紫外線センサ、およびその製造方法
【課題】 低コストの酸化ガリウム単結晶基板を用いた紫外線センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面４１または該直交面４１から所定の角度傾斜した面を受光面１２ｒとする酸化ガリウム単結晶基板１１と、酸化ガリウム単結晶基板１１の第１表面に形成されたオーミック電極１３と、受光面１２ｒを含む酸化ガリウム単結晶基板１１の第２表面に形成されたショットキー電極１２とを備えた。
【解決手段】 酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面４１または該直交面４１から所定の角度傾斜した面を受光面１２ｒとする酸化ガリウム単結晶基板１１と、酸化ガリウム単結晶基板１１の第１表面に形成されたオーミック電極１３と、受光面１２ｒを含む酸化ガリウム単結晶基板１１の第２表面に形成されたショットキー電極１２とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線ランプ等が発する紫外線を検知する紫外線センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線を照射する紫外線ランプは、水や空気の殺菌、半導体や食品容器の洗浄、及び半導体の表面改質等、産業界の多岐にわたり使用されている。この紫外線ランプは消耗品であり、寿命が重要なポイントであるが、紫外線ランプの監視が連続的にできないために事前に寿命時間が規格として定められている。しかしながら、個々のランプの寿命は一定ではなく、設定した時間からずれが生じる場合がある。実際の寿命が設定時間より短い場合、紫外線発生のないまま使用するため、所望の浄化、殺菌等の効果を得ることができず、実際の寿命が設定時間より長い場合、まだ使用可能であるにも拘らず交換されるという無駄が生じることとなる。
【０００３】
このような問題に対し、従来、紫外線ランプが照射する紫外線を検知することにより、連続的に紫外線ランプを監視するセンサがある。このセンサとしては、シリコンを用いたものがある。しかしながら、測定波長の選択はフィルタを使用して行われるため、波長２５４ｎｍ付近の短波長域では受光スペクトルのバンド幅が広く、またフィルタの紫外線による劣化及びそれに伴う受光波長のシフトが発生し、感度調整のための校正が必要となる。さらに、フィルタ周辺部品等の耐熱性の問題から、通常４０℃以下で使用するという制約があるため、測定場所の調整を頻繁に行なう必要がある。
【０００４】
また、波長２８０ｎｍ以下の紫外線を検出するセンサとして光電管が知られている。この光電管は火炎の点滅を検知するセンサとして既に実用化され、主に工業炉など大型燃焼装置の自動制御用の火炎センサに用いられているが、光電管を用いたセンサは、ソーラーブラインドのセンサではないので感度が変動しやすく、耐熱性も低いという問題を有している。
【０００５】
これに対し、酸化ガリウム単結晶基板を用い、耐熱性及び耐久性に優れるソーラーブラインドの紫外線センサ及び紫外線用フォトディテクタがある（例えば、特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１３００１２号公報
【特許文献２】特開２００９−２００２２２号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した酸化ガリウム単結晶基板は、その単結晶のインゴットを、（１００）面（以後、ａ面と称する）に平行な面をワイヤソーでスライスし、このａ面を化学機械研磨法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）で鏡面研磨してウェハ状に加工することで作製される。しかしながら、酸化ガリウム単結晶基板は、その単結晶におけるａ面をスライスする場合、前工程として単結晶を輪切りする工程が行なわれる。即ち、単結晶におけるａ面をスライスする工程は、この輪切りした状態の単結晶のうちａ面に平行な面をワイヤソーでスライスする工程となる。酸化ガリウム単結晶基板は、上述した輪切り及びスライスの工程により作製されているため、その製造工程に時間等のコストがかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、低コストの酸化ガリウム単結晶基板を用いた紫外線センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した問題点を解決するため、本発明に係る紫外線センサは、酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面を受光面とする酸化ガリウム単結晶基板と、前記酸化ガリウム単結晶基板の第１表面に形成された第１電極と、前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第２表面に形成された第２電極とを有する。
【００１０】
また、本発明に係る紫外線センサの製造方法は、酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面が切断面となるよう、前記酸化ガリウム単結晶を所定の厚さで切断して切断面を受光面とし、前記酸化ガリウム単結晶基板の第１表面に第１電極を形成し、前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第２表面に第２電極を形成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低コストの酸化ガリウム単結晶基板を紫外線センサに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。
【図２】パッケージ内のセンサチップを示す上面図である。
【図３】手法Ａを説明するための模式図である。
【図４】実施の形態１に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。
【図５】実施例１に係る紫外線センサのセンサ感度と静電容量とを示すグラフである。
【図６】図６は、実施の形態２に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。
【図７】ショットキー電極の表面状態を示す図である。
【図８】実施の形態２に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。
【図９】実施例２に係る紫外線センサの不純物濃度を示すグラフである。
【図１０】実施例２に係る紫外線センサの不純物濃度、比抵抗及びキャリア密度を示す表である。
【図１１】実施例２に係る紫外線センサの比抵抗、キャリア密度及びＳｉ濃度の相関を示すグラフである。
【図１２】実施例３に係る紫外線センサのセンサ感度、センサの寿命及び研磨傷の個数の相関を示すグラフである。
【図１３】実施例４に係る紫外線センサにおけるオーミック電極間の抵抗を示すグラフである。
【図１４】実施例４に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。
【図１５】実施例５に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
先ず、図１及び図２を用いて実施の形態１に係る紫外線センサについて説明する。図１は、実施の形態１に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。図２は、パッケージ内のセンサチップを示す上面図である。図１に示されるように、紫外線センサ１は、紫外線を検出するためのセンサチップ１０がパッケージ２内に収容され外部雰囲気から封止されている。
【００１５】
パッケージ２は、平板状のステム２２と、ステム２２の上に設置され、中央に開口部２０を有する円筒部材であるキャップ２３と、開口部２０をキャップ２３の内部から覆う窓部材２１とを有しており、その内部は、窒素やアルゴン等の不活性ガスで充填される、或いは、真空状態に維持される。
ステム２２及びキャップ２３は、内部に収容されるセンサチップ１０の静電遮蔽の観点から、導電性であることが好ましく、例えば、ステンレス、アルミニウム、真鍮、鉄、ニッケル等の金属から形成される。
窓部材２１は、検出対象となる紫外線に対して透光性を有する材料から形成され、波長２５４ｎｍ付近の紫外線に対してそれぞれ大きな透過率を有するサファイアまたは石英（水晶）を使用することができる。この窓部材２１は、開口部２０をパッケージ２内から覆うようにエポキシ接着剤２４を用いてキャップ２３の内側に接着されている。
【００１６】
センサチップ１０は、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）単結晶基板（以後、単結晶基板と称する）１１を有しており、この単結晶基板１１の上面（第１表面）に当該単結晶基板１１とショットキー接触をなす紫外線検出用のショットキー電極１２が形成されている。また、ショットキー電極１２に対応して単結晶基板１１の下面（第２表面）に当該単結晶基板１１とオーミック接触をなすオーミック電極１３が形成されている。
【００１７】
単結晶基板１１は、その表面に絶縁層１１ａが形成され、絶縁層１１ａの下に導電層１１ｂが形成されている。単結晶基板１１は、表面に絶縁層１１ａが形成されることにより、紫外線励起により発生する電子正孔対の分離を行うことができる。ショットキー電極１２はこの絶縁層１１ａと接し、オーミック電極１３は導電層１１ｂと接するよう形成されている。また、単結晶基板１１上には、配線用のパッド電極１４が形成されている。
【００１８】
単結晶基板１１の第１表面およびショットキー電極１２の上面は、紫外線等の光を受光する受光面１２ｒであり、この受光面１２ｒがパッケージ２の窓部材２１に対向するようセンサチップ１０がステム２２に設置されている。
【００１９】
単結晶基板１１に用いられる酸化ガリウム単結晶は、波長２８０ｎｍ以下の波長領域に選択的感度を有し、特に、波長２５４ｎｍ付近に大きな感度を有する。酸化ガリウム単結晶は、バンドギャップが４．７〜４．９ｅＶとワイドな酸化物半導体であるため、ソーラーブラインドのセンサとなる。更に、酸化ガリウム単結晶は融点が１７４０℃と高く、すでに酸化物であるため、酸化による劣化の心配がなく、耐熱性、安定性および耐久性に優れている。
【００２０】
紫外線センサ１の端子となるリード３１及び３２は、ステム２２からパッケージ２の外部へ引き出されており、電流・電圧源３にそれぞれ電気的に接続されている。リード３１の一端３１ａは、パッド電極１４と直径２５μｍのＡｕボンディングワイヤ２５を介して電気的に接続されている。また、リード３１は、ガラス２６を介してステム２２に固定されている。リード３２は、ステム２２に接続されることにより、センサチップ１０のオーミック電極１３と電気的に接続されている。なお、ボンディングワイヤ２５の直径は、２５μｍとしたが、これに限定されない。
【００２１】
また、図２に示されるように、単結晶基板１１は、ステム２２の中央に設置され、その中央にショットキー電極１２が形成される。なお、ショットキー電極１２は、単結晶基板１１からパッド電極１４における半円部分にかけて形成されている。実施の形態１では、単結晶基板１１及びショットキー電極１４は、円状に形成されているが、楕円等の形状であってもよい。
【００２２】
実施の形態１では、受光面１２ｒとして、酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面を用いる（以後、この手法を手法Ａと称する）。以下、手法Ａについて図３を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図３は、手法Ａを説明するための模式図である。図３に示されるａ、ｂ及びｃの矢印は、酸化ガリウム単結晶の結晶方位を示す。
図３に示されるように、直交面４１は、酸化ガリウム単結晶のインゴット４の成長方向、即ち、ｃ軸の方向に対して直交する面である。この直交面４１を受光面１２ｒとして用いることにより、インゴット４を輪切りする工程のみで単結晶基板１１を切り出すことができる。ａ面４２を受光面１２ｒとした場合、インゴット４を輪切りし、スライスする二段階の工程を行うことで酸化ガリウム単結晶基板を切り出している。したがって、ａ面４２を受光面１２ｒとした場合と比べ、直交面４１を受光面１２ｒとすることで作業時間の短縮および収率の向上が可能となる。更に、受光面１２ｒを鏡面研磨した場合、ａ面４２はへき開面であるため、へき開によりその表面が鱗状に剥がれる場合があるが、直交面４１では鱗状に剥がれることはなく、作業時間を短縮できる。
【００２４】
ここで、実施の形態１では、直交面４１を受光面１２ｒとするが、直交面４１から所定の角度傾斜した面を受光面１２ｒとしてもよい。例えば、成長方向から１４°程度傾いたへき開性を有する面である（００１）面（以後、ｃ面と称する）を受光面１２ｒとした場合、へき開を利用することによりインゴット４から単結晶基板１１を容易に切り出すことができる。へき開面からの傾きはセンサ性能に大きく影響しない。したがって、インゴット４から単結晶基板１１を切り出す作業性を考慮すると、受光面１２ｒは、直交面４１から−２０°〜２０°の範囲で傾く面が好ましく、直交面４１とｃ面とがなす角度方向に、−１５°〜１５°の範囲で傾く面がより好ましく、特に直交面４１及びｃ面と平行する面が好ましい。
【００２５】
以下、手法Ａを用いた紫外線センサの作製方法について、図４を参照して工程毎に説明する。図４は、実施の形態１に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。
