JP2010276483A - 紫外光検出素子及び紫外光検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外光をなるべく広い面積で検出できるとともに、素子毎の電気的特性のバラツキを小さくすることができる紫外光検出素子及び紫外光検出装置を提供する。
【解決手段】基板１上に電極２及び電極３が形成されている。電極２及び電極３の上には紫外光吸収層４が積層されている。電極２は、検出電極部２ａと電極部２ｂとで構成されており、電極３も、検出電極部３ａと取り出し電極部３ｂとで構成されている。紫外光吸収層４で発生する電流を検出する電極部２ａ、３ａは、紫外光吸収層４に埋められている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、人間が自然に浴びてしまう光の中の紫外光成分のみを測定する紫外光検出素子及び紫外光検出装置に関する。

人類が大量の化石燃料を燃やす事で地球大気内の酸素量が減少し、ＣＯ_２量が増加していることは良く知られている。後者は温暖化ガスとして著名であるが、酸素量の減少は、大気中の酸素に太陽光の紫外光（ＵＶ光）が当たる事で生じているオゾン層にたびたび穴が開く現象を引き起こしている。これはオゾンホールと呼ばれている。

オゾンホールができることによって、特に北欧などの高緯度地方に住む、もともと紫外光に対して耐性がない白人の人達は、直接皮膚がんの脅威にさらされる事になる。また、これほど生体に大きな影響でなくとも、紫外光が長期的には肌の劣化などを引き起こすことが知られている。これらは、ほとんど太陽光の当たらない臀部の皮膚が非常に綺麗なこと、高山地域に住む人達の顔の肌は特に荒れていること等から良く知られていることである。

以上の状況を考えると、自分がどれくらい紫外光を浴びているかを知ることは、肌の健康を保つための対策をどれくらい行なえばいいかの指針が得られると言う美容上の利点がある。また、長期的には紫外光量と皮膚がんの発生の関係を明瞭にし、その予防対策をするための基礎となる。

人体の紫外線に対する反応としての紅斑や黒化は、紫外線のみの照射で起こるのではない。実際には可視光・赤外光とが同時に照射されることで起こる複合的な免疫反応であると言われている。このため、紫外線を含む光の照射下で紫外線のみを選択的に高感度で検出できる装置があれば、紫外光に対するケア商品を開発するための強力なツールとなることは間違いない。

紫外線検出装置には、受光部の光誘起電流量の変化によって受光部に照射される紫外線を検出する、いわゆる光伝導型センサ素子を用いたものがある。これは、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Ａｌ_ｘＧａ_１−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。これらの光伝導型センサ素子の光検出原理は、受光部の半導体にバンドギャップ以上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、このキャリアを外部印加電圧により外部回路へ取り出し、光誘起電流量として検出するものである。

これらは、一般にＭＳＭ（金属／半導体／金属）型の受光素子と呼ばれており、例えば、特許文献１に示されるように、ダイヤモンド単結晶基板の表面を水素化処理し、この水素化処理された表面に正負の電極を櫛型状に形成した紫外線センサが提案されている。ダイヤモンド単結晶基板で紫外線を吸収し、光誘起電流量を検出することで、紫外線量を測定している。

特開２００８−９６１５１号公報

しかしながら、上記の構成では、電極と電極との間のダイヤモンドで紫外線を吸収することになり、電極が形成されている領域では紫外線の検出が行えない場合があり、検出効率が落ちる。また、ダイヤモンドの作製後に、ダイヤモンドの表面に電極を形成するために、外気中の水分や有機分子の付着等により、ダイヤモンドの表面の状態がすると、電極との接触抵抗等に影響を与える。このため、素子毎に電流−電圧特性等の電気的特性に大きなバラツキが発生するという問題があった。特に、紫外光吸収層に表面の化学活性が高い材料を用いる場合には、このバラツキは大きくなる。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、紫外光をなるべく広い面積で検出できるとともに、素子毎の電気的特性のバラツキを小さくすることができる紫外光検出素子及び紫外光検出装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の紫外光検出素子は、基板と、基板上に配置された紫外光を吸収する紫外光吸収層と、前記紫外光吸収層で吸収された紫外光に基づいて発生する電流を測定する電極とを備え、前記電極は、前記紫外光吸収層からの電流を検出するための検出電極部と、検出された電流を外部に取り出すための取り出し電極部とで構成されており、前記検出電極部が前記紫外光吸収層に埋まっている紫外光検出素子を備えたことを主要な特徴とする。

