JP4434109B2

JP4434109B2 - 電気・音響変換素子

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Inventors: 隆東; 晋一郎梅村; 達也永田; 宏福田; 俊太郎町田; 利之峰
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Description

本発明は超音波を送受信するトランスデューサに係り、特にシリコンを基材とするダイアフラム型超音波トランスデューサに関する。

20世紀後半における超音波技術の大きな発展と普及を支えていたのは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系圧電セラミックスに代表される大きくかつ安定した圧電性をもつ圧電材料と、それを用いた圧電トランスデューサ、さらにその圧電トランスデューサとマッチングの良い半導体送受信回路の進歩であった。

19世紀後半にキュリー兄弟が発見した圧電現象を利用することによって、20世紀初頭、人類は超音波を送受信する試みを開始した。ところが、彼らが圧電現象を発見した水晶は、クロックに現在用いられているほど安定した圧電特性をもつものの、電気・機械変換効率が低いために、特に、受信トランスデューサとしての感度が低く、これが大きな難点であった。その後、この電気・機械変換効率が極めて高いロッシェル塩が発見された。ロッシェル塩は、潮解性が大きく結晶の安定性に問題があり、結果として安定した圧電特性を得るには特別の注意が必要であった。しかし、第２次世界大戦中にはこれに代わるものはなく、これを超音波トランスデューサに仕上げ、これを用いてソナーが開発された。この大戦直後に、電気・機械変換効率が高く、しかも安定しているチタン酸バリウムの圧電性が発見された。チタン酸バリウムは、セラミックであるために製作形状の自由度が高いという長所も持ち合わせ、ここに、「圧電セラミックス」という概念が誕生した。これに続き、20世紀後半に入って、チタン酸バリウムよりもキュリー点が高く、このためさらに安定した圧電特性をもつチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックが発見され、実用に供する超音波トランスデューサに広く用いられるようになり、現在に至っている。

一方、このような超音波トランスデューサに付随して、送信時にはこれを駆動し、受信時にはこれの受けた電気信号を増幅する電子回路が必要であるが、第２次世界大戦中に開発されたソナーの時代から1970年頃までは、真空管により構成された回路が使用されていた。この大戦直後のトランジスタの発明以後、いち早く半導体化された可聴周波数域用の電子回路に比べ、超音波用は、動作周波数域が高いために、半導体化が20年ほど遅れる結果となった。特に、送信用の駆動回路には、高電圧にて動作することが要求され、その半導体化には高速サイリスタの実用化を待つ必要があり、その普及には、高耐圧電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の実用化を待つ必要があった。

上記のように、圧電セラミックス系超音波トランスデューサは、現在も、実用に供する超音波トランスデューサの大半を占めているが、これを置き換えるべく、文献１（Proceedings of 1994 IEEE Ultrasonics Symposium 1241-1244頁）に記載されているものに代表されるような、半導体マイクロ加工技術により微細なダイアフラム型のトランスデューサを構築する研究開発が、1990年代より始まった。

