JP2006278487A - 紫外線センサ素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構造で適切な受光感度を得ることが可能な紫外線センサ素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 紫外線センサ素子は、ステム６０に紫外線透過フィルタ７２が形成されたキャップ７０が溶接されて、チップ５０が封止された構造を有する。外部から照射される紫外線は、紫外線透過フィルタ７２を透過して、チップ５０を構成するチップ状酸化亜鉛単結晶３０の受光面である−ｃ面に到達する。チップ状酸化亜鉛単結晶３０の−ｃ面に紫外線が到達することによって、チップ状酸化亜鉛単結晶３０の抵抗値は変化する。そして、抵抗値の変化に伴って、チップ状酸化亜鉛単結晶３０を流れる信号の電流（光電流）の値も変化する。図示しない外部の装置は、端子６２に接続されており、信号の電流値を検出し、当該電流値に基づいて、紫外線量を算出することができる。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、紫外線を検知する紫外線センサ素子及びその製造方法に関する。

紫外線は人体へ有害であることが多くの研究で明らかになってきており、例えば国連環境計画によれば、肌のしわ、しみ、皮膚がん等の様々な病気に紫外線が関係することが明らかとなっている。また、近年、オゾン層破壊による地表へ到来する紫外線量の増加に伴い、健康に及ぼす悪影響がますます懸念されており、紫外線量を高精度に検知したいというニーズが高まっている。

紫外線は、波長によりＡ紫外線（ＵＶ−Ａ）、Ｂ紫外線（ＵＶ−Ｂ）及びＣ紫外線（ＵＶ−Ｃ）の３種に分類されている。ＵＶ−Ａは波長３２０〜４００ｎｍ、ＵＶ−Ｂは波長２８０〜３２０ｎｍ、ＵＶ−Ｃは波長２８０ｎｍまでを指す。これらのうち最も有害である短波長のＵＶ−ＣとＵＶ−Ｂのほとんどは、オゾン層で吸収されるため、地表へ到達しないが、ＵＶ−Ｂの一部とＵＶ−Ａは地表に到達するため、紫外線センサ素子には、これらの紫外線波長域を検知することが要求される。

従来の酸化亜鉛を用いた紫外線センサ素子として、特許文献１及び２に記載された技術がある。特許文献１では、紫外線検知部に酸化亜鉛薄膜を用い、電極を形成することにより紫外線出力を酸化亜鉛薄膜の抵抗値変化として取り出すことを特徴としている。また、特許文献２では、紫外線検知部に酸化亜鉛単結晶のａ面を受光面とすることを特徴としている。

特開平３−２４１７７７号公報 特開平１０−１８２２９０号公報

しかし、特許文献１では、酸化亜鉛の光学的バンドギャップはおよそ３．０〜３．２ｅＶの範囲にあることが望ましいとされているが、薄膜成長に用いる基板を水晶や溶融石英等の結晶構造及び格子定数の不整合が大きい基板を用いた場合には、バンドギャップ吸収端が可視光領域へかかってしまうために、可視光に対しても光電導効果による受光感度を有してしまうという問題がある。また、紫外線に対する受光感度が二桁以上とあるが、実際にどの程度得られているかが不明である。

また、特許文献２では、紫外線検知部にａ面に配向した酸化亜鉛単結晶を用い、ｃ面に形成した電極によりｃ軸方向に電圧を印加することにより、反共振周波数における光電導効果によるインピーダンス変化を紫外線出力としているが、この方法では、高感度であるが数百ｋＨｚの高周波で駆動する為、信号検出回路が複雑になるという問題がある。

本発明の目的は、上述した問題を解決するものであり、簡素な構造で適切な受光感度を得ることが可能な紫外線センサ素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の紫外線センサ素子は、酸化亜鉛単結晶により構成され、−ｃ面及びｃ面を表裏面とするチップと、前記チップに付設される一対の電極とを有し、前記チップの−ｃ面を受光面とする。
この構成により、受光面（紫外線入射結晶面）が−ｃ面（酸素面）となる。すなわち、表面再結合速度が小さく、内部量子効率の高い部位である−ｃ面を受光面とすることにより、簡素な構造で紫外線受光感度を向上させることが可能となる。

