JPH11248531A - Diamond film uv sensor and sensor array - Google Patents
Diamond film uv sensor and sensor arrayInfo
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- JPH11248531A JPH11248531A JP10052548A JP5254898A JPH11248531A JP H11248531 A JPH11248531 A JP H11248531A JP 10052548 A JP10052548 A JP 10052548A JP 5254898 A JP5254898 A JP 5254898A JP H11248531 A JPH11248531 A JP H11248531A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は高品質のダイヤモン
ド膜を使用し、耐熱性を有すると共に、太陽光の影響を
受けない高感度なダイヤモンド膜紫外線センサ及びアレ
イに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-sensitivity diamond film ultraviolet ray sensor and array using a high-quality diamond film, having heat resistance and being not affected by sunlight.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ダイヤモンドはバンドギャップが約５．
５ｅＶと大きく、これが他の半導体材料では得られない
特異な点である。アンドープのダイヤモンドは絶縁体で
あるが、不純物元素のドーピングにより半導体化でき
る。またダイヤモンドは耐熱性が優れており、室温では
物質中最大の熱伝導率を有するので、耐熱性の電子デバ
イス材料としての用途が期待されている。更に、ダイヤ
モンドは絶縁破壊電界が高く、電気絶縁性が優れている
ので、耐電圧性が要求される電子デバイス材料として優
れている。更にまた、ダイヤモンド中の電子及び正孔の
移動度は夫々１８００及び１６００ｃｍ2Ｗ／ｓと大き
く、飽和電子速度も２．７×１０7ｃｍ／ｓと大きいの
で、高速応答が要求される電子デバイス材料としても優
れている。2. Description of the Related Art Diamond has a band gap of about 5.
It is as large as 5 eV, which is a unique point that cannot be obtained with other semiconductor materials. Undoped diamond is an insulator, but can be made into a semiconductor by doping with an impurity element. In addition, diamond has excellent heat resistance, and has the highest thermal conductivity among materials at room temperature, so that it is expected to be used as a heat-resistant electronic device material. Further, diamond has a high dielectric breakdown electric field and excellent electrical insulation properties, and is therefore excellent as an electronic device material requiring withstand voltage. Furthermore, the electron and hole mobilities in diamond are as high as 1800 and 1600 cm 2 W / s, respectively, and the saturation electron velocity is as high as 2.7 × 10 7 cm / s. Excellent as a material.
【０００３】ダイヤモンド膜の気相合成法としては、マ
イクロ波化学気相蒸着（ＣＶＤ）法（例えば、特公昭５
９−２７７Ｓ４、特公昭６１−３３２０）、高周波プラ
ズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、直流プラズマ
ＣＶＤ法、ブラズマジェット法、燃焼法及び熱ＣＶＤ法
などが知られている。天然ダイヤモンド又は高温高圧合
成による単結晶ダイヤモンドに比べて、気相合成法では
膜状のダイヤモンドが大面積及び低コストで得られると
いう特徴がある。As a vapor phase synthesis method of a diamond film, a microwave chemical vapor deposition (CVD) method (for example, Japanese Patent Publication No.
9-277S4, JP-B-61-3320), a high-frequency plasma CVD method, a hot filament CVD method, a direct current plasma CVD method, a plasma jet method, a combustion method, a thermal CVD method and the like are known. Compared to natural diamond or single-crystal diamond synthesized by high-temperature and high-pressure synthesis, the vapor-phase synthesis method is characterized in that film-shaped diamond can be obtained with a large area and at low cost.
【０００４】また、ボロン（Ｂ）原子をドーピングする
ことにより、ｐ型半導体ダイヤモンドを合成する技術は
特開昭５９−１３７３９６に開示されている。A technique of synthesizing a p-type semiconductor diamond by doping boron (B) atoms is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-137396.
【０００５】通常のダイヤモンド膜は粒子がランダムに
配向した多結晶膜である。しかし、合成条件を調整する
ことにより、膜表面のほとんど全ての領域がダイヤモン
ド（１１１）結晶面又は（１００）結晶面から構成され
るダイヤモンド膜を形成することができる。また、基板
に（１００）又は（１１１）方位の単結晶シリコンを使
用し、「バイアス核発生」とよばれる前処理を施すと、
この基板上にはダイヤモンドの（１００）又は（１１
１）結晶面が膜面内で配向した「高配向膜」が合成され
る（M. R. Roesler et al；2nd International Confere
nce on the Applications of Diamond Films and Relat
ed Materials, Ed. M. Yoshikawa et al.,MYU. Tokyo,
1993, pp.691-696）。An ordinary diamond film is a polycrystalline film in which grains are randomly oriented. However, by adjusting the synthesis conditions, it is possible to form a diamond film in which almost all regions of the film surface are composed of a diamond (111) crystal plane or a (100) crystal plane. In addition, when single crystal silicon of (100) or (111) orientation is used for the substrate and a pretreatment called “bias nucleation” is performed,
On this substrate, diamond (100) or (11)
1) A “highly oriented film” with crystal planes oriented in the film plane is synthesized (MR Roesler et al; 2nd International Confere)
nce on the Applications of Diamond Films and Relat
ed Materials, Ed.M. Yoshikawa et al., MYU. Tokyo,
1993, pp. 691-696).
【０００６】基板に白金を用いると、結晶欠陥が少ない
ダイヤモンド膜を合成することができる。更に、基板が
単結晶白金でその表面が白金（１１１）結晶面である場
合には、気相合成によりダイヤモンド（１１１）結晶面
が融合した、単結晶ダイヤモンドに近い高品質のダイヤ
モンド薄膜が合成される。これは高配向膜の一種である
が、「融合膜」といわれている。When platinum is used for the substrate, a diamond film having few crystal defects can be synthesized. Further, when the substrate is single-crystal platinum and the surface thereof is a platinum (111) crystal plane, a high-quality diamond thin film close to a single-crystal diamond, in which diamond (111) crystal planes are fused by vapor phase synthesis, is synthesized. You. This is a kind of highly oriented film, and is called a “fusion film”.
【０００７】ダイヤモンドの電気的特性はダイヤモンド
表面処理により強く影響されることが知られている。ダ
イヤモンド表面を水素プラズマで処理すると、表面に導
電性を帯びる。逆に、表面を酸素プラズマなどで酸化す
ると、電気的絶縁性となることが知られている。[0007] It is known that the electrical properties of diamond are strongly affected by the diamond surface treatment. When the diamond surface is treated with hydrogen plasma, the surface becomes conductive. Conversely, it is known that when the surface is oxidized by oxygen plasma or the like, it becomes electrically insulating.
【０００８】ダイヤモンドはバンドギャップが５．５ｅ
Ｗ（波長では約２２５ｎｍに対応する）であるので、２
２５ｎｍより長波長の光は完全に透過する。太陽光のス
ペクトル、とりわけ可視光領域はその殆どが２２５ｎｍ
より長波長側にあるので、ダイヤモンドにより殆ど吸収
されない。[0008] Diamond has a band gap of 5.5e.
W (corresponding to about 225 nm in wavelength).
Light having a wavelength longer than 25 nm is completely transmitted. Most of the sunlight spectrum, especially the visible light region, is 225 nm
Since it is on the longer wavelength side, it is hardly absorbed by diamond.
【０００９】気相合成により形成した多結晶ダイヤモン
ド膜の紫外線センサとしての応用は、例えば、S. M. Ch
an, phys. stat. solidi.(a), Vol.154, p.445(1996)に
記載されている。基板上にダイヤモンド膜を形成し、こ
のダイヤモンド膜上に、１対の電極を形成し、前記ダイ
ヤモンド膜の表面に紫外線を入射する。そうすると、ダ
イヤモンド膜中で電子及びホール対が生成する。正電極
と負電極との間に直流電圧が印加されているので、この
電界に従って電子及びホールがダイヤモンド中を移動し
て、夫々正電極及び負電極に到達し、電流が発生する。
この電流を検知することにより、入射紫外線量を計測す
る。The application of a polycrystalline diamond film formed by vapor phase synthesis as an ultraviolet sensor is described in, for example, SM Ch.
an, phys. stat. solidi. (a), Vol. 154, p. 445 (1996). A diamond film is formed on a substrate, a pair of electrodes is formed on the diamond film, and ultraviolet rays are incident on the surface of the diamond film. Then, electron and hole pairs are generated in the diamond film. Since a DC voltage is applied between the positive electrode and the negative electrode, electrons and holes move in the diamond according to this electric field, reach the positive electrode and the negative electrode, respectively, and generate current.