その典型的基本構造は、図１に示したように、空隙４を挟んで基板１とダイアフラム５双方に設けた電極２および３がコンデンサを形成するものである。この電極間に電圧を印加すれば、両電極上に反対符号の電荷が誘起され、互いに引力を及ぼしあうので、ダイアフラムが変位する。このとき、ダイアフラムの外側が水や生体に接していれば、これらの媒体中に音波を放射する。これが送信における電気・機械変換の原理である。一方、ＤＣバイアス電圧を印加して電極上に一定の電荷が誘起しておいて、ダイアフラムの接している媒体から強制的に振動を加え、ダイアフラムに変位を与えると、変位に対応する電圧が付加的に生ずる。後者の受信における機械・電気変換の原理は、可聴音域のマイクロフォンとして用いられているＤＣバイアス型コンデンサマイクロフォンの原理と同じである。
シリコンのように機械的に硬い材料で構成されていても、背面に空隙をもつダイアフラム構造になっているために、生体や水など機械的に柔らかい材料と良好な音響インピーダンス整合をとることができることが特長である。ＰＺＴを用いた従来型圧電トランスデューサの場合は、音響インピーダンスは材料固有の物性値として一定であるのに対し、ダイアフラム構造のみかけの音響インピーダンスは、材料だけでなく構造も反映している。そのため、対象物に合わせた設計の自由度がある。
また、前述のように受送信回路との組み合わせはトランスデューサにとって重要な点であるが、シリコンを基材として構成されていることは、受信回路や送信回路をトランスデューサ直近に一体化して構成し得るという特長につながる。最近では、開発が進み、送受信感度の上でも、ＰＺＴを用いた従来型圧電トランスデューサと比較するに足る水準にまで達している。
非特許文献２には、半導体ダイアフラム構造を用いたエレクトレット型のトランスデューサが開示されている。これは、図１ダイアフラム側の電極３と空隙４の間か、基盤側の電極２と空隙４の間のどちらか少なくとも一方に、電荷を蓄積した絶縁層５を設けている。この電荷蓄積型絶縁層を構成する材質として、非特許文献２や、３に示されているように、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などのシリコン化合物もしくは、これらの積層構造が用いられている。これらシリコン化合物の絶縁層は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）に代表される気相成長により形成されるが、結晶欠陥の量を制御することにより、化合物層の表面だけでなく、化合物層中にも電荷をトラップすることが可能である。そのため、あらかじめ高電界下で帯電させておくことで、ＤＣバイアス電圧の必要のない電気・音響変換素子として利用されている。

Proceedings of 1994 IEEE Ultrasonics Symposium 1241-1244頁

J. Acoust. Soc. Am. vol. 75 1984 1297-1298頁 IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation vol.3 No.4 1996 494-498頁

ところが、現実には、絶縁膜の帯電状態が不安定で、使用している間に、帯電した電荷量がドリフトしていく。そのため、電気・音響変換素子として最も基本的な特性である電気・音響変換効率が、ＤＣバイアス電圧を一定としたときにドリフトしまうという問題を生じている。

変換効率の大きさが満足すべきレベルにあったとしても、それが安定させづらいことは、前述のロッシェル塩の例を挙げるまでもなく、トランスデューサとしての実用化に大きな障害となる。変換効率のドリフトの影響は、デバイスの特性が経時変化するということに加えて、特に、このような電気・音響変換素子によりアレイ型変換器を構成するときに重大である。その影響は、電気・音響変換器全体としての感度がドリフトするだけにとどまらず、アレイ型変換器を構成する各素子の電気・音響変換特性がバラバラにドリフトすると、電気・音響変換器全体として送信および受信ビーム形成動作をさせたときの音響ノイズレベルが、著しく上昇してしまう危険性を生む。

従って、この電荷蓄積型のダイアフラム型電気・音響変換素子により、特にアレイ型変換器を構成し、その特性を実用に供するレベルにまで引き上げるためには、ドリフトの問題を克服することが、大きな電気・音響変換効率を得ることに次ぐ重要な課題である。

上記課題を解決するため、本発明では、シリコンまたはシリコン化合物を基材とする基板と、前記基板上または基板中に形成された第１の電極と、前記基板上に設けられたシリコンまたはシリコン化合物を基材とする薄膜と、前記薄膜上または薄膜中に形成された第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の間に設けられた空隙層と、前記第１の電極と前記第２の電極により与えられる電荷を蓄積する、前記第１の電極と前記第２の電極の間に設けられた電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層に蓄積された電荷量を測定するためのソース電極とドレイン電極とを有することを特徴とする電気・音響変換素子を提供する。このソース電極、ドレイン電極間の電気抵抗をモニタすることにより、電荷蓄積層中の電荷蓄積量の推定を行うことができる。

