JP2009200222A - 紫外線センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性・耐久性に優れ、感度調整のための校正を行うことなく波長254nm付近の紫外線を連続的に監視することができる紫外線センサを提供する。
【解決手段】酸化ガリウム単結晶基板１０の表面上及び裏面上にそれぞれ第１の電極１１及び第２の電極１２が形成されたセンサチップ１がパッケージ２の内部に収容されて外部雰囲気から封止される。パッケージ２は検出対象の紫外線に対して透光性を有する窓部材２１を有し、センサチップ１の第１の電極１１及び第２の電極１２に電気的に接続されたリード３１及び３２がパッケージ１の外部に引き出されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線センサ及びその製造方法に係り、特に波長254nm付近の紫外線を連続的に監視するための紫外線センサ及びその製造方法に関する。

紫外線ランプは、医療、食品・機器消毒、印刷、半導体、レジスト、接着、モールド等、産業界の多岐にわたり使用されている。近年、特に、波長254nmの紫外線を用いた水の浄化、食料品や医療分野での殺菌、滅菌がより重要になってきている。この紫外線ランプは消耗品であり、寿命が重要なポイントであるが、監視が連続的にできないために事前に寿命時間を設定して使用している。例えば、2000時間使用後に交換することが行われている。しかしながら、個々のランプの寿命は一定ではなく、設定時間より短くなったり長くなったりする場合がある。実際の寿命が設定時間より短くなった場合には、紫外線発生のないまま使用するため、所望の浄化、殺菌等を行うことができなくなってしまう。一方、実際の寿命が設定時間より長いランプに対しては、まだ使用できるのに交換されるという無駄を生じることとなる。紫外線ランプから発せられる紫外線を連続的に監視することができれば、このような不具合を解消することができる。

紫外線ランプから発せられる紫外線のパワーを測定する従来の装置としては、シリコンを用いたものがある。しかしながら、測定波長の選択はフィルターを使用して行われるため、波長254nm付近の短波長域では受光スペクトルのバンド幅が広く、またフィルターの紫外線による劣化及びそれに伴う受光波長のシフトが発生し、感度調整のための校正が必要となる。さらに、フィルター周辺部品等の耐熱性の問題から、通常40℃以下で使用するという制約があるため、測定場所の調整を頻繁に行なう必要がある。

また、波長280nm以下の紫外線を検出するセンサとして光電管が知られている。この光電管は火炎の点滅を検知するセンサとして既に実用化され、主に工業炉など大型燃焼装置の自動制御用の火炎センサに用いられているが、光電管を用いたセンサは、寿命が短く、高コストであるという問題があった。また、光電管を用いたセンサは、ソーラーブラインドではないので感度が変動しやすく、耐熱性も低いという問題を有している。

これに対し、小型・簡便な火炎センサとして期待される固体素子型のセンサとして、ワイドバンドギャップ半導体であるGaN系III族窒化物半導体が期待され、AlGaN膜の応用が研究されている（例えば、下記非特許文献１参照）。さらに、ダイヤモンド半導体を用いた紫外線センサも検討されている（例えば、下記非特許文献２参照）。
平野光：「GaN系受光素子の火炎センサへの応用」 応用物理 第６８巻 第７号（１９９９）pp.0805-0809 小出康夫：「ダイヤモンド紫外線センサ」 まてりあ 第４６巻 第４号（２００７）pp. 272-277

しかしながら、上述の非特許文献１におけるセンサは、基板上にエピタキシャル成長させた薄膜であり、GaNとAlNの混晶であるAlGaNは高品質の膜成長が困難な状況にあり実用的な製造方法に課題が多く残されている。また、AlGaNは、酸化による劣化が生じるという問題点を有している。

一方、非特許文献２におけるダイヤモンド膜については、ダイヤモンド基板を使ってホモエピ成長させた場合は、高品質なダイヤモンド膜が成長するが、この場合、基板が高価なためコスト高になるという問題点がある。また、殺菌などに用いられる低圧水銀灯の輝線254nmに対する感度が小さいという問題点もある。

