JPH0273162A

JPH0273162A - 半導体センサ

Info

Publication number: JPH0273162A
Application number: JP22497688A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Takebe; 克彦武部; Mizuho Doi; 瑞穂土肥; Hiroyasu Takehara; 竹原　宏泰
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1988-09-08
Filing date: 1988-09-08
Publication date: 1990-03-13

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〕本発明は加速度、触圧、気圧、機械的振動等の物理的外
力を検出するための半導体センサに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、このような分野の技術としては、例えば特開昭６
２−１２１３６７号公報に示されるものが知られている
。この従来のセンサでは、シリコンなどの半導体基板に
酸化シリコン（Ｓｉ０２）、窒化シリコン（Ｓ１３Ｎ４
）などで片持梁を形成し、この基端部にピエゾ抵抗素子
などのストレス検知素子を設けることで、加速度を電気
的に検出している。このストレス検知のためのピエゾ抵
抗素子の材料としては、各種のものがあるが、例えば３
１からなるものでは１００ＸＩＯｃｄ／ｄｙｎｅ程度の
感度が得られる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術のようにピエゾ抵抗素子を
用いて検出するものでは、加速度等の検出感度が十分で
ないという欠点があった。また、高感度なものを得よう
とすると、センサが大型化するため、機械的強度が不足
していた。

そこで本発明は、簡単な構造によって高感度に加速度、
触圧、気圧、機械的振動等の物理的外力を検出できる半
導体センサを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る半導体センサは、支持体と、この支持体に
固設されて物理的な外力により変形する可変形部材と、
この可変形部材の変形が生じる部分に形成された化合物
半導体のヘテロ接合を有しかつこのヘテロ接合界面の二
次元電子ガスをキャリアとするストレス検知抵抗体とを
備え、ストレス検知抵抗体の抵抗値の変化により物理的
な外力を検知することを特徴とする。

ここで、可変形部材は支持体に固着して設けられた化合
物半導体の結晶成長層により構成し、この化合物半導体
の結晶成長層上には別種の化合物半導体を結晶成長して
ストレス検知抵抗体を形成してもよく、さらに支持体に
固着して設けられた化合物半導体の結晶成長層に、スト
レス検知抵抗体の抵抗値変化にもとづく検出信号を増幅
する信号処理回路を形成してもよい。

〔作用〕

本発明の構成によれば、化合物半導体のヘテロ接合界面
に変形によるストレスが加わると、バンド構造が変化し
て二次元電子ガスのキャリア数が変化することになる。

従って、このキャリア数の変化にもとづく抵抗値の変化
を知ることにより、加速度、圧力等の物理的外力を検出
することができる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は実施例の基本構成の斜視図で、同図（ａ）は物
理的外力の一例として加速度を検出するタイプ（カンチ
レバータイプ）を示し、同図（ｂ）は物理的外力の一例
として圧力を検出するタイプ（ダイヤフラムタイプ）を
示している。同図（ａ）のセンサでは、例えばシリコン
（Ｓｌ）からなる半導体基板１上に、例えばガリウムヒ
素（Ｇａ　Ａｓ　）からなる結晶成長層２がエピタキシ
ャル成長されている。そして、半導体基板１の一部（図
中の記号Ａの部分）がエツチングで除去され、図中の左
側部分が可変形部材としての片持梁３をなしている。片
持梁３の基端部の結晶成長層２にはヘテロ接合界面に二
次元電子ガスを有する２個の抵抗体がガリウムアルミニ
ウムヒ素（ＧａＡｇＡｓ　）をエピタキシャル成長させ
ることで形成され、これがストレス検知抵抗体４をなし
ている。そして、片持梁３の支持体側（図中の右側）部
分の結晶成長層２上には、検出信号に対して増幅等の処
理をするための信号処理回路５が形成されている。

この第１図（ａ）の装置において、図中の矢印Ｇの方向
に加速度が加わると、片持梁３側の半導体基板１は錘り
ＩＧとして作用し、矢印Ａで示す部分の結晶成長層（可
変形部材）２が屈曲することになる。すると、この屈曲
によるストレスがストレス検知抵抗体４の二次元電子ガ
スのキャリア数を変化させ、従って抵抗率が変化して上
記の加速度が検出されることになる。なお、ストレス検
知抵抗体４の抵抗値変化によってストレスを検知するた
めには、例えば他の２個の抵抗と組み合せることによっ
てブリッジ回路を形成する必要があり、また検出信号を
増幅したりすることも必要になるが、これらの回路要素
は信号処理回路５の中に構成されている。

