JPH05172672A - Semiconductor piezo-electric element - Google Patents

Semiconductor piezo-electric element

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JPH05172672A
JPH05172672A JP34526991A JP34526991A JPH05172672A JP H05172672 A JPH05172672 A JP H05172672A JP 34526991 A JP34526991 A JP 34526991A JP 34526991 A JP34526991 A JP 34526991A JP H05172672 A JPH05172672 A JP H05172672A
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JP
Japan
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layer
epitaxial growth
type
substrate
semiconductor
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Application number
JP34526991A
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Japanese (ja)
Inventor
Masahiko Usuda
雅彦 臼田
Ryoichi Takeuchi
良一 竹内
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Resonac Holdings Corp
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Showa Denko KK
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Publication date
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Publication of JPH05172672A publication Critical patent/JPH05172672A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain stable accuracy over a wide range of temperature with excellent sensitivity to a fine pressure by including a hetero junction structure comprising a compound semiconductor at a pressure sensing section. CONSTITUTION:For example, a Zn doped p-type Ga0.72Al0.28As epitaxial growth layer 5 with a thickness of 1mum and a Zn doped p-type GaAs epitaxial growth layer 2 with a thickness of 15mum are formed on a semi-insulating undoped GaAs substrate 1 using a liquid phase epitaxial growth method. Then, after the deposition of an AuBe alloy on the surface of a p-type GaAs layer at a thickness of about 5000Angstrom an electrode pad 3 is formed and moreover, an alloying is performed in the atmosphere of N2 at 450 deg.C for 10min, to form an ohmic electrode. An SiO2 film 4 is formed on the surface thereof. Furthermore, a photoresist is applied on the side of the substrate 1 to form a mask pattern so that it is located at the center of the electrode and the work is placed in an etching solution to etch the substrate 1. The etching is stopped with the layer 5 and a piezo-electric element is formed. The use of a hetero junction of a compound semiconductor at a pressure sensing part enables the formation of a highly sensitive piezo-electric element with an improved operation temperature range.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体圧電素子
に係り、特に圧力に対し優れた感度を有し、機械的強度
や温度補償特性の向上に適した化合物半導体ヘテロ接合
構造を感圧部分の動作層に用いたダイヤフラム式圧電素
子及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a compound semiconductor piezoelectric element, and particularly to a compound semiconductor heterojunction structure having excellent sensitivity to pressure and suitable for improving mechanical strength and temperature compensation characteristics. The present invention relates to a diaphragm type piezoelectric element used for the operating layer and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧電素子は、圧力を電気信号に変換する
素子である。従来は、感圧部分に金属薄膜を用いてい
た。更にSiやGeのような単元素半導体を用い、感度
の向上を図った半導体圧電素子も作られている。半導体
圧電素子は、動作原理の点から2種類に大別できる。1
つは、ピエゾ抵抗方式と呼ばれるもので、半導体に圧力
を加えることで抵抗が変化するというピエゾ効果を利用
するものである。圧力に対する抵抗変化率は、形状変化
による成分と比抵抗変化による成分の和で表わされ、一
般的に半導体では比抵抗変化率に依存する。GeやSiの
ような単元素半導体はダイヤモンド構造を有し、圧力が
加わることにより結晶の格子間隔が変化し、キャリヤ濃
度や移動度の変化を生じ、その結果電気抵抗が変化す
る。
2. Description of the Related Art A piezoelectric element is an element that converts pressure into an electric signal. Conventionally, a metal thin film is used for the pressure sensitive portion. Further, a semiconductor piezoelectric element having an improved sensitivity is also manufactured by using a single element semiconductor such as Si or Ge. Semiconductor piezoelectric elements can be roughly classified into two types in terms of operating principle. 1
One is called a piezoresistive method, which utilizes the piezo effect that the resistance changes when pressure is applied to the semiconductor. The resistance change rate with respect to pressure is represented by the sum of the component due to the shape change and the component due to the specific resistance change, and generally depends on the specific resistance change rate in a semiconductor. Single element semiconductors such as Ge and Si have a diamond structure, and when pressure is applied, the lattice spacing of the crystal changes, carrier concentration and mobility change, and as a result, electrical resistance changes.

【0003】ピエゾ抵抗方式の圧電素子では、感度を表
わすのにゲージ率Gという値を利用する。
In a piezoresistive type piezoelectric element, a value called a gauge factor G is used to express sensitivity.

【0004】ゲージ率Gは一般的に多くの金属ではほぼ
G≒2となる。一方、半導体の場合ゲージ率は2より大
きく、特にp型Siの〔III〕軸のゲージ率が最も大き
く、通常半導体圧力センサーではこの特性が利用されて
いる。
The gauge factor G is generally G≈2 for most metals. On the other hand, in the case of semiconductors, the gauge factor is larger than 2, and in particular, the gauge factor of the [III] axis of p-type Si is the largest, and this characteristic is usually utilized in the semiconductor pressure sensor.

