センサ及びセンサの製造方法
【課題】製造コストが低いと共に、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが可能なセンサ等を提供する。
【解決手段】本発明に係るセンサ１は、半導体基板３と、半導体基板３上に設けられた半導体領域５と、半導体領域５の上面に設けられたソース電極７及びドレイン電極９と、半導体基板３の裏面３ｂ上に設けられたバックゲート電極１１とを備え、半導体基板３と半導体領域５とはｐｎ接合Ｊを構成し、半導体領域５の上面５ｕの少なくとも一部５ｅには、複数の孔部１５が形成されており、複数の孔部１５は、それぞれ、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っておらず、半導体領域５の上面５ｕの少なくとも一部５ｅ及び複数の孔部１５の側面１５ｓは、オープンゲート５ｇを構成していることを特徴とする。
【解決手段】本発明に係るセンサ１は、半導体基板３と、半導体基板３上に設けられた半導体領域５と、半導体領域５の上面に設けられたソース電極７及びドレイン電極９と、半導体基板３の裏面３ｂ上に設けられたバックゲート電極１１とを備え、半導体基板３と半導体領域５とはｐｎ接合Ｊを構成し、半導体領域５の上面５ｕの少なくとも一部５ｅには、複数の孔部１５が形成されており、複数の孔部１５は、それぞれ、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っておらず、半導体領域５の上面５ｕの少なくとも一部５ｅ及び複数の孔部１５の側面１５ｓは、オープンゲート５ｇを構成していることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ及びセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物を半導体へ作用させ、その際に生じる半導体の電気伝導度の変化を測定することにより、測定対象物を検出するセンサが知られている。例えば、下記非特許文献１には、イオン感応性電界効果トランジスタと呼ばれるセンサが記載されている。このセンサは、電界効果トランジスタ構造を有している。測定の際には、ソース電極とドレイン電極間に検知電流を流した状態で、測定対象物である溶液中のイオンをセンサのゲート部に吸着させる。すると、ゲート部の表面電位が変化する。この表面電位の変化に起因して、ゲート部に接する半導体領域の空乏層の厚さが変化するため、当該半導体領域の電気伝導度が変化する。その結果、ソース電極とドレイン電極間を流れる検知電流の大きさも変化するため、その変化を測定することにより、測定対象物を検出することができる。
【０００３】
また、下記特許文献１には、絶縁基板上に設けられた多孔質構造の半導体層からなるガス感応部と、ガス感応部上に設けられた一対の電極と、を備えるガス検知素子が記載されている。このガス検知素子においては、ガス感応部が多孔質構造であるため、測定対象のガスを吸着するガス感応部の表面積が大きくなり、測定感度が向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２１３８５１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】P. Bergveld et al., “Developmentof an Ion-Sensitive Solid-State Device for Neurophysiological Measurements”,IEEE TRANSACTIONS ON BIO-MEDICAL ENGINEERING, 17 (1970), p.70-71
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
イオン感応性電界効果トランジスタ等の、測定対象の作用による半導体の電気伝導度の変化を利用したセンサは、ガスセンサやバイオセンサ等の幅広い用途に応用されており、その感度の向上が求められている。
【０００７】
上記非特許文献１に記載のイオン感応性電界効果トランジスタにおいては、半導体領域の表面の一部が、感応面としてのゲート部（オープンゲート）を構成している。この感応面は平坦な面であるため、その表面積は小さく、感度が低いという問題がある。
【０００８】
このような問題を解決するために、上記特許文献１に記載のガス検知素子のように、多孔質構造の半導体を用いることにより、ガス感応部の表面積を増大させる方法が考えられる。しかしながら、上記特許文献１に記載のガス検知素子のような構成を有するセンサにおいては、下記のような理由により、センサの製造工程が複雑であり製造コストが高いという問題がある。
【０００９】
即ち、半導体層に多孔質構造を形成する際には、一般的に、基板上に均一な半導体層を形成した後に、この基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、半導体層に多孔質構造を形成する。陽極酸化法を用いることにより、複数の孔部を直線的に形成することができ、また、各孔部の直径のばらつきを低減させることができる。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に記載のガス検知素子においては、絶縁基板上に多孔質構造の半導体層を設けている。そのため、絶縁基板に半導体層が固定された状態では、基板が導電性を有していないため、基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成することはできない。そのため、導電性の基板上に均一な半導体層を形成してから陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成した後に、基板と半導体層とを分離し、当該半導体層を絶縁性の基板に固定するという複数の工程が必要となる。そのため、センサの製造工程が複雑となり、製造コストが高くなってしまうという問題がある。
【００１１】
このような問題を改善するためには、導電性の基板上に半導体層を形成し、この基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成する方法が考えられる。しかしながら、このような方法を採用した場合、以下のような理由により、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが困難であるという問題がある。
【００１２】
即ち、導電性の基板上に半導体層を形成し、この基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成する際、各孔部が半導体層の下面、即ち、半導体層と基板との界面まで延びるようにすると、半導体層と基板とでは、同一条件下での陽極酸化法によるエッチングレートが異なるため、各孔部の深さについての加工精度が低下してしまう。その結果、各孔部の深さのばらつきが大きくなってしまうため、センサの特性のばらつきも大きくなってしまう。
【００１３】
このようなばらつきを抑制するためには、各孔部が半導体層と基板との界面まで達しないように、即ち、各孔部が半導体層の上面と下面との中間点まで延びるように、陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成する方法が考えられる。しかしながら、このようは方法を採用した場合、半導体層に設けた２つの電極（例えば、ソース電極とドレイン電極）の間に流れる検知電流は、孔部が延びていない半導体層の下部にも流れてしまうため、その分センサの感度が低下してしまう。このような理由により、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが困難であるという問題がある。
【００１４】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、製造コストが低いと共に、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが可能なセンサ、及び、このようなセンサの製造方法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】
【００１５】
上述の課題を解決するため、本発明に係るセンサは、電界効果トランジスタ型のセンサであって、第１導電型半導体基板と、第１導電型半導体基板の主面上に設けられた第２導電型半導体領域と、第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられたソース電極と、ソース電極と離間するように第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられたドレイン電極と、第１導電型半導体基板の裏面上に設けられたバックゲート電極とを備え、第１導電型半導体基板と第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は、ソース電極及びドレイン電極によって覆われておらず、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部には、複数の孔部が形成されており、複数の孔部は、それぞれ、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っておらず、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部及び複数の孔部の側面は、オープンゲートを構成していることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るセンサにおいては、感応面となるオープンゲートは、複数の孔部の側面を含んでいるために、表面積が大きくなる。そのため、センサの感度を高くすることができる。
【００１７】
また、本発明に係るセンサにおいては、導電性を有する第１導電型半導体基板上に、第２導電型半導体領域が設けられ、第２導電型半導体領域に複数の孔部が形成されている。そのため、第１導電型半導体基板上に均一な第２導電型半導体領域を形成した後に、第１導電型半導体基板を電極として用いた方法によって、第２導電型半導体領域に複数の孔部を形成することができる。これにより、複数の孔部を有する第２導電型半導体領域を基板上に形成した後に、当該基板と第２導電型半導体領域とを分離し、別の基板に第２導電型半導体領域を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００１８】
また、本発明に係るセンサにおいては、複数の孔部は、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っていないため、複数の孔部を形成する際に、各孔部の深さのばらつきを抑制することができる。
【００１９】
また、本発明に係るセンサは、第１導電型半導体基板と第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、第１導電型半導体基板の裏面上にバックゲート電極を備えている。そのため、バックゲート電極によって当該ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部に空乏層を形成することができる。これにより、測定中に、ソース電極からドレイン電極に流れる検知電流が、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部を経由することを抑制することができるため、複数の孔部が第１導電型半導体基板に至っていないことに起因するセンサの感度の低下を防止することができる。
【００２０】
以上のような理由により、本発明に係るセンサによれば、製造コストを低くすることが可能であると共に、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが可能となる。
【００２１】
さらに、本発明に係るセンサにおいて、複数の孔部は、バックゲート電極を陽極電極として用いた陽極酸化法によって形成されていることが好ましい。これにより、複数の孔部を直線的に形成することができ、また、各孔部の直径のばらつきを低減させることができる。
【００２２】
また、上述の課題を解決するため、本発明に係るセンサの製造方法は、電界効果トランジスタ型のセンサの製造方法であって、第１導電型半導体基板の主面上に、当該第１導電型半導体基板とｐｎ接合を構成する第２導電型半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、第１導電型半導体基板の裏面上にバックゲート電極を形成するバックゲート電極形成工程と、第２導電型半導体領域に、複数の孔部を形成する孔部形成工程と、第２導電型半導体領域の上面又は側面に互いに離間するソース電極及びドレイン電極を形成し、その際、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部はソース電極及びドレイン電極によって覆われていないようにするソース・ドレイン電極形成工程とを備え、孔部形成工程は、第１導電型半導体基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、第２導電型半導体領域に、当該第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びる複数の孔部であって、第１導電型半導体基板には至っていない複数の孔部を形成する陽極酸化工程を含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明に係るセンサの製造方法においては、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部を覆わないように、ソース電極及び前記ドレイン電極が形成される。そのため、第２導電型半導体領域の上面の上記少なくとも一部は、オープンゲートの一部を構成すると共に、複数の孔部の側面は、オープンゲートの他の一部となる。そのため、感度の高いセンサが得られる。
【００２４】
また、本発明に係るセンサの製造方法は、導電性を有する第１導電型半導体基板上に第２導電型半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、第２導電型半導体領域に、複数の孔部を形成する孔部形成工程とを備え、孔部形成工程は、第１導電型半導体基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、第２導電型半導体領域に複数の孔部を形成する陽極酸化工程を含んでいる。そのため、複数の孔部を有する第２導電型半導体領域を基板上に形成した後に、当該基板と第２導電型半導体領域とを分離し、別の基板に第２導電型半導体領域を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００２５】
また、本発明に係るセンサの製造方法では、陽極酸化工程において形成される複数の孔部は、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っていない。そのため、各孔部の深さのばらつきを抑制することができる。
【００２６】
また、本発明に係るセンサの製造方法では、半導体領域形成工程において、第１導電型半導体基板とｐｎ接合を構成する第２導電型半導体領域を形成し、また、バックゲート電極形成工程において、第１導電型半導体基板の裏面上にバックゲート電極を形成している。そのため、バックゲート電極によって当該ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部に空乏層を形成することができる。これにより、測定中に、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部に検知電流が流れることを抑制することができるため、複数の孔部が第１導電型半導体基板に至っていないことに起因する感度の低下を防止することが可能なセンサを得ることができる。
