(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体センサ素子であって、
基板ベースと、
前記基板ベース上に配置された半導体層とを含み、
前記半導体層は、前記基板ベースに対して片持ちまたは両持ちされており、接合面を介して前記基板ベースと部分的に直接接し且つ前記基板ベースと部分的に直接接しておらず、III族窒化物半導体化合物を含む均質な半導体層または互いに接した２つだけの均質な半導体層を含むIII族窒化物半導体化合物のヘテロ構造であり、
半導体センサ素子により決定される物理的変数における変化に基づき、前記半導体層により生成されることができる電気出力信号を伝達するための少なくとも２つの導電コンタクトが前記半導体層に直接接して設けられることを特徴とする、半導体センサ素子。
【請求項２】
前記２つのコンタクトの少なくとも１つが前記均質な半導体層の領域である離間領域内に配置され、該離間領域は、前記基板ベースに直接接していないか、または、該基板ベースの表面と間隔を置いており、さらに、前記２つのコンタクトの少なくとも１つは、前記均質な半導体層の領域である非離間領域内に配置され、該非離間領域は、前記基板ベースに直接接しているか、または、該基板ベースの表面と間隔を置いていないことを特徴とする、請求項１に記載の半導体センサ素子。
【請求項３】
前記均質な半導体層は、隆起した領域またはメサ領域を有し、該領域は、前記均質な半導体層に面した基板ベースの表面に対し垂直な方向に、前記均質な半導体層の非メサ領域より大きい厚みを有し、該非メサ領域は、前記均質な半導体層に面した半導体ベースの表面と平行な方向において前記メサ領域と接していることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体センサ素子。
【請求項４】
隆起した領域またはメサ領域が、前記均質な半導体層の離間領域の一部上に、該均質な半導体層に面した基板ベースの表面と平行な方向で延び、かつ、該均質な半導体層の非離間領域の一部上に延びるよう配置されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項５】
前記均質な半導体層は、隆起した領域またはメサ領域を有し、
前記離間領域から前記非離間領域への遷移は、前記隆起した領域またはメサ領域の中心領域内で前記均質な半導体層に面した基板ベースの表面と平行な方向に実行されることを特徴とする、請求項２に記載の半導体センサ素子。
【請求項６】
前記コンタクトの少なくとも１つが、前記隆起した領域またはメサ領域の外縁部の領域上および／または内に直接配置されていることを特徴とする、請求項３から５のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項７】
前記均質な半導体層に面した基板ベースの表面に対し垂直な方向における非メサ領域の前記均質な半導体層の厚みは、０．２ミクロンメートル以上５０ミクロンメートル以下であり、および／また、前記隆起した領域またはメサ領域における前記均質な半導体層の厚みは、前記非メサ領域の前記均質な半導体層の厚みに２０ナノメートル以上１０００ナノメートル以下の厚み加えた厚みを有することを特徴とする、請求項３から６のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項８】
前記基板ベースがシリコンＳｉを含むかまたはシリコンＳｉから形成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項９】
前記均質な半導体層が相対元素量０＜＝ｘ＜＝１．０によるＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ、または、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮであるIII族窒化物半導体構造を含むか、または、それによって形成されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項１０】
前記均質な半導体層が窒化ガリウムを含むか、または、それによって形成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項１１】
前記均質な半導体層と前記基板ベースとの間、または、互いに向き合うそれぞれの表面間における面間隔により生じた空間領域が満たされないことにより、前記基板ベースに対し、前記半導体層が少なくとも部分的に片持ちされていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項１２】
前記均質な半導体層と前記基板ベースとの間、または、互いに向き合うそれぞれの表面間における面間隔により生じた離間領域が、非金属および非半導体材料により少なくとも部分的に満たされることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項１３】
前記非金属および非半導体材料により、前記センサ素子の熱伝導特性、および／または、機械特性、および／または、高周波特性が向上できることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体センサ素子。
【請求項１４】
前記非金属および非半導体材料が、ＳｉＯ２、および／または、ＳｉＮ、および／または、ダイヤモンド、および／または、ダイヤモンドライクカーボン、および／または、シリコン系充填材、および／または、Ａｌ２Ｏ３、および／または、熱伝導プラスチック材料を含むか、あるいは、それによって形成されることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の半導体センサ素子。
【請求項１５】
前記均質な半導体層がドーピングされないか、ｐ型ドーピングされるか、または、ｎ型ドーピングされることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項１６】
前記基板ベースに面した前記均質な半導体層の表面に対し本質的に垂直な方向における該均質な半導体層の延長が、０．２ミクロンメートル以上５０ミクロンメートル以下であることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項１７】
前記III族窒化物半導体化合物のヘテロ構造を形成する目的で、前記均質な半導体層の前記基板ベースと距離を置いて面した側には、相対元素量０＜＝ｙ＜＝１．０によるＡｌｙＧａ１−ｙＮ、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ、または、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮのカバー層が配置されていることを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項１８】
前記カバー層は、前記均質な半導体層の隆起した領域またはメサ領域上に配置され、前記均質な半導体層の非メサ領域内には配置されないことを特徴とする、請求項１７に記載の半導体センサ素子。
【請求項１９】
前記カバー層が窒化アルミニウムガリウムから形成され、０．１＜＝ｙ＜＝０．３であることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の半導体センサ素子。
【請求項２０】
前記カバー層が機械的に歪められるか、および／または、前記基板ベースに面したその表面に対し本質的に垂直な方向における前記カバー層の延長が、５ナノメートル以上１０００ナノメートル以下であることを特徴とする、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項２１】
前記カバー層が、ドーピングされないか、ｐ型ドーピングされるか、または、ｎ型ドーピングされることを特徴とする、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項２２】
前記基板ベースと距離を置いて面した前記カバー層の側には、相対元素量０＜＝ｚ＜＝１．０によるＡｌｚＧａ１−ｚＮ、ＩｎｚＧａ１−ｚＮ、または、ＩｎｚＡｌ１−ｚＮの少なくとも１つのさらなる均質な半導体層が配置されていることを特徴とする、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項２３】
さらなる前記均質な半導体層が、ドーピングされないか、ｐ型ドーピングされるか、または、ｎ型ドーピングされることを特徴とする、請求項２２に記載の半導体センサ素子。
【請求項２４】
ドーピング材料の原子含有量がｃｍ３あたり０以上、および／または、ｃｍ３あたり１０２０以下であり、あるいは／また、前記ドーピング材料は、シリコンＳｉおよび／またはマグネシウムＭｇを含むか、または、それによって形成され、あるいは／また、ドープ層は、少なくとも１つの容量ドーピング、および／または、少なくとも１つのパルスドーピングを有することを特徴とする、請求項１５、２１または２３に記載の半導体センサ素子。
【請求項２５】
前記導電コンタクトがｐ型およびまたはｎ型コンタクトであることを特徴とする、請求項１から２４のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項２６】