また、本発明の紫外線センサ素子は、前記電極が、前記チップの−ｃ面に付設される。
圧電効果によって紫外線を検知する場合には電極の付設面が制限されるが、紫外線受光に対する出力を光電導効果による抵抗値変化として出力するようにすれば、電極の付設面の自由度が増して−ｃ面に電極を付設することができ、更には、紫外線を高効率且つ高精度に検知することが可能になる。

また、本発明の紫外線センサ素子は、酸化亜鉛単結晶により構成され、ａ面を露出面とするチップと、前記チップのａ面に付設される一対の電極とを有し、前記チップのａ面を受光面とする。
圧電効果によって紫外線を検知する場合には電極の付設面が制限されるが、紫外線受光に対する出力を光電導効果による抵抗値変化として出力するようにすれば、電極の付設面の自由度が増してａ面に電極を付設することができ、簡素な構造で紫外線受光感度を向上させることが可能となる。

また、本発明の紫外線センサ素子は、前記電極が、Ａｌ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｎ及びＡｕのいずれか１つ又は複数の層により構成される。
この構成により、オーミック接触が得られ、且つ、酸化亜鉛結晶との密着性が良いため、高感度、高信頼性の紫外線センサ素子を実現することが可能となる。

また、本発明の紫外線センサ素子は、前記電極が、蒸着により付設される。
この構成により、電極を確実に付設することが可能となる。

また、本発明の紫外線センサ素子は、前記酸化亜鉛単結晶が、アクセプタが添加されて構成されている。
この構成により、表面再結合速度を小さくして、キャリア寿命が長く、且つ、拡散長が長い紫外線センサ素子を実現することが可能となる。
また、本発明の紫外線センサ素子は、前記アクセプタが、Ｎ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｕ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂの少なくともいずれかである。

また、本発明の紫外線センサ素子の製造方法は、酸化亜鉛単結晶のインゴットを、−ｃ面及びｃ面が表裏面となるように切断してウェーハを生成するウェーハ生成工程と、前記ウェーハに複数の区画を構成し、各区画毎に一対の電極を付設する電極付設工程と、前記ウェーハを前記区画毎に切断してチップ化するチップ化工程とを有する。
この構成により、受光面（紫外線入射結晶面）が−ｃ面（酸素面）となる。すなわち、表面再結合速度が小さく、内部量子効率の高い部位である−ｃ面を受光面とすることにより、簡素な構造で紫外線受光感度を向上させることが可能となる。

また、本発明の紫外線センサ素子の製造方法は、前記電極付設工程が、前記ウェーハの−ｃ面に電極を付設する。
圧電効果によって紫外線を検知する場合には電極の付設面が制限されるが、紫外線受光に対する出力を光電導効果による抵抗値変化として出力するようにすれば、電極の付設面の自由度が増して−ｃ面に電極を付設することができ、更には、紫外線を高効率且つ高精度に検知することが可能になる。

また、本発明の紫外線センサ素子の製造方法は、前記ウェーハ生成工程の後に、前記ウェーハの熱処理を行う熱処理工程を有する。熱処理温度は、６００℃〜１１００℃、好ましくは、８５０℃±２０℃に設定される。
また、本発明の紫外線センサ素子の製造方法は、前記ウェーハ生成工程の後に、前記ウェーハの極性判定を行う極性判定工程を有する。
この構成により、−ｃ面及びｃ面の判別を適切に行うことが可能となる。
また、本発明の紫外線センサ素子の製造方法において、前記極性判定工程は、紫外線発光素子により前記ウェーハに紫外線を照射し、金属プローブにより前記紫外線照射時の抵抗値を測定する。