【００２７】
以上のような理由により、本発明に係るセンサの製造方法によれば、製造コストが低いと共に、特性のばらつきを抑制しながら、感度を向上させることが可能なセンサを得ることができる。
【００２８】
さらに、本発明に係るセンサの製造方法において、孔部形成工程は、陽極酸化工程の前に、第２導電型半導体領域の上面に、複数の開口を有するマスクを形成するマスク形成工程をさらに含むことが好ましい。これにより、第２導電型半導体領域に複数の開口を容易に形成することができる。
【００２９】
また、上述の課題を解決するため、本発明に係る他の態様のセンサは、第１導電型半導体基板と、第１導電型半導体基板の主面上に設けられた第２導電型半導体領域と、第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられた第１電極と、第１電極と離間するように第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられた第２電極と、第１導電型半導体基板の裏面上に設けられた第３電極とを備え、第１導電型半導体基板と第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は、第１電極及び第２電極によって覆われておらず、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部には、複数の孔部が形成されており、複数の孔部は、それぞれ、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っておらず、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部及び複数の孔部の側面は、測定対象を作用させる感応面を構成しており、測定対象が感応面に作用することにより、第２導電型半導体領域の電気伝導度が変化することを特徴とする。
【００３０】
本発明に係る他の態様のセンサにおいては、感応面は、複数の孔部の側面を含んでいるために、表面積が大きくなる。そのため、センサの感度を高くすることができる。
【００３１】
また、本発明に係る他の態様のセンサにおいては、導電性を有する第１導電型半導体基板上に、第２導電型半導体領域が設けられ、第２導電型半導体領域に複数の孔部が形成されている。そのため、第１導電型半導体基板上に均一な第２導電型半導体領域を形成した後に、第１導電型半導体基板を電極として用いた方法によって、第２導電型半導体領域に複数の孔部を形成することができる。これにより、複数の孔部を有する第２導電型半導体領域を基板上に形成した後に、当該基板と第２導電型半導体領域とを分離し、別の基板に第２導電型半導体領域を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００３２】
また、本発明に係る他の態様のセンサにおいては、複数の孔部は、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っていないため、複数の孔部を形成する際に、各孔部の深さのばらつきを抑制することができる。
【００３３】
また、本発明に係る他の態様のセンサは、第１導電型半導体基板と第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、第１導電型半導体基板の裏面上に第３電極を備えている。そのため、第３電極によって当該ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部に空乏層を形成することができる。これにより、測定中に、第１電極から第２電極に流れる検知電流が、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部を経由することを抑制することができるため、複数の孔部が第１導電型半導体基板に至っていないことに起因するセンサの感度の低下を防止することができる。
【００３４】
以上のような理由により、本発明に係るセンサによれば、製造コストを低くすることが可能であると共に、特性のばらつきを抑制しながら、感度を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、製造コストが低いと共に、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが可能なセンサ、及び、このようなセンサの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態のセンサを示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の半導体領域の断面図である。
【図３】第１実施形態のセンサの断面図である。
【図４】第１実施形態のセンサの断面図である。
【図５】第１実施形態の半導体領域の断面図である。
【図６】第１実施形態のセンサの断面図である。
【図７】第１実施形態の半導体領域の断面図である。
【図８】第１実施形態のセンサの断面図である。
【図９】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１０】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１１】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１２】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１３】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１４】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１５】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１６】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１７】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１８】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１９】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図２０】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図２１】第２実施形態のセンサの断面図である。
【図２２】実施例１のソース・ドレイン電流（ＩＤＳ）の時間変化を示す図である。
【図２３】実施例１のソース・ドレイン電流の変化量（ΔＩＤＳ）とｐＨ値との関係を示す図である。
【図２４】比較例１と実施例１の電解液に対する感度（μＡ／ｐＨ）を示す図である。
【図２５】第１実施形態の変形例のセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、実施の形態に係るセンサ及びセンサの製造方法について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００３８】
（第１実施形態）
第１実施形態のセンサとして、電界効果トランジスタ型のセンサについて説明する。図１は、本実施形態のセンサを示す斜視図である。
【００３９】
図１に示すように、本実施形態のセンサ１は、半導体基板３と、半導体領域５と、ソース電極７と、ドレイン電極９と、バックゲート電極１１と、を備えている。なお、図１においては、直交座標系Ｓが示されており、図２以降の各図においても、必要に応じて直交座標系Ｓが示されている。
【００４０】
半導体基板３は、第１導電型（例えば、ｐ型）の半導体材料からなる基板である。本実施形態においては、半導体基板３は矩形状の基板である。半導体基板３を構成する半導体材料としては、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＳｂ等のIII-V族半導体、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ等のII-VI族半導体、ＳｉＣ等のIV-IV族半導体、Ｓｉ、Ｇｅ等の単元素半導体、又は、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３等の酸化物半導体や、これらの混晶材料からなる。そして、半導体基板３には、第１導電型の不純物がドープされている。なお、図１の直交座標系Ｓにおいては、半導体基板３の主面３ｍの長辺方向にＸ軸を設定し、半導体基板３の主面３ｍの短辺方向にＹ軸を設定し、半導体基板３の主面３ｍと垂直な方向にＺ軸を設定している。
【００４１】
半導体領域５は、半導体基板３の主面３ｍ上に設けられている。半導体領域５は、第２導電型（例えば第１導電型がｐ型の場合、ｎ型）の半導体材料からなる半導体領域である。半導体領域５は、本実施形態においては、半導体基板３の主面３ｍ上に積層された層状の領域である。即ち、センサ１の積層方向は、Ｚ軸方向である。そして、半導体基板３と半導体領域５とは、ｐｎ接合Ｊを構成している。
【００４２】
半導体領域５を構成する材料としては、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＳｂ等のIII-V族半導体、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ等のII-VI族半導体、ＳｉＣ等のIV-IV族半導体、Ｓｉ、Ｇｅ等の単元素半導体、又は、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３等の酸化物半導体や、これらの混晶材料からなる。そして、半導体領域５には、第２導電型の不純物がドープされている。
【００４３】
ソース電極７は、半導体領域５の上面５ｕの一部上に設けられている。本実施形態においては、ソース電極７は、半導体領域５の上面５ｕの−Ｘ軸方向の外縁に接するように設けられている。ソース電極７は、金属等の導電性材料からなる。例えば、半導体領域５がn型のIII-V族半導体からなる場合、ソース電極７は、Ｇｅ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属からなることが好ましい。ソース電極７は半導体領域５とオーミック接触していることが好ましい。
【００４４】
ドレイン電極９は、半導体領域５の上面５ｕの他の一部上に設けられている。これにより、本実施形態の半導体領域５は多孔質構造となっている。本実施形態においては、ドレイン電極９は、半導体領域５の上面５ｕのＸ軸方向の外縁に接するように設けられている。ドレイン電極９は、金属等の導電性材料からなる。例えば、半導体領域５がn型のIII-V族半導体からなる場合、ドレイン電極９は、Ｇｅ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属からなることが好ましい。ドレイン電極９は半導体領域５とオーミック接触していることが好ましい。
【００４５】
半導体領域５の上面５ｕの一部５ｅは、Ｚ方向から見て、ソース電極７及びドレイン電極９によって覆われていない。即ち、本実施形態においては、半導体領域５の上面５ｕ上において、ソース電極７とドレイン電極９は、Ｘ軸方向に互いに離間するように設けられている。そのため、本実施形態においては、半導体領域５の上面５ｕの一部５ｅは、露出している。
【００４６】
また、半導体領域５の上面５ｕには、複数の孔部１５が形成されている。詳細は後述するように、複数の孔部１５は、それぞれ、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びているが、半導体基板３には達していない。
【００４７】
バックゲート電極１１は、半導体基板３の裏面３ｂ上に設けられている。そのため、バックゲート電極１１は、半導体基板３を介して半導体領域５と対向している。バックゲート電極１１は、金属等の導電性材料からなる。例えば、半導体基板３がp型のIII-V族半導体からなる場合、バックゲート電極１１は、Ａｕ、Ｚｎ、Ｎｉ等の金属からなることが好ましい。バックゲート電極１１は、半導体基板３とオーミック接触していることが好ましい。
【００４８】
次に、半導体領域５の構成について、詳細に説明する。図２は、Ｚ軸と垂直な面で切断したときの半導体領域の断面図であり、図３は、Ｙ軸と垂直な面で切断したときのセンサの断面図である。また、図３においては、センサの電気回路構成も示している。
【００４９】
図２に示すように、複数の孔部１５は、Ｚ軸方向から見て、六方格子状に配列している。複数の孔部１５の配列の態様は、Ｚ軸方向から見て、正方格子状、直方格子状、菱形格子状、又は、平行四辺形格子状であってもよく、また、ランダムであってもよい。各孔部１５のＺ軸と垂直な面での切断形状は、本実施形態では円形であるが、楕円形や、矩形等の多角形であってもよい。
【００５０】
半導体領域５のうち、複数の孔部１５の側面１５ｓの周辺には、空乏層５ｄが形成されている。空乏層５ｄの厚さ（ＸＹ面における厚さ）は、孔部１５の側面１５ｓの表面電位に対応して変化する。
【００５１】
また、図３に示すように、複数の孔部１５は、それぞれ、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びているが、半導体基板３には達していない。即ち、半導体領域５は、複数の孔部１５が形成された孔部形成領域５ａと、複数の孔部１５が形成されていない孔部非形成領域５ｂと、を有している。孔部非形成領域５ｂは、半導体基板３と孔部形成領域５ａとの間に位置する。
【００５２】
半導体領域５のＺ軸方向の厚さは、例えば、０．１μｍ以上、１００μｍ以下とすることができる。各孔部１５のＺ軸方向の深さは、例えば、０．１μｍ以上、１００μｍ以下とすることができる。各孔部１５の直径（各孔部１５のＺ軸と垂直な面での断面の直径）は、例えば、０．１ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下とすることができる。なお、各孔部１５の直径は、測定対象物が孔部１５内に侵入可能な大きさに設定される。また、測定対象物以外の不要物が各孔部１５内に侵入しないように、各孔部１５の直径を設定することもできる。
【００５３】
また、半導体領域５の上面５ｕのうちの一部５ｅ（上面５ｕのうち、Ｚ方向から見て、ソース電極７及びドレイン電極９によって覆われていない部分）と、複数の孔部１５の側面１５ｓとで、オープンゲート５ｇを構成している。オープンゲート５ｇは、測定対象に対する感応面として機能する。
【００５４】
オープンゲート５ｇの大きさは、特に制限されないが、オープンゲート５ｇのＸ軸に沿った方向の長さ（ゲート長）は、例えば、１μｍ以上、５０００μｍ以下とすることができ、オープンゲート５ｇのＹ軸に沿った方向の長さ（ゲート幅）は、例えば、１μｍ以上、５０００μｍ以下とすることができる。
【００５５】
また、図３に示すように、ソース電極７とドレイン電極９との間には、スイッチＳＷ１を介して電源２１が電気的に接続されている。電源２１は、ソース電極７からドレイン電極９へ検知電流を流すための電源である。また、バックゲート電極１１とソース電極７との間には、スイッチＳＷ２を介して電源２３が電気的に接続されている。電源２３は、バックゲート電極１１及びソース電極７を介して、半導体基板３と半導体領域５との間に電圧を印加するための電源である。また、ソース電極７は、グラウンドに電気的に接続されている。図３は、非測定状態におけるセンサ１の電気回路構成を示しており、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２はオフとなっている。
【００５６】
