JPH01253289A

JPH01253289A - 炭化珪素半導体センサ

Info

Publication number: JPH01253289A
Application number: JP63080579A
Authority: JP
Inventors: Akira Suzuki; 彰鈴木; Masaki Furukawa; 勝紀古川; Mitsuhiro Shigeta; 光浩繁田; Yoshihisa Fujii; 藤井　良久
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1989-10-09

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、炭化珪素特にβ型炭化珪素単結晶膜の外部環
境による電気的特性の変化を利用したセンサに関するも
のである。

（従来の技術）圧力、ひずみ、加速度、温度、湿度、各種ガス。

磁気、光照射、音等の外部環境の変化を検出し、電気信
号に変換する各種センサは、各種産業分野で幅広く利用
され、電子素子、ｒｃ等の普及による高機能化、自動化
、省力化は、エレクトロニクスの各種産業分野への急激
な拡大を推進しており、。

各種センサの重要性は益々拡大の一途をたどっている。

珪素半導体を中心とした半導体材料は曵ひすみ。

温度、Ｘ等によって電気的特性が変化し易く、また金属
より導電率が低いため特性の変化率が大きく、さらに素
子化プロセス技術が発達しているため、素子化が容易で
電子回路との集積も可能なため、各種センサとして幅広
く利用されている。応力やひずみにより物質の電気抵抗
が変化する現象は、ピエゾ抵抗効果と呼ばれるが、その
変化の大きさを示すゲージ率が、半導体膜は金属膜に比
べて２桁も大きいため、特に高感度の圧力センサ。

加速度センナ、ひずみゲージ等として広範囲に利用され
ている。

また、炭化珪素半導体は、珪素半導体に比べてバンドギ
ャップが広く、熱的、化学的２機械的に極めて安定な性
質をもつため、高温高出力動作用電子素子や、短波長可
視光発光素子の材料として研究開発が進められてきた。

然しながら、製造上の見地からα型炭化珪素のみが使用
されていた。

（発明が解決しようとする課題）半導体単結晶を各種センサとして利用する場合、検出感
度の高感度化、素子の小型化等のために、薄膜として利
用する場合が殆んどである。特に、ピエゾ抵抗効果を利
用した圧力センナ、加速度センナ、ひずみゲージとして
は、ひずみを生じ易くするため、数μｍから数ｌＯμｍ
の厚さの薄膜板が必要である。半導体単結晶の薄膜板を
製作することは、通常、容易でなく、珪素半導体の場合
は、数１００μｍの厚さの珪素単結晶クエー７７の１！
面を、部分的に化学薬品等でエツチング除去することに
より、数１０μｍの厚さにしている。あるいは、更に、
表面に数μｍ程度の深さに不純物を熱拡散して、表面層
を異なる伝導型にして表面層を感圧部として用いている
。これらの場合、エツチング深さを制御するために、製
作プロセスが複雑になる。また、薄膜にひずみを加える
ため、単結晶＃膜として十分な機械的強度が要求される
。なお、炭化珪素半導体特にβ型炭化珪素の場合は、従
述の本出願人の特開昭５９−２０３７９９号の発明以外
には、高品質で大面積の単結晶基板を工業的に安定に得
る方法が無かったため実用化にまでは至っていない。ま
だ、センサ材料としての研究開発も殆んどなされていな
かった。

（ｌ！！題を解決するための手段）本発明においては、センサ素子としてβ型炭化珪素単結
晶薄膜を用いた。これを単体の板としても用いることが
可能であり、珪素基板上に形成して用いることもできる
。

（作用） β型炭化珪素は酸に浸されず、硬度が高く、熱衝撃に強
く、高温の靭性が高いので、センナとして広く使用でき
る。

（実施例） β型炭化珪素単結晶は、例えば特開昭５９−２０８７９
９号に述べられるような方法で、珪素単結晶基板上に気
相成長法（ＣＶＤ法）にｔつて成長させることができる
。これは、安価で入手の容易な珪素単結晶基板を用いて
、高品質で大面積のβ型炭化珪素結晶膜を工業的に量産
するのに適（−喪方法である。また、成長中に適当な不
純物をドーパントとして加えることにより、単結晶膜の
導電性（ｐ型、β型）や抵抗率を制御することができる
。

厚さは数μｍから数１００μｍで、直径は２インチ以上
の大面積の薄膜を、珪素単結晶基板上１ｃＷ易に形成す
ることが、最近はできるようになっ烹。

抵抗率は１０４０謂台の高抵抗から１Ｏ−８Ω謂の低抵
抗まで制御することができる。

このように、所望の特性のβ型炭化珪素を珪素単結晶基
板とに成長させ、例えば弗化水素酸と硝酸を混合し圧液
により化学エツチングすることにより、珪素単結晶基板
の全部又は７一部を除去する。

炭化珪素は酸に強いので、炭化珪素単結晶薄膜を極めて
容易に得ることができる。また、その厚さは、単結晶成
長時に容易に制御できる。さらに、珪素単結晶基板とに
形成した通常の薄膜は、珪素単結晶基板を除去した場合
、薄膜が反ったり、ひび割れする場合がほとんどである
が、β型炭化珪素単結晶薄膜は、その成長の土台となっ
た珪素単結晶基板を除去しても、反ったり、ひび割れす
ることが全くなく、薄膜として使用することができる。

