JPH0377031A - 輻射波検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱電対型の輻射波検出素子に関し、特に異な
った極性を有する薄膜半導体の多層構造を用いて形状の
小さな熱電対を高集積化させた高感度型の輻射波検出素
子に関するものである。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕従来の
熱電対型の輻射波検出素子は、光パワーを全黒等の輻射
波吸収膜で吸収し、かつ該輻射波吸収膜で発熱させ、近
接して設けられた半導体薄膜あるいは金属薄膜よりなる
熱電対の熱電効果を利用して輻射エネルギーを検出する
素子で、その検出感度が波長の如何にかかわらず一定と
なることから紫外線から遠赤外線に至る基準用の輻射エ
ネルギーの検出素子として用いられている・、しかし、
量子型の輻射波検出素子に較べて輻射エネルギーの検出
レベルが低く、かつ応答速度が遅いという欠点を有する
反面、出力信号が直流電圧として得られること並びに波
長の感度補正が不要なこと等から、高感度化への期待は
大きい。

この輻射エネルギーの検出感度を高める方法としては、
（１）ゼーベック係数および導電率が共に大きな熱電材
料を用いる方法、（２）検出部の熱抵抗を大きくすると
ともに熱容量の小さな熱電対保持部材を用いる方法、（
３）光パワーを吸収する光吸収膜の吸収効率を高める方
法、（４）熱電対の対数を高める方法、などが用いられ
ている。

熱電対の材料用の薄膜には、従来よりゼーベック係数並
びに導電率の大きな半導体薄膜が用いられて冬た。

この半導体薄膜の形成方法としては、例えば気相成長法
、プラズマＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、光励起ＣＶＤ法、真
空蒸着法等がある。

また輻射波吸収膿における光パワーの吸収効率は、Ｎｉ
Ｐ黒体や全黒薄膜を用いれば、はぼ１００％に近いもの
が得られる。したがって、熱電対型の輻射波横田素子に
おける光パワーの検出感度を高める方法としては、（１
）ゼーベック係数と導電率の共に大きな半導体薄膜の形
成方法、及び、（２）熱抵抗の大きな逆凹部構造のウェ
ッブの形成方法　の改着に泳方がそモがれてきた。

（１）　　前者くＤゼーベック係数と導電率ω共に大島
な半導体薄膜の形成方法とし″（は、真空蒸着法、スパ
ッタ法に代表される薄膜堆積法等が用いられている。し
かし２、最近では、プラズ７　ＣＶ　Ｄ法や光ＣＶ　Ｉ
）法によって段好な半導体薄膜が形成できるこ上が確認
されている。例えば、同一発明者、同一出願人による熱
電対装置（特願昭５７−５２８０７号）７シリコン・ゲ
ルマニウム混晶薄膜導電体（特願昭６０−１８６９００
号）及びゲルマニウム簿膜ｎ形導電体及びをの製造方法
（特願平１．−７７７５５号）に開ボされている大きな
導電率と大きなゼーへニック係数とを併せ有する良好な
アモルファス′ｙ４膜としてのフッ素入りアモルファス
シリコンｔ、シリコン・ゲルマニウム混晶薄膜導電体及
びゲルマニウム薄膜ｎ形導電体たかある。

（２）抜性の熱抵抗の大きな逆回部構造のつｊラフの形
成方法占しては、シリコン結晶半導体基板９研磨あるい
はエツチングにより該基板の厚みを数μｍ程度に極薄脱
化する方法が用いられている。

その他、絶縁性基板上に酸化シリコン膜（Ｓｔｏｗ）と
酸化アルミニューム１ｌｌ（ＡＬ工Ｏ１）を交互に堆積
させ、該絶縁性基板をエツチング等により除去した酸化
シリコン膜（Ｓｉｎ、）と酸化アルミニューム膜ｃ　Ａ
ＬｉＯｚ　）とから成る多層薄膜を用いる方法があり、
熱抵抗を大きくし、かつ、熱容量の小さな熱電対保持部
材としては、機械的強度を考慮すればほぼ性能限界に近
いものが得られている（輻射波検出素子とその製法（特
願昭６１−１１３２３６号））。