前記ｎ型コンタクトがアルミニウムおよびまたはチタンを含むかまたはそれによって形成され、前記ｎ型コンタクトの厚みが最大１０００ナノメートルであることを特徴とする、請求項２５に記載の半導体センサ素子。
【請求項２７】
ｐ型コンタクトが、金層、ニッケル層、金層の順で層列をなし、各層の厚みが最大でも１０００ナノメートルであることを特徴とする、請求項２５または２６に記載の半導体センサ素子。
【請求項２８】
前記導電コンタクトが、それを介して前記均質な半導体層と前記カバー層との間の遷移領域内で生成された電気出力信号が伝達されるように配置され、あるいは／また、前記導電コンタクトが前記均質な半導体層と前記カバー層との接合面に直接配置されることを特徴とする、請求項１７から２１のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項２９】
前記導電コンタクトがメタライゼーションを有することを特徴とする、請求項１から２８のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項３０】
前記決定される物理的変数は、圧力、温度、力、偏向、および／または、加速度であることを特徴とする、請求項１から２９のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項３１】
前記均質な半導体層の前記基板ベースに関する空間状態、形状、容量、表面構造、および／または、偏向あるいは隆起おける変化を通じて前記均質な半導体層により決定される物理的変数の変化は、前記電気出力信号に直接変換されることができることを特徴とする、請求項１から３０のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項３２】
前記出力信号が、前記均質な半導体層の格子における圧電特性または機械的変化により生成されることができるか、または、前記均質な半導体層における電荷担体密度における変化、または、他の電気的変数を表すことを特徴とする、請求項１から３１のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項３３】
前記均質な半導体層が前記基板ベースに少なくとも１つのアンカーポイントで接続されるか、または、該基板ベースとの少なくとも１つの接合面を介し該基板ベースと当接することにより、前記アンカーポイントに接続されていないか、または、前記基板ベースに当接していない前記均質な半導体層の少なくとも一部が、前記基板ベースに関して決定される物理的変数における変化により、該基板ベースに対し直接偏向されることができることを特徴とする、請求項１から３２のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項３４】
前記均質な半導体層の少なくとも２つのアンカーポイントが該均質な半導体層の一部の形状をなす接続を有し、前記一部は、前記基板ベースに対し偏向できないか、または、該基板ベースとの接合面を有することを特徴とする、請求項１から３３のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項３５】
前記均質な半導体層の偏向可能な部分が、１つだけのアンカーポイントを介し前記基板ベースに接続されることにより、該偏向可能な部分は、本質的に線形のバーになり、前記アンカーポイントは、該バーの端部の１つに配置されることを特徴とする、請求項３３に記載の半導体センサ素子。
【請求項３６】
前記均質な半導体層の偏向可能な部分が、２つのアンカーポイントを介し前記基板ベースに接続されることにより、該偏向可能な部分は、本質的に線形バーになり、前記２つのアンカーポイントは、該バーの２つの端部に配置されることを特徴とする、請求項３３または３４に記載の半導体センサ素子。
【請求項３７】
前記均質な半導体層の偏向可能な部分が、２つのアンカーポイントを介し前記基板ベースに接続されることにより、該偏向可能な部分は、本質的にＵ字形バーになり、前記２つのアンカーポイントは、該Ｕ字形バーの２つの端部に配置されることを特徴とする、請求項３３または３４に記載の半導体センサ素子。
【請求項３８】
前記均質な半導体層の偏向可能な部分が、３つのアンカーポイントを介し前記基板ベースに接続されることにより、該偏向可能な部分は、本質的にＹ字形バーになり、前記３つのアンカーポイントは、該Ｙ字形バーの３つの端部に配置されることを特徴とする、請求項３３または３４に記載の半導体センサ素子。
【請求項３９】
前記均質な半導体層の偏向可能な部分が、４つのアンカーポイントを介し前記基板ベースに接続されることにより、該偏向可能な部分は、本質的にＸまたはＨ字形バーになり、該４つのアンカーポイントは、前記ＸまたはＨ字形バーの４つの端部に配置されることを特徴とする、請求項３３または３４に記載の半導体センサ素子。
【請求項４０】
前記均質な半導体層の偏向可能な部分が、複数のアンカーポイントを介し前記基板ベースに接続されることにより、該偏向可能な部分は、本質的に二重の櫛形バーになり、前記アンカーポイントは、前記櫛の歯バーの端部に配置されることを特徴とする、請求項３３または３４に記載の半導体センサ素子。
【請求項４１】
前記偏向方向に対し本質的に垂直な所定の方向におけるバーの最小幅が、２０ミクロンメートル以上２００ミクロンメートル以下であり、あるいは／また、前記アンカーポイントの間隔の相加平均が、３００ミクロンメートル以上５０００ミクロンメートル以下であることを特徴とする、請求項３５から４０のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項４２】
前記均質な半導体層の偏向可能な部分が膜として形成され、前記物理的変数における差により、前記膜の両側で前記均質な半導体層が隆起し、その結果、前記均質な半導体層の偏向可能な部分、および／または、該均質な半導体層の、前記偏向可能な部分に接続されかつ前記基板ベースに対し偏向できない部分において、前記出力信号が生成できることを特徴とする、請求項３３から４０のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項４３】
前記膜が本質的に円形または半円形であることを特徴とする、請求項４２に記載の半導体センサ素子。
【請求項４４】
少なくとも２つの電気的に接続された均質な半導体層素子により特徴付けられる、請求項１から４３のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項４５】
少なくとも２つの半円形膜半導体層素子が円形膜半導体層素子と接続されることにより、温度に依存しない圧力センサが生成されることを特徴とする、請求項４３または４４に記載の半導体センサ素子。
【請求項４６】
前記均質な半導体層の１つの偏向可能な部分において、高密度な固体が、決定される物理的変数における変化によって基板ベースに対し直接偏向されることができるよう配置されるかまたは固定され、その結果、前記均質な半導体層の該偏向部分、および／または、一部分において、該一部分が前記偏向可能な部分に接続されて前記基板ベースに対して偏向できなくなり、前記出力信号が生成できるようになることを特徴とする、請求項３３から４３のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項４７】
前記半導体センサ素子、および／または、前記均質な半導体層が、III族窒化物半導体構造を有する集積電気または電子回路による機能ユニットとして構成されていることを特徴とする、請求項１から４６のいずれか一項に記載の半導体センサ素子。
【請求項４８】
前記集積電気または電子回路が、ダイオード構造、および／または、トランジスタ素子、および／または、温度センサ素子を有し、あるいは／また、前記集積電気または電子回路は、補償回路、または、増幅回路であることを特徴とする、請求項４７に記載の半導体センサ素子。
【請求項４９】
前記集積電気または電子回路が、ショットキーコンタクトを有し、および／または、ホイートストンブリッジとして構成されることを特徴とする、請求項４７または４８に記載の半導体センサ素子。
【請求項５０】
物理的変数における変化を決定するための測定方法であって、
基板ベース上に配置された半導体層を含み、前記半導体層は、前記基板ベースに対して片持ちまたは両持ちされており、接合面を介して前記基板ベースと部分的に直接接し且つ前記基板ベースと部分的に直接接しておらず、
前記半導体層として、III族窒化物半導体化合物を含む均質な半導体層またはIII族窒化物半導体化合物を有する互いに接した２つだけの均質な半導体層を含むヘテロ構造が使用され、
前記半導体層により決定される物理的変数における変化に基づき、前記半導体層により生成されることができる電気出力信号を伝達するための少なくとも２つの導電コンタクトが前記半導体層に直接接して設けられ、
前記半導体層における前記物理的変数における変化に基づき、電気出力信号を生成し、該出力信号を、前記少なくとも２つの導電コンタクトを介し伝達する工程を備える、測定方法。
【請求項５１】
請求項１から４９のいずれか一項に記載の半導体センサ素子が用いられることを特徴とする、請求項５０に記載の測定方法。