本発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、耐熱性・耐久性に優れ、感度調整のための校正を行うことなく波長254nm付近の紫外線を連続的に監視することができる紫外線センサ及びその製造方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため、本発明に係る紫外線センサは、酸化ガリウム単結晶基板上に第１及び第２の電極が形成されたセンサチップと、センサチップを内部に収容して外部雰囲気から封止すると共に少なくとも一部が検出対象の紫外線に対して透光性を有するパッケージと、それぞれセンサチップの第１及び第２の電極に電気的に接続されると共にパッケージの外部に引き出された第１及び第２の端子とを備えたものである。

また、本発明に係る紫外線センサの製造方法は、酸化ガリウム単結晶基板を前処理し、前処理を終えた酸化ガリウム単結晶基板上に第１及び第２の電極を形成してセンサチップを作製し、少なくとも一部が検出対象の紫外線に対して透光性を有するパッケージの内部にセンサチップを収容して外部雰囲気から封止すると共にそれぞれセンサチップの第１及び第２の電極に電気的に接続された第１及び第２の端子をパッケージの外部に引き出す方法である。

本発明によれば、酸化ガリウム単結晶基板を用いているので、耐熱性・耐久性に優れると共に感度の安定性に優れ、感度調整のための校正を行うことなく波長254nm付近の紫外線を連続的に監視することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に実施の形態１に係る紫外線センサの構成を示す。紫外線を検出するためのセンサチップ１がパッケージ２内に収容されて外部雰囲気から封止されている。
センサチップ１は、酸化ガリウム（Ga₂O₃）単結晶基板１０を有しており、この基板１０の表面上に紫外線検出用のショットキー電極１１が形成されると共に、ショットキー電極１１に対応して基板１０の裏面上にオーミック電極１２が形成されている。ショットキー電極１１の上には、配線用のパッド電極１３が形成されている。さらに、基板１０の表面上及び裏面上に、それぞれテスト用のショットキー電極１４及びオーミック電極１５が形成されている。

パッケージ２は、開口部２０ａを有する筐体２０と、この筐体２０の開口部２０ａを覆う窓部材２１から構成されている。
筐体２０は、平板状のステム２２と、ステム２２の上に配設された円筒部材２３と、円筒部材２３の上部に連結され且つ中央が開口したキャップ２４を有している。この筐体２０は、内部に収容されるセンサチップ１の静電遮蔽の観点から、導電性であることが好ましく、例えば、ステンレス、アルミニウム、真鍮、鉄、ニッケル等の金属から形成することができる。
窓部材２１は、検出対象となる紫外線に対して透光性を有する材料から形成され、波長254nm付近の紫外線に対してそれぞれ大きな透過率を有するサファイアまたは石英（水晶）を使用することができる。この窓部材２１は、開口部２０ａを覆うようにエポキシ接着剤を用いてキャップ２４の内側に貼り付けられている。

センサチップ１は、Agペースト２６を用いてサファイアまたは石英からなる支持板２５の上に固定され、この支持板２５がステム２２上にダイボンディングされている。ショットキー電極１１の上面がセンサチップ１の受光面１１ｒとなり、この受光面１１ｒがパッケージ２の窓部材２１に対向するようにセンサチップ１が配置されている。
また、紫外線センサの端子となるリード３１及び３２がステム２２からパッケージ２の外部へ引き出されており、パッケージ２内において、センサチップ１のパッド電極１３及びオーミック電極１２がそれぞれ直径25μmのAuボンディングワイヤ２７及び２８を介してリード３１及び３２の一端に電気的に接続されている。
なお、パッケージ２の内部は、真空状態に維持される、あるいは、窒素やアルゴン等の不活性ガスで充填される。

センサチップ１に使用されているGa₂O₃単結晶基板１０は、波長254nm付近に大きな感度を有し、耐久性、耐熱性に優れている。Ga₂O₃単結晶は融点が1740℃と高く、バンドギャップは4.7〜4.9eVとワイドな酸化物半導体であるため、ソーラーブラインドのセンサとなる。すでに酸化物であるため、酸化による劣化の心配がない。

