(57)【要約】【課題】高温環境下においても高い精度を有する小形の圧力センサを実現すること。【解決手段】  ダイアフラム（半導体結晶層１０３、１０４）とサファイア基板１０１との間の空洞Ｒは、半導体結晶層１０３の横方向成長作用によって形成されたものである。この２層構造のダイアフラムには、窒化物半導体に特有の強い圧電性によって高濃度の２次元電子ガスからなるチャネル（負の分極電荷の面状の集合体）がヘテロ接合界面上に形成される。そして、ダイアフラムに対する外圧が変化すれば、このヘテロ接合にかかる応力も変化するため、このチャネルの電気伝導度（シート抵抗）も敏感に変化する。その結果、２つのオーミック電極（ソース電極１０７Ｓとドレイン電極１０７Ｄ）間の抵抗が、外圧に応じて大きく変化するため、その抵抗値の変動量を読み取ることによって、ダイアフラムの外圧を測定することができる。【選択図】図１−Ａ
2007227850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に積層された半導体層の少なくとも一部からなるダイアフラムと前記基板との間に空洞を有する圧力センサの製造方法であって、
Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる III族窒化物系化合物半導体結晶から前記半導体層を形成し、
前記半導体層が結晶成長する結晶成長基板から前記基板を構成し、
前記ダイアフラムを横方向結晶成長によって形成する
ことを特徴とする圧力センサの製造方法。
【請求項２】
前記基板または前記半導体層を塩素系のドライエッチングによってエッチングすることにより、前記空洞の少なくとも一部が形成される凹空間を前記基板または前記半導体層に形成し、
前記凹空間の上方を前記ダイアフラムの前記横方向結晶成長によって塞ぐことにより前記空洞を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項３】
１ｈＰａ以上１０ｈＰａ以下の減圧条件下で、水素（Ｈ2 ）を結晶成長雰囲気のキャリヤガスとして用いたＭＯＣＶＤ法によって前記ダイアフラムを横方向結晶成長させ、
前記ダイアフラムの結晶成長後に前記半導体層を超高真空中で熱処理する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧力センサの製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の製造方法によって製造される圧力センサであって、
互いに組成の異なる複数層の前記 III族窒化物系化合物半導体結晶から前記ダイアフラムが構成され、
前記複数層間のヘテロ界面上に電流を流すためのソース電極とドレイン電極が設けられている
ことを特徴とする圧力センサ。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の製造方法によって製造される圧力センサであって、
前記空洞内は真空であり、
前記ダイアフラムは、
前記空洞側に窒素面を有し、かつ前記窒素面の反対側に III族元素面を有し、
前記基板は、
ｎ型結晶成長基板からなるか、または、
ｎ型の前記 III族窒化物系化合物半導体結晶からなるｎ型半導体層を有し、
前記ｎ型結晶成長基板または前記ｎ型半導体層が前記空洞に接する面には、
先端が前記ダイアフラム側に向いた微小突起が形成されており、
前記ｎ型結晶成長基板または前記ｎ型半導体層にはカソード電極が、前記ダイアフラムにはアノード電極が、それぞれ接続されている
ことを特徴とする圧力センサ。
【請求項６】
請求項５に記載の圧力センサを製造する製造方法であって、
ＭＯＣＶＤ法に従って、横方向の結晶成長速度が□□μｍ／ｍｉｎ以上となる結晶成長条件下で前記ダイアフラムを横方向に結晶成長させる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の製造方法。
【請求項７】
請求項５に記載の圧力センサを製造する製造方法であって、
前記微小突起をドライエッチングによって形成し、
当該ドライエッチングの被浸食部の結晶欠陥の存在密度をイオン注入処理によって制御することにより、前記微小突起の生成密度を制御する
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
請求項５に記載の圧力センサを製造する製造方法であって、
前記ｎ型結晶成長基板または前記ｎ型半導体層が結晶成長する際の結晶成長雰囲気のキャリヤガスに酸素（Ｏ2 ）を含有させることにより、前記微小突起を形成する結晶成長工程と、
前記微小突起が形成された面の一部に非晶質マスクを積層するマスキング工程と、
選択成長法によって、前記非晶質マスクの周囲に前記空洞の側壁部を縦方向に結晶成長させる側壁成長工程と、
前記非晶質マスクを取り除くウェットエッチング工程と
を有する