【請求項５２】
決定される前記物理的変数が、圧力、温度、力、偏向、および／または、加速度であることを特徴とする、請求項５０または５１に記載の測定方法。
【請求項５３】
請求項１から請求項４９のいずれか一項に記載の半導体センサ素子の製造方法であって、
III族窒化物半導体化合物を含む均質な半導体層またはIII族窒化物半導体化合物を含む互いに接した２つだけの均質な半導体層から構成され、エッチングされるメサの基礎領域に対応する領域上の基板ベースと間隔を置いて面している表面にマスクが施される積層半導体を前記基板ベース上に配置する工程と、
前記積層半導体のエッチングされるメサの前記基礎領域に対応した前記領域に、生成される離間領域に当接する領域内の前記基板ベースに被さらないようにエッチングマスキングする工程と、
前記積層半導体を、前記基礎領域に対応する前記領域の外側から前記基板ベースに至るまでエッチングする工程と、
少なくとも２つの導電コンタクトまたは電気コンタクト層を前記積層半導体に直接接して設ける工程とを備え、
前記エッチングする工程において、前記離間領域に当接する領域内と、前記エッチングマスキングおよび前記均質な半導体層の下の前記離間領域内との両方において前記基板ベースをエッチングするか、または、前記離間領域において前記エッチングマスキングおよび前記均質な半導体層をアンダーエッチングし、
前記均質な半導体層は、前記基板ベースに接続されており、前記基板ベースに面した前記基礎領域においては前記基板ベースと少なくとも部分的に当接しないかまたは離れていることを特徴とする、製造方法。
【請求項５４】
隆起した領域またはメサ領域が前記積層半導体からエッチングされることを特徴とする、請求項５３に記載の製造方法。
【請求項５５】
前記離間領域および前記当接する領域におけるエッチングが、前記積層半導体に対し、前記基板ベース方向に実行されることを特徴とする、請求項５３または５４に記載の製造方法。
【請求項５６】
前記離間領域および前記当接する領域におけるエッチングが、前記基板ベースに対し、前記積層半導体方向に実行されることを特徴とする、請求項５３または５４に記載の製造方法。
【請求項５７】
前記基板ベースがシリコンＳｉを含むかまたはそれによって形成されることを特徴とする、請求項５３から５６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項５８】
前記積層半導体と境界をなす前記シリコンを含む基板ベースの表面は、［１１１］表面であることを特徴とする、請求項５７に記載の製造方法。
【請求項５９】
前記積層半導体が、相対元素量０＜＝ｘ＜＝１．０によるＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ、または、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮであるIII族窒化物半導体構造を含む少なくとも１つの半導体層を有することを特徴とする、請求項５３から５８のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６０】
前記積層半導体が、窒化ガリウムを含有する均質な半導体層を含むかまたはそれによって形成されることを特徴とする、請求項５３から５９のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６１】
前記積層半導体が、窒化ガリウムを含有するかまたはそれによって形成される均質な半導体層と、前記基板ベースと間隔を置いて面した側の層に配置された窒化アルミニウムガリウムであり、０．１＜＝ｙ＜＝０．３であるＡｌｙＧａ１−ｙＮからなるカバー層とを含むことを特徴とする、請求項５３から６０のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６２】
前記カバー層が、前記積層半導体からエッチングされて形成された隆起した領域またはメサ領域内部に残り、外部には残らないように、前記積層半導体がエッチングされることを特徴とする、請求項６１に記載の製造方法。
【請求項６３】
前記基板ベースと前記均質な半導体層との面間隔によって生じる離間領域は、非金属および非半導体材料により少なくとも部分的に満たされることを特徴とする、請求項５３から６２のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６４】
前記積層半導体の少なくとも１つの層が、ｐ型ドーピングまたはｎ型ドーピングされることを特徴とする、請求項５３から６３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６５】
前記エッチングマスキングが、アルミニウムを含むかまたはそれによって形成されるマスクにより実行されることを特徴とする、請求項５３から６４のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６６】
前記離間領域および前記当接する領域におけるエッチングが、ケミカルドライエッチング法によるものであることを特徴とする、請求項５３から６５のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６７】
前記ケミカルドライエッチング法は、反応ガスにハロゲンガスを用いた反応イオンエッチング法によるものであり、前記ハロゲンガスが、塩素および／またはフッ素を有することを特徴とする、請求項６６に記載の製造方法。
【請求項６８】
前記ドライエッチング法が、添加ガスにより実行されることを特徴とする、請求項６６または６７に記載の製造方法。
【請求項６９】
オームメタライゼーション、および／または、ショットキーメタライゼーションが、導電コンタクト、または、電気コンタクト層として適用されることを特徴とする、請求項５３から６８のいずれか一項に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、III族窒化物（窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウムなどを含む）半導体構造を有するセンサ素子に関する。物理的変数の変化（音響振動、加速、偏向、または、温度などにおけるガスまたは流体の流れなどの静圧およびまたは動圧における変化）は、半導体構造が、その圧電特性により変化する物理的変数を電気出力変数または対応する出力信号に変換することによって決定される。以下、III族または第III主族元素は、元素周期表のIII族の略語を用いて説明する。
【背景技術】
【０００２】
III族窒化物半導体によるマイクロセンサは、すでに公知の技術である。特許文献１（米国特許公報６，０６６，３１９Ａ１号）では、基板に連結された微小膜が示されている。圧力が変化すると、膜に膨らみが生じる。この膨らみは、該膜に取り付けられた応力センサにより検知され、該応力センサにより電気的に測定可能な信号に変換される。
【特許文献１】米国特許公報６，０６６，３１９Ａ１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した従来技術に鑑み、本発明は、カンチレバーが一体化された均質な半導体層を有する半導体センサ素子を基板上に提供することを目的とする。前記カンチレバーが一体化された均質な半導体層は、それ自体の圧電性質により、その空間状態（例えば偏向）を変化させることにより、物理的変数における変化を測定可能な電気出力信号に変換する。そしてこの信号は、均質な半導体層の上、および／または、下に直接取り付けられたコンタクトを導通させることにより、該均質な半導体から直接伝達されることができる。  本発明は、さらに、本発明に従う対応する測定方法、および、対応する半導体センサ素子の構造化方法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】
【０００４】
本発明の目的は、請求項１に記載のセンサ素子、請求項５０に記載の測定方法、および、請求項５３に記載の半導体構造化方法により達成される。本発明に従うセンサ素子、または、本発明に従う方法の改良点は、それぞれの従属請求項に記載されている。
【０００５】
ここでは均質な半導体層という観点から、III族窒化物（例えば窒化ガリウム）半導体材料からなる層全体が均一に構成されていると理解してよい。それに対し、ヘテロ構造は、少なくとも２つの均質な半導体層が交互に配置されている（例えば、窒化ガリウム層の上がアルミウム窒化ガリウム層である窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウムへテロ構造）。
【０００６】
