JPH10142045A

JPH10142045A - 紫外線検出器

Info

Publication number: JPH10142045A
Application number: JP30527996A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Suyama; 本比呂須山; Hiroyuki Hanai; 博之花井; Kazuyoshi Okano; 和芳岡野; Koichiro Oba; 弘一郎大庭
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1998-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】特定の波長領域の紫外線の照射量を積分値と
して検出でき、紫外線の検出が電源を供給なしで可能な
小型の紫外線検出器を提供する。【解決手段】紫外線検出器１は、紫外線検出装置３、
容器４とを備え、装置３は容器４上に固定される。紫外
線検出装置３の各電極は、容器４に設けられた取り出し
ピン６、７等へワイヤー９によりボンディングされ、検
出器外部からの測定に利用される。紫外線検出装置３
は、２個の紫外線検出素子を有する。この紫外線検出素
子は、照射された紫外線を積算量として検出するＥＰＲ
ＯＭ型の半導体素子である。特定波長を選択的に透過さ
せる紫外線フィルタが、一方の紫外線検出素子の上に形
成されている。したがって、これら２個の紫外線検出素
子のドレイン電流を測定して求めた蓄積電荷の差は、フ
ィルタの有無による紫外線量の積分値の差を示す。適当
なフィルタを使用すれば、日射センサに応用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外線検出器に関
し、特に、人体に照射される紫外線量を検出する日射セ
ンサとして利用される小型の紫外線検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術としては、プラズマ反応処理方
法に用いる紫外線検出器が、特開昭６３−３１６４３９
号公報に開示されている。この検出器では、紫外線の検
出に、ＥＰＲＯＭ型の不揮発性半導体記憶素子を用いて
いる。この素子は、シリコン酸化膜で周囲を囲まれたフ
ローティングゲート（以下、ＦＧゲートという）を有す
るＭＯＳ半導体素子である。この半導体素子を、プラズ
マ反応雰囲気に触れる位置に取り付けて、プラズマ反応
の終わった後にＦＧゲートに蓄えられた電荷の消去量を
測定して、入射した紫外線のエネルギーの強度を評価し
ている。

【０００３】このような素子では、紫外線がＦＧゲート
で吸収されると、電子が放出されることを利用してい
る。つまり、ＦＧゲートに電子を注入し、電子が蓄積さ
れた状態を初期状態とする。この素子に放射線が照射さ
れて、ＦＧゲートが放射線を吸収すると、酸化膜のエネ
ルギ−障壁を越えることができる程に電子が励起されて
ＦＧゲートから基板へ放出される。ＦＧゲートの電子が
減少すると、ＭＯＳ半導体素子のしきい値電圧が変動す
るので、この変動値から紫外線の被爆量を測定するので
ある。

【０００４】また、紫外線検出器には、フォトダイオー
ドもある。このフォトダイオードは、バンドギャップの
大きい半導体を用いて形成されているので、紫外線のみ
に感度を有し、また照射された紫外線量の瞬時値を出力
する。この種の半導体材料としては、ＧａＡｓＰ結晶や
ＳｉＣ結晶等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記公報に開
示された紫外線検出器では、照射された紫外線総量は評
価できるが、特定波長の紫外線の照射量と紫外線総量と
を比較することはできない。例えば、日射センサとして
利用する場合を考える。波長３２０［ｎｍ］〜３８０
［ｎｍ］の領域の紫外線（以下、紫外線Ａ域という）
と、３００［ｎｍ］程度の紫外線（以下、紫外線Ｂ域と
いう）とを比較すると、紫外線Ａ域に比べて紫外線Ｂ域
のほうが人体に大きな影響を与えると言われている。し
たがって、この場合には、紫外線の総照射量を評価する
だけでなく、紫外線Ｂ域の割合も評価することも重要な
のである。

【０００６】フォトダイオードからなる紫外線検出器で
は、次のような問題点があった。まず、照射紫外線の瞬
時値しか検出できないので、日射センサとして使用する
場合には、積分回路を外部に追加する必要がある。ま
た、紫外線センサおよび積分回路を常時動作させておく
ために、紫外線の検出中に電源を供給しなければならな
い。したがって、電源を供給できない用途には使用でき
ない。更に、積分回路を常時動作せるために、余分な電
力が必要である。

【０００７】従って、本発明の目的は、複数の波長領域
において紫外線の照射量を積分値として検出でき、紫外
線の検出が電源を供給することなく可能な小型の紫外線
検出器を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は次のよ
うな構成とした。

【０００９】本発明に係わる紫外線検出器は、基板上に
並置された第１の紫外線検出素子および第２の紫外線検
出素子と、第１の紫外線検出素子を覆う紫外線フィルタ
と、を備え、第１の紫外線検出素子および第２の紫外線
検出素子は、それぞれ、第１導電型のチャネル領域を挟
んで第２導電型のソース領域および第２導電型のドレイ
ン領域が形成された半導体層と、この半導体層上に形成
されたシリコン酸化膜と、チャネル領域を覆いシリコン
酸化膜上に形成されたフローティングゲートと、フロー
ティングゲートを露出しつつフローティングゲートと容
量結合する制御電極と、を有する。

