JP2011176090A - Ultraviolet sensor and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、紫外線ランプ等が発する紫外線を検知する紫外線センサおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to an ultraviolet sensor that detects ultraviolet rays emitted from an ultraviolet lamp or the like and a method for manufacturing the same.
紫外線を照射する紫外線ランプは、水や空気の殺菌、半導体や食品容器の洗浄、及び半導体の表面改質等、産業界の多岐にわたり使用されている。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、紫外線ランプの監視が連続的にできないために事前に寿命時間が規格として定められている。しかしながら、個々のランプの寿命は一定ではなく、設定した時間からずれが生じる場合がある。実際の寿命が設定時間より短い場合、紫外線発生のないまま使用するため、所望の浄化、殺菌等の効果を得ることができず、実際の寿命が設定時間より長い場合、まだ使用可能であるにも拘らず交換されるという無駄が生じることとなる。 Ultraviolet lamps that irradiate ultraviolet rays are used in a wide variety of industries such as sterilization of water and air, cleaning of semiconductors and food containers, and surface modification of semiconductors. This ultraviolet lamp is a consumable item, and its lifetime is an important point. However, since the ultraviolet lamp cannot be continuously monitored, the lifetime is determined in advance as a standard. However, the lifetime of each lamp is not constant, and there may be a deviation from the set time. If the actual life is shorter than the set time, it will be used without generating UV light, so the desired purification and sterilization effects cannot be obtained, and if the actual life is longer than the set time, it can still be used. Nevertheless, it will be a waste of exchange.
このような問題に対し、従来、紫外線ランプが照射する紫外線を検知することにより、連続的に紫外線ランプを監視するセンサがある。このセンサとしては、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。 In order to solve such a problem, there is a conventional sensor that continuously monitors the ultraviolet lamp by detecting the ultraviolet ray irradiated by the ultraviolet lamp. As this sensor, there is one using silicon. However, since the selection of the measurement wavelength is performed using a filter, the bandwidth of the light reception spectrum is wide in the short wavelength region near 254 nm, the filter is deteriorated by ultraviolet light, and the light reception wavelength is shifted accordingly. Calibration for adjustment is required. Furthermore, due to the heat resistance problem of filter peripheral parts and the like, there is a restriction that the filter is normally used at 40 ° C. or lower, so that the measurement location must be frequently adjusted.
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、ソーラーブラインドのセンサ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。 A photoelectric tube is known as a sensor for detecting ultraviolet rays having a wavelength of 280 nm or less. This photoelectric tube has already been put into practical use as a sensor for detecting flickering of a flame, and is mainly used for a flame sensor for automatic control of a large-scale combustion apparatus such as an industrial furnace, but a sensor using a photoelectric tube is not a solar blind sensor. Therefore, there is a problem that the sensitivity is likely to fluctuate and the heat resistance is low.
これに対し、酸化ガリウム単結晶基板を用い、耐熱性及び耐久性に優れるソーラーブラインドの紫外線センサ及び紫外線用フォトディテクタがある(例えば、特許文献1及び2参照)。
In contrast, there are solar blind ultraviolet sensors and ultraviolet photodetectors that use a gallium oxide single crystal substrate and are excellent in heat resistance and durability (see, for example,
上述した酸化ガリウム単結晶基板は、その単結晶のインゴットを、(100)面(以後、a面と称する)に平行な面をワイヤソーでスライスし、このa面を化学機械研磨法(CMP:Chemical Mechanical Polishing)で鏡面研磨してウェハ状に加工することで作製される。しかしながら、酸化ガリウム単結晶基板は、その単結晶におけるa面をスライスする場合、前工程として単結晶を輪切りする工程が行なわれる。即ち、単結晶におけるa面をスライスする工程は、この輪切りした状態の単結晶のうちa面に平行な面をワイヤソーでスライスする工程となる。酸化ガリウム単結晶基板は、上述した輪切り及びスライスの工程により作製されているため、その製造工程に時間等のコストがかかるという問題があった。 In the gallium oxide single crystal substrate described above, a single crystal ingot is sliced with a wire saw in a plane parallel to the (100) plane (hereinafter referred to as a plane), and this a plane is subjected to chemical mechanical polishing (CMP). It is manufactured by mirror polishing with mechanical polishing and processing into a wafer. However, when slicing the a-plane of a single crystal of the gallium oxide single crystal substrate, a step of cutting the single crystal as a previous step is performed. That is, the step of slicing the a-plane in the single crystal is a step of slicing a plane parallel to the a-plane of the single crystal in a cut state with a wire saw. Since the gallium oxide single crystal substrate is manufactured by the above-described ring cutting and slicing processes, there is a problem that the manufacturing process takes time and cost.
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、低コストの酸化ガリウム単結晶基板を用いた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する。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an ultraviolet sensor using a low-cost gallium oxide single crystal substrate and a manufacturing method thereof.
上述した問題点を解決するため、本発明に係る紫外線センサは、酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面を受光面とする酸化ガリウム単結晶基板と、前記酸化ガリウム単結晶基板の第1表面に形成された第1電極と、前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第2表面に形成された第2電極とを有する。 In order to solve the above-described problems, an ultraviolet sensor according to the present invention includes a gallium oxide single crystal having a light-receiving surface that is an orthogonal plane orthogonal to the growth direction of the gallium oxide single crystal or a plane inclined by a predetermined angle from the orthogonal plane. A crystal substrate; a first electrode formed on a first surface of the gallium oxide single crystal substrate; and a second electrode formed on a second surface of the gallium oxide single crystal substrate including the light receiving surface.
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の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面が切断面となるよう、前記酸化ガリウム単結晶を所定の厚さで切断して切断面を受光面とし、前記酸化ガリウム単結晶基板の第1表面に第1電極を形成し、前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第2表面に第2電極を形成する。 In addition, the method for manufacturing an ultraviolet sensor according to the present invention provides the gallium oxide single crystal so that an orthogonal plane orthogonal to the growth direction of the gallium oxide single crystal or a plane inclined by a predetermined angle from the orthogonal plane becomes a cut plane. The first electrode is formed on the first surface of the gallium oxide single crystal substrate, and the second surface of the gallium oxide single crystal substrate including the light reception surface is formed. A second electrode is formed.
