JPH0666477B2 - 機械電気変換素子 - Google Patents
機械電気変換素子Info
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- JPH0666477B2 JPH0666477B2 JP61026452A JP2645286A JPH0666477B2 JP H0666477 B2 JPH0666477 B2 JP H0666477B2 JP 61026452 A JP61026452 A JP 61026452A JP 2645286 A JP2645286 A JP 2645286A JP H0666477 B2 JPH0666477 B2 JP H0666477B2
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
- G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
- G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
- G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
- G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C10/00—Adjustable resistors
- H01C10/10—Adjustable resistors adjustable by mechanical pressure or force
Description
本発明は機械的変化量を電気的変化量に変換する機械電
気変換素子に関するものである。
気変換素子に関するものである。
半導体材料に機械的歪あるいは応力を印加することによ
りその電気伝導抵抗が変動する事実はピエゾ抵抗効果と
してよく知られている。そしてこの効果を積極的に利用
して機械的変化量を電気的変化量に変換する素子がSi
（ケイ素）を材料として開発されている。その基本構成
例を第12図〜第14図に示す。 すなわち、この従来例として第12図および第13図に、応
力印加の具体例として各々方持ばり形およびダイアフラ
ム形の機械電気変換装置６および７の例を示す。また、
全体構成中で今重要となる機械電気変換素子部について
は第12図および第13図の一点鎖線XIVで囲んだ部分の拡
大図を第14図に示す。以下に、第14図に示すSiを用いた
機械電気変換素子について更に詳しく述べる。 通常素子部は次のように構成する。ｎ形Si基板１上に酸
化膜２（SiO2等）を被覆し、ボロン等を熱拡散すること
によりｐ形拡散層３よりなる素子部を形成する。次に図
中、その両端にAl等の金属電極４を真空蒸着法などによ
り付着形成し良好なオーミック電極を形成する。最後に
金属電極４およびSi基板１上にSiO2あるいはSiNxの膜を
パッシベーション（保護）膜５として被着する。 このようなｐ形素子領域に第12図および第13図中の矢印
方向に機械的歪あるいは応力を印加していくと、このｐ
形素子部の伝導抵抗が変動する。この抵抗の変動率は印
加する機械的歪あるいは応力により直線的に変動化す
る。このため電気抵抗変化率を測定すれば、この部分に
加わった機械的歪みあるいは応力を求めることができ
る。
りその電気伝導抵抗が変動する事実はピエゾ抵抗効果と
してよく知られている。そしてこの効果を積極的に利用
して機械的変化量を電気的変化量に変換する素子がSi
（ケイ素）を材料として開発されている。その基本構成
例を第12図〜第14図に示す。 すなわち、この従来例として第12図および第13図に、応
力印加の具体例として各々方持ばり形およびダイアフラ
ム形の機械電気変換装置６および７の例を示す。また、
全体構成中で今重要となる機械電気変換素子部について
は第12図および第13図の一点鎖線XIVで囲んだ部分の拡
大図を第14図に示す。以下に、第14図に示すSiを用いた
機械電気変換素子について更に詳しく述べる。 通常素子部は次のように構成する。ｎ形Si基板１上に酸
化膜２（SiO2等）を被覆し、ボロン等を熱拡散すること
によりｐ形拡散層３よりなる素子部を形成する。次に図
中、その両端にAl等の金属電極４を真空蒸着法などによ
り付着形成し良好なオーミック電極を形成する。最後に
金属電極４およびSi基板１上にSiO2あるいはSiNxの膜を
パッシベーション（保護）膜５として被着する。 このようなｐ形素子領域に第12図および第13図中の矢印
方向に機械的歪あるいは応力を印加していくと、このｐ
形素子部の伝導抵抗が変動する。この抵抗の変動率は印
加する機械的歪あるいは応力により直線的に変動化す
る。このため電気抵抗変化率を測定すれば、この部分に
加わった機械的歪みあるいは応力を求めることができ
る。
しかしながら、このようなSiを用いた従来型の機械電気
変換素子は種々の問題点を有している。以下にその問題
点のうちいくつかをあげる。すなわち、 （１） 基板（ｎ形Si）から素子部（ｐ形）を電気的に
分離するために、従来はｐ−ｎ接合の逆バイアス効果を
用いている。このためおのずから高温動作が難しくなっ
てくる。それはSiにおいては150℃以上の高温ではｐ−
ｎ接合部でのリーク電流が増大し、電気的な素子分離が
著しく困難となるためである。 （２） Siにおいては結晶格子整合の取れた異種半導体
（ヘテロ）接合の形成が難しく、単層の伝導層（ｐ層）
のピエゾ効果を用いることができるのみであり、感度の
向上および素子特性の最適化には限界がある。 （３） Siのエネルギー禁制帯幅はGaAs,AlxGa（１−
ｘ）As（０＜ｘ≦１）等の化合物半導体のそれよりも狭
いため電気伝導度の温度変動が激しい。このためピエゾ
抵抗係数の温度変動率が大きくなる。 （４） 基板が導電性（ｎ形）であるため、素子の外周
面全体にパッシベーションが必要となる。特に医療用電
子工学への応用を考えると大きな問題となる。 （５） Si基板（ｎ形）上に素子部（ｐ形）を形成する
ために拡散マスク用SiO2膜の形成、拡散、アニール、そ
の他パッシベーション膜の形成等工程数が多い。 本発明者らは従来あるSiを用いた機械電気変換素子の問
題点を解決するためにGaAs,AlxGa（１−ｘ）As（０＜ｘ
≦１）等のIII−Ｖ族化合物半導体を用いた機械電気変
