電子デバイスおよびその製造方法、並びに、上記電子デバイスを備えたセンサーシステム
【課題】発光素子と受光素子とのペアを備えて微細化が可能である。
【解決手段】対をなす発光素子１１と受光素子１２とは共に微細な棒状の素子であり、微細な棒状発光素子１１から放出された光を微細な棒状受光素子１２で受光することによって、微細な棒状受光素子１２の電気特性が変化する。こうして、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２との対を非常に微細にして、電子デバイス１０を非常に微細化することが可能になる。
【解決手段】対をなす発光素子１１と受光素子１２とは共に微細な棒状の素子であり、微細な棒状発光素子１１から放出された光を微細な棒状受光素子１２で受光することによって、微細な棒状受光素子１２の電気特性が変化する。こうして、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２との対を非常に微細にして、電子デバイス１０を非常に微細化することが可能になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微細な棒状発光素子および微細な受光素子を備えた電子デバイスおよびその製造方法、並びに、上記電子デバイスを備えたセンサーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光素子と受光素子とを備えた電子デバイスとして、特開２０１１‐２９４６７号公報(特許文献１)に開示されたフォトカプラがある。このフォトカプラは、図４４に示すように、入力された電気信号を光信号に変換するＬＥＤ(Light Emitting Diode：発光ダイオード)３を、リードフレーム１に固定すると共に、配線５aによりリードフレーム１に電気的に接続する。また、光信号を電気信号に変換して出力する受光素子４を、リードフレーム２に固定すると共に、配線５bによりリードフレーム２に電気的に接続する。そして、リードフレーム１とリードフレーム２とを離間して配置し、ＬＥＤ３と受光素子４とを包含する透光部６を形成する。さらに、透光部６の表面にレーザ光を照射して凹凸形状を形成し、透光部６を包含するパッケージ７を形成して構成されている。
【０００３】
上記構成のフォトカプラでは、リードフレーム１を通して外部から入力された信号によってＬＥＤ３が点灯され、その光を受光素子４で受光する。そして、受光した光によって受光素子４の電気特性が変化し、その変化をリードフレーム２を通して取り出すことができる。
【０００４】
しかしながら、上記従来のフォトカプラには、以下のような問題がある。すなわち、ＬＥＤ３でなる発光素子および受光素子４は半導体ウェハ上に形成された素子をダイシング技術によって切り出して作成され、それらの大きさは通常数百ミクロン角である。また、上記発光素子および上記受光素子の実装は、上記特許文献１に開示されているように、通常のボンディング技術を用いて行われる。さらに、上記発光素子と上記受光素子との間隔は、このような実装技術の精度を考慮して設定しなければならない。そのため、上記発光素子および上記受光素子の対が必要とする空間のサイズは、数ミリメートルに達するのが普通であり、上記従来のフォトカプラ等の電子デバイスの微細化を阻害し、上記電子デバイスの応用の範囲を限定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１‐２９４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の第１の課題は、発光素子と受光素子とのペアを備えて、微細化が可能であり、且つ応用範囲が広い電子デバイス、および、その製造方法を提供することにある。
【０００７】
また、第２の課題は、上記電子デバイスを備えたセンサーシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、この発明の電子デバイスは、
直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有すると共に、光を放出する棒状発光素子と、
直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有すると共に、上記棒状発光素子から放出された光を受光する棒状受光素子と
を備えたことを特徴としている。
【０００９】
上記構成によれば、光を放出する発光素子と、この発光素子と対を成して上記発光素子から放出された光を受光する受光素子とにおいて、上記発光素子を、直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有する棒状発光素子としている。また、上記受光素子を、直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有する棒状受光素子としている。
【００１０】
このように、上記発光素子を、通常のＬＥＤチップと比しても充分に小さい棒状発光素子とする一方、上記受光素子を、通常のフォトダイオード,フォトトランジスタおよびフォトコンダクタと比しても充分に小さい棒状受光素子としているので、上記発光素子と上記受光素子との対を非常に微細にすることが可能である。したがって、上記発光素子と上記受光素子との対を含む電子デバイスをも非常に微細化することが可能である。
【００１１】
すなわち、この発明によれば、従来のＬＥＤチップと受光素子との対では実現できない広い応用が可能になる。さらには、上記棒状発光素子が非常に小さいため、本電子デバイスの主たる電力消費源である発光素子の消費電力が小さい。したがって、本電子デバイスの消費電力を著しく低減することが可能になる。
【００１２】
さらに、上記発光素子と上記受光素子とは、共に非常に小さな棒状素子であるので、上記作用効果を奏しつつ上記受光素子の感度を良好にして、本電子デバイスの性能を高くすることが可能になる。
【００１３】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子は、同一の基板上に配置されている。
【００１４】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子および上記棒状受光素子を微細な領域に配置することが可能になるため、本電子デバイスをさらに微細化することが可能になる。また、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との距離を近づけることができるので、上記棒状発光素子の光量をさらに小さくしても、上記棒状受光素子の感度を保つことができる。したがって、本電子デバイスの消費電力をさらに低減することができる。また、上記棒状発光素子の光量を小さくする代わりに、上記棒状発光素子あるいは上記棒状受光素子のサイズを小さくすることも可能である。その場合には、本電子デバイスをさらに微細化することができる。
【００１５】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記棒状受光素子は、第１導電型の半導体と第２導電型の半導体とが接合された半導体素子である。
【００１６】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子を点灯した場合と消灯した場合とにおける上記棒状受光素子に流れる電流値の比を大きくすることができるので好ましい。特に、上記棒状発光素子を消灯した場合に上記棒状受光素子を流れる電流値を極めて小さくすることができる。したがって、例えば、上記棒状受光素子と電源との間に設けられる抵抗素子の抵抗値を大きくすることができるので、本電子デバイスを低消費電力化することが可能になる。
【００１７】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記棒状受光素子は、上記棒状発光素子から放出された光の強弱に応じて電気特性が変化して、上記棒状発光素子から放出された光の強度が予め設定された設定強度を超えると第１の出力状態となる一方、上記設定強度以下になると上記第１の出力状態とは異なる第２の出力状態となるスイッチの機能を有している。
【００１８】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との対はフォトカプラとしての機能を有する。したがって、従来のフォトカプラに比べて非常に微細なフォトカプラを実現することができる。
【００１９】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記棒状発光素子から放出されて上記棒状受光素子に到達する光の光路と交差すると共に、物体を含む流体が内部を流れる流路であって、上記光路との交差部は光が透過可能になっている流路と、
上記棒状受光素子から出力される受光量に応じた出力信号に基づいて、上記流路を通過した上記物体を検知するための回路と
を備えている。
【００２０】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子とは共に微細な棒状の素子であるので、上記棒状発光素子から放出された光が上記棒状受光素子に到達するまでの光路と交差する上記流路も微細に構成することができる。したがって、上記回路から出力される上記棒状受光素子からの受光量に応じた出力信号に基づいて、上記微細な流路における上記光路の箇所を通過する物体であって通常の(従来の)フォトインタラプタでは検知できないような微細な物体を検知して、上記微細な物体の数をカウントしたり、上記微細な物体の種類を特定したりすることが容易になる。
【００２１】
さらに、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子とが共に微細な棒状の素子であるので、通常のフォトインタラプタに比べて検出部を極めて小さくすることが可能になる。さらには、本電子デバイスの主要な電力消費源である上記棒状発光素子が非常に小さいため、低消費電力化が可能になる。
【００２２】
また、この発明の電子デバイスの製造方法は、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子が配置される上記基板上に、少なくとも第１の電極対と第２の電極対とを形成する電極対形成工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記棒状発光素子を含む液体を導入すると共に、上記第１の電極対に交流電圧を印加して、上記第１の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記棒状発光素子を配置させる発光素子配置工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記棒状受光素子を含む液体を導入すると共に、上記第２の電極対に交流電圧を印加して、上記第２の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記棒状受光素子を配置させる受光素子配置工程と
を含むことを特徴としている。
【００２３】
上記構成によれば、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子とを、簡易に且つ極めて接近した位置に配置することができる。したがって、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との対を非常に微細にし、非常に微細化された電子デバイスを簡易な製造方法で提供することができる。
【００２４】
また、１実施の形態の電子デバイスの製造方法では、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子のうちの少なくとも一方は、一端側と他端側とが夫々異なる極性を有する有極性素子であり、
上記第１の電極対と上記第２の電極対とのうち上記有極性素子が配置される電極対に印加される上記交流電圧には、直流電圧が重畳されており、
上記有極性素子が配置される電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に配置される上記有極性素子の両端の向きが、上記電極対に印加される上記直流電圧によって定められる。
【００２５】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子あるいは上記棒状受光素子が極性を有する有極性素子であっても、上記極性の向きを含めて正しい向きに上記有極性素子を上記基板上に配値することができる。したがって、上記有極性素子を含む複雑で高度な電子デバイスを簡易な製造方法で提供することができる。
【００２６】
また、この発明のセンサーシステムは、
上記この発明の電子デバイスを有するセンサー部を備えたことを特徴としている。
【００２７】
上記構成によれば、上記センサー部において、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との間に設けられた上記流路は微細に構成されている。したがって、上記センサー部によって、上記微細な流路を流れる微細な物体を検知することができる。さらに、上記センサー部を極めて小さくできるので、様々な場所に上記センサーを設置することが可能になる。したがって、本センサーシステムの利用範囲を広めることができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上より明らかなように、この発明の電子デバイスは、光を放出する発光素子とこの発光素子から放出された光を受光する受光素子との対において、上記発光素子を、直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状発光素子とする一方、上記受光素子を、直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状受光素子とするので、上記発光素子を通常のＬＥＤチップと比しても充分に小さく、上記受光素子を通常のフォトダイオード,フォトトランジスタおよびフォトコンダクタと比しても充分に小さくできる。したがって、上記発光素子と上記受光素子との対を非常に微細にすることができ、上記発光素子と上記受光素子との対を含む電子デバイスを非常に微細化することができる。
【００２９】
すなわち、この発明によれば、従来のＬＥＤチップと受光素子との対を含む電子デバイスでは実現できないような広い応用が可能になる。さらに、上記棒状発光素子が非常に小さいため本電子デバイスの主たる電力消費源である発光素子の消費電力を小さくできる。したがって、本電子デバイスの消費電力を著しく低減することができる。
【００３０】
また、この発明の電子デバイスの製造方法は、電極対が形成された基板上に上記棒状発光素子を含む液体を導入すると共に、第１の電極対に交流電圧を印加して、上記棒状発光素子を配置させる一方、上記基板上に上記棒状受光素子を含む液体を導入すると共に、第２の電極対に交流電圧を印加して、上記棒状受光素子を配置させるので、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子とを、簡易に且つ極めて接近した位置に配置することができる。
【００３１】
したがって、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との対を非常に微細にし、非常に微細化された電子デバイスを簡易な製造方法で提供することができる。
【００３２】
また、この発明のセンサーシステムは、上記この発明の電子デバイスを有するセンサー部において、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との間に設けられた上記流路は微細に構成されているので、上記センサー部によって、上記微細な流路を流れる通常のフォトインタラプタでは検知できないような微細な物体を検知することができる。
【００３３】
さらに、上記センサー部を極めて小さくできるので、様々な場所に上記センサーを設置することが可能になる。したがって、本センサーシステムの利用範囲を広めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の第１実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図２】図１に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図３】図２における微細な棒状発光素子の構造を示す概略図である。
【図４】図２における微細な棒状受光素子の構造を示す概略図である。
【図５】図２における微細な棒状抵抗素子の構造を示す概略図である。
【図６】第２実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図７】第３実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図８】図３に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図９】図８における微細な棒状受光素子の構造を示す概略図である。
【図１０】第４実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図１１】図１０に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図１２】図１１における微細な棒状発光素子の構造を示す概略図である。
【図１３】図１１における微細な棒状増幅素子の構造を示す概略図である。
【図１４】第５実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図１５】図１４に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図１６】図１５におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。
【図１７】図１５における微細な棒状受光素子の構造を示す概略図である。
【図１８】微細な棒状受光素子(フォトダイオード)の形成手順を示す図である。
【図１９】図１８に続く形成手順を示す図である。
【図２０】図１９に続く形成手順を示す図である。
【図２１】図２０に続く形成手順を示す図である。
【図２２】図２１に続く形成手順を示す図である。
【図２３】図２２に続く形成手順を示す図である。
【図２４】図２３に続く形成手順を示す図である。
【図２５】図２４に続く形成手順を示す図である。
【図２６】微細な棒状増幅素子(電界効果トランジスタ)の形成手順を示す図である。
【図２７】図２６に続く形成手順を示す図である。
【図２８】図２７に続く形成手順を示す図である。
【図２９】微細な棒状発光素子(発光ダイオード)の形成手順を示す図である。
【図３０】図２９に続く形成手順を示す図である。
【図３１】図３０に続く形成手順を示す図である。
【図３２】図３１に続く形成手順を示す図である。
【図３３】図３２に続く形成手順を示す図である。
【図３４】図１５に示す電子デバイスの形成手順を示す図である。
【図３５】図３４に続く形成手順を示す図である。
【図３６】図３５に続く形成手順を示す図である。
【図３７】図３６に続く形成手順を示す図である。
【図３８】図３７に続く形成手順を示す図である。
【図３９】図３８に続く形成手順を示す図である。
【図４０】図３９に続く形成手順を示す図である。
【図４１】図４０に続く形成手順を示す図である。
【図４２】図４１に続く形成手順を示す図である。
【図４３】この発明のセンサーシステムにおけるブロック図である。
【図４４】従来のフォトカプラの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３６】
先ず、この発明に用いられる微細な棒状発光素子および微細な棒状受光素子について簡単に説明する。
【００３７】
上記微細な棒状発光素子および微細な棒状受光素子は、所謂ナノワイヤをベースとしてデバイス化されたものである。その好ましい直径は、例えば微細な棒状発光素子の場合は１ｎｍ〜５００ｎｍである。また、通常、長さは直径よりもはるかに大きく、好ましくは１０ｎｍ〜５０μｍであり、マイクロメートルサイズであってもよい。
【００３８】
しかしながら、この発明に用いる微細な棒状発光素子および微細な棒状受光素子は、通常の発光素子(ＬＥＤチップ)や受光素子に比べて十分に小さいサイズの棒状の発光素子および棒状の受光素子であればよく、直径が１０μｍ以下であり、長さが５００μｍ以下であるものを含んでいる。
【００３９】
・第１実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。
【００４０】
図１は、本実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。図２は、本実施の形態の電子デバイスにおける概略平面図である。図３〜図５は、本実施の形態の電子デバイスにおける上記微細な棒状発光素子,上記微細な棒状受光素子および微細な棒状抵抗素子の構造を説明するための概略図である。
【００４１】
