特開 2024-131186 センシングデバイス、及びセンシングデバイスの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024131186

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】センシングデバイス、及びセンシングデバイスの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/08 20060101AFI20240920BHJP

   H01L 21/28 20060101ALI20240920BHJP

   H01L 29/786 20060101ALI20240920BHJP

   H10K 10/46 20230101ALI20240920BHJP

   H01L 31/02 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

H01L31/08 Z

H01L21/28 301R

H01L21/28 301B

H01L29/78 618B

H01L29/78 616U

H10K10/46

H01L31/02 B

H01L29/78 616V

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023041293

(22)【出願日】2023-03-15

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、防衛装備庁、安全保障技術研究推進制度、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000005223

【氏名又は名称】富士通株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】乘松 正明

(72)【発明者】

【氏名】近藤 大雄

【テーマコード（参考）】

4M104

5F110

5F149

【Ｆターム（参考）】

4M104AA09

4M104AA10

4M104BB02

4M104BB04

4M104BB05

4M104BB06

4M104BB07

4M104BB08

4M104BB09

4M104CC01

4M104DD34

4M104DD68

4M104FF06

4M104FF13

4M104GG05

4M104GG08

4M104HH08

4M104HH15

5F110AA03

5F110AA26

5F110BB09

5F110CC07

5F110DD05

5F110DD12

5F110DD13

5F110EE08

5F110EE43

5F110FF01

5F110FF02

5F110GG01

5F110GG28

5F110GG29

5F110GG44

5F110HK02

5F110HK03

5F110HK04

5F110HK21

5F110HK32

5F110HM02

5F110NN02

5F110NN22

5F110NN27

5F110NN33

5F110NN36

5F110QQ16

5F149AA17

5F149AB01

5F149BA14

5F149BA28

5F149CB05

5F149CB15

5F149DA16

5F149FA05

5F149GA04

5F149HA12

5F149LA01

5F149XB04

5F149XB13

5F149XB24

5F149XB51

(57)【要約】

【課題】コンタクト抵抗の低減と歩留まりの向上を両立させたセンシングデバイスを提供する。
【解決手段】センシングデバイスは、基板と、前記基板の上に設けられるセンシング材料層と、前記センシング材料層に接続される電極と、を有し、前記電極は、前記センシング材料層の表面と接して設けられる第１電極膜と、前記第１電極膜を覆って前記第１電極膜を前記センシング材料層に対して固定する第２電極膜と、を有し、前記センシング材料層または前記基板に対する前記第２電極膜の密着性は、前記センシング材料層または前記基板に対する前記第１電極膜の密着性よりも高い。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の上に設けられるセンシング材料層と、
前記センシング材料層に接続される電極と、
を有し、
前記電極は、前記センシング材料層の表面と接して設けられる第１電極膜と、前記第１電極膜を覆って前記第１電極膜を前記センシング材料層に対して固定する第２電極膜と、を有し、
前記センシング材料層または前記基板に対する前記第２電極膜の密着性は、前記センシング材料層または前記基板に対する前記第１電極膜の密着性よりも高い、
センシングデバイス。

【請求項2】

前記センシング材料層は、半導体または層状物質を含む、
請求項１に記載のセンシングデバイス。

【請求項3】

前記センシング材料層は、グラフェンまたはカルコゲナイドの層である、
請求項２に記載のセンシングデバイス。

【請求項4】

前記電極は、前記センシング材料層の長さ方向に所定の距離をおいて配置される一対の電極を含み、
前記一対の電極のそれぞれで、前記第１電極膜は前記センシング材料層の前記長さ方向の両端で前記センシング材料層にオーバーラップし、
前記第２電極膜は、前記一対の電極の前記第１電極膜が互いに対向する対向面を露出させた状態で、前記第１電極膜を覆っている、
請求項１に記載のセンシングデバイス。

【請求項5】

前記第２電極膜は、前記第１電極膜の上面と、前記対向面を除く側面を覆い、前記センシング材料層の幅方向の両側の基板表面に延びて前記第１電極膜を固定する、
請求項４に記載のセンシングデバイス。

【請求項6】

前記第１電極膜は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、またはＮｉで形成されており、
前記第２電極膜は、ＴｉまたはＣｒで形成されている、
請求項１から５のいずれか１項に記載のセンシングデバイス。

