JP5019305B2 - ダイヤモンド紫外線センサー - Google Patents
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対応)とかなり大きく、ドーパント(不純物)が添加されていない真性状態において絶縁
体として振舞うことが知られている。単結晶薄膜を成長させる方法は、実質的に炭素及び
水素を含む雰囲気、例えば、CH4(メタン)とH2(水素)ガスを用いたマイクロ波励起プ
ラズマ気相成長法が開発(特許文献1)されており、工業的に広く普及している。また、
マイクロ波励起プラズマ気相成長法においてドーパントとしてB(ボロン)を添加するこ
とによって、p型(主たるキャリアが正孔)の電気伝導性を制御することも広く行われて
いる。
め、成長させたダイヤモンド単結晶膜表面には、実質的に水素で覆われた表面であること
が知られている。即ち、表面には炭素原子(C)の未結合手が水素原子(H)によって結
合終端されたC−H分子構造が存在し(以後「水素化」と呼ぶ)、この水素化に伴ってダ
イヤモンド表面近傍のダイヤモンド内には主たるキャリアの正孔が表面近傍(2nm以内
)に局在した表面伝導層が発生していることが知られている。この表面電気伝導層は、ア
ンドープ及びボロンドープの(100)および(111)面単結晶薄膜、及び多結晶薄膜
においても同様に存在することも知られている。
伝導層は、(1)200℃程度までは安定に存在し、(2)水素化されたダイヤモンド表
面にのみ発生していることがわかっている。表面の結合水素を除去する溶液処理(酸化処
理と呼ぶ)、例えば、沸騰させた硫酸・硝酸混合液中に浸す処理を施すことによって、こ
の表面伝導層は消滅することも知られている。
を検出する、いわゆるショットキー型光センサー素子としては、波長400nmから65
0nm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AlxGa1−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。
を通して、ショットキー性電極直下の半導体表面近傍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、電圧印加したシ
ョットキー性電極直下の半導体表面近傍に発生する外部電場によって、このキャリアを走
行させることによる光電流量の変化を検出するものである。
且つくし型電極構造を持つ金属−半導体−金属構造(MSM)型素子、およびショットキー
性電極とオーム性電極の2種類の異なった電極から構成されるショットキー型素子が広く
使われているが、本発明においても、少なくとも一つのショットキー性電極を利用して紫
外線を検出する方式を採用している。
には、多結晶ダイヤモンド薄膜の表面伝導層を受光部に用い、第1層電極にTi、第2層電
極にAu用いたMSM型の光伝導型センサー素子において、200nmの紫外線照射に対して
0.03A/Wの検出感度を達成しているものが記載されている。また、非特許文献2に
は、酸化処理を施すことによって表面伝導層を除去した多結晶ダイヤモンド膜を受光部に
用い、更に第1層電極にTi、第2層電極にAu用いたMSM型の光伝導型センサー素子におい
て、200nmの紫外線照射に対して、0.02A/Wの検出感度を得ているものが記載
されている。また、非特許文献3には、整流性電極としてAu、およびオーム性電極として
Ti/Ag/Au(ここで、“/”記号は堆積順序を示す)を多結晶ダイヤモンド薄膜上に形成し
たショットキー型のセンサー素子において、検出感度は不明であるが200nmと600
nm光照射時の可視光ブラインド比が5桁であるものが記載されている。
(100)及び(111)配向薄膜と表面の結合水素を除去した表面を受光部に利用した
ダイヤモンド紫外線センサー素子に関する技術であり、検出感度が実用化には不十分であ
る。特許文献3は、ダイヤモンドの表面伝導層を受光部に利用したダイヤモンド紫外線セ
ンサー素子であり、その検出感度波長は可視光域全体にわたる特性を持っており、ダイヤ
モンドのバンドギャップ内の欠陥準位を利用した光伝導型センサー素子であり、250n
m以下の紫外線を選択的に検出することはできない。
なくも1V以上の印加電圧が必要であり、印加電圧が無い(ゼロV)時には紫外線を検出す
ることができない欠点を持っている。
ために必ず印加電圧が必要であり、印加電圧が無くても、即ちゼロ電圧であっても紫外線
を検出することはできなかった。
しつつ、極めて膜厚の薄い高融点金属のカーバイド化合物又は窒化物をショットキー性電
