JP2005310963A - ダイヤモンド紫外光センサー素子 - Google Patents
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Abstract
受光部に用いた光伝導型受光素子は、例えば、波長220nmや230nmの紫外光に対
して受光感度の限界値が、それぞれ0.18A/W及び0.19A/Wであり、極微弱光
に対する光誘起電流量の変化は極めて小さいものであった。
【解決手段】素子構造の複雑化を回避しながら光伝導型センサー素子の特徴を生かしつつ
、波長230nm以下の紫外光に対する受光感度を上記限界値の少なくとも15000倍
程度高めたダイヤモンド紫外光センサー素子。受光部の電気抵抗変化又は光誘起電流量の
変化によって、受光部に照射される波長230nm以下の紫外光を検出し、波長400n
m以上の可視光には検出感度を持たない光伝導型センサー素子、その光伝導型センサー素
子を用いた火炎センサー及び紫外光センサー。
【選択図】 図3
Description
対応)とかなり大きく、ドーパント(不純物)が添加されていない真性状態で絶縁体とし
ての電気伝導性を示す。単結晶薄膜を成長させる方法は、実質的に炭素及び水素を含む雰
囲気、例えばCH4(メタン)とH2(水素)ガスを用いたマイクロ波励起プラズマ気相成長
法が開発(特許文献1)されており、広く普及している。また、マイクロ波励起プラズマ
気相成長法においてドーパントとしてボロンを添加することによって、p型の電気伝導性
を制御することも広く使われている。
め、成長させたダイヤモンド単結晶膜表面には、実質的に水素で覆われた表面であること
が知られている。即ち、表面には炭素原子(C)の未結合手が水素原子(H)によって結
合終端されたC−H分子構造が存在し(以後「水素化」と呼ぶ)、この水素化に伴ってダ
イヤモンド表面近傍のダイヤモンド内には主たるキャリアの正孔が表面近傍(2nm以内
)に局在した表面伝導層が発生していることが知られている。この表面電気伝導層は、ア
ンドープ及びボロンドープの(100)、(111)面単結晶薄膜、及び多結晶薄膜にお
いても同様に存在することも知られている。
この表面伝導層は、(1)200℃程度までは安定に存在し、(2)水素化されたダイヤ
モンド表面にのみ発生していることがわかっている。表面の結合水素を除去する溶液処理
(酸化処理)、例えば、沸騰させた硫酸・硝酸混合液中に浸す処理を施すことによって、
この表面伝導層は消滅することも知られており、本発明者自身も確認している。
検出する、いわゆる光伝導型センサー素子としては、波長400nmから650nmの範
囲の可視光等にも検出感度を持つSi半導体、また上記可視光等や赤外域の雑音光には検
出感度を全く持たないAlxGa1−xN(0≦x≦1)半導体及びダイヤモンド半導体
を受光部の固体材料として用いたもの等が従来から考えられている。
のエネルギーを持つ光を照射することによって、半導体内に電子―正孔対を発生させ、こ
のキャリアによる電気抵抗の変化又は光誘起電流量の変化を検出するものである。従って
、半導体材料に2つの電極を接合させた2端子素子にて素子構造を構築でき、極めて単純
化された紫外光センサー素子を製造することができる。
には、多結晶ダイヤモンド薄膜の表面伝導層を受光部に用いた光伝導型センサー素子にお
いて、200nmの紫外光照射に対して0.03A/Wの検出感度を達成しているものが
記載されている。その光検出原理はダイヤモンド半導体にバンドギャップ以上エネルギー
を持つ光が照射されるとダイヤモンド内に電子―正孔対が発生し、2つの電極間に印加さ
れる電流変化を検出する従来原理にて説明される検出感度である。また、非特許文献2に
は、酸化処理を施すことによって表面伝導層を除去した多結晶ダイヤモンド膜を受光部に
用いた光伝導センサー素子において、200nmの紫外光照射に対して、0.02A/W
の検出感度を得ているが、実用化には不十分な検出感度である。
膜又は(100)及び(111)配向薄膜と表面の結合水素を除去した表面を受光部に利
用したダイヤモンド紫外光センサー素子に関する技術であり、検出感度が実用化には不十
分である。特許文献3は、ダイヤモンドの表面伝導層を受光部に利用したダイヤモンド紫
外光センサー素子であり、その検出感度波長は可視光域全体にわたる特性を持っており、
ダイヤモンドのバンドギャップ内の欠陥準位を利用した光伝導型センサー素子であり、2
30nmの紫外線を選択的に検出することはできない。
H. J. Looi, M. D. Whitfield, and R. B. Jackman, Appl. Phys. Letts. 74, 3332 (1999) R. D. McKeag and R. B. Jackman, Diamond Relat. Mater. 7, 513 (1998)