By detecting this current, the amount of incident ultraviolet light is measured.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の紫外線センサは、（紫外線照射時の光電流）／（紫
外線非照射時の暗電流）の比で表される紫外線検出感度
が小さいという欠点を有する。また、感度を向上させる
ために電極間に高電圧を印加しようとしても、耐電圧が
低いので、ダイヤモンド膜表面で絶縁破壊が生じるとい
う問題がある。However, this conventional ultraviolet sensor has a disadvantage that the ultraviolet detection sensitivity represented by the ratio of (photocurrent when irradiating ultraviolet light) / (dark current when not irradiating ultraviolet light) is small. Have. Further, even if an attempt is made to apply a high voltage between the electrodes in order to improve the sensitivity, there is a problem that dielectric breakdown occurs on the surface of the diamond film because the withstand voltage is low.
【００１１】ダイヤモンドが有する本来の特性が発揮で
きれば、太陽光に影響されず、高速で応答し、高感度
で、耐熱性が優れた紫外線センサを実現することができ
る。しかしながら、従来技術で作製された紫外線センサ
の特性は、このような機能が十分に発揮されているとは
いえない。これは（１）ダイヤモンドの結晶性（欠陥密
度）及び（２）紫外線センサの構造に主たる問題がある
からである。If the original characteristics of diamond can be exerted, an ultraviolet sensor which responds at high speed without being affected by sunlight, has high sensitivity, and has excellent heat resistance can be realized. However, the characteristics of the ultraviolet sensor manufactured by the conventional technique cannot be said to sufficiently exhibit such a function. This is because there are major problems in (1) the crystallinity (defect density) of diamond and (2) the structure of the ultraviolet sensor.
【００１２】また、紫外線センサに用いるダイヤモンド
膜は表面を絶縁性にするために酸化処理されるが、長時
間の紫外線照射や強い紫外線の照射によって、表面に化
学吸着していた酸素が脱離し、表面が導電性を帯び暗電
流が増加してしまうという問題点がある。The diamond film used for the ultraviolet sensor is oxidized in order to make the surface insulative. Oxygen chemically adsorbed on the surface is desorbed by long-time ultraviolet irradiation or strong ultraviolet irradiation, There is a problem that the surface becomes conductive and dark current increases.
【００１３】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、太陽光に影響されず、応答速度が速く、耐
熱性が優れており、紫外線検出感度が高い実用的なダイ
ヤモンド膜紫外線センサを提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above problems, and is a practical diamond film ultraviolet sensor that is not affected by sunlight, has a high response speed, has excellent heat resistance, and has a high ultraviolet detection sensitivity. The purpose is to provide.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】本発明に係る第１のダイ
ヤモンド膜紫外線センサは、基板と、この基板上に気相
合成により一軸性に配向成長した膜厚が１乃至４０μｍ
のダイヤモンド膜からなる紫外線検出層と、この紫外線
検出層に接触した少なくとも１対の第１電極及び第２電
極とを有することを特徴とする。A first diamond film ultraviolet ray sensor according to the present invention has a substrate and a film thickness of 1 to 40 μm which is monoaxially oriented and grown on the substrate by vapor phase synthesis.
And an at least one pair of a first electrode and a second electrode in contact with the ultraviolet detection layer.
【００１５】本発明に係る第２のダイヤモンド膜紫外線
センサは、基板と、この基板上に気相合成により局所的
に又は全面的にへテロエピタキシャル成長した膜厚が１
乃至４０μｍのダイヤモンド膜からなる紫外線検出層
と、この紫外線検出層に接触した少なくとも１対の電極
とを有することを特徴とする。The second diamond film ultraviolet ray sensor according to the present invention has a substrate and a film thickness of 1 which is locally or entirely heteroepitaxially grown on the substrate by vapor phase synthesis.
It is characterized by having an ultraviolet detection layer made of a diamond film having a thickness of about 40 μm to 40 μm, and at least one pair of electrodes in contact with the ultraviolet detection layer.
【００１６】本発明に係るダイヤモンド膜紫外線センサ
は、基板母材に紫外線を反射する金属薄膜が蒸着された
基板と、この基板上に気相合成により形成された膜厚が
１乃至４０μｍのダイヤモンド膜からなる紫外線検出層
と、この紫外線検出層に接触した少なくとも１対の電極
とを有することを特徴とする。A diamond film ultraviolet sensor according to the present invention comprises a substrate having a base metal on which a thin metal film reflecting ultraviolet light is deposited, and a diamond film having a thickness of 1 to 40 μm formed on the substrate by vapor phase synthesis. And an at least one pair of electrodes in contact with the ultraviolet detection layer.
【００１７】本発明に係る第１のダイヤモンド膜紫外線
センサアレイは、上記本発明に係る紫外線センサが、少
なくとも一方向に複数個並べられていることを特徴とす
る。A first diamond film ultraviolet sensor array according to the present invention is characterized in that a plurality of the ultraviolet sensors according to the present invention are arranged in at least one direction.
【００１８】本発明に係る第２のダイヤモンド膜紫外線
センサアレイは、上記本発明に係る紫外線センサが少な
くとも一方向に複数個並べられて構成された単位構造
を、ダイヤモンド膜の厚さ方向に２回以上繰り返して構
成された積層構造を有することを特徴とする。A second diamond film ultraviolet sensor array according to the present invention comprises a unit structure formed by arranging a plurality of the ultraviolet sensors according to the present invention in at least one direction twice in the thickness direction of the diamond film. It is characterized by having a laminated structure constituted by repeating the above.
【００１９】[0019]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の
実施例に係るダイヤモンド膜紫外線センサを示す模式図
である。基板１上にダイヤモンド膜２が形成されてお
り、ダイヤモンド膜２上には１対の第１電極３及び第２
電極４が形成されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a diamond film ultraviolet sensor according to an embodiment of the present invention. A diamond film 2 is formed on a substrate 1, and a pair of a first electrode 3 and a second
An electrode 4 is formed.
【００２０】紫外線がダイヤモンド膜２の表面に入射す
ると、ダイヤモンド膜２内で電子及びホールの対が生成
する。これを第１電極３及び第２電極４により検出する
ことにより、紫外線を検知することができる。When ultraviolet rays are incident on the surface of the diamond film 2, pairs of electrons and holes are generated in the diamond film 2. By detecting this with the first electrode 3 and the second electrode 4, ultraviolet light can be detected.
【００２１】このデバイス構造は従来の紫外線センサと
同様である。本発明においては、ダイヤモンド膜２が気
相合成により一軸性に配向成長しており、その膜厚が１
乃至４０μｍであることが従来のセンサと異なる。This device structure is the same as that of a conventional ultraviolet sensor. In the present invention, the diamond film 2 is uniaxially oriented and grown by vapor phase synthesis, and has a thickness of 1 mm.
乃至 40 μm is different from the conventional sensor.
【００２２】本発明の課題を解決するためには、先ず、
ダイヤモンドの欠陥密度を低減し、結晶性を向上させる
ことが必要である。このため、本第１実施例において
は、気相合成により基板上に一軸性に配向成長したダイ
ヤモンド膜を紫外線検出層として使用する。一軸性に配
向したダイヤモンド膜中の粒界密度は従来技術で使用さ
れていたような配向がランダムな多結晶膜より著しく小
さい。このため、本実施例のように、一軸性に配向した
ダイヤモンド膜を使用することにより、紫外線受光によ
り生成した電子及びホールがトラップされたり、移動が
妨げられることが少ないので、紫外線検出感度が向上す
る。In order to solve the problem of the present invention, first,
It is necessary to reduce the defect density of diamond and improve the crystallinity. For this reason, in the first embodiment, a diamond film uniaxially grown on a substrate by vapor phase synthesis is used as an ultraviolet detecting layer. The grain boundary density in a uniaxially oriented diamond film is significantly smaller than a randomly oriented polycrystalline film as used in the prior art. For this reason, by using a uniaxially oriented diamond film as in the present embodiment, electrons and holes generated by receiving ultraviolet light are less trapped or hindered from moving, so that the ultraviolet detection sensitivity is improved. I do.
【００２３】なお、紫外線検出感度は膜厚に依存し、図
３に示すように、膜厚が１μｍ未満では感度が低く、膜
厚が１μｍ以上になると感度が著しく増大する。一方、
膜厚が４０μｍを超えると、ダイヤモンド膜の合成に長
時間が必要となり、製造コストが増大する。このため膜
厚は１乃至４０μｍとすることが必要である。The UV detection sensitivity depends on the film thickness. As shown in FIG. 3, when the film thickness is less than 1 μm, the sensitivity is low, and when the film thickness is 1 μm or more, the sensitivity is significantly increased. on the other hand,
When the film thickness exceeds 40 μm, a long time is required for synthesizing the diamond film, and the production cost increases. For this reason, the film thickness needs to be 1 to 40 μm.
