(57)【要約】【課題】ナノワイヤセンサーの出力が微弱であっても高速で動作可能である。【解決手段】非常に微細なナノワイヤ素子からなるナノワイヤセンサー素子４を含むナノワイヤセンサーの出力を、非常に微細なナノワイヤ素子からなるナノワイヤ増幅素子５およびナノワイヤ抵抗素子６,７を含むナノワイヤ回路で直接受ける。こうして、出力を増幅するためのナノワイヤ増幅素子５やナノワイヤセンサー素子４からナノワイヤ増幅素子５までの配線１２が持つ寄生容量を非常に小さくして、出力が微弱なナノワイヤセンサー素子４を備えていても、電子デバイス１を高速に動作させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノワイヤで構成されると共に、周囲環境の状態を検知して検知信号を出力するナノワイヤセンサー素子と、
ナノワイヤ素子で構成されると共に、上記ナノワイヤセンサー素子からの上記検知信号が直接入力されて、上記検知信号に応答して増幅,スイッチングあるいは演算を含む動作を行うナノワイヤ回路と
を備えたことを特徴とする電子デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の電子デバイスにおいて、
上記ナノワイヤ回路を構成するナノワイヤ素子であるナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子および上記ナノワイヤセンサー素子は、同一の基板上に配置されている
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２に記載の電子デバイスにおいて、
上記ナノワイヤセンサー素子は、第１導電型の半導体と第２導電型の半導体とが接合された半導体素子である
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の電子デバイスにおいて、
上記ナノワイヤ回路は、上記ナノワイヤセンサー素子から直接入力された上記検知信号の増幅動作を行う
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の電子デバイスにおいて、
上記ナノワイヤ回路は、上記ナノワイヤセンサー素子から直接入力された上記検知信号が予め設定された設定値を超えると第１の出力状態となる一方、上記設定値以下になると上記第１の出力状態とは異なる第２の出力状態となるスイッチング動作を行う
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項６】
請求項１から請求項５までの何れか一つに記載の電子デバイスにおいて、
上記ナノワイヤセンサー素子は、周囲の明るさに応じた検知信号を出力するナノワイヤ受光素子である
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の電子デバイスにおいて、
ナノワイヤで構成されると共に、光を放出するナノワイヤ発光素子を備えて、
上記ナノワイヤ回路は、上記ナノワイヤセンサー素子からの周囲の明るさに応じた検知信号に基づいて、上記ナノワイヤ発光素子の駆動動作を行う
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項８】
請求項７に記載の電子デバイスにおいて、
複数の上記ナノワイヤ発光素子が配列されて照明デバイスを構成している
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項９】
請求項７に記載の電子デバイスであって、
上記ナノワイヤセンサー素子は、上記ナノワイヤ発光素子が放出する光を受光するように配置されており、
上記ナノワイヤ回路は、上記ナノワイヤセンサー素子からの上記ナノワイヤ発光素子が放出する光の明るさに応じた検知信号に基づいて、上記ナノワイヤ発光素子を制御するフィードバック動作を行う
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項１０】
請求項１から請求項５までの何れか一つに記載の電子デバイスにおいて、
上記ナノワイヤセンサー素子は、周囲環境における特定のガスの濃度に応じた検知信号を出力するナノワイヤガスセンサー素子である
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項１１】
請求項１から請求項５までの何れか一つに記載の電子デバイスにおいて、
上記ナノワイヤセンサー素子は、周囲環境に存在する特定の蛋白質あるいは核酸と結合することによって変化する検知信号を出力するナノワイヤバイオセンサー素子である
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項１２】
請求項２に記載の電子デバイスの製造方法であって、
上記ナノワイヤセンサー素子および上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子が配置される上記基板上に、少なくとも第１の電極対と第２の電極対とを形成する電極対形成工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記ナノワイヤセンサー素子を含む液体を導入すると共に、上記第１の電極対に交流電圧を印加して、上記第１の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記ナノワイヤセンサー素子を配置させるナノワイヤセンサー素子配置工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子を含む液体を導入すると共に、上記第２の電極対に交流電圧を印加して、上記第２の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子を配置させるナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子配置工程と
を含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電子デバイスの製造方法において、
上記ナノワイヤセンサー素子および上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子のうちの少なくとも一方は、一端側と他端側とが夫々異なる極性を有する有極性素子であり、
上記第１の電極対と上記第２の電極対とのうち上記有極性素子が配置される電極対に印加される上記交流電圧には、直流電圧が重畳されており、
上記有極性素子が配置される電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に配置される上記有極性素子の両端の向きが、上記電極対に印加される上記直流電圧によって定められる
ことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項１４】
請求項７から請求項９までの何れか一つに記載の電子デバイスを備えたことを特徴とする照明装置。
【請求項１５】
請求項１０あるいは請求項１１に記載の電子デバイスを備えたことを特徴とするセンサーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微細なセンサー素子と微細な素子からなる回路とを含む電子デバイスおよびその製造方法、並びに、上記電子デバイスを備えた照明装置およびセンサーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ナノワイヤを機能化して種々のセンサーとして応用する技術が提案されている。このような技術として、特開２００９‐４２２３２号公報(特許文献１)に開示されたナノセンサがある。このナノセンサは、表面が選択的に官能基化されたナノチューブおよびナノワイヤによって、タンパク質,核酸,炭水化物,脂質およびステロイド等の検体を検出する。このようなナノワイヤによるナノセンサーであるナノワイヤセンサーは、そのサイズの小ささのために極微小な領域に設置することが可能であり、さらには、ごく少量のサンプルからの検体の検出が可能であり、高い検出感度が得られると期待されている。
【０００３】
しかしながら、上記従来ナノセンサーには以下のような問題がある。
【０００４】
すなわち、上記ナノワイヤセンサー等の微細なセンサーからの出力は、そのサイズの小ささの故に、一般的には非常に微弱である。そのため、上記微細なセンサーからの出力を増幅するための増幅素子やナノワイヤセンサーから増幅素子までの配線が有する寄生容量によって、著しく動作速度が遅くなるという問題がある。
【０００５】
さらには、動作速度や精度を確保するために、出力の増幅装置として高性能で非常に高価なものを使わざるを得ないという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９‐４２２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、この発明の第１の課題は、ナノワイヤセンサーが有する非常に小さいという利点を生かしつつ、上記ナノワイヤセンサーからの出力が微弱であっても高速で動作し、且つ低コストな電子デバイス、および、その製造方法を提供することにある。
【０００８】
また、第２の課題は、上記電子デバイスを備えた照明装置およびセンサーシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、この発明の電子デバイスは、
ナノワイヤで構成されると共に、周囲環境の状態を検知して検知信号を出力するナノワイヤセンサー素子と、
ナノワイヤ素子で構成されると共に、上記ナノワイヤセンサー素子からの上記検知信号が直接入力されて、上記検知信号に応答して増幅,スイッチングあるいは演算を含む動作を行うナノワイヤ回路と
を備えたことを特徴としている。
【００１０】
上記構成によれば、非常に微細なナノワイヤで構成された非常に微細なナノワイヤセンサー素子から出力される検知信号を、非常に微細なナノワイヤ素子で構成されたナノワイヤ回路に直接入力するようにしている。したがって、上記検知信号に応答して増幅,スイッチングあるいは演算を含む動作行うための上記ナノワイヤ素子が有する寄生容量や、上記ナノワイヤセンサー素子から上記ナノワイヤ素子までの間の配線が有する寄生容量を、非常に小さくすることができる。したがって、例え、上記ナノワイヤセンサー素子が、出力する検知信号が微弱なナノワイヤセンサー素子であっても、当該電子デバイスを高速に動作させることができる。
【００１１】
さらに、当該電子デバイスの動作速度や当該電子デバイスの精度を確保するために、上記ナノワイヤセンサー素子から出力される上記検知信号の増幅装置として、高性能で非常に高価な増幅装置を用いる必要がない。したがって、低コストの電子デバイスを提供することができる。
【００１２】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記ナノワイヤ回路を構成するナノワイヤ素子であるナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子および上記ナノワイヤセンサー素子は、同一の基板上に配置されている。
【００１３】
この実施の形態によれば、微細な上記ナノワイヤセンサー素子と上記ナノワイヤ回路を構成する微細なナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子とを微細な領域に配置することが可能になるので、電子デバイスを更に微細化することが可能になる。
【００１４】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記ナノワイヤセンサー素子は、第１導電型の半導体と第２導電型の半導体とが接合された半導体素子である。
【００１５】
上記ナノワイヤセンサー素子から出力される上記検知信号のダイナミックレンジを大きくすることができるので好ましい。特に、上記ナノワイヤセンサー素子がナノワイヤ受光素子である場合に暗電流を極めて小さくすることができ、当該電子デバイスを低消費電力化することが可能になる。