材料となるGa₂O₃単結晶は、本発明者らがすでに発明した方法により結晶品質に優れた単結晶を製造することが可能である。この方法は、純度４NのGa₂O₃粉末を原料としてラバーチューブに封入し、ラバープレスで成形、電気炉で1500℃、10時間で焼結した焼結体を原料棒として、FZ（Floating Zone）法で単結晶を育成するというものである。単結晶成長条件としては、例えば、成長速度は５〜10mm/h、雰囲気はドライエア、圧力は１気圧の条件で行なう。

このようにして作製した単結晶を、へき解性が最も強い（100）面に平行な面をワイヤソーでスライスし、この（100）面を化学機械研磨法（CMP：Chemical Mechanical Polishing）で鏡面研磨して厚さ0.4〜0.5mmのウエハ状に加工する。

このGa₂O₃単結晶は、比抵抗１〜５×10^-1Ωcm、キャリア密度10¹⁷〜10¹⁸cm^-3と電気的に導電性となる。この単結晶を用いて、エピタキシャル成長なしにセンサチップ１を作製することができる。
図２にセンサチップ１の断面構造を示す。Ga₂O₃単結晶基板１０の表面と裏面にそれぞれショットキー電極１１とオーミック電極１２を形成することにより縦型のショットキーダイオードが構成されている。このとき、Ga₂O₃単結晶基板１０には、表面のショットキー電極１１の直下に空乏層１０ａが形成され、その下に導電層１０ｂが形成される。

光を電子正孔対に変換して検出するためには、電極に挟み込まれた高抵抗層を形成する必要がある。低抵抗層では、電流が簡単に流れてしまい、光電流を分離することができなくなるためである。
この高抵抗層の作製には、高抵抗の薄膜、あるいはショットキー接触や、ｐｎ接合による空乏層を利用する方法があるが、空乏層を利用する方法は、増幅作用があり高感度であるため、より好ましい。さらに、空乏層の作製には、Ga₂O₃の場合、ｎ型のみが得られるので、ｐｎ接合でなくショットキー接触による空乏層を用いるのが好ましい。その結果、センサチップの構造はMetal-Semiconductor-Metal（MSM）型になる。

MSM型の中には、横型構造と縦型構造がある。横型構造の場合、フォトリソグラフィを利用するなどして櫛形電極を形成する必要がある。この櫛形電極は大面積化が困難であり、空乏層が電極の直下にしか形成されないため、Ga₂O₃の利用効率は下がる。

この実施の形態１では、縦型構造のセンサチップ１が形成されている。縦型構造では、図２に示すように、センサ部は表面に受光面１１ｒが形成され且つ検出対象の紫外線に対して透光性を有する薄いショットキー電極（第１の電極）１１、裏面にオーミック電極（第２の電極）１２を形成するのみで構成される単純な構造となる。横型構造とは異なり、ショットキー電極１１の下部に広がる空乏層１０ａ全面に受光できるため、Ga₂O₃単結晶の利用効率が高く、また横型構造のような櫛形電極の作製が不要なため、構造が単純でプロセスも簡便になる特長がある。

以下、Ga₂O₃単結晶を使った縦型構造のセンサチップ１の作製方法について、図３を参照してプロセス毎に詳細に説明する。

（Ｓ１：単結晶のアニーリング）
まず、基板１０をフッ酸、硫酸、アセトン、エタノール、純水で洗浄し、熱処理を行なう。熱処理は結晶成長後のGa₂O₃単結晶には欠陥などが残留しているため、これを回復させる目的で行なう。熱処理は酸素雰囲気中で1100℃、3〜24時間で行なう。３時間より短い時間では、結晶性の回復が不十分となり、24時間よりも長い処理時間をかけても、ほぼ飽和して特性に変化はない。酸素を使うのは、Ga₂O₃単結晶育成時に発生した酸素欠損を補充するためである。

