(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが異なる半導体からなる少なくとも２つの層から構成される梁と光源とを備え、
前記半導体は圧電性を有し、
前記光源は前記異なる半導体の内の一つを選択的に励起する波長の光を前記梁に照射することと、
前記照射により選択的に励起された一つの半導体からキャリアが生成されることと、
前記キャリアが前記梁内部で空間的に分離して分極を生じることと、
前記分極が前記半導体に圧電効果を生み出すことにより梁に応力が加わることと、
前記応力により梁に反りが生じ、前記梁の反りに応じた歪勾配により変形ポテンシャル効果が現れ、歪に応じてバンドギャップが変化し、前記バンドギャップ変化により、梁の振動方向に対して順方向の付加的な力が加わり、前記付加的な力が梁の振動に対して時間的に遅れて作用することにより、梁の振動に対して正のフィードバックが働き、梁の振動を制御することと
を行うことを特徴とするメカニカル素子。
【請求項２】
前記梁を構成する層のうち少なくとも１つが化合物半導体であることを特徴とする請求項１に記載のメカニカル素子。
【請求項３】
前記光の照射により、前記梁の共振周波数やＱ値を変化させることを特徴とする請求項１に記載のメカニカル素子。
【請求項４】
前記光の照射により、前記梁を自励発振させることを特徴とする請求項１に記載のメカニカル素子。
【請求項５】
それぞれが異なる半導体からなる少なくとも２つの層から構成される梁と光源とを備えるメカニカル素子の振動を制御する方法であって、
前記半導体は圧電性を有し、
前記光源より前記異なる半導体の内の一つを選択的に励起する波長の光を前記梁に照射する段階と、
前記照射により選択的に励起された一つの半導体からキャリアが生成される段階と、
前記キャリアが前記梁内部で空間的に分離して分極を生じる段階と、
前記分極が前記半導体に圧電効果を生み出すことにより梁に応力が加わる段階と、
前記応力により梁に反りが生じる段階、前記梁の反りに応じた歪勾配により変形ポテンシャル効果が現れ、歪に応じてバンドギャップが変化する段階、前記バンドギャップ変化により、梁の振動方向に対して順方向の付加的な力が加わる段階、および、前記付加的な力が梁の振動に対して時間的に遅れて作用することにより、梁の振動に対して正のフィードバックが働く段階、を含む梁の振動を制御する段階とを備えることを特徴とするメカニカル素子の振動を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細な梁の振動を使用して力や質量などを検出する検出器あるいは周波数を選択するフィルターなどのマイクロメカニカル素子あるいはナノメカニカル素子、およびその振動を制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工により作製された梁を備えるメカニカル素子は、高感度検出素子として使用される。この素子の一例は、次のように作成される。リソグラフィーに代表される微細加工技術を使用し、シリコンなどの固体薄膜を梁状に加工して、メカニカルな力検出器の梁が形成される。このメカニカル力検出器によれば、梁の弾性的な変位を、電気的あるいは光学的に検出することにより、この検出器に加わった微小な力を検知する。このようなメカニカル力検出器は、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使用される。
【０００３】
高感度検出素子として使用されるメカニカル素子の感度はＱ値に影響される。Ｑ値は振動状態を表す無次元数であり、振動一周期の間に系に蓄えられるエネルギーを系から散逸するエネルギーで除算したものとして与えられる。より直感的な解釈として、共振周波数ω0における強制振動の最大振幅は、静的強制力による変位のＱ倍となる。実際に観測されるＱ値は、図３に示すように、振動スペクトルの共振ピーク形状から算出され、共振周波数と半値幅Δωを使用してＱ＝ω0／Δωで与えられる。Ｑ値の低い機械振動系は振動エネルギーの分散が大きな系であり、振動が短時間のうちに減衰（ダンピング）する。一方、Ｑ値の高い機械振動系は、振動エネルギーの分散が小さな系であり、一旦振動が開始されると長時間に渡り振動が続く。