【００２６】
（Ｓ１：酸化ガリウム単結晶の育成および単結晶基板の切り出し）
純度４Ｎの酸化ガリウム粉末を原料としてラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形する。圧縮成形後、電気炉を用いて１４００〜１６００℃、１０〜４０時間、大気雰囲気中で焼成し、得られる酸化ガリウム焼結体を原料棒とする。この原料棒を用いて、ＦＺ（Floating Zone）法により酸化ガリウム単結晶を育成する。単結晶成長条件として、成長速度は５〜３０ｍｍ／ｈ、雰囲気はドライエア、圧力は１気圧の条件で行なう。
育成した酸化ガリウム単結晶のインゴット４をスライドガラスに貼り付け、酸化ガリウム単結晶の成長方向に垂直な直交面が切断面となるよう切断し、単結晶基板１１を得る。単結晶基板１１の厚さは、０．６〜０．７ｍｍが好ましい。
【００２７】
（Ｓ２：酸化ガリウム単結晶基板の研磨）
切り出した単結晶基板１１を研磨冶具に貼り付け、＃１０００の研磨盤で１０〜３０分研削することで面出しを行う。続いて１μｍダイヤ及びＣＭＰでそれぞれ２０〜６０分、好ましくは２０〜３０分研磨することで鏡面を得る。
【００２８】
（Ｓ３：単結晶基板のアニーリング）
研磨した単結晶基板１１をアセトン、エタノールで洗浄し、熱処理を行なう。この熱処理は、単結晶基板１１に光励起により発生したキャリアの分離に必要な絶縁層１１ａを形成し、結晶成長後の酸化ガリウム単結晶内に残留する欠陥を回復する目的で行う。熱処理は酸素雰囲気中で１１００℃、３〜２４時間で行なう。３時間より短い時間では、結晶性の回復が不十分となり、２４時間よりも長い処理時間をかけても、ほぼ飽和して特性に変化はない。酸素を使うのは、酸化ガリウム単結晶育成時に発生した酸素欠損を補充するためである。
【００２９】
単結晶基板１１のアニーリング後、図示しない以下のＳ４〜Ｓ６の工程により、当該単結晶基板１１に電極を形成する。
【００３０】
（Ｓ４：オーミック電極の形成）
Ｔｉを３０〜１００ｎｍ、好ましくは５０〜８０ｎｍ蒸着後、Ａｌを１００〜３００ｎｍ、好ましくは１５０〜３００ｎｍ蒸着し、Ａｌ／Ｔｉのオーミック電極１３を形成する。電極サイズは１〜５ｍｍφ、好ましくは３〜４ｍｍφとする。なおサイズが大きくなるほど接触抵抗が小さい。蒸着には、例えば電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）が用いられる。
【００３１】
（Ｓ５：パッド電極の形成）
単結晶基板１１上に配線用のパッド電極１４を作製する。パッド電極１４のサイズは０．０５〜１．５ｍｍφ、Ｃｒ（１３ａ）を１０〜５０ｎｍ、好ましくは３０〜５０ｎｍ、ＡｕまたはＰｔを３０〜１００ｎｍ、好ましくは５０〜１００ｎｍ、単結晶基板１１上に蒸着する。
【００３２】
（Ｓ６：ショットキー電極の形成）
ショットキー電極１２の材料として、ｎ型半導体なので、仕事関数が大きいとされる金属であるＡｕ、Ｐｔなどが用いられる。Ｎｉを２〜５ｎｍ、好ましくは２ｎｍ蒸着後、ＡｕまたはＰｔを６〜１０ｎｍ蒸着し、Ａｕ／ＮｉまたはＰｔ／Ｔｉの半透明または透明な透光性を有する金属薄膜の電極を作製する。なお、金属には、Ｎｉ層を挿入しないＡｕ、Ｐｔ、さらにＡｕ、Ｐｔのほか、Ａｌ，Ｃｏ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｕ等も使用し得る。蒸着には、例えばＥＢ蒸着法が用いられる。
【００３３】
Ｎｉを蒸着するのは、ＡｕまたはＰｔ単体では、基板との密着性が悪いので、薄いＮｉ層を挿入して密着性を改善するためである。これが受光面１２ｒになり、この場合の電極サイズは１〜５ｍｍφ、好ましくは１〜２ｍｍφ。サイズが大きくなるほど受光面拡大につながる。
【００３４】
（実施例１）
上述したＳ１〜６の工程に従って、紫外線センサ１の作製を行った。
純度４Ｎの酸化ガリウム粉末をラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形した。圧縮成形後、電気炉を用いて１５００℃、４０時間、大気雰囲気中で焼成し、得られた酸化ガリウム焼結体を用いて、ＦＺ法により酸化ガリウム単結晶を育成した。単結晶成長条件として、成長速度は２０ｍｍ／ｈ、雰囲気はドライエア、圧力は１気圧の条件で行った。
得たれた酸化ガリウム単結晶のインゴット４をスライドガラスに貼り付け、酸化ガリウム単結晶の成長方向に垂直な直交面が切断面となるよう切断し、これを単結晶基板１１とした。単結晶基板１１の厚さは、０．６５ｍｍとした。
【００３５】
切り出した単結晶基板１１を研磨冶具に貼り付け、＃１０００の研磨盤で２０分研削することで面出しを行った。研磨冶具は、ムサシノ電子株式会社製、ＭＡ−２００Ｄを使用した。続いて１μｍダイヤ及びＣＭＰでそれぞれ３０分研磨することで鏡面を得た。
【００３６】
研磨した単結晶基板１１をアセトン、エタノールで洗浄し、酸素雰囲気中で１１００℃、４時間で熱処理を行った。
【００３７】
次に、上述したＳ４〜６の工程に従って、電極の作製を行なった。単結晶基板１１における第２表面のオーミック電極１３はＴｉを７５ｎｍ蒸着後、Ａｌを３００ｎｍ蒸着した。一方、単結晶基板１１における第１表面のショットキー電極１２はＮｉを２ｎｍ蒸着後、Ａｕを８ｎｍ蒸着した。配線用のパッド電極１４は１ｍｍφとし、Ｃｒを５０ｎｍ蒸着後、Ａｕを１００ｎｍ蒸着した。このとき、実質的な受光部はショットキー電極部分からパッド電極１ｍｍφを除いた部分になる。
【００３８】
ショットキー電極１２を形成した単結晶基板１１を保護するため、予めエポキシ接着剤により窓部材２１をキャップ２３に接着し且つリード３１〜３２を設けたパッケージ２を用いて、パッケージングを行った。この際、パッケージ２内には不活性ガスを充填した。
パッケージングされた紫外線センサ１のリード３１〜３２に対し、図１に示されるように電流・電圧源３を接続し、電流値を測定することにより紫外線の検出を行うことができる。
【００３９】
このように作製した紫外線センサ１を複数用意し、複数の紫外線センサ１に対し、岩崎電気株式会社製の低圧水銀ランプＱＧＬ２００Ｕ−２１を用いて、波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、センサ感度の測定を行った。また、ＣＶ測定により、複数の紫外線センサ１の静電容量［Ｆ］を測定した。ＣＶ測定には、三和電気計器株式会社製、Ｍ１−４９０Ｋを使用した。測定結果を図５に示す。
【００４０】
図５は、実施例１に係る紫外線センサのセンサ感度と静電容量とを示すグラフである。図５に示される斜線範囲は、受光面にａ面を用いた紫外線センサの特性範囲を示す。
受光面にａ面を用いた紫外線センサは、紫外線センサの作製条件を変化させることにより、センサ感度を１．０×１０-2〜１．０×１０-4［Ａ／Ｗ］、静電容量を１．０×１０-12〜１．０×１０-9［Ｆ］まで変化させることができる。図５に示されるように、紫外線センサ１は、受光面にａ面を用いた紫外線センサと同等のセンサ特性（センサ感度，静電容量等）を有することが確認できた。
また、受光面１２ｒにａ面を用いた紫外線センサに用いられる単結晶基板は、インゴットから２５〜３０枚程度切り出すことができる。一方、単結晶基板１１は、インゴット４から５０〜６０枚程度切り出すことができた。
【００４１】
（実施の形態２）
実施の形態１では、上述した手法Ａを用いて紫外線センサを作製したが、手法Ａに加え、以下の手法Ｂ〜Ｅを適宜組み合わせることにより、コストの低減及び良好なセンサ特性を有する紫外線センサを作製できる。
手法Ｂ：酸化ガリウム単結晶を育成する際に用いる原料粉末中の不純物量を調整し、酸化ガリウム単結晶を育成する手法。
手法Ｃ：単結晶基板の表面状態を調整する手法。
手法Ｄ：超音波半田器（超音波半田器ごて）を用いて単結晶基板上にオーミック電極を形成し且つ当該単結晶基板とステムとのダイボンディングを行う手法。
手法Ｅ：ＩＢＳ法を用いてショットキー電極を形成する手法。
【００４２】
上述した手法Ａ〜Ｅを全て組み合わせた紫外線センサの構成について図６を参照して説明する。
図６は、実施の形態２に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。図６において、図１と同一符号のものは、図１に示されたものと同一のものを示しており、重複する説明は省略する。
【００４３】
紫外線センサ１００は、図１に示されるセンサチップ１０に代わりセンサチップ１１０を有し、パッケージ２に代わりパッケージ１０２を有する。センサチップ１１０は、図１に示される単結晶基板１１に代わり単結晶基板１１１を有する。また、センサチップ１１０は、ショットキー電極１２に代わりショットキー電極１１２を有し、オーミック電極１３に代わりオーミック電極１１３を有する。
【００４４】
パッケージ１０２は窓部材２１が低融点ガラス１２４によりキャップ２３に接着されている点でパッケージ２とは異なり、単結晶基板１１１は原料粉末中のＳｉ濃度及びＦｅ濃度と研磨傷とが調整されている点で単結晶基板１１と異なる。ショットキー電極１１２はＩＢＳ法を用いて単結晶基板１１１上に形成されている点でショットキー電極１２と異なり、オーミック電極１１３は超音波半田器を用いて低融点金属により単結晶基板１１上に形成されている点でオーミック電極１３と異なる。
【００４５】
次に、上述した紫外線センサ１００の構成を用いて、手法Ｂ〜Ｅの詳細を説明する。先ず、手法Ｂについて説明する。
手法Ｂは、原料粉末中の不純物量を調整することにより、キャリア密度の低い酸化ガリウム単結晶を育成する手法である。調整する不純物は、ＳｉとＦｅとが挙げられる。
【００４６】
結晶中のキャリア密度とセンサ感度は密接な関係があり、キャリア密度の範囲としては１×１０17〜１×１０18が好ましく、１．４７×１０17〜２．５１×１０18がより好ましく、特に２〜５×１０17ｃｍ-3が好ましい。キャリア密度が高過ぎる場合、酸化ガリウム単結晶は導電性が高いが結晶性が低下してしまい、センサチップ１１０へ応用した際、高いセンサ感度が得られないばかりか、暗電流も増加してしまう。一方、キャリア密度が低過ぎる場合、酸化ガリウム単結晶は結晶中の抵抗が高くなり、光電流が流れ難いものとなる。
【００４７】
Ｓｉは、育成した酸化ガリウム単結晶のキャリア密度と密接な関係があるものであり、原料粉末中のＳｉ濃度は、１〜５０ｐｐｍが好ましく、５〜３０ｐｐｍがより好ましく、中でも６〜２９ｐｐｍが特に好ましい。キャリア密度はＳｉ濃度に比例して増加する傾向にあり、Ｓｉ濃度が高すぎると酸化ガリウム単結晶の結晶性が低下してしまいセンサチップ１１０への応用には適さない。一方、Ｓｉ濃度が低すぎる場合、酸化ガリウム単結晶中の抵抗が高くなり、センサチップ１１０へ応用した際に流れる光電流が小さくなる。
【００４８】
Ｆｅは、酸化ガリウム単結晶の導電性に影響を与えるものであり、原料粉末中のＦｅ濃度は、３ｐｐｍ以下が好ましく、中でも１ｐｐｍ以下が特に好ましい。これは、Ｆｅを多く含んだ原料粉末を用いた酸化ガリウム単結晶からセンサチップ１１０を作製した場合、酸化ガリウム単結晶中にＦｅが取り込まれることにより、導電性が著しく低下してしまい、紫外線に反応し難くなるためである。
【００４９】
次に、手法Ｃについて図７を参照して説明する。
図７は、ショットキー電極の表面状態を示す図である。図７において、図６と同一符号のものは、図６に示されたものと同一のものを示しており、重複する説明は省略する。
手法Ｃは、単結晶基板１１１を鏡面研磨する際、単結晶基板１１１の第１表面に図７に示されるような所定の研磨傷を設けることにより、ショットキー電極１１２形成時に、凹凸を生じさせショットキー電極１１２を網目状に形成する手法である。この手法Ｃは、ショットキー電極１１２と単結晶基板１１１との熱膨張率の違いにより生じる応力を緩和させ、ショットキー電極１１２の断線等に起因したセンサ感度低下を抑制し、センサチップ１１０の耐久性を向上させる効果を奏する。
【００５０】
研磨傷は、長さ０．１〜０．５ｍｍ、幅０．０２〜０．１ｍｍのサイズが好ましい。また、研磨傷は、１ｍｍ2の範囲内に、１０〜１００個が好ましく、特に３０〜６０個が好ましい。研磨傷がこのサイズを超える場合、または研磨傷数がこの範囲を超える場合、ショットキー電極１１３に断線が生じる可能性がある。一方、研磨傷がこのサイズ未満である場合、または研磨傷数がこの範囲未満である場合、上述した応力の緩和が著しく低下する。
【００５１】
単結晶基板１１１の第１表面に形成されているショットキー電極１１２の役割は、紫外線励起により発生したキャリアを集め、光電流として取り出すことである。ショットキー電極１１２の直下でキャリアが発生した箇所と、パッド電極１４及びボンディングワイヤ２５がショットキー電極１１２により電気的に接続されていれば、キャリアは光電流として外へ取り出すことができる。したがって、単結晶基板１１１の第１表面に研磨傷による凹凸があり、この凹凸に伴いショットキー電極１１２が網目状に形成された場合においても、断線されていない限りショットキー電極１１２としての機能は大きく損なわれない。なお、研磨傷は、単結晶基板１１１の第１表面のみに限定するものではなく単結晶基板１１１の第２表面等、単結晶基板１１１の表面に一様に設けてもよい。
【００５２】
次に、手法Ｄについて説明する。
手法Ｄは、超音波半田器を用いて低融点金属により単結晶基板１１１上にオーミック電極１１３を形成する手法である。
【００５３】
