(57)【要約】【課題】波長３６５ｎｍ付近の光のみを選択的に検出する紫外線センサを提供する。【解決手段】紫外線センサ１は、金属製側管２の上端開口部が入射窓としてのコバールガラスからなる面板３で封止され、下端開口部がベース板４で封止されてなる容器５を備えている。入射窓としての面板３は、金属製側管２の上端開口部を封止することにより、容器５の壁の一部を構成している。容器５内には、ｐｉｎ型フォトダイオード６が設置されている。このｐｉｎ型フォトダイオード６は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で形成された光吸収層９をｎ型コンタクト層８とｐ型コンタクト層１０との間に有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の壁の一部を構成する入射窓と、前記容器内に配置され前記入射窓を透過した光を光電変換するｐｉｎ型フォトダイオードとを備え、前記入射窓はコバールガラスからなり、前記ｐｉｎ型フォトダイオードはＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で形成された光吸収層をｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に有していることを特徴とする紫外線センサ。
【請求項２】
前記コバールガラスからなる入射窓は、厚さが２００μｍ以上に形成されてい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】
前記光吸収層におけるＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎの組成比ｘは、０＜ｘ＜０．０５であることを特徴とする請求項１または２記載の紫外線センサ。
【請求項４】
波長４０５ｎｍの前記光の検出感度が、波長３６５ｎｍの前記光の検出感度の１／１００以下であることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項記載の紫外線センサ。
【請求項５】
光リソグラフィー用の光源のパワーメーターとして用いられることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項記載の紫外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｐｉｎ型フォトダイオードを備えた紫外線センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、波長３６５ｎｍ付近の紫外線の光強度をモニターする紫外線センサとしては、特定波長光のみを透過させる特性を有する光学フィルタと、半導体Ｓｉを用いたフォトダイオードとを組み合わせたものが知られている。また、特定の波長範囲の光を選択的に検出するものとしては、窒化ガリウム系化合物半導体からなるｎ型層とｐ型層との間にｉ型窒化ガリウム系化合物半導体からなる受光層を備えたｐｉｎ型窒化物半導体受光素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−８３９９６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような光学フィルタでは、入射光の強度を減少させると同時に部品点数の増加を招いていた。また、特許文献１に記載のものでは、波長３６５ｎｍ付近の紫外線の光のみを選択的に検出することは困難である。
【０００５】
本発明は、波長３６５ｎｍ付近の光のみを選択的に検出する紫外線センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の紫外線センサは、容器の壁の一部を構成する入射窓と、容器内に配置され入射窓を透過した光を光電変換するｐｉｎ型フォトダイオードとを備え、入射窓はコバールガラスからなり、ｐｉｎ型フォトダイオードはＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で形成された光吸収層をｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に有していることを特徴とするものである。
【０００７】
このような本発明の紫外線センサによれば、入射窓がコバールガラスで形成されているため、波長約３００ｎｍ以上の光が選択的に透過される。また、容器内に設置されたｐｉｎ型フォトダイオードの光吸収層がＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で形成されているため、入射窓を透過した光のうち波長約４００ｎｍ以下の光が選択的に光電変換される。従って、波長３６５ｎｍ付近の光のみを選択的に検出することができる。