【００１０】このように、ＦＧゲートが絶縁されている
ため、ＦＧゲート中に電荷を蓄積して、保持できる。ま
た、ＦＧゲートをチャネル上に形成したので、ＦＧゲー
トの電位によりチャネルの導電率を変調できる。更に、
ＦＧゲートが制御電極から露出するようにしたので、紫
外線をＦＧゲートに導入できる。したがって、紫外線の
照射量に応じて、ＦＧゲートに蓄積された電荷がＦＧゲ
ート外に放出される。つまり、紫外線の照射量の積分値
に応じて、チャネル導電率が変調される。また、ＦＧゲ
ートに容量結合する制御電極を設けたので、制御電極の
電位によりＦＧゲートの電位を制御して、ＦＧゲートの
電荷変化量を検出できる。更に、第１の紫外線検出素子
上に紫外線フィルタを設けたので、特定波長の紫外線を
選択して、ＦＧゲートに照射できる。したがって、フィ
ルタの有無によって、照射紫外線の総量だけでなく、特
定波長の紫外線を照射量を選択的に評価できる。

【００１１】本発明に係わる紫外線検出器は、紫外線検
出素子が、ソース領域およびドレイン領域のいずれか一
方とフローティングゲートに挟まれた対面領域と、対面
領域のシリコン酸化膜内に形成され、且つトンネル電流
を流すトンネル酸化膜と、を更に備えているようにして
もよい。

【００１２】このように、対面領域内にトンネル酸化膜
を形成したので、ＦＧゲートに電荷を注入するときにト
ンネル酸化膜を通過するトンネル電流を利用できる。こ
のため、ドレイン電流を流して高エネルギー電子を発生
させないので、省電力化できる。

【００１３】本発明に係わる紫外線検出器は、基板が半
導体基板であり、第１の紫外線検出素子および第２の紫
外線検出素子が、半導体基板上にモノリシックに形成さ
れているようにしてもよい。

【００１４】このように、紫外線検出素子を同一半導体
基板上に形成すると、これらの素子は相対精度よく形成
されるので、動作特性が非常に近似する。したがって、
特定の波長領域の紫外線を検出するときに、検出の相対
精度を向上できる。

【００１５】本発明に係わる紫外線検出器は、紫外線フ
ィルタが、露出したフローティングゲート上に誘電体膜
を１層または多層に積層して形成されているようにして
もよい。

【００１６】このように、誘電体膜を用いて紫外線フィ
ルタを形成できれば、紫外線検出素子の製造プロセスと
の相性がよい。また、誘電体膜の膜厚を調整すれば、日
射センサに好適なフィルタを形成できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明を説明する。また、同一の部分には同一の符号を付
して、重複する記載を省略する。

【００１８】（第１の実施の形態）図１は、本発明の紫
外線検出器の斜視断面図である。この紫外線検出器１
は、紫外線検出装置３と、金属製ステム４と、収納キャ
ップ（図示せず）とを備えている。収納用キャップは紫
外線を透過する材料で形成されている。

【００１９】紫外線検出装置３は、２個の紫外線検出素
子を同一半導体基板上に有しており、それぞれの素子は
照射された紫外線を積算して検出するシリコン半導体素
子である。この装置３は、導電性接着剤により金属製ス
テム４上に固定さ、収納キャップにより封止されてい
る。各電極は金属ステム４上に設けられた取り出しピン
６、７、８、１１、１２、１３にワイヤー９を用いてボ
ンディングされているので、紫外線検出器の外部から紫
外線検出装置３の状態を電気的に測定できる。なお、引
き出しピン６、７等は、絶縁部材１０により金属ステム
４から絶縁されている。

【００２０】このような紫外線検出器１は、紫外線検出
装置３が半導体素子で形成されているので、小型化でき
る。したがって、携帯に便利である。

【００２１】図２および図３は、紫外線検出装置の製造
工程の一例を示した工程断面図である。これらを用い
て、紫外線検出装置３の製造方法を説明する。なお、図
２および図３において、それぞれの紫外線検出素子は、
切断面に対して対称に形成されている。

【００２２】半導体基板は、Ｐ型シリコン基板（以下、
基板という）２０を使用する（図２（ａ））。以下、基
板２０上にＮ型紫外線検出装置を形成する場合を説明す
る。

【００２３】まず、基板２０の上面表層の活性領域外に
チャネルストップ層２２とフィールド酸化膜２４を形成
する（図２（ｂ））。これら半導体層２２、酸化膜２４
は、基板上にレジストを塗布し、マスクを用いて露光
し、現像して所定領域のレジストを除去するフォトリソ
グラフィ技術を用いて、次の方法により形成できる。基
板２０のシリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を堆積し、
フォトリソグラフィ技術を用いて活性領域以外のシリコ
ン窒化膜をエッチングにより除く。続いて、ホウ素（Ｂ
⁺）のイオン注入を行って基板２０表層にＰ型不純物を
導入する。この後、酸化炉で酸化を行うと、シリコン窒
化膜が存在しない基板表面が酸化されて、活性領域以外
の領域にフィールド酸化膜２４と、その下にチャネルス
トップ層２２が形成される。この後、残されたシリコン
窒化膜を除去する。