図１〜図５に示すように、本電子デバイス１０は、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２との対でなるフォトカプラ１３を含んでいる。そして、発光ダイオードでなる微細な棒状発光素子１１、フォトダイオードでなる微細な棒状受光素子１２、及び、微細な棒状抵抗素子１４は、基板１５上に横倒しで配置されている。そして、基板１５上には、端子１６〜端子２０が形成されている。また、基板１５上には、配線２１が形成されており、各端子１６〜２０と各素子との間および各素子間を電気的に接続している。
【００４２】
上記微細な棒状発光素子(発光ダイオード)１１は、長手方向にＰ型半導体領域２２およびＮ型半導体領域２３が接続されて構成されている。そして、Ｐ型半導体領域２２は配線２１を介して端子１６に接続され、Ｎ型半導体領域２３は配線２１を介して端子１７に接続されている。端子１６は微細な棒状発光素子１１を駆動するための正極となり、端子１７は負極となる。
【００４３】
上記微細な棒状受光素子(フォトダイオード)１２は、長手方向にＰ型半導体領域２４,Ｉ型半導体領域(真性領域)２６およびＮ型半導体領域２５がこの順に接続されて構成されている。そして、Ｐ型半導体領域２４は配線２１を介して端子２０に接続されている。また、Ｎ型半導体領域２５は配線２１を介して、端子１９および微細な棒状抵抗素子１４の一端に接続されている。尚、微細な棒状抵抗素子１４の他端は、配線２１を介して端子１８に接続されている。ここで、端子１８は高電位端子、端子２０は低電位端子、端子１９は出力端子となる。
【００４４】
上記微細な棒状受光素子(フォトダイオード)１２は、基板１５上に、微細な棒状発光素子１１と対向するように配置されている。こうすることによって、微細な棒状受光素子１２は、微細な棒状発光素子１１が放出した光を受光することができる。すなわち、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２とで発光素子‐受光素子対１３を構成しており、この発光素子‐受光素子対１３自身でフォトカプラを構成するのである。
【００４５】
上記微細な棒状抵抗素子１４の抵抗値は、通常、微細な棒状発光素子１１が消灯状態の場合の微細な棒状受光素子１２の抵抗値よりも小さく、微細な棒状発光素子１１が点灯状態の場合の微細な棒状受光素子１２の抵抗値よりも大きく設定する。こうすることによって、例えば、微細な棒状発光素子１１が消灯状態の場合には、端子(出力端子)１９の電位が高電位となり、微細な棒状発光素子１１が点灯状態になると、端子１９の電位が低下する。
【００４６】
上記微細な棒状発光素子１１は、ＧaＡsＰ系,ＧaＰ系,ＧaＡlＡs系,ＡlＧaＩnＰ系およびＩnＧaＮ系等を用いることができる。図２および図３においては、微細な棒状発光素子１１はＰ型半導体領域２２およびＮ型半導体領域２３の２接続構造としているが、実際には高効率発光化のために多接続構造を有していても差し支えない。例えば、ＡlＧaＩnＰ系を用いる場合には、ｐ型ＡlＩnＰクラッド層,ＡlＧaＩnＰ活性層,ｎ型ＡlＩnＰクラッド層およびｎ型ＧaＡs層をこの順に接続したものを用いることができる。また、ＩnＧaＮ系を用いる場合は、ｐ型ＧaＮクラッド層,ＩnＧaＮ活性層およびｎ型ＧaＮクラッド層をこの順に接続したものを用いることができる。さらには、活性層を複数積層して多重量子井戸構造としてもよい。
【００４７】
上記微細な棒状発光素子１１のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状発光素子１１のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な光量が得られ、且つ通常のＬＥＤチップに比べて極めて小さい、直径が１００ｎｍ〜５００ｎｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００４８】
上記微細な棒状受光素子１２は上述のごとくフォトダイオードであり、例えば、シリコン,ゲルマニウム,ＩnＧaＡsおよび硫化鉛を用いることができる。材料の選択は、微細な棒状発光素子１１が発光する光を吸収できるものから行う。微細な棒状受光素子１２の構造は、図４に示すように、Ｐ型半導体領域２４とＮ型半導体領域２５との間にＩ型半導体領域(真性領域)２６を設けることが、感度が上がるため好ましい。また、Ｐ型半導体領域２４とＮ型半導体領域２５とを、Ｉ型半導体領域(真性領域)２６を介さずに直接接合させて形成しても良い。
【００４９】
また、上記微細な棒状受光素子１２のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状受光素子１２のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な受光感度が得られ、且つ通常のフォトダイオードに比べて極めて小さい、直径が２００ｎｍ〜１μｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００５０】
上記微細な棒状抵抗素子１４は、図５に示すように、均一な材質からなるナノワイヤ２７で構成される。ナノワイヤ２７は、例えば、シリコン,ゲルマニウムおよびカーボンナノチューブのような半導体,酸化金属および金属を用いることができる。ここで、微細な棒状抵抗素子１４の材料として半導体を選んだ場合には、導電型を与える不純物濃度を変えることによって、抵抗率を調節することができる。無論、ナノワイヤ２７の直径と長さとによって、適切な抵抗値を選択することが可能である。尚、微細な棒状抵抗素子１４を用いる代わりに、通常の抵抗素子を用いることも可能である。
【００５１】
上記微細な棒状抵抗素子１４のサイズは、抵抗率を調節することにより、微細な棒状発光素子１１や微細な棒状受光素子１２と同程度にすることができる。
【００５２】
上記基板１５としては、ガラスおよび樹脂等の絶縁性基板を用いることができる。さらに、基板１５として、絶縁膜をコーティングした金属や半導体を用いても良い。
【００５３】
上記基板１５上に形成される端子１６〜端子２０および配線２１としては、金,銀,銅,アルミニウム,タングステンおよび導電性を与える不純物を高濃度にドープしたポリシリコン等の半導体を用いることができる。
【００５４】
本実施の形態における電子デバイス１０は、発光素子１１と受光素子１２とが共に微細な棒状の素子であり、これらの素子が対をなし、微細な棒状発光素子１１から放出された光を微細な棒状受光素子１２で受光することによって、微細な棒状受光素子１２の電気特性が変化する。そのため、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２との対を非常に微細にすることが可能であり、電子デバイス１０を非常に微細化することが可能になる。さらに、他の実施の形態に示すように、従来のＬＥＤチップと受光素子との対では実現できない広い応用が可能となる。さらには、微細な棒状発光素子１１が非常に小さいために、電子デバイス１０の主たる電力消費源である微細な棒状発光素子１１の消費電力が小さい。したがって、電子デバイス１０の消費電力を著しく低減することが可能になる。
【００５５】
さらにまた、上記発光素子１１のみを微細な棒状の素子とするのではなく、受光素子１２をも微細な棒状の素子とすることによって、以下のような効果を奏することができる。
【００５６】
今、仮に、発光素子のみを微細な棒状の素子とし、受光素子を通常のサイズ(例えば、１ｍｍ角程度)の素子とする。その場合、上記受光素子において光に感応する部分も相応のサイズ(１ｍｍ程度)を有することになる。そのような場合、微細な棒状の発光素子と通常のサイズの受光素子とを十分に接近させて配置させたとしても、上記受光素子の光に感応する部分の一部は、必然的に上記発光素子から相当程度(例えば、０.５ｍｍ〜１ｍｍ)離れてしまうことになる。上記発光素子は微細であり、その発光強度が弱いことを狭慮すると、上記発光素子から放出された光は通常のサイズの受光素子の光に感応する部分を満遍なく照らすことができない。したがって、微細な棒状の発光素子と通常のサイズの受光素子の組合せでは、電子デバイスの性能を十分に高くすることはできないのである。
【００５７】
これに対して、本実施の形態における電子デバイス１０においては、微細な棒状の発光素子１１と微細な棒状の受光素子１２とを組み合わせている。したがって、上述のような問題を起こすことなく、受光素子１２の感度を良好にして、電子デバイス１０の性能を高くすることができるのである。
【００５８】
尚、上記発光素子１１と受光素子１２とは共に棒状であるから、図２に示すように、２つの棒状の素子を基板上で平行に並べる(対向させる)ことによって、発光する部分と受光する部分とを特に接近させて配置することが容易に可能になる。
【００５９】
本実施の形態の電子デバイス１０のように、微細な棒状発光素子１１が放出した光の強弱に応じて微細な棒状受光素子１２の電気特性が変化する場合には、微細な棒状発光素子１１が放出した光の強度が予め設定された設定強度を超えると、微細な棒状受光素子１２の出力が予め定められた基準値を超える第１の出力状態(オン状態)となる一方、微細な棒状発光素子１１が放出した光の強度が上記設定強度以下になると、微細な棒状受光素子１２の出力が上記基準値以下になる第２の出力状態(オフ状態)となるように機能させることができる。
【００６０】
このように、上記電子デバイス１０が微細な棒状発光素子１１が放出した光の強弱に応じて、微細な棒状受光素子１２がオン状態あるいはオフ状態となるスイッチの機能を有する場合には、発光素子１１と受光素子１２との対はフォトカプラ１３としての機能を有することとなり、従来のフォトカプラに比べて非常に微細なフォトカプラが実現する。
【００６１】
また、本実施の形態のごとく、上記微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２とを同一基板１５上に配置するのが好ましい。これにより、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２とを微細な領域に配置することが可能になるため、電子デバイス１０をさらに微細化することが可能になる。また、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２との距離を近づけることができるので、微細な棒状発光素子１１の光量をさらに小さくしても、微細な棒状受光素子１２の感度を保つことができる。したがって、電子デバイス１０の消費電力を更に低減することができる。尚、微細な棒状発光素子１１の光量を小さくする代わりに、微細な棒状発光素子１１のサイズを小さくし、あるいは、微細な棒状受光素子１２のサイズを小さくすることも可能である。こうした場合、電子デバイス１０をさらに微細化することができる。
【００６２】
また、本実施の形態のように、上記微細な棒状受光素子１２は、第１導電型の半導体と第２導電型の半導体との接合を有する半導体素子であることが好ましい。
【００６３】
上記微細な棒状受光素子１２がこのような構成である場合には、微細な棒状発光素子１１を点灯した場合と消灯した場合とに、微細な棒状受光素子１２に流れる夫々の電流値の比を大きくすることができるので好ましい。特に、微細な棒状発光素子１１を消灯した場合に微細な棒状受光素子１２に流れる電流値を極めて小さくすることができる。例えば、本実施の形態の電子デバイス１０の場合には、微細な棒状抵抗素子１４の抵抗値を高くすることができるので、電子デバイス１０を低消費電力化することが可能になる。
【００６４】
・第２実施の形態
図６は、本実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【００６５】
本実施の形態における電子デバイス３０は、上記第１実施の形態における電子デバイス１０の場合と同様に、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。
【００６６】
図６に示すように、本電子デバイス３０は、微細な棒状発光素子３１と微細な棒状受光素子３２との対でなるフォトカプラ３３を含んでいる。尚、微細な棒状発光素子３１は、上記第１実施の形態における微細な棒状発光素子１１と同じ構造を有する発光ダイオードである。そして、発光ダイオードでなる微細な棒状発光素子３１のアノード(Ｐ型半導体領域)は端子３４と接続されており、カソード(Ｎ型半導体領域)は端子３５と接続されている。端子３４は微細な棒状発光素子３１を駆動するための正極となり、端子３５は負極となる。
【００６７】
上記微細な棒状受光素子３２は、上記第１実施の形態における微細な棒状受光素子１２と同じ構造を有するフォトダイオードである。そして、フォトダイオードでなる微細な棒状受光素子３２のカソード(Ｎ型半導体領域)は端子３６に接続され、アノード(Ｐ型半導体領域)はオペアンプ３７の反転入力(−)および微細な棒状抵抗素子３８の一端に接続されている。さらに、微細な棒状抵抗素子３８の他端はオペアンプ３７の出力と共に端子３９に接続されている。また、オペアンプ３７の非反転入力(＋)は端子４０に接続されている。尚、微細な棒状抵抗素子３８は、上記第１実施の形態における微細な棒状抵抗素子１４と同じ構造を有する抵抗素子である。
【００６８】
上記端子３６は高電位端子、端子４０は低電位端子、端子３９は出力端子となる。尚、図示はしないが、オペアンプ３７には、電源用として別途正電圧と負電圧を与えている。以上より明らかなように、オペアンプ３７は反転増幅回路を構成している。
【００６９】
上記微細な棒状受光素子(フォトダイオード)３２は、基板(図示せず)上に微細な棒状発光素子３１と対向するように配置されている。これにより、微細な棒状受光素子３２は、微細な棒状発光素子３１が放出した光を受光することができる。すなわち、微細な棒状発光素子３１と微細な棒状受光素子３２とで発光素子‐受光素子対３３を構成しており、この発光素子‐受光素子対３３自身でフォトカプラを構成するのである。
【００７０】
上記微細な棒状発光素子３１が消灯状態の場合には、端子３９からは出力電圧Ｖ＝０が出力される。微細な棒状発光素子３２が点灯状態の場合には、微細な棒状受光素子３２に流れる電流をＩとすると、端子３９にはＶ＝−Ｉ×Ｒが出力される。ここで、Ｒは微細な棒状抵抗素子３８の抵抗値である。
【００７１】
本実施の形態における電子デバイス３０は、微細な棒状受光素子３２の出力をオペアンプ３７で増幅している。したがって、フォトカプラとしての動作をより広帯域で行うことが可能となる。
【００７２】
尚、上記オペアンプ３７は、ＩＣや通常の素子の組み合わせによって構成することもできるが、その一部または全部を微細な棒状素子の組み合わせによって構成し、微細な棒状受光素子３２等の微細な棒状素子と共に同一基板上に配置してもよい。この場合、微細な棒状受光素子３２の出力を長い配線を介して次段に入力する必要がないため、遅延を低減して更に広帯域動作が可能となる。また、微細な棒状抵抗素子３８を用いる代わりに、通常の抵抗素子を用いることも可能である。
【００７３】
・第３実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態の電子デバイス１０の場合と同様に、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。
【００７４】
図７は、本実施の形態の電子デバイス５０における回路図である。図８は、本実施の形態の電子デバイス５０における概略平面図である。図９は、本実施の形態の電子デバイス５０における微細な棒状受光素子の構造を示す概略図である。
【００７５】
本実施の形態における電子デバイス５０が、上記第１実施の形態における電子デバイス１０と異なる点は、微細な棒状発光素子５１と共にフォトカプラ５３を構成する微細な棒状受光素子５２がフォトトランジスタからなる点のみである。そして、その他の微細な棒状発光素子５１,微細な棒状抵抗素子５４,端子５６〜端子６０の構成は、上記第１実施の形態における微細な棒状発光素子１１,微細な棒状抵抗素子１４,端子１６〜端子２０と同様である。したがって、微細な棒状受光素子５２以外の詳細な説明は省略する。
【００７６】
上記微細な棒状受光素子５２は、図９に示すように、長手方向にＮ型半導体領域６１,Ｐ型半導体領域６３およびＮ型半導体領域６２がこの順に接続されて、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ構造を有するフォトトランジスタ素子を構成している。この微細な棒状受光素子５２としては、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ構造を用いても良い。
【００７７】
上記微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)５２は、図８に示すように、基板５５上に、微細な棒状発光素子５１と対向するように配置されている。こうすることによって、微細な棒状受光素子５２は、微細な棒状発光素子５１が放出した光を受光することができる。すなわち、微細な棒状発光素子５１と微細な棒状受光素子５２とで発光素子‐受光素子対５３を構成しており、この発光素子‐受光素子対５３自身でフォトカプラを構成するのである。
【００７８】
尚、図８において、上記微細な棒状発光素子(発光ダイオード)５１は、長手方向にＰ型半導体領域６４およびＮ型半導体領域６５が接続されて構成されている。また、微細な棒状抵抗素子５４は、ナノワイヤ６６で構成されている。また、６７は配線である。
【００７９】
上記微細な棒状受光素子５２は上述のごとくフォトトランジスタであり、例えば、シリコン,ゲルマニウム,ＩnＧaＡsおよび硫化鉛を用いることができる。材料の選択は、微細な棒状発光素子５１が発光する光を吸収できるものから行う。フォトトランジスタである微細な棒状受光素子５２は、それ自身が増幅作用を有するため、上記第１実施の形態および上記第２実施の形態のごとくフォトダイオードで構成した場合に比べて、遥かに感度が高いという利点を有している。
【００８０】
また、上記微細な棒状受光素子５２のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状受光素子５２のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な受光感度が得られ、且つ通常のフォトトランジスタに比べて極めて小さい、直径が２０ｎｍ〜１μｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００８１】
・第４実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態における電子デバイス１０の場合と同様に、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。
【００８２】
図１０は、本実施の形態の電子デバイス７０における回路図である。図１１は、本実施の形態の電子デバイス７０における概略平面図である。図１２および図１３は、本実施の形態の電子デバイス７０における上記微細な棒状発光素子および微細な棒状増幅素子の構造を説明するための概略図である。
【００８３】
図１０〜図１３に示すように、微細な棒状発光素子(発光ダイオード)７１,微細な棒状受光素子７２,第１の微細な棒状抵抗素子７４および第２の微細な棒状抵抗素子７５は、基板７６上に横倒しで配置されている。基板７６上には、端子７７〜端子８１が形成されている。また、基板７６上には配線８２が形成されており、各端子７７〜８１と各素子との間および各素子間を電気的に接続している。
【００８４】
上記微細な棒状発光素子(発光ダイオード)７１は、図１２に示すように、Ｎ型の半導体コア８３をＰ型の半導体シェル８４で囲んで構成されており、その一端ではＮ型の半導体コア８３が露出している。そして、Ｐ型の半導体シェル８４は配線８２を介して端子７７に接続され、Ｎ型の半導体コア８３は配線８２を介して端子７８に接続されている。端子７７は微細な棒状発光素子７１を駆動するための正極となり、端子７８は負極となる。
【００８５】
上記微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)７２は、上記第３実施の形態における微細な棒状受光素子５２と同じ構造を有するフォトトランジスタであり、第１の微細な棒状抵抗素子７４および第２の微細な棒状抵抗素子７５は、上記第１実施の形態における微細な棒状抵抗素子１４と同じ構造を有する抵抗素子である。
【００８６】
また、微細な棒状増幅素子８５は電界効果トランジスタであり、図１３に示すように、長手方向にソース領域あるいはドレイン領域となるＮ型半導体領域８６と、チャネル領域となるＰ型半導体領域８８と、ドレイン領域あるいはソース領域となるＮ型半導体領域８７とが、この順に接続されている。そして、チャネル領域となるＰ型半導体領域８８は、ゲート絶縁膜となるインナーシェル８９およびゲート電極となるアウターシェル９０で覆われている。
【００８７】
上記微細な棒状受光素子７２は、長手方向にＰ型半導体領域９１,Ｎ型半導体領域９２,Ｐ型半導体領域９３がこの順に接続されて、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ構造のフォトトランジスタ素子を構成している。そして、Ｐ型半導体領域９１は、配線８２を介して、微細な棒状増幅素子８５のＮ型半導体領域８７および端子７９に接続されている。さらに、Ｐ型半導体領域９３は、配線８２を介して、微細な棒状増幅素子８５のアウターシェル(ゲート電極)９０および第１の微細な棒状抵抗素子７４の一端に接続されている。
