JPS61147588A - ＩｎＳｂ温度センサ - 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】 ［技術分野］ 本発明は、化合物半導体の一つであるインジウムアンチ
モン（Ｉｎ５ｂ）のＰＮ接合の順方向特性を利用した温
度センサに関するものである。

［従来技術］ 温度センサとしては、現在、極めて多くの種類のものが
使用されている。そのうちの代表的′なものとして１熱
電対、サーミスタ、半導体や金属の抵抗体、シリコンダ
イオードなどがよく用いられている。熱電対にはさらに
多くの種類があり、広い温度範囲で用いられているが、
温度に対して出力電圧が非直線的であることや感度が小
さいことなどの欠点もある。サーミスタおよび半導体や
金属の抵抗体の場合には感度を高くすることができるが
、その反面、狭い温度範囲に限定した使用になることや
センサとして用いる素子ごとの特性のばらつきが大きい
ことなどの欠点がある。最近よく用いられるようになっ
たシリコンダイオード温度センサは、シリコンのＰＮ接
合の順方向特性を利用して温度測定を行う素子であり、
温度に対する出力電圧の直線性は良好である。しがし、
使用できる温度範囲の低温側の限界が液体窒素温度（７
７Ｋ）近傍であり、それ以下の温度での使用は実用的で
ない欠点がある。近年は、液体窒素、液体酸素、液化石
油ガス、液体水素、液体ヘリウム等の利用による低温領
域への技術分野の拡大と共に、液体ヘリウム温度（４，
２Ｋ）から１００に付近の低い温度範囲で使用できる優
れた性質の温度センサに対する要望が極めて大きい。

［目的］ そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって
、その目的は液体ヘリウム温度近傍までの低温領域で、
直線性、感度および簡便性の優れた特性をもつ温度セン
サを提供することにある。

［発明の構成］ かかる目的を達成すべく、本発明は、Ｎ型のＩｎＳｂ基
板と該Ｎ型ＩｎＳｂ基板の表面領域に形成したＰ型の領
域とにより、またはＰ型のＩｎＳｂ基板と該Ｐ型ＩｎＳ
ｂ基板の表面領域に形成したＮ型の領域とにより形成さ
れたＰＮ接合に順方向電流を流し、ＰＮ接合の電圧降下
より温度を測定するようにしたことを特徴とする。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

本発明は前述したシリコンダイオード温度センサとほぼ
同様の構成とするが、シリコンの代りにインジウムとア
ンチモンの化合物であるインジウムアンチモン（Ｉｎ５
ｂ）を用いることによって使用温度範囲が低温側にまで
拡大されることを見出して完成したものである。

第１図および第２図に本発明ＩｎＳｂ温度センサの基本
構造の２例を示す。

第１図の例では、Ｎ型ＩｎＳｂ基板１上にベリリウム、
マグネシウム、亜鉛、カドミニウム等のＰ型不純物を熱
拡散またはイオン注入により導入してＰ型領域２を形成
してＰＮ接合を構成する。

第２図の例では、Ｐ型ＩｎＳｂ基板３上に硫黄、セレン
等のＮ型不純物を熱拡散またはイオン注入により導入し
てＮ型領域４を形成してＰＮ接合を構成する。

いずれの例においても、イオン注入によってＰＮ接合を
形成した場合の方が温度センサとして優れた直線性およ
び感度をもつことが確められたが、熱拡散により形成し
たＰＮ接合の場合でも温度センサとして使用可能である
。

第３図に本発明のＩｎＳｂ温度センサの特性例として、
第１図に示したＮ型ＩｎＳｂ基板１上にベリリウムをイ
オン注入して形成した接合面積３　Ｘ　１０−３ｃｍ２
のＰＮ接合に３種類の順方向電流０．１ｇＡ　、１ルＡ
、１０ルＡを流した場合のＰＮ接合の電圧降下の温度依
存性を示す、この電圧降下は、純方向電流の値や、用い
たＮ型ＩｎＳｂ基板１の不純物潤度によっても変化する
が、いずれの場合にも、液体ヘリウム温度近傍から１０
０Ｋ近傍まで電圧降下は温度に対して直線的に変化する
ことがわかる。

第３図に示した実線の範囲外の低温側および高濃側でも
電圧降下には温度依存性があるが、この場合には、直線
性から多少ずれてくることもある。直線的な温度依存性
の部分が温度センサとして利用しやすいが、直線からず
れてくる温度領域であっても較正を適切に行うことによ
って、低温まで測定可能な温度センサとして十分使用可
能である。

前述のシリコンダイオードを用いた温度セ′ンサと本発
明ＩｎＳｂ温度センサの使用温度領域が重なる液体窒素
温度付近においても、本発明のＩｎＳｂ温度センサはシ
リコンダイオード温度センサに比へて電圧降下の大きさ
は１桁程度小さい、他方、温度１度当りの電圧降下の変
化はいずれの場合も約２ｍＶであるから、本発明の方が
電圧降下の大きさに対する電圧降下の変化の割合が１桁
程度太きくなり有利である。

