(57)【要約】【課題】  センサ感度を向上させることが可能なセンサ素子を提供する。【解決手段】  本発明のセンサ素子は、Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）からなり、上部３Ａに稜線部３Ａ’を有する半導体部３と、半導体部３上に稜線部３Ａ’を覆うように設けられた、Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなり、かつｘ１≠ｘ２またはｙ１≠ｙ２となるように設定されている半導体層４と、上部３Ａ側から平面透視して半導体部３上に稜線部３Ａ’と重なるように設けられた、特定の物質が接触することによって該物質との間で電荷の移動が起こる検知電極５と、半導体層４上に検知電極５を間に挟むように一対で設けられた、間の半導体層４に流す電流における検知電極５への電荷の移動による変化を検出する検出電極６とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）からなり、上面に稜線部を有する半導体部と、
該半導体部上に前記稜線部を覆うように設けられた、Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなり、かつｘ１≠ｘ２またはｙ１≠ｙ２となるように設定されている半導体層と、
前記上面側から平面透視して前記半導体部上に前記稜線部と重なるように設けられた、特定の物質が接触することによって該物質との間で電荷の移動が起こる検知電極と、
前記半導体層上に前記検知電極を間に挟むように一対で設けられた、間の前記半導体層に流す電流における前記検知電極への電荷の移動による変化を検出する検出電極とを備えた
センサ素子。
【請求項２】
前記検知電極および前記検出電極は、それぞれが前記稜線部に跨がって、該稜線部に沿って配置されている請求項１に記載のセンサ素子。
【請求項３】
Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）からなる錐体状の半導体部と、
該半導体部の先端を覆うように設けられた、Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなり、かつｘ１≠ｘ２またはｙ１≠ｙ２となるように設定されている半導体層と、
前記先端側から平面透視して前記半導体部上に前記先端と重なるように設けられた、特定の物質が接触することによって該物質との間で電荷の移動が起こる検知電極と、
前記半導体層上に前記検知電極を間に挟むように一対で設けられた、間の前記半導体層に流す電流における前記検知電極への電荷の移動による変化を検出する検出電極とを備えた
センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、検出感度を向上させることが可能なセンサ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、電界効果トランジスターのゲート電極に特定の物質を接触させて、当該物質の有無または量を検出する半導体センサ素子が研究・開発されている。このような半導体センサ素子は、例えば、イオンセンサ、酵素センサ、ＤＮＡセンサ、抗原・抗体センサ、タンパク質センサなどのバイオセンサ、および水素または一酸化炭素などのガスセンサ等に応用されている。半導体センサ素子としては、シリコンを用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2002−296229号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような、半導体センサ素子の研究・開発において、検出する特定の物質の検出感度を向上させることが課題となっている。本発明は、このような諸事情を鑑みて案出されたものであり、検出感度を向上させることが可能なセンサ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のセンサ素子は、Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）からなり、上面に稜線部を有する半導体部と、該半導体部上に前記稜線部を覆うように設けられた、Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなり、かつｘ１≠ｘ２またはｙ１≠ｙ２となるように設定されている半導体層と、前記上面側から平面透視して前記半導体部上に前記稜線部と重なるように設けられた、特定の物質が接触することによって該物質との間で電荷の移動が起こる検知電極と、前記半導体層上に前記検知電極を間に挟むように一対で設けられた、間の前記半導体層に流す電流における前記検知電極への電荷の移動による変化を検出する検出電極とを備えている。
