JPH0275964A - 半導体センサ - Google Patents

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
２−２２１１６４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、シリコンからなる半導体基板
で片持梁（カンチレバー）を形成し、この基端部に、ピ
エゾ抵抗素子としての半導体抵抗を拡散によって設ける
ことで、加速度を電気的に検出している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記従来装置のものでは、ピエゾ効果を利用し
てストレスの変化を抵抗率の変化に変換しているため、
高感度のセンサが得られない。また、ダイナミックレン
ジも十分ではない。

そこで本発明は、加速度、触圧、気圧、機械的振動など
を精度よく広いレンジで検出することができ、しかも構
造が簡単で低コストの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（例えば加速度、圧力など）が
加わったときに変形する可変形部材と、この可変形部材
が変形するときにストレスが生じる部分に設けられた半
導体抵抗とを備え、半導体抵抗め抵抗率の変化により上
記の物理的な外力を検出する半導体センサにおいて、半
導体抵抗はストレスが加えられたときに直接遷移形バン
ド構造から間接遷移形バンド構造に移行する化合物半導
体で形成されていることを特徴とする。

〔作用〕

本発明の構成によれば、加速度センサ用の片持梁、圧力
センサ用のダイヤフラムなどの可変形部材の変形を生じ
る部分に、バンド構造が直接遷移形から間接遷移形に移
行するような化合物半導体の抵抗体が形成される。ここ
で、化合物半導体は直接遷移形と間接遷移形のバンド構
造の場合でキャリアの易動度が異なり、このため抵抗率
が異なることになる。従って、この半導体抵抗に加速度
、圧力などが加わった際にストレスが現われたとき、抵
抗率が変化することになるので、この抵抗率の変化を検
知することで、上記ストレスを電気的に検出することが
可能になる。

〔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（Ｓｔ）からなる半導体基板１上に、例えばガ
リウムヒ素（ＧａＡｓ）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の上には半導体抵抗
が選択エピタキシャル成長法などで形成され、これがス
トレス検知抵抗体４をなしている。ストレス検知抵抗体
４は例えばＧａＡＪ７Ａｓで構成されるが、ＧａとＡｌ
の混晶比を適当な値とすることにより、バンド構造を直
接遷移形と間接遷移形の間で適宜に選択することができ
る。なお、この事情については後に詳述する。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のバンド構造を
直接遷移形から間接遷移形に移行させて抵抗率を変化さ
せ、従っ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の抵抗率変化によってストレス
を検知するためには、例えば４個の抵抗によってブリッ
ジ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に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
が生じる部分の結晶成長層２に、半導体抵抗として形成
されている。また、半導体基板１が残存された支持体部
分の結晶成長層２には、信号処理回路５が別途に形成さ
れている。

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、バンド構造の変
化によってストレス検知抵抗体４の抵抗率が変化するの
で、例えば第１図（ａ）と同様に抵抗のブリッジ回路を
組むことによって、上記の圧力を定量的に検出すること
かできる。

次に、第２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
。

図示の通り、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可
変形部材としての片持梁３をなしている。そして、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の基端部にはストレス検知抵抗体として
の半導体抵抗Ｒ，Ｒ２が形成されている。さらに、結品
成長層２の片持梁３以外の部分（支持体部分）には半導
体抵抗Ｒ、Ｒが形成され、上記抵抗Ｒ、Ｒ２と共にブリ
ッジ回路を構成するように配線されている。

これら半導体抵抗Ｒの構造の詳細は、第３図のようにな
っている。すなわち、結晶成長層２が例えばＧａＡｓで
あるときには、半導体抵抗ＲはＧａ　　ＡＵ　　　Ａｓ
を第３図（ａ）ように選択的ｘ　　　ｌ−ｘ にエピタキシャル成長させることで形成される。

また、結晶成長層２が例えばノンドープのＧａＡ、１）
Ａｓであるときには、第３図（ｂ）のようにイオン注入
法でｎ型ＧａＡＲＡｓの半導体抵抗Ｒを形成する。そし
て、このような半導体抵抗Ｒを導電材料の配線２０で他
の回路要素に接続する。

ここで、Ｇａ　　ＡＩ　　　ＡｓはＧａＡｓとＡ、Ｑｘ
　　　Ｌ−ｘ Ａｓの混晶であり、Ｏ≦Ｘ≦０．５３で間接遷移形、０
．５３＜ｘ≦１で直接遷移形のバンド構造をもつ。そこ
で、例えばＸ−０，７としてＧａ　　　Ａｐ　　　Ａｓ
の混晶によって半導体抵抗０．７　　０．３ Ｒを形成すると、エネルギー準位は第４図の実線のよう
になって直線遷移形を示す。そして、このような半導体
抵抗Ｒに対してストレスを加えると、エネルギー準位は
第４図の実線から点線に変化し、しだいに間接遷移が支
配的になってくる。ここで、直接遷移のバレイでは電子
の易動度が高い（有効質量が小さい）のに対して、間接
遷移のバレイでは電子の易動度が低い（有効質量が大き
い）。このため、ストレスが加えられると結果的に半導
体抵抗Ｒの抵抗率が大きくなって（ることになる。