本発明によれば、低コストの酸化ガリウム単結晶基板を紫外線センサに用いることができる。 According to the present invention, a low-cost gallium oxide single crystal substrate can be used for an ultraviolet sensor.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
先ず、図1及び図2を用いて実施の形態1に係る紫外線センサについて説明する。図1は、実施の形態1に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。図2は、パッケージ内のセンサチップを示す上面図である。図1に示されるように、紫外線センサ1は、紫外線を検出するためのセンサチップ10がパッケージ2内に収容され外部雰囲気から封止されている。
(Embodiment 1)
First, the ultraviolet sensor according to
パッケージ2は、平板状のステム22と、ステム22の上に設置され、中央に開口部20を有する円筒部材であるキャップ23と、開口部20をキャップ23の内部から覆う窓部材21とを有しており、その内部は、窒素やアルゴン等の不活性ガスで充填される、或いは、真空状態に維持される。
ステム22及びキャップ23は、内部に収容されるセンサチップ10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される。
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20をパッケージ2内から覆うようにエポキシ接着剤24を用いてキャップ23の内側に接着されている。
The
The
The
センサチップ10は、酸化ガリウム(Ga2O3)単結晶基板(以後、単結晶基板と称する)11を有しており、この単結晶基板11の上面(第1表面)に当該単結晶基板11とショットキー接触をなす紫外線検出用のショットキー電極12が形成されている。また、ショットキー電極12に対応して単結晶基板11の下面(第2表面)に当該単結晶基板11とオーミック接触をなすオーミック電極13が形成されている。
The
単結晶基板11は、その表面に絶縁層11aが形成され、絶縁層11aの下に導電層11bが形成されている。単結晶基板11は、表面に絶縁層11aが形成されることにより、紫外線励起により発生する電子正孔対の分離を行うことができる。ショットキー電極12はこの絶縁層11aと接し、オーミック電極13は導電層11bと接するよう形成されている。また、単結晶基板11上には、配線用のパッド電極14が形成されている。
The
単結晶基板11の第1表面およびショットキー電極12の上面は、紫外線等の光を受光する受光面12rであり、この受光面12rがパッケージ2の窓部材21に対向するようセンサチップ10がステム22に設置されている。
The first surface of the
単結晶基板11に用いられる酸化ガリウム単結晶は、波長280nm以下の波長領域に選択的感度を有し、特に、波長254nm付近に大きな感度を有する。酸化ガリウム単結晶は、バンドギャップが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。更に、酸化ガリウム単結晶は融点が1740℃と高く、すでに酸化物であるため、酸化による劣化の心配がなく、耐熱性、安定性および耐久性に優れている。
The gallium oxide single crystal used for the
紫外線センサ1の端子となるリード31及び32は、ステム22からパッケージ2の外部へ引き出されており、電流・電圧源3にそれぞれ電気的に接続されている。リード31の一端31aは、パッド電極14と直径25μmのAuボンディングワイヤ25を介して電気的に接続されている。また、リード31は、ガラス26を介してステム22に固定されている。リード32は、ステム22に接続されることにより、センサチップ10のオーミック電極13と電気的に接続されている。なお、ボンディングワイヤ25の直径は、25μmとしたが、これに限定されない。
Leads 31 and 32 serving as terminals of the
また、図2に示されるように、単結晶基板11は、ステム22の中央に設置され、その中央にショットキー電極12が形成される。なお、ショットキー電極12は、単結晶基板11からパッド電極14における半円部分にかけて形成されている。実施の形態1では、単結晶基板11及びショットキー電極14は、円状に形成されているが、楕円等の形状であってもよい。
Further, as shown in FIG. 2, the
実施の形態1では、受光面12rとして、酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面を用いる(以後、この手法を手法Aと称する)。以下、手法Aについて図3を参照して詳細に説明する。
In the first embodiment, an orthogonal surface orthogonal to the growth direction of the gallium oxide single crystal is used as the
図3は、手法Aを説明するための模式図である。図3に示されるa、b及びcの矢印は、酸化ガリウム単結晶の結晶方位を示す。
図3に示されるように、直交面41は、酸化ガリウム単結晶のインゴット4の成長方向、即ち、c軸の方向に対して直交する面である。この直交面41を受光面12rとして用いることにより、インゴット4を輪切りする工程のみで単結晶基板11を切り出すことができる。a面42を受光面12rとした場合、インゴット4を輪切りし、スライスする二段階の工程を行うことで酸化ガリウム単結晶基板を切り出している。したがって、a面42を受光面12rとした場合と比べ、直交面41を受光面12rとすることで作業時間の短縮および収率の向上が可能となる。更に、受光面12rを鏡面研磨した場合、a面42はへき開面であるため、へき開によりその表面が鱗状に剥がれる場合があるが、直交面41では鱗状に剥がれることはなく、作業時間を短縮できる。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the method A. The arrows a, b, and c shown in FIG. 3 indicate the crystal orientation of the gallium oxide single crystal.
As shown in FIG. 3, the
ここで、実施の形態1では、直交面41を受光面12rとするが、直交面41から所定の角度傾斜した面を受光面12rとしてもよい。例えば、成長方向から14°程度傾いたへき開性を有する面である(001)面(以後、c面と称する)を受光面12rとした場合、へき開を利用することによりインゴット4から単結晶基板11を容易に切り出すことができる。へき開面からの傾きはセンサ性能に大きく影響しない。したがって、インゴット4から単結晶基板11を切り出す作業性を考慮すると、受光面12rは、直交面41から−20°〜20°の範囲で傾く面が好ましく、直交面41とc面とがなす角度方向に、−15°〜15°の範囲で傾く面がより好ましく、特に直交面41及びc面と平行する面が好ましい。
Here, in
以下、手法Aを用いた紫外線センサの作製方法について、図4を参照して工程毎に説明する。図4は、実施の形態1に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。 Hereinafter, a method for manufacturing the ultraviolet sensor using the method A will be described step by step with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a manufacturing process of the ultraviolet sensor according to the first embodiment.
(S1:酸化ガリウム単結晶の育成および単結晶基板の切り出し)
純度4Nの酸化ガリウム粉末を原料としてラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形する。圧縮成形後、電気炉を用いて1400〜1600℃、10〜40時間、大気雰囲気中で焼成し、得られる酸化ガリウム焼結体を原料棒とする。この原料棒を用いて、FZ(Floating Zone)法により酸化ガリウム単結晶を育成する。単結晶成長条件として、成長速度は5〜30mm/h、雰囲気はドライエア、圧力は1気圧の条件で行なう。
育成した酸化ガリウム単結晶のインゴット4をスライドガラスに貼り付け、酸化ガリウム単結晶の成長方向に垂直な直交面が切断面となるよう切断し、単結晶基板11を得る。単結晶基板11の厚さは、0.6〜0.7mmが好ましい。
(S1: Growth of gallium oxide single crystal and cutting of single crystal substrate)
A gallium oxide powder having a purity of 4N is enclosed in a rubber tube as a raw material, and compression molded by an isostatic press. After compression molding, it is fired in an air atmosphere at 1400-1600 ° C. for 10-40 hours using an electric furnace, and the resulting gallium oxide sintered body is used as a raw material rod. Using this raw material rod, a gallium oxide single crystal is grown by FZ (Floating Zone) method. As single crystal growth conditions, the growth rate is 5 to 30 mm / h, the atmosphere is dry air, and the pressure is 1 atm.
The grown gallium oxide
(S2:酸化ガリウム単結晶基板の研磨)
切り出した単結晶基板11を研磨冶具に貼り付け、#1000の研磨盤で10〜30分研削することで面出しを行う。続いて1μmダイヤ及びCMPでそれぞれ20〜60分、好ましくは20〜30分研磨することで鏡面を得る。
(S2: Polishing of gallium oxide single crystal substrate)
The cut out
(S3:単結晶基板のアニーリング)
研磨した単結晶基板11をアセトン、エタノールで洗浄し、熱処理を行なう。この熱処理は、単結晶基板11に光励起により発生したキャリアの分離に必要な絶縁層11aを形成し、結晶成長後の酸化ガリウム単結晶内に残留する欠陥を回復する目的で行う。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、酸化ガリウム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。
(S3: Annealing of single crystal substrate)
The polished
単結晶基板11のアニーリング後、図示しない以下のS4〜S6の工程により、当該単結晶基板11に電極を形成する。
After the
(S4:オーミック電極の形成)
Tiを30〜100nm、好ましくは50〜80nm蒸着後、Alを100〜300nm、好ましくは150〜300nm蒸着し、Al/Tiのオーミック電極13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。蒸着には、例えば電子ビーム蒸着法(EB蒸着法)が用いられる。
(S4: Formation of ohmic electrode)
After depositing Ti for 30 to 100 nm, preferably 50 to 80 nm, Al is deposited for 100 to 300 nm, preferably 150 to 300 nm, to form an Al / Ti
(S5:パッド電極の形成)
単結晶基板11上に配線用のパッド電極14を作製する。パッド電極14のサイズは0.05〜1.5mmφ、Cr(13a)を10〜50nm、好ましくは30〜50nm、AuまたはPtを30〜100nm、好ましくは50〜100nm、単結晶基板11上に蒸着する。
(S5: Formation of pad electrode)
A
(S6:ショットキー電極の形成)
ショットキー電極12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を2〜5nm、好ましくは2nm蒸着後、AuまたはPtを6〜10nm蒸着し、Au/NiまたはPt/Tiの半透明または透明な透光性を有する金属薄膜の電極を作製する。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。蒸着には、例えばEB蒸着法が用いられる。
(S6: Formation of Schottky electrode)
As a material for the
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12rになり、この場合の電極サイズは1〜5mmφ、好ましくは1〜2mmφ。サイズが大きくなるほど受光面拡大につながる。
Ni is vapor-deposited because Au or Pt alone has poor adhesion to the substrate, so a thin Ni layer is inserted to improve adhesion. This is the
(実施例1)
上述したS1〜6の工程に従って、紫外線センサ1の作製を行った。
純度4Nの酸化ガリウム粉末をラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形した。圧縮成形後、電気炉を用いて1500℃、40時間、大気雰囲気中で焼成し、得られた酸化ガリウム焼結体を用いて、FZ法により酸化ガリウム単結晶を育成した。単結晶成長条件として、成長速度は20mm/h、雰囲気はドライエア、圧力は1気圧の条件で行った。
得たれた酸化ガリウム単結晶のインゴット4をスライドガラスに貼り付け、酸化ガリウム単結晶の成長方向に垂直な直交面が切断面となるよう切断し、これを単結晶基板11とした。単結晶基板11の厚さは、0.65mmとした。
Example 1
The
A gallium oxide powder having a purity of 4N was enclosed in a rubber tube and compression molded by an isostatic press. After the compression molding, firing was performed in an air atmosphere at 1500 ° C. for 40 hours using an electric furnace, and a gallium oxide single crystal was grown by the FZ method using the obtained gallium oxide sintered body. As single crystal growth conditions, the growth rate was 20 mm / h, the atmosphere was dry air, and the pressure was 1 atm.