【請求項7】

基板の上の所定の領域にセンシング材料層を形成し、
前記センシング材料層に接続される第１電極膜を形成し、
前記第１電極膜よりも前記センシング材料層または前記基板に対する密着性が高い導電性材料で、前記第１電極膜を覆う第２電極膜を形成する、
センシングデバイスの製造方法。

【請求項8】

前記第１電極膜は、前記センシング材料層の長さ方向の両端に接続される一対の第１電極膜を含み、
前記第２電極膜は、前記一対の第１電極膜の互いに対向する対向面を露出させた状態で前記一対の第１電極膜の上面と側面を覆って、前記第１電極膜を前記センシング材料層または前記基板に固定する、
請求項７に記載のセンシングデバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、センシングデバイス、及びセンシングデバイスの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

センシングデバイスは、一般に光、熱、圧力などの刺激に感度をもつセンシング材料に電極を接続して、刺激の量を電気信号として取り出す。たとえば赤外線センサは、熱をもつ物体が発する赤外光の波長に感度をもつ材料で形成され、自動ドア、監視カメラ、インフラ点検等に適用されている。赤外線センサの材料として、半導体超格子の他に、グラフェンやカルコゲナイドの層状物質が用いられ得る。赤外線の波長領域は広く、室温で動作する広帯域、高感度のセンサが求められている。

【0003】

グラフェンのような層状物質や半導体層に電極を接続する場合、電極と下地層との密着性を高めるために、下地層と電極の間にチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などの密着性の高い金属が挿入される（たとえば、特許文献１、及び２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３－１２９５４８号公報

【特許文献2】国際公開公報第２０１７／１４５２９９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一般的に、電極材料として金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの電気伝導性の高い材料が用いられる。これらの金属の仕事関数は大きく、ｐ型半導体に対してオーミック接触する電極材料としても用いられる。しかし、これらの良導性の金属材料と下地層の密着性が不十分なため、密着性の高いチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）等が上記の電極材料の下層に用いられる。金属の密着性は、下地に対する剥離エネルギーの大小で決まり、剥離エネルギーが大きい材料ほど、下地に対する密着性が高い。Ｔｉ、Ｃｒ等の密着性の高い金属膜を挿入することで、電極の剥離が抑制され、歩留まりが向上する。しかし、下層の金属の存在により、下地層と電極の界面でキャリアの移動度が低下し、コントタクト抵抗が増大する。

【0006】

一つの側面では、コンタクト抵抗の低減と歩留まりの向上を両立させたセンシングデバイス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】

【0007】

一実施形態では、センシングデバイスは、
基板と、
前記基板の上に設けられるセンシング材料層と、
前記センシング材料層に接続される電極と、
を有し、
前記電極は、前記センシング材料層の表面と接して設けられる第１電極膜と、前記第１電極膜を覆って前記第１電極膜を前記センシング材料層に対して固定する第２電極膜と、を有し、
前記センシング材料層または前記基板に対する前記第２電極膜の密着性は、前記センシング材料層または前記基板に対する前記第１電極膜の密着性よりも高い。

【発明の効果】

【0008】

コンタクト抵抗の低減と歩留まり向上を両立させたセンシングデバイスが実現される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態のセンシングデバイスの模式的な斜視図である。

