紫外線センサ
【課題】 紫外線の感度を上昇させることを可能とし、製作コストを高騰させることなく、汎用性の高い普及型の紫外線センサを提供する。
【解決手段】 紫外線センサ１は、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２と、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２が紫外線を受光して励起された電流あるいは電圧を検出する検出電極３ａ，３ｂとを備えている。
【解決手段】 紫外線センサ１は、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２と、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２が紫外線を受光して励起された電流あるいは電圧を検出する検出電極３ａ，３ｂとを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば汎用性の高い普及型の紫外線センサに係り、特に、火炎から放射される紫外線の検出に好適な紫外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば火を検出する火炎検出手段としては、火炎から放射される紫外線、可視光線、赤外線等を検知し、あるいは火炎の温度や電気伝導度等により火炎の有無を検出する各種のセンサが提案されている。
【０００３】
この種のセンサの一例としては、例えば太陽光の影響を受けずに紫外線のみに反応することができる紫外線光電管がある。しかしながら、この従来の紫外線光電管は、非常に高い駆動電圧を必要とし、装置全体が大型化することと相まって重量が嵩む。そのため、設置環境に応じて選択的に使用しなければならなくなり、汎用性に乏しかった。
【０００４】
また、紫外線センサの他の一例としては、例えば紫外線から可視光の波長領域に感度のあるシリコン受光素子と光学フィルタとを組み合わせた固体素子デバイスとしての紫外線センサがある。しかしながら、この従来の紫外線センサは、経年変化により光学フィルタが紫外線により劣化するため、シリコン受光素子が劣化し易かった。
【０００５】
また、紫外線センサの更に他の一例としては、III族窒化物半導体受光素子を用いた紫外線センサがある。この従来の紫外線センサは、太陽光などの強い可視光に対して感知してしまうため、可視光遮断フィルタを設けている。しかしながら、この従来の紫外線センサは、可視光遮断フィルタを設置する必要があるため、コスト的に高くなり、実用的には馴染まない。
【０００６】
以上の事情に鑑み、上記従来の紫外線センサの他にも、ダイヤモンドを使用した紫外線センサが提案されている。この従来の紫外線センサの一例としては、例えばシリコン基板上にダイヤモンド多結晶薄膜を成長させ、ダイヤモンド多結晶薄膜の表面上に一対の櫛形電極を形成し、それらの櫛形電極が形成されていない表面領域に疎水化処理を施した紫外線センサがある（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
この種の従来の紫外線センサの他の一例としては、例えばダイヤモンド単結晶基板上にダイヤモンド単結晶膜を成長させ、そのダイヤモンド単結晶膜上にショットキー性電極及びオーム性電極を形成したショットキー型紫外線センサがある（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
従来の紫外線センサの更に他の一例としては、例えば窒素を含有するダイヤモンド単結晶基板上に、水素化処理を施した表面層を形成し、その表面層上に一対の櫛形電極を形成した光導電型のダイヤモンド紫外線センサがある（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００５−２２９０７８号公報
【特許文献２】特開２００７−６６９７６号公報
【特許文献３】特開２００７−１３９４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来の紫外線センサは、シリコン基板上にダイヤモンド薄膜を成長させるので、ダイヤモンド薄膜の形態は、単結晶ダイヤモンド薄膜ではない多結晶ダイヤモンド薄膜で構成される。多結晶薄膜には、キャリヤトラップの原因となる高密度の結晶粒界が存在する。また、多結晶薄膜は、表面の準位密度も高い。これらの結晶欠陥は、受光感度を低下させるという問題点があった。
【００１０】
一方、上記特許文献２に記載された従来の紫外線センサは、生産性、生産量及びコストの点で問題となるダイヤモンド単結晶基板を使用している。そのため、汎用牲の高い紫外線センサとして広く一般に普及し難いという問題点があった。
【００１１】
また、上記特許文献３に記載された従来の紫外線センサにあっても、ダイヤモンド単結晶基板を使用しているため、汎用性に乏しく、普及の障害となっているという点では、従前どおり変わるところはない。
【００１２】
上記従来の紫外線センサに共通する問題点としては、ダイヤモンドのバンドギャップが約５．５ｅＶと大きくなり、受光領域の吸収端波長が約２２５ｎｍである。そのため、火災スペクトルに含まれる約２２５ｎｍよりも大きい波長に対して受光感度が悪化し易くなり、約２２５ｎｍ以下の波長領域の光に反応するセンサしか作製することができないという問題点があった。また、ダイヤモンドのバンドギャップが約５．５ｅＶと高いことに起因して、デバイスの動作に必要なキャリア濃度を得たり、その形態をｎ型やｐ型に変化させたりすることは困難であるという問題点があった。また更に、ダイヤモンドは、硬度が高く、加工が困難であるという問題点もあった。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解消すべくなされたものであり、紫外線の感度を上昇させることを可能とし、製作コストを高騰させることなく、汎用性の高い普及型の紫外線センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
［１］本発明は、上記目的を達成するため、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層よりなる受光部と、前記受光部が紫外線を受光して励起された電流あるいは電圧を検出する検出電極とを備えたことを特徴とする紫外線センサにある。
【００１５】
［２］上記［１］において、前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板であることを特徴としている。
【００１６】
［３］上記［１］において、前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層であることを特徴としている。
【００１７】
［４］上記［１］において、前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、前記一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板上にエピタキシャル成長した他の導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層であることを特徴としている。
【００１８】
［５］上記［１］において、前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層と、前記一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層に接合された他の導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、製作コストの高騰を防止することを可能とし、実用的な感度を有する汎用性の高い普及型の紫外線センサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
（光伝導型センサ素子）
図１は、本発明の代表的な実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図である。図１（ａ）は電極パターンを模式的に示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線の断面図である。
【００２２】
これらの図において、第１の実施の形態に係る紫外線センサ１は、受光部の光誘起電流の変化により、受光部に照射される光を検出する２端子電極を持つ光伝導型センサ素子により構成されている。その受光部は、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２により構成することができる。このｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２は、例えば約４．８ｅＶのバンドギャップを有している。
【００２３】
（基板の構成）
