(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検出する光伝導型センサー素子を用いたトランジスターであって、実質的に炭素及び水素を含む雰囲気中において、プラズマ気相成長法又は気相成長法を用いて成膜され、成膜後に沸騰させた王水溶液中で処理されたダイヤモンド単結晶を受光部に持つダイヤモンド紫外光トランジスター。
【請求項２】
２つの電極が前記ダイヤモンド単結晶の水素化された表面に接合しており、その電極間の印加電圧によって受光感度又は光電流が制御可能であって、線形及び飽和特性を持つ請求項１に記載のダイヤモンド紫外光トランジスター。
【請求項３】
主たる光電流成分が前記ダイヤモンド単結晶の水素化された表面近傍の表面伝導層を流れる請求項１又は２に記載のダイヤモンド紫外光トランジスター。
【請求項４】
受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検出する光伝導型センサー素子を用いたトランジスターの製造方法であって、
炭素及び水素を含む雰囲気中において、プラズマ気相成長法又は気相成長法を用いてダイヤモンド単結晶を基板上に成膜する工程と、
成膜後に沸騰させた王水溶液中で前記ダイヤモンド単結晶を処理する工程と、
前記ダイヤモンド単結晶の水素化された表面に２つの電極を形成する工程と、を有するダイヤモンド紫外光トランジスターの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド紫外光トランジスター及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド半導体は、バンドギャップが室温で約５．５eV（光波長で約２２５ｎｍに
対応）とかなり大きく、ドーパント（不純物）が添加されていない真性状態で絶縁体とし
ての電気伝導性を示す。単結晶薄膜を成長させる方法は、実質的に炭素及び水素を含む雰
囲気、例えば、CH4（メタン）とH2（水素）ガスを用いたマイクロ波励起プラズマ気相成
長法が開発（特許文献１）されており、広く使用されている。また、マイクロ波励起プラ
ズマ気相成長法においてドーパントとしてボロンを添加することによって、ｐ型の電気伝
導性を制御することも普及している。
【０００３】
マイクロ波励起プラズマ気相成長法は、水素を含む雰囲気を用いる気相成長法であるた
め、成長させたダイヤモンド単結晶膜表面は、実質的に水素で覆われた表面であることが
知られている。即ち、表面には炭素原子（Ｃ）の未結合手が水素原子（Ｈ）によって結合
終端されたＣ−Ｈ構造が存在し（以後「水素化」と呼ぶ）、この水素化に伴ってダイヤモ
ンド表面には深さ２ｎｍ以内の表面近傍に正孔が局在した表面伝導層が発生していること
が知られている。この表面電気伝導層は、アンドープ及びボロンドープの（１００）、（
１１１）面単結晶薄膜、及び多結晶薄膜においても存在することも知られている。
【０００４】
この表面伝導層の発生機構は、世界的にも大論争段階にあるが、少なくとも実験的には
この表面伝導層は、（１）２００℃程度までは安定に存在し、（２）水素化されたダイヤ
モンド表面にのみ発生していることがわかっている。表面の結合水素を除去する溶液処理
（酸化処理）、例えば、沸騰させた硫酸・硝酸混合液中に浸す処理を施すことによって、
この表面伝導層は消滅することも知られており、本発明者自身も確認している。
【０００５】
波長４００ｎｍから６５０ｎｍの範囲の可視光や赤外域の雑音光には受光感度を持たず
、紫外光のみ選択的に受光感度を持つセンサー素子は、可視光ブラインド型紫外光センサ
ー素子と呼ばれている。受光部の固体材料としてＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）半導
体及びダイヤモンド半導体を用いて、受光部の電気抵抗の変化又は光電流量の変化によっ
て受光部に照射される紫外光を検出する、いわゆる光伝導型センサー素子が従来から提案
されている。可視光ブラインド型紫外光センサー素子であって、光伝導型センサー素子は
受光部に紫外光が照射された時の受光部の半導体材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流量
の変化を検出するものであるため、半導体に２つの電極を接合させた２端子素子にて素子
