(57)【要約】【課題】ショットキー障壁を有する新規な素子を提供する。【解決手段】本発明の素子１０は、酸化亜鉛を含む第１層１１と、タングステンをドープした酸化バナジウムを含む第２層１２と、第１層１１の酸化亜鉛とオーミック接合を形成する電極層１４と、を備えている。素子１０の第２層１２は、タングステンが３ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲でドープされていることが好ましく、素子１０の第１層１１は、厚さが７５ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲で形成されていることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛を含む第１層と、
タングステンをドープした酸化バナジウムを含む第２層と、
を備えた素子。
【請求項２】
前記第２層は、タングステンが３ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲でドープされている、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記第２層は、タングステンが４ａｔ％以上１５ａｔ％以下の範囲でドープされている、請求項１又は２に記載の素子。
【請求項４】
前記第１層は、厚さが７５ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲で形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の素子であって、
前記第１層の酸化亜鉛とオーミック接合を形成する電極層、
を備えた素子。
【請求項６】
前記第１層は、第１層平面を有し、
前記第２層は、前記第１層上に形成され前記第１層平面と同方向に面する第２層平面を有し、
前記電極層は、前記第１層上に形成され前記第１層平面と同方向に面する電極面を有する、
請求項５に記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子に関し、より詳しくはショットキー接合を有する素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の素子としては、ＺｎＯ上に種々の金属電極を形成したものが記載されており、そのうち、ＡｕやＡｇ、Ｉｒ、Ｐｔなどの貴金属がＺｎＯとの間にショットキー障壁を形成するものとしており、これらの間で整流作用が発生するとしている（例えば、非特許文献１参照）。また、ＺｎＯ上にＡｕ電極を形成したものが記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−５６５０８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Journal of Applied Physics、109,121301(2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の特許文献１や非特許文献１の素子では、自然界での存在比率の低い貴金属を用いるものであり、高価であるなど、他の元素を用いるものが求められていた。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、ショットキー接合を有する新規な素子を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するために鋭意研究したところ、本発明者らは、酸化亜鉛上にタングステンをドープした酸化バナジウムを用いるものとすると、酸化亜鉛に対してショットキー障壁をとりうることができることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明の素子は、
酸化亜鉛を含む第１層と、
タングステンをドープした酸化バナジウムを含む第２層と、
を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の素子は、ショットキー接合を有する新規なものである。この素子が、このような機能を有する理由は、以下のように推測される。例えば、酸化亜鉛は、電子親和力χが約４．３ｅＶである。また、タングステンをドープした酸化バナジウムは、金属的性質を有し、仕事関数φが５．１ｅＶ程度である。このため、仕事関数φが電子親和力χに対して大きく、障壁高さが０．８ｅＶ程度のショットキー接合になる。このため、この素子では、第２層から第１層には電気が流れやすく、第１層から第２層へは電気が流れにくいショットキーダイオードとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の素子１０の一例を表す断面図。
【図２】ＺｎＯとＷドープＶＯ2のショットキー接合のバンド図。
【図３】素子２０の一例を示す斜視図。
【図４】ＶＯ2へのＷドープ量及びＩＶ特性の関係図。
【図５】ＶＯ2へのＷドープ量と±２Ｖ印加時の電流比との関係図。
【図６】ＺｎＯ層の厚さ及びＩＶ特性の関係図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１は、本実施形態の素子１０の一例を表す断面図である。図２は、ＺｎＯとＷドープＶＯ2のショットキー接合のバンド図である。図３は、素子２０の一例を示す斜視図である。本実施形態の素子１０は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む第１層１１と、タングステン（Ｗ）をドープした酸化バナジウム（ＶＯ2）を含む第２層１２と、を備えている。また、本発明の素子１０は、第１層１１の酸化亜鉛とオーミック接合を形成する電極層１４と、第２層１２を支持する基板１８とを備えているものとしてもよい。また、第１層１１は、電極層１４が形成されていない表面１１ａを有し、第２層１２は、電極層１４及び第１層１１が形成されていない表面１２ａを有する。
【００１２】
