JP2011009293A - ワイドギャップ酸化物半導体及びそれを用いた紫外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】可視光やＵＶ−Ａの紫外線に感度の持たない安価な紫外線センサを提供すること。
【解決手段】本発明のワイドギャップ酸化物半導体及びそれを用いた紫外線センサは、光吸収層を酸化亜鉛に酸化アルミニウムを添加することにより、禁制帯幅を３．６ｅＶ以上となる構成となっているので、可視光やＵＶ−Ａの紫外線などの長波長の光を吸収せず、ＵＶ−ＢやＵＶ−Ｃの紫外線のみに感度をもつ紫外線センサを安価に得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、３．６ｅＶ以上の禁制帯幅を有するワイドギャップ酸化物半導体及びそのワイドギャップ酸化物半導体を感応膜として、感応膜に紫外線が照射されることにより発生するキャリアを利用する紫外線センサに関する。

従来、酸化亜鉛を主成分として、２．８ｅＶ以上の禁制帯幅を持つワイドギャップ半導体がある。例えば、特許文献１では、酸化亜鉛及び酸化マグネシウムを用いた層を第１の半導体層として、第２の半導体層をさらに積層するワイドギャップ半導体が開示されている。

特開２００７−４２７７１号公報

ところで、ＵＶ−ＢやＵＶ−Ｃのようなエネルギーの高い紫外線を検知できる紫外線センサを安価に実現できれば、例えば、太陽光に含まれるＵＶ−Ｂや炎に含まれるＵＶ−Ｃなど様々な用途への適用が可能となる。このため、安価でＵＶ−ＢやＵＶ−Ｃの紫外線を検知できる感度を持つ紫外線センサが望まれている。

しかしながら、従来の紫外線センサは、積層により波長域を変更するものやインジウムやガリウムなど希少材料あるいは高価な材料を使用するものであるため、安価で手軽に使用できる紫外線センサを実現することができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、エネルギーの高いＵＶ−ＢやＵＶ−Ｃの紫外線のみに感度を持つ紫外線センサを安価に提供することを目的とする。

本発明のワイドギャップ酸化物半導体は、酸化亜鉛に酸化アルミニウムを添加することにより、禁制帯幅を３．６ｅＶ以上としたことを特徴とする。

本発明のワイドギャップ酸化物半導体は、前記酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合材料において、亜鉛に対してアルミニウムの混合比率が２０ａｔ％以上であることが好ましい。

これらの構成によれば、長波長の紫外線を吸収しないワイドギャップ酸化物半導体を安価に得ることが可能となる。

本発明の紫外線センサにおいては、前記ワイドギャップ酸化物半導体から成る層を受光層として、前記ワイドギャップ酸化物半導体の光導電効果を利用したことを特徴とする。

この構成によれば、可視光やＵＶ−Ａの紫外線など長波長の光に感度を持たない紫外線センサを安価に得ることが可能となる。

本発明の紫外線センサにおいては、前記ワイドギャップ酸化物半導体の前記酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合材料において、亜鉛に対してアルミニウムの混合比率が４０ａｔ％以上であり、ＵＶ−Ｃ（２８０ｎｍ以下の波長）の紫外線のみに感度を持つことが好ましい。

本発明のワイドギャップ酸化物半導体及びそれを用いた紫外線センサは、光吸収層が酸化亜鉛に酸化アルミニウムを添加することにより、禁制帯幅を３．６ｅＶ以上となる構成となっているので、可視光やＵＶ−Ａの紫外線などの長波長の光を吸収せず、ＵＶ−ＢやＵＶ−Ｃの紫外線のみに感度をもつ紫外線センサを安価に得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照にして詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る紫外線センサの断面図であり、図２は本発明の実施の形態の紫外線センサの平面図である。図１及び図２において、本実施の形態の紫外線センサ１は、ガラス、シリコン又はプラスチックなどで構成された基板２を備える。基板２上には、紫外線を感知する感応膜（紫外線感知部）３が形成されている。また、感応膜３上の感知領域以外の領域には、アルミニウム、金、白金などで構成された１対の電極４が形成されている。

感応膜３は、酸化亜鉛に酸化アルミニウムを添加することにより、禁制帯幅を３．６ｅＶ以上としている。また、前記酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合材料において、亜鉛に対してアルミニウムの混合比率が２０ａｔ％以上である。

