(57)【要約】【課題】  感度の高い半導体検出素子およびこの素子を用いた検出方法を提供する。【解決手段】  梁状に加工したＩnＡs薄膜１を備え、ＩnＡs薄膜１の弾性的な変形による半導体の物性変化を検出することにより、ＩnＡs薄膜１に加わった微小な力を高感度に検出するメカニカルな半導体検出素子において、ＩnＡs薄膜１が超伝導材料のニオブ電極２、３との接合部分を有する。【選択図】  図１
2005257326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
梁状に加工した半導体薄膜あるいは素片、または、半導体材料を少なくともその一部として含む固体薄膜あるいは素片を備え、
前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片の弾性的な変形による半導体の物性変化を検出することにより、前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片に加わった微小な力を高感度に検出するメカニカルな半導体検出素子において、
前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片に含まれる半導体材料が、超伝導材料との接合部分を有することを特徴とする半導体検出素子。
【請求項２】
前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片を構成する半導体材料と超伝導材料との接合部では、前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片を構成する半導体材料と超伝導材料とが、金属あるいは絶縁体からなる第３の材料を挟んで接合を形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体検出素子。
【請求項３】
梁状に加工した半導体薄膜（１）と、
前記半導体薄膜（１）と接合部分を形成すると共に超伝導材料の電極（２、３）とを有し、
前記半導体薄膜（１）の弾性的な変形による、前記接合部分の半導体の物性変化を、前記電極（２、３）により検出することにより、前記半導体薄膜（１）の弾性的な変形を検出することを特徴とする半導体検出素子。
【請求項４】
前記半導体薄膜（１）と前記超伝導材料の電極（２、３）との接合部分では、前記超伝導材料の電極（２、３）が、金属あるいは絶縁体からなる第３の材料を挟んで接合を形成することを特徴とする請求項３に記載の半導体検出素子。
【請求項５】
加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、および原子の１つによって、前記接合部分に弾性的な変形を発生させる発生手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体検出素子。
【請求項６】
請求項１または２に記載の半導体検出素子の半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片の弾性的な変形を検出する検出方法であって、
半導体材料と超伝導材料との接合部分を、超伝導と常伝導との臨界状態近傍に固定し、
前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片の弾性的な変形による超伝導状態と常伝導状態との間の相転移を、前記接合部分における半導体の物性変化を通じて検出することによって、この弾性的な変形を検出することを特徴とする検出方法。
【請求項７】
加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、および原子の１つによって、前記接合部分の弾性的な変形を発生させることを特徴とする請求項６に記載の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、梁状に加工した半導体あるいは固体から作製される薄膜あるいは素片の弾性的な変形を、半導体の物性変化を通じて検知することにより、薄膜あるいは素片に加わった微小な力を高感度に検出する半導体検出素子および検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体力検出素子は、民生機器用素子として用いられる。この素子の一例は、次のように作られる。リソグラフィーに代表される半導体微細加工技術を用い、シリコン等の半導体薄膜を梁状に加工して、半導体力検出素子の梁が形成される。この半導体力検出素子によれば、梁の弾性的な変位による半導体の物性変化を、電気的あるいは光学的に検出することにより、半導体力検出素子に加わった微小な力を検知する。つまり、半導体力検出素子は、メカニカルな力検出器である。
【０００３】