紫外線センサは、紫外線等の光を受け、発生した光電流を信号として取り出すことにより動作する。この光電流を効率よく外部へ取り出すためには、オーミック電極の低抵抗化が必要になる。蒸着により形成したオーミック電極は、オーミック電極間の抵抗が１〜１０［ｋΩ］程度である。この電極を蒸着した酸化ガリウム単結晶基板にシンター処理を施すことにより、オーミック電極間の抵抗を改善することができる。
【００５４】
しかしながら、手法Ｄによれば、オーミック電極１１３の形成時に超音波半田器と低融点金属とを用いることにより、上述したシンター処理を行ったものと同等の抵抗を有するオーミック電極１１３を形成することができる。更に、蒸着のような真空プロセス要する方法を行うことなく、短時間で単結晶基板１１１にオーミック電極１１３を形成することができるため、コストの低減の効果を奏する。例えば、低融点金属には、超音波半田、Ｉｎ、Ｓｎ等が用いられる。
【００５５】
また、オーミック電極１１３の形成と共に低融点金属を用いて単結晶基板１１１とステム２２とのダイボンディングを行う。ダイボンディング材料に有機物を含まないため、紫外線照射により有機物の分解や分解物による紫外線吸収を抑止することができ、より短波長の紫外線の検出が可能となる効果を奏する。
更に、窓部材２１とキャップ２３とを低融点ガラス１２４により接着させることにより、低融点金属を用いたダイボンディングと同様、有機物による紫外線吸収を抑止する効果を奏する。
【００５６】
次に、手法Ｅについて説明する。
手法Ｅは、ＩＢＳ法を用いてＡｕまたはＰｔを単結晶基板１１１上に蒸着することにより、ショットキー電極１１２を形成する手法である。
【００５７】
酸化ガリウム単結晶基板上に蒸着する金属薄膜の密度が高いほど紫外線に対する耐久性が高まるが、ＡｕまたはＰｔ単体では、酸化ガリウム単結晶基板との密着性が悪い。この手法では、ＡｕまたはＰｔをより強い力で基板に供給するため、通常のスパッタリング法に比べ２桁以上の高真空で成膜を行うＩＢＳ法を用いる。ＩＢＳ法による高真空下でのスパッタを行うことにより、その時粒子に与えられた運動エネルギーがほとんど損なわれること無く所定の基板に堆積させることができるため、密着性及び密度の高い薄膜が得られる。したがって、ＩＢＳ法を用いて単結晶基板１１１上に緻密なショットキー電極１１２を金属薄膜として成膜することにより、例えばＥＢ蒸着法を用いて成膜した電極よりも密度及び密着性の高い電極が得られ、耐久性の改善も可能となる。
【００５８】
実施の形態２では、上述した手法ＡにＢ〜Ｅを適宜組み合わせて紫外線センサを作製するが、手法ＢとＣ、手法ＢとＤ、手法ＣとＥ等、２つの手法を手法Ａに加えた紫外線センサであってもコスト低減、センサ感度の向上等の効果を奏する。なお、手法Ｂ〜Ｄ、手法Ｃ〜Ｅ、手法Ｂ、Ｃ及びＥ等３つの手法を手法Ａに加えた紫外線センサは、２つの手法を手法Ａに加えた紫外線センサよりコスト低減、センサ感度の向上の点でより好ましく、手法Ａに手法Ｂ〜Ｅを全て加えた紫外線センサが特に好ましい。
【００５９】
次に、紫外線センサ１００の作製方法について、図８を参照して作製工程毎に説明する。
図８は、実施の形態２に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。
【００６０】
（Ｓ１１：酸化ガリウム単結晶の育成および結晶基板の切り出し）
Ｓｉ濃度３０ｐｐｍ以下、Ｆｅ濃度１ｐｐｍ以下の純度４Ｎの酸化ガリウム粉末を原料としてラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形する。圧縮成形後、電気炉を用いて１４００〜１６００℃、１０〜４０時間、大気雰囲気中で焼成し、得られる酸化ガリウム焼結体を原料棒とする。この原料棒を用いて、ＦＺ（Floating Zone）法により酸化ガリウム単結晶を育成する。単結晶成長条件として、成長速度は５〜３０ｍｍ／ｈ、雰囲気はドライエア、圧力は１気圧の条件で行なう。
育成した酸化ガリウム単結晶のインゴット１０４をスライドガラスに貼り付け、酸化ガリウム単結晶の成長方向に垂直な直交面が切断面となるよう切断し、これを単結晶基板１１１とする。単結晶基板１１１の厚さは、０．６〜０．７ｍｍが好ましい。
【００６１】
（Ｓ１２：酸化ガリウム単結晶基板の研磨）
切り出した単結晶基板１１１を研磨冶具に貼り付け、＃１０００の研磨盤で１０〜３０分研削することで面出しを行う。続いて１μｍダイヤ及びＣＭＰでそれぞれ２０〜６０分、好ましくは２０〜３０分研磨することで鏡面を得る。この際、研磨傷を、長さ０．１〜０．５ｍｍ、幅０．０２〜０．１ｍｍのサイズで設け、１ｍｍ2の範囲内に、３０〜６０個設ける。
【００６２】
（Ｓ１３：単結晶のアニーリング）
研磨した単結晶基板１１１をアセトン、エタノールで洗浄し、熱処理を行なう。この熱処理は、実施の形態１と同様に、単結晶基板１１１に光励起により発生したキャリアの分離に必要な絶縁層１１１ａを形成し、結晶成長後の酸化ガリウム単結晶内に残留する欠陥を回復する目的で行う。熱処理は、酸素雰囲気中で１１００℃、３〜２４時間で行なう。また、Ｓｉ濃度が低い原料粉末を用いるなどして用意した、キャリア密度の低い単結晶基板の場合は、キャリアの分離のための絶縁層を必要としないため、この工程は省略することが可能である。
【００６３】
（Ｓ１４：オーミック電極の形成）
２００〜２５０℃に熱した超音波半田器で低融点金属５を単結晶基板１１１の第２表面に付ける。その後、好ましくは１〜５秒程度超音波で振動を与えることにより、低融点金属５の表面酸化膜を破り、低融点金属５が単結晶基板１１１内に拡散することでオーミック電極１１３を単結晶基板１１１の第２表面全体または一部に形成する。なおサイズが大きくなるほど接触抵抗が小さい。
【００６４】
（Ｓ１５：ステムへのマウント）
３００〜３５０度に熱したホットプレートの上に金属製のブロック６ａを置き、ブロック６ａ上にリード３１〜３２を設けたステム２２を置きこれを熱する。オーミック電極１１３を形成した単結晶基板１１１を、オーミック電極１１３とステム２２とが接するようステム２２上に設置する。単結晶基板１１１の上からピンセット、スライドガラス等で均一に加圧し、単結晶基板１１１における第２表面の低融点金属５を一様に広げ、単結晶基板１１１とステム２２とのダイボンディングを行う。ステム２２をブロック６ａからはずし、冷却することにより単結晶基板１１１のステム２２へのマウントが完了する。
【００６５】
（Ｓ１６：パッド電極の形成）
ワイヤボンディング用のパッド電極１４を作製する。パッド電極用マスク６ｂで単結晶基板１１１上方を覆い、ＥＢ蒸着法によりパッド電極１４を形成する。パッド電極１４のサイズは０．０５〜１．５ｍｍφ、Ｃｒ１４ａを１０〜１００ｎｍ、好ましくは３０〜５０ｎｍ、ＡｕまたはＰｔ１４ｂを８０〜１５０ｎｍ、好ましくは９０〜１００ｎｍ、単結晶基板１１１の第１表面に蒸着する。
【００６６】
（Ｓ１７：ショットキー電極の形成）
ショットキー電極１１２の材料として、実施の形態１と同様、仕事関数が大きいとされる金属であるＡｕ、Ｐｔなどが用いられる。密着性および耐久性が高いショットキー電極１１２を単結晶基板１１１上に蒸着するため、ショットキー電極用マスク６ｃで単結晶基板１１１の上方を覆い、ＩＢＳ法によりＡｕまたはＰｔを６〜１０ｎｍ蒸着し、半透明または透明な透光性を有する金属薄膜であるショットキー電極１１２を作製する。なお、金属にはＡｕ、Ｐｔのほか、Ａｌ，Ｃｏ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｕ等も使用し得る。
ＩＢＳ法によるショットキー電極の形成では、イオンエネルギー、イオン電流密度、イオン種、スパッタリング時の動作真空度、堆積速度等が形成条件として挙げられる。ショットキー電極１１２の形成に用いる条件は、イオンエネルギーが５００〜１２００ｅＶ、イオン電流密度が１〜１０ｍＡ/ｃｍ２、イオン種がＡｒイオン、動作真空度が４〜５×１０-3Ｐａ、堆積速度が０．１〜０．２ｎｍ／ｓｅｃが好ましい。例えば、これらの条件で形成された厚さ１０ｎｍのＡｕ薄膜は波長２００ｎｍでの紫外線透過率が６０％程度である。これが受光面１２ｒとなり、この場合の電極サイズは１〜５ｍｍφ、好ましくは１〜２ｍｍφである。なお、電極サイズが大きいほど受光面は大きくなるが、それに伴い一定照度の紫外線を受けた場合のダメージも大きくなる。
【００６７】
（実施例２）
図８に示されるＳ１１〜Ｓ１７の工程に従って、Ｓｉ濃度及びＦｅ濃度の異なる紫外線センサを複数作製した。
Ｓｉ濃度６ｐｐｍ、Ｆｅ濃度１ｐｐｍの純度４Ｎの酸化ガリウム粉末をラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形した。圧縮成形後、電気炉を用いて１５００℃、４０時間、大気雰囲気中で焼成し、得られた酸化ガリウム焼結体を用いて、ＦＺ法により酸化ガリウム単結晶を育成した。単結晶成長条件として、成長速度は２０ｍｍ／ｈ、雰囲気はドライエア、圧力は１気圧の条件で行った。
得られた酸化ガリウム単結晶のインゴット１０４をスライドガラスに貼り付け、直交面４１が切断面となるよう切断し、これを単結晶基板１１１とした。単結晶基板１１１の厚さは、０．６５ｍｍとした。
【００６８】
切り出した単結晶基板１１１を研磨冶具に貼り付け、＃１０００の研磨盤で２０分研削することで面出しを行った。研磨冶具には、ムサシノ電子株式会社製、ＭＡ−２００Ｄを使用した。続いて１μｍダイヤ及びＣＭＰでそれぞれ３０分研磨することで鏡面を得た。
【００６９】
研磨した単結晶基板１１１をアセトン、エタノールで洗浄し、酸素雰囲気中で１１００℃、４時間で熱処理を行なった。
【００７０】
２２５度に熱した超音波半田器で低融点金属５を単結晶基板１１１の第２表面に付け、３秒程度超音波で振動を与えることにより、オーミック電極１１３を単結晶基板１１１の第２表面の一部に形成した。
【００７１】
３２５度に熱したホットプレートの上に金属製のブロック６ａを置き、ブロック６ａ上にステム２２を置いてこれを熱し、オーミック電極１１３を形成した単結晶基板１１１をステム２２上に設置した。単結晶基板１１１の上からスライドガラスで均一に加圧し、単結晶基板１１１とステム２２とのダイボンディングを行った。ダイボンディング後、ステム２２をブロック６ａからはずし、冷却した。
【００７２】
冷却後、パッド電極用マスク６ｂで単結晶基板１１１上方を覆い、ＥＢ蒸着法によりパッド電極１４を形成した。パッド電極１４のサイズは０．７７５ｍｍφ、Ｃｒ１４ａを５０ｎｍ、Ａｕ１４ｂを１００ｎｍ、単結晶基板１１１の第１表面に蒸着した。
【００７３】
ＩＢＳ法により受光面１２ｒを含む単結晶基板１１１の第１表面にＡｕを１０ｎｍ蒸着し、ショットキー電極１１２を形成した。ＩＢＳ法の条件としては、イオンエネルギーを８５０ｅＶ、イオン電流密度を５．５ｍＡ/ｃｍ2、イオン種をＡｒイオン、動作真空度を４．５×１０-3Ｐａ、堆積速度を０．１５ｎｍ／ｓｅｃとした。また、電極サイズは２ｍｍφとした。このとき、実質的な受光部はショットキー電極１１２の２ｍｍφからパッド電極１４の０．７７５ｍｍφを除いた部分になる。
【００７４】
ショットキー電極１１２を形成した単結晶基板１１１を保護するため、予め低融点ガラス１２４により窓部材２１をキャップ２３に接着し且つリード３１〜３２を設けたパッケージ１０２を用いて、パッケージングを行った。この際、パッケージ１０２内には不活性ガスを充填し、紫外線センサ１００Ａを作製した。
次に、Ｓｉ濃度及びＦｅ濃度がそれぞれ異なる複数の原料粉末を用いて、紫外線センサ１００Ａと同様の方法で紫外線センサＢ〜Ｇをそれぞれ作製した。
【００７５】
紫外線センサ１００Ａ〜Ｇに対し、岩崎電気株式会社製の低圧水銀ランプＱＧＬ２００Ｕ−２１を用いて、波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、紫外線センサとして動作するか否かを確認した。その結果、紫外線センサ１００Ｆ及びＧは紫外線センサとして動作しなかった。
【００７６】
図９は、実施例２に係る紫外線センサの不純物濃度を示すグラフである。図９に示されるＡ〜Ｇのそれぞれは、紫外線センサ１００Ａ〜Ｇのそれぞれを示す。また、斜線範囲は紫外線センサとして動作するＦｅ濃度の範囲を示す。図９に示されるように、紫外線センサとして動作しない紫外線センサ１００Ｆ及びＧは、Ｆｅ濃度が１４及び１８ｐｐｍである。このことから、斜線範囲外のＦｅ濃度１４以上のものは、紫外線センサとして動作しないことが確認できた。また、Ｆｅ濃度３以下のものは、紫外線センサとして動作することが確認できた。
【００７７】
次に、紫外線センサ１００Ａ〜Ｃが有するセンサチップの比抵抗［Ωｃｍ］とキャリア密度［ｃｍ-3］をバイオ・ラッド ラボラトリーズ株式会社製，ホール効果測定装置を用いて測定した。測定結果を図１０及び１１に示す。
【００７８】
図１０は、実施例２に係る紫外線センサの不純物濃度、比抵抗及びキャリア密度を示す表である。図１１は、実施例２に係る紫外線センサの比抵抗、キャリア密度及びＳｉ濃度の相関を示すグラフである。
図１０及び１１に示されるように、Ｓｉ濃度が増加するに伴いキャリア密度及び比抵抗が減少し、Ｓｉ濃度が減少するに伴い、キャリア濃度及び比抵抗が増加することから、原料粉末中に含まれるＳｉ濃度は育成した酸化ガリウム単結晶のキャリア密度と密接な関係があることが確認できた。
【００７９】
（実施例３）
図８に示されるＳ１１〜Ｓ１７の工程に従って、単結晶基板表面の状態が異なる紫外線センサを複数作製した。
Ｓｉ濃度４ｐｐｍ、Ｆｅ濃度１ｐｐｍの原料粉末を用い、その他は実施例２と同様の条件で複数の紫外線センサを作製した。なお、複数の紫外線センサの作製に際し、図８のＳ１２で示した酸化ガリウム単結晶基板の研磨の工程において、複数の紫外線センサそれぞれが、単結晶基板１１１上の単位面積当たりの研磨傷数が異なるよう研磨傷を調整した。
