(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象光を通過させるか遮断するかを選択する測定光断続手段と、前記測定対象光の経路における前記測定光断続手段の後方に配置され前記測定光断続手段が前記測定対象光を通過させるときにのみ前記測定対象光が入射するワイドバンドギャップ半導体からなる検出部材と、この検出部材に接続された１対の電極と、この１対の電極に接続され前記電極間に電圧を印加すると共に前記電極間に流れる電流を検出する検出手段と、前記測定対象光が前記検出部材に入射しているときの前記検出手段の出力をＡとし、この出力Ａを検出後、前記測定光断続手段により前記測定対象光を遮断し、伝導帯及び荷電子帯に存在するキャリア並びに浅い準位から放出されたキャリアが再結合又は電極への到達により消滅した後の前記検出手段の出力をＢとするとき、（Ａ−Ｂ）の値に基づいて前記測定対象光の強度を算出する演算手段と、を有することを特徴とする光強度測定装置。
【請求項２】
測定対象光を通過させるか遮断するかを選択する測定光断続手段と、前記測定対象光の経路における前記測定光断続手段の後方に配置され前記測定光断続手段が前記測定対象光を通過させるときにのみ前記測定対象光が入射するワイドバンドギャップ半導体からなる検出部材と、この検出部材に接続された１対の電極と、この１対の電極に接続され前記電極間に電圧を印加すると共に前記電極間に流れる電流を検出する検出手段と、前記測定対象光が前記検出部材に入射しているときの前記検出手段の出力をＡとし、この出力Ａを検出後、前記測定光断続手段により前記測定対象光を遮断し、伝導帯及び荷電子帯に存在するキャリア並びに浅い準位から放出されたキャリアが再結合又は電極への到達により消滅した後の前記検出手段の出力をＢとし、前記検出部材に光を入射し前記電極間に流れる電流が時間的に一定となった後に前記光を遮断し前記一定時間経過後の前記検出手段の出力をＣとするとき、（Ａ×Ｃ／Ｂ）の値に基づいて前記測定対象光の強度を算出する演算手段と、を有することを特徴とする光強度測定装置。
【請求項３】
前記演算手段が予め入力された前記測定対象光の強度と前記検出手段の出力との関係に基づいて、前記測定対象光の強度を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の光強度測定装置。
【請求項４】
前記検出部材が基板上に形成された半導体膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光強度測定装置。
【請求項５】
前記半導体膜が前記基板上に気相合成法によって形成された多結晶ダイヤモンド膜であることを特徴とする請求項４に記載の光強度測定装置。
【請求項６】
前記多結晶ダイヤモンド膜は前記基板の表面に垂直な方向に配向しており、前記多結晶ダイヤモンド膜の表面がダイヤモンドの（１００）結晶面を有していることを特徴とする請求項５に記載の光強度測定装置。
【請求項７】
前記多結晶ダイヤモンド膜が、前記基板の表面に平行な方向に配向した高配向膜であることを特徴とする請求項６に記載の光強度測定装置。
【請求項８】
前記測定対象光が紫外線であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光強度測定装置。
【請求項９】
測定対象光を通過させるか遮断するかを選択する測定光断続手段と、前記測定対象光の経路における前記測定光断続手段の後方に配置され前記測定光断続手段が前記測定対象光を通過させるときにのみ前記測定対象光が入射するワイドバンドギャップ半導体からなる検出部材と、この検出部材に接続された１対の電極と、この１対の電極に接続され前記電極間に電圧を印加すると共に前記電極間に流れる電流を検出する検出手段と、この検出手段の出力に基づいて前記測定対象光の強度を算出する演算手段と、を有する光強度測定装置を使用し、前記測定光断続手段により前記測定対象光を通過させて前記検出部材に入射させ、前記検出手段により第１の検出結果を得る工程と、前記測定光断続手段により前記測定対象光を遮断する工程と、前記測定対象光を遮断した後、伝導帯及び荷電子帯に存在するキャリア並びに浅い準位から放出されたキャリアが再結合又は電極への到達により消滅した後に前記検出手段により第２の検出結果を得る工程と、前記第１の検出結果をＡとし、前記第２の検出結果をＢとするとき、前記演算手段により（Ａ−Ｂ）の値を求め、この値に基づいて前記測定対象光の強度を算出する工程と、を有することを特徴とする光強度測定方法。