図３は、酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合膜におけるアルミニウム比率と禁制帯幅の関係を示すグラフであり、横軸がアルミニウムの混合比を示し、縦軸が禁制帯幅を示す。図３に示すように、アルミニウム比率を２０ａｔ％以上の領域で、アルミニウム比率が増すにしたがって禁制帯幅が広くなる。このことからアルミニウム比率を２０ａｔ％以上で混合比を調整することで、ＵＶ−ＢやＵＶ−Ｃの紫外線領域に対応した紫外線センサを得ることができる。

図４は、酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合膜におけるアルミニウム比率と比抵抗の関係を示すグラフであり、横軸がアルミニウムの混合比を示し、縦軸が比抵抗を示す。図４に示すように、アルミニウム比率が２０ａｔ％より低い領域では、酸化亜鉛単独よりも比抵抗が低い。これは、アルミニウムの比率が低い場合には、アルミニウムが酸化亜鉛のドーパントとして寄与しているため、低抵抗化していることを示している。ドーパントとして寄与すると酸化亜鉛の結晶内に自由電子（欠陥）を作ることとなるため、紫外線に対する応答特性が劣化する。また、アルミニウム比率が２０ａｔ％より高い領域において、比抵抗は１Ω・ｃｍ以上の値となる。

上記構成を有する紫外線センサにおいては、感応膜３に紫外線が照射されることで光電子が放出され、１対の電極５の間に流れる電流量又は１対の電極５の間の抵抗が変化する。この電流量又は抵抗の変化を検知することにより紫外線量を求めることができる。

図５は、本発明の実施の形態に係る紫外線センサの製造工程を示す断面図である。図５（ａ）に示すように、基板上に酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合膜をスパッタや蒸着などにより成膜し、感応膜３を形成する。この成膜時にキャリアガスに例えばアルゴンを用い、酸素を１０％程度混合して成膜を行う。

次いで、感応膜３を形成後、図５（ｂ）に示すように、感応膜３上にレジストを塗布・乾燥してレジスト５を形成し、レジスト５にフォトリソグラフィを行って紫外線感知部に対応する領域にレジスト５が残存するようにパターニングする。

次いで、図５（ｃ）に示すように、全面に電極材料４および４１をスパッタなどにより成膜する。次いで、レジスト５を溶解する材料でレジスト６を除去することにより（リフトオフ）、図１に示すような、紫外線センサを作製する。なお、電極４は、リフトオフ工程を用いずに、銀ペーストや金ペーストを用いて印刷などにより形成しても良い。

このように、本実施の形態の紫外線センサ１においては、感応膜３に、酸化亜鉛に酸化アルミニウムを添加し、前記酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合材料において、亜鉛に対してアルミニウムの混合比率が２０ａｔ％以上を用いることで、ＵＶ−ＢやＵＶ−Ｃの紫外線領域に対応した紫外線センサを得ることができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、電極を感応膜の片面に形成しているが、電極で感応膜を挟み込む形で形成しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明は、太陽からの紫外線や工業用途に用いられる殺菌灯からの紫外線および炎から発せられる紫外線を検出する計測機器に適用可能である。

本発明の実施の形態に係る紫外線センサの断面図である。 図１の紫外線センサの平面図である。 酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合膜におけるアルミニウム比率と禁制帯幅の関係を示すグラフである。 酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合膜におけるアルミニウム比率と比抵抗の関係を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る紫外線センサの製造方法を説明するための図である。

１ 紫外線センサ
２ 基板
３ 感応膜
４，４１ 電極材料
５ レジスト膜

Claims (4)

1. 酸化亜鉛に酸化アルミニウムを添加することにより、禁制帯幅を３．６ｅＶ以上としたことを特徴とするワイドギャップ酸化物半導体。
2. 前記酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合材料において、亜鉛に対してアルミニウムの混合比率が２０ａｔ％以上であることを特徴とする請求項１記載のワイドギャップ酸化物半導体。
3. 請求項１又は請求項２に記載のワイドギャップ酸化物半導体から成る層を受光層として、前記ワイドギャップ酸化物半導体の光導電効果を利用したことを特徴とする紫外線センサ。
4. 前記ワイドギャップ酸化物半導体の前記酸化亜鉛と酸化アルミニウムの混合材料において、亜鉛に対してアルミニウムの混合比率が４０ａｔ％以上であり、ＵＶ−Ｃ（２８０ｎｍ以下の波長）の紫外線のみに感度を持つことを特徴とする請求項３に記載の紫外線センサ。

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