【００１６】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記ナノワイヤ回路は、上記ナノワイヤセンサー素子から直接入力された上記検知信号の増幅動作を行う。
【００１７】
この実施の形態によれば、上記ナノワイヤセンサー素子の周囲環境の状態を表す環境値を、定量的に測定することができる。
【００１８】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記ナノワイヤ回路は、上記ナノワイヤセンサー素子から直接入力された上記検知信号が予め設定された設定値を超えると第１の出力状態となる一方、上記設定値以下になると上記第１の出力状態とは異なる第２の出力状態となるスイッチング動作を行う。
【００１９】
この実施の形態によれば、上記ナノワイヤセンサー素子の周囲環境の状態を表す環境値が閾値を超えたか否かに応じて、スイッチング動作を行うことができる。
【００２０】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記ナノワイヤセンサー素子は、周囲の明るさに応じた検知信号を出力するナノワイヤ受光素子である。
【００２１】
この実施の形態によれば、非常に微小な領域や非常に微小な空間における明るさを検知することができる。
【００２２】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
ナノワイヤで構成されると共に、光を放出するナノワイヤ発光素子を備えて、
上記ナノワイヤ回路は、上記ナノワイヤセンサー素子からの周囲の明るさに応じた検知信号に基づいて、上記ナノワイヤ発光素子の駆動動作を行う。
【００２３】
この実施の形態によれば、上記ナノワイヤセンサー素子の周囲の明るさに応じてナノワイヤ発光素子を制御することが可能になる。さらに、受光素子として機能する上記ナノワイヤセンサー素子を非常に微小な空間に設置できるので、上記受光素子の設置場所の自由度を大きくして応用範囲を広くできる。さらには、設置場所の自由度が大きい受光素子付きのナノワイヤ発光素子を備えた電子デバイスを、低コストで提供することができる。
【００２４】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
複数の上記ナノワイヤ発光素子が配列されて照明デバイスを構成している。
【００２５】
この実施の形態によれば、受光素子として機能する上記ナノワイヤセンサー素子および照明デバイスを構成する上記ナノワイヤ発光素子を非常に微小な空間に設置できるので、上記受光素子付き照明デバイスの設置場所の自由度を広くすることができる。さらには、設置場所の自由度が大きい受光素子付きの照明デバイスを備えた電子デバイスを、低コストで提供することができる。
【００２６】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記ナノワイヤセンサー素子は、上記ナノワイヤ発光素子が放出する光を受光するように配置されており、
上記ナノワイヤ回路は、上記ナノワイヤセンサー素子からの上記ナノワイヤ発光素子が放出する光の明るさに応じた検知信号に基づいて、上記ナノワイヤ発光素子を制御するフィードバック動作を行う。
【００２７】
この実施の形態によれば、上記ナノワイヤ発光素子の発光量を一定に制御することが可能になる。さらに、受光素子として機能する上記ナノワイヤセンサー素子を非常に微小な空間に設置できるので、上記受光素子の設置場所の自由度を大きくして応用範囲を広くできる。さらには、設置場所の自由度が大きい受光素子付きのナノワイヤ発光素子を備えた電子デバイスを、低コストで提供することができる。
【００２８】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記ナノワイヤセンサー素子は、周囲環境における特定のガスの濃度に応じた検知信号を出力するナノワイヤガスセンサー素子である。
【００２９】
この実施の形態によれば、小型であって周囲環境における特定のガスに対して高感度であり、且つ低コストの電子デバイスを提供することができる。
【００３０】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記ナノワイヤセンサー素子は、周囲環境に存在する特定の蛋白質あるいは核酸と結合することによって変化する検知信号を出力するナノワイヤバイオセンサー素子である。
【００３１】
この実施の形態によれば、小型であって周囲環境における特定の蛋白質あるいは核酸に対して高感度であり、且つ低コストの電子デバイスを提供することができる。
【００３２】
また、この発明の電子デバイスの製造方法は、
上記ナノワイヤセンサー素子および上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子が配置される上記基板上に、少なくとも第１の電極対と第２の電極対とを形成する電極対形成工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記ナノワイヤセンサー素子を含む液体を導入すると共に、上記第１の電極対に交流電圧を印加して、上記第１の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記ナノワイヤセンサー素子を配置させるナノワイヤセンサー素子配置工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子を含む液体を導入すると共に、上記第２の電極対に交流電圧を印加して、上記第２の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子を配置させるナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子配置工程と
を含むことを特徴としている。
【００３３】
上記構成によれば、微細なナノワイヤセンサー素子と微細なナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子とを、同一の基板上に高密度で配置することが可能になる。したがって、非常に微細化された電子デバイスを簡易な製造方法で提供することができる。
【００３４】
また、１実施の形態の電子デバイスの製造方法では、
上記ナノワイヤセンサー素子および上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子のうちの少なくとも一方は、一端側と他端側とが夫々異なる極性を有する有極性素子であり、
上記第１の電極対と上記第２の電極対とのうち上記有極性素子が配置される電極対に印加される上記交流電圧には、直流電圧が重畳されており、
上記有極性素子が配置される電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に配置される上記有極性素子の両端の向きが、上記電極対に印加される上記直流電圧によって定められる。
【００３５】
この実施の形態によれば、上記ナノワイヤセンサー素子あるいは上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子が極性を有する有極性素子であっても、上記極性の向きを含めて正しい向きに上記有極性素子を上記基板上に配値することができる。したがって、上記有極性素子を含む複雑で高度な電子デバイスを簡易な製造方法で提供することができる。
【００３６】
また、この発明の照明装置は、上記この発明の電子デバイスを備えたことを特徴としている。
【００３７】
上記構成によれば、受光素子として機能する上記ナノワイヤセンサー素子、発光素子として機能する上記ナノワイヤ発光素子、および、上記ナノワイヤセンサー素子からの周囲の明るさに応じた検知信号に基づいて上記ナノワイヤ発光素子の駆動動作を行う上記ナノワイヤ回路を備えているので、周囲の明るさに応じて上記ナノワイヤ発光素子の発光強度を変化させることができる。さらには、上記受光素子,上記発光素子および上記ナノワイヤ回路の何れにもナノワイヤ素子を用いているため、当該照明装置の設置場所の自由度が飛躍的に高くなると共に、低コスト化を実現することができる。
【００３８】
また、この発明のセンサーシステムは、上記この発明の電子デバイスを備えたことを特徴としている。
【００３９】
上記構成によれば、周囲環境における特定のガスを検知するガスセンサー素子あるいは周囲環境における特定の蛋白質や核酸を検知するバイオセンサー素子として機能する上記ナノワイヤセンサー素子、および、上記ナノワイヤセンサー素子からの検知信号に基づいて増幅,スイッチングあるいは演算を含む動作を行う上記ナノワイヤ回路を備えているので、周囲環境における特定のガスや蛋白質や核酸の把握が可能である。さらに、上記ガスセンサー素子あるいは上記バイオセンサー素子と上記ナノワイヤ回路との何れにもナノワイヤ素子を用いているので、当該センサーシステムの設置場所の自由度が飛躍的に高くなると共に、低コスト化を実現することができる。
【発明の効果】
【００４０】
以上より明らかなように、この発明の電子デバイスは、非常に微細なナノワイヤで構成された非常に微細なナノワイヤセンサー素子から出力される検知信号を、非常に微細なナノワイヤ素子で構成されたナノワイヤ回路に直接入力するので、上記検知信号に応答して増幅,スイッチングあるいは演算を含む動作行うための上記ナノワイヤ素子が有する寄生容量や、上記ナノワイヤセンサー素子から上記ナノワイヤ素子までの間の配線が有する寄生容量を、非常に小さくすることができる。したがって、例え、上記ナノワイヤセンサー素子が、出力する検知信号が微弱なナノワイヤセンサー素子であっても、当該電子デバイスを高速に動作させることができる。
【００４１】
さらに、当該電子デバイスの動作速度や当該電子デバイスの精度を確保するために、上記ナノワイヤセンサー素子から出力される微弱な上記検知信号の増幅装置として、高性能で非常に高価な増幅装置を用いる必要がない。したがって、低コストの電子デバイスを提供することができる。
【００４２】
また、この発明の電子デバイスの製造方法は、電極対が形成された基板上に上記ナノワイヤセンサー素子を含む液体を導入すると共に、第１の電極対に交流電圧を印加して、上記ナノワイヤセンサー素子を配置させる一方、上記基板上に上記ナノワイヤ回路を構成するナノワイヤ素子であるナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子を含む液体を導入すると共に、第２の電極対に交流電圧を印加して、上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子を配置させるので、上記ナノワイヤセンサー素子と上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子とを、簡易に且つ極めて接近した位置に配置することができる。
【００４３】
したがって、微細な上記ナノワイヤセンサー素子と微細な上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子とを同一の基板上に高密度で配置することを可能にし、非常に微細化された電子デバイスを簡易な製造方法で提供することができる。
【００４４】
また、この発明の照明装置は、受光素子として機能するナノワイヤセンサー素子、発光素子として機能するナノワイヤ発光素子、および、上記ナノワイヤセンサー素子からの周囲の明るさに応じた検知信号に基づいて上記ナノワイヤ発光素子の駆動動作を行うナノワイヤ回路を備えているので、周囲の明るさに応じて上記ナノワイヤ発光素子の発光強度を変化させることができる。さらには、上記受光素子,上記発光素子および上記ナノワイヤ回路の何れにもナノワイヤ素子を用いているため、当該照明装置の設置場所の自由度が飛躍的に高くなると共に、低コスト化を実現することができる。
【００４５】