第１層１１は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む層である。この第１層１１は、厚さが７５ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲で形成されていることが好ましく、１００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲で形成されていることがより好ましい。この厚さが７５ｎｍ以上では、より整流性を有するものとすることができる。また、この厚さが８００ｎｍ以下では、抵抗値がより好適な範囲となる。この第１層１１は、パルスレーザー蒸着（ＰＬＤ）法やスパッタ法等の公知の成膜方法により形成することができる。
【００１３】
第２層１２は、ＷをドープしたＶＯ2を含む層である。Ｗのドープ量は、例えば、３ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲が好ましい。この範囲では、有効なショットキー接合が得られる。Ｗのドープ量は、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下の範囲がより好ましい。第２層１２の厚さは、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲が好ましく、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲がより好ましい。また、ＷをドープしたＶＯ2層の形成方法は、特に限定されないが、例えば、所望のＷをドープしたＶＯ2の粉体を作製し、この粉体に溶媒等を加えてペーストとし、このペーストを塗布したのちに焼成する方法などが挙げられる。また、所望の組成を有するＷとＶとの合金、所望のＷをドープしたＶＯ2、ＶＯ2及びＷＯ2のうちいずれかのターゲットを用いて、スパッタ処理あるいはＰＬＤ成膜処理を行うものとしてもよい。あるいは、ＶＯ2及びＷＯ2を用いた真空蒸着法としてもよい。
【００１４】
電極層１４は、ＺｎＯに対してオーミック接合を有する金属の層である。この電極層１４は、例えば、Ｔｉ，Ａｌ，Ｉｎ，Ｔａ，Ｎｉ，Ｎｂ，ＧａドープのＺｎＯなどが挙げられ、このうち、Ｔｉとしてもよい。この電極層１４の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲が好ましく、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲がより好ましい。この電極層１４は、真空蒸着法やスパッタ法等の公知の成膜方法により形成することができる。
【００１５】
基板１８は、第１層１１や第２層１２を支持する部材であり、平板状としてもよい。この基板１８は、絶縁体であることが好ましく、石英基板、サファイア基板、ガラス基板、アルミナ等のセラミックス基板、金属あるいは半導体基板上に二酸化珪素等の絶縁性被膜を形成してなる基板などが挙げられる。基板１８の厚さは、例えば、１００μｍ以上５０００μｍ以下の範囲が好ましく、２００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲が好ましい。
【００１６】
素子１０は、ショットキー接合を有する。この理由は、図２に示すように、例えば、酸化亜鉛は電子親和力χが約４．３ｅＶであり、タングステンをドープした酸化バナジウムは金属的性質を有し仕事関数φが５．１ｅＶ程度である。このため、仕事関数φが電子親和力χに対して大きく、障壁高さが０．８ｅＶ程度のショットキー接合になるのである。酸化亜鉛は、電子親和力χが比較的高いため、ショットキー接合を得るためには、比較的仕事関数φの高い材料、例えば、貴金属などを用いる必要があった。ここでは、タングステン及びバナジウムという比較的存在量の大きな元素を用いることにより、製造コストの低減などを図ることができ、好ましい。
【００１７】
素子１０は、ショットキー接合を利用した整流素子であるものとしてもよい。あるいは、素子１０は、ショットキー接合を利用した光電変換素子であるものとしてもよい。例えば、図３に示す素子２０では、上述したものと同様の第１層２１、第２層２２、電極層２４を備えている。素子２０は、第１層２１が第１層平面２１ａを有し、第２層２２が第１層２１上に形成され第１層平面２１ａと同方向に面する第２層平面２２ａを有し、電極層２４が第１層２１上に形成され第１層平面２１ａと同方向に面する電極面２４ａを有している。素子２０では、電極層２４が、ドーナツ形状に形成されており、第２層２２が電極層２４の中心孔の中部に円柱状に形成されている。このような素子構造では、第１層平面２１ａ及び第２層平面２２ａが同一方向に面するため、受光しやすい。この素子２０は、例えば、紫外線検出素子として利用することができる。
【００１８】
次に、素子１０の製造方法について説明する。まず、基板１８の上に第２層１２としてのＷドープＶＯ2層を厚さ５０ｎｍ〜２μｍの範囲で公知の成膜方法で形成する。この成膜方法は、例えば、所望のＷをドープしたＶＯ2の粉体を作製し、この粉体に溶媒等を加えてペーストとし、このペーストを塗布したのちに焼成する方法などが挙げられる。また、所望の組成を有するＷとＶとの合金、所望のＷをドープしたＶＯ2、ＶＯ2及びＷＯ2のうちいずれかのターゲットを用いて、スパッタ処理あるいはＰＬＤ成膜処理を行うものとしてもよい。あるいは、ＶＯ2及びＷＯ2を用いた真空蒸着法を採用してもよい。第２層１２は、上記説明した膜厚やＷのドープ量などの範囲で形成することができる。次に、第２層１２上へＺｎＯを含む第１層１１をＰＬＤ法やスパッタ法等の公知の成膜方法により形成する。第１層１１は、上記説明した膜厚などの範囲で形成することができる。そして、第１層１１上に電極層１４を真空蒸着法やスパッタ法等の公知の成膜方法により形成する。電極層１４は、上記説明した材質や膜厚にて作製することができる。このようにして、酸化亜鉛を含む第１層１１と、タングステンをドープした酸化バナジウムを含む第２層１２とを備えた素子１０を作製することができる。