本発明によれば、電荷蓄積層中の電荷蓄積量のモニタを行うことができ、従来に比べ素子感度のばらつきの主因である素子特性のドリフトを抑圧することができる。また、送受信の超音波ビームの劣化を抑え、画像の方位分解能や、ダイナミックレンジの低下を防止することが出来る。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図２は、シリコンSiを基材とする本発明の電気・音響変換素子の断面図である。各層は、下の方から順に、下部電極２を兼ねるｎ型シリコン（Si）基板１、第一のシリコン化合物層、空隙層４、第二のシリコン化合物層５、アルミニウムよりなる上部電極３、第一のシリコン化合物層６である。この例におけるそれぞれの層の厚さは、空隙の下部に位置する第１のシリコン化合物層30 nm、空隙層100 nm、第２のシリコン化合物層200 nm、上部電極層200nm、上部電極の上部に位置する第１のシリコン化合物層1500 nmであり、ダイアフラム下部に位置する空隙の内径は50 mmである。第１のシリコン化合物層は、一般的な窒化シリコンSi₃N₄よりなり、ダイアフラムの機械的強度は、主に、上部電極の上部に位置するこの層が担う構造になっている。第２のシリコン化合物層中には、厚みが50nmの電荷蓄積層８が埋め込まれている。この電荷蓄積層８と電極の間のリーク電流を抑えるため、電荷蓄積層８を取り囲む第二のシリコン化合物はSiO_２などが用いられる。電荷蓄積層８は図６に示すように、下部電極１と空隙４の間の層を第二のシリコン化合物層７として、この中に埋め込む構成もとり得る。この場合、電荷蓄積層８を埋め込むため、先の図２の例では30nmであった、第１のシリコン化合物層を厚み200nmとして、材質を第二のシリコン化合物に変更、200nmあった第２のシリコン化合物層５を50nm程度（作製可能な範囲でなるべく薄く）にして、材質を第１のシリコン化合物層に変更する以外は、電荷蓄積層８が空隙の上下いずれにあっても本発明の目的を実施するにはなんら差異がない。

電荷蓄積層８の具体的な構造の例を図３，４，５に示す。まず図３の例では、第２のシリコン化合物層５の中に金属もしくはpoly-Siなどからなる導電層１１が形成されている。所謂フラッシュメモリなどの浮遊ゲートと同じ構造である。また図４に示す別の例では、第２のシリコン化合物層５の中に、やはり金属もしくはpoly-Siなどからなる導電体ドット１２が形成されている。更に図５に示す、別の例では、第２のシリコン化合物層５の中に、欠陥を多く含む窒化シリコンSi₃N₄層１３が形成されている。導電層１１を用いる場合は、電荷注入後の電荷の分布が予想しやすく、素子毎のばらつきも小さい。しかし第２のシリコン化合物層５に欠陥などがあり導電層１１と電極間で一度リークが起きてしまうと、導電層１１に蓄えられた電荷は全て、逃げてしまうという欠点がある。一方、導電体ドット１２や、欠陥を多く含む窒化シリコンSi₃N₄層１３を用いた場合には一度のリークで全電荷が失われるというリスクは小さいものの、均等に分布するように電荷を注入するのが難しいという欠点がある。これは、電荷が貯まる場所が、空間的にランダムであるため、素子毎にばらつくという問題に加えて、後で述べるように、Fowler-Nordheim型のトンネル電流などによって、電荷を注入しようとした際に、膜の中心部分と、端の部分で、空隙の厚みが異なるため、電界強度が異なり、膜の中心部分でのみ電荷の注入が行われるという欠点もある。

特に実際の素子を用いた場合に、内部応力のバラツキなどによって、膜の初期形状のバラツキ、すなわち素子毎の空隙層の厚みにバラツキがある場合には、同じ電圧を掛けても、接地する面積、すなわち電荷注入がなされる面積が異なり、素子毎の感度バラツキが生じる。図１４に示すように、第一のシリコン化合物層６の中心部分を下に凸な形状としておくと、接地する面積の素子毎のバラツキを抑えることが出来る。これは、内部応力のバラツキに比べ、膜の厚み、径のほうが小さいバラツキで製造可能であるからである。電荷蓄積層８の半径を前記の下に凸な部分の半径より小さくしておくと、図４や５にしめすような電荷蓄積層８の構造の場合でも、電荷注入がなされた部位の面積を一定に保つことが可能となる。