また、この発明のセンサーシステムは、周囲環境における特定のガスを検知するガスセンサー素子あるいは周囲環境における特定の蛋白質や核酸を検知するバイオセンサー素子として機能するナノワイヤセンサー素子、および、上記ナノワイヤセンサー素子からの検知信号に基づいて増幅,スイッチングあるいは演算を含む動作を行うナノワイヤ回路を備えているので、周囲環境における特定のガスや蛋白質や核酸の把握が可能である。さらには、上記ガスセンサー素子あるいは上記バイオセンサー素子と上記ナノワイヤ回路との何れにもナノワイヤ素子を用いているため、当該センサーシステムの設置場所の自由度が飛躍的に高くなると共に、低コスト化が実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の第１実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図２】図１に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図３】図２におけるナノワイヤセンサー素子の構造を示す概略図である。
【図４】図２におけるナノワイヤ増幅素子の構造を示す概略図である。
【図５】図２におけるナノワイヤ抵抗素子の構造を示す概略図である。
【図６】第２実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図７】図６に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図８】図７におけるナノワイヤセンサー素子の構造を示す概略図である。
【図９】図７におけるナノワイヤ増幅素子の構造を示す概略図である。
【図１０】第３実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図１１】図１０におけるナノワイヤ増幅素子の構造を示す概略図である。
【図１２】図１０におけるナノワイヤ発光素子の構造を示す概略図である。
【図１３】第４実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図１４】第５実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図１５】図１４におけるナノワイヤセンサー素子の構造を示す概略図である。
【図１６】第６実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図１７】図１６におけるナノワイヤセンサー素子の構造を示す概略図である。
【図１８】ナノワイヤセンサー素子(フォトダイオード)の形成手順を示す図である。
【図１９】図１８に続く形成手順を示す図である。
【図２０】図１９に続く形成手順を示す図である。
【図２１】図２０に続く形成手順を示す図である。
【図２２】図２１に続く形成手順を示す図である。
【図２３】図２２に続く形成手順を示す図である。
【図２４】図２３に続く形成手順を示す図である。
【図２５】図２４に続く形成手順を示す図である。
【図２６】ナノワイヤ増幅素子(電界効果トランジスタ)の形成手順を示す図である。
【図２７】図２６に続く形成手順を示す図である。
【図２８】図２７に続く形成手順を示す図である。
【図２９】ナノワイヤ発光素子(発光ダイオード)の形成手順を示す図である。
【図３０】図２９に続く形成手順を示す図である。
【図３１】図３０に続く形成手順を示す図である。
【図３２】図３１に続く形成手順を示す図である。
【図３３】図３２に続く形成手順を示す図である。
【図３４】図２に示す電子デバイスの形成手順を示す図である。
【図３５】図３４に続く形成手順を示す図である。
【図３６】図３５に続く形成手順を示す図である。
【図３７】図３６に続く形成手順を示す図である。
【図３８】図３７に続く形成手順を示す図である。
【図３９】図３８に続く形成手順を示す図である。
【図４０】図３９に続く形成手順を示す図である。
【図４１】この発明の照明装置におけるブロック図である。
【図４２】この発明のセンサーシステムにおけるブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００４８】
先ず、この発明に用いられるナノワイヤセンサーおよびナノワイヤ回路について簡単に説明する。
【００４９】
上記ナノワイヤセンサーは、所謂ナノワイヤをベースとしてデバイス化されたものである。その直径はナノサイズであり、例えば１ｎｍ〜１μｍである。これに対して、その長さは、通常は直径よりもはるかに大きく１０ｎｍ〜５０μｍであり、マイクロメートルサイズであってもよい。より好ましくは、直径が１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、長さが１００ｎｍ以上５０μｍ以下である。
【００５０】
しかしながら、この発明に用いられるナノワイヤセンサーは、非常に小さいセンサーであって出力が微弱であるナノワイヤセンサーであればよく。直径が１０μｍ以下であり、長さが５００μｍ以下であるものを含んでいる。
【００５１】
ここで、この発明におけるナノワイヤ回路とは、ナノワイヤセンサーと同程度の大きさのナノワイヤ素子を用いた回路のことである。また、ナノワイヤ回路は、増幅,スイッチングおよび演算等の機能を有することができる。
【００５２】
・第１実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、周囲の状態に応じて外部に出力を行うセンサーとしての機能を有するナノワイヤセンサーと、上記ナノワイヤセンサーからの出力を直接入力するナノワイヤ回路とを備えている。
【００５３】
図１は、本実施の形態の電子デバイスの回路図である。図２は、本実施の形態の電子デバイスにおける概略平面図である。図３〜図５は、本実施の形態の電子デバイスにおけるナノワイヤセンサー素子,ナノワイヤ増幅素子およびナノワイヤ抵抗素子の構造を説明するための概略図である。
【００５４】
図１に示すように、本電子デバイス１は、ナノワイヤセンサー２とナノワイヤセンサー２の出力を増幅する機能を有するナノワイヤ回路３とで構成されている。さらに、上記ナノワイヤセンサー２は、ナノワイヤセンサー素子４を含んでいる。また、ナノワイヤ回路３は、ナノワイヤ増幅素子５,ナノワイヤ抵抗素子６およびナノワイヤ抵抗素子７を含んでいる。
【００５５】
上記ナノワイヤセンサー素子４,ナノワイヤ増幅素子５,ナノワイヤ抵抗素子６およびナノワイヤ抵抗素子７は、図２に示すように基板８上に横倒しで配置されている。そして、基板８上には、端子９〜端子１１が形成されている。また、基板８上には配線１２が形成されており、各端子９〜１１と各素子との間および各素子間を電気的に接続している。
【００５６】
上記ナノワイヤセンサー素子(受光素子であるフォトダイオード)４は、図３に示すように、長手方向にＮ型半導体領域１３,Ｉ型半導体領域１４およびＰ型半導体領域１５がこの順に接続されてフォトダイオードを構成している。
【００５７】
上記ナノワイヤ増幅素子(バイポーラトランジスタ)５は、図４に示すように、長手方向にコレクタとしてのＮ型半導体領域１６、ベースとしてのＰ型半導体領域１７、および、エミッタとしてのＮ型半導体領域１８が、この順に接続されてバイポーラトランジスタを構成している。
【００５８】
上記ナノワイヤ抵抗素子６およびナノワイヤ抵抗素子７は、図５に示すように、一様な抵抗体あるいは半導体からなるナノワイヤ１９およびナノワイヤ２０で構成され、抵抗を構成している。
【００５９】
上記ナノワイヤセンサー素子４とナノワイヤ抵抗素子６とは、高電位が与えられる端子９と低電位が与えられる端子１１との間に直列に接続されている。そして、ナノワイヤセンサー素子４の出力は、ナノワイヤ増幅素子５のＰ型半導体領域(ベース)１７に入力される。ナノワイヤ増幅素子５とナノワイヤ抵抗素子７とは、高電位が与えられる端子９と低電位が与えられる端子１１との間に直列に接続されている。そして、ナノワイヤ増幅素子５の出力は、出力端子となる端子１０に伝えられる。
【００６０】
本実施の形態においては、上記ナノワイヤ増幅素子５,ナノワイヤ抵抗素子６およびナノワイヤ抵抗素子７でナノワイヤ回路３を構成しており、ナノワイヤセンサー素子４で構成されるナノワイヤセンサー２の出力を増幅する機能を有している。
【００６１】
上記構成において、上記ナノワイヤセンサー２の周囲が暗闇の場合、すなわち、上記ナノワイヤセンサー素子４に光が入射しない場合には、ナノワイヤセンサー素子４には電流が流れないためナノワイヤセンサー２の出力は低電位であり、端子(出力端子)１０は低電位となる。一方、ナノワイヤセンサー２の周囲が明るい場合、すなわち、ナノワイヤセンサー素子４に光が入射する場合には、ナノワイヤセンサー素子４に電流が流れるためナノワイヤセンサー２の出力は明るさに応じて電位が上昇し、端子(出力端子)１０の電位も上昇する。
【００６２】
上記ナノワイヤ回路３は、ナノワイヤセンサー２の出力を増幅することができ、ナノワイヤセンサー２の出力に応じてスイッチング動作することもできる。そして、ナノワイヤ回路３を増幅動作させた場合には、ナノワイヤセンサー２付近の明るさを定量的に測定することができる。一方、ナノワイヤ回路３をスイッチング動作させた場合は、ナノワイヤセンサー２の付近の明るさが閾値を超えたか否かに応じてスイッチング動作を行うことができる。
【００６３】
上述したように、上記ナノワイヤセンサー素子４はフォトダイオードであり、例えば、シリコン,ゲルマニウム,ＩnＧaＡsおよび硫化鉛等を用いることができる。尚、材料の選択は、受光対象の光を吸収できるものから行う。ナノワイヤセンサー素子４の構造は、図３に示すように、Ｎ型半導体領域１３とＰ型半導体領域１５との間にＩ型半導体領域(真性領域)１４を設けることが、感度が上がるため好ましい。また、Ｎ型半導体領域１３とＰ型半導体領域１５とを、Ｉ型半導体領域(真性領域)１４を介さずに直接接合させて形成していても良い。
【００６４】
上記ナノワイヤセンサー素子４のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、ナノワイヤセンサー素子４のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な受光感度が得られ、且つ通常のフォトダイオードに比べて極めて小さい、直径が１０ｎｍ〜５００ｎｍ、長さが１００ｎｍ〜５０μｍである。
【００６５】
上記ナノワイヤ増幅素子５は上述のごとくバイポーラトランジスタであり、例えば、シリコン,ＧaＡs,ＧaＮ等を用いることができる。尚、ナノワイヤ増幅素子５のサイズは、ナノワイヤセンサー素子４のサイズと同程度である。また、ナノワイヤ増幅素子５の構造は、図４に示すように、長手方向にＮ型半導体領域(コレクタ)１６,Ｐ型半導体領域(ベース)１７およびＮ型半導体領域(エミッタ)１８が、この順に接続されている。
【００６６】
上記ナノワイヤ抵抗素子６は、図５に示すように、均一の材質からなるナノワイヤ１９で構成される。ナノワイヤ１９は、例えば、シリコン,ゲルマニウムおよびカーボンナノチューブのような半導体,酸化金属および金属を用いることができる。ここで、ナノワイヤ１９の材料として半導体を選んだ場合には、導電型を与える不純物濃度を変えることによって、抵抗率を調節することができる。無論、ナノワイヤ１９の直径と長さによって、適切な抵抗値を選択することも可能である。ナノワイヤ抵抗素子７は、ナノワイヤ抵抗素子６と同様の構造の抵抗値を適宜調節すればよい。
【００６７】
上記ナノワイヤ抵抗素子６およびナノワイヤ抵抗素子７のサイズは、抵抗率を調節することによって、ナノワイヤセンサー素子４やナノワイヤ増幅素子５と同程度にすることができる。
【００６８】
上記基板８としては、ガラスおよび樹脂等の絶縁性基板を用いることができる。あるいは、基板８として、絶縁膜をコーティングした金属や半導体を用いても良い。
【００６９】
上記基板８上に形成される端子９〜端子１１および配線１２としては、金,銀,銅,アルミニウム,タングステンおよび導電性を与える不純物を高濃度にドープしたポリシリコンなどの半導体を用いることができる。
【００７０】
本実施の形態における電子デバイス１は、非常に微細なナノワイヤ素子からなるナノワイヤセンサー素子４を含むナノワイヤセンサー２の出力を、非常に微細なナノワイヤ素子からなるナノワイヤ増幅素子５およびナノワイヤ抵抗素子６,７を含むナノワイヤ回路３で直接受けている。そのために、出力を増幅するためのナノワイヤ増幅素子５やナノワイヤセンサー素子４からナノワイヤ増幅素子５までの配線１２が有する寄生容量を非常に小さくすることができる。したがって、出力が微弱なナノワイヤセンサー素子４を備えていても、電子デバイス１を高速に動作させることができる。