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項６に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶成長によって得られる半導体膜で形成されたダイアフラムを有する圧力センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体膜で形成されたダイアフラムを有し、そのピエゾ抵抗の変化を検出することによって圧力を検出する従来の代表的な圧力センサの断面構造を図７に例示する。この圧力センサでは、ｐ型のシリコン膜が歪みゲージとして用いられており、圧力に基づく該ゲージの変形が適度に生じる様に該ゲージを変形自在に支持する厚膜の支持部材は、このゲージ（ｐ型のシリコン膜）との絶縁性を確保するために、ｎ型のシリコン膜から形成されている。また、上記の歪みゲージを有するダイアフラムの下方に設けられた空洞は、例えば下記の特許文献１にもその開示が有る様に、シリコン膜に対する異方性のウェットエッチングによって形成される。
【０００３】
この歪みゲージ（ｐ型のシリコン膜）と支持部材（ｎ型のシリコン膜）とによって構成されるｐｎ接合の絶縁作用は、例えば１００℃程度までの温度環境下であれば十分に有効である。これは、シリコン（Ｓｉ）の充満帯と伝導帯との間のバンドギャップが約１．１ｅＶ程度あることに依る。
【特許文献１】特開昭６２−７６７８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のｐｎ接合の絶縁作用は、更なる高温環境下においては不十分となってしまい、その様な使用条件下では圧力センサとしての高い精度を損なう。その原因は、その様な高温環境下では、上記のバンドギャップが絶対温度に対して十分には大きくないためｐ型半導体結晶中の少数キャリア（即ち、自由電子の体積密度）が増大して、ｐｎ接合の整流作用が得難くなるためである。この少数キャリアの濃度は、これらの高温環境下においては、絶対温度に対して指数関数的な増大傾向を示す。
一方、近年では、例えばカーエレクトロニクスなどの多岐分野に渡って、圧力センサの耐熱化、小形化、及び高精度化が要求されるようになりつつあり、例えば、１２０℃を超える高温環境下においても、従来よりも小形で精度の高い圧力センサの開発が期待される様になってきている。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、高温環境下においても高い精度を有する小形の圧力センサを実現することである。
また、本発明の更なる目的は、圧力センサの製造を容易にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、半導体層からなるダイアフラムの下方に空洞を有する圧力センサの製造方法において、Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる III族窒化物系化合物の半導体結晶層からダイアフラムを形成し、空洞の上部を空洞の周辺部から結晶成長させる横方向結晶成長によってダイアフラムを形成することである。
【０００７】
ただし、上記の横方向結晶成長は、同時に縦方向にも結晶成長する結晶成長であっても良い。また、上記のダイアフラムは、必ずしも平らな板状に形成される必要はなく、その形状や厚さなども、その結晶成長後に、例えばドライエッチング処理などの整形加工によって任意に調整することができる。
【０００８】
また、上記の空洞は、非晶質マスクなどを用いて実行可能な選択成長法などに従って形成しても良いし、或いは結晶成長基板などのエッチング（凹凸加工）とダイアフラムの横方向結晶成長（ＥＬＯ法）との組み合わせなどによって形成しても良い。
また、この空洞は必ずしも真空状態に封止する必要はなく、また密室状に封止しなくても良い。
【０００９】
次に、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段において、上記の空洞を塩素系のドライエッチングによって形成することである。
【００１０】
また、本発明の第３の手段は、上記の第１又は第２の手段において、１ｈＰａ以上１０ｈＰａ以下の減圧条件下で、水素（Ｈ2 ）を結晶成長雰囲気のキャリヤガスとして用いたＭＯＣＶＤ法によってダイアフラムを横方向結晶成長させ、当該圧力センサをダイアフラムの結晶成長後に超高真空中で熱処理することである。
この熱処理温度は６００℃〜１２００℃程度が適当である。より望ましくは１０００℃〜１１５０℃程度が更に良い。この温度が高過ぎると半導体層の結晶性が劣化する恐れが生じる。また、この温度が低過ぎると必要な熱処理時間が長くなったり、熱処理効果が不十分となったりして望ましくない。
【００１１】
また、本発明の第４の手段は、半導体層からなるダイアフラムの下方に空洞を有する圧力センサにおいて、互いに組成の異なる III族窒化物系化合物からなる複数の半導体結晶層からそのダイアフラムを構成し、それら複数の半導体結晶層のヘテロ界面上に電流を流すためのソース電極とドレイン電極を設けることである。
【００１２】
ただし、この圧力センサの空洞は、必ずしも真空状態に封止する必要はなく、密室状に封止しなくても良い。更に、この空洞内の気圧は、導通孔などを用いて可変制御する様にしても良い。これらの任意性が許容され得るのは、この圧力センサが、ダイアフラムを介した上下両空間に渡る気圧差を検出するものであるからである。
【００１３】
