機械共振器
【課題】高周波数で動作する振動子の振動検出が容易な機械共振器を提供する。
【解決手段】機械共振器は、基板上に形成されたドレイン１と、基板上に形成されたソース２と、一端がドレイン１に接続され、他端がソース２に接続された伝導部３と、伝導部３と対向するように配置され、伝導部３の伝導度を電界効果により制御するゲート６，７とを備える。伝導部３とゲート６，７のうち少なくとも一方は、基板から浮いた状態で支持される。ゲート６，７に一定のバイアス電圧が印加された状態で、伝導部３とゲート６，７のうち少なくとも一方が振動子として振動したときに、伝導部３とゲート６，７との距離が変化することにより、ドレイン１とソース２間の出力電圧が変調される。
【解決手段】機械共振器は、基板上に形成されたドレイン１と、基板上に形成されたソース２と、一端がドレイン１に接続され、他端がソース２に接続された伝導部３と、伝導部３と対向するように配置され、伝導部３の伝導度を電界効果により制御するゲート６，７とを備える。伝導部３とゲート６，７のうち少なくとも一方は、基板から浮いた状態で支持される。ゲート６，７に一定のバイアス電圧が印加された状態で、伝導部３とゲート６，７のうち少なくとも一方が振動子として振動したときに、伝導部３とゲート６，７との距離が変化することにより、ドレイン１とソース２間の出力電圧が変調される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的に振動するナノメートルオーダーの微小部分を備えた微小機械共振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械共振器は、コンデンサやコイルなどを用いて構成した電気回路による共振器に比較して、機械共振を用いているので、高いＱ値と優れた周波数特性とを有している。また、この機械共振器の共振周波数は、加えられた力により変化するため、共振周波数の変化を検出することにより、感度の非常に高い力検出素子を作成することが可能である（非特許文献１）。この高いＱ値はすなわち高感度かつ低消費電力での駆動を実現できることから、次世代センサーへの応用の期待が高まっている。特に１０-21グラムオーダーの質量検出まで可能である（非特許文献２）。
【０００３】
機械共振器の光学的振動検出方法として、レーザードップラー干渉計を用いたものがあるが、検出可能な共振器のサイズは、振動子に照射するレーザーのビームスポットサイズに依存するため、ナノスケールで動作する共振器の振動検出は不可能である。また、機械共振器の電気的振動検出方法としては、機械共振器に金属導線を配置し、高周波信号の入射波と反射波との比が機械共振時に変化することを利用した検出方法や、静電容量の変化を利用した検出方法がある（非特許文献３）。
【０００４】
一方、空間的に離れたサイドゲートにより伝導層の伝導特性を変調する素子として、インプレーンゲート（in-plane-gate）型トランジスタが広く知られている（非特許文献４、非特許文献５）。インプレーンゲート型トランジスタは、図７に示すようにウエハに反応性イオンエッチング等で溝を掘るのみで完成するため、リソグラフィの解像度の限界まで微細化することが可能である。図７における１００はエッチング溝、１０１，１０２はゲート、１０３はチャネル、１０４はドレイン、１０５はソースである。ゲート１０１，１０２は、エッチング溝１００によってチャネル１０３、ドレイン１０４およびソース１０５と隔てられている。チャネル１０３の一端はドレイン１０４と接続され、チャネル１０３の他端はソース１０５と接続されている。エッチング溝１００の幅は例えば５０ｎｍ程度である。このインプレーンゲート型トランジスタでは、チャネル１０３を挟んで両側にゲート１０１，１０２が配置されるサイドゲート構造が形成されている。
【０００５】
このインプレーンゲート型トランジスタの静特性を図８に示す。図８は、両方のゲート１０１，１０２に０Ｖ、０．２Ｖ、０．４Ｖ、０．６Ｖ、０．８Ｖ、１．０Ｖのゲート電圧を印加したときの出力特性を示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】D.W.Carr，et al.，“Measurement of mechanical resonance and losses in nanometer scale silicon wires”，APPLIED PHYSICS LETTERS，Vol.75，No.7，pp.920-922，1999
【非特許文献２】Y.T.Yang，et al.，“Zeptogram-Scale Nanomechanical Mass Sensing”，Nano Lett.，2006，Vol.6，No.4，pp.583-586，2006
【非特許文献３】A.N.Cleland，et al.，“A nanometre-scale mechanical electrometer”，Nature，Vol.392，pp.160-162，1998
【非特許文献４】A.D.Wieck and K.Ploog，“In-plane-gated quantum wire transistor fabricated with directly written focused ion beams”，Appl.Phys.Lett.，Vol.56，No.10，pp.928-930，March 1990
【非特許文献５】S.Reitzenstein，et al.，“Compact Logic NAND-Gate Based on a Single In-Plane Quantum-Wire Transistor”，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，VOL.26，NO.3，pp.142-144，March 2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
微細化した梁に金属蒸着などの方法で金属導線を形成すれば、導線に印加した高周波の入射波と反射波とを比較することによって高周波動作している梁の振動検出が可能であるが、実際にはインピーダンスマッチングをとることが難しく、反射波の位相が入射波に対してずれるため、高周波領域で高感度な検出が難しい。すなわち、この振動検出方法では、機械共振器の微細化が難しいという問題点があった。また、非特許文献３に開示された、静電容量の変化を利用した振動検出方法では、所望の静電容量を得るために必要なサイズの問題から、機械共振器の微小化が難しいという問題点があった。以上のように、従来の技術では、ナノスケールで高周波数で動作する微小機械共振器の振動検出が困難であった。
【０００８】
断面の形状が矩形で両端が支持された両持ち梁構造の共振周波数は、梁の長さの二乗と用いる材料の密度と厚さとに反比例し、梁の厚さと材料のヤング率とに比例する。このサイズによって共振周波数が変化することは、一端だけが支持された片持ち梁構造でも同様である。つまり、サイズを小さくすればするほど、高周波数の機械共振器を得ることができる。しかしながら、機械共振器をナノサイズ領域まで小さくした場合、前述したように従来の検出方法では共振器の振動検出が困難であった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高周波数で動作する振動子の振動検出が容易な機械共振器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】
【００１０】
