(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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電極とを有し、前記ダイヤモンド膜表面の５０％以上がダイヤモンドの（１００）結晶面から構成されたことを特徴とするダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項２】
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対の電極とを有し、前記ダイヤモンド膜がダイヤモンドの（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ダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項３】
前記基板が、基板母材に白金又は白金を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２に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項４】
前記基板が、基板母材に白金又は白金を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（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２に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項５】
前記基板が（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であることを特徴とする請求項２に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項６】
前記基板母材が（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。
【請求項７】
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対の電極とを有し、前記金属薄膜で反射した紫外線が前記ダイヤモンド膜中で多重反射を起こして吸収されることを特徴とするダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項８】
前記ダイヤモンド膜表面が平均面積１乃至２５平方μｍの結晶面から構成され、平均粗度（Ｒａ）が０．１乃至３μｍであることを特徴とする請求項１、２又は７に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項９】
前記ダイヤモンド膜表面がピラミッド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７に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項１０】
エッチングによりダイヤモンド表面に凹凸が形成されたことを特徴とする請求項１、２又は７に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項１１】
基板自体が配向性又は非配向性のダイ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。
【請求項１２】
前記紫外線を反射する金属薄膜は、白金、白金合金、イリジウム、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に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項１３】
前記紫外線を反射する金属薄膜が第３の電極であることを特徴とする請求項１２に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項１４】
前記ダイヤモンド膜が（１００）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、２又は７に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項１５】
前記基板がシリコン、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、２又は７におけるダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項１６】
少なくとも電極間のダイヤモンド表面に酸素が化学吸着していることを特徴とする請求項１、２又は７に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項１７】
少なくともダイヤモンド表面の電極が形成された領域に、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、２又は７に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項１８】
前記電極材料が白金又は白金を５０％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、２又は７に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項１９】
第１電極を正に、第２電極を負に、第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１３に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項２０】
第１電極と第２電極の間に交流又は高周波を印加して計測することを特徴とする請求項１３に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項２１】
第１電極を正に、第２電極を負に、第３電極に交流又は高周波を印加して計測することを特徴とする請求項１３に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項２２】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記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。
【請求項２３】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記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。
【請求項２４】
各紫外線センサが、互いの長軸が平行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２２に記載のダイヤモンド膜紫外線センサアレイ。
【請求項２５】
ダイヤモンド膜の表面及び裏面に配置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２２乃至２４のいずれか１項にダイヤモンド膜紫外線センサアレイ。
【請求項２６】
紫外線透過性の窓を持つ気密容器内に装着され、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２１のいずれか１項に記載のダイヤモンド膜紫外線センサ。
【請求項２７】
紫外線透過性の窓を持つ気密容器内に装着され、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２２乃至２６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。
【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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５９−２７７Ｓ４、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。
【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。
【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（１１１）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  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｆｉｌｍｓ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  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。
【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。
【０００８】
ダイヤモンドはバンドギャップが５．５ｅＷ（波長では約２２５ｎｍに対応する）であるので、２２５ｎｍ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。
【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．  Ｃｈａｎ，  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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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電極とを有し、前記ダイヤモンド膜表面の５０％以上がダイヤモンドの（１００）結晶面から構成されたことを特徴とする。
【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対の電極とを有し、前記ダイヤモンド膜がダイヤモンドの（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。
【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対の電極とを有し、前記金属薄膜で反射した紫外線が前記ダイヤモンド膜中で多重反射を起こして吸収されることを特徴とする。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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（１１１）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。
【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。
【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（１１１）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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（１００）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（１１０）方向であれば、感度が更に一層向上する。
【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。
【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５０％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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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２１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。
【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２５の電極の幅は１５乃至２５μｍ、電極間隔は５乃至１５μｍとした。
【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。
【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。
【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５０μｍ、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。
【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２×２ｍｍ２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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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３２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。
【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３１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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のセンサを示す模式図である。
【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。
【図３】膜厚と、感度との関係を示すグラフ図である。
【図４】本発明の第３実施例のセンサを示す模式図である。
【図５】平均粗度Ｒａと感度との関係を示す図である。
【図６】本発明の第５実施例のセンサを示す模式図である。
【図７】本発明の第６実施例のセンサを示す模式図である。
【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。
【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。
【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。
【図１１】本発明のセンサ装置を示す模式図である。
【符号の説明】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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