換素子を考案した。すなわち、GaAs化合物半導体では容
易に高抵抗の半絶縁性基板（＞107Ωocm）が得られる。
また、このような高抵抗GaAs基板上に分子線エピタキシ
ャル成長（MBE）法、有機金属CVD（MoCVD）法等により
格子整合のとれた異種〔たとえばGaAs,AlxGa（１−ｘ）
As（０＜ｘ≦１）〕半導体材料の薄膜結晶を容易に多層
成長することができる。このような基板と結晶成長技術
を用いることによりSiにおける前述の問題点を改善する
ことができる。
変換素子は種々の問題点を有している。以下にその問題
点のうちいくつかをあげる。すなわち、 （１） 基板（ｎ形Si）から素子部（ｐ形）を電気的に
分離するために、従来はｐ−ｎ接合の逆バイアス効果を
用いている。このためおのずから高温動作が難しくなっ
てくる。それはSiにおいては150℃以上の高温ではｐ−
ｎ接合部でのリーク電流が増大し、電気的な素子分離が
著しく困難となるためである。 （２） Siにおいては結晶格子整合の取れた異種半導体
（ヘテロ）接合の形成が難しく、単層の伝導層（ｐ層）
のピエゾ効果を用いることができるのみであり、感度の
向上および素子特性の最適化には限界がある。 （３） Siのエネルギー禁制帯幅はGaAs,AlxGa（１−
ｘ）As（０＜ｘ≦１）等の化合物半導体のそれよりも狭
いため電気伝導度の温度変動が激しい。このためピエゾ
抵抗係数の温度変動率が大きくなる。 （４） 基板が導電性（ｎ形）であるため、素子の外周
面全体にパッシベーションが必要となる。特に医療用電
子工学への応用を考えると大きな問題となる。 （５） Si基板（ｎ形）上に素子部（ｐ形）を形成する
ために拡散マスク用SiO2膜の形成、拡散、アニール、そ
の他パッシベーション膜の形成等工程数が多い。 本発明者らは従来あるSiを用いた機械電気変換素子の問
題点を解決するためにGaAs,AlxGa（１−ｘ）As（０＜ｘ
≦１）等のIII−Ｖ族化合物半導体を用いた機械電気変
換素子を考案した。すなわち、GaAs化合物半導体では容
易に高抵抗の半絶縁性基板（＞107Ωocm）が得られる。
また、このような高抵抗GaAs基板上に分子線エピタキシ
ャル成長（MBE）法、有機金属CVD（MoCVD）法等により
格子整合のとれた異種〔たとえばGaAs,AlxGa（１−ｘ）
As（０＜ｘ≦１）〕半導体材料の薄膜結晶を容易に多層
成長することができる。このような基板と結晶成長技術
を用いることによりSiにおける前述の問題点を改善する
ことができる。
すなわち本第一の発明の機械電気変換素子は、半絶縁性
高抵抗のGaAs半導体基板上にアンドープGaAs半導体層、
アンドープAlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導体層
およびｐ形AlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導体層
を順次積層することによって前記アンドープGaAs半導体
層中の前記アンドープAlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦
１）半導体層との境界面部に形成される量子井戸一つか
らなる伝導層、該伝導層上のｐ形GaAs半導体層からなる
キャップ層、更に該キャップ層、前記伝導層および前記
基板を接続する電極からなることを特徴とする。 また本第二の発明の機械電気変換素子は、半絶縁性高抵
抗のGaAs半導体基板上のｐ形あるいはアンドープAlyGa
（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導体層とアンドープある
いはｐ形AlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜1,z＜ｙ）半導体
層とが交互に積層された量子井戸（但し、一方の半導体
層がｐ形であれば、他方の半導体層はアンドープであ
る）一つ以上からなる伝導層、該伝導層上のｐ形GaAs半
導体層からなるキャップ層、更に該キャップ層、前記伝
導層および前記基板を接続する電極からなることを特徴
とする。 本発明による機械電気変換素子の基本構成を第１図に示
す。また第２図（ａ）〔参考例〕および第２図（ｂ）
〔本第二の発明例〕に第１図の一点鎖線で囲んだ部分II
の拡大図を示す。本第二の発明の機械電気変換素子は第
２図（ｂ）に示す如く、積層構造からなる量子井戸（正
確には量子井戸を構成する構造；以下、量子井戸と略称
する）を有しているが、比較のために単層構造を第２図
（ａ）に示す。 本素子では図１中矢印の方向に機械的歪あるいは応力を
印加することにより電極24,24間の電気抵抗が変化す
る。逆にこの抵抗変化率から機械的歪あるいは応力を求
めることができる。 この素子の基本構成は以下に示すとおりである。半導体
性高抵抗GaAs基板21の上にMBE法あるいはMoCVD法などの
結晶成長法により伝導層22を形成する。この伝導層22
は、第２図（ａ）〔参考例〕に示すようにｐ形AlxGa
（１−ｘ）As（０≦ｘ≦１）層221の単層から形成する
こともできるが、第２図（ｂ）［本第二の発明例］に示
すように異種半導体薄膜結晶すなわちｐ形あるいはアン
ドープAlxGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）層222およびア
ンドープあるいはｐ形AlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜1,z
＜ｙ）層223を積層した量子井戸（層圧10〜100Åのオー
ダー）一つ以上から形成することにより、一層優れた性
能を示す。 すなわち、この層が機械的歪あるいは応力に感じて抵抗
変化を起す伝導層となる。さらにその上に金属電極24と
のオーミック接触を良好とするためのキャップ層23とし
てｐ形GaAs層を成長させる。 このようにして基板21上に結晶成長させたものに通常の
フォトリソグラフィー技術を用いて所望の素子パターン
を形成した後レジストをマスクとして台形状に素子部を
残して化学エッチし、素子分離を行う。この際エッチン
グの深さは表面から伝導層22およびキャップ層23がなく
なる程度の深さとする。この他に素子分離の方法として
プロトン注入による高抵抗化技術などを使うこともでき
る。次にAuZn合金などよりなるオーミック電極として金