【0005】ピエゾ抵抗方式を用いるセンサーの構造
は、抵抗線ゲージを受圧板に貼りつける方式と半導体自
身で受圧板も加工する方式がある。前者はバルクゲージ
と呼ばれ、SiやGeの単結晶を薄くして短冊状に加工
し、これの両端に電極を取りつけ、これをダイヤフラム
などの受圧板に貼りつけるものである(特開平2−12
8479参照)。後者は選択拡散、イオン注入等により
ウェーハ表面に短冊状のゲージに相当する領域を作り、
これに電極を取りつける。最近ではウェーハの裏面を異
方性エッチングを利用してゲージも加工形成することも
行なわれている(特開平2−30188参照)。
The structure of the sensor using the piezo resistance method includes a method in which a resistance wire gauge is attached to the pressure receiving plate and a method in which the semiconductor itself also processes the pressure receiving plate. The former is called a bulk gauge, and is made by thinning a single crystal of Si or Ge into a strip shape, attaching electrodes to both ends of this, and attaching this to a pressure receiving plate such as a diaphragm (JP-A-2- 12
8479). In the latter case, a region corresponding to a strip gauge is created on the wafer surface by selective diffusion, ion implantation, etc.
Attach the electrode to this. Recently, a gauge is also processed and formed on the back surface of the wafer by utilizing anisotropic etching (see JP-A-2-30188).

【0006】動作原理の面で分類されるもう一つの方式
は、pn接合方式と呼ばれるもので、半導体禁制帯幅E
gが圧力に対し変化することを利用するものである。半
導体のpn接合部に圧力をかけるとダイオード特性が変
化するので、ダイオードもしくはトランジスターにより
この差を感知しようとするものである。又、トンネルダ
イオードを用いた場合、この微妙な差を比較的大きな電
流変化として検知できるため、このような方式も利用さ
れている。
Another method classified in terms of operation principle is called a pn junction method, and has a semiconductor forbidden band width E.
It utilizes that g changes with pressure. Since the diode characteristics change when pressure is applied to the pn junction of the semiconductor, it is intended to detect this difference by a diode or a transistor. Further, when a tunnel diode is used, such a delicate difference can be detected as a relatively large current change, and thus such a method is also used.

【0007】ピエゾ抵抗方式を動作原理とする半導体圧
電素子の場合、ゲージ率はポアソン比、ヤング率、ピエ
ゾ抵抗係数のような材料固有な値によって決定されてい
るため、感圧部分を薄くするなどしないと感度の向上が
図れない。このため、現在、Si半導体圧電素子では微
細加工技術を利用し、p+型Si層がKOH溶液やエチ
レンジアミン−ピロカテコール−水混合溶液に溶けにく
いという性質(異方性エッチング)を活用したいわゆる
マイクロマシン技術により20μm以下の薄いSiダイ
ヤフラムを作製する方法が開発されている。しかし、S
i自身の禁制帯幅が室温で1.12eVであるため、温度
に対し敏感に感度が変化するため、温度補償回路等が必
要となる。
In the case of a semiconductor piezoelectric element whose operation principle is a piezoresistive method, the gauge factor is determined by a material-specific value such as Poisson's ratio, Young's modulus, and piezoresistive coefficient. Without it, the sensitivity cannot be improved. For this reason, at present, the Si semiconductor piezoelectric element uses a microfabrication technique and utilizes a property (anisotropic etching) that the p + type Si layer is difficult to dissolve in a KOH solution or an ethylenediamine-pyrocatechol-water mixed solution (anisotropic etching). Techniques have been developed for producing thin Si diaphragms of 20 μm or less. But S
Since the forbidden band width of i itself is 1.12 eV at room temperature, the sensitivity changes sensitively with temperature, so that a temperature compensation circuit or the like is required.