【００８８】
また、上記微細な棒状増幅素子８５のＮ型半導体領域８６は配線８２を介して、第２の微細な棒状抵抗素子７５の一端および端子８０に接続されている。第１の微細な棒状抵抗素子７４の他端は配線８２を介して、第２の微細な棒状抵抗素子７５の他端および端子８１に接続されている。ここで、端子７９は高電位端子、端子８１は低電位端子、端子８０は出力端子となる。
【００８９】
上記微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)７２は、基板７６上に、微細な棒状発光素子７１と対向するように配置されている。こうすることによって、微細な棒状受光素子７２は、微細な棒状発光素子７１が放出した光を受光することができる。すなわち、微細な棒状発光素子７１と微細な棒状受光素子７２とで発光素子‐受光素子対７３を構成しており、この発光素子‐受光素子対７３自身でフォトカプラを構成するのである。
【００９０】
上記微細な棒状受光素子７２の出力は微細な棒状増幅素子８５のゲート電極９０に入力され、微細な棒状増幅素子８５のＮ型半導体領域８６からの出力が端子８０に現れる。したがって、微細な棒状発光素子７１が消灯状態の場合には、端子(出力端子)８０の電位が低電位となり、微細な棒状発光素子７１が点灯状態になると、端子８０が高電位となる。
【００９１】
上記微細な棒状発光素子７１は、ＧaＡsＰ系,ＧaＰ系,ＧaＡlＡs系,ＡlＧaＩnＰ系およびＩnＧaＮ系等を用いることができる。図１２においては、微細な棒状発光素子７１はＮ型の半導体コア８３およびＰ型の半導体シェル８４の２層構造としているが、実際には高効率発光化のために多層構造を有していても差し支えない。例えば、ＩnＧaＮ系を用いる場合には、Ｎ型の半導体コア,ＩnＧaＮ活性層シェルおよびＰ型の半導体シェルをこの順に積層したものを用いることができる。さらには、活性層を複数積層して活性層シェルを多重量子井戸構造としてもよい。
【００９２】
上記微細な棒状発光素子７１は、側面が発光するので、そのサイズに比して発光強度を強くすることが可能である。そのため、微細な棒状発光素子７１をさらに小さくして本電子デバイス７０を微細化することが可能になる。また、微細な棒状発光素子７１を小さくする代わりに、単位発光層面積当たりの発光強度を弱くすれば、微細な棒状発光素子７１の発光効率が向上し、本電子デバイス７０を低消費電力化することが可能である。
【００９３】
上記微細な棒状発光素子７１のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状発光素子７１のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な光量が得られ、且つ通常のＬＥＤチップに比べて極めて小さい、直径が１００ｎｍ〜５００ｎｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００９４】
電界効果トランジスタである上記微細な棒状増幅素子８５は、例えばシリコン,ＧaＡsおよびＧaＮを用いることができる。微細な棒状増幅素子の他の例としては、バイポーラトランジスタがある。
【００９５】
上記微細な棒状増幅素子８５のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状増幅素子８５のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な出力が得られ、且つ通常の単体の電界効果トランジスタに比べて極めて小さい、直径が２００ｎｍ〜１μｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００９６】
上記第１の微細な棒状抵抗素子７４は、均一な材質からなるナノワイヤ９４で構成されている。また、第２の微細な棒状抵抗素子７５は、均一な材質からなるナノワイヤ９５で構成されている。
【００９７】
本実施の形態の電子デバイス７０は、微細な棒状受光素子７２の出力を、微細な棒状増幅素子８５で増幅している。したがって、フォトカプラ７３としての動作をより広帯域で行うことが可能になる。
【００９８】
・第５実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態における電子デバイス１０の場合と同様に、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。さらに、上記微細な棒状発光素子から放出されて上記微細な棒状受光素子に到達する光の光路と略直交するように流路を配置し、上記微細な棒状受光素子が受光した光の強度によって、上記流路における上記光路の箇所を通過する物体を検知するよう構成している。
【００９９】
図１４は、本実施の形態の電子デバイス１００における回路図であり、微細な流路の模式図が付け加えられている。図１５は、本実施の形態の電子デバイス１００における概略平面図である。図１６は、図１５におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。図１７は、本実施の形態の電子デバイス１００における微細な棒状受光素子の構造を説明するための概略図である。
【０１００】
図１４〜図１６に示すように、微細な棒状発光素子(発光ダイオード)１０１,微細な棒状受光素子(フォトコンダクタ)１０２および微細な棒状抵抗素子１０３は、基板１０４上に横倒しで配置されている。また、基板１０４上には、端子１０５〜端子１０９が形成されている。また、基板１０４上には配線１１０が形成されており、各端子１０５〜１０９と各素子との間および各素子間を電気的に接続している。
【０１０１】
上記微細な棒状発光素子１０１は、上記第１実施の形態における微細な棒状発光素子１１と同じ構造を有する発光ダイオードである。そして、発光ダイオードでなる微細な棒状発光素子１０１のアノード(Ｐ型半導体領域)１１１は端子１０５に接続される一方、カソード(Ｎ型半導体領域)１１２は端子１０６に接続されている。端子１０５は微細な棒状発光素子１０１を駆動するための正極となり、端子１０６負極となる。
【０１０２】
上記微細な棒状受光素子(フォトコンダクタ)１０２は、図１７に示すように均一な材質のナノワイヤ１１３からなり、光を受光すると抵抗が下がるデバイスである。微細な棒状受光素子１０２の一端は、配線１１０を介して端子１０９に接続されており、他端は、配線１１０を介して端子１０８および微細な棒状抵抗素子１０３の一端に接続されている。また、微細な棒状抵抗素子１０３の他端は、配線１１０を介して端子１０７に接続されている。ここで、端子１０７は高電位端子、端子１０９は低電位端子、端子１０８は出力端子となる。
【０１０３】
上記微細な棒状抵抗素子１０３は、上記第１実施の形態における微細な棒状抵抗素子１４と同じ構造を有する抵抗素子であり、均一な材質からなるナノワイヤ１１４で構成される。
【０１０４】
上記微細な棒状発光素子１０１と微細な棒状受光素子１０２との間には、流路(チャネル)１１５が配置されている。この流路１１５は、基板１０４上に貼り付けられたＰＤＭＳ(ポリジメチルシロキサン)膜１１６に形成された溝で構成されている。この流路１１５は、例えば、幅と高さとが１００ｎｍ〜５０μｍである。
【０１０５】
上記流路１１５の壁には光を吸収する塗装１１７がなされているが、微細な棒状発光素子１０１と微細な棒状受光素子１０２とが互いに対向する部分においては塗装１１７がなされておらず、光を透過する窓部１１８が形成されている。
【０１０６】
上記微細な棒状発光素子１０１を点灯状態にしたまま、この流路１１５内に光を散乱する微細な物体１１９あるいは光を吸収する微細な物体１２０を含んだ流体を流した場合には、微細な物体１１９,１２０が窓部１１８を通過する際に微細な棒状受光素子１０２に届く光量が減少する。そこで、端子１０８の電圧をモニターすることによって、微細な物体１１９,１２０の数をカウントすることができる。さらには、微細な物体１１９と微細な物体１２０との形状,大きさあるいは光の吸収率が異なる場合は、端子１０８の電圧変動を解析することにより、その種類を分類することも可能である。
【０１０７】
すなわち、本実施の形態においては、上記配線１１０,棒状抵抗素子１０３および端子１０７〜１０９で、特許請求の範囲における上記「物体を検知するための回路」を構成しているのである。
【０１０８】
上記流路１１５を流れて、微細な棒状発光素子１０１と微細な棒状受光素子１０２との対で検知される微細な物体１１９,１２０としては、通常の(従来の)フォトインタラプタでは検知できないような「花粉,ウィルス,血球等の生体、空気中を漂う微細な砂粒子やほこり、微細金属粒や小麦粉等の爆発性のある粉塵」等がある。
【０１０９】
上記微細な棒状受光素子１０２はフォトコンダクタであり、例えば、シリコン,ゲルマニウム,ＩnＧaＡs,ＨgＣdＴeおよびＩnＳbを用いることができる。材料の選択は、微細な棒状発光素子１０１が発光する光を吸収できるものから行う。
【０１１０】
また、上記微細な棒状受光素子１０２のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状受光素子１０２のサイズはこれに限定されるものではなく、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な受光感度が得られ、且つ通常のフォトコンダクタに比べて極めて小さい、直径が２００ｎｍ〜１μｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【０１１１】
尚、上記微細な棒状受光素子１０２としては、フォトコンダクタの代わりに微細な棒状のフォトダイオードやフォトトランジスタを用いれば、暗電流を小さくすることができるのでさらに好ましい。
【０１１２】
さらに、上記微細な棒状受光素子１０２の出力を受ける次段として、微細な棒状の増幅素子や増幅回路を設けてもよい。
【０１１３】
以上のごとく、本実施の形態の電子デバイス１００は、発光素子１０１と受光素子１０２とが共に微細な棒状の素子であるため、発光素子１０１が放出した光が受光素子１０２に届くまでの光路上に設けられる流路１１５を微細なものとすることができる。したがって、微細な流路１１５を通過する「花粉,ウィルス,血球等の生体、空気中を漂う微細な砂粒子やほこり、微細金属粒や小麦粉等の爆発性のある粉塵」等の微細な物体１１９,１２０の数をカウントし、種類を特定することが容易になる。また、発光素子１０１と受光素子１０２とが共に微細な棒状の素子であるため、通常のフォトインタラプタに比べて検出部を極めて小さくすることが可能である。さらには、本電子デバイス１００の主要な電力消費源である発光素子１０１が非常に小さいため、低消費電力化が可能である。
【０１１４】
・第６実施の形態
本実施の形態は、上記第１実施の形態〜上記第５実施の形態における電子デバイス１０〜電子デバイス１００の製造方法における各電子デバイスに共通する製造方法に関する。
【０１１５】
（１）電子デバイスの製造手順
先ず、上記第１実施の形態〜上記第５実施の形態における電子デバイス１０〜電子デバイス１００を製造する手順を説明する。
【０１１６】
上記第１実施の形態〜上記第５実施の形態における電子デバイス１０〜電子デバイス１００は、何れも微細な棒状素子が基板上に配置され、さらに配線されることによって製造される。より具体的には、微細な棒状素子を基板上で多数形成した後、それらの微細な棒状素子を上記基板から切り離す。次に、切り離された棒状素子を上記基板とは別の本来の基板上の所定の位置に配列し、配線するのである。
【０１１７】
以下に、上記微細な棒状素子の形成方法と、上記微細な棒状素子の基板上への配列方法とについて、詳細に説明する。
【０１１８】
（２）微細な棒状素子の形成方法
ここでは、微細な棒状素子の形成方法について、３通りの方法を説明する。
【０１１９】
第１の方法
上記微細な棒状素子の形成方法のうちの第１の方法として、上記第１実施の形態における微細な棒状受光素子(フォトダイオード)１２の形成方法を例に挙げて説明する。
【０１２０】
上記微細な棒状受光素子１２は、ＰＩＮ構造を有しており、シリコンからなるとする。尚、上記第２実施の形態における微細な棒状受光素子(フォトダイオード)３２も同様の方法で形成することができる。また、上記各実施の形態における微細な棒状発光素子(発光ダイオード)１１,３１,５１,１０１、微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)５２,７２も、適切な材料を用いて適切な不純物プロファイルを形成することにより、同様の方法で形成することができる。また、微細な棒状受光素子(フォトコンダクタ)１０２、微細な棒状抵抗素子１４,３８,５４,７４,７５,１０３は、ＰＮ接合を有していないが、棒状素子全体に渡って一様な不純物プロファイルを与えるなどすれば、やはり同様な方法で形成することができる。
【０１２１】
先ず、図１８に示すように、シリコン基板１２１を準備する。
【０１２２】
次に、図１９に示すように、開口部が設けられたシリコン酸化膜１２２をシリコン基板１２１上に形成する。具体的には、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によって、シリコン基板１２１上に例えば１００ｎｍの厚さでシリコン酸化膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィ工程によって、上記シリコン酸化膜に、例えば２００ｎｍの大きさの開口部をパターニングしてシリコン基板１２１表面の一部を露出させて、シリコン酸化膜１２２を形成する。
【０１２３】
次に、図２０に示すように、金からなる金属触媒粒１２３を、シリコン酸化膜１２２の開口部であってシリコン基板１２１が露出している部分に形成する。具体的には、パターニングされたシリコン酸化膜１２２が形成されたシリコン基板１２１上の全面に、例えば厚さ３ｎｍの金をスパッタにより成膜し、９００℃程度でアニールすることによって金を凝集させればよい。
【０１２４】
次に、図２１に示すように、上記シリコン酸化膜１２２の開口部から露出しているシリコン基板１２１上に、ＣＶＤ装置を用いて、例えば３μｍの長さにｐ型シリコンをＶＬＳ(Vapor Liquid Solid)成長させてＰ型半導体領域１２４を形成する。成長温度は８００℃程度であり、成長ガスとしてシランを用い、キャリアガスとして水素を用い、導電性を与える不純物を含むガスとしてジボランを用いる。
【０１２５】
次に、図２２に示すように、上記導電性を与える不純物を含むガス(ジボラン)の供給を停止してさらに成長を続け、例えば３μｍの長さに無ドープ(イントリンシック)シリコンを成長させてＩ型半導体領域(真性領域)１２５を形成する。
【０１２６】
次に、図２３に示すように、上記導電性を与える不純物を含むガスとしてホスフィンを流してさらに成長を続け、例えば３μｍの長さにｎ型シリコンを成長させてＮ型半導体領域１２６を形成する。こうして、長さ方向にＰ型半導体領域１２４,Ｉ型半導体領域１２５およびＮ型半導体領域１２６が順に並んだシリコンワイヤが形成される。
【０１２７】
次に、図２４に示すように、上記シリコン酸化膜１２２および金属触媒粒１２３を夫々ウェットエッチングにより除去し、最後に、図２５に示すように、シリコン基板１２１とその表面上に形成された棒状の構造物とを水等の液体中に浸し、超音波を照射することによって、上記棒状の構造物をシリコン基板１２１から切り離す。こうしてシリコン基板１２１から切り離された個々の棒状の構造物は、上記第１実施の形態において、長手方向にＰ型半導体領域２４,Ｉ型半導体領域２６およびＮ型半導体領域２５がこの順で接続されてフォトダイオードの機能を有する微細な棒状受光素子１２となる。
【０１２８】
第２の方法
上記微細な棒状素子の形成方法のうちの第２の方法として、上記第４実施の形態における微細な棒状増幅素子(電界効果トランジスタ)８５の形成方法を例に挙げて説明する。
【０１２９】
上記微細な棒状増幅素子８５は、ＮＰＮ構造を有しており、シリコンからなるとする。
【０１３０】
先ず、図２６に示すように、シリコン基板１２７上に、根元側から長さ方向にＮ型半導体領域１２８,Ｐ型半導体領域１２９およびＮ型半導体領域１３０がこの順に接続されたシリコンワイヤを形成する。このシリコンワイヤは、上記第１の方法と同様にして形成すればよい。尚、シリコンワイヤの太さは、例えば２００ｎｍとし、長さは、例えば１０μｍとする。
【０１３１】
次に、図２７に示すように、上記Ｎ型半導体領域１２８,Ｐ型半導体領域１２９およびＮ型半導体領域１３０の表面に、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜１３１を、例えば１０ｎｍの厚さで形成する。シリコン酸化膜１３１は、ＣＶＤ法により形成するか、Ｎ型半導体領域１２８,Ｐ型半導体領域１２９およびＮ型半導体領域１３０の表面を熱酸化することによって形成することができる。次に、シリコン酸化膜１３１の表面に、ゲート電極となるＮ型に高濃度ドープしたポリシリコン膜１３２を、ＣＶＤ法によって形成する。ポリシリコン膜１３２の厚さは、例えば５０ｎｍとする。
【０１３２】
最後に、図２８に示すように、上記シリコン基板１２７とその表面上に形成した棒状の構造物を水等の液体中に浸し、超音波を照射することによって、上記棒状の構造物をシリコン基板１２７から切り離す。こうしてシリコン基板１２７から切り離された個々の棒状の構造物は、上記第４実施の形態において、長手方向にＮ型半導体領域８６とＰ型半導体領域８８とＮ型半導体領域８７とがこの順に接続されると共に、Ｐ型半導体領域８８がゲート絶縁膜となるインナーシェル８９およびゲート電極となるアウターシェル９０で覆われて電界効果トランジスタの機能を有する微細な棒状増幅素子８５となる。
【０１３３】
ところで、図２８の微細な棒状増幅素子８５は、Ｎ型半導体領域８６(１２８),８７(１３０)に対して配線をする必要があるので、図１３に示すように、両端部においてゲート絶縁膜８９(１３１)およびゲート電極９０(１３２)を剥いておく必要がある。そのため、棒状増幅素子８５の両端部の領域１３３および領域１３４において、シリコン酸化膜１３１およびポリシリコン膜１３２を除去しなければならない。そこで、この両端部の領域１３３,１３４の除去は、微細な棒状増幅素子８５を基板１２７とは別の本来の基板７６上の所定の位置に配列した後、配線を行う前に、適切なエッチングマスクを形成したうえでエッチングで除去することによって行うのである。
【０１３４】
第３の方法
上記微細な棒状素子の形成方法のうちの第３の方法として、上記第４実施の形態における微細な棒状発光素子(発光ダイオード)７１の形成方法を例に挙げて説明する。
【０１３５】
上記微細な棒状発光素子７１は、Ｎ型のＧaＮコア８３とＰ型のＧaＮシェル８４とを有し、Ｎ型のＧaＮコア８３とＰ型のＧaＮシェル８４との間には、ＩnＧaＮシェル(発光層)が形成されているものとする。
【０１３６】
このような棒状発光素子は、上記第２の方法と類似している上記ＶＬＳ法とＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法とを組み合わせた方法で形成することもできるが、ここではエッチングとＭＯＣＶＤ法とを組み合わせた方法で形成する場合を例に説明する。
【０１３７】
先ず、図２９に示すように、サファイア基板１３５の表面上にｎ型ＧaＮ膜１３６を形成する。ｎ型ＧaＮ膜１３６は、ＭＯＣＶＤ装置で、例えば１０μｍの厚さで成膜する。
【０１３８】
次に、図３０に示すように、上記ｎ型ＧaＮ膜１３６にシリコン酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィ工程によってパターニングして、シリコン酸化膜からなるハードマスク１３７を形成する。上記シリコン酸化膜は、ＣＶＤ法によって、例えば１μｍの厚さで堆積する。また、シリコン酸化膜からなるハードマスク１３７は、例えば直径が１μｍの円形,三角形,四角形あるいは六角形等に形成する。
【０１３９】
次に、図３１に示すように、上記シリコン酸化膜からなるハードマスク１３７をマスクとして、非等方的なドライエッチングによって、ｎ型ＧaＮ膜１３６をエッチングして、ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８を形成する。尚、ハードマスク１３７の断面形状を変えることによって、棒状の半導体１３８の断面形状を自由に変えることができる。したがって、例えば、ｎ型ＧaＮ膜１３６をその表面がｃ面になるように成長させれば、ハードマスク１３７の断面形状を三角形にすることによって、棒状の半導体１３８の全ての側面を非極性面(ａ面やｍ面)にすることができる。
【０１４０】
ここで、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８が形成されたサファイア基板１３５をアニール処理することが好ましい。その場合のアニール温度は、例えば７００℃〜９００℃以下である。これにより、ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の結晶欠陥を回復させて、結晶性を改善することができる。
【０１４１】