本発明に従い用いられる窒化ガリウム、窒化アルミニウム、または、窒化インジウムなどのIII族窒化物半導体構造は、従来の構造と比較して、その圧電特性により特徴付けられる。前記特性は、結晶上で等軸化され、材料の歪みに依存する分極が生じるため、機械センサ技術に用いることができる。前記分極は、例えば異なる材料（窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウムヘテロ構造など）の表面、または、その接合面における電荷担体密度における電荷により評価される。電荷は、分極によって直接生じる。本発明に従うセンサの原理は、格子における機械的変化であり、結果として、構造内において電気的に測定可能な変化をもたらす。論理的には、材料内の分極が変化するので、格子定数における変化を伴い、ヘテロ構造チャネルにおける電荷担体密度も変化する。本発明に従うセンサ素子を生成する１つの可能性は、ヘテロ構造チャネル内の電荷担体密度が十分になることにより確実となる。しかしながら、本発明に従うセンサ構造を得ようとする場合、ヘテロ構造の特性、または、ヘテロ構造チャネルの特性だけが限定して用いられるわけではない。均一な半導体層（例えばドープされていない窒化ガリウムからできた）を用いても、十分な高信号偏向率が達成できることが示されている。センサ用途には、１つの容量材料（窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化アルミニウム、窒化アルミニウムガリウム、窒化インジウムガリウム）だけで十分である。圧電材料特性は、導電性を生じさせる目的で、異質な元素をドーピングすることなく構造を生成するために用いられることができる。同様に、ドーピングとの組み合わせも可能である（例えば、接触を良くするための容量材料のｐまたはｎ型ドーピング）。材料の圧電性が容量材料または構造における自由電荷担体に影響を及ぼすことから、センサ構成要素を生成する目的で、圧電特性の操作が本発明に従い用いられる。したがって、構成要素における自由電荷担体密度への外部からの影響が利用される。
【０００７】
処理可能な基板（特にシリコン基板が望ましい）上に生成された構成要素は、本発明に部分的にまたは完全に従い、前記基板から取り除かれる。
【０００８】
容量材料を機械的に曲げることにより、それぞれの曲げ方向に従い、前記容量材料内にｐまたはｎ型電荷担体が生成される。したがって、それぞれの層においてｐ型コンタクトとｎ型コンタクトとを用いることができるようになる。このようなタイプのコンタクトのダイオード動作により、電流は対応する湾曲に沿い流れることができ、反対方向の湾曲に沿っては流れない。
【０００９】
また、本発明によれば、例えばIII族窒化によるダイオード構造またはトランジスタ構成要素を生成することにより、センサ構成要素と電気または電子回路とを一体化することが可能になる。これらは、例えば、補償回路（外部影響に対する）、または、増幅回路（信号増幅用の）であってよい。
【００１０】
本発明に従う半導体センサ素子は、基板ベースと、該基板ベース上に配置されたIII族窒化物による均一な半導体層とを有する。基板ベースに面した均一な半導体層の表面は、該基板ベースと少なくとも部分的に当接しない部分を有するか、または、前記均一な半導体層に面した基板ベースの表面から間隔を置いて配置され、かつ、半導体センサ素子により決定される物理的変数における変化に基づき、均質な半導体層により生成され得る電気出力信号を伝達するための少なくとも２つの導電コンタクトが、前記均質な半導体層の上、および／または、下に配置されるか、あるいは、該均質な半導体層内に一体化されることにより特徴付けられる。
【００１１】
本発明に従う半導体センサ素子の第１の好適な実施例においては、均一な半導体層の離間領域内には少なくとも１つのコンタクトが配置される。前記離間領域は、基板ベースに直接当接していないか、または、該基板ベースの表面から間隔を置いて配置されており、離間していない領域内には、少なくとも１つのコンタクトが配置される。前記離間していない領域は、基板ベースに当接しているか、または、基板ベースの表面と間隔を置かずに配置される。
【００１２】
本発明のさらなる好適な実施例においては、均質な半導体層は、該均質な半導体層に面した基板ベースの表面に対し垂直な方向に、該均質な半導体層の非メサ領域より厚みのある隆起した領域またはメサ領域を有する。この領域は、均質な半導体層に面した基板ベースの表面と平行な方向で前記非メサ領域と当接する。それによって、前記隆起した領域、または、メサ領域は、好ましくは、均質な半導体層に面した基板ベースの表面と平行な方向で該均質な半導体層の離間領域上に一部延び、かつ、該均一な半導体層の非離間領域上に一部延びるよう、配置される。また、それによって、前記離間領域から非離間領域への遷移は、隆起した領域またはメサ領域の中心領域における均一な半導体層に面した基板ベースの表面と平行な方向に実行される。さらなる好適な実施例においては、前記コンタクトの少なくとも１つは、隆起した領域またはメサ領域の外縁部の領域上、および／または、領域内に直接配置される。さらなる好適な実施例においては、均質な半導体層に面した基板ベースの表面に対し垂直な方向における非メサ領域内の均質な半導体層は、０．２ミクロンメートル以上５０ミクロンメートル以下、特に、０．５ミクロンメートル以上５ミクロンメートル以下の厚みを有し、あるいは／また、隆起した領域またはメサ領域における均質な半導体層は、非メサ領域の厚みに加え、２０ナノメートル以上１０００ナノメートル以下、特に、５０ナノメートル以上３００ナノメートル以下の厚みを有する。更なる好適な実施例においては、基板ベースは、シリコンで形成される。さらなる好適な実施例においては、均質な半導体層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ、または、ＩｎｘＡｌ１−ｘＮを相対原子量０＜＝ｘ＜＝１．０で含む。均質な半導体層は、特に好ましくは、窒化ガリウムから形成される。さらなる好適な実施例においては、均質な半導体層と、基板ベースとの間の面間隔により生じた離間領域が満たされていないため、基板ベースに関し、半導体層が少なくとも部分的に片持ちされた状態になっている。さらなる実施例では、前記離間領域は、非金属および非半導体材料で少なくとも部分的に満たされることができる。よって、材料は、特に、センサ素子の熱伝導特性、および／または、機械特性、および／または、高周波特性が向上するように選択される必要がある。例えば、充填材は、以下を個別に、または、基本的に任意の組み合わせで使用してもよい。ＳｉＯ２、ＳｉｘＮｙ（特にＳｉＮ）、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン：ダイヤモンドのような炭素）、ダイヤモンド、シリコンのような充填材、Ａｌ２Ｏ３、熱伝導プラスチック材料（特に、ダウコーニングＱ３−３６００、１−４１ｘｘ、および／または、ＳＥ４４ｘｘ）。前述の実施例において、均質な半導体層は、ドーピングされないか、ｐ型不純物をドーピングするか、または、ｎ型不純物をドーピングするかのいずれかが可能である。さらなる好適な実施例においては、容量材料に代わり、ヘテロ構造が用いられる。このため、ベース基板から距離を置いて面した側の均一な半導体層上に、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ、ＩｎｙＧａ１−ｙＮ、または、ＩｎｙＡｌ１−ｙＮが相対元素量＜＝ｙ＜＝１．０で配置される。その結果、カバー層は、隆起した領域またはメサ領域上にだけ好ましくは配置され、非メサ領域にはかぶさらないのが好ましい。特に好ましくは、カバー層は、元素量０．１＜＝ｙ＜＝０．３のＡｌＧａＮから形成され、とりわけ好ましい元素量は、０．１５＜＝ｙ＜＝０．２５である。その結果、カバー層は、機械的に変形される。また、前記カバー層も、ドーピングされないか、ｐ型不純物をドーピングするか、または、ｎ型不純物をドーピングするかが可能である。そして、さらに、対応する半導体層をカバー層の上に配置することができる。ドーピングの実施例のケースでは、ドーピング材料の含有量は、ｃｍ３あたり最高約１０20であるのがよい。ドーピング材料としては、シリコンおよび／またはマグネシウムが適しており、容量ドーピング、および／または、パルスドーピングに用いることができる。
【００１３】
上述の導電コンタクトは、ｐ型および／またはｎ型であると好都合である。ヘテロ構造の実施例においては、導電コンタクトは、それを介し、電気出力信号（ヘテロ構造チャネル内で生成されたもの）が均質な半導体層とカバー層との間の遷移領域で生成されるよう、都合よく配置され、それによってカバー層は導通される。そのために、導電コンタクトが、均質な半導体層とカバー層との間の接合面に都合よく直接配置される。また、さらに、導電コンタクトは、ｎ型コンタクトのためのチタンおよび／またはアルミニウムを含むかそこから形成されるか、あるいは、ｐ型コンタクトのためのニッケルおよび／または金を含むかまたはそこから形成されるメタライゼーションを有する。メタライゼーションの厚みは、ここでは、最高１０００ｎｍまでが好適であり、特に、２００ｎｍまでが好ましい。
【００１４】
決定される物理的変数は、圧力、温度、力、偏向、または、加速度などである。均一な半導体層またはヘテロ構造の空間状態における変化は、形状、容量、構造、１つの表面、または、単純に、基板ベースに関する偏向または膨張となる。出力信号は、特に、電流、電圧、または、電気抵抗の形で検出されるか、または、それらにおける変化において検出されることができる。本発明に従うさらなる好適な実施例においては、均一な半導体層は、１つまたはそれ以上のアンカーポイントで基板ベースに接続され、アンカーポイントで接続された均一な半導体層の部分の少なくとも一部が、基板ベースに関し片持ちされた状態になり、決定される物理的変数における変化により、基板ベースに対し直接偏向できる。さらなる実施例においては、センサ素子または均質な半導体層は、III族窒化物半導体構造からなる集積電気または電子回路による機能ユニットとして構成される。好ましくは、前記回路は、ダイオード構造、トランジスタ素子、または、温度センサ素子を有する。それらは、補償回路、または、特に信号増幅のための増幅回路であってよい。さらなる実施例における出力信号は、ショットキーコンタクトにより伝達されることができる。前記回路は、ホイートストンブリッジとして構成されることができる。