作製した研磨傷数が異なる複数の紫外線センサに対し、岩崎電気株式会社製の低圧水銀ランプＱＧＬ２００Ｕ−２１を用いて、波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、そのセンサ感度と当該センサ感度が１０％低下するまでの時間を測定した。測定結果を図１２に示す。
【００８０】
図１２は、実施例３に係る紫外線センサのセンサ感度、センサの寿命及び研磨傷の個数の相関を示すグラフである。
図１２に示されるように、研磨傷数の増加に伴いセンサ感度が軽微に減少するが、大きな低下は見られない。このことから、研磨傷数がセンサ感度に与える影響は大きくないことが確認できた。一方、センサ感度が１０％低下するまでの時間は、研磨傷数の増加に伴い長くなることが確認できた。これは、研磨傷による単結晶基板１１１における第１表面の凹凸に応じてショットキー電極１１２が網目状に形成された場合、紫外線照射に伴う熱の影響を緩和できるためである。なお、研磨傷を設けない平坦な単結晶基板１１１に均一にショットキー電極１１２を形成した場合、センサ感度が高いが、熱によりＡｕ等の金属薄膜が凝集し、感度低下に繋がる可能性がある。
【００８１】
（実施例４）
図８に示されるＳ１１〜Ｓ１７の工程に従って、オーミック電極の形成方法が異なる紫外線センサを複数作製した。
Ｓｉ濃度４ｐｐｍ、Ｆｅ濃度１ｐｐｍの原料粉末を用い、その他は実施例２と同様の条件で紫外線センサ１００Ｈを作製した。なお、紫外線センサ１００Ｈの作製に際し、図８のＳ１４で示したオーミック電極の形成の工程において、低融点金属として黒田テクノ株式会社製のセラソルザー（登録商標）を用いて単結晶基板１１１上にオーミック電極１１３を形成した。
【００８２】
また、図８のＳ１４で示したオーミック電極の形成の工程に代わり、実施の形態１のＳ４で示したオーミック電極の形成の工程を用いた紫外線センサ１００Ｉと紫外線センサ１００Ｊとを作製した。
紫外線センサ１００Ｉは、当該オーミック電極の形成の工程において、Ｔｉ／Ａｌの蒸着によりオーミック電極を形成した酸化ガリウム単結晶基板を有する。また、紫外線センサ１００Ｉは、Ｉｎ接合を用いて当該酸化ガリウム単結晶基板をステム２２にマウントされている。
紫外線センサ１００Ｊは、当該オーミック電極形成の工程において、Ｔｉ／Ａｌの蒸着によりオーミック電極を形成し且つシンター処理（８００℃・２分）を施した酸化ガリウム単結晶基板を有する。また、紫外線センサ１００Ｊは、銀ペーストを用いて当該酸化ガリウム単結晶基板をステム２２にマウントされている。
【００８３】
これら紫外線センサ１００Ｈ〜Ｊのオーミック電極間の抵抗を、菊水電子工業株式会社製、ダイオードカーブトレーサを用いて測定した。また、紫外線センサ１００Ｈ〜Ｊに対し、上述したＳＬＵＶ−６を用いて波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、センサ感度を測定した。測定結果を図１３及び１４に示す。
【００８４】
図１３は、実施例４に係る紫外線センサにおけるオーミック電極間の抵抗を示すグラフである。図１４は、実施例４に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。図１３及び１４に示されるＨ〜Ｊのそれぞれは、紫外線センサ１００Ｈ〜Ｊをそれぞれ示す。
【００８５】
図１３に示されるように、蒸着により形成した紫外線センサ１００Ｉのオーミック電極は、抵抗が１〜１０ｋΩであり、シンター処理を施した紫外線センサ１００Ｊのオーミック電極は、１０〜１０００Ωである。よって、シンター処理により抵抗の改善が確認できるが、工程が増加していることからコストアップに繋がる。一方、紫外線センサ１００Ｈのオーミック電極１１３は、紫外線センサ１００Ｊと同等の抵抗を有していることが確認できた。
【００８６】
また、図１４に示されるように、紫外線センサ１００Ｊは紫外線センサ１００Ｉよりセンサ感度がよく、紫外線センサ１００Ｈは紫外線センサ１００Ｊよりセンサ感度がよいことが確認できた。このことから、超音波半田を用いることにより、オーミック特性が改善され、その結果、紫外線センサとして取り出せる光電流が増加することがわかる。
【００８７】
（実施例５）
図８に示されるＳ１１〜Ｓ１７の工程に従って、ショットキー電極の形成方法が異なる紫外線センサを複数作製した。
Ｓｉ濃度２４ｐｐｍ、Ｆｅ濃度１ｐｐｍの原料粉末を用い、その他は実施例２と同様の条件で紫外線センサ１００Ｋを作製した。
また、図８のＳ１７で示したショットキー電極の形成の工程に代わり、実施の形態１のＳ６で示したショットキー電極の形成の工程を用いた紫外線センサ１００Ｌを作製した。
【００８８】
紫外線センサ１００Ｋ及びＬに対し、上述したＱＧＬ２００Ｕ−２１を用いて波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、センサ感度を測定した。測定結果を図１５に示す。
【００８９】
図１５は、実施例５に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。図１５に示されるＫ及びＬは、紫外線センサ１００Ｋ及びＬを示す。
図１５に示されるように、紫外線センサ１００Ｌはセンサ感度が３×１０-3〜６×１０-4［Ａ／Ｗ］であるが、紫外線センサ１００Ｋは１×１０-3〜６×１０-3［Ａ／Ｗ］である。したがって、ＩＢＳ法を用いてショットキー電極１１２を形成するとセンサ感度が向上することが確認できた。
【００９０】
本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態１〜２は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。
【００９１】
なお、特許請求の範囲に記載の直交面は、例えば、前述の実施の形態１及び２における直交面４１であり、受光面は、例えば、受光面１２ｒである。酸化ガリウム単結晶基板は、例えば、酸化ガリウム単結晶基板１１及び１１１であり、パッケージは、例えば、パッケージ２及びパッケージ１０２である。第１表面は、例えば、酸化ガリウム単結晶基板１１及び１１１の第１表面であり、第２表面は、例えば、酸化ガリウム単結晶基板１１及び１１１の第２表面である。低融点金属は、例えば、低融点金属５であり、低融点ガラスは、例えば、低融点ガラス１２４である。窓部材は、例えば、窓部材２１であり、第１及び第２端子は、例えば、リード３１及び３２である。
【符号の説明】
【００９２】
１，１００ 紫外線センサ、
２，１０２ パッケージ、
３ 電流・電圧源、
４，１０４ インゴット、
５ 低融点金属、
１０，１１０ センサチップ、
１１，１１１ 酸化ガリウム単結晶基板、
１２，１１２ ショットキー電極、
１３，１１３ オーミック電極、
１４ パッド電極、
２０ 開口部、
２１ 窓部材、
２２ ステム、
２３ キャップ、
２４ 接着剤、
２５ ボンディングワイヤ、
２６ ガラス、
３１，３２ リード、
３１ａ リード３１の一端、
４１ 直交面、
１２４ 低融点ガラス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外線ランプ等が発する紫外線を検知する紫外線センサおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線を照射する紫外線ランプは、水や空気の殺菌、半導体や食品容器の洗浄、及び半導体の表面改質等、産業界の多岐にわたり使用されている。この紫外線ランプは消耗品であり、寿命が重要なポイントであるが、紫外線ランプの監視が連続的にできないために事前に寿命時間が規格として定められている。しかしながら、個々のランプの寿命は一定ではなく、設定した時間からずれが生じる場合がある。実際の寿命が設定時間より短い場合、紫外線発生のないまま使用するため、所望の浄化、殺菌等の効果を得ることができず、実際の寿命が設定時間より長い場合、まだ使用可能であるにも拘らず交換されるという無駄が生じることとなる。
【０００３】
このような問題に対し、従来、紫外線ランプが照射する紫外線を検知することにより、連続的に紫外線ランプを監視するセンサがある。このセンサとしては、シリコンを用いたものがある。しかしながら、測定波長の選択はフィルタを使用して行われるため、波長２５４ｎｍ付近の短波長域では受光スペクトルのバンド幅が広く、またフィルタの紫外線による劣化及びそれに伴う受光波長のシフトが発生し、感度調整のための校正が必要となる。さらに、フィルタ周辺部品等の耐熱性の問題から、通常４０℃以下で使用するという制約があるため、測定場所の調整を頻繁に行なう必要がある。
【０００４】
また、波長２８０ｎｍ以下の紫外線を検出するセンサとして光電管が知られている。この光電管は火炎の点滅を検知するセンサとして既に実用化され、主に工業炉など大型燃焼装置の自動制御用の火炎センサに用いられているが、光電管を用いたセンサは、ソーラーブラインドのセンサではないので感度が変動しやすく、耐熱性も低いという問題を有している。
【０００５】
これに対し、酸化ガリウム単結晶基板を用い、耐熱性及び耐久性に優れるソーラーブラインドの紫外線センサ及び紫外線用フォトディテクタがある（例えば、特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１３００１２号公報
【特許文献２】特開２００９−２００２２２号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した酸化ガリウム単結晶基板は、その単結晶のインゴットを、（１００）面（以後、ａ面と称する）に平行な面をワイヤソーでスライスし、このａ面を化学機械研磨法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）で鏡面研磨してウェハ状に加工することで作製される。しかしながら、酸化ガリウム単結晶基板は、その単結晶におけるａ面をスライスする場合、前工程として単結晶を輪切りする工程が行なわれる。即ち、単結晶におけるａ面をスライスする工程は、この輪切りした状態の単結晶のうちａ面に平行な面をワイヤソーでスライスする工程となる。酸化ガリウム単結晶基板は、上述した輪切り及びスライスの工程により作製されているため、その製造工程に時間等のコストがかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、低コストの酸化ガリウム単結晶基板を用いた紫外線センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した問題点を解決するため、本発明に係る紫外線センサは、酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面を受光面とする酸化ガリウム単結晶基板と、前記酸化ガリウム単結晶基板の第１表面に形成された第１電極と、前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第２表面に形成された第２電極とを有する。
【００１０】
また、本発明に係る紫外線センサの製造方法は、酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面が切断面となるよう、前記酸化ガリウム単結晶を所定の厚さで切断して切断面を受光面とし、前記酸化ガリウム単結晶基板の第１表面に第１電極を形成し、前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第２表面に第２電極を形成する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低コストの酸化ガリウム単結晶基板を紫外線センサに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。
【図２】パッケージ内のセンサチップを示す上面図である。
【図３】手法Ａを説明するための模式図である。
【図４】実施の形態１に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。
【図５】実施例１に係る紫外線センサのセンサ感度と静電容量とを示すグラフである。
【図６】図６は、実施の形態２に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。
【図７】ショットキー電極の表面状態を示す図である。
【図８】実施の形態２に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。
【図９】実施例２に係る紫外線センサの不純物濃度を示すグラフである。
【図１０】実施例２に係る紫外線センサの不純物濃度、比抵抗及びキャリア密度を示す表である。
【図１１】実施例２に係る紫外線センサの比抵抗、キャリア密度及びＳｉ濃度の相関を示すグラフである。
【図１２】実施例３に係る紫外線センサのセンサ感度、センサの寿命及び研磨傷の個数の相関を示すグラフである。
【図１３】実施例４に係る紫外線センサにおけるオーミック電極間の抵抗を示すグラフである。
【図１４】実施例４に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。
【図１５】実施例５に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