The obtained gallium oxide
切り出した単結晶基板11を研磨冶具に貼り付け、#1000の研磨盤で20分研削することで面出しを行った。研磨冶具は、ムサシノ電子株式会社製、MA−200Dを使用した。続いて1μmダイヤ及びCMPでそれぞれ30分研磨することで鏡面を得た。
The cut out
研磨した単結晶基板11をアセトン、エタノールで洗浄し、酸素雰囲気中で1100℃、4時間で熱処理を行った。
The polished
次に、上述したS4〜6の工程に従って、電極の作製を行なった。単結晶基板11における第2表面のオーミック電極13はTiを75nm蒸着後、Alを300nm蒸着した。一方、単結晶基板11における第1表面のショットキー電極12はNiを2nm蒸着後、Auを8nm蒸着した。配線用のパッド電極14は1mmφとし、Crを50nm蒸着後、Auを100nm蒸着した。このとき、実質的な受光部は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。
Next, an electrode was manufactured according to the above-described steps S4 to S6. The
ショットキー電極12を形成した単結晶基板11を保護するため、予めエポキシ接着剤により窓部材21をキャップ23に接着し且つリード31〜32を設けたパッケージ2を用いて、パッケージングを行った。この際、パッケージ2内には不活性ガスを充填した。
パッケージングされた紫外線センサ1のリード31〜32に対し、図1に示されるように電流・電圧源3を接続し、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。
In order to protect the
Ultraviolet rays can be detected by connecting the current /
このように作製した紫外線センサ1を複数用意し、複数の紫外線センサ1に対し、岩崎電気株式会社製の低圧水銀ランプQGL200U−21を用いて、波長254nmの紫外線を連続的に照射し、センサ感度の測定を行った。また、CV測定により、複数の紫外線センサ1の静電容量[F]を測定した。CV測定には、三和電気計器株式会社製、M1−490Kを使用した。測定結果を図5に示す。
A plurality of
図5は、実施例1に係る紫外線センサのセンサ感度と静電容量とを示すグラフである。図5に示される斜線範囲は、受光面にa面を用いた紫外線センサの特性範囲を示す。
受光面にa面を用いた紫外線センサは、紫外線センサの作製条件を変化させることにより、センサ感度を1.0×10-2〜1.0×10-4[A/W]、静電容量を1.0×10-12〜1.0×10-9[F]まで変化させることができる。図5に示されるように、紫外線センサ1は、受光面にa面を用いた紫外線センサと同等のセンサ特性(センサ感度,静電容量等)を有することが確認できた。
また、受光面12rにa面を用いた紫外線センサに用いられる単結晶基板は、インゴットから25〜30枚程度切り出すことができる。一方、単結晶基板11は、インゴット4から50〜60枚程度切り出すことができた。
FIG. 5 is a graph illustrating sensor sensitivity and capacitance of the ultraviolet sensor according to the first embodiment. The shaded area shown in FIG. 5 indicates the characteristic range of the ultraviolet sensor using the a-surface as the light receiving surface.
The ultraviolet sensor using the a-surface as the light-receiving surface changes the sensor sensitivity to 1.0 × 10 −2 to 1.0 × 10 −4 [A / W] and electrostatic capacity by changing the production conditions of the ultraviolet sensor. Can be changed from 1.0 × 10 −12 to 1.0 × 10 −9 [F]. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the
In addition, the single crystal substrate used for the ultraviolet sensor using the a-surface as the
(実施の形態2)
実施の形態1では、上述した手法Aを用いて紫外線センサを作製したが、手法Aに加え、以下の手法B〜Eを適宜組み合わせることにより、コストの低減及び良好なセンサ特性を有する紫外線センサを作製できる。
手法B:酸化ガリウム単結晶を育成する際に用いる原料粉末中の不純物量を調整し、酸化ガリウム単結晶を育成する手法。
手法C:単結晶基板の表面状態を調整する手法。
手法D:超音波半田器(超音波半田器ごて)を用いて単結晶基板上にオーミック電極を形成し且つ当該単結晶基板とステムとのダイボンディングを行う手法。
手法E:IBS法を用いてショットキー電極を形成する手法。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the ultraviolet sensor is manufactured by using the above-described method A. However, in addition to the method A, the following methods B to E are appropriately combined to reduce the cost and provide an ultraviolet sensor having good sensor characteristics. Can be made.
Method B: A method of growing a gallium oxide single crystal by adjusting the amount of impurities in the raw material powder used when growing the gallium oxide single crystal.
Method C: A method of adjusting the surface state of the single crystal substrate.
Method D: A method in which an ohmic electrode is formed on a single crystal substrate using an ultrasonic soldering device (ultrasonic soldering iron) and die bonding is performed between the single crystal substrate and a stem.
Method E: A method of forming a Schottky electrode using the IBS method.
上述した手法A〜Eを全て組み合わせた紫外線センサの構成について図6を参照して説明する。
図6は、実施の形態2に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。図6において、図1と同一符号のものは、図1に示されたものと同一のものを示しており、重複する説明は省略する。
The configuration of an ultraviolet sensor that combines all of the above-described methods A to E will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of the ultraviolet sensor according to the second embodiment. In FIG. 6, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same elements as those shown in FIG.
紫外線センサ100は、図1に示されるセンサチップ10に代わりセンサチップ110を有し、パッケージ2に代わりパッケージ102を有する。センサチップ110は、図1に示される単結晶基板11に代わり単結晶基板111を有する。また、センサチップ110は、ショットキー電極12に代わりショットキー電極112を有し、オーミック電極13に代わりオーミック電極113を有する。
The
パッケージ102は窓部材21が低融点ガラス124によりキャップ23に接着されている点でパッケージ2とは異なり、単結晶基板111は原料粉末中のSi濃度及びFe濃度と研磨傷とが調整されている点で単結晶基板11と異なる。ショットキー電極112はIBS法を用いて単結晶基板111上に形成されている点でショットキー電極12と異なり、オーミック電極113は超音波半田器を用いて低融点金属により単結晶基板11上に形成されている点でオーミック電極13と異なる。
The
次に、上述した紫外線センサ100の構成を用いて、手法B〜Eの詳細を説明する。先ず、手法Bについて説明する。
手法Bは、原料粉末中の不純物量を調整することにより、キャリア密度の低い酸化ガリウム単結晶を育成する手法である。調整する不純物は、SiとFeとが挙げられる。
Next, the details of the methods B to E will be described using the configuration of the
Method B is a method for growing a gallium oxide single crystal having a low carrier density by adjusting the amount of impurities in the raw material powder. Impurities to be adjusted include Si and Fe.