【０００６】
また、本発明のセンサ素子は、Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）からなる錐体状の半導体部と、該半導体部の先端を覆うように設けられた、Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなり、かつｘ１≠ｘ２またはｙ１≠ｙ２となるように設定されている半導体層と、前記先端側から平面透視して前記半導体部上に前記先端と重なるように設けられた、特定の物質が接触することによって該物質との間で電荷の移動が起こる検知電極と、前記半導体層上に前記検知電極を間に挟むように一対で設けられた、間の前記半導体層に流す電流における前記検知電極への電荷の移動による変化を検出する検出電極とを備えている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のセンサ素子によれば、半導体部と半導体層との界面に、キャリア密度が高くなった領域を形成することができるとともに、半導体層を構成する結晶格子を半導体部によって歪ませることによって半導体層内に発生するピエゾ電界を強くすることができ、２次元キャリアガス層のキャリア濃度をさらに高めることができる。その結果、センサ素子の検出感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るセンサ素子の模式的な斜視図である。
【図２】図１に示すセンサ素子の模式的な断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図３】図２に示すセンサ素子に、２次元電子ガス層を付記した模式図である。
【図４】２次元電子ガス層の原理を説明する模式的なエネルギーバンド図であり、（ａ）は半導体部と半導体層とを接合したときのエネルギーバンド図を示し、（ｂ）は（ａ）の状態に内部電界がかかった状態のエネルギーバンド図を示している。
【図５】図１に示すセンサ素子を上方から平面透視した図であり、透視部分をそれぞれ点線で示している。
【図６】図１に示すセンサ素子の変形例を示しており、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線で切断したときの断面図に相当する。
【図７】図１に示すセンサ素子の変形例を示しており、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図８】本発明の第２の実施形態にかかるセンサ素子の模式的な図であり、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線で切断したときの断面図に相当する。
【図９】本発明の第１の実施形態に係るセンサ素子の製造方法の実施形態の一工程を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ’線で切断したときの断面に相当する。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係るセンサ素子の製造方法の実施形態の一工程を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係るセンサ素子の製造方法の実施形態の一工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明にかかるセンサ素子の実施形態について詳細に説明する。本発明は以下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内で種々変更を施すことができる。
【００１０】
＜センサ素子の第１の実施形態＞
本実施形態に係るセンサ素子１は、図１および図２に示すように、基板２、半導体部３、半導体層４、検知電極５、および一対の電極からなる検出電極６を有している。
【００１１】
