JP2005210018A

JP2005210018A - 光導電素子

Info

Publication number: JP2005210018A
Application number: JP2004017454A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Oyama; 昌憲大山; Hiroshi Ito; 浩伊藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】特に可視光の検出に有利に用いることができる光導電素子を提供すること。
【解決手段】アルミニウム、ガリウムもしくはインジウムと、硫黄、セレンもしくはテルルとを含む化合物薄膜、および該化合物薄膜の表面に互いに間隔をあけて付設された一対の電極からなる光導電素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に可視光の検出に有利に用いることができる光導電素子に関する。

半導体に光が照射された場合にその半導体の導電率が変動する現象は、光導電効果として知られている。この現象を利用した素子は、光導電素子と呼ばれている。光導電素子の代表例としては、光が照射された場合の半導体の導電率の値から光の光量を検出する光センサを挙げることができる。光センサは、半導体薄膜、及びこの半導体薄膜に付設された一対の電極から構成されている。

半導体は、そのエネルギーギャップに対応する波長の光を効率良く吸収する。このため、光センサは、用いる半導体の種類によって、即ちエネルギーギャップの大きさによって、高感度に検出できる光の波長が定まる。例えば、紫外光を検出する光センサには、ＺｎＳ薄膜あるいはＺｎＯ薄膜が、可視光を検出する光センサには、ＣｄＳ薄膜あるいはＣｄＳｅ薄膜が、そして赤外光を検出する光センサには、ＰｂＳ薄膜、ＰｂＳｅ薄膜、ＩｎＳｂ薄膜、Ｇｅ薄膜、あるいはＳｉ薄膜が用いられる（例えば、非特許文献１参照）。
吉沢達夫、他１名，「光導電素子」，日刊工業新聞社，１９６５年６月，ｐ．３９−４０

一般に、可視光を検出する光センサとしては、上記のカドミウムを含む薄膜を用いた光センサが広く用いられている。しかしながら、カドミウムは毒性を示すために、これとは別の材料を用いた可視光の検出用に好ましい光センサの開発が望まれている。

本発明は、特に可視光の検出に有利に用いることができる光導電素子を提供することにある。

本発明は、アルミニウム、ガリウムもしくはインジウムと、硫黄、セレンもしくはテルルとを含む化合物薄膜、及びこの化合物薄膜の表面に互いに間隔をあけて付設された一対の電極からなる光導電素子にある。

本発明の光導電素子の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）上記一対の電極のうちの一方の電極が化合物薄膜の一方の表面に付設され、他方の電極が化合物薄膜の他方の表面に付設されている。
（２）上記化合物薄膜が基板の表面に積層されている。さらに好ましくは、化合物薄膜が、スパッタ法もしくは電子ビーム蒸着法により基板上に成膜されている。
（３）上記化合物薄膜が、ＧａＳ、ＧａＳｅ、ＧａＴｅ、ＩｎＳ、もしくはＩｎＴｅからなる。
（４）光導電素子が、透明部を有する容器に収容されている。さらに好ましくは、前記容器の透明部がレンズを構成している。

本発明の光導電素子は、アルミニウム、ガリウムもしくはインジウムと、硫黄、セレンもしくはテルルとを含む化合物薄膜、すなわち毒性を示すカドミウムを含まない化合物薄膜を用いて構成され、特に可視光を検出するための光センサとして有用である。また、本発明の光導電素子は、その化合物薄膜を工業的に有利なスパッタ法や電子ビーム蒸着法により形成することができるために実用的である。

本発明の光導電素子を添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の光導電素子の構成例を示す図である。図１（Ａ）は、本発明の光導電素子の平面図であり、そして図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した光導電素子の断面図である。

図１の光導電素子１１は、アルミニウム、ガリウムもしくはインジウムと、硫黄、セレンもしくはテルルとを含む化合物薄膜（以下、化合物半導体薄膜ともいう）１３、および化合物薄膜１３の表面に互いに間隔をあけて付設された一対の電極１４、１５から構成されている。図１に示すように、化合物薄膜１３は、基板１２の表面に積層されていることが好ましい。光導電素子１１の構成は、上記の化合物半導体薄膜を用いること以外は、従来の光導電素子と同様である。

光導電素子１１の化合物薄膜１３は、光が照射されると光導電効果によりその導電率が変動する。従って、光導電素子の電極１４、１５の間に所定の電圧を付与し、そして電極間を流れる電流値を測定することにより、照射した光の光量を検出することができる。

化合物薄膜１３には、その電極側の表面あるいは基板側の表面に光を照射することが好ましい。化合物薄膜の電極側表面に光を照射する場合には、この表面により多くの光が照射されるように一対の電極１４、１５を透明とすることが好ましい。化合物薄膜の基板側表面に光を照射する場合には、基板１２を透明とすることが好ましい。なお、本明細書において、「透明」とは、可視光の透過率が６０％以上、好ましくは７０％以上であることを意味する。