第１図（ｂ）のセンサでは、同図（ａ）と同様に半導体
基板１上に結晶成長層２が形成されているが、半導体基
板１のエツチングにより除去される部分Ａが同図（ａ）
と異なっている。すなわち、この実施例では装置の中央
部分（第１の部分に１）で半導体基板１がエツチング等
により除去されて結晶成長層２よる可変形部材が構成さ
れ、それを取り囲む第２の部分に２で半導体基板１が残
存されて結晶成長層（可変形部材）２の支持体をなして
いる。なお、ストレス検知抵抗体４については加圧によ
ってストレスが生じる部分（可変形部材となる部分）の
結晶成長層２上にＧａ　ＡｆＩＡｓをエピタキシャル成
長させることで形成されている。

また、半導体基板１が残存された部分（支持体部分）の
結晶成長層２には、信号処理回路５が別途に形成されＣ
いる。

この第１図（ｂ）の装置において、例えば矢印Ｇの方向
に圧力が加わると、Ｋ１で示すダイヤフラムは上方に湾
曲し、ストレスを生じさせる。すると、ヘテロ接合界面
のキャリア数の増加、減少によってストレス検知抵抗体
４の抵抗値が変化するので、例えば第１図（ａ）と同様
に他の２個の抵抗とのブリッジ回路を組むことによって
、上記の圧力を定量的に検出することができる。

次に、第２図ないし第５図を参照することにより、本発
明により構成した加速度センサの構成と検出原理を具体
的に説明する。

第２図に示す通り、半導体基板１の上面には結晶成長層
２がエピタキシャル成長法により形成され、この半導体
基板１および結晶成長層２が略Ω字状に除去されて中央
部分が片持梁３をなしている。そして、可変形部材とし
ての片持梁３の先端部には半導体基板１が残存されて錘
りＩＧをなし、片持梁３の基端部には化合物半導体のヘ
テロ接合からなるストレス検知抵抗体４が形成されてい
る。

このストレス検知抵抗体４の具体的構成は第３図のよう
になっており、ストレスの変化によるバンド構造の変化
は第４図のようになっているが、詳細な説明は後述する
。さらに、結晶成長層２の片持梁３以外の部分にはスト
レス検知抵抗体４と同様の構成の半導体抵抗Ｒ、Ｒが形
成され、上記ストレス検知抵抗体４（Ｒ，Ｒ）と共にブ
リッジ回路を構成するように配線されている。

上記の具体例において、図中の矢印Ｇの方向に加速度が
加えられると、錘りＩＧによって片持梁３の基端部に屈
曲が生じ、従ってストレスが現われる。すると、Ｇａ　
Ａｓなどの化合物半導体に別種のＧａ　ＡｇＡｓなどを
エピタキシャル成長させることでヘテロ接合界面が形成
されているストレス検知抵抗体４（抵抗Ｒ、Ｒ）は、ペ
テロ接合界面でいわゆる二次元電子ガスのキャリア数が
変化し、これによって抵抗値が変化する。これに対し、
抵抗Ｒ、Ｈにはストレスが加わらないので抵抗率は変化
しない。そこで、このストレス検知抵抗体４による抵抗
Ｒ，Ｒ２および抵抗■ Ｒ３，Ｒ４からなるブリッジ回路にパッド６から電圧Ｅ
、を印加すると電圧Ｖ。が出力される。この出力電圧Ｖ
　は信号処理回路５に入力され、ここで所定の信号処理
が施される。

実施例に用いられるストレス検知抵抗体４（抵抗Ｒ、Ｒ
）の構成は、第３図のようになっている。同図（ａ）は
ストレス検知抵抗体４の断面図であり、同図（ｂ）はそ
のバンド構造図である。図示の通り、半絶縁性のアンド
ープＧａＡｓからなる結晶成長層２の上にはアンドープ
のＧａ　　Ａ、Ｑ　　　Ａｓ層２１が６０〜１５０Ａ程
度Ｘ　　　　　　１−Ｘの厚さで形成されてヘテロ接合界面を形成し、この上に
はｎ型Ｇａ　　Ａｌ）　　　Ａｓ層２２がエピタｘ　　
　１−Ｘキシャル成長法で１００ＯＡ程度の厚さに形成され、そ
の両側にはオーミック接続用のｎ型ＧａＡｓ層２３が形
成されている。そして、ｎ型ＧａＡｓ層２３上にはオー
ミック金属として例えばＡｕ／ＡｕＧｅからなる電極４
１が、例えばリフトオフ法により形成されている。さら
に、この素子の外側にはプロトン（Ｈ＋）が注入されて
、アイソレーション層２４が形成されている。この構造
によれば、アンドープのＧａ　Ａｓからなる結晶成長層
２とアンドープのＧａ　　Ａ、＆　　　Ａｓ層ｘ　　　
１−ｘ２１のヘテロ接合界面に二次元電子ガス２５が現われ、
これがストレス検知抵抗体４（Ｒ，Ｒ２）■ のキャリアをなす。なお、前述の抵抗Ｒ、Ｒ４について
もこれと同様に構成される。