【００２４】本発明の第２実施例は、気相合成により局
所的に又は全面的にへテロエピタキシャル成長し、膜厚
が１乃至４０μｍのダイヤモンド膜を紫外線検出層とし
て使用する。このように、ダイヤモンドの結晶性を向上
するための第２の手段は、一軸性よりさらに配向度の高
いニ軸性配向のダイヤモンド、更に望ましくは電流が流
れる方向に粒界が無いか、又は実質上、粒界の無い単結
晶のダイヤモンド膜を紫外線検出層として使用すること
である。このようなダイヤモンド膜は、例えば気相合成
により基板上にへテロエビタキシャル成長させることに
より作製することができる。へテロエピタキシャル・ダ
イヤモンド膜中の粒界密度は、一軸性配向ダイヤモンド
膜よりさらに小さいので、紫外線検出感度が−層向上す
る。In the second embodiment of the present invention, a diamond film having a thickness of 1 to 40 μm, which is locally or entirely heteroepitaxially grown by vapor phase synthesis, is used as an ultraviolet detecting layer. As described above, the second means for improving the crystallinity of diamond is a biaxially oriented diamond having a higher degree of orientation than uniaxiality, and more desirably has no or substantially no grain boundaries in the direction in which current flows. In other words, a single crystal diamond film having no grain boundaries is used as an ultraviolet ray detecting layer. Such a diamond film can be produced, for example, by heteroepitaxial growth on a substrate by vapor phase synthesis. Since the grain boundary density in the heteroepitaxial diamond film is even smaller than that in the uniaxially oriented diamond film, the ultraviolet detection sensitivity is improved by one layer.
【００２５】一軸性配向及び二軸性配向ダイヤモンドの
何れの場合においても、図２に示すように、特にダイヤ
モンド膜表面の５０％以上がダイヤモンド（１００）又
は（１１１）結晶面から向性されている場合は高感度に
なる。In both uniaxially oriented and biaxially oriented diamonds, as shown in FIG. 2, more than 50% of the diamond film surface is oriented from the diamond (100) or (111) crystal plane. If it is, it becomes high sensitivity.
【００２６】基板材料として、所定の基板母材上に白金
又は白金を５０％以上含む合金の薄膜が蒸着されたもの
を用いると、成長するダイヤモンド膜中の欠陥密度が低
くなる。またこの薄膜が白金又は白金を５０％以上含む
合金の（１１１）又は（１００）単結晶薄膜、あるいは
イリジウム又はイリジウムを５０％以上含む合金の（１
１１）又は（１００）単結晶薄膜である場合には、ダイ
ヤモンド膜がへテロエピタキシャル成長し、「融合膜」
とよばれる高配向膜を合成でき、このようなダイヤモン
ド膜中の欠陥密度は一層低くなる。As the substrate material, when a thin film of platinum or an alloy containing 50% or more of platinum is vapor-deposited on a predetermined substrate base material, the defect density in the grown diamond film becomes low. Further, this thin film is platinum or a (111) or (100) single crystal thin film of an alloy containing 50% or more of platinum, or an iridium or (1) of an alloy containing 50% or more of iridium.
In the case of the 11) or (100) single crystal thin film, the diamond film grows heteroepitaxially, and the "fusion film"
A highly-oriented film called “diamond” can be synthesized, and the defect density in such a diamond film is further reduced.
【００２７】特に、基板母材（１１１）又は（１００）
単結晶面を有するチタン酸ストロンチウム又は酸化マグ
ネシウムであれば、白金又はイリジウム単結晶膜を形成
することが容易である。In particular, the substrate base material (111) or (100)
With strontium titanate or magnesium oxide having a single crystal plane, it is easy to form a platinum or iridium single crystal film.
【００２８】基板として（１００）又は（１１１）結晶
面を有する炭化珪素単結晶又は所定の基板母材にコーテ
ィングされた（１００）又は（１１１）結晶面を有する
炭化珪素単結晶膜を使用すれば、（１００）又は（１１
１）配向した高配向膜が成長する。配向がランダムな従
来技術による多結晶膜と比べて、このようなダイヤモン
ド膜中の欠陥密度は小さい。When a silicon carbide single crystal having a (100) or (111) crystal plane or a silicon carbide single crystal film having a (100) or (111) crystal plane coated on a predetermined substrate base material is used as a substrate. , (100) or (11)
1) An oriented highly oriented film grows. The defect density in such a diamond film is lower than that of a conventional polycrystalline film having a random orientation.
【００２９】図４は本発明の第３実施例に係るダイヤモ
ンド膜紫外線センサを示す。本実施例においては、ダイ
ヤモンド膜２と基板１との間に第３電極５が設けられて
いる点が構造上第１実施例及び第２実施例と異なる。こ
の第３実施例においては、第１電極３から第２電極４に
向かう第１電界１１と、第３電極５から第２電極４に向
かう第２電界１２と、第１電極３から第３電極５に向か
う第３電界１３とが形成される。FIG. 4 shows a diamond film ultraviolet sensor according to a third embodiment of the present invention. This embodiment is structurally different from the first and second embodiments in that a third electrode 5 is provided between the diamond film 2 and the substrate 1. In the third embodiment, a first electric field 11 from the first electrode 3 to the second electrode 4, a second electric field 12 from the third electrode 5 to the second electrode 4, and a third electric field 11 from the first electrode 3 to the third electrode 5 and a third electric field 13 is formed.
【００３０】この第３実施例は、紫外線センサの構造を
改善したものであり、これによって、紫外線検出感度を
大幅に向上できる。図４に示すように、基板１母材に紫
外線を反射する金属薄膜を蒸着して第３電極５を形成
し、更に、気相合成により膜厚が１乃至４０μｍのダイ
ヤモンド膜を形成してこれを紫外線検出層とする。In the third embodiment, the structure of the ultraviolet sensor is improved, whereby the ultraviolet detection sensitivity can be greatly improved. As shown in FIG. 4, a third electrode 5 is formed by depositing a metal thin film that reflects ultraviolet light on the base material of the substrate 1, and a diamond film having a thickness of 1 to 40 μm is formed by vapor phase synthesis. Is an ultraviolet ray detection layer.
【００３１】これにより、ダイヤモンド膜２の表面に入
射した紫外線は膜中で吸収され、電子・ホール対を生成
するが、一部は吸収されずに基板１に入射しようとす
る。しかし、基板１とダイヤモンド膜２との間に紫外線
を反射する金属薄膜である第３電極５が形成されている
ので、紫外線はダイヤモンド膜表面に向かって反射さ
れ、ダイヤモンド膜中で多重反射が起きる。紫外線が膜
中で吸収されて電子・ホール対を生成する確率は、膜中
の紫外線の通過経路が長くなるほど大きくなるので、紫
外線の多重反射を起こさせる金属膜（第３電極５）が存
在することにより、紫外線検出感度が著しく増大する。
本発明者らの実験研究の結果、このような構造のダイヤ
モンド膜紫外線センサの方が、単結晶ダイヤモンドを用
いた場合より、紫外線検出感度が優れていることを見出
した。As a result, the ultraviolet light incident on the surface of the diamond film 2 is absorbed in the film to generate an electron-hole pair, but a part of the ultraviolet light attempts to enter the substrate 1 without being absorbed. However, since the third electrode 5, which is a metal thin film that reflects ultraviolet light, is formed between the substrate 1 and the diamond film 2, the ultraviolet light is reflected toward the diamond film surface, and multiple reflection occurs in the diamond film. . Since the probability that ultraviolet rays are absorbed in the film to generate electron-hole pairs increases as the passage of the ultraviolet rays in the film increases, there is a metal film (third electrode 5) that causes multiple reflection of ultraviolet rays. As a result, the ultraviolet ray detection sensitivity is significantly increased.
As a result of experimental studies by the present inventors, it has been found that a diamond film ultraviolet sensor having such a structure is more excellent in ultraviolet ray detection sensitivity than a case using single crystal diamond.
【００３２】次に、本発明の第４実施例について説明す
る。この第４実施例においては、その構造は図１に示す
ものと同等であるが、ダイヤモンド膜２の表面に適切な
凹凸を形成した点が第１実施例と異なる。これにより、
ダイヤモンド膜の個々のダイヤモンド粒子に対する紫外
線の入射角度が浅くなるため、粒子表面又は粒界で全内
部反射される確率が増大し、入射紫外線がダイヤモンド
膜中で吸収される確率が高まる。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The structure of the fourth embodiment is the same as that shown in FIG. 1, but differs from the first embodiment in that appropriate irregularities are formed on the surface of the diamond film 2. This allows
Since the incident angle of ultraviolet rays to individual diamond particles in the diamond film becomes shallower, the probability of total internal reflection at the particle surface or grain boundary increases, and the probability of incident ultraviolet rays being absorbed in the diamond film increases.
