JP2786151B2 - 酸化バナジウム薄膜及びそれを用いたボロメータ型赤外線センサ - Google Patents
酸化バナジウム薄膜及びそれを用いたボロメータ型赤外線センサInfo
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Description
膜及びそれを用いたボロメータ型赤外線センサに関す
る。
ンサ材料としては,酸化チタン(TiOx ),二酸化バ
ナジウム(VO2 )などがよく使われてきた(B.E.Cole
et. al., 米国特許第5286976号,二木久夫セラ
ミック半導体 エレセラ出版委員会編(1978)第9
9頁,Guzman et. al.: Materials Research Bulletin
29(1994)第509頁,及びJerominek et. al.:
Optical Engineering32(1993)第2092頁,
参照))。これらの材料は,ボロメータ型赤外線センサ
として重要な性質の一つである比抵抗の温度変化率が大
きいという特性を満たしている。特に,二酸化バナジウ
ム(VO2 )は,約70℃以下では,図4のグラフに示
すように,他の酸化物と比較して大きいため,ボロメー
タ型赤外線センサに用いるには優れた材料である。
(TiOx )薄膜は比抵抗が0.01Ωcmとボロメー
タ材料としては適当な値であるが抵抗の温度変化率(T
CR)は−0.2%/Kと小さいという問題点がある。
酸化バナジウム(VO2 )薄膜の室温での比抵抗は約1
0Ωcm,室温でのTCRは約−3.5%である。これ
はボロメータ材料としては非常に優れた特性を有してい
る。
O2 )は,約70℃で金属−半導体転移が起こるため高
温領域で使用するボロメータ型赤外線センサ材料として
は不適当である。この転移は,結晶の構造変化によるも
のであって,変形を伴うことが知られている(光石:エ
レクトロセラミックス(1974)第44頁,参照)。
二酸化バナジウム(VO2 )は,定温相においてはV4+
が2個ずつ対をなした単斜晶系で半導体的性質を,高温
相においてはV4+が等間隔にC軸方向に並んだルチル構
造(正方晶系)で金属的性質を示す。図5に図4に示し
た二酸化バナジウム(VO2 )の低温相におけるX線回
折パターンを示す。このパターンは,JCPDS(Join
t Comittee on Powder Diffraction Standard)カードに
おける43−1051のパターンによく一致する。
をボロメータ型赤外線センサに用いると,約70℃以下
では問題ないが,それ以上の温度では使用できない。ま
た,転移点において,構造変化による体積変化を伴うた
め,約70℃以上までを対象とした温度サイクル試験を
行うと,クラックや剥離の原因となり,信頼性が低くな
るという問題点が生じる。
ジウムの中で二酸化バナジウム(VO2 )と同程度の比
抵抗の温度変化率を有し,かつ氷点下温度から100℃
を超える温度範囲まで結晶構造の変化を伴わない,つま
り金属−半導体転移を起こさない酸化バナジウム薄膜を
ボロメータ型赤外線センサ用材料として用いることによ
りクラックも剥離も起こさず,かつ100℃以上の高温
まで使用できる酸化バナジウム薄膜とそれを用いたボロ
メータ型赤外線センサとを提供することにある。
ータ型赤外線センサに用いる酸化バナジウム薄膜におい
て,前記酸化バナジウムをVOx と表したときにxの範
囲が1.875<x<2.0を満たすことを特徴とする
酸化バナジウム薄膜が得られる。
ム薄膜において,−30℃〜130℃の範囲において,
金属−半導体転移を伴なわず,且つ−1%/Kを超える
25℃での比抵抗の温度変化率を備えていることを特徴
とする酸化バナジウム薄膜が得られる。
いずれかの酸化バナジウム薄膜を半導体基板上に形成し
てなることを特徴とするボロメータ型赤外線センサが得
られる。
本発明における酸化バナジウム薄膜は,X線回折によっ
て調べるとJCPDSカードにおける31−1438の
二酸化バナジウム(VO2 )に一致する。しかしこれ
は,先の図4及び図5に示した二酸化バナジウム(VO
2 )とは明らかに異なるものである。一般に,酸化バナ
ジウムは,不定比酸化物となり得るので,本発明におけ
る酸化バナジウムは,JCPDSカードには「二酸化バ
ナジウム」と示されているが,本発明における酸化バナ
ジウムをVOx と表したときのxは二酸化バナジウムに
おける2からは若干外れている可能性がある。しかし,
酸化バナジウムでx=1.875(V8 O15)の場合は
二酸化バナジウムの結晶構造,比抵抗の温度特性とは明
らかに異なるマグネリ相と呼ばれる相として知られてい
るので,xの値はこれよりも大きいことは確かである。
の還元処理条件よりも高い温度(450℃)で還元処理
を行った場合には,V2 O3 単相膜となる。反対に低い
温度(350℃)で還元処理を行った場合には,典型的
なVO2 (JCPDS43−1051)が現れることか
ら,本発明における酸化バナジウムをVOx と表したと
きにxの値は2よりも小さいと推定される。
て図面を参照して説明する。
ム薄膜を以下の方法によって製造した。
面)上に,熱酸化膜を200nm形成し,その(Si/
SiO2 基板)上に酸化バナジウム薄膜をゾルゲル法ま
たはスパッタ法で100nm形成し,さらに拡散炉で酸
素を流しながら450℃で1時間熱処理することによっ
て五酸化バナジウム(V2 O5 )薄膜を得た。形成した
V2 O5 膜を拡散炉中でアルゴン−水素混合ガス(水素
30%)を0.51/min流しながら400℃で8時
間還元処理を行った。還元された酸化バナジウム薄膜の
同定のためにX線回折を行った。図1は得られた酸化バ
ナジウム薄膜のX線回折パターンを示している。
ジウム薄膜の表面に,銀ペーストで電極を形成し,これ
を恒温槽に入れて槽内の温度を−30℃〜130℃まで
変化させながら4端子法で薄膜の抵抗値の温度依存性を
求めた。
の温度依存性を示している。図2に示すように,−30
℃〜130℃の温度範囲で単調に増加する傾向を示して
いる。
200℃での酸化バナジウム薄膜の回折パターンを測定
し,結晶構造の変化を調べた。その結果を図3に示す。
された本発明の実施の一形態による酸化バナジウム薄膜
について説明する。また,先に述べた図4及び図5は二
酸化バナジウム薄膜のX線回折パターンおよび抵抗の温
度特性の文献値を示しているが比較のために参照する。
一形態による酸化バナジウム薄膜は,室温での比抵抗が
約0.2Ωcm,抵抗の温度変化率(TCR)は−1.