【図2】図１のＡ－Ａ断面模式図である。

【図3】図１の構成のセンシングデバイスのサンプルの光学顕微像である。

【図4A】伝達長法（ＴＬＭ：Transfer Length Method）による接触抵抗率算出のための測定及びフィッティング結果を示す図である。

【図4B】図４Ａの長さ３０μｍまでの領域の拡大図である。

【図5】図４Ａ及び図４Ｂから求めた実施形態のセンシングデバイスの接触抵抗率を従来構成と比較して示す図である。

【図6】実施形態の第１電極膜と従来の電極構成における移動度の測定結果を示す図である。

【図7】実施形態の第１電極膜と従来の電極構成のトータルのコンタクト抵抗の測定結果を示す図である。

【図8】センシングデバイスの動作特性を示す図である。

【図9A】実施形態のセンシングデバイスの製造工程図である。

【図9B】実施形態のセンシングデバイスの製造工程図である。

【図9C】実施形態のセンシングデバイスの製造工程図である。

【図9D】実施形態のセンシングデバイスの製造工程図である。

【図9E】実施形態のセンシングデバイスの製造工程図である。

【図9F】実施形態のセンシングデバイスの製造工程図である。

【図9G】実施形態のセンシングデバイスの製造工程図である。

【図9H】実施形態のセンシングデバイスの製造工程図である。

【図9I】実施形態のセンシングデバイスの製造工程図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下で、図面を参照しながら発明を実施するための形態を説明する。下記で述べる実施形態は、発明の技術思想を具体化するための例示であり、本発明を下記の構成や数値に限定するものではない。図面中、同一の機能を有する構成要素には、同一符号を付して、重複する記載を省略する場合がある。異なる実施形態や構成例の間での部分的な置換または組み合わせは可能である。各図面が示す各部材の大きさ、位置関係等は、発明の理解を容易にするために誇張して描かれている場合がある。

【0011】

実施形態では、グラフェン、カルコゲナイド等の層状物質や、半導体材料をセンシング材料として用いるセンシングデバイスにおいて、コンタクト抵抗の低減と歩留まりの向上を両立させる。一般的な電極構造として、下地に対する密着性の高いＴｉやＣｒの薄膜の上に、Ａｕなどの電気伝導性の高い金属が積層されている。しかし、密着層としてＴｉやＣｒを挿入することで、電極のコンタクト抵抗が高くなる。他方、密着層を用いないでＡｕ、Ｐｔ等の電気伝導性の高い金属で電極を形成すると、電極が剥離しやすく、歩留まりが低下する。このような問題を解決するために、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉなどの電気伝導性の高い材料で下層の電極膜を形成し、下層の電極膜を覆ってＴｉ、Ｃｒなどの密着性の高い上層の電極膜を形成する。密着性の高い上層の電極膜で、下層の電極膜をセンシング材料層または基板に対して固定する。

【0012】

＜センシングデバイスの構成例＞
図１は、実施形態のセンシングデバイス１０の模式的な斜視図、図２は、図１のＡ－Ａ断面模式図である。センシングデバイス１０は、基板１１と、基板１１の上に設けられるセンシング材料層１５と、センシング材料層１５に接続される電極１２Ｓ、及び１２Ｄとを有する。基板１１は、たとえば絶縁膜付きの基板であり、シリコン基板１１０の上に、酸化シリコン、酸化アルミニウムなどの絶縁膜１１１が形成された基板である。センシング材料層１５は、一例としてグラフェン、カルコゲナイド等の層状物質の層であり、基板１１の上の所定の領域に形成されている。この例では、センシング材料層１５をグラフェンで形成し、センシングデバイス１０を赤外線センサとして用いる。

【0013】

電極１２Ｓと１２Ｄは、センシング材料層１５の長さ方向の両端に接続されている。電極１２Ｓと１２Ｄのそれぞれは、センシング材料層１５の表面に接して設けられる第１電極膜１２１と、第１電極膜１２１を覆って第１電極膜１２１をセンシング材料層１５に対して固定する第２電極膜１２２とを有する。第２電極膜１２２のセンシング材料層１５または基板１１の表面に対する密着性は、第１電極膜１２１のセンシング材料層１５または基板１１の表面に対する密着性よりも高い。センシング材料層１５または基板１１の表面に対する密着性が高いということは、センシング材料層１５または基板１１の表面からの剥離エネルギーが大きいことを意味する。

【0014】

図２に示すように、電極１２Ｓ、及び１２Ｄの第１電極膜１２１は、センシング材料層１５を間に挟んで対向する対向面１２１ｆを有する。第２電極膜１２２は、第１電極膜１２１の対向面１２１ｆを除いて、第１電極膜１２１の上面と側面を覆っている。第２電極膜１２２は、第１電極膜１２１の対向面１２１ｆを露出させた状態で、センシング材料層１５の幅方向の両側の基板１１の表面に延びて、第１電極膜１２１をセンシング材料層１５及び基板１１の表面に安定的に固定する。第１電極膜１２１の対向面１２１ｆを覆わずに露出しておくことで、電極１２Ｓと１２Ｄの間に延びるセンシング材料層１５の有効領域の長さと特性が設計された通りに維持される。第１電極膜１２１は、センシング材料層１５の長さ方向の両端で、幅方向の全体にわたって設けられていることが望ましい。これにより、第２電極膜１２２が第１電極膜１２１を覆って第１電極膜１２１を基板１１の表面に固定する際に、第２電極膜１２２がセンシング材料層１５と接触することを防止できる。