【００３３】図５は横軸にダイヤモンド膜表面の平均粗
度（Ｒａ）をとり、縦軸に紫外線感度をとって、表面粗
度の感度に及ぼす影響を示すグラフ図である。この本願
発明者らの実験結果によれば、平均粗度（Ｒａ）が０．
１乃至３オングストロームである場合に、紫外線感度が
最大となる。また、ダイヤモンド膜表面が平均面積１乃
至２５μｍ2の結晶面から構成される場合に、そのダイ
ヤモンド膜の紫外線検出感度が最も高くなる。よって、
ダイヤモンド膜表面が平均面積１乃至２５μｍ2の結晶
面から構成され、平均粗度（Ｒａ）が０．１乃至３オン
グストロームである場合に、紫外線検出感度が最も高く
なる。FIG. 5 is a graph showing the influence of surface roughness on the sensitivity, with the horizontal axis representing the average roughness (Ra) of the diamond film surface and the vertical axis representing the ultraviolet sensitivity. According to the experimental results of the present inventors, the average roughness (Ra) is 0.
When it is 1 to 3 angstroms, the ultraviolet sensitivity becomes maximum. When the diamond film surface is composed of crystal planes having an average area of 1 to 25 μm 2 , the diamond film has the highest ultraviolet ray detection sensitivity. Therefore,
When the diamond film surface is composed of crystal planes having an average area of 1 to 25 μm 2 and the average roughness (Ra) is 0.1 to 3 angstroms, the ultraviolet ray detection sensitivity becomes highest.
【００３４】上記ダイヤモンド膜表面の凹凸は、ダイヤ
モンド膜の気相合成条件を制御して、表面形態を制御す
ることにより形成できる。即ち、ダイヤモンド核発生及
び成長条件を制御することにより、ダイヤモンド膜表面
にピラミッド状の突起が集合した結晶面を形成できる。The irregularities on the surface of the diamond film can be formed by controlling the vapor phase synthesis conditions of the diamond film to control the surface morphology. That is, by controlling the conditions of diamond nucleus generation and growth, it is possible to form a crystal plane in which pyramid-shaped projections are gathered on the diamond film surface.
【００３５】図６は本発明の第５実施例を示す模式図で
ある。基板１上にダイヤモンド膜２が形成されており、
このダイヤモンド膜２上に第１電極３及び第２電極４が
形成されているが、このダイヤモンド膜２の表面には、
フォトリソグラフィ及びエッチング技術により、表面に
凹凸１４が形成されている。FIG. 6 is a schematic diagram showing a fifth embodiment of the present invention. A diamond film 2 is formed on a substrate 1,
A first electrode 3 and a second electrode 4 are formed on the diamond film 2.
Irregularities 14 are formed on the surface by photolithography and etching techniques.
【００３６】本実施例においては、フォトリソグラフィ
及びエッチングにより凹凸１４を形成するので、任意の
形状にダイヤモンド膜２の表面を加工できるので、紫外
線センサの感度制御が可能になる。また、ダイヤモンド
膜２の表面にこのような凹凸１４を与えることにより、
電極間の表面経路が長くなるので、耐電圧性が向上す
る。更に、少なくとも電極間のダイヤモンド表面に所定
の方法（化学処理又はプラズマ処理）で酸素を化学吸着
させれば、ダイヤモンド膜表面の絶縁破壊を防止でき
る。In the present embodiment, since the irregularities 14 are formed by photolithography and etching, the surface of the diamond film 2 can be processed into an arbitrary shape, so that the sensitivity of the ultraviolet sensor can be controlled. Further, by providing such irregularities 14 on the surface of the diamond film 2,
Since the surface path between the electrodes is longer, the withstand voltage is improved. Furthermore, if oxygen is chemically adsorbed on at least the diamond surface between the electrodes by a predetermined method (chemical treatment or plasma treatment), dielectric breakdown of the diamond film surface can be prevented.
【００３７】本発明に係る紫外線センサの基板又は基板
母材として、配向性又は非配向性のダイヤモンド膜を使
用することができる。これにより、センサの耐熱性及び
熱伝導性が向上する。また、この基板又は基板母材とし
て、シリコン、窒化シリコン、酸化珪素、アルミナ及び
炭化珪素からなる群から選択されたものの単結晶、多結
晶、非晶質、焼結体又は薄膜からなるものを使用するこ
とができる。これらの材料はダイヤモンド膜との密着性
及び耐熱性が優れている。An oriented or non-oriented diamond film can be used as the substrate or the base material of the ultraviolet sensor according to the present invention. Thereby, heat resistance and thermal conductivity of the sensor are improved. Further, as the substrate or the substrate base material, a single crystal, polycrystal, amorphous, sintered body or thin film selected from the group consisting of silicon, silicon nitride, silicon oxide, alumina and silicon carbide is used. can do. These materials are excellent in adhesion to a diamond film and heat resistance.
【００３８】ダイヤモンド膜表面の電極形状に制限はな
いが、発明者らの検討によれば、ダイヤモンド膜が（１
００）結晶面が面内で一方向に配列した高配向膜又は融
合膜である場合には、このダイヤモンド膜上に形成され
た１対の電極が相互に噛み合った櫛型形状を有し、櫛形
電極の方向がダイヤモンド（１００）結晶面の（１１
０）方向であれば、感度が更に一層向上する。Although the shape of the electrode on the surface of the diamond film is not limited, according to the study of the present inventors, the diamond film is (1).
00) When the crystal plane is a highly oriented film or a fusion film arranged in one direction in the plane, a pair of electrodes formed on the diamond film has a comb-like shape in which they mesh with each other. The direction of the electrode is (11) of the diamond (100) crystal plane.
If the direction is 0), the sensitivity is further improved.
【００３９】電極とダイヤモンド膜の接触は低抵抗のオ
ーミックであることが望ましいが、このようなオーミッ
ク接触は、図７に示すように、少なくともダイヤモンド
膜２の表面の電極３，４が形成された領域に、例えばイ
オン注入技術を用いて、ボロン（Ｂ）イオンを１０19／
ｃｍ2以上にドーピングすることにより、Ｂドープ層６
を形成すればよい。It is desirable that the contact between the electrode and the diamond film be an ohmic contact having a low resistance. In such an ohmic contact, at least the electrodes 3 and 4 on the surface of the diamond film 2 are formed as shown in FIG. In the region, boron (B) ions are implanted at 10 19 /
cm 2 or more, the B-doped layer 6
May be formed.
【００４０】好ましい電極材料としては、耐熱性及びオ
ーミック特性が要求される場合には、白金又は白金を５
０％以上含む白金合金がある。また、低コストの電極材
料としてはアルミニウムがある。As a preferable electrode material, when heat resistance and ohmic characteristics are required, platinum or platinum is used.
There is a platinum alloy containing 0% or more. Aluminum is a low-cost electrode material.
【００４１】本発明者らの研究によれば、図４に示すよ
うに、白金若しくは白金合金薄膜、イリジウム若しくは
イリジウム合金薄膜、又はその他の紫外線を反射する金
属膜を第３電極５とすることにより、更に一層の感度向
上を図ることができることを見いだした。第３電極５を
設けた場合に、第１電極３を正に、第２電極４を負に、
第３電極５をこの中間電位又はアース電位に設定して、
電流を計測するか、又は第１電極３を正に、第２電極４
を負に、第３電極５に交流又は高周波電位を印加して電
流を計測する。これにより、一定時間データを蓄積して
平均化し、ノイズの低減を図ることができる。第３電極
５が無い場合でも、第１電極３と第２電極４との間に交
流又は高周波を印加することにより、同様の効果が得ら
れる。上記交流又は高周波は、直流電圧に重畳したもの
であってもよい。According to the study of the present inventors, as shown in FIG. 4, a platinum or platinum alloy thin film, iridium or iridium alloy thin film, or another metal film that reflects ultraviolet light is used as the third electrode 5. It was found that the sensitivity could be further improved. When the third electrode 5 is provided, the first electrode 3 is positive, the second electrode 4 is negative,
By setting the third electrode 5 to the intermediate potential or the ground potential,
The current is measured or the first electrode 3 is positive and the second electrode 4
Is negative and an AC or high-frequency potential is applied to the third electrode 5 to measure the current. As a result, data can be accumulated for a certain period of time and averaged, and noise can be reduced. Even when the third electrode 5 is not provided, a similar effect can be obtained by applying an alternating current or a high frequency between the first electrode 3 and the second electrode 4. The AC or high frequency may be superimposed on a DC voltage.