基板１２の代表例としては、ガラス基板などのセラミックス基板、シリコン基板などの半導体基板、金属基板、及び樹脂基板が挙げられる。

化合物薄膜１３は、上記のように、アルミニウム、ガリウムもしくはインジウムと、硫黄、セレンもしくはテルルとを含む化合物から形成される。化合物薄膜１３は、結晶化していることが好ましい。化合物薄膜１３は、ＧａＳ、ＧａＳｅ、ＧａＴｅ、ＩｎＳ、もしくはＩｎＴｅから形成されていることが好ましく、ＧａＳ、ＧａＳｅ、もしくはＧａＴｅから形成されていることがさらに好ましい。例えば、ＧａＳ薄膜、ＧａＳｅ薄膜、そしてＧａＴｅ薄膜のエネルギーギャップの値は、それぞれ２．６ｅＶ、２．１ｅＶ、そして１．７ｅＶである。ＧａＳ薄膜、ＧａＳｅ薄膜、あるいはＧａＴｅ薄膜を用いることにより、本発明の光導電素子を、波長４７６ｎｍ、波長５９０ｎｍ、あるいは波長７２９ｎｍの光を高い感度で検出する光センサとして用いることができる。

化合物薄膜１３の厚みは、０．１乃至１００μｍの範囲にあることが好ましく、０．１乃至５０μｍの範囲にあることがより好ましく、０．２乃至５μｍの範囲にあることがさらに好ましい。

化合物薄膜１３は、スパッタ法もしくは電子ビーム蒸着法により基板上に成膜されていることが好ましい。スパッタ法により化合物薄膜を成膜する場合、アルミニウム、ガリウムもしくはインジウムと、硫黄、セレンもしくはテルルとを含む化合物から形成されたターゲットを用いることが好ましい。スパッタ法により薄膜を成膜する場合のスパッタリングガスとしては、アルゴンガス、水素ガス、窒素ガス、あるいはこれらのガスを含む混合ガスを用いることが好ましい。

電極１４、１５の材料の例としては、アルミニウム、銀、銅などの金属材料、および錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）などの透明導電性材料が挙げられる。電極１４、１５は、化合物薄膜１３の基板側の表面に付設されていてもよい。即ち、基板上に一対の電極を形成し、次いで化合物薄膜を形成してもよい。

電極１４、１５の厚みに特に制限はないが、通常、５０μｍ以下、好ましくは０．５乃至５μｍの範囲に設定される。

図２は、本発明の光導電素子の別の構成例を示す断面図である。図２に示すように、化合物薄膜１３が備える一対の電極は、その一方の電極２４が化合物薄膜１３の一方の表面（基板側の面）に付設され、他方の電極２５が化合物薄膜１３の他方の表面（基板とは逆の側の面）に付設されていることも好ましい。図２に示すように、一方の電極は、基板上に形成されていることが好ましい。図２の光導電素子の構成は、一対の電極の構成が異なること以外は図１の光導電素子と同様である。化合物薄膜１３は、スパッタ法もしくは電子ビーム蒸着法により電極２４の上に成膜されていることが好ましい。

化合物薄膜の電極２５側の表面に光を照射する場合には、この表面により多くの光が照射されるように電極２５を透明とすることが好ましい。化合物薄膜の電極２４側の表面に光を照射する場合には、電極２４及び基板１２を透明とすることが好ましい。図２の光導電素子は、電極２４及び基板１２が透明とされている。

図３は、本発明の光導電素子のさらに別の一例の構成を示す平面図である。図３の光導電素子の構成は、基板３２の上に形成された化合物薄膜３３と、この化合物薄膜３３の上に形成された一対の電極３４、３５の構成が異なること以外は図１の光導電素子と同様である。図３に示すように、一対の電極３４、３５のそれぞれの形状を櫛形とすることにより、これらの電極間の抵抗値は小さくなる。これにより、電極３４、３５の間に電圧を付与した場合にこれらの電極間を流れる電流の値が大きくなるため、光の光量を高い感度で検出することができる。

図４は、本発明の光導電素子のさらに別の構成例を示す図である。図４（Ａ）は、本発明の光導電素子の平面図であり、そして図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に記入した切断線II−II線に沿って切断した光導電素子の断面図である。

図４に示すように、基板４２の上には、化合物薄膜４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅが形成されている。そして化合物薄膜のそれぞれには、一対の電極（例えば、化合物薄膜４３ａには一対の電極４４ａ、４５ａ）が付設され、合計で五個の光導電素子が形成されている。そして五個の光導電素子は、電気的に並列に接続されている。図４の光導電素子の構成は、基板上に五個の光導電素子が形成され、これらの光導電素子が電気的に並列に接続されていること以外は図１の光導電素子と同様である。