【請求項１０】
測定対象光を通過させるか遮断するかを選択する測定光断続手段と、前記測定対象光の経路における前記測定光断続手段の後方に配置され前記測定光断続手段が前記測定対象光を通過させるときにのみ前記測定対象光が入射するワイドバンドギャップ半導体からなる検出部材と、この検出部材に接続された１対の電極と、この１対の電極に接続され前記電極間に電圧を印加すると共に前記電極間に流れる電流を検出する検出手段と、この検出手段の出力に基づいて前記測定対象光の強度を算出する演算手段と、を有する光強度測定装置を使用し、前記測定光断続手段により前記検出部材に光を入射させて前記電極間に流れる電流が時間的に一定となった後に前記測定光断続手段により前記光を遮断した後、伝導帯及び荷電子帯に存在するキャリア並びに浅い準位から放出されたキャリアが再結合又は電極への到達により消滅した後に前記検出手段により第３の検出結果を得る工程と、前記測定光断続手段により前記測定対象光を通過させて前記検出部材に入射させ、前記検出手段により第１の検出結果を得る工程と、前記測定光断続手段により前記測定対象光を遮断する工程と、前記測定対象光を遮断した後前記検出手段により第２の検出結果を得る工程と、前記第１の検出結果をＡとし、前記第２の検出結果をＢとし、前記第３の検出結果をＣとするとき、前記演算手段により（Ａ×Ｃ／Ｂ）の値を求め、この値に基づいて前記測定対象光の強度を算出する工程と、を有することを特徴とする光強度測定方法。
【請求項１１】
前記測定対象光の強度を算出する工程は、前記演算手段に予め入力された前記測定対象光の強度と前記検出手段の出力との関係に基づいて、前記測定対象光の強度を算出する工程を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の光強度測定方法。
【請求項１２】
前記検出部材が基板上に形成された半導体膜であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の光強度測定方法。
【請求項１３】
前記半導体膜が前記基板上に気相合成法によって形成された多結晶ダイヤモンド膜であることを特徴とする請求項１２に記載の光強度測定方法。
【請求項１４】
前記多結晶ダイヤモンド膜は前記基板の表面に垂直な方向に配向しており、前記多結晶ダイヤモンド膜の表面がダイヤモンドの（１００）結晶面を有していることを特徴とする請求項１３に記載の光強度測定方法。
【請求項１５】
前記多結晶ダイヤモンド膜が、前記基板の表面に平行な方向に配向した高配向膜であることを特徴とする請求項１４に記載の光強度測定方法。
【請求項１６】
前記測定対象光が紫外線であることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の光強度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はワイドギャップ半導体を光センサとして使用する光強度測定装置及び光強度測定方法に関し、特に紫外線の強度を迅速に精度よく測定できる光強度測定装置及び光強度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、科学技術の発達に伴い、従来あまり工業的に使用されていなかった２５０ｎｍ以下の短い波長を持つ紫外線が使用されるようになりつつある。例えば、殺菌及びオゾン洗浄等の用途には、波長が２５０ｎｍ程度の光が使用されている。また、次世代の超ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit：大規模集積回路）を作製するための微細加工においては、アルゴンフッ素レーザーをはじめとする波長が２００ｎｍ未満の紫外線がリソグラフィに使用され始めている。更に、ＣＤ（Compact Disc：コンパクトディスク）及びＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等においても、記録密度の増大を図るために波長が可視光より短い光の使用が検討されている。
【０００３】
このように、紫外線の工業的利用が進むにつれて、紫外線の強度を精度よく測定する装置及び方法の重要性が増大しつつある。一般に、紫外線のように波長が可視光よりも短い光を測定する光強度測定装置においては、この装置が太陽光を検出してしまうと誤作動の原因になるため、太陽光に対しては不感であることが望ましい。また、紫外線は高いエネルギを持つため、再現性よく、長時間にわたって安定的に測定を行うためには、光強度測定装置に高い耐久性が求められる。