また、本発明の紫外線センサ素子の製造方法は、酸化亜鉛単結晶のインゴットを、ａ面が露出面となるように切断してウェーハを生成するウェーハ生成工程と、前記ウェーハに複数の区画を構成し、各区画毎に前記ウェーハのａ面上に一対の電極を付設する電極付設工程と、前記ウェーハを前記区画毎に切断してチップ化するチップ化工程とを有する。
圧電効果によって紫外線を検知する場合には電極の付設面が制限されるが、紫外線受光に対する出力を光電導効果による抵抗値変化として出力するようにすれば、電極の付設面の自由度が増してａ面に電極を付設することができる。

また、本発明の紫外線センサ素子の製造方法は、前記酸化亜鉛単結晶が、アクセプタが添加される構成としている。
この構成により、表面再結合速度を小さくして、キャリア寿命が長く、且つ、拡散長が長い紫外線センサ素子を実現することが可能となる。
また、本発明の紫外線センサ素子の製造方法は、前記アクセプタが、Ｎ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｕ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂの少なくともいずれかである。

本発明の紫外線センサ素子及びその製造方法によれば、紫外線センサ素子を簡素な構造で作成できるとともに、紫外線受光感度を大幅に向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。紫外線センサ素子には、エネルギーバンドギャップが広い酸化亜鉛（ＺｎＯ）が用いられる。まず、第１の製造工程において、酸化亜鉛の単結晶が生成される。図１は、第１の製造工程において製造される酸化亜鉛単結晶の斜視図である。図１に示す酸化亜鉛単結晶１０は、例えば、水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）をミネラライザーとした水熱合成法により生成される。

なお、水熱合成法以外にも、気相成長法、フラックス法、溶融法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、真空蒸着法、物理気相蒸着法（ＰＬＤ法）、触媒化学気相成長法（ＣＶＤ法）、有機金属気相成長法（ＭＯ−ＣＶＤ法）及びスパッタ法のいずれかにより酸化亜鉛単結晶１０が生成されるようにしても良い。水熱合成法をはじめとするこれら各種の方法が用いられることにより、結晶性が高くなり、低欠陥で且つ内部量子効率の高い酸化亜鉛単結晶１０の生成が可能となる。

図２は、酸化亜鉛単結晶１０の構造を示す図である。図２に示すように、酸化亜鉛単結晶１０は、ウルツ鉱形の結晶構造を有する。この結晶構造では、４個の酸素原子を頂点とする４面体の中心に亜鉛原子が位置し、４個の亜鉛原子を頂点とする４面体の中心に酸素原子が位置している。４面体の頂点の原子と中心の原子との距離は、１．９９２オングストロームである。また、４個の酸素原子が同一面に位置しており、当該面は−ｃ面と称される。一方、４個の亜鉛原子が同一面に位置しており、当該面はｃ面と称される。そして、−ｃ面及びｃ面に垂直な面はａ面と称される。図１では、酸化亜鉛単結晶１０は、鉛直方向が−ｃ面及びｃ面に垂直な軸であるｃ軸に配向している。

次に、第２の製造工程において、図１に示す酸化亜鉛単結晶１０は、−ｃ面及びｃ面と平行な切断面で厚み０．４ｍｍ程度に切断されて、板状体が生成される。更に、この板状体は、外周部が円形に加工される。更に、板状体の表面及び裏面が化学的機械研磨法（ＣＭＰ法）等によって鏡面研磨されることによって、平坦性の改善が図られるとともに、表面が−ｃ面、裏面がｃ面とするウェーハが形成される。図３は、第２の製造工程において生成されるウェーハ２０の斜視図である。

更に、第３の製造工程では、ウェーハ２０の熱処理が行われる。熱処理温度は、６００℃〜１１００℃、好ましくは、８５０℃±２０℃に設定される。実施の形態では、８５０℃である。なお、後述のウェーハ２０の極性判定の後に熱処理が行われる工程であっても良い。

