JP7217876B2 - 電子素子、温度センサー、磁気センサー、振動センサーおよび加速度センサー - Google Patents
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Description
本発明は、電子素子、温度センサー、磁気センサー、振動センサーおよび加速度センサーに関する。
盛んに開発が進んでいるスマート社会では、小型で軽量な様々なセンサー、例えば温度、磁気、振動、加速度などのセンサーが求められている。
これらのセンサーは、プラットフォームを共通して製造されることが、生産効率的に好ましい。また、生産効率が高い共通プラットフォームで生産されると、品質管理が行き届くことから、一般に、生産物の品質も高まる。
したがって、これらのセンサーは、１つの多用途変換機（多用途トランスデューサ）をベースにして、各適用に応じて最適化して製造されるものであることが好ましい。
これらのセンサーは、プラットフォームを共通して製造されることが、生産効率的に好ましい。また、生産効率が高い共通プラットフォームで生産されると、品質管理が行き届くことから、一般に、生産物の品質も高まる。
したがって、これらのセンサーは、１つの多用途変換機（多用途トランスデューサ）をベースにして、各適用に応じて最適化して製造されるものであることが好ましい。
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）およびＮＥＭＳ（Ｎａｎｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）は、小型軽量の電子素子、機械素子および電子・機械特性を活用したトランスデューサを製造する上で好適な技術であり、様々な取り組みがなされている。
機械的共振を利用して検知し、電気信号を出力する、言い換えれば、機械振動を電気信号に変換するＭＥＭＳ、ＮＥＭＳトランスデューサでは、普通、共振子が用いられる。ここで、精度が高い共振子には、高い品質因子（Ｑ値）が求められる。
このようなトランスデューサの１つとしては、圧電薄膜を共振子とし、それを集積素子に組み込んだ圧電薄膜トランスデューサを挙げることができる（非特許文献１参照）。
圧電薄膜トランスデューサは、自己感知および駆動をすることができるという特徴がある。一方で、共振子として圧電薄膜が用いられていることにより、共振子は大きくエネルギーを散逸する。
このため、圧電薄膜トランスデューサは、品質因子が低く、高い性能を得るのが難しいという問題がある。さらに、この圧電薄膜トランスデューサは、使用可能な周波数帯域や温度範囲が狭いという問題もある。
圧電薄膜トランスデューサは、自己感知および駆動をすることができるという特徴がある。一方で、共振子として圧電薄膜が用いられていることにより、共振子は大きくエネルギーを散逸する。
このため、圧電薄膜トランスデューサは、品質因子が低く、高い性能を得るのが難しいという問題がある。さらに、この圧電薄膜トランスデューサは、使用可能な周波数帯域や温度範囲が狭いという問題もある。
静電駆動と静電容量検知によるオンチップＭＥＭＳ／ＮＥＭＳのトランスデューサ（静電型トランスデューサ）も知られている。これは、例えば、非特許文献２に公開されている。
この方法の静電型トランスデューサは、共振子を導電性あるいは半導体性とする必要があり、共振子は大きくエネルギーを散逸する。このため、静電型トランスデューサは、品質因子が低く、高い性能を得るのが難しいという問題がある。また、静電型トランスデューサは、静電気力が弱く、９０Ｖというような高い電圧を印加する必要があり、出力（スペクトル）の波形も歪むという問題もある。
この方法の静電型トランスデューサは、共振子を導電性あるいは半導体性とする必要があり、共振子は大きくエネルギーを散逸する。このため、静電型トランスデューサは、品質因子が低く、高い性能を得るのが難しいという問題がある。また、静電型トランスデューサは、静電気力が弱く、９０Ｖというような高い電圧を印加する必要があり、出力（スペクトル）の波形も歪むという問題もある。
また、非特許文献３に公開されているような誘電力を用いたトランスデューサ（誘電力型トランスデューサ）も知られている。この場合は、誘電力は一般に弱く、高電流のバイアスを必要とし、集積化が困難という問題がある。したがって、スマート社会を支えるような小型軽量省電力のトランスデューサには向いていないという問題がある。
Ｎａｔ．Ｎａｎｏｔｅｃｈ．，ｖｏｌ．１１，ｐ．２６３（２０１６）
ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２７，ｐ．４９５（２００６）
Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４５８，ｐ．１００１（２００９）
本発明が解決しようとしている課題は、高い品質因子を有していて精度の高い検知を行うことができ、それを比較的低電力で電気信号に変えることができる小型軽量の多用途型のトランスデューサである電子素子を提供することにある。併せて、８００℃というような高温まで使用可能な極めて広い温度領域で使用可能な上記電子素子を提供することにある。
また、極めて広い温度領域で使用でき、精度の高い検知を行うことができる小型軽量の温度センサー、磁気センサー、振動センサーおよび加速度センサーを提供することにある。
また、極めて広い温度領域で使用でき、精度の高い検知を行うことができる小型軽量の温度センサー、磁気センサー、振動センサーおよび加速度センサーを提供することにある。
本発明の構成を下記に示す。
（構成１）
ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極および圧抵抗電極を有する電子素子であって、
前記圧抵抗電極は、前記ソース電極および前記ドレイン電極と電気的に接続され、かつ剛性を有する基板上に支持部を介して形成された単結晶ダイヤモンドからなる梁上に形成された圧抵抗効果をもつ材料からなる、電子素子。
（構成２）
前記圧抵抗電極は、圧抵抗効果をもつ金属、合金、または金属化合物の少なくともいずれか１以上からなる、構成１記載の電子素子。
（構成３）
前記圧抵抗電極と前記単結晶ダイヤモンドとの界面に密着層が形成されている、構成１または２記載の電子素子。
（構成４）
前記密着層はＴｉからなる、構成３記載の電子素子。
（構成５）
前記圧抵抗電極は、前記梁上で２本以上の電極配線を有する、構成１から４のいずれか１記載の電子素子。
（構成６）
前記梁は、片持ち梁、両持ち梁または四方吊り梁のいずれか１である、構成１から５のいずれか１記載の電子素子。
（構成７）
前記圧抵抗電極は、ＦｅＧａまたはＮｂＦｅＢからなる、構成１から６のいずれか１記載の電子素子。
（構成８）
前記圧抵抗電極は、Ａｕ、Ｐｔ、およびＰｔ合金のいずれか１からなる、構成１から６のいずれか１記載の電子素子。
（構成９）
前記圧抵抗電極は、Ｎｉからなる、構成１から６のいずれか１記載の電子素子。
（構成１０）
前記圧抵抗電極は、Ｗ、Ｈｆ、ＴｉおよびＣｒの群から選ばれる１以上の金属の炭化物からなる、構成１から６のいずれか１記載の電子素子。
（構成１１）
構成１から１０のいずれか１記載の電子素子を有する、温度センサー。
（構成１２）
構成１から７のいずれか１記載の電子素子を有し、
前記圧抵抗電極が常磁性または強磁性を有する金属、合金、または金属化合物からなる、磁気センサー。
（構成１３）
構成１から１０のいずれか１記載の電子素子を有する、振動センサー。
（構成１４）
構成１から１０のいずれか１記載の電子素子を有する、加速度センサー。
（構成１）
ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極および圧抵抗電極を有する電子素子であって、
前記圧抵抗電極は、前記ソース電極および前記ドレイン電極と電気的に接続され、かつ剛性を有する基板上に支持部を介して形成された単結晶ダイヤモンドからなる梁上に形成された圧抵抗効果をもつ材料からなる、電子素子。
（構成２）
前記圧抵抗電極は、圧抵抗効果をもつ金属、合金、または金属化合物の少なくともいずれか１以上からなる、構成１記載の電子素子。
（構成３）
前記圧抵抗電極と前記単結晶ダイヤモンドとの界面に密着層が形成されている、構成１または２記載の電子素子。
（構成４）
前記密着層はＴｉからなる、構成３記載の電子素子。
（構成５）
前記圧抵抗電極は、前記梁上で２本以上の電極配線を有する、構成１から４のいずれか１記載の電子素子。
（構成６）
前記梁は、片持ち梁、両持ち梁または四方吊り梁のいずれか１である、構成１から５のいずれか１記載の電子素子。
（構成７）
前記圧抵抗電極は、ＦｅＧａまたはＮｂＦｅＢからなる、構成１から６のいずれか１記載の電子素子。
（構成８）
前記圧抵抗電極は、Ａｕ、Ｐｔ、およびＰｔ合金のいずれか１からなる、構成１から６のいずれか１記載の電子素子。
（構成９）
前記圧抵抗電極は、Ｎｉからなる、構成１から６のいずれか１記載の電子素子。
（構成１０）
前記圧抵抗電極は、Ｗ、Ｈｆ、ＴｉおよびＣｒの群から選ばれる１以上の金属の炭化物からなる、構成１から６のいずれか１記載の電子素子。
（構成１１）
構成１から１０のいずれか１記載の電子素子を有する、温度センサー。
（構成１２）
構成１から７のいずれか１記載の電子素子を有し、
前記圧抵抗電極が常磁性または強磁性を有する金属、合金、または金属化合物からなる、磁気センサー。
（構成１３）
構成１から１０のいずれか１記載の電子素子を有する、振動センサー。
（構成１４）
構成１から１０のいずれか１記載の電子素子を有する、加速度センサー。
本発明によれば、小型軽量で極めて高い品質因子を有し、高温化でも性能低下が少なくて適用温度範囲が広く、検知精度の高い、温度センサー、磁気センサー、振動センサー、加速度センサーなどに適用可能な電子素子（トランスデューサ）を提供することが可能になる。
（実施の形態１）
＜構造＞
最初に、本発明の電子素子の構造と構成を、図１および図２を参照しながら説明する。なお、図１は鳥瞰図で、図２（ａ）は図１に示した構造体の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡとＡ′を結んだ面で断面をとったときの断面図、そして図２（ｃ）は図２（ａ）のＢとＢ′を結んだ面で断面をとったときの断面図を示す。
＜構造＞
最初に、本発明の電子素子の構造と構成を、図１および図２を参照しながら説明する。なお、図１は鳥瞰図で、図２（ａ）は図１に示した構造体の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡとＡ′を結んだ面で断面をとったときの断面図、そして図２（ｃ）は図２（ａ）のＢとＢ′を結んだ面で断面をとったときの断面図を示す。
ダイヤモンド、特に単結晶ダイヤモンド（ＳＣＤ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉａｍｏｎｄ）は、高いヤング率、物質の中で最高の硬度、高い熱伝導率、疎水性の表面、高い腐食耐性など共振子（振動子）として好適な特性をイントリンシックに有している。このため、共振子の梁をダイヤモンドで作ることにより、高い品質因子（Ｑ値）の共振子を供給することが可能になる。この例としては、発明者による特許文献１を挙げることができる。