本発明の機械共振器は、基板上に形成されたドレインと、基板上に形成されたソースと、一端が前記ドレインに接続され、他端が前記ソースに接続された伝導部と、この伝導部と対向するように配置され、前記伝導部の伝導度を電界効果により制御するゲートとを備え、前記伝導部と前記ゲートのうち少なくとも一方は、前記基板から浮いた状態で支持され、前記ゲートに一定のバイアス電圧が印加された状態で、前記伝導部と前記ゲートのうち少なくとも一方が振動子として振動したときに、前記伝導部と前記ゲートとの距離が変化することにより、前記ドレインと前記ソース間の出力電圧が変調されることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の機械共振器の１構成例において、前記ドレイン、ソース、伝導部およびゲートは、伝導層を有する半導体積層構造に形成され、前記ドレイン、ソースおよび伝導部と、前記ゲートとは、前記半導体積層構造に形成された溝によって分離されていることを特徴とするものである。
また、本発明の機械共振器の１構成例は、さらに、基板上に形成されたゲート支持部を備え、前記伝導部は、両端が前記ドレインとソースで固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持される両持ち梁型の構造であり、前記ゲートは、一端が前記ゲート支持部で固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持され、他端が前記伝導部と対向するように配置された片持ち梁型の構造であることを特徴とするものである。
また、本発明の機械共振器の１構成例において、前記伝導部は、半導体もしくは化合物半導体からなることを特徴とするものである。
また、本発明の機械共振器の１構成例において、前記伝導部は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓもしくはＩｎＧａＡｓからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、伝導部とゲートとを、電極を用いずに溝を掘るだけで作製することができるので、機械共振器のサイズを、電子線描画装置やフォトリソグラフィ装置の解像度の限界まで微細化することが可能である。そして、本発明では、ゲートに一定のバイアス電圧を印加した状態で、伝導部とゲートのうち少なくとも一方が振動子として振動したときに、伝導部とゲートとの距離が変化することにより、ドレインとソース間の出力電圧が変調されるので、この変調された出力電圧を測定することで、微細加工可能な限界のサイズまで微小化した機械共振器の振動検出を容易に実現することができる。また、本発明によれば、機械共振器自体が電界効果トランジスタとしての機能を有しているため、高感度に振動検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明で用いる半導体ウエハー構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る機械共振器の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る機械共振器の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る機械共振器の伝導部とゲートの振動方向を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態においてウェットエッチング加工後の伝導部とゲートを拡大した断面図である。
【図６】図５中のＡ点とＢ点との距離の変化を説明する模式図である。
【図７】従来のインプレーンゲート型トランジスタの平面図である。
【図８】図７のインプレーンゲート型トランジスタの静特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［発明の原理］
本発明は、弾性体の機械的な振動における共振現象を用いた機械共振器において、図１に示すような半導体ウエハー構造と、図７に示したインプレーンゲート型トランジスタのサイドゲート構造とを利用する。図１に示す半導体ウエハーは、ＧａＡｓ基板２００と、ＧａＡｓ基板２００上に形成されたＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１と、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１上に形成されたＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ超格子層２０２と、ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ超格子層２０２上に形成されたＧａＡｓ層２０３と、ＧａＡｓ層２０３上に形成されたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４と、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４上に形成されたＳｉドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０５と、ＳｉドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０５上に形成されたＧａＡｓ保護層２０６とからなる。
【００１５】
Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１、ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ超格子層２０２、ＧａＡｓ層２０３、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４、ＳｉドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０５、ＧａＡｓ保護層２０６の厚さは、それぞれ２μｍ、２００ｎｍ、７００ｎｍ、１０ｎｍ、８５ｎｍ、５ｎｍである。この半導体ウエハー構造では、ＧａＡｓ層２０３とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４との界面のＧａＡｓ層２０３に電子移動度の高い二次元電子の伝導層２０７が発生している。伝導層２０７の厚さは極めて薄く、約数ｎｍである。
【００１６】
伝導層２０７と隙間を隔ててサイドゲート（図７のゲート１０１，１０２）を形成すれば、外部から加えられた力に応じて振動子が振動したときに、伝導層２０７とサイドゲートとの距離が変調され伝導層２０７の伝導度が変調されることを利用できる。振動子としては、伝導部（図７のチャネル１０３）もしくはサイドゲートのどちらか一方を利用してもよいし、両方を利用してもよい。
【００１７】
このように、本発明では、振動子が振動する際、サイドゲートと伝導層２０７との距離が変調され、実質的に伝導部に印加されるゲート電圧が変調されることになる。この振動によるゲート電圧変調によって、伝導部の伝導特性が変化するので、振動子の振動を検出することができる。伝導層２０７とサイドゲートとの距離の変化による振動検出は、特に、サイドゲートを片持ち梁構造とすることで、機械共振器の変位を大きくすることができ、振動検出の高感度化を実現することができる。一方、伝導部を単純な両持ち梁構造とすれば、微細化が容易となり、機械共振器の高周波動作を実現することができる。また、本発明による振動検出は、使用する材料が圧電材料でなくてもよいので、材料の汎用性を実現することができる。
【００１８】
本発明の伝導部とサイドゲートとは、図１に示したような半導体ウエハー構造に溝を掘るだけで作成できるため、リソグラフィの精度限界のサイズで作成可能であり、その結果、高周波数領域での動作が可能となる。伝導部には、化合物半導体を用いることで、高周波数領域での振動検出が可能である。