次に、第４の製造工程において、ウェーハ２０の極性判定が行われる。図４は、極性判定装置の斜視図である。同図に示す極性判定装置は、テスタ１００と、２本の金属プローブ１０２と、紫外線を照射する紫外線発光ダイオード（ＬＥＤ）１０４により構成される。
ウェーハ２０は、この極性判定装置の下部に、２本の金属プローブ１０２の先端と接触するように配置される。紫外線ＬＥＤ１０４が紫外線を照射すると、ウェーハ２０の表面の一部が紫外線照射領域２２となる。テスタ１００は、紫外線ＬＥＤ１０４による紫外線照射時のウェーハ２０表面の抵抗値を検出する。ウェーハ２０の極性は、この抵抗値の変化によって判定される。

次に、第５の製造工程において、ウェーハ２０に複数の矩形の区画が構成され、各区画の−ｃ面上に電極が形成される。図５は、各区画の−ｃ面上に電極４０が形成されたウェーハ２０の斜視図である。
次に、第６の製造工程において、ウェーハ２０が区画毎に切断されてチップが生成される。図６は、切断線を表したウェーハ２０の斜視図である。図６における点線は、区画に応じた切断線であり、この切断線に沿ってウェーハ２０が切り出されることによってチップが生成される。

図７は、チップの上面図、図８はチップの側面図である。これらの図に示すチップ５０は、−ｃ面を表面、ｃ面を裏面とするチップ状酸化亜鉛単結晶３０と、当該チップ状酸化亜鉛単結晶３０の−ｃ面上に形成される電極４０とにより構成される。電極４０は、チップ状酸化亜鉛単結晶３０に対する紫外線照射による当該チップ状酸化亜鉛単結晶３０の抵抗値変化を信号として取り出すためのくし型形状の電極である。この電極４０は、真空蒸着により形成される。具体的には、電極４０は、フォトリソグラフィによりウェーハ２０の−ｃ面上にレジストパターンが形成された後、スパッタ法によりアルミニウム（Ａｌ）の薄膜を２５０ｎｍ成膜させ、更にリフトオフすることにより形成される。電極４０の形状は、ウェーハ２０の抵抗率により適宜幅が調整されるため、くし型形状のみならず、矩形形状ともなり得る。

なお、電極４０は、アルミニウム以外、具体的には、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、インジウム（Ｉｎ）及び金（Ａｕ）のいずれかにより形成されても良い。アルミニウムをはじめとするこれらの金属によって、電極４０が形成されることにより、オーミック接触が得られ、且つ、チップ状酸化亜鉛単結晶３０との密着性が良いため、高感度、高信頼性の紫外線センサ素子を実現することが可能となる。

次に、第７の製造工程では、チップ５０がステムに搭載される。図９は、ステムと当該ステムに搭載されたチップ５０との斜視図である。ステム６０は、チップ５０の搭載台６１と、当該搭載台６１を貫通する２本の端子６２によって構成され、搭載台６１の上面にダイボンディングによってチップ５０が搭載される。

次に、第８の製造工程では、チップ５０における電極４０とステム６０における端子６２とが電気的に接続される。図１０は、チップ５０における電極４０とステム６０における端子６２とが電気的に接続された構成を示す斜視図である。図１０では、チップ５０における電極４０と、ステム６０における端子６２のうち搭載台６１から突出した部分とが、ワイヤボンディングによってボンディングワイヤ６４を介して電気的に接続される。なお、ワイヤボンディング以外にも様々な接続手法によって、チップ５０における電極４０と、ステム６０における端子６２との電気的な接続を図ることが可能である。

次に、第９の製造工程では、ステム６０に紫外線透過フィルタが形成されたキャップが溶接されることによって、チップ５０が封止されて紫外線センサ素子が完成する。図１１は、ステム６０上にキャップが配置された構成を示す斜視図である。図１１においてキャップ７０の上面には、紫外線を透過する紫外線透過フィルタ７２が形成されている。図１２は、紫外線センサ素子の斜視図である。図１２に示す紫外線センサ素子においては、キャップ７０内のチップ５０（図示せず）の上方に紫外線透過フィルタ７２が配置された構造を有している。