この第１の実施の形態にあっては、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２が約４．８ｅＶのバンドギャップを有するため、約２５８ｎｍより大きい波長域に含まれる太陽光に存在するＵＶ−Ａ（波長３１５ｎｍ〜波長４００ｎｍ）及びＵＶ−Ｂ（波長２８０ｎｍ〜波長３１５ｎｍ）の範囲に広がる光に対しては、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の価電子帯の電子が伝導帯に励起しないようになっている。
【００２４】
このｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２においては、ＵＶ−Ｃ（波長１００ｎｍ〜波長２８０ｎｍ）の波長領域のうち、そのバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光によって、価電子帯の電子を伝導帯に励起させることができる。そのため、太陽光が存在する雰囲気中においても、紫外線より波長が長い（バンドギャップのエネルギーより低い）可視光を遮断することができるようになる。これにより、深紫外線のみに反応する深紫外線センサが得られる。
【００２５】
（検出電極の構成）
この第１の実施の形態にあっては、特に限定されるものではないが、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の表面には、電極間に所定の間隔をもって組み合わされた櫛形電極３ａ，３ｂがオーミック電極として形成されている。これらの櫛形電極３ａ，３ｂは、Ｔｉ（チタン）及びＡｌ（アルミニウム）からなる２層構造に形成されている。これらの検出電極の材料としては、特に限定されるものではなく、例えばＡｕ（金）及びＡｇ（銀）などの一般的な金属材料を使用することができる。
【００２６】
以下の表１に、第１の実施の形態に係るｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の厚さと櫛形電極３ａ，３ｂの厚さをまとめて表す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
以下の表２に、図１に示す櫛形電極３ａ，３ｂの外部の長さ及び幅をまとめて表す。
【００２９】
【表２】
【００３０】
（光伝導型センサ素子の動作）
いま、一対の櫛形電極３ａ，３ｂ間に電圧を印加する。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２に、そのバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光が当たると、その光は、櫛形電極３ａ，３ｂ以外の領域を透過し、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２に達すると吸収される。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の価電子帯の電子は伝導帯に励起し、電子と正孔（ホール）のペアが発生する。励起された電子は、プラス側の櫛形電極３ａへ移動する。一方の正孔は、マイナス側の櫛形電極３ｂへ移動する。一対の櫛形電極３ａ，３ｂ間には、光を当てる前の電流よりも増加した電流が流れる。この電流値の変化を電流計により測定することで、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光を検出することができる。
【００３１】
次に、光伝導型センサ素子の製造プロセスを説明する。
【００３２】
（光伝導型センサ素子の製造方法）
以上の構成をもつ第１の実施の形態に係る光伝導型センサ素子１は、以下のように効率的に製造することができる。
【００３３】
（ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の作製工程）
このｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶の育成には、例えば縁部限定薄膜結晶成長法（ＥＦＧ法）及び浮遊帯溶融法(ＦＺ法)などの従来の製法と同一の製造技術を使って製造することができる。β−Ｇａ２Ｏ３単結晶は、例えば本出願人等が先に提案したβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶成長技術（特願２００３−４６５５２号）等と実質的に同じ製法によって得ることができる。
【００３４】
次に、結晶成長されたｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶に切断、研削、及び鏡面研磨などの表面処理を行う。表面処理加工としては、従来の表面処理加工と同一の加工技術を使い、例えば厚さが４００μｍであるｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を作製することができる。
【００３５】
（ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の洗浄工程）
ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を所望の外郭形態に作製した後、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を洗浄する。この洗浄工程にあっても、従来の洗浄技術を使って洗浄することができる。洗浄技術としては、例えばアセトン及びイソプロピルアルコールなどの溶液中でｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を超音波洗浄することができる。
【００３６】
（櫛形電極の作製工程）
ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を洗浄した後、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２上に櫛形電極をパターン加工する。このパターン加工にあっても、従来のパターン加工技術を使ってパターン加工することができる。パターン加工技術としては、例えばフォトリソグラフィー法を用い、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２上に櫛形電極のレジストパターンを形成する。その後、真空蒸着法あるいは電子ビーム蒸着法等により、Ｔｉ（厚さ２００ｎｍ）及びＡｌ（厚さ２００ｎｍ）の金属薄膜を堆積する。次に、リフトオフ法により、Ｔｉ／Ａｌの２層構造からなる一対の櫛形電極３ａ，３ｂの所望のパターンを形成する。
【００３７】
（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によれば、以下の様々な効果が得られる。
（１）使用用途に応じて最も適したバンドギャップをもつｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を選択することができるようになる。
（２）ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長域に広がる光を検出することができる。これにより、太陽光からの光に感光することなく、約２５８ｎｍ以下の波長域に広がる火炎の光を選択的に受光することができる。
（３）ダイヤモンドを利用した素子と比較して、ダイヤモンドよりも波長範囲（紫外領域）が広くなり、しかも色々な火炎スペクトルの波長とマッチングした紫外線波長領域の光を検知するセンサを得ることが可能となり、実用的に支障のない感度を有するとともに、汎用性の高い普及型の深紫外線センサを得ることができる。
【００３８】
なお、光伝導型センサの他の一例としては、例えばスパッタ処理を施すことにより、ガラス又はサファイア等の異種基板上にβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を成膜し、その後、アニール処理を行って作製してもよい。その膜の形態は、実用的に支障のない受光感度を得ることができる多結晶膜で構成することが可能である。
【００３９】
［第２の実施の形態］
（ショットキー接合型センサ素子）
図２は、本発明の第２の実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図である。図２（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線の断面図である。なお、これらの図において上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。
【００４０】
これらの図において、第２の実施の形態に係る紫外線センサ１としては、光誘起電流の変化により、受光部に照射される光を検出するショットキー接合型センサ素子により構成することができる。
【００４１】
（基板の構成）
受光部としては、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４により構成することができる。なお、この第２の実施の形態では、受光部をｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶で構成したものを例示するが、特に限定されるものではない。その受光部としては、例えばｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶で構成したものであってもよい。