このような半導体力検出素子は、走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーや加速度センサーなど、民生機器用素子として広く用いられている。特に、梁の表面に形成した導電性半導体薄膜の抵抗値の変化を測定することにより、梁の弾性的変位を検出するピエゾ抵抗効果力検出器は、光学系等の外部部品を必要としない自己検知型センサーとして広く用いられている（非特許文献１）。ピエゾ抵抗効果力検出器は、梁の弾性変形を用いる、あらゆる高感度センサーの基本素子として重要である。
【０００４】
自己検知型の半導体力検出素子であるピエゾ抵抗効果力検出素子の例を図５に示す。図５の半導体力検出素子は、絶縁性Ｓi薄膜１０１、導電性Ｓi薄膜１０２、および、電極１０３、１０４を備えている。この半導体力検出素子では、絶縁性の高い絶縁性Ｓi半導体である絶縁性Ｓi薄膜１０１上に、導電性を持つ導電性Ｓi薄膜１０２が、不純物の拡散などのドーピング手法を用いて作製されている。
【０００５】
絶縁性Ｓi薄膜１０１は、絶縁性をもつＳi薄膜層である。導電性Ｓi薄膜１０２は、絶縁性Ｓi薄膜１０１の上にドーピングにより形成された、導電性を持つＳi薄膜層である。電極１０３、１０４は、導電層である導電性Ｓi薄膜１０２に電流を注入するために用いられる、オーム型の電極である。そして、半導体微細加工技術を用いて、半導体薄膜を梁状に加工し、片持ち梁１１１が形成されている。
【０００６】
この半導体力検出素子では、片持ち梁１１１の先端に力が加わり、片持ち梁１１１がたわむと、導電性Ｓi薄膜１０２は面内の歪を受ける。たとえば、片持ち梁１１１が下向きにたわむと、導電性Ｓi薄膜１０２は引張り応力を受け、体積が膨張する。この体積膨張に対し、半導体に顕著に見られる変形ポテンシャル効果および圧電効果により、導電性Ｓi薄膜１０２の抵抗値が変化する。したがって、電極１０３と電極１０４との間の抵抗値の変化を、配線１０５、１０６に電流を流して検出することにより、片持ち梁１１１のたわみを検出することができる。この結果、片持ち梁１１１に加わった力を検出することが可能である。
【非特許文献１】アプライド・フィジックス・レター誌、６２巻、８号、１９９３年、８３４−８３６頁（AppliedPhysics Letter, Volume 62, No.8, 1993 pp.834-836）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、通常用いられている、このような自己検知型力検出器は、導電性半導体薄膜の変形ポテンシャル効果ならびに圧電効果による、バルク半導体固有の抵抗値変化を用いている。このため、梁の変位に対する抵抗値の変化が小さく、レーザー干渉計などを用いた変位センサーを応用した力検出器に比較して、感度が著しく低いという問題点がある。
【０００８】
実際、前述した非特許文献１に、M. Tortoneseらにより報告されているように、導電性Ｓi薄膜の圧電効果を用いて作製した力検出器の感度は、１ｋＨｚにおける変位量に換算して、２×１０−４ｎｍＨｚ−１／２程度であり、市販のレーザードップラー干渉計を用いた場合の値、１×１０−６ｎｍＨｚ−１／２に比べて２桁以上低い。
【０００９】
本発明は、前記の課題を解決し、感度の高い半導体検出素子および検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、梁状に加工した半導体薄膜あるいは素片、または、半導体材料を少なくともその一部として含む固体薄膜あるいは素片を備え、前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片の弾性的な変形による半導体の物性変化を検出することにより、前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片に加わった微小な力を高感度に検出するメカニカルな半導体検出素子において、前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片に含まれる半導体材料が、超伝導材料との接合部分を有することを特徴とする半導体検出素子である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体検出素子において、前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片を構成する半導体材料と超伝導材料との接合部では、前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片を構成する半導体材料と超伝導材料とが、金属あるいは絶縁体からなる第３の材料を挟んで接合を形成することを特徴とする。
請求項３の発明は、梁状に加工した半導体薄膜と、前記半導体薄膜と接合部分を形成すると共に超伝導材料の電極とを有し、前記半導体薄膜の弾性的な変形による、前記接合部分の半導体の物性変化を、前記電極により検出することにより、前記半導体薄膜の弾性的な変形を検出することを特徴とする半導体検出素子である。