次に、センサ１による測定原理について説明する。図４及び図６は、Ｙ軸と垂直な面で切断したときのセンサの断面図であり、図５及び図７は、Ｚ軸と垂直な面で切断したときの半導体領域の断面図である。図４及び図６は、測定状態におけるセンサ１の電気回路構成も示している。また、図４及び図５は、測定対象物がセンサに作用する前の状態を示した図であり、図６及び図７は、測定対象物がセンサに作用した後の状態を示した図である。
【００５７】
まず、測定対象物がセンサに作用する前の状態とセンサに作用した後の状態とで共通する事項について説明する。
【００５８】
図４及び図６に示すように、センサ１によって測定を行う際には、まず、スイッチＳＷ２をオンにし、電源２３によってバックゲート電極１１とソース電極７との間に電圧を印加する。この際、半導体基板３と半導体領域５との間のｐｎ接合Ｊに、逆電圧が印加されるようにする。例えば、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型である場合、即ち、半導体基板３がｐ型半導体からなり、半導体領域５がｎ型半導体からなる場合、ソース電極７が正電圧、バックゲート電極１１が負電圧となるように（半導体領域５が正電圧、半導体基板３が負電圧となるように）、電源２３によって印加する電圧の極性を選択する。
【００５９】
これにより、半導体領域５の孔部非形成領域５ｂには、空乏層５ｂｄが形成される。図４及び図６に示すように、半導体領域５の孔部非形成領域５ｂの略全てが空乏層５ｂｄとなるように、即ち、空乏層５ｂｄが複数の孔部１５の底部に達するように、電源２３によってｐｎ接合Ｊに印加する逆電圧の大きさを調節することが好ましい。後述のように、検知電流３０が半導体領域５の孔部非形成領域５ｂを流れなくなるため、センサ１の測定感度が向上するためである。
【００６０】
続いて、図４及び図６に示すように、スイッチＳＷ１をオンにし、電源２１によって半導体領域５内に検知電流３０を流す。検知電流３０は、ソース電極７から半導体領域５を経由してドレイン電極９に至る。図４及び図６に示すように半導体領域５の孔部非形成領域５ｂの略全てが空乏層５ｂｄとなっている場合、検知電流３０は半導体領域５の孔部非形成領域５ｂ内は殆ど流れず、検知電流３０の大部分は半導体領域５の孔部形成領域５ａ内を流れる。
【００６１】
図５及び図７に示すように、検知電流３０は半導体領域５の空乏層５ｄ内を流れることができない。そのため、検知電流３０は、複数の孔部１５の周りの空乏層５ｄによって規定される半導体領域５内の経路に沿って、ソース電極７からドレイン電極９まで流れる。
【００６２】
続いて、測定対象物がセンサに作用する前の状態とセンサに作用した後の状態とで異なる事項について説明する。
【００６３】
図４及び図５に示すように、測定対象物がセンサ１に作用する前の状態においては、半導体領域５の空乏層５ｄは、基準となる厚さを有している。そのため、図５に示すように、複数の孔部１５の周りの空乏層５ｄによって規定される半導体領域５内の経路は基準となる広さを有しており、ソース電極７とドレイン電極９間における半導体領域５の電気伝導度も、基準となる値となっている。そのため、ソース電極７からドレイン電極９まで流れる検知電流３０は、基準となる電流値となっている。
【００６４】
続いて、図６及び図７に示すように、測定対象物２７がセンサ１に作用した後の状態においては、測定対象物２７は、オープンゲート５ｇ（半導体領域５の上面５ｕのうちの一部５ｅ、及び、複数の孔部１５の側面１５ｓ）に、吸着等によって接触する。これにより、オープンゲート５ｇの表面電位が変化する。そして、この表面電位の変化に起因して、半導体領域５の空乏層５ｄの厚さは、測定対象物２７が存在しない場合の空乏層５ｄの厚さ（図４及び図５参照）から変化する。例えば、図６及び図７に示すように、測定対象物２７がオープンゲート５ｇに吸着等によって接触することによって、半導体領域５の空乏層５ｄの厚さが厚く変化する。
【００６５】
これにより、図７に示すように、複数の孔部１５の周りの空乏層５ｄによって規定される半導体領域５内の経路は狭くなるため、ソース電極７とドレイン電極９間における半導体領域５の電気伝導度は、基準となる値よりも小さくなる。この測定対象物２７がセンサ１に作用する前後の半導体領域５の電気伝導度の変化量は、センサ１に作用した測定対象物２７の濃度に対応する。そのため、半導体領域５の電気伝導度の変化量を測定すれば、測定対象物２７の濃度を測定することができる。
【００６６】
半導体領域５の電気伝導度の変化量は、例えば、電源２１によってソース電極７とドレイン電極９間に印加する電圧値を一定に保った状態で、測定対象物２７をセンサ１に作用させることにより測定することができる。即ち、このような状態で測定対象物２７をセンサ１に作用させると、図７に示すように、ソース電極７とドレイン電極９間における半導体領域５の電気伝導度が基準となる値よりも小さくなるため、検知電流３０は、基準となる電流値よりも小さくなっている。この検知電流３０の電流値の変化量は、半導体領域５の電気伝導度に対応して決まるため、測定対象物２７をセンサ１に作用させる前後の検知電流３０の電流値の変化量を測定すれば、測定対象物２７の濃度を測定することができる。
【００６７】
測定対象物２７は、オープンゲート５ｇに接触することにより、オープンゲート５ｇの表面電位を変化させるものである。具体的には、測定対象物２７は、水素イオン、アンモニウムイオンやリン酸イオン等のイオン、水素、ＮＯｘやＣＯｘ等のガス、血中成分やDNA等の生体物質等である。そのため、本実施形態のセンサ１は、ｐＨセンサ等のイオンセンサ、ガスセンサ、及び、バイオセンサ等として使用することができる。
【００６８】
上述のような本実施形態に係るセンサ１によれば、感応面となるオープンゲート５ｇは、複数の孔部１５の側面１５ｓを含んでいるために、表面積が大きくなる（図３、図４、及び、図６参照）。そのため、センサ１の感度を高くすることができる。特に本実施形態のセンサ１では、測定対象物２７がセンサ１に作用すると、複数の孔部１５の周りの空乏層５ｄは、Ｚ軸と垂直な断面において２次元的に広がるため、ソース電極７とドレイン電極９間における半導体領域５の電気伝導度が大きく変化する（図５及び図７参照）。そのため、センサ１の測定感度は非常に高くなる。
【００６９】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１においては、導電性を有する第１導電型の半導体基板３上に、第２導電型の半導体領域５が設けられ、この半導体領域５に複数の孔部１５が形成されている（図１、図３、図４及び図６参照）。そのため、半導体基板３上に均一な半導体領域５を形成した後に、半導体基板３を電極として用いた方法によって、半導体領域５に複数の孔部１５を形成することができる。これにより、複数の孔部１５を有する半導体領域５を基板上に形成した後に、当該基板と半導体領域５とを分離し、別の基板に半導体領域５を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００７０】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１においては、複数の孔部１５は、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っていない（図３、図４及び図６参照）。そのため、複数の孔部１５を形成する際に、各孔部１５の深さのばらつきを抑制することができる。
【００７１】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１においては、半導体基板３と半導体領域５とはｐｎ接合Ｊを構成し、センサ１は半導体基板３の裏面３ｂ上にバックゲート電極１１を備えている（図１、図３、図４及び図６参照）。そのため、バックゲート電極１１によって当該ｐｎ接合Ｊに逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂに空乏層５ｂｄを形成することができる（図４及び図６参照）。これにより、測定中に、ソース電極７からドレイン電極９に流れる検知電流３０が、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂを経由することを抑制することができるため、複数の孔部１５が半導体基板３に至っていないことに起因するセンサ１の感度の低下を防止することができる。
【００７２】
以上のような理由により、本実施形態に係るセンサ１によれば、製造コストを低くすることが可能であると共に、センサ１の特性のばらつきを抑制しながら、センサ１の感度を向上させることが可能となる。
【００７３】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１において、複数の孔部１５は、バックゲート電極１１を陽極電極として用いた陽極酸化法によって形成されていることが好ましい。これにより、複数の孔部１５を直線的に形成することができ、また、各孔部１５の直径のばらつきを低減させることができる。その結果、センサ１の特性のばらつきを抑制することができる。
【００７４】
また、上述のような本実施形態のセンサ１においては、測定の際、半導体領域５の孔部非形成領域５ｂの略全てが空乏層５ｂｄとなるように、電源２３によってｐｎ接合Ｊに逆電圧をｐ印加しているが（図４及び図６参照）、図８に示すように、孔部非形成領域５ｂのうちの下層部のみに空乏層５ｂｄを形成し、孔部非形成領域５ｂのうちの上層部５ｂｎには空乏層を形成しないように、電源２３によってｐｎ接合Ｊに印加する電圧の大きさを調節することができる。この場合、検知電流３０の一部は、孔部非形成領域５ｂの上層部５ｂｎにも流れるため、センサ１の感度が低下する。即ち、本実施形態のセンサ１においては、電源２３によってｐｎ接合Ｊに印加する電圧の大きさを調節することにより、センサ１の感度を調節することが可能である。これにより、例えば、複数のセンサ１によってセンサアレイを構成した場合、各センサ１の感度の大きさを調節することによって、各センサ１間の感度のばらつきを抑制することが可能となる。
【００７５】
次に、本実施形態のセンサの製造方法について、図９〜図２０を参照しながら説明する。図９〜図２０の（Ａ）は、本実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図であり、図９〜図２０の（Ｂ）は、本実施形態のセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【００７６】
本実施形態のセンサの製造方法は、半導体領域形成工程と、バックゲート電極形成工程と、孔部形成工程と、ソース・ドレイン電極形成工程と、を備えている。
【００７７】
（半導体領域形成工程及びバックゲート電極形成工程）
これらの工程においては、まず、図９に示すように、第１導電型の半導体基板３を準備する。そして、半導体基板３の主面３ｍ上に、分子線エピタキシ法、有機金属気相成長法、液相成長法等によって、第２導電型の半導体領域５を結晶成長させる。又は、第１導電型の半導体基板を準備し、当該半導体基板の主面の少なくとも一部を含む領域に、第２導電型の不純物をドープしてもよい。この場合、当該半導体基板の当該不純物がドープされた領域が半導体領域５となり、当該半導体基板の当該不純物がドープされていない領域が半導体基板３となる。半導体基板３と半導体領域５は、ｐｎ接合Ｊを構成するようにする。半導体領域５の厚さは、例えば、５μｍとすることができる。
【００７８】
その後、半導体基板３の裏面３ｂ上に、真空蒸着法、スパッタリング法、及び、電着法等によって、バックゲート電極１１を形成する。バックゲート電極１１を形成した後に、バックゲート電極１１に３００℃〜５００℃程度の熱処理を施してもよい。
【００７９】
（孔部形成工程）
孔部形成工程は、マスク形成工程と、陽極酸化工程と、を含んでいる。
【００８０】
（マスク形成工程）
マスク形成工程においては、図１０に示すように、半導体領域５の上面５ｕに、複数の開口３３ｈを有するマスク３３を形成する。マスク３３は、例えば、絶縁材料からなる。開口３３ｈは、マスク３３の厚さ方向に延びている。
【００８１】
（陽極酸化工程）
陽極酸化工程においては、マスク３３で覆われた半導体領域５を電解液の中にひたす。半導体領域５がｎ型のＩｎＰからなる場合、電解液としては、例えば、１ｍｏｌ／Ｌの塩酸に少量の硝酸を加えた溶液を用いることができる。そして、マスク３３の上方に白金等の金属からなる電極板を、半導体領域５と対応するように設ける。そして、半導体基板３を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、半導体領域５をエッチングする。具体的には、バックゲート電極１１と電極板間に、半導体基板３が陽極となるように電圧を印加し、陽極電流を流す。これにより、半導体領域５のマスク３３によってマスクされていない領域をエッチングする。半導体領域５がｎ型のＩｎＰからなる場合、バックゲート電極１１と電極板間に印加する電圧は、例えば、６Ｖ〜７Ｖとすることができ、この電圧の印加時間は、例えば、５秒間とすることができる。
【００８２】
このようにして、図１１に示すように、半導体領域５に、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っていない複数の孔部１５を形成する。複数の開口３３ｈを有するマスク３３を用いることにより、半導体領域５に複数の孔部１５を容易に形成することができる。
【００８３】
なお、孔部形成工程においては、マスク形成工程を省略し、陽極酸化工程において、半導体領域５に複数の孔部１５を自己組織化形成してもよい。即ち、マスク３３を用いずに、半導体領域５を適切な条件下で陽極酸化法によってエッチングすることにより、所定の態様（例えば、六方格子状）で配列した複数の孔部１５を自己組織化的に形成することもできる。
【００８４】
（ソース・ドレイン電極形成工程）
その後、図１２に示すように、半導体領域５上に、酸化シリコンや窒化シリコン等からなる絶縁物層３５を形成する。
【００８５】
続いて、図１３に示すように、絶縁物層３５の上面のうち、ソース電極及びドレイン電極を形成予定面以外の部分を、フォトレジスト層３７で覆う。
【００８６】
そして、図１４に示すように、フォトレジスト層３７をマスクとして用いて絶縁物層３５をエッチングすることにより、半導体領域５の上面５ｕの一部を露出させる。
【００８７】
続いて、図１５に示すように、半導体領域５及びフォトレジスト層３７上に、真空蒸着法等によって、金属層３９を形成する。金属層３９を形成後、金属層３９に３００℃〜５００℃程度の熱処理を施してもよい。
【００８８】
そして、図１６に示すように、フォトレジスト層３７を除去（リフトオフ）する。
【００８９】
次に、図１７に示すように、オープンゲート形成予定領域に開口４１ｈを有し、絶縁物層３５、ソース電極７及びドレイン電極９の一部を覆うフォトレジスト層４１を形成する。
【００９０】
続いて、図１８に示すように、開口４１ｈの下部の絶縁物層３５をエッチングすることにより、半導体領域５の上面５ｕの一部を露出させる。このようにして、ソース電極７及びドレイン電極９が形成される。半導体領域５の上面５ｕのうちの一部５ｅは、Ｚ軸方向から見て、ソース電極７及びドレイン電極９に覆われていない。そして、半導体領域５の上面５ｕのうちの一部５ｅと、複数の孔部１５の側面１５ｓとで、感応面であるオープンゲート５ｇが形成される。
【００９１】
その後、図１９に示すように、半導体基板３を主面３ｍと垂直な面で切断することにより、図２０に示すように、複数のセンサ１が完成する。なお、半導体基板３を主面３ｍと垂直な面で切断する代わりに、各センサ１となる各領域間に半導体基板３の厚さ方向の中間部に至るストライプ溝を形成する等の方法によって、各センサ１となる各領域間を電気的に分離する（素子間分離する）ことにより、複数のセンサ１を完成させることもできる。
【００９２】