【0015】

電極１２Ｓと１２Ｄは、センシング材料層１５に流れる電流を外部に取り出すための電極パッド１４－１と１４－２にそれぞれ接続されている。基板１１の裏面に、ゲート電極１３が形成されていてもよい。ゲート電極１３に所定のゲート電圧が印加されることで、センシングデバイス１０は、光入射のない状態で流れるドレイン電流が最小となる点に制御される。

【0016】

図１及び図２に示した構成の全体を、樹脂または無機材料の保護層で覆ってもよい。保護層を設けることで、センシングデバイス１０の耐候性が向上する。保護層を設ける場合は、保護層に電極パッド１４－１及び１４－２に達するコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内に設けられる配線により、電気信号をセンシングデバイス１０の外部に引き出す。

【0017】

センシングデバイス１０の電極１２Ｓ及び１２Ｄ（適宜、「電極１２」と総称する）では、電気伝導性の高い第１電極膜が、上層の第２電極膜１２２によってセンシング材料層１５に固定され、センシング材料層１５と安定的に接触している。これにより、センシング材料層１５と電極１２の間のコンタクト抵抗が低減され、かつセンシングデバイス１０の歩留まりが改善される。

【0018】

＜測定と評価＞
図３は、図１の構成のセンシングデバイスのサンプルの光学顕微像である。センシング材料層１５としてグラフェン層１５５を用いる。グラフェン層１５５は、基板１１の表面の絶縁膜１１１上に形成されている。グラフェン層１５５の両端に、第１電極膜１２１が接続されている。第１電極膜１２１は、対向面１２１ｆを除いて、第１電極膜１２１よりも平面積の大きい第２電極膜１２２で覆われている。第１電極膜１２１はＡｕで形成されており、第２電極膜１２２はＴｉで形成されている。

【0019】

第１電極膜１２１の対向面１２１ｆの間の距離をグラフェン層１５５の長さＬ、絶縁膜１１１の面内で長さＬと直交する方向の寸法を幅Ｗとする。第２電極膜１２２は、グラフェン層１５５の幅方向で第１電極膜１２１を完全に覆って、グラフェン層１５５の幅方向の両側の絶縁膜１１１の上に伸びている。第２電極膜１２２の絶縁膜１１１に対する密着性は、第１電極膜１２１の絶縁膜１１１に対する密着性より高く、Ａｕの第１電極膜１２１はグラフェン層１５５の表面に固定されている。

【0020】

図３の画像のサンプルのグラフェン層１５５の幅Ｗは１０．０μｍ、長さＬは１３．３μｍである。図３と同じ構成で、グラフェン層１５５の幅Ｗをある値に固定し、長さＬを変えたサンプルを複数作製し、電気抵抗（Ω）を測定する。次に、グラフェン層１５５の幅Ｗを異なる値に変えて、変更後の幅Ｗで、長さＬを変えて電気抵抗を測定する。測定した電気抵抗に基づいて、ＴＬＭ法により接触抵抗率を求める。

【0021】

図４Ａは、ＴＬＭ法で接触抵抗率を算出するための測定結果とフィッティング結果を示す。図４Ｂは、図４Ａの長さＬが３０μｍまでの領域の拡大図である。ａからｄの４つの組のそれぞれで、グラフェン層１５５の幅Ｗを固定し、長さＬを変えた複数のサンプルを作製して電気抵抗を測定する。各組のサンプルのグラフェン層１５５の幅Ｗは以下のとおりである。
ａ組：幅Ｗを１．５μｍに固定し、異なる長さＬでの電気抵抗を測定する。
ｂ組：幅Ｗを２．０μｍに固定し、異なる長さＬでの電気抵抗を測定する。
ｃ組：幅Ｗを５．０μｍに固定し、異なる長さＬでの電気抵抗を測定する。
ｄ組：幅Ｗを５０．０μｍに固定し、異なる長さＬでの電気抵抗を測定する。