また、本発明の紫外光検出装置は、前記紫外光検出素子が支持基台に設置され、該紫外光検出素子に紫外光を集光させるための反射構造が前記支持基台に形成されていることを主要な特徴とする。

本発明によれば、紫外光を測定するための電極のうち、紫外光吸収層からの電流を検出するための検出電極部が紫外光吸収層に埋まっている。したがって、紫外光吸収層における検出電極部との接触面が、外気に直接に曝されることがなく、電極との接触面の状態を素子毎に均一な状態に維持することができる。

本発明に係る紫外光検出素子の断面を示す図である。 本発明に係る紫外光検出素子の断面を示す図である。 本発明に係る紫外光検出素子の平面図である。 本発明に係る紫外光検出素子の他の構成例を示す図である。 本発明に係る紫外光検出素子と従来構造の紫外光検出素子において、紫外光照射時のサンプル毎の測定電流を示す図である。 本発明に係る紫外光検出素子と従来構造の紫外光検出素子とで電流−電圧特性を比較した図である。 図６の電流−電圧特性曲線を電流軸のスケールを変えてまとめて示した図である。 紫外光吸収層と電極とがオーミック接触した場合とショットキー接触した場合とで、電流−電圧特性の違いを示す図である。 電極配置の実際の構成例を示す図である。 櫛型状の電極を作製した後に発生するエッチングえぐれを示す図である。 電極にＮｉとＴｉを使用した場合の電流−電圧特性を示す図である。 電極にＰｔとＡｌを使用した場合の電流−電圧特性を示す図である。 基板にソーダライムガラスと無アルカリを使用したの電流−電圧特性を示す図である。 大気圏外及び大気圏内の太陽光スペクトルと紫外光検出素子の受光感度とを示す図である。 バンドギャップ相当波長とＭｇＺｎＯのＭｇ含有割合との関係を示す図である。 紫外光吸収層のＸ線回折測定結果を示す図である。 本発明に係る紫外光検出素子が設置された紫外光検出デバイスの構成例を示す図である。 紫外光検出デバイスを用いた紫外光検出装置の構成例を示す図である。 開閉式の蓋付きの紫外光検出装置の構成例を示す図である。 短冊状電極の形態例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

本発明の紫外光検出装置は、基本的に、基板と紫外光を吸収する紫外光吸収層と紫外光吸収層で発生した電流を測定する電極とを備えた紫外光検出素子により構成される。

まず、上記紫外光検出素子の一例として、図１〜図３に示すような構成とすることができる。図３は、紫外光検出素子を上面から見た平面図であり、図１は図３のＡ−Ａ断面を、図２は図３のＢ−Ｂ断面を示す。なお、図３は、わかりやすくするために、保護膜５が取り除かれた状態で示されている。

基板１上に電極２と電極３が形成されている。電極２が正電極の場合は、電極３が負電極に相当し、電極２が負電極の場合は、電極３が正電極に相当する。電極２及び電極３は、図３に示されるように、櫛型形状に形成されている。櫛型形状の電極２は、短冊状の検出電極部２ａと共通部分となる取り出し電極部２ｂとで構成されており、取り出し電極部２ｂに複数の検出電極部２ａが一体形成されている。また、櫛型形状の電極３も、短冊状の検出電極部３ａと共通部分となる取り出し電極部３ｂとで構成されており、取り出し電極部３ｂに複数の検出電極部３ａが一体形成されている。図１〜図３の実施例では、検出電極部２ａ、検出電極部３ａともに、４つずつ形成されている。また、検出電極部２ａと検出電極部３ａとは、交互に重なり合わないように配置されている。

ここで、櫛型形状電極の短冊状部分に該当する検出電極部２ａ、３ａについては、交互に入れ子状態になっていれば良く、以下のように構成することもできる。例えば、図２０（ａ）に示すように、直方体型である必要がなく、波型形状に形成し、曲線部を持たせるようにしても良い。また、図２０（ｂ）に示すように、検出電極部２ａ、３ａの先端に丸みを形成するようにしても良い。次に、図２０（ｃ）に示すように、検出電極部２ａ、３ａについて、各電極幅が一定でなくても良く、また電極間の距離が一定でなくても良い。さらには、図２０（ｃ）に示すように、電極の長さが一定でなくても良い。以上のような形態をすべて含めて、本発明では、短冊状の検出電極部と呼んでいる。