上述のような本実施形態に係るセンサの製造方法においては、半導体領域５の上面５ｕの一部５ｅは、オープンゲート５ｇの一部を構成すると共に、複数の孔部１５の側面１５ｓは、オープンゲート５ｇの他の一部となる（図１８参照）。そのため、感度の高いセンサ１が得られる。
【００９３】
また、上述のような本実施形態に係るセンサの製造方法は、導電性を有する第１導電型の半導体基板３上に第２導電型の半導体領域５を形成する半導体領域形成工程と、半導体領域５に、複数の孔部１５を形成する孔部形成工程とを備え、孔部形成工程は、半導体基板３を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、半導体領域５に複数の孔部１５を形成する陽極酸化工程を含んでいる（図９〜図１１参照）。そのため、複数の孔部１５を有する半導体領域５を基板上に形成した後に、当該基板と半導体領域５とを分離し、別の基板に半導体領域５を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００９４】
また、上述のような本実施形態に係るセンサの製造方法では、陽極酸化工程において形成される複数の孔部１５は、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っていない（図１１参照）。そのため、各孔部１５の深さのばらつきを抑制することができる。
【００９５】
また、上述のような本実施形態に係るセンサの製造方法では、半導体領域形成工程において、半導体基板３とｐｎ接合Ｊを構成する半導体領域５を形成し、また、バックゲート電極形成工程において、半導体基板３の裏面３ｂ上にバックゲート電極１１を形成している（図９参照）。そのため、バックゲート電極１１によって当該ｐｎ接合Ｊに逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂに上層部５ｂｎを形成することができる（図４及び図６参照）。これにより、測定中に、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の下部に検知電流３０が流れることを抑制することができるため、複数の孔部１５が半導体基板３に至っていないことに起因する感度の低下を防止することが可能なセンサ１を得ることができる（図５及び図７参照）。
【００９６】
以上のような理由により、本実施形態に係るセンサの製造方法によれば、製造コストが低いと共に、特性のばらつきを抑制しながら、感度を向上させることが可能なセンサ１を得ることができる。
【００９７】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態のセンサについて説明する。本実施形態の説明においては、図面において第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付すことにより、その要素の説明を省略する場合がある。
【００９８】
図２１はＹ軸と垂直な面で切断したときの本実施形態のセンサの断面図である。図２１に示すように、本実施形態のセンサ１ｘは、第１実施形態のセンサ１のソース電極７、ドレイン電極９、バックゲート電極１１、及び、オープンゲート５ｇの代わりに、第１電極７ｘ、第２電極９ｘ、第３電極１１ｘ、及び、感応面５ｇｘを備えている。本実施形態の第１電極７ｘ、第２電極９ｘ、第３電極１１ｘ、及び、感応面５ｇｘは、それぞれ、第１実施形態のソース電極７、ドレイン電極９、バックゲート電極１１、及び、オープンゲート５ｇと同様の構成を有している。
【００９９】
また、本実施形態のセンサ１ｘの半導体領域５は、測定対象２７ｘが感応面５ｇｘに作用することにより、電気伝導度が変化する。測定対象２７ｘとしては、例えば、磁気や光を挙げることができる。測定対象２７ｘが磁気である場合、測定対象２７ｘに対しサイクロン運動する半導体領域５内の電子（又は正孔）の運動や位相変調を受けた電子（又は正孔）の干渉現象によって、半導体領域５の孔部形成領域５ａの電気伝導度が変化する。
【０１００】
また、測定対象２７ｘが光である場合、測定対象２７ｘによって半導体領域５内に電子−正孔対に起因する光電流が発生するため、半導体領域５の孔部形成領域５ａの電気伝導度が変化する。
【０１０１】
そのため、本実施形態のセンサ１ｘは、磁気センサや光センサ等として使用することができる。
【０１０２】
上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘにおいては、感応面５ｇｘは、複数の孔部１５の側面１５ｓを含んでいるために、表面積が大きくなる。そのため、感応面５ｇｘは測定対象２７ｘの作用を受けやすくなるため、センサ１ｘの感度を高くすることができる。
【０１０３】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘにおいては、導電性を有する第１導電型の半導体基板３上に、半導体領域５が設けられ、第２導電型の半導体領域５に複数の孔部１５が形成されている。そのため、半導体基板３上に均一な半導体領域５を形成した後に、半導体基板３を電極として用いた方法によって、半導体領域５に複数の孔部１５を形成することができる。これにより、複数の孔部１５を有する半導体領域５を基板上に形成した後に、当該基板と半導体領域５とを分離し、別の基板に半導体領域５を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【０１０４】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘにおいては、複数の孔部１５は、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っていないため、複数の孔部１５を形成する際に、各孔部１５の深さのばらつきを抑制することができる。
【０１０５】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘは、半導体基板３と半導体領域５とはｐｎ接合Ｊを構成し、半導体基板３の裏面３ｂ上に第３電極１１ｘを備えている。そのため、第３電極１１ｘによって当該ｐｎ接合Ｊに逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂに空乏層５ｂｄを形成することができる。これにより、測定中に、第１電極７ｘから第２電極９ｘに流れる検知電流が、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂを経由することを抑制することができるため、複数の孔部１５が半導体基板３に至っていないことに起因するセンサの感度の低下を防止することができる。
【０１０６】
以上のような理由により、上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘによれば、製造コストを低くすることが可能であると共に、特性のばらつきを抑制しながら、感度を向上させることが可能となる。
【０１０７】
（実施例）
以下、本発明の効果をより一層明らかなものとするため、実施例および比較例を用いて説明する。
【０１０８】
第１実施形態のセンサ１に対応するセンサを実施例１とした。この実施例１のセンサをｐＨセンサとして用いた場合の特性を評価した。具体的には、実施例１のセンサを、０．１ｍｏｌ／Ｌの塩化カリウム溶液からなる電解液中に浸した。ソース電極７とドレイン電極９との間に０．５Ｖの電圧を印加し、ｐｎ接合Ｊに逆電圧を印加するように、ソース電極７とバックゲート電極１１との間にバックゲート電圧（ＶＢＧ）を印加した。バックゲート電圧（ＶＢＧ）の大きさは、０Ｖ、−１．０Ｖ、及び、−１．５Ｖの３種類とした。そのような状態で、電解液中に一定時間ごとに所定量の希釈塩酸溶液を滴下し、電解液のｐＨ値を減少させ、その際の実施例１のソース電極７とドレイン電極９との間に流れるソース・ドレイン電流（ＩＤＳ）の変化を測定した。
【０１０９】
図２２は、上記特性評価によって得られた実施例１のソース・ドレイン電流（ＩＤＳ）の時間変化を示す図である。図２２において、測定値の上又は下に、その時点での電解液のｐＨ値を示している。
【０１１０】
図２２に示されるように、時間の経過と共に電解液のｐＨ値が減少すると、それに応答してソース・ドレイン電流（ＩＤＳ）が増加した。これは、ｐＨ値の変化によって、半導体領域５の空乏層５ｄの厚さが減少したことを示している。
【０１１１】
また、図２３は、上記特性評価によって得られた実施例１のソース・ドレイン電流の変化量（ΔＩＤＳ）とｐＨ値との関係を示す図である。図２３に示されるように、実施例１においてバックゲート電圧（ＶＢＧ）が増加すると、センサの感度（ｐＨ値の変化に対するソース・ドレイン電流の変化の大きさ）が増加することがわかった。
【０１１２】
次に、比較例１及び実施例１の電解液に対する感度の比較を行った。比較例１は、半導体領域５が複数の孔部１５を有していない点、及び、バックゲート電極１１を備えていない点以外は、実施例１と同一の構造のセンサとした。
【０１１３】
図２４は、比較例１と実施例１の電解液に対する感度（μＡ／ｐＨ）を示す図である。図２３に示されるように、比較例１の電解液に対する感度は、１．７μＡ／ｐＨであった。それに対して、実施例１の電解液に対する感度は、バックゲート電圧（ＶＢＧ）が０Ｖのときに、４５．９μＡ／ｐＨであり、バックゲート電圧（ＶＢＧ）が−１．０Ｖのときに、５３．５μＡ／ｐＨであり、バックゲート電圧（ＶＢＧ）が−１．５Ｖのときに、７３．０μＡ／ｐＨであった。実施例１の感度は、最大で比較例１の約４３倍となった。
【０１１４】
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【０１１５】
例えば、上述の実施形態では、半導体領域５の複数の孔部１５を陽極酸化法によって形成していたが、他の方法、例えば、均一な半導体領域５上に複数の開口を有するレジスト層を形成する工程と、このレジスト層をマスクとして半導体領域５をドライエッチングする工程とを含むフォトリソグラフィー法によって、複数の孔部１５を形成することもできる。
【０１１６】
また、上述の実施形態では、オープンゲート５ｇは露出していたが（図３、図４及び図６参照）、特定の測定対象物２７に対する測定感度を向上させるために、オープンゲート５ｇは機能修飾されていてもよい。例えば、測定対象物２７が溶液中のグルコースである場合、オープンゲート５ｇはグルコース酸化酵素によってコーティングされることによって、機能修飾されていてもよい。また、測定対象物２７は水素イオンである場合、オープンゲート５ｇはＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４膜によってコーティングされることによって、機能修飾されていてもよい。
【０１１７】
また、上述の実施形態では、ソース電極７及びドレイン電極９は、半導体領域５の上面５ｕに設けられていたが（図３、図４及び図６参照）、Ｚ方向から見て半導体領域５の上面５ｕの少なくとも一部がソース電極７及びドレイン電極９によって覆われていなければ、ソース電極７及びドレイン電極９は半導体領域５の側面や、半導体領域５の側面から上面５ｕに亘って設けられていてもよい。
【０１１８】
また、半導体基板３、半導体領域５、ソース電極７、及び、ドレイン電極９の形状は、上述の実施形態の態様に限られない。例えば、図２５（Ａ）に示すように、ソース電極７及びドレイン電極９は、半導体領域５の上面５ｕのＸ軸方向の外縁及び−Ｘ軸方向の外縁に接していなくてもよい。また、図２５（Ｂ）に示すように、半導体領域５の孔部形成領域５ａが孔部非形成領域５ｂ内に埋め込まれていてもよい。また、図２５（Ｃ）に示すように、半導体領域５の孔部形成領域５ａが孔部非形成領域５ｂ内に埋め込まれており、さらに、孔部非形成領域５ｂが半導体基板３内に埋め込まれていてもよい。
【符号の説明】
【０１１９】
１・・・センサ、３・・・半導体基板、３ｍ・・・半導体基板の主面、３ｂ・・・半導体基板の裏面、５・・・半導体領域、５ｇ・・・オープンゲート、７・・・ソース電極、９・・・ドレイン電極、１１・・・バックゲート電極、１５・・・孔部、１５ｓ・・・孔部の側面、Ｊ・・・ｐｎ接合。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ及びセンサの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物を半導体へ作用させ、その際に生じる半導体の電気伝導度の変化を測定することにより、測定対象物を検出するセンサが知られている。例えば、下記非特許文献１には、イオン感応性電界効果トランジスタと呼ばれるセンサが記載されている。このセンサは、電界効果トランジスタ構造を有している。測定の際には、ソース電極とドレイン電極間に検知電流を流した状態で、測定対象物である溶液中のイオンをセンサのゲート部に吸着させる。すると、ゲート部の表面電位が変化する。この表面電位の変化に起因して、ゲート部に接する半導体領域の空乏層の厚さが変化するため、当該半導体領域の電気伝導度が変化する。その結果、ソース電極とドレイン電極間を流れる検知電流の大きさも変化するため、その変化を測定することにより、測定対象物を検出することができる。
【０００３】
また、下記特許文献１には、絶縁基板上に設けられた多孔質構造の半導体層からなるガス感応部と、ガス感応部上に設けられた一対の電極と、を備えるガス検知素子が記載されている。このガス検知素子においては、ガス感応部が多孔質構造であるため、測定対象のガスを吸着するガス感応部の表面積が大きくなり、測定感度が向上することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２１３８５１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】P. Bergveld et al., “Developmentof an Ion-Sensitive Solid-State Device for Neurophysiological Measurements”,IEEE TRANSACTIONS ON BIO-MEDICAL ENGINEERING, 17 (1970), p.70-71
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
イオン感応性電界効果トランジスタ等の、測定対象の作用による半導体の電気伝導度の変化を利用したセンサは、ガスセンサやバイオセンサ等の幅広い用途に応用されており、その感度の向上が求められている。
【０００７】
上記非特許文献１に記載のイオン感応性電界効果トランジスタにおいては、半導体領域の表面の一部が、感応面としてのゲート部（オープンゲート）を構成している。この感応面は平坦な面であるため、その表面積は小さく、感度が低いという問題がある。
【０００８】
このような問題を解決するために、上記特許文献１に記載のガス検知素子のように、多孔質構造の半導体を用いることにより、ガス感応部の表面積を増大させる方法が考えられる。しかしながら、上記特許文献１に記載のガス検知素子のような構成を有するセンサにおいては、下記のような理由により、センサの製造工程が複雑であり製造コストが高いという問題がある。
【０００９】
即ち、半導体層に多孔質構造を形成する際には、一般的に、基板上に均一な半導体層を形成した後に、この基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、半導体層に多孔質構造を形成する。陽極酸化法を用いることにより、複数の孔部を直線的に形成することができ、また、各孔部の直径のばらつきを低減させることができる。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に記載のガス検知素子においては、絶縁基板上に多孔質構造の半導体層を設けている。そのため、絶縁基板に半導体層が固定された状態では、基板が導電性を有していないため、基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成することはできない。そのため、導電性の基板上に均一な半導体層を形成してから陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成した後に、基板と半導体層とを分離し、当該半導体層を絶縁性の基板に固定するという複数の工程が必要となる。そのため、センサの製造工程が複雑となり、製造コストが高くなってしまうという問題がある。