属電極24をリード部として形成する。その後伝導層の中
のキャップ層23は電極部を除いてエッチングにより除去
する。このようにして形成した素子部上にさらに必要に
応じてパッシベーション膜（SiO2,SiNxなど）25を形成
する。
高抵抗のGaAs半導体基板上にアンドープGaAs半導体層、
アンドープAlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導体層
およびｐ形AlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導体層
を順次積層することによって前記アンドープGaAs半導体
層中の前記アンドープAlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦
１）半導体層との境界面部に形成される量子井戸一つか
らなる伝導層、該伝導層上のｐ形GaAs半導体層からなる
キャップ層、更に該キャップ層、前記伝導層および前記
基板を接続する電極からなることを特徴とする。 また本第二の発明の機械電気変換素子は、半絶縁性高抵
抗のGaAs半導体基板上のｐ形あるいはアンドープAlyGa
（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導体層とアンドープある
いはｐ形AlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜1,z＜ｙ）半導体
層とが交互に積層された量子井戸（但し、一方の半導体
層がｐ形であれば、他方の半導体層はアンドープであ
る）一つ以上からなる伝導層、該伝導層上のｐ形GaAs半
導体層からなるキャップ層、更に該キャップ層、前記伝
導層および前記基板を接続する電極からなることを特徴
とする。 本発明による機械電気変換素子の基本構成を第１図に示
す。また第２図（ａ）〔参考例〕および第２図（ｂ）
〔本第二の発明例〕に第１図の一点鎖線で囲んだ部分II
の拡大図を示す。本第二の発明の機械電気変換素子は第
２図（ｂ）に示す如く、積層構造からなる量子井戸（正
確には量子井戸を構成する構造；以下、量子井戸と略称
する）を有しているが、比較のために単層構造を第２図
（ａ）に示す。 本素子では図１中矢印の方向に機械的歪あるいは応力を
印加することにより電極24,24間の電気抵抗が変化す
る。逆にこの抵抗変化率から機械的歪あるいは応力を求
めることができる。 この素子の基本構成は以下に示すとおりである。半導体
性高抵抗GaAs基板21の上にMBE法あるいはMoCVD法などの
結晶成長法により伝導層22を形成する。この伝導層22
は、第２図（ａ）〔参考例〕に示すようにｐ形AlxGa
（１−ｘ）As（０≦ｘ≦１）層221の単層から形成する
こともできるが、第２図（ｂ）［本第二の発明例］に示
すように異種半導体薄膜結晶すなわちｐ形あるいはアン
ドープAlxGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）層222およびア
ンドープあるいはｐ形AlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜1,z
＜ｙ）層223を積層した量子井戸（層圧10〜100Åのオー
ダー）一つ以上から形成することにより、一層優れた性
能を示す。 すなわち、この層が機械的歪あるいは応力に感じて抵抗
変化を起す伝導層となる。さらにその上に金属電極24と
のオーミック接触を良好とするためのキャップ層23とし
てｐ形GaAs層を成長させる。 このようにして基板21上に結晶成長させたものに通常の
フォトリソグラフィー技術を用いて所望の素子パターン
を形成した後レジストをマスクとして台形状に素子部を
残して化学エッチし、素子分離を行う。この際エッチン
グの深さは表面から伝導層22およびキャップ層23がなく
なる程度の深さとする。この他に素子分離の方法として
プロトン注入による高抵抗化技術などを使うこともでき
る。次にAuZn合金などよりなるオーミック電極として金
属電極24をリード部として形成する。その後伝導層の中
のキャップ層23は電極部を除いてエッチングにより除去
する。このようにして形成した素子部上にさらに必要に
応じてパッシベーション膜（SiO2,SiNxなど）25を形成
する。
以下の実施例、参考例および使用例において本発明を更
に詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定さ
れるものではない。 第３図および第４図に本発明の素子の一使用例を示す。
本発明による機械電気変換素子は例えば第３図および第
４図のように配置し、各々片持ばり形およびダイヤフラ
ム形の機械電気変換装置10および11として使用する。こ
れらの装置は荷重あるいは加圧により生じる機械的歪あ
るいは応力を素子の電気抵抗の変動分として測定するも
のである。このように全体構成は第３図および第４図の
ようになり、この全体構成は第12図および第13図に示し
た従来例とほぼ同一である。本発明で重要なのは素子部
の構成でありこれを以下に詳しく述べる。 以下、素子部の製造方法および基本動作を第２図（ａ）
〔参考例〕の単層構造を例として説明する。 この素子部の参考例の拡大図を第５図に示す。第５図は
素子部の断面構造を示すものである。素子部の製作手順
としては半絶縁性高抵抗GaAs基板〔面方位（100）〕31
上に通常のMBE法にて次に示す結晶層を順次成長させ
る。すなわち、最初に素子部と基板の間のバッファ層と
してアンドープGaAs層（厚さ約１μｍ）32を成長させ
る。この層は素子部形成時における成長結晶の結晶品質
を向上させるために、基板から素子部への不純物の拡散
等を防ぐものであり、必ずしも１μｍという層厚を必要
としない。次にアンドープAl0.3Ga0.7As層（厚さ1000
Å）33を成長させる。この層は伝導層34からの正孔のGa
As層32へのにげを防止するためのものである。次に素子
を形成するｐ形Al0.3Ga0.7As層（厚さ2000Å,P２×10
18cm-3）よりなる伝導層34を成長させる。その上に最後
にｐ形GaAs（厚さ500Å,P５×1018cm-3）よりなるキ
ャップ層35aおよび35bを成長させる。この層は伝導層34
上へオーミック電極形成を容易にするためのキャップ層