【００１９】
次に、本発明の実施形態について、図を用いて詳しく説明する。図２は本実施の形態に係る機械共振器の構造を示す斜視図、図３は図２の機械共振器をＩ−Ｉ線で切断した断面図である。本実施の形態の機械共振器は、ドレイン１（図７のドレイン１０４）と、ソース２（図７のソース１０５）と、両端がドレイン１とソース２で固定されることによってＧａＡｓ基板２００から浮いた状態で支持される両持ち梁型の伝導部３（図７のチャネル１０３）と、ゲート支持部４，５と、一端がゲート支持部４，５で固定されることによってＧａＡｓ基板２００から浮いた状態で支持され、他端が伝導部３と対向するように配置される片持ち梁型のゲート６，７（図７のゲート１０１，１０２）と、伝導部３とゲート６，７との間、ドレイン１とゲート６，７との間、ソース２とゲート６，７との間、ドレイン１とゲート支持部４，５との間、およびソース２とゲート支持部４，５との間に形成されるエッチング溝８（図７のエッチング溝１００）と、伝導部３の下部およびゲート６，７の下部のＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１に形成される空間９とから構成される。
【００２０】
ゲート６，７は、エッチング溝８によってドレイン１、ソース２および伝導部３と隔てられている。伝導部３の一端はドレイン１と接続され、伝導部３の他端はソース２と接続されている。この機械共振器では、伝導部３の架設方向と直角な方向（図２左右方向）に沿って２つのゲート６，７が設けられ、このゲート６，７が伝導部３を両側から挟むように配置されるサイドゲート構造が形成されている。伝導部３とゲート６，７との距離（エッチング溝８の幅）Ｌは５０ｎｍ、伝導部３の長さＬ1は１μｍ、伝導部３の幅Ｗ1は１００ｎｍ、ゲート６，７の長さＬ2は８００ｎｍ、ゲート６，７の幅Ｗ2は３００ｎｍである。
【００２１】
次に、本実施の形態の機械共振器の製造方法について簡単に説明する。まず、図１に示したような伝導層２０７をもつヘテロ構造を作製する。続いて、反応性イオンエッチング等により図１に示したヘテロ構造のＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ超格子層２０２とＧａＡｓ層２０３とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４とＳｉドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０５とＧａＡｓ保護層２０６とをエッチングして、エッチング溝８を形成する。こうして、ドレイン１とソース２と伝導部３とゲート６，７とを有する、図７と同様のメサ構造を作製する。この時点で、ゲート６，７に印加するバイアス電圧によって伝導部３の伝導特性を制御することができ、メサ構造は図８に示したようなＦＥＴとしての伝導特性を有する。
【００２２】
次に、フッ酸など、エッチング選択性の高いエッチング溶液を用いたウェットエッチングにより、伝導部３の下部およびゲート６，７の下部のＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１を除去して空間９を形成する。これにより、伝導部３はＧａＡｓ基板２００から浮いた状態でドレイン１とソース２によって支持され、またゲート６，７はＧａＡｓ基板２００から浮いた状態でゲート支持部４，５によって支持されることになるので、伝導部３とゲート６，７のどちらか一方、もしくは伝導部３とゲート６，７の両方を振動子として利用することができるようになる。
【００２３】
伝導部３は両持ち梁型の構造なので、振動子として用いる場合、図４に示すように上下方向または左右方向に振動することが可能である。ゲート６，７は片持ち梁型の構造なので、振動子として用いる場合、図４に示すように上下方向に振動することが可能である。ゲート６，７に一定のバイアス電圧を印加した状態で、外部から機械共振器に加えられた力に応じて振動子が振動すると、この振動子の機械共振周波数で、伝導部３とゲート６，７との距離が変化することになり、伝導部３に印加される実効的な電界が変調され、ＦＥＴとしての出力が変調される。
【００２４】
図５はウェットエッチング加工後の伝導部３とゲート７を拡大した断面図である。ここでは、伝導部３の右側面の１点をＡ点とし、ウェットエッチング加工前にＡ点と正対していた、ゲート７の端面の点をＢ点としている。Ａ点とＢ点とは、ウェットエッチング加工前は同じ高さである。しかし、伝導部３が両持ち梁型の構造であるのに対して、ゲート６，７は、片持ち梁型の構造であるために、ウェットエッチング加工後に下にたわみ易くなり、図５に示すようにＡ点とＢ点との間にΔＺの段差が生じる。図５に示すＬは、設計時の伝導部３とゲート６，７との距離であり、ウェットエッチング加工後の状態においては伝導部３とゲート６，７とが振動していない時の伝導部３とゲート６，７との水平方向の距離と略等しい。
【００２５】
次に、振動時の電界変化の原理について説明する。図６は、図５中のＡ点とＢ点との距離ｒの変化を表す模式図である。
図６（Ａ）のように、伝導部３が上下方向にａｓｉｎωｔで振動するとき（ａは振幅、ωは振動の角速度）、Ａ点とＢ点との距離ｒは次式で表される。
ｒ＝（Ｌ2＋ΔＺ2）1/2＋ΔＺ（Ｌ2＋ΔＺ2）-1/2ａｓｉｎωｔ ・・・（１）
【００２６】
伝導部３が上下方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、伝導部３にゲート６，７が及ぼす電界Ｅは次式で表される。
Ｅ＝Ｅ0＋Ｃ1ａｓｉｎωｔ ・・・（２）
ここで、Ｅ0は伝導部３が振動しないときにゲート６，７に印加されている一定のバイアス電圧によって生じる電界、Ｃ1はゲート６，７のゲート長と、ゲート６，７のキャリア濃度と、伝導部３とゲート６，７との段差ΔＺとに依存する定数である。
【００２７】
図６（Ｂ）のように、伝導部３が左右方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、Ａ点とＢ点との距離ｒは次式で表される。
ｒ＝（Ｌ2＋ΔＺ2）1/2＋Ｌ（Ｌ2＋ΔＺ2）-1/2ａｓｉｎωｔ ・・・（３）
【００２８】
伝導部３が左右方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、伝導部３にゲート６，７が及ぼす電界Ｅは次式で表される。
Ｅ＝Ｅ0＋Ｃ2ａｓｉｎωｔ ・・・（４）
ここで、Ｃ2はゲート６，７のゲート長と、ゲート６，７のキャリア濃度と、設計時の伝導部３とゲート６，７との距離Ｌとに依存する定数である。
【００２９】
図６（Ｃ）のように、ゲート６，７が上下方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、Ａ点とＢ点との距離ｒは次式で表される。
ｒ＝（Ｌ2＋ΔＺ2）1/2＋ΔＺ（Ｌ2＋ΔＺ2）-1/2ａｓｉｎωｔ ・・・（５）
ゲート６，７が上下方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、伝導部３にゲート６，７が及ぼす電界Ｅは上記の式（２）で表される。
【００３０】
なお、振動変位ａｓｉｎωｔの大きさは、ΔＺやＬに比べて一桁小さいため、式（１）、式（３）、式（５）の距離ｒの導出には以下の近似式を用いている。式（６）は任意の値Ｘ，ＹがＸ≫Ｙのときに成り立つ式である。
（Ｘ＋Ｙ）2＝Ｘ2（１＋Ｙ／Ｘ）2≒Ｘ2（１＋２Ｙ／Ｘ）、（Ｙ／Ｘ）2≒０
・・・（６）
【００３１】