【００４２】第１電極と第２電極のみがある場合には、
電極間の電界は図４の電界１１のようになり、主として
ダイヤモンド膜表面及びその近傍のみで生成した電子・
ホールを電極に集める。これに対し、第３電極５がある
場合には、例えば、電極間の電界は図４の電界１１乃至
１３のようになり、ダイヤモンド膜表面及びダイヤモン
ド膜中で生成した電子・ホール対が電極に集まるので、
一層感度が向上する。When there is only the first electrode and the second electrode,
The electric field between the electrodes is similar to the electric field 11 in FIG. 4, and mainly the electrons and electrons generated only on the diamond film surface and its vicinity.
Collect holes at the electrodes. On the other hand, when the third electrode 5 is provided, for example, the electric field between the electrodes becomes like electric fields 11 to 13 in FIG. 4, and the electron-hole pair generated in the diamond film surface and in the diamond film is applied to the electrode. Because they gather
The sensitivity is further improved.
【００４３】本発明においては、ダイヤモンド膜とこの
表面に配置された少なくとも１対の電極が構成単位とな
る。この単位を一方向に複数個並べると紫外線センサア
レイが形成される。このようなアレイを適当な光学系と
組み合わせることにより、一次元的な情報が得られる。
また平面上に配置すれば二次元的な情報が得られる。更
に、上記構成単位をダイヤモンド膜方向に積層すれば、
更に一層の感度向上が可能である。In the present invention, the diamond film and at least one pair of electrodes disposed on the surface constitute a structural unit. When a plurality of these units are arranged in one direction, an ultraviolet sensor array is formed. One-dimensional information can be obtained by combining such an array with an appropriate optical system.
If they are arranged on a plane, two-dimensional information can be obtained. Furthermore, if the above structural units are laminated in the direction of the diamond film,
It is possible to further improve the sensitivity.
【００４４】ダイヤモンド膜上に形成する電極の形状に
は特に制限はないが、標準的には図８に示したような櫛
形電極とすることができる。図８の（ａ）は上面図、
（ｂ）は側面図である。図８に示すように、基板２１上
にダイヤモンド膜２２が形成されており、このダイヤモ
ンド膜２２上に櫛形電極２３が形成されている。この櫛
形電極２３は櫛歯部分２５とボンディングパッド用部分
２６とを有する。The shape of the electrode formed on the diamond film is not particularly limited, but may be a comb-shaped electrode as shown in FIG. 8 as a standard. FIG. 8A is a top view,
(B) is a side view. As shown in FIG. 8, a diamond film 22 is formed on a substrate 21, and a comb electrode 23 is formed on the diamond film 22. The comb-shaped electrode 23 has a comb tooth portion 25 and a bonding pad portion 26.
【００４５】この図８に示すダイヤモンド膜紫外線セン
サアレイを実際に製作し、その特性を調べた結果につい
て説明する。先ず、絶縁性のシリコン（１００）基板２
１上に厚さ５μｍのダイヤモンド膜２２を成膜した。ダ
イヤモンド膜２２は、成膜中にド−ピングを行わず、高
い電気抵抗を示す絶縁膜とした。ダイヤモンド膜２２
は、（１１１）結晶面を有し、成長方向・面内方位とも
に配向した高配向膜である。The results of actually manufacturing the diamond film ultraviolet sensor array shown in FIG. 8 and examining its characteristics will be described. First, an insulating silicon (100) substrate 2
A diamond film 22 having a thickness of 5 μm was formed on the substrate 1. The diamond film 22 was an insulating film having high electric resistance without doping during film formation. Diamond film 22
Is a highly oriented film having a (111) crystal plane and oriented in both the growth direction and the in-plane direction.
【００４６】このダイヤモンド膜２２の上にリソグラフ
ィによって１対の対向する櫛形電極２３を形成した。電
極２３の材質は白金で、厚さは０．２μｍ、櫛形部分２
５の電極の幅は１５乃至２５μｍ、電極間隔は５乃至１
５μｍとした。A pair of opposing comb-shaped electrodes 23 were formed on the diamond film 22 by lithography. The material of the electrode 23 is platinum, the thickness is 0.2 μm,
5 has a width of 15 to 25 μm, and an electrode interval of 5 to 1
The thickness was 5 μm.
【００４７】この図８に示した形状の紫外線センサは波
長１９３ｎｍの紫外線に対して１０ｍＡ／Ｗの感度を示
し、可視光線に対しては感度を持たなかった。The ultraviolet sensor having the shape shown in FIG. 8 has a sensitivity of 10 mA / W to ultraviolet light having a wavelength of 193 nm, and has no sensitivity to visible light.
【００４８】また、図９に示すように、紫外線センサを
並置して紫外線センサアレイを製造することもできる。
図９の（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。図９に
おいては、図８に示す紫外線センサが、そのパッド部分
２６の対向方向が相互に平行になるように、即ち、櫛歯
部分２５の延長方向が相互に平行になるように、一方向
に並べられている。これにより、一次元のダイヤモンド
膜紫外線センサアレイを得ることができる。As shown in FIG. 9, an ultraviolet sensor array can be manufactured by juxtaposing ultraviolet sensors.
9A is a top view, and FIG. 9B is a side view. In FIG. 9, the ultraviolet sensor shown in FIG. 8 is moved in one direction so that the facing directions of the pad portions 26 are parallel to each other, that is, the extending directions of the comb teeth portions 25 are parallel to each other. Are lined up. Thus, a one-dimensional diamond film ultraviolet sensor array can be obtained.
【００４９】櫛形電極の電極形状については特に制限は
ないが、電極幅は１乃至５０μｍ、電極間隔は１乃至５
０μｍ、ボンディングパット領域を除くダイヤモンド表
面積対電極面積の比は０．１乃至４が望ましい。The electrode shape of the comb-shaped electrode is not particularly limited, but the electrode width is 1 to 50 μm and the electrode interval is 1 to 5
The ratio of the diamond surface area excluding the bonding pad area to the electrode area is preferably 0.1 to 4 μm.
【００５０】次に、図９に示す紫外線センサアレイを製
作し、その特性を求めた結果について説明する。この図
９に示す紫外線センサアレイは、電極幅２５μｍ、電極
間隔１５μｍとした素子構造であり、対となる電極の夫
々の端には、幅０．５ｍｍのボンディング用パッド部分
を設けた。対向する櫛形電極の重なる基板中央の２×２
ｍｍ2の領域が紫外線に感度を持つ。電極形成後に素子
全体に酸素プラズマ処理を行い、ダイヤモンド表面に酸
素を化学吸着させた。この状態での両電極間の漏れ電流
は、直流１００Ｖ印加時に１０ｐＡ程度である。この図
９に示す紫外線センサアレイの感度は４０ｍＡ／Ｗであ
った。Next, the result of manufacturing the ultraviolet sensor array shown in FIG. 9 and obtaining the characteristics thereof will be described. The ultraviolet sensor array shown in FIG. 9 has an element structure in which the electrode width is 25 μm and the electrode interval is 15 μm, and a bonding pad portion having a width of 0.5 mm is provided at each end of the pair of electrodes. 2 × 2 at the center of the substrate where the opposing comb electrodes overlap
The area of mm 2 is sensitive to ultraviolet light. After the electrodes were formed, the entire device was subjected to oxygen plasma treatment to chemically adsorb oxygen on the diamond surface. In this state, the leakage current between both electrodes is about 10 pA when DC 100 V is applied. The sensitivity of the ultraviolet sensor array shown in FIG. 9 was 40 mA / W.
【００５１】図９は、１つの基板上に１６個の紫外線セ
ンサを製作したセンサアレイの構造を表している。個々
の紫外線センサの感度領域は、１．４×１０ｍｍ2の長
方形である。この素子は図８に示した素子と同一の方法
で製作できる。この素子を容器に組み込むためには、例
えば３２ピンの角形ハーメチックベースの上面に接着剤
を用いて固定し、個々のピンと個々の櫛形電極のパッド
との間をボンディングによって接続し、キャップを被
せ、所望の封入ガス雰囲気中で気密溶接すれば良い。個
々のセンサの電極間に適切な直流電圧を印加し各センサ
を流れる信号電流を観測することによって、紫外線強度
の一次元分布を測定することができる。このセンサアレ
イは、紫外レーザのピームフロファイラに利用できる。FIG. 9 shows the structure of a sensor array in which 16 ultraviolet sensors are manufactured on one substrate. The sensitivity area of each ultraviolet sensor is a rectangle of 1.4 × 10 mm 2 . This device can be manufactured in the same manner as the device shown in FIG. In order to incorporate this element into a container, for example, it is fixed to the upper surface of a square hermetic base of 32 pins using an adhesive, connected between individual pins and pads of individual comb-shaped electrodes by bonding, covered with a cap, Airtight welding may be performed in a desired gas atmosphere. By applying an appropriate DC voltage between the electrodes of the individual sensors and observing the signal current flowing through each sensor, the one-dimensional distribution of the ultraviolet intensity can be measured. This sensor array can be used for an ultraviolet laser beam floiler.