また、本発明の第５の手段は、半導体層からなるダイアフラムの下方に空洞を有する圧力センサにおいて、その空洞側に面する窒素面とその窒素面の裏面に相当する III族元素面とを有する、 III族窒化物系化合物からなる半導体結晶層から上記のダイアフラムを構成し、先端がダイアフラム側に突き出た微小突起をその空洞の底面に形成し、ダイアフラムと微小突起との間に電位勾配を形成するためのカソード電極とアノード電極を設けることである。
【００１４】
ただし、上記のダイアフラムは、複数層の III族窒化物系化合物半導体結晶から形成しても良いし単層の III族窒化物系化合物半導体結晶から構成しても良い。
また、上記の空洞内の気圧は、上記の微小突起の先端から上記のダイアフラムに向って放出される電子の運動が圧倒的に妨げられることのない程度の真空であれば良いが、高感度の圧力センサを製造するためには高真空である程望ましい。
また、上記のカソード電極は、アノード電極の反対側の面に設けても良いし、アノード電極と同じ側に設けても良い。
【００１５】
また、本発明の第６の手段は、上記の第４または第５の手段において、上記のダイアフラムを、空洞の周辺部から空洞の上部を結晶成長させる横方向結晶成長によって形成することである。
【００１６】
また、本発明の第７の手段は、上記の第４乃至第６の何れか１つの手段において、上記のダイアフラムをＩｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる III族窒化物系化合物の半導体結晶層から形成することである。
【００１７】
また、本発明の第８の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、ドライエッチングによって、先端がダイアフラム側に突き出た微小突起を空洞の底面に形成することである。
【００１８】
また、本発明の第９の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、空洞の底面が結晶成長する際の結晶成長雰囲気中に酸素（Ｏ2 ）を含有させることによって、先端がダイアフラム側に突き出た微小突起を空洞の底面に形成することである。
【００１９】
また、本発明の第１０の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、ファセット成長法によって、先端がダイアフラム側に突き出た微小突起を空洞の底面に形成することである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第１の手段によれば、 III族窒化物系化合物半導体結晶がダイアフラムの構成材料となるので、精度の低下要因となる半導体層中のリーク電流を高温環境下においても効果的に防止することができる。これは、 III族窒化物系化合物半導体結晶ではそのバンドギャップがシリコン（Ｓｉ）のバンドギャップよりも大幅に広いからであり、このため、 III族窒化物系化合物半導体結晶でダイアフラム（歪みゲージ）を構成した場合には、高温環境下においてもダイアフラム中の少数キャリアの存在密度の増大を効果的に抑制することができる。
【００２１】
例えばダイアフラムの構成材料をＧａＮ結晶の半導体層とした場合には、そのバンドギャップを約３．３９ｅＶ確保することができ、また、ＡｌＮ結晶の場合には、そのバンドギャップを約６．１ｅＶ確保することができる。また、ＡｌＧａＮ結晶の場合には、そのバンドギャップを約３．３９ｅＶ〜６．１ｅＶ確保することができる。また、 III族元素にインジウム（Ｉｎ）を混ぜても良い。
この様な広いバンドギャップに基づく本発明の第１の手段によれば、不要なリーク電流の発生を効果的に抑制することができ、これによって、高温環境下においても高い精度を示す圧力センサを製造することができる。
【００２２】
また、 III族窒化物系化合物半導体結晶は、圧電性（分極作用）にも非常に優れた材料であるので、本発明の第１の手段によれば、従来の半導体素子からなる圧力センサよりも感度の高い圧力センサを構成することができる。
更に、本発明の第１の手段によれば、 III族窒化物系化合物半導体結晶の横方向成長作用を利用して、上記の空洞と上記のダイアフラムを半導体層の結晶成長工程において同時に容易に形成することができる。
【００２３】
また、本発明の第２の手段によれば、所望のエッチング作用と同時に、当該浸食部の表面を非晶質に変化させる作用を得ることができる。この様な作用が得られるのは、被浸食部を構成する III族元素と当該ドライエッチングに用いられる塩素とが結びつき、これによって例えばＧａＣｌ3 やＡｌＣｌ4 などの非晶質が生成されるためである。このため、当該浸食部の表面にはその後、半導体結晶が成長し難くなるので、特段のマスク工程などを導入することなく、所望の選択成長作用を得ることができる。この結果、本発明の第２の手段によれば、上記の空洞を容易に形成することができる。
【００２４】
また、本発明の第３の手段によれば、結晶成長工程後の空洞内の気圧を上記の減圧状態にすることができ、またその後の熱処理によって更に減圧することができる。その後更に減圧することができるのは、空洞内に残留していた水素ガスをこの熱処理によってダイアフラムの外に排気することができるためである。したがって、本発明の第３の手段によれば、上記の空洞内の気圧を非常に効果的に低減させることができる。
この本発明の第３の手段は、請求項４に記載の圧力センサの製造に利用しても良いが、特に、請求項５に記載の圧力センサを高感度にする場合には、この本発明の第３の手段が非常に有効となる。