本発明の具体的な構造の一例を第４図に示す。

ここでは、Ｎ型ＩｎＳｂ基板１とＰ型領域２との間に形
成されたＰＮ接合の境界部分と基板ｌの露出表面を陽極
酸化膜５で覆い、この−陽極酸化膜５をアルミナ膜６で
覆う。この２層構造による不活性化１！！２により境界
部表面を不活性化して、境界部表面を電流が流れること
がないようにする。この不活性化によれば、本発明のＩ
ｎＳｂ温度センサの精度を高め、さらに再現性および安
定性の向上に寄与する。特に、アルミナ膜６をスパッタ
堆積法で作製する場合には、低温でアルミナ膜６を形成
できるため、不活性化の効果が大きい。

さらに、アルミナｌＩ＊ｅにあけた開ロアを介してＰ型
領域から外部への電気的な接続を行うためのポンディン
グパッド８を設ける。このポンディングパッド８は同時
にＰＮ接合面に光が入射して光電流が流れるのを防ぐ先
遣へい板としても作用する。さらに、両膜５および６に
あけた開口９を介してポンディングパッド１０を設けて
Ｎ型ＩｎＳｂ基板ｌへの電気的な接続を行う、これらポ
ンディングパッド８と１０からリード線（不図示）を外
部に取り出し、これら２本のリード線からＰＭ接合に順
方向電流を流し、その電圧降下を測定することにより温
度を測定することができる。

［効果］ 以上説明したように、本発明によれば、ＩｎＳｂのＰＮ
接合の順方向特性を利用することにより、低温領域の温
度を精度良く、かつ簡便に測定することができ、低温領
域での特性のよい温度センサとして、種々の電子産業分
野に貢献するところが極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明ＩｎＳｂ温度センサの基本
的な構造の２例を示す断面図、第３図は本発明ＩｎＳｂ
温度セン°すの代表的な特性例を示す特性図、第４図は
本発明の具体的実施例を示す断面図である。 １−Ｎ型ＩｎＳｂ基板。 ２・・・Ｎ型ＩｎＳｂ基板ｌ上に形成したＰ型領域、３
　・Ｐ型ＩｎＳｂ基板、 ４・・・Ｐ型ＩｎＳｂ基板３上に形成したＮ型領域、５
・・・ＩｎＳｂの陽極酸化膜、 ６・・・アルミナ膜、 ７．９・・・開口、 ８．１０・・・外部接続用のポンディングパッド。 第１図 門し幀戚 第２図 ７ＩＰ！、討９１度（Ｋ） 第４図 液体窒素温度付近においても、本発明のＩｎＳｂ温度セ
ンサはシリコンダイオード温度センサに比べて電圧降１
の大きさは１桁程度小さい。他方、温度１度当りの電圧
降１の変化はいずれの場合もほぼ同じであるから、本発
明の方が電圧降１の大きさに対する電Ｈ降］の変化の割
合が１桁程度大きく＋−＝；１ なコ有利である。 第３図 地材Ｌ＆（Ｋ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）Ｎ型のＩｎＳｂ基板と該Ｎ型ＩｎＳｂ基板の表面領
   域に形成したＰ型の領域とにより、またはＰ型のＩｎＳ
   ｂ基板と該Ｐ型ＩｎＳｂ基板の表面領域に形成したＮ型
   の領域とにより形成されたＰＮ接合に順方向電流を流し
   、前記ＰＮ接合の電圧降下より温度を測定するようにし
   たことを特徴とするＩｎＳｂ温度センサ。 ２）特許請求の範囲第１項記載のＩｎＳｂ温度センサに
   おいて、前記ＰＮ接合に流す順方向電流を、前記ＰＮ接
   合の電圧降下が温度に対して直線的に変化する領域に存
   在するような一定値に定めたことを特徴とするＩｎＳｂ
   温度センサ。 ３）特許請求の範囲第１項または第２項記載のＩｎＳｂ
   温度センサにおいて、前記Ｎ型ＩｎＳｂ基板の表面領域
   に形成するＰ型領域を、前記Ｎ型ＩｎＳｂ基板へのベリ
   リウム、マグネシウム、亜鉛、カドミウムのうちいずれ
   か一つのイオン注入または熱拡散によって形成したこと
   を特徴とするＩｎＳｂ温度センサ。 ４）特許請求の範囲第１項または第２項記載のＩｎＳｂ
   温度センサにおいて、前記Ｐ型ＩｎＳｂ基板の表面領域
   に形成するＮ型領域を前記Ｐ型ＩｎＳｂ基板上への硫黄
   またはセレンのイオン注入または熱拡散により形成した
   ことを特徴とするＩｎＳｂ温度センサ。 ５）特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかの項
   に記載のＩｎＳｂ温度センサにおいて、前記ＰＮ接合の
   境界上に、ＩｎＳｂの陽極酸化膜とアルミナ膜との２層
   構造による不活性化膜を配置したことを特徴とするＩｎ
   Ｓｂ温度センサ。 ６）特許請求の範囲第５項記載のＩｎＳｂ温度センサに
   おいて、前記アルミナ膜をスパッタ堆積法により形成し
   たことを特徴とするＩｎＳｂ温度センサ。