このように、例えば、五個の光導電素子を電気的に並列に接続すると、電極４４、４５の間の抵抗値が小さくなる。これにより、電極４４、４５の間に電圧を付与した場合にこれらの電極間を流れる電流の値が大きくなるため、光の光量を高い感度で検出することができる。

図５は、本発明の光導電素子のさらに別の構成例を示す断面図である。図５において、光導電素子１１は、基板１２、基板１２の上に積層された化合物薄膜１３、そして化合物薄膜１３の表面に互いに間隔をあけて付設された一対の電極１４、１５から構成されている。光導電素子１１の構成は、図１の光導電素子と同じである。そして、光導電素子１１は、容器本体５５ａと頂部に透明部５５ｃを有する容器蓋５５ｂからなる容器５５の内部に収容されている。

光導電素子は、大気中の水分や酸素の影響によりその電気的特性が変動する場合がある。この電気的特性の変動を抑制するため、光導電素子１１は、容器５５の内部に気密的に収容されていることが好ましい。容器５５の内部の空間は、不活性ガス（例、窒素ガス、アルゴンガス）が充填された空間であるか、真空空間であることが好ましい。

容器本体５５ａ及び容器蓋５５ｂのそれぞれは、例えば、ステンレススチールやアルミニウムなどの金属材料から形成される。容器蓋の透明部５５ｃは、例えば、ガラスから形成される。図５に示すように透明部５５ｃは、レンズを構成していることが好ましい。これにより、光導電素子１１の化合物薄膜１３に照射される光の光量が大きくなり、光の検出感度を高くすることができる。

容器本体５５ａには、光導電素子１１の電極１４、１５のそれぞれに電気的エネルギーを供給するために、例えば、ガラスにより気密封止された一対の棒状電極端子（図示は略する）を付設することが好ましい。そして、光導電素子の電極１４、１５のそれぞれと棒状電極端子とは、ワイヤボンディングなどにより互いに電気的に接続される。

なお、本発明の光導電素子の複数個を基板表面に沿った二次元方向に整列配置させ、かつ各々の光導電素子の化合物薄膜を異なる種類の化合物から形成するか、あるいは組成比の異なる化合物から形成することにより、各々の光導電素子の化合物薄膜のエネルギーギャップの値を異なる値に設定することができる。例えば、ＧａＳｅ_xＳ_1-x薄膜は、ｘの値を０〜１の範囲で調節することにより、そのエネルギーギャップの値を２．６〜２．１ｅＶ（波長４７６〜５９０ｎｍの光のエネルギーに対応する）の範囲に設定することができる。そして、化合物薄膜のエネルギーギャップの値の設定により、各々の光導電素子によりその化合物薄膜のエネルギーギャップに対応する波長の光を高い感度で検出することができる。すなわち、複数個の光導電素子を、波長分解型の光センサとして用いることができる。

また、本発明の光導電素子に用いる化合物薄膜は異方性を示す。例えば、本発明の光導電素子に用いる化合物薄膜は、この薄膜に照射される光の方向によっても導電率が変動する。本発明の光センサは、このような化合物薄膜の異方性を利用して、光の伝播方向を検出する角度センサ、あるいは光情報検出素子として用いることもできる。

［実施例１］
光導電素子の化合物薄膜の成膜には、チャンバ内の下方に蒸着源容器が、そして上方に基板ホルダが配置された構成の電子ビーム蒸着装置を用いた。蒸着源容器の下方には、電子銃が配置されている。そしてチャンバには、排気のための油回転ポンプと油拡散ポンプが備えられている。

先ず、蒸着源容器に、蒸着母材として純度が９９．９％のＧａＳ焼結体（化学量論比、１：１）を収容した。次に、石英ガラス基板（サイズ：２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．４ｍｍ）をフッ酸により洗浄し、これを電子ビーム蒸着装置の基板ホルダに装着した。そしてチャンバ内の空気を、油回転ポンプ、次いで油拡散ポンプにより排気することにより、チャンバ内の真空度を１０^-6Ｔｏｒｒに設定した。そして基板ホルダに備えられたヒータにより、基板をその温度が４００℃になるまで加熱した。そして電子ビーム蒸着装置により、石英ガラス基板上に、厚さが３μｍのＧａＳ薄膜を成膜した。そしてＧａＳ薄膜が形成された基板を、電子ビーム蒸着装置のチャンバの内部から取り出した。