【０００４】
一般に、高感度検出素子として使用されるメカニカル素子の高い検出感度は共振状態における高いＱ値により与えられる。例えば、メカニカルな力検出器の最小検出力は（１／Ｑ）0.5に比例することが知られている（非特許文献１）。すなわち、Ｑ値が大きなほど、小さな力の検出が可能となる。よって、Ｑ値の向上はメカニカル素子の応用上非常に重要である。
【０００５】
【非特許文献１】フィジカル・レビュー・Ｂ誌、６９巻、２００４年、０４５４０３頁  （Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ，  Ｖｏｌｕｍｅ  ６９，  ２００４，  ０４５４０３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、微細加工により作製される梁を備えるメカニカル素子のＱ値は、梁の加工技術や梁の品質及び形状に大きく依存し、素子の作製過程でほぼ決定される。そのため、高いＱ値の獲得には高度な作製技術が要求される。一方、加工では避けられない問題として、熱膨張効果など、梁を構成する材料そのものの特性に伴うＱ値の低下が存在する。そのため、作製技術の向上により得られるＱ値の増大化には限界がある。一般的な、半導体カンチレバーのＱ値は、室温大気中で１０1〜１０3の範囲である。
【０００７】
本発明は、前記の課題を解決し、メカニカル素子の作製後に、素子を構成する材料の圧電的および光学的性質を利用して、メカニカル素子の振動を制御し、素子のＱ値を向上させる手法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明のメカニカル素子は、それぞれが異なる半導体からなる少なくとも２つの層から構成される梁と光源とを備え、前記半導体は圧電性を有し、前記光源は前記異なる半導体の内の一つを選択的に励起する波長の光を前記梁に照射することと、前記照射により選択的に励起された一つの半導体からキャリアが生成されることと、前記キャリアが前記梁内部で空間的に分離して分極を生じることと、前記分極が前記半導体に圧電効果を生み出すことにより梁に応力が加わることと、前記応力により梁に反りが生じ、前記梁の反りに応じた歪勾配により変形ポテンシャル効果が現れ、歪に応じてバンドギャップが変化し、前記バンドギャップ変化により、梁の振動方向に対して順方向の付加的な力が加わり、前記付加的な力が梁の振動に対して時間的に遅れて作用することにより、梁の振動に対して正のフィードバックが働き、梁の振動を制御することとを行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のメカニカル素子は、上記レーザー光の照射により、上記梁の共振周波数やＱ値を変化させるものとしてもよく、上記レーザー光の照射により、上記梁を自励発振させるものとしてもよい。
【００１１】
また、上記課題を解決するために、本発明のメカニカル素子の振動を制御する方法は、それぞれが異なる半導体からなる少なくとも２つの層から構成される梁と光源とを備えるメカニカル素子の振動を制御する方法であって、前記半導体は圧電性を有し、前記光源より前記異なる半導体の内の一つを選択的に励起する波長の光を前記梁に照射する段階と、前記照射により選択的に励起された一つの半導体からキャリアが生成される段階と、前記キャリアが前記梁内部で空間的に分離して分極を生じる段階と、前記分極が前記半導体に圧電効果を生み出すことにより梁に応力が加わる段階と、前記応力により梁に反りが生じる段階、前記梁の反りに応じた歪勾配により変形ポテンシャル効果が現れ、歪に応じてバンドギャップが変化する段階、前記バンドギャップ変化により、梁の振動方向に対して順方向の付加的な力が加わる段階、および、前記付加的な力が梁の振動に対して時間的に遅れて作用することにより、梁の振動に対して正のフィードバックが働く段階、を含む梁の振動を制御する段階とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、微細加工により作製される梁を備えるメカニカル素子のＱ値を、素子の作製後に、照射レーザーの波長と強度の調節により、簡便に制御することができる。