【０００８】
コバールガラスからなる入射窓は、厚さが２００μｍ以上に形成されているのが望ましい。これにより、入射窓としての十分な機械的強度が得られると共に、波長３００ｎｍ以下の光を確実に遮断し、波長３００ｎｍ以上の光のみを選択的に透過させることができる。
【０００９】
光吸収層におけるＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎの組成比ｘは、０＜ｘ＜０．０５であるのが望ましい。これにより、波長４００ｎｍ付近より長波長の光の感度を低下させることができる。
【００１０】
また、本発明の紫外線センサは、波長４０５ｎｍの光の検出感度が、波長３６５ｎｍの前記光の検出感度の１／１００以下であることを特徴としている。これにより、波長３６５ｎｍ付近の光をより正確に検出することができる。
【００１１】
本発明の紫外線センサは、光リソグラフィー用の光源のパワーメーターとして用いられるのが好ましい。これにより、水銀ランプの輝線において光リソグラフィー用の光源として広く用いられ一般にｉ線と呼ばれる波長３６５ｎｍの輝線の強度を正確にモニターすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１は、実施形態に係る紫外線センサの断面模式図であり、図２は、図１に示す紫外線センサ内に設置されたｐｉｎ型フォトダイオードを示す模式図である。図１において、紫外線センサ１は、金属製側管２の上端開口部が入射窓としてのコバールガラスからなる面板３で封止され下端開口部がベース板４で封止されてなる容器５を備えている。入射窓としての面板３は、金属製側管２の上端開口部を封止することにより、容器５の壁の一部を構成している。この容器５内は、大気でもよいし、窒素雰囲気や真空でもよい。
【００１４】
容器５内には、ｐｉｎ型フォトダイオード６が設置されている。図２に示すように、ｐｉｎ型フォトダイオード６は、半導体基板７上に順次積層されたｎ型コンタクト層８、光吸収層９及びｐ型コンタクト層１０を備えている。ｎ型コンタクト層８及びｐ型コンタクト層１０には、それぞれオーミック電極１１，１２が形成されている。
【００１５】
また、容器５のベース板４には、ｐｉｎ型フォトダイオード６への電圧印加や、ｐｉｎ型フォトダイオード６からの信号を外部へ取り出すための複数の電極ピン１３が設けられている。この電極ピン１３は、金属ワイヤ１４を介してｐｉｎ型フォトダイオード６のオーミック電極１１，１２に接続されている。
【００１６】
ｐｉｎ型フォトダイオード６において、光吸収層９は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で形成されている。また、ｎ型コンタクト層８及びｐ型コンタクト層１０は、窒化物半導体で形成されている。この窒化物半導体は、ＩＩＩ族元素としてＡｌ，Ｇａ，Ｉｎのうちの少なくも一つを含み、Ｖ族元素として主にＮからなるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である。
【００１７】
ここで、ｐｉｎ型フォトダイオード６の各要素の厚さについて説明する。
【００１８】
半導体基板７の厚さは、用いる材料の性質に応じて適宜決定されるが、通常のハンドリングで破損しない程度の機械的強度や、エピタキシャル成長後の加工プロセスでの取り扱いやすさ、及びコスト面などを考慮して決定される。
【００１９】
半導体基板７として、サファイア基板など、基板と基板上にエピタキシャル成長させる窒化物半導体層との間の格子不整合が比較的大きなものを用いる場合は、基板と窒化物半導体層との間にバッファ層を挿入するのが望ましい。このバッファ層の厚さは、エピタキシャル成長装置や、成長条件によって適宜選択される。尚、ＳｉＣ，Ｓｉ，ＧａＮ，ＡｌＮ，ＺｎＯなどを半導体基板７に用いた場合には、必ずしもバッファ層を必要としない。
【００２０】
ｎ型コンタクト層８の厚さは、加工プロセスの制御性によって適宜決定される。ｐｉｎ型フォトダイオード６の製造工程では、エピタキシャル成長後にリソグラフィーを用いて所望のパターンにパターニングした後、ドライエッチング技術を用いて表面側からメサ構造にエッチングしてｎ型コンタクト層８を露出させる。
【００２１】