【００１９】
以上詳述した本実施形態の素子では、ＷをドープしたＶＯ2の仕事関数φがＺｎＯの電子親和力χに対して大きく、障壁高さが０．８ｅＶ程度のショットキー接合になる。このため、ショットキー障壁を有する新規な素子を提供することができる。
【００２０】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【実施例】
【００２１】
以下には、本発明の素子を具体的に製造した例を実験例として説明する。なお、実験例２〜４、７、８が本発明の実施例に相当し、実験例１、５、６、９が比較例に相当する。
【００２２】
［実験例１〜５］
まず、ＷのＶＯ2へのドープ量について検討した。厚さ０．５ｍｍの絶縁基板上に所定量のＷをドープさせたＶＯ2のショットキー接合の電極膜（第２層）をスパッタ法により３００ｎｍ厚になるよう形成した。ＷをドープしたＶＯ2膜は、ＷとＶの合金ターゲットを用い、アルゴンと酸素の混合ガス中にて、投入電力１００Ｗ、成膜時間を４０分の条件で、スパッタ成膜により作製した。この第２層上にＺｎＯ膜（第１層）を１００ｎｍの厚さになるように、スパッタ法により形成した。ＺｎＯ膜は、ＺｎＯのターゲットを用い、アルゴンと酸素の混合ガス中にて、投入電力１００Ｗ、成膜時間を膜厚に応じて５分（膜厚５０ｎｍ）〜１００分（膜厚１０００ｎｍ）の条件で、スパッタ成膜により作製した。この第１層上に更に、オーミック接合のＴｉ電極膜（電極層）をスパッタ法により２００ｎｍ厚になるよう形成した。Ｔｉ電極膜は、Ｔｉターゲットを用い、アルゴンガス中にて、投入電力１5０Ｗ、成膜時間を３０分の条件で、スパッタ成膜により作製した。こうして、第１層の下面側に第２層が形成され、第１層の上面側に電極層を形成した整流素子を得た。Ｗのドープ量が２ａｔ％、４ａｔ％、９ａｔ％、１５ａｔ％、２２ａｔ％としたものをそれぞれ実験例１〜５とした。
【００２３】
得られた整流素子につき、第２層の露出された表面と電極層との間に電圧を印加しながら、両者の間を流れる電流値を計測して電流電圧特性（ＩＶ特性）を得た。図４は、ＶＯ2へのＷドープ量及びＩＶ特性の関係図であり、図４（ａ）〜（ｅ）がそれぞれ実験例１〜５のＩＶ特性であり、図４（ｆ）が素子構造の説明図である。図５は、図４の結果より求めた、ＶＯ2へのＷドープ量と±２Ｖ印加時の電流比との関係図である。実験例１〜５の測定結果に基づき、＋２Ｖ印加時の電流値を−２Ｖ印加時の電流値（絶対値）で除算し、得られた電流比を素子の整流性能とした。
【００２４】
［実験例６〜９］
次に、ＺｎＯの膜厚について検討した。ＺｎＯの厚さを所定値とした以外は、実験例２と同様の工程を経て素子を得た。ＺｎＯ薄膜（第１層）の厚さが５０ｎｍ、３００ｎｍ、７００ｎｍ、１０００ｎｍとしたものをそれぞれ実験例６〜９とした。この実験例６〜９、２について、上記ＩＶ特性を測定した。図６は、実験例６、２、７〜８のＺｎＯ層の厚さ及びＩＶ特性の関係図である。
【００２５】
（結果と考察）
実験例１〜５の測定結果を表１に示す。また、実験例６、２、７〜９の測定結果を表２に示した。図６は、ＺｎＯ層の厚さ及びＩＶ特性の関係図である。まず、図５に示すように、Ｗのドープ量については、Ｗを２ａｔ％を超えてドープした場合、及び２２ａｔ％未満でＷをドープすると、整流性が現れることがわかった。この理由は、例えば、酸化亜鉛は電子親和力χが約４．３ｅＶであり、タングステンをドープした酸化バナジウムは金属的性質を有し仕事関数φが５．１ｅＶ程度である。このため、仕事関数φが電子親和力χに対して大きく、障壁高さが０．８ｅＶ程度のショットキー接合になる。このため、この素子では、第２層から第１層には電気が流れやすく、第１層から第２層へは電気が流れにくいショットキーダイオードとなるものと推察された。また、ＶＯ2へのＷのドープ量は、３ａｔ％以上２０ａｔ％以下の範囲が好ましく、４ａｔ％以上１５ａｔ％以下の範囲がより好ましいことがわかった。
【００２６】
また、図６に示すように、ＺｎＯ膜の厚さが５０ｎｍではＩＶ特性が直線となり整流性が乏しかった。また、ＺｎＯ膜の厚さが１０００ｎｍでは電圧１Ｖ印加時の素子抵抗値が５０ＭΩであり、素子の抵抗が高すぎて電流検出が困難であった。この結果より、整流性が得られ、かつ、１Ｖ印加時の素子抵抗が比較的低い１ＭΩ以下になるのは、ＺｎＯ膜の厚さが７５ｎｍ以上８００ｎｍ以下の範囲が好ましく、１００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の範囲がより好ましいことがわかった。このように、ＺｎＯ層に対してＷをドープしたＶＯ2の電極層を形成すると、貴金属などを用いることなくショットキー接合が得られることが明らかとなった。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
【表２】
2016076607.tif 000004
【００２９】
なお、本発明は上述した実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、ショットキー接合を利用する素子に関する技術分野に利用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１０  素子、１１  第１層、１１ａ  表面、１２  第２層、１２ａ  表面、１４  電極層、１８  基板、２０  素子、２１  第１層、２１ａ  第１層平面、２２  第２層、２２ａ  第２層平面、２４  電極層、２４ａ  電極平面。
【図１】
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【図３】
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【図５】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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