【００５２】更に、図１０に示すように、ダイヤモンド
膜２２の表面及び裏面の夫々に少なくとも１対の櫛形電
極２３，２４を配置すれば、同一のダイヤモンド膜に２
個の紫外線センサを形成でき、感度の向上を図ることが
できる。ダイヤモンド膜２の表面及び裏面に配置された
櫛歯電極２３，２４の櫛延長方向の成す角度は８５゜以
上９５゜以下とすることにより、直交するＸＹ方向での
紫外線強度を測定可能なニ次元のセンサアレイを構成す
ることができる。Further, as shown in FIG. 10, if at least one pair of comb-shaped electrodes 23 and 24 are arranged on the front and back surfaces of the diamond film 22, respectively,
One ultraviolet sensor can be formed, and the sensitivity can be improved. By setting the angle between the comb extending directions of the comb-teeth electrodes 23 and 24 arranged on the front surface and the back surface of the diamond film 2 at 85 ° or more and 95 ° or less, a two-dimensional structure capable of measuring the ultraviolet intensity in orthogonal XY directions. Of sensor arrays can be configured.
【００５３】この図１０は、１つの基板上に２組の紫外
線センサアレイを互いのアレイの並ぶ方向が直角を成す
ように配置した２次元アレイ構造である。絶縁性の窒化
シリコン基板上に７組の下層白金櫛形電極をリソグラフ
ィープロセスによって製作し、その上にアンドープのダ
イヤモンド膜を成膜し、さらにその上に上層の１６組の
櫛形電極をリソグラフィープロセスで製作した。ダイヤ
モンド膜の成膜時には、下層電極のパッド部分がダイヤ
モンド膜によって覆い隠されてしまわないように、基板
の両端部分に金属マスクを被せ、下層電極パッド上への
膜成長を阻害する。この素子を容器に組み込み、上述と
同様に各センサの電極間に適切な電圧を印加し、各セン
サの信号電流を観測することによって紫外線強度の二次
元分布を測定することができる。このセンサアレイは、
紫外線レーザのビームプロファイラに利用できる。FIG. 10 shows a two-dimensional array structure in which two sets of ultraviolet sensor arrays are arranged on one substrate such that the directions in which the arrays are arranged form a right angle. Seven pairs of lower-layer platinum comb electrodes are formed on an insulating silicon nitride substrate by a lithography process, an undoped diamond film is formed thereon, and 16 upper-layer comb-shaped electrodes are further formed thereon by a lithography process. did. During the formation of the diamond film, a metal mask is placed on both ends of the substrate so that the pad portion of the lower electrode is not covered by the diamond film, thereby inhibiting the film growth on the lower electrode pad. The two-dimensional distribution of ultraviolet intensity can be measured by incorporating this element in a container, applying an appropriate voltage between the electrodes of each sensor, and observing the signal current of each sensor in the same manner as described above. This sensor array is
It can be used for beam profiler of ultraviolet laser.
【００５４】請求項１９に記載した発明においては、暗
電流の原因となる表面伝導を抑制するために、ダイヤモ
ンド膜表面は酸素により終端されている。本発明者等は
更に紫外線照射によって表面の化学吸着酸素が離脱して
表面が導電性を帯び、暗電流が増加してしまうという間
題点を解決する方法を見いだした。In the invention described in claim 19, the surface of the diamond film is terminated with oxygen in order to suppress surface conduction which causes dark current. The present inventors have further found a method for solving the problem that the chemically adsorbed oxygen on the surface is released by irradiation with ultraviolet rays, the surface becomes conductive, and the dark current increases.
【００５５】即ち、通常センサは容器内に組み込まれ、
この容器内に乾燥窒素などの不活性ガスが封入される
が、本発明のようにダイヤモンド膜の紫外線センサの場
合に、比較的高濃度の酸素を含む混合ガスを封入するこ
とにより、経時的に暗電流が増大するという欠点を解消
できる。これは酸素の封入によってダイヤモンド表面か
らの酸素離脱が抑制され、更に万一離脱が生じても、容
器内に高濃度に充填されている酸素が結合して、酸化表
面が回復されるからであると考えられる。このような措
置によって長期間の使用及び強い紫外線の照射によって
も暗電流が増加しないことが分かった。本発明者らの試
験によれば、封入する混合ガス中の酸素濃度は３０％以
上であれば良いが、５０％以上であることが最も望まし
い。That is, the sensor is usually built in the container,
An inert gas such as dry nitrogen is sealed in this container. In the case of a diamond film ultraviolet sensor as in the present invention, a gas mixture containing a relatively high concentration of oxygen is sealed over time. The disadvantage that the dark current increases can be eliminated. This is because oxygen entrapment suppresses the desorption of oxygen from the diamond surface, and even if desorption occurs, oxygen filled in a high concentration in the container is combined to recover the oxidized surface. it is conceivable that. It has been found that such measures do not increase the dark current even after long-term use and strong ultraviolet irradiation. According to the test by the present inventors, the oxygen concentration in the mixed gas to be sealed may be 30% or more, but is most preferably 50% or more.
【００５６】次に、上述の紫外線センサを気密容器へ組
み込んだセンサ装置について、図１１を参照して説明す
る。ハーメチックベース３１上面の中心部に耐熱性の接
着剤を用いてセンサ素子３０を固定した。ハーメチック
ベース３１には２つのリードピン３２が挿通され、ガラ
ス融着部３３により、ベース３１及び他のリードピン３
２との電気絶縁を保ちながら、ベース３１に固定されて
いる。２つのリードピン３２のうち、一方のリードピン
３２の上端とセンサ３０の一方の電極パッド部分とがボ
ンディングワイヤ３４により接続され、他方のリードピ
ン３２とセンサ３０の他方の電極パッドとがボンディン
グワイヤ３４により接続されている。Next, a sensor device in which the above-described ultraviolet sensor is incorporated in an airtight container will be described with reference to FIG. The sensor element 30 was fixed to the center of the upper surface of the hermetic base 31 using a heat-resistant adhesive. Two lead pins 32 are inserted through the hermetic base 31, and the base 31 and the other lead pins 3 are
It is fixed to the base 31 while maintaining electrical insulation from the base 2. Of the two lead pins 32, the upper end of one lead pin 32 and one electrode pad portion of the sensor 30 are connected by a bonding wire 34, and the other lead pin 32 and the other electrode pad of the sensor 30 are connected by a bonding wire 34. Have been.
【００５７】紫外線センサはこの状態で十分に機能する
が、センサ表面の汚染による特性劣化などを防止するた
めに、ハーメチックベース３１の上面上に、金属製キャ
ップ３５を気密的に設置し、キャップ３５及びベース３
１に囲まれたセンサ３０の容器を密閉する。このキャッ
プ３５の中心部には、紫外線透過性のガラス窓３６が気
密融着されており、このガラス窓３６を介して、紫外線
が容器内部に侵入し、センサ３０に入射する。金属製キ
ャップ３５とハーメチックベース３１との間は、双方の
鍔部でその全周を機密的に溶接した。また、キャップと
ベースとの溶接を乾燥窒素ガス雰囲気中で行うことによ
って、気密容器内に乾燥窒素ガスを封入した。このと
き、雰囲気を酸素・窒素混合ガスとし、その酸素濃度を
３０乃至１００％の範囲で調節することによって、任意
の酸素濃度の酸素・窒素混合ガスを封入することができ
る。The ultraviolet sensor functions sufficiently in this state. However, in order to prevent deterioration of characteristics due to contamination of the sensor surface, a metal cap 35 is provided on the upper surface of the hermetic base 31 in an airtight manner. And base 3
The container of the sensor 30 surrounded by 1 is sealed. An ultraviolet-transmissive glass window 36 is hermetically fused to the center of the cap 35. Ultraviolet rays enter the inside of the container through the glass window 36 and enter the sensor 30. The entire periphery between the metal cap 35 and the hermetic base 31 was confidentially welded at both flanges. Further, by welding the cap and the base in a dry nitrogen gas atmosphere, dry nitrogen gas was sealed in an airtight container. At this time, an oxygen / nitrogen mixed gas having an arbitrary oxygen concentration can be enclosed by adjusting the oxygen concentration in the range of 30 to 100% as an atmosphere of an oxygen / nitrogen mixed gas.