【０００４】
例えばダイヤモンドは、ワイドギャップ半導体として知られており、この目的に最適である。即ち、ダイヤモンドのバンドギャップは約５．５ｅＶであり、約２２５ｎｍの波長に相当する。半導体ダイヤモンドに波長が２２５ｎｍ以下の紫外線を照射すると、半導体ダイヤモンド内において電子−正孔対が発生する。この半導体ダイヤモンドに電圧を印加すると、紫外線の照射量に応じて電流が流れるため、紫外線の強度を検出するセンサとして使用することができる。なお、太陽光を構成する光の大部分は波長が２２５ｎｍ以上の光であるため、半導体ダイヤモンドには吸収されずに透過する。
【０００５】
また、半導体ダイヤモンドは耐熱性及び耐久性が優れている。更に、ダイヤモンド薄膜は気相合成法により低いコストで形成することができる。このため、紫外線センサにダイヤモンド薄膜を使用することにより、太陽光の影響をほとんど受けず、信頼性が高く、しかも低コストな紫外線センサを実現することができる。このような紫外線センサは、従来使用されてきたバンドギャップが狭いシリコン等と波長フィルタとを組み合わせた紫外線センサと比較して耐久性が高い。また、光電管等により構成される紫外線センサと比較して小型且つ軽量であり、複雑な構成の回路も不要である。
【０００６】
このような気相合成法により形成した多結晶ダイヤモンド膜を使用する紫外線センサは、例えば、「Ｓ．Ｍ．Ｃｈａｎ，Ｐｈｙｓ．Ｓｔａｔ．Ｓｏｌｉｄｉ．（ａ），Ｖｏｌ．１５４，ｐ．４５５（１９９６）」（従来文献１）、「Ｒ．Ｄ．ＭｃＫｅａｇ等，Ｄｉａｍｏｎｄ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．７，ｐ．５１３（１９８８）」（従来文献２）及び「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６７，ｐ．２１１７（１９９５）」（従来文献３）に記載されている。
【０００７】
なお、半導体ダイヤモンド薄膜を使用した紫外線センサを工業的に作製する場合には、その製造コストを低く抑えるため、基板上に気相合成法により多結晶ダイヤモンド薄膜を形成する場合が多い。そして、この多結晶ダイヤモンド薄膜上に１対の櫛形電極を、相互に噛み合い且つ相互に接触しないように形成する。また、この紫外線センサを、前記電極間に電圧を印加すると共に前記電極間に流れる電流を検出する検出手段に接続することにより、光強度測定装置が形成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。このような光強度測定装置においては、光が入射した直後においては、数秒乃至数百秒間に亘って出力が連続的に上昇し続け、一定の値とならない。また、入射していた光が遮断された直後においても、数秒乃至数百秒間出力が連続的に減少し続け、ゼロレベルに戻らない。この現象は、特に、電極間距離が結晶粒の粒径と同じオーダーになると顕著になり、光強度の正確な測定を妨げることになる。この結果、光の強度が時間的に変化する場合においては、その光の強度を正確に測定することがほとんど不可能になり、光の強度が時間的に変化しない場合においても、光強度を測定するためには光強度測定装置の出力が一定の値になるまで待たなくてはならず、迅速な測定が不可能となる。
【０００９】
例えば、前述の従来文献２に記載のＦｉｇ．３、及び従来文献３に記載のＦｉｇ．３において、このように連続的に変化する紫外線センサの出力挙動が示されている。なお、従来文献３には、メタンアニール処理を行う技術が開示されている。この技術により、前述の紫外線センサの出力挙動の不安定性をある程度改善することができる。しかしながら、メタンアニール処理を行うと、半導体ダイヤモンド薄膜の表面にダイヤモンド以外のカーボン、例えばアモルファスカーボン等が形成されることがあり、紫外線センサの耐久性及びその他の特性に悪影響を及ぼすことがある。また、メタンアニール処理により、半導体ダイヤモンド薄膜に対して長時間にわたる高温での表面処理を行うことになるため、紫外線センサの再現性を低下させると共に製造コストを増加させる要因になる。