次に電荷注入の方法を説明する。図６に示す上下電極間に電圧を印加する前の状態から、DCバイアス（１００V程度）を印加すると、図７に示すように、膜の中心部が一番大きく変形し、コラプス電圧と呼ばれる値を超えると、膜の中心部が第二のシリコン化合物層７の表面に接地する。その状態で更に電圧を加えていくと、図８に示すように、接地する部分の長さが、電圧の上昇に伴い増えていく。図８は縦軸が変位／空隙層厚み、横軸が膜の中心からの距離／空隙層半径である。より厳密には、空隙層厚みとは、電圧印加や電荷蓄積前の初期の空隙層厚みを指す。変位の向きは図７での下向きを正としている。接地する前は上下電極間の距離は約350nmであったので、接地後には250nmまで減少するので、結果として、電界強度は1.4倍上昇する。そのため、接地している部分では、電荷蓄積層８と下部電極間の電界強度が大きくなり、この電荷蓄積層８と下部電極間のトンネル障壁層のバンド構造が変形し、Fowler−Nordheim型のトンネル電流が流れ、電荷蓄積層８に電荷が貯まる。この状態で、DCバイアスを低下させると、図９に示すように、再び上部膜と下部の層が離れ、上下電極間の電圧が下がった効果に加え、電極間の距離が離れた効果もあり、電界強度は小さくなり、FNトンネルは起きなくなる。そのため、一度電荷蓄積層８に局在した電荷は比較的長い寿命で、蓄積層８に留まることが可能となり、以後DCバイアスを加えずにACパルスを加えるだけで、ACパルスの振幅と、蓄積した電荷量に比例した振幅で、膜が振動し、超音波の送信が可能となる。また、外から超音波が来た場合には、DCバイアスを加えなくても、蓄積した電荷量と、膜の変形による静電容量の変化に比例した電流が上下の電極間に流れるので、超音波のセンサとしての利用が可能となる。電荷の注入方法としては、FNトンネルを用いる以外にホットエレクトロンを用いる方法もあるが、専用のトランジスタを内部に組み込む必要がある。実際に電荷が蓄積した場合の効果を試作素子の実験結果を用いて、説明する。図１３は横軸がDCバイアス電圧、縦軸が送受波の感度である。電荷が蓄積する前の送受波感度を実線、電荷蓄積後の送受波感度を点線で示す。電荷が蓄積する前は、DCバイアスが０Vのところで、送受波感度が０になり、DCバイアスの絶対値が大きくなるにしたがって、送受波感度も上昇する。一方、電荷蓄積後は、電荷蓄積量に応じて、点線に示すように送受波感度曲線がシフトする。図中のV1が、電荷蓄積前に使用しようとしていた駆動バイアス電圧に等しければ、電荷蓄積後は、バイアス電圧が不要になる。また、V1が電荷蓄積前の駆動電圧より小さい場合でも、電荷蓄積後のバイアス電圧を、V1の分だけ下げて使うことが可能となる。バイアス電圧が下がると、特に生体にあてて利用する場合の安全性が向上する、また送受波信号の信号処理回路の耐圧を低く設計できるなどの長所がある。