【００４２】
（検出電極の構成）
ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４の同一表面には、中央部に円形状の切欠き５ａを有するオーミック電極５、及びｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４とショットキー接合をなす透光性の透明ショットキー電極６を形成することができる。透明ショットキー電極６は、オーミック電極５の切欠き５ａの径よりも小径の円盤形状をなしており、オーミック電極５と所定の間隙ｇをもってオーミック電極５の切欠き５ａ内に配されている。
【００４３】
透明ショットキー電極６の上面には、幅Ｗのショットキー電極６ａが形成されている。そのショットキー電極６ａは、透明ショットキー電極６の中心を含む十文字（クロス線）形状を有している。そのクロス部分には、ショットキー電極６と外部との接続を容易にするために、円形の中央パッド電極部６ｂが突出されている。
【００４４】
オーミック電極５としては、例えばＴｉ薄膜及びＡｌ薄膜の２層構造により形成することができる。透明ショットキー電極６としては、検出対象とする光の波長に対して透明な透光性の金属薄膜からなり、例えば約２５８ｎｍ以下の光の波長に対して透明な透光性を有するＡｕ薄膜により形成することができる。ショットキー電極６ａとしては、例えばＡｕ薄膜により形成することができる。
【００４５】
以下の表３に、第２の実施の形態に係るｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４の厚さと電極５，６の厚さをまとめて表す。
【００４６】
【表３】
【００４７】
以下の表４に、第２の実施の形態に係る電極５，６の外形寸法をまとめて表す。
【００４８】
【表４】
【００４９】
（ショットキー接合型センサ素子の動作）
いま、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４に、そのバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光が当たると、その光は、透明ショットキー電極６を透過し、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４に達すると吸収される。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４の価電子帯の電子が伝導帯に励起し、電子と正孔とがペアとして発生する。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４及び透明ショットキー電極６の接合部には、拡散電圧が生じる。この拡散電圧により伝導帯に励起された電子は、プラス側の透明ショットキー電極６側へ流れる。このときのショットキー電極６ａの電流値を検出することで、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光を検出することができる。
【００５０】
（ショットキー接合型センサ素子の製造方法）
この第２の実施の形態に係る光伝導型センサ素子１としては、上記第１の実施の形態に係る光伝導型センサ素子１と同様のバルク単結晶成長技術を使って製造することができる。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶の製法としては、例えば定法に従いマグネシウム（Ｍｇ）などをドープした後、熱処理することで、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶をｐ型化するか、あるいはＭｇをイオン注入することでβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶をｐ型化することができる。
【００５１】
受光部となるｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４上へのエピ成長としては、例えばβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板上にビーム分子エピタキシャル法（ＭＢＥ法）あるいはパルスレーザ堆積法（ＰＬＤ法）等の従来の製法と同一の薄膜成形技術を使って製造することができる。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶薄膜の製法の一例としては、例えば本出願人等が先に提案した特開２００４−３４２８５７号公報等に記載されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶の作製技術と実質的に同じ製法によって得ることができる。
【００５２】
（第２の実施の形態の効果）
この第２の実施の形態の紫外線センサ１によると、上記第１の実施の形態の効果と同様に、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光に感度を有し、可視光領域では感度を有しないセンサ素子を得ることができる。
【００５３】
なお、ショットキー接合型センサ１の他の一例としては、例えばスパッタ処理を施すことにより、ガラス又はサファイア等の異種基板上にβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を成膜し、その後、アニール処理を行って作製してもよい。その膜の形態は、実用的に支障のない受光感度を得ることができる多結晶膜で構成することが可能である。
【００５４】
また、ショットキー接合型センサ１の更に他の一例としては、例えばｐ型あるいはｎ型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の上に、同一の導電型又は他の導電型からなるβ−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層を形成したものをセンサ素子として使用することができることは勿論である。検出電極としては、上記第２の実施の形態と同様に、β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層の上面の所定領域にオーミック電極５、透明ショットキー電極６、及びショットキー電極６ａを形成することができる。
【００５５】
［第３の実施の形態］
（ＰＮ接合型センサ素子）
図３は、本発明の第３の実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、図３（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線の断面図である。なお、これらの図において上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。
【００５６】
これらの図において、第３の実施の形態に係る紫外線センサ１としては、照射される光を検出する受光部のデバイス構造をＰＮ接合型により構成している。
【００５７】
（ＰＮ接合の構成）
図示例によると、ＰＮ接合型センサ素子は、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の表面に、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７をエピタキシャル成長させた構造を有している。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の厚さとしては、上記各実施の形態と同様に、例えば４００μｍ程度が好ましい。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７の厚さとしては、例えば数百ｎｍ〜数μｍ程度が好適であり、特に限定されない。
【００５８】
（電極の構成）
ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７の上面の所定領域には、円盤形状のｐ側オーミック電極８を形成することができる。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル基板２の下面の所定領域には、ｐ側オーミック電極８よりも大径のｎ側オーミック電極９を形成することができる。図示例によれば、オーミック電極９としては、Ｔｉ（厚さ２００ｎｍ）及びＡｌ（厚さ２００ｎｍ）を２層構造に形成した電極を使用している。
【００５９】
（ＰＮ接合型センサ素子の動作）
いま、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７に、そのバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光が当たると、その光はｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７を透過し、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２との界面に達すると吸収される。その界面において、価電子帯の電子が伝導帯に励起し、電子と正孔のペアが生成される。