基板２は、半導体部３を結晶成長させることが可能な基材を用いることができる。具体的に、基板２としては、サファイア、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリコンカーバイド、シリコンおよび二ホウ化ジルコニウムなどを用いることができる。基板２の厚みとしては、100μｍ以上1000μｍ以下に設定することができる。基板２は、半導体層４を成長させた後、エッチングなどの方法によって除去しても良い。
【００１２】
半導体部３は、基板２上に形成されている。半導体部３は、化学式Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）で表わされる、窒化ガリウムによって構成されている。
【００１３】
半導体部３は、図２に示すように、上部３Ａが稜線部３Ａ’を有している。ここで、稜線部３Ａ’とは、半導体部３を、２か所でＡ−Ａ’方向に切断した断面の上部３Ａ同士をつなぐ線を指す。稜線部３Ａ’は、Ｙ軸方向に延びている。稜線部３Ａ’は、直線状になっていてもよいし、Ｚ軸方向に湾曲していてもよい。半導体部３は、具体的に、三角柱の側面が基板２の主面２Ａに接するような形状をなしている。
【００１４】
半導体部３の高さ（Ｚ軸方向の寸法）は、例えば１μｍ以上60μｍ以下となるように設定することができる。また、半導体部３の横幅（Ｘ軸方向の寸法）は、例えば１μｍ以上100μｍ以下となるように設定することができる。さらに、半導体部３の稜線部３Ａ’の長さ（Ｙ軸方向の寸法）は、例えば１μｍ以上１ｍｍ以下となるように設定することができる。
【００１５】
半導体部３は、Ａ−Ａ’線で切断した断面の形状が台形状となっていてもよく、この場合には、半導体部３が上面を持つこととなる。半導体部３が上面を持つ場合において、稜線部３Ａ’は上面全体を指すこととなる。なお、このように半導体部３が上面を持つ場合には、半導体部３は、五角柱の側面が基板２の主面２Ａに接するような形状となっている。
【００１６】
半導体層４は、半導体部３の上部３Ａを覆うように設けられている。半導体層４は、半導体部３の側面から上部３Ａにかけて、上部３Ａを覆うように設けられていればよい。なお、半導体層４は、上面４Ａを有していてもよい。半導体層４が、上面４Ａを有する場合には、当該上面４Ａに後述する検知電極５を設けることができればよく、例えば、１μｍ２以上５ｍｍ２以下となるように設定することができる。
【００１７】
半導体層４は、化学式Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなる材料によって構成されている。半導体層４は、半導体部３と異なる組成（ｘ１≠ｘ２またはｙ１≠ｙ２）となるように設定されることによって、半導体層４は、半導体部３と異なる格子定数を有するように設定される。半導体層４は、例えば、半導体部３をＧａＮで形成した場合、ＧａＮと格子定数の異なるＡｌＧａＮを用いることができる。ＡｌＧａＮは、Ａｌの組成比がＧａＮよりも多くなっていることから、ａ軸方向の格子定数をＧａＮと比較して小さくすることができる。
【００１８】
このようにＧａＮからなる半導体部３上に、ＧａＮと異なる格子定数を有するＡｌＧａＮからなる半導体層４を形成することで、半導体部３と半導体層４との接合界面付近においてピエゾ電界をかけることができ、図３に示すように、半導体部３の上部３Ａ（稜線部３Ａ’）と略平行な２次元方向に電子濃度が高くなった２次元電子ガス層３’を形成することができる。この原理について、図４を用いて説明する。
【００１９】
図４（ａ）は、ＧａＮからなる半導体部３の上部３Ａ上に、ＡｌＧａＮからなる半導体層４が形成された場合のＧａＮとＡｌＧａＮとの接合界面付近におけるエネルギーバンド図を示す。図４（ｂ）は、（ａ）の状態に内部電界がかかった状態のエネルギーバンド図を指している。なお、図４のエネルギーバンド図は半導体部３と半導体層４の価電子帯７、フェルミ準位８、伝導帯９を模式的に表した図である。半導体部３と、半導体部３と異なる格子定数を持つ半導体層４とが接するように形成されることにより、半導体部３のエネルギーバンドと半導体層４のエネルギーバンドとの接合界面付近のエネルギーバンドが歪むこととなる。
【００２０】
エネルギーバンドの歪みは、半導体部３のエネルギーバンドと半導体層４のエネルギーバンドとの不連続性と、半導体部３と半導体層４との格子定数の差および形状によって生じる結晶の歪みによるピエゾ電界と、によるものである。このようなエネルギーバンドの歪みにより、半導体部３と半導体層４との接合界面付近にエネルギーバンドの溝10が形成され、このエネルギーバンドの溝10に電子ガスが蓄積されて、２次元電子ガス層３’が形成される。なお、キャリアガスとして本実施形態では電子を用いたが、正孔を用いてもよい。