式（２）、式（４）で示したような電界の変化が、図８に示した伝導特性を変調させるので、振動変位ａｓｉｎωｔを検出することが可能となる。つまり、伝導部３は、ゲート６，７によって制御される、図８のような伝導特性を有するＦＥＴとして動作する。振動子の振動変位がｓｉｎ関数のとき、式（１）、式（３）、式（５）に示したようにＡ点とＢ点との距離ｒの変調成分もｓｉｎ関数となる。面積ｓの平板に電荷Ｑが一様に分布した際に、この平板から距離ｒだけ離れた位置の電界強度はＥ＝（Ｑｒ）／（εｓ）となる（εは平板とこの平板から距離ｒだけ離れた位置とを含む空間の誘電率）。この電界強度Ｅにおおよそ近似できる電界が伝導部３に印加されると考えられる。したがって、実効的な電界は距離ｒに比例すると考えられるので、ＦＥＴのゲート６，７にｓｉｎ関数の信号が印加されると考えられる。
【００３２】
すなわち、振動子がａｓｉｎωｔで振動すると、ａｓｉｎωｔに比例した成分がＦＥＴの出力電圧（ドレイン−ソース間電圧）に現れることになる。このＦＥＴの出力から機械共振器の共振周波数ω0を求めることができる。また、ＦＥＴの出力から機械共振器のＱ値も求めることができる。なお、振動の振幅ａを求めるには、キャリブレーションを行う必要がある。キャリブレーションの方法としては、熱振動（外的な力ではなく、振動子の持つ熱によって生じる振動）のスペクトルから振幅ａを算出する方法や、機械共振器に加える外的な力を変化させていき振動が非線形性を見せる時の値から振幅ａを求める方法などがある。これらのキャリブレーションの方法は周知であるため、詳細な説明は省略する。
【００３３】
図８に示したようなＦＥＴとしての特性は常温で現れることから、振動子の振動は常温で検出できる。当然のことながら、ＦＥＴとして動作する温度であれば、常温を下回る温度あるいは常温を上回る温度であっても、振動子の振動を検出することができる。
【００３４】
本実施の形態では、１例として伝導部３を両持ち梁型の構造とし、ゲート６，７を片持ち梁型の構造としたが、振動時に伝導部３とゲート６，７との距離が変調される構造であれば、どのような構造であってよいことは言うまでもない。
また、本実施の形態では、伝導部３の伝導度を変調するゲートの効果を高めるために、ゲートを伝導部３の両側に１つずつ設けているが、ゲートは１つであってよい。
【００３５】
本実施の形態では、伝導部３とゲート６，７とを、電極を用いずに溝を掘るだけで作製することができる。そのため、機械共振器のサイズを、電子線描画装置やフォトリソグラフィ装置の解像度の限界まで微細化することが可能である。特に、伝導部３を振動子として用いる場合は超微細化が可能で、高周波数で動作する機械共振器および検出素子を実現することができる。
【００３６】
伝導部３のみを振動子として利用する場合には、ゲート６，７の下部の犠牲層２０１を残して、伝導部３の下部の犠牲層２０１を除去すればよい。ゲート６，７のみを振動子として利用する場合には、伝導部３の下部の犠牲層２０１を残して、ゲート６，７の下部の犠牲層２０１を除去すればよい。伝導部３とゲート６，７の両方を振動子として利用する場合には、伝導部３の下部およびゲート６，７の下部の犠牲層２０１を除去すればよい。なお、伝導部３の下部およびゲート６，７の下部の犠牲層２０１を両方とも除去した場合であっても、後述のように伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数を個別に検出できるので、伝導部３の共振周波数のみを測定結果として採用すれば、実質的に伝導部３のみを振動子として利用することになり、ゲート６，７の共振周波数のみを測定結果として採用すれば、実質的にゲート６，７のみを振動子として利用することになる。
【００３７】
伝導部３とゲート６，７の両方を振動子として利用する場合には、伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数とは一致しないため、個別に検出することができる。伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数とは、そのサイズと材料によって決まり、一方が他方の倍あるいは一方が他方の半分となる倍半分の範囲に収まると仮定できる。伝導部３とゲート６，７のサイズが近い場合、高次の共振モードの共振周波数を比較することで、伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数とを区別することができる。例えば、片持ち梁の場合、２次のモードは約６．３倍の共振周波数になるが、両持ち梁の場合、２次のモードは約２．８倍の共振周波数になる。したがって、高次の共振モードの共振周波数を比較することで、伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数とを区別することができ、これらの共振周波数を個別に検出することができる。
【００３８】
本実施の形態の機械共振器では、伝導部３およびゲート６，７に用いる材料として、III−Ｖ族化合物半導体を用いる場合、図８に示す伝導特性（静特性）に従い、高周波動作が可能となる。特に伝導部３にＩｎＡｓもしくはＩｎＧａＡｓを用いることで、微細化による表面空乏化の影響を防ぐことが可能である。
【００３９】
また、伝導部３に、シリコン、ゲルマニウム、炭素、およびこれらの混晶などのIV族半導体を用いるようにしてもよい。また、伝導部３に、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｕＩｎＳｅ２をはじめとした化合物半導体を用いるようにしてもよい。また、ゲート６，７によって伝導特性が変化する材料であれば、半導体以外の任意の材料を伝導部３に用いてもよい。また、伝導部３には、Ｐ型半導体、Ｎ型半導体のどちらを用いてもよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、機械共振器を微小化する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１…ドレイン、２…ソース、３…伝導部、４，５…ゲート支持部、６，７…ゲート、８…エッチング溝、９…空間。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械的に振動するナノメートルオーダーの微小部分を備えた微小機械共振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械共振器は、コンデンサやコイルなどを用いて構成した電気回路による共振器に比較して、機械共振を用いているので、高いＱ値と優れた周波数特性とを有している。また、この機械共振器の共振周波数は、加えられた力により変化するため、共振周波数の変化を検出することにより、感度の非常に高い力検出素子を作成することが可能である（非特許文献１）。この高いＱ値はすなわち高感度かつ低消費電力での駆動を実現できることから、次世代センサーへの応用の期待が高まっている。特に１０-21グラムオーダーの質量検出まで可能である（非特許文献２）。
【０００３】
機械共振器の光学的振動検出方法として、レーザードップラー干渉計を用いたものがあるが、検出可能な共振器のサイズは、振動子に照射するレーザーのビームスポットサイズに依存するため、ナノスケールで動作する共振器の振動検出は不可能である。また、機械共振器の電気的振動検出方法としては、機械共振器に金属導線を配置し、高周波信号の入射波と反射波との比が機械共振時に変化することを利用した検出方法や、静電容量の変化を利用した検出方法がある（非特許文献３）。
【０００４】