【発明の効果】
【００１５】
前述の本発明に従う半導体センサ素子は、以下に列挙する効果を有する。
【００１６】
・III族窒化物による集積電子回路を備える機能ユニットにおける新規なセンサ用途を生成できる。
【００１７】
・経済的で新規なセンサ素子が、シリコン基板との組み合わせにおいて、再現的に生成可能になる。
【００１８】
・センサまたはマイクロメカニクス技術分野において多用途となり得る。また、例えば高温用途の分野において、センサ素子のIII族窒化物の材料特性により、新規な適用分野が広がる。
【００１９】
・センサ自体が物理的変数を電気信号に直接変換するカンチレバーに支持された能動素子であるため、該センサ自体を予め歪ませるか変形させることができる。その結果、例えば温度補償が可能になる。
【００２０】
本発明に従うセンサ素子は、以降の例の１つにおいて具現、使用、または、生成されることができる。個別の例に対応する図面において、センサ素子の対応するかまたは同一な構成要素は、同じ参照符号を付して示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１ａのＡは、本発明に従うセンサ素子の７つの異なる実施例を示す。各部分図１ａのＡからＧにおいて、１つの実施例は、基板ベース層１上の平面図で示される。各実施例は、シリコン基板１を有し、かつ、均一な半導体層２、または、基板１を予め完全に覆っている全体層をエッチングした後に残る所望の幾何学構造の一部がその上に配置される。（残りの）均一な半導体層２の一部２ａは、カンチレバーに支持された構造を有する。すなわち、一端が支持された部分２ａは、決定される物理的変数の影響により偏向可能なように、基板１内にエッチングされたキャビティ６の上に配置される。一端が支持された部分２ａ、または、均一な半導体層２は、数量不定のアンカーポイント３を介し、基板１に接続される。一端が支持された部分２ａの偏向により、材料（均質な半導体層２の容量材料）における分極が変化し、その結果、材料内における電荷担体密度が変化するか、または、均質な半導体層２の上にさらなる層が適用されることにより、材料表面、または、異なる表面との接合面にヘテロ構造が表れた場合、シリコン基板１上のキャビティ６の端に適用され、均質な半導体層２またはそのアンカーポイント３上に配置され、かつ、半導体層に当接するコンタクト５により、前記へテロ構造には、好ましくは、変化する電流が流される。図１ａのＡにおいて、均質な半導体層２の片持ちされた偏向可能な部分２ａは、基本的にＹ字形のバーであるように、３つのアンカーポイント３を介し、基板ベース１に接続される。３つのアンカーポイント３と、３つの関連するコンタクト５ａ−５ｃとは、Ｙ字または対応するバーの３つの端部に配置される。Ｙ字バー形状は、小さな機械的偏向により電荷担体密度において大きな変化が期待できるという効果をもたらす。図１ａのＢにおいて、均質な半導体層２の片持ちされた偏向可能な部分２ａは、基本的にＵ字形であるように、エッチングされたキャビティ６の同じ側にある均質な半導体層２の２つのアンカーポイント３を介し、基板ベース１に接続される。２つのアンカーポイントと、関連するコンタクト５ａおよび５ｂとは、Ｕ字または対応するバーの両端に配置され、結果的に、キャビティ６の同じ側端部に配置されることになる。Ｕ字バーを用いることにより、直線の二重固定バーを用いた場合と同様に、反対方向の湾曲により生ずる補償なしに、基板端部近くに湾曲歪みをもたらす効果を測定することができる。図１ａのＣおよびＥは、片持ちされた偏向可能な部分２ａが、４つのアンカーポイント３を介し、基本的にＸまたはＨ字バーとなるように基板ベースに接続されている状態を示す。４つのアンカーポイントは、ＸまたはＨ字バーの４つの端部に配置される。ＸまたはＨ形状構造は、異なる測定経路の選択を可能にするか、または、４つのコンタクト５ａ−５ｄの中から信号タッピングに用いられるコンタクトの選択を可能にする効果をもたらす。図１ａのＤは、均質な半導体層２の片持ちされた偏向可能な部分２ａが基本的に二重の櫛形バーであるように、多数のアンカーポイント３を介し、基板ベース１に接続されるケースを示す。アンカーポイント３またはコンタクト５ａおよび５ｂは、櫛の歯の端、または、個別のバーの端にそれぞれ配置される。櫛形のバーは、普通の直線のバーに比べ感度が優れているという利点をもつ。図１ａのＦは、均質な半導体層２の片持ちされた偏向可能な部分２ａが、線形バーになるように、正確には１つのアンカーポイント３を介し、基板ベース１に接続されているケースを示す。アンカーポイント３は、バーの一端に配置され、該アンカーポイント３には第１のコンタクト５が配置される。対向するコンタクト（図示せず）は、自由バー端で部分２ａ内に一体化される。図１ａのＧは、片持ちされた偏向可能な部分２ａが、正確には２つのアンカーポイント３を介し基板ベース１に接続されるケースを示す。ここでは、両側が固定された片持ちされた線形バーが生成される。２つのアンカーポイント３は、関連するコンタクト５ａおよび５ｂと同じように線形バーの両端に位置する。少なくとも２つの真向かいに位置するアンカーポイント３をもつ構造、すなわち、上から見ると、エッチングされたキャビティ６の２つの対向する側に位置するアンカーポイント３は、中心の偏向により、対応するバーを介し、表面全体を歪ませることが可能であり、すなわち、曲げ半径における拡張、圧縮と同様に、バーの伸長、ひいては基本セルの拡張ができるようになるという利点をもつ。
【００２２】
図１ｂおよび１ｃは、本発明に従うさらなる２つのセンサ構造を示す。これらのセンサ構造は、図１ａのＦに示されたセンサ構造と似通った構成を有する。すなわち、半導体層２の支持されていない側２ａ（図の右側）がキャリアに接続されていない状態で、基板１の片側（図の左側）だけに配置される。２つの図示された構造は、基板１の一部に配置され、かつ、エッチングされたキャビティ６の上で片持ちされた部分（領域２ａ）内に配置される窒化ガリウムバッファ層２を有する。窒化アルミニウムガリウム９からなるメサ状のカバー層９は、基板１の上の一部分と、エッチングされたキャビティ６の上の一部分とにメサがくるように、窒化ガリウムバッファ層２ａ上に配置される。オームコンタクト（図では５ａおよび５ｂの２つのコンタクトとしているが、それより多数のコンタクトが適用可能である）は、支持領域（上記構造１）から支持されていない半導体領域（上記エッチングされたキャビティ６）までの遷移の端に適合される。図１ｂで示される構成では、２つの接点５ａおよび５ｂは、メサ９においてバーの伸長に対し横方向（基板１のキャビティ６への方向、または、図における左から右の方向）に適合される。コンタクト５ｂは遷移前、コンタクト５ａは、遷移後である。支持されていない領域２ａにおける遷移の後ろに適合されたオームコンタクト５ａは、メサ９に沿う給電線１１により遷移の前の領域へと電気的に誘導される。第２のコンタクト５ｂにもこのような給電線１１が同様に設けられる。図１ｃで示される構成においては、２つのオームコンタクト５ａおよび５ｂは、バーの伸長に対し長手方向に適合される。一方は、メサ９の上端、もう一方は、メサ９の下端である。この場合、コンタクト５ａおよび５ｂは、基板１の上の支持された領域から支持されていない領域２ａへと半導体材料２が遷移する領域と交差する。トランジスタのゲート（好ましくは、ショットキーコンタクト形式）に類似した制御コンタクト１０をオームコンタクト５ａおよび５ｂの１つから一定の間隔をおいて任意に配置することも可能である（図中折線で示す）。前記間隔は、０．３ミクロンメートルから０．５ミクロンメートルが好ましい。ゲート１０にも同様に給電線１１が設けられる。さらなる制御コンタクトまたはゲートを同様に配置または使用することも可能である。
【００２３】
