(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
梁状に加工した半導体薄膜、または、半導体薄膜と絶縁体薄膜あるいは金属薄膜を接合し、かつ梁状に加工した積層薄膜を備え、この半導体薄膜または積層薄膜によって形成される梁の弾性的な変形を検出することにより、この梁に加わった微小な力を検出するメカニカルな半導体力検出装置において、
前記半導体薄膜、または前記積層薄膜を構成する前記半導体薄膜は、
ゲート電極を備えた０次元の低次元量子構造を有し、
前記ゲート電極に加える電圧により前記低次元量子構造に形成される電子の量子準位とフェルミ準位とを一致させるように制御されることを特徴とする半導体力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、梁状に加工した半導体薄膜あるいは半導体層と金属あるいは絶縁体との接合構造の弾性的な変形を検出することにより、梁に加わった微小な力を高感度に検出する半導体力検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体力検出装置は、民生機器用素子として用いられる。この装置は、次のようにして作られる。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、半導体力検出装置の梁が形成される。この半導体力検出装置によれば、梁の弾性的な変位を検出することにより、半導体力検出装置に加わった微小な力を検知する。つまり、半導体力検出装置は、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装置は、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。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装置であるピエゾ抵抗効果力検出器の例を図４に示す。図４の半導体力検出装置は、Si薄膜１０１、１０２、および電極１０３、１０４を備えている。この半導体力検出装置では、絶縁性の高いSi半導体上に、導電性を持つシリコン薄膜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】
Si薄膜１０１は、絶縁性をもつSi薄膜層である。Si薄膜１０２は、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。電極１０３、１０４には、配線１０５、１０６が設けられている。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】
この半導体力検出装置では、片持ち梁１１１の先端に力が加わり、片持ち梁１１１がしなると、導電性のSi薄膜１０２は面内の歪を受ける。たとえば、片持ち梁１１１が下向きにしなると、Si薄膜１０２は引っ張り応力を受け、体積が膨張する。この体積膨張に対し、変形ポテンシャル効果および圧電効果により、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のしなり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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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抵抗値の変化を用いている。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、感度が低いという問題点がある。
【０００８】
実際、アプライド・フィジックス・レター誌、６２巻、８号、１９９３年、８３４−８３６頁（Applied Physics Letter, Volume 62, No.8, 1993 pp.834-836）（以後文献１と呼ぶ）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程度である。この値は、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、感度の高い半導体力検出装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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、または、半導体薄膜と絶縁体薄膜あるいは金属薄膜を接合し、かつ梁状に加工した積層薄膜を備え、この半導体薄膜または積層薄膜によって形成される梁の弾性的な変形を検出することにより、この梁に加わった微小な力を検出するメカニカルな半導体力検出装置において、前記半導体薄膜、または前記積層薄膜を構成する前記半導体薄膜は、ゲート電極を備えた０次元の低次元量子構造を有し、前記ゲート電極に加える電圧により前記低次元量子構造に形成される電子の量子準位とフェルミ準位とを一致させるように制御されることを特徴とする半導体力検出装置である。
【００１２】
本発明では、梁を構成する半導体薄膜、あるいは梁を構成する積層薄膜に含まれる半導体薄膜として、
（１）薄膜内にゲート電極を備えた０次元的低次元量子構造を有し、
（２）かつ、ゲート電極を備えた０次元の低次元量子構造を有し、前記ゲート電極に加える電圧により前記低次元量子構造に形成される電子の量子準位とフェルミ準位とを一致させるように制御される、
といった特徴をもつ薄膜を用いる。このような薄膜を用いることにより、梁の変位が高感度に測定できる理由は以下のとおりである。
【００１３】