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体検出素子において、前記半導体薄膜と前記超伝導材料の電極との接合部分では、前記超伝導材料の電極が、金属あるいは絶縁体からなる第３の材料を挟んで接合を形成することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体検出素子において、加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、および原子の１つによって、前記接合部分に弾性的な変形を発生させる発生手段を有することを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項１または２に記載の半導体検出素子の半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片の弾性的な変形を検出する検出方法であって、半導体材料と超伝導材料との接合部分を、超伝導と常伝導との臨界状態近傍に固定し、前記半導体薄膜あるいは素片、または固体薄膜あるいは素片の弾性的な変形による超伝導状態と常伝導状態との間の相転移を、前記接合部分における半導体の物性変化を通じて検出することによって、この弾性的な変形を検出することを特徴とする検出方法である。
請求項７の発明は、請求項６に記載の検出方法において、加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、および原子の１つによって、前記接合部分の弾性的な変形を発生させることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、以下の点を発明の本質としている。
通常、半導体の抵抗値は、半導体のキャリア濃度とキャリア移動度とによって支配される。半導体に歪みを加えると、キャリア濃度およびキャリア移動度の値が変形ポテンシャル効果と圧電効果とにより変化し、抵抗値の変化、つまりピエゾ抵抗が出現する。しかし、バルク半導体におけるこれらの効果による比抵抗値の変化は、たかだか加えられた歪みの大きさ程度であり、半導体材料や構造を変えても大きく変化しない。したがって、このようなバルク半導体固有の変形ポテンシャル効果や圧電効果を用いている限り、材料や素子の構造を変えても、力の検出感度には、桁違いに大きな改善がみられない。
【００１２】
一方、半導体と超伝導材料との接合構造については、超伝導材料から半導体に超伝導電流が滲み出すことが知られている。このような現象は、近接効果と呼ばれている。このような超伝導材料と半導体との接合構造では、超伝導電流が滲み出した状態での半導体の抵抗値は極めて低い。実際、０.５ミクロンに近接した２片の窒化ニオブからなる超伝導体電極に接合した、インジウム砒素からなる半導体片の抵抗が、十分な低温で消失することが、スーパーコンダクター・サイエンス・アンド・テクノロジー誌、１２巻、１９９９年、９０１〜９０３項（Superconductor Science and Technology 12, 1999 pp.901-903）（以下、参考文献１という）に、T. Akazakiらにより報告されている。さらに、この半導体片の抵抗値は、半導体片を流れる電流の大きさに極めて敏感であり、臨界電流とよばれる上限を超えると、電子系は常伝導状態に相転換し、急激に抵抗値が増加する。
【００１３】
今、超伝導電流の大きさを臨界電流に等しくとり、超伝導と常伝導とのちょうど臨界状態を実現すれば、半導体の物性のほんの小さな変化に対して抵抗値は、半導体固有の値から超伝導状態であるゼロまで急激に変化する。言い換えれば、このような臨界状態では、超伝導体と半導体との接合部分の抵抗値は半導体の物性の微細な変化に応じて急激に変化する。
【００１４】
したがって、このような接合構造を含む梁状の薄膜を作製し、それに力を加えることにより、薄膜の弾性的な変形を引き起こせば、加えられた歪みにより接合部の抵抗値が著しい変化を示し、梁に与えられた力を抵抗値の変化として、従来技術に比較して桁違いに高い感度で検出することが可能である。別の言い方をすれば、近接効果により超伝導体から半導体に滲み出した超伝導電流を、半導体における変形ポテンシャル効果ならびに圧電効果により変調することにより、半導体単体に比較して著しく大きなピエゾ抵抗効果を出現させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、梁を構成する薄膜あるいは素片内に半導体と超伝導体の接合構造を用いることにより、極めて感度の高い半導体検出素子を得ることができ、また、感度の高い力検出をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
つぎに、本発明の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。
［実施形態１］