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、多結晶半導体ダイヤモンド薄膜等のワイドバンドギャップ半導体を使用し、紫外線等の波長が短い光の強度を測定する光強度測定装置及び光強度測定方法において、信頼性が高く、低コストであり、迅速且つ正確な測定が可能な光強度測定装置及びこの光強度測定装置を使用した光強度測定方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明に係る光強度測定装置は、測定対象光を通過させるか遮断するかを選択する測定光断続手段と、前記測定対象光の経路における前記測定光断続手段の後方に配置され前記測定光断続手段が前記測定対象光を通過させるときにのみ前記測定対象光が入射するワイドバンドギャップ半導体からなる検出部材と、この検出部材に接続された１対の電極と、この１対の電極に接続され前記電極間に電圧を印加すると共に前記電極間に流れる電流を検出する検出手段と、前記測定対象光が前記検出部材に入射しているときの前記検出手段の出力をＡとし、この出力Ａを検出後、前記測定光断続手段により前記測定対象光を遮断し、伝導帯及び荷電子帯に存在するキャリア並びに浅い準位から放出されたキャリアが再結合又は電極への到達により消滅した後の前記検出手段の出力をＢとするとき、（Ａ−Ｂ）の値に基づいて前記測定対象光の強度を算出する演算手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明者等は、従来の光強度測定装置が前述のような出力挙動の不安定性を示す原因を突き止めるべく鋭意実験研究を行い、この出力挙動の不安定性が、多結晶半導体膜の結晶粒界に生じる捕獲準位に、キャリアである電子及び正孔が捕獲されることにより生じることを突き止めた。そして、この出力挙動の不安定性を補正又は改善する方法を発明した。
【００１３】
以下、前述の光強度測定装置の出力挙動が生じる原因について説明する。図１（ａ）及び（ｂ）、図２（ａ）及び（ｂ）、図３（ａ）及び（ｂ）、図４（ａ）及び（ｂ）並びに図５（ａ）及び（ｂ）は、横軸に半導体膜内の位置をとり、縦軸にエネルギレベルをとって、捕獲準位を有する半導体膜内における電子及び正孔の挙動を示すバンド図であり、各図の（ａ）は強い紫外線が照射される場合を示し、各図の（ｂ）は微弱な紫外線が照射される場合を示す。また、図６は、横軸に時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力をとって、紫外線センサの出力特性を示すグラフ図であり、線７は紫外線の照射が強い場合を示し、線８は紫外線の照射が微弱である場合を示す。即ち、図６の線７は図１乃至５の（ａ）に対応し、線８は図１乃至５の（ｂ）に対応する。また、図１は紫外線が照射される前の状態を示し、図２、図３、図４及び図５は、夫々図６におけるＴ０、Ｔ１、Ｔ２及びＴ３の時点における状態を示す。
【００１４】
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、１対の電極９ａ及び９ｂ間に配置された半導体膜１０において、伝導帯１と荷電子帯２との間には、電子３（図２（ａ）参照）を捕獲する捕獲準位５と、正孔４（図２（ａ）参照）を捕獲する捕獲準位６とが存在する。捕獲準位５及び６は主として半導体膜１０の結晶粒界に存在する深い準位である。なお、半導体膜１０には、深い捕獲準位５及び６の他に、浅い準位が存在することもある。
【００１５】
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、Ｔ＝Ｔ０の時点で、この半導体膜１０にバンドギャップより大きなエネルギを有する光（例えば紫外線）が照射されると、電子−正孔対が生成し、電極間に印加された電界によって夫々電極に向かって移動する。このとき、図２（ａ）に示すように、照射される紫外線が強い場合は、生成するキャリア（電子又は正孔）の数が多い。また、図２（ｂ）に示すように、照射される紫外線が微弱な場合は、生成するキャリアの数が、紫外線が強い場合と比較して少ない。そして、生成されたキャリアの一部は、電極に向かって移動する過程で、捕獲準位５又は６に捕獲される。このとき、既にキャリアが捕獲されている捕獲準位５又は６に新たなキャリアが捕獲されることはない。捕獲準位にキャリアが捕獲されることにより、生成したキャリアの数と比較して、電極に到達して出力電流として測定されるキャリアの数が少なくなる。このため、照射される紫外線の強さに対して、紫外線センサの出力電流は小さくなる。
【００１６】
図３（ａ）に示すように、照射される紫外線が強く生成するキャリアの数が捕獲準位の数に対して多い場合は、紫外線照射直後のＴ＝Ｔ１の時点で、生成したキャリアにより捕獲準位が埋まる。これに対して、図３（ｂ）に示すように、照射される紫外線が微弱で生成するキャリアの数が捕獲準位の数に対して少ない場合は、Ｔ＝Ｔ１の時点では捕獲準位が埋まらない。
