JP2005310964A - ダイヤモンド紫外光トランジスター - Google Patents
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Abstract
部に用いた光伝導型受光素子は、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受光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150倍程度高め
た紫外光センサー素子を用いたトランジスターであって、2端子電極間の電圧によって受
光感度を制御可能な線形及び飽和特性を持つ、ダイヤモンド紫外光トランジスター。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
以下の紫外光を選択的に検出し、その光誘起電流又は受光感度を2端子間電極に印加され
る電圧によって制御可能である。
【選択図】 図1
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、広く使用されている。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普及している。
め、成長させたダイヤモンド単結晶膜表面は、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
ンド表面には深さ2nm以内の表面近傍に正孔が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。
、紫外光のみ選択的に受光感度を持つセンサー素子は、可視光ブラインド型紫外光センサ
ー素子と呼ばれている。受光部の固体材料としてAlxGa1−xN(0≦x≦1)半導
体及びダイヤモンド半導体を用いて、受光部の電気抵抗の変化又は光電流量の変化によっ
て受光部に照射される紫外光を検出する、いわゆる光伝導型センサー素子が従来から提案
されている。可視光ブラインド型紫外光センサー素子であって、光伝導型センサー素子は
受光部に紫外光が照射された時の受光部の半導体材料の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ため、半導体に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受光素子を製造することができる。
導型受光素子において、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が、400nm以上の可視光に対する可視光ブラインド
比が10程度であり、受光感度特性の性能が劣る。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受
光素子において、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。
(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、トランジスタ飽和特性を与える受
光感度特性を持っていない。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、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るため、その検出感度波長は可視光域全体にわたる特性を持ち、且
つ230nm以上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)
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発生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
して照射する紫外光のパワーに対する光誘起電流の比、即ち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。
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150倍程度高め
た紫外光センサー素子を用いたトランジスターであって、2端子電極間の電圧によって受
光感度を制御可能な線形及び飽和特性を持つ、いわゆるトランジスター動作を示すダイヤ
モンド紫外光トランジスターを提供する。
れる波長230nm以下の紫外光を選択的に検出し、その光誘起電流又は受光感度を2端
子間電極に印加される電圧によって制御可能なダイヤモンド紫外光トランジスターである
。受光素子の構造は、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を用いたトランジスターであって、実質
的に結合水素原子によっておおわれた表面を持つか又は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トランジスター、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を用いたトランジスターであって
、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トランジスター
、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を用いたトランジスターであって
、2つの電極が前記の表面伝導層に接合しており、その電極間の印加電圧によって受光感
度又は光電流が制御可能であって、線形及び飽和特性を持つダイヤモンド紫外光トランジ
スター、である。
受光部に照射変される光を検出する光伝導型センサー素子を用いたトランジスターであっ
て、主たる光電流成分が前記の表面層伝導層を流れる上記(3)に記載のダイヤモンド紫
外光トランジスター、である。
、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って、且つ受光感度を2端
子間の印加電圧によって制御可能にするとともに、トランジスター動作を実現した。
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)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。
光部に持つトランジスター構造を作製する。
伝導型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150倍である30A/Wを実現し、同時に2端子間の
印加電圧によって0から30A/Wまで制御可能で線形及び飽和特性を持つ、いわゆるト
ランジスター動作を示す光伝導型受光素子を提供する。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、このような受光感度特性が実現されないことも確認している。
ーギャップ5.5eVより大きなエネルギーを持つ波長225nm以下の紫外光が、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電子又は正孔キャリアが担
体となって伝導する光電流量の増加分又は電気抵抗の減少分を検出することにある。受光
感度は、例えば波長220nmの紫外光に対して量子効率100%と仮定した理想的光伝
導型受光素子であっても0.18A/Wである。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30A/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。
スで作製し、紫外光及び可視光に対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0.01Vol%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(1
00)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400W、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5.3×10−4cm
2であった。
を装備した真空チャンバー内にセットされ、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は、分光器を通して
215から420nmの範囲で単色化されるとともに、光量0.1〜4μW/cm2の範
囲で一定となる条件で種々の光量にて石英窓を通して上記光伝導型受光素子に照射された
。電流−電圧(I−V)特性は、電圧を印加させながら電流を測定する2短針法によって
行われた。
−V特性を示す。それぞれ一定の光量において、受光感度が印加電圧に比例する領域Iと
受光感度が印加電圧に依存せず一定となる飽和領域IIが存在し、受光感度が明瞭なトラ
ンジスタ特性を示すとともに受光感度は印加電圧により制御されることがわかる。光量3
.7μW/cm2において飽和受光感度は90nA(110μA/cm2)程度である。
いて受光感度の急激な増加が見られる。これらは、受光部の表面伝導層を導電チャネルと
して流れる正孔による光誘起電流が、表面伝導層の電極端に集中する高い電界のために、
降伏特性を示していることを物語っている。
て、その受光感度を電圧制御できる半導体受光素子はこれまで存在しなかったが、本発明
によりピコワットクラスの微弱紫外光であっても、十分電圧制御によって検出可能であり
、しかもトランジスター動作を示すダイヤモンド紫外光トランジスターが初めて実現され
る。
、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、新たな半導体受光及びトランジスタ
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 (4)
- 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を用いたトランジスターであって、実質的に結合水素原子に
よっておおわれた表面を持つか、又は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トランジスター。 - 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を用いたトランジスターであって、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トランジスター。 - 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を用いたトランジスターであって、2つの電極が請求項1、
2、又は3に記載の表面伝導層に接合しており、その電極間の印加電圧によって受光感度
又は光電流が制御可能であって、線形及び飽和特性を持つダイヤモンド紫外光トランジス
ター。 - 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、受光部に照射変される光を
検出する光伝導型センサー素子を用いたトランジスターであって、主たる光電流成分が請
求項1、2、又は3に記載の表面層伝導層を流れる請求項3に記載のダイヤモンド紫外光
トランジスター。
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JPH01246867A (ja) * | 1988-03-28 | 1989-10-02 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ショットキー接合 |
JPH1197721A (ja) * | 1997-09-25 | 1999-04-09 | Kubota Corp | 光導電型受光素子 |
JPH11248531A (ja) * | 1998-03-04 | 1999-09-17 | Kobe Steel Ltd | ダイヤモンド膜紫外線センサ及びセンサアレイ |
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