先ず、図１及び図２を用いて実施の形態１に係る紫外線センサについて説明する。図１は、実施の形態１に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。図２は、パッケージ内のセンサチップを示す上面図である。図１に示されるように、紫外線センサ１は、紫外線を検出するためのセンサチップ１０がパッケージ２内に収容され外部雰囲気から封止されている。
【００１５】
パッケージ２は、平板状のステム２２と、ステム２２の上に設置され、中央に開口部２０を有する円筒部材であるキャップ２３と、開口部２０をキャップ２３の内部から覆う窓部材２１とを有しており、その内部は、窒素やアルゴン等の不活性ガスで充填される、或いは、真空状態に維持される。
ステム２２及びキャップ２３は、内部に収容されるセンサチップ１０の静電遮蔽の観点から、導電性であることが好ましく、例えば、ステンレス、アルミニウム、真鍮、鉄、ニッケル等の金属から形成される。
窓部材２１は、検出対象となる紫外線に対して透光性を有する材料から形成され、波長２５４ｎｍ付近の紫外線に対してそれぞれ大きな透過率を有するサファイアまたは石英（水晶）を使用することができる。この窓部材２１は、開口部２０をパッケージ２内から覆うようにエポキシ接着剤２４を用いてキャップ２３の内側に接着されている。
【００１６】
センサチップ１０は、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）単結晶基板（以後、単結晶基板と称する）１１を有しており、この単結晶基板１１の上面（第１表面）に当該単結晶基板１１とショットキー接触をなす紫外線検出用のショットキー電極１２が形成されている。また、ショットキー電極１２に対応して単結晶基板１１の下面（第２表面）に当該単結晶基板１１とオーミック接触をなすオーミック電極１３が形成されている。
【００１７】
単結晶基板１１は、その表面に絶縁層１１ａが形成され、絶縁層１１ａの下に導電層１１ｂが形成されている。単結晶基板１１は、表面に絶縁層１１ａが形成されることにより、紫外線励起により発生する電子正孔対の分離を行うことができる。ショットキー電極１２はこの絶縁層１１ａと接し、オーミック電極１３は導電層１１ｂと接するよう形成されている。また、単結晶基板１１上には、配線用のパッド電極１４が形成されている。
【００１８】
単結晶基板１１の第１表面およびショットキー電極１２の上面は、紫外線等の光を受光する受光面１２ｒであり、この受光面１２ｒがパッケージ２の窓部材２１に対向するようセンサチップ１０がステム２２に設置されている。
【００１９】
単結晶基板１１に用いられる酸化ガリウム単結晶は、波長２８０ｎｍ以下の波長領域に選択的感度を有し、特に、波長２５４ｎｍ付近に大きな感度を有する。酸化ガリウム単結晶は、バンドギャップが４．７〜４．９ｅＶとワイドな酸化物半導体であるため、ソーラーブラインドのセンサとなる。更に、酸化ガリウム単結晶は融点が１７４０℃と高く、すでに酸化物であるため、酸化による劣化の心配がなく、耐熱性、安定性および耐久性に優れている。
【００２０】
紫外線センサ１の端子となるリード３１及び３２は、ステム２２からパッケージ２の外部へ引き出されており、電流・電圧源３にそれぞれ電気的に接続されている。リード３１の一端３１ａは、パッド電極１４と直径２５μｍのＡｕボンディングワイヤ２５を介して電気的に接続されている。また、リード３１は、ガラス２６を介してステム２２に固定されている。リード３２は、ステム２２に接続されることにより、センサチップ１０のオーミック電極１３と電気的に接続されている。なお、ボンディングワイヤ２５の直径は、２５μｍとしたが、これに限定されない。
【００２１】
また、図２に示されるように、単結晶基板１１は、ステム２２の中央に設置され、その中央にショットキー電極１２が形成される。なお、ショットキー電極１２は、単結晶基板１１からパッド電極１４における半円部分にかけて形成されている。実施の形態１では、単結晶基板１１及びショットキー電極１４は、円状に形成されているが、楕円等の形状であってもよい。
【００２２】
実施の形態１では、受光面１２ｒとして、酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面を用いる（以後、この手法を手法Ａと称する）。以下、手法Ａについて図３を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図３は、手法Ａを説明するための模式図である。図３に示されるａ、ｂ及びｃの矢印は、酸化ガリウム単結晶の結晶方位を示す。
図３に示されるように、直交面４１は、酸化ガリウム単結晶のインゴット４の成長方向、即ち、ｃ軸の方向に対して直交する面である。この直交面４１を受光面１２ｒとして用いることにより、インゴット４を輪切りする工程のみで単結晶基板１１を切り出すことができる。ａ面４２を受光面１２ｒとした場合、インゴット４を輪切りし、スライスする二段階の工程を行うことで酸化ガリウム単結晶基板を切り出している。したがって、ａ面４２を受光面１２ｒとした場合と比べ、直交面４１を受光面１２ｒとすることで作業時間の短縮および収率の向上が可能となる。更に、受光面１２ｒを鏡面研磨した場合、ａ面４２はへき開面であるため、へき開によりその表面が鱗状に剥がれる場合があるが、直交面４１では鱗状に剥がれることはなく、作業時間を短縮できる。
【００２４】
ここで、実施の形態１では、直交面４１を受光面１２ｒとするが、直交面４１から所定の角度傾斜した面を受光面１２ｒとしてもよい。例えば、成長方向から１４°程度傾いたへき開性を有する面である（００１）面（以後、ｃ面と称する）を受光面１２ｒとした場合、へき開を利用することによりインゴット４から単結晶基板１１を容易に切り出すことができる。へき開面からの傾きはセンサ性能に大きく影響しない。したがって、インゴット４から単結晶基板１１を切り出す作業性を考慮すると、受光面１２ｒは、直交面４１から−２０°〜２０°の範囲で傾く面が好ましく、直交面４１とｃ面とがなす角度方向に、−１５°〜１５°の範囲で傾く面がより好ましく、特に直交面４１及びｃ面と平行する面が好ましい。
【００２５】
以下、手法Ａを用いた紫外線センサの作製方法について、図４を参照して工程毎に説明する。図４は、実施の形態１に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。
【００２６】
（Ｓ１：酸化ガリウム単結晶の育成および単結晶基板の切り出し）
純度４Ｎの酸化ガリウム粉末を原料としてラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形する。圧縮成形後、電気炉を用いて１４００〜１６００℃、１０〜４０時間、大気雰囲気中で焼成し、得られる酸化ガリウム焼結体を原料棒とする。この原料棒を用いて、ＦＺ（Floating Zone）法により酸化ガリウム単結晶を育成する。単結晶成長条件として、成長速度は５〜３０ｍｍ／ｈ、雰囲気はドライエア、圧力は１気圧の条件で行なう。
育成した酸化ガリウム単結晶のインゴット４をスライドガラスに貼り付け、酸化ガリウム単結晶の成長方向に垂直な直交面が切断面となるよう切断し、単結晶基板１１を得る。単結晶基板１１の厚さは、０．６〜０．７ｍｍが好ましい。
【００２７】
（Ｓ２：酸化ガリウム単結晶基板の研磨）
切り出した単結晶基板１１を研磨冶具に貼り付け、＃１０００の研磨盤で１０〜３０分研削することで面出しを行う。続いて１μｍダイヤ及びＣＭＰでそれぞれ２０〜６０分、好ましくは２０〜３０分研磨することで鏡面を得る。
【００２８】
（Ｓ３：単結晶基板のアニーリング）
研磨した単結晶基板１１をアセトン、エタノールで洗浄し、熱処理を行なう。この熱処理は、単結晶基板１１に光励起により発生したキャリアの分離に必要な絶縁層１１ａを形成し、結晶成長後の酸化ガリウム単結晶内に残留する欠陥を回復する目的で行う。熱処理は酸素雰囲気中で１１００℃、３〜２４時間で行なう。３時間より短い時間では、結晶性の回復が不十分となり、２４時間よりも長い処理時間をかけても、ほぼ飽和して特性に変化はない。酸素を使うのは、酸化ガリウム単結晶育成時に発生した酸素欠損を補充するためである。
【００２９】
単結晶基板１１のアニーリング後、図示しない以下のＳ４〜Ｓ６の工程により、当該単結晶基板１１に電極を形成する。
【００３０】
（Ｓ４：オーミック電極の形成）
Ｔｉを３０〜１００ｎｍ、好ましくは５０〜８０ｎｍ蒸着後、Ａｌを１００〜３００ｎｍ、好ましくは１５０〜３００ｎｍ蒸着し、Ａｌ／Ｔｉのオーミック電極１３を形成する。電極サイズは１〜５ｍｍφ、好ましくは３〜４ｍｍφとする。なおサイズが大きくなるほど接触抵抗が小さい。蒸着には、例えば電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）が用いられる。
【００３１】
（Ｓ５：パッド電極の形成）
単結晶基板１１上に配線用のパッド電極１４を作製する。パッド電極１４のサイズは０．０５〜１．５ｍｍφ、Ｃｒ（１３ａ）を１０〜５０ｎｍ、好ましくは３０〜５０ｎｍ、ＡｕまたはＰｔを３０〜１００ｎｍ、好ましくは５０〜１００ｎｍ、単結晶基板１１上に蒸着する。
【００３２】
（Ｓ６：ショットキー電極の形成）
ショットキー電極１２の材料として、ｎ型半導体なので、仕事関数が大きいとされる金属であるＡｕ、Ｐｔなどが用いられる。Ｎｉを２〜５ｎｍ、好ましくは２ｎｍ蒸着後、ＡｕまたはＰｔを６〜１０ｎｍ蒸着し、Ａｕ／ＮｉまたはＰｔ／Ｔｉの半透明または透明な透光性を有する金属薄膜の電極を作製する。なお、金属には、Ｎｉ層を挿入しないＡｕ、Ｐｔ、さらにＡｕ、Ｐｔのほか、Ａｌ，Ｃｏ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｕ等も使用し得る。蒸着には、例えばＥＢ蒸着法が用いられる。
【００３３】
Ｎｉを蒸着するのは、ＡｕまたはＰｔ単体では、基板との密着性が悪いので、薄いＮｉ層を挿入して密着性を改善するためである。これが受光面１２ｒになり、この場合の電極サイズは１〜５ｍｍφ、好ましくは１〜２ｍｍφ。サイズが大きくなるほど受光面拡大につながる。
【００３４】
（実施例１）
上述したＳ１〜６の工程に従って、紫外線センサ１の作製を行った。
純度４Ｎの酸化ガリウム粉末をラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形した。圧縮成形後、電気炉を用いて１５００℃、４０時間、大気雰囲気中で焼成し、得られた酸化ガリウム焼結体を用いて、ＦＺ法により酸化ガリウム単結晶を育成した。単結晶成長条件として、成長速度は２０ｍｍ／ｈ、雰囲気はドライエア、圧力は１気圧の条件で行った。
得たれた酸化ガリウム単結晶のインゴット４をスライドガラスに貼り付け、酸化ガリウム単結晶の成長方向に垂直な直交面が切断面となるよう切断し、これを単結晶基板１１とした。単結晶基板１１の厚さは、０．６５ｍｍとした。
【００３５】
切り出した単結晶基板１１を研磨冶具に貼り付け、＃１０００の研磨盤で２０分研削することで面出しを行った。研磨冶具は、ムサシノ電子株式会社製、ＭＡ−２００Ｄを使用した。続いて１μｍダイヤ及びＣＭＰでそれぞれ３０分研磨することで鏡面を得た。
【００３６】
研磨した単結晶基板１１をアセトン、エタノールで洗浄し、酸素雰囲気中で１１００℃、４時間で熱処理を行った。
【００３７】
次に、上述したＳ４〜６の工程に従って、電極の作製を行なった。単結晶基板１１における第２表面のオーミック電極１３はＴｉを７５ｎｍ蒸着後、Ａｌを３００ｎｍ蒸着した。一方、単結晶基板１１における第１表面のショットキー電極１２はＮｉを２ｎｍ蒸着後、Ａｕを８ｎｍ蒸着した。配線用のパッド電極１４は１ｍｍφとし、Ｃｒを５０ｎｍ蒸着後、Ａｕを１００ｎｍ蒸着した。このとき、実質的な受光部はショットキー電極部分からパッド電極１ｍｍφを除いた部分になる。
【００３８】
ショットキー電極１２を形成した単結晶基板１１を保護するため、予めエポキシ接着剤により窓部材２１をキャップ２３に接着し且つリード３１〜３２を設けたパッケージ２を用いて、パッケージングを行った。この際、パッケージ２内には不活性ガスを充填した。
パッケージングされた紫外線センサ１のリード３１〜３２に対し、図１に示されるように電流・電圧源３を接続し、電流値を測定することにより紫外線の検出を行うことができる。
【００３９】
このように作製した紫外線センサ１を複数用意し、複数の紫外線センサ１に対し、岩崎電気株式会社製の低圧水銀ランプＱＧＬ２００Ｕ−２１を用いて、波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、センサ感度の測定を行った。また、ＣＶ測定により、複数の紫外線センサ１の静電容量［Ｆ］を測定した。ＣＶ測定には、三和電気計器株式会社製、Ｍ１−４９０Ｋを使用した。測定結果を図５に示す。
【００４０】
図５は、実施例１に係る紫外線センサのセンサ感度と静電容量とを示すグラフである。図５に示される斜線範囲は、受光面にａ面を用いた紫外線センサの特性範囲を示す。
受光面にａ面を用いた紫外線センサは、紫外線センサの作製条件を変化させることにより、センサ感度を１．０×１０-2〜１．０×１０-4［Ａ／Ｗ］、静電容量を１．０×１０-12〜１．０×１０-9［Ｆ］まで変化させることができる。図５に示されるように、紫外線センサ１は、受光面にａ面を用いた紫外線センサと同等のセンサ特性（センサ感度，静電容量等）を有することが確認できた。
また、受光面１２ｒにａ面を用いた紫外線センサに用いられる単結晶基板は、インゴットから２５〜３０枚程度切り出すことができる。一方、単結晶基板１１は、インゴット４から５０〜６０枚程度切り出すことができた。
【００４１】
（実施の形態２）