ドライエッチングによるエッチング深さは、ドライエッチング時間により制御されるが、ｎ型コンタクト層８の厚さが薄い場合は、オーバーエッチングによりｎ型コンタクト層８を突き抜けてしまったり、エッチング不足によりｎ型コンタクト層８表面が露出しない場合がある。また、ｎ型コンタクト層８の厚さが厚い場合には、エピタキシャル成長時間が長くなり、コストが増大してしまう。従って、これらの点を考慮したエッチング深さの制御性によりｎ型コンタクト層８の厚さが選択される。
【００２２】
光吸収層９は、厚さが薄い場合、所望の波長の光に対して十分な吸収を得ることができなくなる。また、厚さが厚い場合、光吸収層９内に形成される電界が弱くなり、入射光により励起されたキャリアにおけるｎ型コンタクト層８及びｐ型コンタクト層１０へ到達する前に再結合してしまう割合が増加するため、感度が減少してしまう。
【００２３】
ｐ型コンタクト層１０は、入射光がｐ型コンタクト層１０を通って光吸収層９へ到達することから、光吸収による入射光の減衰を抑制するために厚さは薄いほど好ましい。しかし、良好なオーミック特性を得るためにはｐ型不純物を大量にドーピングする必要があるため、ｐ型コンタクト層１０の厚さは、ｐ型不純物の拡散を考慮して選択される。
【００２４】
上述した観点から、各要素の厚みの好適な範囲／より好適な範囲を以下の通り設定する。尚、ｎ型コンタクト層８及びｐ型コンタクト層１０については、好適な範囲のみを示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
コバールガラスからなる面板３の厚さは、入射窓としての十分な機械的強度を得ると共に、波長３００ｎｍ以下の光を確実に遮断させるために少なくとも２００μｍ以上とするのが好ましく、より好ましくは、５００μｍ以上とするのがよい。また、市販された金属製側管に溶着して用いる場合は、１ｍｍ程度の厚さにするのが望ましい。
【００２７】
以上のような本実施形態に係る紫外線センサ１によれば、入射窓としての面板３がコバールガラスで形成されているため、面板３に照射された紫外線のうち、波長約３００ｎｍ以下の光は面板３によって吸収され、波長約３００ｎｍ以上の光が選択的に透過される。
【００２８】
そして、面板３を透過した波長約３００ｎｍ以上の光は、容器５内に設置されたｐｉｎ型フォトダイオード６の光吸収層９に入射する。光吸収層９は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で形成されているため、入射した波長約３００ｎｍ以上の光のうち、波長約４００ｎｍ以下の光が選択的に光電変換され、電子−正孔対が出力信号としてオーミック電極１１，１２から紫外線センサ１の外部へと取り出される。従って、本実施形態に係る紫外線センサ１によれば、波長３６５ｎｍ付近の光を選択的に検出することができる。
【００２９】
また、本実施形態に係る紫外線センサ１は、ｐｉｎ型フォトダイオード６を用いた構成のため、光電管などに比べ装置を小型化できると共に、高圧電源が不要となる。
【００３０】
ところで、波長３００ｎｍ以下の光は高いエネルギーを有しているため、この光が直接フォトダイオードに入射すると、フォトダイオードの耐圧が劣化し、感度が低下する。本実施形態に係る紫外線センサ１によれば、コバールガラスからなる面板３が２００μｍ以上の厚さを有しているため、波長３００ｎｍ以下の光を遮断する。従って、波長３００ｎｍ以下の高いエネルギーを持つ光をカットして、低エネルギーの光をｐｉｎ型フォトダイオード６に入射させることができるため、ｐｉｎ型フォトダイオード６の長期的な安定性をより向上させることができる。
【００３１】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３２】
本実施例では、ｐｉｎ型フォトダイオードの半導体基板としてサファイア基板を用いた。そして、このサファイア基板を洗浄後、有機金属気相成長装置に設置し、バッファ層、ｎ型コンタクト層、光吸収層、ｐ型コンタクト層を順次エピタキシャル成長させた。
【００３３】
これら各層の材料／厚さは、以下に示す表２の通りである。
【００３４】
【表２】
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【００３５】
ここで、ｎ型コンタクト層及びｐ型コンタクト層のエネルギーギャップは、光吸収層のエネルギーギャップと同じにするか、好ましくはそれより大きくするのがよい。
【００３６】
尚、コンタクト層及びバッファ層は、ＩｎＧａＮに限られるものではなく、他の窒化物半導体であってもよい。更に、本実施例では、窒化物半導体層を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させているが、ハイドライド気相成長法や分子エピタキシー法などの方法によってエピタキシャル成長させてもよい。