【００６０】
ｐ側及びｎ側を開放した状態にすると、励起された電子は、ｎ型領域に蓄積される。一方の正孔は、ｐ型領域に蓄積される。ｎ型領域には、負の空間電荷が形成される。ｐ型領域には、正の空間電荷が形成される。ｎ型領域のフェルミ準位が、ｐ型領域のフェルミ準位より伝導帯へ上昇することで、これらのフェルミ準位間にｑＶ０の差ができる。拡散電圧Ｖｄは、Ｖ０分だけ減少する。ｎ型電極及びｐ型電極間には、Ｖ０の起電力が発生する。この起電力を電圧計により測定することで、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光を検出することができる。
【００６１】
（ＰＮ接合型センサ素子の製造方法）
この第３の実施の形態に係るＰＮ接合型センサ素子1のｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２にあっても、上記各実施の形態と同様に、例えばＥＦＧ法及びＦＺ法などの従来の製法と同一のバルク単結晶成長技術を使って製造することができる。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７の作製にあっても、例えばＭＢＥ法あるいはＰＬＤ法等を使って、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２上に、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル薄膜を成長させることができる。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶の製法の一例としては、例えば本出願人等が先に提案した特開２００４−３４２８５７号公報等に記載されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶の作製技術と実質的に同じ製法によって得ることができる。
【００６２】
（第３の実施の形態の効果）
上記第３の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）上記第１の実施の形態の効果に加えて、受光面積を最大限に取ることが可能となる。
【００６３】
（ＰＮ接合型センサ素子の変形例）
図４は、ＰＮ接合型センサ素子の変形例を模式的に示している。図４（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）の４Ｂ−４Ｂ線の断面図である。なお、これらの図において上記第３の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。
【００６４】
（ＰＮ接合の構成）
ＰＮ接合型センサ素子１は、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２と、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層１０と、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７とを順次積層した積層構造を有している。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２とｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７との間にｎ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層１０を設けた構成を採用することにより、電気的特牲に優れており、良質の結晶が得られるようになり、良好な受光感度を得ることができる。
【００６５】
（検出電極の構成）
ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７の上面の所定領域には、ｐ側オーミック電極８を形成することができる。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の下面の所定領域には、ｎ側オーミック電極９を形成することができる。
【００６６】
ＰＮ接合型センサ素子の他の一例としては、例えばガラス又はサファイア等の異種基板の表面に、β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル薄膜を成長させることができる。
【００６７】
なお、この変形例であるＰＮ接合型センサ素子にあっても、例えばＭＢＥ法あるいはＰＬＤ法などの従来の製法と同様の薄膜成形技術を使って製造することができることは勿論である。また、上記第３の実施の形態の効果と同様に、酸素欠損が少ない良質の結晶を得ることができる。
【００６８】
以上の説明からも明らかなように、上記各実施の形態にあっては、約４．８ｅＶのバンドギャップを有するセンサ素子を例示しているが、例えば約４．８ｅＶよりも大きなバンドギャップを有する光を選択的に吸収するセンサ素子にも適用が可能である。また、例えばｎ側及びｐ側の電極も上記各実施の形態の材料に限定されることはなく、他の金属あるいは半導体の材料を使用してもよいことは勿論であり、本発明の初期の目的を十分に達成することができる。従って、本発明は、上記各実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲内で様々に設計変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、例えば火災センサ及び紫外線照射装置内の紫外線センサなどに効果的に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の代表的な実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、（ａ）は電極パターンを模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線の断面図である。
【図４】第３の実施の形態の変形例である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）の４Ｂ−４Ｂ線の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 紫外線センサ
２ ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板
３ａ，３ｂ 櫛形電極
４ ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板
５ オーミック電極
５ａ 切欠き
６ 透明ショットキー電極
６ａ ショットキー電極
６ｂ 中央パッド電極部
７ ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層
８ ｐ側オーミック電極
９ ｎ側オーミック電極
１０ ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば汎用性の高い普及型の紫外線センサに係り、特に、火炎から放射される紫外線の検出に好適な紫外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば火を検出する火炎検出手段としては、火炎から放射される紫外線、可視光線、赤外線等を検知し、あるいは火炎の温度や電気伝導度等により火炎の有無を検出する各種のセンサが提案されている。
【０００３】
この種のセンサの一例としては、例えば太陽光の影響を受けずに紫外線のみに反応することができる紫外線光電管がある。しかしながら、この従来の紫外線光電管は、非常に高い駆動電圧を必要とし、装置全体が大型化することと相まって重量が嵩む。そのため、設置環境に応じて選択的に使用しなければならなくなり、汎用性に乏しかった。
【０００４】
また、紫外線センサの他の一例としては、例えば紫外線から可視光の波長領域に感度のあるシリコン受光素子と光学フィルタとを組み合わせた固体素子デバイスとしての紫外線センサがある。しかしながら、この従来の紫外線センサは、経年変化により光学フィルタが紫外線により劣化するため、シリコン受光素子が劣化し易かった。
【０００５】
また、紫外線センサの更に他の一例としては、III族窒化物半導体受光素子を用いた紫外線センサがある。この従来の紫外線センサは、太陽光などの強い可視光に対して感知してしまうため、可視光遮断フィルタを設けている。しかしながら、この従来の紫外線センサは、可視光遮断フィルタを設置する必要があるため、コスト的に高くなり、実用的には馴染まない。
【０００６】
以上の事情に鑑み、上記従来の紫外線センサの他にも、ダイヤモンドを使用した紫外線センサが提案されている。この従来の紫外線センサの一例としては、例えばシリコン基板上にダイヤモンド多結晶薄膜を成長させ、ダイヤモンド多結晶薄膜の表面上に一対の櫛形電極を形成し、それらの櫛形電極が形成されていない表面領域に疎水化処理を施した紫外線センサがある（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