このことから、ＳＣＤを梁に用いた共振子を有し、電子回路も集積化されたオンチップ状のＭＥＭＳ／ＮＥＭＳトランスデューサが望まれるが、発明者の多大な検討により、ＳＣＤ自体から直接電気信号を得ることは難しく、またＳＣＤ上にＰＺＴのような圧電材料を直接形成して共振子を形成しても十分な品質因子を得ることは難しいという結論を得た。
さらに、様々な検討を加えた結果、下記の構造、構成の電子素子１０１により上記課題が解決され、上記効果が得られることを見出した。すなわち、本構造、構成の電子素子１０１は、小型軽量で極めて高い品質因子を有し、高温化でも性能低下が少なくて適用温度範囲の広い、検知精度の高い、温度センサー、磁気センサー、振動センサー、加速度センサーなどに適用可能な電子素子（トランスデューサ）になることを見出した。
さらに、様々な検討を加えた結果、下記の構造、構成の電子素子１０１により上記課題が解決され、上記効果が得られることを見出した。すなわち、本構造、構成の電子素子１０１は、小型軽量で極めて高い品質因子を有し、高温化でも性能低下が少なくて適用温度範囲の広い、検知精度の高い、温度センサー、磁気センサー、振動センサー、加速度センサーなどに適用可能な電子素子（トランスデューサ）になることを見出した。
本発明の電子装置１０１は、基体１１上に、支持部１３を介した単結晶ダイヤモンド層２１を有する。
ここで、基体１１は、十分な剛性を有する剛体であれば特に限定はないが、剛性、熱伝導性、耐熱性および製法を鑑みると、単結晶ダイヤモンドであることが好ましい。
支持部１３は、基体１１上の単結晶ダイヤモンド層２１を必要な剛性をもって支えることが可能な材料からなれば特に限定はないが、剛性、熱伝導性、耐熱性、この電子素子の製法を鑑みると、グラファイト改質層であることが好ましい。
支持部１３は、基体１１上の単結晶ダイヤモンド層２１を必要な剛性をもって支えることが可能な材料からなれば特に限定はないが、剛性、熱伝導性、耐熱性、この電子素子の製法を鑑みると、グラファイト改質層であることが好ましい。
単結晶ダイヤモンド層２１は、単結晶ダイヤモンド１２とその上に形成されたダイヤモンド・エピタキシャル層１４からなる２層膜の構造をとり、支持部１３上に形成された基部２３と梁部２２を有する。
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４は、所望の膜厚に制御して形成することが容易であり、単結晶ダイヤモンド層２１からなる梁部２２の固有振動数（共振周波数）を精度よく自由に設定する上で有用である。
但し、単結晶ダイヤモンド層２１を単結晶ダイヤモンド１２のみからなる単層膜とすることも可能である。この場合は、梁部２２が所望の共振周波数を有する膜厚になるように形成されていることが必要になる。
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４は、所望の膜厚に制御して形成することが容易であり、単結晶ダイヤモンド層２１からなる梁部２２の固有振動数（共振周波数）を精度よく自由に設定する上で有用である。
但し、単結晶ダイヤモンド層２１を単結晶ダイヤモンド１２のみからなる単層膜とすることも可能である。この場合は、梁部２２が所望の共振周波数を有する膜厚になるように形成されていることが必要になる。
梁部２２の大きさ（幅Ｗ、長さＬ、厚さＴ）は、梁部２２の共振の周波数（振動数）を決めるので、所望の共振周波数に合わせて適宜設定される。
基部２３のダイヤモンド・エピタキシャル層１４上にはソース電極１５とドレイン電極１６が形成され、梁部２２を挟んだ両脇の基体１１上にはゲート電極１８が形成される。
梁部２２のダイヤモンド・エピタキシャル層１４上には圧抵抗効果をもつ材料からなる圧抵抗電極１７が形成され、圧抵抗電極１７は少なくとも電気的にソース電極１５およびドレイン電極１６と繋がれている構造を有する。
梁部２２のダイヤモンド・エピタキシャル層１４上には圧抵抗効果をもつ材料からなる圧抵抗電極１７が形成され、圧抵抗電極１７は少なくとも電気的にソース電極１５およびドレイン電極１６と繋がれている構造を有する。
ソース電極１５およびドレイン電極１６は、導電性が高い材料であれば使用することができるが、圧抵抗電極１７とオーミック接合されるものが好ましい。また、加工性に優れるものが好ましく、耐環境性が高いとさらに好ましい。
ソース電極１５およびドレイン電極１６は、圧抵抗電極１７と異なる材料とすることができるが、同じ材料で形成することも可能である。同じ材料の場合は、ソース電極１５、ドレイン電極１６および圧抵抗電極１７を同時に形成することが可能であり、製造上のメリットがある。一方、異なる材料の場合は、ソース電極１５およびドレイン電極１６には高い導電率の材料を、また圧抵抗電極１７には圧抵抗効果の高い材料を選ぶことが容易になり、電子素子１０１の出力などの性能を高めやすいというメリットがある。
ソース電極１５およびドレイン電極１６は、圧抵抗電極１７と異なる材料とすることができるが、同じ材料で形成することも可能である。同じ材料の場合は、ソース電極１５、ドレイン電極１６および圧抵抗電極１７を同時に形成することが可能であり、製造上のメリットがある。一方、異なる材料の場合は、ソース電極１５およびドレイン電極１６には高い導電率の材料を、また圧抵抗電極１７には圧抵抗効果の高い材料を選ぶことが容易になり、電子素子１０１の出力などの性能を高めやすいというメリットがある。
ソース電極１５およびドレイン電極１６としては、具体的には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などの金属、これらの金属を含む合金および化合物を挙げることができる。ここで、代表的な化合物としては、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）を挙げることができる。また、ソース電極１５およびドレイン電極１６として、多結晶シリコン（ＰｏｌｙＳｉ）、鉄ガリウム（ＦｅＧａ）、ＮｂＦｅＢなどのネオジウム磁石を挙げることもできる。
ゲート電極１８は、導電性が高い材料であれば使用することができるが、ソース電極１５およびドレイン電極１６と同じ材料にすると、ゲート電極１８をソース電極１５およびドレイン電極１６と同時に形成することが可能になるので製造上好ましい。また、ゲート電極１８は、加工性に優れるものが好ましく、耐環境性が高いとさらに好ましい。
ゲート電極１８としては、具体的には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などの金属、これらの金属を含む合金および化合物を挙げることができる。ここで、代表的な化合物としては、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）を挙げることができる。また、ゲート電極１８として、多結晶シリコン（ＰｏｌｙＳｉ）を挙げることもできる。
ゲート電極１８としては、具体的には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）などの金属、これらの金属を含む合金および化合物を挙げることができる。ここで、代表的な化合物としては、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化クロム（ＣｒＣ）を挙げることができる。また、ゲート電極１８として、多結晶シリコン（ＰｏｌｙＳｉ）を挙げることもできる。
圧抵抗電極１７は、圧抵抗効果をもつ材料からなり、圧抵抗効果が大きいほど電子素子１０１の出力信号を大きくすることができる。そして、相対的にノイズレベルを下げることができるので好ましい。
この観点から、圧抵抗電極１７の材料は、ＮｉおよびＰｔ合金が好ましい。ＮｉおよびＰｔ合金は極めて大きな圧抵抗効果を発現する。
この観点から、圧抵抗電極１７の材料は、ＮｉおよびＰｔ合金が好ましい。ＮｉおよびＰｔ合金は極めて大きな圧抵抗効果を発現する。
また、圧抵抗電極１７は、環境腐食性の低い材料、すなわち大気（中の酸素）や硫化物、ＮＯｘ（窒素酸化物）等の汚染ガス環境に置かれたときに腐食、変質しにくい材料であることが好ましい。圧抵抗電極１７が環境腐食性の低い材料であると、電子素子１０１の動作が安定し、長期使用による特性変化が少なくなる。
この観点から、圧抵抗電極１７の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ，Ｒｈの群から選ばれる少なくとも１以上の金属あるいはＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ，Ｒｈの群から選ばれる少なくとも１以上の金属を含む合金が好ましく、この中でも特にＡｕ、ＰｔおよびＰｔ合金がより好ましい。
この観点から、圧抵抗電極１７の材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ，Ｒｈの群から選ばれる少なくとも１以上の金属あるいはＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ，Ｒｈの群から選ばれる少なくとも１以上の金属を含む合金が好ましく、この中でも特にＡｕ、ＰｔおよびＰｔ合金がより好ましい。
また、圧抵抗電極１７の材料としては、Ｗ，Ｈｆ，Ｔｉの群から選ばれる少なくとも１以上の金属の炭化物も好ましい。これらの材料は、環境腐食耐性に優れるとともに、ヤング率が比較的高く、単結晶ダイヤモンド層２１が主体となっている梁部２２を共振させたときの品質因子Ｑを高く保つ上で有用である。
また、電子素子１０１を磁気センサーとして使用するときは、圧抵抗電極１７は、圧抵抗効果をもつとともに、強磁性、常磁性などの磁場に応じて力が発生する磁場応答性の材料とする。具体例としては、鉄化合物、ニオブ磁性体を挙げることができ、特にＦｅＧａ、ＮｂＦｅＢが好ましい。
圧抵抗電極１７の材料は、梁部２２上のダイヤモンド・エピタキシャル層１４と密着性が高いことが好ましい。
密着性が不足すると、梁部２２の共振振動の際に圧抵抗電極１７が剥がれるという問題を起こしやすくなる。また、梁部２２が共振するときの品質因子Ｑの低下を招きやすいという問題が生じる。
密着性が不足すると、梁部２２の共振振動の際に圧抵抗電極１７が剥がれるという問題を起こしやすくなる。また、梁部２２が共振するときの品質因子Ｑの低下を招きやすいという問題が生じる。
圧抵抗電極１７の材料とダイヤモンド・エピタキシャル層１４の密着性が不足するときは、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４と圧抵抗電極１７の間に密着層を形成しておくことが好ましい。密着層としては、Ｔｉを好んで用いることができる。
ここで、密着層の膜厚は、十分な密着力を得るとともに、梁部２２の共振の際の品質因子Ｑへの影響を小さくする観点から、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