次に、蓄積電荷の経時変化に関して検討する。超音波の送信は、なるべく信号対雑音比が良好な状態で行いたいので、先の説明では図９の状態で、超音波トランスデューサとして用いると説明したが、実際は、ACパルスもコラプス電圧に近くなるまで、大きいところで用いるケースが多い。その場合、瞬時的には図７に示す、空隙４の厚みが０になる状態を経験することになる。共振周波数が１０MHzの場合には、1周期の10分の１程度の時間、すなわち10ns程度の間は接地している。これが超音波の送信毎に繰り返されるので、電荷注入と逆の過程で蓄積された電荷が上下いずれかの電極に戻ってしまう。先に記述したように、電荷蓄積型のダイアフラム超音波トランスデューサは電荷蓄積量に、送波および受波の感度がそれぞれ比例する。そのため、超音波トランスデューサの感度が経時的に劣化してしまう。例えば、発電プラントの配管厚みを定期的にモニタリングするために、配管内に設置された非破壊検査目的の超音波トランスデューサの場合、感度が経時的に変化すると、厚みの経時変化モニタリングの精度を劣化させてしまう。また、本発明のトランスデューサを複数集め、アレイ型トランスデューサを作製した場合に、一般的に電荷蓄積量の経時的な変化のようなドリフト成分は、素子毎にことなるため、アレイ中の素子毎に感度が変化してしまうという課題がある。

そこで本発明では、例えば、図１０に示すように、トランスデューサ内部に蓄積電荷モニタリング機構を設けた。９、１０はそれぞれ、基板中に設けられたソース電極とドレイン電極であり、１４は第４のシリコン化合物である。例えばソース、ドレイン電極がN型半導体で形成され場合、第４のシリコン化合物１４は、反対にP型の半導体層で形成される。２は下部電極で１４より多くのドーピングが行われたシリコン化合物や、金属などで形成される。このソース・ドレイン間の電子伝導チャネルの抵抗は、電荷蓄積層８に蓄えられた電荷量に比例する。すなわち、電荷蓄積層８がゲートになった、電界効果型トランジスタと同じ構造をしているからである。よって、定期的に８と９の抵抗を測定することで、電荷蓄積層８に残る電荷量を推定することが可能となる。図１５に示すように、第４のシリコン化合物層１４を、互いにバンドギャップの異なる第４のシリコン化合物層１４と第５のシリコン化合物層１５で形成し、その界面を電界効果型トランジスタの電子伝道チャネルとして用いることも可能であり、伝道チャネルを空間的に局在させることにより、電荷蓄積層８の蓄積電荷に対する感度を高くすることも可能である。バンドギャップを変えるためには、例えば片方をシリコン、もう片方の層を炭化珪素とシリコンの混合物で形成することで実現出来る。この電荷蓄積量の変化に応じて、変化が小さいときは、変化分を補正係数として、補正するのに用い、変化分が大きい場合は再注入するといった判断の材料に用いることが可能となる。勿論、モニタリングをせずとも、定期的に再注入を繰り返すという使い方も考えうるが、トンネルの経路となる絶縁層は、過度に電流を流すことを繰り返すと、絶縁層の性状の劣化に繋がる。そのため、再注入は必要最小限に抑えることが望ましい。また、前記で説明した、発電プラントの配管中のように、あまりアクセス出来ない場所にセンサとして設置する場合は、小さい蓄積電荷の変化の場合は補正係数を用いるだけで済ませられることの長所は大きい。配管の定点のモニタリングなど、一つの電気音響変換素子を用いて、モニタリングする場合は基本的に補正で済ませ、メンテナンスの折などに、外部の電源を用いて電荷の再注入を行うという利用形態が考えられる。一方医療用の断層像を撮像する場合などは、素子ごとの感度バラツキが数ｄBあると、ｃｈ毎に送波電圧の補正と、受波感度の補正が必要になり、処理が煩雑と成るので、蓄積電荷の低下により感度が２から３ｄB低下した段階で、電荷再注入するという利用の仕方が考えられる。原理的には、蓄積電荷の変化による実効的なDCバイアスの低下分をACパルスの振幅の増大で補うことは可能である。しかしACパルス振幅を素子毎に変えてしまうと、個々の素子を駆動するアンプの非線形特性のバラツキが影響して、素子毎の感度補正結果にバラツキが出て、ビーム特性が劣化する。また、ACパルス振幅の補正でなく、蓄積電荷の効果に重畳して、印加するDCバイアスの値を素子毎に補正する方法もあるが、バイアス制御ライン毎に、電圧が大きく異なるのは、やはり素子毎の特性バラツキを与えることになる。以上の理由により、電気音響変換素子アレイに関しては、補正から電荷再注入に移行する際の閾値は低めに設定した方が望ましい。