この種の従来の紫外線センサの他の一例としては、例えばダイヤモンド単結晶基板上にダイヤモンド単結晶膜を成長させ、そのダイヤモンド単結晶膜上にショットキー性電極及びオーム性電極を形成したショットキー型紫外線センサがある（例えば特許文献２参照）。
【０００８】
従来の紫外線センサの更に他の一例としては、例えば窒素を含有するダイヤモンド単結晶基板上に、水素化処理を施した表面層を形成し、その表面層上に一対の櫛形電極を形成した光導電型のダイヤモンド紫外線センサがある（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００５−２２９０７８号公報
【特許文献２】特開２００７−６６９７６号公報
【特許文献３】特開２００７−１３９４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に記載された従来の紫外線センサは、シリコン基板上にダイヤモンド薄膜を成長させるので、ダイヤモンド薄膜の形態は、単結晶ダイヤモンド薄膜ではない多結晶ダイヤモンド薄膜で構成される。多結晶薄膜には、キャリヤトラップの原因となる高密度の結晶粒界が存在する。また、多結晶薄膜は、表面の準位密度も高い。これらの結晶欠陥は、受光感度を低下させるという問題点があった。
【００１０】
一方、上記特許文献２に記載された従来の紫外線センサは、生産性、生産量及びコストの点で問題となるダイヤモンド単結晶基板を使用している。そのため、汎用牲の高い紫外線センサとして広く一般に普及し難いという問題点があった。
【００１１】
また、上記特許文献３に記載された従来の紫外線センサにあっても、ダイヤモンド単結晶基板を使用しているため、汎用性に乏しく、普及の障害となっているという点では、従前どおり変わるところはない。
【００１２】
上記従来の紫外線センサに共通する問題点としては、ダイヤモンドのバンドギャップが約５．５ｅＶと大きくなり、受光領域の吸収端波長が約２２５ｎｍである。そのため、火災スペクトルに含まれる約２２５ｎｍよりも大きい波長に対して受光感度が悪化し易くなり、約２２５ｎｍ以下の波長領域の光に反応するセンサしか作製することができないという問題点があった。また、ダイヤモンドのバンドギャップが約５．５ｅＶと高いことに起因して、デバイスの動作に必要なキャリア濃度を得たり、その形態をｎ型やｐ型に変化させたりすることは困難であるという問題点があった。また更に、ダイヤモンドは、硬度が高く、加工が困難であるという問題点もあった。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解消すべくなされたものであり、紫外線の感度を上昇させることを可能とし、製作コストを高騰させることなく、汎用性の高い普及型の紫外線センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
［１］本発明は、上記目的を達成するため、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層よりなる受光部と、前記受光部が紫外線を受光して励起された電流あるいは電圧を検出する検出電極とを備えたことを特徴とする紫外線センサにある。
【００１５】
［２］上記［１］において、前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板であることを特徴としている。
【００１６】
［３］上記［１］において、前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層であることを特徴としている。
【００１７】
［４］上記［１］において、前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、前記一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板上にエピタキシャル成長した他の導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層であることを特徴としている。
【００１８】
［５］上記［１］において、前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層と、前記一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層に接合された他の導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は、製作コストの高騰を防止することを可能とし、実用的な感度を有する汎用性の高い普及型の紫外線センサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
【００２１】
［第１の実施の形態］
（光伝導型センサ素子）
図１は、本発明の代表的な実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図である。図１（ａ）は電極パターンを模式的に示す平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線の断面図である。
【００２２】
これらの図において、第１の実施の形態に係る紫外線センサ１は、受光部の光誘起電流の変化により、受光部に照射される光を検出する２端子電極を持つ光伝導型センサ素子により構成されている。その受光部は、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２により構成することができる。このｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２は、例えば約４．８ｅＶのバンドギャップを有している。
【００２３】
（基板の構成）
この第１の実施の形態にあっては、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２が約４．８ｅＶのバンドギャップを有するため、約２５８ｎｍより大きい波長域に含まれる太陽光に存在するＵＶ−Ａ（波長３１５ｎｍ〜波長４００ｎｍ）及びＵＶ−Ｂ（波長２８０ｎｍ〜波長３１５ｎｍ）の範囲に広がる光に対しては、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の価電子帯の電子が伝導帯に励起しないようになっている。
【００２４】
このｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２においては、ＵＶ−Ｃ（波長１００ｎｍ〜波長２８０ｎｍ）の波長領域のうち、そのバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光によって、価電子帯の電子を伝導帯に励起させることができる。そのため、太陽光が存在する雰囲気中においても、紫外線より波長が長い（バンドギャップのエネルギーより低い）可視光を遮断することができるようになる。これにより、深紫外線のみに反応する深紫外線センサが得られる。
【００２５】
（検出電極の構成）
この第１の実施の形態にあっては、特に限定されるものではないが、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の表面には、電極間に所定の間隔をもって組み合わされた櫛形電極３ａ，３ｂがオーミック電極として形成されている。これらの櫛形電極３ａ，３ｂは、Ｔｉ（チタン）及びＡｌ（アルミニウム）からなる２層構造に形成されている。これらの検出電極の材料としては、特に限定されるものではなく、例えばＡｕ（金）及びＡｇ（銀）などの一般的な金属材料を使用することができる。
【００２６】
以下の表１に、第１の実施の形態に係るｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の厚さと櫛形電極３ａ，３ｂの厚さをまとめて表す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
以下の表２に、図１に示す櫛形電極３ａ，３ｂの外部の長さ及び幅をまとめて表す。
【００２９】
【表２】
【００３０】
（光伝導型センサ素子の動作）
いま、一対の櫛形電極３ａ，３ｂ間に電圧を印加する。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２に、そのバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光が当たると、その光は、櫛形電極３ａ，３ｂ以外の領域を透過し、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２に達すると吸収される。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の価電子帯の電子は伝導帯に励起し、電子と正孔（ホール）のペアが発生する。励起された電子は、プラス側の櫛形電極３ａへ移動する。一方の正孔は、マイナス側の櫛形電極３ｂへ移動する。一対の櫛形電極３ａ，３ｂ間には、光を当てる前の電流よりも増加した電流が流れる。この電流値の変化を電流計により測定することで、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光を検出することができる。