以上に述べた形成方法のほか、光パワーセンサに用いる
熱電対の対数を多くし、熱電対を多段に直列に接続する
方法も、感度を高める方法としては有効である。実際、
出力信号は対数に比例するので熱電対の対数を場やすこ
とが最も有効で、従来の素子では３２対とかの多対のも
のも用いられている。従来の薄膜熱電対は、第６図に示
すように熱電対１６を槽底するｆｉｌ膜１２．１３に導
電率の大きな金属、薄膜（例えば、ビスマス薄膜やアン
チモン薄膜）を用いているので同一平面上に互いに分離
して配列しても熱電対の内部抵抗は小さく、したがって
、対数を多くしても全体としてＱ）素子抵抗はそれ程大
きくならなかった。しかしながら１．ゼベック係数の大
きな半導体薄膜を用いるときは金屑薄膜はど導電率は大
きくない。なお、第６図において、１１は基板９１２は
アンチ千ン薄膜、１３はビスマス薄膜、Ｉ４は金魚をそ
れぞれホ１゜したがって、熱電対の対数をふやすために
熱電対形状の小形化を図ろうとした場合、必然的に熱電
対の形状比（長さ７幅〉が大きくなり、内部抵抗は増大
する。これを避けるために膜厚をＩＸＥ：していたが段
差が厚くなり、段切れ等の問題が生じていた。この素子
抵抗の増大は熱抵抗ノイズの増加を招き、必ずしも対数
の増加に見合った感度向上が得られないｋいう欠点があ
った（文献二′ＡＬａｓｅｒ　　Ｍｉｃｒｏｃａｌｏｒ
ｉｎｉｅｔｅｒ’、ＩＥＥＥ　　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯ
ＮＳＯＮ　　ｌＮ５ＴＲＬＩ？１ＥＮＴＡＴｉＯＮ　　
ＡＮＤ　　ＭＥＡＳＵＲＥＭ巳ＮＴ、νＯＬ、１Ｍ−１
６，Ｎｏ。３．　ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ１９６７ＰＰ２１
２〜２１９）。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、以上述べた従来の熱電対型の輻射波検出素子
の欠点を解消するため高感度型の輻射波検出素子を実現
するもので、ゼーベック係数の大きな薄膜半導体を用い
て複数の熱電対を構威し、従来の輻射波検出素子が複数
の熱電対をカスケト（従属）接続していたのと異なり、
極性の異なったｐ形及びｎ形半導体薄膜を絶縁膜を介し
て互いに層状に重ねることとした。こうして作られる熱
電対の形状比を小さくし、しかも半導体薄膜の膜厚増加
に伴う前記した段切れをなくすことにより、熱電対の小
形化を図ると共に、素子抵抗を増大させることなく複数
の熱電対のもつ効果を利用した輻射波検出素子を実現す
る。

〔実施例〕

第１図及び第２図は本発明に係る高感度型の輻射波検出
素子の一実施例の構造を示し、較正用抵抗体を組み込ん
だものであり、第３図〜第５図は本発明に係る高感度型
の輻射波検出素子の他の一実施例の構造を示す。ここで
、第１図及び第３図は平面図を、第２図は第１図のｖＡ
ｘ−ｘ”での断面図を、第４図及び第５図は第３図の線
ｘ−ｘ’での断面図をそれぞれ示す、なお、本実施例の
説明では１通常用いられることが多い較正用抵抗体を組
み込んだものについて主として説明を行う。

第１図及び第２図に示される輻射波検出素子１０は、絶
縁性基板１と該絶縁性基板１の一方の表面上の中心部に
設けられた較正用薄膜抵抗体２と、該較正用薄膜抵抗体
２の両端に設けられた入出力用端子２ａ＋　２ｂと、該
較正用薄膜抵抗体２に接し、かつ、覆うように設けられ
た輻射波吸収体３とを備えた。