外部から照射される紫外線は、紫外線透過フィルタ７２を透過して、チップ５０を構成するチップ状酸化亜鉛単結晶３０の受光面である−ｃ面に到達する。チップ状酸化亜鉛単結晶３０の−ｃ面に紫外線が到達することによって、チップ状酸化亜鉛単結晶３０の抵抗値は変化する。そして、抵抗値の変化に伴って、チップ状酸化亜鉛単結晶３０を流れる信号の電流（光電流）の値も変化する。図示しない外部の装置は、端子６２に接続されており、信号の電流値を検出し、当該電流値に基づいて、紫外線量を算出することができる。

図１３は、紫外線センサ素子の紫外線感度特性を示す図であり、実線はチップ状酸化亜鉛単結晶３０の受光面が−ｃ面の場合の特性であり、点線は受光面がｃ面の場合の特性である。図１３に示すように、チップ状酸化亜鉛単結晶３０の受光面を−ｃ面とした場合には、受光面をｃ面とした場合よりも、光電流の値が１０倍以上増加する、また、光電流の値は、受光面がｃ面の場合には３２０〜３７０ｎｍの狭い範囲で応答するのに対し、受光面が−ｃ面の場合には２５０〜３８０ｎｍの広い範囲で応答しており、良好な受光感度となっている。

なお、上述した実施の形態では、チップ状酸化亜鉛単結晶３０の受光面を−ｃ面としたが、ａ面を受光面としても良い。この場合には、第２の製造工程において、酸化亜鉛単結晶１０がａ面と平行な切断面で厚み０．４ｍｍ程度に切断され、板状体が生成される。更に、この板状体は、外周部が円形に加工されるとともに、表面及び裏面が鏡面研磨される。これにより、露出面をａ面とするウェーハが形成される。その他の製造工程は上述と同様であり、チップ状酸化亜鉛単結晶３０のａ面上に電極４０が形成され、更に当該ａ面を受光面とした紫外線センサ素子が製造される。

図１４は、紫外線センサ素子の紫外線感度特性を示す図であり、チップ状酸化亜鉛単結晶３０の受光面がａ面の場合の特性である。図１４に示すように、チップ状酸化亜鉛単結晶３０の受光面をａ面とした場合には、受光面を−ｃ面とした場合よりも、光電流の値が小さくなるものの、紫外線の波長領域である３５０ｎｍ付近で、鋭いピークを示し、良好な受光感度となっている。

また、チップ状酸化亜鉛単結晶３０の表面にアクセプタ層が形成されたり、電極４０が複数の金属層によって形成されるようにしても良い。図１５は、アクセプタ層が形成され、且つ、電極が複数の金属層によって形成されたチップの側面図である。
チップ状酸化亜鉛単結晶３０の受光面となる面（−ｃ面又はａ面）には、窒素（Ｎ）やリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、銅（Ｃｕ）、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等の不純物拡散により、アクセプタ層３２が形成される。アクセプタ層３２が形成されることにより、表面再結合速度を小さくして、キャリア寿命が長く、且つ、拡散長が長い紫外線センサ素子を実現することが可能となる。

次に、このアクセプタ層３２の上面にレジストパターンが形成された後、真空蒸着法によりチタン薄膜４２を５０ｎｍ成膜させ、更に、このチタン薄膜４２の上面にプラチナの薄膜４４を２５０ｎｍ成膜させ、最後にリフトオフすることにより電極４０が形成される。

以上、説明したように、本発明に係る紫外線センサ素子及びその製造方法は、簡素な構造で紫外線受光感度を向上させるという効果を奏し、紫外線センサ素子及びその製造方法として有用である。