ここで、密着層の膜厚は、十分な密着力を得るとともに、梁部２２の共振の際の品質因子Ｑへの影響を小さくする観点から、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
図１および図２では、梁部２２が片持ち梁の場合を示したが、梁部２２は片持ち梁に限らない。
例えば、平面図である図３に示される電子装置１０２および１０３に見られるような両持ち梁（ブリッジ梁）でもよいし、同じく平面図である図４に示される電子装置１０４に見られるような四方吊り梁（ぺデスタル梁）でもよい。この場合、ソース電極１５およびドレイン電極１６は、電子装置１０２に見られるように別の基部２３にそれぞれ分かれて配置されていてもよいし、電子装置１０３に見られるように１つの基部２３に同居して配置されていてもよい。
ここで、片持ち梁の場合は、梁の振動の振幅を大きくとりやすく、その結果大きな出力信号を得やすいという特徴がある。
一方、両持ち梁の構造体は、強度が優れ、耐久性に富むという特長がある。
四方吊り梁の場合は、さらに強度が優れ、耐久性に富む。
例えば、平面図である図３に示される電子装置１０２および１０３に見られるような両持ち梁（ブリッジ梁）でもよいし、同じく平面図である図４に示される電子装置１０４に見られるような四方吊り梁（ぺデスタル梁）でもよい。この場合、ソース電極１５およびドレイン電極１６は、電子装置１０２に見られるように別の基部２３にそれぞれ分かれて配置されていてもよいし、電子装置１０３に見られるように１つの基部２３に同居して配置されていてもよい。
ここで、片持ち梁の場合は、梁の振動の振幅を大きくとりやすく、その結果大きな出力信号を得やすいという特徴がある。
一方、両持ち梁の構造体は、強度が優れ、耐久性に富むという特長がある。
四方吊り梁の場合は、さらに強度が優れ、耐久性に富む。
＜製法＞
次に、本発明の電子素子１０１の製造方法を、工程を示すフロー図である図５、および各工程での構造を示す図６および図７を参照しながら説明する。
次に、本発明の電子素子１０１の製造方法を、工程を示すフロー図である図５、および各工程での構造を示す図６および図７を参照しながら説明する。
本発明の電子素子１０１の製造工程は、図５に示すように、大きく分けて母体形成工程Ｃ１、形状形成工程Ｃ２および電極形成工程Ｃ３からなる。そして、母体形成工程Ｃ１は、基板準備工程Ｓ１、グラファイトライクカーボン損傷層を形成するイオン注入工程Ｓ２、ダイヤモンド・エピタキシャル層形成とグラファイト層を形成する工程Ｓ３、および結晶高品質化を行う熱処理工程Ｓ４からなる。形状形成工程Ｃ２は、エッチングマスク形成工程Ｓ５、ドライエッチング工程Ｓ６、およびウェットエッチング工程Ｓ７からなる。そして、電極工程Ｃ３は、電極形成工程Ｓ８とクリーニング工程Ｓ９からなり、クリーニング工程Ｓ９を終えるとダイヤモンド構造体が提供されて終了（Ｓ１０）となる。
以下、各工程につきその詳細を説明する。
１．基板準備工程（Ｓ１）
基板準備工程Ｓ１では、少なくとも表面の一部に単結晶ダイヤモンド層が形成された基板を準備する。
この基板としては、単結晶ダイヤモンド基板、単結晶ダイヤモンド基板上に単結晶ダイヤモンド層がエピタキシャル形成された基板、Ｓｉ基板、ポリカーボネート基板などのプラスチック基板、アルミニウム基板などの金属基板、合成石英基板などのガラス基板、ＳｉＣ基板などのセラミック基板など、剛性を有する基体上に劈開などで切り出された単結晶ダイヤモンド膜が貼り合わされた基板などを挙げることができる。
単結晶ダイヤモンド層としては、ノンドープの単結晶ダイヤモンドに加え、窒素、ホウ素、リンなどを添加したドープド単結晶ダイヤモンドを使用することもできる。単結晶ダイヤモンドの型としては、例えば、Ｉｂ型、ＩＩａ型を挙げることができる。また、単結晶ダイヤモンド層の面方位としては、（１００）面のほか、（１１１）面や（１１０）面などの任意の面を用いることができる。
基板準備工程Ｓ１では、少なくとも表面の一部に単結晶ダイヤモンド層が形成された基板を準備する。
この基板としては、単結晶ダイヤモンド基板、単結晶ダイヤモンド基板上に単結晶ダイヤモンド層がエピタキシャル形成された基板、Ｓｉ基板、ポリカーボネート基板などのプラスチック基板、アルミニウム基板などの金属基板、合成石英基板などのガラス基板、ＳｉＣ基板などのセラミック基板など、剛性を有する基体上に劈開などで切り出された単結晶ダイヤモンド膜が貼り合わされた基板などを挙げることができる。
単結晶ダイヤモンド層としては、ノンドープの単結晶ダイヤモンドに加え、窒素、ホウ素、リンなどを添加したドープド単結晶ダイヤモンドを使用することもできる。単結晶ダイヤモンドの型としては、例えば、Ｉｂ型、ＩＩａ型を挙げることができる。また、単結晶ダイヤモンド層の面方位としては、（１００）面のほか、（１１１）面や（１１０）面などの任意の面を用いることができる。
２．イオン注入工程（Ｓ２）
上記の単結晶ダイヤモンド基板の表面に選択的に高エネルギーイオン注入４１を行い、グラファイトライクカーボン損傷層１１ｂをダイヤモンド層中に形成する（図６（ａ））。より詳しく述べると、高エネルギーイオン注入４１を行って、ダイヤモンド層中にグラファイトライクカーボン損傷層１３ａを形成する。
この際、グラファイトライクカーボン損傷層１３ａの上の単結晶ダイヤモンド層１１ｂは、高エネルギーのイオンが打ち込まれるが、エネルギー的に大部分は通過するだけで大きな損傷は受けない。また、グラファイトライクカーボン損傷層１３ａより下の単結晶ダイヤモンド層１１ａは、高エネルギーイオン注入４１の影響を殆ど受けない。
上記の単結晶ダイヤモンド基板の表面に選択的に高エネルギーイオン注入４１を行い、グラファイトライクカーボン損傷層１１ｂをダイヤモンド層中に形成する（図６（ａ））。より詳しく述べると、高エネルギーイオン注入４１を行って、ダイヤモンド層中にグラファイトライクカーボン損傷層１３ａを形成する。
この際、グラファイトライクカーボン損傷層１３ａの上の単結晶ダイヤモンド層１１ｂは、高エネルギーのイオンが打ち込まれるが、エネルギー的に大部分は通過するだけで大きな損傷は受けない。また、グラファイトライクカーボン損傷層１３ａより下の単結晶ダイヤモンド層１１ａは、高エネルギーイオン注入４１の影響を殆ど受けない。
イオン注入のイオン種としては、ホウ素イオン（Ｂ+）、炭素イオン（Ｃ+）、水素イオン（Ｈｅ+）などを挙げることができる。イオンエネルギーとしては１８０ｋｅＶ以上１ＭｅＶ以下、ビーム電流としては１８０ｎＡ／ｃｍ2以上５００ｎＡ／ｃｍ2以下、注入角度としては０°以上７°以下、注入量としては１×１０16個／ｃｍ2以上５×１０16個／ｃｍ2以下を挙げることができる。
イオン注入後は、洗浄を行って表面をクリーニングする。この洗浄には、例えば、硝酸とフッ化水素酸からなる混酸溶液を用いることができる。
イオン注入後は、洗浄を行って表面をクリーニングする。この洗浄には、例えば、硝酸とフッ化水素酸からなる混酸溶液を用いることができる。
３．ダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程（Ｓ３）
この工程では、単結晶ダイヤモンド層上にダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａを成長させる（図６（ｂ））。ここで、このダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａを形成するときに加わる熱の影響で、単結晶ダイヤモンド層１１ｂは、高エネルギーのイオンが打ち込みの際に受けた損傷が回復され、品質の高い（単結晶性に優れた）単結晶ダイヤモンド層１３ｂになる。
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの形成方法としては、マイクロ波プラズマ気相成長（ＭＰＣＶＤ）法を挙げることができる。
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの膜厚は適宜決定すればよいが、例えば０．２μｍ以上５μｍ以下を挙げることができる。
この工程では、単結晶ダイヤモンド層上にダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａを成長させる（図６（ｂ））。ここで、このダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａを形成するときに加わる熱の影響で、単結晶ダイヤモンド層１１ｂは、高エネルギーのイオンが打ち込みの際に受けた損傷が回復され、品質の高い（単結晶性に優れた）単結晶ダイヤモンド層１３ｂになる。
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの形成方法としては、マイクロ波プラズマ気相成長（ＭＰＣＶＤ）法を挙げることができる。
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの膜厚は適宜決定すればよいが、例えば０．２μｍ以上５μｍ以下を挙げることができる。
ＭＰＣＶＤの原料ガスとしてはメタン（ＣＨ4）、キャリア（希釈）ガスとしては水素（Ｈ2）を挙げることができる。成膜条件の一例を挙げると、ＣＨ4の流量０．４ｓｃｃｍ、水素ガスの流量５００ｓｃｃｍ、成長中の圧力１０ＫＰａ、マイクロ波パワーの４００Ｗ、基板温度９６０℃、成長時間８時間を挙げることができる。ここで、この条件でのダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの厚さは約０．３μｍである。
ここで、成長終了後にメタンガスの供給を止め、その後、水素雰囲気下で基板温度に保持して、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの表面を水素終端された状態にすることが好ましい。
ここで、成長終了後にメタンガスの供給を止め、その後、水素雰囲気下で基板温度に保持して、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの表面を水素終端された状態にすることが好ましい。
その後、混酸溶液処理を行って表面に形成された伝導層を除去し、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの表面を酸素終端層とする。混酸溶液としては、硫酸と硝酸からなる混酸溶液を挙げることができ、例えば、体積比が硫酸：硝酸＝１：１の混酸溶液中で３００℃６０分間の処理を行う。
なお、このダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程Ｓ３の熱処理により、イオン注入４１によって単結晶ダイヤモンド層中に形成されたグラファイトライクカーボン損傷層１３ａは、グラファイト改質層１３ｂに変化する。
４．熱処理工程（Ｓ４）
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａおよび単結晶ダイヤモンド層１２ａの欠陥をさらに減少させるために、試料を高真空下でアニーリングする。