【００１１】
このような問題を改善するためには、導電性の基板上に半導体層を形成し、この基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成する方法が考えられる。しかしながら、このような方法を採用した場合、以下のような理由により、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが困難であるという問題がある。
【００１２】
即ち、導電性の基板上に半導体層を形成し、この基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成する際、各孔部が半導体層の下面、即ち、半導体層と基板との界面まで延びるようにすると、半導体層と基板とでは、同一条件下での陽極酸化法によるエッチングレートが異なるため、各孔部の深さについての加工精度が低下してしまう。その結果、各孔部の深さのばらつきが大きくなってしまうため、センサの特性のばらつきも大きくなってしまう。
【００１３】
このようなばらつきを抑制するためには、各孔部が半導体層と基板との界面まで達しないように、即ち、各孔部が半導体層の上面と下面との中間点まで延びるように、陽極酸化法によって半導体層に多孔質構造を形成する方法が考えられる。しかしながら、このようは方法を採用した場合、半導体層に設けた２つの電極（例えば、ソース電極とドレイン電極）の間に流れる検知電流は、孔部が延びていない半導体層の下部にも流れてしまうため、その分センサの感度が低下してしまう。このような理由により、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが困難であるという問題がある。
【００１４】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、製造コストが低いと共に、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが可能なセンサ、及び、このようなセンサの製造方法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】
【００１５】
上述の課題を解決するため、本発明に係るセンサは、電界効果トランジスタ型のセンサであって、第１導電型半導体基板と、第１導電型半導体基板の主面上に設けられた第２導電型半導体領域と、第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられたソース電極と、ソース電極と離間するように第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられたドレイン電極と、第１導電型半導体基板の裏面上に設けられたバックゲート電極とを備え、第１導電型半導体基板と第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は、ソース電極及びドレイン電極によって覆われておらず、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部には、複数の孔部が形成されており、複数の孔部は、それぞれ、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っておらず、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部及び複数の孔部の側面は、オープンゲートを構成していることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るセンサにおいては、感応面となるオープンゲートは、複数の孔部の側面を含んでいるために、表面積が大きくなる。そのため、センサの感度を高くすることができる。
【００１７】
また、本発明に係るセンサにおいては、導電性を有する第１導電型半導体基板上に、第２導電型半導体領域が設けられ、第２導電型半導体領域に複数の孔部が形成されている。そのため、第１導電型半導体基板上に均一な第２導電型半導体領域を形成した後に、第１導電型半導体基板を電極として用いた方法によって、第２導電型半導体領域に複数の孔部を形成することができる。これにより、複数の孔部を有する第２導電型半導体領域を基板上に形成した後に、当該基板と第２導電型半導体領域とを分離し、別の基板に第２導電型半導体領域を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００１８】
また、本発明に係るセンサにおいては、複数の孔部は、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っていないため、複数の孔部を形成する際に、各孔部の深さのばらつきを抑制することができる。
【００１９】
また、本発明に係るセンサは、第１導電型半導体基板と第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、第１導電型半導体基板の裏面上にバックゲート電極を備えている。そのため、バックゲート電極によって当該ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部に空乏層を形成することができる。これにより、測定中に、ソース電極からドレイン電極に流れる検知電流が、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部を経由することを抑制することができるため、複数の孔部が第１導電型半導体基板に至っていないことに起因するセンサの感度の低下を防止することができる。
【００２０】
以上のような理由により、本発明に係るセンサによれば、製造コストを低くすることが可能であると共に、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが可能となる。
【００２１】
さらに、本発明に係るセンサにおいて、複数の孔部は、バックゲート電極を陽極電極として用いた陽極酸化法によって形成されていることが好ましい。これにより、複数の孔部を直線的に形成することができ、また、各孔部の直径のばらつきを低減させることができる。
【００２２】
また、上述の課題を解決するため、本発明に係るセンサの製造方法は、電界効果トランジスタ型のセンサの製造方法であって、第１導電型半導体基板の主面上に、当該第１導電型半導体基板とｐｎ接合を構成する第２導電型半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、第１導電型半導体基板の裏面上にバックゲート電極を形成するバックゲート電極形成工程と、第２導電型半導体領域に、複数の孔部を形成する孔部形成工程と、第２導電型半導体領域の上面又は側面に互いに離間するソース電極及びドレイン電極を形成し、その際、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部はソース電極及びドレイン電極によって覆われていないようにするソース・ドレイン電極形成工程とを備え、孔部形成工程は、第１導電型半導体基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、第２導電型半導体領域に、当該第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びる複数の孔部であって、第１導電型半導体基板には至っていない複数の孔部を形成する陽極酸化工程を含むことを特徴とする。
【００２３】
本発明に係るセンサの製造方法においては、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部を覆わないように、ソース電極及び前記ドレイン電極が形成される。そのため、第２導電型半導体領域の上面の上記少なくとも一部は、オープンゲートの一部を構成すると共に、複数の孔部の側面は、オープンゲートの他の一部となる。そのため、感度の高いセンサが得られる。
【００２４】
また、本発明に係るセンサの製造方法は、導電性を有する第１導電型半導体基板上に第２導電型半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、第２導電型半導体領域に、複数の孔部を形成する孔部形成工程とを備え、孔部形成工程は、第１導電型半導体基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、第２導電型半導体領域に複数の孔部を形成する陽極酸化工程を含んでいる。そのため、複数の孔部を有する第２導電型半導体領域を基板上に形成した後に、当該基板と第２導電型半導体領域とを分離し、別の基板に第２導電型半導体領域を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００２５】
また、本発明に係るセンサの製造方法では、陽極酸化工程において形成される複数の孔部は、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っていない。そのため、各孔部の深さのばらつきを抑制することができる。
【００２６】
また、本発明に係るセンサの製造方法では、半導体領域形成工程において、第１導電型半導体基板とｐｎ接合を構成する第２導電型半導体領域を形成し、また、バックゲート電極形成工程において、第１導電型半導体基板の裏面上にバックゲート電極を形成している。そのため、バックゲート電極によって当該ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部に空乏層を形成することができる。これにより、測定中に、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部に検知電流が流れることを抑制することができるため、複数の孔部が第１導電型半導体基板に至っていないことに起因する感度の低下を防止することが可能なセンサを得ることができる。
【００２７】
以上のような理由により、本発明に係るセンサの製造方法によれば、製造コストが低いと共に、特性のばらつきを抑制しながら、感度を向上させることが可能なセンサを得ることができる。
【００２８】
さらに、本発明に係るセンサの製造方法において、孔部形成工程は、陽極酸化工程の前に、第２導電型半導体領域の上面に、複数の開口を有するマスクを形成するマスク形成工程をさらに含むことが好ましい。これにより、第２導電型半導体領域に複数の開口を容易に形成することができる。
【００２９】
また、上述の課題を解決するため、本発明に係る他の態様のセンサは、第１導電型半導体基板と、第１導電型半導体基板の主面上に設けられた第２導電型半導体領域と、第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられた第１電極と、第１電極と離間するように第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられた第２電極と、第１導電型半導体基板の裏面上に設けられた第３電極とを備え、第１導電型半導体基板と第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は、第１電極及び第２電極によって覆われておらず、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部には、複数の孔部が形成されており、複数の孔部は、それぞれ、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っておらず、第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部及び複数の孔部の側面は、測定対象を作用させる感応面を構成しており、測定対象が感応面に作用することにより、第２導電型半導体領域の電気伝導度が変化することを特徴とする。
【００３０】
本発明に係る他の態様のセンサにおいては、感応面は、複数の孔部の側面を含んでいるために、表面積が大きくなる。そのため、センサの感度を高くすることができる。
【００３１】
また、本発明に係る他の態様のセンサにおいては、導電性を有する第１導電型半導体基板上に、第２導電型半導体領域が設けられ、第２導電型半導体領域に複数の孔部が形成されている。そのため、第１導電型半導体基板上に均一な第２導電型半導体領域を形成した後に、第１導電型半導体基板を電極として用いた方法によって、第２導電型半導体領域に複数の孔部を形成することができる。これにより、複数の孔部を有する第２導電型半導体領域を基板上に形成した後に、当該基板と第２導電型半導体領域とを分離し、別の基板に第２導電型半導体領域を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００３２】
また、本発明に係る他の態様のセンサにおいては、複数の孔部は、第２導電型半導体領域の上面から第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、第１導電型半導体基板には至っていないため、複数の孔部を形成する際に、各孔部の深さのばらつきを抑制することができる。
【００３３】
また、本発明に係る他の態様のセンサは、第１導電型半導体基板と第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、第１導電型半導体基板の裏面上に第３電極を備えている。そのため、第３電極によって当該ｐｎ接合に逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部に空乏層を形成することができる。これにより、測定中に、第１電極から第２電極に流れる検知電流が、複数の孔部が延びていない第２導電型半導体領域の下部を経由することを抑制することができるため、複数の孔部が第１導電型半導体基板に至っていないことに起因するセンサの感度の低下を防止することができる。
【００３４】
以上のような理由により、本発明に係るセンサによれば、製造コストを低くすることが可能であると共に、特性のばらつきを抑制しながら、感度を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、製造コストが低いと共に、センサの特性のばらつきを抑制しながら、センサの感度を向上させることが可能なセンサ、及び、このようなセンサの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態のセンサを示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の半導体領域の断面図である。
【図３】第１実施形態のセンサの断面図である。
【図４】第１実施形態のセンサの断面図である。
【図５】第１実施形態の半導体領域の断面図である。
【図６】第１実施形態のセンサの断面図である。
【図７】第１実施形態の半導体領域の断面図である。
【図８】第１実施形態のセンサの断面図である。