【0008】pn接合方式を動作原理とする半導体圧電
素子の場合、半導体自身固有の禁制帯幅の大きさにより
感度が決定され、SiよりGeの方が感度が良い。しか
し、Ge自身の禁制帯幅は室温で0.66eVしかなく、
使用温度範囲が限定(−20〜40℃)される。又、ヤ
ング率、ピエゾ抵抗係数、禁制帯幅の特性が優れたGa
As,InSb,GaP,GaSbのような化合物半導体
を用いたバルクゲージ圧電素子も考えられるが、バルク
ゲージ方式では、高精度、高感度の圧力センサーにはな
らない。これらの問題点を解決する方法として化合物半
導体を使用したダイヤフラム方式の圧力センサーが提案
されている。たとえば特開昭58−182276公報の
Fig4にはGaAlAsのpn接合膜を使用したダイヤ
フラム方式の圧力センサーが開示されている。また特開
平3−18067公報には、GaAs結晶中のn型活性
層をピエゾ抵抗成分として利用したダイヤフラム方式の
圧力センサーが開示されている。
In the case of a semiconductor piezoelectric element whose operation principle is the pn junction method, the sensitivity is determined by the size of the forbidden band width peculiar to the semiconductor itself, and Ge is better than Si. However, Ge's forbidden band width is only 0.66 eV at room temperature,
The use temperature range is limited (-20 to 40 ° C). Ga has excellent Young's modulus, piezoresistive coefficient, and forbidden band width characteristics.
A bulk gauge piezoelectric element using a compound semiconductor such as As, InSb, GaP, or GaSb is also conceivable, but the bulk gauge method does not provide a highly accurate and highly sensitive pressure sensor. As a method for solving these problems, a diaphragm type pressure sensor using a compound semiconductor has been proposed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-182276 discloses Fig. 4 which discloses a diaphragm type pressure sensor using a GaAlAs pn junction film. Further, JP-A-3-18067 discloses a diaphragm type pressure sensor using an n-type active layer in a GaAs crystal as a piezoresistive component.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】従来の単元素化合物半
導体を使用した圧電素子ではピエゾ抵抗係数、ヤング率
等感圧部分の物質の固有特性に感度が大きく依存してお
り、SiやGeのような禁制帯幅の小さな半導体では感
度が温度に敏感で、安定した動作を得るには使用温度範
囲が限定される欠点がある。また、化合物半導体pn接
合を使用した圧電素子では感圧部にホモ接合を使用して
いるため、微小圧力を検知するにはなお感度が不充分で
あり、広い温度範囲にわたって安定した作動をする温度
特性に優れた圧電素子を得ることはできなかった。
In a conventional piezoelectric element using a single-element compound semiconductor, the sensitivity greatly depends on the characteristic properties of the material of the pressure sensitive portion such as the piezoresistive coefficient and Young's modulus. Such a semiconductor having a small forbidden band has a sensitivity that is sensitive to temperature, and has a drawback that the operating temperature range is limited to obtain stable operation. In addition, since the piezoelectric element using the compound semiconductor pn junction uses the homojunction in the pressure sensitive portion, the sensitivity is still insufficient to detect a minute pressure, and the temperature at which the piezoelectric element uses a stable operation over a wide temperature range. It was not possible to obtain a piezoelectric element having excellent characteristics.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】そこで本発明者は前記課
題を解決すべく鋭意研究した結果、感圧部に化合物半導
体のヘテロ接合構造を使用したダイヤフラム方式とする
ことにより、前記課題を解決されることを見出し、本発
明を完成させるに至った。本発明では半導体基板上に液
相成長法又は気相成長法により化合物半導体のヘテロ接
合を形成し、次いで半導体基板をエッチングにより環状
に除去し、ヘテロ接合部を残してダイヤフラム構造と
し、感圧部には該ヘテロ接合の薄膜を使用するものであ
る。本発明のヘテロ接合は従来のような台座(半導体基
板)部と感圧部(ゲージ)との接合部を指すのではなく、
感圧部の中に含まれたものを指す。
Therefore, as a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventor has solved the above-mentioned problems by adopting a diaphragm system using a heterojunction structure of a compound semiconductor for a pressure sensitive portion. It was found that the present invention has been completed. In the present invention, a heterojunction of a compound semiconductor is formed on a semiconductor substrate by a liquid phase epitaxy method or a vapor phase epitaxy method, and then the semiconductor substrate is removed in an annular shape by etching, leaving a heterojunction portion to form a diaphragm structure, and a pressure sensitive portion. For this, the thin film of the heterojunction is used. The heterojunction of the present invention does not refer to a conventional pedestal (semiconductor substrate) portion and a pressure-sensitive portion (gauge) junction portion,
Refers to the one included in the pressure sensitive part.