【００７１】
さらに、動作速度や動作精度を確保するために出力の増幅を行う場合に、高性能で非常に高価な増幅装置を用いる必要がない。したがって、低コストの電子デバイス１を提供することができる。
【００７２】
また、本実施の形態の電子デバイス１においては、上記ナノワイヤセンサー素子４は、周囲の明るさに応じて出力が変化するナノワイヤからなる受光素子である。このように、ナノワイヤセンサー素子４として受光素子を用いた場合には、非常に微小な領域や空間の明るさを検知することができる。
【００７３】
また、本実施の形態のごとく、上記ナノワイヤセンサー２を構成するナノワイヤセンサー素子４と、ナノワイヤ回路３を構成するナノワイヤ増幅素子５およびナノワイヤ抵抗素子６,７とを、同一基板上に配置するのが好ましい。これにより、ナノワイヤセンサー２およびナノワイヤ回路３を構成する微細なナノワイヤ素子を微細な領域に配置することが可能になり、電子デバイス１をさらに微細化することが可能になる。
【００７４】
また、本実施の形態のように、上記ナノワイヤセンサー素子４は、第１導電型の半導体と第２導電型の半導体との接合を有する半導体素子であることが好ましい。
【００７５】
上記ナノワイヤセンサー素子４がこのような構成である場合には、ナノワイヤセンサー素子４の周囲が明るい場合と暗い場合とにナノワイヤセンサー素子４を流れる電流値の比を大きくすることができるので好ましい。すなわち、ナノワイヤセンサー素子４のダイナミックレンジを大きくすることができるのである。特に、ナノワイヤセンサー素子４の周囲が暗い場合にナノワイヤセンサー素子４を流れる電流値(暗電流)を極めて小さくすることができる。したがって、例えば、本実施の形態の電子デバイス１の場合には、微細なナノワイヤ抵抗素子６の抵抗値を高くすることができるので、電子デバイス１を低消費電力化することが可能になる。
【００７６】
また、上記ナノワイヤ回路３が、上記ナノワイヤセンサー２におけるナノワイヤセンサー素子４の出力を直接入力して増幅する場合には、ナノワイヤセンサー素子４付近の明るさを定量的に測定することができる。一方、ナノワイヤ回路３が、ナノワイヤセンサー素子４の出力を直接入力してスイッチング動作する場合には、ナノワイヤセンサー素子４付近の明るさが閾値を超えたか否かに応じて(つまり、ナノワイヤセンサー素子４の出力値が予め設定された設定値を超えたか否かに応じて)、予め設定された設定電圧を超える出力電圧(第１の出力状態)と上記設定電圧以下の出力電圧(第２の出力状態)とに切り換えるスイッチング動作を行うことができる。
【００７７】
・第２実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態における電子デバイス１の場合と同様に、周囲の状態に応じて外部に出力を行うセンサーとしての機能を有するナノワイヤセンサー素子と、上記出力を直接入力するナノワイヤ回路とを備えている。
【００７８】
図６は、本実施の形態の電子デバイスの回路図である。図７は、本実施の形態の電子デバイスにおける概略平面図である。図８および図９は、本実施の形態の電子デバイスにおけるナノワイヤセンサー素子およびナノワイヤ増幅素子の構造を説明するための概略図である。
【００７９】
図６に示すように、本電子デバイス２１は、ナノワイヤセンサー２２と、ナノワイヤセンサー２２の出力を増幅する機能を有するナノワイヤ回路２３とで構成されている。さらに、ナノワイヤセンサー２２は、ナノワイヤセンサー素子２４を含んでいる。また、ナノワイヤ回路２３は、ナノワイヤ増幅素子２５,ナノワイヤ抵抗素子２６およびナノワイヤ抵抗素子２７を含んでいる。
【００８０】
上記ナノワイヤセンサー素子２４,ナノワイヤ増幅素子２５,ナノワイヤ抵抗素子２６およびナノワイヤ抵抗素子２７は、図７に示すように、基板２８上に横倒しで配置されている。そして、基板２８上には、端子２９〜端子３１が形成されている。また、基板２８上には配線３２が形成されており、各端子２９〜３１と各素子との間および各素子間を電気的に接続している。
【００８１】
上記ナノワイヤセンサー素子(受光素子であるフォトトランジスタ)２４は、図８に示すように、長手方向にＮ型半導体領域３３,Ｐ型半導体領域３４およびＮ型半導体領域３５がこの順に接続されてフォトトランジスタを構成している。
【００８２】
上記ナノワイヤ増幅素子(Ｎ型の電界効果トランジスタ)２５は、図９に示すように、長手方向に、ソース領域あるいはドレイン領域となるＮ型半導体領域３６と、チャネル領域となるＰ型半導体領域３７と、ドレイン領域あるいはソース領域となるＮ型半導体領域３８とが、この順に接続されている。そして、チャネル領域となるＰ型半導体領域３７は、ゲート絶縁膜となるインナーシェル３９およびゲート電極となるアウターシェル４０で覆われている。
【００８３】
上記ナノワイヤ抵抗素子２６およびナノワイヤ抵抗素子２７は、一様な抵抗体あるいは半導体からなるナノワイヤ４１およびナノワイヤ４２で構成され、抵抗を構成している。
【００８４】
上記ナノワイヤセンサー素子２４とナノワイヤ抵抗素子２６とは、高電位が与えられる端子２９と低電位が与えられる端子３１との間に直列に接続されている。そして、ナノワイヤセンサー素子２４の出力は、ナノワイヤ増幅素子２５のゲート電極(アウターシェル４０)に入力される。さらに、ナノワイヤ増幅素子２５とナノワイヤ抵抗素子２７とは、高電位が与えられる端子２９と低電位が与えられる端子３１との間に直列に接続されている。そして、ナノワイヤ増幅素子２５の出力は、端子(出力端子)３０に伝えられる。
【００８５】
本実施の形態においては、上記ナノワイヤ増幅素子２５およびナノワイヤ抵抗素子２６,２７でナノワイヤ回路２３を構成しており、ナノワイヤセンサー２２の出力を増幅する機能を有している。
【００８６】
上記構成において、上記ナノワイヤセンサー２２の周囲が暗闇の場合、すなわち、ナノワイヤセンサー素子２４に光が入射されない場合には、ナノワイヤセンサー素子２４には電流が流れないためナノワイヤセンサー２２の出力は低電位であって、出力端子３０は低電位となる。一方、ナノワイヤセンサー２２の周囲が明るい場合、すなわち、ナノワイヤセンサー素子２４に光が入射される場合には、ナノワイヤセンサー素子２４には電流が流れるためナノワイヤセンサー２２の出力は明るさに応じて電位が上昇し、出力端子３０の電位も上昇する。
【００８７】
上記ナノワイヤセンサー素子２４はフォトトランジスタであり、例えば、シリコン,ゲルマニウム,ＩnＧaＡsおよび硫化鉛を用いることができる。材料の選択は、受光対象の光を吸収できるものから行う。フォトトランジスタであるナノワイヤセンサー素子２４は、それ自身が増幅作用を有するため、上記第１実施の形態の場合のごとくフォトダイオードで構成した場合に比べて、遥かに感度が高いという利点を有している。
【００８８】
また、上記ナノワイヤセンサー素子２４のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであって、長さが１０μｍである。しかしながら、ナノワイヤセンサー素子４のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な受光感度が得られ、且つ通常のフォトダイオードに比べて極めて小さい、直径が１０ｎｍ〜５００ｎｍ、長さが１００ｎｍ〜５０μｍである。
【００８９】
上記ナノワイヤ増幅素子２５はＮ型の電界効果トランジスタであり、例えば、シリコン,ＧaＡsおよびＧaＮを用いることができる。また、ナノワイヤ増幅素子２５のサイズは、上記ナノワイヤセンサー素子２４のサイズと同程度である。
【００９０】
上記ナノワイヤ抵抗素子２６およびナノワイヤ抵抗素子２７は、上記第１実施の形態の場合におけるナノワイヤ抵抗素子６,７と同様の構造であればよく、抵抗値を適宜調節すればよい。また、ナノワイヤ抵抗素子２６,２７のサイズは、抵抗率を調節することによって、上記第１実施の形態の場合におけるナノワイヤセンサー素子４やナノワイヤ増幅素子５と同程度とすることができる。
【００９１】
上記基板２８,端子２９〜３１および配線３２は、夫々上記第１実施の形態の場合における基板８,端子９〜１１および配線１２と同様の構造であればよい。
【００９２】
・第３実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態における電子デバイス１の場合と同様に、周囲の状態に応じて外部に出力を行うセンサーとしての機能を有するナノワイヤセンサー素子と、上記出力を直接入力するナノワイヤ回路とを備えている。さらに、本実施の形態の電子デバイスは、ナノワイヤ発光部を備えており、上記ナノワイヤ回路は上記出力に応じて上記ナノワイヤ発光部を駆動する。
【００９３】
図１０は、本実施の形態の電子デバイスの回路図である。図１１および図１２は、本実施の形態の電子デバイスにおけるナノワイヤ増幅素子およびナノワイヤ発光素子の構造を説明するための概略図である。
【００９４】
図１０に示すように、本電子デバイス５１は、ナノワイヤセンサー５２とナノワイヤ回路５３とナノワイヤ発光部５４とで構成されている。さらに、上記ナノワイヤセンサー５２は、ナノワイヤセンサー素子(受光素子であるフォトトランジスタ)５５を含んでいる。また、ナノワイヤ回路５３は、２つのナノワイヤ増幅素子(Ｐ型の電界効果トランジスタ)５６およびナノワイヤ抵抗素子５７を含んでいる。また、ナノワイヤ発光部５４は、複数のナノワイヤ発光素子(発光ダイオード)５８を含んでいる。
【００９５】
上記ナノワイヤ増幅素子５６は、図１１に示すように、長手方向にソース領域あるいはドレイン領域となるＰ型半導体領域５９と、チャネル領域となるＮ型半導体領域６０と、ドレイン領域あるいはソース領域となるＰ型半導体領域６１とが、この順に接続されている。そして、チャネル領域となるＮ型半導体領域６０は、ゲート絶縁膜となるインナーシェル６２およびゲート電極となるアウターシェル６３で覆われている。
【００９６】
上記ナノワイヤ発光素子(発光ダイオード)５８は、図１２に示すように、Ｎ型の半導体コア６４をＰ型の半導体シェル６５で囲んで構成されており、その一端ではＮ型の半導体コア６４が露出している。
【００９７】
上記ナノワイヤセンサー素子５５とナノワイヤ抵抗素子５７とは、電源端子(Ｖcc)と接地端子(ＧＮＤ)および出力端子６６との間に直列に接続されている。そして、ナノワイヤセンサー素子５５の出力は、Ｐ型電界トランジスタであるナノワイヤ増幅素子５６のゲート電極(アウターシェル６３)に入力される。ナノワイヤ増幅素子５６のソースとドレインは、夫々電源端子(Ｖcc)と出力端子６７に接続されている。
【００９８】
本実施の形態においては、上記２つのナノワイヤ増幅素子５６およびナノワイヤ抵抗素子５７でナノワイヤ回路５３を構成しており、ナノワイヤセンサー５２の出力を反転増幅あるいはスイッチングする機能を有している。
【００９９】
一方、上記ナノワイヤ発光部５４を構成する複数のナノワイヤ発光素子５８は、アノード(Ｐ型の半導体シェル６５)が入力端子６８に接続され、カソード(Ｎ型の半導体コア６４)が入力端子６９に接続されている。そして、ナノワイヤ発光部５４の入力端子６８,６９は、夫々ナノワイヤ回路５３の出力端子６７,６６に接続されている。尚、ナノワイヤ発光部５４を構成するナノワイヤ発光素子５８は１つであっても差し支えない。
【０１００】
上記構成において、上記ナノワイヤセンサー５２の周囲が暗闇の場合、すなわち、ナノワイヤセンサー素子５５に光が入射しない場合には、ナノワイヤセンサー素子５５には電流が流れないためナノワイヤセンサー５２の出力は低電位であって、出力端子６７はナノワイヤ発光素子５８のオン電圧以上の高電位となる。一方、ナノワイヤセンサー５２の周囲が明るい場合、すなわち、ナノワイヤセンサー素子５５に光が入射する場合には、ナノワイヤセンサー素子５５に電流が流れるためナノワイヤセンサー５２の出力は周囲の明るさに応じて電位が上昇し、出力端子６７の電位は逆に上記オン電圧を下回る電位に低下する。
【０１０１】