電極２及び電極３の上には、紫外光吸収層４が積層されている。紫外光吸収層４は、紫外光を吸収して、電子と正孔を生成する物質で構成されており、例えば、光電効果を有する半導体層等で構成される。ここで、特徴的なのは、従来構成のように、電極を紫外光吸収層の表面に配置するのではなく、紫外光吸収層４に接してキャリアを直接検出する検出電極部２ａ、３ａ電極は、紫外光吸収層４に埋められていることである。

図１〜図３からわかるように、電極２、３の領域のうち、紫外光吸収層４と接している検出電極部２ａと検出電極部３ａの表面は、すべて紫外光吸収層４で覆われて露出しないように形成されている。また、取り出し電極部２ｂ、３ｂの検出電極部２ａ、３ａに近い側の一部は、紫外光吸収層４が積層されている。このように、紫外光吸収層４の表面には電極が全く配置されないように構成されている。

取り出し電極部２ｂ、３ｂ上において、紫外光吸収層４で覆われていない領域に、ワイヤー６がボンディングされている。取り出し電極部２ｂ、３ｂは、紫外光が紫外光吸収層４で吸収されて、生成された電子、正孔に基づく電流を外部に取り出すための電極部分であり、この電流をワイヤー６で外部に取り出す。このため、電極２と電極３との間に、直流のバイアスを印加する必要があり、図３のように、直流電源が接続される。バイアス電圧は可変できるようになっている。なお、検出電流を外部に取り出すには、ワイヤー６を用いずに、電極２、３を外部への接続電極等と、ハンダ剤でダイボンディングするようにしても良い。

紫外光吸収層４は、高抵抗で、かつ紫外光のみを選択的に吸収する材料を使用することが望ましい。高抵抗が望ましいのは、紫外光により発生するキャリアと、素子に印加されるバイアスにより発生する電流との区別をつける必要があるためである。これらの要求を満たすものとして、酸化物系材料としてＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、ＴｉＯ_２、ＳｒＴｉＯ_２、ＩｎＧａＮＺｎＯ等があげられる。また、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＧａＮ等であっても良い。これらは、可視光領域の光を吸収しないバンドギャップを持つ材料であり、抵抗値が高い材料である。本実施例では、Ｍｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯ（０≦Ｘ≦０．６）を用いた。

一方、基板１は、紫外光に対しては吸収を起こさず透明で、余計な電流が発生しない高抵抗の材料が望ましく、例えばガラスを用いることができる。保護膜５は、防水、防湿、防傷機能などを有するもので、ＳｉＮやＳｉＯ_２等が用いられる。一般的に、ＳｉＮの方が防水性に優れているので、これを用いることが多いが、本発明の紫外光検出装置では紫外光を吸収させて検出するため、色が付くＳｉＮは好ましくなく、ＳｉＯ_２を用いるのが望ましい。なお、保護膜５は、形成しなくても良い。

また、図１に示されるように、検出電極部２ａ、３ａの上に紫外光吸収層４を積層しているため、通常、紫外光吸収層４の表面は検出電極部２ａ、３ａの凹凸に沿った形状となる。さらに、この凹凸が形成された紫外光吸収層４上に保護膜５を積層しているために、通常、保護膜５の表面も、検出電極部２ａ、３ａの凹凸に沿った凹凸が形成されることになる。これらの凹凸は、紫外光を紫外光吸収層４内に導く際に有利に作用する。凹凸がついていない場合であると、空気層と紫外光吸収層４又は保護膜５との屈折率の違いにより、全反射が起こりやすくなるが、凹凸がついていることにより紫外光の入射角度が様々に変化し、全反射を減少させることができ、紫外光の検出効率が高まる。

また、電極２、３の配置については、基板１に接するように配置して、紫外光吸収層４で検出電極部２ａ、３ａの部分等を埋めるようにしているが、図４の構成のようにしても良い。検出電極部２ａ、３ａの周囲が紫外光吸収層４で包み込まれた状態になるように構成される。この場合は、光の吸収がより大きい膜表面側に電極を配置できるため、光誘起電流を大きく取れる。また、異種界面（ガラス／ＺｎＯ）から遠いため変動要因が減少する。