である。 このようにして基板31上に結晶成長させたものに通常の
フォトリソグラフィ技術を用いて所望の素子パターンを
形成した後レジストをマスクとして台形状に素子部分を
残して化学エッチし素子分離を行う。この際エッチング
は表面から伝導層34およびキャップ層35aおよび35bがな
くなる程度の深さまで行う。次にAuZn合金よりなる金属
電極36aおよび36bを真空蒸着法などで被着し、リフトオ
フ技術を用いて配線パターンを形成する。その後オーミ
ック性を向上させるために390℃程度の温度で１分間ほ
ど加熱処理する。次にキャップ層35aおよび35bについて
電極部以外をエッチ除去しておく。 こうして得られた素子にリード部である金属電極36aお
よび36bを通して電圧印加し、その電圧−電流特性から
キャップ層35aおよび35b間の伝導層34の電気抵抗を求め
る。 量子井戸を有する本第一の発明の実施例（実施例１）６
図に示す。この実施例１は機械的歪あるいは応力に対応
して電気抵抗の変動する伝導層の構造が異なる（参考例
の如く単層ではなく、積層された量子井戸）以外はほと
んど参考例と同じである。このため異なる部分について
のみ述べる。参考例では伝導層はｐ形Al0.3Ga0.7As層34
の単層のみで構成されていたが、実施例１では、基板31
上に形成したアンドープGaAs層42のアンドープAl0.3Ga
0.7As層43との境界面部47およびアンドープAl0.3Ga0.7A
s層（厚さ10Å）43、ｐ形Al0.3Ga0.7As層（厚さ700Å,P
２×1018cm-3）44から構成されている。 このような構造にすると主たる電気伝導は、境界面部47
における２次元的に広がった正孔が受けもつことにな
る。この様子を第７図の価電子帯端の正孔エネルギー準
位図に示す。すなわち、層43と層42の境界には、GaAsと
Al0.3Ga0.7Asにおける価電子帯端の落差から発生する三
角形状のポテンシャル井戸48が発生する。このために層
44中の正孔はこの井戸の中に入り込んで２次元状態を形
成する。このため実施例１の素子の電気抵抗はこの２次
元正孔49の性質により決まってくる。正孔が２次元状態
になると３次元ではエネルギー準位が一致していた重い
正孔と軽い正孔のエネルギー準位における分離が発生す
る。また、これには結晶方位に関する異方性が伴ってく
る。このために２次元正孔49の伝導においてはピェゾ抵
抗係数の増加が期待される。 更に本第二の発明の実施例（実施例２）を第８図に示
す。実施例１では伝導層の電気伝導を価電子帯端に発生
する三角ポテンシャル井戸の２次元正孔に行わせた。し
かしこの構造ではポテンシャル井戸の構造、特にその幅
は約100Åと一定になってしまっており構造を設計する
上で限度がある。このポテンシャル井戸の幅を自由に設
計できる形態として考えられたのが実施例２における量
子井戸である。 実施例２の量子井戸では主たる伝導層53はｐ形Al0.3Ga
0.7As層（厚さ80Å,P２×1018cm-3）531およびアンド
ープGaAs（厚さ80Å）532からなる多重量子井戸となっ
ている。この際の価電子帯端の正孔エネルギー準位図を
第９図に示す。ここで531はポテンシャル障壁層、532は
ポテンシャル井戸層を形成しており、正孔は２次元正孔
533の状態にあって伝導する。この構造ではポテンシャ
ル井戸の幅が自由に設計でき本発明による機械電気変換
素子の素子特性の設計が可能となる。 ＜性能評価試験＞ 最後に参考例および実施例１について機械電気変換素子
における変換係数であるピエゾ抵抗係数の測定結果を第
１表に示す。 また第10図にその測定法を示し、第11図に結晶方位を示
す。片持ばり形状のものに図中矢印方向に荷重印加で応
力を加え、その応力に対する素子部の電気抵抗変化を測
定した。素子８の方向としては直交する方向（０１）
と（０）を選び、荷重方向の平行なもの、直行する
もの計４種について測定を行った。この測定結果から次
のことが判った。 （１） 結晶方向に関して異方性が存在する。 （２） 参考例に対して実施例１の係数が４倍ほど増大
している。このことは２次元正孔を用いれば素子の感度
を増加させることができ且つ超格子構造の採用により優
れた特性を有する素子の設計が可能であることを示して
いる。
に詳細に説明する。なお、本発明は下記実施例に限定さ
れるものではない。 第３図および第４図に本発明の素子の一使用例を示す。
本発明による機械電気変換素子は例えば第３図および第
４図のように配置し、各々片持ばり形およびダイヤフラ
ム形の機械電気変換装置10および11として使用する。こ
れらの装置は荷重あるいは加圧により生じる機械的歪あ
るいは応力を素子の電気抵抗の変動分として測定するも
のである。このように全体構成は第３図および第４図の
ようになり、この全体構成は第12図および第13図に示し
た従来例とほぼ同一である。本発明で重要なのは素子部
の構成でありこれを以下に詳しく述べる。 以下、素子部の製造方法および基本動作を第２図（ａ）
〔参考例〕の単層構造を例として説明する。 この素子部の参考例の拡大図を第５図に示す。第５図は
素子部の断面構造を示すものである。素子部の製作手順
としては半絶縁性高抵抗GaAs基板〔面方位（100）〕31
上に通常のMBE法にて次に示す結晶層を順次成長させ
る。すなわち、最初に素子部と基板の間のバッファ層と
してアンドープGaAs層（厚さ約１μｍ）32を成長させ
る。この層は素子部形成時における成長結晶の結晶品質
を向上させるために、基板から素子部への不純物の拡散
等を防ぐものであり、必ずしも１μｍという層厚を必要
としない。次にアンドープAl0.3Ga0.7As層（厚さ1000
Å）33を成長させる。この層は伝導層34からの正孔のGa
As層32へのにげを防止するためのものである。次に素子
を形成するｐ形Al0.3Ga0.7As層（厚さ2000Å,P２×10
18cm-3）よりなる伝導層34を成長させる。その上に最後
にｐ形GaAs（厚さ500Å,P５×1018cm-3）よりなるキ
ャップ層35aおよび35bを成長させる。この層は伝導層34
上へオーミック電極形成を容易にするためのキャップ層
である。 このようにして基板31上に結晶成長させたものに通常の
フォトリソグラフィ技術を用いて所望の素子パターンを
形成した後レジストをマスクとして台形状に素子部分を
残して化学エッチし素子分離を行う。この際エッチング