【００２１】
半導体層４の厚みは、２ｎｍ以上150ｎｍ以下となるように設定される。半導体層４の厚みを、例えば20ｎｍ以上50ｎｍ以下に設定することにより、十分な２次元電子ガス層３’を形成することができる。なお、半導体層４の膜厚は、半導体層４の組成と、半導体部３と半導体層４との接合面でエネルギーバンドが歪む半導体層４の臨界膜厚と、により決めることができる。例えば、半導体部３がＧａＮで形成され、半導体層４がＡｌ０．１Ｇａ０．９Ｎで形成されている場合、半導体層４の膜厚は40ｎｍに設定することができる。
【００２２】
検知電極５は、図５に示すように、半導体層４の上面４Ａ側から（Ｚ軸の正方向から負方向へ）平面透視して、半導体部３上に稜線部３Ａ’と重なるように設けられている。検知電極５は、２次元電子ガス層３’と重なるように、検知電極５が、半導体層４の上面４Ａ上に設けられている。この検知電極５が、特定の物質に接触することによって、該物質との間で電荷の移動が起こり、当該物質の有無または量を検出することとなる。検知電極５の厚みは、例えば0.05μｍ以上３μｍ以下となるように設定することができる。
【００２３】
また、検出する特定の物質によっては、検知電極５を設けなくてもよい。その場合、検知電極５を設ける位置を検知領域として用いればよい。このような検知領域は、例えば検知領域以外の半導体層４の露出している表面を絶縁膜などで覆うことにより形成することができる。このような絶縁膜は、厚みが、例えば100ｎｍ以上５μｍ以下となるように設定することができる。
【００２４】
検知電極５の表面には、特定の物質のみが付着しやすいようにレセプタを塗布していてもよい。具体的に、特定の物質としては、例えばグルコース、ＤＮＡ、プロテイン、アセチルコリンエステラーゼ、水素ガス、アンモニアガスおよびバクテリアなどがある。レセプタとしては、例えば一本鎖ＤＮＡ、抗体またはタンパク質等、検出を行なう特定の物質に対して感応する材料を用いることができる。このように検知電極５の表面を加工することによって、検出する物質を付着しやすくするとともに、検出対象となっていない物質の付着を抑制することができる。また、物質と検知電極５との間で行なわれる電荷の移動によって生じる半導体層４内の電圧変化または電流変化を大きくする材料をレセプタとして用いてもよい。
【００２５】
検出電極６は、第１検出電極６ａおよび第２検出電極６ｂから構成されている。検出電極６は、検知電極５を間に挟むように一対で半導体層４上に設けられている。具体的には、第１検出電極６ａと第２検出電極６ｂとの間に、検知電極５が位置するように配置されている。検出電極６は、第１検出電極６ａと第２検出電極６ｂとの間の半導体層４に流す電流をモニタリングすることにより、特定の物質と検知電極５との間で起こる電荷の移動による電圧変化または電流変化を検出するようになっている。
【００２６】
検知電極５および検出電極６としては、例えば、アルミニウム、チタン、ニッケル、クロム、インジウム、錫、モリブデン、銀、金、ニオブ、タンタル、バナジウム、白金、鉛、ベリリウム、酸化錫、酸化インジウム、酸化インジウム錫、金−シリコン合金、金−ゲルマニウム合金、金−亜鉛合金、金−ベリリウム合金などの薄膜を好適に用いることができる。また、検知電極５および検出電極６は、上記材料の中から選択した層を複数層積層したものとしても構わない。さらに、検知電極５および検出電極６としては、オーミック接触することが可能な材料を選択すればよく、例えば金または銀などを用いることができる。
【００２７】
上述の説明では、半導体部３をＧａＮとし、半導体層４をＡｌＧａＮとしたが、これに限られるものではなくＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体同士で半導体部３と半導体層４との格子定数を異なるように設定してもよい。ＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体は、Ａｌの組成比を増やすか、Ｉｎの組成比を減らすことにより格子定数を変えることができる。
【００２８】