【００１７】
そして、図４（ａ）及び図５（ａ）に示すように、Ｔ＝Ｔ２以降において、照射される紫外線が強く生成するキャリアの数が多い場合は、捕獲準位が既に埋まっているため、生成するキャリアの数と電極に到達するキャリアの数とが等しくなり、出力電流が照射される紫外線の強度を反映するようになる。このとき、紫外線センサの出力の出力特性は図６の線７に示すようになる。
【００１８】
一方、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、照射される紫外線が微弱であり生成するキャリアの数が少ない場合は、Ｔ＝Ｔ２の時点では捕獲準位が埋まらず、Ｔ＝Ｔ３の時点で捕獲準位が埋まる。このため、捕獲準位が捕獲されたキャリアで完全に埋まるまでは、電極に到達するキャリアの数は生成するキャリアの数よりも少なく、図６の線８に示すように、紫外線センサの出力の立ち上がりにおいて、この出力値が徐々に増加する。
【００１９】
このように、紫外線センサに紫外線を照射したときの出力が徐々に増加し、また、この出力の増加挙動は、温度、紫外線の強度等により変化するため、紫外線強度の正確な測定が困難になる。
【００２０】
一方、それまで照射していた紫外線を遮断した場合には、伝導帯にある電子及び価電子帯にある正孔は、ライフタイム程度の時間で再結合して消滅するか、電界によって電極まで到達する。また、浅い準位に捕獲されていた電子及び正孔も速やかに放出され、再結合するか電極に到達して消滅する。これにより、紫外線を遮断した後、紫外線センサの出力は急速に小さくなる。しかしながら、これと同時に、捕獲準位に捕らわれたキャリアが熱励起されて徐々に捕獲準位から放出される。この熱励起による放出の速度は、エネルギ準位で決まる時定数に依存する。このため、センサ出力はすぐにはゼロにならない。この結果、図６のＴ＝Ｔ４以降に示すように、センサ出力は紫外線を遮断した直後にＴ＝Ｔ５の時点までは急激に減少し、その後、指数関数的に減少する。結晶粒界が高密度に存在するワイドギャップ半導体膜を使用し、電極間距離が結晶粒の粒径と同じオーダーである紫外線センサにおいては、電極間に捕獲準位が高密度に存在するため、捕獲準位の影響が顕著になり、時間幅が秒単位を超える明確なテールが観測される。
【００２１】
このように、紫外線センサにはバンドギャップが広い半導体膜を使用する必要があるが、このようなワイドバンドギャップ半導体膜を使用すると、深い捕獲準位が形成され、上述の現象が発生する。特に、紫外線センサに耐熱性及び耐久性が優れた多結晶ダイヤモンド薄膜を使用すると、この多結晶ダイヤモンド薄膜には多数の結晶粒界が存在し、結晶粒界には特に多くの捕獲準位が存在する。このため、紫外線照射により生成した電子−正孔対が、ダイヤモンド薄膜の結晶粒界に存在する捕獲電位に捕獲され、特に照射直後及び遮断直後に上述のような問題を引き起こす。
【００２２】
次に、紫外線強度の補正方法について説明する。先ず、一定の強度で紫外線を照射し、センサ前に設置したシャッタでセンサへの光（紫外線）入力を一定間隔で断続する場合を考える。既に捕獲準位がキャリアで完全に埋まっている場合には、上述の如く、センサ出力として一定の出力が得られる。一方、光入力が遮断された場合にはセンサ出力はある時点（図６に示すＴ＝Ｔ５の時点）までは急激に減少し、その後、指数関数的に緩慢に減少する。この指数関数的なセンサ出力の減少は、伝導帯又は荷電子帯と捕獲準位とのエネルギ差によって決まる熱放出の時定数と、その準位に捕獲されているキャリアの数に依存する。また、前記エネルギ差はこの捕獲準位の原因となる欠陥の種類によって決まる。半導体膜内の欠陥の状態、即ち、エネルギ準位、位置及び分布密度等は、紫外線の照射によって変化せず一定であることから、前述の緩慢な指数関数的なセンサ出力の減少は、捕獲されたキャリアの数によって決定される。つまり、光を遮断した直後のＴ＝Ｔ５におけるセンサ出力は、捕獲されているキャリアの数を示し、Ｔ＝Ｔ５の時点から後は、センサ出力は時定数で決まる傾きを持って指数関数的に減少する。従って、欠陥準位が完全に埋まっている場合のセンサ出力の減少は、センサに使用するワイドギャップ半導体素子に固有の挙動となる。
【００２３】