本実施形態による半導体検出素子では、梁を構成する薄膜としてＩnＡsを用い、超伝導体としてニオブが用いられている。ＩnＡsとニオブとは、良好なオーミック接合が形成でき、超伝導体と半導体との近接効果を実現するのに最適な組み合わせの一つである。本実施形態による半導体検出素子を図１に示す。この半導体検出素子は、ＩnＡs薄膜１とニオブ電極２、３とを備えている。ニオブ電極２、３はニオブからなる超伝導体電極である。ＩnＡs薄膜１は微細加工技術によって梁状に加工され、片持ち梁１１が形成される。すなわち、本実施形態では、梁状の薄膜すなわち片持ち梁１１を構成する半導体薄膜としてＩnＡsを用い、この半導体薄膜と接合を形成する超伝導材料としてニオブを用いる。
【００１７】
ニオブ電極２とニオブ電極３とは、片持ち梁１１において、細長形状に形成され、さらに、互いに向かい合うように、かつ、近接して形成されている。このとき、片持ち梁１１におけるニオブ電極２とニオブ電極３との間隔はｄである。
【００１８】
本実施形態による半導体検出素子は、前記の構成である。この素子を用いた力検出は次のように行われる。超伝導体であるニオブ電極２とニオブ電極３とは、ＩnＡs表面近傍に超伝導電流を注入する。これらのニオブ電極２、３は、片持ち梁１１のたわみにより歪を受ける部分（以下、近接部分４という）の上で近接している。前述の参考文献１に記載されているように、近接部分４でのニオブ電極２とニオブ電極３との間隔ｄを１ミクロン以下に縮め、ニオブが超伝導体となる程度に素子を冷却する。これにより、ニオブ電極２とニオブ電極３との各々からの超伝導電流の滲みだしが結合し、ニオブ電極２からニオブ電極３に超伝導電流が直接流れる。すなわち、このような状態において、ニオブ電極２とニオブ電極３との間の電気抵抗は消失する。しかし、電極間に注入する電流を増加していくと、ある臨界値すなわち臨界電流を境に、超伝導状態が壊れ、半導体固有の抵抗値に復帰する。
【００１９】
いま、ニオブ電極２とニオブ電極３との間に注入する電流の電流値を臨界電流近辺に固定し、片持ち梁１１にたわみを加えると、変形ポテンシャル効果により、近接部分４におけるＩnＡsのバンドギャップの大きさが変化し、また、圧電効果により、表面近傍におけるエネルギーバンドの曲がりが変化する。これら２つの効果は、ニオブ電極２とニオブ電極３との間に流れる超伝導電流の臨界電流の値を変化させる。この臨界電流の変化は、半導体固有のピエゾ抵抗と同程度の小さな変化であるが、注入する電流値を臨界電流近辺に固定しているため、超伝導状態から常伝導状態への変化を引き起こし、極めて大きな抵抗値の変化をもたらす。
【００２０】
したがって、超伝導電極であるニオブ電極２とニオブ電極３との間に流す電流を臨界電流近辺に固定し、ニオブ電極２とニオブ電極３との間に生じる電圧を測定することにより、片持ち梁１１のたわみによる、極めて大きな電圧値の変化が生じる。このため、従来の手法に比較して、桁違いに高い感度で片持ち梁１１に加えられた微小な力を検出できる。
【００２１】
［実施形態２］
つぎに、本発明の実施形態２について説明する。本実施形態は、超伝導トランジスタを梁に組み込んだ半導体検出素子である。梁を構成する薄膜として、ＡlＧaＳbとＩnＡsとのヘテロ構造が用いられている。本実施形態による半導体検出素子を図２〜４に示す。図２は、実施形態２であるＩnＡsとニオブからなる超伝導トランジスタを用いた半導体検出素子を示す模式図であり、図３は、図２の部分拡大を示す模式図であり、図４は、図２のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。この半導体検出素子は、ＡlＧaＳb薄膜２１と、ＡlＧaＳb薄膜２１に設けられたＩnＡs薄膜２２と、ＩnＡs薄膜２２に設けられたＡlＧaＳb薄膜２３との多層薄膜を持つ。
【００２２】
さらに、本実施形態では、ＡlＧaＳb薄膜２１、ＩnＡs薄膜２２、ＡlＧaＳb薄膜２３の多層薄膜を片持ち梁３１に加工し、２つの超伝導ニオブ電極であるニオブ電極２４、２５、および電界効果トランジスタ動作を行うショットキーゲート電極であるショットキー電極２６を形成することにより作製される。前記の多層薄膜は、薄膜２１〜２３を分子線エピタキシにより結晶成長することで作製する。
【００２３】
ニオブ電極２４およびニオブ電極２５は、微細加工により露出させたＩnＡs薄膜２２の表面に形成され、良好なオーミック電極を形成する。また、ショットキー電極２６は絶縁性の高いＡlＧaＳb薄膜２３の表面に形成され、超伝導電流が流れるＩnＡs薄膜２２と電気的に絶縁される。電流の回り込みによる特性劣化を避けるため、接合を形成する部分以外においてＩnＡs薄膜２２は除去される。
【００２４】
ＩnＡs薄膜２２との接合部分において、２つのニオブ電極２４、２５の間の距離が十分に小さければ、これらの電極間にＩnＡsを通して超伝導電流が流れるが、本実施形態では、このＩnＡs層であるＩnＡs薄膜２２の電子濃度をショットキー電極２６により外部から制御できることが特徴である。すなわち、本実施形態による半導体検出素子では、超伝導臨界電流の大きさを、外部から与える電圧により制御できる。したがって、外部電圧により超伝導状態と常伝導状態との臨界状態を制御性よく再現できるため、実施形態１に比較して、より容易に力検出の感度が最大となる条件を実現することが可能となり、特性の優れた半導体検出素子を作製することができる。