蓄積電荷モニタリングの結果を用いた制御を図１２で説明する。電気音響変換素子１０１に接続された蓄積電荷モニタリング部１０２のモニタリングの結果、蓄積電荷の変化量が、制御部１０４にあらかじめ記憶された閾値以下の場合は、ここでは図示しない送波回路の送波振幅や受波回路の増幅率に対して、補正係数を変更する。閾値を超えた場合は、蓄積電荷注入部１０３により、電気音響変換素子１０１に対して、電荷の再注入が行われる。

電荷蓄積量のモニタリング方式として、電界効果型トランジスタ類似構造を用いる例を説明したが、別の実施の形態として蓄積電荷モニタリング機構をデバイスに組み込まず、システムとして蓄積電荷をモニタリングする手法もある。図１１に示すようにダイアフラムのインピーダンスの位相成分の周波数特性を評価することによっても可能である。ダイアムラムの電気機械変換効率が大きいと、インピーダンスの絶対値の極小点と極大点の距離は広がる。インピーダンスの絶対値の極小点と極大点の距離Δｆをモニタすることで、ダイアムラムの電気機械変換効率すなわち蓄積電荷をモニタすることが出来る。またインピーダンスの位相を使ってモニタリングすることも出来る。ダイアフラムの電気機械変換効率が高いすなわち、蓄積電荷が大きいときは、共振周波数近傍では、電気から機械エネルギーに変換される割合が大きいため、電気回路的には、ダイアフラムはインダクタンスとして振る舞い、共振周波数以外では、機械エネルギーへの変換効率は大きく下がり、ほとんどコンデンサとして振舞う。そのため、インピーダンスの位相成分は、図中に実線で示すように共振周波数（ｆｃ）以外では、-90°、共振周波数近傍では＋９０°となる。電荷蓄積量が減ってくると、+９０°のピークが図１１の点線に示すように小さくなってくるため、蓄積電荷の変化として検出可能となる。インピーダンスの絶対値と位相のいずれを用いて、モニタリングを行うかは、電気音響変換素子による。すなわち、空気中に音を送波するような場合は、電気音響変換素子のダイアフラムは、ほぼ負荷が無い状態で用いられるので、位相を用いて検出する方法の感度が高い。一方、生体や水また、非破壊検査用途のように、固体に対して送受波を行う場合は、ダイアフラムに対して送波対象物が大きな負荷となり、位相のピークはあまり観測できない場合もある。その場合は位相のピークの変化をモニタリングするより、インピーダンスの絶対値の変化をモニタリングする方が望ましい。図１１に示されるようなインピーダンスをモニタする具体的な手法を以下に説明する。上部電極と下部電極間に、パルス電圧を印加、両電極間に流れる電流をモニタする。パルス幅は、ｆｃの周波数成分に十分に感度を持つように設定すればよい。このときの電圧波形を周波数変換したものを、電流波形を周波数変換したもので、割り算をとることによって、複素インピーダンスの周波数特性が求まる。この複素成分を、絶対値と位相で表現すると、図１１に示すようなインピーダンスの位相が求まる。図１１では、周波数特性として、連続的に複数の周波数でのインピーダンスが現されているが、経時変化をモニタするには、周波数軸のサンプリングを離散的に粗く取ることでも目的は果たされる。その場合は、サンプリングを行う周波数でのsin波の電圧を両電極間に印加、電流を測定し、電圧と電流間の位相差を測定する方法もある。この場合、共振周波数が経時変化することに対処するために、３から１０箇所の周波数で測定し、周波数シフトの効果を補正しつつ、位相のピークの変化を検出する。