図９は、実際に、櫛型の電極２，３を形成したパターンの構成例である。上側が検出電極部２ａ、３ａの配置のピッチを２０μｍとしたものであり、下側が１０μｍのピッチとしたものである。これらの点線で囲んだ部分を拡大して表示したのが、図１０である。検出電極部２ａ、３ａを形成するときに、ピッチが細かくなると、精度良く作製するには、電極パターンをエッチングよって形成するのが望ましい。また、紫外光吸収層をエッチングする場合、エッチングえぐれが、図１０のように基板１や電極近傍で生ずることがある。このエッチングえぐれのため、検出電極部２ａ、３ａのみに紫外光吸収層４を積層すると、紫外光吸収層４が検出電極部２ａ、３ａや基板１にきれいに接合せずに、紫外光吸収層４が剥がれてしまうリスクがある。そこで、本実施例のように、取り出し電極部２ｂ、３ｂの一部が紫外光吸収層４で積層されるように作製することで、この剥がれが発生するのを防止している。

本発明のように、検出電極部２ａ、３ａが紫外光吸収層４に埋め込まれた構成を有する紫外光検出素子をいくつか作製した。また、特許文献１の図１等に記載された従来の構成、すなわち紫外光吸収層の表面に露出した状態で電極が作製された従来の紫外光検出素子をいくつか作製した。そして、これらの紫外光検出状態の変動を比較した。本発明の紫外光検出素子を埋め込み電極型、従来構成の紫外光検出素子を表面電極型と呼ぶことにする。

紫外光吸収層には、埋め込み電極型及び表面電極型のいずれもＺｎＯを用いた。櫛型電極には、いずれもＴｉを用い、紫外光吸収層を形成する基板にはガラスを用いた。そして、埋め込み電極型及び表面電極型を各々複数個作製して、各素子の電気的特性のバラツキを調べた。図５は、各タイプの紫外光検出素子に、波長３６５ｎｍの紫外光を一定の強さで照射して、素子に流れる電流値を測定したものである。

図５（ａ）は、埋め込み電極型の素子であるが、１１個のサンプルに対して、紫外光の測定電流はほぼ一致しており、ほとんど変動がないと言える。図５（ｂ）は、表面電極型の素子であるが、４５個のサンプルに対して、紫外光の測定電流の変動は非常に大きくなっている。このように、本発明の埋め込み電極型の方が、従来の表面電極型の素子よりも、遥かに製造素子毎の紫外光検出電流の変動が小さくなり好ましいことがわかる。

他方、埋め込み電極型と表面電極型について、上記同様、波長３６５ｎｍの紫外光を照射した場合における電流−電圧特性（ＩＶ特性）と、紫外光を照射しない状態での暗電流の電流−電圧特性（ＩＶ特性）を比較した。なお、紫外光の強さは一定にし、バイアスを変化させてＩＶ特性を測定した。これを図６に示す。

図６（ａ）は埋め込み電極を、図６（ｂ）は表面電極型を示す。図６でＵＶ ＯＮと記載されたグラフ（上側の曲線）が紫外光照射時のＩＶ特性であり、ＵＶ ＯＦＦと記載されたグラフ（下側の曲線）が光を全く照射しない場合の暗電流のＩＶ特性である。これらを比較すれば、わかるように、紫外光照射時のＩＶ特性も、暗電流のＩＶ特性も、いずれも表面電極型の方が、素子毎の変動が大きくなっている。この違いの最も極端な例をまとめて表示し、縦軸の電流値のスケールを拡大した図を図７に示す。

図７の白丸を繋いで描かれた曲線Ｓ１は、表面電極型の素子に紫外光を照射したときのＩＶ特性（図６（ｂ）のＵＶ ＯＮに相当）を示し、白丸を繋いで描かれた曲線Ｓ１は表面電極型の素子の暗電流のＩＶ特性（図６（ｂ）のＵＶ ＯＦＦに相当）を示す。また、曲線Ｉ１は、埋め込み電極型の素子に紫外光を照射したときのＩＶ特性（図６（ａ）のＵＶ ＯＮに相当）を示し、曲線Ｉ２は、埋め込み電極型の素子の暗電流のＩＶ特性（図６（ａ）のＵＶ ＯＦＦに相当）を示す。この図から、表面電極型の素子の方が、紫外光照射時及び紫外光をオフにした状態のいずれの場合でも、素子毎のＩＶ特性の変動が大きいことが良くわかり、安定した特性の紫外光検出装置には適していない。

次に、紫外光吸収層４と電極２、３とはオーミック接触するように構成されている。本実施例では、検出電極部２ａ、３ａ、及び取り出し電極部２ｂ、３ｂのうち紫外光吸収層４が接触している部分は、オーミック接触を形成している。