あるいは、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８が形成されたサファイア基板１３５を、例えば１５０℃の熱リン酸に浸して、上記エッチングによって生じた結晶欠陥層を選択的に除去することが好ましい。この場合も、ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の結晶欠陥を回復させて、結晶性を改善することができる。
【０１４２】
次に、図３２に示すように、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の側面および上面に、例えば２００ｎｍの厚さでｎ型ＧaＮ膜１３９を形成する。このｎ型ＧaＮ膜１３９は、棒状の半導体１３８と一体となってＮ型のＧaＮコア８３となる。
【０１４３】
このように、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の側面および上面に改めてｎ型ＧaＮ膜１３９を形成することによって、均一で結晶性のよいｎ型ＧaＮ結晶を表面に露出させることができる。特に、本第３の方法の手順では棒状の半導体１３８はエッチングによって形成されているためエッチングダメージを受けており、ｎ型ＧaＮ膜１３９を形成することによって半導体表面の結晶欠陥を減らす効果が大きい。
【０１４４】
その後、上記ｎ型ＧaＮ膜１３９の側面および上面に、例えば５ｎｍの厚さでＩnＧaＮ膜からなる発光層１４０を形成する。さらに、発光層１４０の側面および上面に、例えば１００ｎｍの厚さでｐ型ＧaＮ膜からなるＰ型半導体シェル１４１を形成する。
【０１４５】
図示しないが、この後、上記Ｐ型半導体シェル１４１上に、さらにミストＣＶＤ等によってＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明電極からなるシェルを形成することが好ましい。そうした場合には、動作時にＰ型半導体シェル１４１の電位が一様になって微細な棒状発光素子７１の発光効率を高くすることができる。
【０１４６】
最後に、図３３に示すように、上記サファイア基板１３５とその表面上に形成された棒状の構造物とを水等の液体中に浸し、超音波を照射することによって、上記棒状の構造物をサファイア基板１３５から切り離す。こうしてサファイア基板１３５から切り離された個々の棒状の構造物は、上記第４実施の形態において、Ｎ型のＧaＮコア８３とＰ型のＧaＮシェル８４とを備えて発光ダイオードの機能を有する微細な棒状発光素子７１となる。
【０１４７】
ところで、図３３の微細な棒状発光素子７１は、Ｎ型ＧaＮコア８３(１３８,１３９)に対して配線をする必要があるので、図１２に示すように、一方の端部においてＰ型ＧaＮシェル８４(１４１)を剥いておく必要がある。そのため、微細な棒状発光素子７１の領域１４２および領域１４３の何れか一方において、発光層１４０およびＰ型半導体シェル８４(１４１)を除去しなければならない。そこで、この領域１４２あるいは領域１４３の除去は、微細な棒状発光素子７１をサファイア基板１３５とは別の本来の基板７６上の所定の位置に配列した後、配線を行う前に、適切なエッチングマスクを形成したうえでエッチングで除去することによって行うのである。
【０１４８】
（３）微細な棒状素子の基板上への配置方法
以上説明した微細な棒状素子の形成方法によって形成された種々の微細な棒状素子は、基板上の所定の位置に配置された後、配線が行われる。以下では、上記第５実施の形態における電子デバイス１００を形成する方法を挙げて説明する。
【０１４９】
先ず、図３４に示すように、表面に電極１４５〜１５０が形成された基板１０４を準備する。ここで、電極１４５〜１５０は、フォトリソグラフィあるいは印刷技術によって形成することができる。尚、図３４では省略されているが、電極１４５〜１５０には外部から電位を与えられるように、パッドが形成されている。
【０１５０】
上記電極１４５と電極１４６、電極１４７と電極１４８、および、電極１４９と電極１５０は、夫々第１,第２および第３の電極対をなしている。そして、第１の電極対(電極１４５と電極１４６)の部分は、微細な棒状発光素子１０１が配置される位置を規定している。同様に、第２の電極対(電極１４７と電極１４８)の部分は、微細な棒状受光素子１０２が配置される位置を規定し、第３の電極対(電極１４９と電極１５０)の部分は微細な棒状抵抗素子１０３が配置される位置を規定している。
【０１５１】
次に、図３５および図３６に示すように、上記第３の電極対(電極１４９と電極１５０)の部分に、微細な棒状抵抗素子１０３を配置する(抵抗素子配置工程)。尚、図３５および図３６は、図３４におけるＢ‐Ｂ'矢視断面図である。
【０１５２】
先ず、図３５に示すように、上記基板１０４上に、微細な棒状抵抗素子１０３を含んだイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)１５１を薄く塗布する。ＩＰＡ１５１に換えて、エチレングリコール,プロピレングリコール,メタノール,エタノール,アセトンの何れか一つ、あるいは、それらの混合物であってもよい。あるいは、ＩＰＡ１５１に換えて、他の有機物からなる液体や水等を用いることができる。
【０１５３】
上記微細な棒状抵抗素子１０３を含むＩＰＡ１５１を塗布する厚さは、微細な棒状抵抗素子１０３を配置できるように、ＩＰＡ１５１中で微細な棒状抵抗素子１０３が移動できる厚さである。つまり、ＩＰＡ１５１を塗布する厚さは、微細な棒状抵抗素子１０３の太さ以上であり、例えば、数μｍ〜数ｍｍである。ここで、塗布する厚さは薄すぎると微細な棒状抵抗素子１０３が移動し難くなり、厚すぎるとＩＰＡ１５１を乾燥する時間が長くなる。また、ＩＰＡ１５１の量に対する微細な棒状抵抗素子１０３の量は、１×１０4本ｃｍ-3〜１×１０7本ｃｍ-3が好ましい。
【０１５４】
上記微細な棒状抵抗素子１０３を含むＩＰＡ１５１を塗布するために、微細な棒状抵抗素子１０３を配置させる領域の外周囲に枠を形成し、その枠内に微細な棒状抵抗素子１０３を含むＩＰＡ１５１を所望の厚さになるように充填してもよい。しかしながら、ＩＰＡ１５１が粘性を有する場合は、枠を必要とせずに、所望の厚さに塗布することが可能である。
【０１５５】
次に、図３６に示すように、上記第３の電極対を形成する電極１４９と電極１５０との間に、例えば１Ｖの交流を印加する。第３の電極対に印加する交流電圧は０.１Ｖ〜１０Ｖとすることができるが、０.１Ｖ以下の場合には微細な棒状抵抗素子１０３の配置が悪くなり、１０Ｖ以上では電極間に流れる電流によってＩＰＡ１５１が好ましくない対流を起こす。したがって、１Ｖ〜５Ｖが好ましく、１Ｖ程度とするのがより好ましい。
【０１５６】
上記微細な棒状抵抗素子１０３が上記第３の電極対で規定される位置に配置される原理は、誘電泳動あるいは容量結合による引力で説明される。その結果、各電極１４９,１５０と微細な棒状抵抗素子１０３との間に引力が働き、微細な棒状抵抗素子１０３は、電極１４９,１５０間に生じる電気力線に沿うように向きを揃え、電極１４９,１５０に架橋するように配置される。
【０１５７】
また、上記電極１４９,１５０に与える交流電圧の周波数は１０Ｈｚ〜１ＭＨｚとするのが好ましく、５０Ｈｚ〜１ｋＨｚとするのが、微細な棒状抵抗素子１０３の配置が最も安定してより好ましい。さらに、電極１４９と電極１５０との間に印加する交流電圧は、正弦波に限らず、矩形波,三角波およびノコギリ波等の周期的に変動するものであればよい。
【０１５８】
尚、上記第１の電極対および第２の電極対には電圧を印加していないため、微細な棒状抵抗素子１０３は配置されない。したがって、微細な棒状抵抗素子１０３は、上記第３の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置されるのである。
【０１５９】
次に、上記微細な棒状抵抗素子１０３を配置させた後の基板１０４を加熱することによってＩＰＡ１５１の液体を蒸発させて乾燥させ、微細な棒状抵抗素子１０３を電極１４９および電極１５０に架橋するように配置させて固着させる。
【０１６０】
次に、図３７および図３８に示すように、第１の電極対(電極１４５と電極１４６)の部分に、微細な棒状発光素子１０１を配置する(発光素子配置工程)。尚、図３７および図３８は、図３４におけるＣ‐Ｃ'矢視断面図である。
【０１６１】
先ず、図３７に示すように、上記基板１０４上に、微細な棒状発光素子１０１を含んだＩＰＡ１５２を薄く塗布する。
【０１６２】
ところで、上記微細な棒状発光素子１０１はＰＮ接合を有するダイオードであり、極性を有する素子(有極性素子)である。そのため、例えば図３７において、微細な棒状発光素子１０１は、Ｐ型半導体領域１１１を左に向け、Ｎ型半導体領域１１２を右に向けて配置されなければならない。もし、微細な棒状発光素子１０１が反対を向いて基板１０４上に配置された場合には、得られる電子デバイス１００は不良となる。ところが、上記第３の電極対で規定される位置に微細な棒状抵抗素子１０３を配置する方法では、微細な棒状抵抗素子１０３が配置される２つの向きがとる確率は共に５０％である。
【０１６３】
そこで、図３８に示すように、上記第１の電極対における電極１４５および電極１４６には、交流電圧に重ねて直流電圧を印加するのである。微細な棒状発光素子１０１の接合部には空乏層が形成されているため、空乏層電荷が電気二重層を形成している。そして、Ｐ型半導体領域１１１側の空乏層は負に、Ｎ型半導体領域１１２側の空乏層は正に帯電している。この電気二重層は電気双極子モーメントを有しているため、電極１４５側を実質的に正電圧に、電極１４６側を実質的に負電圧にすることによって、微細な棒状発光素子１０１はＰ型半導体領域１１１を左側にして配置されるのである。
【０１６４】
尚、上記第２の電極対および第３の電極対には電圧を印加していないため、微細な棒状発光素子１０１は配置されない。したがって、微細な棒状発光素子１０１は、上記第１の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置させるのである。
【０１６５】
次に、上記微細な棒状発光素子１０１を配置させた後の基板１０４を加熱することによって、ＩＰＡ１５２の液体を蒸発させて乾燥させ、微細な棒状発光素子１０１を電極１４５および電極１４６に架橋するように配置させて固着させる。
【０１６６】
次に、図示しないが、上記第２の電極対(電極１４７と電極１４８)の部分に、微細な棒状受光素子１０２を配置する(受光素子配置工程)。微細な棒状受光素子１０２には極性がないので、上述した第３の電極対の対向部で規定される位置に微細な棒状抵抗素子１０３を配置する方法を用いればよい。
【０１６７】
この場合も、上記第１の電極対および第３の電極対には電圧を印加していないため、微細な棒状受光素子１０２は配置されない。したがって、微細な棒状受光素子１０２は、上記第２の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置させるのである。
【０１６８】
次に、上記微細な棒状受光素子１０２を配置させた後の基板１０４を加熱することによって、上記ＩＰＡの液体を蒸発させて乾燥させ、微細な棒状受光素子１０２を電極１４７および電極１４８に架橋するように配置させて固着させる。
【０１６９】
以上、上述した３回の配置工程によって、図３９に示すように、基板１０４上に、微細な棒状抵抗素子１０３,微細な棒状発光素子１０１および微細な棒状受光素子１０２が、夫々所定の位置に配置される。特に、有極性素子である微細な棒状発光素子１０１は、基板１０４上の所定の位置に、極性の向きを含めて正しく配置される。
【０１７０】
次に、図４０に示すように、上記基板１０４上に、端子１０５〜１０９および配線１１０を形成する。これにより、各端子１０５〜１０９と各素子１０１,１０２,１０３との間が電気的に正しく接続される。
【０１７１】
次に、図４１に示すように、上記ＰＤＭＳ１１６に溝１１５を形成する。この溝１１５は微細な物体１１９,１２０を含んだ流体が流れる流路となる。そして、ＰＤＭＳ１１６の一部にマスクを形成して光を吸収する塗装１１７を流路１１５の壁に施し、その後マスクを除去することによって流路１１５の壁に光を透過する窓部１１８を形成する。
【０１７２】
最後に、図４２に示すように、上記溝(流路)１１５が形成されたＰＤＭＳ１１６を、微細な棒状素子の配置と配線とが完了した基板１０４上に圧着して、電子デバイス１００が完成する。
【０１７３】
以上の上記電子デバイス１００を製造する方法においては、少なくとも第１,第２の２つの電極対が形成された基板１０４上に、微細な棒状発光素子１０１を含んだＩＰＡ１５２の液体を導入し、上記第１の電極対に電圧を印加して微細な棒状発光素子１０１を上記第１の電極対を構成する電極１４５と電極１４６との対向部で規定される位置に配置させる発光素子配置工程と、基板１０４上に、微細な棒状受光素子１０２を含んだ上記ＩＰＡの液体を導入し、上記第２の電極対に電圧を印加して微細な棒状受光素子１０２を上記第２の電極対を構成する電極１４７と電極１４８との対向部で規定される位置に配列させる受光素子配置工程とを含んでいる。
【０１７４】
したがって、上記電子デバイス１００を製造する方法で例示される微細な棒状素子の基板上への配置方法によれば、微細な棒状発光素子と微細な棒状受光素子とを、簡易に極めて接近させて配置することが可能である。したがって、発光素子と受光素子との対を非常に微細に構成し、電子デバイスを非常に微細化できる簡易な電子デバイスおよびその製造方法を提供することができる。
【０１７５】
この電子デバイスの製造方法においては、さらに、上記発光素子配置工程で配列される上記微細な棒状発光素子、および、上記受光素子配置工程で配列される上記微細な棒状受光素子の少なくとも１つが、一端および他端に夫々異なる極性を有する有極性素子である場合には、上記有極性素子を、上記一端および上記他端の位置関係を含めて所定の向きで上記基板上に配列するようにしている。
【０１７６】
このような電子デバイスの製造方法では、極めて微細な棒状素子が極性を有している場合であっても、上記基板上に極性の向きを含めて正しい向きで当該微細な棒状素子を配置できるため、微細な棒状素子を組み合わせた複雑で高度な回路を実現することができるのである。
【０１７７】
・第７実施の形態
本実施の形態は、上記第１実施の形態〜上記第５実施の形態における電子デバイス１０〜電子デバイス１００を備えたセンサーシステムに関する。図４３は、本実施の形態のセンサーシステムのブロック図である。
【０１７８】
本実施の形態のセンサーシステム１６０は、センサー部１６１,演算部１６２および表示部１６３からなる。
【０１７９】
上記センサー部１６１としては、例えば、上記第５実施の形態の電子デバイス１００を用いることができる。このセンサー部１６１には、少なくとも微小な棒状発光素子１０１と、この微小な棒状発光素子１０１が発する光を受光する微小な棒状受光素子１０２と、微小な棒状発光素子１０１が発した光が微小な棒状受光素子１０２に届くまでの光路上に設けられた流路１１５を備えている。そして、微細な棒状受光素子１０２が受光した光の強度によって、流路１１５を通過する物体を検知するように構成されている。
【０１８０】
また、上記センサー部１６１は、さらに、微小な棒状素子からなる増幅回路や演算回路を備えていても良い。
【０１８１】
上記演算部１６２は、センサー部１６１の微小な棒状受光素子１０２からの出力を受けて増幅や演算を行い、その結果を表示部１６３に出力する機能を有する。
【０１８２】
以上のごとく、本実施の形態のセンサーシステム１６０は、少なくとも微小な棒状発光素子１０１と、この微小な棒状発光素子１０１が発する光を受光する微小な棒状受光素子１０２とを備えているので、極めて微小な流路１１５を流れる微小な物体を検知することができる。
【０１８３】
上記微小な流路１１５を流れる検知対象としては、通常のフォトインタラプタでは検知できないような「花粉,ウィルス,血球等の生体、空気中を漂う微細な砂粒子やほこり、微細金属粒や小麦粉等の爆発性のある粉塵」等がある。
【０１８４】
また、本実施の形態のセンサーシステム１６０は、上記センサー部１６１を極めて小さく構成することができるため、例えば生体内等にセンサー部１６１を埋め込んで使用することも可能になる。
【符号の説明】
【０１８５】
１０,３０,５０,７０,１００…電子デバイス、
１１,３１,５１,７１,１０１…微細な棒状発光素子(発光ダイオード)、
１２,３２…微細な棒状受光素子(フォトダイオード)、
１３,３３,５３,７３…フォトカプラ、
１４,３８,５４,７４,７５,１０３…微細な棒状抵抗素子、
１５,５５,７６,１０４…基板、
１６〜２０,３４〜３６,３９,４０,５６〜６０,７７〜８１,１０５〜１０９…端子、
２１,６７,８２,１１０…配線、
２２,２４,６３,６４,８８,９１,９３,１１１,１２４,１２９…Ｐ型半導体領域、
２３,２５,６１,６２,６５,８６,８７,９２,１１２,１２６,１２８,１３０…Ｎ型半導体領域、
２６,１２５…Ｉ型半導体領域、
２７,６６,９４,９５,１１３,１１４…ナノワイヤ、
３７…オペアンプ、
５２,７２…微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)、
８３…半導体コア、
８４…半導体シェル、
８５…微細な棒状増幅素子(電界効果トランジスタ)、
８９…インナーシェル(ゲート絶縁膜)、
９０…アウターシェル(ゲート電極)、
１０２…微細な棒状受光素子(フォトコンダクタ)、
１１５…流路(チャネル)、
１１６…ＰＤＭＳ膜、
１１７…塗装、
１１８…窓部、
１１９,１２０…微細な物体、
１２１,１２７…シリコン基板、
１３１…シリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)、
１３２…ポリシリコン膜(ゲート電極)、
１３５…サファイア基板、
１３８…棒状の半導体(ｎ型ＧaＮ)、
１３９…ｎ型ＧaＮ膜、
１４０…発光層、
１４１…Ｐ型半導体シェル、
１４５〜１５０…電極、
１５１,１５２…ＩＰＡ、
１６０…センサーシステム、
１６１…センサー部、
１６２…演算部、
１６３…表示部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微細な棒状発光素子および微細な受光素子を備えた電子デバイスおよびその製造方法、並びに、上記電子デバイスを備えたセンサーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発光素子と受光素子とを備えた電子デバイスとして、特開２０１１‐２９４６７号公報(特許文献１)に開示されたフォトカプラがある。このフォトカプラは、図４４に示すように、入力された電気信号を光信号に変換するＬＥＤ(Light Emitting Diode：発光ダイオード)３を、リードフレーム１に固定すると共に、配線５aによりリードフレーム１に電気的に接続する。また、光信号を電気信号に変換して出力する受光素子４を、リードフレーム２に固定すると共に、配線５bによりリードフレーム２に電気的に接続する。そして、リードフレーム１とリードフレーム２とを離間して配置し、ＬＥＤ３と受光素子４とを包含する透光部６を形成する。さらに、透光部６の表面にレーザ光を照射して凹凸形状を形成し、透光部６を包含するパッケージ７を形成して構成されている。
【０００３】
上記構成のフォトカプラでは、リードフレーム１を通して外部から入力された信号によってＬＥＤ３が点灯され、その光を受光素子４で受光する。そして、受光した光によって受光素子４の電気特性が変化し、その変化をリードフレーム２を通して取り出すことができる。
【０００４】
しかしながら、上記従来のフォトカプラには、以下のような問題がある。すなわち、ＬＥＤ３でなる発光素子および受光素子４は半導体ウェハ上に形成された素子をダイシング技術によって切り出して作成され、それらの大きさは通常数百ミクロン角である。また、上記発光素子および上記受光素子の実装は、上記特許文献１に開示されているように、通常のボンディング技術を用いて行われる。さらに、上記発光素子と上記受光素子との間隔は、このような実装技術の精度を考慮して設定しなければならない。そのため、上記発光素子および上記受光素子の対が必要とする空間のサイズは、数ミリメートルに達するのが普通であり、上記従来のフォトカプラ等の電子デバイスの微細化を阻害し、上記電子デバイスの応用の範囲を限定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１‐２９４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の第１の課題は、発光素子と受光素子とのペアを備えて、微細化が可能であり、且つ応用範囲が広い電子デバイス、および、その製造方法を提供することにある。
【０００７】
また、第２の課題は、上記電子デバイスを備えたセンサーシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、この発明の電子デバイスは、
直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有すると共に、光を放出する棒状発光素子と、
直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有すると共に、上記棒状発光素子から放出された光を受光する棒状受光素子と
を備えたことを特徴としている。