【００２５】
また、本発明の第４の手段によれば、測定対象とすべき外圧をゲート電圧の代わりに用いた電界効果トランジスタを構成することができる。即ち、上記のヘテロ界面に構成されるチャネルの電気伝導度は、測定対象とすべき外圧に対して敏感かつ単調に変化するので、上記のソース電極とドレイン電極間の電位差を一定に維持した状態で、上記のソース電極とドレイン電極間に流れる電流を測定することによって、所望の外圧を高精度に測定することができる。言い換えれば上記のヘテロ界面のシート抵抗（即ち、このチャネルの電気伝導度）は、 III族窒化物系化合物半導体結晶が有する優れた分極作用に基づいて、外圧に伴い敏感に変化するものであり、この変化を電極間に流れる電流を測定することにより、所望の外圧を測定することができる。
【００２６】
また、本発明の第５の手段によれば、ダイアフラムの空洞側が窒素面になりその反対側が III族元素面に構成されるため、空洞内の気圧を基準として、外圧が正圧の場合にも負圧の場合にもダイアフラムの下面（空洞側）には正の分極電荷が現われ、ダイアフラムの上面には負の分極電荷が現われる。また、空洞内は高真空に排気された状態に設定することができる。このため、上記のカソード電極から供給される電子が上記の微小突起の先端に集中する様に、予めアノード電極をカソード電極に対して正電位に設定しておけば、外圧に応じて生じる上記の分極に伴って、それらの電子が更にダイアフラム側に放出され易くなる。即ち、この時、カソードとアノードの両電極間には、測定すべき外圧に応じた電流が流れることになる。
したがって、本発明の第５の手段によれば、耐熱性の高い高精度で小形の圧力センサを容易に製造することができる。
【００２７】
また、本発明の第６の手段によれば、上記のダイアフラムを構成する各半導体層を III族窒化物系化合物半導体結晶の横方向成長作用により高品質に形成できるので、高精度の圧力センサを製造する上で非常に有利となる。
【００２８】
また、本発明の第７の手段によれば、ワイドバンドギャップによって、高温環境下においてもダイアフラム中の少数キャリアの存在密度の増大を効果的に抑制することができるため、これによって、高温環境下においても高い精度を示す圧力センサを製造することができる。
【００２９】
また、本発明の第８の手段によれば、当該エッチングによって、空洞の形成と同時に上記の微小突起を形成することができる。
また、特に、結晶欠陥の存在密度が適当な半導体結晶層をエッチングすると、この場合には、その半導体結晶層中の結晶欠陥が上記のエッチングの際にエッチングマスクとして作用するので、この結晶欠陥の存在密度を制御することによって、上記の微小突起の生成密度を制御することができ、これによって、当該圧力センサの感度や測定範囲を任意に調整することが可能となる。
【００３０】
また、結晶成長工程におけるキャリアガスに酸素（Ｏ2 ）を含有させれば、その時に結晶成長する  II族窒化物系化合物半導体結晶の結晶成長面の粗さを適度に粗くすることができるので、この様な手段によっても上記の微小突起を形成することが可能である（本発明の第９の手段）。
また、周知のファセット成長法によっても、上記の微小突起を形成することが可能である（本発明の第１０の手段）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
例えば、結晶成長基板または半導体層を塩素系のドライエッチングによってエッチングすることにより、上記の空洞の少なくとも一部が形成される凹空間をその基板または半導体層に形成し、その凹空間の上方をダイアフラムの横方向結晶成長によって塞ぐことにより上記の空洞を形成しても良い。
【００３２】
また、上記の塩素系のドライエッチングは、例えば塩素系のプラズマなどを用いて実施することができる。なお、上記の空洞の一部を構成する窪みを例えば塩素系のドライエッチングなどで形成し、その窪みの周囲に一旦縦方向に III族窒化物系化合物半導体結晶を成長させておいてから、その後、それらの III族窒化物系化合物半導体結晶の上に上記のダイアフラムを横方向に結晶成長させる様にしても良い。上記の空洞の側壁部は、例えばこの様な縦方向の選択成長によっても形成することができる。
【００３３】
また、例えばＭＯＣＶＤ法に従って、横方向の結晶成長速度を縦方向の結晶成長速度の２〜４倍程度とし、その横方向の結晶成長速度が１００〜２００μｍ／ｍｉｎとなる様な結晶成長条件下でダイアフラムを横方向に結晶成長させると、この条件設定により、空洞側に面する窒素面とその窒素面の裏面に相当する III族元素面とを有するダイアフラムを III族窒化物系化合物からなる半導体結晶層から形成することができる。また、この時の縦方向の結晶成長速度に対する横方向の結晶成長速度の比は、 III族元素の材料ガス供給量とＶ族元素の材料ガス供給量とのモル比を調整することによって、任意に設定することができる。
【００３４】
この様な結晶成長条件下では、ダイアフラムを構成する半導体結晶の空洞側を窒素面に、その反対側を III族元素面にするための結晶成長条件を容易に成立させることができ、この条件下で形成されたダイアフラムの空洞側の面には、測定対象となる外圧が空洞内の圧力よりも高い場合にも低い場合にも、正の分極電荷が現われる。このため、その外圧の変動量に応じて微小突起からの電子の放出量が確実かつ敏感に増減する。