また、本発明によれば、室温環境においても、レーザー照射によりメカニカル素子を実効的に冷却でき、液体ヘリウムなどの寒剤を使用すること無く、簡便に熱雑音を低減できる。これにより、高感度なメカニカル検出が可能となる。さらに、本発明によれば、メカニカル素子をレーザー照射により自励発振させることが可能であり、他の振動駆動機構、例えば、電気的、磁気的、あるいは力学的な駆動機構を必要とすること無く、簡便にメカニカル素子を振動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態によるメカニカル素子の振動を制御する方法を説明する模式図である。
図１において、メカニカル素子１００は、片持ち梁１０１と、電極１０２、１０３と、レーザー光源１０５と、圧電加振素子１０４とを備えている。片持ち梁１０１は、分子線エピタキシなどの薄膜結晶成長により作製された半導体多層構造を基にリソグラフィー加工される。この半導体多層構造は、図２に示すように、半絶縁ＧａＡｓ基板２０４上に設けられた、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層２０３、アンドープＧａＡｓ層２０２、およびＳｉドープＧａＡｓ層２０１により構成される。Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層２０３は、選択エッチングにより除去される犠牲層であり、この犠牲層の上に、ｎ型ＧａＡｓ導電層２０１とアンドープＧａＡｓ層２０２により構成される片持ち梁１０１が形成される。なお、本実施形態では、図１に示すように、片持ち梁１０１が、（００１）面内で、［１１０］方向へ向くように設計されている。電極１０２と電極１０３は合金材料により構成され、アニールによりｎ型ＧａＡｓ導電層２０２とオーミック接触が取られている。光源１０５はチタンサファイアレーザーであり、７００〜８４０ナノメートルの範囲で波長の調節が可能である。圧電加振素子１０４は圧電性セラミック材料により構成され、素子に交流電圧を印加することにより圧電加振素子１０４が上下に伸縮する。
【００１４】
ここで、本発明の原理について説明する。
今、梁が真性半導体と、前記真性半導体よりバンドギャップエネルギーの僅かに小さなｎ型半導体の二層構造により構成されている場合、半導体のエネルギーバンドは図４（ａ）のようになる。梁の両表面に現れる縮重した表面エネルギー準位に伝導帯４０１下部の電子４０３がこぼれ落ち、梁表面には負の電荷が蓄積される。一方、電子４０３の抜けた伝導帯４０１下部には多数の不純物による正の電荷が蓄積され、平衡状態においては系全体として中性状態が保たれる。
【００１５】
このようなバンド構造を有する梁へレーザー光を照射すると、励起エネルギーがｎ型半導体のバンドギャップエネルギー以上で且つ真性半導体のバンドギャップエネルギー未満の場合には、ｎ型半導体部分のみが選択的に励起され、キャリアが生成される（図４ｂ）。このとき価電子帯４０２に生成された正孔４０４は梁の両表面側へと移動し、電子４０３と正孔３０４の空間的な分離により厚さ方向への分極が生じる（遮蔽分極）。いま、梁を構成する半導体が圧電性を有する場合には、この遮蔽分極により圧電効果が生み出される。すなわち、キャリア励起により生じた分極変化により、梁の厚さ方向に実効的な電界が加わり、その結果、梁へ応力が加わる。この圧電的な応力により、梁を曲げようとする力ＦSCが作用する（図４ｂ）。もし梁の変位に対してバンド構造に何の変化も起こらなければ、梁の如何なる曲げ状態に対しても同様の圧電力ＦSCが作用する。
【００１６】
しかしながら、実際は、梁の反りに応じた歪勾配により変形ポテンシャル効果が現れ、歪に応じてバンドギャップが変化する。この変形ポテンシャル効果によりｎ型半導体側のバンドギャップが縮まり、真性半導体側のバンドギャップが広がる場合には、ｎ型半導体領域の光吸収は増加し、その結果、遮蔽分極も増加する（図４ｃ）。これにより梁を曲げようとする力もＦSC＋ΔＦSCと強められる（図４ｃ）。一方、梁が上記と逆の方向に撓んだ場合を考えると、変形ポテンシャル効果は逆効果となり、ｎ型半導体側のバンドギャップは広がる（図４ｄ）。このため、ｎ型半導体領域の光吸収は減少し、遮蔽分極も減少する。従って、梁を曲げようとする力もＦSC−ΔＦSCと弱められる（図４ｄ）。つまりＦSCに対して逆方向の力ΔＦSCが実効的に作用する。