は表面から伝導層34およびキャップ層35aおよび35bがな
くなる程度の深さまで行う。次にAuZn合金よりなる金属
電極36aおよび36bを真空蒸着法などで被着し、リフトオ
フ技術を用いて配線パターンを形成する。その後オーミ
ック性を向上させるために390℃程度の温度で１分間ほ
ど加熱処理する。次にキャップ層35aおよび35bについて
電極部以外をエッチ除去しておく。 こうして得られた素子にリード部である金属電極36aお
よび36bを通して電圧印加し、その電圧−電流特性から
キャップ層35aおよび35b間の伝導層34の電気抵抗を求め
る。 量子井戸を有する本第一の発明の実施例（実施例１）６
図に示す。この実施例１は機械的歪あるいは応力に対応
して電気抵抗の変動する伝導層の構造が異なる（参考例
の如く単層ではなく、積層された量子井戸）以外はほと
んど参考例と同じである。このため異なる部分について
のみ述べる。参考例では伝導層はｐ形Al0.3Ga0.7As層34
の単層のみで構成されていたが、実施例１では、基板31
上に形成したアンドープGaAs層42のアンドープAl0.3Ga
0.7As層43との境界面部47およびアンドープAl0.3Ga0.7A
s層（厚さ10Å）43、ｐ形Al0.3Ga0.7As層（厚さ700Å,P
２×1018cm-3）44から構成されている。 このような構造にすると主たる電気伝導は、境界面部47
における２次元的に広がった正孔が受けもつことにな
る。この様子を第７図の価電子帯端の正孔エネルギー準
位図に示す。すなわち、層43と層42の境界には、GaAsと
Al0.3Ga0.7Asにおける価電子帯端の落差から発生する三
角形状のポテンシャル井戸48が発生する。このために層
44中の正孔はこの井戸の中に入り込んで２次元状態を形
成する。このため実施例１の素子の電気抵抗はこの２次
元正孔49の性質により決まってくる。正孔が２次元状態
になると３次元ではエネルギー準位が一致していた重い
正孔と軽い正孔のエネルギー準位における分離が発生す
る。また、これには結晶方位に関する異方性が伴ってく
る。このために２次元正孔49の伝導においてはピェゾ抵
抗係数の増加が期待される。 更に本第二の発明の実施例（実施例２）を第８図に示
す。実施例１では伝導層の電気伝導を価電子帯端に発生
する三角ポテンシャル井戸の２次元正孔に行わせた。し
かしこの構造ではポテンシャル井戸の構造、特にその幅
は約100Åと一定になってしまっており構造を設計する
上で限度がある。このポテンシャル井戸の幅を自由に設
計できる形態として考えられたのが実施例２における量
子井戸である。 実施例２の量子井戸では主たる伝導層53はｐ形Al0.3Ga
0.7As層（厚さ80Å,P２×1018cm-3）531およびアンド
ープGaAs（厚さ80Å）532からなる多重量子井戸となっ
ている。この際の価電子帯端の正孔エネルギー準位図を
第９図に示す。ここで531はポテンシャル障壁層、532は
ポテンシャル井戸層を形成しており、正孔は２次元正孔
533の状態にあって伝導する。この構造ではポテンシャ
ル井戸の幅が自由に設計でき本発明による機械電気変換
素子の素子特性の設計が可能となる。 ＜性能評価試験＞ 最後に参考例および実施例１について機械電気変換素子
における変換係数であるピエゾ抵抗係数の測定結果を第
１表に示す。 また第10図にその測定法を示し、第11図に結晶方位を示
す。片持ばり形状のものに図中矢印方向に荷重印加で応
力を加え、その応力に対する素子部の電気抵抗変化を測
定した。素子８の方向としては直交する方向（０１）
と（０）を選び、荷重方向の平行なもの、直行する
もの計４種について測定を行った。この測定結果から次
のことが判った。 （１） 結晶方向に関して異方性が存在する。 （２） 参考例に対して実施例１の係数が４倍ほど増大
している。このことは２次元正孔を用いれば素子の感度
を増加させることができ且つ超格子構造の採用により優
れた特性を有する素子の設計が可能であることを示して
いる。
上述のように本第一の発明の機械電気変換素子は、半絶
縁性高抵抗のGaAs半導体基板上にアンドープGaAs半導体
層、アンドープAlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導
体層およびｐ形AlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導
体層を順次積層することによって前記アンドープGaAs半
導体層中の前記アンドープAlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ
≦１）半導体層との境界面部に形成される量子井戸一つ
からなる伝導層、該伝導層上のｐ形GaAs半導体層からな
るキャップ層、更に該キャップ層、前記伝導層および前
記基板を接続する電極からなるものであり、また、本第
二の発明の機械電気変換素子は、半絶縁性高抵抗のGaAs
半導体基板上のｐ形あるいはアンドープAlyGa（１−
ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導体層とアンドープあるいはｐ
形AlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜1,z＜ｙ）半導体層とが
交互に積層された量子井戸（但し、一方の半導体層がｐ
形であれば、他方の半導体層はアンドープである）一つ
以上からなる伝導層、該伝導層上のｐ形GaAs半導体層か
らなるキャップ層、更に該キャップ層、前記伝導層およ
び前記基板を接続する電極からなるものであるため、電
気的に非常に高抵抗な基板上に結晶性のよい機械電気変
換素子部が形成できるので素子部と基板および外部ある
いは多素子化の際における素子間の電気的分離が非常に
容易且つ完全なものとなる。また、高温（150℃以上）
作動時における素子間の分離不良によるリーク電流の弊
害を考慮する必要がなくなる。 また、素子部として半絶縁性高抵抗基板上に格子整合の
とれた形で薄膜結晶を形成しており、さらにこの層を量
子井戸とすることにより、その構造に由来する素子感度
の向上および温度特性の改善が望める。且つこれら素子
特性の設計も可能となる。 また、Siよりもエネルギー禁制帯幅の広い材料であるGa
As,AlxGa（１−ｘ）As（０≦ｘ≦１）,AlyGa（１−ｙ）