図２ａは、本発明に従う加速度センサを示す。この加速度センサは、平面図に示した通りであり、その基本的な構造は、図１で示された（同一の構成要素は同一の参照番号が付されている）センサ構造に対応する。加速度センサは、窒化ガリウムからなり、かつ、四分の一円形状に形成される２つの片持ちされたバー２ａを有する。前記バーは、シリコン基板１の基板端部で２つのアンカーポイント３にそれぞれ装着される。各バー２ａは、図示されたセクションの四角いエッチングされないキャビティ６の端部に相互に当接する２つのアンカーポイント３を有する。アンカーポイント３またはバー２ａは、均一な半導体層２の窒化ガリウムからなる部分２ｂを介し互いに接続される。前記部分は、片持ちされておらず、基板端部１ａの近く、または、キャビティ６の端部に配置される。前記部分２ｂは、各バー２ａの２つのアンカーポイント３をそれぞれ接続する。コンタクト５は、部分２ｂの上に配置される。片持ちされた部分２ａの上には、図示されたセクションにおける四角い振動質量４が加速度センサの中心部分として配置される。前記質量は、エッチングされたキャビティ６の上にすべて位置し、かつ、２つの湾曲したバー２ａ、または、関連する４つのアンカーポイント３だけを介して基板ベースに接続される。構造８の重要性は、図２ｂ（図２aの加速度センサの一部を示す）の説明において明らかにする。センサを加速した場合、振動質量４は、その無効位置から偏向される。振動質量４の偏向により、バー部分２ａが変形し、その結果、基板端部における測定ストリップ２ａの抵抗に変化が生じる。測定ストリップの抵抗における変化は、ホイートストン回路を介し、コンタクト５を用いて測定される。センサ構造または回路は、動作ポイントの調整または補償に用いられるゲート（好ましくは、ショットキー回路のような、例えば厚さ２００ナノメートル、好ましくは、２０ナノメートルのニッケル層および銀層のメタライゼーションによる）を任意で備えてもよい。
【００２４】
図２ｂは、図２ａに示された加速度センサの一部を示す。均質な半導体層２の部分２ａおよび２ｂは、領域８ａ、８ｂ、および、９を除くすべての場所にメタライゼーション層を含む。それによって、領域９は、図示されたアンカーポイント３の上に直接配置され、一部片持ちされ（領域９の下部分）、一部片持ちされない（領域９の上部分またはアンカーポイントの上）。部分８ａ、８ｂ、および、９は、均質な半導体層２の隆起した領域またはメサ領域を表わす。すなわち、２ａおよび２ｂの残りの領域に対し均質な半導体層２の厚みが増す領域である。窒化ガリウムからなる均質な半導体層２の代わりに、窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウムからなるヘテロ構造を用いた場合、該へテロ構造は、領域９、８ａ、および、８ｂ内だけに現れ、残りの領域２ａおよび２ｂには、窒化ガリウムからなり、かつ、メタライゼーションを含むバッファ領域だけが現れる。その後、メサ部分８ａ、８ｂ、および、９は、抵抗器とされる。図示された加速度センサの場合、領域９は、すべてメサであり、また、ここだけメタライゼーションが中断されるので、使用される電気信号は、メサ領域９におけるアンカーポイント３の領域内、または、支持されない領域から固定される領域までの対応する遷移領域内で半孤２ａごとに生成される。基板上に固定された状態で配置された均質な半導体層２の支持されていないバー２ａの残りの領域および部分２ｂの残りの領域には、バッファ材料（窒化ガリウム容量材料）だけが残る。前述の構成では、完全に閉じたメタライゼーションが最上部にあるので、部分９に対応しない片持ちされた部分２ａの領域（領域９と振動質量への遷移領域との間の部分、および、振動質量の領域において支持されていない領域）内の信号変化は活用されない。均質な半導体層２の部分２ｂにおいては、半導体層２が屈曲しないので、信号は生成されない。すでに述べたように、図示された構成の測定ストリップの抵抗における変化は、ホイートストン回路を介し、コンタクト５を用いて測定される。図示された構成においては、構造および動作モードは、アンカーポイント３における未知の抵抗器と（図示された構成における合計２つの抵抗器９、図２a参照）、および、同じく未知の、前記抵抗器９と同様に生成され、同一の抵抗値を有する抵抗器８ａおよび８ｂとを有するホイールストンブリッジに対応する。抵抗器８ａおよび８ｂ（合計４つ、図２Ａ参照）は、並列回路におけるメタライゼーションによる、窒化ガリウムバーからなる４つの同一の支持されていない抵抗器であり、偏向されていない。振動質量４の偏向と同時に、４つの抵抗器９は、アンカーポイント３で変化するが、４つの抵抗器８は変化しないため、測定信号（または電流）は、結果として異なったものとなる。光あるいは温度といったすべての妨害の影響が抵抗器８同様抵抗器９にも同様に及ぶことにより、信号差を生じさせることなく振動質量４の本来の偏向を生じる。  抵抗器８および／または９は、任意でショットキーコンタクトのようなゲートにより構成されてもよい（図示せず）。
【００２５】
図２ｃおよび２ｄは、さらなる加速度センサを示す。前記図で示される加速度センサの基本構造は、図２ａおよび２ｂの加速度センサに対応するが、違いは、４つの抵抗器（９Ｒ１、９Ｒ３、９Ｒ５および９Ｒ７）をアンカーポイント３に追加した点である。前記抵抗器は、質量４の偏向と同時に生じる信号を増加させる目的で、振動質量４から支持されていないバー２ａまでの遷移 (遷移領域７)において協働する。（図中、遷移領域７における抵抗器は、参照符号９Ｒ２、９Ｒ４、９Ｒ６および９Ｒ８を付して示す。）質量４の偏向と同時に、遷移領域７は、アンカーポイント３において偏向領域と正反対の方向に湾曲するため、反対方向の効果が期待できる。配線において、抵抗器は、効果が累加されるようにホイーストンブリッジ内に電気的に配置される。例えば、９Ｒ１が下方に偏向されると、９Ｒ２は、上方に偏向される。これは、９Ｒ７（下方）および９Ｒ８（上方）に関しても同様である。９Ｒ１が上述の偏向により大きくなると仮定した場合、９Ｒ７（および９Ｒ３、９Ｒ５）も同様に大きくなり、抵抗器９Ｒ２および９Ｒ８（同じく９Ｒ４および９Ｒ６も）は小さくなる。しかしながら、対の抵抗器９Ｒ１と９Ｒ７、および、９Ｒ２と９Ｒ８は、回路内の「交差点」に電気的に配置されているため、効果が累加され、偏向している間に、高電荷および高測定信号が生じることになる。これは、偏向していない状態とは対照的である。回路の原理を図２ｄに再び示す。参照符号５ａおよび５ｂは、測定に必要な入力電圧（Ｕｉｎ）が印加されるコンタクトを示し、参照符号５ｃおよび５ｄは、測定の間に電圧または電流がタップされるコンタクトである。図示された回路内では、動作前のブリッジは、０に調整されていなければならない。そのため、例えば、測定ポイント５ｃおよび５ｄにおける電流は、コンタクト５ｂおよび５ａに電圧が印加されるときに測定される。  その結果、偏向なしの値が生成される。電流における変化のすべては、抵抗器９の偏向に変化が起きると同時に生じ、抵抗器９またはその値が正確に知られることなしに偏向の測定値となる。（さもなければ、ホイートストン回路の平均）。また、抵抗器は、ゲート（図示せず）によって構成されてもよい。妨害の影響は、図２ｂの抵抗器８と同様に、偏向されない基準抵抗器を介し較正されることができる。抵抗器９が個別に電気的アクセス可能にされる場合、または、適切な配線によりいわば電気的に起動される場合、すなわち、抵抗器９の個々の抵抗値が測定される場合、質量４の対称な偏向がもう生成されず、その結果、抵抗器９もそれらの値を場所の関数として変更するので、質量４の偏向方向を示すこともできる（例えば、地面の上の車の位置など）。
【００２６】
図２ｅおよび図２ｆは、支持されないバー形式でのさらなる加速度センサを示す。以降説明するこのセンサは、加速度以外の物理的変数を検出するセンサと類似した構造内で用いることもできる。窒化ガリウムからなる均質な半導体層２の支持されないバー２ａは、矩形のメサ９、または、対応する隆起した部分９を有する。窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウムからなるヘテロ構造の場合、窒化アルミニウムガリウムのカバー層は、メサ領域９における窒化ガリウムからなるバッファ層上に存在する。図示されたケースにおけるコンタクトは、ファン・デル・ポーによる４ポイント構造である。すなわち、メサ９は、その４つのコーナーで、給電線１１を介しコンタクト５ａ−５ｄに接続される。分離線Ｔの上の領域（すなわち領域Ｔｏ）において、均質な半導体層２は、片持ちされておらず、分離線Ｔの下の領域（領域Ｔｕ）では、均質な半導体層２は、片持ち状とされる。（領域２ａ）。メサ９は、片持ち状とされた領域から片持ちされていない領域までの遷移領域に配置されるか、または、一部が均質な半導体層２の片持ちされない側に、また、一部が片持ちされる側に配置される（均質な半導体層の領域２ａ）。図示された加速度センサの場合、信号は、ホール効果により決定される。層導電率およびホール抵抗が決定されると、そこから電荷担体のタイプ、電荷担体密度、および、電荷担体可動性が決定できる。ファン・デル・ポーによる４ポイント構造としての実施例に代わり、ホールバー構造として回路を構成することもできる。コンタクト５ａ−５ｄは、オームコンタクトであり、窒化ガリウムバッファ上に給電線１１を走らせる。
【００２７】
図２ｇおよび２ｈは、ホール効果測定方法とともに用いられるファン・デル・ポー構造の他の実施例を示す。均質な半導体構造膜２、および、上からエッチングするための４つの開口１２ａから１２ｄの走査型電子顕微鏡による図であり、４つの給電線１３、および、４つのオームコンタクト１４も示されている（給電線１３は、コンタクト１４から内側方向、すなわち、開口１２の領域へと先細りに延びる）。
【００２８】
エッチング終了後、支持されていない膜部分２ｃが画像の中心領域（領域２ｃ）に生成される。この部分は、機械力または流れ圧力などにより偏向可能である。
【００２９】