結晶中のキャリア密度とセンサ感度は密接な関係があり、キャリア密度の範囲としては1×1017〜1×1018が好ましく、1.47×1017〜2.51×1018がより好ましく、特に2〜5×1017cm-3が好ましい。キャリア密度が高過ぎる場合、酸化ガリウム単結晶は導電性が高いが結晶性が低下してしまい、センサチップ110へ応用した際、高いセンサ感度が得られないばかりか、暗電流も増加してしまう。一方、キャリア密度が低過ぎる場合、酸化ガリウム単結晶は結晶中の抵抗が高くなり、光電流が流れ難いものとなる。
The carrier density in the crystal and sensor sensitivity are closely related, and the carrier density range is preferably 1 × 10 17 to 1 × 10 18, more preferably 1.47 × 10 17 to 2.51 × 10 18 , 2-5 * 10 < 17 > cm <-3> is especially preferable. When the carrier density is too high, the gallium oxide single crystal has high conductivity but the crystallinity is lowered, and when applied to the
Siは、育成した酸化ガリウム単結晶のキャリア密度と密接な関係があるものであり、原料粉末中のSi濃度は、1〜50ppmが好ましく、5〜30ppmがより好ましく、中でも6〜29ppmが特に好ましい。キャリア密度はSi濃度に比例して増加する傾向にあり、Si濃度が高すぎると酸化ガリウム単結晶の結晶性が低下してしまいセンサチップ110への応用には適さない。一方、Si濃度が低すぎる場合、酸化ガリウム単結晶中の抵抗が高くなり、センサチップ110へ応用した際に流れる光電流が小さくなる。
Si is closely related to the carrier density of the grown gallium oxide single crystal, and the Si concentration in the raw material powder is preferably 1 to 50 ppm, more preferably 5 to 30 ppm, and particularly preferably 6 to 29 ppm. . The carrier density tends to increase in proportion to the Si concentration, and if the Si concentration is too high, the crystallinity of the gallium oxide single crystal is lowered, which is not suitable for application to the
Feは、酸化ガリウム単結晶の導電性に影響を与えるものであり、原料粉末中のFe濃度は、3ppm以下が好ましく、中でも1ppm以下が特に好ましい。これは、Feを多く含んだ原料粉末を用いた酸化ガリウム単結晶からセンサチップ110を作製した場合、酸化ガリウム単結晶中にFeが取り込まれることにより、導電性が著しく低下してしまい、紫外線に反応し難くなるためである。
Fe affects the conductivity of the gallium oxide single crystal, and the Fe concentration in the raw material powder is preferably 3 ppm or less, and particularly preferably 1 ppm or less. This is because, when the
次に、手法Cについて図7を参照して説明する。
図7は、ショットキー電極の表面状態を示す図である。図7において、図6と同一符号のものは、図6に示されたものと同一のものを示しており、重複する説明は省略する。
手法Cは、単結晶基板111を鏡面研磨する際、単結晶基板111の第1表面に図7に示されるような所定の研磨傷を設けることにより、ショットキー電極112形成時に、凹凸を生じさせショットキー電極112を網目状に形成する手法である。この手法Cは、ショットキー電極112と単結晶基板111との熱膨張率の違いにより生じる応力を緩和させ、ショットキー電極112の断線等に起因したセンサ感度低下を抑制し、センサチップ110の耐久性を向上させる効果を奏する。
Next, method C will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a diagram illustrating the surface state of the Schottky electrode. In FIG. 7, the same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same elements as those shown in FIG.
In the method C, when the
研磨傷は、長さ0.1〜0.5mm、幅0.02〜0.1mmのサイズが好ましい。また、研磨傷は、1mm2の範囲内に、10〜100個が好ましく、特に30〜60個が好ましい。研磨傷がこのサイズを超える場合、または研磨傷数がこの範囲を超える場合、ショットキー電極113に断線が生じる可能性がある。一方、研磨傷がこのサイズ未満である場合、または研磨傷数がこの範囲未満である場合、上述した応力の緩和が著しく低下する。
The polishing scratches are preferably 0.1 to 0.5 mm in length and 0.02 to 0.1 mm in width. Moreover, 10-100 pieces are preferable within the range of 1 mm < 2 >, and 30-60 pieces are especially preferable for an abrasion crack. If the polishing scratches exceed this size, or if the number of polishing scratches exceeds this range, the
単結晶基板111の第1表面に形成されているショットキー電極112の役割は、紫外線励起により発生したキャリアを集め、光電流として取り出すことである。ショットキー電極112の直下でキャリアが発生した箇所と、パッド電極14及びボンディングワイヤ25がショットキー電極112により電気的に接続されていれば、キャリアは光電流として外へ取り出すことができる。したがって、単結晶基板111の第1表面に研磨傷による凹凸があり、この凹凸に伴いショットキー電極112が網目状に形成された場合においても、断線されていない限りショットキー電極112としての機能は大きく損なわれない。なお、研磨傷は、単結晶基板111の第1表面のみに限定するものではなく単結晶基板111の第2表面等、単結晶基板111の表面に一様に設けてもよい。
The role of the
次に、手法Dについて説明する。
手法Dは、超音波半田器を用いて低融点金属により単結晶基板111上にオーミック電極113を形成する手法である。
Next, method D will be described.
Method D is a method of forming the
紫外線センサは、紫外線等の光を受け、発生した光電流を信号として取り出すことにより動作する。この光電流を効率よく外部へ取り出すためには、オーミック電極の低抵抗化が必要になる。蒸着により形成したオーミック電極は、オーミック電極間の抵抗が1〜10[kΩ]程度である。この電極を蒸着した酸化ガリウム単結晶基板にシンター処理を施すことにより、オーミック電極間の抵抗を改善することができる。 The ultraviolet sensor operates by receiving light such as ultraviolet light and taking out the generated photocurrent as a signal. In order to efficiently extract this photocurrent to the outside, it is necessary to reduce the resistance of the ohmic electrode. The ohmic electrode formed by vapor deposition has a resistance between the ohmic electrodes of about 1 to 10 [kΩ]. By subjecting the gallium oxide single crystal substrate on which this electrode is deposited to a sintering process, the resistance between the ohmic electrodes can be improved.
しかしながら、手法Dによれば、オーミック電極113の形成時に超音波半田器と低融点金属とを用いることにより、上述したシンター処理を行ったものと同等の抵抗を有するオーミック電極113を形成することができる。更に、蒸着のような真空プロセス要する方法を行うことなく、短時間で単結晶基板111にオーミック電極113を形成することができるため、コストの低減の効果を奏する。例えば、低融点金属には、超音波半田、In、Sn等が用いられる。
However, according to the method D, the
また、オーミック電極113の形成と共に低融点金属を用いて単結晶基板111とステム22とのダイボンディングを行う。ダイボンディング材料に有機物を含まないため、紫外線照射により有機物の分解や分解物による紫外線吸収を抑止することができ、より短波長の紫外線の検出が可能となる効果を奏する。
更に、窓部材21とキャップ23とを低融点ガラス124により接着させることにより、低融点金属を用いたダイボンディングと同様、有機物による紫外線吸収を抑止する効果を奏する。
Further, together with the formation of the
Further, by bonding the
次に、手法Eについて説明する。
手法Eは、IBS法を用いてAuまたはPtを単結晶基板111上に蒸着することにより、ショットキー電極112を形成する手法である。
Next, method E will be described.