したがって、上記ナノワイヤセンサー５２の周囲が暗闇の場合、あるいは、上記周囲の光量が予め設定された設定光量よりも少ないため、出力端子６７の出力電位がナノワイヤ発光素子５８のオン電圧以上の高電位となる場合には、ナノワイヤ発光部５４のナノワイヤ発光素子５８を点灯させることができる。これに対し、ナノワイヤセンサー５２周囲の光量が上記設定光量以上であるため、出力端子６７の出力電位がナノワイヤ発光素子５８のオン電圧を下回る低電位となる場合には、ナノワイヤ発光部５４のナノワイヤ発光素子５８を消灯させることができる。
【０１０２】
尚、上記ナノワイヤ増幅素子５６の数は、負荷であるナノワイヤ発光部５４を十分に駆動できるよう設定する。
【０１０３】
また、本実施の形態においては、上記ナノワイヤセンサー素子５５,ナノワイヤ増幅素子５６,ナノワイヤ抵抗素子５７およびナノワイヤ発光素子５８は、何れも非常に微細なナノワイヤ素子で構成されているため、非常に微小な領域や空間に設置することが可能である。
【０１０４】
また、上記ナノワイヤ発光素子５８を複数備えることによって、ナノワイヤ発光部５４を照明デバイスとして機能させることができる。例えば、図１２に示すような２層構造を有し、ＧaＮからなる直径が５００ｎｍで長さが２０μｍのナノワイヤ発光素子５８を１０万本備えて、ナノワイヤ発光部５４を構成した場合には、約５００ルーメンで発光させることができ、小さな部屋を照らすことが可能になる。無論、微小な空間を照明する場合は、より少ないナノワイヤ発光素子５８で足りる。
【０１０５】
ここで、上記ナノワイヤセンサー素子５５は、上記第２実施の形態の場合におけるナノワイヤセンサー素子２４と同様の構造である。
【０１０６】
また、上記ナノワイヤ増幅素子５６は上述したようにＰ型の電界効果トランジスタであり、例えば、シリコン,ＧaＡsおよびＧaＮ等を用いることができる。ナノワイヤ増幅素子５６のサイズは、ナノワイヤセンサー素子５５のサイズと同程度にすることができる。
【０１０７】
上記ナノワイヤ抵抗素子５７は、上記第２実施の形態の場合におけるナノワイヤ抵抗素子２６と同様の構造であり、抵抗値を適宜調節すればよい。
【０１０８】
上記ナノワイヤ発光素子５８は、ＧaＡsＰ系,ＧaＰ系,ＧaＡlＡs系,ＡlＧaＩnＰ系およびＩnＧaＮ系等を用いることができる。図１２では、ナノワイヤ発光素子５８をＮ型の半導体コア６４とＰ型の半導体シェル６５との２層構造としているが、高効率発光化のために多層構造を有していても良い。例えば、ＩnＧaＮ系を用いる場合には、Ｎ型の半導体コア,ＩnＧaＮ活性層シェルおよびＰ型の半導体シェルをこの順に積層したものを用いることができる。さらには、活性層を複数積層した多重量子井戸構造としてもよい。
【０１０９】
上記ナノワイヤ発光素子５８は、その側面が発光するため、そのサイズに比して発光強度を強くすることが可能である。
【０１１０】
上記ナノワイヤ発光素子５８のサイズは、例えば、直径が５００ｎｍであり、長さが２０μｍである。しかしながら、ナノワイヤ発光素子５８のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な光量が得られ、且つ通常のＬＥＤチップに比べて極めて小さい、直径が１００ｎｍ〜５００ｎｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【０１１１】
以上のごとく、本実施の形態の電子デバイス５１は、非常に微細な受光素子であるナノワイヤセンサー素子５５を含むナノワイヤセンサー５２の出力を、非常に微細なナノワイヤ素子であるナノワイヤ増幅素子５６およびナノワイヤ抵抗素子５７を含むナノワイヤ回路５３で直接受けており、ナノワイヤ回路５３は上記出力に応答して非常に微細なナノワイヤ素子であるナノワイヤ発光素子５８を含むナノワイヤ発光部５４を駆動するものである。
【０１１２】
これにより、上記ナノワイヤセンサー素子５５付近の明るさに応じてナノワイヤ発光素子５８を制御することが可能になる。また、ナノワイヤセンサー素子５５を非常に微小な空間に設置できるため、ナノワイヤセンサー５２の設置場所の自由度が大きくなって応用範囲が広くなる。さらには、上述のようなナノワイヤセンサー５２付きのナノワイヤ発光部５４を備えた電子デバイス５１を低コストで提供することができる。
【０１１３】
また、上記複数のナノワイヤ発光素子５８で、照明デバイスを構成することが可能である。その場合には、ナノワイヤセンサー５２付きの照明デバイスの設置の自由度が広がると共に、ナノワイヤセンサー５２付きの照明デバイスを低コストで提供することが可能になる。
【０１１４】
・第４実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態における電子デバイス１の場合と同様に、周囲の状態に応じて外部に出力を行うセンサーとしての機能を有するナノワイヤセンサー素子と、上記出力を直接入力するナノワイヤ回路とを備えている。さらに、本実施の形態の電子デバイスは、ナノワイヤ発光素子を備えており、上記ナノワイヤ回路は上記出力に応じて上記ナノワイヤ発光素子を駆動する。また、上記ナノワイヤセンサー素子は、上記ナノワイヤ発光素子が放出する光を受光して、上記ナノワイヤ回路を介して上記ナノワイヤ発光素子にフィードバックする。
【０１１５】
図１３は、本実施の形態の電子デバイスの回路図である。図１３に示すように、本電子デバイス７１は、ナノワイヤセンサー７２とナノワイヤ回路７３とナノワイヤ発光部７４とで構成されている。さらに、ナノワイヤセンサー７２は、ナノワイヤセンサー素子(受光素子であるフォトトランジスタ)７５を含んでいる。また、ナノワイヤ回路７３は、ナノワイヤ制御回路７６を含んでいる。また、ナノワイヤ発光部７４は、複数のナノワイヤ発光素子(発光ダイオード)７７を含んでいる。
【０１１６】
上記ナノワイヤセンサー素子７５の出力は、ナノワイヤ制御回路７６の入力部(Ｖin)に入力される。また、ナノワイヤ制御回路７６の出力部(Ｉout)は出力端子７８に接続されている。電源端子(Ｖcc)は、ナノワイヤセンサー素子７５およびナノワイヤ制御回路７６に電圧を供給する。接地端子(ＧＮＤ)は、ナノワイヤ制御回路７６に接続されると共に、出力端子７９に接続されている。
【０１１７】
一方、上記ナノワイヤ発光部７４を構成する複数のナノワイヤ発光素子７７は、並列に接続されており、アノードが入力端子８０に接続されて、カソードが入力端子８１に接続されている。そして、ナノワイヤ発光部７４の入力端子８０,８１は、夫々ナノワイヤ回路７３の出力端子７８,７９に接続されている。尚、ナノワイヤ発光部７４を構成するナノワイヤ発光素子７７は１つであっても差し支えない。
【０１１８】
上記ナノワイヤ発光部７４は、ナノワイヤ発光素子７７が放出した光がナノワイヤセンサー素子７５で受光されるように、ナノワイヤセンサー７２と対向して設置されている。
【０１１９】
上記ナノワイヤ制御回路７６は、ナノワイヤ増幅素子,ナノワイヤ抵抗素子およびナノワイヤコンデンサ素子等を組み合わせて構成されている。そして、ナノワイヤ制御回路７６は、ナノワイヤセンサー素子７５の出力に応じて、ナノワイヤ発光部７４に出力する電流値を制御するフィードバック動作を行う。
【０１２０】
上記構成によれば、上記ナノワイヤセンサー素子７５は、ナノワイヤ発光素子７７が放出する光を受光して、ナノワイヤ回路７３のナノワイヤ制御回路７６を介してナノワイヤ発光素子７７にフィードバックすることができる。例えば、ナノワイヤ制御回路７６により、ナノワイヤセンサー素子７５の受光量が略一定になるようにナノワイヤ発光素子７７をフィードバック制御することによって、ナノワイヤ発光部７４が発生する光量が電源電圧の変動や本電子デバイス７１の経時変化や本電子デバイス７１のデバイス特性のばらつき等で変化する場合であっても、ナノワイヤ発光部７４の光量を一定に保つことができるのである。
【０１２１】
さらには、例えば、自発光表示装置において、画素毎に本電子デバイス７１を配置しておけば、画素毎の明るさのばらつきを自動的に校正することが可能になる。
【０１２２】
ここで、上記ナノワイヤセンサー素子７５としては、上記第２実施の形態におけるナノワイヤセンサー素子２４と同様のものを用いることができる。さらに、ナノワイヤ発光素子７７は、上記第３実施の形態におけるナノワイヤ発光素子５８と同様のものを用いることができる。
【０１２３】
本実施の形態における電子デバイス７１は、上記ナノワイヤ発光素子７７が放出する光をナノワイヤセンサー素子７５で受光して、ナノワイヤ回路７３のナノワイヤ制御回路７６を介してナノワイヤ発光素子７７にフィードバックようになっている。こうすることにより、ナノワイヤ発光部７４の光量を一定に制御することが可能になる。また、ナノワイヤセンサー７２を非常に微小な空間に設置できるため、ナノワイヤセンサー７２の設置場所の自由度が大きくなって応用範囲が広くなる。さらには、ナノワイヤセンサー７２付きナノワイヤ発光部７４を備えた電子デバイス７１を、低コストで提供することができる。
【０１２４】
・第５実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態における電子デバイス１の場合と同様に、周囲の状態に応じて外部に出力を行うセンサーとしての機能を有するナノワイヤセンサー素子と、上記出力を直接入力するナノワイヤ回路とを備えている。
【０１２５】
図１４は、本実施の形態の電子デバイスの回路図である。図１５は、本実施の形態の電子デバイスにおけるナノワイヤセンサー素子の構造を説明する概略図である。
【０１２６】
図１４に示すように、本電子デバイス９１は、ナノワイヤセンサー９２とナノワイヤ回路９３とで構成されている。さらに、ナノワイヤセンサー９２は、ナノワイヤセンサー素子(特定のガスを検知する可変抵抗器)９４を含んでいる。また、ナノワイヤ回路７３は、ナノワイヤ制御回路９５を含んでいる。
【０１２７】
上記ナノワイヤセンサー素子９４の出力は、ナノワイヤ制御回路９５の入力部(Ｖin)に入力される。また、ナノワイヤ制御回路９５の出力部(Ｖout)は出力端子９６に接続されている。電源端子(Ｖcc)は、ナノワイヤセンサー素子９４およびナノワイヤ制御回路９５に電圧を供給する。接地端子(ＧＮＤ)はナノワイヤ制御回路９５に接続される。
【０１２８】
上記ナノワイヤ制御回路９５は、ナノワイヤ増幅素子,ナノワイヤ抵抗素子およびナノワイヤコンデンサ素子等を組み合わせて構成されている。そして、ナノワイヤ制御回路９５は、ナノワイヤセンサー素子９４の出力に応じて、ナノワイヤセンサー素子９４によって検出された特定のガスの有無や濃度を、出力端子９６に出力する。
【０１２９】
上記ナノワイヤセンサー素子９４は、図１５に示すように、金属や金属酸化物からなるナノワイヤ９７で構成され、ナノワイヤ９７の電気抵抗がガスの吸着により変化することを利用して上記特定のガスを検知する。例えば、水素を検知する場合には、ナノワイヤ９７としてパラジウムナノワイヤを用いることができる。また、エタノール等の有機ガスを検知する場合には、ＺnＯナノワイヤやＳeナノワイヤを用いることができる。
【０１３０】
尚、上記ナノワイヤ制御回路９５を構成する上記ナノワイヤ増幅素子のサイズは、ナノワイヤセンサー素子９４のサイズと同程度とする。
【０１３１】
上述のように、本実施の形態における電子デバイス９１は、ガスセンサーとして機能する微細なナノワイヤセンサー素子９４と、ナノワイヤセンサー素子９４からの出力を直接入力する微細なナノワイヤ制御回路９５とを備えている。したがって、小型であって特定のガスに対して高感度であり、且つ低コストな電子デバイス９１を提供することができるのである。
【０１３２】
・第６実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態における電子デバイス１の場合と同様に、周囲の状態に応じて外部に出力を行うセンサーとしての機能を有するナノワイヤセンサー素子と、上記出力を直接入力するナノワイヤ回路とを備えている。
【０１３３】
図１６は、本実施の形態の電子デバイスの回路図である。図１７は、本実施の形態の電子デバイスにおけるナノワイヤセンサー素子の構造を説明する概略図である。
【０１３４】
図１６に示すように、本電子デバイス１０１は、ナノワイヤセンサー１０２とナノワイヤ回路１０３とで構成されている。さらに、ナノワイヤセンサー１０２は、ナノワイヤセンサー素子(特定の蛋白質または核酸を検知する電界効果トランジスタ)１０４を含んでいる。また、ナノワイヤ回路１０３は、ナノワイヤ制御回路１０５を含んでいる。