次に、一部の捕獲準位にのみキャリアが捕獲されている場合を考える。この場合、光照射時に得られるセンサ出力は、生成した電子−正孔対の一部が捕獲されるため、全ての捕獲準位がキャリアにより埋まっている場合と比較して、キャリアが捕獲されていない捕獲準位の数の分だけ低い値となる。一方、光を遮断した直後のセンサ出力は、捕獲されているキャリアの数に比例するため、全ての捕獲準位がキャリアにより埋まっている場合と比較して、キャリアが捕獲されていない捕獲準位の数の分だけ低い値となる。即ち、全ての捕獲準位にキャリアが捕獲されている場合には光照射時の出力が高く、光を遮断してライフタイム及び浅い準位による放出が特性に影響を与えなくなった一定時間後のセンサ出力も高い。これに対して、捕獲準位にキャリアが完全には捕獲されていない場合には、キャリアが捕獲されていない捕獲準位の数の分だけ光照射時の出力が低くなり、光を遮断してライフタイム及び浅い準位による放出が特性に影響を与えなくなった一定時間後のセンサ出力も、キャリアが捕獲されていない捕獲準位の数の分だけ低くなる。従って、光遮断前後の出力差は、捕獲準位の捕獲状態によらず一定となる。このため、この出力差を求めることにより、光（紫外線）強度を正確に測定することができる。
【００２４】
上述の請求項１に記載の発明においては、光強度測定装置において、測定光断続手段により測定対象光を通過させて検出部材に入射させ、検出手段により出力Ａを求め、測定光断続手段により前記測定対象光を遮断して、その後一定時間経過後に検出手段により出力Ｂを求め、演算手段により（Ａ−Ｂ）の値を求めることにより、捕獲準位の影響をキャンセルして測定対象光の強度を求めることができる。このため、測定対象光の強度を迅速且つ正確に求めることができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明に係る光強度測定装置は、測定対象光を通過させるか遮断するかを選択する測定光断続手段と、前記測定対象光の経路における前記測定光断続手段の後方に配置され前記測定光断続手段が前記測定対象光を通過させるときにのみ前記測定対象光が入射するワイドバンドギャップ半導体からなる検出部材と、この検出部材に接続された１対の電極と、この１対の電極に接続され前記電極間に電圧を印加すると共に前記電極間に流れる電流を検出する検出手段と、前記測定対象光が前記検出部材に入射しているときの前記検出手段の出力をＡとし、この出力Ａを検出後、前記測定光断続手段により前記測定対象光を遮断し、伝導帯及び荷電子帯に存在するキャリア並びに浅い準位から放出されたキャリアが再結合又は電極への到達により消滅した後の前記検出手段の出力をＢとし、前記検出部材に光を入射し前記電極間に流れる電流が時間的に一定となった後に前記光を遮断し前記一定時間経過後の前記検出手段の出力をＣとするとき、（Ａ×Ｃ／Ｂ）の値に基づいて前記測定対象光の強度を算出する演算手段と、を有することを特徴とする。
【００２６】
前述の如く、光を遮断した後一定時間が経過し、伝導帯及び荷電子帯に存在するキャリア並びに浅い準位から放出されたキャリアが再結合又は電極への到達により消滅した後のセンサ出力は、捕獲準位に捕獲されているキャリアの数に比例する値をスタートポイントとして、この値から時定数で決まる傾きを持ち指数関数的に減少する。微弱紫外線測定時においては、前記出力Ａ及びＢは、捕獲準位が完全に埋まっていないときの測定対象光の遮断前後の出力値となる。一方、前記出力Ｃは捕獲準位が完全に埋まっているときの測定対象光の遮断後の出力値である。捕獲準位が完全に埋まっているときの測定対象光の遮断前の出力値をＸとすると、これらの出力値は捕獲準位に捕獲されているキャリアの数に比例するため、Ｘ：Ａ＝Ｃ：Ｂとなる。従って、Ｘ＝Ａ×Ｃ／Ｂとなる。
【００２７】
上述の請求項２に記載の発明においては、予め出力Ｃの値を測定しておくことにより、出力Ｘの値、即ち捕獲準位が完全に埋まっているときの測定対象光の遮断前の出力値を、出力Ａ、Ｂ及びＣの値から算出することができる。これにより、前記出力Ｘの値を直接測定できない場合においても、捕獲準位の影響をより正確にキャンセルし、測定対象光の強度を精度よく求めることができる。
【００３０】
また、前記検出部材が基板上に形成された半導体膜であることが好ましく、この半導体膜は前記基板上に気相合成法によって形成された多結晶ダイヤモンド膜であることが好ましい。検出部材をダイヤモンド膜により形成することにより、耐熱性及び耐久性が優れた光強度測定装置を得ることができる。また、このダイヤモンド膜を気相合成法により形成することにより、このダイヤモンド膜を低コストで製造することができる。
【００３１】