【００２４】次に、ＦＧゲート２６を形成する（図２
（ｃ））。ＦＧゲートは、ゲート酸化膜をチャネル部に
形成した後に、ポリシリコンを基板２０全体にＣＶＤ法
で堆積し燐拡散を行った後に、フォトリソグラフィ技術
を用いてパターンを形成しエッチングして形成する。こ
の後に、酸化炉にて酸化して、ＦＧゲートの周囲を良質
の酸化膜で覆う。ＦＧゲート２６は、後の工程で形成さ
れるソース拡散領域およびドレイン拡散領域に面して、
チャネル領域上に形成される。このように形成すると、
ＦＧゲートの電位によってチャネル領域の導電率を変調
することができる。なお、チャネル領域上とは、ソース
拡散領域およびドレイン拡散層領域が対向する間のゲー
ト酸化膜上をいう。

【００２５】続いて、ソース拡散領域・ドレイン拡散層
領域となる高濃度のＮ型半導体層２８を基板表層の活性
領域内に形成する（図３（ａ））。このＮ型半導体層２
８は、燐（Ｐ⁺）を用いてイオン注入により、ＦＧゲー
ト２６およびフィールド酸化膜２４に対して自己整合的
に形成されることが好ましい。このような高濃度の拡散
層は、後の工程で形成されるメタル電極３４とのオーム
性接触を形成するために利用される。

【００２６】次に、制御電極３０を形成する（図３
（ｂ））。制御電極３０は、ポリシリコンを基板２０全
体にＣＶＤ法で堆積し燐拡散を行った後に、フォトリソ
グラフィ技術を用いてパターンを形成しエッチングして
形成される。この後に、酸化炉にて酸化して、制御電極
の周囲を１００［ｎｍ］程度の酸化膜で覆う。制御電極
３０は、シリコン酸化膜を挟んで、ＦＧゲート２６に対
面して形成される。このようにすると、制御電極３０
は、シリコン酸化膜厚と対面する面積によって決まる静
電容量値にてＦＧゲート２６と容量結合する。

【００２７】その後、メタル電極３４を形成する（図３
（ｃ））。まず、メタル電極３４とソース・ドレイン拡
散層領域２８および制御電極３０とを接続するために、
コンタクト用のＶｉａホールを異方性エッチングにより
酸化膜に開孔する。基板２０全面にメタルを堆積し、フ
ォトリソグラフィ技術によってパターンを形成しエッチ
ングして、メタル電極３４を形成する。加工が容易なの
で、メタルはアルミニウムを用いることが好ましい。こ
れにより、紫外線検出素子Ｌ、紫外線検出素子Ｒの２個
が形成された。

【００２８】更に、紫外線検出素子Ｌの露出したＦＧゲ
ート上に紫外線フィルタを形成する（図３（ｃ））。紫
外線フィルタ３１は、露出したＦＧゲート上のシリコン
酸化膜上にシリコン窒化膜を形成して構成する。このシ
リコン窒化膜は、ＣＶＤ法で堆積し、フォトリソグラフ
ィ技術によってパターンを形成し、エッチングして形成
できる。紫外線フィルタは、酸化膜を挟み、且つ露出し
たＦＧゲート上に接して形成してもよい。また、露出し
たＦＧゲート２６の表層を覆って形成してもよい。この
ように同一基板上に紫外線フィルタを形成すると、素子
の一方のみに選択的にフィルタを透過した紫外線を照射
できる。このようにして構成した紫外線フィルタの特性
については後述する。

【００２９】以上説明した方法により、紫外線検出素子
Ｌ、Ｒを２個有した紫外線検出装置３（図３（ｃ））が
製造できる。これら素子は、基板２０上に形成され、絶
縁されたゲート電極をＦＧゲート２６として有するＮ型
ＭＯＳ半導体素子と、このゲート電極２６と容量結合し
た制御電極３０とを備え、ＦＧゲート２６の少なくとも
一部は制御電極３０から露出している構造を有する。ま
た、このように、２個の素子Ｌ，Ｒを同一基板上に形成
すると、これらの素子は相対精度よく形成されるので、
動作特性が非常に近似している。したがって、複数の波
長領域の紫外線の検出するとき、検出の相対精度を向上
できる。更に、１個当たりの素子面積が２００μｍ²程
度なので、２個以上の素子を同一基板上に形成しても、
紫外線検出装置を小型にできる。このような紫外線検出
素子の主要部の寸法は、例えば、ＦＧゲート２６のチャ
ネル長３μｍ、制御電極長１μｍ、チャネル幅１５μｍ
程度の値が好適である。

【００３０】なお、このような構造の半導体素子は、Ｅ
ＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌ
ｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）型の不揮発性
半導体記憶素子として知られている。この記憶素子で
は、制御電極３０はコントロールゲートと呼ばれてい
る。