【0022】

ａからｄの各組の各サンプルについて、ゲート電圧を０Ｖに設定し、所定のドレイン電圧を印加したときに流れるドレイン電流を測定して、電気抵抗（Ω）を計算する。電気抵抗（Ω）は、ドレイン電圧／ドレイン電流で計算される。計算された電気抵抗Ｒは、ひとつのサンプルの全体の電気抵抗である。グラフェン層１５５の長さ方向の抵抗をＲgrp、グラフェン層１５５に接続された一対の電極のそれぞれのコンタクト抵抗（Ω）をＲｃとすると、全体の電気抵抗Ｒは、グラフェン層１５５の抵抗と、一対の電極のコンタクト抵抗との和である（Ｒ＝Ｒgrp＋２Ｒｃ）。

【0023】

計算した電気抵抗Ｒに、グラフェン幅Ｗを掛け算した値Ｒ×Ｗを抵抗率（Ωｍ）とし、低効率（Ωｍ）を図４Ａ及び図４Ｂの縦軸にとる。抵抗率（Ωｍ）をグラフェン層１５５の長さＬの関数としてプロットする。プロットした点を直線近似する。各組の直線近似式は以下のとおりである。
ａ組（Ｗ＝１．５μｍ）：ｙ＝（６．１４Ｅ－０４）ｘ＋８．１２Ｅ－０４、
ｂ組（Ｗ＝２．０μｍ）：ｙ＝（１．７７Ｅ－０４）ｘ＋４．３０Ｅ－０３、

ｃ組（Ｗ＝５．０μｍ）：ｙ＝（６．２０Ｅ－０４）ｘ＋７．６２Ｅ－０４
ｄ組（Ｗ＝５０．０μｍ）：ｙ＝（９．５４Ｅ－０４）ｘ＋２．１５Ｅ－０４。
ａ組からｄ組のそれぞれの接触抵抗率（Ωｍ）を、切片の１／２、すなわちＬ＝ｘ＝０のときの電極１つあたりの抵抗率として計算する。近似直線ａとｃは傾きと切片が近接しており図４Ａと図４Ｂでは一つの直線に見えるが、別々の近似直線である。

【0024】

ａからｄの各組について、上記のサンプルと同じグラフェン幅Ｗと長さＬで、電極構造だけを上下逆にした比較例のサンプルを作製し、同じくＴＬＭ法で電極の接触抵抗率を計算する

【0025】

図５は、図４Ａ及び図４Ｂから求めた実施形態のセンシングデバイスの接触抵抗率を、２層構造の上下を逆にした従来構成と比較して示す。黒丸は実施形態の電極構造、すなわち、下層の第１電極膜をＡｕ、上層の第２電極膜をＴｉで形成したサンプルの接触抵抗率を示す。クロスマークは、比較例の電極構造、すなわち、下層の第１電極膜とＴｉ、上層の第２電極膜をＡｕで形成したサンプルの接触抵抗率を示す。なお、縦軸の接触抵抗率（Ωμｍ）の数値は、図４Ａの縦軸の数値に１Ｅ＋６を乗算している。

【0026】

図５から明らかなように、下層にＡｕ等の良導体を用い、上層にＴｉ等の密着性の高い導体膜を用いる実施形態の構成により、従来の積層構造と比較して、接触抵抗率が大きく低減されることがわかる。なお、グラフェン幅Ｗが２．０μｍのサンプルの一部で、接触抵抗率が実施形態の電極構成と従来の電極構成とで差がないものもあるが、サンプルの製造ばらつき、または電気抵抗の測定ばらつきに起因するものと考えられ、全体の傾向としては、実施形態の電極構成で接触抵抗率が低減されている。実施形態で、上層のＴｉ膜により、Ａｕ膜をグラフェン層１５５に密着させた状態で固定することで、本来は剥離しやすいＡｕ膜をグラフェン層１５５の表面に安定的に保持して接触抵抗率を下げることができる。