また、上記の結晶成長速度によれば、結晶成長工程を短時間内に実施することができるので、生産性の面でも有利である。
【００３５】
また、上記の微小突起をドライエッチングによって形成する際には、当該ドライエッチングの被浸食部の結晶欠陥の存在密度をイオン注入処理によって制御し、この存在密度制御に基づいて、上記の微小突起の生成密度を所望の値に制御することができる。
【００３６】
また、請求項４に記載の圧力センサは、上記のヘテロ界面に形成されるチャネルの電気伝導度を測ることによって、当該ダイアフラムに作用する外圧を測るものであるから、少なくとも、上記のヘテロ界面を構成する上記の各半導体層やソース電極やドレイン電極などの各部の構成に関しては、略同様の作用原理を利用する周知の電界効果トランジスタの、個々に対応する各部の構成と略同様の任意の変形が許容され得る。したがって、例えば上記のヘテロ界面を形成する各半導体層の組成や膜厚や形状などは、ダイアフラムの変形（分極作用）を適度に確保し得る範囲内において、周知の電界効果トランジスタのそれらと同様に構成（変形）することが可能であり、また、ソース電極やドレイン電極の構造や形成方法についても同様の応用（変形）が可能である。
【００３７】
また、請求項５に記載の圧力センサの外圧測定範囲や測定精度などは、上記の両電極間の電位差や、微小突起とダイアフラムの距離や、ダイアフラムの組成や膜厚、並びに微小突起の生成密度や形状や、空洞の広さなどによって任意に調整することができる。例えば、微小突起とダイアフラムの距離は、０．０２μｍ〜２μｍ程度が望ましく、所望の仕様に応じてこの範囲で最適化すると良い。
また、この圧力センサの基板を、例えばｎ型ＧａＮ等の導電性の結晶成長基板から構成する場合には、上記のカソード電極は、アノード電極の反対側の面、即ち、基板裏面に設けることができる。また、電気伝導性を持たない結晶成長基板を用いる場合においても、それに導電性の半導体層を備えれば、例えばサファイアなどの非導電性材料を結晶成長基板として用いて構成された周知のＬＥＤの正負電極と略同様の構成に従って、上記のカソード電極をアノード電極と同じ側、即ち、基板裏面とは反対の側に形成することが可能である。
【００３８】
なお、現行の横方向の結晶成長技術の一般的な技術水準に照らして考えると、上記の空洞の直径は少なくとも４〜６μｍ程度にまで確保することが可能である。この時、ダイアフラムは縦方向にも０．５〜１．５μｍ程度成長するので、ドライエッチングなどによって、その縦方向の膜厚を０．１μｍ〜０．５μｍ程度にまで薄膜化することが必要である。
ただし、個々のダイアフラムの実際の具体的な膜厚や大きさなどは、これらの範囲に限定することなく、所望の圧力センサの具体的な構造や、測定すべき外圧の範囲や精度などに応じて最適化することが望ましい。
【００３９】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４０】
図１−Ａ，−Ｂに本実施例１の圧力センサ１００の断面図と平面図を示す。サファイア基板１０１は、Ｃ面を結晶成長面として供する板状の結晶成長基板であり、その厚さは、約５００μｍ程度である。この結晶成長面上に結晶成長したアンドープの真性ＧａＮ結晶からなる半導体結晶層１０２は、膜厚約３μｍ程度に積層されている。この圧力センサ１００のダイアフラムは、アンドープの真性ＧａＮ結晶からなる半導体結晶層１０３と、アンドープの真性Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）結晶からなる半導体結晶層１０４とのヘテロ接合から生成されている。
【００４１】
ダイアフラム（半導体結晶層１０３、１０４）とサファイア基板１０１との間には、真空の空洞Ｒが形成されている。この空洞Ｒは、ダイアフラムの横方向成長作用によって、凹空間が塞がれて形成されたものである。図１−Ａ，−Ｂの左右各側には、２つのオーミック電極（ソース電極１０７Ｓとドレイン電極１０７Ｄ）がそれぞれ形成されている。
図１−Ｂの図中の上下各１箇所に設けられた幅Ｌの帯状の素子分離領域には窒素イオンが注入されている。これは、素子分離後の各電極間の絶縁性の確保のためのものである。
【００４２】
この２層構造のダイアフラムには、不純物をドープしなくても、窒化物半導体に特有の強い圧電性によって高濃度の２次元電子ガスからなるチャネルが、半導体結晶層１０３、１０４のヘテロ接合界面上に形成される。そして、ダイアフラムに対する外圧が変化すれば、このヘテロ接合にかかる応力も変化し、これによって上記の２次元電子ガスの濃度が変化するため、このチャネルの電気伝導度（シート抵抗）も敏感に変化する。その結果、２つのオーミック電極（ソース電極１０７Ｓとドレイン電極１０７Ｄ）間の抵抗が、外圧に応じて大きく変化するため、その抵抗値の変動量を読み取ることによって、ダイアフラムの外圧を測定することができる。
【００４３】
以下、図２−Ａ〜Ｃを用いて、圧力センサ１００の製造工程について説明する。
（１）サファイア基板１０１上にアンドープの真性ＧａＮ結晶からなる半導体結晶層１０２をＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により成長させ、その上に酸化シリコン膜σを堆積させる（図２−Ａ）。ただし、次の工程でエッチングする部位については、その酸化シリコン膜σを除去しておく。