【０１３５】
上記ナノワイヤセンサー素子１０４の出力は、上記ナノワイヤ制御回路１０５の入力部(Ｖin)に入力される。また、ナノワイヤ制御回路１０５の出力部(Ｖout)は出力端子１０６に接続されている。電源端子(Ｖcc)は、ナノワイヤセンサー素子１０４およびナノワイヤ制御回路１０５に電圧を供給し、接地端子(ＧＮＤ)はナノワイヤ制御回路１０５に接続される。
【０１３６】
上記ナノワイヤ制御回路１０５は、ナノワイヤ増幅素子,ナノワイヤ抵抗素子およびナノワイヤコンデンサ素子等を組み合わせて構成されている。そして、ナノワイヤ制御回路１０５は、ナノワイヤセンサー素子１０４の出力に応じて、ナノワイヤセンサー素子１０４によって検出された特定のタンパク質または核酸の有無や濃度を、出力端子１０６に出力する。
【０１３７】
上記ナノワイヤセンサー素子１０４は電界効果トランジスタであり、例えばシリコンを用いることができる。ナノワイヤセンサー素子１０４の構造は、図１７に示すように、長手方向に、ソース領域あるいはドレイン領域となるＮ型半導体領域１０７と、チャネル領域となるＰ型半導体領域１０８と、ドレイン領域あるいはソース領域となるＮ型半導体領域１０９とが、この順に接続されている。
【０１３８】
上記チャネル領域となるＰ型半導体領域１０８は、ゲート絶縁膜１１０により覆われている。さらに、ゲート絶縁膜１１０には、特定の蛋白質あるいは核酸と結合する抗体１１１が結びつけられている。ナノワイヤセンサー素子１０４には、電気的に電位を与えるゲート電極は存在せず、抗体１１１がその役割を果たす。すなわち、抗体１１１に特定の蛋白質あるいは核酸が結合すると、抗体１１１からゲート絶縁膜１１０上に電荷が移動し、ナノワイヤセンサー素子１０４に流れる電流が変化するのである。
【０１３９】
上述のように、本実施の形態における電子デバイス１０１は、上記蛋白質あるいは核酸センサーとして機能する微細なナノワイヤセンサー素子１０４と、ナノワイヤセンサー素子１０４からの出力を直接入力する微細なナノワイヤ制御回路１０５とを備えている。したがって、小型であって特定の蛋白質あるいは核酸に対して高感度であり、且つ低コストな電子デバイス１０１を提供することができるのである。
【０１４０】
・第７実施の形態
本実施の形態は、上記第１実施の形態〜上記第６実施の形態における電子デバイス１〜電子デバイス１０１の製造方法における各電子デバイスに共通する製造方法に関する。
【０１４１】
（１）電子デバイスの製造手順
先ず、上記第１実施の形態〜上記第６実施の形態における電子デバイス１〜電子デバイス１０１を製造する手順を説明する。
【０１４２】
上記第１実施の形態〜上記第６実施の形態における電子デバイス１〜電子デバイス１０１は、何れもナノワイヤ素子が基板上に配置され、さらに配線されることによって製造される。より具体的には、ナノワイヤ素子を基板上で多数形成した後、それらのナノワイヤ素子を上記基板から切り離す。次に、切り離されたナノワイヤ素子を上記基板とは別の本来の基板上の所定の位置に配列し、配線するのである。
【０１４３】
以下に、上記ナノワイヤ素子の形成方法と、上記ナノワイヤ素子の基板上への配列方法とについて、詳細に説明する。
【０１４４】
（２）ナノワイヤ素子の形成方法
ここでは、ナノワイヤ素子の形成方法について、３通りの方法を説明する。
【０１４５】
第１の方法
上記ナノワイヤ素子の形成方法のうちの第１の方法として、上記第１実施の形態におけるナノワイヤセンサー素子(フォトダイオード)４の形成方法を例に挙げて説明する。
【０１４６】
上記ナノワイヤセンサー素子４は、ＰＩＮ構造を有しており、シリコンからなるものとする。尚、上記第２〜第４実施の形態におけるナノワイヤセンサー素子(フォトトランジスタ)２４,５５,７５、および、上記第１実施の形態におけるナノワイヤ増幅素子(バイポーラトランジスタ)５も、適切な材料を用いて適切な不純物プロファイルを形成することにより、同様の方法で形成することができる。また、上記第５実施の形態におけるナノワイヤセンサー素子(可変抵抗器)９４、および、上記第１〜第３実施の形態におけるナノワイヤ抵抗素子６,７,２６,２７,５７は、ＰＮ接合を有していないが、棒状素子全体に渡って一様な不純物プロファイルを与えるなどすれば、やはり同様な方法で形成することができる。
【０１４７】
先ず、図１８に示すように、シリコン基板１２１を準備する。
【０１４８】
次に、図１９に示すように、開口部が設けられたシリコン酸化膜１２２をシリコン基板１２１上に形成する。具体的には、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によって、シリコン基板１２１上に例えば１００ｎｍの厚さでシリコン酸化膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィ工程によって、上記シリコン酸化膜に、例えば２００ｎｍの大きさの開口部をパターニングしてシリコン基板１２１表面の一部を露出させて、シリコン酸化膜１２２を形成する。
【０１４９】
次に、図２０に示すように、金からなる金属触媒粒１２３を、シリコン酸化膜１２２の開口部であってシリコン基板１２１が露出している部分に形成する。具体的には、パターニングされたシリコン酸化膜１２２が形成されたシリコン基板１２１上の全面に、例えば厚さ３ｎｍの金をスパッタにより成膜し、９００℃程度でアニールすることによって金を凝集させればよい。
【０１５０】
次に、図２１に示すように、上記シリコン酸化膜１２２の開口部から露出しているシリコン基板１２１上に、ＣＶＤ装置を用いて、例えば３μｍの長さにｐ型シリコンをＶＬＳ(Vapor Liquid Solid)成長させてＰ型半導体領域１２４を形成する。成長温度は８００℃程度であり、成長ガスとしてシランを用い、キャリアガスとして水素を用い、導電性を与える不純物を含むガスとしてジボランを用いる。
【０１５１】
次に、図２２に示すように、上記導電性を与える不純物を含むガス(ジボラン)の供給を停止してさらに成長を続け、例えば３μｍの長さに無ドープ(イントリンシック)シリコンを成長させてＩ型半導体領域(真性領域)１２５を形成する。
【０１５２】
次に、図２３に示すように、上記導電性を与える不純物を含むガスとしてホスフィンを流してさらに成長を続け、例えば３μｍの長さにｎ型シリコンを成長させてＮ型半導体領域１２６を形成する。こうして、長さ方向にＰ型半導体領域１２４,Ｉ型半導体領域１２５およびＮ型半導体領域１２６が順に並んだシリコンワイヤが形成される。
【０１５３】
次に、図２４に示すように、上記シリコン酸化膜１２２および金属触媒粒１２３を夫々ウェットエッチングにより除去し、最後に、図２５に示すように、シリコン基板１２１とその表面上に形成された棒状の構造物とを水等の液体中に浸し、超音波を照射することによって、上記棒状の構造物をシリコン基板１２１から切り離す。こうしてシリコン基板１２１から切り離された個々の棒状の構造物は、上記第１実施の形態において、長手方向にＰ型半導体領域１３,Ｉ型半導体領域１４およびＮ型半導体領域１５がこの順で接続されてフォトダイオードの機能を有するナノワイヤセンサー素子４となる。
【０１５４】
第２の方法
上記ナノワイヤ素子の形成方法のうちの第２の方法として、上記第２実施の形態におけるナノワイヤ増幅素子(電界効果トランジスタ)２５の形成方法を例に挙げて説明する。
【０１５５】
上記ナノワイヤ増幅素子２５は、ＮＰＮ構造を有しており、シリコンからなるとする。尚、上記第３実施の形態におけるナノワイヤ増幅素子(ＰＮＰ型の電界効果トランジスタ)５６も、適切な材料を用いて適切な不純物プロファイルを形成することによって、同様の方法で形成することができる。また、上記第６実施の形態におけるナノワイヤセンサー素子(特定の蛋白質または核酸を検知する電界効果トランジスタ)１０４は、ゲート電極を形成する代わりに、ゲート絶縁膜に抗体を結びつける工程(機能化)を行うことによって、略同様の方法で形成することができる。
【０１５６】
先ず、図２６に示すように、シリコン基板１２７上に、根元側から長さ方向にＮ型半導体領域１２８,Ｐ型半導体領域１２９およびＮ型半導体領域１３０がこの順に接続されたシリコンワイヤを形成する。このシリコンワイヤは、上記第１の方法と同様にして形成すればよい。尚、シリコンワイヤの太さは、例えば２００ｎｍとし、長さは、例えば１０μｍとする。
【０１５７】
次に、図２７に示すように、上記Ｎ型半導体領域１２８,Ｐ型半導体領域１２９およびＮ型半導体領域１３０の表面に、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜１３１を、例えば１０ｎｍの厚さで形成する。シリコン酸化膜１３１は、ＣＶＤ法により形成するか、Ｎ型半導体領域１２８,Ｐ型半導体領域１２９およびＮ型半導体領域１３０の表面を熱酸化することによって形成することができる。次に、シリコン酸化膜１３１の表面に、ゲート電極となるＮ型に高濃度ドープしたポリシリコン膜１３２を、ＣＶＤ法によって形成する。ポリシリコン膜１３２の厚さは、例えば５０ｎｍとする。
【０１５８】
最後に、図２８に示すように、上記シリコン基板１２７とその表面上に形成した棒状の構造物を水等の液体中に浸し、超音波を照射することによって、上記棒状の構造物をシリコン基板１２７から切り離す。こうしてシリコン基板１２７から切り離された個々の棒状の構造物は、上記第２実施の形態において、長手方向にＮ型半導体領域３６とＰ型半導体領域３７とＮ型半導体領域３８とがこの順に接続されると共に、Ｐ型半導体領域３７がゲート絶縁膜となるインナーシェル３９およびゲート電極となるアウターシェル４０で覆われて電界効果トランジスタの機能を有するナノワイヤ増幅素子２５となる。
【０１５９】
ところで、図２８のナノワイヤ増幅素子２５は、Ｎ型半導体領域３６(１２８),３８(１３０)に対して配線をする必要があるので、図９に示すように、両端部においてゲート絶縁膜３９(１３１)およびゲート電極４０(１３２)を剥いておく必要がある。そのため、ナノワイヤ増幅素子２５の両端部の領域１３３および領域１３４において、シリコン酸化膜１３１およびポリシリコン膜１３２を除去しなければならない。そこで、この両端部の領域１３３,１３４の除去は、ナノワイヤ増幅素子２５を基板１２７とは別の本来の基板２８上の所定の位置に配列した後、配線を行う前に、適切なエッチングマスクを形成したうえでエッチングで除去することによって行うのである。
【０１６０】
第３の方法
上記ナノワイヤ素子の形成方法のうちの第３の方法として、上記第３実施の形態におけるナノワイヤ発光素子(発光ダイオード)５８の形成方法を例に挙げて説明する。尚、上記第４実施の形態におけるナノワイヤ発光素子(発光ダイオード)７７も同様の方法で形成することができる。
【０１６１】
上記ナノワイヤ発光素子(発光ダイオード)５８は、Ｎ型のＧaＮコア６４とＰ型のＧaＮシェル６５とを有し、Ｎ型のＧaＮコア６４とＰ型のＧaＮシェル６５との間には、ＩnＧaＮシェル(発光層)が形成されているものとする。
【０１６２】
このようなナノワイヤ発光素子は、上記第２の方法と類似している上記ＶＬＳ法とＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法とを組み合わせた方法で形成することもできるが、ここではエッチングとＭＯＣＶＤ法とを組み合わせた方法で形成する場合を例に説明する。
【０１６３】
先ず、図２９に示すように、サファイア基板１３５の表面上にｎ型ＧaＮ膜１３６を形成する。ｎ型ＧaＮ膜１３６は、ＭＯＣＶＤ装置で、例えば１０μｍの厚さで成膜する。
【０１６４】
次に、図３０に示すように、上記ｎ型ＧaＮ膜１３６にシリコン酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィ工程によってパターニングして、シリコン酸化膜からなるハードマスク１３７を形成する。上記シリコン酸化膜は、ＣＶＤ法によって、例えば１μｍの厚さで堆積する。また、シリコン酸化膜からなるハードマスク１３７は、例えば直径が５００ｎｍの円形,三角形,四角形あるいは六角形等に形成する。
【０１６５】