これは、図８に示すように、紫外光吸収層４と電極２、３がオーミック接触している場合には、紫外光量を増減させたときの検出電流と電圧との関係は、実線のように直線となって比例関係を有する。しかし、ショットキー接触の場合は、点線で示したように、検出電流と電圧は比例関係を構成しないため、紫外光量に比例した検出電流を得ることができない。また、検出電流がほとんど変化しない領域で、紫外光のＯＮとＯＦＦの切り替わり点が有る場合には、ＯＮ−ＯＦＦの区別も判別しにくいことになる。したがって、特に検出電流量により紫外光量の違いを測定するためには、オーミック接触させることが重要である。

紫外光吸収層４には、Ｍｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯ（０≦Ｘ≦０．６）を用いた場合、このＭｇＺｎＯとオーミック接触できそうな金属を調べたところ図１１、１２のようになった。図１１、１２では、波長３６５ｎｍの紫外光を照射した場合の検出電流特性をＯＮ（実線）で示し、暗電流（点線）の特性をＯＦＦで示している。

図１１（ａ）は、電極２、３にニッケル（Ｎｉ）を用いた場合である。Ｎｉの場合は、ＯＦＦの特性曲線が測定下限に近くなっているものの、ＯＮ−ＯＦＦの区別はついている。Ｎｉの仕事関数は、５．１５ｅＶ（エレクトロンボルト）である。図１１（ｂ）は、電極２、３にチタン（Ｔｉ）を用いた場合である。Ｔｉの場合は、ＯＮ−ＯＦＦの区別は十分ついている。Ｔｉの仕事関数は、４．３３ｅＶである。

一方、図１２（ａ）は、電極２、３に白金（Ｐｔ）を用いた場合である。Ｐｔの場合は、ＯＮ−ＯＦＦの区別は十分ついている。Ｐｔの仕事関数は、５．６５ｅＶである。しかし、剥がれやすいために、電極材料としては好ましくない。図１２（ｂ）は、電極２、３にアルミニウム（Ａｌ）を用いた場合である。Ａｌの場合は、ＯＮ−ＯＦＦの区別が判別しにくくなっている。ＡｌはＺｎＯに対してオーミック接触になると言われているが、このデバイスには適さない。Ａｌの仕事関数は、４．２８ｅＶである。

以上の内容を総合すると、オーミック接触だけでなく、剥がれにくさ等の要因も考慮して次のように規定することができる。紫外光吸収層４にＭｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯ（０≦Ｘ≦０．６）を用いた場合、電極２、３には、仕事関数が４．３ｅＶ以上、５．２ｅＶ以下の範囲となる電極材料を用いることが必要である。

基板１には、前述した理由によりガラスを用いるのが望ましい。しかし、ガラスの中でも種類が色々あり、以下のように選択することが望ましい。図１３は、基板１にソーダライムガラスを用いた場合と、無アルカリガラスを用いた場合とで、紫外光検出素子の検出電流特性を調べたものである。上記同様、図１〜図３の構成の紫外光検出素子で、紫外光吸収層４にＭｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯ（０≦Ｘ≦０．６）を、電極２、３にはＴｉを用いた。ＵＶ ＯＮ（実線）と記載しているのが、紫外光を照射したときの検出電流のＩＶ特性であり、Ｄａｒｋ（点線）と記載しているのが暗電流のＩＶ特性である。

図１３（ａ）は、基板１にソーダライムガラスを用いた場合であり、紫外光のオンとオフの判別がしにくい素子が現われたりして、バラツキがある。一方、図１３（ｂ）は、基板１に、液晶ディスプレイ用に広く使われている無アルカリガラスを用いた場合であり、紫外光のオンとオフの判別が十分つくようになっており、素子毎のバラツキもない。このように、素子の電気的特性を安定させておくためには、基板１に無アルカリガラスを用いることが望ましい。

また、紫外光吸収層４にＭｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯ（０≦Ｘ≦０．６）を用い、後述するように、スパッタで作製した場合、特定の結晶配向を有していない構成となる。特定の結晶配向を有していないとは、単結晶のように結晶軸がすべて揃っているもの以外の構造を言い、多結晶構造やアモルファス（非晶質）構造等を含むものである。