（２）次に、酸化シリコン膜σをマスクとして、この酸化シリコン膜σを除去した部位の半導体結晶層１０２を塩素系プラズマによってドライエッチングし、これによって、サファイア基板１０１に至るトレンチτ（凹空間）を形成する（図２−Ｂ）。
【００４４】
（３）次に、ＭＯＣＶＤ法に従い、トレンチτの周囲の半導体結晶層１０２の表面を種結晶として、図２−Ｃのヘテロ界面を供する２層の半導体結晶層１０３，１０４の内の下側の半導体結晶層１０３を横方向成長モードで結晶成長させ、これによって、空洞Ｒを形成する。このダイアフラムを横方向に結晶成長させる際の結晶成長温度は、１１００℃〜１１５０℃程度でよく、その時の結晶成長速度は１００ｎｍ／ｍｉｎ〜２００ｎｍ／ｍｉｎ程度となる。
【００４５】
なお、この結晶成長工程の前には、上記のエッチングによって浸食された面（エッチング面）の洗浄を行わない。これらのエッチング面ではＧａ−Ｃｌの原子間結合が強くなっているため、この時洗浄（アルカリあるいは塩酸系あるいはフッ酸系）を実施しないことによって、これらの面から窒化物半導体の結晶成長を阻止することができる。
【００４６】
また、このとき形成される空洞Ｒには水素ガスがわずかに残留するが、結晶成長雰囲気を十分に減圧することによって、数ｈＰａ程度の高真空度を保つことができ、更に、この空洞Ｒを半導体結晶層１０３で封止した後に、超高真空中で熱処理することによって、空洞内の真空度を更により高めることができる。更に減圧することができるのは、空洞内に残留していた水素ガスをこの熱処理によってダイアフラムの外に排気することができるためである。この熱処理温度は１０００℃〜１１５０℃程度が良い。
ただし、この熱処理は、次の半導体結晶層１０４を形成した後に実施しても良い。
【００４７】
（４）その後、半導体結晶層１０３の上面にアンドープの真性Ａｌx Ｇａ1-x Ｎ（０＜ｘ≦１）結晶からなる半導体結晶層１０４を縦方向に結晶成長させる。この縦方向の結晶成長によって、ダイアフラムのヘテロ接合構造が形成される。上記の熱処理は、この半導体結晶層１０４を形成した後に実施しても良い。
【００４８】
（５）次に、図１−Ａに示す様に、ソース電極１０７Ｓとドレイン電極１０７Ｄをそれぞれ蒸着により形成する。これらは、単層構造のものでも、多層構造のものでも良い。例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕの順に４層の金属層を蒸着するなどして形成すると良い。これらの電極としては、周知のＦＥＴに用いられているソース電極やドレイン電極と同様の構造のものを、用途や仕様などに応じて適当に成膜することができる。
【００４９】
（６）最後に、図１−Ｂに示した幅Ｌの帯状の素子分離領域（図中の上下各１箇所）に、窒素イオンを注入する。これは、素子分離後の各電極間の絶縁性の確保のために行うものであり、これによって、ソースとドレインとの間のリーク電流を確実に減らすことができる。
【００５０】
以上の製造工程に従えば、本実施例１の圧力センサ１００（図１−Ａ，−Ｂ）を製造することができる。
【実施例２】
【００５１】
図３に本実施例２の圧力センサ２００の断面図を示す。ダイアフラム２０３の厚さは約２５０ｎｍであり、真性またはｎ型のＡｌx Ｇａ1-x Ｎ（０≦ｘ≦１）から形成することができる。半導体結晶層２０２は、膜厚約４５０μｍのｎ型ＧａＮ基板２０１の上にアンドープの真性ＧａＮを結晶成長させたものであり、この半導体結晶層２０２の膜厚は、約８５０ｎｍである。
ただし、ダイアフラム２０３の厚さは、０．１μｍ〜０．５μｍ程度が適正範囲であり、また、半導体結晶層２０２の膜厚は約１μｍ程度までが適当である。
【００５２】
ダイアフラム２０３とｎ型ＧａＮ基板２０１との間には、真空の空洞Ｒが形成されており、この空洞Ｒの底面には多数の微小突起Ｄ′が形成されている。このダイアフラム２０３に対して測定されるべき外圧が掛かると、空洞側に位置しているダイアフラム２０３の下面には、ダイアフラム２０３を構成する半導体結晶層の優れた圧電特性に基づいて正の分極電荷が現われる。これは、ダイアフラム２０３を構成する半導体結晶層の下面が窒素面から形成されており、その反対側の上面がガリウム面から形成されていることによるもので、上記の外圧はダイアフラム２０３に引っ張り応力を与え、この応力の増大に応じて上記の分極電荷の電荷密度が増大する。
【００５３】
したがって、アノード電極２０７Ａの電位をカソード電極２０８の電位よりも高く設定しておけば、ダイアフラム２０３の分極の程度が大きい時ほど、即ち、ダイアフラム２０３に掛かる外圧が大きい時ほど、微小突起Ｄ′の先端から電子が、ダイアフラム２０３の下面の分極電荷（正電荷）の側に放出され易くなる。したがって、カソード電極２０８とアノード電極２０７Ａの間に流れる電流の量を測ることによって、ダイアフラム２０３に掛かる外圧の大きさを測定することができる。この圧力センサ２００は、ダイアフラム下面に正電荷が分極されたときのみ高精度に働くため、センシングできる圧力の範囲は、前述の圧力センサ１００よりも狭いが、電子放出電流は流れ始めると印加電圧に敏感であるため、外圧の測定精度は高くすることができる。
【００５４】