アニーリングの温度は５００℃以上１５００℃以下が好ましい。５００℃を下回るとアニーリングが不足してダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａおよび単結晶ダイヤモンド層１２ａの欠陥を十分に低減することができず、その結果、作製された試料の品質因子Ｑを十分高いものとすることはできない。１５００℃を上回ると、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａおよび単結晶ダイヤモンド層１２ａに割れが入りやすくなるなどの問題が生じやすくなる。代表的な処理温度としては、１１００℃を挙げることができる。
アニーリングの時間としては、１時間以上１０時間以下が好ましい。１時間を下回ると欠陥を十分に低減することが難しくなる。１０時間を超えたアニーリングは、時間の浪費で、製造スループットを低下させる。代表的なアニーリング時間は６時間である。
真空度は１００Ｐａ以下が好ましい。特に、活性な物質などが環境下にあるのは好ましくない。例えば、酸素が環境下にあると、ダイヤモンドが酸化エッチングされる。
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａおよび単結晶ダイヤモンド層１２ａの欠陥をさらに減少させるために、試料を高真空下でアニーリングする。
アニーリングの温度は５００℃以上１５００℃以下が好ましい。５００℃を下回るとアニーリングが不足してダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａおよび単結晶ダイヤモンド層１２ａの欠陥を十分に低減することができず、その結果、作製された試料の品質因子Ｑを十分高いものとすることはできない。１５００℃を上回ると、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａおよび単結晶ダイヤモンド層１２ａに割れが入りやすくなるなどの問題が生じやすくなる。代表的な処理温度としては、１１００℃を挙げることができる。
アニーリングの時間としては、１時間以上１０時間以下が好ましい。１時間を下回ると欠陥を十分に低減することが難しくなる。１０時間を超えたアニーリングは、時間の浪費で、製造スループットを低下させる。代表的なアニーリング時間は６時間である。
真空度は１００Ｐａ以下が好ましい。特に、活性な物質などが環境下にあるのは好ましくない。例えば、酸素が環境下にあると、ダイヤモンドが酸化エッチングされる。
５．エッチングマスク形成工程（Ｓ５）
エッチングマスク形成工程（Ｓ５）では、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａ上にダイヤモンドを加工するときのエッチングマスク５１を形成する（図６（ｃ））。
ダイヤモンドは酸素系のガスでドライエッチングするので、エッチングマスク５１は酸素系ガスのドライエッチングに対してドライエッチング耐性を有し、かつダイヤモンドをエッチングすることなくウェットエッチング除去できるものが好ましい。
このことから、エッチングマスク５１としてはアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などの金属を好んで用いることができる。ここで、Ａｕを用いる場合は、底側にＴｉなどのウェットエッチングで容易に除去可能な金属を形成した積層構造とすることが好ましい。また、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）などの化合物、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ケイ素（ＳｉＯX）などの酸化物を用いることもできる。
エッチングマスク形成工程（Ｓ５）では、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａ上にダイヤモンドを加工するときのエッチングマスク５１を形成する（図６（ｃ））。
ダイヤモンドは酸素系のガスでドライエッチングするので、エッチングマスク５１は酸素系ガスのドライエッチングに対してドライエッチング耐性を有し、かつダイヤモンドをエッチングすることなくウェットエッチング除去できるものが好ましい。
このことから、エッチングマスク５１としてはアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などの金属を好んで用いることができる。ここで、Ａｕを用いる場合は、底側にＴｉなどのウェットエッチングで容易に除去可能な金属を形成した積層構造とすることが好ましい。また、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）などの化合物、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ケイ素（ＳｉＯX）などの酸化物を用いることもできる。
エッチングマスク５１は、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａ上にエッチングマスクとなる加工用膜を形成し、その上にリソグラフィによってレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクとしてその加工用膜をドライエッチングして形成することもできるし、リフトオフ法により形成することもできる。
例えば、リフトオフ法で形成する場合は、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａ上にレジストパターンを形成し、真空蒸着法やスパッタリング法でＡｌ（アルミニウム）膜を堆積させた後、リフトオフを行って、Ａｌからなるエッチングマスク５１を形成することができる。
エッチングマスク５１の膜厚としては、例えば、３００ｎｍを挙げることができる。
例えば、リフトオフ法で形成する場合は、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａ上にレジストパターンを形成し、真空蒸着法やスパッタリング法でＡｌ（アルミニウム）膜を堆積させた後、リフトオフを行って、Ａｌからなるエッチングマスク５１を形成することができる。
エッチングマスク５１の膜厚としては、例えば、３００ｎｍを挙げることができる。
６．ドライエッチング工程（Ｓ６）
しかる後、ドライエッチング工程（Ｓ６）として、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングを行ってダイヤモンド層の加工を行う。このドライエッチングでは、少なくともグラファイト改質層１３ｂの底部が除去される深さまでエッチングを行う（図７（ａ））。ここで、反応性イオンエッチングに代えて、収束イオンビームエッチング、レーザービームによるエッチングとしてもよい。
酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングのエッチング条件としては、例えば、Ｏ2ガス流量９０ｓｃｃｍ、高周波電力８００Ｗ、バイアス電力２０Ｗ、作動圧力０．５Ｐａを挙げることができる。この条件でのダイヤモンドのエッチングレートは６０ｎｍ／ｍｉｎである。
しかる後、ドライエッチング工程（Ｓ６）として、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングを行ってダイヤモンド層の加工を行う。このドライエッチングでは、少なくともグラファイト改質層１３ｂの底部が除去される深さまでエッチングを行う（図７（ａ））。ここで、反応性イオンエッチングに代えて、収束イオンビームエッチング、レーザービームによるエッチングとしてもよい。
酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングのエッチング条件としては、例えば、Ｏ2ガス流量９０ｓｃｃｍ、高周波電力８００Ｗ、バイアス電力２０Ｗ、作動圧力０．５Ｐａを挙げることができる。この条件でのダイヤモンドのエッチングレートは６０ｎｍ／ｍｉｎである。
７．ウェットエッチング工程（Ｓ７）
その後、ウェットエッチングを行ってグラファイト改質層１３ｃをエッチングし、単結晶ダイヤモンド・オン・ダイヤモンド基板の共振器を形成する（図７（ｂ））。このウェットエッチングで残ったグラファイト改質層１３は梁の支持部の構成物となる。
ウェットエッチング液としては、硫酸を含む酸、例えば、硫酸と硝酸からなる混酸を挙げることができる。ここで、エッチングレートを上げるために、ウェットエッチング液の温度を上げておくことが好ましい。
その後、ウェットエッチングを行ってグラファイト改質層１３ｃをエッチングし、単結晶ダイヤモンド・オン・ダイヤモンド基板の共振器を形成する（図７（ｂ））。このウェットエッチングで残ったグラファイト改質層１３は梁の支持部の構成物となる。
ウェットエッチング液としては、硫酸を含む酸、例えば、硫酸と硝酸からなる混酸を挙げることができる。ここで、エッチングレートを上げるために、ウェットエッチング液の温度を上げておくことが好ましい。
８．電極形成工程（Ｓ８）
次に、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４上にソース電極１５、ドレイン電極１６および圧抵抗電極１７を、単結晶ダイヤモンド層１１上にゲート電極１８を形成する。ここで、ソース電極１５およびドレイン電極１６は基部２３上に形成する。圧抵抗電極１７は、梁部２２上を中心に、ソース電極１５およびドレイン電極１６と電気的導通をとるために一部が基部２３上に配置されるように形成する。
次に、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４上にソース電極１５、ドレイン電極１６および圧抵抗電極１７を、単結晶ダイヤモンド層１１上にゲート電極１８を形成する。ここで、ソース電極１５およびドレイン電極１６は基部２３上に形成する。圧抵抗電極１７は、梁部２２上を中心に、ソース電極１５およびドレイン電極１６と電気的導通をとるために一部が基部２３上に配置されるように形成する。
これらの電極の形成方法は、被形成部材（ダイヤモンド・エピタキシャル層１４や単結晶ダイヤモンド層１１）上に電極用の導電膜をスパッタリング法や蒸着法などにより形成し、その上にリソグラフィによってレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクとしてその導電膜をドライエッチングして形成することもできるし、リフトオフ法により形成することもできる。