【図９】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１０】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１１】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１２】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１３】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１４】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１５】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１６】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１７】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１８】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図１９】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図２０】第１実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図及び断面図である。
【図２１】第２実施形態のセンサの断面図である。
【図２２】実施例１のソース・ドレイン電流（ＩＤＳ）の時間変化を示す図である。
【図２３】実施例１のソース・ドレイン電流の変化量（ΔＩＤＳ）とｐＨ値との関係を示す図である。
【図２４】比較例１と実施例１の電解液に対する感度（μＡ／ｐＨ）を示す図である。
【図２５】第１実施形態の変形例のセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、実施の形態に係るセンサ及びセンサの製造方法について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００３８】
（第１実施形態）
第１実施形態のセンサとして、電界効果トランジスタ型のセンサについて説明する。図１は、本実施形態のセンサを示す斜視図である。
【００３９】
図１に示すように、本実施形態のセンサ１は、半導体基板３と、半導体領域５と、ソース電極７と、ドレイン電極９と、バックゲート電極１１と、を備えている。なお、図１においては、直交座標系Ｓが示されており、図２以降の各図においても、必要に応じて直交座標系Ｓが示されている。
【００４０】
半導体基板３は、第１導電型（例えば、ｐ型）の半導体材料からなる基板である。本実施形態においては、半導体基板３は矩形状の基板である。半導体基板３を構成する半導体材料としては、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＳｂ等のIII-V族半導体、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ等のII-VI族半導体、ＳｉＣ等のIV-IV族半導体、Ｓｉ、Ｇｅ等の単元素半導体、又は、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３等の酸化物半導体や、これらの混晶材料からなる。そして、半導体基板３には、第１導電型の不純物がドープされている。なお、図１の直交座標系Ｓにおいては、半導体基板３の主面３ｍの長辺方向にＸ軸を設定し、半導体基板３の主面３ｍの短辺方向にＹ軸を設定し、半導体基板３の主面３ｍと垂直な方向にＺ軸を設定している。
【００４１】
半導体領域５は、半導体基板３の主面３ｍ上に設けられている。半導体領域５は、第２導電型（例えば第１導電型がｐ型の場合、ｎ型）の半導体材料からなる半導体領域である。半導体領域５は、本実施形態においては、半導体基板３の主面３ｍ上に積層された層状の領域である。即ち、センサ１の積層方向は、Ｚ軸方向である。そして、半導体基板３と半導体領域５とは、ｐｎ接合Ｊを構成している。
【００４２】
半導体領域５を構成する材料としては、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＳｂ等のIII-V族半導体、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ等のII-VI族半導体、ＳｉＣ等のIV-IV族半導体、Ｓｉ、Ｇｅ等の単元素半導体、又は、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３等の酸化物半導体や、これらの混晶材料からなる。そして、半導体領域５には、第２導電型の不純物がドープされている。
【００４３】
ソース電極７は、半導体領域５の上面５ｕの一部上に設けられている。本実施形態においては、ソース電極７は、半導体領域５の上面５ｕの−Ｘ軸方向の外縁に接するように設けられている。ソース電極７は、金属等の導電性材料からなる。例えば、半導体領域５がn型のIII-V族半導体からなる場合、ソース電極７は、Ｇｅ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属からなることが好ましい。ソース電極７は半導体領域５とオーミック接触していることが好ましい。
【００４４】
ドレイン電極９は、半導体領域５の上面５ｕの他の一部上に設けられている。これにより、本実施形態の半導体領域５は多孔質構造となっている。本実施形態においては、ドレイン電極９は、半導体領域５の上面５ｕのＸ軸方向の外縁に接するように設けられている。ドレイン電極９は、金属等の導電性材料からなる。例えば、半導体領域５がn型のIII-V族半導体からなる場合、ドレイン電極９は、Ｇｅ、Ａｕ、Ｎｉ等の金属からなることが好ましい。ドレイン電極９は半導体領域５とオーミック接触していることが好ましい。
【００４５】
半導体領域５の上面５ｕの一部５ｅは、Ｚ方向から見て、ソース電極７及びドレイン電極９によって覆われていない。即ち、本実施形態においては、半導体領域５の上面５ｕ上において、ソース電極７とドレイン電極９は、Ｘ軸方向に互いに離間するように設けられている。そのため、本実施形態においては、半導体領域５の上面５ｕの一部５ｅは、露出している。
【００４６】
また、半導体領域５の上面５ｕには、複数の孔部１５が形成されている。詳細は後述するように、複数の孔部１５は、それぞれ、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びているが、半導体基板３には達していない。
【００４７】
バックゲート電極１１は、半導体基板３の裏面３ｂ上に設けられている。そのため、バックゲート電極１１は、半導体基板３を介して半導体領域５と対向している。バックゲート電極１１は、金属等の導電性材料からなる。例えば、半導体基板３がp型のIII-V族半導体からなる場合、バックゲート電極１１は、Ａｕ、Ｚｎ、Ｎｉ等の金属からなることが好ましい。バックゲート電極１１は、半導体基板３とオーミック接触していることが好ましい。
【００４８】
次に、半導体領域５の構成について、詳細に説明する。図２は、Ｚ軸と垂直な面で切断したときの半導体領域の断面図であり、図３は、Ｙ軸と垂直な面で切断したときのセンサの断面図である。また、図３においては、センサの電気回路構成も示している。
【００４９】
図２に示すように、複数の孔部１５は、Ｚ軸方向から見て、六方格子状に配列している。複数の孔部１５の配列の態様は、Ｚ軸方向から見て、正方格子状、直方格子状、菱形格子状、又は、平行四辺形格子状であってもよく、また、ランダムであってもよい。各孔部１５のＺ軸と垂直な面での切断形状は、本実施形態では円形であるが、楕円形や、矩形等の多角形であってもよい。
【００５０】
半導体領域５のうち、複数の孔部１５の側面１５ｓの周辺には、空乏層５ｄが形成されている。空乏層５ｄの厚さ（ＸＹ面における厚さ）は、孔部１５の側面１５ｓの表面電位に対応して変化する。
【００５１】
また、図３に示すように、複数の孔部１５は、それぞれ、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びているが、半導体基板３には達していない。即ち、半導体領域５は、複数の孔部１５が形成された孔部形成領域５ａと、複数の孔部１５が形成されていない孔部非形成領域５ｂと、を有している。孔部非形成領域５ｂは、半導体基板３と孔部形成領域５ａとの間に位置する。
【００５２】
半導体領域５のＺ軸方向の厚さは、例えば、０．１μｍ以上、１００μｍ以下とすることができる。各孔部１５のＺ軸方向の深さは、例えば、０．１μｍ以上、１００μｍ以下とすることができる。各孔部１５の直径（各孔部１５のＺ軸と垂直な面での断面の直径）は、例えば、０．１ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下とすることができる。なお、各孔部１５の直径は、測定対象物が孔部１５内に侵入可能な大きさに設定される。また、測定対象物以外の不要物が各孔部１５内に侵入しないように、各孔部１５の直径を設定することもできる。
【００５３】
また、半導体領域５の上面５ｕのうちの一部５ｅ（上面５ｕのうち、Ｚ方向から見て、ソース電極７及びドレイン電極９によって覆われていない部分）と、複数の孔部１５の側面１５ｓとで、オープンゲート５ｇを構成している。オープンゲート５ｇは、測定対象に対する感応面として機能する。
【００５４】
オープンゲート５ｇの大きさは、特に制限されないが、オープンゲート５ｇのＸ軸に沿った方向の長さ（ゲート長）は、例えば、１μｍ以上、５０００μｍ以下とすることができ、オープンゲート５ｇのＹ軸に沿った方向の長さ（ゲート幅）は、例えば、１μｍ以上、５０００μｍ以下とすることができる。
【００５５】
また、図３に示すように、ソース電極７とドレイン電極９との間には、スイッチＳＷ１を介して電源２１が電気的に接続されている。電源２１は、ソース電極７からドレイン電極９へ検知電流を流すための電源である。また、バックゲート電極１１とソース電極７との間には、スイッチＳＷ２を介して電源２３が電気的に接続されている。電源２３は、バックゲート電極１１及びソース電極７を介して、半導体基板３と半導体領域５との間に電圧を印加するための電源である。また、ソース電極７は、グラウンドに電気的に接続されている。図３は、非測定状態におけるセンサ１の電気回路構成を示しており、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２はオフとなっている。
【００５６】
次に、センサ１による測定原理について説明する。図４及び図６は、Ｙ軸と垂直な面で切断したときのセンサの断面図であり、図５及び図７は、Ｚ軸と垂直な面で切断したときの半導体領域の断面図である。図４及び図６は、測定状態におけるセンサ１の電気回路構成も示している。また、図４及び図５は、測定対象物がセンサに作用する前の状態を示した図であり、図６及び図７は、測定対象物がセンサに作用した後の状態を示した図である。
【００５７】
まず、測定対象物がセンサに作用する前の状態とセンサに作用した後の状態とで共通する事項について説明する。
【００５８】
図４及び図６に示すように、センサ１によって測定を行う際には、まず、スイッチＳＷ２をオンにし、電源２３によってバックゲート電極１１とソース電極７との間に電圧を印加する。この際、半導体基板３と半導体領域５との間のｐｎ接合Ｊに、逆電圧が印加されるようにする。例えば、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型である場合、即ち、半導体基板３がｐ型半導体からなり、半導体領域５がｎ型半導体からなる場合、ソース電極７が正電圧、バックゲート電極１１が負電圧となるように（半導体領域５が正電圧、半導体基板３が負電圧となるように）、電源２３によって印加する電圧の極性を選択する。
【００５９】
これにより、半導体領域５の孔部非形成領域５ｂには、空乏層５ｂｄが形成される。図４及び図６に示すように、半導体領域５の孔部非形成領域５ｂの略全てが空乏層５ｂｄとなるように、即ち、空乏層５ｂｄが複数の孔部１５の底部に達するように、電源２３によってｐｎ接合Ｊに印加する逆電圧の大きさを調節することが好ましい。後述のように、検知電流３０が半導体領域５の孔部非形成領域５ｂを流れなくなるため、センサ１の測定感度が向上するためである。
【００６０】
続いて、図４及び図６に示すように、スイッチＳＷ１をオンにし、電源２１によって半導体領域５内に検知電流３０を流す。検知電流３０は、ソース電極７から半導体領域５を経由してドレイン電極９に至る。図４及び図６に示すように半導体領域５の孔部非形成領域５ｂの略全てが空乏層５ｂｄとなっている場合、検知電流３０は半導体領域５の孔部非形成領域５ｂ内は殆ど流れず、検知電流３０の大部分は半導体領域５の孔部形成領域５ａ内を流れる。
【００６１】
図５及び図７に示すように、検知電流３０は半導体領域５の空乏層５ｄ内を流れることができない。そのため、検知電流３０は、複数の孔部１５の周りの空乏層５ｄによって規定される半導体領域５内の経路に沿って、ソース電極７からドレイン電極９まで流れる。
【００６２】
続いて、測定対象物がセンサに作用する前の状態とセンサに作用した後の状態とで異なる事項について説明する。
【００６３】
図４及び図５に示すように、測定対象物がセンサ１に作用する前の状態においては、半導体領域５の空乏層５ｄは、基準となる厚さを有している。そのため、図５に示すように、複数の孔部１５の周りの空乏層５ｄによって規定される半導体領域５内の経路は基準となる広さを有しており、ソース電極７とドレイン電極９間における半導体領域５の電気伝導度も、基準となる値となっている。そのため、ソース電極７からドレイン電極９まで流れる検知電流３０は、基準となる電流値となっている。
【００６４】
続いて、図６及び図７に示すように、測定対象物２７がセンサ１に作用した後の状態においては、測定対象物２７は、オープンゲート５ｇ（半導体領域５の上面５ｕのうちの一部５ｅ、及び、複数の孔部１５の側面１５ｓ）に、吸着等によって接触する。これにより、オープンゲート５ｇの表面電位が変化する。そして、この表面電位の変化に起因して、半導体領域５の空乏層５ｄの厚さは、測定対象物２７が存在しない場合の空乏層５ｄの厚さ（図４及び図５参照）から変化する。例えば、図６及び図７に示すように、測定対象物２７がオープンゲート５ｇに吸着等によって接触することによって、半導体領域５の空乏層５ｄの厚さが厚く変化する。
【００６５】
これにより、図７に示すように、複数の孔部１５の周りの空乏層５ｄによって規定される半導体領域５内の経路は狭くなるため、ソース電極７とドレイン電極９間における半導体領域５の電気伝導度は、基準となる値よりも小さくなる。この測定対象物２７がセンサ１に作用する前後の半導体領域５の電気伝導度の変化量は、センサ１に作用した測定対象物２７の濃度に対応する。そのため、半導体領域５の電気伝導度の変化量を測定すれば、測定対象物２７の濃度を測定することができる。
【００６６】
半導体領域５の電気伝導度の変化量は、例えば、電源２１によってソース電極７とドレイン電極９間に印加する電圧値を一定に保った状態で、測定対象物２７をセンサ１に作用させることにより測定することができる。即ち、このような状態で測定対象物２７をセンサ１に作用させると、図７に示すように、ソース電極７とドレイン電極９間における半導体領域５の電気伝導度が基準となる値よりも小さくなるため、検知電流３０は、基準となる電流値よりも小さくなっている。この検知電流３０の電流値の変化量は、半導体領域５の電気伝導度に対応して決まるため、測定対象物２７をセンサ１に作用させる前後の検知電流３０の電流値の変化量を測定すれば、測定対象物２７の濃度を測定することができる。
【００６７】
測定対象物２７は、オープンゲート５ｇに接触することにより、オープンゲート５ｇの表面電位を変化させるものである。具体的には、測定対象物２７は、水素イオン、アンモニウムイオンやリン酸イオン等のイオン、水素、ＮＯｘやＣＯｘ等のガス、血中成分やDNA等の生体物質等である。そのため、本実施形態のセンサ１は、ｐＨセンサ等のイオンセンサ、ガスセンサ、及び、バイオセンサ等として使用することができる。
【００６８】