【００３７】
エピタキシャル成長させた上記の窒化物半導体層は、室温まで降温させた後、有機金属気相成長装置から取り出し、最表面に位置するｐ型コンタクト層上にｐ型オーミック電極のための金属を蒸着し、所定の温度で合金化処理を施した。
【００３８】
次に、フォトグラフィーを用いて所定のパターニングを行い、ドライエッチング技術によって表面側からエッチングしてメサ構造とした。エッチングは、ｎ型コンタクト層の途中部分まで行う。
【００３９】
そして、窒化物半導体をダイシング装置等により所定のサイズにカットし、ｎ型コンタクト層の一部にｎ型オーミック電極を機械的なマスクを用いて蒸着して所定の温度で合金化処理を施した。
【００４０】
こうして形成したｐｉｎ型フォトダイオードをハンダ剤によって市販のベース板にダイボンドし、ｐ型及びｎ型オーミック電極とベース板に設けられた電極ピンとをＡｕワイヤによって電気的に接続した。
【００４１】
そして、入射窓としてのコバールガラスからなる面板を金属製側管に溶着し、この金属製側管とベース板とを溶着して紫外線センサとした。
【００４２】
尚、本実施例においては、金属製側管、ベース板、及び面板から構成される容器の内部を窒素雰囲気とした。また、面板を構成するコバールガラスとしては、日本電気真空硝子（株）製のコバー硬質ガラス（ＫＢ硬質ガラス）を用いた。
【００４３】
以上のような紫外線センサにおいては、入射窓としての面板に照射された紫外線のうち、波長約３００ｎｍ以下の光はコバールガラスからなる面板によって吸収される。波長約３００ｎｍ以上の光は面板を透過し、ｐ型コンタクト層に入射する。
【００４４】
ｐ型コンタクト層は、エネルギーギャップが光吸収層のエネルギーギャップと同じかそれ以上であり、且つ厚さが薄くなっているため、ｐ型コンタクト層に入射した光のほとんどは透過する。
【００４５】
そして、その透過した光は、光吸収層によって吸収され、電子−正孔対を発生し、出力信号としてオーミック電極から外部へと取り出される。
【００４６】
このとき、光吸収層のエネルギーバンドギャップに対応する波長よりも長い波長の光は、光吸収層を透過するため、ｐｉｎ型フォトダイオードの出力信号とはならない。
【００４７】
例えば、光吸収層のＩｎ組成ｘが０の場合、即ちＧａＮ光吸収層の場合は、そのエネルギーギャップに対応する波長が室温で３５０ｎｍ付近となる。図３は、上記光吸収層のＩｎ組成ｘが０の場合におけるｐｉｎ型フォトダイオードの分光感度特性を示す図であるが、水銀ランプのｉ線である波長３６５ｎｍの光に対する感度がピーク値の約１／２に低下していることがわかる。尚、図３において縦軸に示す感度の単位は任意単位（ａ．ｕ．）である。
【００４８】
このため、本発明に係る実施例では、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）を光吸収層としている。そして、本発明者らは、水銀ランプにおける波長３６５ｎｍの輝線に高い感度を有し、波長４０５ｎｍの輝線の感度を低下させるためには、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）ＮのＩｎ組成ｘを０＜ｘ＜０．０５とするのが好適であることを実験により検証した。
【００４９】
図４は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）層のＩｎ組成ｘとフォトルミネッセンス（ＰＬ）のピーク波長との関係を示す図である。ＰＬピーク波長と光吸収端とはほぼ相関があることは良く知られている。図４において、Ａ〜Ｄ点は、それぞれ組成ｘが０．０１、０．０２、０．０３、０．０５の場合を示している。図４に示すように、ｘ＞０．０５ではＰＬピーク波長が約３９０ｎｍとなり、水銀ランプにおける波長４０５ｎｍの輝線に感度を持つ可能性がある。
【００５０】
図５は、Ｉｎ組成ｘが図４に示すＡ〜Ｄ点の場合における波長とフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度との関係を示す図である。尚、縦軸に示す強度は任意単位（ａ．ｕ．）である。図５に示すように、Ｉｎ組成ｘが０．０１であるグラフＡの場合、波長３６５ｎｍ付近の光の強度が高くなっており、Ｉｎ組成ｘが０．０５であるグラフＤの場合は、波長４０５ｎｍ付近の光の強度が高くなっていることが分かる。従って、波長約４０５ｎｍの光の感度を低下させ、波長約３６５ｎｍの光に感度を持たせるためには、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ光吸収層のＩｎ組成ｘを０＜ｘ＜０．０５とするのが最も好適であることが分かった。
