能となる。
【００３２】
なお、本発明の温度センサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。２次元電子ガスの抵抗値を用いて温度測定するものであれば、層構造は図示例のものに限定されず、他の層が含まれていても良く、また、２次元電子ガスを用いるＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の温度センサの構造を説明するための概略断面図である。
【図２】図２は、２次元電子ガスとしてＡｌＧａＮ／ＧａＮを用いた本発明の温度センサの温度対抵抗値の変化特性のグラフである。
【図３】図３は、２次元電子ガスとしてＡｌＧａＮ／ＧａＮを用いた本発明の温度センサの、２次元電子ガスの大きさを変えた場合の温度対抵抗値の変化特性のグラフである。
【図４】図４は、本発明の温度センサの、２次元電子ガスの長さ対幅の比を変えた場合の温度対抵抗値の変化特性のグラフである。
【図５】図５は、２次元電子ガスとしてＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓを用いた本発明の温度センサの温度対抵抗値の変化特性のグラフである。
【図６】図６は、本発明の温度センサの高温耐性のある構造を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    基板
２    ＧａＮ層
３    ＡｌＧａＮ層
４    ２次元電子ガス
５    薄いバリア層
【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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【国際調査報告】
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