【００３１】図４は、上記の製造方法にて構成した紫外
線フィルタの特性図であり、横軸に入射光の波長、縦軸
に反射係数を示した。条件１ではＦＧゲート２６上に１
００［ｎｍ］のシリコン酸化膜を形成し、条件２ではこ
のシリコン酸化膜上に更に１００［ｎｍ］のシリコン窒
化膜を形成して、それぞれの反射係数をシミュレーショ
ンで求めた。シミュレーションでは、空気の屈折率１に
対して、波長に対するそれぞれの物質の屈折率を、波長［ｎｍ］窒化膜酸化膜シリコン２８０２．０８０１．４９４６．３００３００２．１５０１．４８７５．０１２３２０２．１３０１．４８３５．０２６３４０２．１１０１．４７８５．２３１とした。この結果、条件２では、波長３００［ｎｍ］程
度で紫外線の反射係数が減少している。一方、波長３３
０［ｎｍ］以上の領域では、反射係数はほとんど条件１
と変わらない。つまり、この紫外線フィルタを用いれ
ば、波長３００［ｎｍ］程度に高い感度をもつ紫外線検
出素子が得られる。したがって、紫外線フィルタを有し
ない紫外線検出素子と組み合わせれば，波長３００［ｎ
ｍ］程度の紫外線の照射量を評価できる。すなわち、こ
のフィルタは、紫外線Ｂ域の割合の評価に好適なフィル
タとなっている。したがって、日射センサに応用でき
る。

【００３２】このような光学フィルタは、特定波長の紫
外線のみが透過する特性を有している。主に、不要な波
長領域を反射する反射型フィルタ、あるいは不要な波長
領域を吸収する吸収型フィルタが用いられる。また、光
の干渉を利用する干渉型フィルタを用いてもよい。な
お、紫外線フィルタは、この例に限られるものではな
く、膜厚を変更すれば、多様なフィルタを構成できる。
また、紫外線フィルタは収納容器に配置されていてもよ
い。

【００３３】制御電極はポリシリコンで形成されている
ので、シリコンのバンドギャップ以上のエネルギーの光
は透過できない。そこで、ＦＧゲート２６の少なくとも
一部は制御電極３０から露出していれば、３７６［ｎ
ｍ］以下の紫外線でもＦＧゲート２６に直接に到達す
る。露出領域の面積は、検出感度がよいので、大きい方
が好ましい。

【００３４】図５は、上述の紫外線検出素子とは異なる
構造の素子である。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は
Ａ−Ａ’断面図、図５（ｃ）はＢ−Ｂ’断面図である。
この構造の素子では、ソース拡散領域２８およびドレイ
ン拡散領域２８とは独立したＮ型半導体層３２を制御電
極として基板２０上の表層に形成し、制御電極３２上に
酸化膜を挟んでＦＧゲート２６を配置して、制御電極３
２をＦＧゲート２６と容量結合させている。このように
すると、ＦＧゲートの上面が全て露出されるので、紫外
線を効率よくＦＧゲート２６に導入できる。

【００３５】図６は、シリコンとシリコン酸化膜の界面
の電子のエネルギー図である。図示のように、シリコン
の伝導帯からシリコン酸化膜の伝導帯までの障壁は、
３．２ｅＶである。また、ＦＧゲート２６はポリシリコ
ンで形成され、また周囲をシリコン酸化膜で覆われてい
る。したがって、ＦＧゲート２６は、３．２ｅＶの障壁
で周囲を囲まれている。つまり、電子をＦＧゲートに蓄
積させ、またはＦＧゲートから放出させるためには、
３．２ｅＶ以上のエネルギーを電子に与えなくてはなら
ない。

【００３６】図７（ａ）は紫外線検出素子の断面図であ
り、図７（ｂ）は容量モデルを表した等価回路図であ
る。図７を用いて、紫外線検出素子の動作原理について
説明する。図７（ａ）に示すように、紫外線検出素子
は、基板２０上に形成されたソース拡散領域４２と、ド
レイン拡散層領域４４と、絶縁されたＦＧゲート２６と
を有するＭＯＳ半導体素子と、ＦＧゲートと容量結合し
た制御電極３０とを備える。ＦＧゲート２６直下のチャ
ネル領域には、ソース拡散領域４２側から反転層４６が
形成されている。このとき、制御電極３０とＦＧゲート
２６間の静電容量値をＣ₁とし、ＦＧゲートと反転層４
６間の静電容量値をＣ₂とすると、紫外線検出素子は、
図７（ｂ）に示すような等価回路でモデル化できる。こ
の等価回路は、Ｃ₁とＣ₂の直列接続で構成される。制御
電極３０の電位をＶ_CG、ＦＧゲート２６の電位をＶ_FG、
反転層４６内の電位をＶ_B＝０［Ｖ］とし、ＦＧゲート
２６に蓄積されている電荷量をＱとすれば、Ｖ_FG＝Ｖ_CG×Ｒ＋Ｑ／（Ｃ₁＋Ｃ₂）（式１）但し、Ｒ＝Ｃ₁／（Ｃ₁＋Ｃ₂）となる。特に、Ｑ＝０ならば、Ｖ_FG＝Ｖ_CG×Ｃ₁／（Ｃ₁＋Ｃ₂）（式２）となり、Ｖ_FGはＶ_CGに加えられた電圧を容量値に応じて
分割した値になる。