6%/Kであった。一方,図4からスパッタ法で作製し
た比較例に係る二酸化バナジウム(VO2 )薄膜の室温
での比抵抗は約10Ωcm,室温でのTCRは約−3.
5%であることがわかる。しかし,図4から,VO2 薄
膜では65℃付近に金属−半導体転移があり,抵抗が約
3桁変化している。
ける酸化バナジウム薄膜は,−30℃から130℃まで
金属−半導体転移に伴う比抵抗の急激な変化は現れてい
ない。また,図3からは,200℃では他のピークが現
れているものの20℃〜150℃まで回折ピークに図5
と差がないことがわかる。
る酸化バナジウム薄膜は,JCPDS31−1438か
らはVO2 とされているが,70℃付近に金属−半導体
転移を有するVO2 薄膜とは明らかに異なるといえる。
における酸化バナジウム薄膜は,VO2 薄膜よりも比抵
抗はおよそ2桁小さいもののTCRは近い値になってい
る。また,ボロメータ型赤外線センサ材料によく使用さ
れる酸化チタン(TiOx )薄膜におけるTCRと比較
してもおよそ1桁大きい。さらに,−30℃から130
℃という幅広い温度範囲で急激な比抵抗の変化がなくT
CRが直線的に変化する。
形態における酸化バナジウム薄膜は,Si/SiO2 基
板上に作製した厚さ約100nmの酸化バナジウム薄膜
において,−25℃〜130℃の範囲で金属−半導体転
移を伴わなずかつ25℃での比抵抗が0.2Ωcm,お
よび室温での比抵抗の温度変化率が−1.6%/Kとい
う値が得られた。これによってボロメータ型赤外線セン
サ,特に氷点下温度から100℃以上で使用でき,かつ
高温での信頼性に優れた材料を得ることができる。
バナジウム薄膜は,酸化数が未同定であるものの優れた
ボロメータ型赤外線センサ材料であるといえる。
は,酸化バナジウムの中で二酸化バナジウム(VO2 )
と同程度の比抵抗の温度変化率を有し,かつ氷点下温度
から100℃を超える温度範囲まで結晶構造の変化を伴
わない,つまり金属−半導体転移を起こさない酸化バナ
ジウム薄膜をボロメータ型赤外線センサ用材料として用
いることによりクラックも剥離も起こさず,かつ100
℃以上の高温まで使用できる酸化バナジウム薄膜とそれ
を用いたボロメータ型赤外線センサとを提供することが
できる。
薄膜の室温におけるX線回折パターンである。参考のた
めにVO2 (JCPDS43−1058,31−143
8),マグネリ相(V8 O15)(JCPDS18−14
48)のピーク位置を示した。
薄膜の比抵抗の温度特性を示す図である。
薄膜の20℃〜200℃におけるX線回折パターンであ
る。
VO2 薄膜の比抵抗の温度特性(文献値)を示す図であ
る。
ーンを示す図(文献値)である。
Claims (3)
- 【請求項1】 ボロメータ型赤外線センサに用いる酸化
バナジウム薄膜において,前記酸化バナジウムをVOx
と表したときにxの範囲が1.875<x<2.0を満
たすことを特徴とする酸化バナジウム薄膜。 - 【請求項2】 請求項1記載の酸化バナジウム薄膜にお
いて,−30℃〜130℃の範囲において,金属−半導
体転移を伴なわず,且つ−1%/Kを超える25℃での
比抵抗の温度変化率を備えていることを特徴とする酸化
バナジウム薄膜。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載の酸化バナジウム薄
膜を半導体基板上に形成してなることを特徴とするボロ
メータ型赤外線センサ。
Priority Applications (2)
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US08/754,140 US5801383A (en) | 1995-11-22 | 1996-11-22 | VOX film, wherein X is greater than 1.875 and less than 2.0, and a bolometer-type infrared sensor comprising the VOX film |
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JPH09257565A JPH09257565A (ja) | 1997-10-03 |
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- 1996-03-27 JP JP8071983A patent/JP2786151B2/ja not_active Expired - Lifetime
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