【００２５】
［実施形態３］
実施形態１、２では、検出する対象が、半導体検出素子に加えられる力の場合についてのみ示したが、本実施形態では、実施形態１、２の半導体検出素子を用いた各種測定について説明する。本実施形態では、半導体検出素子の片持ち梁の先端近傍に、磁性材料を設ける。この構成によれば、半導体検出素子に磁気が加えられると、磁性材料を備える片持ち梁が変位するので、磁気の検出が可能である。なお、この場合には、弾性的な変形を発生させる発生手段が磁気材料である。
【００２６】
また、前記の磁性材料の代わりに、片持ち梁の先端近傍に導電体を設け、さらに、半導体検出素子に電界を加える。この構成によれば、片持ち梁の導電体が帯電すると、電界により片持ち梁がしなる。この結果、片持ち梁の導電体に帯電した電荷を検出することができる。この場合には、前記の発生手段が導電体および電界である。
【００２７】
また、半導体検出素子の片持ち梁の先端近傍の質量変化により、片持ち梁の共振周波数が変化する。つまり、外部から加振した片持ち梁の共振周波数の変化を電気的に検出することにより、分子、原子、微小物質、微小粒子などの質量を検出することができる。この場合には、前記の発生手段が、片持ち梁の加振構造である。
【００２８】
さらに、片持ち梁の先端の変位や、素子全体が持つ加速度も、片持ち梁のしなりを引き起こすため、これらの変位や加速度の検出素子として、半導体検出素子を用いることができる。この場合には、前記の発生手段が片持ち梁自体である。
【００２９】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれる。たとえば、これらの実施形態では、半導体材料としてＩnＡsを用いたが、ＩnＳb、あるいはＩnＳbとＩnＡsとの混晶、あるいはＡlＮなど、超伝導体と良好なオーミック電極が形成できる、あらゆる種類の半導体材料を用いることも可能である。
【００３０】
また、これらの実施形態では、超伝導材料としてニオブを用いたが、酸化物系材料を含む他のあらゆる超伝導材料の使用が可能であることは、言うまでもない。
【００３１】
また、半導体への超伝導電流の滲みだしが消失しない範囲において、半導体と超伝導体の間に絶縁体や金属、あるいは他の絶縁性半導体薄膜などを挿入した場合でも、本発明の要旨を逸脱するものでないことは言うまでもなく、本発明に含まれる。
【００３２】
また、これらの実施形態では、超伝導電流が流れる半導体片として薄膜状のものを用いたが、半導体微粒子や細線をはじめ、あらゆる形状の半導体素片を梁状に加工された固体薄膜あるいは素片の表面あるいは内部に有する構造を用いることができることは言うまでもない。
【００３３】
また、これらの実施形態では、梁の形状として片持ち梁を用いたが、両持ち梁はもとより、コイルばねなど、加えられた力による弾性変形を引き起こすあらゆる形状の半導体あるいは固体素片を用いることができることも明らかである。
【００３４】
また、これらの実施形態では、薄膜は素片の弾性変形として「たわみ」が生じる場合を用いたが、他の弾性変形である「ねじり」、「圧縮」や「伸張」など、あらゆる種類の弾性変形を用いても同様に高感度な半導体検出素子の作製が可能である。
【００３５】
また、これらの実施形態では、薄膜や素片の弾性変形を半導体の抵抗値の変化を通じて検出したが、超伝導状態から常伝導状態への変化が引き起こすあらゆる種類の半導体の物性変化を通じて検出する場合も、同様に高感度な半導体検出素子の作製が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施形態１であるＩnＡsとニオブとの接合を用いた半導体検出素子を示す模式図である。
【図２】実施形態２であるＩnＡsとニオブからなる超伝導トランジスタを用いた半導体検出素子を示す模式図である。
【図３】図２の部分拡大を示す模式図である。
【図４】図２のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。
【図５】従来の絶縁性半導体上に導電層薄膜を形成して作製した半導体力検出器を表す模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  ＩnＡs薄膜
２、３  ニオブ電極
４  近接部分
１１  片持ち梁
２１、２３  ＡlＧaＳb薄膜
２２  ＩnＡs薄膜
２４、２５  ニオブ電極
２６  ショットキー電極
３１  片持ち梁
【図１】
2005257326.tif 000003
【図２】
2005257326.tif 000004
【図３】
2005257326.tif 000005
【図４】
2005257326.tif 000006
【図５】
2005257326.tif 000007