JP2007027468A

JP2007027468A - 光電変換デバイスおよびそれを用いた光強度測定装置

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Publication number: JP2007027468A
Application number: JP2005208404A
Authority: JP
Inventors: Takashi Katoda; 隆河東田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】紫外光のみの強度を電気信号に変換する光電変換デバイス、およびこれを用いた携帯に適した安価な紫外光強度測定装置を提供すること。
【解決手段】本発明の光電変換デバイスは、基本的に酸化モリブデンを成分とする材料層から構成され、典型的には、基板と、この基板上に形成される高純度の酸化モリブデンの結晶薄膜とから成る。本発明の光電変換デバイスに所定の周辺回路を追加することにより、紫外光用の光強度測定装置が製作できる。これにより、紫外光のみの強度を定量的に測定できる小型で、かつ安価な紫外光強度測定装置の実現が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外光の強度を測定する光強度測定装置に用いるのに適した、半導体材料から成る光電変換デバイスに関する。本発明の光電変換デバイスを用いた光強度測定装置によって、可視領域の波長の光を含まない紫外領域の波長をもつ電磁波、すなわち紫外光のみの強度を、室温において、かつ通常の大気中で定量的に測定することが可能になる。

紫外光は人体に与える影響が大きいことや各種のデバイス加工工程で利用する上で、その強度の定量的な測定が望まれている。一般的に、光強度の測定は光が照射された際、その強度に対応した電気信号の変化を測定すること、すなわち光電変換を利用することにより行うことができる。その際、用途に応じて、たとえば可視領域、赤外領域というように、指定された波長領域内の波長をもつ光のみを選択して、強度を測定する必要性があるのが一般的である。多くの場合、特別の真空容器を必要とせず、通常の大気中で測定が可能なことから、光強度の測定は、半導体の光電変換の性質を利用した装置を用いてなされている。半導体の光電変換を利用する際には、用いられる半導体の種類によって、感知する光の最短波長が決まることとなる。すなわち、半導体の光電変換は、その半導体の禁制帯幅のエネルギー以上のエネルギーを有する光、言いかえれば、（エネルギーと波長は互いに逆数の関係にあるため）禁制帯幅に対応する波長より短波長の光が照射された際に起こることになる。つまり、禁制帯のエネルギーに対応する波長より短い光によってのみ光電変換が起こることになる。従って、可視光以下のエネルギーに対応する波長の光を除いた紫外領域の光によってのみ光電変換を起こさせるためには、紫外領域の波長に対応した禁制帯をもつ半導体が必要となる。ただし、禁制帯幅が大きくても、不純物や欠陥により禁制帯中に深い準位が形成されている場合には、それらの準位を介したキャリヤの励起が起こりうるため、禁制帯幅より小さなエネルギー、すなわち長い波長の光に対しても感度をもつことになる。従って、紫外光のみに対して感度をもたせるためには、紫外光に対応した禁制帯幅を有し、かつ（深い準位を形成することにつながる）不純物や構造欠陥を含まない半導体を用いなければならない。

一般に定義されているように、紫外光の波長領域の上限を３８０ｎｍとすると、３８０ｎｍは３．２６電子ボルト（ｅＶ）のエネルギーに対応する。３．２６ｅＶ以上の禁制帯幅をもつ半導体としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ、禁制帯幅３．２６ｅＶ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ、禁制帯幅３．３ｅＶ）、および窒化ガリウム（ＧａＮ、禁制帯幅３．９ｅＶ）などが知られている。これらのうち、ＳｉＣの禁制帯幅が３．２６ｅＶというのは、紫外光のみを検知するには、ぎりぎりの値であり、その上、ＳｉＣにはポリタイプと呼ばれる２００種類を越える結晶構造があり、その制御技術が開発されていないことや、ＳｉＣ自身の基板の品質が悪いこと、結晶薄膜は通常１０００℃以上、特殊な方法を用いても８００℃以上でなければ作製できなという欠点がある。また、ＺｎＯは特殊な方法によらなければｐ形ができないこと、バルク結晶の品質が悪く、ＺｎＯの基板が使用できず、単結晶薄膜を作製するには、サファイアを基板として用いる必要があり、そのためデバイス構造が複雑になるとともに、デバイス自体が高価なものになるという欠点がある。なお、ＺｎＯに酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を加えＺｎＭｇＯとして、この材料を利用して紫外領域の光を検知するセンサーの開発も行われている。