【００１７】
以上の効果を梁の振動状態について考えると、梁の振動方向に対して順方向の付加的な力ΔＦSCがキャリア励起により加わることになる。この力ΔＦSCが梁の位置変化に対して時間的な遅れを有して作用する場合には、梁の振動ダンピングを抑制させる効果が生み出される。つまり梁の振動に対して正のフィードバックが働き、Ｑ値は向上する。これに対して、同様の遮蔽分極により圧電力が逆方向に働く（−ΔＦSC）性質を梁が有する場合には、図３ｃの曲げ状態では−ＦSC−ΔＦSCの力が作用する。また、図３ｄの状態では−ＦSC＋ΔＦSCの力が作用する。すなわち、この場合には梁の振動方向に対して逆方向の付加的な力ΔＦSCがキャリア励起により加わることになる。従って、この力ΔＦSCが梁の位置変化に対して時間的な遅れにより作用する場合には、梁の振動ダンピングを助長する効果が生み出される。つまり梁の振動に対して負のフィードバックが働き、Ｑ値は減少する。
【００１８】
梁の振動に対して正負どちらのフィードバックが働くかは梁を構成する半導体の結晶方位に依存する。例えば、圧電性を有する閃亜鉛鉱構造（ＧａＡｓなど）においては、梁構造が（００１）面内に形成され、且つ、梁の長手方向が［１１０］方向の場合には、正のフィードバックが働き、図５（ａ）に示すように、Ｑ値は向上する。これに対して、梁の長手方向が９０度異なる［−１１０］方向の場合には、負のフィードバックが働き、図５（ｂ）に示すように、Ｑ値は減少する。一方、梁の長手方向が４５度異なる［１００］方向の場合には、結晶の対称性により圧電効果はキャンセルされる。従って、この場合にはフィードバックが働かず、図５（ｃ）に示すように、Ｑ値も変化しない。
【００１９】
このように、本発明におけるメカニカル素子のＱ値の制御は、梁の長手方向と照射レーザー波長の適切な選択に基づいている。つまり、本発明の本質は、構成材料の光吸収係数の差を利用し、一部材料のみを選択的に励起することにより、梁の電気的分極状態を変化させ、これによる圧電的な応力を使用することにより、メカニカル素子の振動並びにＱ値の制御を可能とした点にある。
【００２０】
さらに、上記の手法により、高感度なメカニカル検出器を提供できる理由は以下の通りである。今、照射レーザーの波長を調節して、梁の振動ダンピングが光照射により阻害されるようなメカニカル素子に対して、照射レーザーの強度を増加していくと、素子のＱ値は増加する。この照射光の強度が十分大きな場合には、振動ダンピングはほぼ消滅し、振動エネルギーの分散は、極めて小さな値となる。これにより、極めて大きなＱ値の獲得が可能となる。このような状態に機械振動系を調節することにより、加速度、磁気、電荷、変位、質量、分子、あるいは原子を高感度に検出することが可能となる。例えば、梁に付着した分子による梁全体の質量変化に基づく、共振周波数の変化を検出することにより、梁に付着した分子量を検知することができる。
【００２１】
また、上記の手法を使用すると、メカニカル素子を実効的に冷却することができる。その理由は以下の通りである。レーザー照射により梁の運動に対する負のフィードバックが働く場合、すなわち、振動ダンピングが増加する場合、振動エネルギーの分散は増加する。つまり、振動エネルギーが外部へ散逸する。このエネルギー散逸に伴い、梁そのものの実効的な温度は低下する。すなわち、レーザー照射により梁を冷却することができる。
【００２２】
一方、上記の手法を使用すると、メカニカル素子を自励発振させることもできる。その理由は以下のとおりである。レーザー照射により梁の振動ダンピングが減少するようなメカニカル素子に対して、励起強度をある閾値以上に設定すると、振動エネルギーの分散は消滅し、著しく鋭いスペクトルが現れる。この状態では振動ダンピングが完全に消失し、梁が減衰することなく振動する。すなわち、メカニカル素子はレーザー照射によって自励発振する。このように、梁を構成する固体材料へ光を照射しつづけることにより自励発振を続けることができる。
【００２３】