次に、図３１に示すように、上記シリコン酸化膜からなるハードマスク１３７をマスクとして、非等方的なドライエッチングによって、ｎ型ＧaＮ膜１３６をエッチングして、ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８を形成する。尚、ハードマスク１３７の断面形状を変えることによって、棒状の半導体１３８の断面形状を自由に変えることができる。したがって、例えば、ｎ型ＧaＮ膜１３６をその表面がｃ面になるように成長させれば、ハードマスク１３７の断面形状を三角形にすることによって、棒状の半導体１３８の全ての側面を非極性面(ａ面やｍ面)にすることができる。
【０１６６】
ここで、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８が形成されたサファイア基板１３５をアニール処理することが好ましい。その場合のアニール温度は、例えば７００℃〜９００℃以下である。これにより、ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の結晶欠陥を回復させて、結晶性を改善することができる。
【０１６７】
あるいは、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８が形成されたサファイア基板１３５を、例えば１５０℃の熱リン酸に浸して、上記エッチングによって生じた結晶欠陥層を選択的に除去することが好ましい。この場合も、ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の結晶欠陥を回復させて、結晶性を改善することができる。
【０１６８】
次に、図３２に示すように、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の側面および上面に、例えば２００ｎｍの厚さでｎ型ＧaＮ膜１３９を形成する。このｎ型ＧaＮ膜１３９は、棒状の半導体１３８と一体となってＮ型のＧaＮコア６４となる。
【０１６９】
このように、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の側面および上面に改めてｎ型ＧaＮ膜１３９を形成することによって、均一で結晶性のよいｎ型ＧaＮ結晶を表面に露出させることができる。特に、本第３の方法の手順では棒状の半導体１３８はエッチングによって形成されているためエッチングダメージを受けており、ｎ型ＧaＮ膜１３９を形成することによって半導体表面の結晶欠陥を減らす効果が大きい。
【０１７０】
その後、上記ｎ型ＧaＮ膜１３９の側面および上面に、例えば５ｎｍの厚さでＩnＧaＮ膜からなる発光層１４０を形成する。さらに、発光層１４０の側面および上面に、例えば１００ｎｍの厚さでｐ型ＧaＮ膜からなるＰ型半導体シェル１４１を形成する。
【０１７１】
図示しないが、この後、上記Ｐ型半導体シェル１４１上に、さらにミストＣＶＤ等によってＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明電極からなるシェルを形成することが好ましい。そうした場合には、動作時にＰ型半導体シェル１４１の電位が一様になって微細な棒状発光素子７１の発光効率を高くすることができる。
【０１７２】
最後に、図３３に示すように、上記サファイア基板１３５とその表面上に形成された棒状の構造物とを水等の液体中に浸し、超音波を照射することによって、上記棒状の構造物をサファイア基板１３５から切り離す。こうしてサファイア基板１３５から切り離された個々の棒状の構造物は、上記第３実施の形態において、Ｎ型のＧaＮコア６４とＰ型のＧaＮシェル６５とを備えて発光ダイオードの機能を有するナノワイヤ発光素子５８となる。
【０１７３】
ところで、図３３のナノワイヤ発光素子５８は、Ｎ型ＧaＮコア６４(１３８,１３９)に対して配線をする必要があるので、図１２に示すように、一方の端部においてＰ型ＧaＮシェル６５(１４１)を剥いておく必要がある。そのため、ナノワイヤ発光素子５８の領域１４２および領域１４３の何れか一方において、発光層１４０およびＰ型半導体シェル６５(１４１)を除去しなければならない。そこで、この領域１４２あるいは領域１４３の除去は、ナノワイヤ発光素子５８をサファイア基板１３５とは別の本来の基板上の所定の位置に配列した後、配線を行う前に、適切なエッチングマスクを形成したうえでエッチングで除去することによって行うのである。
【０１７４】
（３）ナノワイヤ素子の基板上への配置方法
以上説明したナノワイヤ素子の形成方法によって形成された種々のナノワイヤ素子は、基板上の所定の位置に配置された後、配線が行われる。以下では、上記第１実施の形態における電子デバイス１を形成する方法を挙げて説明する。
【０１７５】
先ず、図３４に示すように、表面に電極１４５〜１４９が形成されている基板８を準備する。ここで、電極１４５〜１４９は、フォトリソグラフィあるいは印刷技術によって形成することができる。尚、図３４では省略されているが、電極１４５〜１４９には外部から電位を与えられるように、パッドが形成されている。
【０１７６】
上記電極１４５と電極１４６、電極１４５と電極１４７、電極１４５と電極１４８、および、電極１４５と電極１４９は、夫々第１,第２,第３および第４の電極対を構成している。そして、第１の電極対(電極１４５と電極１４６)の部分は、ナノワイヤセンサー素子４が配置される位置を規定している。同様に、第２の電極対(電極１４５と電極１４７)の部分はナノワイヤ抵抗素子６が配置される位置を規定し、第３の電極対(電極１４５と電極１４８)の部分はナノワイヤ増幅素子５が配置される位置を規定し、第４の電極対(電極１４５と電極１４９)の部分はナノワイヤ抵抗素子７が配置される位置を規定している。
【０１７７】
次に、図３５および図３６に示すように、上記第２の電極対(電極１４５と電極１４７)の部分に、ナノワイヤ回路部３のナノワイヤ素子であるナノワイヤ抵抗素子６を配置する(ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子配置工程)。尚、図３５および図３６は、図３４におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。
【０１７８】
先ず、図３５に示すように、上記基板８上に、ナノワイヤ抵抗素子６を含んだイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)１５０を薄く塗布する。ＩＰＡ１５０に換えて、エチレングリコール,プロピレングリコール,メタノール,エタノール,アセトンの何れか一つ、あるいは、それらの混合物であってもよい。あるいは、ＩＰＡ１５０に換えて、他の有機物からなる液体や水等を用いることができる。
【０１７９】
上記ナノワイヤ抵抗素子６を含むＩＰＡ１５０を塗布する厚さは、ナノワイヤ抵抗素子６を配置できるように、ＩＰＡ１５０中においてナノワイヤ抵抗素子６が移動できる厚さである。つまり、ＩＰＡ１５０を塗布する厚さは、ナノワイヤ抵抗素子６の太さ以上であり、例えば、数μｍ〜数ｍｍである。ここで、塗布する厚さは薄すぎるとナノワイヤ抵抗素子６が移動し難くなり、厚すぎるとＩＰＡ１５０を乾燥する時間が長くなる。また、ＩＰＡ１５０の量に対するナノワイヤ抵抗素子６の量は、１×１０4本ｃｍ-3〜１×１０7本ｃｍ-3が好ましい。
【０１８０】
上記ナノワイヤ抵抗素子６を含むＩＰＡ１５０を塗布するために、ナノワイヤ抵抗素子６を配置させる領域の外周囲に枠を形成し、その枠内にナノワイヤ抵抗素子６を含むＩＰＡ１５０を所望の厚さになるように充填してもよい。しかしながら、ナノワイヤ抵抗素子６を含むＩＰＡ１５０が粘性を有する場合は、枠を必要とせずに、所望の厚さに塗布することが可能である。
【０１８１】
次に、図３６に示すように、上記第２の電極対を形成する電極１４５と電極１４７との間に、例えば１Ｖの交流を印加する。第２の電極対に印加する交流電圧は０.１Ｖ〜１０Ｖとすることができるが、０.１Ｖ以下の場合にはナノワイヤ抵抗素子６の配置が悪くなり、１０Ｖ以上では電極間に流れる電流によってＩＰＡ１５０が好ましくない対流を起こす。したがって、１Ｖ〜５Ｖが好ましく、１Ｖ程度とするのがより好ましい。
【０１８２】
上記ナノワイヤ抵抗素子６が上記第２の電極対で規定される位置に配置される原理は、誘電泳動あるいは容量結合による引力で説明される。その結果、各電極１４５,１４７とナノワイヤ抵抗素子６との間に引力が働き、ナノワイヤ抵抗素子６は、電極１４５,１４７間に生じる電気力線に沿うように向きを揃え、電極１４５,１４７に架橋するように配置される。
【０１８３】
また、上記電極１４５,１４７に与える交流電圧の周波数は１０Ｈｚ〜１ＭＨｚとするのが好ましく、５０Ｈｚ〜１ｋＨｚとするのが、ナノワイヤ抵抗素子６の配置が最も安定してより好ましい。さらに、電極１４５と電極１４７との間に印加する交流電圧は、正弦波に限らず、矩形波,三角波およびノコギリ波等の周期的に変動するものであればよい。
【０１８４】
尚、上記第１,第３および第４の電極対には電圧を印加していないため、ナノワイヤ抵抗素子６は配置されない。したがって、ナノワイヤ抵抗素子６は、上記第２の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置されるのである。
【０１８５】
次に、上記ナノワイヤ抵抗素子６を配置させた後の基板８を加熱することによってＩＰＡ１５０の液体を蒸発させて乾燥させ、ナノワイヤ抵抗素子６を電極１４５および電極１４７に架橋するように配置させて固着させる。
【０１８６】
次に、図３７および図３８に示すように、第１の電極対(電極１４５と電極１４６)の部分に、ナノワイヤセンサー素子４を配置する(ナノワイヤセンサー素子配置工程)。尚、図３７および図３８は、図３４におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。
【０１８７】
先ず、図３７に示すように、上記基板８上に、ナノワイヤセンサー素子４を含んだＩＰＡ１５１を薄く塗布する。
【０１８８】
ところで、上記ナノワイヤセンサー素子４はＰＮ接合を有するダイオードであり、極性を有する素子(有極性素子)である。そのため、例えば図３７において、ナノワイヤセンサー素子４は、Ｐ型半導体領域１３を左に向け、Ｎ型半導体領域１５を右に向けて配置されなければならない。もし、ナノワイヤセンサー素子４が反対を向いて基板８上に配置された場合には、得られる電子デバイス１は不良となる。ところが、上記第２の電極対で規定される位置にナノワイヤ抵抗素子６を配置する方法では、ナノワイヤ抵抗素子６が配置される２つの向きがとる確率は共に５０％である。
【０１８９】
そこで、図３８に示すように、上記第１の電極対における電極１４５および電極１４６には、交流電圧に重ねて直流電圧を印加するのである。ナノワイヤセンサー素子４の接合部には空乏層が形成されているため、空乏層電荷が電気二重層を形成している。そして、Ｐ型半導体領域１３側の空乏層は負に、Ｎ型半導体領域１５側の空乏層は正に帯電している。この電気二重層は電気双極子モーメントを有しているため、電極１４５側を実質的に負電圧に、電極１４６側を実質的に正電圧にすることによって、ナノワイヤセンサー素子４はＰ型半導体領域１３を左側にして配置されるのである。
【０１９０】
尚、上記第２,第３および第４の電極対には電圧を印加していないため、ナノワイヤセンサー素子４は配置されない。したがって、ナノワイヤセンサー素子４は、上記第１の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置させるのである。
【０１９１】
次に、上記ナノワイヤセンサー素子４を配置させた後の基板８を加熱することにより、ＩＰＡ１５１の液体を蒸発させて乾燥させ、ナノワイヤセンサー素子４を電極１４５および電極１４６に架橋するように配置させて固着させる。
【０１９２】
次に、図示しないが、上記第３の電極対(電極１４５と電極１４８)の部分に、ナノワイヤ増幅素子５を配置する(ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子配置工程)。ナノワイヤ増幅素子５は有極性素子なので、上述した第１の電極対の対向部で規定される位置にナノワイヤセンサー素子４を配置する方法を用いればよい。
【０１９３】