実施の形態１では、上述した手法Ａを用いて紫外線センサを作製したが、手法Ａに加え、以下の手法Ｂ〜Ｅを適宜組み合わせることにより、コストの低減及び良好なセンサ特性を有する紫外線センサを作製できる。
手法Ｂ：酸化ガリウム単結晶を育成する際に用いる原料粉末中の不純物量を調整し、酸化ガリウム単結晶を育成する手法。
手法Ｃ：単結晶基板の表面状態を調整する手法。
手法Ｄ：超音波半田器（超音波半田器ごて）を用いて単結晶基板上にオーミック電極を形成し且つ当該単結晶基板とステムとのダイボンディングを行う手法。
手法Ｅ：ＩＢＳ法を用いてショットキー電極を形成する手法。
【００４２】
上述した手法Ａ〜Ｅを全て組み合わせた紫外線センサの構成について図６を参照して説明する。
図６は、実施の形態２に係る紫外線センサの構成を示す断面図である。図６において、図１と同一符号のものは、図１に示されたものと同一のものを示しており、重複する説明は省略する。
【００４３】
紫外線センサ１００は、図１に示されるセンサチップ１０に代わりセンサチップ１１０を有し、パッケージ２に代わりパッケージ１０２を有する。センサチップ１１０は、図１に示される単結晶基板１１に代わり単結晶基板１１１を有する。また、センサチップ１１０は、ショットキー電極１２に代わりショットキー電極１１２を有し、オーミック電極１３に代わりオーミック電極１１３を有する。
【００４４】
パッケージ１０２は窓部材２１が低融点ガラス１２４によりキャップ２３に接着されている点でパッケージ２とは異なり、単結晶基板１１１は原料粉末中のＳｉ濃度及びＦｅ濃度と研磨傷とが調整されている点で単結晶基板１１と異なる。ショットキー電極１１２はＩＢＳ法を用いて単結晶基板１１１上に形成されている点でショットキー電極１２と異なり、オーミック電極１１３は超音波半田器を用いて低融点金属により単結晶基板１１上に形成されている点でオーミック電極１３と異なる。
【００４５】
次に、上述した紫外線センサ１００の構成を用いて、手法Ｂ〜Ｅの詳細を説明する。先ず、手法Ｂについて説明する。
手法Ｂは、原料粉末中の不純物量を調整することにより、キャリア密度の低い酸化ガリウム単結晶を育成する手法である。調整する不純物は、ＳｉとＦｅとが挙げられる。
【００４６】
結晶中のキャリア密度とセンサ感度は密接な関係があり、キャリア密度の範囲としては１×１０17〜１×１０18が好ましく、１．４７×１０17〜２．５１×１０18がより好ましく、特に２〜５×１０17ｃｍ-3が好ましい。キャリア密度が高過ぎる場合、酸化ガリウム単結晶は導電性が高いが結晶性が低下してしまい、センサチップ１１０へ応用した際、高いセンサ感度が得られないばかりか、暗電流も増加してしまう。一方、キャリア密度が低過ぎる場合、酸化ガリウム単結晶は結晶中の抵抗が高くなり、光電流が流れ難いものとなる。
【００４７】
Ｓｉは、育成した酸化ガリウム単結晶のキャリア密度と密接な関係があるものであり、原料粉末中のＳｉ濃度は、１〜５０ｐｐｍが好ましく、５〜３０ｐｐｍがより好ましく、中でも６〜２９ｐｐｍが特に好ましい。キャリア密度はＳｉ濃度に比例して増加する傾向にあり、Ｓｉ濃度が高すぎると酸化ガリウム単結晶の結晶性が低下してしまいセンサチップ１１０への応用には適さない。一方、Ｓｉ濃度が低すぎる場合、酸化ガリウム単結晶中の抵抗が高くなり、センサチップ１１０へ応用した際に流れる光電流が小さくなる。
【００４８】
Ｆｅは、酸化ガリウム単結晶の導電性に影響を与えるものであり、原料粉末中のＦｅ濃度は、３ｐｐｍ以下が好ましく、中でも１ｐｐｍ以下が特に好ましい。これは、Ｆｅを多く含んだ原料粉末を用いた酸化ガリウム単結晶からセンサチップ１１０を作製した場合、酸化ガリウム単結晶中にＦｅが取り込まれることにより、導電性が著しく低下してしまい、紫外線に反応し難くなるためである。
【００４９】
次に、手法Ｃについて図７を参照して説明する。
図７は、ショットキー電極の表面状態を示す図である。図７において、図６と同一符号のものは、図６に示されたものと同一のものを示しており、重複する説明は省略する。
手法Ｃは、単結晶基板１１１を鏡面研磨する際、単結晶基板１１１の第１表面に図７に示されるような所定の研磨傷を設けることにより、ショットキー電極１１２形成時に、凹凸を生じさせショットキー電極１１２を網目状に形成する手法である。この手法Ｃは、ショットキー電極１１２と単結晶基板１１１との熱膨張率の違いにより生じる応力を緩和させ、ショットキー電極１１２の断線等に起因したセンサ感度低下を抑制し、センサチップ１１０の耐久性を向上させる効果を奏する。
【００５０】
研磨傷は、長さ０．１〜０．５ｍｍ、幅０．０２〜０．１ｍｍのサイズが好ましい。また、研磨傷は、１ｍｍ2の範囲内に、１０〜１００個が好ましく、特に３０〜６０個が好ましい。研磨傷がこのサイズを超える場合、または研磨傷数がこの範囲を超える場合、ショットキー電極１１３に断線が生じる可能性がある。一方、研磨傷がこのサイズ未満である場合、または研磨傷数がこの範囲未満である場合、上述した応力の緩和が著しく低下する。
【００５１】
単結晶基板１１１の第１表面に形成されているショットキー電極１１２の役割は、紫外線励起により発生したキャリアを集め、光電流として取り出すことである。ショットキー電極１１２の直下でキャリアが発生した箇所と、パッド電極１４及びボンディングワイヤ２５がショットキー電極１１２により電気的に接続されていれば、キャリアは光電流として外へ取り出すことができる。したがって、単結晶基板１１１の第１表面に研磨傷による凹凸があり、この凹凸に伴いショットキー電極１１２が網目状に形成された場合においても、断線されていない限りショットキー電極１１２としての機能は大きく損なわれない。なお、研磨傷は、単結晶基板１１１の第１表面のみに限定するものではなく単結晶基板１１１の第２表面等、単結晶基板１１１の表面に一様に設けてもよい。
【００５２】
次に、手法Ｄについて説明する。
手法Ｄは、超音波半田器を用いて低融点金属により単結晶基板１１１上にオーミック電極１１３を形成する手法である。
【００５３】
紫外線センサは、紫外線等の光を受け、発生した光電流を信号として取り出すことにより動作する。この光電流を効率よく外部へ取り出すためには、オーミック電極の低抵抗化が必要になる。蒸着により形成したオーミック電極は、オーミック電極間の抵抗が１〜１０［ｋΩ］程度である。この電極を蒸着した酸化ガリウム単結晶基板にシンター処理を施すことにより、オーミック電極間の抵抗を改善することができる。
【００５４】
しかしながら、手法Ｄによれば、オーミック電極１１３の形成時に超音波半田器と低融点金属とを用いることにより、上述したシンター処理を行ったものと同等の抵抗を有するオーミック電極１１３を形成することができる。更に、蒸着のような真空プロセス要する方法を行うことなく、短時間で単結晶基板１１１にオーミック電極１１３を形成することができるため、コストの低減の効果を奏する。例えば、低融点金属には、超音波半田、Ｉｎ、Ｓｎ等が用いられる。
【００５５】
また、オーミック電極１１３の形成と共に低融点金属を用いて単結晶基板１１１とステム２２とのダイボンディングを行う。ダイボンディング材料に有機物を含まないため、紫外線照射により有機物の分解や分解物による紫外線吸収を抑止することができ、より短波長の紫外線の検出が可能となる効果を奏する。
更に、窓部材２１とキャップ２３とを低融点ガラス１２４により接着させることにより、低融点金属を用いたダイボンディングと同様、有機物による紫外線吸収を抑止する効果を奏する。
【００５６】
次に、手法Ｅについて説明する。
手法Ｅは、ＩＢＳ法を用いてＡｕまたはＰｔを単結晶基板１１１上に蒸着することにより、ショットキー電極１１２を形成する手法である。
【００５７】
酸化ガリウム単結晶基板上に蒸着する金属薄膜の密度が高いほど紫外線に対する耐久性が高まるが、ＡｕまたはＰｔ単体では、酸化ガリウム単結晶基板との密着性が悪い。この手法では、ＡｕまたはＰｔをより強い力で基板に供給するため、通常のスパッタリング法に比べ２桁以上の高真空で成膜を行うＩＢＳ法を用いる。ＩＢＳ法による高真空下でのスパッタを行うことにより、その時粒子に与えられた運動エネルギーがほとんど損なわれること無く所定の基板に堆積させることができるため、密着性及び密度の高い薄膜が得られる。したがって、ＩＢＳ法を用いて単結晶基板１１１上に緻密なショットキー電極１１２を金属薄膜として成膜することにより、例えばＥＢ蒸着法を用いて成膜した電極よりも密度及び密着性の高い電極が得られ、耐久性の改善も可能となる。
【００５８】
実施の形態２では、上述した手法ＡにＢ〜Ｅを適宜組み合わせて紫外線センサを作製するが、手法ＢとＣ、手法ＢとＤ、手法ＣとＥ等、２つの手法を手法Ａに加えた紫外線センサであってもコスト低減、センサ感度の向上等の効果を奏する。なお、手法Ｂ〜Ｄ、手法Ｃ〜Ｅ、手法Ｂ、Ｃ及びＥ等３つの手法を手法Ａに加えた紫外線センサは、２つの手法を手法Ａに加えた紫外線センサよりコスト低減、センサ感度の向上の点でより好ましく、手法Ａに手法Ｂ〜Ｅを全て加えた紫外線センサが特に好ましい。
【００５９】
次に、紫外線センサ１００の作製方法について、図８を参照して作製工程毎に説明する。
図８は、実施の形態２に係る紫外線センサの作製工程を説明するための模式図である。
【００６０】
（Ｓ１１：酸化ガリウム単結晶の育成および結晶基板の切り出し）
Ｓｉ濃度３０ｐｐｍ以下、Ｆｅ濃度１ｐｐｍ以下の純度４Ｎの酸化ガリウム粉末を原料としてラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形する。圧縮成形後、電気炉を用いて１４００〜１６００℃、１０〜４０時間、大気雰囲気中で焼成し、得られる酸化ガリウム焼結体を原料棒とする。この原料棒を用いて、ＦＺ（Floating Zone）法により酸化ガリウム単結晶を育成する。単結晶成長条件として、成長速度は５〜３０ｍｍ／ｈ、雰囲気はドライエア、圧力は１気圧の条件で行なう。
育成した酸化ガリウム単結晶のインゴット１０４をスライドガラスに貼り付け、酸化ガリウム単結晶の成長方向に垂直な直交面が切断面となるよう切断し、これを単結晶基板１１１とする。単結晶基板１１１の厚さは、０．６〜０．７ｍｍが好ましい。
【００６１】
（Ｓ１２：酸化ガリウム単結晶基板の研磨）
切り出した単結晶基板１１１を研磨冶具に貼り付け、＃１０００の研磨盤で１０〜３０分研削することで面出しを行う。続いて１μｍダイヤ及びＣＭＰでそれぞれ２０〜６０分、好ましくは２０〜３０分研磨することで鏡面を得る。この際、研磨傷を、長さ０．１〜０．５ｍｍ、幅０．０２〜０．１ｍｍのサイズで設け、１ｍｍ2の範囲内に、３０〜６０個設ける。
【００６２】
（Ｓ１３：単結晶のアニーリング）
研磨した単結晶基板１１１をアセトン、エタノールで洗浄し、熱処理を行なう。この熱処理は、実施の形態１と同様に、単結晶基板１１１に光励起により発生したキャリアの分離に必要な絶縁層１１１ａを形成し、結晶成長後の酸化ガリウム単結晶内に残留する欠陥を回復する目的で行う。熱処理は、酸素雰囲気中で１１００℃、３〜２４時間で行なう。また、Ｓｉ濃度が低い原料粉末を用いるなどして用意した、キャリア密度の低い単結晶基板の場合は、キャリアの分離のための絶縁層を必要としないため、この工程は省略することが可能である。
【００６３】
（Ｓ１４：オーミック電極の形成）
２００〜２５０℃に熱した超音波半田器で低融点金属５を単結晶基板１１１の第２表面に付ける。その後、好ましくは１〜５秒程度超音波で振動を与えることにより、低融点金属５の表面酸化膜を破り、低融点金属５が単結晶基板１１１内に拡散することでオーミック電極１１３を単結晶基板１１１の第２表面全体または一部に形成する。なおサイズが大きくなるほど接触抵抗が小さい。
【００６４】
（Ｓ１５：ステムへのマウント）
３００〜３５０度に熱したホットプレートの上に金属製のブロック６ａを置き、ブロック６ａ上にリード３１〜３２を設けたステム２２を置きこれを熱する。オーミック電極１１３を形成した単結晶基板１１１を、オーミック電極１１３とステム２２とが接するようステム２２上に設置する。単結晶基板１１１の上からピンセット、スライドガラス等で均一に加圧し、単結晶基板１１１における第２表面の低融点金属５を一様に広げ、単結晶基板１１１とステム２２とのダイボンディングを行う。ステム２２をブロック６ａからはずし、冷却することにより単結晶基板１１１のステム２２へのマウントが完了する。
【００６５】
（Ｓ１６：パッド電極の形成）
ワイヤボンディング用のパッド電極１４を作製する。パッド電極用マスク６ｂで単結晶基板１１１上方を覆い、ＥＢ蒸着法によりパッド電極１４を形成する。パッド電極１４のサイズは０．０５〜１．５ｍｍφ、Ｃｒ１４ａを１０〜１００ｎｍ、好ましくは３０〜５０ｎｍ、ＡｕまたはＰｔ１４ｂを８０〜１５０ｎｍ、好ましくは９０〜１００ｎｍ、単結晶基板１１１の第１表面に蒸着する。
【００６６】
（Ｓ１７：ショットキー電極の形成）
ショットキー電極１１２の材料として、実施の形態１と同様、仕事関数が大きいとされる金属であるＡｕ、Ｐｔなどが用いられる。密着性および耐久性が高いショットキー電極１１２を単結晶基板１１１上に蒸着するため、ショットキー電極用マスク６ｃで単結晶基板１１１の上方を覆い、ＩＢＳ法によりＡｕまたはＰｔを６〜１０ｎｍ蒸着し、半透明または透明な透光性を有する金属薄膜であるショットキー電極１１２を作製する。なお、金属にはＡｕ、Ｐｔのほか、Ａｌ，Ｃｏ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｃｕ等も使用し得る。