As（０＜ｙ≦１）およびAlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜
1,z＜ｙ）を素子層として用いていることにより、電気
伝導度の温度変動が小さく、そのためピエゾ抵抗係数の
温度変動率が小さくなり、単層においても温度特性が改
善され、温度変動に強い素子が実現できる。 さらに、基板そのものが高抵抗であるがゆえに素子部と
電極部以外には電気的パッシベーションが不必要とな
り、Siのように全体に被覆する必要がない。これは素子
からのもれ電流を極力少くしたい医用電子工学方面への
応用には素子の簡素化という点で利点は大きい。 さらに、一度の結晶成長で基板上に素子部を形成できる
ため、複数の工程を要する拡散層を用いるSiにくらべ素
子製作上の工程数が少くてすむ等種々の特徴を有し、各
種計測機や電気機械類などに広く用いることができる。
縁性高抵抗のGaAs半導体基板上にアンドープGaAs半導体
層、アンドープAlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導
体層およびｐ形AlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導
体層を順次積層することによって前記アンドープGaAs半
導体層中の前記アンドープAlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ
≦１）半導体層との境界面部に形成される量子井戸一つ
からなる伝導層、該伝導層上のｐ形GaAs半導体層からな
るキャップ層、更に該キャップ層、前記伝導層および前
記基板を接続する電極からなるものであり、また、本第
二の発明の機械電気変換素子は、半絶縁性高抵抗のGaAs
半導体基板上のｐ形あるいはアンドープAlyGa（１−
ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導体層とアンドープあるいはｐ
形AlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜1,z＜ｙ）半導体層とが
交互に積層された量子井戸（但し、一方の半導体層がｐ
形であれば、他方の半導体層はアンドープである）一つ
以上からなる伝導層、該伝導層上のｐ形GaAs半導体層か
らなるキャップ層、更に該キャップ層、前記伝導層およ
び前記基板を接続する電極からなるものであるため、電
気的に非常に高抵抗な基板上に結晶性のよい機械電気変
換素子部が形成できるので素子部と基板および外部ある
いは多素子化の際における素子間の電気的分離が非常に
容易且つ完全なものとなる。また、高温（150℃以上）
作動時における素子間の分離不良によるリーク電流の弊
害を考慮する必要がなくなる。 また、素子部として半絶縁性高抵抗基板上に格子整合の
とれた形で薄膜結晶を形成しており、さらにこの層を量
子井戸とすることにより、その構造に由来する素子感度
の向上および温度特性の改善が望める。且つこれら素子
特性の設計も可能となる。 また、Siよりもエネルギー禁制帯幅の広い材料であるGa
As,AlxGa（１−ｘ）As（０≦ｘ≦１）,AlyGa（１−ｙ）
As（０＜ｙ≦１）およびAlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜
1,z＜ｙ）を素子層として用いていることにより、電気
伝導度の温度変動が小さく、そのためピエゾ抵抗係数の
温度変動率が小さくなり、単層においても温度特性が改
善され、温度変動に強い素子が実現できる。 さらに、基板そのものが高抵抗であるがゆえに素子部と
電極部以外には電気的パッシベーションが不必要とな
り、Siのように全体に被覆する必要がない。これは素子
からのもれ電流を極力少くしたい医用電子工学方面への
応用には素子の簡素化という点で利点は大きい。 さらに、一度の結晶成長で基板上に素子部を形成できる
ため、複数の工程を要する拡散層を用いるSiにくらべ素
子製作上の工程数が少くてすむ等種々の特徴を有し、各
種計測機や電気機械類などに広く用いることができる。
第１図は本発明の機械電気変換素子の基本構成を示す断
面図、 第２図（ａ）および（ｂ）は第１図の一点鎖線で囲んだ
部分IIの拡大断面図であり、第２図（ａ）〔参考例〕は
単層構造、第２図（ｂ）〔本第二の発明例〕は多層構造
からなる量子井戸を示し、 第３図は本発明の素子を用いた片持ばり形の機械電気変
換装置の断面図、 第４図は本発明の素子を用いたダイヤフラム形の機械の
断面図、 第５図は参考例の素子の一例の断面図、 第６図は実施例１の本発明の素子の断面図、 第７図は第６図に示す素子のＡ−Ａ′線に沿った価電子
帯端の正孔エネルギー準位図、 第８図は実施例２の本発明の素子の断面図、 第９図は第８図に示す素子のＡ−Ａ′線に沿った価電子
帯端の正孔エネルギー準位図、 第10図は機械電気変換素子の性能測定方法の一例を示す
概略図、 第11図は結晶方位を示す概略図、 第12図は従来の機械電気変換素子を用いた片持ばり形の
機械電気変換装置の断面図、 第13図は従来の素子を用いたダイヤフラム形の機械電気
変換装置の断面図、 第14図は従来の機械電気変換素子の一例の断面図であ
る。 図中、 21……基板、22……伝導層 23……キャップ層、24……電極 25……パッシベーション膜 43……アンドープAl0.3Ga0.7As層 47……境界面部 53……伝導層 222……アンドープAlxGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）層 223……ｐ形AlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜1,z＜ｙ）層 531……ｐ形Al0.3Ga0.7As層 532……アンドープGaAs層
面図、 第２図（ａ）および（ｂ）は第１図の一点鎖線で囲んだ
部分IIの拡大断面図であり、第２図（ａ）〔参考例〕は
単層構造、第２図（ｂ）〔本第二の発明例〕は多層構造
からなる量子井戸を示し、 第３図は本発明の素子を用いた片持ばり形の機械電気変
換装置の断面図、 第４図は本発明の素子を用いたダイヤフラム形の機械の
断面図、 第５図は参考例の素子の一例の断面図、 第６図は実施例１の本発明の素子の断面図、 第７図は第６図に示す素子のＡ−Ａ′線に沿った価電子