ここで、エッチング法による場合のエッチングマスクとしては、シリコン酸化膜やポリシリコン膜などのハードマスクを用いてもよい。すなわち、導電膜上にハードマスク層をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やスパッタリング法などを用いて形成するハードマスク層形成工程と、そのハードマスク層をレジストパターンをマスクにしてエッチングして、パターニングされたハードマスクを形成するハードマスク形成工程と、そのハードマスクをエッチングマスクとして導電膜をドライエッチングするエッチング工程からなる方法でもよい。ハードマスクを用いる方法は、加工精度を出しやすいという特徴があり、レジストを導電膜のエッチングマスクとする方法は、工程が短くコストを下げやすいという特徴がある。
リフトオフ法で形成する場合は、被形成部材上にレジストパターンを形成し、真空蒸着法やスパッタリング法で導電膜を堆積させた後、リフトオフを行って、電極を形成する。リフトオフ法はダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａへのダメージが少ないという特徴がある。
ここで、ゲート電極１８は、梁部２２が形成された後に形成するので、自動的に梁部２２の脇に形成され、梁部２２の直下には形成されない。
動作のところで述べるように、ゲート電極１８が梁部２２の脇に形成されることにより、圧抵抗電極１７とゲート電極１８間に形成される電気力線は密なものとなり、梁部２２を効率的に駆動（振動）させることが可能になる。
なお、梁部２２をマスクにしてゲート電極１８を形成すると、梁部２２のエッジ部とゲート電極１８の梁部２２側のエッジ部を自己整合的に合わせることができるので、ゲート電極１８の配置精度を高めることができる。
動作のところで述べるように、ゲート電極１８が梁部２２の脇に形成されることにより、圧抵抗電極１７とゲート電極１８間に形成される電気力線は密なものとなり、梁部２２を効率的に駆動（振動）させることが可能になる。
なお、梁部２２をマスクにしてゲート電極１８を形成すると、梁部２２のエッジ部とゲート電極１８の梁部２２側のエッジ部を自己整合的に合わせることができるので、ゲート電極１８の配置精度を高めることができる。
ソース電極１５、ドレイン電極１６、圧抵抗電極１７およびゲート電極１８の材料（上記導電膜の材料）は、構造のところで述べた材料とする。
ソース電極１５およびドレイン電極１６の膜厚は、十分な導電性を得るために、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
圧抵抗電極１７の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。１０ｎｍを下回ると抵抗値が不安定になり、経時変化も起こしやすくなる。１００ｎｍを上回ると圧抵抗電極１７により梁部２２の共振子としての振動因子Ｑが低下しやすくなるという問題が生じる。
ゲート電極１８の膜厚は、十分な導電性を得るために、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
ソース電極１５およびドレイン電極１６の膜厚は、十分な導電性を得るために、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
圧抵抗電極１７の膜厚は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。１０ｎｍを下回ると抵抗値が不安定になり、経時変化も起こしやすくなる。１００ｎｍを上回ると圧抵抗電極１７により梁部２２の共振子としての振動因子Ｑが低下しやすくなるという問題が生じる。
ゲート電極１８の膜厚は、十分な導電性を得るために、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が好ましい。
９．クリーニング工程（Ｓ９）
最後に、有機物などによる汚染を除去する目的で、クリーニングを行う。
クリーニング法としては、水素プラズマ法、オゾン照射法、酸素プラズマ法などを好んで用いることができる。ここで、水素プラズマ法や酸素プラズマ法などのプラズマ法では、マイクロ波プラズマ法、ラジオ周波数プラズマ法、直流プラズマ法などを用いることができる。
例えば、マイクロ波プラズマを用いた水素プラズマ処理の条件としては、水素ガス（Ｈ2）の流量５００ｓｃｃｍ、圧力１０ＫＰａ、マイクロ波パワー８００Ｗ、基板温度８００℃を挙げることができる。
なお、これらのドライクリーニングに代えて、あるいは併用して、ウェットクリーニングを行ってもよい。
電子素子１０１は、以上の工程により製造される。
最後に、有機物などによる汚染を除去する目的で、クリーニングを行う。
クリーニング法としては、水素プラズマ法、オゾン照射法、酸素プラズマ法などを好んで用いることができる。ここで、水素プラズマ法や酸素プラズマ法などのプラズマ法では、マイクロ波プラズマ法、ラジオ周波数プラズマ法、直流プラズマ法などを用いることができる。
例えば、マイクロ波プラズマを用いた水素プラズマ処理の条件としては、水素ガス（Ｈ2）の流量５００ｓｃｃｍ、圧力１０ＫＰａ、マイクロ波パワー８００Ｗ、基板温度８００℃を挙げることができる。
なお、これらのドライクリーニングに代えて、あるいは併用して、ウェットクリーニングを行ってもよい。
電子素子１０１は、以上の工程により製造される。
＜動作＞
ソース電極１５とゲート電極１８の間に交流電圧を印加すると、圧抵抗電極１７とゲート電極１８の間の電気力線が変化して梁部２２が振動する。
圧抵抗電極１７とゲート電極１８の間の電気力線３１をシミュレーションした結果を図８に断面図で示す。電気力線３１が、単結晶ダイヤモンド層２１の外側の圧抵抗電極１７とゲート電極１８の境界部付近を密にして形成されていることがわかる。これは、単結晶ダイヤモンド層２１の誘電率の効果と、ゲート電極１８が梁部２２の両脇部に形成されている効果による。
圧抵抗電極１７は小さい方が梁部２２の共振の品質因子Ｑの低下が少ない。このため、圧抵抗電極１７は、梁部２２上のエッジ部のみに形成されていることが好ましく、そのために、梁部２２上で２本以上の電極配線をもつ構造が好ましい。
ここで、梁部２２は単結晶ダイヤモンド層２１を主体にその上に圧抵抗電極１７の薄膜層が密着して設けられたものであるから、実施例のところで示すように、梁部２２の共振は、ほぼ単結晶ダイヤモンド梁と同等の高い品質因子Ｑを有する。
ソース電極１５とゲート電極１８の間に交流電圧を印加すると、圧抵抗電極１７とゲート電極１８の間の電気力線が変化して梁部２２が振動する。
圧抵抗電極１７とゲート電極１８の間の電気力線３１をシミュレーションした結果を図８に断面図で示す。電気力線３１が、単結晶ダイヤモンド層２１の外側の圧抵抗電極１７とゲート電極１８の境界部付近を密にして形成されていることがわかる。これは、単結晶ダイヤモンド層２１の誘電率の効果と、ゲート電極１８が梁部２２の両脇部に形成されている効果による。
圧抵抗電極１７は小さい方が梁部２２の共振の品質因子Ｑの低下が少ない。このため、圧抵抗電極１７は、梁部２２上のエッジ部のみに形成されていることが好ましく、そのために、梁部２２上で２本以上の電極配線をもつ構造が好ましい。
ここで、梁部２２は単結晶ダイヤモンド層２１を主体にその上に圧抵抗電極１７の薄膜層が密着して設けられたものであるから、実施例のところで示すように、梁部２２の共振は、ほぼ単結晶ダイヤモンド梁と同等の高い品質因子Ｑを有する。
梁部２２上に密着形成された圧抵抗電極１７は、梁部２２の振動にともなって撓み振動を起こす。圧抵抗効果をもつ材料を有する圧抵抗電極１７は、この撓み振動による体積変化により、電気抵抗が変化する。そして、この電気抵抗の変化を、例えば、ソース電極１５とドレイン電極１６の間に流れる電流変化、あるいはそれによる電圧変化としてモニターして、電気信号として出力する。
梁部２２が共振を起こすと梁部２２の振動の振幅が最大になり、それとともに圧抵抗電極１７の電気抵抗の変化も最大になる。抵抗変化最大値となる梁部２２の振動周波数をモニターしてトランスデューサ（変換器）とする。
圧抵抗電極１７の電気抵抗の変化の大きさは、梁部２２の振動周波数によって変わり、共振周波数で極大になる。そして、その共振周波数は、環境の温度、外部から加えられる振動および加速度によって変化する。このため、それぞれ、温度センサー、振動センサーおよび加速度センサーとして使用することが可能になる。
圧抵抗電極１７が磁場により力が発生する材料、すなわち強磁性や常磁性をもつ材料でできている場合は、外部から加えられる磁場によって梁部２２の共振周波数が変わるため、磁力センサーとして使用することが可能になる。
圧抵抗電極１７が磁場により力が発生する材料、すなわち強磁性や常磁性をもつ材料でできている場合は、外部から加えられる磁場によって梁部２２の共振周波数が変わるため、磁力センサーとして使用することが可能になる。
梁部２２の共振周波数変化のモニター方法は、最大となる出力信号の周波数の変化を直接モニターする方法のほか、梁部２２の温度を変化させて、その温度やその温度にするために与える物理量をモニターする方法もある。
ここで、その温度にするための物理量としては、例えばソース電極１５とドレイン電極１６の間に電流を流してジュール熱を発生させたときの電流やジュール熱を挙げることができる。また、梁部２２に赤外線を照射して梁部２２の温度を制御する場合は、赤外線の量やその赤外線を照射するときに使う電力などを物理量とすることもできる。
ここで、その温度にするための物理量としては、例えばソース電極１５とドレイン電極１６の間に電流を流してジュール熱を発生させたときの電流やジュール熱を挙げることができる。また、梁部２２に赤外線を照射して梁部２２の温度を制御する場合は、赤外線の量やその赤外線を照射するときに使う電力などを物理量とすることもできる。
本発明の電子素子は、上述のように、単結晶ダイヤモンド梁を交流電圧場により振動させ、その梁の固有振動（共振）を圧抵抗変化として検知するものである。
共振周波数は、ジュール熱などにより制御された熱量を梁に印加することにより制御可能である。環境の温度、加速度、振動によっても共舜周波数が変わる。したがって、共振周波数のモニター、あるいは共振周波数の制御によって、温度、加速度、振動などの多様なセンサーになる。また、圧抵抗電極１７を常磁性あるいは強磁性をもつ材料で構成すれば磁場センサーにもなる。
共振周波数は、ジュール熱などにより制御された熱量を梁に印加することにより制御可能である。環境の温度、加速度、振動によっても共舜周波数が変わる。したがって、共振周波数のモニター、あるいは共振周波数の制御によって、温度、加速度、振動などの多様なセンサーになる。また、圧抵抗電極１７を常磁性あるいは強磁性をもつ材料で構成すれば磁場センサーにもなる。
本発明の電子素子は、梁が耐熱性および熱伝導性の高いダイヤモンド単結晶であることと、シンプルな構造であることから、ｍＫ（ミリケルビン）オーダの極低温から８００℃というような高温まで幅広い温度領域で使用できる。
梁にダイヤモンド単結晶を用いていることからその固有振振動は高い品質因子をもち、それを反映して出力信号（電気信号）の品質因子も高い。
また、振動や衝撃などにも強い構造をもち、原理的に強い放射線環境でも使用に耐える構造をもつ。
梁にダイヤモンド単結晶を用いていることからその固有振振動は高い品質因子をもち、それを反映して出力信号（電気信号）の品質因子も高い。