得られた基板のＧａＳ薄膜の表面に、メタルマスクを配置した。メタルマスクの上から、真空蒸着法により厚さが２μｍのアルミニウム薄膜を成膜した。成膜後にメタルマスクを基板から取り除くことにより、ＧａＳ薄膜の表面に一対のアルミニウム電極を形成した。このようにして、図１に示す構成の光導電素子を作製した。図１に示す光導電素子の一対の電極間の距離Ｌ₁は０．１６ｍｍに設定した。

得られた光導電素子と抵抗器とを電気的に直列に接続し、この直列接続された光導電素子と抵抗器から構成される測定回路の両端に１０Ｖの直流電圧を印加した。そして抵抗器の両端に生ずる電圧値と抵抗器の抵抗値とから、測定回路を流れる電流の値を算出した。光導電素子に光が照射されるとその導電率が高い値となるために、測定回路を流れる電流の値は増加する。

上記の測定回路を流れる電流の値を算出した結果、光導電素子に光を照射しない場合には、測定回路に電流は流れなかった。次いで光導電素子にそのガラス基板の側から光を照射したところ、測定回路に０．１μＡの電流が流れた。

［実施例２］
石英ガラス基板（サイズ：２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．４ｍｍ）の表面に、スパッタ法によりＩＴＯ薄膜を成膜した。そしてフォトリソグラフィ法により、前記のＩＴＯ薄膜をパターニングすることにより透明電極を形成した。

次に、透明電極が形成された基板を、実施例１で用いた電子ビーム蒸着装置の基板ホルダに装着し、さらに基板の透明電極側の面にメタルマスクを配置した。そして実施例１と同様にして、メタルマスクの上から、電子ビーム蒸着法により厚さが３０ｎｍのＧａＳ薄膜を成膜した。成膜後にメタルマスクを基板から取り除くことにより、透明電極上に所定パターンのＧａＳ薄膜を形成した。

得られた基板のＧａＳ薄膜の表面に、メタルマスクを配置した。メタルマスクの上から、真空蒸着法により厚さが２μｍのアルミニウム薄膜を成膜した。成膜後にメタルマスクを基板から取り除くことにより、ＧａＳ薄膜の表面に金属電極を形成した。このようにして、図２に示す構成の光導電素子を作製した。図２に示すように、透明電極の幅Ｌ₂は３．８ｍｍに、金属電極の幅Ｌ₃は４．０ｍｍに設定した。

得られた光導電素子と抵抗器とを電気的に直列に接続し、この直列接続された光導電素子と抵抗器から構成される測定回路の両端に５Ｖの直流電圧を印加した。実施例１の場合と同様に、作製した光導電素子に光を照射しない場合には、測定回路に電流は流れなかった。次いで光導電素子にそのガラス基板の側から光を照射したところ、測定回路に７０ｍＡの電流が流れた。

本発明の光導電素子の構成例を示す図である。本発明の光導電素子の別の構成例を示す断面図である。本発明の光導電素子のさらに別の構成例を示す平面図である。本発明の光導電素子のさらに別の構成例を示す図である。本発明の光導電素子のさらに別の構成例を示す断面図である。実施例２で作製した本発明の光導電素子の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１１光導電素子
１２基板
１３化合物薄膜
１４、１５電極
２１光導電素子
２４透明電極
２５電極
３１光導電素子
３２基板
３３化合物薄膜
３４、３５電極
４１光導電素子
４２基板
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４３ｅ化合物薄膜
４４、４５電極
４４ａ、４４ｅ電極
４５ａ、４５ｅ電極
５５容器
５５ａ容器本体
５５ｂ容器蓋
５５ｃ透明部
６１光導電素子
６２基板
６３化合物薄膜
６４透明電極
６５電極
Ｌ₁ 一対の電極間の距離
Ｌ₂ 透明電極の幅
Ｌ₃ 電極の幅

Claims

アルミニウム、ガリウムもしくはインジウムと、硫黄、セレンもしくはテルルとを含む化合物薄膜、および該化合物薄膜の表面に互いに間隔をあけて付設された一対の電極からなる光導電素子。
上記一対の電極のうちの一方の電極が化合物薄膜の一方の表面に付設され、他方の電極が化合物薄膜の他方の表面に付設されている請求項１に記載の光導電素子。
該化合物薄膜が基板の表面に積層されている請求項１に記載の光導電素子。
化合物薄膜が、スパッタ法もしくは電子ビーム蒸着法により基板上に成膜されている請求項３に記載の光導電素子。
化合物薄膜が、ＧａＳ、ＧａＳｅ、ＧａＴｅ、ＩｎＳ、もしくはＩｎＴｅからなる請求項１乃至４のうちのいずれかの項に記載の光導電素子。
請求項１乃至５のうちのいずれかの項に記載の光導電素子を、透明部を有する容器に収容してなる光導電素子。
透明部がレンズを構成している請求項６に記載の光導電素子。