以下、図４−Ａ〜Ｄを用いて、上記の圧力センサ２００の製造工程について説明する。（１）まず、高濃度シリコン（Ｓｉ）ドープの低抵抗ｎ型ＧａＮ基板２０１の上に，アンドープの真性ＧａＮ結晶からなる半導体結晶層２０２をＭＯＣＶＤ法に従って結晶成長させる。その後、エッチングの対象としない部位に酸化シリコン膜を堆積させる。
【００５５】
（２）次に、その酸化シリコン膜をマスクとして、半導体結晶層２０２を塩素系プラズマによってドライエッチングする。これにより、微小突起Ｄが形成される。半導体結晶層２０２の浸食残骸から構成されるこのような微小突起Ｄは、ドライエッチングの進行中に、半導体結晶層２０２を構成するＧａＮ結晶中の結晶欠陥がエッチングマスクとして作用する結果、生成されるものである。また、この結晶欠陥の体積密度は、半導体結晶層２０２に対するイオン注入によってある程度制御することができる。
【００５６】
（３）次に、微小突起Ｄの電気抵抗を低くするために、シリコン（Ｓｉ）イオンを注入してからアニールする。これによって，図４−Ｂの微小突起Ｄはｎ型に活性化されて低抵抗層（微小突起Ｄ′）となる（図４−Ｃ）。
なお、図３では、この微小突起Ｄ′がｎ型であることから、この微小突起Ｄ′は低抵抗ｎ型ＧａＮ基板２０１の凸部として描いてある。
【００５７】
（４）半導体結晶層２０２の上面に堆積させた酸化シリコン膜を除去した後、ＭＯＣＶＤ法により横方向成長モードでダイアフラム２０３を形成する。
（５）最後に、図３に示す様に、蒸着によりアノード電極２０７Ａとカソード電極２０８を形成する。
【００５８】
なお、上記の（２）の工程に従う方法の代わりに実施可能な、微小突起物を生成するその他の方法としては、例えば以下の様な方法を採用しても良い。即ち、ドライエッチング中にエッチングマスク材（酸化シリコン膜など）をスパッタし、半導体結晶層２０２のエッチング領域上に堆積させて、これを上記の結晶欠陥と略同様に作用する微小マスクとして当該エッチングを行う方法である。この方法に従えば、その時のスパッタリング条件に応じた多数の微小突起を形成することができる。
【００５９】
〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
【００６０】
（変形例１）
例えば、上記の実施例２では、膜厚約４５０μｍのｎ型ＧａＮ基板２０１を結晶成長基板としてもちいたが、結晶成長基板には、サファイア基板などの導電性を持たない材料を使用しても良い。
図５に本変形例１の圧力センサ２１０の断面図を示す。サファイア基板２１１の上にはＡｌＮバッファ層２１２が成膜されており、その上には、ＧａＮにシリコン（Ｓｉ）を高濃度に添加した高濃度ｎ型ＧａＮ層２１３が形成されている。半導体結晶層２１４はアンドープの真性ＧａＮ層から、ダイアフラム２１５はアンドープの真性ＡｌＧａＮ層からそれぞれ形成されている。
【００６１】
例えばこの様なＬＥＤの電極形成構造に類似の構造を採用しても、周知のＬＥＤの場合と同様に上方からのドライエッチングによって、高濃度ｎ型ＧａＮ層２１３を上方に露出させれば、アノード電極２１７Ａと同じ側の面にカソード電極２１８を形成することも可能である。
【００６２】
（変形例２）
また、上記の微小突起の低抵抗化処理は、必ずしもイオン注入に依らなくても良く、例えば、ｎ型結晶成長基板またはｎ型半導体層が結晶成長する際の結晶成長雰囲気中に酸素（Ｏ2 ）を含有させることによって、低抵抗の微小突起を形成することも可能である。
即ち、キャリヤガス中に酸素が含まれていると、半導体結晶の結晶成長面が粗くなって自然に微小突起が形成される場合があり、この時、それらの微小突起が形成された面の一部に非晶質マスクを積層して、選択成長法によって当該非晶質マスクの周囲に空洞の側壁部を縦方向に結晶成長させれば、その後当該非晶質マスクを取り除くことによって、上記の空洞と微小突起を形成することができる。
【００６３】
図６−Ａ，−Ｂに、本変形例２における微小突起の形成手順を例示する。サファイア基板２１１の上にはＡｌＮバッファ層２１２が成膜されており、その上には、ＧａＮにシリコン（Ｓｉ）を高濃度に添加した高濃度ｎ型ＧａＮ層２１３が形成されている。この高濃度ｎ型ＧａＮ層２１３の上面の中央部には、高濃度ｎ型半導体からなる微小突起Ｄ″が形成されている。この微小突起Ｄ″は、高濃度ｎ型ＧａＮ層２１３の上面にＳｉＯ2 からなるマスクσ１を積層して、そのマスクσ１が部分的に除去された上記の中央部に、高濃度ｎ型半導体を結晶成長させて形成したものである（図６−Ａ）。
【００６４】
この様な微小突起Ｄ″は、これを結晶成長させる際のキャリヤガス中に酸素（Ｏ2 ）を混在させて、結晶成長するその半導体結晶の表面を粗くする（凸凹に成長させる）ことによって形成することができる。また、周知のファセット成長法によって、この様な微小突起Ｄ″を結晶成長させることも可能である。
【００６５】
次に、マスクσ１を除去し、高濃度ｎ型ＧａＮ層２１３の上面２１３ｓを再び露出させ、微小突起Ｄ″を有する高濃度ｎ型ＧａＮ層２１３の中央部に、ＳｉＯ2 からなるマスクσ２を形成する（図６−Ｂ）。そして、このマスクσ２の周囲に、即ち、露出された上面２１３ｓの上に、例えば図５の空洞Ｒの側壁部の様な適当な側壁部を縦方向結晶成長によって形成する。マスクσ２は、この側壁部の形成後に、ウェットエッチングによって除去すれば良い。