【0011】先づ、本発明で使用する半導体基板は、S
i,GaP,GaAs,InP等通常使用されている半導
体基板が利用できる。これら基板上にヘテロ接合を形成
するのであるが、良好な結晶を得るには結晶同志の格子
定数が整合する半導体同志の組合わせが好ましい。格子
定数の整合性の良い組合わせは、たとえばGa1-xAlx
As/GaAs(0<x≦1),Ga1-yAlyP/GaP(0<
y≦1),GazIn1-zAs/InP(0.37≦z≦0.5
7),GaP/Si,GaAs/Si等があげられる。通常、
基板上にまず基板と異なる結晶をエピタキシャル成長さ
せ、そのエピタキシャル成長層の上に基板と同じ結晶を
エピタキシャル成長させると、結晶性の良いヘテロ接合
が得られ、ダイヤフラムを形成するための後工程でも選
択エッチングの手法が利用できる。ヘテロ接合を構成す
るエピタキシャル層の厚さは、対象となる検出圧力によ
って任意の値となるが、機械的強度を考慮して1μm以
上50μm以下、好ましくは10〜20μmとする。
First, the semiconductor substrate used in the present invention is S
A commonly used semiconductor substrate such as i, GaP, GaAs, InP can be used. Although a heterojunction is formed on these substrates, a combination of semiconductors in which the lattice constants of the crystals match each other is preferable in order to obtain a good crystal. For example, Ga 1-x Al x has a good combination of lattice constants.
As / GaAs (0 <x ≦ 1), Ga 1-y Al y P / GaP (0 <
y ≦ 1), Ga z In 1-z As / InP (0.37 ≦ z ≦ 0.5
7), GaP / Si, GaAs / Si and the like. Normal,
When a different crystal from the substrate is epitaxially grown on the substrate and the same crystal as the substrate is epitaxially grown on the epitaxial growth layer, a heterojunction with good crystallinity is obtained, and a selective etching method is also used in the subsequent process for forming the diaphragm. Is available. The thickness of the epitaxial layer forming the heterojunction has an arbitrary value depending on the target detection pressure, but considering the mechanical strength, it is 1 μm or more and 50 μm or less, preferably 10 to 20 μm.

【0012】ピエゾ抵抗方式により圧力による抵抗変化
を検知する場合、エピタキシャル成長層表面に、スパッ
タ法、真空蒸着法、めっき法等によりオーミック特性を
示す電極を形成する。このような方式では、通常の半導
体圧電素子で使われているブリッジ回路も適用できる。
When the resistance change due to pressure is detected by the piezo resistance method, an electrode exhibiting ohmic characteristics is formed on the surface of the epitaxial growth layer by a sputtering method, a vacuum evaporation method, a plating method or the like. In such a system, a bridge circuit used in a normal semiconductor piezoelectric element can also be applied.

【0013】又、pn接合方式を利用する場合、p及び
n型層にそれぞれオーミック特性を示す電極を形成すれ
ば良い。この方式では、例えばダイヤフラム部をp型層
で形成し、その上に3000Å以下のn型層を形成し、
加圧によりp型層のキャリヤ濃度が変化しその変化をn
型層に形成したトランジスターで増幅しようとするよう
なことも可能である。尚、この時、p型層上にn型層を
形成しなくてもショットキー障壁を形成する電極を作製
してもこの効果は得られる。又、n型層は、上述のエピ
タキシャル方法だけでなくイオン注入法も利用できる。
尚、液相エピタキシャル成長相にイオン注入を実施する
方法が最も再現性良くかつ安価に製造できる。
When the pn junction method is used, electrodes having ohmic characteristics may be formed in the p and n type layers, respectively. In this method, for example, the diaphragm portion is formed by a p-type layer, and an n-type layer having a thickness of 3000 Å or less is formed thereon,
The carrier concentration of the p-type layer changes due to the pressurization, and the change is
It is also possible to try amplification with a transistor formed in the mold layer. At this time, this effect can be obtained even if the electrode forming the Schottky barrier is formed without forming the n-type layer on the p-type layer. Further, not only the above-mentioned epitaxial method but also an ion implantation method can be used for the n-type layer.
The method of performing ion implantation in the liquid phase epitaxial growth phase is the most reproducible and can be manufactured at the lowest cost.

【0014】上述の方法により形成したヘテロ接合を有
する半導体基板の表面に、通常のフォトリソグラフィー
法によりマスクパターンを形成し、基板部分を選択的に
エッチング除去することにより環状凹陥部を形成し、ヘ
テロ接合部を薄膜状に残してダイヤフラム構造とする。
エッチングはヘテロ接合に用いる半導体の種類で選択性
を示すものを用いる。例えば、GaAlAs/GaAs
では、NH3−H2O系もしくはフロン12を用いたドラ
イエッチング方式、InGaAs/InPではH3PO4
−H22 −H2O等が利用できる。このようにすれば、
感圧部と基板を一体化でき、高感度、高精度の圧電素子
が得られる。
A mask pattern is formed on the surface of a semiconductor substrate having a heterojunction formed by the above-mentioned method by a normal photolithography method, and a substrate portion is selectively removed by etching to form an annular recess. A diaphragm structure is formed by leaving the bonded portion in a thin film shape.
For etching, a type of semiconductor used for the heterojunction that exhibits selectivity is used. For example, GaAlAs / GaAs
Then, a dry etching method using NH 3 —H 2 O system or Freon 12 is used. In InGaAs / InP, H 3 PO 4 is used.
-H 2 O 2 -H 2 O, or the like can be used. If you do this,
The pressure sensitive portion and the substrate can be integrated, and a highly sensitive and highly accurate piezoelectric element can be obtained.