本発明の第１の実施形態によるメカニカル素子の振動制御は、次のように実施される。まず、電極１０２と電極１０３の間に定電流を流した状態で、圧電加振素子１０４へ印加する交流電圧の周波数を掃引し、電極１０２と電極１０３との間の電位差を周波数の関数としてモニタする。半導体に歪が加わった場合には、半導体の特徴であるピエゾ抵抗効果により電気抵抗が変化する。従って、電極１０２と電極１０３との間に大きな電位差が生じる。つまり、本実施形態では、梁の共振状態を、歪による半導体の電気抵抗変化、すなわちピエゾ抵抗を介して検出する。
【００２４】
ここで、梁が共振した状態において、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーより僅かに小さなエネルギーに相当する波長（８３０〜８４０ｎｍ程度）のレーザーを半導体に照射した場合には、上述したように振動に対する正のフィードバックが働き、振動ダンピングが抑制される。メカニカル素子のＱ値を向上させることができる。この現象は、図６の黒○プロットに示される。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態によるメカニカル素子を冷却する手法を説明する模式図である。
図７において、メカニカル素子７００は、第１の実施形態と同様に、ｎ型ＧａＡｓ層とアンドープＧａＡｓ層の二層構造からなる片持ち梁７０１と、合金材料からなる電極７０２、７０３と、チタンサファイアレーザー光源７０５と、圧電性セラミック加振素子７０４とを備える。ただし、本実施形態では、片持ち梁７０１の長手方向が、（００１）面内で、［−１１０］方向を向いた構成とである点が第１の実施形態と異なる。
【００２６】
ここで、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーより僅かに小さなエネルギーに相当する波長（８３０〜８４０ｎｍ程度）のレーザーを半導体に照射すると、振動に対する負のフィードバックが働き、照射光の強度の増加につれて片持ち梁７０１の振動ダンピングは増加する。これにより、Ｑ値は減少する。この現象は図６の黒□プロットに示される。すなわち、振動エネルギーの分散が増加し、エネルギーの外部への散逸が大きくなる。これに伴い、片持ち梁７０１の実効的な温度は低下する。つまり、レーザー照射により片持ち梁７０１を冷却することができる。片持ち梁７０１の温度が変化すると、ブラウン運動による片持ち梁７０１の熱振動振幅も変化する。そのため、片持ち梁７０１の実効的な温度を熱雑音スペクトル測定により知ることができる。
【００２７】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態によるメカニカル素子を自励発振する手法を説明する模式図である。
図８において、メカニカル素子８００は、第１の実施形態と同様に、ｎ型ＧａＡｓ層とアンドープＧａＡｓ層の二層構造からなる片持ち梁８０１と、チタンサファイアレーザー光源８０２が備えられている。片持ち梁８０１の長手方向は、第１の実施形態と同様に、（００１）面内で、［１１０］方向を向いた構成となっている。ただし、本実施形態では、圧電加振素子を特に必要とせず、また、電極材料も特に必要としない点が、第１の実施形態とは異なる。
【００２８】
ここで、梁が静止した状態において、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーより僅かに小さなエネルギーに相当する波長（８３０〜８４０ｎｍ程度）のレーザーを半導体に照射すると、照射光の強度が閾値（５〜１０μＷ程度）を超えた場合には、梁が自励発振する。すなわち、他の、電気的、磁気的、あるいは力学的な駆動機構を必要とすること無く、光照射により簡便にメカニカル素子を振動させることができる。振動を止める場合には、光源を切るか、あるいは強度を閾値以下に下げればよい。あるいは、照射レーザー８０２の波長を変化させることにより、振動の駆動や停止を制御することができる。
【００２９】