【００３７】また、ＦＧゲート２６から見たＭＯＳ半導
体素子のしきい値電圧をＶ_t0、制御電極３０から見たＭ
ＯＳ半導体素子のしきい値電圧をＶ_tとすれば、（式
１）より、Ｖ_t0＝Ｖ_t×Ｒ＋Ｑ／（Ｃ₁＋Ｃ₂）つまり、Ｖ_t＝Ｖ_t0／Ｒ＋△Ｖ（式３）但し、△Ｖ＝−Ｑ／Ｃ₁ （式４）となり、電荷Ｑが蓄積されているとき、制御電極から見
たしきい値の変動分△Ｖは−Ｑ／Ｃ₁となる。つまり、
制御電極から見たしきい値電圧が電荷量Ｑに応じて変化
する。したがって、電荷量Ｑに応じてドレイン電流が変
化する。なお、Ｎ型紫外線検出素子では、ＦＧゲートに
電子が蓄積されると、しきい値Ｖ_tは正の方向に変化す
る。

【００３８】紫外線検出素子はＦＧゲート２６に電荷を
蓄積させて使用する。以下、ＦＧゲートに電荷を蓄積す
ることを初期化という。図８は、初期化モードでの回路
接続図である。紫外線検出素子５０において、ドレイン
電極５０ａおよび制御電極５０ｂにそれぞれドレイン電
源Ｖ_D５２および制御電極Ｖ_G５４を接続し、ソース電極
５０ｃを接地する。Ｖ_D、Ｖ_Gの電圧値は、上記製造方法
にて製造した寸法の素子では、２５Ｖ程度が好適であ
る。なお、この電圧は、紫外線検出素子のチャネル長に
対応して好適値が存在する。

【００３９】初期化は、以下の順序で行われる。紫外線
検出素子５０に上記電圧を加えると、（式２）により、
ＦＧゲートの電位は２５×Ｃ₁／（Ｃ₁＋Ｃ₂）［Ｖ］に
なる。このため、ＦＧゲートの電位はしきい値電圧Ｖ_t0
より高くなるので、チャネル部には反転層４６（図７
（ａ））ができて、ドレイン電流が流れる。また、ドレ
イン電極には、２５Ｖが加えられているで、チャネル部
を流れる電子の一部は十分に加速されてシリコン酸化膜
の障壁３．２ｅＶより高いエネルギーを持つようにな
る。一方、ＦＧゲートはチャネル部より電位が高いの
で、ＦＧゲートからチャネル部に向いた引き込み電界が
生じる。高エネルギーの電子は、この電界によりＦＧゲ
ート側に引き込まれて、ＦＧゲートに電子が徐々に蓄積
されていく。ＦＧゲート２６に電子が蓄積されると、Ｆ
Ｇゲート２６の電位も徐々に低くなる。（式３）によれ
ば、しきい値電圧Ｖ_tが高くなるので、ドレイン電流が
減少し、結果として高エネルギーの電子数も減少する。
また、チャネル部の引き込み電界も小さくなる。したが
って、ＦＧゲート２６の電子数は一定値に落ちつく。こ
れにより、初期化が終了する。この結果、ＦＧゲートに
は、電子がＱだけ蓄積される。

【００４０】図９は、紫外線検出素子の制御電極の電圧
Ｖ_CGとドレイン電流Ｉ_Dとの関係を示した特性図であ
り、縦軸にドレイン電流、横軸に制御電極の電圧を示
す。特性Ａは初期化前の紫外線検出素子の状態、特性Ｂ
は初期化後の紫外線検出素子の状態、特性Ｃは紫外線照
射を受けた紫外線検出素子Ｒの状態、特性Ｄは紫外線照
射を受けた紫外線検出素子Ｌの状態をそれぞれ表す。△
Ｖは、（式４）に示されたものであり、初期化によるし
きい値Ｖ_tの変化分である。△Ｖ_C、△Ｖ_Dは、紫外線照
射によるしきい値Ｖ_tの変化分である。

【００４１】紫外線検出器が感度を有する波長域は、３
７６［ｎｍ］以下である。これは、シリコンに対するシ
リコン酸化膜のエネルギー障壁を電子が越えるために必
要な３．２ｅＶに相当する。

【００４２】紫外線の検出は、以下の順序で行われる。
入射した紫外線が酸化膜を透過してＦＧゲート２６に到
達し吸収されると、電子がこのエネルギーを獲得して、
シリコン酸化膜の障壁３．２ｅＶ（図６参照）より高い
エネルギーを持つ。一方、ＦＧゲートには電子が蓄積さ
れているので、ＦＧゲートは負に帯電している。このた
め、シリコン基板および制御電極からＦＧゲートに向い
た放出自己電界が存在する。したがって、高エネルギー
の電子はＦＧゲートから放出され、ＦＧゲートから電子
が減少していく。（式３）によれば、ＦＧゲート２６か
ら電子が減少していくと、ＦＧゲート２６の電位も高く
なる。このため、しきい値電圧Ｖ_tが低くなるので、ド
レイン電流は増加する。つまり、ドレイン電流の変化量
は、ＦＧゲートが吸収した紫外線の積分値を表してい
る。紫外線照射を受けた紫外線検出素子の状態は、図９
の特性Ｃ、Ｄで表される。初期化状態からの変動量△Ｖ
_C、△Ｖ_Dは、電荷の変動量△Ｑ_C、△Ｑ_Dとすると、 △Ｖ_C＝−△Ｑ_C／Ｃ₁ （式５） △Ｖ_D＝−△Ｑ_D／Ｃ₁ （式６）で表される。