（Ｓ２：表面への保護膜の形成）
裏面にプラズマ照射をするため、照射前に表面のダメージを避けるため保護膜４を塗布する。保護膜４には、例えば分析サンプルの固定用に用いるマウンティングワックスなどを用いる。100℃辺りから溶け始めるので、それをスライドガラスに塗布し、Ga₂O₃基板の表面を押し付けて冷ませば表面にイオンが照射されるのを防げる。

（Ｓ３：裏面へのプラズマ照射）
裏面にオーミックコンタクトをとるため、さらに導電性の改善、低抵抗化を図る目的でプラズマ照射を行なう。これは、強制的に欠陥を生成し、キャリア電子の発生による電気導電性を向上させるためである。プラズマは、残留ガスを用いた低圧グロー放電を利用しており、サンプル裏面に照射した。

イオン電流は数百μAであり、装置全体の電流が5〜10mAである。照射時間は20〜40min、好ましくは30minとする。20minより短い場合は効果が少なく、40minより長い時間照射しても効果はほぼ同じになるためである。

（Ｓ４：表面の保護膜の除去）
裏面にプラズマ照射後、保護膜４を除去する。マウンティングワックスを再び加熱してGa₂O₃基板をはがし、マウンティングワックスを除去し、基板をアセトンで洗浄する。

（Ｓ５：裏面にオーミック電極の形成）
Ti（１２ａ，１５ａ）を30〜70nm、好ましくは30〜50nm蒸着後、Au（１２ｂ，１５ｂ）を80〜150nm、好ましくは80〜100nm蒸着し、Au/Tiのオーミック電極１２、１５を形成する。電極サイズは1〜5mmφ、好ましくは3〜4mmφとする。なおサイズが大きくなるほど接触抵抗が小さい。

（Ｓ６：表面にショットキー電極形成）
ショットキー電極１１の材料として、ｎ型半導体なので、仕事関数が大きいとされる金属であるAu、Ptなどが用いられる。Ni（１１ａ）を2〜5nm、好ましくは2nm蒸着後、AuまたはPt（１１ｂ）を6〜10nm蒸着し、Au/NiまたはPt/Tiの半透明または透明な電極を作製する。なお、金属には、Ni層を挿入しないAu、Pt、さらにAu、Ptのほか、Al，Co，Ge，Sn，In，W，Mo，Cr，Cu等も使用し得る。

Niを蒸着するのは、AuまたはPt単体では、基板との密着性が悪いので、薄いNi層を挿入して密着性を改善するためである。これが受光面１１ｒになり、この場合の電極サイズは1〜5mmφ、好ましくは3〜4mmφ。サイズが大きくなるほど受光面拡大につながる。

（Ｓ７：パッド電極の形成）
この電極１１中に配線用のパッド電極１３を作製する。パッド電極１３のサイズは0.05〜1.5mmφ、Ni（１３ａ）を3〜10nm、好ましくは4〜6nm、AuまたはPt（１３ｂ）を80〜150nm、好ましくは〜100nm、受光面１１ｒの上に蒸着する。なお、このとき同時にオーミック電極１５に対応するテスト用のショットキー電極１４を作製した。

（実施例１）
酸化ガリウム粉末（純度４N）をラバーチューブに封入しこれを静水圧プレス成形し、大気中1500℃、10時間で焼結した。この焼結体を原料棒として光FZ装置を用いて単結晶育成を行った。成長速度は7.5mm/hrとし、雰囲気ガスとして酸素80％-窒素20％（流量比）を用いた。

得られた単結晶の（100）面を切り出し、CMPで厚さ0.4mmまで研磨加工し、表面は平均粗さ〜0.2nmの鏡面とし、ウエハ状の基板とした。基板サイズはおよそ8mm×8mmである。