酸化亜鉛単結晶の斜視図である。 酸化亜鉛単結晶の構造を示す図である。 ウェーハの斜視図である。 極性判定装置の斜視図である。 電極が形成されたウェーハの斜視図である。 切断線を表したウェーハの斜視図である。 チップの上面図である チップの側面図である。 ステムと当該ステムに搭載されたチップとの斜視図である。 電極と端子とが電気的に接続された構成を示す斜視図である。 ステム上にキャップが配置された構成を示す斜視図である。 紫外線センサ素子の斜視図である。 紫外線センサ素子の第１の紫外線感度特性を示す図である。 紫外線センサ素子の第２の紫外線感度特性を示す図である。 チップの変形例の側面図である。

符号の説明

１０ 酸化亜鉛単結晶
２０ ウェーハ
３０ チップ状酸化亜鉛単結晶
４０ 電極
５０ チップ
６０ ステム
６１ 搭載台
６２ 端子
６４ ボンディングワイヤ
７０ キャップ
７２ 紫外線透過フィルタ
１００ テスタ
１０２ 金属プローブ
１０４ 紫外線発光ダイオード

Claims (15)

1. 酸化亜鉛単結晶により構成され、−ｃ面及びｃ面を表裏面とするチップと、
   前記チップに付設される一対の電極とを有し、
   前記チップの−ｃ面を受光面とすることを特徴とする紫外線センサ素子。
2. 前記電極は、前記チップの−ｃ面に付設されることを特徴とする請求項１に記載の紫外線センサ素子。
3. 酸化亜鉛単結晶により構成され、ａ面を露出面とするチップと、
   前記チップのａ面に付設される一対の電極とを有し、
   前記チップのａ面を受光面とすることを特徴とする紫外線センサ素子。
4. 前記電極は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｎ及びＡｕのいずれか１つ又は複数の層により構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の紫外線センサ素子。
5. 前記電極は、蒸着により付設されることを特徴とする請求項４記載の紫外線センサ素子。
6. 前記酸化亜鉛単結晶は、アクセプタが添加されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の紫外線センサ素子。
7. 前記アクセプタは、Ｎ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｕ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の紫外線センサ素子。
8. 酸化亜鉛単結晶のインゴットを、−ｃ面及びｃ面が表裏面となるように切断してウェーハを生成するウェーハ生成工程と、
   前記ウェーハに複数の区画を構成し、各区画毎に一対の電極を付設する電極付設工程と、
   前記ウェーハを前記区画毎に切断してチップ化するチップ化工程とを有することを特徴とする紫外線センサ素子の製造方法。
9. 前記電極付設工程は、前記ウェーハの−ｃ面に電極を付設することを特徴とする請求項８に記載の紫外線センサ素子の製造方法。
10. 前記ウェーハ生成工程の後に、前記ウェーハの熱処理を行う熱処理工程を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の紫外線センサ素子の製造方法。
11. 前記ウェーハ生成工程の後に、前記ウェーハの極性判定を行う極性判定工程を有することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の紫外線センサ素子の製造方法。
12. 前記極性判定工程は、紫外線発光素子により前記ウェーハに紫外線を照射し、金属プローブにより前記紫外線照射時の抵抗値を測定することを特徴とする請求項１１記載の紫外線センサ素子の製造方法。
13. 酸化亜鉛単結晶のインゴットを、ａ面が露出面となるように切断してウェーハを生成するウェーハ生成工程と、
    前記ウェーハに複数の区画を構成し、各区画毎に前記ウェーハのａ面上に一対の電極を付設する電極付設工程と、
    前記ウェーハを前記区画毎に切断してチップ化するチップ化工程とを有することを特徴とする紫外線センサ素子の製造方法。
14. 前記酸化亜鉛単結晶は、アクセプタが添加されていることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれかに記載の紫外線センサ素子の製造方法。
15. 前記アクセプタは、Ｎ、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｕ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１４に記載の紫外線センサ素子の製造方法。

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