【００４３】このように紫外線の検出は、紫外線が入射
すると自己電界によりＦＧゲートから基板等へ電子が放
出されて起こるので、外部から電圧を加えなくても起こ
る。したがって、本発明の紫外線検出器は、電源がなく
ても紫外線の検出ができる。

【００４４】図１０は、ドレイン電流を測定するための
測定モードでの回路接続図である。図１０を用いて、電
荷の変化量△Ｑ_C、△Ｑ_Dを検出する方法を説明する。電
荷の変化量は、紫外線検出素子に流れるドレイン電流を
測定することにより検出できる。紫外線検出装置６０に
おいて、ドレイン電極６０ａおよび制御電極６０ｂにそ
れぞれドレイン電源Ｖ_D６２および制御電極電源Ｖ_G６４
を接続し、ソース電極６０ｃを接地する。また、ドレイ
ン電極とＶ_Dの間には、ドレイン電流を測定するために
電流計６６が接続されている。電流の測定は、Ｖ_D、Ｖ_G
を所定値に固定して行う。測定したドレイン電流値の変
化分から△Ｖ_C、△Ｖ_Dを求める。Ｃ₁の概略値は紫外線
検出装置の幾何学的形状から求められるので、（式
５）、（式６）を用いれば、△Ｑ_C、△Ｑ_Dを決定でき
る。なお、Ｖ_D、Ｖ_Gの電圧値は、上記製造方法にて製造
した寸法の素子では、Ｖ_D＝５Ｖ、Ｖ_G＝１０Ｖ程度が好
適である。なお、これらの電圧も紫外線検出素子のチャ
ネル長に対応して好適値が存在する。

【００４５】これを日射センサに応用するには、図４に
示した紫外線フィルタを備えた紫外線検出素子を利用す
る。紫外線検出素子Ｌ，Ｒは近接配置されているので、
両者には等量の紫外線が照射される。したがって、△Ｑ
_C、△Ｑ_Dの差はフィルタ特性の差である。そこで、紫外
線検出素子Ｌ，Ｒのドレイン電流をそれぞれ測定して△
Ｑ_C、△Ｑ_Dを求める。△Ｑ_Cと△Ｑ_Dの差を求めれば、全
照射紫外線量に加えて、紫外線Ｂ域の照射量も評価でき
る。従来、このようなことを行うためには、紫外線Ｂ域
のみを通過させる高価なフィルタを用いるより方法がな
かった。しかし、以上説明したような紫外線検出装置３
を用いれば、容易に実現できる。また、、３種以上の複
数の異なるフィルタを持つ紫外線検出素子を使用すれ
ば、複数の波長領域に照射された紫外線量をそれぞれ検
出できる。

【００４６】図１１は、紫外線検出器に照射された紫外
線量の検出法を示した模式図である。紫外線検出器１の
引き出しピン６、７等を被爆量測定装置１４の対応する
接続ジャック１６、１７等に合わせて挿入して、紫外線
検出素子のドレイン電流を電流計１９で測定すれば、紫
外線被爆量が測定できる。したがって、携帯して、数時
間おきに被爆量測定装置１４に接続すれば、被爆紫外線
量をその場所で把握できる。また、時計などに組み込ん
で、必要なときにスイッチを入れて全紫外線量を確認す
るような応用も可能である。

【００４７】また、本発明に使用した紫外線検出素子
は、ＦＧゲートに蓄積された電荷を放出させることによ
り、紫外線の検出を行うものであるから、所定量の電荷
がＦＧゲート内に蓄積されていれば使用できる。つま
り、本発明の紫外線検出器は、初期化を再度行えば、繰
り返し使用できる。

【００４８】なお、Ｎ型紫外線検出素子を用いた場合に
ついて説明したが、Ｐ型紫外線検出素子の場合も原理的
には同じである。

【００４９】以上、複数の紫外線検出素子を同一半導体
基板上に形成した場合について説明したが、紫外線検出
装置３は異なる半導体基板上に紫外線検出素子を形成し
たものでもよい。図１２は、このような紫外線検出器の
斜視断面図である。この紫外線検出装置３は、異なる基
板上に形成された同種の紫外線検出素子を２個を用いて
構成されている。紫外線フィルタは、一方の紫外線検出
素子上のみ形成すればよいので、一方の基板全面に紫外
線フィルタを形成できる。

【００５０】（第２の実施の形態）以上、第１の実施の
形態により、ＥＰＲＯＭ型の紫外線検出装置を用いた紫
外線検出器について説明した。しかし、紫外線検出装置
３は、ＥＰＲＯＭ型素子のように高エネルギー電子を初
期化に利用するものに限られない。