【０００９】
上記構成によれば、光を放出する発光素子と、この発光素子と対を成して上記発光素子から放出された光を受光する受光素子とにおいて、上記発光素子を、直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有する棒状発光素子としている。また、上記受光素子を、直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有する棒状受光素子としている。
【００１０】
このように、上記発光素子を、通常のＬＥＤチップと比しても充分に小さい棒状発光素子とする一方、上記受光素子を、通常のフォトダイオード,フォトトランジスタおよびフォトコンダクタと比しても充分に小さい棒状受光素子としているので、上記発光素子と上記受光素子との対を非常に微細にすることが可能である。したがって、上記発光素子と上記受光素子との対を含む電子デバイスをも非常に微細化することが可能である。
【００１１】
すなわち、この発明によれば、従来のＬＥＤチップと受光素子との対では実現できない広い応用が可能になる。さらには、上記棒状発光素子が非常に小さいため、本電子デバイスの主たる電力消費源である発光素子の消費電力が小さい。したがって、本電子デバイスの消費電力を著しく低減することが可能になる。
【００１２】
さらに、上記発光素子と上記受光素子とは、共に非常に小さな棒状素子であるので、上記作用効果を奏しつつ上記受光素子の感度を良好にして、本電子デバイスの性能を高くすることが可能になる。
【００１３】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子は、同一の基板上に配置されている。
【００１４】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子および上記棒状受光素子を微細な領域に配置することが可能になるため、本電子デバイスをさらに微細化することが可能になる。また、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との距離を近づけることができるので、上記棒状発光素子の光量をさらに小さくしても、上記棒状受光素子の感度を保つことができる。したがって、本電子デバイスの消費電力をさらに低減することができる。また、上記棒状発光素子の光量を小さくする代わりに、上記棒状発光素子あるいは上記棒状受光素子のサイズを小さくすることも可能である。その場合には、本電子デバイスをさらに微細化することができる。
【００１５】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記棒状受光素子は、第１導電型の半導体と第２導電型の半導体とが接合された半導体素子である。
【００１６】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子を点灯した場合と消灯した場合とにおける上記棒状受光素子に流れる電流値の比を大きくすることができるので好ましい。特に、上記棒状発光素子を消灯した場合に上記棒状受光素子を流れる電流値を極めて小さくすることができる。したがって、例えば、上記棒状受光素子と電源との間に設けられる抵抗素子の抵抗値を大きくすることができるので、本電子デバイスを低消費電力化することが可能になる。
【００１７】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記棒状受光素子は、上記棒状発光素子から放出された光の強弱に応じて電気特性が変化して、上記棒状発光素子から放出された光の強度が予め設定された設定強度を超えると第１の出力状態となる一方、上記設定強度以下になると上記第１の出力状態とは異なる第２の出力状態となるスイッチの機能を有している。
【００１８】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との対はフォトカプラとしての機能を有する。したがって、従来のフォトカプラに比べて非常に微細なフォトカプラを実現することができる。
【００１９】
また、１実施の形態の電子デバイスでは、
上記棒状発光素子から放出されて上記棒状受光素子に到達する光の光路と交差すると共に、物体を含む流体が内部を流れる流路であって、上記光路との交差部は光が透過可能になっている流路と、
上記棒状受光素子から出力される受光量に応じた出力信号に基づいて、上記流路を通過した上記物体を検知するための回路と
を備えている。
【００２０】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子とは共に微細な棒状の素子であるので、上記棒状発光素子から放出された光が上記棒状受光素子に到達するまでの光路と交差する上記流路も微細に構成することができる。したがって、上記回路から出力される上記棒状受光素子からの受光量に応じた出力信号に基づいて、上記微細な流路における上記光路の箇所を通過する物体であって通常の(従来の)フォトインタラプタでは検知できないような微細な物体を検知して、上記微細な物体の数をカウントしたり、上記微細な物体の種類を特定したりすることが容易になる。
【００２１】
さらに、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子とが共に微細な棒状の素子であるので、通常のフォトインタラプタに比べて検出部を極めて小さくすることが可能になる。さらには、本電子デバイスの主要な電力消費源である上記棒状発光素子が非常に小さいため、低消費電力化が可能になる。
【００２２】
また、この発明の電子デバイスの製造方法は、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子が配置される上記基板上に、少なくとも第１の電極対と第２の電極対とを形成する電極対形成工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記棒状発光素子を含む液体を導入すると共に、上記第１の電極対に交流電圧を印加して、上記第１の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記棒状発光素子を配置させる発光素子配置工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記棒状受光素子を含む液体を導入すると共に、上記第２の電極対に交流電圧を印加して、上記第２の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記棒状受光素子を配置させる受光素子配置工程と
を含むことを特徴としている。
【００２３】
上記構成によれば、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子とを、簡易に且つ極めて接近した位置に配置することができる。したがって、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との対を非常に微細にし、非常に微細化された電子デバイスを簡易な製造方法で提供することができる。
【００２４】
また、１実施の形態の電子デバイスの製造方法では、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子のうちの少なくとも一方は、一端側と他端側とが夫々異なる極性を有する有極性素子であり、
上記第１の電極対と上記第２の電極対とのうち上記有極性素子が配置される電極対に印加される上記交流電圧には、直流電圧が重畳されており、
上記有極性素子が配置される電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に配置される上記有極性素子の両端の向きが、上記電極対に印加される上記直流電圧によって定められる。
【００２５】
この実施の形態によれば、上記棒状発光素子あるいは上記棒状受光素子が極性を有する有極性素子であっても、上記極性の向きを含めて正しい向きに上記有極性素子を上記基板上に配値することができる。したがって、上記有極性素子を含む複雑で高度な電子デバイスを簡易な製造方法で提供することができる。
【００２６】
また、この発明のセンサーシステムは、
上記この発明の電子デバイスを有するセンサー部を備えたことを特徴としている。
【００２７】
上記構成によれば、上記センサー部において、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との間に設けられた上記流路は微細に構成されている。したがって、上記センサー部によって、上記微細な流路を流れる微細な物体を検知することができる。さらに、上記センサー部を極めて小さくできるので、様々な場所に上記センサーを設置することが可能になる。したがって、本センサーシステムの利用範囲を広めることができる。
【発明の効果】
【００２８】
以上より明らかなように、この発明の電子デバイスは、光を放出する発光素子とこの発光素子から放出された光を受光する受光素子との対において、上記発光素子を、直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状発光素子とする一方、上記受光素子を、直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状受光素子とするので、上記発光素子を通常のＬＥＤチップと比しても充分に小さく、上記受光素子を通常のフォトダイオード,フォトトランジスタおよびフォトコンダクタと比しても充分に小さくできる。したがって、上記発光素子と上記受光素子との対を非常に微細にすることができ、上記発光素子と上記受光素子との対を含む電子デバイスを非常に微細化することができる。
【００２９】
すなわち、この発明によれば、従来のＬＥＤチップと受光素子との対を含む電子デバイスでは実現できないような広い応用が可能になる。さらに、上記棒状発光素子が非常に小さいため本電子デバイスの主たる電力消費源である発光素子の消費電力を小さくできる。したがって、本電子デバイスの消費電力を著しく低減することができる。
【００３０】
また、この発明の電子デバイスの製造方法は、電極対が形成された基板上に上記棒状発光素子を含む液体を導入すると共に、第１の電極対に交流電圧を印加して、上記棒状発光素子を配置させる一方、上記基板上に上記棒状受光素子を含む液体を導入すると共に、第２の電極対に交流電圧を印加して、上記棒状受光素子を配置させるので、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子とを、簡易に且つ極めて接近した位置に配置することができる。
【００３１】
したがって、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との対を非常に微細にし、非常に微細化された電子デバイスを簡易な製造方法で提供することができる。
【００３２】
また、この発明のセンサーシステムは、上記この発明の電子デバイスを有するセンサー部において、上記棒状発光素子と上記棒状受光素子との間に設けられた上記流路は微細に構成されているので、上記センサー部によって、上記微細な流路を流れる通常のフォトインタラプタでは検知できないような微細な物体を検知することができる。
【００３３】
さらに、上記センサー部を極めて小さくできるので、様々な場所に上記センサーを設置することが可能になる。したがって、本センサーシステムの利用範囲を広めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の第１実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図２】図１に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図３】図２における微細な棒状発光素子の構造を示す概略図である。
【図４】図２における微細な棒状受光素子の構造を示す概略図である。
【図５】図２における微細な棒状抵抗素子の構造を示す概略図である。
【図６】第２実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図７】第３実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図８】図３に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図９】図８における微細な棒状受光素子の構造を示す概略図である。
【図１０】第４実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図１１】図１０に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図１２】図１１における微細な棒状発光素子の構造を示す概略図である。
【図１３】図１１における微細な棒状増幅素子の構造を示す概略図である。
【図１４】第５実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【図１５】図１４に示す電子デバイスにおける概略平面図である。
【図１６】図１５におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。
【図１７】図１５における微細な棒状受光素子の構造を示す概略図である。
【図１８】微細な棒状受光素子(フォトダイオード)の形成手順を示す図である。
【図１９】図１８に続く形成手順を示す図である。
【図２０】図１９に続く形成手順を示す図である。
【図２１】図２０に続く形成手順を示す図である。
【図２２】図２１に続く形成手順を示す図である。
【図２３】図２２に続く形成手順を示す図である。
【図２４】図２３に続く形成手順を示す図である。
【図２５】図２４に続く形成手順を示す図である。
【図２６】微細な棒状増幅素子(電界効果トランジスタ)の形成手順を示す図である。
【図２７】図２６に続く形成手順を示す図である。
【図２８】図２７に続く形成手順を示す図である。
【図２９】微細な棒状発光素子(発光ダイオード)の形成手順を示す図である。
【図３０】図２９に続く形成手順を示す図である。
【図３１】図３０に続く形成手順を示す図である。
【図３２】図３１に続く形成手順を示す図である。
【図３３】図３２に続く形成手順を示す図である。
【図３４】図１５に示す電子デバイスの形成手順を示す図である。
【図３５】図３４に続く形成手順を示す図である。
【図３６】図３５に続く形成手順を示す図である。
【図３７】図３６に続く形成手順を示す図である。
【図３８】図３７に続く形成手順を示す図である。
【図３９】図３８に続く形成手順を示す図である。
【図４０】図３９に続く形成手順を示す図である。
【図４１】図４０に続く形成手順を示す図である。
【図４２】図４１に続く形成手順を示す図である。
【図４３】この発明のセンサーシステムにおけるブロック図である。
【図４４】従来のフォトカプラの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３６】
先ず、この発明に用いられる微細な棒状発光素子および微細な棒状受光素子について簡単に説明する。
【００３７】
上記微細な棒状発光素子および微細な棒状受光素子は、所謂ナノワイヤをベースとしてデバイス化されたものである。その好ましい直径は、例えば微細な棒状発光素子の場合は１ｎｍ〜５００ｎｍである。また、通常、長さは直径よりもはるかに大きく、好ましくは１０ｎｍ〜５０μｍであり、マイクロメートルサイズであってもよい。
【００３８】
しかしながら、この発明に用いる微細な棒状発光素子および微細な棒状受光素子は、通常の発光素子(ＬＥＤチップ)や受光素子に比べて十分に小さいサイズの棒状の発光素子および棒状の受光素子であればよく、直径が１０μｍ以下であり、長さが５００μｍ以下であるものを含んでいる。
【００３９】
・第１実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。
【００４０】
図１は、本実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。図２は、本実施の形態の電子デバイスにおける概略平面図である。図３〜図５は、本実施の形態の電子デバイスにおける上記微細な棒状発光素子,上記微細な棒状受光素子および微細な棒状抵抗素子の構造を説明するための概略図である。
【００４１】
図１〜図５に示すように、本電子デバイス１０は、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２との対でなるフォトカプラ１３を含んでいる。そして、発光ダイオードでなる微細な棒状発光素子１１、フォトダイオードでなる微細な棒状受光素子１２、及び、微細な棒状抵抗素子１４は、基板１５上に横倒しで配置されている。そして、基板１５上には、端子１６〜端子２０が形成されている。また、基板１５上には、配線２１が形成されており、各端子１６〜２０と各素子との間および各素子間を電気的に接続している。
【００４２】
上記微細な棒状発光素子(発光ダイオード)１１は、長手方向にＰ型半導体領域２２およびＮ型半導体領域２３が接続されて構成されている。そして、Ｐ型半導体領域２２は配線２１を介して端子１６に接続され、Ｎ型半導体領域２３は配線２１を介して端子１７に接続されている。端子１６は微細な棒状発光素子１１を駆動するための正極となり、端子１７は負極となる。
【００４３】
上記微細な棒状受光素子(フォトダイオード)１２は、長手方向にＰ型半導体領域２４,Ｉ型半導体領域(真性領域)２６およびＮ型半導体領域２５がこの順に接続されて構成されている。そして、Ｐ型半導体領域２４は配線２１を介して端子２０に接続されている。また、Ｎ型半導体領域２５は配線２１を介して、端子１９および微細な棒状抵抗素子１４の一端に接続されている。尚、微細な棒状抵抗素子１４の他端は、配線２１を介して端子１８に接続されている。ここで、端子１８は高電位端子、端子２０は低電位端子、端子１９は出力端子となる。
【００４４】
上記微細な棒状受光素子(フォトダイオード)１２は、基板１５上に、微細な棒状発光素子１１と対向するように配置されている。こうすることによって、微細な棒状受光素子１２は、微細な棒状発光素子１１が放出した光を受光することができる。すなわち、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２とで発光素子‐受光素子対１３を構成しており、この発光素子‐受光素子対１３自身でフォトカプラを構成するのである。
【００４５】
上記微細な棒状抵抗素子１４の抵抗値は、通常、微細な棒状発光素子１１が消灯状態の場合の微細な棒状受光素子１２の抵抗値よりも小さく、微細な棒状発光素子１１が点灯状態の場合の微細な棒状受光素子１２の抵抗値よりも大きく設定する。こうすることによって、例えば、微細な棒状発光素子１１が消灯状態の場合には、端子(出力端子)１９の電位が高電位となり、微細な棒状発光素子１１が点灯状態になると、端子１９の電位が低下する。
【００４６】
上記微細な棒状発光素子１１は、ＧaＡsＰ系,ＧaＰ系,ＧaＡlＡs系,ＡlＧaＩnＰ系およびＩnＧaＮ系等を用いることができる。図２および図３においては、微細な棒状発光素子１１はＰ型半導体領域２２およびＮ型半導体領域２３の２接続構造としているが、実際には高効率発光化のために多接続構造を有していても差し支えない。例えば、ＡlＧaＩnＰ系を用いる場合には、ｐ型ＡlＩnＰクラッド層,ＡlＧaＩnＰ活性層,ｎ型ＡlＩnＰクラッド層およびｎ型ＧaＡs層をこの順に接続したものを用いることができる。また、ＩnＧaＮ系を用いる場合は、ｐ型ＧaＮクラッド層,ＩnＧaＮ活性層およびｎ型ＧaＮクラッド層をこの順に接続したものを用いることができる。さらには、活性層を複数積層して多重量子井戸構造としてもよい。
【００４７】
上記微細な棒状発光素子１１のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状発光素子１１のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な光量が得られ、且つ通常のＬＥＤチップに比べて極めて小さい、直径が１００ｎｍ〜５００ｎｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００４８】
上記微細な棒状受光素子１２は上述のごとくフォトダイオードであり、例えば、シリコン,ゲルマニウム,ＩnＧaＡsおよび硫化鉛を用いることができる。材料の選択は、微細な棒状発光素子１１が発光する光を吸収できるものから行う。微細な棒状受光素子１２の構造は、図４に示すように、Ｐ型半導体領域２４とＮ型半導体領域２５との間にＩ型半導体領域(真性領域)２６を設けることが、感度が上がるため好ましい。また、Ｐ型半導体領域２４とＮ型半導体領域２５とを、Ｉ型半導体領域(真性領域)２６を介さずに直接接合させて形成しても良い。
【００４９】
また、上記微細な棒状受光素子１２のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状受光素子１２のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な受光感度が得られ、且つ通常のフォトダイオードに比べて極めて小さい、直径が２００ｎｍ〜１μｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００５０】