このようなストレス検知抵抗体に応力が加わると、ヘテ
ロ接合界面のバンド構造は第４図のように変化する。す
なわち、応力が加わらない状態では第４図（ｂ）のよう
なバンド構造となっているが、圧縮応力が加わると同図
（ａ）のようにポテンシャルの谷が浅くなり、二次元電
子ガスを構成するキャリアが減少し、従って抵抗率が高
くなる。

これに対し、引張り応力が加わると同図（Ｃ）のように
ポテンシャルの谷が深くなり、二次元電子ガスを構成す
るキャリアが増加し、従って抵抗率が低くなる。

以上の結果、例えば第２図の構成においては、化合物半
導体のヘテロ接合で構成された抵抗Ｒ１〜Ｒにおいて、
抵抗Ｒ、Ｒ２の抵抗値はスト４ルスによって変化するのに対し、抵抗Ｒ，Ｒ４の抵抗値は
変化しない。従って、この４つの抵抗Ｒ−Ｒ４でブリッ
ジ回路を構成することにより、ストレスに応じた電圧Ｖ
　を検出できることになる。この場合、ストレスの変化
に対する二次元電子ガスのキャリア数の変化率は十分に
大きいので、高い検出感度を実現することが可能になる
。

なお、実施例のようにダイヤフラム、カンチレバー等を
化合物半導体で構成すれば、この化合物半導体のストレ
スが生じる部分にストレス検知抵抗体４を直接に形成す
ることができる。ここで、化合物半導体に形成した素子
、回路要素は高温環境下でも十分に動作し、信号処理も
高速に行なえるので、耐環境性に優れた高精度な半導体
センサを提供することができる。そして、その出力信号
を処理するための信号処理回路５を同一の化合物半導体
による結晶成長層２に形成できるので、半導体センサの
構成を極めてコンパクトにすることができる。

更に、上記実施例の半導体センサは極めて簡単な製造工
程によって、精度よく製作することが可能である。以下
、この事情を第５図および第６図により具体的に説明す
る。

まず、Ｓｌからなる半導体基板１を用意し、この上面に
エピタキシャル成長法によってＧａ　Ａｓの結晶成長層
２を形成する（第５図（ａ）図示）。

次に、ストレス検知抵抗体４および信号処理回路５を結
晶成長層２にエピタキシャル成長法、リフトオフ法等を
用いて形成することになるが、ストレス検知抵抗体４の
形成工程については第６図により後述する。しかる後、
全面にフォトレジスト膜１０を塗布して半導体基板１の
除去すべき部分を窓あけする（第５図（ｂ）図示）。こ
の窓あけは、例えば公知のフォトリソグラフィ技術を用
いればよい。

次に、エツチングによってフォトレジスト膜１０の開口
から半導体基板１を除去していく。ここで、ウェットエ
ツチング法を用いるときにはエッチャントにはＨＦ系の
酸を使用し、ドライエツチング法を用いるときにはエッ
チャントにはＣＦ４プラズマを使用する。このようなエ
ッチャントを用いれば、Ｓｌは容易に除去されるのに対
してＧａ　Ａｓはほとんどエツチングされず、従って第
５図（ｃ）のように矢印Ａの部分の半導体基板１のみを
選択的に除去できる。最後に、フォトレジスト膜１０を
アセントなどで除去すると、第５図（ｄ）のようなカン
チレバー構造を実現できる。

次に、第６図を参照して、上記のストレス検知抵抗体４
の製造工程を詳しく説明する。

まず、図示しない基板にエピタキシャル成長されたアン
ドープのＧａ　Ａｓからなる結晶成長層２上に同じくエ
ピタキシャル成長法によってｎ型Ｇａ　　ＡＮ　　　Ａ
ｓ２２およびｎ型Ｇａ　Ａｓ層ｘ　　　　　　１−ｘ２３を形成する。そして、ＣＶＤ法等を用いて５ＩＯ２
膜２０１を被着しく第６図（ａ）図示）、その上にフォ
トレジスト膜２０２をスピンコード法等で塗布形成する
。しかる後、フォトリソグラフィ技術により電極領域の
フォトレジスト膜２０２を窓あけしく同図（ｂ）図示）
、この開口を介して５ＩＯ２膜２０１をエツチングして
電極領域のｎ型Ｇａ　Ａｓ層２３を露出させる（同図（
ｃ）図示）。