このGa₂O₃単結晶について、Hall測定した結果、比抵抗は1.2ｘ10^-1Ωcm、キャリア密度は1.3ｘ10¹⁸ cm^-3、移動度は39cm²/Vsの電気的導電性を示した。この基板をフッ酸、硫酸、アセトン、エタノール、純水で洗浄後、酸素雰囲気中で1100℃、6時間の熱処理を行なった。

次に、図３に示す上述の工程に従って、電極の作製を行なった。
このときの電極配置を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）は上方より見た図、図４（ｂ）は下方より見た図である。8mm×8mmのGa₂O₃基板サイズに対し、電極サイズは4mmφである。裏面のオーミック電極１２はTi50nm蒸着後、Au100nm蒸着した。
一方、表面のショットキー電極１１はNiを2nm蒸着後、Auを8nm蒸着した。配線用のパッド電極１３は１mmφとし、Niを5nm蒸着後、Auを100nm蒸着した。このとき、実質的な受光部は４mmφのショットキー電極部分からパッド電極1mmφを除いた部分になる。

さらに、作製した電極を保護するため、透明なサファイアからなる窓部材を用いてパッケージングを行う。電極の劣化を防ぎ、長期的な安定性を維持するため、パッケージ内に窒素やアルゴンなどの不活性ガスを充填することが好ましい。
このようにして作製された紫外線センサの写真を図５に示す。

図１に示されるように、一対のリード３１及び３２間にバッテリ５と電流計６を接続して電流値を測定することにより紫外線の検出を行うことができる。この実施例１の紫外線センサに対し、アズワン株式会社製の紫外線発生装置SLUV-6を用いて、波長254nmの紫外線を連続的に照射した。約100時間照射後の分光感度特性を図６に示すが、照射前の特性とほとんど変化なかった。この結果から、耐久性に優れていることがわかる。また、検出された波長位置のシフトもみられなかった。このことから、特に校正の必要もなく長期間にわたって連続的監視用のセンサとして耐久性があることがわかる。

（実施例２）
実施例１の紫外線センサを病院等で用いられている循環型空気殺菌灯のモニタとして使用した。天井に設置された紫外線ランプから発生する紫外線を連続的に監視することが確認できた。

実施の形態２．
実施の形態１においては、縦型構造のセンサチップ１を用いた紫外線センサについて説明したが、図７に示されるように、横型構造のセンサチップ７を用いることもできる。

この横型構造のセンサチップ７は、Ga₂O₃単結晶基板１０の表面に低キャリア密度の層または絶縁層１０ｃを設け、この低キャリア密度の層または絶縁層１０ｃの表面に受光面１６ｒを有する第１の電極１６と、第１の電極１６の受光面１６ｒで受ける紫外線に応じて第１の電極１６との間でGa₂O₃基板１０を介して電流が流れる第２の電極１７とを備える。

この実施の形態２においては、図３のＳ１で示した熱処理において、長時間に亘る熱酸化を行い、光の吸収距離よりも深い位置まで低キャリア密度の層または絶縁層を形成する。そして、熱酸化された低キャリア密度の層または絶縁層表面に第１の電極１６としてAu/Ni構造またはPt/Ni構造を有する櫛型電極を形成し、その近傍に第２の電極１７としてのオーミック電極を形成する。各電極の形成方法については、実施の形態１に説明したものに対応している。

このようにして櫛型電極に受光面を形成し、その電極下方の低キャリア密度の層または絶縁層で光電流を発生させ、第１の電極１６と第２の電極１７との間の電流を検出することにより紫外線を検出する構成とする。

縦型構造は、上述したように、大面積を要する櫛型電極が不要で、Ga₂O₃の利用効率が高く、また製造プロセスも簡単であるという特長を有するが、形成された空乏層に効率よくバイアスを印加できるという点においては、横型構造のセンサチップの方が勝ると考えられる。また、長時間熱処理を行うため、電極付近はほぼ絶縁体とみなせ、金属電極（ショットキー電極に対応）と絶縁体との接触における高いバリアを形成することが容易となり、暗電流の小さいセンサが作り易く、高感度のものが得られやすいという効果がある。