構造を構築でき、極めて単純化された紫外光受光素子を製造することができる。
【０００６】
例えば、非特許文献１には、多結晶ダイヤモンド膜の表面伝導層を受光部に用いた光伝
導型受光素子において、２００ｎｍの紫外光照射に対して０．０３Ａ／Ｗの検出感度を達
成しているものが記載されているが、４００ｎｍ以上の可視光に対する可視光ブラインド
比が１０程度であり、受光感度特性の性能が劣る。また、非特許文献２には、酸化処理を
施すことによって表面伝導層を除去した多結晶ダイヤモンド膜を受光部に用いた光伝導受
光素子において、２００ｎｍの紫外光照射に対して、０．０２Ａ／Ｗの検出感度を得てい
るが、実用化には不十分な検出感度である。
【０００７】
また、先行技術例として、特許文献２は、厚さ４０μｍのダイヤモンド多結晶薄膜又は
（１００）及び（１１１）配向薄膜と表面の結合水素を除去した表面を受光部に利用した
ダイヤモンド紫外光センサー素子に関する技術であり、トランジスタ飽和特性を与える受
光感度特性を持っていない。特許文献３は、ダイヤモンドの表面伝導層を受光部に利用し
たダイヤモンド紫外光センサー素子であり、バンドギャップ内の欠陥準位を利用した光伝
導型センサー素子であるため、その検出感度波長は可視光域全体にわたる特性を持ち、且
つ２３０ｎｍ以上の紫外線を選択的に検出することはできない。
【非特許文献１】H. J. Looi, M. D. Whitfield, and R. B. Jackman, Appl. Phys. Letts. 74, 3332 (1999)
【非特許文献２】R. D. McKeag and R. B. Jackman, Diamond Relat. Mater. 7, 513 (1998)
【特許文献１】特公昭５９−０２７７５４号（特許第１２７２９２９号）公報
【特許文献２】特開平１１−２４８５３１号公報
【特許文献３】特開平１１−０９７７２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）半導体及びダイヤモンド半導体を受光部に用
いた光伝導型受光素子は、照射された紫外光が上記受光部の半導体内部に吸収されること
によって生成されるキャリア（電子又は正孔）に起因する光電流を検出する素子であるた
め、照射された紫外光のパワーに対する発生する光電流の大きさの割合、即ち量子効率が
１００％の理想的な素子であっても、例えば、波長２２０ｎｍや２３０ｎｍの紫外光に対
して照射する紫外光のパワーに対する光誘起電流の比、即ち受光感度の限界値が、それぞ
れ０．１８Ａ／Ｗ及び０．１９Ａ／Ｗであり、極微弱光に対する光誘起電流量の変化は極
めて小さいものであった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、素子構造の複雑化を回避しながら光伝導型受光素子の特徴を生かしつつ、波
長２３０ｎｍ以下の紫外光に対する受光感度を上記限界値の少なくとも１５０倍程度高め
た紫外光センサー素子を用いたトランジスターであって、２端子電極間の電圧によって受
光感度を制御可能な線形及び飽和特性を持つ、いわゆるトランジスター動作を示すダイヤ
モンド紫外光トランジスターを提供する。
【００１０】
具体的には、受光部の電気抵抗変化又は光誘起電流量の変化によって、受光部に照射さ
れる波長２３０ｎｍ以下の紫外光を選択的に検出し、その光誘起電流又は受光感度を２端
子間電極に印加される電圧によって制御可能なダイヤモンド紫外光トランジスターである
。受光素子の構造は、光伝導型、ｐｎ型、ｐｉｎ型、及びショットキーダイオード型が既
に工業化されている。本発明は、この中でも２端子電極を持つ光伝導型センサー素子に関
するものである。
【００１２】
また、本発明は、（１）受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検出する光伝導型センサー素子を用いたトランジスターであって、実質的に炭素及び水素を含む雰囲気中において、プラズマ気相成長法又は気相成長法を用いて成膜され、成膜後に沸騰させた王水溶液中で処理されたダイヤモンド単結晶を受光部に持つダイヤモンド紫外光トランジスター、である。
【００１３】
また、本発明は、（２）２つの電極が前記ダイヤモンド単結晶の水素化された表面に接合しており、その電極間の印加電圧によって受光感度又は光電流が制御可能であって、線形及び飽和特性を持つダイヤモンド紫外光トランジスター、である。