【0015】[0015]

【作用】本発明において、圧電素子の感圧部分をヤング
率、ピエゾ抵抗係数、ポアソン比、禁制帯幅のいづれ
か、もしくは全ての点で優れた特性を有する化合物半導
体をヘテロ接合の少なくとも一つの相に用いることによ
り、ゲージ率が単元素半導体の値より増大し、高感度化
が図れる。又、感圧部分に禁制帯幅の小さな半導体(例
えばInSb(Eg=0.17eV),InAs(Eg=0.
36eV)等)を用いれば、低温(−30℃以下)での使用
に有効である。逆に禁制帯幅の大きな化合物半導体(例
えばGaAs(Eg=1.43eV),AlAs(Eg=2.1
5eV)等)を用いれば熱的安定性の優れた圧電素子とな
る。又、pn接合方式を用いる場合、化合物半導体の材
料を選択することで禁制帯幅を任意に選べるので所定の
特性の圧電素子を形成しやすいことになる。
In the present invention, the pressure-sensitive portion of the piezoelectric element is made of any one of Young's modulus, piezoresistive coefficient, Poisson's ratio, and forbidden band width, or a compound semiconductor having excellent properties in all respects is used in at least one phase of the heterojunction , The gauge factor is higher than that of the single element semiconductor, and high sensitivity can be achieved. Further, a semiconductor having a small forbidden band width (for example, InSb (Eg = 0.17 eV), InAs (Eg = 0.
36 eV) etc.) is effective for use at low temperature (-30 ° C. or lower). On the contrary, compound semiconductors with a large forbidden band width (eg, GaAs (Eg = 1.43 eV), AlAs (Eg = 2.1)
5eV) or the like) makes the piezoelectric element excellent in thermal stability. Further, when the pn junction method is used, the band gap can be arbitrarily selected by selecting the compound semiconductor material, which facilitates the formation of a piezoelectric element having a predetermined characteristic.

【0016】[0016]

【実施例】次に実施例をあげて本発明をさらに詳細に説
明する。 (実施例1)半絶縁性のアンドープGaAs基板1の
(100)面上に、通常のスライドボード法による液相エ
ピタキシャル成長法を用いて厚さ1μmのZnドープp-
型Ga0.72Al0.28Asエピタキシャル成長層5と、厚さ
15μmのZnドープp-型GaAsエピタキシャル成長
層2を形成した(図1(a)参照)。次いで、p型Ga
As層表面に真空蒸着法でAuBe合金(Be濃度4
%)を厚さ約5000Åに蒸着させた。その後、通常の
フォトリソグラフィー法により電極パッド3を形成し
た。更に450℃,10分間N2雰囲気下でアロイングを
実施し、オーミック電極を形成した。プラズマCVD法
により表面にSiO2膜を形成した(図1(b)参照)。
EXAMPLES Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples. (Example 1) of semi-insulating undoped GaAs substrate 1
On the (100) plane, Zn-doped p- with a thickness of 1 μm was formed by the liquid phase epitaxial growth method using the ordinary slide board method.
A type Ga 0.72 Al 0.28 As epitaxial growth layer 5 and a Zn-doped p − type GaAs epitaxial growth layer 2 having a thickness of 15 μm were formed (see FIG. 1A). Then, p-type Ga
An AuBe alloy (Be concentration 4
%) Was deposited to a thickness of about 5000Å. After that, the electrode pad 3 was formed by the usual photolithography method. Further, alloying was performed at 450 ° C. for 10 minutes in an N 2 atmosphere to form an ohmic electrode. An SiO 2 film was formed on the surface by the plasma CVD method (see FIG. 1B).

【0017】更にGaAs基板側にホトレジストを塗り、
オーミック電極の中央になるようにマスクパターンを形
成した。最後にNH3−H22 系エッチング液中に放置
することによりGaAs基板がエッチングされ、AlGa
As層でエッチングは停止するので、図1(c)のよう
な圧電素子が形成された。
Further, a photoresist is applied to the GaAs substrate side,
A mask pattern was formed in the center of the ohmic electrode. Finally, the GaAs substrate is etched by leaving it in an NH 3 —H 2 O 2 -based etching solution to remove AlGa
Since the etching stops at the As layer, the piezoelectric element as shown in FIG. 1C is formed.