更に、前記多結晶ダイヤモンド膜は前記基板の表面に垂直な方向に配向しており、前記多結晶ダイヤモンド膜の表面がダイヤモンドの（１００）結晶面を有していることが好ましい。これにより、前記多結晶ダイヤモンド膜の表面が平坦になる。更にまた、前記多結晶ダイヤモンド膜は、前記基板の表面に垂直な方向に配向していると共に、前記基板の表面に平行な方向にも配向した高配向膜であることがより好ましい。これにより、膜中の欠陥密度が小さくなり、測定対象光に対する感度を向上させることができる。更にまた、前記多結晶ダイヤモンド膜の膜厚は１乃至４０μｍであることが好ましい。その理由は、膜厚が１μｍ未満では測定対象光に対する感度が低く、膜厚が４０μｍを超えると、成膜に時間がかかり、成膜コストが増大するからである。更にまた、多結晶ダイヤモンド膜における配向した結晶粒の大きさは１乃至４０μｍであることが好ましい。この理由は、結晶粒径が膜厚と同程度の高配向膜は、再現性よく成膜できるからである。
【００３２】
更にまた、前記バイアス光照射手段が発光ダイオードであることが好ましい。これにより、消費電力の低減及び光強度測定装置のコンパクト化を図ることができる。
【００３３】
なお、前記基板の種類には特に制限はないが、半導体膜として高配向ダイヤモンド薄膜を使用する場合には、その表面に（１００）面を持つシリコン基板であることが好ましい。また、本発明においては、半導体膜には他の材料から形成された基板又は基板上に成膜した後にこの基板を除去した所謂自立膜を使用してもよい。
【００３４】
電極の形状についても特に制限はないが、形状が櫛形であり、櫛部の幅が１〜５０μｍ、櫛部間の間隔が１乃至５０μｍである電極が好ましい。検出部材の材質についても特に制限はなく、その材料もダイヤモンドに限らず、ＳｉＣ及びＧａＮ等あらゆるワイドギャップ半導体が利用可能である。測定光断続手段には、チョッパ及び光シャッタ等公知の全ての手段が適応可能である。
【００３５】
請求項１１に記載の発明に係る光強度測定方法は、測定対象光を通過させるか遮断するかを選択する測定光断続手段と、前記測定対象光の経路における前記測定光断続手段の後方に配置され前記測定光断続手段が前記測定対象光を通過させるときにのみ前記測定対象光が入射するワイドバンドギャップ半導体からなる検出部材と、この検出部材に接続された１対の電極と、この１対の電極に接続され前記電極間に電圧を印加すると共に前記電極間に流れる電流を検出する検出手段と、この検出手段の出力に基づいて前記測定対象光の強度を算出する演算手段と、を有する光強度測定装置を使用し、前記測定光断続手段により前記測定対象光を通過させて前記検出部材に入射させ、前記検出手段により第１の検出結果を得る工程と、前記測定光断続手段により前記測定対象光を遮断する工程と、前記測定対象光を遮断した後、伝導帯及び荷電子帯に存在するキャリア並びに浅い準位から放出されたキャリアが再結合又は電極への到達により消滅した後に前記検出手段により第２の検出結果を得る工程と、前記第１の検出結果をＡとし、前記第２の検出結果をＢとするとき、前記演算手段により（Ａ−Ｂ）の値を求め、この値に基づいて前記測定対象光の強度を算出する工程と、を有することを特徴とする。
【００３６】
請求項１２に記載の発明に係る光強度測定方法は、測定対象光を通過させるか遮断するかを選択する測定光断続手段と、前記測定対象光の経路における前記測定光断続手段の後方に配置され前記測定光断続手段が前記測定対象光を通過させるときにのみ前記測定対象光が入射するワイドバンドギャップ半導体からなる検出部材と、この検出部材に接続された１対の電極と、この１対の電極に接続され前記電極間に電圧を印加すると共に前記電極間に流れる電流を検出する検出手段と、この検出手段の出力に基づいて前記測定対象光の強度を算出する演算手段と、を有する光強度測定装置を使用し、前記測定光断続手段により前記検出部材に光を入射させて前記電極間に流れる電流が時間的に一定となった後に前記測定光断続手段により前記光を遮断した後、伝導帯及び荷電子帯に存在するキャリア並びに浅い準位から放出されたキャリアが再結合又は電極への到達により消滅した後に前記検出手段により第３の検出結果を得る工程と、前記測定光断続手段により前記測定対象光を通過させて前記検出部材に入射させ、前記検出手段により第１の検出結果を得る工程と、前記測定光断続手段により前記測定対象光を遮断する工程と、前記測定対象光を遮断した後前記検出手段により第２の検出結果を得る工程と、前記第１の検出結果をＡとし、前記第２の検出結果をＢとし、前記第３の検出結果をＣとするとき、前記演算手段により（Ａ×Ｃ／Ｂ）の値を求め、この値に基づいて前記測定対象光の強度を算出する工程と、を有することを特徴とする。