【0027】

図６は、実施形態の第１電極膜１２１と従来構成の移動度の測定結果を示す図である。横軸は移動度、縦軸は平均頻度である。抵抗率をρ、電子の移動度をμとすると、
ρ＝１／ｑ・ｎ・μ
であるから、移動度は、１／ｑ・ｎ・ρで求められる。ここで、ｑは素電荷、ｎはキャリア密度である。

【0028】

白バーで示すＡｕ／Ｔｉ＿ＥＢは、従来の電極構成で下層にＴｉ、上層にＡｕを有する電極層をグラフェン層１５５上に電子線蒸着で形成したサンプルの出現頻度を示す。斜線のバーで示すＡｕ／Ｃｒ＿ＥＢは、従来の電極構成で下層にＣｒ、上層にＡｕを有する電極層をグラフェン層１５５上に電子線蒸着で形成したサンプルの出現頻度を示す。黒バーで示すＡｕ＿ＥＢは、実施形態の第１電極膜１２１としてＡｕをグラフェン層１５５上に電子線蒸着で形成したサンプルの出現頻度を示す。横線のバーで示すＰｄ＿ＥＢは、実施形態の第１電極膜１２１としてＰｄをグラフェン上に電子線蒸着で形成したサンプルの出現頻度を示す。すべてのサンプルで、グラフェン層１５５と電極との接触面積は同じである。

【0029】

図６の結果から、グラフェン上に直接形成されたＡｕまたはＰｄの方が、グラフェン上にＴｉまたはＣｒを介して形成されたＡｕよりも移動度が高い。これは、下層のＴｉまたはＣｒの影響で、移動度が低下するためと考えられる。

【0030】

図７は、図６で用いたサンプルの電極とグラフェン層１５５の間のコンタクト抵抗（Ω）を示す。このコンタクト抵抗は、印加電圧と測定された電流値から計算されている。グラフェン上に直接形成されたＡｕまたはＰｄの方が、グラフェン上にＴｉまたはＣｒを介して形成されたＡｕよりもコンタクト抵抗が小さい。ただし、ＡｕまたはＰｄの単層膜では、デバイス作製過程でリフトオフ等により剥離されやすく、コンタクト抵抗が上昇し、歩留まりが下がる蓋然性が高い。そこで、実施形態のように、下層の第１電極膜１２１をＡｕ、Ｐｄ等の良導体で形成し、密着性の高い上層の第２電極膜１２２で下層の第１電極膜１２１をグラフェンに対して固定する。これにより、図５のように、接触抵抗率を低く保つことができる。

【0031】

＜センシングデバイスの動作＞
図８は、実施形態のセンシングデバイス１０の動作特性を示す。この例では、センシング材料層１５をグラフェンで形成し、センシングデバイス１０を赤外線センサとして用いている。横軸はゲート電圧、縦軸はドレイン電流である。光入射がないときの電流－電圧特性を実線で示し、光が入射したときの電流－電圧特性を破線で示す。グラフェンに光入射がない状態でドレイン電流が最小となるポイントＰ_{ＤＩＲＡＣ}を、ここではディラックポイントと呼ぶ。

【0032】

センシング材料層１５のグラフェンに光が入射することでグラフェン中にキャリアが生成され、ディラックポイントＰ_{ＤＩＲＡＣ}がシフトして、電流－電圧特性カーブ全体が、矢印の方向にシフトする。これにより、同じゲート電圧で流れるドレイン電流が増加し、ΔＩの電流変化が得られる。このドレイン電流の変化を測定することで、光入射量を求めることができる。ドレイン電流を測定するかわりに、電気抵抗の変化を測定してもよい。実施形態のセンシングデバイス１０は、電極１２の下層にコンタクト抵抗の小さい良導性の金属を用い、この良導性の金属をセンシング材料層１５に密着させており、電極１２とセンシング材料層１５の間の接触抵抗率が低減されている。センシングデバイス１０は、ドレイン電流や電気抵抗の変化に対する感度が高く、センシング精度を向上できる。

【0033】

＜センシングデバイスの作製工程＞

【0034】

図９Ａから図９Ｉは、センシングデバイス１０の製造工程図である。以下の説明では、便宜上、主面の積層方向を「上」または「上側」とするが、このような方向を表す表現は、絶対的な位置関係を示すものではない。