【0018】本構造ではゲージ率はG=−3800であ
り、従来のp型Siに比べ約20倍以上の感度である。
しかも、ストップエッチングが可能なため、各ロット間
でバラツキが少なく安定的に圧電素子が得られた。測定
領域は0.005kg/cm2〜500kg/cm2であり、使用温
度は−50〜150℃で安定的に作動した。
In this structure, the gauge factor is G = -3800, and the sensitivity is about 20 times higher than that of the conventional p-type Si.
Moreover, since stop etching is possible, there is little variation between lots, and piezoelectric elements can be obtained stably. The measurement area was 0.005 kg / cm 2 to 500 kg / cm 2 , and the operating temperature was -50 to 150 ° C. and stable operation was performed.

【0019】(実施例2)実施例1と同様なGa0.72
l0.28As/GaAsヘテロ接合を有するGaAs基板1のp
型GaAsエピタキシャル成長層2の表面にホトレジスト
を塗り、ブリッジ回路のパターンを形成した。イオン注
入法により29Siイオンを加速電圧100keV、ドーズ
量3.5×1012cm-2の条件でイオン注入した。レジス
ト除去後、AsH3(アルシン)雰囲気下でアニールを実
施し、n-型GaAs活性層6のブリッジ回路を得た。
次に再びフォトリソグラフィー法によりブリッジ回路上
に電極パッド7を形成した。真空蒸着法によりAu−Ge
/Ni/Au3層合金(Ge濃度12%,Au−Ge20
00Å,Ni400Å,Au5000Å)を蒸着し、リ
フトオフ法によりレジストを除いた(図2(b)参
照)。
(Example 2) Ga 0.72 A similar to Example 1
l p of GaAs substrate 1 having 0.28 As / GaAs heterojunction
A photoresist was applied to the surface of the type GaAs epitaxial growth layer 2 to form a bridge circuit pattern. 29 Si ions were ion-implanted by an ion implantation method under the conditions of an acceleration voltage of 100 keV and a dose amount of 3.5 × 10 12 cm −2 . After removing the resist, annealing was performed in an AsH 3 (arsine) atmosphere to obtain a bridge circuit of the n − type GaAs active layer 6.
Next, the electrode pad 7 was formed again on the bridge circuit by the photolithography method. Au-Ge by vacuum deposition
/ Ni / Au 3-layer alloy (Ge concentration 12%, Au-Ge 20
00Å, Ni400Å, Au5000Å) was vapor-deposited, and the resist was removed by a lift-off method (see FIG. 2 (b)).

【0020】次いで実施例1と同様にGaAs基板表面に
ホトレジストを塗り、ブリッジ回路の感圧部の中心にな
るように円形のマスクパターンを形成した。最後にNH
3 −H22系エッチング液中に放置することによりGa
As層がエッチングされ、GaAlAs層でエッチング
は停止するので、図2(c)のような圧電素子が形成さ
れた。本構造ではゲージ率はG=5000であった。
又、入力電圧をV、出力電圧を△Vとした時の△V/V
=250mV/Vであり(圧力760mmHg)、本特性は−
50〜150℃で安定であった。
Then, in the same manner as in Example 1, a photoresist was applied to the surface of the GaAs substrate to form a circular mask pattern so as to be the center of the pressure sensitive portion of the bridge circuit. Finally NH
By leaving it in the 3- H 2 O 2 -based etching solution, Ga
Since the As layer was etched and the GaAlAs layer stopped etching, a piezoelectric element as shown in FIG. 2C was formed. In this structure, the gauge factor was G = 5000.
ΔV / V when the input voltage is V and the output voltage is ΔV
= 250 mV / V (pressure 760 mmHg), this characteristic is-
It was stable at 50 to 150 ° C.

【0021】(実施例3)比抵抗1×107Ω・cmの半
絶縁性FeドープInP単結晶ミラーウェーハ8を、通
常の常圧MO−VPE装置内にセットし、Ga0.47In
0.53As結晶9を30分間エピタキシャル成長させた。
次いでInP結晶10を10時間にわたってエピタキシ
ャル成長させ、InP基板上にInP/Ga0.47In
0.53Asヘテロ接合を得た(図3(a)参照)。このIn
P,Ga0.47In0.53Asエピタキシャル成長層の諸特
性を測定したところ以下の通りであった。InPエピタ
キシャル層はn型で厚さは15μm、キャリヤ濃度は(1
±0.1)×1016cm-3であった。Ga0.47In0.53
sエピタキシャル成長層はn型で厚さは1.0μm、キャ
リヤ濃度は(2±0.1)×1016cm-3、バンドギャップ
エネルギーはEg=0.86eVであった。
Example 3 A semi-insulating Fe-doped InP single crystal mirror wafer 8 having a specific resistance of 1 × 10 7 Ω · cm was set in an ordinary atmospheric pressure MO-VPE apparatus and Ga 0.47 In
0.53 As crystal 9 was epitaxially grown for 30 minutes.
Then, the InP crystal 10 is epitaxially grown for 10 hours, and InP / Ga 0.47 In is grown on the InP substrate.
A 0.53 As heterojunction was obtained (see FIG. 3 (a)). This In
When the various characteristics of the P, Ga 0.47 In 0.53 As epitaxial growth layer were measured, they were as follows. The InP epitaxial layer is n-type and has a thickness of 15 μm and a carrier concentration of (1
It was ± 0.1) × 10 16 cm -3 . Ga 0.47 In 0.53 A
The s epitaxial growth layer was n-type, the thickness was 1.0 μm, the carrier concentration was (2 ± 0.1) × 10 16 cm −3 , and the band gap energy was Eg = 0.86 eV.