上述のような本実施形態に係るセンサ１によれば、感応面となるオープンゲート５ｇは、複数の孔部１５の側面１５ｓを含んでいるために、表面積が大きくなる（図３、図４、及び、図６参照）。そのため、センサ１の感度を高くすることができる。特に本実施形態のセンサ１では、測定対象物２７がセンサ１に作用すると、複数の孔部１５の周りの空乏層５ｄは、Ｚ軸と垂直な断面において２次元的に広がるため、ソース電極７とドレイン電極９間における半導体領域５の電気伝導度が大きく変化する（図５及び図７参照）。そのため、センサ１の測定感度は非常に高くなる。
【００６９】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１においては、導電性を有する第１導電型の半導体基板３上に、第２導電型の半導体領域５が設けられ、この半導体領域５に複数の孔部１５が形成されている（図１、図３、図４及び図６参照）。そのため、半導体基板３上に均一な半導体領域５を形成した後に、半導体基板３を電極として用いた方法によって、半導体領域５に複数の孔部１５を形成することができる。これにより、複数の孔部１５を有する半導体領域５を基板上に形成した後に、当該基板と半導体領域５とを分離し、別の基板に半導体領域５を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００７０】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１においては、複数の孔部１５は、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っていない（図３、図４及び図６参照）。そのため、複数の孔部１５を形成する際に、各孔部１５の深さのばらつきを抑制することができる。
【００７１】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１においては、半導体基板３と半導体領域５とはｐｎ接合Ｊを構成し、センサ１は半導体基板３の裏面３ｂ上にバックゲート電極１１を備えている（図１、図３、図４及び図６参照）。そのため、バックゲート電極１１によって当該ｐｎ接合Ｊに逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂに空乏層５ｂｄを形成することができる（図４及び図６参照）。これにより、測定中に、ソース電極７からドレイン電極９に流れる検知電流３０が、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂを経由することを抑制することができるため、複数の孔部１５が半導体基板３に至っていないことに起因するセンサ１の感度の低下を防止することができる。
【００７２】
以上のような理由により、本実施形態に係るセンサ１によれば、製造コストを低くすることが可能であると共に、センサ１の特性のばらつきを抑制しながら、センサ１の感度を向上させることが可能となる。
【００７３】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１において、複数の孔部１５は、バックゲート電極１１を陽極電極として用いた陽極酸化法によって形成されていることが好ましい。これにより、複数の孔部１５を直線的に形成することができ、また、各孔部１５の直径のばらつきを低減させることができる。その結果、センサ１の特性のばらつきを抑制することができる。
【００７４】
また、上述のような本実施形態のセンサ１においては、測定の際、半導体領域５の孔部非形成領域５ｂの略全てが空乏層５ｂｄとなるように、電源２３によってｐｎ接合Ｊに逆電圧をｐ印加しているが（図４及び図６参照）、図８に示すように、孔部非形成領域５ｂのうちの下層部のみに空乏層５ｂｄを形成し、孔部非形成領域５ｂのうちの上層部５ｂｎには空乏層を形成しないように、電源２３によってｐｎ接合Ｊに印加する電圧の大きさを調節することができる。この場合、検知電流３０の一部は、孔部非形成領域５ｂの上層部５ｂｎにも流れるため、センサ１の感度が低下する。即ち、本実施形態のセンサ１においては、電源２３によってｐｎ接合Ｊに印加する電圧の大きさを調節することにより、センサ１の感度を調節することが可能である。これにより、例えば、複数のセンサ１によってセンサアレイを構成した場合、各センサ１の感度の大きさを調節することによって、各センサ１間の感度のばらつきを抑制することが可能となる。
【００７５】
次に、本実施形態のセンサの製造方法について、図９〜図２０を参照しながら説明する。図９〜図２０の（Ａ）は、本実施形態のセンサの製造方法を説明するための平面図であり、図９〜図２０の（Ｂ）は、本実施形態のセンサの製造方法を説明するための断面図である。
【００７６】
本実施形態のセンサの製造方法は、半導体領域形成工程と、バックゲート電極形成工程と、孔部形成工程と、ソース・ドレイン電極形成工程と、を備えている。
【００７７】
（半導体領域形成工程及びバックゲート電極形成工程）
これらの工程においては、まず、図９に示すように、第１導電型の半導体基板３を準備する。そして、半導体基板３の主面３ｍ上に、分子線エピタキシ法、有機金属気相成長法、液相成長法等によって、第２導電型の半導体領域５を結晶成長させる。又は、第１導電型の半導体基板を準備し、当該半導体基板の主面の少なくとも一部を含む領域に、第２導電型の不純物をドープしてもよい。この場合、当該半導体基板の当該不純物がドープされた領域が半導体領域５となり、当該半導体基板の当該不純物がドープされていない領域が半導体基板３となる。半導体基板３と半導体領域５は、ｐｎ接合Ｊを構成するようにする。半導体領域５の厚さは、例えば、５μｍとすることができる。
【００７８】
その後、半導体基板３の裏面３ｂ上に、真空蒸着法、スパッタリング法、及び、電着法等によって、バックゲート電極１１を形成する。バックゲート電極１１を形成した後に、バックゲート電極１１に３００℃〜５００℃程度の熱処理を施してもよい。
【００７９】
（孔部形成工程）
孔部形成工程は、マスク形成工程と、陽極酸化工程と、を含んでいる。
【００８０】
（マスク形成工程）
マスク形成工程においては、図１０に示すように、半導体領域５の上面５ｕに、複数の開口３３ｈを有するマスク３３を形成する。マスク３３は、例えば、絶縁材料からなる。開口３３ｈは、マスク３３の厚さ方向に延びている。
【００８１】
（陽極酸化工程）
陽極酸化工程においては、マスク３３で覆われた半導体領域５を電解液の中にひたす。半導体領域５がｎ型のＩｎＰからなる場合、電解液としては、例えば、１ｍｏｌ／Ｌの塩酸に少量の硝酸を加えた溶液を用いることができる。そして、マスク３３の上方に白金等の金属からなる電極板を、半導体領域５と対応するように設ける。そして、半導体基板３を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、半導体領域５をエッチングする。具体的には、バックゲート電極１１と電極板間に、半導体基板３が陽極となるように電圧を印加し、陽極電流を流す。これにより、半導体領域５のマスク３３によってマスクされていない領域をエッチングする。半導体領域５がｎ型のＩｎＰからなる場合、バックゲート電極１１と電極板間に印加する電圧は、例えば、６Ｖ〜７Ｖとすることができ、この電圧の印加時間は、例えば、５秒間とすることができる。
【００８２】
このようにして、図１１に示すように、半導体領域５に、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っていない複数の孔部１５を形成する。複数の開口３３ｈを有するマスク３３を用いることにより、半導体領域５に複数の孔部１５を容易に形成することができる。
【００８３】
なお、孔部形成工程においては、マスク形成工程を省略し、陽極酸化工程において、半導体領域５に複数の孔部１５を自己組織化形成してもよい。即ち、マスク３３を用いずに、半導体領域５を適切な条件下で陽極酸化法によってエッチングすることにより、所定の態様（例えば、六方格子状）で配列した複数の孔部１５を自己組織化的に形成することもできる。
【００８４】
（ソース・ドレイン電極形成工程）
その後、図１２に示すように、半導体領域５上に、酸化シリコンや窒化シリコン等からなる絶縁物層３５を形成する。
【００８５】
続いて、図１３に示すように、絶縁物層３５の上面のうち、ソース電極及びドレイン電極を形成予定面以外の部分を、フォトレジスト層３７で覆う。
【００８６】
そして、図１４に示すように、フォトレジスト層３７をマスクとして用いて絶縁物層３５をエッチングすることにより、半導体領域５の上面５ｕの一部を露出させる。
【００８７】
続いて、図１５に示すように、半導体領域５及びフォトレジスト層３７上に、真空蒸着法等によって、金属層３９を形成する。金属層３９を形成後、金属層３９に３００℃〜５００℃程度の熱処理を施してもよい。
【００８８】
そして、図１６に示すように、フォトレジスト層３７を除去（リフトオフ）する。
【００８９】
次に、図１７に示すように、オープンゲート形成予定領域に開口４１ｈを有し、絶縁物層３５、ソース電極７及びドレイン電極９の一部を覆うフォトレジスト層４１を形成する。
【００９０】
続いて、図１８に示すように、開口４１ｈの下部の絶縁物層３５をエッチングすることにより、半導体領域５の上面５ｕの一部を露出させる。このようにして、ソース電極７及びドレイン電極９が形成される。半導体領域５の上面５ｕのうちの一部５ｅは、Ｚ軸方向から見て、ソース電極７及びドレイン電極９に覆われていない。そして、半導体領域５の上面５ｕのうちの一部５ｅと、複数の孔部１５の側面１５ｓとで、感応面であるオープンゲート５ｇが形成される。
【００９１】
その後、図１９に示すように、半導体基板３を主面３ｍと垂直な面で切断することにより、図２０に示すように、複数のセンサ１が完成する。なお、半導体基板３を主面３ｍと垂直な面で切断する代わりに、各センサ１となる各領域間に半導体基板３の厚さ方向の中間部に至るストライプ溝を形成する等の方法によって、各センサ１となる各領域間を電気的に分離する（素子間分離する）ことにより、複数のセンサ１を完成させることもできる。
【００９２】
上述のような本実施形態に係るセンサの製造方法においては、半導体領域５の上面５ｕの一部５ｅは、オープンゲート５ｇの一部を構成すると共に、複数の孔部１５の側面１５ｓは、オープンゲート５ｇの他の一部となる（図１８参照）。そのため、感度の高いセンサ１が得られる。
【００９３】
また、上述のような本実施形態に係るセンサの製造方法は、導電性を有する第１導電型の半導体基板３上に第２導電型の半導体領域５を形成する半導体領域形成工程と、半導体領域５に、複数の孔部１５を形成する孔部形成工程とを備え、孔部形成工程は、半導体基板３を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、半導体領域５に複数の孔部１５を形成する陽極酸化工程を含んでいる（図９〜図１１参照）。そのため、複数の孔部１５を有する半導体領域５を基板上に形成した後に、当該基板と半導体領域５とを分離し、別の基板に半導体領域５を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【００９４】
また、上述のような本実施形態に係るセンサの製造方法では、陽極酸化工程において形成される複数の孔部１５は、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っていない（図１１参照）。そのため、各孔部１５の深さのばらつきを抑制することができる。
【００９５】
また、上述のような本実施形態に係るセンサの製造方法では、半導体領域形成工程において、半導体基板３とｐｎ接合Ｊを構成する半導体領域５を形成し、また、バックゲート電極形成工程において、半導体基板３の裏面３ｂ上にバックゲート電極１１を形成している（図９参照）。そのため、バックゲート電極１１によって当該ｐｎ接合Ｊに逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂに上層部５ｂｎを形成することができる（図４及び図６参照）。これにより、測定中に、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の下部に検知電流３０が流れることを抑制することができるため、複数の孔部１５が半導体基板３に至っていないことに起因する感度の低下を防止することが可能なセンサ１を得ることができる（図５及び図７参照）。
【００９６】
以上のような理由により、本実施形態に係るセンサの製造方法によれば、製造コストが低いと共に、特性のばらつきを抑制しながら、感度を向上させることが可能なセンサ１を得ることができる。
【００９７】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態のセンサについて説明する。本実施形態の説明においては、図面において第１実施形態と同一の要素には同一の符号を付すことにより、その要素の説明を省略する場合がある。
【００９８】
図２１はＹ軸と垂直な面で切断したときの本実施形態のセンサの断面図である。図２１に示すように、本実施形態のセンサ１ｘは、第１実施形態のセンサ１のソース電極７、ドレイン電極９、バックゲート電極１１、及び、オープンゲート５ｇの代わりに、第１電極７ｘ、第２電極９ｘ、第３電極１１ｘ、及び、感応面５ｇｘを備えている。本実施形態の第１電極７ｘ、第２電極９ｘ、第３電極１１ｘ、及び、感応面５ｇｘは、それぞれ、第１実施形態のソース電極７、ドレイン電極９、バックゲート電極１１、及び、オープンゲート５ｇと同様の構成を有している。
【００９９】
また、本実施形態のセンサ１ｘの半導体領域５は、測定対象２７ｘが感応面５ｇｘに作用することにより、電気伝導度が変化する。測定対象２７ｘとしては、例えば、磁気や光を挙げることができる。測定対象２７ｘが磁気である場合、測定対象２７ｘに対しサイクロン運動する半導体領域５内の電子（又は正孔）の運動や位相変調を受けた電子（又は正孔）の干渉現象によって、半導体領域５の孔部形成領域５ａの電気伝導度が変化する。
【０１００】
また、測定対象２７ｘが光である場合、測定対象２７ｘによって半導体領域５内に電子−正孔対に起因する光電流が発生するため、半導体領域５の孔部形成領域５ａの電気伝導度が変化する。
【０１０１】
そのため、本実施形態のセンサ１ｘは、磁気センサや光センサ等として使用することができる。
【０１０２】
上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘにおいては、感応面５ｇｘは、複数の孔部１５の側面１５ｓを含んでいるために、表面積が大きくなる。そのため、感応面５ｇｘは測定対象２７ｘの作用を受けやすくなるため、センサ１ｘの感度を高くすることができる。
【０１０３】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘにおいては、導電性を有する第１導電型の半導体基板３上に、半導体領域５が設けられ、第２導電型の半導体領域５に複数の孔部１５が形成されている。そのため、半導体基板３上に均一な半導体領域５を形成した後に、半導体基板３を電極として用いた方法によって、半導体領域５に複数の孔部１５を形成することができる。これにより、複数の孔部１５を有する半導体領域５を基板上に形成した後に、当該基板と半導体領域５とを分離し、別の基板に半導体領域５を固定する必要はないため、製造コストを低くすることができる。
【０１０４】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘにおいては、複数の孔部１５は、半導体領域５の上面５ｕから半導体基板３に向かって延びると共に、半導体基板３には至っていないため、複数の孔部１５を形成する際に、各孔部１５の深さのばらつきを抑制することができる。
【０１０５】