【００５１】図１３（ａ）はＥＥＰＲＯＭ型の紫外線検
出素子の平面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）の
Ｃ−Ｃ’断面の斜視断面図である。この紫外線検出素子
は、基板２０上に形成されたＮ型ソース拡散領域３７お
よびＮ型ドレイン拡散層領域３９と、Ｎ型ソース拡散領
域３７とＮ型ドレイン拡散層領域３９との間の基板２０
上に形成されたシリコン酸化膜と、Ｎ型ソース拡散領域
３７およびＮ型ドレイン拡散層領域３９のそれぞれに面
し、チャネル上のシリコン酸化膜中に形成されたＦＧゲ
ート２６と、ＦＧゲート２６の少なくとも一部を露出し
て基板２０上に形成され、ＦＧゲート２６と容量結合す
る制御電極３０とを備え、Ｎ型ソース拡散領域３７は、
ＦＧゲート２６とシリコン酸化膜を挟んで対面する対面
領域を有し、この対面領域内に形成され、トンネル電流
を流すトンネル酸化膜３８を更に備えている。なお、ト
ンネル酸化膜３８の膜厚は、１０［ｎｍ］〜５［ｎｍ］
が好ましい。

【００５２】このように、ソース拡散領域の対向領域内
にトンネル酸化膜３８を形成したので、ＦＧゲート２６
とソース拡散領域３７との間に高電圧を加えると、トン
ネル電流、すなわちファウラ−ノルドハイム（Ｆｏｗｌ
ｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）電流がトンネル酸化膜３８領
域を流れる。

【００５３】図２、図３および図１３を用いて、ＥＥＰ
ＲＯＭ型の紫外線検出装置の製造方法を説明する。

【００５４】図２（ｂ）で示される工程の後に、基板２
０上の活性領域内にソース拡散領域３７を形成する（図
１３（ｂ））。ソース拡散領域３７は、燐（Ｐ⁺）を用
いてイオン注入により形成されることが好ましい。ソー
ス拡散領域３７の一部は、後の工程で形成されるＦＧゲ
ートとシリコン酸化膜を挟んで対面領域を形成する。

【００５５】続いて、トンネル酸化膜３８を形成する
（図１３（ａ））。トンネル酸化膜３８は、フォトリソ
グラフィ技術により対面領域内にあるトンネル膜形成領
域の酸化膜を除去した後に、熱酸化法により酸化して形
成される。

【００５６】トンネル酸化膜３８を形成した後に、ＦＧ
ゲート２６を形成する（図２（ｃ））。ＦＧゲート２６
は、ポリシリコンを基板２０上にＣＶＤ法で堆積して燐
拡散を行った後に、フォトリソグラフィ技術を用いてパ
ターンを形成しエッチングして、形成される。この後
に、酸化炉にて酸化して、ＦＧゲートの周囲を良質の酸
化膜で覆う。ＦＧゲート２６は、トンネル酸化膜３８を
覆い、ソース拡散領域３７およびドレイン拡散層領域３
９のそれぞれに面してチャネル上に形成される。

【００５７】その後、ドレイン拡散層領域として、高濃
度のＮ型半導体層３９を基板表層の活性領域内に形成す
る（図１３（ｂ））。この半導体層３９は、燐（Ｐ⁺）
を用いてイオン注入により、ＦＧゲート２６およびフィ
ールド酸化膜２４に対して自己整合的に形成されること
が好ましい。この後の製造工程は、図３（ｂ）以降の工
程と同じである。このようにして、ＥＥＰＲＯＭ型の紫
外線検出素子が製造できる。

【００５８】なお、本実施の形態では、トンネル酸化膜
をソース拡散領域側の形成した例を説明した。ドレイン
拡散層領域側に形成する場合も同様である。

【００５９】次に、この紫外線検出装置の初期化につい
て、図７（ｂ）のモデルを適用して説明する。ソース電
極を接地して制御電極に高電圧を加えると、（式２）に
よりＦＧゲート２６の電位が高くなる。このため、ＦＧ
ゲート２６からソース拡散領域３７側に向けてファウラ
−ノルドハイム電流がトンネル酸化膜３９領域で流れ
る。これによりＦＧゲート２６に電子が注入されるの
で、紫外線検出素子が初期化される。

【００６０】この紫外線検出素子を２個用いて、一方の
上に紫外線フィルタを形成すれば、紫外線検出器が構成
される。なお、この検出器の紫外線検出方法および使用
方法は、第１の実施の形態の紫外線検出器と同様なの
で、説明を省略する。