The technique E is a technique for forming the
酸化ガリウム単結晶基板上に蒸着する金属薄膜の密度が高いほど紫外線に対する耐久性が高まるが、AuまたはPt単体では、酸化ガリウム単結晶基板との密着性が悪い。この手法では、AuまたはPtをより強い力で基板に供給するため、通常のスパッタリング法に比べ2桁以上の高真空で成膜を行うIBS法を用いる。IBS法による高真空下でのスパッタを行うことにより、その時粒子に与えられた運動エネルギーがほとんど損なわれること無く所定の基板に堆積させることができるため、密着性及び密度の高い薄膜が得られる。したがって、IBS法を用いて単結晶基板111上に緻密なショットキー電極112を金属薄膜として成膜することにより、例えばEB蒸着法を用いて成膜した電極よりも密度及び密着性の高い電極が得られ、耐久性の改善も可能となる。
The higher the density of the metal thin film deposited on the gallium oxide single crystal substrate, the higher the durability against ultraviolet rays. However, Au or Pt alone has poor adhesion to the gallium oxide single crystal substrate. In this method, in order to supply Au or Pt to the substrate with a stronger force, an IBS method is used in which film formation is performed at a high vacuum of two orders of magnitude or more compared to a normal sputtering method. By performing sputtering under high vacuum by the IBS method, the kinetic energy imparted to the particles can be deposited on a predetermined substrate with almost no loss, so that a thin film with high adhesion and density can be obtained. Therefore, by forming a
実施の形態2では、上述した手法AにB〜Eを適宜組み合わせて紫外線センサを作製するが、手法BとC、手法BとD、手法CとE等、2つの手法を手法Aに加えた紫外線センサであってもコスト低減、センサ感度の向上等の効果を奏する。なお、手法B〜D、手法C〜E、手法B、C及びE等3つの手法を手法Aに加えた紫外線センサは、2つの手法を手法Aに加えた紫外線センサよりコスト低減、センサ感度の向上の点でより好ましく、手法Aに手法B〜Eを全て加えた紫外線センサが特に好ましい。 In the second embodiment, an ultraviolet sensor is manufactured by appropriately combining B to E with the above-described method A, but two methods such as method B and C, method B and D, method C and E are added to method A. Even if it is an ultraviolet sensor, there exist effects, such as a cost reduction and the improvement of a sensor sensitivity. In addition, the ultraviolet sensor which added the three methods such as the methods B to D, the methods C to E, the methods B, C, and E to the method A is lower in cost than the ultraviolet sensor obtained by adding the two methods to the method A, and the sensor sensitivity. It is more preferable in terms of improvement, and an ultraviolet sensor obtained by adding all methods B to E to method A is particularly preferable.
次に、紫外線センサ100の作製方法について、図8を参照して作製工程毎に説明する。
図8は、実施の形態2に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。
Next, a manufacturing method of the
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a manufacturing process of the ultraviolet sensor according to the second embodiment.
(S11:酸化ガリウム単結晶の育成および結晶基板の切り出し)
Si濃度30ppm以下、Fe濃度1ppm以下の純度4Nの酸化ガリウム粉末を原料としてラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形する。圧縮成形後、電気炉を用いて1400〜1600℃、10〜40時間、大気雰囲気中で焼成し、得られる酸化ガリウム焼結体を原料棒とする。この原料棒を用いて、FZ(Floating Zone)法により酸化ガリウム単結晶を育成する。単結晶成長条件として、成長速度は5〜30mm/h、雰囲気はドライエア、圧力は1気圧の条件で行なう。
育成した酸化ガリウム単結晶のインゴット104をスライドガラスに貼り付け、酸化ガリウム単結晶の成長方向に垂直な直交面が切断面となるよう切断し、これを単結晶基板111とする。単結晶基板111の厚さは、0.6〜0.7mmが好ましい。
(S11: Growth of gallium oxide single crystal and cutting of crystal substrate)
A gallium oxide powder having a purity of 4N with an Si concentration of 30 ppm or less and an Fe concentration of 1 ppm or less is enclosed in a rubber tube as a raw material, and compression molded by an isostatic press. After compression molding, it is fired in an air atmosphere at 1400-1600 ° C. for 10-40 hours using an electric furnace, and the resulting gallium oxide sintered body is used as a raw material rod. Using this raw material rod, a gallium oxide single crystal is grown by FZ (Floating Zone) method. As single crystal growth conditions, the growth rate is 5 to 30 mm / h, the atmosphere is dry air, and the pressure is 1 atm.
The grown gallium oxide
(S12:酸化ガリウム単結晶基板の研磨)
切り出した単結晶基板111を研磨冶具に貼り付け、#1000の研磨盤で10〜30分研削することで面出しを行う。続いて1μmダイヤ及びCMPでそれぞれ20〜60分、好ましくは20〜30分研磨することで鏡面を得る。この際、研磨傷を、長さ0.1〜0.5mm、幅0.02〜0.1mmのサイズで設け、1mm2の範囲内に、30〜60個設ける。
(S12: Polishing of gallium oxide single crystal substrate)
The cut out
(S13:単結晶のアニーリング)
研磨した単結晶基板111をアセトン、エタノールで洗浄し、熱処理を行なう。この熱処理は、実施の形態1と同様に、単結晶基板111に光励起により発生したキャリアの分離に必要な絶縁層111aを形成し、結晶成長後の酸化ガリウム単結晶内に残留する欠陥を回復する目的で行う。熱処理は、酸素雰囲気中で1100℃、3〜24時間で行なう。また、Si濃度が低い原料粉末を用いるなどして用意した、キャリア密度の低い単結晶基板の場合は、キャリアの分離のための絶縁層を必要としないため、この工程は省略することが可能である。
(S13: Single crystal annealing)
The polished
(S14:オーミック電極の形成)
200〜250℃に熱した超音波半田器で低融点金属5を単結晶基板111の第2表面に付ける。その後、好ましくは1〜5秒程度超音波で振動を与えることにより、低融点金属5の表面酸化膜を破り、低融点金属5が単結晶基板111内に拡散することでオーミック電極113を単結晶基板111の第2表面全体または一部に形成する。なおサイズが大きくなるほど接触抵抗が小さい。
(S14: Formation of ohmic electrode)
The low
(S15:ステムへのマウント)
300〜350度に熱したホットプレートの上に金属製のブロック6aを置き、ブロック6a上にリード31〜32を設けたステム22を置きこれを熱する。オーミック電極113を形成した単結晶基板111を、オーミック電極113とステム22とが接するようステム22上に設置する。単結晶基板111の上からピンセット、スライドガラス等で均一に加圧し、単結晶基板111における第2表面の低融点金属5を一様に広げ、単結晶基板111とステム22とのダイボンディングを行う。ステム22をブロック6aからはずし、冷却することにより単結晶基板111のステム22へのマウントが完了する。
(S15: Mount on stem)
A
(S16:パッド電極の形成)
ワイヤボンディング用のパッド電極14を作製する。パッド電極用マスク6bで単結晶基板111上方を覆い、EB蒸着法によりパッド電極14を形成する。パッド電極14のサイズは0.05〜1.5mmφ、Cr14aを10〜100nm、好ましくは30〜50nm、AuまたはPt14bを80〜150nm、好ましくは90〜100nm、単結晶基板111の第1表面に蒸着する。
(S16: Formation of pad electrode)
A
(S17:ショットキー電極の形成)
ショットキー電極112の材料として、実施の形態1と同様、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。密着性および耐久性が高いショットキー電極112を単結晶基板111上に蒸着するため、ショットキー電極用マスク6cで単結晶基板111の上方を覆い、IBS法によりAuまたはPtを6〜10nm蒸着し、半透明または透明な透光性を有する金属薄膜であるショットキー電極112を作製する。なお、金属にはAu、Ptのほか、Al,Co,Ge,Sn,In,W,Mo,Cr,Cu等も使用し得る。
IBS法によるショットキー電極の形成では、イオンエネルギー、イオン電流密度、イオン種、スパッタリング時の動作真空度、堆積速度等が形成条件として挙げられる。ショットキー電極112の形成に用いる条件は、イオンエネルギーが500〜1200eV、イオン電流密度が1〜10mA/cm2、イオン種がArイオン、動作真空度が4〜5×10-3Pa、堆積速度が0.1〜0.2nm/secが好ましい。例えば、これらの条件で形成された厚さ10nmのAu薄膜は波長200nmでの紫外線透過率が60%程度である。これが受光面12rとなり、この場合の電極サイズは1〜5mmφ、好ましくは1〜2mmφである。なお、電極サイズが大きいほど受光面は大きくなるが、それに伴い一定照度の紫外線を受けた場合のダメージも大きくなる。
(S17: Formation of Schottky electrode)
As a material for the
In the formation of a Schottky electrode by the IBS method, ion energy, ion current density, ion species, operating vacuum during sputtering, deposition rate, and the like are listed as formation conditions. The conditions used for forming the
(実施例2)
図8に示されるS11〜S17の工程に従って、Si濃度及びFe濃度の異なる紫外線センサを複数作製した。
Si濃度6ppm、Fe濃度1ppmの純度4Nの酸化ガリウム粉末をラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形した。圧縮成形後、電気炉を用いて1500℃、40時間、大気雰囲気中で焼成し、得られた酸化ガリウム焼結体を用いて、FZ法により酸化ガリウム単結晶を育成した。単結晶成長条件として、成長速度は20mm/h、雰囲気はドライエア、圧力は1気圧の条件で行った。
得られた酸化ガリウム単結晶のインゴット104をスライドガラスに貼り付け、直交面41が切断面となるよう切断し、これを単結晶基板111とした。単結晶基板111の厚さは、0.65mmとした。
(Example 2)
A plurality of ultraviolet sensors having different Si concentrations and Fe concentrations were produced according to the steps S11 to S17 shown in FIG.