他方の表面上には、複数の熱電対を設ける。この熱電対
の温接点部は、輻射波を吸収して温度が上昇した輻射波
吸収体３と熱的に結合するように同心円状に配置して設
けられる。　すなわち、薄膜半導体から成る複数の第１
の部材４ａ＋　４ｂ＋　４ｃ＋４ｄと、第１の部材４ａ
、　４ｂ、　４ｃ、　４ｄの一端で温接点部４ａａ、　
４ｈａ、　４ｃａ＋　４ｄａを除いた部分を覆うように
設けられた絶縁膜６と、絶縁膜６を介して電気的に絶縁
され、かつ、第１の部材４ａ、　４ｂ、　４ｃ４ｄ上に
同心円状に設けられた薄膜半導体から成る複数の第２の
部材５ａ、　５ｂ、　５ｃ、　５ｄとを重ねて形威し、
複数の熱電対７ａ、　７ｂ、　７ｃ、　７ｄを作り、こ
れらの熱電対をカスケード状に接続する電極９ａ。

９ｂ、　９ｃを設ける。較正用薄膜抵抗体２には直流又
は低周波の電流を流してジュール発熱させ、所定の電力
を消費させて、この輻射波検出素子の感度の較正を行う
。

第３図及び第４図の実施例は、第１図及び第２図の実施
例から較正用薄膜抵抗体２とその入出力用端子２ａ、　
２ｂを取り除いたものであり、その他の構造は同じで、
記号番号も共通である。

なお、第５図の実施例は、輻射波吸収体３を熱電対を覆
うように設けたものである。較正用薄膜抵抗体２を備え
るときは、輻射波吸収体３をそれに熱的に近く結合した
方がよいが、較正用薄膜抵抗体２を備えないときは、輻
射波吸収体３を熱電対に熱的に近く結合した方が感度が
向上する。

この方式にまり熱電対の接合部すなわち、温接点部４ａ
ａ、　４ｈａ、　４ｃａ＋　４ｄａは層状に重ね合わせ
られるので、膜厚を厚くしても、従来の問題点であった
段切りをなくすことができた。また、形状比は少なくと
も１７２以下に抑えることができた。図示の実施例では
２層であるが、３層以上とすることもできる。絶縁性基
板１としては、機械的強度が大きく、かつ、熱伝導性の
大きなセラミック系基板、例えばアルξすや窒化アルミ
ニウム粉末の焼結体を母材とした基板が用いられる。薄
膜抵抗体２としては、温度係数が小さな窒化タンタル薄
膜やニクロム薄膜が用いられる。輻射波吸収体３として
は光吸収率が大きく、かつ、波長依存性の小さな　Ｎｉ
Ｐ黒体や全黒が用いられる。

熱電対を構成する第１の部材４ａ、　４ｂ、　４ｃ、　
４ａ及び第２の部材５ａ、　５ｂ、　５ｃ、　５ｄすな
わち、ｐ形半導体薄膜及びｎ形半導体薄膜としては同一
発明者、同一出願人により出願された熱電対装置（特願
昭５７−５２８０７号）に述べられているところのフッ
素入りアモルファスシリコン半導体薄膜あるいはシリコ
ン・ゲルマニウム混晶薄膜導電体（特願昭６０−１８６
９００号）、微結晶相を含むアモルファス薄膜導電体（
特願昭６０−２９９４６５号）、ゲルマニウム薄膜ｎ形
導電体（特願平１−７７７５５号）を用いる。

絶縁性薄膜６には、半導体薄膜のエツチング用に使われ
るエツチング液（フッ酸、硝酸、酢酸の混合液）に腐蝕
されないシリコン窒化膜（ＳｉＮｘ）や二酸化シリコン
（ＳｉＯｚ）の多層膜、あるいはアルミナと酸化シリコ
ンの多層膜が用いられる。