この場合も、上記第１,第２および第４の電極対には電圧を印加していないため、ナノワイヤ増幅素子５は配置されない。したがって、ナノワイヤ増幅素子５は、上記第３の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置させるのである。
【０１９４】
次に、上記ナノワイヤ増幅素子５を配置させた後の基板８を加熱することによって、上記ＩＰＡの液体を蒸発させて乾燥させ、ナノワイヤ増幅素子５を電極１４５および電極１４８に架橋するように配置させて固着させる。
【０１９５】
次に、図示しないが、上記第４の電極対(電極１４５と電極１４９)の部分に、ナノワイヤ抵抗素子７を配置する(ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子配置工程)。ナノワイヤ抵抗素子７には極性がないので、上述した第２の電極対の対向部で規定される位置にナノワイヤ抵抗素子６を配置する方法を用いればよい。
【０１９６】
この場合も、上記第１,第２および第３の電極対には電圧を印加していないため、ナノワイヤ抵抗素子７は配置されない。したがって、ナノワイヤ抵抗素子７は、上記第４の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置させるのである。
【０１９７】
次に、上記ナノワイヤ抵抗素子７を配置させた後の基板８を加熱することによって、上記ＩＰＡの液体を蒸発させて乾燥させ、ナノワイヤ抵抗素子７を電極１４５および電極１４９に架橋するように配置させて固着させる。
【０１９８】
以上、上述した４回の配置工程によって、図３９に示すように、基板８上に、ナノワイヤセンサー素子４,ナノワイヤ増幅素子５,ナノワイヤ抵抗素子６およびナノワイヤ抵抗素子７が、夫々所定の位置に配置される。特に、有極性素子であるナノワイヤセンサー素子４およびナノワイヤ増幅素子５は、基板８上の所定の位置に、極性の向きを含めて正しく配置される。
【０１９９】
最後に、図４０に示すように、上記基板８上に、端子９〜１１および配線１２を形成する。これにより、各端子９〜１１と各素子４,５,６,７との間が電気的に正しく接続される。こうして、電子デバイス１が完成する。
【０２００】
以上の上記電子デバイス１を製造する方法においては、少なくとも第１,第２の２つの電極対が形成された基板８上に、ナノワイヤセンサー素子４を含んだＩＰＡ１５１の液体を導入し、上記第１の電極対に電圧を印加してナノワイヤセンサー素子４を上記第１の電極対を構成する電極１４５と電極１４６との対向部で規定される位置に配置させるナノワイヤセンサー素子配置工程と、基板８上に、上記ナノワイヤ回路を構成するナノワイヤ素子であるナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子を含んだ上記ＩＰＡの液体を導入し、上記第２の電極対に電圧を印加して上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子を上記第２の電極対を構成する２つの電極の対向部で規定される位置に配列させるナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子配置工程とを含んでいる。
【０２０１】
したがって、上記電子デバイス１を製造する方法で例示されるナノワイヤ素子の基板上への配置方法によれば、微細なナノワイヤセンサー素子と微細なナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子とを、同一の基板上に高密度で配置することが可能である。したがって、非常に微細な電子デバイス、および、電子デバイスを非常に微細化できる簡易な電子デバイスの製造方法を提供することができる。
【０２０２】
この電子デバイスの製造方法においては、さらに、上記ナノワイヤセンサー素子配置工程で配列される上記ナノワイヤセンサー素子、および、上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子配置工程で配列される上記ナノワイヤ回路部ナノワイヤ素子の少なくとも１つが、一端および他端に夫々異なる極性を有する有極性素子である場合には、上記有極性素子を、上記一端および上記他端の位置関係を含めて所定の向きで上記基板上に配列するようにしている。
【０２０３】
このような電子デバイスの製造方法では、極めて微細なナノワイヤ素子が極性を有している場合であっても、上記基板上に極性の向きを含めて正しい向きで当該ナノワイヤ素子を配置できるため、ナノワイヤ素子を組み合わせた複雑で高度な回路を実現することができるのである。
【０２０４】
・第８実施の形態
本実施の形態は、上記第３実施の形態における電子デバイス５１あるいは上記第４実施の形態における電子デバイス７１を備えた照明装置に関する。図４１は、本実施の形態の照明装置におけるブロック図である。
【０２０５】
本実施の形態の照明装置１６１は、センサー部１６２,演算部１６３,発光デバイス部１６４および太陽電池１６５からなる。
【０２０６】
上記センサー部１６２は、周囲の状態に応じて外部に出力を行うセンサーとしての機能を有するナノワイヤセンサー素子を備えている。また、演算部１６３は、上記ナノワイヤセンサー素子からの出力を直接入力すると共に、ナノワイヤ素子を用いたナノワイヤ回路を備えている。また、発光デバイス部１６４は、ナノワイヤ発光素子を備えている。
【０２０７】
上記センサー部１６２,演算部１６３および発光デバイス部１６４は、例えば、上記第３実施の形態におけるナノワイヤセンサー５２,ナノワイヤ回路５３およびナノワイヤ発光部５４で構成される。
【０２０８】
上記太陽電池１６５は、センサー部１６２,演算部１６３および発光デバイス部１６４に電力を供給する。
【０２０９】
上記構成を有する照明装置１６１は、上記センサー部１６２,演算部１６３および発光デバイス部１６４を極めて小さな領域に形成することができる。したがって、微小な生物の巣の中の照明等の極めて微小な空間の照明管理等に応用することが可能である。
【０２１０】
さらに、上記センサー部１６２として非常に微小なナノワイヤセンサー素子を用いる場合であっても、演算部１６３に用いられているナノワイヤ回路によって、上記ナノワイヤセンサー素子からの微少な出力を直接入力して増幅することができる。したがって、上記ナノワイヤセンサー素子からの微小な出力を増幅するために、特殊で高価なデバイスを使用する必要がない。
【０２１１】
以上のごとく、本実施の形態における照明装置１６１は、上記センサー部１６２,演算部１６３および発光デバイス部１６４を備えているので、周囲の状況によって発光デバイス部１６４における上記ナノワイヤ発光素子の発光強度を変化させることができる。さらには、センサー部１６２,演算部１６３および発光デバイス部１６４の何れにもナノワイヤ素子を用いているため、本照明装置１６１の設置場所の自由度が飛躍的に高くなると共に、低コスト化を実現することができる。
【０２１２】
・第９実施の形態
本実施の形態は、上記第５実施の形態における電子デバイス９１あるいは上記第６実施の形態における電子デバイス１０１を備えたセンサーシステムに関する。図４２は、本実施の形態のセンサーシステムにおけるブロック図である。
【０２１３】
本実施の形態のセンサーシステム１７１は、センサー部１７２,演算部１７３,バッファ部１７４,表示部１７５,警報スピーカー１７６および太陽電池１７７からなる。
【０２１４】
上記センサー部１７２は、周囲の状態に応じて外部に出力を行うセンサーとしての機能を有するナノワイヤセンサー素子を備えている。演算部１７３は、上記ナノワイヤセンサー素子からの出力を直接入力すると共に、ナノワイヤ素子を用いたナノワイヤ回路を備えている。バッファ部１７４は、上記ナノワイヤ回路で増幅および演算されたナノワイヤセンサー素子からの信号を、さらに増幅する増幅回路を備えている。表示部１７５は、上記ナノワイヤセンサー素子によってセンシングされた検知物(特定のガス,蛋白質,核酸等)の強度等を表示する。警報スピーカー１７６は、上記検知物の強度が基準値を超えた場合に警報を発する。
【０２１５】
上記センサー部１７２および演算部１７３は、例えば、上記第６実施の形態におけるナノワイヤセンサー１０２およびナノワイヤ回路１０３で構成される。
【０２１６】
上記太陽電池１７７は、センサー部１７２,演算部１７３,バッファ部１７４,表示部１７５および警報スピーカー１７６に電力を供給する。
【０２１７】
上記構成を有するセンサーシステム１７１は、上記センサー部１７２および演算部１７３を極めて小さな領域に形成することができる。したがって、微小な生物の巣の中の環境等の極めて微小な空間のセンシングが可能である。
【０２１８】
さらに、上記センサー部１７２として非常に微小なナノワイヤセンサー素子を用いる場合であっても、演算部１７３に用いられているナノワイヤ回路によって、上記ナノワイヤセンサー素子からの微少な出力を直接入力して増幅することができる。したがって、上記ナノワイヤセンサー素子からの微小な出力を増幅するために、特殊で高価なデバイスを使用する必要がない。
【０２１９】
以上のごとく、本実施の形態におけるセンサーシステム１７１は、上記センサー部１７２,演算部１７３およびインターフェース(表示部１７５,警報スピーカー１７６)を備えているので、環境を把握することが可能である。さらには、センサー部１７２および演算部１７３の何れにもナノワイヤ素子を用いているため、センサー部１７２の設置場所の自由度が飛躍的に高くなると共に、低コスト化を実現することができる。
【０２２０】
尚、上記各実施の形態においては、上記「周囲環境の状態」として、「明るさ」,「特定のガスの有無」および「特定の蛋白質や核酸の有無」を例示したが、この発明はこれに限定されるものではない、例えば、上記ナノワイヤセンサー素子として、温度によって出力値が変化する可変抵抗器を用いることにより、「温度」を検知することが可能である。その他、「圧力」や「微細な物体の有無」等も上記ナノワイヤセンサー素子によって検知可能である。
【符号の説明】
【０２２１】
１,２１,５１,７１,９１,１０１…電子デバイス、
２,２２,５２,７２,９２,１０２…ナノワイヤセンサー、
３,２３,５３,７３,９３,１０３…ナノワイヤ回路、
４…ナノワイヤセンサー素子(フォトダイオード)、
５…ナノワイヤ増幅素子(バイポーラトランジスタ)、
６,７,２６,２７,５７…ナノワイヤ抵抗素子、
８,２８…基板、
９〜１１,２９〜３１…端子、
１２,３２…配線、
１５,１７,３４,３７,５９,６１,１２４,１０８,１２９…Ｐ型半導体領域、
１４,１２５…Ｉ型半導体領域、
１３,１８,３３,３５,３６,３８,６０,１０７,１０９,１２６,１２８,１３０…Ｎ型半導体領域、
１９,２０,４１,４２,９７…ナノワイヤ、
２４,５５,７５…ナノワイヤセンサー素子(フォトトランジスタ)、
２５,５６…ナノワイヤ増幅素子(電界効果トランジスタ)、
３９,６２…インナーシェル(ゲート絶縁膜)、
４０,６３…アウターシェル(ゲート電極)、
５４,７４…ナノワイヤ発光部、
５８,７７…ナノワイヤ発光素子(発光ダイオード)、
６４…半導体コア、
６５,１４１…半導体シェル
７６,９５,１０５…ナノワイヤ制御回路、
９４…ナノワイヤセンサー素子(ガス検知可変抵抗器)、
１０４…ナノワイヤセンサー素子(蛋白質,核酸検知電界効果トランジスタ)、
１１０…ゲート絶縁膜、
１１１…抗体、
１２１,１２７…シリコン基板、
１３１…シリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)、
１３２…ポリシリコン膜(ゲート電極)、
１３５…サファイア基板、
１３８…棒状の半導体(ｎ型ＧaＮ)、
１３９…ｎ型ＧaＮ膜、
１４０…発光層、
１４５〜１４９…電極、
１５０,１５１…ＩＰＡ、
１６１…照明装置、
１６２,１７２…センサー部、
１６３,１７３…演算部、
１６４…発光デバイス部、
１６５,１７７…太陽電池、
１７１…センサーシステム、
１７４…バッファ部、
１７５…表示部、
１７６…警報スピーカー。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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