具体的には、半導体部３がＡｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１−ｙ１）Ｉｎｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦１、０≦ｙ１≦１、ｘ１＋ｙ１≦１）により形成されている場合、半導体層４は半導体部３と異なる格子定数のＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１、ｘ２＞ｘ１、ｙ１＞ｙ２）により形成することができる。例えば、半導体部３としてｘ１＝0.1、ｙ１＝0.3としたＡｌ０．１Ｇａ０．６Ｉｎ０．３Ｎを用いた場合には、第３半導体層４としてｘ２＞ｘ１となるｘ２＝0.2かつｙ１＞ｙ２となるｙ２＝0.1としたＡｌ０．２Ｇａ０．７Ｉｎ０．１Ｎを用いることができる。
【００２９】
本実施形態では、半導体部３と半導体層４との接合界面付近に２次元電子ガス層３’を有する構成である。このような２次元電子ガス層３’内においては、電子の移動度が高くなっているため、第１検出電極６ａと第２検出電極６ｂとの間で電流が流れやすくなっている。換言すると、第１検出電極６ａと第２検出電極６ｂとの間に流れる電流のＳＮ比を向上させることができ、小さい電流の変化も検出することができるようになっている。
【００３０】
ここで、検知電極５の表面（レセプタ）に特定の物質が接触して、該物質と検知電極５との間で電荷の移動が起こった場合、検知電極５付近で電界が変化することとなる。この電界の変化によって、当該検知電極５付近の２次元電子ガス層３’内における電子濃度が一部変化し、第１検出電極６ａおよび第２検出電極６ｂの間に流れる電流が一部変化する。この検出電極６に流れる電流の変化を検出することによって、検知電極５に特定の物質が接触したことを検知することができる。すなわち、センサ素子１によって、特定の物質の有無または量を検出することができる。このようにセンサ素子１は、高い電子移動度を持つ２次元電子ガス層３’を利用することから、従来のセンサ素子よりも検出感度を向上させることができる。
【００３１】
本実施形態では、図２に示すように、さらに半導体層４が半導体部３の上部３Ａを覆うように設けられている。このことから、半導体部３の上部３Ａで半導体層４を構成する結晶格子が大きく歪むこととなり、上部３Ａ付近の半導体層４内に応力がかかるようになっている。半導体層４内にこのような応力をかけることによって、半導体層４内に発生するピエゾ電界を強くすることができ、２次元電子ガス層３’内の電子密度を高くすることができる。その結果、２次元電子ガス層３’内の電子移動度を高くすることができ、検出感度をさらに向上させることができる。
【００３２】
さらに、稜線部３Ａ’が、Ｚ軸方向に湾曲して設けられていた場合には、半導体層４を構成する結晶格子がＸ軸方向だけでなくＹ軸方向にも歪ませることができ、当該稜線部３Ａ’付近の半導体層４に応力をさらにかけることができる。これによって、半導体層４内に発生するピエゾ電界をさらに強くすることができる。その結果、２次元電子ガス層３’内の電子密度を高くすることができ、センサ素子１の検出感度をさらに向上させることができる。
【００３３】
（センサ素子の第１の実施形態の変形例１）
検知電極５および検出電極６は、図６に示すように、それぞれが稜線部３Ａ’に跨って、稜線部３Ａ’に沿って配置されていてもよい。すなわち、検出電極６を構成する第１検出電極６ａおよび第２検出電極６ｂは、間に検知電極５が配置されているととともに、検出電極６と検知電極５とが一列状になるように半導体層４上に設けられている。
【００３４】
このように、検知電極５および検出電極６が、稜線部３Ａ’に跨るとともに稜線部３Ａ’に沿って配置されていることによって、厚み方向（Ｚ軸方向）に平面透視して、検知電極５および検出電極６が、２次元電子ガス層３’と重なるように配置されることとなる。これによって、検出電極６を構成する第１検出電極６ａおよび第２検出電極６ｂの間を流れる電流が、電子移動度の高くなった２次元電子ガス層３’内を流れやすくなり、検知電極５付近での微小な電圧変化または電流変化を検出することができる。その結果、センサ素子の検出感度をさらに向上させることができる。
【００３５】
（センサ素子の第１の実施形態の変形例２）
図７に示すように、基板２上に下地層３”を設けてもよい。下地層３”は、半導体部３と同じ材料によって構成されていてもよく、半導体層４と異なる格子定数を持つ材料から選択される。下地層３”は、厚みが、例えば0.5μｍ以上20μｍ以下となるように設定することができる。
【００３６】