【００６１】以上、第１の実施の形態および第２の実施
の形態において、紫外線検出器に使用する紫外線フィル
タは、図４に示した特性のものに限られない。図１４
は、干渉型フィルタの特性の一例を示したものであり、
縦軸に透過率、横軸に波長を示す。このような紫外線フ
ィルタの製造方法を概説する。フィルタ設定波長をλと
する。なお、フィルタ設定波長λとは、例えば、３００
［ｎｍ］である。まず、高屈折率の材料と低屈折率の材
料をそれぞれ光学的厚さがλ／４になるように交互に３
層ずつ堆積して、１枚目のミラーを形成する。次に、光
学的厚さがλ／２になるようにＳｉＯ₂を堆積してキャ
ビティを形成する。更に、１枚目のミラーと同一の構造
の２枚目のミラーをこのシリコン酸化膜上に形成する
と、フィルタを構成できる。このフィルタは、ファブリ
−ペロ型干渉計の原理を利用したものである。高屈折率
の材料としてはＺｎＳが好ましく、また低屈折率の材料
としては、ＮａＡｌＦが好ましい。このような薄膜は、
電子ビーム加熱の真空蒸着法を用いて形成できる。

【００６２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よって、特定波長の紫外線を選択的に検出できる小型化
された紫外線検出器を提供できる。また、この検出器
は、紫外線を検出する際に電源が不要なので、携帯に便
利である。更に、電気的に繰り返し初期化できるので、
初期化を再度行えば何度でも繰り返し使用できる。更
に、また、被爆量測定装置に接続すれば、紫外線被爆量
の積分値をどこでも容易に、且つ直ちに把握できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の紫外線検出器の斜視断面図で
ある。

【図２】図２は、紫外線検出素子の製造方法を説明する
ための工程断面図である。

【図３】図３は、紫外線検出素子の製造方法を説明する
ための工程断面図である。

【図４】図４は、紫外線フィルタの特性図である。

【図５】図５（ａ）は紫外線検出素子の平面図、図５
（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、図５（ｂ）はＢ−Ｂ’断面図
である。

【図６】図６は、シリコンとシリコン酸化膜間のエネル
ギー図である。

【図７】図７（ａ）は紫外線検出素子の断面図であり、
図７（ｂ）は紫外線検出素子の容量モデルを示す等価回
路図である。

【図８】図８は、初期化モードでの回路接続図である。

【図９】図９は、紫外線検出素子の制御電極の電圧Ｖ_CG
とドレイン電流Ｉ_Dとの関係を示した特性図である。

【図１０】図１０は、測定モードでの回路接続図であ
る。

【図１１】図１１は、紫外線検出器に照射された紫外線
量の検出方法を示した模式図である。

【図１２】図１２は、本発明の別の紫外線検出器の斜視
断面図である。

【図１３】図１３（ａ）はＥＥＰＲＯＭ型紫外線検出素
子の平面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＣ−
Ｃ’断面の斜視断面図である。

【図１４】図１４は、別の紫外線フィルタの特性図であ
る。

【符号の説明】

１…紫外線検出器、３…紫外線検出装置、４…金属製ス
テム、６、７、８…引き出しピン、１０…絶縁部材、１
１、１２、１３…引き出しピン、１４…被爆量測定装
置、１６、１７…接続ジャック、１９…電流計、２０…
Ｐ型シリコン基板、２２…チャネルストッパ層、２４…
フィールド酸化膜、２６…ＦＧゲート、２８…ソース拡
散領域、ドレイン拡散層領域、３０、３２…制御電極、
３１…紫外線フィルタ、３４…メタル電極、３７…ソー
ス拡散領域、３８…トンネル酸化膜、３９…ドレイン拡
散層領域、４２…ソース拡散領域、４４…ドレイン拡散
層領域、４６…反転層、５０、６０…紫外線検出素子、
５０ａ、６０ａ…ドレイン電極、５０ｂ、６０ｂ…制御
電極、５０ｃ、６０ｃ…ソース電極、５２、６２…制御
電極電源、５４、６４…ドレイン電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大庭弘一郎静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に並置された第１の紫外線検出素
子および第２の紫外線検出素子と、前記第１の紫外線検
出素子を覆う紫外線フィルタと、を備え、前記第１の紫外線検出素子および前記第２の紫外線検出
素子は、それぞれ、第１導電型のチャネル領域を挟んで第２導電型のソース
領域および第２導電型のドレイン領域が形成された半導
体層と、この半導体層上に形成されたシリコン酸化膜と、前記チャネル領域を覆い前記シリコン酸化膜上に形成さ
れたフローティングゲートと、前記フローティングゲートを露出しつつ前記フローティ
ングゲートと容量結合する制御電極と、を有することを
特徴とする紫外線検出器。
【請求項２】前記紫外線検出素子は、前記ソース領域
および前記ドレイン領域のいずれか一方と前記フローテ
ィングゲートに挟まれた対面領域と、前記対面領域の前記シリコン酸化膜内に形成され、且つ
トンネル電流を流すトンネル酸化膜と、を更に備えてい
ることを特徴とする請求項１に記載の紫外線検出器。
【請求項３】前記基板は半導体基板であり、前記第１
の紫外線検出素子および前記第２の紫外線検出素子は、
前記半導体基板上にモノリシックに形成されていること
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の紫外線検
出器。
【請求項４】前記紫外線フィルタは、１層または多層
に誘電体膜を積層して、露出した前記フローティングゲ
ート上に形成されていることを特徴とする請求項１、請
求項２または請求項３に記載の紫外線検出器。