極に用いることによって、印加電圧ゼロVであっても波長280nm以下の紫外線に対す
る受光感度を持つダイヤモンド紫外線センサーを提供するものである。
っても受光部に照射される波長260nm以下の紫外線を検出し、波長400nm以上の
可視光の検出感度が極めて小さい光センサー素子、その光センサー素子を用いた火炎セン
サー及び紫外線センサーである。紫外線センサー素子は、光伝導型、pn型、pin型、
及びショットキー型が既に工業化されている。本発明は、この中でも2端子電極を持つシ
ョットキー型センサー素子に関するものである。
ショットキー性電極に高融点金属元素のカーバイド化合物又は窒化物を単一層として用い、オーム性電極にダイヤモンドと反応することによってカーバイド又は炭素との固溶体を形成することができる単一金属を用いた構造を持ち、ショットキー性電極の単一層の厚さが10nm以下であることを特徴とする電圧ゼロで駆動するダイヤモンド紫外線センサー、である。
終端表面を酸化処理して形成された表面であることを特徴とする請求項1、2、および3
のいずれかに記載の電圧ゼロで駆動するダイヤモンド紫外線センサー、である。
ロであっても光電流を発生させることができる電池機能を持っており、且つ印加電圧がゼ
ロ電圧においても波長220nmの紫外線と波長400から600nmの可視光に対する
受光感度の比(可視光ブラインド比と呼ぶ)5桁を達成している。
ドに対するショットキー性電極においては、例えば、単一層のWC(厚さ5nm)高融点金
属元素のカーバイド化合物を用い、オーム性電極においては、例えば、ダイヤモンドとの
反応性金属であるTi層(厚さ50nm)を用いている。紫外線はWCショットキー性電極層
を通して直下のダイヤモンド内で受光されるため、WC単一層の厚さは厚すぎると紫外線が
吸収されてしまうため、10nm以下の厚さが好ましい。また実施例において用いるマグ
ネトロンスパッタリング法では、WC薄膜を連続膜として堆積させるには少なくとも厚さ3
nm必要であるから、実用上はWCショットキー電極の厚さは3nm以上とすればよい。
属カーバイド化合物や窒化物を単一層として用いる必要がある。電流―電圧特性が線形関
係となるオーム性電極としては、熱処理によってダイヤモンドと反応可能な単一金属元素
であることが必要である。
件でよく、反応可能な単一金属は、この熱処理の結果カーバイド又は炭素との固溶体をダ
イヤモンドと電極との接合界面近傍に形成する。オーム性電極を得るためには、ダイヤモ
ンドと接合する金属が、熱処理によってダイヤモンドと反応した結果、カーバイドを形成
できる金属(以下カーバイド形成金属と呼ぶ)又は炭素との固溶体を形成できる金属(以
下固溶体形成金属と呼ぶ)、即ち反応可能な単一金属であればよく、実施例では、例えば
カーバイド形成金属としてTi(チタン)を使っている。
状態図データから判断することが可能である。熱処理温度は異なるものの、カーバイド形
成金属としては、例えばZr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、およびW等が上げられる。また固溶
体形成金属としては、熱処理温度に依存するもののNi、 Pt、 Co、 及びPdが上げられる
。
素)を原料ガスとして用いるマイクロ波励起プラズマ気相成長法によって、高圧合成させ
たダイヤモンド(100)又は(111)面単結晶基板上にエピタキシャル成長させるこ
とによって得られる。
れた表面伝導層が存在するため、沸騰させた硫酸・塩酸溶液処理によってダイヤモンドの
水素終端表面の酸化処理を行い、表面伝導層を除去したダイヤモンド表面を受光部および
電極との接合界面に用いる。ショットキー性電極及びオーム性電極ともに、電極との接合
界面は表面伝導層を除去したダイヤモンド表面を用いる。
性電極を形成したショットキー型センサー素子において、波長220〜600nmの紫外
線および可視光線をこのショットキー性電極を通してダイヤモンド/金属に照射すること
によって、印加電圧ゼロVでも紫外線に対する受光感度を持ち、且つ可視光ブラインド比
5桁を実現する。
照射された紫外線によって発生したキャリアが、ショットキー性電極直下のダイヤモンド
表面近傍に形成されている空間電荷領域中の電場によって走行することにより、光電流が
流れることによる。ダイヤモンド/金属接合界面に自然発生する電場を利用しているため
、印加電圧がセロであっても紫外線検出が可能である。
線に対する光応答特性を測定した。
エピタキシャル単結晶膜2は、CH4(メタン)を原料ガス、及びH2(水素)を希釈用