しかしながら、ＺｎＭｇＯはいわゆる混晶半導体であるため、結晶の品質は著しく悪く、作製方法は分子線エピタキシーなど高価な装置を用いたり、複雑な方法によらなければならない。また、上述のＺｎＯに付随した基板やｐ形が作りにくいという問題は依然として解決されていない。更に、ＧａＮにはＧａＮの基板が実現されていないことや結晶薄膜の作製に１０００℃以上の高温が必要であるといった欠点がある。そのため、ＧａＮを用いた実用的な紫外線センサー実現の見通しは、まだたっていない。

半導体の禁制帯幅を利用して紫外光を検知する方式以外に、回折格子のような光学的なフィルタによって可視光以上の長波長の光成分をあらかじめ除いた後、禁制帯幅の小さいシリコンのフォトダイオードを用いて光電変換をし、紫外光を検知する方式を利用した紫外線センサーが市販されているが、この方式は構造が複雑で、高価であり、また携帯には適さないため、特殊用途に限られている。

一般的用途に供せる紫外光強度測定装置を実現するために達成しなければならない課題は、光電変換デバイスを構成する、以下の条件を満たすような半導体材料を見い出し、デバイスを作製することである。
１）禁制帯幅が３．３ｅＶ以上であること。
２）半導体結晶の薄膜を上に形成する適切な基板が存在すること（ここで、適切な基板とは、その上に形成する薄膜が結晶であること、作製する装置の構造を複雑にする必要がないこと及び安価であること、という条件を満たすものをいう）。
３）半導体結晶が特殊で複雑な方法によらず作製できること。
４）半導体結晶の作製に高温を必要としないこと。作製が高温によらなければならないとすると、半導体結晶の作製以前に作られた装置の部分が損なわれる危険があり、製造にも大きなエネルギーを必要とするからである。例えば、８００℃以下、望ましくは７００℃程度以下の温度で結晶が作製できると極めて有利である。

本発明は、光電変換デバイスを構成する材料として、半導体である酸化モリブデンを用いることにより、上記の課題をすべて達成し、有用な紫外光強度測定装置を実現するものである。

本発明は、第１の観点において、改良された光電変換デバイスを提供するものである。本発明の光電変換デバイスは、酸化モリブデンを成分とする材料から成り、紫外光の強度を電気信号に変換するよう機能する。ここで、電気信号とは、より具体的には電流もしくは電圧を指すものである。本発明の光電変換デバイスは、典型的には、基板と、該基板上に形成される酸化モリブデンを成分とする材料の薄膜とから成る。
そして、好適には、該基板が、金属、半導体（例えば、シリコン）、又はガラスから成る。

さらに好適には、本発明の光電変換デバイスは、高純度の酸化モリブデンを成分とする結晶の薄片が該基板に固着されるデバイス構造をとる。そして、この光電変換デバイスにおいては、該基板が、金属、半導体、ガラス、セラミックス又はプラスチックから成るものである。

本発明の第２の観点においては、本発明は、上述した光電変換デバイスを主たる構成要素として備える、紫外光の強度を測定するための光強度測定装置を提供するものである。
好適には、本発明の光強度測定装置は、可視光以外の３８０ｎｍより短波長の紫外光のみの強度を測定するよう動作するものである。

本発明の光電変換デバイスの材料として、酸化モリブデンを採用することにより、前述した発明課題が効果的に達成されるため、所望の光電変換デバイス、ひいては、これを利用した光強度測定装置が実現される。

酸化モリブデンを用いることの技術的意義は、次のとうりである。
１）高純度の高品質酸化モリブデン結晶は、３．４５ｅＶ以上の禁制帯幅を有するため、可視領域の光を完全に除去し、紫外光のみを電気変換でき、その強度測定を行うことができる。
２）酸化モリブデンは、本願発明者が考案した方法により、それ自身の基板が作製できる。また、酸化モリブデンは、シリコンをはじめとする各種半導体、ガラス、セラミック等の基板上での作製が可能である。
３）酸化モリブデンの作製方法については、本願発明者により以前に考案された手法（特願２００４−３１０３３１号）を用いた気相成長法を基本とする方法により、特殊な装置を用いることなく、作製可能である。
４）酸化モリブデンは、上記方法により、基板温度６５０℃以下、４００℃以下の条件でも作製が可能である。