これを図１６に示す。紫外光吸収層４としてＭｇＺｎＯをスパッタで作製して、ＸＲＤ（Ｘ線回折：X-ray diffraction）でＭｇＺｎＯを測定した。縦軸はＸＲＤ強度（カウント）を、横軸は角度２θ（度）を示す。θは、良く知られているように、入射Ｘ線に対する試料の角度を示す。図１６からわかるように、特定の角度θで、特に強度が高くなっているわけでもなく、すべての角度で１０００カウントも計数されていない。特定の配向を持った結晶では、特定の角度に対して１０万カウント程度も計数される。したがって、図１６からも、特定の結晶配向を有していないことがわかる。

上記のように特定の結晶配向を有していない場合は、以下のような効果がある。例えば、ＺｎＯ系化合物のようにウルツ鉱構造をもつ半導体は、基板とＺｎＯ系化合物層間または積層される半導体層間で格子定数の差に基づく歪みが発生し、その歪みに基づいてピエゾ電界（応力により発生する電界）が発生する。これは、特に、ｃ軸方向に積層されている場合に問題となる。ピエゾ電界等の問題は、紫外光検出電流特性に影響を与えるので好ましくない。ところが、特定の結晶配向を有していない場合には、このようなピエゾ電界は発生しないので好ましい。

図１４は、太陽スペクトルと本発明に係る紫外光検出素子に紫外光を照射したときの受光感度との関係を示す。図１４の横軸は波長（ｎｍ）を、左側縦軸は受光感度（Ａ／Ｗ）を、右側縦軸は照射エネルギー密度（ｍＷ・ｃｍ^−２・ｎｍ^−１）を示す。受光感度は、素子に対する入射光量（ワット）と素子に流れる光電流（アンペア）との比で表わされる。

紫外光領域は、図に示すように、さらに、紫外光Ａ（波長３２０ｎｍより大きく、４００ｎｍ以下）、紫外光Ｂ（波長２８０ｎｍより大きく、３２０ｎｍ以下）、紫外光Ｃ（波長２８０ｎｍ以下）に分類される。

ところで、ＺｎＯ系紫外光検出素子の受光感度は、波長４００ｎｍを超える範囲では、測定装置のノイズレベルであり、略０である。波長４００ｎｍ以下の特に紫外光Ａ、紫外光Ｂの波長域では、１０^−２Ａ／Ｗ以上の高感度を有するものである。

太陽光スペクトルは、大気圏内における太陽光と大気圏外における太陽光のスペクトルが示されている。また、５０％と記載した実線の曲線は、Ｍｇの含有率Ｘが５０％の場合の紫外光検出素子の受光感度を示す。５７％と記載した実線の曲線は、Ｍｇの含有率Ｘが５７％の場合の紫外光検出素子の受光感度を示す。このように、大気圏内の太陽光の方が、大気中の吸収により、紫外光領域中の波長の短いスペクトル成分がなくなっており、紫外光Ｃの領域ではスペクトル成分は存在しない。したがって、ＺｎＯ系紫外光検出素子の感度を図の実線のように設定できれば、大気圏内の太陽光は検出されない。

ＭｇＺｎＯ半導体のＭｇ含有率を上げすぎると、結晶構造が変化して、直接遷移半導体でなくなる恐れもあるが、図１４からわかるように、Ｍｇの含有率Ｘが５７％でも特性を保っており、Ｍｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯのＸの上限を６０％以下とすることができる。

図１５は、Ｍｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯのＸの値とＭｇの含有率に対するバンドギャップ相当波長（ｎｍ）との関係を示す図である。バンドギャップ相当波長は、半導体の吸収波長点（ｎｍ）に関係するもので、Ｘの値が大きくなる程、Ｍｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯの吸収波長が短くなっている。この図１５や図１４からわかるように、Ｍｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯのＭｇの含有率Ｘを変化させることにより、紫外光検出素子の受光感度領域を変化させることができる。また、ＭｇＺｎＯとＺｎＯの二つの紫外光検出素子、又はＭｇ含有率Ｘが異なる２つの紫外光検出素子を並べれば、紫外光Ａと紫外光Ｂの紫外線量を弁別することができる。

まず、本発明の紫外光検出素子を備え、パッケージ化された紫外光検出デバイスの実施例を図１７に示す。図１７（ａ）は、上面から見た平面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