【0022】InP層表面にホトレジストを塗り、ブリ
ッジ回路のパターンを形成した。イオン注入法により24
Mgイオンを加速電圧50keV,ドーズ量3×1012cm-2
の条件で注入し、p型InP活性層11を得た。レジス
ト除去後、ランプアニールを実施した。再びフォトリソ
グラフィー法によりブリッジ回路上に電極パッド3を形
成した。AuBe合金を5000Å真空蒸着し、リフト
オフ法によりレジストを除去した(図3(b)参照)。
以下、実施例2と同様にしてダイヤフラムを形成した
(図3(c)参照)。尚、エッチングは2%HCl溶液を用
いた。本構造では、ゲージ率はG=−100であった。
しかし禁制帯幅がEg=0.86eVと小さく極低温(−1
00〜−50℃)での使用に向いている。
Photoresist was applied to the surface of the InP layer to form a bridge circuit pattern. 24 by ion implantation
Acceleration voltage of 50 keV, dose of 3 × 10 12 cm -2
Then, the p-type InP active layer 11 was obtained. After removing the resist, lamp annealing was performed. The electrode pad 3 was formed again on the bridge circuit by the photolithography method. The AuBe alloy was vacuum-deposited at 5000Å and the resist was removed by the lift-off method (see FIG. 3 (b)).
Hereinafter, a diaphragm was formed in the same manner as in Example 2.
(See FIG. 3 (c)). Note that a 2% HCl solution was used for etching. In this structure, the gauge factor was G = -100.
However, the forbidden band width is small at Eg = 0.86 eV and extremely low temperature (-1
It is suitable for use at 0 to -50 ° C.

【0023】(実施例4)厚さ500μm,3Ω・cmの
n型シリコン12の(100)面上に液相法により厚さ
20μmのp型Si層13を形成した。更にSi層上に
MoCVD成長法によりn型GaP層を1μmの厚さに
形成した(図4(a)参照)。このGaP層表面に真空
蒸着法でAuGe(Ge濃度12%,厚さ5000Å)を蒸
着させた。その後通常のフォトリソグラフィー法により
電極パッドを形成した。450℃,5分間N2雰囲気下で
アロイングを実施し、オーミック電極を形成した(図4
(b)参照)。以下実施例1と同様にしてダイヤフラム
部を形成した(図4(c)参照)。尚、エッチングには1
0.1KOH溶液を用いた。本構造では、ゲージ率はG
=2000であった。測定領域は0.01kg/cm2〜30
0kg/cm2であったが使用温度は−20〜160℃で安定
作動した。
Example 4 A p-type Si layer 13 having a thickness of 20 μm was formed on the (100) plane of the n-type silicon 12 having a thickness of 500 μm and 3 Ω · cm by the liquid phase method. Further, an n-type GaP layer having a thickness of 1 μm was formed on the Si layer by the MoCVD growth method (see FIG. 4A). AuGe (Ge concentration: 12%, thickness: 5000Å) was vapor-deposited on the surface of the GaP layer by a vacuum vapor deposition method. After that, an electrode pad was formed by a normal photolithography method. Alloying was carried out at 450 ° C. for 5 minutes in an N 2 atmosphere to form an ohmic electrode (FIG. 4).
(See (b)). A diaphragm portion was formed in the same manner as in Example 1 (see FIG. 4C). 1 for etching
A 0.1 KOH solution was used. In this structure, the gauge factor is G
= 2000. Measurement area is 0.01kg / cm 2 ~ 30
Although it was 0 kg / cm 2 , the operation temperature was stable at -20 to 160 ° C.