上記微細な棒状抵抗素子１４は、図５に示すように、均一な材質からなるナノワイヤ２７で構成される。ナノワイヤ２７は、例えば、シリコン,ゲルマニウムおよびカーボンナノチューブのような半導体,酸化金属および金属を用いることができる。ここで、微細な棒状抵抗素子１４の材料として半導体を選んだ場合には、導電型を与える不純物濃度を変えることによって、抵抗率を調節することができる。無論、ナノワイヤ２７の直径と長さとによって、適切な抵抗値を選択することが可能である。尚、微細な棒状抵抗素子１４を用いる代わりに、通常の抵抗素子を用いることも可能である。
【００５１】
上記微細な棒状抵抗素子１４のサイズは、抵抗率を調節することにより、微細な棒状発光素子１１や微細な棒状受光素子１２と同程度にすることができる。
【００５２】
上記基板１５としては、ガラスおよび樹脂等の絶縁性基板を用いることができる。さらに、基板１５として、絶縁膜をコーティングした金属や半導体を用いても良い。
【００５３】
上記基板１５上に形成される端子１６〜端子２０および配線２１としては、金,銀,銅,アルミニウム,タングステンおよび導電性を与える不純物を高濃度にドープしたポリシリコン等の半導体を用いることができる。
【００５４】
本実施の形態における電子デバイス１０は、発光素子１１と受光素子１２とが共に微細な棒状の素子であり、これらの素子が対をなし、微細な棒状発光素子１１から放出された光を微細な棒状受光素子１２で受光することによって、微細な棒状受光素子１２の電気特性が変化する。そのため、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２との対を非常に微細にすることが可能であり、電子デバイス１０を非常に微細化することが可能になる。さらに、他の実施の形態に示すように、従来のＬＥＤチップと受光素子との対では実現できない広い応用が可能となる。さらには、微細な棒状発光素子１１が非常に小さいために、電子デバイス１０の主たる電力消費源である微細な棒状発光素子１１の消費電力が小さい。したがって、電子デバイス１０の消費電力を著しく低減することが可能になる。
【００５５】
さらにまた、上記発光素子１１のみを微細な棒状の素子とするのではなく、受光素子１２をも微細な棒状の素子とすることによって、以下のような効果を奏することができる。
【００５６】
今、仮に、発光素子のみを微細な棒状の素子とし、受光素子を通常のサイズ(例えば、１ｍｍ角程度)の素子とする。その場合、上記受光素子において光に感応する部分も相応のサイズ(１ｍｍ程度)を有することになる。そのような場合、微細な棒状の発光素子と通常のサイズの受光素子とを十分に接近させて配置させたとしても、上記受光素子の光に感応する部分の一部は、必然的に上記発光素子から相当程度(例えば、０.５ｍｍ〜１ｍｍ)離れてしまうことになる。上記発光素子は微細であり、その発光強度が弱いことを狭慮すると、上記発光素子から放出された光は通常のサイズの受光素子の光に感応する部分を満遍なく照らすことができない。したがって、微細な棒状の発光素子と通常のサイズの受光素子の組合せでは、電子デバイスの性能を十分に高くすることはできないのである。
【００５７】
これに対して、本実施の形態における電子デバイス１０においては、微細な棒状の発光素子１１と微細な棒状の受光素子１２とを組み合わせている。したがって、上述のような問題を起こすことなく、受光素子１２の感度を良好にして、電子デバイス１０の性能を高くすることができるのである。
【００５８】
尚、上記発光素子１１と受光素子１２とは共に棒状であるから、図２に示すように、２つの棒状の素子を基板上で平行に並べる(対向させる)ことによって、発光する部分と受光する部分とを特に接近させて配置することが容易に可能になる。
【００５９】
本実施の形態の電子デバイス１０のように、微細な棒状発光素子１１が放出した光の強弱に応じて微細な棒状受光素子１２の電気特性が変化する場合には、微細な棒状発光素子１１が放出した光の強度が予め設定された設定強度を超えると、微細な棒状受光素子１２の出力が予め定められた基準値を超える第１の出力状態(オン状態)となる一方、微細な棒状発光素子１１が放出した光の強度が上記設定強度以下になると、微細な棒状受光素子１２の出力が上記基準値以下になる第２の出力状態(オフ状態)となるように機能させることができる。
【００６０】
このように、上記電子デバイス１０が微細な棒状発光素子１１が放出した光の強弱に応じて、微細な棒状受光素子１２がオン状態あるいはオフ状態となるスイッチの機能を有する場合には、発光素子１１と受光素子１２との対はフォトカプラ１３としての機能を有することとなり、従来のフォトカプラに比べて非常に微細なフォトカプラが実現する。
【００６１】
また、本実施の形態のごとく、上記微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２とを同一基板１５上に配置するのが好ましい。これにより、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２とを微細な領域に配置することが可能になるため、電子デバイス１０をさらに微細化することが可能になる。また、微細な棒状発光素子１１と微細な棒状受光素子１２との距離を近づけることができるので、微細な棒状発光素子１１の光量をさらに小さくしても、微細な棒状受光素子１２の感度を保つことができる。したがって、電子デバイス１０の消費電力を更に低減することができる。尚、微細な棒状発光素子１１の光量を小さくする代わりに、微細な棒状発光素子１１のサイズを小さくし、あるいは、微細な棒状受光素子１２のサイズを小さくすることも可能である。こうした場合、電子デバイス１０をさらに微細化することができる。
【００６２】
また、本実施の形態のように、上記微細な棒状受光素子１２は、第１導電型の半導体と第２導電型の半導体との接合を有する半導体素子であることが好ましい。
【００６３】
上記微細な棒状受光素子１２がこのような構成である場合には、微細な棒状発光素子１１を点灯した場合と消灯した場合とに、微細な棒状受光素子１２に流れる夫々の電流値の比を大きくすることができるので好ましい。特に、微細な棒状発光素子１１を消灯した場合に微細な棒状受光素子１２に流れる電流値を極めて小さくすることができる。例えば、本実施の形態の電子デバイス１０の場合には、微細な棒状抵抗素子１４の抵抗値を高くすることができるので、電子デバイス１０を低消費電力化することが可能になる。
【００６４】
・第２実施の形態
図６は、本実施の形態の電子デバイスにおける回路図である。
【００６５】
本実施の形態における電子デバイス３０は、上記第１実施の形態における電子デバイス１０の場合と同様に、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。
【００６６】
図６に示すように、本電子デバイス３０は、微細な棒状発光素子３１と微細な棒状受光素子３２との対でなるフォトカプラ３３を含んでいる。尚、微細な棒状発光素子３１は、上記第１実施の形態における微細な棒状発光素子１１と同じ構造を有する発光ダイオードである。そして、発光ダイオードでなる微細な棒状発光素子３１のアノード(Ｐ型半導体領域)は端子３４と接続されており、カソード(Ｎ型半導体領域)は端子３５と接続されている。端子３４は微細な棒状発光素子３１を駆動するための正極となり、端子３５は負極となる。
【００６７】
上記微細な棒状受光素子３２は、上記第１実施の形態における微細な棒状受光素子１２と同じ構造を有するフォトダイオードである。そして、フォトダイオードでなる微細な棒状受光素子３２のカソード(Ｎ型半導体領域)は端子３６に接続され、アノード(Ｐ型半導体領域)はオペアンプ３７の反転入力(−)および微細な棒状抵抗素子３８の一端に接続されている。さらに、微細な棒状抵抗素子３８の他端はオペアンプ３７の出力と共に端子３９に接続されている。また、オペアンプ３７の非反転入力(＋)は端子４０に接続されている。尚、微細な棒状抵抗素子３８は、上記第１実施の形態における微細な棒状抵抗素子１４と同じ構造を有する抵抗素子である。
【００６８】
上記端子３６は高電位端子、端子４０は低電位端子、端子３９は出力端子となる。尚、図示はしないが、オペアンプ３７には、電源用として別途正電圧と負電圧を与えている。以上より明らかなように、オペアンプ３７は反転増幅回路を構成している。
【００６９】
上記微細な棒状受光素子(フォトダイオード)３２は、基板(図示せず)上に微細な棒状発光素子３１と対向するように配置されている。これにより、微細な棒状受光素子３２は、微細な棒状発光素子３１が放出した光を受光することができる。すなわち、微細な棒状発光素子３１と微細な棒状受光素子３２とで発光素子‐受光素子対３３を構成しており、この発光素子‐受光素子対３３自身でフォトカプラを構成するのである。
【００７０】
上記微細な棒状発光素子３１が消灯状態の場合には、端子３９からは出力電圧Ｖ＝０が出力される。微細な棒状発光素子３２が点灯状態の場合には、微細な棒状受光素子３２に流れる電流をＩとすると、端子３９にはＶ＝−Ｉ×Ｒが出力される。ここで、Ｒは微細な棒状抵抗素子３８の抵抗値である。
【００７１】
本実施の形態における電子デバイス３０は、微細な棒状受光素子３２の出力をオペアンプ３７で増幅している。したがって、フォトカプラとしての動作をより広帯域で行うことが可能となる。
【００７２】
尚、上記オペアンプ３７は、ＩＣや通常の素子の組み合わせによって構成することもできるが、その一部または全部を微細な棒状素子の組み合わせによって構成し、微細な棒状受光素子３２等の微細な棒状素子と共に同一基板上に配置してもよい。この場合、微細な棒状受光素子３２の出力を長い配線を介して次段に入力する必要がないため、遅延を低減して更に広帯域動作が可能となる。また、微細な棒状抵抗素子３８を用いる代わりに、通常の抵抗素子を用いることも可能である。
【００７３】
・第３実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態の電子デバイス１０の場合と同様に、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。
【００７４】
図７は、本実施の形態の電子デバイス５０における回路図である。図８は、本実施の形態の電子デバイス５０における概略平面図である。図９は、本実施の形態の電子デバイス５０における微細な棒状受光素子の構造を示す概略図である。
【００７５】
本実施の形態における電子デバイス５０が、上記第１実施の形態における電子デバイス１０と異なる点は、微細な棒状発光素子５１と共にフォトカプラ５３を構成する微細な棒状受光素子５２がフォトトランジスタからなる点のみである。そして、その他の微細な棒状発光素子５１,微細な棒状抵抗素子５４,端子５６〜端子６０の構成は、上記第１実施の形態における微細な棒状発光素子１１,微細な棒状抵抗素子１４,端子１６〜端子２０と同様である。したがって、微細な棒状受光素子５２以外の詳細な説明は省略する。
【００７６】
上記微細な棒状受光素子５２は、図９に示すように、長手方向にＮ型半導体領域６１,Ｐ型半導体領域６３およびＮ型半導体領域６２がこの順に接続されて、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ構造を有するフォトトランジスタ素子を構成している。この微細な棒状受光素子５２としては、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ構造を用いても良い。
【００７７】
上記微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)５２は、図８に示すように、基板５５上に、微細な棒状発光素子５１と対向するように配置されている。こうすることによって、微細な棒状受光素子５２は、微細な棒状発光素子５１が放出した光を受光することができる。すなわち、微細な棒状発光素子５１と微細な棒状受光素子５２とで発光素子‐受光素子対５３を構成しており、この発光素子‐受光素子対５３自身でフォトカプラを構成するのである。
【００７８】
尚、図８において、上記微細な棒状発光素子(発光ダイオード)５１は、長手方向にＰ型半導体領域６４およびＮ型半導体領域６５が接続されて構成されている。また、微細な棒状抵抗素子５４は、ナノワイヤ６６で構成されている。また、６７は配線である。
【００７９】
上記微細な棒状受光素子５２は上述のごとくフォトトランジスタであり、例えば、シリコン,ゲルマニウム,ＩnＧaＡsおよび硫化鉛を用いることができる。材料の選択は、微細な棒状発光素子５１が発光する光を吸収できるものから行う。フォトトランジスタである微細な棒状受光素子５２は、それ自身が増幅作用を有するため、上記第１実施の形態および上記第２実施の形態のごとくフォトダイオードで構成した場合に比べて、遥かに感度が高いという利点を有している。
【００８０】
また、上記微細な棒状受光素子５２のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状受光素子５２のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な受光感度が得られ、且つ通常のフォトトランジスタに比べて極めて小さい、直径が２０ｎｍ〜１μｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００８１】
・第４実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態における電子デバイス１０の場合と同様に、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。
【００８２】
図１０は、本実施の形態の電子デバイス７０における回路図である。図１１は、本実施の形態の電子デバイス７０における概略平面図である。図１２および図１３は、本実施の形態の電子デバイス７０における上記微細な棒状発光素子および微細な棒状増幅素子の構造を説明するための概略図である。
【００８３】
図１０〜図１３に示すように、微細な棒状発光素子(発光ダイオード)７１,微細な棒状受光素子７２,第１の微細な棒状抵抗素子７４および第２の微細な棒状抵抗素子７５は、基板７６上に横倒しで配置されている。基板７６上には、端子７７〜端子８１が形成されている。また、基板７６上には配線８２が形成されており、各端子７７〜８１と各素子との間および各素子間を電気的に接続している。
【００８４】
上記微細な棒状発光素子(発光ダイオード)７１は、図１２に示すように、Ｎ型の半導体コア８３をＰ型の半導体シェル８４で囲んで構成されており、その一端ではＮ型の半導体コア８３が露出している。そして、Ｐ型の半導体シェル８４は配線８２を介して端子７７に接続され、Ｎ型の半導体コア８３は配線８２を介して端子７８に接続されている。端子７７は微細な棒状発光素子７１を駆動するための正極となり、端子７８は負極となる。
【００８５】
上記微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)７２は、上記第３実施の形態における微細な棒状受光素子５２と同じ構造を有するフォトトランジスタであり、第１の微細な棒状抵抗素子７４および第２の微細な棒状抵抗素子７５は、上記第１実施の形態における微細な棒状抵抗素子１４と同じ構造を有する抵抗素子である。
【００８６】
また、微細な棒状増幅素子８５は電界効果トランジスタであり、図１３に示すように、長手方向にソース領域あるいはドレイン領域となるＮ型半導体領域８６と、チャネル領域となるＰ型半導体領域８８と、ドレイン領域あるいはソース領域となるＮ型半導体領域８７とが、この順に接続されている。そして、チャネル領域となるＰ型半導体領域８８は、ゲート絶縁膜となるインナーシェル８９およびゲート電極となるアウターシェル９０で覆われている。
【００８７】
上記微細な棒状受光素子７２は、長手方向にＰ型半導体領域９１,Ｎ型半導体領域９２,Ｐ型半導体領域９３がこの順に接続されて、ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタ構造のフォトトランジスタ素子を構成している。そして、Ｐ型半導体領域９１は、配線８２を介して、微細な棒状増幅素子８５のＮ型半導体領域８７および端子７９に接続されている。さらに、Ｐ型半導体領域９３は、配線８２を介して、微細な棒状増幅素子８５のアウターシェル(ゲート電極)９０および第１の微細な棒状抵抗素子７４の一端に接続されている。
【００８８】
また、上記微細な棒状増幅素子８５のＮ型半導体領域８６は配線８２を介して、第２の微細な棒状抵抗素子７５の一端および端子８０に接続されている。第１の微細な棒状抵抗素子７４の他端は配線８２を介して、第２の微細な棒状抵抗素子７５の他端および端子８１に接続されている。ここで、端子７９は高電位端子、端子８１は低電位端子、端子８０は出力端子となる。
【００８９】
上記微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)７２は、基板７６上に、微細な棒状発光素子７１と対向するように配置されている。こうすることによって、微細な棒状受光素子７２は、微細な棒状発光素子７１が放出した光を受光することができる。すなわち、微細な棒状発光素子７１と微細な棒状受光素子７２とで発光素子‐受光素子対７３を構成しており、この発光素子‐受光素子対７３自身でフォトカプラを構成するのである。
【００９０】
上記微細な棒状受光素子７２の出力は微細な棒状増幅素子８５のゲート電極９０に入力され、微細な棒状増幅素子８５のＮ型半導体領域８６からの出力が端子８０に現れる。したがって、微細な棒状発光素子７１が消灯状態の場合には、端子(出力端子)８０の電位が低電位となり、微細な棒状発光素子７１が点灯状態になると、端子８０が高電位となる。
【００９１】
上記微細な棒状発光素子７１は、ＧaＡsＰ系,ＧaＰ系,ＧaＡlＡs系,ＡlＧaＩnＰ系およびＩnＧaＮ系等を用いることができる。図１２においては、微細な棒状発光素子７１はＮ型の半導体コア８３およびＰ型の半導体シェル８４の２層構造としているが、実際には高効率発光化のために多層構造を有していても差し支えない。例えば、ＩnＧaＮ系を用いる場合には、Ｎ型の半導体コア,ＩnＧaＮ活性層シェルおよびＰ型の半導体シェルをこの順に積層したものを用いることができる。さらには、活性層を複数積層して活性層シェルを多重量子井戸構造としてもよい。
【００９２】
上記微細な棒状発光素子７１は、側面が発光するので、そのサイズに比して発光強度を強くすることが可能である。そのため、微細な棒状発光素子７１をさらに小さくして本電子デバイス７０を微細化することが可能になる。また、微細な棒状発光素子７１を小さくする代わりに、単位発光層面積当たりの発光強度を弱くすれば、微細な棒状発光素子７１の発光効率が向上し、本電子デバイス７０を低消費電力化することが可能である。
【００９３】
上記微細な棒状発光素子７１のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状発光素子７１のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な光量が得られ、且つ通常のＬＥＤチップに比べて極めて小さい、直径が１００ｎｍ〜５００ｎｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００９４】
電界効果トランジスタである上記微細な棒状増幅素子８５は、例えばシリコン,ＧaＡsおよびＧaＮを用いることができる。微細な棒状増幅素子の他の例としては、バイポーラトランジスタがある。
【００９５】
上記微細な棒状増幅素子８５のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状増幅素子８５のサイズはこれに限らず、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な出力が得られ、且つ通常の単体の電界効果トランジスタに比べて極めて小さい、直径が２００ｎｍ〜１μｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【００９６】
上記第１の微細な棒状抵抗素子７４は、均一な材質からなるナノワイヤ９４で構成されている。また、第２の微細な棒状抵抗素子７５は、均一な材質からなるナノワイヤ９５で構成されている。
【００９７】
本実施の形態の電子デバイス７０は、微細な棒状受光素子７２の出力を、微細な棒状増幅素子８５で増幅している。したがって、フォトカプラ７３としての動作をより広帯域で行うことが可能になる。
【００９８】
・第５実施の形態
本実施の形態の電子デバイスは、上記第１実施の形態における電子デバイス１０の場合と同様に、発光する機能を有する微細な棒状発光素子と、上記微細な棒状発光素子が放出した光を受光するセンサーとしての機能を有する微細な棒状受光素子とを備えている。さらに、上記微細な棒状発光素子から放出されて上記微細な棒状受光素子に到達する光の光路と略直交するように流路を配置し、上記微細な棒状受光素子が受光した光の強度によって、上記流路における上記光路の箇所を通過する物体を検知するよう構成している。
【００９９】