【００３１】
次に、光伝導型センサ素子の製造プロセスを説明する。
【００３２】
（光伝導型センサ素子の製造方法）
以上の構成をもつ第１の実施の形態に係る光伝導型センサ素子１は、以下のように効率的に製造することができる。
【００３３】
（ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の作製工程）
このｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶の育成には、例えば縁部限定薄膜結晶成長法（ＥＦＧ法）及び浮遊帯溶融法(ＦＺ法)などの従来の製法と同一の製造技術を使って製造することができる。β−Ｇａ２Ｏ３単結晶は、例えば本出願人等が先に提案したβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶成長技術（特願２００３−４６５５２号）等と実質的に同じ製法によって得ることができる。
【００３４】
次に、結晶成長されたｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶に切断、研削、及び鏡面研磨などの表面処理を行う。表面処理加工としては、従来の表面処理加工と同一の加工技術を使い、例えば厚さが４００μｍであるｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を作製することができる。
【００３５】
（ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の洗浄工程）
ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を所望の外郭形態に作製した後、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を洗浄する。この洗浄工程にあっても、従来の洗浄技術を使って洗浄することができる。洗浄技術としては、例えばアセトン及びイソプロピルアルコールなどの溶液中でｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を超音波洗浄することができる。
【００３６】
（櫛形電極の作製工程）
ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を洗浄した後、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２上に櫛形電極をパターン加工する。このパターン加工にあっても、従来のパターン加工技術を使ってパターン加工することができる。パターン加工技術としては、例えばフォトリソグラフィー法を用い、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２上に櫛形電極のレジストパターンを形成する。その後、真空蒸着法あるいは電子ビーム蒸着法等により、Ｔｉ（厚さ２００ｎｍ）及びＡｌ（厚さ２００ｎｍ）の金属薄膜を堆積する。次に、リフトオフ法により、Ｔｉ／Ａｌの２層構造からなる一対の櫛形電極３ａ，３ｂの所望のパターンを形成する。
【００３７】
（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によれば、以下の様々な効果が得られる。
（１）使用用途に応じて最も適したバンドギャップをもつｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２を選択することができるようになる。
（２）ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長域に広がる光を検出することができる。これにより、太陽光からの光に感光することなく、約２５８ｎｍ以下の波長域に広がる火炎の光を選択的に受光することができる。
（３）ダイヤモンドを利用した素子と比較して、ダイヤモンドよりも波長範囲（紫外領域）が広くなり、しかも色々な火炎スペクトルの波長とマッチングした紫外線波長領域の光を検知するセンサを得ることが可能となり、実用的に支障のない感度を有するとともに、汎用性の高い普及型の深紫外線センサを得ることができる。
【００３８】
なお、光伝導型センサの他の一例としては、例えばスパッタ処理を施すことにより、ガラス又はサファイア等の異種基板上にβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を成膜し、その後、アニール処理を行って作製してもよい。その膜の形態は、実用的に支障のない受光感度を得ることができる多結晶膜で構成することが可能である。
【００３９】
［第２の実施の形態］
（ショットキー接合型センサ素子）
図２は、本発明の第２の実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図である。図２（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線の断面図である。なお、これらの図において上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。
【００４０】
これらの図において、第２の実施の形態に係る紫外線センサ１としては、光誘起電流の変化により、受光部に照射される光を検出するショットキー接合型センサ素子により構成することができる。
【００４１】
（基板の構成）
受光部としては、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４により構成することができる。なお、この第２の実施の形態では、受光部をｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶で構成したものを例示するが、特に限定されるものではない。その受光部としては、例えばｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶で構成したものであってもよい。
【００４２】
（検出電極の構成）
ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４の同一表面には、中央部に円形状の切欠き５ａを有するオーミック電極５、及びｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４とショットキー接合をなす透光性の透明ショットキー電極６を形成することができる。透明ショットキー電極６は、オーミック電極５の切欠き５ａの径よりも小径の円盤形状をなしており、オーミック電極５と所定の間隙ｇをもってオーミック電極５の切欠き５ａ内に配されている。
【００４３】
透明ショットキー電極６の上面には、幅Ｗのショットキー電極６ａが形成されている。そのショットキー電極６ａは、透明ショットキー電極６の中心を含む十文字（クロス線）形状を有している。そのクロス部分には、ショットキー電極６と外部との接続を容易にするために、円形の中央パッド電極部６ｂが突出されている。
【００４４】
オーミック電極５としては、例えばＴｉ薄膜及びＡｌ薄膜の２層構造により形成することができる。透明ショットキー電極６としては、検出対象とする光の波長に対して透明な透光性の金属薄膜からなり、例えば約２５８ｎｍ以下の光の波長に対して透明な透光性を有するＡｕ薄膜により形成することができる。ショットキー電極６ａとしては、例えばＡｕ薄膜により形成することができる。
【００４５】
以下の表３に、第２の実施の形態に係るｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４の厚さと電極５，６の厚さをまとめて表す。
【００４６】
【表３】
【００４７】
以下の表４に、第２の実施の形態に係る電極５，６の外形寸法をまとめて表す。
【００４８】
【表４】
【００４９】
（ショットキー接合型センサ素子の動作）
いま、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４に、そのバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光が当たると、その光は、透明ショットキー電極６を透過し、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４に達すると吸収される。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４の価電子帯の電子が伝導帯に励起し、電子と正孔とがペアとして発生する。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４及び透明ショットキー電極６の接合部には、拡散電圧が生じる。この拡散電圧により伝導帯に励起された電子は、プラス側の透明ショットキー電極６側へ流れる。このときのショットキー電極６ａの電流値を検出することで、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光を検出することができる。