以上、本発明の実施形態を詳細に説明してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に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の設計の変更などがあっても、本発明に含まれる。例えば、これらの実施形態では、梁を構成する半導体材料としてＧａＡｓを使用したが、圧電性を有するあらゆる材料の使用が可能であることは、言うまでもない。
【００３０】
また、これらの実施形態では、ｎ型半導体と真性半導体の２層構造から構成される梁を使用したが、梁の厚さ方向の電気双極子を梁のたわみに応じて変化させることのできる限り、あらゆる種類の圧電性材料を使用することが可能である。また、２層以上の多層構造を使用することも可能である。また、ｎ型半導体の代わりにｐ型半導体を使用しても、その本質は失われない。この場合は多数キャリアが正孔となるため、振動ダンピングに寄与する圧電的応力は、ｎ型半導体を使用した場合とは対照的に作用する。
【００３１】
また、上述の実施形態において、２足型の片持ち梁構造を使用したが、単純な片持ち梁や両持ち張り、あるいはその他あらゆる形状の梁構造を使用するものとしてもよい。また、上述の実施形態において、光源としてチタンサファイアレーザーを使用したが、梁を構成する材料のバンドギャップエネルギー程度に相当する波長をもつ如何なる光源を使用するものとしてもよい。
【００３２】
また、第１および第２の実施形態において、オーミック電極として合金材料を使用したが、半導体とのオーミック接触を可能とする、その他あらゆる種類の金属の使用が可能であることは言うまでもない。また、第１および第２の実施形態において、梁の振動運動を半導体の電気抵抗の変化を通じて検出したが、光てこ方式などの光学的検知手法を使用する場合も、同様に高感度な検出素子の作製が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施形態であるメカニカル素子の振動を制御する方法を説明する模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態におけるメカニカル素子を構成する半導体多層構造を説明する素子の断面模式図である。
【図３】共振スペクトルに現れる振動エネルギーの分散の様子を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における梁を構成する半導体のバンド構造を説明する模式図であり、図４（ａ）は、レーザー光の照射がない場合を示し、図４（ｂ）は、レーザー光を照射した場合を示し、図４（ｃ）は、レーザー光を照射した状態で梁が反った場合を示し、図４（ｄ）は、図４（ｃ）と逆の方向に梁が反った場合を示す。
【図５】本発明の第１の実施形態における梁に照射する光の強度と素子のＱ値の関係を示す模式図であり、図５（ａ）は、梁の長手方向が［１１０］の場合を示し、図５（ｂ）は、梁の長手方向が［−１１０］の場合を示し、図５（ｃ）は、梁の長手方向が［１００］の場合を示す。
【図６】ＧａＡｓ片持ち梁のＱ値とレーザー強度との関係を示す図であり、黒○プロットは［１１０］方向へ向いた片持ち梁の場合を示し、黒□プロットは［−１１０］方向へ向いた片持ち梁の場合を示す。
【図７】本発明の第２の実施形態によるメカニカル素子を冷却する手法を説明する模式図である。
【図８】本発明の第３の実施形態によるメカニカル素子を自励発振する手法を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０１、７０１、８０１  片持ち梁
１０２、１０３、７０２、７０３  オーミック電極
１０４、７０４  圧電加振素子
１０５、７０５、８０２  レーザー光源
２０１  ＳｉドープＧａＡｓ層
２０２  アンドープＧａＡｓ層
２０３  Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層
２０４  半絶縁ＧａＡｓ基板
【図１】
0005363013.tif 000002
【図２】
0005363013.tif 000003
【図３】
0005363013.tif 000004
【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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