また、振動や衝撃などにも強い構造をもち、原理的に強い放射線環境でも使用に耐える構造をもつ。
（実施例１）
＜電子素子の作製＞
電子素子１０１を実施の形態１で示した工程にしたがって作製した。以下、その製造工程の詳細を、図５から図７を参照しながら説明する。
１．基板準備工程（Ｓ１）
単結晶ダイヤモンド層からなる基板として、Ｉｂ型絶縁性（１００）面方位のダイヤモンド基板を準備した。この基板は高温高圧製で、その大きさは３ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍである。
＜電子素子の作製＞
電子素子１０１を実施の形態１で示した工程にしたがって作製した。以下、その製造工程の詳細を、図５から図７を参照しながら説明する。
１．基板準備工程（Ｓ１）
単結晶ダイヤモンド層からなる基板として、Ｉｂ型絶縁性（１００）面方位のダイヤモンド基板を準備した。この基板は高温高圧製で、その大きさは３ｍｍ×３ｍｍ×０．５ｍｍである。
２．イオン注入工程（Ｓ２）
上記の単結晶ダイヤモンド基板１１ａの（１００）面表面に選択的に高エネルギーイオン注入を行った。その条件を以下に示す。
イオン種：Ｃ+
イオンネルギー：１８０ｋｅＶ
ビーム電流：１８０ｎＡ／ｃｍ2
注入角度：７°
注入量：１×１０16個／ｃｍ2
このイオン注入により、基板表面から０．５－１μｍ深さの領域にグラファイトライクのカーボン層からなるグラファイトライクカーボン損傷層１３ａを形成した（図６（ａ））。
ここで、イオン注入後に、硝酸とフッ化水素酸からなる混酸溶液（その体積比率は硝酸：フッ化水素酸＝１：１）中で表面洗浄を行った。この混酸溶液に浸している時間は３時間とし、ヒーターによる沸騰下で処理を行った。この洗浄後には、イオン交換水による純水下でリンスを行った。
上記の単結晶ダイヤモンド基板１１ａの（１００）面表面に選択的に高エネルギーイオン注入を行った。その条件を以下に示す。
イオン種：Ｃ+
イオンネルギー：１８０ｋｅＶ
ビーム電流：１８０ｎＡ／ｃｍ2
注入角度：７°
注入量：１×１０16個／ｃｍ2
このイオン注入により、基板表面から０．５－１μｍ深さの領域にグラファイトライクのカーボン層からなるグラファイトライクカーボン損傷層１３ａを形成した（図６（ａ））。
ここで、イオン注入後に、硝酸とフッ化水素酸からなる混酸溶液（その体積比率は硝酸：フッ化水素酸＝１：１）中で表面洗浄を行った。この混酸溶液に浸している時間は３時間とし、ヒーターによる沸騰下で処理を行った。この洗浄後には、イオン交換水による純水下でリンスを行った。
３．ダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程（Ｓ３）
単結晶ダイヤモンド層上にマイクロ波プラズマ気相成長（ＭＰＣＶＤ）法によりダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａを成長させた（図６（ｂ））。成長条件は以下の通りである。
単結晶ダイヤモンド層上にマイクロ波プラズマ気相成長（ＭＰＣＶＤ）法によりダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａを成長させた（図６（ｂ））。成長条件は以下の通りである。
原料ガス：メタン（ＣＨ4）、流量０．４ｓｃｃｍ
キャリア（希釈）ガス：水素（Ｈ2）、流量５００ｓｃｃｍ
ＣＨ4／Ｈ2流量比：０．０８％
成長中圧力：１０ＫＰａ
マイクロ波パワー：４００Ｗ
基板温度：９６０℃
成長時間：８時間
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの厚さ：０．３μｍ
ここで、成長終了後にメタンガスの供給を止め、その後、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａを３０分間水素雰囲気下で基板温度に保持した。このため、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの表面は水素終端された状態である。
キャリア（希釈）ガス：水素（Ｈ2）、流量５００ｓｃｃｍ
ＣＨ4／Ｈ2流量比：０．０８％
成長中圧力：１０ＫＰａ
マイクロ波パワー：４００Ｗ
基板温度：９６０℃
成長時間：８時間
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの厚さ：０．３μｍ
ここで、成長終了後にメタンガスの供給を止め、その後、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａを３０分間水素雰囲気下で基板温度に保持した。このため、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの表面は水素終端された状態である。
その後、硫酸と硝酸からなる混酸溶液（その体積比率は硫酸：硝酸＝１：１）中で３００℃６０分間の処理を行って表面伝導層を除去し、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａの表面を酸素終端層とした。
なお、このダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程の熱処理により、イオン注入によって単結晶ダイヤモンド層中に形成されたグラファイトライクカーボン損傷層１３ａは、グラファイト改質層１３ｂに変化する。
４．熱処理工程（Ｓ４）
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａおよび単結晶ダイヤモンド層１２ａの欠陥を減少させるために、試料を超高真空チャンバ内でアニーリングした。そのアニール条件は以下の通りである。
ベース圧力：１ｘ１０-8Ｐａ
基板温度：１１００℃
アニーリング時間：６時間
ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａおよび単結晶ダイヤモンド層１２ａの欠陥を減少させるために、試料を超高真空チャンバ内でアニーリングした。そのアニール条件は以下の通りである。
ベース圧力：１ｘ１０-8Ｐａ
基板温度：１１００℃
アニーリング時間：６時間
５．エッチングマスク形成工程（Ｓ５）
次に、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａ上にレジストパターンを形成し、真空蒸着法でＡｌ（アルミニウム）膜を堆積させた後、リフトオフを行って、厚さ３００ｎｍのＡｌからなるエッチング用の金属マスク５１を形成した（図６（ｃ））。
次に、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４ａ上にレジストパターンを形成し、真空蒸着法でＡｌ（アルミニウム）膜を堆積させた後、リフトオフを行って、厚さ３００ｎｍのＡｌからなるエッチング用の金属マスク５１を形成した（図６（ｃ））。
６．ドライエッチング工程（Ｓ６）
しかる後、ドライエッチング工程（Ｓ６）として、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングを行って単結晶ダイヤモンド層２１の加工を行った。このドライエッチングでは、グラファイト改質層１３ｂの底部が除去される深さまでエッチングを行った。この結果、パターニングされたグラファイト改質層１３ｃとなる（図７（ａ））。
そのドライエッチング条件は下記の通りである。
Ｏ2ガス流量：９０ｓｃｃｍ
高周波電力：８００Ｗ
バイアス電力：２０Ｗ
作動圧力：０．５Ｐａ
エッチング時間：６０分
なお、このときの単結晶ダイヤモンドのエッチングレートは６０ｎｍ／ｍｉｎであった。
しかる後、ドライエッチング工程（Ｓ６）として、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングを行って単結晶ダイヤモンド層２１の加工を行った。このドライエッチングでは、グラファイト改質層１３ｂの底部が除去される深さまでエッチングを行った。この結果、パターニングされたグラファイト改質層１３ｃとなる（図７（ａ））。
そのドライエッチング条件は下記の通りである。
Ｏ2ガス流量：９０ｓｃｃｍ
高周波電力：８００Ｗ
バイアス電力：２０Ｗ
作動圧力：０．５Ｐａ
エッチング時間：６０分
なお、このときの単結晶ダイヤモンドのエッチングレートは６０ｎｍ／ｍｉｎであった。
７．ウェットエッチング工程（Ｓ７）
その後、ヒーターによる沸騰した硫酸と硝酸からなる混酸溶液（その体積比率は硫酸：硝酸＝１：１）中でウェットエッチングを行ってグラファイト改質層１３ｃをエッチングし、単結晶ダイヤモンド・オン・ダイヤモンド基板構造をもつ共振子を形成した（図７（ｂ））。このウェットエッチングで残ったグラファイト改質層１３はカンチレバーの支持部の構成物となる。
その後、ヒーターによる沸騰した硫酸と硝酸からなる混酸溶液（その体積比率は硫酸：硝酸＝１：１）中でウェットエッチングを行ってグラファイト改質層１３ｃをエッチングし、単結晶ダイヤモンド・オン・ダイヤモンド基板構造をもつ共振子を形成した（図７（ｂ））。このウェットエッチングで残ったグラファイト改質層１３はカンチレバーの支持部の構成物となる。
８．電極形成工程（Ｓ８）
次に、図７（ｃ）に示すような配置で、ソース電極１５、ドレイン電極１６、圧抵抗電極１７およびゲート電極１８をリフトオフ法により形成した。
ここで、全ての電極（導電膜）は、下層を２ｎｍの厚さのチタン（Ｔｉ）、上層を１０ｎｍの厚さの金（Ａｕ）とした２層膜とした。したがって、ソース電極１５、ドレイン電極１６および圧抵抗電極１７は同じ材料と同じ構成の電極が繋がった構成になっている。
これらの金属は真空蒸着法により堆積させた。なお、Ｔｉはダイヤモンド・エピタキシャル層１４との密着性を向上させる目的で形成した。
なお、金の圧抵抗は約１００ｏｈｍである。
次に、図７（ｃ）に示すような配置で、ソース電極１５、ドレイン電極１６、圧抵抗電極１７およびゲート電極１８をリフトオフ法により形成した。
ここで、全ての電極（導電膜）は、下層を２ｎｍの厚さのチタン（Ｔｉ）、上層を１０ｎｍの厚さの金（Ａｕ）とした２層膜とした。したがって、ソース電極１５、ドレイン電極１６および圧抵抗電極１７は同じ材料と同じ構成の電極が繋がった構成になっている。
これらの金属は真空蒸着法により堆積させた。なお、Ｔｉはダイヤモンド・エピタキシャル層１４との密着性を向上させる目的で形成した。
なお、金の圧抵抗は約１００ｏｈｍである。
９．クリーニング工程（Ｓ９）
最後に、有機物などによる汚染を除去する目的で、マイクロ波プラズマ気相成長（ＭＰＣＶＤ）法により水素プラズマ処理を行った。その処理条件は以下の通りである。
ガス：水素（Ｈ2），流量５００ｓｃｃｍ
圧力：１０ＫＰａ
マイクロ波パワー：８００Ｗ
基板温度：８００℃
成長時間：３０分
ここで、マイクロ波をパワーオフした後、試料を６０分間の間水素ガス雰囲気下に置いて冷却した。
最後に、有機物などによる汚染を除去する目的で、マイクロ波プラズマ気相成長（ＭＰＣＶＤ）法により水素プラズマ処理を行った。その処理条件は以下の通りである。