キャリアガス、更に1Vol(0.01)%水素希釈B(CH3)3(トリメチルボロン
)をドーパントBの原料ガスとして用いたマイクロ波励起プラズマ気相成長法によって、
高圧合成法によって作製された長さ2.5×幅2.5×厚さ0.5mmの窒素含有量がI
bクラスであるダイヤモンド(100)単結晶基板1上に厚さ0.7μm成長させた。
、及びマイクロ波パワー360W、更にCH4流量500sccm、CH4/H2濃度比
0.08%(vol)、及びB(CH3)3/CH4濃度比3(vol)ppm、成長時間は1
0時間であった。
よび塩酸混合溶液中に15分間浸すことによって酸化処理を施した後、超純水にてオーバ
ーフロー洗浄された。その後アセトン及びイソプロピルアルコールそれぞれの溶液中で超
音波洗浄され、フォトリソグラフィー法によって、図1の3および図2の3に示すTi電極
の作製のためのレジストのパターニングが行なわれた。
ト材のスパッタリングからTi層(厚さ50nm)を堆積させ、リフトオフ法により、Ti
電極を形成した。その後、Ar雰囲気中において600℃、1時間の熱処理を施すことによ
ってオーム性電極を形成した。
および図2の4に示すWC電極のレジストのパターニングが行われた。その後、同様にスパ
ッタリング法によってWC層(厚さ5nm)を堆積させ、リフトオフ法によりWCショトキー性
電極を形成した。
WC電極の直径(図1および図2の2Lに相当する)は400μmであった。
ャンバー内にセットされ、チャンバー内はターボ分子ポンプによって0.1Paの真空度
に維持された。I−V特性は2端子法によって測定された。光応答特性は、分光器を通し
て220から600nmの範囲で単色化されたキセノンランプからの放射光を、石英窓を
通して上記紫外線センサー素子に照射することによって測定された。
す。波長280nm以下において波長の減少とともに指数関数的な受光感度の増加が見ら
れる。可視光ブラインド比は5桁が得られている。
としており、ゼロバイアスにおいて動作するダイヤモンドセンサー素子を製造することが
できなかった。本発明により、印加電圧が無い場合においても十分動作可能なダイヤモン
ド紫外線センサーが開発された。
を持つ。従って、工業用燃焼炉、ガスタービンエンジン、並びにジェットエンジン等の燃
焼制御モニター、及び火災報知器と連動した炎探知機用の火炎センサー、更にシリコン大
規模集積回路作製プロセスに使われるステッパー露光装置や紫外線照射装置内の紫外線セ
ンサーに応用され、新たな紫外線センサー素子の市場が切り開かれる。
2:ダイヤモンド単結晶膜
3:オーム性電極
4:ショットキー性電極
Claims (4)
- 受光部材料の電気抵抗の変化又は光電流の変化によって、受光部に照射される光を検出する、2端子電極を持つショットキー型光センサー素子であって、
表面伝導層を除去したダイヤモンド表面を電極との接合界面に用い、ショットキー性電極に高融点金属元素のカーバイド化合物又は窒化物を単一層として用い、オーム性電極にダイヤモンドと反応することによってカーバイド又は炭素との固溶体を形成することができる単一金属を用いた構造を持ち、ショットキー性電極の単一層の厚さが10nm以下であることを特徴とする電圧ゼロで駆動するダイヤモンド紫外線センサー。 - 受光部材料の電気抵抗の変化又は光電流の変化によって、受光部に照射される光を検出する、2端子電極を持つショットキー型光センサー素子であって、
表面伝導層を除去したダイヤモンド表面を電極との接合界面に用い、少なくとも1つの電極において、ダイヤモンド表面に接触する電極層が、高融点金属元素のカーバイド化合物又は窒化物から構成され、ショットキー性電極の単一層の厚さが10nm以下であることを特徴とする電圧ゼロで駆動するダイヤモンド紫外線センサー。 - 受光部材料の電気抵抗の変化又は光電流の変化によって、受光部に照射される光を検出する、2端子電極を持つショットキー型光センサー素子であって、
表面伝導層を除去したダイヤモンド表面を電極との接合界面に用い、少なくとも1つの電極において、ダイヤモンドと反応することによってカーバイド又は炭素との固溶体を形成することができる単一金属を用いた構造を持ち、ショットキー性電極の単一層の厚さが10nm以下であることを特徴とする電圧ゼロで駆動するダイヤモンド紫外線センサー。 - 表面伝導層を除去したダイヤモンド表面がダイヤモンドの水素終端表面を酸化処理して形成された表面であることを特徴とする請求項1、2、および3のいずれかに記載の電圧ゼロで駆動するダイヤモンド紫外線センサー。
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