【0035】

図９Ａで、一方の面に絶縁膜１１１が形成された基板１１を準備する。基板１１として熱酸化膜付きのシリコン基板１１０を用いる場合は、熱酸化膜を絶縁膜１１１として用いてもよいし、熱酸化膜を除去して、別途、酸化アルミニウム等の絶縁膜１１１を形成してもよい。この場合、絶縁膜１１１はスパッタリング、原子層堆積（ＡＬＤ）などにより形成される。

【0036】

図９Ｂで、基板１１の他方の面（裏面）にゲート電極１３を形成する。基板１１が熱酸化膜付きのシリコン基板１１０である場合は、裏面の熱酸化膜を除去して、ゲート電極１３を形成する。ゲート電極１３は、バックゲートとなる。

【0037】

図９Ｃで、絶縁膜１１１の上に電極パッド１４－１、及び１４－２を形成する。電極パッド１４－１、及び１４－２は、たとえばリフトオフ法で、Ａｕ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｃｕなどの良導性の金属の単層膜として形成されてもよい。あるいは、良導性の金属膜の全体をＴｉ，Ｃｒなどの密着性の高い第２金属膜で覆って、第２金属膜で電極パッドを絶縁膜１１１上に固定してもよい。

【0038】

図９Ｄで、電極パッド１４－１及び１４－２と絶縁膜１１１を覆って、センシング材料１５１を設ける。センシング材料１５１としてグラフェンを用いる場合は、ＨＯＰＧ（Ｈｉｇｈｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｇｒａｐｈｉｔｅ）からテープ等で剥離する機械的剥離法、または化学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で銅箔などの触媒上に合成したグラフェンから樹脂等を用いて剥離・転写する転写法などで、絶縁膜１１１と電極パッド１４－１及び１４－２の上に塗布されてもよい。グラフェンを用いる場合に、単層グラフェンを用いてもよいし、数原子層の厚さのグラフェンを用いてもよい。複数層のグラフェンを重ねることで、光吸収量を増加させることができる。グラフェンのセンシング材料１５１を設けた後に、１５０～２００℃の温度でアニールして、絶縁膜１１１とグラフェンの密着性を高めてもよい。

【0039】

図９Ｅで、センシング材料１５１を所定の形状にパターニングして、センシング材料層１５を形成する。センシング材料層１５としてグラフェン層を形成する場合は、酸素アッシング、酸素イオンビーム等で加工が可能である。電極パッド１４－１と１４－２の間に延びる方向を、センシング材料層１５の長さ方向とする。

【0040】

図９Ｆで、加工されたセンシング材料層１５の長さ方向の両端にオーバーラップするように、第１電極膜１２１を電子線蒸着により形成する。第１電極膜１２１は、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの電気伝導性の高い材料で形成されており、センシング材料層１５の表面の一部と接触している。第１電極膜１２１は、センシング材料層１５を間に挟んで互いに対向する対向面１２１ｆを有する。２つの第１電極膜１２１は、対向面１２１ｆと反対側で電極パッド１４－１と１４－２にそれぞれ接続されている。２つの第１電極膜１２１は、上述した電気伝導性の高い材料であれば、同じ金属材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。

【0041】

図９Ｇで、第１電極膜１２１を覆う第２電極膜１２２を電子線蒸着により形成する。図９Ｇでは、第１電極膜１２１と第２電極膜１２２の位置関係を例示するために、断面構成とともに、対応する上面図を示している。第２電極膜１２２は、第１電極膜１２１の金属材料よりも、センシング材料層１５と基板１１の表面の絶縁膜１１１に対する密着性が高い導電材料で形成されている。第２電極膜１２２は、第１電極膜１２１の対向面１２１ｆを除いて、第１電極膜１２１の上面と側面を覆い、センシング材料層１５の幅方向の両側の絶縁膜１１１上に延びている。第２電極膜１２２の平面積を第１電極膜１２１の平面積よりも大きくし、第２電極膜１２２の密着性を利用して、第１電極膜１２１をセンシング材料層１５の表面に確実に接触させる。この構成により、第１電極膜１２１の剥離が抑制され、センシング材料層１５との間のコンタクト抵抗を低くすることができる。