A gallium oxide powder having a Si concentration of 6 ppm and an Fe concentration of 1 ppm and having a purity of 4N was sealed in a rubber tube and compression molded by an isostatic press. After the compression molding, firing was performed in an air atmosphere at 1500 ° C. for 40 hours using an electric furnace, and a gallium oxide single crystal was grown by the FZ method using the obtained gallium oxide sintered body. As single crystal growth conditions, the growth rate was 20 mm / h, the atmosphere was dry air, and the pressure was 1 atm.
The obtained gallium oxide
切り出した単結晶基板111を研磨冶具に貼り付け、#1000の研磨盤で20分研削することで面出しを行った。研磨冶具には、ムサシノ電子株式会社製、MA−200Dを使用した。続いて1μmダイヤ及びCMPでそれぞれ30分研磨することで鏡面を得た。
The cut out
研磨した単結晶基板111をアセトン、エタノールで洗浄し、酸素雰囲気中で1100℃、4時間で熱処理を行なった。
The polished
225度に熱した超音波半田器で低融点金属5を単結晶基板111の第2表面に付け、3秒程度超音波で振動を与えることにより、オーミック電極113を単結晶基板111の第2表面の一部に形成した。
The low
325度に熱したホットプレートの上に金属製のブロック6aを置き、ブロック6a上にステム22を置いてこれを熱し、オーミック電極113を形成した単結晶基板111をステム22上に設置した。単結晶基板111の上からスライドガラスで均一に加圧し、単結晶基板111とステム22とのダイボンディングを行った。ダイボンディング後、ステム22をブロック6aからはずし、冷却した。
A
冷却後、パッド電極用マスク6bで単結晶基板111上方を覆い、EB蒸着法によりパッド電極14を形成した。パッド電極14のサイズは0.775mmφ、Cr14aを50nm、Au14bを100nm、単結晶基板111の第1表面に蒸着した。
After cooling, the upper surface of the
IBS法により受光面12rを含む単結晶基板111の第1表面にAuを10nm蒸着し、ショットキー電極112を形成した。IBS法の条件としては、イオンエネルギーを850eV、イオン電流密度を5.5mA/cm2、イオン種をArイオン、動作真空度を4.5×10-3Pa、堆積速度を0.15nm/secとした。また、電極サイズは2mmφとした。このとき、実質的な受光部はショットキー電極112の2mmφからパッド電極14の0.775mmφを除いた部分になる。
Au was vapor-deposited to a thickness of 10 nm on the first surface of the
ショットキー電極112を形成した単結晶基板111を保護するため、予め低融点ガラス124により窓部材21をキャップ23に接着し且つリード31〜32を設けたパッケージ102を用いて、パッケージングを行った。この際、パッケージ102内には不活性ガスを充填し、紫外線センサ100Aを作製した。
次に、Si濃度及びFe濃度がそれぞれ異なる複数の原料粉末を用いて、紫外線センサ100Aと同様の方法で紫外線センサB〜Gをそれぞれ作製した。
In order to protect the
Next, using a plurality of raw material powders having different Si concentrations and Fe concentrations, ultraviolet sensors B to G were produced in the same manner as the ultraviolet sensor 100A.
紫外線センサ100A〜Gに対し、岩崎電気株式会社製の低圧水銀ランプQGL200U−21を用いて、波長254nmの紫外線を連続的に照射し、紫外線センサとして動作するか否かを確認した。その結果、紫外線センサ100F及びGは紫外線センサとして動作しなかった。 The UV sensors 100A-G were continuously irradiated with UV light having a wavelength of 254 nm using a low-pressure mercury lamp QGL200U-21 manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd., and it was confirmed whether or not to operate as an UV sensor. As a result, the ultraviolet sensors 100F and G did not operate as ultraviolet sensors.
図9は、実施例2に係る紫外線センサの不純物濃度を示すグラフである。図9に示されるA〜Gのそれぞれは、紫外線センサ100A〜Gのそれぞれを示す。また、斜線範囲は紫外線センサとして動作するFe濃度の範囲を示す。図9に示されるように、紫外線センサとして動作しない紫外線センサ100F及びGは、Fe濃度が14及び18ppmである。このことから、斜線範囲外のFe濃度14以上のものは、紫外線センサとして動作しないことが確認できた。また、Fe濃度3以下のものは、紫外線センサとして動作することが確認できた。 FIG. 9 is a graph showing the impurity concentration of the ultraviolet sensor according to Example 2. Each of A to G shown in FIG. 9 represents each of the ultraviolet sensors 100A to G. The hatched area indicates the Fe concentration range that operates as an ultraviolet sensor. As shown in FIG. 9, the ultraviolet sensors 100F and G that do not operate as the ultraviolet sensor have Fe concentrations of 14 and 18 ppm. From this, it was confirmed that those having an Fe concentration of 14 or more outside the hatched range do not operate as an ultraviolet sensor. Moreover, it was confirmed that the Fe concentration of 3 or less operates as an ultraviolet sensor.
次に、紫外線センサ100A〜Cが有するセンサチップの比抵抗[Ωcm]とキャリア密度[cm-3]をバイオ・ラッド ラボラトリーズ株式会社製,ホール効果測定装置を用いて測定した。測定結果を図10及び11に示す。 Next, the specific resistance [Ωcm] and the carrier density [cm −3 ] of the sensor chips of the ultraviolet sensors 100A to 100C were measured using a Hall effect measuring device manufactured by Bio-Rad Laboratories. The measurement results are shown in FIGS.
図10は、実施例2に係る紫外線センサの不純物濃度、比抵抗及びキャリア密度を示す表である。図11は、実施例2に係る紫外線センサの比抵抗、キャリア密度及びSi濃度の相関を示すグラフである。
図10及び11に示されるように、Si濃度が増加するに伴いキャリア密度及び比抵抗が減少し、Si濃度が減少するに伴い、キャリア濃度及び比抵抗が増加することから、原料粉末中に含まれるSi濃度は育成した酸化ガリウム単結晶のキャリア密度と密接な関係があることが確認できた。
FIG. 10 is a table showing the impurity concentration, specific resistance, and carrier density of the ultraviolet sensor according to Example 2. FIG. 11 is a graph showing the correlation of the specific resistance, carrier density, and Si concentration of the ultraviolet sensor according to Example 2.
As shown in FIGS. 10 and 11, since the carrier density and specific resistance decrease as the Si concentration increases, and the carrier concentration and specific resistance increase as the Si concentration decreases, they are included in the raw material powder. It has been confirmed that the Si concentration is closely related to the carrier density of the grown gallium oxide single crystal.
(実施例3)
図8に示されるS11〜S17の工程に従って、単結晶基板表面の状態が異なる紫外線センサを複数作製した。
Si濃度4ppm、Fe濃度1ppmの原料粉末を用い、その他は実施例2と同様の条件で複数の紫外線センサを作製した。なお、複数の紫外線センサの作製に際し、図8のS12で示した酸化ガリウム単結晶基板の研磨の工程において、複数の紫外線センサそれぞれが、単結晶基板111上の単位面積当たりの研磨傷数が異なるよう研磨傷を調整した。
作製した研磨傷数が異なる複数の紫外線センサに対し、岩崎電気株式会社製の低圧水銀ランプQGL200U−21を用いて、波長254nmの紫外線を連続的に照射し、そのセンサ感度と当該センサ感度が10%低下するまでの時間を測定した。測定結果を図12に示す。
(Example 3)
In accordance with steps S11 to S17 shown in FIG. 8, a plurality of ultraviolet sensors having different states on the surface of the single crystal substrate were produced.