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、抵抗Ｒ
、Ｒは直接遷移形と間接遷移形のバンド構造をもつ化合
物半導体をエピタキシャル成長させることで、あるいは
ノンドープの上記化合物半導体にイオン注入等を行なう
ことで形成されているので、バンド構造の変・化によっ
て抵抗率が変化する。これに対し、抵抗Ｒ３゜Ｒ４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、この抵抗Ｒ−Ｒ４からなるブリッジ回路にバッド６
から電圧Ｅ１を印加すると、第２図に示すように抵抗変
化に応じた電圧Ｖ　が出力される。この出力電圧Ｖ　は
信号処理ＯＯ 回路５に入力され、ここで所定の信号処理が施される。

このように、本発明によれば従来装置のようなピエゾ効
果とは全く異なった原理で抵抗率の変化を生じさせてお
り、この変化は極めて鋭敏である。

従って、極めて高感度のセンサを実現できる。また、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
導体で構成すると共に、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を形成し、かつ、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に形成すれば、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。ま
た、ＧａＡｓなどの化合物半導体に形成した回路は高温
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感度な半導体センサを提供する
ことができる。

更に、本発明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図により具体的に説明する。

まず、Ｓｉ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ＧａＡｓの結晶成長層２
を形成する。そして、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等を
用いて形成する（第５図（ａ）図示）。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ン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、Ｓｉは容易に除去されるのに対
してＧａＡｓ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）のようなストレ
ス検知抵抗体を備えたカンチレバー構造を実現できる。

本発明は上記実施例に限定されず、種々の変形が可能で
ある。

例えば、ストレス検知抵抗体に用いる化合物半導体は、
ＧａＡｓとＧａＰの混晶であるＧａＡｓＰなどを用いて
もよい。ここで、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　１−ｘＰ　のバンド
構造は、０≦Ｘ≦０．４５で直接遷移形となり０．４５
＜ｘ＜１で間接遷移形となる。

また、直接遷移形から間接遷移形になることで高抵抗に
なるものに限らず、低抵抗になるものであってもよい。

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もアルミナ、Ｓ　ｉＯ２など各種
の材料で構成できる。

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、抵抗率の変化を検出するためのブリッジは、実施
例のようなハーフブリッジ回路に限らず、例えば特開昭
６２−２２１１６４号に示されるようなフルブリッジ回
路であってもよい。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、加速度センサ用
の片持梁、圧力センサ用のダイヤフラムなどの可変形部
材の変形を生じる部分に、バンド構造が直接遷移形から
間接遷移形に移行するような化合物半導体の抵抗体が形
成されている。ここで、化合物半導体は直接遷移形と間
接遷移形でキャリアの易動度が異なり、このため抵抗率
が異なることになる。従って、この半導体抵抗に加速度
、圧力などが加わった際にストレスが現われたとき、バ
ンド構造の変化によって抵抗率が変化することになるの
で、この抵抗率の変化を検知することで、上記ストレス
を電気的に検出することが可能になる。このため、本発
明によれば加速度、触圧、気圧、機械的振動などを精度
よく検出することができ、しかも構造が簡単で低コスト
の半導体センサを得ることが可能となる。

【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、ストレス検知抵抗体の斜視図、第４
図は、エネルギー準位の説明図、第５図は、本発明に係
る半導体センサ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、１０・・・フォト
レジスト膜。 災大列ψ屑視面 芙虎例の抵抗性０棄に）見■ 第３図 エネルギー寧イ１ 第４図 莢脚（７１Ｊの製逓工糧 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．支持体と、この支持体に固設されて物理的な外力が
   加わったときに変形する可変形部材と、この可変形部材
   が変形するときにストレスが生じる部分に設けられた半
   導体抵抗とを備え、前記半導体抵抗の抵抗率の変化によ
   り前記外力を検出する半導体センサにおいて、 前記半導体抵抗はストレスが加えられたときに直接遷移
   形バンド構造から間接遷移形バンド構造に移行する化合
   物半導体で形成されていることを特徴とする半導体セン
   サ。
2. ２．前記可変形部材は前記支持体に固着して設けられた
   半導体結晶成長層からなり、この半導体結晶成長層には
   前記半導体抵抗の抵抗率変化にもと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１記載の半導
   体センサ。