【００５８】このように構成されたセンサ装置において
は、一方のリードピン３２を接地してそれに接続された
櫛形電極を陰極とし、他方のリードピン３２に直流＋５
乃至１６０Ｖの電圧を印加してそれに接続された櫛形電
極を陽極とすることによって紫外線センサを動作させる
ことができる。紫外線透過ガラス窓３６を透過した紫外
線が櫛形電極の間のダイヤモンド表面に入射すると、紫
外線はダイヤモンド膜内で吸収され、ダイヤモンド膜内
に電子・正孔対を生成する。電子はダイヤモンド膜内を
陽極に向かってドリフトし、正孔は陰極に向かう。これ
らのキャリアの流れによって電極間に電流が生じる。紫
外線センサを流れる信号電流の大きさを観測することに
よって、紫外線センサに入射した紫外線の強度を知るこ
とができる。In the sensor device configured as described above, one of the lead pins 32 is grounded, the comb-shaped electrode connected thereto is used as a cathode, and the other lead pin 32 is connected to a DC + 5.
The ultraviolet sensor can be operated by applying a voltage of 160 V to 160 V and using the comb-shaped electrode connected thereto as an anode. When the ultraviolet light transmitted through the ultraviolet transmitting glass window 36 is incident on the diamond surface between the comb-shaped electrodes, the ultraviolet light is absorbed in the diamond film and generates electron-hole pairs in the diamond film. Electrons drift in the diamond film towards the anode, and holes go towards the cathode. A current flows between the electrodes due to the flow of these carriers. By observing the magnitude of the signal current flowing through the ultraviolet sensor, the intensity of the ultraviolet light incident on the ultraviolet sensor can be known.
【００５９】[0059]
【発明の効果】以上説明したように、本発明は紫外線検
出層が所定の表面形状を有する高品質のダイヤモンド膜
であるので、従来の紫外線センサに比べて、太陽光に影
響されず、高速で応答し、感度及び耐熱性が優れた紫外
線センサを得ることができる。これにより、ダイヤモン
ド膜紫外線センサの実用範囲が広がり、かつ新たな応用
分野を開拓でき、本発明はこの分野の発展に多大の貢献
をなす。As described above, according to the present invention, since the ultraviolet detecting layer is a high-quality diamond film having a predetermined surface shape, it is not affected by sunlight and has a higher speed than a conventional ultraviolet sensor. An ultraviolet sensor which responds and has excellent sensitivity and heat resistance can be obtained. As a result, the practical range of the diamond film ultraviolet sensor can be expanded, and a new application field can be opened, and the present invention greatly contributes to the development of this field.
【図１】本発明の第１実施例のセンサを示す模式図であ
る。FIG. 1 is a schematic view showing a sensor according to a first embodiment of the present invention.
【図２】膜表面の被覆度と、感度との関係を示すグラフ
図である。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the degree of coverage of the film surface and the sensitivity.
【図３】膜厚と、感度との関係を示すグラフ図である。FIG. 3 is a graph showing the relationship between film thickness and sensitivity.
【図４】本発明の第３実施例のセンサを示す模式図であ
る。FIG. 4 is a schematic view showing a sensor according to a third embodiment of the present invention.
【図５】平均粗度Ｒａと感度との関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between average roughness Ra and sensitivity.
【図６】本発明の第５実施例のセンサを示す模式図であ
る。FIG. 6 is a schematic view showing a sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
【図７】本発明の第６実施例のセンサを示す模式図であ
る。FIG. 7 is a schematic view showing a sensor according to a sixth embodiment of the present invention.
【図８】本発明の第７実施例のセンサアレイを示す模式
図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing a sensor array according to a seventh embodiment of the present invention.
【図９】本発明の第８実施例のセンサアレイを示す模式
図である。FIG. 9 is a schematic view showing a sensor array according to an eighth embodiment of the present invention.
【図１０】本発明の第９実施例のセンサアレイを示す模
式図である。FIG. 10 is a schematic view showing a sensor array according to a ninth embodiment of the present invention.
【図１１】本発明のセンサ装置を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing a sensor device of the present invention.
１、２１：基板 ２、２２：ダイヤモンド膜 ３、４、５、２３、２４：電極 ６：Ｂドープ層 １１，１２，１３：電界 １４：凹凸 ２５：櫛歯部分 ２６：ボンディングパッド部分 ３３：ハーメチックベース ３２：リードピン ３３：ガラス融着部 ３４：ボンディングワイヤ ３５：キャップ ３６：紫外線透過性ガラス窓 1, 21: substrate 2, 22: diamond film 3, 4, 5, 23, 24: electrode 6: B-doped layer 11, 12, 13: electric field 14: unevenness 25: comb-tooth portion 26: bonding pad portion 33: hermetic Base 32: Lead pin 33: Glass fusion part 34: Bonding wire 35: Cap 36: Ultraviolet transparent glass window
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮田 浩一 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 藁科 英永 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 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Koichi Miyata 1-5-5 Takatsukadai, Nishi-ku, Kobe City, Hyogo Prefecture Inside Kobe Research Institute, Kobe Steel Co., Ltd. 1126, Hamamatsu Photonics Co., Ltd.
Claims (30)
軸性に配向成長した膜厚が１乃至４０μｍのダイヤモン
ド膜からなる紫外線検出層と、この紫外線検出層に接触
した少なくとも１対の第１電極及び第２電極とを有する
ことを特徴とするダイヤモンド膜紫外線センサ。1. An ultraviolet detecting layer comprising a substrate, a diamond film having a film thickness of 1 to 40 μm monoaxially oriented and grown by vapor phase synthesis on the substrate, and at least one pair of first and second ultraviolet detecting layers in contact with the ultraviolet detecting layer. A diamond film ultraviolet sensor comprising a first electrode and a second electrode.
ダイヤモンドの（１００）結晶面から構成されたことを
特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド膜紫外線セン
サ。2. The diamond film ultraviolet sensor according to claim 1, wherein 50% or more of the surface of the diamond film is composed of a (100) crystal plane of diamond.
ダイヤモンドの（１１１）結晶面から構成されたことを
特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド膜紫外線セン
サ。3. The diamond film ultraviolet sensor according to claim 1, wherein 50% or more of the surface of the diamond film is composed of a (111) crystal plane of diamond.
所的に又は全面的にへテロエピタキシャル成長した膜厚
が１乃至４０μｍのダイヤモンド膜からなる紫外線検出
層と、この紫外線検出層に接触した少なくとも１対の電
極とを有することを特徴とするダイヤモンド膜紫外線セ
ンサ。4. An ultraviolet detecting layer comprising a substrate, a diamond film having a film thickness of 1 to 40 μm, which is locally or entirely heteroepitaxially grown by vapor phase synthesis on the substrate, and is in contact with the ultraviolet detecting layer. A diamond film ultraviolet sensor comprising at least one pair of electrodes.
（１００）結晶面を有し、結晶面が面内でも配向した高
配向膜であることを特徴とする請求項４に記載のダイヤ
モンド膜紫外線センサ。5. The diamond film ultraviolet sensor according to claim 4, wherein the diamond film has a (100) crystal plane of diamond and is a highly oriented film in which the crystal plane is oriented even in the plane.
（１１１）結晶面を有し、結晶面が面内でも配向した高
配向膜であることを特徴とする請求項４に記載のダイヤ
モンド膜紫外線センサ。6. The diamond film ultraviolet sensor according to claim 4, wherein the diamond film has a (111) crystal plane of diamond, and is a highly oriented film in which the crystal plane is oriented even in the plane.
５０％以上含む合金の薄膜が蒸着されたことを特徴とす
る請求項４に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。7. The diamond film ultraviolet sensor according to claim 4, wherein the substrate is formed by depositing a thin film of platinum or an alloy containing 50% or more of platinum on a base material of the substrate.
５０％以上含む合金の（１１１）又は（１００）単結晶
薄膜、あるいはイリジウム又はイリジウムを５０％以上
含む合金の（１１１）又は（１００）単結晶薄膜が蒸着
されたことを特徴とする請求項４に記載のダイヤモンド
膜紫外線センサ。8. The substrate according to claim 1, wherein the substrate is made of (111) or (100) single-crystal thin film of platinum or an alloy containing 50% or more of platinum, or (111) or (100) of iridium or an alloy containing 50% or more of iridium. 100) The diamond film ultraviolet ray sensor according to claim 4, wherein a single crystal thin film is deposited.