通常、半導体低次元量子構造の電気伝導は、構造内の電子のフェルミ準位と量子準位との関係により支配される。フェルミ準位を連続的に変化した場合の電気伝導度は、構造内に形成される量子準位とフェルミ準位との差が環境の熱エネルギーより小さくなる条件において、急激に変化する。これは共鳴トンネルダイオードなどによって実証されているように、量子力学的な共鳴現象によるものである。
【００１４】
ここで、このように共鳴が生じる条件に薄膜のフェルミ準位を固定する。そして、この薄膜に歪を加えると、歪が引き起こす変形ポテンシャル効果ならびに圧電効果により、低次元構造に形成される量子準位の位置が変化する。この量子準位の変化自体は一般的に非常に小さいが、前記の量子力学的共鳴現象により、バルク材料に対する効果に比較して、極めて大きな電気伝導度の変化を引き起こす。
【００１５】
したがって、このような共鳴状態での電気伝導の変化を測定することにより、梁の変位を敏感に検出することが可能となる。すなわち、本発明の本質は、半導体低次元量子構造を含む梁において、電気伝導度が量子準位の変化に極めて敏感であるという性質を用いて、梁の変位を高感度に検出することである。
【００１６】
なお、有限温度においては、低次元構造内に形成される量子準位が熱エネルギー程度の幅に広がるため、フェルミ準位と量子準位との間隔を、素子の使用温度における熱エネルギー程度にまで近づけることが、最大の感度を得る条件となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。
【００１８】
［実施の形態１］
本実施の形態による半導体力検出装置では、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。本実施の形態による半導体力検出装置を図１に示す。この半導体力検出装置は、AlGaSb薄膜１、InAs薄膜２、および電極３、４を備えている。
【００１９】
AlGaSb薄膜１は、分子線エピタキシを用いて作製された、半絶縁性のAlGaSb結晶層である。InAs薄膜２は、同じく分子線エピタキシを用いて、AlGaSb薄膜１の上に結晶成長した、１０ｎｍ程度の厚さを持つ導電性InAs薄膜である。電極３と電極４は、導電層であるInAs薄膜２に電流を注入するために用いるオーム型の電極である。半導体微細加工技術によって、AlGaSb薄膜１およびInAs薄膜２が梁状に加工されて、片持ち梁１１が形成されている。つまり、本実施の形態では、片持ち梁１１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。
【００２０】
また、本実施の形態では、InAs薄膜２が表面二次元電子系を形成し、本発明における半導体低次元量子構造として作用する。一般に、InAs薄膜の表面フェルミ準位は、伝導帯の底から０.１〜０.２電子ボルト程度上部に拘束されることが知られている。
【００２１】
一方、InAs薄膜に形成される量子準位は、InAs膜厚により変化する。本発明における「低次元量子構造に形成される電子の量子準位とフェルミ準位とのエネルギー差が熱エネルギーと同等かより小さい」という条件を満足させるために、InAsに形成される量子準位が、拘束されたフェルミ準位とほぼ一致する膜厚、すなわち１０ｎｍ程度の厚さにInAsの膜厚を選ぶものとする。
【００２２】
今、このInAsとAlGaSbのヘテロ構造薄膜からなる片持ち梁１１にたわみを加えると、変形ポテンシャル効果により、InAs薄膜２のバンドギャップの大きさが変化する。また、圧電効果により、InAs薄膜２の表面近傍のバンドの曲がりが変化する。これら２つの効果は、InAs薄膜２内に形成される量子準位と、拘束されているフェルミ準位との間隔を変化させる。
【００２３】
もともとフェルミ準位と、形成されている量子準位との間隔が近いため、InAs薄膜２内に蓄積される電子の面密度は、たわみの大きさに極めて敏感に変化する。特に、量子準位がフェルミ準位より熱エネルギー以上に高い位置まで上昇すると、電子の面密度は０（ゼロ）となり、電気伝導は消失する。この効果は、通常のバルクの圧電効果を用いた場合に比べて桁違いに大きい。
【００２４】
したがって、配線５と配線６との間に電圧を加え、例えば電極３から電極４に電流を流す。このときに加えた電圧と、流れた電流とから、電極３と電極４との間の抵抗値の変化を検出することにより、片持ち梁１１のしなりを検出することができる。このとき、電気伝導の変化が大きいため、従来の手法に比べて高感度に片持ち梁１１のしなりを検出することが可能となる。
【００２５】
［実施の形態２］
つぎに、実施の形態２について説明する。本実施の形態による半導体力検出装置は、スプリットゲート構造を有する単電子トランジスタを梁に組み込んだ構造である。本実施の形態による半導体力検出装置を図２に示す。この半導体力検出装置は、GaAs層２１、AlGaAs層２２、二次元電子ガス２３、片持ち梁２４、ショットキー電極２５Ａ〜２５Ｄ、ショットキーゲート２６Ａ〜２６Ｄ、およびオーミック電極２７Ａ、２７Ｂを備えている。
【００２６】
GaAs層２１は、分子線エピタキシを用いて作製された、非ドープのGaAs層である。AlGaAs層２２は、同じく分子線エピタキシを用いて、GaAs層２１の上に結晶成長したSiドープAlGaAs層である。GaAs層２１とAlGaAs層２２とは、変調ドープ構造として二次元電子ガス２３を界面に形成する。GaAs層２１、AlGaAs層２２、および二次元電子ガス２３による構造が梁状に加工され、片持ち梁２４が作製される。
【００２７】
ショットキー電極２５Ａ〜２５Ｄ、ショットキーゲート２６Ａ〜２６Ｄ、およびオーミック電極２７Ａ、２７Ｂは、AlGaAs層２２の上に形成されている。ショットキーゲート２６Ａはショットキー電極２５Ａに接続され、ショットキーゲート２６Ｂはショットキー電極２５Ｂに接続されている。同じように、ショットキーゲート２６Ｃはショットキー電極２５Ｃに接続され、ショットキーゲート２６Ｄはショットキー電極２５Ｄに接続されている。