以上のことから、本発明によれば、可視領域以上の長波長の光には感度をもたず、紫外領域の光のみの強度を定量的に測定できる、小型、軽量で携帯に適し、かつ安価な紫外光強度測定装置が実現できる。

図１は本発明の第１の実施例に従って作製した（紫外光強度測定装置の主要部分をなす）光電変換デバイスを概念的に示す図である。この図で、１０は、光電変換デバイスの全体を表わし、基板１１はｎ形シリコンであり、実験で用いた大きさは８×５ｍｍであった。基板１１上には酸化モリブデンの結晶薄膜１２が形成されている。酸化モリブデンの結晶薄膜１２は本願の発明者が考案した新規な方法（特願２００４−３１０３３１号）により、以下の工程に従って形成された。

１）ソースであるモリブデン板及びシリコン基板を有機溶剤で処理し、表面の汚染物質を除去する。
２）窒素雰囲気中で、窒素流の上流側からモリブデン板ソース、ドーパント源である酸化ガリウム及びシリコン基板を石英反応管内に配置する。
３）電気炉により、ソース温度６５０℃、ドーパント源温度６５０℃、基板温度４５０℃となるように加熱する。
４）ソース、ドーパント源、基板がそれぞれ所定の温度に達した後、窒素流を止め、酸素を流し、３００分間保持する。
５）３００分間酸素を流した後、再び窒素流に変え、室温まで冷却する。

以上の工程により形成された酸化モリブデンは厚さ１０μｍで、ガリウム（Ｇａ）がドープされており、結晶であることはＸ線回折法を用いて実験的に確認された。
酸化モリブデンの結晶薄膜１２上には、真空蒸着により形成された電極１３が設けられるが、この電極１３は薄膜の８ｍｍの長さ方向の両端に作製された。

図２は、図１に示すデバイスに紫外光を照射した場合の電流の変化を示す図である。紫外光としては低圧水銀灯から放射された波長２５０ｎｍの光が用いられ、この低圧水銀灯は最大１１０μＷ／cm^２の照射まで放射することが可能なものである。図１に示した光電変換デバイス１０には、４．１Ｖの電圧を印加し、照射される紫外光の照度を変化させ、電流値を測定した。図２に示すグラフの横軸は紫外光照度（μＷ／ｃｍ^２）であり、縦軸は電流値（μＡ）である。図２のグラフからわかるように、作製された光電変換デバイスは紫外光照度とともに変化し、紫外光強度測定装置に十分使用できる。図２に示されるように電流値が紫外光照度とともに増加するのは、酸化モリブデンの結晶薄膜１２中で、光導電効果が生じているためと考えられる。なお、ここでさらに酸化モリブデンの抵抗率をドーピング等により変えたり、厚さを変えたり、あるいは電極の寸法や形状を変えることにより、適切にバイアス電圧や電流値を変えることができる。

図１は本発明の光電変換デバイスの構造を示すものであるが、これを用いて実際に、光強度測定装置を作製する際に、当業者には周知のように、増幅回路を設けたり、図２から得られる紫外光強度を、アナログ又はディジタルに表示するための手段を設けることは容易である。

図３は本発明の第２の実施例による光電変換デバイス２０を概念的に示す図である。図において、基板２１は光電変換を起こす酸化モリブデンの結晶薄片２２を機械的に支持（固着）するためのものである。基板２１にはガラス、プラスチックなど各種材料を用いることができる。酸化モリブデンの結晶薄片２２は、本願の発明者により考案された新規な方法により作製されたものであり、その厚さは１００μｍ〜１ｍｍである。結晶薄片２２は絶縁性の接着剤２４により、基板２１に固着されている。結晶薄片２２にはドーピングをしてもあるいはしなくてもよい。結晶薄片２２上には、図１に示された第１の実施例の場合と同様、真空蒸着により形成された２個の金電極２３が設けられる。低圧水銀灯を用いて、第１の実施例の場合と同様、紫外光照度と電流値との関係を測定したところ、図２に示された第１の実施例の場合と同様の特性が得られることがわかり、図３に示される光電変換デバイスは、紫外光強度測定装置に、十分応用できることが明らかになった。