２０が本発明に係る紫外光検出素子であり、例えば、図１〜図４に示される構造を有する。この紫外光検出素子２０を支持基台２１の凹部に配置されている。支持基台２１の凹部には、外部に検出された光電流を取り出すための接続電極２２、２３が形成されている。接続電極２２、２３は紫外光検出素子２０の正電極、負電極に対応して設けられているもので、対応する電極同士、各々ワイヤー等で接続される。支持基台２１には、紫外光を紫外光検出素子に集約して検出効率を高めるために、紫外光の反射構造が設けられている。ここでは、接続電極２２、２３に、Ａｇ等の銀白色系の金属がメッキされている。また、他の反射構造としては、パッケージ２１の凹部を凹面鏡のように形成して、その面に反射膜をコーティングするようにしても良い。

図１８は、紫外光Ａと紫外光Ｂの紫外線量を弁別するようにした紫外光検出装置の構成例を示す。図１８は、紫外光検出装置の平面図を示す。樹脂製のケース（筐体）３７の底面に、図１７で示したような紫外光検出デバイス５０、６０が接着剤等により取り付けられている。紫外光検出デバイス５０、６０に設置された紫外光検出素子には、図示していないが、バイアスが印加されている。また、ケース３７の底面に、電池３４、受光量積算回路３５が接着剤等により取り付けられている。ここで、例えば、５０がＺｎＯベースの紫外光検出デバイスであり、６０がＭｇＺｎＯベースの紫外光検出デバイスである。

電池３４は受光量積算回路３５の電源であり、配線３１を介して電圧を供給する。受光量積算回路３５は、紫外光検出デバイス５０、６０で受光した紫外光量を積算するためのものである。受光した光量に比例した電流が紫外光検出デバイス５０、６０に流れるが、その電流値と電力とは比例する。そこで、受光量積算回路３５では、電力と電流を検出した時間との積（ワット×時間）を算出する。また、電力は紫外光検出デバイス５０、６０に流れる電流を取り出すための配線３２、３３を介して受光量積算回路３５で計算される。

ここで、配線３２を介して全体の光量を算出し、配線３３を介して例えば紫外光Ｂ以下の波長の光量を算出し、これらを引き算することで、紫外光Ａの波長域における光量のみを算出する。

ケース３７の表面には、反射型ＬＣＤ（液晶）により形成された受光量表示部３６が設けられている。受光量表示部３６を反射型ＬＣＤとしたのは、屋外での視認を容易にするためである。ケース３７の上面は、太陽光等の光を取り入れるために、開口部が形成されている。受光量積算回路３５で積算された紫外光量は、配線（図示せず）を介して受光量表示部３６で表示される。なお、ケース３７は別に四角である必要はなく、丸や三角、扇型などデザインしやすいような形に形成しても良い。

ここで、紫外光Ａと紫外光Ｂでは人体に対する影響が異なり、紫外光Ａの方が波長が長い分、表皮細胞の奥まで届き、コラーゲンの分解等を通して肌のツヤ等を失わせる原因になる。

紫外光Ｂは波長が短いため表皮近くだけにしか吸収されないが、波長が短いということはエネルギーが高くなるため、サンバーン現象や皮膚がんの引き金になる。紫外光Ｃはオゾン層吸収により地表にはほとんど届いていないため、実質的な影響が大きいのは紫外光Ａと紫外光Ｂである。

特に紫外光Ａはガラス等を通過してしまうために室内でも影響が大きいこと、皮膚への浸透の深さが深いこと等の理由で、美容的観点から紫外光Ｂと同じようなケアが必要なＵＶであると認識されつつある。このように、紫外光Ａ、紫外光Ｂの人体への作用には差異があるため、それらの光の量を区別して測定し、その効果の違いを弁別しておくことには大きな意義がある。

次に、以上で説明した紫外光検出素子及び紫外光検出装置の製造方法を簡単に説明する。基板１にはガラスを電極２、３にはチタンを、紫外光吸収層４にはＭｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯを用いた。

ガラス基板上に櫛型状にＴｉによる電極を５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度形成する。この工程は、リフトオフによる方法でもエッチングによる方法で良い。櫛型状電極の検出電極部部分の幅が、概ね５μｍ以下になってくると、エッチングによる方法の方が再現性を確保する点からは望ましい。

次に、スパッタリングにより、ＭｇＺｎＯ膜を形成する。膜厚は１００ｎｍ以上が望ましい。あまり、膜厚が薄いと、ＭｇＺｎＯ膜で紫外光を十分吸収することができない。ここで、図４のように、櫛型電極の周りを紫外光吸収層で包み込むようにする場合には、まず、スパッタリングにより、ＭｇＺｎＯ膜を所定の厚さ形成する。その後、上記のように、櫛型状にＴｉによる電極を５０ｎｍ〜３００ｎｍ程度形成する。次に、再び、スパッタリングにより、ＭｇＺｎＯ膜を形成する。