図３ａは、本発明に従う圧力センサを示し、図１および２ですでに説明したセンサと同じ構成要素を有する。本実施例の圧力センサの場合、窒化ガリウムからなる均質な半導体層２の片持ちされた偏向可能な部分２ａは、円形膜２ｃとして形成される。アンカーポイント３の領域において、膜２ｃは、２つのメサ、または、隆起した部分９ａおよび９ｂを有し、この場合、窒化ガリウム層上に窒化アルミニウムガリウム層が配置される。前記メサまたは抵抗領域には、窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウムへテロ構造だけが存在する。膜２ｃの両側における圧力が異なる場合、抵抗領域９が隆起する。その下にあるエッチングされたキャビティ６も、同じく円形である。隆起により、基板端部の膜２ｃ（基板端部１ａにおける片持ちされた部分２ａおよび片持ちされない部分２ｂ）はその分極状態の変化における結果として変形する。ヘテロ構造チャネルまたはメサ領域９ａおよび９ｂにおいて、窒化アルミニウムガリウム層と窒化ガリウム層との間の接合面で電荷担体密度および累積が生じ、コンタクト５により出力信号として伝達される。コンタクト５は、窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウム積層のヘテロ構造チャネルに直接配置される。
【００３０】
出力信号とその変化は、抵抗バー、または、メサ領域９ａおよび９ｂを介し測定される。膜２ｃの上側と下側との圧力差は、抵抗バーまたはメサ領域９ａおよび９ｂの隆起を介し測定される。センサの温度独立性は、ホイートストン回路により確立される。このホイートストンブリッジの補正機能のためには、２つの一定標準抵抗が必要である。主要膜２ｃの左右２つの半円膜２ｄのアンカーポイントにおける２つの抵抗器９ｃおよび９ｄは、この要件を満たす。膜２ｃの場合と同様に、膜２ｄにおいては、抵抗またはメサ領域９内だけにヘテロ構造が存在する（あるいは窒化ガリウムバッファ内だけ）。両方の膜２ｄは、窒化ガリウムバッファが除去された領域を有し（極左または極右領域６ａおよび６ｂ）、その結果、圧力差が無くなり、膜２ｄは歪みなしで形成されることが可能になる。結果的には、抵抗器９ｃおよび９ｂのどちらも非圧力依存性のままであるが、回路が温度の影響を受けないようする非温度依存性ではない。基板端部１ａ全体における歪みが均等なることにより、膜の周囲の形状が幾何学的に生じ、膜２ｃは、最大安定度を得ることができる。ここで任意に用いられ、かつ、好ましくはショットキーコンタクトのように構成されるゲート（図の左下１０）は、動作ポイントを調整する役割を果たす。図３aに示される圧力センサの回路動作モードは、図２ａから２ｄにおいて説明された加速度センサの回路動作モードと同じである。すなわち、４つの抵抗器９ａ−９ｄが用いられ、そのうち２つの抵抗器９ａおよび９ｂは、アネロイドダイヤフラムまたは膜２ｃ上にあり、他の２つの抵抗器９ｃおよび９ｄは、半円形膜２ｄ上にある。すでに述べたように、膜２ｃは、アネロイドダイヤフラムまたは膜２ｃの下に封じ込められたガス容量に比べ、膜２ｃの上の圧力が高いかまたは低い場合に偏向されることができる。窒化ガリウムバッファ（６ａおよび６ｂ）が取り除かれた領域をもつことにより、膜２ｄには封じ込められたガス容量が存在しないので、該膜２ｄは、偏向されず、抵抗器９ｃおよび９ｄが基準抵抗としての役割を果たす。圧力が変化した場合、ダイヤフラム２ｃ上の２つの抵抗器９ａおよび９ｂは変化するが、他の２つの基準抵抗器９ｃおよび９ｄは変化しない。４つの抵抗器９ａ―９ｄのホイートストンブリッジにより、電流の変化（４つの抵抗器すべておよび２つの基準抵抗器９ｃおよび９ｄに均等に作用する、例えば温度などによる妨害は偏向されないので、それとは無関係）は、抵抗器９の値を再び実際に認識しなくても、測定することが可能になる。有効な抵抗器９ａ―９ｄは、支持された半導体２ｂが支持されない半導体２ａに遷移する領域３に位置し、すでに述べたように、メサ状に形成される。すなわち、膜２ｃおよび２ｄそれ自体だけで窒化ガリウムバッファを構成するようになる。図２ａ−２ｄで用いられたホイートストン回路に比べ、抵抗器９ａおよび９ｄの幅ｂは、より高い効果（個々のセンサ素子の並列回路がいわば抵抗器９の方向ｂに沿って存在するのでより高い電流）が得られるよう基本的に大きい。しかしながら、加速度センサがほとんど動作できなくなるので、このような大きい抵抗器を直ちに使用することはできない。図示されたゲート１０を有する��施例に代わり、ゲートなしの他の実施例も可能である。膜の形状としては、円形または半円形（例えば矩形または四角の領域）を使用してもよい。図３ｂは、ダイヤフラム２ｃまたは基準膜２ｄに用いられるエッチングされないキャビティ２ＤＩおよび２ＣＩの走査型電子顕微鏡画像を示す。
【００３１】
図４は、バー形状の片持ちされた能動均質半導体層を生成するために用いられる試験体の層構造を概略的に示す。試験体のベースは、約３００ミクロンメートルの厚みを有するシリコン基板１を形成する。このシリコン基板上に窒化ガリウムからなる厚さ約１．７ミクロンメートルの均質な半導体層２ｆが適用される。次に、この半導体層２ｆの上に、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎからなる厚さ約２０ナノメートルのカバー層２ｅが適用される。このようにして、図示された試験体からヘテロ構造センサ素子が生成される。
【００３２】
図５は、本発明に従うヘテロ構造センサ素子の生成における基本的ステップであるバー構造のアンダーエッチングを概略的に示す。図５を用い、本発明に従うセンサ素子を生成する半導体構造化方法の他のステップすべてを説明することもできる。まず、均質な半導体層２ｆとカバー層２ｅ（窒化ガリウムまたはＡｌ０．２Ｇａ０．８Ｎ）の複合体から所望の表面領域のメサがエッチングされ、ベース領域の外側のヘテロ構造２ｅおよび２ｆが基板ベース１に至るまでエッチングされる。残りのメサは、図５の右上（２ｅおよび２ｆの部分）に示されている。アンダーエッチングされる領域（図右のメサ領域２ｅおよび２ｆと、図左の基板領域）は、アルミニウムマスク７で覆われる。続いて、被覆領域は、反応性ガスにハロゲンを用いる反応性イオンエッチング法によりエッチングされる。以下の例で用いられるドライエッチング法は、酸素が豊富なＣＦ４プラズマを使用する。エッチングは、イオンの対応する加速度により生成される機械的成分（ＣＦ４／Ｏ２）、および、化学エッチング成分（フッ素イオン）により結果的に実行される。
【００３３】
図６は、片持ちされたバー（すなわち、非金属および非半導体材料で充填されていない離間領域を有する）、または、図５を参照して説明されたエッチングプロセスにより生成されたシリコン基板１上に、窒化ガリウムからなる片持ちされた均質な半導体層２ｆの基本構造を示す。片持ちされたバー２ｆは、シリコン基板１の左端または右端で支持される。概略的に図示されるセンサ素子の中心には、均質な半導体層２ｆの下のキャビティ６が示される。このキャビティは、図５で説明したエッチングプロセスにより生成されたもので、その深さｄは約１５０ナノメートルである。片持ちされた能動均質半導体層２ｆの頂側部に、２つのコンタクト５ａ（バーの左端）、および、５ｂ（バーの右端）が直接取り付けられることにより、バー２ｆの屈曲または偏向と同時に生成される電気信号をピックアップまたは伝達できるようになる。
【００３４】
図７は、本発明に従う加速度センサの断面図である。断面は、基板表面に対し垂直である。図は、厚みｄ１が３００ミクロンメートルであるシリコン基板１を示す。このシリコン基板１の上に均質な窒化ガリウム半導体層２ｆが配置される。中間部または中心部がアンダーエッチングされることにより、基板１は、層２ｆの下の立法形領域（キャビティ６）においては、少なくとも一部剥離し、また、該立法形領域（キャビティ６）の端部においては、完全に剥離し（その結果層２ｆの下側は完全に露出する）、さらに、該立法形領域の内側では、完全に剥離しないので、層２ｆと接している基板が残り、振動質量４を形成する。図示された構造において、均質なＧａＮ半導体層２ｆは、カンチレバー保持棒または膜を形成し、該保持棒または膜は、基板１の少なくとも２つの領域（左右側に示された）と、振動質量４が半ば宙吊りになった状態で中心に装着されたその上とで支持される。振動質量４は、加速度効果により、上方または下方に偏向される（図の矢印）。基板表面から間隔を置いて面したその表面において、均質な半導体層２ｆは、２つの隆起した部分または２つのメサ領域を有する。各メサ領域は、基板表面と平行な方向（図では左から右）、または、半導体層２ｆの表面と平行な方向に延びる。各メサ領域は、均質な半導体層２ｆの下側が基板１から剥離する領域上で、該均質な半導体層２ｆが基板１によって支持される領域から、該均質な半導体層２ｆの下に振動質量４が配置される領域まで延びる。メサ領域外側の層２ｆの厚みは、図示されたケースでは、ｄ２＝１．７ミクロンメートルである（通常、好ましくは、０．５ミクロンメートルから３ミクロンメートル）。メサ領域においては、層２ｆの厚みは、１．９３ミクロンメートルである（通常、メサ領域における層の追加の厚みは、好ましくは、１７０ナノメートルから２９０ナノメートル）。窒化アルミニウムガリウムからなるカバー層２ｅは、層２ｆのメサ上に載置され、その結果、メサ領域にヘテロ構造が形成される。カバー層２ｅの厚みは、２０ナノメートル（通常、好ましくは、１０ナノメートルから３０ナノメートル）であり、その結果、メサの高さは、ｄ３＝２５０ナノメートルとなる（コンタクト５はなし）。