帯端の正孔エネルギー準位図、 第８図は実施例２の本発明の素子の断面図、 第９図は第８図に示す素子のＡ−Ａ′線に沿った価電子
帯端の正孔エネルギー準位図、 第10図は機械電気変換素子の性能測定方法の一例を示す
概略図、 第11図は結晶方位を示す概略図、 第12図は従来の機械電気変換素子を用いた片持ばり形の
機械電気変換装置の断面図、 第13図は従来の素子を用いたダイヤフラム形の機械電気
変換装置の断面図、 第14図は従来の機械電気変換素子の一例の断面図であ
る。 図中、 21……基板、22……伝導層 23……キャップ層、24……電極 25……パッシベーション膜 43……アンドープAl0.3Ga0.7As層 47……境界面部 53……伝導層 222……アンドープAlxGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）層 223……ｐ形AlzGa（１−ｚ）As（０≦ｚ＜1,z＜ｙ）層 531……ｐ形Al0.3Ga0.7As層 532……アンドープGaAs層
Claims (2)
- 【請求項１】半絶縁性高抵抗のGaAs半導体基板上にアン
ドープGaAs半導体層、アンドープAlyGa（１−ｙ）As
（０＜ｙ≦１）半導体層およびｐ形AlyGa（１−ｙ）As
（０＜ｙ≦１）半導体層を順次積層することによって前
記アンドープGaAs半導体層中の前記アンドープAlyGa
（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）半導体層との境界面部に形
成される量子井戸一つからなる伝導層、該伝導層上のｐ
形GaAs半導体層からなるキャップ層、更に該キャップ
層、前記伝導層および前記基板を接続する電極からなる
ことを特徴とする機械電気変換素子。 - 【請求項２】半絶縁性高抵抗のGaAs半導体基板上のｐ形
あるいはアンドープAlyGa（１−ｙ）As（０＜ｙ≦１）
半導体層とアンドープあるいはｐ形AlzGa（１−ｚ）As
（０≦ｚ＜1,z＜ｙ）半導体層とが交互に積層された量
子井戸（但し、一方の半導体層がｐ形であれば、他方の
半導体層はアンドープである）一つ以上からなる伝導
層、該伝導層上のｐ形GaAs半導体層からなるキャップ
層、更に該キャップ層、前記伝導層および前記基板を接
続する電極からなることを特徴とする機械電気変換素
子。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61026452A JPH0666477B2 (ja) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | 機械電気変換素子 |
| US07/011,243 US4839708A (en) | 1986-02-08 | 1987-02-05 | Electromechanical semiconductor transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61026452A JPH0666477B2 (ja) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | 機械電気変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62185379A JPS62185379A (ja) | 1987-08-13 |
| JPH0666477B2 true JPH0666477B2 (ja) | 1994-08-24 |
Family
ID=12193892
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61026452A Expired - Lifetime JPH0666477B2 (ja) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | 機械電気変換素子 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4839708A (ja) |
| JP (1) | JPH0666477B2 (ja) |
Families Citing this family (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USRE34893E (en) * | 1988-06-08 | 1995-04-04 | Nippondenso Co., Ltd. | Semiconductor pressure sensor and method of manufacturing same |
| US5320705A (en) * | 1988-06-08 | 1994-06-14 | Nippondenso Co., Ltd. | Method of manufacturing a semiconductor pressure sensor |
| JPH0318067A (ja) * | 1989-06-14 | 1991-01-25 | Matsushita Electron Corp | 圧力センサ装置 |
| US5320977A (en) * | 1990-02-06 | 1994-06-14 | United Technologies Corporation | Method and apparatus for selecting the resistivity of epitaxial layers in III-V devices |
| US5179956A (en) * | 1990-07-06 | 1993-01-19 | Colin Electronics Co., Ltd. | Contact pressure sensor |
| DE4103704A1 (de) * | 1990-07-18 | 1992-01-23 | Bosch Gmbh Robert | Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen |
| FR2693795B1 (fr) * | 1992-07-15 | 1994-08-19 | Commissariat Energie Atomique | Jauge de contrainte sur support souple et capteur muni de ladite jauge. |