【００５０】
（ショットキー接合型センサ素子の製造方法）
この第２の実施の形態に係る光伝導型センサ素子１としては、上記第１の実施の形態に係る光伝導型センサ素子１と同様のバルク単結晶成長技術を使って製造することができる。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶の製法としては、例えば定法に従いマグネシウム（Ｍｇ）などをドープした後、熱処理することで、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶をｐ型化するか、あるいはＭｇをイオン注入することでβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶をｐ型化することができる。
【００５１】
受光部となるｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４上へのエピ成長としては、例えばβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板上にビーム分子エピタキシャル法（ＭＢＥ法）あるいはパルスレーザ堆積法（ＰＬＤ法）等の従来の製法と同一の薄膜成形技術を使って製造することができる。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶薄膜の製法の一例としては、例えば本出願人等が先に提案した特開２００４−３４２８５７号公報等に記載されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶の作製技術と実質的に同じ製法によって得ることができる。
【００５２】
（第２の実施の形態の効果）
この第２の実施の形態の紫外線センサ１によると、上記第１の実施の形態の効果と同様に、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板４のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光に感度を有し、可視光領域では感度を有しないセンサ素子を得ることができる。
【００５３】
なお、ショットキー接合型センサ１の他の一例としては、例えばスパッタ処理を施すことにより、ガラス又はサファイア等の異種基板上にβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶膜を成膜し、その後、アニール処理を行って作製してもよい。その膜の形態は、実用的に支障のない受光感度を得ることができる多結晶膜で構成することが可能である。
【００５４】
また、ショットキー接合型センサ１の更に他の一例としては、例えばｐ型あるいはｎ型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板の上に、同一の導電型又は他の導電型からなるβ−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層を形成したものをセンサ素子として使用することができることは勿論である。検出電極としては、上記第２の実施の形態と同様に、β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層の上面の所定領域にオーミック電極５、透明ショットキー電極６、及びショットキー電極６ａを形成することができる。
【００５５】
［第３の実施の形態］
（ＰＮ接合型センサ素子）
図３は、本発明の第３の実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、図３（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線の断面図である。なお、これらの図において上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。従って、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。
【００５６】
これらの図において、第３の実施の形態に係る紫外線センサ１としては、照射される光を検出する受光部のデバイス構造をＰＮ接合型により構成している。
【００５７】
（ＰＮ接合の構成）
図示例によると、ＰＮ接合型センサ素子は、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の表面に、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７をエピタキシャル成長させた構造を有している。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の厚さとしては、上記各実施の形態と同様に、例えば４００μｍ程度が好ましい。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７の厚さとしては、例えば数百ｎｍ〜数μｍ程度が好適であり、特に限定されない。
【００５８】
（電極の構成）
ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７の上面の所定領域には、円盤形状のｐ側オーミック電極８を形成することができる。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル基板２の下面の所定領域には、ｐ側オーミック電極８よりも大径のｎ側オーミック電極９を形成することができる。図示例によれば、オーミック電極９としては、Ｔｉ（厚さ２００ｎｍ）及びＡｌ（厚さ２００ｎｍ）を２層構造に形成した電極を使用している。
【００５９】
（ＰＮ接合型センサ素子の動作）
いま、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７に、そのバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光が当たると、その光はｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７を透過し、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２との界面に達すると吸収される。その界面において、価電子帯の電子が伝導帯に励起し、電子と正孔のペアが生成される。
【００６０】
ｐ側及びｎ側を開放した状態にすると、励起された電子は、ｎ型領域に蓄積される。一方の正孔は、ｐ型領域に蓄積される。ｎ型領域には、負の空間電荷が形成される。ｐ型領域には、正の空間電荷が形成される。ｎ型領域のフェルミ準位が、ｐ型領域のフェルミ準位より伝導帯へ上昇することで、これらのフェルミ準位間にｑＶ０の差ができる。拡散電圧Ｖｄは、Ｖ０分だけ減少する。ｎ型電極及びｐ型電極間には、Ｖ０の起電力が発生する。この起電力を電圧計により測定することで、β−Ｇａ２Ｏ３単結晶のバンドギャップより高いエネルギーをもつ約２５８ｎｍ以下の波長の光を検出することができる。
【００６１】
（ＰＮ接合型センサ素子の製造方法）
この第３の実施の形態に係るＰＮ接合型センサ素子1のｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２にあっても、上記各実施の形態と同様に、例えばＥＦＧ法及びＦＺ法などの従来の製法と同一のバルク単結晶成長技術を使って製造することができる。ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７の作製にあっても、例えばＭＢＥ法あるいはＰＬＤ法等を使って、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２上に、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル薄膜を成長させることができる。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶の製法の一例としては、例えば本出願人等が先に提案した特開２００４−３４２８５７号公報等に記載されたβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶の作製技術と実質的に同じ製法によって得ることができる。
【００６２】
（第３の実施の形態の効果）
上記第３の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）上記第１の実施の形態の効果に加えて、受光面積を最大限に取ることが可能となる。
【００６３】
（ＰＮ接合型センサ素子の変形例）
図４は、ＰＮ接合型センサ素子の変形例を模式的に示している。図４（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）の４Ｂ−４Ｂ線の断面図である。なお、これらの図において上記第３の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を付している。
【００６４】
（ＰＮ接合の構成）