図１４は、本実施の形態の電子デバイス１００における回路図であり、微細な流路の模式図が付け加えられている。図１５は、本実施の形態の電子デバイス１００における概略平面図である。図１６は、図１５におけるＡ‐Ａ'矢視断面図である。図１７は、本実施の形態の電子デバイス１００における微細な棒状受光素子の構造を説明するための概略図である。
【０１００】
図１４〜図１６に示すように、微細な棒状発光素子(発光ダイオード)１０１,微細な棒状受光素子(フォトコンダクタ)１０２および微細な棒状抵抗素子１０３は、基板１０４上に横倒しで配置されている。また、基板１０４上には、端子１０５〜端子１０９が形成されている。また、基板１０４上には配線１１０が形成されており、各端子１０５〜１０９と各素子との間および各素子間を電気的に接続している。
【０１０１】
上記微細な棒状発光素子１０１は、上記第１実施の形態における微細な棒状発光素子１１と同じ構造を有する発光ダイオードである。そして、発光ダイオードでなる微細な棒状発光素子１０１のアノード(Ｐ型半導体領域)１１１は端子１０５に接続される一方、カソード(Ｎ型半導体領域)１１２は端子１０６に接続されている。端子１０５は微細な棒状発光素子１０１を駆動するための正極となり、端子１０６負極となる。
【０１０２】
上記微細な棒状受光素子(フォトコンダクタ)１０２は、図１７に示すように均一な材質のナノワイヤ１１３からなり、光を受光すると抵抗が下がるデバイスである。微細な棒状受光素子１０２の一端は、配線１１０を介して端子１０９に接続されており、他端は、配線１１０を介して端子１０８および微細な棒状抵抗素子１０３の一端に接続されている。また、微細な棒状抵抗素子１０３の他端は、配線１１０を介して端子１０７に接続されている。ここで、端子１０７は高電位端子、端子１０９は低電位端子、端子１０８は出力端子となる。
【０１０３】
上記微細な棒状抵抗素子１０３は、上記第１実施の形態における微細な棒状抵抗素子１４と同じ構造を有する抵抗素子であり、均一な材質からなるナノワイヤ１１４で構成される。
【０１０４】
上記微細な棒状発光素子１０１と微細な棒状受光素子１０２との間には、流路(チャネル)１１５が配置されている。この流路１１５は、基板１０４上に貼り付けられたＰＤＭＳ(ポリジメチルシロキサン)膜１１６に形成された溝で構成されている。この流路１１５は、例えば、幅と高さとが１００ｎｍ〜５０μｍである。
【０１０５】
上記流路１１５の壁には光を吸収する塗装１１７がなされているが、微細な棒状発光素子１０１と微細な棒状受光素子１０２とが互いに対向する部分においては塗装１１７がなされておらず、光を透過する窓部１１８が形成されている。
【０１０６】
上記微細な棒状発光素子１０１を点灯状態にしたまま、この流路１１５内に光を散乱する微細な物体１１９あるいは光を吸収する微細な物体１２０を含んだ流体を流した場合には、微細な物体１１９,１２０が窓部１１８を通過する際に微細な棒状受光素子１０２に届く光量が減少する。そこで、端子１０８の電圧をモニターすることによって、微細な物体１１９,１２０の数をカウントすることができる。さらには、微細な物体１１９と微細な物体１２０との形状,大きさあるいは光の吸収率が異なる場合は、端子１０８の電圧変動を解析することにより、その種類を分類することも可能である。
【０１０７】
すなわち、本実施の形態においては、上記配線１１０,棒状抵抗素子１０３および端子１０７〜１０９で、特許請求の範囲における上記「物体を検知するための回路」を構成しているのである。
【０１０８】
上記流路１１５を流れて、微細な棒状発光素子１０１と微細な棒状受光素子１０２との対で検知される微細な物体１１９,１２０としては、通常の(従来の)フォトインタラプタでは検知できないような「花粉,ウィルス,血球等の生体、空気中を漂う微細な砂粒子やほこり、微細金属粒や小麦粉等の爆発性のある粉塵」等がある。
【０１０９】
上記微細な棒状受光素子１０２はフォトコンダクタであり、例えば、シリコン,ゲルマニウム,ＩnＧaＡs,ＨgＣdＴeおよびＩnＳbを用いることができる。材料の選択は、微細な棒状発光素子１０１が発光する光を吸収できるものから行う。
【０１１０】
また、上記微細な棒状受光素子１０２のサイズは、例えば、直径が２００ｎｍであり、長さが１０μｍである。しかしながら、微細な棒状受光素子１０２のサイズはこれに限定されるものではなく、直径は１ｎｍ〜１０μｍ、長さは１０ｎｍ〜５００μｍとすることができる。より好ましくは、十分な受光感度が得られ、且つ通常のフォトコンダクタに比べて極めて小さい、直径が２００ｎｍ〜１μｍ、長さが１μｍ〜５０μｍである。
【０１１１】
尚、上記微細な棒状受光素子１０２としては、フォトコンダクタの代わりに微細な棒状のフォトダイオードやフォトトランジスタを用いれば、暗電流を小さくすることができるのでさらに好ましい。
【０１１２】
さらに、上記微細な棒状受光素子１０２の出力を受ける次段として、微細な棒状の増幅素子や増幅回路を設けてもよい。
【０１１３】
以上のごとく、本実施の形態の電子デバイス１００は、発光素子１０１と受光素子１０２とが共に微細な棒状の素子であるため、発光素子１０１が放出した光が受光素子１０２に届くまでの光路上に設けられる流路１１５を微細なものとすることができる。したがって、微細な流路１１５を通過する「花粉,ウィルス,血球等の生体、空気中を漂う微細な砂粒子やほこり、微細金属粒や小麦粉等の爆発性のある粉塵」等の微細な物体１１９,１２０の数をカウントし、種類を特定することが容易になる。また、発光素子１０１と受光素子１０２とが共に微細な棒状の素子であるため、通常のフォトインタラプタに比べて検出部を極めて小さくすることが可能である。さらには、本電子デバイス１００の主要な電力消費源である発光素子１０１が非常に小さいため、低消費電力化が可能である。
【０１１４】
・第６実施の形態
本実施の形態は、上記第１実施の形態〜上記第５実施の形態における電子デバイス１０〜電子デバイス１００の製造方法における各電子デバイスに共通する製造方法に関する。
【０１１５】
（１）電子デバイスの製造手順
先ず、上記第１実施の形態〜上記第５実施の形態における電子デバイス１０〜電子デバイス１００を製造する手順を説明する。
【０１１６】
上記第１実施の形態〜上記第５実施の形態における電子デバイス１０〜電子デバイス１００は、何れも微細な棒状素子が基板上に配置され、さらに配線されることによって製造される。より具体的には、微細な棒状素子を基板上で多数形成した後、それらの微細な棒状素子を上記基板から切り離す。次に、切り離された棒状素子を上記基板とは別の本来の基板上の所定の位置に配列し、配線するのである。
【０１１７】
以下に、上記微細な棒状素子の形成方法と、上記微細な棒状素子の基板上への配列方法とについて、詳細に説明する。
【０１１８】
（２）微細な棒状素子の形成方法
ここでは、微細な棒状素子の形成方法について、３通りの方法を説明する。
【０１１９】
第１の方法
上記微細な棒状素子の形成方法のうちの第１の方法として、上記第１実施の形態における微細な棒状受光素子(フォトダイオード)１２の形成方法を例に挙げて説明する。
【０１２０】
上記微細な棒状受光素子１２は、ＰＩＮ構造を有しており、シリコンからなるとする。尚、上記第２実施の形態における微細な棒状受光素子(フォトダイオード)３２も同様の方法で形成することができる。また、上記各実施の形態における微細な棒状発光素子(発光ダイオード)１１,３１,５１,１０１、微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)５２,７２も、適切な材料を用いて適切な不純物プロファイルを形成することにより、同様の方法で形成することができる。また、微細な棒状受光素子(フォトコンダクタ)１０２、微細な棒状抵抗素子１４,３８,５４,７４,７５,１０３は、ＰＮ接合を有していないが、棒状素子全体に渡って一様な不純物プロファイルを与えるなどすれば、やはり同様な方法で形成することができる。
【０１２１】
先ず、図１８に示すように、シリコン基板１２１を準備する。
【０１２２】
次に、図１９に示すように、開口部が設けられたシリコン酸化膜１２２をシリコン基板１２１上に形成する。具体的には、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)法によって、シリコン基板１２１上に例えば１００ｎｍの厚さでシリコン酸化膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィ工程によって、上記シリコン酸化膜に、例えば２００ｎｍの大きさの開口部をパターニングしてシリコン基板１２１表面の一部を露出させて、シリコン酸化膜１２２を形成する。
【０１２３】
次に、図２０に示すように、金からなる金属触媒粒１２３を、シリコン酸化膜１２２の開口部であってシリコン基板１２１が露出している部分に形成する。具体的には、パターニングされたシリコン酸化膜１２２が形成されたシリコン基板１２１上の全面に、例えば厚さ３ｎｍの金をスパッタにより成膜し、９００℃程度でアニールすることによって金を凝集させればよい。
【０１２４】
次に、図２１に示すように、上記シリコン酸化膜１２２の開口部から露出しているシリコン基板１２１上に、ＣＶＤ装置を用いて、例えば３μｍの長さにｐ型シリコンをＶＬＳ(Vapor Liquid Solid)成長させてＰ型半導体領域１２４を形成する。成長温度は８００℃程度であり、成長ガスとしてシランを用い、キャリアガスとして水素を用い、導電性を与える不純物を含むガスとしてジボランを用いる。
【０１２５】
次に、図２２に示すように、上記導電性を与える不純物を含むガス(ジボラン)の供給を停止してさらに成長を続け、例えば３μｍの長さに無ドープ(イントリンシック)シリコンを成長させてＩ型半導体領域(真性領域)１２５を形成する。
【０１２６】
次に、図２３に示すように、上記導電性を与える不純物を含むガスとしてホスフィンを流してさらに成長を続け、例えば３μｍの長さにｎ型シリコンを成長させてＮ型半導体領域１２６を形成する。こうして、長さ方向にＰ型半導体領域１２４,Ｉ型半導体領域１２５およびＮ型半導体領域１２６が順に並んだシリコンワイヤが形成される。
【０１２７】
次に、図２４に示すように、上記シリコン酸化膜１２２および金属触媒粒１２３を夫々ウェットエッチングにより除去し、最後に、図２５に示すように、シリコン基板１２１とその表面上に形成された棒状の構造物とを水等の液体中に浸し、超音波を照射することによって、上記棒状の構造物をシリコン基板１２１から切り離す。こうしてシリコン基板１２１から切り離された個々の棒状の構造物は、上記第１実施の形態において、長手方向にＰ型半導体領域２４,Ｉ型半導体領域２６およびＮ型半導体領域２５がこの順で接続されてフォトダイオードの機能を有する微細な棒状受光素子１２となる。
【０１２８】
第２の方法
上記微細な棒状素子の形成方法のうちの第２の方法として、上記第４実施の形態における微細な棒状増幅素子(電界効果トランジスタ)８５の形成方法を例に挙げて説明する。
【０１２９】
上記微細な棒状増幅素子８５は、ＮＰＮ構造を有しており、シリコンからなるとする。
【０１３０】
先ず、図２６に示すように、シリコン基板１２７上に、根元側から長さ方向にＮ型半導体領域１２８,Ｐ型半導体領域１２９およびＮ型半導体領域１３０がこの順に接続されたシリコンワイヤを形成する。このシリコンワイヤは、上記第１の方法と同様にして形成すればよい。尚、シリコンワイヤの太さは、例えば２００ｎｍとし、長さは、例えば１０μｍとする。
【０１３１】
次に、図２７に示すように、上記Ｎ型半導体領域１２８,Ｐ型半導体領域１２９およびＮ型半導体領域１３０の表面に、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜１３１を、例えば１０ｎｍの厚さで形成する。シリコン酸化膜１３１は、ＣＶＤ法により形成するか、Ｎ型半導体領域１２８,Ｐ型半導体領域１２９およびＮ型半導体領域１３０の表面を熱酸化することによって形成することができる。次に、シリコン酸化膜１３１の表面に、ゲート電極となるＮ型に高濃度ドープしたポリシリコン膜１３２を、ＣＶＤ法によって形成する。ポリシリコン膜１３２の厚さは、例えば５０ｎｍとする。
【０１３２】
最後に、図２８に示すように、上記シリコン基板１２７とその表面上に形成した棒状の構造物を水等の液体中に浸し、超音波を照射することによって、上記棒状の構造物をシリコン基板１２７から切り離す。こうしてシリコン基板１２７から切り離された個々の棒状の構造物は、上記第４実施の形態において、長手方向にＮ型半導体領域８６とＰ型半導体領域８８とＮ型半導体領域８７とがこの順に接続されると共に、Ｐ型半導体領域８８がゲート絶縁膜となるインナーシェル８９およびゲート電極となるアウターシェル９０で覆われて電界効果トランジスタの機能を有する微細な棒状増幅素子８５となる。
【０１３３】
ところで、図２８の微細な棒状増幅素子８５は、Ｎ型半導体領域８６(１２８),８７(１３０)に対して配線をする必要があるので、図１３に示すように、両端部においてゲート絶縁膜８９(１３１)およびゲート電極９０(１３２)を剥いておく必要がある。そのため、棒状増幅素子８５の両端部の領域１３３および領域１３４において、シリコン酸化膜１３１およびポリシリコン膜１３２を除去しなければならない。そこで、この両端部の領域１３３,１３４の除去は、微細な棒状増幅素子８５を基板１２７とは別の本来の基板７６上の所定の位置に配列した後、配線を行う前に、適切なエッチングマスクを形成したうえでエッチングで除去することによって行うのである。
【０１３４】
第３の方法
上記微細な棒状素子の形成方法のうちの第３の方法として、上記第４実施の形態における微細な棒状発光素子(発光ダイオード)７１の形成方法を例に挙げて説明する。
【０１３５】
上記微細な棒状発光素子７１は、Ｎ型のＧaＮコア８３とＰ型のＧaＮシェル８４とを有し、Ｎ型のＧaＮコア８３とＰ型のＧaＮシェル８４との間には、ＩnＧaＮシェル(発光層)が形成されているものとする。
【０１３６】
このような棒状発光素子は、上記第２の方法と類似している上記ＶＬＳ法とＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法とを組み合わせた方法で形成することもできるが、ここではエッチングとＭＯＣＶＤ法とを組み合わせた方法で形成する場合を例に説明する。
【０１３７】
先ず、図２９に示すように、サファイア基板１３５の表面上にｎ型ＧaＮ膜１３６を形成する。ｎ型ＧaＮ膜１３６は、ＭＯＣＶＤ装置で、例えば１０μｍの厚さで成膜する。
【０１３８】
次に、図３０に示すように、上記ｎ型ＧaＮ膜１３６にシリコン酸化膜を堆積し、フォトリソグラフィ工程によってパターニングして、シリコン酸化膜からなるハードマスク１３７を形成する。上記シリコン酸化膜は、ＣＶＤ法によって、例えば１μｍの厚さで堆積する。また、シリコン酸化膜からなるハードマスク１３７は、例えば直径が１μｍの円形,三角形,四角形あるいは六角形等に形成する。
【０１３９】
次に、図３１に示すように、上記シリコン酸化膜からなるハードマスク１３７をマスクとして、非等方的なドライエッチングによって、ｎ型ＧaＮ膜１３６をエッチングして、ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８を形成する。尚、ハードマスク１３７の断面形状を変えることによって、棒状の半導体１３８の断面形状を自由に変えることができる。したがって、例えば、ｎ型ＧaＮ膜１３６をその表面がｃ面になるように成長させれば、ハードマスク１３７の断面形状を三角形にすることによって、棒状の半導体１３８の全ての側面を非極性面(ａ面やｍ面)にすることができる。
【０１４０】
ここで、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８が形成されたサファイア基板１３５をアニール処理することが好ましい。その場合のアニール温度は、例えば７００℃〜９００℃以下である。これにより、ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の結晶欠陥を回復させて、結晶性を改善することができる。
【０１４１】
あるいは、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８が形成されたサファイア基板１３５を、例えば１５０℃の熱リン酸に浸して、上記エッチングによって生じた結晶欠陥層を選択的に除去することが好ましい。この場合も、ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の結晶欠陥を回復させて、結晶性を改善することができる。
【０１４２】
次に、図３２に示すように、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の側面および上面に、例えば２００ｎｍの厚さでｎ型ＧaＮ膜１３９を形成する。このｎ型ＧaＮ膜１３９は、棒状の半導体１３８と一体となってＮ型のＧaＮコア８３となる。
【０１４３】
このように、上記ｎ型ＧaＮからなる棒状の半導体１３８の側面および上面に改めてｎ型ＧaＮ膜１３９を形成することによって、均一で結晶性のよいｎ型ＧaＮ結晶を表面に露出させることができる。特に、本第３の方法の手順では棒状の半導体１３８はエッチングによって形成されているためエッチングダメージを受けており、ｎ型ＧaＮ膜１３９を形成することによって半導体表面の結晶欠陥を減らす効果が大きい。
【０１４４】
その後、上記ｎ型ＧaＮ膜１３９の側面および上面に、例えば５ｎｍの厚さでＩnＧaＮ膜からなる発光層１４０を形成する。さらに、発光層１４０の側面および上面に、例えば１００ｎｍの厚さでｐ型ＧaＮ膜からなるＰ型半導体シェル１４１を形成する。
【０１４５】
図示しないが、この後、上記Ｐ型半導体シェル１４１上に、さらにミストＣＶＤ等によってＩＴＯ(Indium Tin Oxide)等の透明電極からなるシェルを形成することが好ましい。そうした場合には、動作時にＰ型半導体シェル１４１の電位が一様になって微細な棒状発光素子７１の発光効率を高くすることができる。
【０１４６】
最後に、図３３に示すように、上記サファイア基板１３５とその表面上に形成された棒状の構造物とを水等の液体中に浸し、超音波を照射することによって、上記棒状の構造物をサファイア基板１３５から切り離す。こうしてサファイア基板１３５から切り離された個々の棒状の構造物は、上記第４実施の形態において、Ｎ型のＧaＮコア８３とＰ型のＧaＮシェル８４とを備えて発光ダイオードの機能を有する微細な棒状発光素子７１となる。
【０１４７】
ところで、図３３の微細な棒状発光素子７１は、Ｎ型ＧaＮコア８３(１３８,１３９)に対して配線をする必要があるので、図１２に示すように、一方の端部においてＰ型ＧaＮシェル８４(１４１)を剥いておく必要がある。そのため、微細な棒状発光素子７１の領域１４２および領域１４３の何れか一方において、発光層１４０およびＰ型半導体シェル８４(１４１)を除去しなければならない。そこで、この領域１４２あるいは領域１４３の除去は、微細な棒状発光素子７１をサファイア基板１３５とは別の本来の基板７６上の所定の位置に配列した後、配線を行う前に、適切なエッチングマスクを形成したうえでエッチングで除去することによって行うのである。
【０１４８】
（３）微細な棒状素子の基板上への配置方法
以上説明した微細な棒状素子の形成方法によって形成された種々の微細な棒状素子は、基板上の所定の位置に配置された後、配線が行われる。以下では、上記第５実施の形態における電子デバイス１００を形成する方法を挙げて説明する。
【０１４９】
先ず、図３４に示すように、表面に電極１４５〜１５０が形成された基板１０４を準備する。ここで、電極１４５〜１５０は、フォトリソグラフィあるいは印刷技術によって形成することができる。尚、図３４では省略されているが、電極１４５〜１５０には外部から電位を与えられるように、パッドが形成されている。
【０１５０】
上記電極１４５と電極１４６、電極１４７と電極１４８、および、電極１４９と電極１５０は、夫々第１,第２および第３の電極対をなしている。そして、第１の電極対(電極１４５と電極１４６)の部分は、微細な棒状発光素子１０１が配置される位置を規定している。同様に、第２の電極対(電極１４７と電極１４８)の部分は、微細な棒状受光素子１０２が配置される位置を規定し、第３の電極対(電極１４９と電極１５０)の部分は微細な棒状抵抗素子１０３が配置される位置を規定している。
【０１５１】
次に、図３５および図３６に示すように、上記第３の電極対(電極１４９と電極１５０)の部分に、微細な棒状抵抗素子１０３を配置する(抵抗素子配置工程)。尚、図３５および図３６は、図３４におけるＢ‐Ｂ'矢視断面図である。
【０１５２】
先ず、図３５に示すように、上記基板１０４上に、微細な棒状抵抗素子１０３を含んだイソプロピルアルコール(ＩＰＡ)１５１を薄く塗布する。ＩＰＡ１５１に換えて、エチレングリコール,プロピレングリコール,メタノール,エタノール,アセトンの何れか一つ、あるいは、それらの混合物であってもよい。あるいは、ＩＰＡ１５１に換えて、他の有機物からなる液体や水等を用いることができる。
【０１５３】