なお、上記の実施の形態１及び２に示した紫外線センサのパッケージは、ほぼ円筒形状を有していたが、これに限るものではなく、センサチップを収容し得る形状であれば、箱形等、各種形状のパッケージを用いることができる。

本発明の実施の形態１に係る紫外線センサの構造を示す断面図である。 実施の形態１で用いられたセンサチップの構造を示す断面図である。 実施の形態１で用いられたセンサチップの作製方法を工程順に示す図である。 実施例１におけるセンサチップの電極配置を示す図である。 実施例１の紫外線センサを示す図である。 実施例１の紫外線センサにおける分光感度特性を示すグラフである。 実施の形態２に係る紫外線センサの構造を示す断面図である。

符号の説明

１，７ センサチップ、２ パッケージ、４ 保護膜、５ バッテリ、６ 電流計、１０ 酸化ガリウム単結晶基板、１０ａ 空乏層、１０ｂ 導電層、１１，１４ ショットキー電極、１１ｒ，１６ｒ 受光面、１１ｃ 低キャリア密度の層または絶縁層、１２，１５ オーミック電極、１３ パッド電極、１６ 第１の電極、１７ 第２の電極、２０ 筐体、２０ａ 開口部、２１ 窓部材、２２ ステム、２３ 円筒部材、２４ キャップ、２５ 支持板、２６ Agペースト、２７，２８ Auボンディングワイヤ、３１，３２ リード。

Claims (10)

1. 酸化ガリウム単結晶基板上に第１及び第２の電極が形成されたセンサチップと、
   前記センサチップを内部に収容して外部雰囲気から封止すると共に少なくとも一部が検出対象の紫外線に対して透光性を有するパッケージと、
   それぞれ前記センサチップの第１及び第２の電極に電気的に接続されると共に前記パッケージの外部に引き出された第１及び第２の端子と
   を備えたことを特徴とする紫外線センサ。
2. 前記第１の電極は、検出対象の紫外線に対して透光性を有すると共に受光面を形成する請求項１に記載の紫外線センサ。
3. 前記第１の電極は、前記酸化ガリウム単結晶基板の表面上に形成されて前記酸化ガリウム単結晶基板とショットキー接触をなし、
   前記第２の電極は、前記酸化ガリウム単結晶基板の裏面上に形成されて前記酸化ガリウム単結晶基板とオーミック接触をなす請求項２に記載の紫外線センサ。
4. 前記酸化ガリウム単結晶基板は、その表面に低キャリア密度の層を有し、
   前記第１及び第２の電極は、それぞれ前記酸化ガリウム単結晶基板の前記低キャリア密度の層の表面上に形成された請求項２に記載の紫外線センサ。
5. 前記酸化ガリウム単結晶基板は、比抵抗が１〜５×10^-1Ωcm、キャリア密度が10¹⁷〜10¹⁸cm^-3の電気的導電性を有し、その（100）面を用いる請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の紫外線センサ。
6. 前記パッケージは、金属からなると共に開口部を有する筐体と、前記筐体の前記開口部を覆うと共に検出対象の紫外線に対して透光性を有する窓部材とを備えた請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の紫外線センサ。
7. 前記窓部材は、サファイアまたは石英からなる請求項６に記載の紫外線センサ。
8. 前記パッケージの内部は、真空である、あるいは不活性ガスが充填された請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の紫外線センサ。
9. 紫外線ランプから発せられる波長254nm付近の紫外線を連続的に監視する用途に使用される請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の紫外線センサ。
10. 酸化ガリウム単結晶基板を前処理し、
    前記前処理を終えた前記酸化ガリウム単結晶基板上に第１及び第２の電極を形成してセンサチップを作製し、
    少なくとも一部が検出対象の紫外線に対して透光性を有するパッケージの内部に前記センサチップを収容して外部雰囲気から封止すると共にそれぞれ前記センサチップの第１及び第２の電極に電気的に接続された第１及び第２の端子を前記パッケージの外部に引き出す
    紫外線センサの製造方法。

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