用いた光伝導型受光素子は、照射された紫外光が上記受光部の半導体内部に吸収されるこ
とによって生成されるキャリア(電子又は正孔)に起因する光電流を検出する素子である
ため、照射された紫外光のパワーに対する光電流の大きさの割合、即ち量子効率が100
%の理想的な素子であっても、例えば、波長220nmや230nmの紫外光に対して受
光感度の限界値が、それぞれ0.18A/W及び0.19A/Wであり、極微弱光に対す
る光誘起電流量の変化は極めて小さいものであった。
、波長230nm以下の紫外光に対する受光感度を上記限界値の少なくとも15000倍
程度高めたダイヤモンド紫外光センサー素子を提供するものである。
れる波長230nm以下の紫外光を検出し、波長400nm以上の可視光には検出感度を
持たない光伝導型センサー素子、その光伝導型センサー素子を用いた火炎センサー及び紫
外光センサーである。光センサー素子の構造は、光伝導型、pn型、pin型、及びショ
ットキーダイオード型が既に工業化されている。本発明は、この中でも2端子電極を持つ
光伝導型センサー素子に関するものである。
に照射される光を検出する光伝導型センサー素子であって、主たるキャリアが正孔である
表面伝導層を持つダイヤモンド単結晶を受光部に持つダイヤモンド紫外光センサー素子、
である。
受光部に照射される光を検出する光伝導型センサー素子であって、結合水素原子によって
実質的に表面がおおわれた表面を持つダイヤモンド単結晶を受光部に持つダイヤモンド紫
外光センサー素子、である。
受光部に照射される光を検出する光伝導型センサー素子であって、実質的に炭素及び水素
を含む雰囲気中において、プラズマ気相成長法又は気相成長法を用いて成膜されたダイヤ
モンド単結晶を受光部に持つダイヤモンド紫外光センサー素子、である。
受光部に照射される光を検出する光伝導型センサー素子であって、成膜後に沸騰させた王
水溶液中で処理されたダイヤモンド単結晶を受光部に持つ、上記(3)に記載のダイヤモ
ンド紫外光センサー素子、である。
受光部に照射される光を検出する光伝導型センサー素子であって、2つの電極が前記の表
面層に接合しているダイヤモンド紫外光センサー素子、である。
受光部に照射される光を検出する光伝導型センサー素子であって、主たる光誘起電流成分
が前記の表面層伝導層を流れるダイヤモンド紫外光センサー素子、である。
の電気伝導に基づくセンサー素子とは、根本的に異なる機構に起因する紫外光のセンシン
グ機構であり、且つ従来の検出感度の限界値を覆して4桁程度向上させている。紫外光セ
ンサー素子として実用化も見込まれるが、工業化にはその安定性の向上に技術的な改善が
必要である。一般に、電気的・光学的に高品質なダイヤモンド半導体は、CH4(メタン)
及びH2(水素)を原料ガスとして用いるマイクロ波励プラズマ気相成長法によって、高圧
合成させたダイヤモンド(100)又は(111)面単結晶基板上にエピタキシャル成長
させることによって得られる。
であるため、受光部には水素化されたダイモンド表面伝導層を用いる。
センサー素子において、波長220nmの紫外光をこの表面伝導層に照射することによっ
て、受光感度が従来の半導体内部の光励起キャリアの光伝導に基づく理論限界値である0
.18A/Wの少なくとも15000倍である3100A/Wを実現する。上記素子構造
において酸化溶液処理を施したダイヤモンド単結晶膜表面や高圧合成ダイヤモンド基板表
面を受光部にした場合には、このような高い受光感度が実現されないことも確認している
。
220nmの紫外光(エネルギー5.6eV)が、ダイヤモンド半導体内部において吸収
されることによって生成するキャリア(電子又は正孔)が担体となって伝導する電気伝導
機構では、高々0.2A/W程度の受光感度が限界であった。これに対し、表面伝導層へ
の正孔の発生を担っている水素化された表面構造への紫外光の分子励起機構及び光励起に
基づく格子緩和現象を利用すれば、表面伝導層内の実質的な正孔濃度を飛躍的に増大させ
ることが可能であると考えられ、実際3100A/Wの受光感度は分子励起機構に関連す
るものと推察される。
する受光感度特性を測定した。
エピタキシャル単結晶膜2は、CH4(メタン)を原料ガス、及びH2(水素)を希釈用
キャリアガス、更に1Vol(0.01)%水素希釈B(CH3)3(トリメチルボロン
)をドーパントBの原料ガスとして用いたマイクロ波励起プラズマ気相成長法によって、
高圧合成法によって作製された長さ2.5×幅2.5×厚さ0.5mmのIbダイヤモン
ド(100)単結晶基板3上に厚さ0.5μm成長させた。この時の成長条件は以下のと