上記微細な棒状抵抗素子１０３を含むＩＰＡ１５１を塗布する厚さは、微細な棒状抵抗素子１０３を配置できるように、ＩＰＡ１５１中で微細な棒状抵抗素子１０３が移動できる厚さである。つまり、ＩＰＡ１５１を塗布する厚さは、微細な棒状抵抗素子１０３の太さ以上であり、例えば、数μｍ〜数ｍｍである。ここで、塗布する厚さは薄すぎると微細な棒状抵抗素子１０３が移動し難くなり、厚すぎるとＩＰＡ１５１を乾燥する時間が長くなる。また、ＩＰＡ１５１の量に対する微細な棒状抵抗素子１０３の量は、１×１０4本ｃｍ-3〜１×１０7本ｃｍ-3が好ましい。
【０１５４】
上記微細な棒状抵抗素子１０３を含むＩＰＡ１５１を塗布するために、微細な棒状抵抗素子１０３を配置させる領域の外周囲に枠を形成し、その枠内に微細な棒状抵抗素子１０３を含むＩＰＡ１５１を所望の厚さになるように充填してもよい。しかしながら、ＩＰＡ１５１が粘性を有する場合は、枠を必要とせずに、所望の厚さに塗布することが可能である。
【０１５５】
次に、図３６に示すように、上記第３の電極対を形成する電極１４９と電極１５０との間に、例えば１Ｖの交流を印加する。第３の電極対に印加する交流電圧は０.１Ｖ〜１０Ｖとすることができるが、０.１Ｖ以下の場合には微細な棒状抵抗素子１０３の配置が悪くなり、１０Ｖ以上では電極間に流れる電流によってＩＰＡ１５１が好ましくない対流を起こす。したがって、１Ｖ〜５Ｖが好ましく、１Ｖ程度とするのがより好ましい。
【０１５６】
上記微細な棒状抵抗素子１０３が上記第３の電極対で規定される位置に配置される原理は、誘電泳動あるいは容量結合による引力で説明される。その結果、各電極１４９,１５０と微細な棒状抵抗素子１０３との間に引力が働き、微細な棒状抵抗素子１０３は、電極１４９,１５０間に生じる電気力線に沿うように向きを揃え、電極１４９,１５０に架橋するように配置される。
【０１５７】
また、上記電極１４９,１５０に与える交流電圧の周波数は１０Ｈｚ〜１ＭＨｚとするのが好ましく、５０Ｈｚ〜１ｋＨｚとするのが、微細な棒状抵抗素子１０３の配置が最も安定してより好ましい。さらに、電極１４９と電極１５０との間に印加する交流電圧は、正弦波に限らず、矩形波,三角波およびノコギリ波等の周期的に変動するものであればよい。
【０１５８】
尚、上記第１の電極対および第２の電極対には電圧を印加していないため、微細な棒状抵抗素子１０３は配置されない。したがって、微細な棒状抵抗素子１０３は、上記第３の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置されるのである。
【０１５９】
次に、上記微細な棒状抵抗素子１０３を配置させた後の基板１０４を加熱することによってＩＰＡ１５１の液体を蒸発させて乾燥させ、微細な棒状抵抗素子１０３を電極１４９および電極１５０に架橋するように配置させて固着させる。
【０１６０】
次に、図３７および図３８に示すように、第１の電極対(電極１４５と電極１４６)の部分に、微細な棒状発光素子１０１を配置する(発光素子配置工程)。尚、図３７および図３８は、図３４におけるＣ‐Ｃ'矢視断面図である。
【０１６１】
先ず、図３７に示すように、上記基板１０４上に、微細な棒状発光素子１０１を含んだＩＰＡ１５２を薄く塗布する。
【０１６２】
ところで、上記微細な棒状発光素子１０１はＰＮ接合を有するダイオードであり、極性を有する素子(有極性素子)である。そのため、例えば図３７において、微細な棒状発光素子１０１は、Ｐ型半導体領域１１１を左に向け、Ｎ型半導体領域１１２を右に向けて配置されなければならない。もし、微細な棒状発光素子１０１が反対を向いて基板１０４上に配置された場合には、得られる電子デバイス１００は不良となる。ところが、上記第３の電極対で規定される位置に微細な棒状抵抗素子１０３を配置する方法では、微細な棒状抵抗素子１０３が配置される２つの向きがとる確率は共に５０％である。
【０１６３】
そこで、図３８に示すように、上記第１の電極対における電極１４５および電極１４６には、交流電圧に重ねて直流電圧を印加するのである。微細な棒状発光素子１０１の接合部には空乏層が形成されているため、空乏層電荷が電気二重層を形成している。そして、Ｐ型半導体領域１１１側の空乏層は負に、Ｎ型半導体領域１１２側の空乏層は正に帯電している。この電気二重層は電気双極子モーメントを有しているため、電極１４５側を実質的に正電圧に、電極１４６側を実質的に負電圧にすることによって、微細な棒状発光素子１０１はＰ型半導体領域１１１を左側にして配置されるのである。
【０１６４】
尚、上記第２の電極対および第３の電極対には電圧を印加していないため、微細な棒状発光素子１０１は配置されない。したがって、微細な棒状発光素子１０１は、上記第１の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置させるのである。
【０１６５】
次に、上記微細な棒状発光素子１０１を配置させた後の基板１０４を加熱することによって、ＩＰＡ１５２の液体を蒸発させて乾燥させ、微細な棒状発光素子１０１を電極１４５および電極１４６に架橋するように配置させて固着させる。
【０１６６】
次に、図示しないが、上記第２の電極対(電極１４７と電極１４８)の部分に、微細な棒状受光素子１０２を配置する(受光素子配置工程)。微細な棒状受光素子１０２には極性がないので、上述した第３の電極対の対向部で規定される位置に微細な棒状抵抗素子１０３を配置する方法を用いればよい。
【０１６７】
この場合も、上記第１の電極対および第３の電極対には電圧を印加していないため、微細な棒状受光素子１０２は配置されない。したがって、微細な棒状受光素子１０２は、上記第２の電極対で規定される位置にのみ選択的に配置させるのである。
【０１６８】
次に、上記微細な棒状受光素子１０２を配置させた後の基板１０４を加熱することによって、上記ＩＰＡの液体を蒸発させて乾燥させ、微細な棒状受光素子１０２を電極１４７および電極１４８に架橋するように配置させて固着させる。
【０１６９】
以上、上述した３回の配置工程によって、図３９に示すように、基板１０４上に、微細な棒状抵抗素子１０３,微細な棒状発光素子１０１および微細な棒状受光素子１０２が、夫々所定の位置に配置される。特に、有極性素子である微細な棒状発光素子１０１は、基板１０４上の所定の位置に、極性の向きを含めて正しく配置される。
【０１７０】
次に、図４０に示すように、上記基板１０４上に、端子１０５〜１０９および配線１１０を形成する。これにより、各端子１０５〜１０９と各素子１０１,１０２,１０３との間が電気的に正しく接続される。
【０１７１】
次に、図４１に示すように、上記ＰＤＭＳ１１６に溝１１５を形成する。この溝１１５は微細な物体１１９,１２０を含んだ流体が流れる流路となる。そして、ＰＤＭＳ１１６の一部にマスクを形成して光を吸収する塗装１１７を流路１１５の壁に施し、その後マスクを除去することによって流路１１５の壁に光を透過する窓部１１８を形成する。
【０１７２】
最後に、図４２に示すように、上記溝(流路)１１５が形成されたＰＤＭＳ１１６を、微細な棒状素子の配置と配線とが完了した基板１０４上に圧着して、電子デバイス１００が完成する。
【０１７３】
以上の上記電子デバイス１００を製造する方法においては、少なくとも第１,第２の２つの電極対が形成された基板１０４上に、微細な棒状発光素子１０１を含んだＩＰＡ１５２の液体を導入し、上記第１の電極対に電圧を印加して微細な棒状発光素子１０１を上記第１の電極対を構成する電極１４５と電極１４６との対向部で規定される位置に配置させる発光素子配置工程と、基板１０４上に、微細な棒状受光素子１０２を含んだ上記ＩＰＡの液体を導入し、上記第２の電極対に電圧を印加して微細な棒状受光素子１０２を上記第２の電極対を構成する電極１４７と電極１４８との対向部で規定される位置に配列させる受光素子配置工程とを含んでいる。
【０１７４】
したがって、上記電子デバイス１００を製造する方法で例示される微細な棒状素子の基板上への配置方法によれば、微細な棒状発光素子と微細な棒状受光素子とを、簡易に極めて接近させて配置することが可能である。したがって、発光素子と受光素子との対を非常に微細に構成し、電子デバイスを非常に微細化できる簡易な電子デバイスおよびその製造方法を提供することができる。
【０１７５】
この電子デバイスの製造方法においては、さらに、上記発光素子配置工程で配列される上記微細な棒状発光素子、および、上記受光素子配置工程で配列される上記微細な棒状受光素子の少なくとも１つが、一端および他端に夫々異なる極性を有する有極性素子である場合には、上記有極性素子を、上記一端および上記他端の位置関係を含めて所定の向きで上記基板上に配列するようにしている。
【０１７６】
このような電子デバイスの製造方法では、極めて微細な棒状素子が極性を有している場合であっても、上記基板上に極性の向きを含めて正しい向きで当該微細な棒状素子を配置できるため、微細な棒状素子を組み合わせた複雑で高度な回路を実現することができるのである。
【０１７７】
・第７実施の形態
本実施の形態は、上記第１実施の形態〜上記第５実施の形態における電子デバイス１０〜電子デバイス１００を備えたセンサーシステムに関する。図４３は、本実施の形態のセンサーシステムのブロック図である。
【０１７８】
本実施の形態のセンサーシステム１６０は、センサー部１６１,演算部１６２および表示部１６３からなる。
【０１７９】
上記センサー部１６１としては、例えば、上記第５実施の形態の電子デバイス１００を用いることができる。このセンサー部１６１には、少なくとも微小な棒状発光素子１０１と、この微小な棒状発光素子１０１が発する光を受光する微小な棒状受光素子１０２と、微小な棒状発光素子１０１が発した光が微小な棒状受光素子１０２に届くまでの光路上に設けられた流路１１５を備えている。そして、微細な棒状受光素子１０２が受光した光の強度によって、流路１１５を通過する物体を検知するように構成されている。
【０１８０】
また、上記センサー部１６１は、さらに、微小な棒状素子からなる増幅回路や演算回路を備えていても良い。
【０１８１】
上記演算部１６２は、センサー部１６１の微小な棒状受光素子１０２からの出力を受けて増幅や演算を行い、その結果を表示部１６３に出力する機能を有する。
【０１８２】
以上のごとく、本実施の形態のセンサーシステム１６０は、少なくとも微小な棒状発光素子１０１と、この微小な棒状発光素子１０１が発する光を受光する微小な棒状受光素子１０２とを備えているので、極めて微小な流路１１５を流れる微小な物体を検知することができる。
【０１８３】
上記微小な流路１１５を流れる検知対象としては、通常のフォトインタラプタでは検知できないような「花粉,ウィルス,血球等の生体、空気中を漂う微細な砂粒子やほこり、微細金属粒や小麦粉等の爆発性のある粉塵」等がある。
【０１８４】
また、本実施の形態のセンサーシステム１６０は、上記センサー部１６１を極めて小さく構成することができるため、例えば生体内等にセンサー部１６１を埋め込んで使用することも可能になる。
【符号の説明】
【０１８５】
１０,３０,５０,７０,１００…電子デバイス、
１１,３１,５１,７１,１０１…微細な棒状発光素子(発光ダイオード)、
１２,３２…微細な棒状受光素子(フォトダイオード)、
１３,３３,５３,７３…フォトカプラ、
１４,３８,５４,７４,７５,１０３…微細な棒状抵抗素子、
１５,５５,７６,１０４…基板、
１６〜２０,３４〜３６,３９,４０,５６〜６０,７７〜８１,１０５〜１０９…端子、
２１,６７,８２,１１０…配線、
２２,２４,６３,６４,８８,９１,９３,１１１,１２４,１２９…Ｐ型半導体領域、
２３,２５,６１,６２,６５,８６,８７,９２,１１２,１２６,１２８,１３０…Ｎ型半導体領域、
２６,１２５…Ｉ型半導体領域、
２７,６６,９４,９５,１１３,１１４…ナノワイヤ、
３７…オペアンプ、
５２,７２…微細な棒状受光素子(フォトトランジスタ)、
８３…半導体コア、
８４…半導体シェル、
８５…微細な棒状増幅素子(電界効果トランジスタ)、
８９…インナーシェル(ゲート絶縁膜)、
９０…アウターシェル(ゲート電極)、
１０２…微細な棒状受光素子(フォトコンダクタ)、
１１５…流路(チャネル)、
１１６…ＰＤＭＳ膜、
１１７…塗装、
１１８…窓部、
１１９,１２０…微細な物体、
１２１,１２７…シリコン基板、
１３１…シリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)、
１３２…ポリシリコン膜(ゲート電極)、
１３５…サファイア基板、
１３８…棒状の半導体(ｎ型ＧaＮ)、
１３９…ｎ型ＧaＮ膜、
１４０…発光層、
１４１…Ｐ型半導体シェル、
１４５〜１５０…電極、
１５１,１５２…ＩＰＡ、
１６０…センサーシステム、
１６１…センサー部、
１６２…演算部、
１６３…表示部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有すると共に、光を放出する棒状発光素子と、
直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有すると共に、上記棒状発光素子から放出された光を受光する棒状受光素子と
を備えたことを特徴とする電子デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の電子デバイスにおいて、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子は、同一の基板上に配置されている
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２に記載の電子デバイスにおいて、
上記棒状受光素子は、第１導電型の半導体と第２導電型の半導体とが接合された半導体素子である
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の電子デバイスにおいて、
上記棒状受光素子は、上記棒状発光素子から放出された光の強弱に応じて電気特性が変化して、上記棒状発光素子から放出された光の強度が予め設定された設定強度を超えると第１の出力状態となる一方、上記設定強度以下になると上記第１の出力状態とは異なる第２の出力状態となるスイッチの機能を有する
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の電子デバイスにおいて、
上記棒状発光素子から放出されて上記棒状受光素子に到達する光の光路と交差すると共に、物体を含む流体が内部を流れる流路であって、上記光路との交差部は光が透過可能になっている流路と、
上記棒状受光素子から出力される受光量に応じた出力信号に基づいて、上記流路を通過した上記物体を検知するための回路と
を備えたことを特徴とする電子デバイス。
【請求項６】
請求項２に記載の電子デバイスの製造方法であって、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子が配置される上記基板上に、少なくとも第１の電極対と第２の電極対とを形成する電極対形成工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記棒状発光素子を含む液体を導入すると共に、上記第１の電極対に交流電圧を印加して、上記第１の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記棒状発光素子を配置させる発光素子配置工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記棒状受光素子を含む液体を導入すると共に、上記第２の電極対に交流電圧を印加して、上記第２の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記棒状受光素子を配置させる受光素子配置工程と
を含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の電子デバイスの製造方法において、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子のうちの少なくとも一方は、一端側と他端側とが夫々異なる極性を有する有極性素子であり、
上記第１の電極対と上記第２の電極対とのうち上記有極性素子が配置される電極対に印加される上記交流電圧には、直流電圧が重畳されており、
上記有極性素子が配置される電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に配置される上記有極性素子の両端の向きが、上記電極対に印加される上記直流電圧によって定められる
ことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項８】
請求項５に記載の電子デバイスを有するセンサー部を備えたことを特徴とするセンサーシステム。
【請求項１】
直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有すると共に、光を放出する棒状発光素子と、
直径が１ｎｍ以上且つ１０μｍ以下であり、長さが１０ｎｍ以上且つ５００μｍ以下である棒状体を有すると共に、上記棒状発光素子から放出された光を受光する棒状受光素子と
を備えたことを特徴とする電子デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の電子デバイスにおいて、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子は、同一の基板上に配置されている
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２に記載の電子デバイスにおいて、
上記棒状受光素子は、第１導電型の半導体と第２導電型の半導体とが接合された半導体素子である
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の電子デバイスにおいて、
上記棒状受光素子は、上記棒状発光素子から放出された光の強弱に応じて電気特性が変化して、上記棒状発光素子から放出された光の強度が予め設定された設定強度を超えると第１の出力状態となる一方、上記設定強度以下になると上記第１の出力状態とは異なる第２の出力状態となるスイッチの機能を有する
ことを特徴とする電子デバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の電子デバイスにおいて、
上記棒状発光素子から放出されて上記棒状受光素子に到達する光の光路と交差すると共に、物体を含む流体が内部を流れる流路であって、上記光路との交差部は光が透過可能になっている流路と、
上記棒状受光素子から出力される受光量に応じた出力信号に基づいて、上記流路を通過した上記物体を検知するための回路と
を備えたことを特徴とする電子デバイス。
【請求項６】
請求項２に記載の電子デバイスの製造方法であって、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子が配置される上記基板上に、少なくとも第１の電極対と第２の電極対とを形成する電極対形成工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記棒状発光素子を含む液体を導入すると共に、上記第１の電極対に交流電圧を印加して、上記第１の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記棒状発光素子を配置させる発光素子配置工程と、
上記電極対が形成された上記基板上に上記棒状受光素子を含む液体を導入すると共に、上記第２の電極対に交流電圧を印加して、上記第２の電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に、上記棒状受光素子を配置させる受光素子配置工程と
を含むことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の電子デバイスの製造方法において、
上記棒状発光素子および上記棒状受光素子のうちの少なくとも一方は、一端側と他端側とが夫々異なる極性を有する有極性素子であり、
上記第１の電極対と上記第２の電極対とのうち上記有極性素子が配置される電極対に印加される上記交流電圧には、直流電圧が重畳されており、
上記有極性素子が配置される電極対における互いに対向する２つの電極の間で規定される位置に配置される上記有極性素子の両端の向きが、上記電極対に印加される上記直流電圧によって定められる
ことを特徴とする電子デバイスの製造方法。
【請求項８】
請求項５に記載の電子デバイスを有するセンサー部を備えたことを特徴とするセンサーシステム。
【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２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【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２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【公開番号】特開２０１３−８０８６４（Ｐ２０１３−８０８６４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２１０２９（Ｐ２０１１−２２１０２９）
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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