A plurality of ultraviolet sensors were produced under the same conditions as in Example 2 except that raw material powder having an Si concentration of 4 ppm and an Fe concentration of 1 ppm was used. In manufacturing the plurality of ultraviolet sensors, each of the plurality of ultraviolet sensors has a different number of polishing scratches per unit area on the
Using a low-pressure mercury lamp QGL200U-21 manufactured by Iwasaki Electric Co., Ltd., a plurality of ultraviolet sensors having different numbers of polishing scratches are continuously irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 254 nm. % Time to decrease was measured. The measurement results are shown in FIG.
図12は、実施例3に係る紫外線センサのセンサ感度、センサの寿命及び研磨傷の個数の相関を示すグラフである。
図12に示されるように、研磨傷数の増加に伴いセンサ感度が軽微に減少するが、大きな低下は見られない。このことから、研磨傷数がセンサ感度に与える影響は大きくないことが確認できた。一方、センサ感度が10%低下するまでの時間は、研磨傷数の増加に伴い長くなることが確認できた。これは、研磨傷による単結晶基板111における第1表面の凹凸に応じてショットキー電極112が網目状に形成された場合、紫外線照射に伴う熱の影響を緩和できるためである。なお、研磨傷を設けない平坦な単結晶基板111に均一にショットキー電極112を形成した場合、センサ感度が高いが、熱によりAu等の金属薄膜が凝集し、感度低下に繋がる可能性がある。
FIG. 12 is a graph showing the correlation among the sensor sensitivity, the sensor life, and the number of polishing flaws of the ultraviolet sensor according to Example 3.
As shown in FIG. 12, the sensor sensitivity slightly decreases as the number of polishing flaws increases, but no significant decrease is observed. From this, it was confirmed that the influence of the number of polishing scratches on the sensor sensitivity was not great. On the other hand, it was confirmed that the time until the sensor sensitivity decreased by 10% became longer as the number of polishing scratches increased. This is because when the
(実施例4)
図8に示されるS11〜S17の工程に従って、オーミック電極の形成方法が異なる紫外線センサを複数作製した。
Si濃度4ppm、Fe濃度1ppmの原料粉末を用い、その他は実施例2と同様の条件で紫外線センサ100Hを作製した。なお、紫外線センサ100Hの作製に際し、図8のS14で示したオーミック電極の形成の工程において、低融点金属として黒田テクノ株式会社製のセラソルザー(登録商標)を用いて単結晶基板111上にオーミック電極113を形成した。
Example 4
In accordance with the steps S11 to S17 shown in FIG. 8, a plurality of ultraviolet sensors having different ohmic electrode forming methods were produced.
An ultraviolet sensor 100H was manufactured under the same conditions as in Example 2 except that raw material powder having an Si concentration of 4 ppm and an Fe concentration of 1 ppm was used. When the ultraviolet sensor 100H is manufactured, an ohmic electrode is formed on the
また、図8のS14で示したオーミック電極の形成の工程に代わり、実施の形態1のS4で示したオーミック電極の形成の工程を用いた紫外線センサ100Iと紫外線センサ100Jとを作製した。
紫外線センサ100Iは、当該オーミック電極の形成の工程において、Ti/Alの蒸着によりオーミック電極を形成した酸化ガリウム単結晶基板を有する。また、紫外線センサ100Iは、In接合を用いて当該酸化ガリウム単結晶基板をステム22にマウントされている。
紫外線センサ100Jは、当該オーミック電極形成の工程において、Ti/Alの蒸着によりオーミック電極を形成し且つシンター処理(800℃・2分)を施した酸化ガリウム単結晶基板を有する。また、紫外線センサ100Jは、銀ペーストを用いて当該酸化ガリウム単結晶基板をステム22にマウントされている。
Further, an ultraviolet sensor 100I and an ultraviolet sensor 100J using the ohmic electrode forming step shown in S4 of the first embodiment instead of the ohmic electrode forming step shown in S14 of FIG. 8 were manufactured.
The ultraviolet sensor 100I includes a gallium oxide single crystal substrate on which an ohmic electrode is formed by Ti / Al vapor deposition in the ohmic electrode forming step. In the ultraviolet sensor 100I, the gallium oxide single crystal substrate is mounted on the
The ultraviolet sensor 100J includes a gallium oxide single crystal substrate on which an ohmic electrode is formed by vapor deposition of Ti / Al and subjected to sintering (800 ° C., 2 minutes) in the ohmic electrode formation process. In the ultraviolet sensor 100J, the gallium oxide single crystal substrate is mounted on the
これら紫外線センサ100H〜Jのオーミック電極間の抵抗を、菊水電子工業株式会社製、ダイオードカーブトレーサを用いて測定した。また、紫外線センサ100H〜Jに対し、上述したSLUV−6を用いて波長254nmの紫外線を連続的に照射し、センサ感度を測定した。測定結果を図13及び14に示す。 The resistance between the ohmic electrodes of these ultraviolet sensors 100H to J was measured using a diode curve tracer manufactured by Kikusui Electronics Corporation. In addition, the ultraviolet ray sensors 100H to J were continuously irradiated with ultraviolet rays having a wavelength of 254 nm using the above-described SLUV-6, and the sensor sensitivity was measured. The measurement results are shown in FIGS.
図13は、実施例4に係る紫外線センサにおけるオーミック電極間の抵抗を示すグラフである。図14は、実施例4に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。図13及び14に示されるH〜Jのそれぞれは、紫外線センサ100H〜Jをそれぞれ示す。 FIG. 13 is a graph illustrating resistance between ohmic electrodes in the ultraviolet sensor according to Example 4. FIG. 14 is a graph illustrating sensor sensitivity in the ultraviolet sensor according to Example 4. Each of HJ shown in FIGS. 13 and 14 represents the ultraviolet sensors 100H-J, respectively.
図13に示されるように、蒸着により形成した紫外線センサ100Iのオーミック電極は、抵抗が1〜10kΩであり、シンター処理を施した紫外線センサ100Jのオーミック電極は、10〜1000Ωである。よって、シンター処理により抵抗の改善が確認できるが、工程が増加していることからコストアップに繋がる。一方、紫外線センサ100Hのオーミック電極113は、紫外線センサ100Jと同等の抵抗を有していることが確認できた。
As shown in FIG. 13, the ohmic electrode of the ultraviolet sensor 100I formed by vapor deposition has a resistance of 1 to 10 kΩ, and the ohmic electrode of the ultraviolet sensor 100J subjected to the sintering process is 10 to 1000Ω. Therefore, although the improvement of resistance can be confirmed by the sinter process, it leads to a cost increase since the process is increasing. On the other hand, it was confirmed that the
また、図14に示されるように、紫外線センサ100Jは紫外線センサ100Iよりセンサ感度がよく、紫外線センサ100Hは紫外線センサ100Jよりセンサ感度がよいことが確認できた。このことから、超音波半田を用いることにより、オーミック特性が改善され、その結果、紫外線センサとして取り出せる光電流が増加することがわかる。 Further, as shown in FIG. 14, it was confirmed that the ultraviolet sensor 100J had better sensor sensitivity than the ultraviolet sensor 100I, and the ultraviolet sensor 100H had better sensor sensitivity than the ultraviolet sensor 100J. From this, it can be seen that the use of ultrasonic solder improves the ohmic characteristics and, as a result, increases the photocurrent that can be extracted as an ultraviolet sensor.