一方、空間的に離れたサイドゲートにより伝導層の伝導特性を変調する素子として、インプレーンゲート（in-plane-gate）型トランジスタが広く知られている（非特許文献４、非特許文献５）。インプレーンゲート型トランジスタは、図７に示すようにウエハに反応性イオンエッチング等で溝を掘るのみで完成するため、リソグラフィの解像度の限界まで微細化することが可能である。図７における１００はエッチング溝、１０１，１０２はゲート、１０３はチャネル、１０４はドレイン、１０５はソースである。ゲート１０１，１０２は、エッチング溝１００によってチャネル１０３、ドレイン１０４およびソース１０５と隔てられている。チャネル１０３の一端はドレイン１０４と接続され、チャネル１０３の他端はソース１０５と接続されている。エッチング溝１００の幅は例えば５０ｎｍ程度である。このインプレーンゲート型トランジスタでは、チャネル１０３を挟んで両側にゲート１０１，１０２が配置されるサイドゲート構造が形成されている。
【０００５】
このインプレーンゲート型トランジスタの静特性を図８に示す。図８は、両方のゲート１０１，１０２に０Ｖ、０．２Ｖ、０．４Ｖ、０．６Ｖ、０．８Ｖ、１．０Ｖのゲート電圧を印加したときの出力特性を示している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】D.W.Carr，et al.，“Measurement of mechanical resonance and losses in nanometer scale silicon wires”，APPLIED PHYSICS LETTERS，Vol.75，No.7，pp.920-922，1999
【非特許文献２】Y.T.Yang，et al.，“Zeptogram-Scale Nanomechanical Mass Sensing”，Nano Lett.，2006，Vol.6，No.4，pp.583-586，2006
【非特許文献３】A.N.Cleland，et al.，“A nanometre-scale mechanical electrometer”，Nature，Vol.392，pp.160-162，1998
【非特許文献４】A.D.Wieck and K.Ploog，“In-plane-gated quantum wire transistor fabricated with directly written focused ion beams”，Appl.Phys.Lett.，Vol.56，No.10，pp.928-930，March 1990
【非特許文献５】S.Reitzenstein，et al.，“Compact Logic NAND-Gate Based on a Single In-Plane Quantum-Wire Transistor”，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，VOL.26，NO.3，pp.142-144，March 2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
微細化した梁に金属蒸着などの方法で金属導線を形成すれば、導線に印加した高周波の入射波と反射波とを比較することによって高周波動作している梁の振動検出が可能であるが、実際にはインピーダンスマッチングをとることが難しく、反射波の位相が入射波に対してずれるため、高周波領域で高感度な検出が難しい。すなわち、この振動検出方法では、機械共振器の微細化が難しいという問題点があった。また、非特許文献３に開示された、静電容量の変化を利用した振動検出方法では、所望の静電容量を得るために必要なサイズの問題から、機械共振器の微小化が難しいという問題点があった。以上のように、従来の技術では、ナノスケールで高周波数で動作する微小機械共振器の振動検出が困難であった。
【０００８】
断面の形状が矩形で両端が支持された両持ち梁構造の共振周波数は、梁の長さの二乗と用いる材料の密度と厚さとに反比例し、梁の厚さと材料のヤング率とに比例する。このサイズによって共振周波数が変化することは、一端だけが支持された片持ち梁構造でも同様である。つまり、サイズを小さくすればするほど、高周波数の機械共振器を得ることができる。しかしながら、機械共振器をナノサイズ領域まで小さくした場合、前述したように従来の検出方法では共振器の振動検出が困難であった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、高周波数で動作する振動子の振動検出が容易な機械共振器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】
【００１０】
本発明の機械共振器は、基板上に形成されたドレインと、基板上に形成されたソースと、一端が前記ドレインに接続され、他端が前記ソースに接続された伝導部と、この伝導部と対向するように配置され、前記伝導部の伝導度を電界効果により制御するゲートとを備え、前記伝導部と前記ゲートのうち少なくとも一方は、前記基板から浮いた状態で支持され、前記ゲートに一定のバイアス電圧が印加された状態で、前記伝導部と前記ゲートのうち少なくとも一方が振動子として振動したときに、前記伝導部と前記ゲートとの距離が変化することにより、前記ドレインと前記ソース間の出力電圧が変調されることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の機械共振器の１構成例において、前記ドレイン、ソース、伝導部およびゲートは、伝導層を有する半導体積層構造に形成され、前記ドレイン、ソースおよび伝導部と、前記ゲートとは、前記半導体積層構造に形成された溝によって分離されていることを特徴とするものである。
また、本発明の機械共振器の１構成例は、さらに、基板上に形成されたゲート支持部を備え、前記伝導部は、両端が前記ドレインとソースで固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持される両持ち梁型の構造であり、前記ゲートは、一端が前記ゲート支持部で固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持され、他端が前記伝導部と対向するように配置された片持ち梁型の構造であることを特徴とするものである。
また、本発明の機械共振器の１構成例において、前記伝導部は、半導体もしくは化合物半導体からなることを特徴とするものである。
また、本発明の機械共振器の１構成例において、前記伝導部は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓもしくはＩｎＧａＡｓからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、伝導部とゲートとを、電極を用いずに溝を掘るだけで作製することができるので、機械共振器のサイズを、電子線描画装置やフォトリソグラフィ装置の解像度の限界まで微細化することが可能である。そして、本発明では、ゲートに一定のバイアス電圧を印加した状態で、伝導部とゲートのうち少なくとも一方が振動子として振動したときに、伝導部とゲートとの距離が変化することにより、ドレインとソース間の出力電圧が変調されるので、この変調された出力電圧を測定することで、微細加工可能な限界のサイズまで微小化した機械共振器の振動検出を容易に実現することができる。また、本発明によれば、機械共振器自体が電界効果トランジスタとしての機能を有しているため、高感度に振動検出することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明で用いる半導体ウエハー構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る機械共振器の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る機械共振器の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る機械共振器の伝導部とゲートの振動方向を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態においてウェットエッチング加工後の伝導部とゲートを拡大した断面図である。