次に、櫛型状電極のワイヤーボンディング領域を確保するために、櫛型状電極の端部を覆っているＭｇＺｎＯ膜を希釈塩酸でエッチングして取り除く。ドライエッチングを用いても良いが、ＺｎＯ系材料は残渣が残り易いので、ウエットエッチングが簡単である。

ガラス基板を研削し、薄くする。薄くしなくても特に問題はないが、薄い形状の紫外光検出装置を作製したい場合には、素子を薄くしておくとパッケージを薄くすることができるので好ましい。

上記のように完成した紫外光検出素子を、例えば、図１７に示すような支持基台にＡｇペーストやエポキシ樹脂等でダイボンディングしてパッケージ化する。その後、ワイヤーにて素子とパッケージ側電極とを接続する。

上記パッケージ済みデバイスを、例えば図１８のようにプリント基板に実装する。筐体に前記プリント基板を実装し、蓋を取り付けて紫外光検出装置が完成する。

本発明の紫外光検出装置の構成は、ハンディタイプのＵＶ検出器や、ＳＰＦアナライザー、あるいは火炎センサや火花センサなど、幅広いデバイスに適用することができる。

１ 基板
２ 電極
２ａ 検出電極部
２ｂ 取り出し電極部
３ 電極
３ａ 検出電極部
３ｂ 取り出し電極部
４ 紫外光吸収層
５ 保護膜
６ ワイヤー

Claims (16)

1. 基板と、
   基板上に配置された紫外光を吸収する紫外光吸収層と、
   前記紫外光吸収層で吸収された紫外光に基づいて発生する電流を測定する電極とを備え、
   前記電極は、前記紫外光吸収層からの電流を検出するための検出電極部と、検出された電流を外部に取り出すための取り出し電極部とで構成されており、前記検出電極部が前記紫外光吸収層に埋まっている紫外光検出素子。
2. 前記電極は、前記基板に接して配置されていることを特徴とする請求項１記載の紫外光検出素子。
3. 前記電極は櫛型状の正極と負極との１対で構成され、前記検出電極部は短冊状の正極と負極とが交互に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の紫外光検出素子。
4. 前記紫外光吸収層が前記交互に配置された正極と負極に対応した凹凸を有していることを特徴とする請求項３に記載の紫外光検出素子。
5. 前記紫外光吸収層上に該紫外光吸収層の凹凸に対応した凹凸を有する保護膜を形成したことを特徴とする請求項４に記載の紫外光検出素子。
6. 前記電極の取り出し電極部の一部に前記紫外光吸収層が積層されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の紫外光検出素子。
7. 前記電極は、前記紫外光吸収層とオーミック接触を形成していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の紫外光検出素子。
8. 前記紫外光吸収層は、Ｍｇ_ＸＺｎ_１−ＸＯ（０≦Ｘ≦０．６）で構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の紫外光検出素子。
9. 前記電極は、仕事関数が４．３ｅＶ以上、５．２ｅＶ以下の材料で構成されていることを特徴とする請求項８に記載の紫外光検出素子。
10. 前記基板はガラスであることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の紫外光検出素子。
11. 前記紫外光吸収層が特定の結晶配向を有していないことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の紫外光検出素子。
12. 請求項１〜請求項１１のいずれか１項の紫外光検出素子が支持基台に設置され、該紫外光検出素子に紫外光を集光させるための反射構造が前記支持基台に形成されていることを特徴とする紫外光検出装置。
13. 前記反射構造は、前記支持基台に形成された接続電極の表面を銀白色系の金属でメッキした構造であることを特徴とする請求項１２に記載の紫外光検出装置。
14. 紫外光の波長領域のうち、異なる２つの波長領域を検出する紫外光検出素子を２つ備えたことを特徴とする請求項１２又は請求項１３のいずれか１項に記載の紫外光検出装置。
15. 前記紫外光検出素子で紫外光を検出した結果を表示する反射型の液晶表示器を備えたことを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれか１項に記載の紫外光検出装置。
16. 前記紫外光検出素子は筐体に収められており、前記筐体は開閉式の蓋を備えていることを特徴とする請求項１２〜請求項１５のいずれか１項に記載の紫外光検出装置。

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