また、前述のように、高温でも化学的に安定であり、機
械的強度も強く、センサー材料として必要な安定性と機
械的強度とを十分に満すことができる。

１４１図（ａ）　、　（ｂ）及びｆｃ）は、β型炭化珪
素単結晶膜を圧力センサとして用いた場合の実施例であ
る。

同図（ａ）は平面図、（ｂ）は圧力が加えられていない
状態の側面図、（Ｃ）は圧力が加えられた状態の断面図
を示す。これらの図において、厚さ５０μｍ程度のβ製
炭イビ珪素単結晶膜１は、台座３の上に設けられた珪素
単結晶基板２の上に支持されている。

この珪素単結晶基板２は図の破線に示されるように、周
辺部だけを残してエツチングされ、破線で囲まれる部分
は中空となっている。β湿炭化珪素単結晶膜ｌの両端に
はオーム接触される電極４及び５が設けられ、リード線
を接続してβを炭化珪素単結晶膜に電流を流し、外部圧
力の変化忙よる抵抗値の変化を測定できる。珪素単結晶
基板２には電流が流れないように、その伝導型はβ型炭
化珪素単結晶膜１とは異なるようにしｐ−ｎ接合によっ
て分離することができる。あるいは、珪素単結晶基板の
代りに絶縁物を用いることもできる。

第１図（Ｃ）のように圧力が加えられると、β型炭化珪
素単結晶膜ｌはひずみ、その結果、電極４，５間の抵抗
値がピエゾ抵抗効果で変化し、圧力値を検出できる。前
記の例では、破線内の珪素単結晶基板はすべて除去した
が、β型炭化珪素単結晶膜ｌに接して珪素単結晶膜を残
してもよく、また、その反対に、珪素単結晶基板の一部
にβ型炭化珪素単結晶基板を形成することもできる。

第２図（ａ）　、　（ｂ）及び（Ｃ）は、加速度センサ
に用いた場合の一例である。同図（ａ）は平面図、（ｂ
）は加速度がない場合の側面図、（Ｃ）は加速度が与え
られた場合の側面図を示す。これらの図において、厚さ
５０μｍ程度のβ型炭化珪素単結晶膜ｌの一端には珪素
単結晶基板をエツチングして残した支点１２が設けられ
、これは台座８に固定されている。β型炭化珪素単結晶
膜１の他端にはおもり６が設けられている。これは珪素
単結晶基板をエツチングして残すことができる。β型炭
化珪素単結晶膜１の表面には、適当な間隔を置いてオー
ム性電極４及び５が設けられており、リード線を接続し
て、β型炭化珪素単結晶膜１に電流を流して、抵抗値を
測定できる。支点１２及びおもり６には他の材料を使用
することもできる。加速度が同図（Ｃ）のように加えら
れると、おもり６は慣性によりその位置を保持するから
、β型炭化珪素単結晶膜１は上方に湾曲し、電極４，５
間の抵抗値がピエゾ抵抗効果により変化し、加速度値を
検出できる。前述の圧力センサの場合と同様に、β型炭
化珪素単結晶膜１に接して薄く珪素単結晶膜が残ってい
てもよい。この場合、両者間の導通をｐ−ｎ接合により
分離して、β型炭化珪素単結晶膜１のみに電流が流れる
ようにする。また、β型炭化珪素単結晶膜１は、珪素単
結晶膜上に部分的に形成されていてもよい。

第８図（ａ）及び（ｂ）は、ひずみゲージに用いた場合
の一例である。同図（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側
面図である。これらの図において・厚さ５０μｍ程度の
β型炭化珪素単結晶膜１はコ字状に形成され、−面は樹
脂フィルム７に接着され、他の面には両端にオーム性電
極４及び５が設けられ、これらにリード線８及び９がそ
れぞれ接続されている。樹脂フィルム７が曲げられると
、その程度に応じてβ型炭化珪素単結晶膜１の抵抗値が
変化し、樹脂フィルム７を貼り付けた物体の変形量が検
出できる。

なお、以上の実施例において、β型炭化珪素に接する珪
素基板に、ダイオード、トランジスタ等の電子回路を形
成し、それらを電気的に結線し、センサで検出し変換し
た電気信号量に増幅、変調等の処理を行なうこともでき
る。

（発明の効果）本発明により、安定性１機械的強度にすぐれた半導体薄
膜センサ、特にピエゾ抵抗効果を利用した圧カセンサ、
加速度センサ、ひずみゲージ等の実現が可能となり、ま
た、製作プロセスも蘭略化され、半導体薄膜センサの利
用範囲を拡大することができる。珪素単結晶膜及びβ聾
炭化珪素膜の厚さを調節することにより、機械的特性及
び電気的特性を任意に調節することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ本発
明の一実施例の圧力センサの平面図、側面図及び動作状
態の断面図を示し、第２図（ａ）　、　（ｂ）及び（Ｃ
）は、それぞれ他の実施例である加速度センナの平面図
、側面図及び動作状態の側面図を示し、第８図（ａ）及
び（ｂ）は、それぞれ更に他の実施例であるひずみゲー
ジの平面図及び側面図を示す。１・・・β型炭化珪素単結晶膜２・・・珪素単結晶基板３・・・台座４．５・・・電極渠　ｌ　図ｔσノ渠　ｌ　　図　（ｂ）第　　ｌ　図　（ｃ）＄　２　図　　　ｔσノｔｌ、２　　ＷＪ　　　　（ｂ）第　２　図　　　　（ｃ）５　　　　第　　３５１１　　　どσノ第　３　図　（
ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

　珪素単結晶基板上にβ型炭化珪素単結晶を成長させ所
望の厚さの珪素単結晶を除去した素子に電極を設け抵抗
値の変化を検出するようにした炭化珪素半導体センサ