【図６】図５中のＡ点とＢ点との距離の変化を説明する模式図である。
【図７】従来のインプレーンゲート型トランジスタの平面図である。
【図８】図７のインプレーンゲート型トランジスタの静特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［発明の原理］
本発明は、弾性体の機械的な振動における共振現象を用いた機械共振器において、図１に示すような半導体ウエハー構造と、図７に示したインプレーンゲート型トランジスタのサイドゲート構造とを利用する。図１に示す半導体ウエハーは、ＧａＡｓ基板２００と、ＧａＡｓ基板２００上に形成されたＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１と、Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１上に形成されたＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ超格子層２０２と、ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ超格子層２０２上に形成されたＧａＡｓ層２０３と、ＧａＡｓ層２０３上に形成されたＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４と、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４上に形成されたＳｉドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０５と、ＳｉドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０５上に形成されたＧａＡｓ保護層２０６とからなる。
【００１５】
Ａｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１、ＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ超格子層２０２、ＧａＡｓ層２０３、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４、ＳｉドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０５、ＧａＡｓ保護層２０６の厚さは、それぞれ２μｍ、２００ｎｍ、７００ｎｍ、１０ｎｍ、８５ｎｍ、５ｎｍである。この半導体ウエハー構造では、ＧａＡｓ層２０３とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４との界面のＧａＡｓ層２０３に電子移動度の高い二次元電子の伝導層２０７が発生している。伝導層２０７の厚さは極めて薄く、約数ｎｍである。
【００１６】
伝導層２０７と隙間を隔ててサイドゲート（図７のゲート１０１，１０２）を形成すれば、外部から加えられた力に応じて振動子が振動したときに、伝導層２０７とサイドゲートとの距離が変調され伝導層２０７の伝導度が変調されることを利用できる。振動子としては、伝導部（図７のチャネル１０３）もしくはサイドゲートのどちらか一方を利用してもよいし、両方を利用してもよい。
【００１７】
このように、本発明では、振動子が振動する際、サイドゲートと伝導層２０７との距離が変調され、実質的に伝導部に印加されるゲート電圧が変調されることになる。この振動によるゲート電圧変調によって、伝導部の伝導特性が変化するので、振動子の振動を検出することができる。伝導層２０７とサイドゲートとの距離の変化による振動検出は、特に、サイドゲートを片持ち梁構造とすることで、機械共振器の変位を大きくすることができ、振動検出の高感度化を実現することができる。一方、伝導部を単純な両持ち梁構造とすれば、微細化が容易となり、機械共振器の高周波動作を実現することができる。また、本発明による振動検出は、使用する材料が圧電材料でなくてもよいので、材料の汎用性を実現することができる。
【００１８】
本発明の伝導部とサイドゲートとは、図１に示したような半導体ウエハー構造に溝を掘るだけで作成できるため、リソグラフィの精度限界のサイズで作成可能であり、その結果、高周波数領域での動作が可能となる。伝導部には、化合物半導体を用いることで、高周波数領域での振動検出が可能である。
【００１９】
次に、本発明の実施形態について、図を用いて詳しく説明する。図２は本実施の形態に係る機械共振器の構造を示す斜視図、図３は図２の機械共振器をＩ−Ｉ線で切断した断面図である。本実施の形態の機械共振器は、ドレイン１（図７のドレイン１０４）と、ソース２（図７のソース１０５）と、両端がドレイン１とソース２で固定されることによってＧａＡｓ基板２００から浮いた状態で支持される両持ち梁型の伝導部３（図７のチャネル１０３）と、ゲート支持部４，５と、一端がゲート支持部４，５で固定されることによってＧａＡｓ基板２００から浮いた状態で支持され、他端が伝導部３と対向するように配置される片持ち梁型のゲート６，７（図７のゲート１０１，１０２）と、伝導部３とゲート６，７との間、ドレイン１とゲート６，７との間、ソース２とゲート６，７との間、ドレイン１とゲート支持部４，５との間、およびソース２とゲート支持部４，５との間に形成されるエッチング溝８（図７のエッチング溝１００）と、伝導部３の下部およびゲート６，７の下部のＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１に形成される空間９とから構成される。
【００２０】
ゲート６，７は、エッチング溝８によってドレイン１、ソース２および伝導部３と隔てられている。伝導部３の一端はドレイン１と接続され、伝導部３の他端はソース２と接続されている。この機械共振器では、伝導部３の架設方向と直角な方向（図２左右方向）に沿って２つのゲート６，７が設けられ、このゲート６，７が伝導部３を両側から挟むように配置されるサイドゲート構造が形成されている。伝導部３とゲート６，７との距離（エッチング溝８の幅）Ｌは５０ｎｍ、伝導部３の長さＬ1は１μｍ、伝導部３の幅Ｗ1は１００ｎｍ、ゲート６，７の長さＬ2は８００ｎｍ、ゲート６，７の幅Ｗ2は３００ｎｍである。
【００２１】
次に、本実施の形態の機械共振器の製造方法について簡単に説明する。まず、図１に示したような伝導層２０７をもつヘテロ構造を作製する。続いて、反応性イオンエッチング等により図１に示したヘテロ構造のＧａＡｓ／Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ超格子層２０２とＧａＡｓ層２０３とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサー層２０４とＳｉドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層２０５とＧａＡｓ保護層２０６とをエッチングして、エッチング溝８を形成する。こうして、ドレイン１とソース２と伝導部３とゲート６，７とを有する、図７と同様のメサ構造を作製する。この時点で、ゲート６，７に印加するバイアス電圧によって伝導部３の伝導特性を制御することができ、メサ構造は図８に示したようなＦＥＴとしての伝導特性を有する。
【００２２】