晶面を有する炭化珪素単結晶又は所定の基板母材にコー
ティングされた（１００）又は（１１１）結晶面を有す
る炭化珪素単結晶膜であることを特徴とする請求項４に
記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。9. The method according to claim 1, wherein the substrate is a silicon carbide single crystal having a (100) or (111) crystal plane or a silicon carbide single crystal film having a (100) or (111) crystal plane coated on a predetermined substrate base material. The diamond film ultraviolet ray sensor according to claim 4, wherein:
０）単結晶面を有するチタン酸ストロンチウム又は酸化
マグネシウムであることを特徴とする請求項８に記載の
ダイヤモンド膜紫外線センサ。10. The method according to claim 10, wherein the base material is (111) or (10).
The diamond film ultraviolet sensor according to claim 8, wherein 0) strontium titanate or magnesium oxide having a single crystal plane.
が蒸着された基板と、この基板上に気相合成により形成
された膜厚が１乃至４０μｍのダイヤモンド膜からなる
紫外線検出層と、この紫外線検出層に接触した少なくと
も１対の電極とを有することを特徴とするダイヤモンド
膜紫外線センサ。11. A substrate on which a metal thin film that reflects ultraviolet light is deposited on a base material of a substrate, an ultraviolet detecting layer made of a diamond film having a thickness of 1 to 40 μm formed on the substrate by vapor phase synthesis, and A diamond film ultraviolet sensor having at least one pair of electrodes in contact with an ultraviolet detection layer.
乃至２５平方μｍの結晶面から構成され、平均粗度（Ｒ
ａ）が０．１乃至３μｍであることを特徴とする請求項
１、４又は１１に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。12. The diamond film having an average surface area of 1
From 25 to 25 square μm, and the average roughness (R
12. The diamond film ultraviolet sensor according to claim 1, wherein a) is 0.1 to 3 μm.
状の突起が集合した結晶面を有することを特徴とする請
求項１又は１１に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。13. The diamond film ultraviolet sensor according to claim 1, wherein the surface of the diamond film has a crystal plane in which pyramid-shaped protrusions are gathered.
凹凸が形成されたことを特徴とする請求項１、４又は１
１に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。14. The method according to claim 1, wherein irregularities are formed on the diamond surface by etching.
2. The diamond film ultraviolet sensor according to 1.
ヤモンド膜であることを特徴とする請求項１に記載のダ
イヤモンド膜紫外線センサ。15. The diamond film ultraviolet sensor according to claim 1, wherein the substrate itself is an oriented or non-oriented diamond film.
リジウム、イリジウム合金並びにその他の紫外線を反射
する金属及び合金からなる群から選択された少なくとも
１種の材料からなることを特徴とする請求項７，８又は
１１に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。16. The method according to claim 16, wherein the third electrode is made of at least one material selected from the group consisting of platinum, platinum alloy, iridium, iridium alloy, and other metals and alloys that reflect ultraviolet rays. Item 12. The diamond film ultraviolet sensor according to Item 7, 8 or 11.
面が面内で一方向に配列した高配向膜又は融合膜であ
り、前記１対の電極が相互に噛み合った櫛型形状を有
し、この櫛形電極の方向がダイヤモンド（１００）結晶
面の（１１０）方向であることを特徴とする請求項１、
４又は１１に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。17. The diamond film is a highly oriented film or a fusion film in which (100) crystal planes are arranged in one direction in a plane, and has a comb shape in which the pair of electrodes mesh with each other. 2. The method according to claim 1, wherein the direction of the comb-shaped electrode is the (110) direction of the diamond (100) crystal plane.
12. The diamond film ultraviolet sensor according to 4 or 11.
酸化珪素、アルミナ及び炭化珪素からなる群から選択さ
れた少なくとも１種の単結晶、多結晶、非晶質、焼結体
又は薄膜からなる材料で形成されていることを特徴とす
る請求項１、４又は１１におけるダイヤモンド膜紫外線
センサ。18. The method according to claim 18, wherein the substrate is silicon, silicon nitride,
2. The method according to claim 1, wherein the material is formed of at least one kind of single crystal, polycrystal, amorphous, sintered body, or thin film selected from the group consisting of silicon oxide, alumina, and silicon carbide. 4 or 11, the diamond film ultraviolet sensor.
に酸素が化学吸着していることを特徴とする請求項１、
４又は１１に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。19. The method according to claim 1, wherein oxygen is chemically adsorbed on at least the diamond surface between the electrodes.
12. The diamond film ultraviolet sensor according to 4 or 11.
形成された領域に、ボロン（Ｂ）原子が１０19／ｃｍ2
以上にドーピングされたことを特徴とする請求項１、４
又は１１に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。20. Boron (B) atoms of at least 10 19 / cm 2 in a region where an electrode is formed on a diamond surface.
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor is doped.
Or the diamond film ultraviolet sensor according to 11.
０％以上含む白金合金、又はアルミニウムであることを
特徴とする請求項１、４又は１１に記載のダイヤモンド
膜紫外線センサ。21. The comb-shaped electrode material is platinum or platinum.
The diamond film ultraviolet sensor according to claim 1, 4 or 11, wherein the sensor is a platinum alloy containing 0% or more or aluminum.
３電極をこの中間電位、フロート電位又はアース電位に
設定して計測することを特徴とする請求項１５に記載の
ダイヤモンド膜紫外線センサ。22. The diamond according to claim 15, wherein the measurement is performed by setting the first electrode to positive, the second electrode to negative, and the third electrode to the intermediate potential, the float potential or the ground potential. Membrane UV sensor.
周波を印加して計測することを特徴とする請求項１、
４、１１又は１５に記載のダイヤモンド膜紫外線セン
サ。23. The method according to claim 1, wherein the measurement is performed by applying an alternating current or a high frequency between the first electrode and the second electrode.
16. The diamond film ultraviolet sensor according to 4, 11, or 15.
３電極に交流又は高流を高周波を印加して計測すること
を特徴とする請求項１５に記載のダイヤモンド膜紫外線
センサ。24. The diamond film ultraviolet sensor according to claim 15, wherein the first electrode is measured positively, the second electrode is measured negatively, and an alternating current or a high current is applied to the third electrode by applying a high frequency. .
載の紫外線センサが、少なくとも一方向に複数個並べら
れていることを特徴とするダイヤモンド膜紫外線センサ
アレイ。25. A diamond film ultraviolet sensor array, wherein a plurality of the ultraviolet sensors according to claim 1 are arranged in at least one direction.
載の紫外線センサが少なくとも一方向に複数個並べられ
て構成された単位構造を、ダイヤモンド膜の厚さ方向に
２回以上繰り返して構成された積層構造を有することを
特徴とするダイヤモンド膜紫外線センサアレイ。26. A unit structure in which a plurality of the ultraviolet sensors according to claim 1 are arranged in at least one direction and the unit structure is repeated at least twice in the thickness direction of the diamond film. A diamond film ultraviolet sensor array having a laminated structure.
となるように一方向に並べられていることを特徴とする
請求項２５に記載のダイヤモンド膜紫外線センサアレ
イ。27. The diamond film ultraviolet sensor array according to claim 25, wherein the ultraviolet sensors are arranged in one direction such that their long axes are parallel to each other.
された電極方向の成す角度が８５乃至９５゜であること
を特徴とする請求項２５乃至２７のいずれか１項にダイ
ヤモンド膜紫外線センサアレイ。28. The diamond film ultraviolet ray sensor array according to claim 25, wherein an angle formed by directions of electrodes arranged on the front surface and the back surface of the diamond film is 85 to 95 °.
装着され、この容器内に酸素を３０％以上含む混合ガス
又は酸素ガスを封入したことを特徴とする請求項１乃至
２４のいずれか１項に記載のダイヤモンド膜紫外線セン
サ。29. A gas-tight container having an ultraviolet-permeable window, wherein a mixed gas or oxygen gas containing 30% or more of oxygen is sealed in the container. Item 2. The diamond film ultraviolet sensor according to item 1.
装着され、この容器内に酸素を３０％以上含む混合ガス
又は酸素ガスを封入したことを特徴とする請求項２５乃
至２９のいずれか１項に記載のダイヤモンド膜紫外線セ
ンサアレイ。30. A gas-tight container having an ultraviolet-transmissive window, wherein a mixed gas containing 30% or more of oxygen or an oxygen gas is sealed in the container. Item 2. The diamond film ultraviolet sensor array according to item 1.
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