【００１４】
また、本発明は、（３）主たる光電流成分が前記ダイヤモンド単結晶の水素化された表面近傍の表面伝導層を流れる上記（１）又は（２）に記載のダイヤモンド紫外光トランジスター、である。
また、本発明は、（４）受光部材料の電気抵抗の変化又は光誘起電流の変化によって、受光部に照射される光を検出する光伝導型センサー素子を用いたトランジスターの製造方法であって、炭素及び水素を含む雰囲気中において、プラズマ気相成長法又は気相成長法を用いてダイヤモンド単結晶を基板上に成膜する工程と、成膜後に沸騰させた王水溶液中で前記ダイヤモンド単結晶を処理する工程と、前記ダイヤモンド単結晶の水素化された表面に２つの電極を形成する工程と、を有するダイヤモンド紫外光トランジスターの製造方法、である。
【００１５】
従来の半導体内の光吸収過程により生成するキャリアの電気伝導に基づく受光素子とは
、根本的に異なる機構に起因する紫外光のセンシング機構であって、且つ受光感度を２端
子間の印加電圧によって制御可能にするとともに、トランジスター動作を実現した。
【００１６】
一般に、電気的・光学的に高品質なダイヤモンド半導体は、ＣＨ４(メタン)及びＨ２(
水素)を原料ガスとして用いるマイクロ波励プラズマ気相成長法によって、高圧合成させ
たダイヤモンド（１００）又は（１１１）単結晶基板上にエピタキシャル成長させること
によって得られる。
【００１７】
本発明の実施例においてもこの方法を用いるが、水素化ダイヤモンドの表面伝導層を受
光部に持つトランジスター構造を作製する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、この水素化された表面伝導層に図１及び図２に示す２端子電極を形成した光
伝導型センサー素子において、波長２２０ｎｍの紫外光をこの表面伝導層に照射すること
によって、受光感度が従来の半導体内部の光励起キャリアの光伝導に基づく理論限界値で
ある０．１８Ａ／Ｗの少なくとも１５０倍である３０Ａ／Ｗを実現し、同時に２端子間の
印加電圧によって０から３０Ａ／Ｗまで制御可能で線形及び飽和特性を持つ、いわゆるト
ランジスター動作を示す光伝導型受光素子を提供する。上記素子構造において酸化溶液処
理を施したダイヤモンド単結晶膜表面や高圧合成ダイヤモンド基板表面を受光部にした場
合には、このような受光感度特性が実現されないことも確認している。 
【００１９】
従来のダイヤモンド紫外光センサー素子の動作原理は、ダイヤモンド半導体のエネルギ
ーギャップ５．５ｅＶより大きなエネルギーを持つ波長２２５ｎｍ以下の紫外光が、ダイ
ヤモンド半導体内部において吸収されることによって生成する電子又は正孔キャリアが担
体となって伝導する光電流量の増加分又は電気抵抗の減少分を検出することにある。受光
感度は、例えば波長２２０ｎｍの紫外光に対して量子効率１００％と仮定した理想的光伝
導型受光素子であっても０．１８Ａ／Ｗである。これに対し、表面伝導層への正孔の発生
を担っている水素化された表面構造への紫外光の分子励起機構及び光励起に基づく格子緩
和現象を利用すれば、表面伝導層内の実質的な正孔濃度を飛躍的に増大させることが可能
であると考えられ、実際３０Ａ／Ｗの受光感度は分子励起機構に関連するものと推察され
る。
【実施例１】
【００２０】
図１及び図２に示す光伝導型センサー素子を用いたトランジスターを以下に記すプロセ
スで作製し、紫外光及び可視光に対する受光感度特性を測定した。
【００２１】
図１に示すように、ｐ型ドーパント元素であるＢ（ボロン）を添加したダイヤモンド・
エピタキシャル単結晶膜２は、ＣＨ４（メタン）を原料ガス、及びＨ２（水素）を希釈用
キャリアガス、更に０．０１Ｖｏｌ％水素希釈Ｂ（ＣＨ３）３（トリメチルボロン）をド
ーパントＢの原料ガスとして用いたマイクロ波励起プラズマ気相成長法によって、高圧合
成法によって作製された長さ２．５×幅２．５×厚さ０．５ｍｍのＩｂダイヤモンド（１
００）単結晶基板３上に厚さ０．５μｍ成長させた。この時の成長条件は以下のとおりで
あった。基板温度９３０℃、成長圧力８０Ｔｏｒｒ、及びマイクロ波パワー４００Ｗ、更
にＣＨ４流量５００ｓｃｃｍ、ＣＨ４／Ｈ２濃度比０．０６％（vol）、及びＢ（ＣＨ３
）３／ＣＨ４濃度比０．０１％（vol）、成長時間は２時間であった。