【００５１】
図６は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ光吸収層のＩｎ組成ｘが０．０１の場合におけるｐｉｎ型フォトダイオードの分光感度特性を示す図である。同図に示すように、Ｉｎ組成ｘを０＜ｘ＜０．０５とすることで、感度のピーク値が検出目的である波長３６５ｎｍ付近にあることが分かる。しかしながら、水銀ランプの他の輝線である波長約２５４ｎｍにも感度を有しており、このままでは波長３６５ｎｍの光のみに感度を持たせることはできない。
【００５２】
図７は、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ光吸収層のＩｎ組成ｘを０．０１としたｐｉｎ型フォトダイオードと、コバールガラスからなる入射窓を備えた本実施例に係る紫外線センサの分光感度特性を示す図である。同図に示すように、感度のピーク値は波長３６５ｎｍ付近にある。表３に波長３６５ｎｍを１００とした場合の波長４０５ｎｍの検出感度を示す。
【００５３】
【表３】
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【００５４】
以上のように、水銀ランプの輝線である波長４０５ｎｍの感度は波長３６５ｎｍの感度の１／１００以下となっていることが分かる。また、水銀ランプの他の輝線である波長２５４ｎｍでは、測定限界以下にまで感度が低くなっている。これにより、本実施例の紫外線センサによって、水銀ランプの波長３６５ｎｍ付近の光を検出できる。
【００５５】
従って、例えば、水銀ランプの輝線における１０１４ｎｍ、５８０ｎｍ、５４６ｎｍ、４３６ｎｍ、４０５ｎｍ、３６５ｎｍ、２５４ｎｍなどの多くの輝線のうち、光リソグラフィー用の光源として広く用いられ一般にｉ線と呼ばれる波長３６５ｎｍの輝線のみを正確にモニターすることが可能となる。このため、本発明の実施例に係る紫外線センサは、光リソグラフィー用の光源のパワーメーターに好適である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の紫外線センサによれば、入射窓をコバールガラスで形成し、且つｐｉｎ型フォトダイオードの光吸収層をＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）で形成したので、波長３６５ｎｍ付近の光を選択的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る紫外線センサの断面模式図である。
【図２】図１に示す紫外線センサ内に設置されたｐｉｎ型フォトダイオードを示す模式図である。
【図３】アンドープＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ光吸収層のＩｎ組成ｘが０の場合におけるｐｉｎ型フォトダイオードの分光感度特性を示す図である。
【図４】ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ（０＜ｘ＜１）層のＩｎ組成ｘとフォトルミネッセンス（ＰＬ）のピーク波長との関係を示す図である。
【図５】Ｉｎ組成ｘが図４に示すＡ〜Ｄ点の場合における波長とフォトルミネッセンス（ＰＬ）強度との関係を示す図である。
【図６】ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ光吸収層のＩｎ組成ｘが０．０１の場合におけるｐｉｎ型フォトダイオードの分光感度特性を示す図である。
【図７】実施形態に係る紫外線センサにおいて、ＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ｎ光吸収層のＩｎ組成ｘを０．０１とした場合の分光感度特性を示す図である。
【符号の説明】
１…紫外線センサ、２…金属製側管、３…面板、４…ベース板、５…容器、６…ｐｉｎ型フォトダイオード、７…半導体基板、８…ｎ型コンタクト層（ｎ型窒化物半導体層）、９…        光吸収層、１０…ｐ型コンタクト層（ｐ型窒化物半導体層）。
【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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