ＰＮ接合型センサ素子１は、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２と、ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層１０と、ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７とを順次積層した積層構造を有している。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２とｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７との間にｎ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層１０を設けた構成を採用することにより、電気的特牲に優れており、良質の結晶が得られるようになり、良好な受光感度を得ることができる。
【００６５】
（検出電極の構成）
ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層７の上面の所定領域には、ｐ側オーミック電極８を形成することができる。ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板２の下面の所定領域には、ｎ側オーミック電極９を形成することができる。
【００６６】
ＰＮ接合型センサ素子の他の一例としては、例えばガラス又はサファイア等の異種基板の表面に、β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル薄膜を成長させることができる。
【００６７】
なお、この変形例であるＰＮ接合型センサ素子にあっても、例えばＭＢＥ法あるいはＰＬＤ法などの従来の製法と同様の薄膜成形技術を使って製造することができることは勿論である。また、上記第３の実施の形態の効果と同様に、酸素欠損が少ない良質の結晶を得ることができる。
【００６８】
以上の説明からも明らかなように、上記各実施の形態にあっては、約４．８ｅＶのバンドギャップを有するセンサ素子を例示しているが、例えば約４．８ｅＶよりも大きなバンドギャップを有する光を選択的に吸収するセンサ素子にも適用が可能である。また、例えばｎ側及びｐ側の電極も上記各実施の形態の材料に限定されることはなく、他の金属あるいは半導体の材料を使用してもよいことは勿論であり、本発明の初期の目的を十分に達成することができる。従って、本発明は、上記各実施の形態及び変形例に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲内で様々に設計変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、例えば火災センサ及び紫外線照射装置内の紫外線センサなどに効果的に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の代表的な実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、（ａ）は電極パターンを模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）の１Ｂ−１Ｂ線の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）の３Ｂ−３Ｂ線の断面図である。
【図４】第３の実施の形態の変形例である紫外線センサ素子を模式的に示す図であり、（ａ）は、電極パターンを模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）の４Ｂ−４Ｂ線の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 紫外線センサ
２ ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板
３ａ，３ｂ 櫛形電極
４ ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板
５ オーミック電極
５ａ 切欠き
６ 透明ショットキー電極
６ａ ショットキー電極
６ｂ 中央パッド電極部
７ ｐ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層
８ ｐ側オーミック電極
９ ｎ側オーミック電極
１０ ｎ型β−Ｇａ２Ｏ３エピタキシャル層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層よりなる受光部と、
前記受光部が紫外線を受光して励起された電流あるいは電圧を検出する検出電極と、
を備えたことを特徴とする紫外線センサ。
【請求項２】
前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板であることを特徴とする請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項３】
前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層であることを特徴とする請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項４】
前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、前記一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板上にエピタキシャル成長した他の導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層であることを特徴とする請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項５】
前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層と、前記一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層に接合された他の導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層であることを特徴とする請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項１】
β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層よりなる受光部と、
前記受光部が紫外線を受光して励起された電流あるいは電圧を検出する検出電極と、
を備えたことを特徴とする紫外線センサ。
【請求項２】
前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板であることを特徴とする請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項３】
前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層であることを特徴とする請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項４】
前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板と、前記一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶基板上にエピタキシャル成長した他の導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶層であることを特徴とする請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項５】
前記β−Ｇａ２Ｏ３単結晶層は、一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層と、前記一導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層に接合された他の導電型のβ−Ｇａ２Ｏ３単結晶エピタキシャル層であることを特徴とする請求項１記載の紫外線センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−７０９５０（Ｐ２００９−７０９５０Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３６２７８（Ｐ２００７−２３６２７８）
【出願日】平成１９年９月１２日（２００７．９．１２）
【出願人】（０００１５３２３６）株式会社光波 (98)
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１２日（２００７．９．１２）
【出願人】（０００１５３２３６）株式会社光波 (98)
【出願人】（３０１０２３２３８）独立行政法人物質・材料研究機構 (1,333)
【Ｆターム（参考）】
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