次に、ｎ型Ｇａ　Ａｓ層２３に対するオーミック金属と
してＡｎ／ＡｕＧｅｎ／ＡｕＧｅ層着１等で被着形成し
く同図（ｄ）図示）、５ｉｏ２膜２０１およびフォトレ
ジスト膜２０２を除去することで不要部分のＡｒｌ／Ａ
ｕＧｅ層４１をリフトオフすると、第６図（ｅ）の構造
が得られる。しかる後、Ａｎ／ＡｕＧｅ層４１を介して
エツチングにより不要部分のｎ型Ｇａ　Ａｓ層２３を除
去し、再びフォトレジスト膜２０３を全面に形成する。

そして、フォトリソグラフィ技術により抵抗体形成領域
のみにフォトレジスト膜２０３を残存させ（同図（ｇ）
図示）、プロトン（Ｈ＋）をイオン注入することでアイ
ソレーション領域２４を形成する（同図（ｈ）図示）。

最後に、フォトレジスト膜２０３をアセトン等で除去す
れば、第６図（ｉ）に示すように、第３図（ａ）で示し
たのと同様の抵抗体を得ることができる。

本発明は上記実施例のものに限定されず、種々の変形が
可能である。

例えば、センサのタイプとしてはダイヤフラム、カンチ
レバーに限らず、圧力、加速度などによってストレスを
生じさせ、このストレスを検出するタイプのものであれ
ば、２点支持あるいは４点支持などいかなるものでもよ
い。また、支持体や可変形部材は半導体に限らず、アル
ミナなどでもよく、ストレス検知抵抗体４を形成する材
料はＧａＡｓに限らずガリウムリン（Ｇａ　Ｐ）　、イ
ンジウムリン（ＩｎＰ）、ガリウムアルミニウムヒ素（
Ｇａ　ＡΩＡｓ）などでもよい。更に、ＩｎＡΩＡｓと
Ｉｎ　Ｇａ　Ａｓのヘテロ接合、あるいは５ｔＧｃとＳ
＋のヘテロ接合であってもよい。

更に、信号処理回路は結晶成長層上に一体的に形成され
ていなくてもよく、別のチップに設けることもできる。

また、抵抗値の変化を検出するための回路は、実施例の
ようなブリッジ回路に限られるものではない。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、ストレス検知抵
抗体をなす化合物半導体のヘテロ接合界面に変形による
ストレスが加わると、バンド構造の変化により二次元電
子ガスのキャリア数が変化することになる。従って、こ
のキャリア数の変化にもとづく抵抗値の変化を知ること
により、加速度、圧力等の物理的外力を検出することが
できる。

本発明のセンサは、簡単な構造によって高感度に物理的
外力を検出できる特徴を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の基本構成を示す斜視図、第
２図は、本発明により構成した加速度センサの具体例の
斜視図、第３図は、本発明の実施例に用いられるストレ
ス検知抵抗体の構造を示す図、第４図は、ストレス検知
抵抗体に加わるストレスによるバンド構造の変化を示す
図、第５図は、実施例に係る半導体センサの製造工程を
示す断面図、第６図は、本発明に適用可能な他の抵抗体
の製造工程を示す断面図である。１・・・支持体となる半導体基板、ＩＧ・・・錘り、２
・・・可変形部材となる結晶成長層、４・・・ストレス
検知抵抗体、５・・・信号処理回路。特許出願人　　本田技研工業株式会社代理人弁理士　　　長谷用　　芳　　樹ス大例拗科ホト
図第１図ズ湾４列ｊ抵帆の才賑追り第図ス）１／ＸドＸるバ；ドオポ番りｉ乙ろ　裾５イ【− 第図父と炉Ｊの製逓工私第図要部の製迂工程（橋片つ第図（２）

Claims

【特許請求の範囲】

１．支持体と、この支持体に固設されて物理的な外力に
より変形する可変形部材と、この可変形部材の変形が生
じる部分に形成された化合物半導体のヘテロ接合を有し
かつこのヘテロ接合界面の二次元電子ガスをキャリアと
するストレス検知抵抗体とを備え、前記ストレス検知抵
抗体の抵抗値の変化により前記外力を検知することを特
徴とする半導体センサ。
２．前記可変形部材は前記支持体に固着して設けられた
化合物半導体の結晶成長層からなり、この化合物半導体
の結晶成長層上には別種の化合物半導体が結晶成長され
て前記ストレス検知抵抗体が形成されていることを特徴
とする請求項１記載の半導体センサ。
３．前記支持体に固着して設けられた化合物半導体の結
晶成長層には、前記ストレス検知抵抗体の抵抗値変化に
もどづく検出信号を増幅する信号処理回路が形成されて
いる請求項２記載の半導体センサ。