以上は好ましい実施例を述べたものであって、上述したもの以外に様々な材料あるいは方法を用いることができる。たとえば、第１及び第２の実施例において、酸化モリブデンは本願発明者により考案された新規な方法により作製されたものとしたが、他の方法、たとえばスパッタリングあるいは真空蒸着、分子線エピタキシー、融体からの結晶成長法などにより作製されたものでさしつかえない。第１の実施例において、基板１１としてはシリコン基板以外に、金属、半導体、ガラス、セラミック等から成る基板でもよい。また、第１及び第２の実施例において、電極１３、２３には金を用いたが、アルミニウム、銅などの他の金属を用い、形成方法も真空蒸着以外に、スパッタリング、メッキなどの方法を用いることができる。

本発明による紫外光強度測定装置は受光部分は２ｍｍ×２ｍｍの大きさがあれば十分で、電源電圧も４Ｖ以下でよいことから、表示部分を含めた装置全体の大きさは１〜３ｃｍ×５〜３ｃｍ、厚さ５ｍｍ以下ときわめて小型化でき、重さも２０ｇ以下ときわめて軽量にすることが可能である。形状は長方形、正方形、円形など様々な形状にすることが可能である。また、当業者には周知のように、電源として太陽電池を用いることも可能である。

本発明による光電変換デバイスは、それを利用した光強度測定装置として使用することはもちろん可能であるが、その他にもカメラ、ビデオカメラ、照度計など紫外光分を補正することが有効な他の装置に組み込むことも可能である。

本発明による光電変換デバイスは、上述の実施例のように、ｎ形又はｐ形の酸化モリブデン中で光によりキャリヤが増加する光導電効果を利用して作製することも可能であるが、当業者には周知のように、酸化モリブデンどうし、又は酸化モリブデンと他の半導体とのｐｎ接合における光起電力効果を利用して作製することも勿論可能である。光導電効果又は光起電力効果のいずれを利用するにしても、これらの現象を起こさせる材料として酸化モリブデンを用いたという報告あるいは提案は、本願発明者が知る限りにおいて、これまで全くなされていない。このような状況でなされた本発明は、本願発明者によりはじめて発見された、酸化モリブデンの禁制帯幅をはじめとする優れた特性及び本願発明者が考案した、酸化モリブデン結晶の新しい作製法に基いて達成されたものであり、本発明の技術手法は、さらに健康機器、光学機器、加工プロセス管理などきわめて広い範囲において応用が可能である。

本発明は、紫外光を検出、もしくはその光強度を測定するための種々の装置およびこれに関連する技術分野に適用可能である。

本発明に従って作製された第１の実施例の光電変更デバイスを、概念的に示す図である。図１に示された光電変換デバイスに紫外光を照射したときの紫外光照度と電流の関係を示す図である。本発明に従って作製された第２の実施例の光電変換デバイスを、概念的に示す図である。

符号の説明

１０、２０本発明の紫外光用光電変換デバイス
１１、２１基板
１２結晶薄膜
１３、２３電極
２２結晶薄片
２４接着剤

Claims

酸化モリブデンを成分とする材料から成る、紫外光の強度を電気信号に変換するための光電変換デバイス。
基板と、該基板上に形成された酸化モリブデンを成分とする材料の薄膜とから成る、紫外光の強度を電気信号に変換するための光電変換デバイス。
請求項２に記載の光電変換デバイスにおいて、
該基板が、金属、半導体、又はガラスの材料から成るものである光電変換デバイス。
請求項３に記載の光電変換デバイスにおいて、
該半導体がシリコンである光電変換デバイス。
請求項２に記載の光電変換デバイスにおいて、
該酸化モリブデンを成分とする材料の薄膜が高純度酸化モリブデンの結晶薄片であり、この薄片が該基板に固着されるものである光電変換デバイス。
請求項５に記載の光電変換デバイスにおいて、
該基板が、金属、半導体、ガラス、セラミックス又はプラスチックの材料から成るものである光電変換デバイス。
請求項１ないし６のうちのいずれか一請求項に記載の光電変換デバイスを、主たる構成要素として備える、紫外光の強度を測定するための光強度測定装置。
請求項７に記載の光強度測定装置において、
３８０ｎｍより短波長の紫外光のみの強度を測定するものである光強度測定装置。