【0042】

第１電極膜１２１とその上層の第２電極膜１２２で、電極１２Ｓ及び１２Ｄが形成される。電極１２Ｓはソース電極として機能し、電極１２Ｄはドレイン電極として機能する。グラフェンで形成されたセンシング材料層１５にポテンシャルの勾配をつけるために、第１電極膜１２１を異なる金属材料で形成してもよい。第１電極膜１２１を同じ金属材料で形成する場合は、センシング材料層１５との界面の形状を電極間で異ならせるなど、なんらかの非対称性を与えてもよい。

【0043】

図９Ｈで、全面に保護層１６を形成する。保護層１６は、検出する光の波長領域で透明であり、センシング材料層１５への水分の侵入を防止できる材料、たとえば、樹脂、酸化アルミニウム等で形成される。樹脂層は、塗布法で形成できるので簡便である。酸化アルミニウムの保護層１６をＡＬＤ法により形成する場合は、保護層１６の成膜前にウエハ全体を加熱してウエハ表面に付着した水分や汚れを除去してもよい。

【0044】

図９Ｉで、電極パッド１４－１及び１４－２に達するコンタクトホール１６１を形成する。保護層１６を感光性の樹脂で形成する場合は、露光と現像によりコンタクトホール１６１を形成できる。ＡＬＤ法で形成された酸化アルミニウムの保護層１６の場合は、エッチングによりコンタクトホール１６１を形成する。その後、コンタクトホール１６１内に配線または端子を形成して、センシングデバイス１０が得られる。

【0045】

上記では、単一のセンシングデバイス１０に着目して製造工程を説明したが、ウエハ上の各チップ領域に、多数のセンシングデバイス１０を同時に形成して、センシングアレイとしてもよい。実施形態の二層構造の電極１２により、コンタクト抵抗が低く、かつ剥離が抑制されたセンシングアレイが実現される。

【0046】

上記で、特定の構成例に基づいてセンシングデバイス１０の構成と製造方法を説明したが、本開示は上記の構成と手法に限定されない。センシングデバイス１０は、バックゲート構成に替えて、埋め込み型のゲート電極を有していてもよい。この場合、絶縁膜１１１の上に、電子線蒸着等でゲート電極を形成し、その後、全面に別の絶縁膜を形成してもよい。別の絶縁膜を形成した後の工程は、図９Ｃ以降の工程を同じである。

【0047】

センシング材料層１５として、グラフェンに替えて、遷移金属ダイカルコゲナイド（transition metal dichalcogenide；ＴＭＤＣ）を用いてもよい。ＴＭＤＣは、一般式ＴＸ_２で表される。遷移金属原子Ｔをカルコゲン元素Ｘで挟み込んだ層状の２次元結晶は、高いキャリア移動度と良好な力学特性を有し、種々のデバイスへの適用が期待されているが、Ｐｄこのような層状結晶へのＡｕやＰｄの密着性は必ずしも十分ではない。実施形態の電極の二層構成を用いることで、コンタクト抵抗を低くし、かつ歩留まりを向上することができる。

【0048】

実施形態の２層の電極構造は、タイプ２超格子等の半導体超格子を用いた赤外線センサや、半導体ナノ構造を用いたセンサで、半導体層とオーミック接触する金属電極にも適用可能である。オーミック接触を形成する層としてＡｕ、Ｐｄ等の良導体の第１電極膜１２１を形成し、第１電極膜１２１の上に密着性の高い第２電極膜１２２を設けて第１電極膜１２１を半導体層に固定してもよい。

【0049】

いずれの適用例においても、下地と電極の間のコンタクト抵抗が低減され、かつ電極の剥離を抑制して歩留まりを向上することができる。実施形態の電極構成を用いたセンシングデバイスは、自動ドア、監視カメラ、インフラ点検等に適用される。

【符号の説明】

【0050】

１０ センシングデバイス
１１ 基板
１２Ｓ、１２Ｄ 電極
１３ ゲート電極
１４－１、１４－２ 電極パッド
１５ センシング材料層
１６ 保護層
１１０ シリコン基板
１１１ 絶縁膜
１２１ 第１電極膜
１２２ 第２電極膜
１５１ センシング材料
１５５ グラフェン層
１６１ コンタクトホール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図9E】

【図9F】

【図9G】

【図9H】

【図9I】