次に、フッ酸など、エッチング選択性の高いエッチング溶液を用いたウェットエッチングにより、伝導部３の下部およびゲート６，７の下部のＡｌ0.65Ｇａ0.35Ａｓ犠牲層２０１を除去して空間９を形成する。これにより、伝導部３はＧａＡｓ基板２００から浮いた状態でドレイン１とソース２によって支持され、またゲート６，７はＧａＡｓ基板２００から浮いた状態でゲート支持部４，５によって支持されることになるので、伝導部３とゲート６，７のどちらか一方、もしくは伝導部３とゲート６，７の両方を振動子として利用することができるようになる。
【００２３】
伝導部３は両持ち梁型の構造なので、振動子として用いる場合、図４に示すように上下方向または左右方向に振動することが可能である。ゲート６，７は片持ち梁型の構造なので、振動子として用いる場合、図４に示すように上下方向に振動することが可能である。ゲート６，７に一定のバイアス電圧を印加した状態で、外部から機械共振器に加えられた力に応じて振動子が振動すると、この振動子の機械共振周波数で、伝導部３とゲート６，７との距離が変化することになり、伝導部３に印加される実効的な電界が変調され、ＦＥＴとしての出力が変調される。
【００２４】
図５はウェットエッチング加工後の伝導部３とゲート７を拡大した断面図である。ここでは、伝導部３の右側面の１点をＡ点とし、ウェットエッチング加工前にＡ点と正対していた、ゲート７の端面の点をＢ点としている。Ａ点とＢ点とは、ウェットエッチング加工前は同じ高さである。しかし、伝導部３が両持ち梁型の構造であるのに対して、ゲート６，７は、片持ち梁型の構造であるために、ウェットエッチング加工後に下にたわみ易くなり、図５に示すようにＡ点とＢ点との間にΔＺの段差が生じる。図５に示すＬは、設計時の伝導部３とゲート６，７との距離であり、ウェットエッチング加工後の状態においては伝導部３とゲート６，７とが振動していない時の伝導部３とゲート６，７との水平方向の距離と略等しい。
【００２５】
次に、振動時の電界変化の原理について説明する。図６は、図５中のＡ点とＢ点との距離ｒの変化を表す模式図である。
図６（Ａ）のように、伝導部３が上下方向にａｓｉｎωｔで振動するとき（ａは振幅、ωは振動の角速度）、Ａ点とＢ点との距離ｒは次式で表される。
ｒ＝（Ｌ2＋ΔＺ2）1/2＋ΔＺ（Ｌ2＋ΔＺ2）-1/2ａｓｉｎωｔ ・・・（１）
【００２６】
伝導部３が上下方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、伝導部３にゲート６，７が及ぼす電界Ｅは次式で表される。
Ｅ＝Ｅ0＋Ｃ1ａｓｉｎωｔ ・・・（２）
ここで、Ｅ0は伝導部３が振動しないときにゲート６，７に印加されている一定のバイアス電圧によって生じる電界、Ｃ1はゲート６，７のゲート長と、ゲート６，７のキャリア濃度と、伝導部３とゲート６，７との段差ΔＺとに依存する定数である。
【００２７】
図６（Ｂ）のように、伝導部３が左右方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、Ａ点とＢ点との距離ｒは次式で表される。
ｒ＝（Ｌ2＋ΔＺ2）1/2＋Ｌ（Ｌ2＋ΔＺ2）-1/2ａｓｉｎωｔ ・・・（３）
【００２８】
伝導部３が左右方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、伝導部３にゲート６，７が及ぼす電界Ｅは次式で表される。
Ｅ＝Ｅ0＋Ｃ2ａｓｉｎωｔ ・・・（４）
ここで、Ｃ2はゲート６，７のゲート長と、ゲート６，７のキャリア濃度と、設計時の伝導部３とゲート６，７との距離Ｌとに依存する定数である。
【００２９】
図６（Ｃ）のように、ゲート６，７が上下方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、Ａ点とＢ点との距離ｒは次式で表される。
ｒ＝（Ｌ2＋ΔＺ2）1/2＋ΔＺ（Ｌ2＋ΔＺ2）-1/2ａｓｉｎωｔ ・・・（５）
ゲート６，７が上下方向にａｓｉｎωｔで振動するとき、伝導部３にゲート６，７が及ぼす電界Ｅは上記の式（２）で表される。
【００３０】
なお、振動変位ａｓｉｎωｔの大きさは、ΔＺやＬに比べて一桁小さいため、式（１）、式（３）、式（５）の距離ｒの導出には以下の近似式を用いている。式（６）は任意の値Ｘ，ＹがＸ≫Ｙのときに成り立つ式である。
（Ｘ＋Ｙ）2＝Ｘ2（１＋Ｙ／Ｘ）2≒Ｘ2（１＋２Ｙ／Ｘ）、（Ｙ／Ｘ）2≒０
・・・（６）
【００３１】
式（２）、式（４）で示したような電界の変化が、図８に示した伝導特性を変調させるので、振動変位ａｓｉｎωｔを検出することが可能となる。つまり、伝導部３は、ゲート６，７によって制御される、図８のような伝導特性を有するＦＥＴとして動作する。振動子の振動変位がｓｉｎ関数のとき、式（１）、式（３）、式（５）に示したようにＡ点とＢ点との距離ｒの変調成分もｓｉｎ関数となる。面積ｓの平板に電荷Ｑが一様に分布した際に、この平板から距離ｒだけ離れた位置の電界強度はＥ＝（Ｑｒ）／（εｓ）となる（εは平板とこの平板から距離ｒだけ離れた位置とを含む空間の誘電率）。この電界強度Ｅにおおよそ近似できる電界が伝導部３に印加されると考えられる。したがって、実効的な電界は距離ｒに比例すると考えられるので、ＦＥＴのゲート６，７にｓｉｎ関数の信号が印加されると考えられる。
【００３２】
すなわち、振動子がａｓｉｎωｔで振動すると、ａｓｉｎωｔに比例した成分がＦＥＴの出力電圧（ドレイン−ソース間電圧）に現れることになる。このＦＥＴの出力から機械共振器の共振周波数ω0を求めることができる。また、ＦＥＴの出力から機械共振器のＱ値も求めることができる。なお、振動の振幅ａを求めるには、キャリブレーションを行う必要がある。キャリブレーションの方法としては、熱振動（外的な力ではなく、振動子の持つ熱によって生じる振動）のスペクトルから振幅ａを算出する方法や、機械共振器に加える外的な力を変化させていき振動が非線形性を見せる時の値から振幅ａを求める方法などがある。これらのキャリブレーションの方法は周知であるため、詳細な説明は省略する。
【００３３】
図８に示したようなＦＥＴとしての特性は常温で現れることから、振動子の振動は常温で検出できる。当然のことながら、ＦＥＴとして動作する温度であれば、常温を下回る温度あるいは常温を上回る温度であっても、振動子の振動を検出することができる。
【００３４】
本実施の形態では、１例として伝導部３を両持ち梁型の構造とし、ゲート６，７を片持ち梁型の構造としたが、振動時に伝導部３とゲート６，７との距離が変調される構造であれば、どのような構造であってよいことは言うまでもない。
また、本実施の形態では、伝導部３の伝導度を変調するゲートの効果を高めるために、ゲートを伝導部３の両側に１つずつ設けているが、ゲートは１つであってよい。
【００３５】
本実施の形態では、伝導部３とゲート６，７とを、電極を用いずに溝を掘るだけで作製することができる。そのため、機械共振器のサイズを、電子線描画装置やフォトリソグラフィ装置の解像度の限界まで微細化することが可能である。特に、伝導部３を振動子として用いる場合は超微細化が可能で、高周波数で動作する機械共振器および検出素子を実現することができる。
【００３６】
伝導部３のみを振動子として利用する場合には、ゲート６，７の下部の犠牲層２０１を残して、伝導部３の下部の犠牲層２０１を除去すればよい。ゲート６，７のみを振動子として利用する場合には、伝導部３の下部の犠牲層２０１を残して、ゲート６，７の下部の犠牲層２０１を除去すればよい。伝導部３とゲート６，７の両方を振動子として利用する場合には、伝導部３の下部およびゲート６，７の下部の犠牲層２０１を除去すればよい。なお、伝導部３の下部およびゲート６，７の下部の犠牲層２０１を両方とも除去した場合であっても、後述のように伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数を個別に検出できるので、伝導部３の共振周波数のみを測定結果として採用すれば、実質的に伝導部３のみを振動子として利用することになり、ゲート６，７の共振周波数のみを測定結果として採用すれば、実質的にゲート６，７のみを振動子として利用することになる。