ガス：水素（Ｈ2），流量５００ｓｃｃｍ
圧力：１０ＫＰａ
マイクロ波パワー：８００Ｗ
基板温度：８００℃
成長時間：３０分
ここで、マイクロ波をパワーオフした後、試料を６０分間の間水素ガス雰囲気下に置いて冷却した。
以上の工程により、電子素子１０１を作製した。梁部２２の土台を形成する単結晶ダイヤモンド層２１は、単結晶ダイヤモンド層１２とダイヤモンド・エピタキシャル層１４から構成されているが、ダイヤモンド・エピタキシャル層１４は十分な熱処理を施されているため、梁部２２は、単結晶ダイヤモンド上に圧抵抗電極１７が形成されているといってよい状態になった。なお、支持部１３はグラファイト改質層でできている。
参考までに作製した電子素子１０１の共振子の光学顕微鏡写真を図９に示す。
参考までに作製した電子素子１０１の共振子の光学顕微鏡写真を図９に示す。
＜特性評価方法＞
作製した電子素子１０１は下記に示す回路を使って測定評価を行った。その回路を図１０に示す。
ゲート電極１８には周波数ωの交流電圧（ゲート電圧）Ｖg ac、ドレイン電極１６には周波数ω＋Δωの交流電圧（ドレイン電圧）Ｖd acが印加される。ソース電極１５は、接地されるとともに、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を介してロックインアンプ（Ｌｏｃｋ－ｉｎ）（Ｚｕｒｉｃｈ製）の入力に繋がっている。ゲート電圧Ｖg acとドレイン電圧Ｖd acはミキサーによりミキシングされ、ロックインアンプにリファレンスとして入力される。ソース電極１５からの入力とリファレンス信号にロックインをかけて出力とし、それをモニターした。
なお、梁部２２は、ソース電極１５およびドレイン電極１６と電気的に繋がった圧抵抗電極１７と、ゲート電極１８との間に印加された交流電圧を受けて振動する。
作製した電子素子１０１は下記に示す回路を使って測定評価を行った。その回路を図１０に示す。
ゲート電極１８には周波数ωの交流電圧（ゲート電圧）Ｖg ac、ドレイン電極１６には周波数ω＋Δωの交流電圧（ドレイン電圧）Ｖd acが印加される。ソース電極１５は、接地されるとともに、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を介してロックインアンプ（Ｌｏｃｋ－ｉｎ）（Ｚｕｒｉｃｈ製）の入力に繋がっている。ゲート電圧Ｖg acとドレイン電圧Ｖd acはミキサーによりミキシングされ、ロックインアンプにリファレンスとして入力される。ソース電極１５からの入力とリファレンス信号にロックインをかけて出力とし、それをモニターした。
なお、梁部２２は、ソース電極１５およびドレイン電極１６と電気的に繋がった圧抵抗電極１７と、ゲート電極１８との間に印加された交流電圧を受けて振動する。
＜電気特性評価＞
作製した電子素子１０１に対して、ゲート電極１８に交流電圧を印加して出力スペクトルを測定した。すなわち、ゲート電極１８に交流電圧を印加して、ソース電極１５およびドレイン電極１６と電気的に繋がった圧抵抗電極１７とゲート電極１８との電気力によって梁部２２を振動させ、ソース電極１５とドレイン電極１６間の出力電圧振幅（交流出力電圧の振幅としての変化量）の交流周波数依存性を測定した。その結果を図１１および図１２に示す。ここで、図１１は、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍで、ゲート電圧Ｖg acが２Ｖ、ドレイン電圧Ｖd acが２Ｖ（ＭＥＭＳ）の場合で、図１２は、梁部２２が長さ１００μｍ、幅１２μｍ、厚さ０．５３μｍで、ゲート電圧Ｖg acが０．０５，０．１，０．２Ｖ、ドレイン電圧Ｖd acが５Ｖの場合である。両者とも、急峻な共振スペクトルと、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が得られている。
作製した電子素子１０１に対して、ゲート電極１８に交流電圧を印加して出力スペクトルを測定した。すなわち、ゲート電極１８に交流電圧を印加して、ソース電極１５およびドレイン電極１６と電気的に繋がった圧抵抗電極１７とゲート電極１８との電気力によって梁部２２を振動させ、ソース電極１５とドレイン電極１６間の出力電圧振幅（交流出力電圧の振幅としての変化量）の交流周波数依存性を測定した。その結果を図１１および図１２に示す。ここで、図１１は、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍで、ゲート電圧Ｖg acが２Ｖ、ドレイン電圧Ｖd acが２Ｖ（ＭＥＭＳ）の場合で、図１２は、梁部２２が長さ１００μｍ、幅１２μｍ、厚さ０．５３μｍで、ゲート電圧Ｖg acが０．０５，０．１，０．２Ｖ、ドレイン電圧Ｖd acが５Ｖの場合である。両者とも、急峻な共振スペクトルと、高い信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が得られている。
（実施例２）
実施例２では、ドレイン電圧Ｖd acによるジュール熱による梁部２２の共振周波数特性（共振周波数可変効果）について測定した例を示す。
具体的には、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍの電子素子１０１に印加するドレイン電圧（ソース―ドレイン電圧）Ｖd acの大きさを変化させて、梁部２２に加わるジュール熱を変化させたときの出力信号の共振周波数特性を評価した。
図１３は、ゲート電圧Ｖg acを１Ｖに固定し、ドレイン電圧Ｖd acの大きさを２Ｖから１０Ｖまで変化させたときの出力電圧振幅の周波数依存性を示す。ドレイン電圧Ｖd acを増大させるとともに、出力電圧振幅は単調に増加するとともに、ジュール熱の影響を受けて共振周波数が短波長側にシフトすることがわかる。
図１４は、図１３の結果をドレイン電圧Ｖd acと共振周波数の関係にプロットし直したものである。ドレイン電圧Ｖd acの増加に伴い共振周波数が単調に減少する様子が読み取れる。
図１５は、ゲート電圧Ｖg acを１Ｖと２Ｖの二水準に設定して、ゲート電圧Ｖg acがドレイン電圧Ｖd acと出力電圧振幅の関係に与える影響を測定した結果である。ゲート電圧Ｖg acを上げることにより、出力電圧振幅は大きくなる。これは、梁部２２の振動の振幅が増大して圧抵抗電極１７の抵抗の変化が大きくなるためである。なお、共振周波数はゲート電圧Ｖg acには依存しない。
以上から、ドレイン電圧Ｖd acにより、共振周波数と出力電圧振幅を制御できることが確認された。
実施例２では、ドレイン電圧Ｖd acによるジュール熱による梁部２２の共振周波数特性（共振周波数可変効果）について測定した例を示す。
具体的には、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍの電子素子１０１に印加するドレイン電圧（ソース―ドレイン電圧）Ｖd acの大きさを変化させて、梁部２２に加わるジュール熱を変化させたときの出力信号の共振周波数特性を評価した。
図１３は、ゲート電圧Ｖg acを１Ｖに固定し、ドレイン電圧Ｖd acの大きさを２Ｖから１０Ｖまで変化させたときの出力電圧振幅の周波数依存性を示す。ドレイン電圧Ｖd acを増大させるとともに、出力電圧振幅は単調に増加するとともに、ジュール熱の影響を受けて共振周波数が短波長側にシフトすることがわかる。
図１４は、図１３の結果をドレイン電圧Ｖd acと共振周波数の関係にプロットし直したものである。ドレイン電圧Ｖd acの増加に伴い共振周波数が単調に減少する様子が読み取れる。
図１５は、ゲート電圧Ｖg acを１Ｖと２Ｖの二水準に設定して、ゲート電圧Ｖg acがドレイン電圧Ｖd acと出力電圧振幅の関係に与える影響を測定した結果である。ゲート電圧Ｖg acを上げることにより、出力電圧振幅は大きくなる。これは、梁部２２の振動の振幅が増大して圧抵抗電極１７の抵抗の変化が大きくなるためである。なお、共振周波数はゲート電圧Ｖg acには依存しない。
以上から、ドレイン電圧Ｖd acにより、共振周波数と出力電圧振幅を制御できることが確認された。
（実施例３）
実施例３では、環境温度依存性について測定した例を示す。
具体的には、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍの電子素子１０１を様々な温度の環境において出力信号の共振周波数特性を評価した。
図１６、図１７および図１８は、それぞれ３００Ｋ、３２３Ｋから５０Ｋ刻みで６７３Ｋまで、および７７３Ｋから５０Ｋ刻みで８７３Ｋまでの温度環境のときの共振周波数特性を示す。ここで、図１６、図１７および図１８のゲート電圧Ｖg acはそれぞれ２Ｖ、２Ｖ、２Ｖであり、ドレイン電圧Ｖd acはそれぞれ３Ｖ、３Ｖ、１０Ｖである。
図１６と図１７のデータを使って、環境温度と共振周波数の関係をプロットし直した結果を図１９に示す。共振周波数は環境温度が上がるとともに単調に減少することがわかる。このことから、共振周波数から環境温度を知ることができ、温度モニターとして使用できることが確認された。
また、電子素子１０１は、図１８の結果から、８７３Ｋという高温でも温度センサーとして使用できる共振特性を有することが確認された。
実施例３では、環境温度依存性について測定した例を示す。
具体的には、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍの電子素子１０１を様々な温度の環境において出力信号の共振周波数特性を評価した。
図１６、図１７および図１８は、それぞれ３００Ｋ、３２３Ｋから５０Ｋ刻みで６７３Ｋまで、および７７３Ｋから５０Ｋ刻みで８７３Ｋまでの温度環境のときの共振周波数特性を示す。ここで、図１６、図１７および図１８のゲート電圧Ｖg acはそれぞれ２Ｖ、２Ｖ、２Ｖであり、ドレイン電圧Ｖd acはそれぞれ３Ｖ、３Ｖ、１０Ｖである。
図１６と図１７のデータを使って、環境温度と共振周波数の関係をプロットし直した結果を図１９に示す。共振周波数は環境温度が上がるとともに単調に減少することがわかる。このことから、共振周波数から環境温度を知ることができ、温度モニターとして使用できることが確認された。
また、電子素子１０１は、図１８の結果から、８７３Ｋという高温でも温度センサーとして使用できる共振特性を有することが確認された。
（実施例４）
実施例４では、１０ｍＶという微小なゲート電圧Ｖg acでも十分な出力信号が得られることを確認した。
具体的には、梁部２２が長さ１２０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．１μｍの電子素子１０１の出力信号のゲート電圧Ｖg ac依存性を評価した。その結果を図２０に示す。
図２０からわかるように、ゲート電圧Ｖg acを７０ｍＶから１０ｍＶまで下げていくと出力電圧振幅は下がっていくものの、共振周波数の変化なく１０ｍＶでも十分なＳ／Ｎ比をもった出力信号が得られた。なお、この測定では、ドレイン電圧Ｖd acは６Ｖとした。
実施例４では、１０ｍＶという微小なゲート電圧Ｖg acでも十分な出力信号が得られることを確認した。