【００２２】
成長させたダイヤモンド（１００）面単結晶膜２は、沸騰させた王水中に１０分間浸し
た後、超純水にてオーバーフロー洗浄された。その後アセトン及びイソプロピルアルコー
ルそれぞれの溶液中で超音波洗浄され、フォトリソグラフィー法によって、図1及び図２
に示す電極１の作製のためのレジストのパターニングが行なわれた。その後、電子ビーム
蒸着法によって、Ｔｉ（厚さ１５ｎｍ）及びＡｕ（厚さ１５０ｎｍ）を積層堆積させ、リ
フトオフ法により、図１及び図２に示すくしの刃型の２端子ＴｉＡｕ電極１のパターンを
形成した。ＴｉＡｕ電極１の電極幅（図１及び図２の１Ｌに相当する）は１０μｍであり
、電極間隔（図１及び図２の２Ｌに相当する）は１０μｍであった。２端子電極の内、１
つの電極の面積は８．１×１０−４ｃｍ２であり、光の受光面積は５．３×１０−４ｃｍ
２であった。
【００２３】
このように作製された光伝導型センサー素子を用いたトランジスターは２短針プローバ
を装備した真空チャンバー内にセットされ、チャンバー内はターボ分子ポンプによって０
．０５Ｐａの真空度に維持された。キセノン水銀ランプからの放射光は、分光器を通して
２１５から４２０ｎｍの範囲で単色化されるとともに、光量０．１〜４μＷ／ｃｍ２の範
囲で一定となる条件で種々の光量にて石英窓を通して上記光伝導型受光素子に照射された
。電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性は、電圧を印加させながら電流を測定する２短針法によって
行われた。
【００２４】
図３に、波長２２０ｎｍの紫外光が種々の一定光量を照射されている間に測定されたＩ
−Ｖ特性を示す。それぞれ一定の光量において、受光感度が印加電圧に比例する領域Ｉと
受光感度が印加電圧に依存せず一定となる飽和領域ＩＩが存在し、受光感度が明瞭なトラ
ンジスタ特性を示すとともに受光感度は印加電圧により制御されることがわかる。光量３
．７μＷ／ｃｍ２において飽和受光感度は９０ｎＡ（１１０μＡ／ｃｍ２）程度である。
【００２５】
また、図３の矢印で示すように、光量３．７μＷ／ｃｍ２の場合の印加電圧１４Ｖにお
いて受光感度の急激な増加が見られる。これらは、受光部の表面伝導層を導電チャネルと
して流れる正孔による光誘起電流が、表面伝導層の電極端に集中する高い電界のために、
降伏特性を示していることを物語っている。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
これまで１０−１２Ｗもの波長２３０ｎｍ以下の極微弱紫外光を検出可能なものであっ
て、その受光感度を電圧制御できる半導体受光素子はこれまで存在しなかったが、本発明
によりピコワットクラスの微弱紫外光であっても、十分電圧制御によって検出可能であり
、しかもトランジスター動作を示すダイヤモンド紫外光トランジスターが初めて実現され
る。
【００２７】
本発明のダイヤモンド紫外光トランジスターは、工業用燃焼炉、ガスタービンエンジン
、並びにジェットエンジン等の燃焼制御モニター、及び火災報知器と連動した炎探知機用
の火炎センサー、更にシリコン大規模集積回路作製プロセスに使われるステッパー露光装
置や紫外線照射装置内の紫外線センサーに応用され、新たな半導体受光及びトランジスタ
ー素子の市場が切り開かれる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の光伝導型センサー素子を用いたダイヤモンド紫外光トランジスターの断面図である。
【図２】本発明の光伝導型センサー素子を用いたダイヤモンド紫外光トランジスターの電極パターンを示す平面図である。
【図３】本発明の光伝導型センサー素子を用いたダイヤモンド紫外光トランジスターの波長２２０ｎｍの紫外光を種々の光量によって照射中に測定されたＩ−Ｖ特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１：ＴｉＡｕ電極
２：ダイヤモンド単結晶膜
３：ダイヤモンド（１００）単結晶基板
【図１】
0004766364.tif 000002
【図２】
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【図３】
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