【００３７】
伝導部３とゲート６，７の両方を振動子として利用する場合には、伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数とは一致しないため、個別に検出することができる。伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数とは、そのサイズと材料によって決まり、一方が他方の倍あるいは一方が他方の半分となる倍半分の範囲に収まると仮定できる。伝導部３とゲート６，７のサイズが近い場合、高次の共振モードの共振周波数を比較することで、伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数とを区別することができる。例えば、片持ち梁の場合、２次のモードは約６．３倍の共振周波数になるが、両持ち梁の場合、２次のモードは約２．８倍の共振周波数になる。したがって、高次の共振モードの共振周波数を比較することで、伝導部３の共振周波数とゲート６，７の共振周波数とを区別することができ、これらの共振周波数を個別に検出することができる。
【００３８】
本実施の形態の機械共振器では、伝導部３およびゲート６，７に用いる材料として、III−Ｖ族化合物半導体を用いる場合、図８に示す伝導特性（静特性）に従い、高周波動作が可能となる。特に伝導部３にＩｎＡｓもしくはＩｎＧａＡｓを用いることで、微細化による表面空乏化の影響を防ぐことが可能である。
【００３９】
また、伝導部３に、シリコン、ゲルマニウム、炭素、およびこれらの混晶などのIV族半導体を用いるようにしてもよい。また、伝導部３に、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＣｕＩｎＳｅ２をはじめとした化合物半導体を用いるようにしてもよい。また、ゲート６，７によって伝導特性が変化する材料であれば、半導体以外の任意の材料を伝導部３に用いてもよい。また、伝導部３には、Ｐ型半導体、Ｎ型半導体のどちらを用いてもよいことは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、機械共振器を微小化する技術に適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１…ドレイン、２…ソース、３…伝導部、４，５…ゲート支持部、６，７…ゲート、８…エッチング溝、９…空間。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたドレインと、
基板上に形成されたソースと、
一端が前記ドレインに接続され、他端が前記ソースに接続された伝導部と、
この伝導部と対向するように配置され、前記伝導部の伝導度を電界効果により制御するゲートとを備え、
前記伝導部と前記ゲートのうち少なくとも一方は、前記基板から浮いた状態で支持され、
前記ゲートに一定のバイアス電圧が印加された状態で、前記伝導部と前記ゲートのうち少なくとも一方が振動子として振動したときに、前記伝導部と前記ゲートとの距離が変化することにより、前記ドレインと前記ソース間の出力電圧が変調されることを特徴とする機械共振器。
【請求項２】
請求項１記載の機械共振器において、
前記ドレイン、ソース、伝導部およびゲートは、伝導層を有する半導体積層構造に形成され、
前記ドレイン、ソースおよび伝導部と、前記ゲートとは、前記半導体積層構造に形成された溝によって分離されていることを特徴とする機械共振器。
【請求項３】
請求項１または２記載の機械共振器において、
さらに、基板上に形成されたゲート支持部を備え、
前記伝導部は、両端が前記ドレインとソースで固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持される両持ち梁型の構造であり、
前記ゲートは、一端が前記ゲート支持部で固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持され、他端が前記伝導部と対向するように配置された片持ち梁型の構造であることを特徴とする機械共振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械共振器において、
前記伝導部は、半導体もしくは化合物半導体からなることを特徴とする機械共振器。
【請求項５】
請求項４記載の機械共振器において、
前記伝導部は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓもしくはＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする機械共振器。
【請求項１】
基板上に形成されたドレインと、
基板上に形成されたソースと、
一端が前記ドレインに接続され、他端が前記ソースに接続された伝導部と、
この伝導部と対向するように配置され、前記伝導部の伝導度を電界効果により制御するゲートとを備え、
前記伝導部と前記ゲートのうち少なくとも一方は、前記基板から浮いた状態で支持され、
前記ゲートに一定のバイアス電圧が印加された状態で、前記伝導部と前記ゲートのうち少なくとも一方が振動子として振動したときに、前記伝導部と前記ゲートとの距離が変化することにより、前記ドレインと前記ソース間の出力電圧が変調されることを特徴とする機械共振器。
【請求項２】
請求項１記載の機械共振器において、
前記ドレイン、ソース、伝導部およびゲートは、伝導層を有する半導体積層構造に形成され、
前記ドレイン、ソースおよび伝導部と、前記ゲートとは、前記半導体積層構造に形成された溝によって分離されていることを特徴とする機械共振器。
【請求項３】
請求項１または２記載の機械共振器において、
さらに、基板上に形成されたゲート支持部を備え、
前記伝導部は、両端が前記ドレインとソースで固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持される両持ち梁型の構造であり、
前記ゲートは、一端が前記ゲート支持部で固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持され、他端が前記伝導部と対向するように配置された片持ち梁型の構造であることを特徴とする機械共振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の機械共振器において、
前記伝導部は、半導体もしくは化合物半導体からなることを特徴とする機械共振器。
【請求項５】
請求項４記載の機械共振器において、
前記伝導部は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＡｓもしくはＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする機械共振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−９１４４（Ｐ２０１３−９１４４Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４０２８７（Ｐ２０１１−１４０２８７）
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２４日（２０１１．６．２４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（８９９００００６８）学校法人早稲田大学 (602)
【Ｆターム（参考）】
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