図示した加速度センサは、本発明に従うヘテロ構造を有する。窒化ガリウム層２ｆと窒化アルミニウムガリウムカバー層２ｅ（すなわちメサ領域）との接合面に、ヘテロ構造チャネル２ｇが配置される。各メサには、２つの接触領域がヘテロ構造チャネル２ｇと当接して配置される。それぞれの接触領域は、片持ちされない領域（すなわち基板支持１の上の領域）内、および、片持ちされる領域内の接触領域（基板層１が層２ｆの下から除かれる領域の上および宙吊りの振動質量４の領域内）内に配置される。図示された４つの接触領域それぞれは、半導体層２ｅおよび２ｆ内のヘテロ構造チャネル２ｇ（またはそこへの接合面）に合金することにより生成される接触領域（参照番号２ｈとして表される領域）と、該接触領域２ｈの上に適用される金属コンタクト５とを含む。金属コンタクト５には、給電線１１が設けられる。振動質量４が加速度の影響により上方または下方に偏向された場合、ヘテロ構造領域内またはメサ領域内で電気信号が生成される。この電気信号が生成される領域は、参照符号Ｂとして表される。その後、信号は、接触領域２ｈを介し、伝達され、コンタクト５ａから５ｂへ、そして給電線にも伝達される。この流れは、流れ線１５として表される。その結果、接触領域は、ヘテロ構造チャネル２ｇに直接配置される。この場合の構造において重要な点は、抵抗領域またはメサ領域それぞれが、ヘテロ構造または層２ｅおよび２ｆの固定領域内（すなわち、ヘテロ構造または層２ｆがシリコン基板１により支持される領域内）に配置されること、および、抵抗領域またはメサ領域それぞれの他のコンタクトが自由に吊着された膜領域または残りのバー領域に位置していることである。図示されたケースでは、固定から自由への遷移は、メサ領域のほぼ真ん中より下である。この構造の場合、メサは、ある特定の長手方向の一部でだけ具体的に特定されるので、この長手方向の一部において生じる１つの曲線だけが結果として測定信号を生じる。メサ領域は、偏向の間に生じる曲線が最大になる領域内に好適に配置される。例えば２つのコンタクトが固定領域（すなわちシリコン基板１の上 ）に配置され、かつ、膜の上に部分的に延びる閉じたヘテロ構造の長手方向部分により接続される（その結果生じた湾曲は部分的に反対方向に延びる）配置に関し、本実施例は、反対方向に延び、結果としてきわめて小さくなる曲線により生じた信号成分は考慮せず、むしろ信号成分が極めて高くなるという利点がある。図示したケースでは、膜またはバーが偏向する間に、そのために電気的閉鎖経路の長さまたは要素、あるいは、材料内の湾曲すべてが信号に寄与するわけではない。図示した配置の本発明に従う構造の場合、本質的にヘテロ構造は、メサの領域内でだけ維持され（半導体の有効な活性領域が位置する）、メサまたは対応する領域の外側において、ヘテロ構造がエッチングされ、均質層２ｆだけが残りの膜または残りの保持バーとして存在する。この状況では、コンタクト５は、メサ領域の外縁部に好適に配置される。図７の下部領域に図示された走査電子顕微鏡像は、立法形領域がすでにエッチングされ、振動質量４が検出できるところからシリコン基板１を見た図を示す。図７に示されたセンサ、および、その他図示されたすべてのセンサは、ヘテロ構造の形式をとらずに構成されることもできる（すなわち、均質な半導体層２ｆだけでもよい）。センサ機能は、メサ領域の幾何学的定義により確実なものとなる。これは、適切なエッチングによるものである。残りの膜材料（バッファまたは非メサ領域）に寄生効果が接触するのを防止するために、メサに、適切なエッチング深度（材料に従う）を与えることができる。信号または効果強度が材料のタイプに従い変化することから、効果は、バルク材料によって最大になると仮定することができる。
【００３５】
図８aＩ、８ａＩＩ、８ｂおよび8ｃは、片側に、または、アンカーポイントに装着された片持ちされたバー形式による、本発明に従うセンサ要素を示す。これらは、アンカーポイントの反対側に位置するバー端部に装着された犠牲膜により生成されたものである。予め決められた極限２１を介し犠牲膜２ｋに最初に接続する３つのバーが図８aＩおよびａＩＩに示されている。さらに、５ａから５ｄの４つの電気的コンタクトが、給電線１１を介し、メサ９と接続している状態が示されている。前記メサは、すでに説明したように、一部支持されていない領域に配置され、一部半導体構造層２の固定領域上に配置されている。図示された半導体構造は、以下のように生成される。まず、第１のエッチングにより、メサ９（ある割合の窒化ガリウム層２ｆおよび窒化アルミニウムガリウム層２ｅ）を生成する（電流が貫流する活性領域）。第１のエッチングにおける深度は、２００ナノメートルから５００ナノメートルである。第２のエッチングステップにおいて、メサ９の外側に領域２ｆ−Ｔがエッチングされる。前記領域は、それ自体がバー構造または片持ちされたバー構造２ａを定義する（これによって窒化ガリウムの上部がエッチングされて完全に基板１に達する）。このタイプの窒化ガリウム層の構造化は、好ましくは、キャビティ６のエッチングが上述の結果もたらされるときに用いられる。キャビティ６のエッチングが裏側から行われると（図中参照符号ＲＡとして表される）、シリコン基板を用いたＩＣＰ標準方法を使用した場合と同じように、その幾何学的形状を定義する目的で、上記エッチングは十分深くまで行われる（例えば、バーまたはバー構造を定義するため部分的に「深いメサ」として指定される）。一方、前記エッチングは、２ステップで適用されることもできる。図示したケースでは、回路は、ゲート１０により構成される。図示したセンサ要素は、［１１１］シリコン基板の上側から酸素を添加した反応ガスＣＦ４を用いてケミカルドライエッチングすることにより生成されている。シリコン基板の［１１１］表面を用いるのは、III族窒化物の六角形格子構造をもつからである。エッチングは、基本的に裏側と表側から進行する。裏側からのエッチングには、標準的な方法（ＩＣＰ、ボッシュプロセス）を用いることができる。裏側のエッチングは、ＲＩＥ法（反応性イオンエッチング）でも実行できる。表側のエッチングは、好ましくはＲＩＥ法によって実行される。前述ように予め決められた極限２１をもつ犠牲膜２ｋが用いられた場合、極めて長く細いバーを生成することができる。例えばバーの幅がわずか１ミクロンメートルであるのに対し長さは１００ミクロンメートルにできる。このようなバーは、犠牲膜２ｋを次の支持されていないバー端部２ａに適用して、（予め決められた極限２ｋをもつ膜への機械的圧力による）エッチング後に実際のバー２ａから除去することにより得られる。図８ｂは、予め決められた極限２１を介し犠牲膜２ｋとまだ接続した状態の２つのバー２ａが見える操作電子顕微鏡像を示す。図８ｃは、前述のように生成された３つの細い支持されていないバー２ａ１、２ａ２、および、２ａ３を示す。一番上のバー２ａ１は、長さ１００ミクロンメートル、幅１ミクロンメートルを有する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１ａ】本発明に従うセンサ素子の形状を構成するさまざまな可能性を示す。
【図１ｂ】本発明に従うセンサ素子の形状を構成するさまざまな可能性を示す。
【図１ｃ】本発明に従うセンサ素子の形状を構成するさまざまな可能性を示す。
【図２ａ】本発明に従う加速度センサを示す。
【図２ｂ】本発明に従う加速度センサを示す。
【図２ｃ】本発明に従う加速度センサを示す。
【図２ｄ】本発明に従う加速度センサを示す。
【図２ｅ】本発明に従う加速度センサを示す。
【図２ｆ】本発明に従う加速度センサを示す。
【図２ｇ】本発明に従う加速度センサを示す。
【図２ｈ】本発明に従う加速度センサを示す。
【図３ａ】本発明に従う圧力センサを示す。
【図３ｂ】本発明に従う圧力センサを示す。
【図４】本発明に従うセンサ素子を生成することが可能な半導体試験体の層構造を示す。
【図５】本発明に従うセンサ素子を生成可能なエッチング機構を示す。
【図６】シリコン基板上に窒化アルミニウムガリウム／窒化ガリウムからなるカンチレバーを備える本発明に従うセンサ素子の概略側面図
【図７】ヘテロ構造をもつ加速度センサの断面図
【図８ａＩ】本発明に従う屈曲バーの実施例を示す。
【図８ａＩＩ】本発明に従う屈曲バーの実施例を示す。
【図８ｂ】本発明に従う屈曲バーの実施例を示す。
【図８ｃ】本発明に従う屈曲バーの実施例を示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図２ｆ】
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【図２ｇ】
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【図２ｈ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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８ａＩ】
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【図８ａＩＩ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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