また、上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘは、半導体基板３と半導体領域５とはｐｎ接合Ｊを構成し、半導体基板３の裏面３ｂ上に第３電極１１ｘを備えている。そのため、第３電極１１ｘによって当該ｐｎ接合Ｊに逆バイアス電圧を印加すれば、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂに空乏層５ｂｄを形成することができる。これにより、測定中に、第１電極７ｘから第２電極９ｘに流れる検知電流が、複数の孔部１５が延びていない半導体領域５の孔部非形成領域５ｂを経由することを抑制することができるため、複数の孔部１５が半導体基板３に至っていないことに起因するセンサの感度の低下を防止することができる。
【０１０６】
以上のような理由により、上述のような本実施形態に係るセンサ１ｘによれば、製造コストを低くすることが可能であると共に、特性のばらつきを抑制しながら、感度を向上させることが可能となる。
【０１０７】
（実施例）
以下、本発明の効果をより一層明らかなものとするため、実施例および比較例を用いて説明する。
【０１０８】
第１実施形態のセンサ１に対応するセンサを実施例１とした。この実施例１のセンサをｐＨセンサとして用いた場合の特性を評価した。具体的には、実施例１のセンサを、０．１ｍｏｌ／Ｌの塩化カリウム溶液からなる電解液中に浸した。ソース電極７とドレイン電極９との間に０．５Ｖの電圧を印加し、ｐｎ接合Ｊに逆電圧を印加するように、ソース電極７とバックゲート電極１１との間にバックゲート電圧（ＶＢＧ）を印加した。バックゲート電圧（ＶＢＧ）の大きさは、０Ｖ、−１．０Ｖ、及び、−１．５Ｖの３種類とした。そのような状態で、電解液中に一定時間ごとに所定量の希釈塩酸溶液を滴下し、電解液のｐＨ値を減少させ、その際の実施例１のソース電極７とドレイン電極９との間に流れるソース・ドレイン電流（ＩＤＳ）の変化を測定した。
【０１０９】
図２２は、上記特性評価によって得られた実施例１のソース・ドレイン電流（ＩＤＳ）の時間変化を示す図である。図２２において、測定値の上又は下に、その時点での電解液のｐＨ値を示している。
【０１１０】
図２２に示されるように、時間の経過と共に電解液のｐＨ値が減少すると、それに応答してソース・ドレイン電流（ＩＤＳ）が増加した。これは、ｐＨ値の変化によって、半導体領域５の空乏層５ｄの厚さが減少したことを示している。
【０１１１】
また、図２３は、上記特性評価によって得られた実施例１のソース・ドレイン電流の変化量（ΔＩＤＳ）とｐＨ値との関係を示す図である。図２３に示されるように、実施例１においてバックゲート電圧（ＶＢＧ）が増加すると、センサの感度（ｐＨ値の変化に対するソース・ドレイン電流の変化の大きさ）が増加することがわかった。
【０１１２】
次に、比較例１及び実施例１の電解液に対する感度の比較を行った。比較例１は、半導体領域５が複数の孔部１５を有していない点、及び、バックゲート電極１１を備えていない点以外は、実施例１と同一の構造のセンサとした。
【０１１３】
図２４は、比較例１と実施例１の電解液に対する感度（μＡ／ｐＨ）を示す図である。図２３に示されるように、比較例１の電解液に対する感度は、１．７μＡ／ｐＨであった。それに対して、実施例１の電解液に対する感度は、バックゲート電圧（ＶＢＧ）が０Ｖのときに、４５．９μＡ／ｐＨであり、バックゲート電圧（ＶＢＧ）が−１．０Ｖのときに、５３．５μＡ／ｐＨであり、バックゲート電圧（ＶＢＧ）が−１．５Ｖのときに、７３．０μＡ／ｐＨであった。実施例１の感度は、最大で比較例１の約４３倍となった。
【０１１４】
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【０１１５】
例えば、上述の実施形態では、半導体領域５の複数の孔部１５を陽極酸化法によって形成していたが、他の方法、例えば、均一な半導体領域５上に複数の開口を有するレジスト層を形成する工程と、このレジスト層をマスクとして半導体領域５をドライエッチングする工程とを含むフォトリソグラフィー法によって、複数の孔部１５を形成することもできる。
【０１１６】
また、上述の実施形態では、オープンゲート５ｇは露出していたが（図３、図４及び図６参照）、特定の測定対象物２７に対する測定感度を向上させるために、オープンゲート５ｇは機能修飾されていてもよい。例えば、測定対象物２７が溶液中のグルコースである場合、オープンゲート５ｇはグルコース酸化酵素によってコーティングされることによって、機能修飾されていてもよい。また、測定対象物２７は水素イオンである場合、オープンゲート５ｇはＳｉＯ２膜やＳｉ３Ｎ４膜によってコーティングされることによって、機能修飾されていてもよい。
【０１１７】
また、上述の実施形態では、ソース電極７及びドレイン電極９は、半導体領域５の上面５ｕに設けられていたが（図３、図４及び図６参照）、Ｚ方向から見て半導体領域５の上面５ｕの少なくとも一部がソース電極７及びドレイン電極９によって覆われていなければ、ソース電極７及びドレイン電極９は半導体領域５の側面や、半導体領域５の側面から上面５ｕに亘って設けられていてもよい。
【０１１８】
また、半導体基板３、半導体領域５、ソース電極７、及び、ドレイン電極９の形状は、上述の実施形態の態様に限られない。例えば、図２５（Ａ）に示すように、ソース電極７及びドレイン電極９は、半導体領域５の上面５ｕのＸ軸方向の外縁及び−Ｘ軸方向の外縁に接していなくてもよい。また、図２５（Ｂ）に示すように、半導体領域５の孔部形成領域５ａが孔部非形成領域５ｂ内に埋め込まれていてもよい。また、図２５（Ｃ）に示すように、半導体領域５の孔部形成領域５ａが孔部非形成領域５ｂ内に埋め込まれており、さらに、孔部非形成領域５ｂが半導体基板３内に埋め込まれていてもよい。
【符号の説明】
【０１１９】
１・・・センサ、３・・・半導体基板、３ｍ・・・半導体基板の主面、３ｂ・・・半導体基板の裏面、５・・・半導体領域、５ｇ・・・オープンゲート、７・・・ソース電極、９・・・ドレイン電極、１１・・・バックゲート電極、１５・・・孔部、１５ｓ・・・孔部の側面、Ｊ・・・ｐｎ接合。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果トランジスタ型のセンサであって、
第１導電型半導体基板と、
前記第１導電型半導体基板の主面上に設けられた第２導電型半導体領域と、
前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられたソース電極と、
前記ソース電極と離間するように前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられたドレイン電極と、
前記第１導電型半導体基板の裏面上に設けられたバックゲート電極と、
を備え、
前記第１導電型半導体基板と前記第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、
前記第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は、前記ソース電極及び前記ドレイン電極によって覆われておらず、
前記第２導電型半導体領域の上面の前記少なくとも一部には、複数の孔部が形成されており、
前記複数の孔部は、それぞれ、前記第２導電型半導体領域の上面から前記第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、前記第１導電型半導体基板には至っておらず、
前記第２導電型半導体領域の上面の前記少なくとも一部及び前記複数の孔部の側面は、オープンゲートを構成していることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記複数の孔部は、前記バックゲート電極を陽極電極として用いた陽極酸化法によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
電界効果トランジスタ型のセンサの製造方法であって、
第１導電型半導体基板の主面上に、当該第１導電型半導体基板とｐｎ接合を構成する第２導電型半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、
前記第１導電型半導体基板の裏面上にバックゲート電極を形成するバックゲート電極形成工程と、
前記第２導電型半導体領域に、複数の孔部を形成する孔部形成工程と、
前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に互いに離間するソース電極及びドレイン電極を形成し、その際、前記第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は前記ソース電極及び前記ドレイン電極によって覆われていないようにするソース・ドレイン電極形成工程と、
を備え、
前記孔部形成工程は、前記第１導電型半導体基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、前記第２導電型半導体領域に、当該第２導電型半導体領域の上面から前記第１導電型半導体基板に向かって延びる前記複数の孔部であって、前記第１導電型半導体基板には至っていない前記複数の孔部を形成する陽極酸化工程を含むことを特徴とするセンサの製造方法。
【請求項４】
前記孔部形成工程は、前記陽極酸化工程の前に、前記第２導電型半導体領域の上面に、複数の開口を有するマスクを形成するマスク形成工程をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のセンサの製造方法。
【請求項５】
第１導電型半導体基板と、
前記第１導電型半導体基板の主面上に設けられた第２導電型半導体領域と、
前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられた第１電極と、
前記第１電極と離間するように前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられた第２電極と、
前記第１導電型半導体基板の裏面上に設けられた第３電極と、
を備え、
前記第１導電型半導体基板と前記第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、
前記第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は、前記第１電極及び前記第２電極によって覆われておらず、
前記第２導電型半導体領域の上面の前記少なくとも一部には、複数の孔部が形成されており、
前記複数の孔部は、それぞれ、前記第２導電型半導体領域の上面から前記第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、前記第１導電型半導体基板には至っておらず、
前記第２導電型半導体領域の上面の前記少なくとも一部及び前記複数の孔部の側面は、測定対象を作用させる感応面を構成しており、
前記測定対象が前記感応面に作用することにより、前記第２導電型半導体領域の電気伝導度が変化することを特徴とするセンサ。
【請求項１】
電界効果トランジスタ型のセンサであって、
第１導電型半導体基板と、
前記第１導電型半導体基板の主面上に設けられた第２導電型半導体領域と、
前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられたソース電極と、
前記ソース電極と離間するように前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられたドレイン電極と、
前記第１導電型半導体基板の裏面上に設けられたバックゲート電極と、
を備え、
前記第１導電型半導体基板と前記第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、
前記第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は、前記ソース電極及び前記ドレイン電極によって覆われておらず、
前記第２導電型半導体領域の上面の前記少なくとも一部には、複数の孔部が形成されており、
前記複数の孔部は、それぞれ、前記第２導電型半導体領域の上面から前記第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、前記第１導電型半導体基板には至っておらず、
前記第２導電型半導体領域の上面の前記少なくとも一部及び前記複数の孔部の側面は、オープンゲートを構成していることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記複数の孔部は、前記バックゲート電極を陽極電極として用いた陽極酸化法によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
電界効果トランジスタ型のセンサの製造方法であって、
第１導電型半導体基板の主面上に、当該第１導電型半導体基板とｐｎ接合を構成する第２導電型半導体領域を形成する半導体領域形成工程と、
前記第１導電型半導体基板の裏面上にバックゲート電極を形成するバックゲート電極形成工程と、
前記第２導電型半導体領域に、複数の孔部を形成する孔部形成工程と、
前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に互いに離間するソース電極及びドレイン電極を形成し、その際、前記第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は前記ソース電極及び前記ドレイン電極によって覆われていないようにするソース・ドレイン電極形成工程と、
を備え、
前記孔部形成工程は、前記第１導電型半導体基板を陽極電極として用いた陽極酸化法によって、前記第２導電型半導体領域に、当該第２導電型半導体領域の上面から前記第１導電型半導体基板に向かって延びる前記複数の孔部であって、前記第１導電型半導体基板には至っていない前記複数の孔部を形成する陽極酸化工程を含むことを特徴とするセンサの製造方法。
【請求項４】
前記孔部形成工程は、前記陽極酸化工程の前に、前記第２導電型半導体領域の上面に、複数の開口を有するマスクを形成するマスク形成工程をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のセンサの製造方法。
【請求項５】
第１導電型半導体基板と、
前記第１導電型半導体基板の主面上に設けられた第２導電型半導体領域と、
前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられた第１電極と、
前記第１電極と離間するように前記第２導電型半導体領域の上面又は側面に設けられた第２電極と、
前記第１導電型半導体基板の裏面上に設けられた第３電極と、
を備え、
前記第１導電型半導体基板と前記第２導電型半導体領域とはｐｎ接合を構成し、
前記第２導電型半導体領域の上面の少なくとも一部は、前記第１電極及び前記第２電極によって覆われておらず、
前記第２導電型半導体領域の上面の前記少なくとも一部には、複数の孔部が形成されており、
前記複数の孔部は、それぞれ、前記第２導電型半導体領域の上面から前記第１導電型半導体基板に向かって延びると共に、前記第１導電型半導体基板には至っておらず、
前記第２導電型半導体領域の上面の前記少なくとも一部及び前記複数の孔部の側面は、測定対象を作用させる感応面を構成しており、
前記測定対象が前記感応面に作用することにより、前記第２導電型半導体領域の電気伝導度が変化することを特徴とするセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１１−２２６８００（Ｐ２０１１−２２６８００Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９４０１２（Ｐ２０１０−９４０１２）
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【出願人】（５０４１７３４７１）国立大学法人北海道大学 (971)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]