【００２８】
以上の構造をした半導体力検出装置では、ショットキー電極２５Ａとショットキー電極２５Ｃとに、それぞれに適当な電圧を印加すると、電極近傍の電子が空乏化する。これによって、量子ドットＡが形成される。量子ドットＡは、ショットキーゲート２６Ａ〜２６Ｄで囲まれた部分、つまり図３の破線Ａ１で示す部分を中心にして形成される。さらに、ショットキー電極２５Ｂとショットキー電極２５Ｄとに適当な電圧を加えることにより、オーミック電極２７Ａ、２７Ｂと量子ドットＡとの接合部分に量子力学的なトンネル接合Ｂ、Ｃが形成される。トンネル接合Ｂは、ショットキーゲート２６Ｂの先端とショットキーゲート２６Ａの先端との中間の位置、つまり図３の破線Ｂ１で示す部分を中心にして形成され、トンネル接合Ｃは、ショットキーゲート２６Ｄの先端とショットキーゲート２６Ａの先端との中間の位置、つまり図３の破線Ｃ１で示す部分を中心にして形成される。
【００２９】
量子ドットＡは、オーミック電極２７Ａをソース、オーミック電極２７Ｂをドレイン、ショットキー電極２５Ａ〜２５Ｄおよびショットキーゲート２６Ａ〜２６Ｄをゲートとした単電子トランジスタとして働く。単電子トランジスタでは、ショットキー電極２５Ｃに印加する電圧を変化させると、トンネル接合Ｃに形成された量子準位がオーミック電極２７Ａにおけるフェルミ準位と一致する印加電圧において、クーロンブロッケード効果により、オーミック電極２７Ａとオーミック電極２７Ｂとの間に流れる電流が著しく増加する。つまり、単電子トランジスタは、低次元量子構造として、ゲートを有し、形成される０次元的量子準位を、このゲートに加える電圧で制御可能である。
【００３０】
今、この単電子トランジスタを含む片持ち梁２４にたわみを加えると、変形ポテンシャル効果により、GaAsおよびAlGaAsのバンドギャップの大きさが変化する。また、圧電効果により、GaAsとAlGaAs界面近傍のバンドの曲がりが変化する。これら２つの効果は、量子ドットＡに形成される量子準位とフェルミ準位の間隔を変化させる。もし、ショットキー電極２５Ｃに与える電圧により、量子ドットＡに形成される量子準位とオーミック電極２７Ａのフェルミ準位に一致させた状況で、片持ち梁２４にたわみを与えると、前記の２つの効果により、量子ドットＡの中に形成される量子準位の位置が微妙に変化する。このとき、前記のクーロンブロッケード効果により、オーミック電極２７Ａとオーミック電極２７Ｂの間の伝導度が急激に減少するため、高感度に片持ち梁２４のしなりを検出することが可能となる。
【００３１】
したがって、オーミック電極２７Ａとオーミック電極２７Ｂとの間に電圧を加え、例えばオーミック電極２７Ａからオーミック電極２７Ｂに電流を流す。このときに加えた電圧と、流れた電流とから、オーミック電極２７Ａとオーミック電極２７Ｂとの間の抵抗値の変化を検出することにより、片持ち梁２４のしなりを検出することができる。このとき、電気伝導の変化が大きいため、従来の手法に比べて高感度に片持ち梁２４のしなりを検出することが可能となる。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態１、２を詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の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。
【００３３】
たとえば、実施の形態１においては、導電層材料としてInAsを用いたが、InSb、あるいはInSbとInAsの混晶、あるいはAlＮ等の、空乏化が起こりにくい材料を用いることも可能である。また、実施の形態１においては、絶縁層としてAlGaSbを用いたが、Si，GaAs等の、絶縁性の高い任意の半導体薄膜はもとより、任意の絶縁膜、あるいは絶縁膜と金属の接合薄膜を用いることも可能である。
【００３４】
また、実施の形態２においては、スプリットゲートタイプの単電子トランジスタを用いたが、同様の特性を示す任意の単電子トランジスタはもとより、他の任意の半導体低次元量子構造を用いることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、梁を構成する薄膜内に半導体低次元量子構造、例えば薄膜化したInAs層またはこれを含む積層薄膜や、単電子トランジスタを用いることにより、極めて感度の高い半導体力検出装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体力検出装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態２による半導体力検出装置を示す斜視図である。
【図３】図２の量子ドットおよびトンネル接合の位置を示す平面図である。
【図４】従来の半導体力検出装置の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  AlGaSb薄膜
２  InAs薄膜
３、４  電極
５、６  配線
１１  片持ち梁
２１  GaAs層
２２  AlGaAs層
２３  二次元電子ガス
２４  片持ち梁
２５Ａ〜２５Ｄ  ショットキー電極
２６Ａ〜２６Ｄ  ショットキーゲート
２７Ａ、２７Ｂ  オーミック電極
Ａ  量子ドット
Ｂ、Ｃ  トンネル接合
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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