このように下地層３”を基板２上に形成することにより、２次元電子ガス層３’を、下地層３”と半導体層４との界面および半導体部３’と半導体層４との界面に設けることができる。そのため、半導体層４上に検出電極６を配置する場合、当該２次元電子ガス層３’を電流が流れやすくなり、検出感度をさらに向上させることができる。
【００３７】
＜センサ素子の第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態に係るセンサ素子20について、図８を参照しつつ、説明をする。なお、第１の実施形態に係るセンサ素子１と重複する部分については同一符号を付し、その説明を省略する。第１の実施形態に係るセンサ素子１とは、主に半導体部の構成が異なっている。すなわち、本実施形態に係るセンサ素子20は、錐体状の半導体部21をとなっている点で、センサ素子１とは異なっている。
【００３８】
半導体部21は、図８に示すように、錐体状によって形成されている。ここで錐体状とは、例えば、五角錐状および六角錐状などの多角錐状、または円錐状などを挙げることができる。半導体部21の高さ（Ｙ軸方向の寸法）および横幅（Ｘ軸方向の寸法）は、例えば１μｍ以上100μｍ以下となるように設定することができる。また、本実施形態の錐体状には、例えば、五角錘台状および六角錐台状などの多角錐台状、または円錐台状などを用いてもよい。本実施形態では、半導体部21が六角錐形状で形成されている。
【００３９】
半導体層22は、半導体部21の先端21Ａを覆うように設けられている。半導体層22は、半導体部21の先端21Ａが側面から覆われるように設けられている。このように半導体層22が半導体部21の先端21Ａを覆うことにより、半導体層22を構成する結晶格子が大きく歪むこととなる。その結果、半導体層22内に応力が発生しやすくなり、半導体層22内に発生するピエゾ電界を強くすることができる。
【００４０】
検知電極５は、半導体部３の先端21Ａ側から平面透視して半導体部３上に、先端21Ａと重なるように設けられている。また、検出電極６は、第１検出電極６ａと第２検出電極６ｂとが、検知電極５を間に挟むように配置されている。検知電極５の表面（レセプタ）に特定の物質が接触することによって、該物質との間で電荷の移動が起こり、検出電極６で電圧変化または電流変化を検出することとなる。
【００４１】
本実施形態のセンサ素子20によれば、半導体部21の先端21Ａを覆うように、半導体層22が設けられていることから、半導体部３と半導体層４との間に形成される２次元電子ガス層３’の電子濃度が高くなっている。その結果、センサ素子20の検出感度を向上させることができる。
【００４２】
さらに、本実施形態では、先端21Ａを覆うことから、半導体層４を構成する結晶格子がＸ軸方向だけでなくＹ軸方向にも歪むこととなり、当該先端21付近の半導体層22に応力をさらにかけることができる。これによって、半導体層４内に発生するピエゾ電界をさらに強くすることができる。その結果、２次元電子ガス層３’内の電子密度を高くすることができ、センサ素子１の検出感度をさらに向上させることができる。
【００４３】
＜センサ素子の製造方法＞
第１の実施形態に係るセンサ素子１の製造方法について、以下説明する。
【００４４】
（第１の工程）
まず、基板２上に、半導体部３を結晶成長させる。半導体部３の形状を形成する方法としては、主面２Ａに凹凸が形成された基板２または主面２Ａの一部がフッ素などにより加工された基板２等に結晶成長させる横方向成長法などを用いることができる。本実施形態においては、主面２Ａの一部がフッ素により加工された基板２を用いて説明する。
【００４５】
基板２は、主面２Ａにおいて、表面が露出した露出表面２ａと、フッ素などの基板２の主面２Ａよりも表面エネルギーが小さくなる材料により加工された被覆表面２ｂとを有している。次に、この基板２の主面２Ａ上に半導体部３を結晶成長させる。
【００４６】
図９（ａ）に示すように、基板２の露出表面２ａに半導体部３の構成元素からなる結晶体11を結晶成長させる。結晶体11は、基板２と比較して、例えば格子定数および熱膨張係数などが異なるため、基板２の露出表面２ａから内部に延びる転位12を有するようになる。転位12は、結晶成長させる半導体の層の結晶面に、意図しない結晶面または原子ステップが発生することによって生じやすくなり、例えば刃状転位またはらせん状転位などの種類がある。
【００４７】