【0024】[0024]

【発明の効果】このように感圧部分にヤング率、ピエゾ
抵抗係数、禁制帯幅の特性が優れた化合物半導体のヘテ
ロ接合を用いることにより、高感度で作動温度範囲の向
上した圧電素子が形成できた。その結果、従来のSiや
Ge半導体に比べ高い信頼性が得られ、温度変化の激し
い場所で使用される車のエンジン制御用の圧電素子等に
利用できる。
As described above, by using the compound semiconductor heterojunction having excellent Young's modulus, piezoresistive coefficient, and forbidden band characteristic in the pressure sensitive portion, a piezoelectric element with high sensitivity and improved operating temperature range is formed. did it. As a result, higher reliability can be obtained as compared with the conventional Si and Ge semiconductors, and it can be used as a piezoelectric element for controlling an engine of a car used in a place where the temperature changes drastically.

【0025】又、ヘテロ接合を有しているため、その界
面で停止するような選択性エッチング方法が利用でき、
均一な厚さのダイヤフラムが再現性良く形成できる。
又、カンチレバー方式の加速度センサー、静電リレー、
光変調器等への応用も可能である。更にGaAsのよう
な化合物半導体は、耐放射線特性も優れているので、宇
宙空間での使用も可能となる。
Further, since it has a heterojunction, a selective etching method of stopping at the interface can be used,
A diaphragm with a uniform thickness can be formed with good reproducibility.
Also, cantilever type acceleration sensor, electrostatic relay,
The application to an optical modulator or the like is also possible. Furthermore, since compound semiconductors such as GaAs have excellent radiation resistance, they can be used in outer space.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例1にかかわる半導体圧電素子を
製作する工程を説明する図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a process of manufacturing a semiconductor piezoelectric element according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施例2にかかわる半導体圧電素子を
製作する工程を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a process of manufacturing a semiconductor piezoelectric element according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施例3にかかわる半導体圧電素子を
製作する工程を説明する図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a process of manufacturing a semiconductor piezoelectric element according to a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施例4にかかわる半導体圧電素子を
製作する工程を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a process of manufacturing a semiconductor piezoelectric element according to a fourth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 GaAs基板 2 GaAsエピタキシャル成長層 3,7 電極パッド 4 SiO2膜 5 GaAlAsエピタキシャル成長層 6 n- 型GaAs活性層 8 InP基板 9 GaInAsエピタキシャル成長層 10 InPエピタキシャル成長層 11 p型InP活性層 12 n型Si基板 13 p型Siエピタキシャル成長層 14 n型GaPエピタキシャル成長層 15 電極パッド1 GaAs substrate 2 GaAs epitaxial growth layer 3, 7 electrode pad 4 SiO 2 film 5 GaAlAs epitaxial growth layer 6 n- type GaAs active layer 8 InP substrate 9 GaInAs epitaxial growth layer 10 InP epitaxial growth layer 11 p type InP active layer 12 n type Si substrate 13 p-type Si epitaxial growth layer 14 n-type GaP epitaxial growth layer 15 electrode pad

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 感圧部分に化合物半導体からなるヘテロ
接合構造を具備していることを特徴とする圧電素子。
1. A piezoelectric element having a heterojunction structure made of a compound semiconductor in a pressure-sensitive portion.
【請求項2】 ヘテロ接合構造がAlxGa1-xAs/Ga
As(0<x≦1),AlyGa1-yP/GaP(0<y≦
1),GazIn1-zAs/InP(0.37≦z≦0.5
7),GaP/Si,GaAs/Siのうちいずれか1
種からなることを特徴とする請求項1記載の圧電素子。
2. The heterojunction structure is Al x Ga 1-x As / Ga.
As (0 <x ≦ 1), Al y Ga 1-y P / GaP (0 <y ≦
1), Ga z In 1- z As / InP (0.37 ≦ z ≦ 0.5
7), any one of GaP / Si and GaAs / Si
The piezoelectric element according to claim 1, wherein the piezoelectric element comprises a seed.
【請求項3】 半導体基板上に液相エピタキシャル成長
法によりヘテロ接合構造を形成した後、該エピタキシャ
ル成長層上にイオン注入法により不純物イオンを注入し
て活性層を形成し、次いで活性層上に電極を形成した
後、選択エッチング法を利用して半導体基板の一部を除
去し、ヘテロ接合構造を含むダイヤフラムを形成するこ
とを特徴とする半導体圧電素子の製造方法。
3. A heterojunction structure is formed on a semiconductor substrate by a liquid phase epitaxial growth method, and then impurity ions are implanted on the epitaxial growth layer by an ion implantation method to form an active layer, and then an electrode is formed on the active layer. After the formation, a part of the semiconductor substrate is removed by using a selective etching method to form a diaphragm including a heterojunction structure.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007052800A1 (en) * 2005-11-07 2007-05-10 Rohm Co., Ltd. Semiconductor pressure sensor
JP2009135270A (en) * 2007-11-30 2009-06-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor micro mechanical element and its manufacturing method
WO2023105565A1 (en) * 2021-12-06 2023-06-15 日本電信電話株式会社 Micro diaphragm pump

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