複数の熱電対を１カスケード状に接続する電極９ａ、９
ｂ、９ｃには、ＮｔＣｒ／Ａｕ薄膜やＣｒ／Ｐｔ薄膜が
用いられる。

以Ｆ、輻射波検出素子の製法について述べる。

絶縁性基板１であるアルミナ基板等を有機溶剤、純水等
の洗浄剤を用いて洗浄し、クリーンオーブン等で十分に
乾燥した（乾燥工程）後、該乾燥した絶縁性基板１上に
プラズマＣＶＤ法あるいは光ＣＶＤ法を用いて同一発明
者、同−出願人により出願された熱電対装置（特願昭５
７−５２８０７号）に掲載のフッ素入りアモルファスシ
リコン半導体薄膜あるいはシリコン・ゲルマニウム混晶
薄膜導電体（特願昭６０−１８６９００号）、微結晶相
を含むアモルファス薄膜導電体（特願昭６０−２９９４
６５号）等のいずれかをρ形（又はｎ形）アモルファス
薄膜２として堆積する。

次に、ホトエツチング技術を用いて所望のＰ形（又はｎ
形）アモルファス薄膜のパターン４　ａ　＋　４　ｂ　
＋４ｃ、４ｄを形成（パターン形成工程）した後、層間
絶縁用薄膜を形成する。この眉間絶縁用薄膜としては、
光ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法等による窒化シリコンと
二酸化シリコン多層膜やイオンブレテング法によるアル
ξすと酸化シリコン多層膜を用いる。引き続き、所望の
形状にバッファフッ酸等を用いてパターン形成を行う。

続いて、同様にｎ形（又はｐ形）半導体薄膜堆積、パタ
ーン形成、カスケード用及び出力用電極堆積・パターン
形成を行う。

次に、反対側表面に、較正用薄膜抵抗体２と電極９ａ、
９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅを順次、スパッタ法、真空蒸着
法等を用いて堆積する。

この場合、薄膜抵抗体材料としては、窒化タンタル、ニ
クロム等が、また上記電極９ａ　、　９ｂ、　９ｃ、　
９ｄ＋９ｅとしては、アルミニウム、ニクロム／金１　
クロム／金が優れている。

パターン形成には、ホトエツチング技術を用いる。続い
て真空蒸着法やメツキ技術・エツチング技術を用いて輻
射波吸収体３を形成する。

以上、熱電対は、４対の場合について説明したが、対数
が増えた場合でも同様に構成することができる。

〔発明の効果］ 本発明は、熱電対を構成する極性の異なったｐ形半導体
薄膜及びｎ形半導、体薄膜を、絶縁膜を介して互いに層
状に重ねることにより、熱電対の小形化を画り、しかも
素子抵抗を増やさないようにしたことにより高感度型の
輻射波検出素子が実現でをたので各種の光パワーを高精
度に計測可能で産業上の利用効果は顕着である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明に係る輻射波検出素子の構造に
ついての一実施例を示し、そのうち第１図と第３図は平
面図を、第２図は第１図の線ＸＸ”での断面図を、第４
図及び第５図は第３図の線Ｘ−Ｘ“での断面図をそれぞ
れ示す。第６図は従来の輻射波検出素子の模式図を示す
。 図において、１は絶縁性基板、２は較正用薄膜抵抗体、
、２ａ、２ｂは入出力用端子、３は輻射波吸収体、４ａ
４ｂ、４ｃ、４ｄは第１の部材、４ａａ＋４ｈａ、４ｅ
ａ、４ｄａは温接点部、５ａ、　５ｂ、　５ｃ、　５ｄ
は第２の部材、６は絶縁膜、７ａ、７ｂ、７ｃ、　７ｄ
は熱電対、９ａ、９ｂ、９ｃは電極、９ｄ、９ｅは出力
用電極をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 絶縁性基板（１）の一方の表面に設けられた輻射波吸収
   体（３）と、該輻射波吸収体とその温接点部を熱的に結
   合して該絶縁性基板上に設けられた複数の熱電対（７ａ
   、７ｂ、７ｃ、７ｄ）とから成る熱起電力を利用した輻
   射波検出素子において、 該複数の熱電対は、該絶縁性基板上に形成された薄膜半
   導体でなる第１の部材（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）と、
   該第１の部材の少なくとも温接点部を除いた部分を覆う
   ように設けられた絶縁膜（６）と、該絶縁膜を介して該
   第１の部材上に形成された薄膜半導体でなる第２の部材
   （５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）とから成ることを特徴とす
   る輻射波検出素子。