結晶体11の形状は、例えば三角錐形状または六角錐形状などの多角錐形状、三角錐台形状または六角錐台形状などの多角錐台形状、円錐形状、または円錐台形状などとすることができる。結晶体11は、基板２の主面２Ａから頂部までの高さを、0.05μｍ以上２μｍ以下に設定することができる。本実施形態において、結晶体11は六角錘形状で形成されている。
【００４８】
結晶体11は、基板２の主面２Ａに、組成比、成長温度および成長圧力などの成長条件を調整することによって結晶成長させることができる。基板２の付着表面２ｂにはフッ素が付着していることから、結晶体11を基板２の主面２Ａに結晶成長させる際に、半導体の結晶が成長しにくくなっている。そのため、表面エネルギーの小さい基板２の付着表面２ｂに、半導体部３を構成する原子または分子等が飛着してきたとしても再度飛散していくか露出表面２ａに移動すると考えられるからである。
【００４９】
次に、図９（ｂ）に示すように、結晶体11を横方向に成長させることにより、結晶体11を含む第２結晶体13を形成する。具体的には、基板２の露出表面２ａに形成した結晶体11の側面を、平面透視して、基板２の付着表面２ｂを覆うように横方向へ結晶成長させて第２結晶体13を形成する。結晶体11を横方向に成長させることにより、基板２の露出表面２ａから厚み方向に延びる転位12を、基板２の主面２Ａと平行な平面方向に曲げることができる。
【００５０】
第２結晶体13をさらに横方向に成長させることによって、図９（ｃ）に示すように、隣接する２つの第２結晶体13が合わさるようにする。隣接する２つの第２結晶体13同士を合わせることにより、それぞれの第２結晶体13から延びる転位12を結合させて、結合箇所から厚み方向に延びる転位12の数を減らすことができる。
【００５１】
そして、第２結晶体13をさらに横方向に成長させることにより、半導体部３となる第３結晶体14を形成する。第３結晶体14は、例えば、多角錐形状、多角錐台形状、円錐形状および円錐台形状などの立体形状、または側面同士を稜線で結んだ立体形状などに形成することができる。本実施形態では、第３結晶体14が、三角形の側面同士を稜線で結んだ立体形状によって構成されている場合について以下説明する。なお、結晶体11をそのまま半導体部３として用いてもよい。
【００５２】
本実施形態では、半導体部３を形成する際に、基板２から延びる転位12を、基板２の主面２Ａと平行な方向に曲げることから、半導体部３の上部３Ａ付近の結晶性を高めることができる。このように半導体部３の上部３Ａ付近の結晶性を高めることができることから、半導体層４が形成されることによって設けられる２次元電子ガス層３’において電子移動度を高くすることができる。
【００５３】
（第２の工程）
次に、図10に示すように、半導体部３上に半導体層４を結晶成長させる。具体的には、基板２の主面２Ａおよび半導体部３の表面に、半導体部３の稜線部３Ａ’を覆うように、半導体層４を結晶成長させればよい。半導体層４は、Ａｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２−ｙ２）Ｉｎｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１、ｘ２＋ｙ２≦１）からなり、かつｘ１≠ｘ２またはｙ１≠ｙ２となるように設定されている。半導体部３から半導体層４を結晶成長させる方法として、例えば横方向成長を用いてもよい。
【００５４】
（第３の工程）
その後、図11に示すように、半導体層４上に、検知電極５および検出電極６を形成する。検知電極５および検出電極６を形成する方法としては、例えば金属を用いる場合は、スパッタリング法または蒸着法などを用いることができる。なお、検知電極５および検出電極６となる金属を積層した後、アニールを行なうことによってオーミック接触させてもよい。このようにして、センサ素子１を製造することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１、20  センサ素子
２  基板
３、21  半導体部
３Ａ  上面
３Ａ’  稜線部
３’  ２次元電子ガス層
３”  下地層
４、22  半導体層
５  検知電極
６  検出電極
６ａ  第１検出電極
６ｂ  第２検出電極
７  価電子帯
８  フェルミ準位
９  伝導体
10  溝
11  結晶体
12  転位
21Ａ  先端
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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