例えばこの様に、結晶成長条件を替えた選択成長を利用することによっても、微小突起を空洞の底面に形成することができる。
【００６６】
したがって、例えば上記の変形例１の圧力センサ２１０（図５）の微小突起２１３ａは、上記の微小突起Ｄ″と同様にして、空洞Ｒに面する部位だけをマスキングして、当該微小突起形成部をその周囲と異なる結晶成長条件で結晶成長させることによって形成することもできる。
【００６７】
即ち、これらの微小突起を有する空洞の底面部は、半導体結晶の材料ガスを運ぶキャリヤガスに酸素（Ｏ2 ）を混ぜて、結晶成長面の表面の粗さが十分に粗くなる様に高濃度ｎ型ＧａＮ層２１３を成長させることによって形成することもできる。また、キャリヤガスに酸素（Ｏ2 ）を混ぜる代わりに、ファセット成長法に準じても良い。
【００６８】
（変形例３）
また、上記の実施例１では、空洞Ｒを真空にしたが、圧力センサ１００の空洞の圧力は任意に設定して良い。この圧力センサ１００は、外圧と空洞内の圧力差を計測するものであるから、空洞内の圧力設定は任意でよく、また、この空洞Ｒに繋がる通気孔を設けて、空洞内の圧力を任意に可変制御する様に構成しても良い。
【００６９】
（変形例４）
また、実施例１の圧力センサ１００は、上記のヘテロ界面に形成されるチャネルの電気伝導度を測ることによって、当該ダイアフラムに作用する外圧を測るものであるから、少なくとも、上記のヘテロ界面を構成する上記の各半導体層やソース電極やドレイン電極などの各部の構成に関しては、略同様の作用原理を利用する周知の電界効果トランジスタの、個々に対応する各部の構成と略同様の任意の変形が許容され得る。したがって、例えば上記のヘテロ界面を形成する各半導体層の組成や膜厚や形状などは、ダイアフラムの変形（分極作用）を適度に確保し得る範囲内において、周知の電界効果トランジスタのそれらと同様に構成（変形）することが可能であり、また、ソース電極やドレイン電極の構造や形成方法についても同様の応用（変形）が可能である。
【００７０】
（変形例５）
例えば、実施例１の圧力センサ１００では、半導体結晶層１０２、１０３、１０４をアンドープの真性半導体から形成したが、半導体結晶層１０４をｎ型半導体層とし、半導体結晶層１０３を真性半導体層としても良い。また、半導体結晶層１０２、１０３、１０４の各半導体層をそれぞれｎ型半導体から形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１−Ａ】実施例１の圧力センサ１００の断面図
【図１−Ｂ】実施例１の圧力センサ１００の平面図
【図２−Ａ】圧力センサ１００の製造工程を示す半導体ウェハの断面図
【図２−Ｂ】圧力センサ１００の製造工程を示す半導体ウェハの断面図
【図２−Ｃ】圧力センサ１００の製造工程を示す半導体ウェハの断面図
【図３】実施例２の圧力センサ２００の断面図
【図４−Ａ】圧力センサ２００の製造工程を示す半導体ウェハの断面図
【図４−Ｂ】圧力センサ２００の製造工程を示す半導体ウェハの断面図
【図４−Ｃ】圧力センサ２００の製造工程を示す半導体ウェハの断面図
【図４−Ｄ】圧力センサ２００の製造工程を示す半導体ウェハの断面図
【図５】変形例１の圧力センサ２１０の断面図
【図６−Ａ】変形例２における微小突起の形成手順を例示する断面図
【図６−Ｂ】変形例２における微小突起の形成手順を例示する断面図
【図７】従来の圧力センサの断面図
【符号の説明】
【００７２】
１００，２００，２１０  ：  圧力センサ
１０３，１０４  ：  ダイアフラム
２０３，２１５  ：  ダイアフラム
２０７Ａ  ：  アノード電極
２０８    ：  カソード電極
Ｄ′  ：  微小突起
Ｒ    ：  空洞
【図１−Ａ】
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【図１−Ｂ】
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【図２−Ａ】
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【図２−Ｂ】
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【図２−Ｃ】
2007227850.tif 000007
【図３】
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【図４−Ａ】
2007227850.tif 000009
【図４−Ｂ】
2007227850.tif 000010
【図４−Ｃ】
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【図４−Ｄ】
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【図５】
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【図６−Ａ】
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【図６−Ｂ】
2007227850.tif 000015
【図７】
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