ＩＢＳ法によるショットキー電極の形成では、イオンエネルギー、イオン電流密度、イオン種、スパッタリング時の動作真空度、堆積速度等が形成条件として挙げられる。ショットキー電極１１２の形成に用いる条件は、イオンエネルギーが５００〜１２００ｅＶ、イオン電流密度が１〜１０ｍＡ/ｃｍ２、イオン種がＡｒイオン、動作真空度が４〜５×１０-3Ｐａ、堆積速度が０．１〜０．２ｎｍ／ｓｅｃが好ましい。例えば、これらの条件で形成された厚さ１０ｎｍのＡｕ薄膜は波長２００ｎｍでの紫外線透過率が６０％程度である。これが受光面１２ｒとなり、この場合の電極サイズは１〜５ｍｍφ、好ましくは１〜２ｍｍφである。なお、電極サイズが大きいほど受光面は大きくなるが、それに伴い一定照度の紫外線を受けた場合のダメージも大きくなる。
【００６７】
（実施例２）
図８に示されるＳ１１〜Ｓ１７の工程に従って、Ｓｉ濃度及びＦｅ濃度の異なる紫外線センサを複数作製した。
Ｓｉ濃度６ｐｐｍ、Ｆｅ濃度１ｐｐｍの純度４Ｎの酸化ガリウム粉末をラバーチューブに封入し、静水圧プレスにより圧縮成形した。圧縮成形後、電気炉を用いて１５００℃、４０時間、大気雰囲気中で焼成し、得られた酸化ガリウム焼結体を用いて、ＦＺ法により酸化ガリウム単結晶を育成した。単結晶成長条件として、成長速度は２０ｍｍ／ｈ、雰囲気はドライエア、圧力は１気圧の条件で行った。
得られた酸化ガリウム単結晶のインゴット１０４をスライドガラスに貼り付け、直交面４１が切断面となるよう切断し、これを単結晶基板１１１とした。単結晶基板１１１の厚さは、０．６５ｍｍとした。
【００６８】
切り出した単結晶基板１１１を研磨冶具に貼り付け、＃１０００の研磨盤で２０分研削することで面出しを行った。研磨冶具には、ムサシノ電子株式会社製、ＭＡ−２００Ｄを使用した。続いて１μｍダイヤ及びＣＭＰでそれぞれ３０分研磨することで鏡面を得た。
【００６９】
研磨した単結晶基板１１１をアセトン、エタノールで洗浄し、酸素雰囲気中で１１００℃、４時間で熱処理を行なった。
【００７０】
２２５度に熱した超音波半田器で低融点金属５を単結晶基板１１１の第２表面に付け、３秒程度超音波で振動を与えることにより、オーミック電極１１３を単結晶基板１１１の第２表面の一部に形成した。
【００７１】
３２５度に熱したホットプレートの上に金属製のブロック６ａを置き、ブロック６ａ上にステム２２を置いてこれを熱し、オーミック電極１１３を形成した単結晶基板１１１をステム２２上に設置した。単結晶基板１１１の上からスライドガラスで均一に加圧し、単結晶基板１１１とステム２２とのダイボンディングを行った。ダイボンディング後、ステム２２をブロック６ａからはずし、冷却した。
【００７２】
冷却後、パッド電極用マスク６ｂで単結晶基板１１１上方を覆い、ＥＢ蒸着法によりパッド電極１４を形成した。パッド電極１４のサイズは０．７７５ｍｍφ、Ｃｒ１４ａを５０ｎｍ、Ａｕ１４ｂを１００ｎｍ、単結晶基板１１１の第１表面に蒸着した。
【００７３】
ＩＢＳ法により受光面１２ｒを含む単結晶基板１１１の第１表面にＡｕを１０ｎｍ蒸着し、ショットキー電極１１２を形成した。ＩＢＳ法の条件としては、イオンエネルギーを８５０ｅＶ、イオン電流密度を５．５ｍＡ/ｃｍ2、イオン種をＡｒイオン、動作真空度を４．５×１０-3Ｐａ、堆積速度を０．１５ｎｍ／ｓｅｃとした。また、電極サイズは２ｍｍφとした。このとき、実質的な受光部はショットキー電極１１２の２ｍｍφからパッド電極１４の０．７７５ｍｍφを除いた部分になる。
【００７４】
ショットキー電極１１２を形成した単結晶基板１１１を保護するため、予め低融点ガラス１２４により窓部材２１をキャップ２３に接着し且つリード３１〜３２を設けたパッケージ１０２を用いて、パッケージングを行った。この際、パッケージ１０２内には不活性ガスを充填し、紫外線センサ１００Ａを作製した。
次に、Ｓｉ濃度及びＦｅ濃度がそれぞれ異なる複数の原料粉末を用いて、紫外線センサ１００Ａと同様の方法で紫外線センサＢ〜Ｇをそれぞれ作製した。
【００７５】
紫外線センサ１００Ａ〜Ｇに対し、岩崎電気株式会社製の低圧水銀ランプＱＧＬ２００Ｕ−２１を用いて、波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、紫外線センサとして動作するか否かを確認した。その結果、紫外線センサ１００Ｆ及びＧは紫外線センサとして動作しなかった。
【００７６】
図９は、実施例２に係る紫外線センサの不純物濃度を示すグラフである。図９に示されるＡ〜Ｇのそれぞれは、紫外線センサ１００Ａ〜Ｇのそれぞれを示す。また、斜線範囲は紫外線センサとして動作するＦｅ濃度の範囲を示す。図９に示されるように、紫外線センサとして動作しない紫外線センサ１００Ｆ及びＧは、Ｆｅ濃度が１４及び１８ｐｐｍである。このことから、斜線範囲外のＦｅ濃度１４以上のものは、紫外線センサとして動作しないことが確認できた。また、Ｆｅ濃度３以下のものは、紫外線センサとして動作することが確認できた。
【００７７】
次に、紫外線センサ１００Ａ〜Ｃが有するセンサチップの比抵抗［Ωｃｍ］とキャリア密度［ｃｍ-3］をバイオ・ラッド ラボラトリーズ株式会社製，ホール効果測定装置を用いて測定した。測定結果を図１０及び１１に示す。
【００７８】
図１０は、実施例２に係る紫外線センサの不純物濃度、比抵抗及びキャリア密度を示す表である。図１１は、実施例２に係る紫外線センサの比抵抗、キャリア密度及びＳｉ濃度の相関を示すグラフである。
図１０及び１１に示されるように、Ｓｉ濃度が増加するに伴いキャリア密度及び比抵抗が減少し、Ｓｉ濃度が減少するに伴い、キャリア濃度及び比抵抗が増加することから、原料粉末中に含まれるＳｉ濃度は育成した酸化ガリウム単結晶のキャリア密度と密接な関係があることが確認できた。
【００７９】
（実施例３）
図８に示されるＳ１１〜Ｓ１７の工程に従って、単結晶基板表面の状態が異なる紫外線センサを複数作製した。
Ｓｉ濃度４ｐｐｍ、Ｆｅ濃度１ｐｐｍの原料粉末を用い、その他は実施例２と同様の条件で複数の紫外線センサを作製した。なお、複数の紫外線センサの作製に際し、図８のＳ１２で示した酸化ガリウム単結晶基板の研磨の工程において、複数の紫外線センサそれぞれが、単結晶基板１１１上の単位面積当たりの研磨傷数が異なるよう研磨傷を調整した。
作製した研磨傷数が異なる複数の紫外線センサに対し、岩崎電気株式会社製の低圧水銀ランプＱＧＬ２００Ｕ−２１を用いて、波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、そのセンサ感度と当該センサ感度が１０％低下するまでの時間を測定した。測定結果を図１２に示す。
【００８０】
図１２は、実施例３に係る紫外線センサのセンサ感度、センサの寿命及び研磨傷の個数の相関を示すグラフである。
図１２に示されるように、研磨傷数の増加に伴いセンサ感度が軽微に減少するが、大きな低下は見られない。このことから、研磨傷数がセンサ感度に与える影響は大きくないことが確認できた。一方、センサ感度が１０％低下するまでの時間は、研磨傷数の増加に伴い長くなることが確認できた。これは、研磨傷による単結晶基板１１１における第１表面の凹凸に応じてショットキー電極１１２が網目状に形成された場合、紫外線照射に伴う熱の影響を緩和できるためである。なお、研磨傷を設けない平坦な単結晶基板１１１に均一にショットキー電極１１２を形成した場合、センサ感度が高いが、熱によりＡｕ等の金属薄膜が凝集し、感度低下に繋がる可能性がある。
【００８１】
（実施例４）
図８に示されるＳ１１〜Ｓ１７の工程に従って、オーミック電極の形成方法が異なる紫外線センサを複数作製した。
Ｓｉ濃度４ｐｐｍ、Ｆｅ濃度１ｐｐｍの原料粉末を用い、その他は実施例２と同様の条件で紫外線センサ１００Ｈを作製した。なお、紫外線センサ１００Ｈの作製に際し、図８のＳ１４で示したオーミック電極の形成の工程において、低融点金属として黒田テクノ株式会社製のセラソルザー（登録商標）を用いて単結晶基板１１１上にオーミック電極１１３を形成した。
【００８２】
また、図８のＳ１４で示したオーミック電極の形成の工程に代わり、実施の形態１のＳ４で示したオーミック電極の形成の工程を用いた紫外線センサ１００Ｉと紫外線センサ１００Ｊとを作製した。
紫外線センサ１００Ｉは、当該オーミック電極の形成の工程において、Ｔｉ／Ａｌの蒸着によりオーミック電極を形成した酸化ガリウム単結晶基板を有する。また、紫外線センサ１００Ｉは、Ｉｎ接合を用いて当該酸化ガリウム単結晶基板をステム２２にマウントされている。
紫外線センサ１００Ｊは、当該オーミック電極形成の工程において、Ｔｉ／Ａｌの蒸着によりオーミック電極を形成し且つシンター処理（８００℃・２分）を施した酸化ガリウム単結晶基板を有する。また、紫外線センサ１００Ｊは、銀ペーストを用いて当該酸化ガリウム単結晶基板をステム２２にマウントされている。
【００８３】
これら紫外線センサ１００Ｈ〜Ｊのオーミック電極間の抵抗を、菊水電子工業株式会社製、ダイオードカーブトレーサを用いて測定した。また、紫外線センサ１００Ｈ〜Ｊに対し、上述したＳＬＵＶ−６を用いて波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、センサ感度を測定した。測定結果を図１３及び１４に示す。
【００８４】
図１３は、実施例４に係る紫外線センサにおけるオーミック電極間の抵抗を示すグラフである。図１４は、実施例４に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。図１３及び１４に示されるＨ〜Ｊのそれぞれは、紫外線センサ１００Ｈ〜Ｊをそれぞれ示す。
【００８５】
図１３に示されるように、蒸着により形成した紫外線センサ１００Ｉのオーミック電極は、抵抗が１〜１０ｋΩであり、シンター処理を施した紫外線センサ１００Ｊのオーミック電極は、１０〜１０００Ωである。よって、シンター処理により抵抗の改善が確認できるが、工程が増加していることからコストアップに繋がる。一方、紫外線センサ１００Ｈのオーミック電極１１３は、紫外線センサ１００Ｊと同等の抵抗を有していることが確認できた。
【００８６】
また、図１４に示されるように、紫外線センサ１００Ｊは紫外線センサ１００Ｉよりセンサ感度がよく、紫外線センサ１００Ｈは紫外線センサ１００Ｊよりセンサ感度がよいことが確認できた。このことから、超音波半田を用いることにより、オーミック特性が改善され、その結果、紫外線センサとして取り出せる光電流が増加することがわかる。
【００８７】
（実施例５）
図８に示されるＳ１１〜Ｓ１７の工程に従って、ショットキー電極の形成方法が異なる紫外線センサを複数作製した。
Ｓｉ濃度２４ｐｐｍ、Ｆｅ濃度１ｐｐｍの原料粉末を用い、その他は実施例２と同様の条件で紫外線センサ１００Ｋを作製した。
また、図８のＳ１７で示したショットキー電極の形成の工程に代わり、実施の形態１のＳ６で示したショットキー電極の形成の工程を用いた紫外線センサ１００Ｌを作製した。
【００８８】
紫外線センサ１００Ｋ及びＬに対し、上述したＱＧＬ２００Ｕ−２１を用いて波長２５４ｎｍの紫外線を連続的に照射し、センサ感度を測定した。測定結果を図１５に示す。
【００８９】
図１５は、実施例５に係る紫外線センサにおけるセンサ感度を示すグラフである。図１５に示されるＫ及びＬは、紫外線センサ１００Ｋ及びＬを示す。
図１５に示されるように、紫外線センサ１００Ｌはセンサ感度が３×１０-3〜６×１０-4［Ａ／Ｗ］であるが、紫外線センサ１００Ｋは１×１０-3〜６×１０-3［Ａ／Ｗ］である。したがって、ＩＢＳ法を用いてショットキー電極１１２を形成するとセンサ感度が向上することが確認できた。
【００９０】
本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態１〜２は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。
【００９１】
なお、特許請求の範囲に記載の直交面は、例えば、前述の実施の形態１及び２における直交面４１であり、受光面は、例えば、受光面１２ｒである。酸化ガリウム単結晶基板は、例えば、酸化ガリウム単結晶基板１１及び１１１であり、パッケージは、例えば、パッケージ２及びパッケージ１０２である。第１表面は、例えば、酸化ガリウム単結晶基板１１及び１１１の第１表面であり、第２表面は、例えば、酸化ガリウム単結晶基板１１及び１１１の第２表面である。低融点金属は、例えば、低融点金属５であり、低融点ガラスは、例えば、低融点ガラス１２４である。窓部材は、例えば、窓部材２１であり、第１及び第２端子は、例えば、リード３１及び３２である。
【符号の説明】
【００９２】
１，１００ 紫外線センサ、
２，１０２ パッケージ、
３ 電流・電圧源、
４，１０４ インゴット、
５ 低融点金属、
１０，１１０ センサチップ、
１１，１１１ 酸化ガリウム単結晶基板、
１２，１１２ ショットキー電極、
１３，１１３ オーミック電極、
１４ パッド電極、
２０ 開口部、
２１ 窓部材、
２２ ステム、
２３ キャップ、
２４ 接着剤、
２５ ボンディングワイヤ、
２６ ガラス、
３１，３２ リード、
３１ａ リード３１の一端、
４１ 直交面、
１２４ 低融点ガラス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面を受光面とする酸化ガリウム単結晶基板と、
前記酸化ガリウム単結晶基板の第１表面に形成された第１電極と、
前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第２表面に形成された第２電極と、
を備えることを特徴とする紫外線センサ。
【請求項２】