具体的には、梁部２２が長さ１２０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．１μｍの電子素子１０１の出力信号のゲート電圧Ｖg ac依存性を評価した。その結果を図２０に示す。
図２０からわかるように、ゲート電圧Ｖg acを７０ｍＶから１０ｍＶまで下げていくと出力電圧振幅は下がっていくものの、共振周波数の変化なく１０ｍＶでも十分なＳ／Ｎ比をもった出力信号が得られた。なお、この測定では、ドレイン電圧Ｖd acは６Ｖとした。
（実施例５）
実施例５では、圧抵抗電極１７が梁部２２上に形成されていることによる共振特性の変化について調べた。
具体的には、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍの電子素子１０１の共振振動をレーザードップラー法で測定した。ここで、圧抵抗電極１７は、下層が３ｎｍの厚さのＴｉ、上層が１５ｎｍの厚さの２層金属膜とし、圧抵抗電極１７形成前と形成後で比較評価した。その結果を図２１に示す。
圧抵抗電極１７が形成されているときと形成されていないときでは、共振周波数が約０．０２４ＭＨｚ変化している。これは、圧抵抗電極１７の形成により梁部２２のヤング率および質量密度に少し差が生じるためであり、実際、梁部２２のヤング率および質量密度の計算値による共振周波数の変化と一致した。
また、共振の振幅と半値幅は、圧抵抗電極１７の形成の有無で大きな差はないことがわかる。したがって、梁部２２の共振は、圧抵抗電極１７を形成してもほぼ単結晶ダイヤモンド層２１によって決まる。このため、電子素子１０１の共振子には極めて高い品質因子Ｑをもたせることができる。
実施例５では、圧抵抗電極１７が梁部２２上に形成されていることによる共振特性の変化について調べた。
具体的には、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍの電子素子１０１の共振振動をレーザードップラー法で測定した。ここで、圧抵抗電極１７は、下層が３ｎｍの厚さのＴｉ、上層が１５ｎｍの厚さの２層金属膜とし、圧抵抗電極１７形成前と形成後で比較評価した。その結果を図２１に示す。
圧抵抗電極１７が形成されているときと形成されていないときでは、共振周波数が約０．０２４ＭＨｚ変化している。これは、圧抵抗電極１７の形成により梁部２２のヤング率および質量密度に少し差が生じるためであり、実際、梁部２２のヤング率および質量密度の計算値による共振周波数の変化と一致した。
また、共振の振幅と半値幅は、圧抵抗電極１７の形成の有無で大きな差はないことがわかる。したがって、梁部２２の共振は、圧抵抗電極１７を形成してもほぼ単結晶ダイヤモンド層２１によって決まる。このため、電子素子１０１の共振子には極めて高い品質因子Ｑをもたせることができる。
（実施例６）
実施例６では、品質因子Ｑの印加電圧依存性について調べた。
具体的には、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍの電子素子１０１の品質因子Ｑのゲート電圧Ｖg acおよびドレイン電圧Ｖd ac依存性を評価した。ここで、全ての電極、すなわちソース電極１５、ドレイン電極１６、圧抵抗電極１７およびゲート電極１８は、下層が３ｎｍの厚さのＴｉ、上層が３０ｎｍの厚さの２層金属膜とした。
図２２は、ゲート電圧Ｖg acを２Ｖに固定したときの、品質因子Ｑに与えるドレイン電圧Ｖd ac依存性を調べた結果である。その結果、品質因子Ｑはドレイン電圧Ｖd acにほぼ依存しないことがわかる。
図２３は、ドレイン電圧Ｖd acを１０Ｖに固定したときの、品質因子Ｑに与えるゲート電圧Ｖg ac依存性を調べた結果である。品質因子Ｑは、ゲート電圧Ｖg acが０．４Ｖに至るまでは直線的に減少し、ゲート電圧Ｖg acが０．４Ｖを超えると一定になる。その値は約１２×１０3であり、電子素子１０１は、印加電圧に拘わらず高い品質因子Ｑを有することが確認された。
実施例６では、品質因子Ｑの印加電圧依存性について調べた。
具体的には、梁部２２が長さ６０μｍ、幅１２μｍ、厚さ２．８μｍの電子素子１０１の品質因子Ｑのゲート電圧Ｖg acおよびドレイン電圧Ｖd ac依存性を評価した。ここで、全ての電極、すなわちソース電極１５、ドレイン電極１６、圧抵抗電極１７およびゲート電極１８は、下層が３ｎｍの厚さのＴｉ、上層が３０ｎｍの厚さの２層金属膜とした。
図２２は、ゲート電圧Ｖg acを２Ｖに固定したときの、品質因子Ｑに与えるドレイン電圧Ｖd ac依存性を調べた結果である。その結果、品質因子Ｑはドレイン電圧Ｖd acにほぼ依存しないことがわかる。
図２３は、ドレイン電圧Ｖd acを１０Ｖに固定したときの、品質因子Ｑに与えるゲート電圧Ｖg ac依存性を調べた結果である。品質因子Ｑは、ゲート電圧Ｖg acが０．４Ｖに至るまでは直線的に減少し、ゲート電圧Ｖg acが０．４Ｖを超えると一定になる。その値は約１２×１０3であり、電子素子１０１は、印加電圧に拘わらず高い品質因子Ｑを有することが確認された。
本発明は、小型軽量で極めて高い品質因子を有し、高温化でも性能低下が少なくて適用温度範囲が広く、検知精度の高い、温度センサー、磁気センサー、振動センサー、加速度センサーなどに適用可能な電子素子（トランスデューサ）を提供するものである。
本発明の電子素子は、少なくとも８７３Ｋという高温下でも良好な特性をもつことが実証されており、また、原理的に強い放射線下でも使用可能である。
さらに、ＭＥＭＳ、ＮＥＭＳ技術により製造できるので、小型軽量化が容易であり、均一な品質で、しかも高い生産性を確保することも可能である。
スマート社会を実現するには、様々なセンサーを適材適所に多数使用することが求められる。
本電子素子はその要求に資するものであり、民生用途、産業用とにかかわらず広く使われる可能性を秘めている。
本発明の電子素子は、少なくとも８７３Ｋという高温下でも良好な特性をもつことが実証されており、また、原理的に強い放射線下でも使用可能である。
さらに、ＭＥＭＳ、ＮＥＭＳ技術により製造できるので、小型軽量化が容易であり、均一な品質で、しかも高い生産性を確保することも可能である。
スマート社会を実現するには、様々なセンサーを適材適所に多数使用することが求められる。
本電子素子はその要求に資するものであり、民生用途、産業用とにかかわらず広く使われる可能性を秘めている。
１１：単結晶ダイヤモンド層（基体）
１１ａ：ダイヤモンド基板
１１ｂ：ダイヤモンド基板
１２：単結晶ダイヤモンド
１２ａ：単結晶ダイヤモンド
１３：支持部（グラファイト改質層）
１３ａ：グラファイトライクカーボン損傷層
１３ｂ：グラファイト改質層
１３ｃ：グラファイト改質層
１４：ダイヤモンド・エピタキシャル層
１４ａ：ダイヤモンド・エピタキシャル層
１５：ソース電極
１６：ドレイン電極
１７：圧抵抗電極（圧抵抗効果電極）
１８：ゲート電極
２１：単結晶ダイヤモンド層
２２：梁部
２３：基部
３１：電気力線
４１：イオン注入
５１：ハードマスク（Ａｌ）
１０１：電子素子（トランスデューサ）
１０２：電子素子（トランスデューサ）
１０３：電子素子（トランスデューサ）
１０４：電子素子（トランスデューサ）
１１ａ：ダイヤモンド基板
１１ｂ：ダイヤモンド基板
１２：単結晶ダイヤモンド
１２ａ：単結晶ダイヤモンド
１３：支持部（グラファイト改質層）
１３ａ：グラファイトライクカーボン損傷層
１３ｂ：グラファイト改質層
１３ｃ：グラファイト改質層
１４：ダイヤモンド・エピタキシャル層
１４ａ：ダイヤモンド・エピタキシャル層
１５：ソース電極
１６：ドレイン電極
１７：圧抵抗電極（圧抵抗効果電極）
１８：ゲート電極
２１：単結晶ダイヤモンド層
２２：梁部
２３：基部
３１：電気力線
４１：イオン注入
５１：ハードマスク（Ａｌ）
１０１：電子素子（トランスデューサ）
１０２：電子素子（トランスデューサ）
１０３：電子素子（トランスデューサ）
１０４：電子素子（トランスデューサ）
Claims (9)
- ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極および圧抵抗電極を有する電子素子であって、
前記圧抵抗電極は、前記ソース電極および前記ドレイン電極と電気的に接続され、かつ剛性を有する基板上に支持部を介して形成された単結晶ダイヤモンドからなる梁上に形成された圧抵抗効果をもつ材料からなり、
前記材料は、ＦｅＧａまたはＮｂＦｅＢからなる第１の群、Ａｕ、Ｐｔ、およびＰｔ合金のいずれか１からなる第２の群、Ｎｉからなる第３の群、およびＷ、Ｈｆ、ＴｉおよびＣｒからなる群から選ばれる１以上の金属の炭化物からなる第４の群から選ばれるいずれか１つである、電子素子。 - 前記圧抵抗電極と前記単結晶ダイヤモンドとの界面に密着層が形成されている、請求項１記載の電子素子。
- 前記密着層はＴｉからなる、請求項２記載の電子素子。
- 前記圧抵抗電極は、前記梁上で２本以上の電極配線を有する、請求項１から３のいずれか１記載の電子素子。
- 前記梁は、片持ち梁、両持ち梁または四方吊り梁のいずれか１である、請求項１から４のいずれか１記載の電子素子。
- 請求項１から５のいずれか１記載の電子素子を有する、温度センサー。
- 請求項１から５のいずれか１記載の電子素子を有し、
前記圧抵抗電極が常磁性または強磁性を有する金属、合金、または金属化合物からなる、磁気センサー。 - 請求項１から５のいずれか１記載の電子素子を有する、振動センサー。
- 請求項１から５のいずれか１記載の電子素子を有する、加速度センサー。
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| JP2018200133A Active JP7217876B2 (ja) | 2018-10-24 | 2018-10-24 | 電子素子、温度センサー、磁気センサー、振動センサーおよび加速度センサー |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005221233A (ja) | 2004-02-03 | 2005-08-18 | Citizen Watch Co Ltd | 電気機械変換器とその製造方法 |
| JP2012028056A (ja) | 2010-07-21 | 2012-02-09 | National Institute For Materials Science | 電子機械スイッチ及びその製造方法 |
| JP2014167475A (ja) | 2011-03-10 | 2014-09-11 | Yokogawa Electric Corp | 半導体装置、歪ゲージ、圧力センサおよび半導体装置の製造方法 |
-
2018
- 2018-10-24 JP JP2018200133A patent/JP7217876B2/ja active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2020068291A (ja) | 2020-04-30 |
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