| US6275137B1 (en) | 2000-02-08 | 2001-08-14 | Boston Microsystems, Inc. | Semiconductor piezoresistor |
| US6627965B1 (en) | 2000-02-08 | 2003-09-30 | Boston Microsystems, Inc. | Micromechanical device with an epitaxial layer |
| US6953977B2 (en) * | 2000-02-08 | 2005-10-11 | Boston Microsystems, Inc. | Micromechanical piezoelectric device |
| EP1222669A1 (en) * | 2000-06-02 | 2002-07-17 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Passive component |
| JP3948452B2 (ja) * | 2003-11-04 | 2007-07-25 | 松下電器産業株式会社 | 荷重センサ及びその製造方法 |
| JP2005300493A (ja) * | 2004-04-16 | 2005-10-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体変位検出素子および検出器 |
| CN100437051C (zh) * | 2005-09-12 | 2008-11-26 | 中北大学 | 共振隧穿微声传感器 |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3609252A (en) * | 1967-01-23 | 1971-09-28 | Texas Instruments Inc | Transducer apparatus and system utilizing insulated gate semiconductor field effect devices |
| US3916365A (en) * | 1972-01-31 | 1975-10-28 | Bailey Motor Company | Integrated single crystal pressure transducer |
| US4171996A (en) * | 1975-08-12 | 1979-10-23 | Gosudarstvenny Nauchno-Issledovatelsky i Proektny Institut Redkonetallicheskoi Promyshlennosti "Giredmet" | Fabrication of a heterogeneous semiconductor structure with composition gradient utilizing a gas phase transfer process |
| DE2714032B2 (de) * | 1977-03-30 | 1979-07-05 | Gosudarstvennij Nautschno-Issledovatelskij I Proektnyj Institut Redkometallitscheskoj Promyschlennosti Giredmet, Moskau | Halbleiterdruckgeber |
| US4194935A (en) * | 1978-04-24 | 1980-03-25 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | Method of making high mobility multilayered heterojunction devices employing modulated doping |
| JPS56116619A (en) * | 1980-02-20 | 1981-09-12 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Electrode formation to gallium aluminum arsenic crystal |
| DE3211968A1 (de) * | 1982-03-31 | 1983-10-13 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Drucksensor |
| US4590399A (en) * | 1984-02-28 | 1986-05-20 | Exxon Research And Engineering Co. | Superlattice piezoelectric devices |
| US4665415A (en) * | 1985-04-24 | 1987-05-12 | International Business Machines Corporation | Semiconductor device with hole conduction via strained lattice |
| US4706100A (en) * | 1986-08-01 | 1987-11-10 | Honeywell Inc. | High temperature hetero-epitaxial pressure sensor |
-
1986
- 1986-02-08 JP JP61026452A patent/JPH0666477B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1987
- 1987-02-05 US US07/011,243 patent/US4839708A/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62185379A (ja) | 1987-08-13 |
| US4839708A (en) | 1989-06-13 |
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