(実施例5)
図8に示されるS11〜S17の工程に従って、ショットキー電極の形成方法が異なる紫外線センサを複数作製した。
Si濃度24ppm、Fe濃度1ppmの原料粉末を用い、その他は実施例2と同様の条件で紫外線センサ100Kを作製した。
また、図8のS17で示したショットキー電極の形成の工程に代わり、実施の形態1のS6で示したショットキー電極の形成の工程を用いた紫外線センサ100Lを作製した。
(Example 5)
In accordance with the steps S11 to S17 shown in FIG. 8, a plurality of ultraviolet sensors having different Schottky electrode forming methods were produced.
An ultraviolet sensor 100K was produced under the same conditions as in Example 2 except that raw material powder having an Si concentration of 24 ppm and an Fe concentration of 1 ppm was used.
Further, an ultraviolet sensor 100L using the Schottky electrode formation step shown in S6 of the first embodiment instead of the Schottky electrode formation step shown in S17 of FIG. 8 was manufactured.
紫外線センサ100K及びLに対し、上述したQGL200U−21を用いて波長254nmの紫外線を連続的に照射し、センサ感度を測定した。測定結果を図15に示す。 The ultraviolet ray sensors 100K and L were continuously irradiated with ultraviolet rays having a wavelength of 254 nm using the above-described QGL200U-21, and the sensor sensitivity was measured. The measurement results are shown in FIG.
図15は、実施例5に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。図15に示されるK及びLは、紫外線センサ100K及びLを示す。
図15に示されるように、紫外線センサ100Lはセンサ感度が3×10-3〜6×10-4[A/W]であるが、紫外線センサ100Kは1×10-3〜6×10-3[A/W]である。したがって、IBS法を用いてショットキー電極112を形成するとセンサ感度が向上することが確認できた。
FIG. 15 is a graph illustrating sensor sensitivity in the ultraviolet sensor according to Example 5. K and L shown in FIG. 15 indicate the ultraviolet sensors 100K and L, respectively.
As shown in FIG. 15, the ultraviolet sensor 100L has a sensor sensitivity of 3 × 10 −3 to 6 × 10 −4 [A / W], while the ultraviolet sensor 100K has a sensor sensitivity of 1 × 10 −3 to 6 × 10 −3. [A / W]. Therefore, it was confirmed that the sensor sensitivity is improved when the
本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態1〜2は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。 The present invention can be implemented in various other forms without departing from the gist or main features thereof. Therefore, the above-described first and second embodiments are merely examples in all respects and should not be interpreted in a limited manner. The scope of the present invention is shown by the scope of claims, and is not restricted by the text of the specification. Moreover, all modifications, various improvements, substitutions and modifications belonging to the equivalent scope of the claims are all within the scope of the present invention.
なお、特許請求の範囲に記載の直交面は、例えば、前述の実施の形態1及び2における直交面41であり、受光面は、例えば、受光面12rである。酸化ガリウム単結晶基板は、例えば、酸化ガリウム単結晶基板11及び111であり、パッケージは、例えば、パッケージ2及びパッケージ102である。第1表面は、例えば、酸化ガリウム単結晶基板11及び111の第1表面であり、第2表面は、例えば、酸化ガリウム単結晶基板11及び111の第2表面である。低融点金属は、例えば、低融点金属5であり、低融点ガラスは、例えば、低融点ガラス124である。窓部材は、例えば、窓部材21であり、第1及び第2端子は、例えば、リード31及び32である。
The orthogonal surface described in the claims is, for example, the
1,100 紫外線センサ、
2,102 パッケージ、
3 電流・電圧源、
4,104 インゴット、
5 低融点金属、
10,110 センサチップ、
11,111 酸化ガリウム単結晶基板、
12,112 ショットキー電極、
13,113 オーミック電極、
14 パッド電極、
20 開口部、
21 窓部材、
22 ステム、
23 キャップ、
24 接着剤、
25 ボンディングワイヤ、
26 ガラス、
31,32 リード、
31a リード31の一端、
41 直交面、
124 低融点ガラス。
1,100 UV sensor,
2,102 packages,
3 Current / voltage source,
4,104 ingots,
5 low melting point metal,
10,110 sensor chip,
11,111 Gallium oxide single crystal substrate,
12,112 Schottky electrodes,
13,113 ohmic electrodes,
14 pad electrodes,
20 opening,
21 window members,
22 stem,
23 cap,
24 adhesives,
25 Bonding wire,
26 Glass,
31, 32 leads,
31a One end of the
41 orthogonal plane,
124 Low melting glass.
Claims (18)
前記酸化ガリウム単結晶基板の第1表面に形成された第1電極と、
前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第2表面に形成された第2電極と、
を備えることを特徴とする紫外線センサ。 A gallium oxide single crystal substrate having a light-receiving surface with an orthogonal plane orthogonal to the growth direction of the gallium oxide single crystal or a plane inclined at a predetermined angle from the orthogonal plane;
A first electrode formed on a first surface of the gallium oxide single crystal substrate;
A second electrode formed on a second surface of the gallium oxide single crystal substrate including the light receiving surface;
An ultraviolet sensor comprising:
前記第1電極及び前記第2電極と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端子と
を更に備える請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の紫外線センサ。 A package in which the gallium oxide single crystal substrate is housed and sealed from an external atmosphere, and a window member having a light-transmitting property with respect to ultraviolet rays is provided at least in part;
The ultraviolet sensor according to claim 1, further comprising: first and second terminals that are electrically connected to the first electrode and the second electrode and are drawn out of the package. .
前記酸化ガリウム単結晶基板は、低融点金属により前記パッケージ内部にダイボンディングされている請求項5記載の紫外線センサ。 The window member is bonded to the package with a low-melting glass,
6. The ultraviolet sensor according to claim 5, wherein the gallium oxide single crystal substrate is die-bonded inside the package with a low melting point metal.
前記酸化ガリウム単結晶基板の第1表面に第1電極を形成し、
前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第2表面に第2電極を形成する
ことを特徴とする紫外線センサの製造方法。 The gallium oxide single crystal is cut at a predetermined thickness so as to receive a cut surface so that a plane orthogonal to the growth direction of the gallium oxide single crystal or a plane inclined at a predetermined angle from the plane is a cut plane. Face and
Forming a first electrode on a first surface of the gallium oxide single crystal substrate;
A method of manufacturing an ultraviolet sensor, comprising: forming a second electrode on a second surface of the gallium oxide single crystal substrate including the light receiving surface.
前記第1電極を、超音波半田器による所定の超音波により低融点金属を前記酸化ガリウム単結晶基板内の一部に拡散させることで形成する請求項10または請求項11記載の紫外線センサの製造方法。 The first electrode is an ohmic electrode that is in ohmic contact with the surface of the gallium oxide single crystal substrate;
The ultraviolet sensor according to claim 10 or 11, wherein the first electrode is formed by diffusing a low melting point metal into a part of the gallium oxide single crystal substrate by a predetermined ultrasonic wave by an ultrasonic soldering device. Method.
前記第2電極を、IBS法により前記酸化ガリウム単結晶基板上に透光性を有する金属薄膜を蒸着させることで形成する請求項10乃至請求項12のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。 The second electrode is a Schottky electrode that makes Schottky contact with the surface of the gallium oxide single crystal substrate,
The method for manufacturing an ultraviolet sensor according to claim 10, wherein the second electrode is formed by depositing a light-transmitting metal thin film on the gallium oxide single crystal substrate by an IBS method.
前記第1電極及び前記第2電極と電気的に接続された第1及び第2端子を前記パッケージの外部に引き出す請求項10乃至請求項13のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。 The gallium oxide single crystal substrate on which the first electrode and the second electrode are formed is housed in a package in which a window member having a light-transmitting property to ultraviolet rays is provided at least partially, and sealed from an external atmosphere And
The method for manufacturing an ultraviolet sensor according to claim 10, wherein first and second terminals electrically connected to the first electrode and the second electrode are drawn out of the package.
前記酸化ガリウム単結晶基板を、低融点金属により前記パッケージ内部にダイボンディングする請求項14記載の紫外線センサの製造方法。 The window member is bonded to the package with a low-melting glass,
15. The method of manufacturing an ultraviolet sensor according to claim 14, wherein the gallium oxide single crystal substrate is die-bonded inside the package with a low melting point metal.
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