前記所定の角度は、前記直交面と前記酸化ガリウム単結晶における（００１）面とがなす角度であって、該角度の方向に前記直交面から−２０°以上、２０°以下の角度である請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項３】
前記第１電極は、前記酸化ガリウム単結晶基板とオーミック接触をなすオーミック電極であり且つ低融点金属が前記酸化ガリウム単結晶基板内の一部に拡散することにより形成されている請求項１または請求項２記載の紫外線センサ。
【請求項４】
前記第２電極は、前記受光面に形成され、前記酸化ガリウム単結晶基板とショットキー接触をなし且つ前記酸化ガリウム単結晶基板上にＩＢＳ法により蒸着された透光性を有する金属薄膜である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項５】
前記酸化ガリウム単結晶基板を内部に収容すると共に外部雰囲気から封止し、少なくとも一部に紫外線に対して透光性を有する窓部材が設けられているパッケージと、
前記第１電極及び前記第２電極と電気的に接続されると共に前記パッケージの外部に引き出された第１及び第２端子と
を更に備える請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項６】
前記窓部材は、低融点ガラスにより前記パッケージに接着されており、
前記酸化ガリウム単結晶基板は、低融点金属により前記パッケージ内部にダイボンディングされている請求項５記載の紫外線センサ。
【請求項７】
前記受光面は、１ｍｍ2当たり、長さ０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下および幅０．０２ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下の傷を、１０個以上、１００個以下有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項８】
前記酸化ガリウム単結晶は、Ｓｉ濃度１ｐｐｍ以上、５０ｐｐｍ以下、Ｆｅ濃度３ｐｐｍ以下である請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項９】
前記酸化ガリウム単結晶は、キャリア密度が１×１０17ｃｍ-3以上、１×１０18ｃｍ-3以下の電気的導電性を有する請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項１０】
酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面が切断面となるよう、前記酸化ガリウム単結晶を所定の厚さで切断して切断面を受光面とし、
前記酸化ガリウム単結晶基板の第１表面に第１電極を形成し、
前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第２表面に第２電極を形成する
ことを特徴とする紫外線センサの製造方法。
【請求項１１】
前記所定の角度は、前記直交面と前記酸化ガリウム単結晶における（００１）面とがなす角度であって、該角度の方向に前記直交面から−２０°以上、２０°以下の角度である請求項１０記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１２】
前記第１電極は、前記酸化ガリウム単結晶基板の表面とオーミック接触をなすオーミック電極であり、
前記第１電極を、超音波半田器による所定の超音波により低融点金属を前記酸化ガリウム単結晶基板内の一部に拡散させることで形成する請求項１０または請求項１１記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１３】
前記第２電極は、前記酸化ガリウム単結晶基板の表面とショットキー接触をなすショットキー電極であり、
前記第２電極を、ＩＢＳ法により前記酸化ガリウム単結晶基板上に透光性を有する金属薄膜を蒸着させることで形成する請求項１０乃至請求項１２のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１４】
少なくとも一部に紫外線に対して透光性を有する窓部材が設けられているパッケージ内に前記第１電極及び前記第２電極を形成した前記酸化ガリウム単結晶基板を収容すると共に外部雰囲気から封止し、
前記第１電極及び前記第２電極と電気的に接続された第１及び第２端子を前記パッケージの外部に引き出す請求項１０乃至請求項１３のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１５】
前記窓部材を、低融点ガラスにより前記パッケージに接着し、
前記酸化ガリウム単結晶基板を、低融点金属により前記パッケージ内部にダイボンディングする請求項１４記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１６】
前記切断面に対し、１ｍｍ2当たり、長さ０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下および幅０．０２ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下の傷を、１０個以上１００個以下有するよう研磨を行い、研磨した前記切断面を受光面とする請求項１０乃至請求項１５記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１７】
前記酸化ガリウム単結晶は、Ｓｉ濃度１ｐｐｍ以上、５０ｐｐｍ以下、Ｆｅ濃度３ｐｐｍ以下である酸化ガリウム粉末を圧縮成形し、所定の条件で焼成して得られる酸化ガリウム焼結体の原料棒を用いて、ＦＺ法により酸化ガリウム単結晶を育成して得る請求項１０乃至請求項１６のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１８】
前記酸化ガリウム単結晶は、キャリア密度が１×１０17ｃｍ-3以上、１×１０18ｃｍ-3以下の電気的導電性を有する請求項１０乃至請求項１７のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１】
酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面を受光面とする酸化ガリウム単結晶基板と、
前記酸化ガリウム単結晶基板の第１表面に形成された第１電極と、
前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第２表面に形成された第２電極と、
を備えることを特徴とする紫外線センサ。
【請求項２】
前記所定の角度は、前記直交面と前記酸化ガリウム単結晶における（００１）面とがなす角度であって、該角度の方向に前記直交面から−２０°以上、２０°以下の角度である請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項３】
前記第１電極は、前記酸化ガリウム単結晶基板とオーミック接触をなすオーミック電極であり且つ低融点金属が前記酸化ガリウム単結晶基板内の一部に拡散することにより形成されている請求項１または請求項２記載の紫外線センサ。
【請求項４】
前記第２電極は、前記受光面に形成され、前記酸化ガリウム単結晶基板とショットキー接触をなし且つ前記酸化ガリウム単結晶基板上にＩＢＳ法により蒸着された透光性を有する金属薄膜である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項５】
前記酸化ガリウム単結晶基板を内部に収容すると共に外部雰囲気から封止し、少なくとも一部に紫外線に対して透光性を有する窓部材が設けられているパッケージと、
前記第１電極及び前記第２電極と電気的に接続されると共に前記パッケージの外部に引き出された第１及び第２端子と
を更に備える請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項６】
前記窓部材は、低融点ガラスにより前記パッケージに接着されており、
前記酸化ガリウム単結晶基板は、低融点金属により前記パッケージ内部にダイボンディングされている請求項５記載の紫外線センサ。
【請求項７】
前記受光面は、１ｍｍ2当たり、長さ０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下および幅０．０２ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下の傷を、１０個以上、１００個以下有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項８】
前記酸化ガリウム単結晶は、Ｓｉ濃度１ｐｐｍ以上、５０ｐｐｍ以下、Ｆｅ濃度３ｐｐｍ以下である請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項９】
前記酸化ガリウム単結晶は、キャリア密度が１×１０17ｃｍ-3以上、１×１０18ｃｍ-3以下の電気的導電性を有する請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の紫外線センサ。
【請求項１０】
酸化ガリウム単結晶の成長方向に対して直交する直交面または該直交面から所定の角度傾斜した面が切断面となるよう、前記酸化ガリウム単結晶を所定の厚さで切断して切断面を受光面とし、
前記酸化ガリウム単結晶基板の第１表面に第１電極を形成し、
前記受光面を含む前記酸化ガリウム単結晶基板の第２表面に第２電極を形成する
ことを特徴とする紫外線センサの製造方法。
【請求項１１】
前記所定の角度は、前記直交面と前記酸化ガリウム単結晶における（００１）面とがなす角度であって、該角度の方向に前記直交面から−２０°以上、２０°以下の角度である請求項１０記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１２】
前記第１電極は、前記酸化ガリウム単結晶基板の表面とオーミック接触をなすオーミック電極であり、
前記第１電極を、超音波半田器による所定の超音波により低融点金属を前記酸化ガリウム単結晶基板内の一部に拡散させることで形成する請求項１０または請求項１１記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１３】
前記第２電極は、前記酸化ガリウム単結晶基板の表面とショットキー接触をなすショットキー電極であり、
前記第２電極を、ＩＢＳ法により前記酸化ガリウム単結晶基板上に透光性を有する金属薄膜を蒸着させることで形成する請求項１０乃至請求項１２のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１４】
少なくとも一部に紫外線に対して透光性を有する窓部材が設けられているパッケージ内に前記第１電極及び前記第２電極を形成した前記酸化ガリウム単結晶基板を収容すると共に外部雰囲気から封止し、
前記第１電極及び前記第２電極と電気的に接続された第１及び第２端子を前記パッケージの外部に引き出す請求項１０乃至請求項１３のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１５】
前記窓部材を、低融点ガラスにより前記パッケージに接着し、
前記酸化ガリウム単結晶基板を、低融点金属により前記パッケージ内部にダイボンディングする請求項１４記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１６】
前記切断面に対し、１ｍｍ2当たり、長さ０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下および幅０．０２ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下の傷を、１０個以上１００個以下有するよう研磨を行い、研磨した前記切断面を受光面とする請求項１０乃至請求項１５記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１７】
前記酸化ガリウム単結晶は、Ｓｉ濃度１ｐｐｍ以上、５０ｐｐｍ以下、Ｆｅ濃度３ｐｐｍ以下である酸化ガリウム粉末を圧縮成形し、所定の条件で焼成して得られる酸化ガリウム焼結体の原料棒を用いて、ＦＺ法により酸化ガリウム単結晶を育成して得る請求項１０乃至請求項１６のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。
【請求項１８】
前記酸化ガリウム単結晶は、キャリア密度が１×１０17ｃｍ-3以上、１×１０18ｃｍ-3以下の電気的導電性を有する請求項１０乃至請求項１７のいずれかに記載の紫外線センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１７６０９０（Ｐ２０１１−１７６０９０Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３８５１２（Ｐ２０１０−３８５１２）
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【出願人】（３０２０６１３３６）トーニック株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（０００００４７４３）日本軽金属株式会社 (627)
【出願人】（３０２０６１３３６）トーニック株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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