おりであった。基板温度930℃、成長圧力80Torr、及びマイクロ波パワー400
W、更にCH4流量500sccm、CH4/H2濃度比0.06%(vol)、及びB(
CH3)3/CH4濃度比0.01(vol)%、成長時間は2時間であった。
た後、超純水にてオーバーフロー洗浄された。その後アセトン及びイソプロピルアルコー
ルそれぞれの溶液中で超音波洗浄され、フォトリソグラフィー法によって図1の1及び図
2に示す電極1の作製のためのレジストのパターニングが行なわれた。その後、電子ビー
ム蒸着法によって、Ti(厚さ15nm)及びAu(厚さ150nm)を積層堆積させ、
リフトオフ法により、図1及び図2に示すくしの刃型の2端子TiAu電極1のパターン
を形成した。TiAu電極1の電極幅(図1及び図2の1Lに相当する)は10μmであ
り、電極間隔(図1及び図2の2Lに相当する)は10μmであった。2端子電極の内、
1つの電極の面積は8.1×10−4cm2であり、光の受光面積は5.3×10−4c
m2であった。
ー内にセットされ、チャンバー内はターボ分子ポンプによって0.05Paの真空度に維
持された。キセノン水銀ランプからの放射光が、分光器を通して215から420nmの
範囲で単色化され、その光量6μW/cm2が一定となる条件で石英窓を通して上記光伝
導型受光素子に照射された。
bに、波長220nmの紫外光が照射されている間に測定されたI−V特性を示す。ここ
で、I−V特性は2端子法によって測定された。図3aに示すように、本素子の紫外光照
射されない暗電流は±15Vにおいて2pA以下であり、極めて微弱な暗電流を実現して
いることがわかる。
に比べて107倍もの光誘起電流が得られ、±2V以上において1μAもの高レベルに達
している。このような107倍の光誘起電流は波長230nm以上の光を照射しても得ら
れなかった。紫外光の入射光パワーに対する光電流値で定義される検出感度を計算すると
3100A/Wに達している。この検出感度の値は、従来の半導体内部の光励起キャリア
に起因する光電流の限界値0.2A/Wの15000倍に達している。
サー素子はこれまで存在しなかったが、本発明によりフェムトワットクラスの微弱紫外光
であっても、十分検出可能な素子が初めて実現される。本発明の光素子は、工業用燃焼炉
、ガスタービンエンジン、並びにジェットエンジン等の燃焼制御モニター、及び火災報知
器と連動した炎探知機用の火炎センサー、更にシリコン大規模集積回路作製プロセスに使
われるステッパー露光装置や紫外線照射装置内の紫外線センサーに応用され、新たな半導
体センサー素子の市場が切り開かれる。
2:ダイヤモンド単結晶膜
3:ダイヤモンド(100)単結晶基板
Claims (6)
- 受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検
出する光伝導型センサー素子であって、主たるキャリアが正孔である表面伝導層を持つダ
イヤモンド単結晶を受光部に持つダイヤモンド紫外光センサー素子。 - 受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検
出する光伝導型センサー素子であって、結合水素原子によって実質的に表面がおおわれた
表面を持つダイヤモンド単結晶を受光部に持つダイヤモンド紫外光センサー素子。 - 受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検
出する光伝導型センサー素子であって、実質的に炭素及び水素を含む雰囲気中において、
プラズマ気相成長法又は気相成長法を用いて成膜されたダイヤモンド単結晶を受光部に持
つダイヤモンド紫外光センサー素子。 - 受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検
出する光伝導型受光素子であって、成膜後に沸騰させた王水溶液中で処理されたダイヤモ
ンド単結晶を受光部に持つ、請求項3に記載のダイヤモンド紫外光センサー素子。 - 受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検
出する光伝導型センサー素子であって、2つの電極が請求項1、2、3又は4に記載の表
面層に接合しているダイヤモンド紫外光センサー素子。 - 受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検
出する光伝導型センサー素子であって、主たる光誘起電流成分が請求項1、2、3又は4
に記載の表面層伝導層を流れるダイヤモンド紫外光センサー素子。
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