また別の実施例として、上下電極間の電流を常時モニタリングして、その積分値でもって判断するという方法も可能である。
ここまでの実施例においては、ダイアフラムの構造として、Si3N4の例を説明したが、他にも半導体プロセスで形成しやすい材料として、SiO2やSiC、poly-Siなど、更にはSi系以外でもGaAsなどの化合物半導体や、タングステンや銅などの金属を用いることも可能である。またポリイミドなどの高分子と、半導体の複合体をダイアフラムとして用いることも可能である。特に半導体部分が薄く、表面に保護膜としてポリイミドを付ける場合には保護膜としてのポリイミドがダイアフラムとしても機能することになる。電極としてはアルミニウムの例で説明を行ったが、勿論他の金属、銅や金、白金、タングステンなども利用可能である。また複数の金属の合金を持って電極とすることも可能であるし、導電性を制御した半導体を用いることも可能である。

半導体ダイアフラム型電気・音響変換素子の構造の概念を示す図。シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例についてその断面を示す図。シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例について電荷蓄積部を示す図。シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例について電荷蓄積部を示す図。シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例について電荷蓄積部を示す図。シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例についてその断面を示す図。シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例について電荷注入時の断面を示す図。膜の中心からの距離と、膜の変形量を示す図シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例について超音波送受信時の断面を示す図。シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例について特に蓄積電荷量モニタリング部を含む形態における断面を示す図。電荷蓄積量モニタリングの一形態を示す図。電荷蓄積量モニタリングのブロック図。電荷蓄積の結果、送受波感度のバイアス電圧依存性が変化することの説明図。シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例についてその断面を示す図。シリコンを基材とする本発明のダイアフラム型電気・音響変換素子の実施例について特に蓄積電荷量モニタリング部を含む形態における断面を示す図。

符号の説明

１…シリコン基板、２…下部電極、３…上部電極、４…空隙、５…第２のシリコン化合物層、６…第１のシリコン化合物層、７…第２のシリコン化合物層、８…電荷蓄積層、９…ソース電極、１０…ドレイン電極、11…導電層、12…導電粒、13…第３のシリコン化合物層、１４…第４のシリコン化合物、１５…第５のシリコン化合物、１０１…電気音響変換素子、１０２…蓄積電荷モニタリング部、１０３…蓄積電荷注入部、１０４…制御部。

Claims

シリコンまたはシリコン化合物を基材とする基板と、
前記基板上または基板中に形成された第１の電極と、
前記基板上に設けられたシリコンまたはシリコン化合物を基材とする薄膜と、
前記薄膜上または薄膜中に形成された第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に設けられた空隙層と、
前記第１の電極と前記第２の電極により与えられる電荷を蓄積する、前記第１の電極と前記第２の電極の間に設けられた電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層に蓄積された電荷量を測定するためのソース電極とドレイン電極とを有することを特徴とする電気・音響変換素子。
前記基板は互いに異なるバンドギャップを形成する第１のシリコン化合物層と第２シリコン化合物層とを有し、
前記第１のシリコン化合物層と前記第２シリコン化合物層は、前記第１のシリコン化合物層と前記第２シリコン化合物層の界面が、前記ソース電極と前記ドレイン電極の近傍に位置するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の電気・音響変換素子。
前記薄膜は前記空隙層の中心部近傍に凸部が形成されるような凸部を有することを特徴とする請求項１記載の電気・音響変換素子。
前記電荷蓄積層の内部に導電層を有することを特徴とする請求項１記載の電気・音響変換素子。
前記導電層はドット状に形成されていることを特徴とする請求項４記載の電気・音響変換素子。
前記電荷蓄積層は窒化シリコン層であることを特徴とする請求項１記載の電気・音響変換素子。
前記ソース電極と前記ドレイン電極は前記電荷蓄積層の端部近傍に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電気・音響変換素子。
前記電荷蓄積層の半径は前期凸部の半径より小さいことを特徴とする請求項３記載の電気・音響変換素子。
前記シリコン化合物は窒化シリコンであることを特徴とする請求項１記載の電気・音響変換素子。