【００３８】
【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。先ず本発明の第１の実施例について説明する。図７は本実施例に係る光強度測定装置に組み込まれる紫外線センサを示す断面図であり、図８は本実施例に係る光強度測定装置を示すブロック図である。図７に示すように、紫外線センサ１１においては、高抵抗シリコンからなる基板１２上にダイヤモンド膜１３が形成されており、ダイヤモンド膜１３上には１対の電極１４ａ及び１４ｂが形成されている。ダイヤモンド膜１３は気相合成法によって形成された多結晶半導体ダイヤモンド膜であり、高配向ダイヤモンド膜である。ダイヤモンド膜１３の膜厚は例えば１乃至４０μｍであり、例えば５μｍである。また、ダイヤモンド膜１３の表面にはダイヤモンド結晶の（１００）面が表れている。ダイヤモンド膜１３においては、結晶が基板１２の表面に垂直な方向及び平行な方向に配向しており、ダイヤモンド膜１３の表面はモザイク状になっている。この（１００）面が表れた結晶の粒径は例えば１乃至４０μｍであり、例えば２乃至５μｍである。電極１４ａ及び１４ｂは例えば白金からなり、形状は櫛形であり、互いに噛み合い且つ接触しないように対向して配置されている。櫛部の幅は例えば１乃至５０μｍであり、電極１４ａと電極１４ｂとの間隔は例えば１乃至５０μｍである。
【００３９】
次に、紫外線センサ１１の作製方法について説明する。先ず、高抵抗シリコンからなる基板１２の表面に、バイアス印加法によりダイヤモンド核を発生させる。その後、プラズマＣＶＤ法によりメタン・水素混合ガス雰囲気中において１２時間の成膜を行い、ダイヤモンド膜１３を成膜する。次に、重クロム酸による洗浄を行い、ダイヤモンド膜１３の表面に付着したダイヤモンド以外の炭素成分を除去し、その後、硫酸でリンスする。次に、基板１２及びダイヤモンド膜１３を純水で洗浄する。その後、リフトオフにより１対の電極１４ａ及び１４ｂを形成する。即ち、フォトリソグラフィにより、フォトレジストを櫛形の電極形状の開口部を有する形状にパターニングし、次いでマグネトロンスパッタリング法により白金を蒸着後、フォトレジストを除去してフォトレジスト上に成膜された白金膜を除去し、電極１４ａ及び１４ｂを形成する。その後、基板１２及びダイヤモンド膜１３をチップ状に切断し、ハーメティックシール上に固定して、電極１４ａ及び１４ｂに金線をワイヤボンディングすることにより、紫外線センサ１１を作製する。
【００４０】
図８に示すように、本実施例の光強度測定装置１５においては、紫外線センサ１１が設けられ、この紫外線センサ１１に入射する紫外線１６の経路において、紫外線センサ１１の前方にはチョッパ１７が配置されている。紫外線センサ１１は、紫外線が入射されると、その入射強度に応じて電流を出力するものである。チョッパ１７は紫外線１６を通過させて紫外線センサ１１に入射するか、又は、紫外線１６を遮断して紫外線センサ１６に入射させないかを選択するものである。チョッパ１７は回転することにより、紫外線１６を断続的に通過させることができる。また、紫外線センサ１１はセンサアンプ１８に接続されている。このセンサアンプ１８は、紫外線センサ１１の電極１４ａと１４ｂ（図７参照）との間にバイアス電圧を印加すると共に、電極１４ａと１４ｂとの間に流れる電流を増幅して出力するものである。更に、センサアンプ１８は演算手段としてのデジタルマルチメータ１９に接続されている。このデジタルマルチメータ１９は、センサアンプ１８から出力された電流が入力され、電圧値として測定し、後述する演算処理を行って紫外線１６の強度を測定するものである。紫外線センサ１１、チョッパ１７、センサアンプ１８及びデジタルマルチメータ１９により、本実施例の光強度測定装置１５が構成される。
【００４１】
次に、光強度測定装置１５を使用した光強度測定方法について説明する。図９（ａ）は横軸に時間をとり、縦軸に紫外線の入射強度及び紫外線センサの出力値をとって、紫外線センサ１１の予想される出力特性を模式的に示すグラフ図であり、図９（ｂ）は横軸に時間をとり、縦軸に紫外線１６の遮断前後における紫外線センサ１１の出力値の差をとって、光強度測定装置１５の予想される測定結果を模式的に示すグラフ図である。図８に示すように、測定対象光となる紫外線１６の光源として、重水素（Ｌ２Ｄ２）ランプ２０を使用する。この重水素ランプ２０はランプ電源（Ｍ−４５１８）２１に接続されている。重水素ランプ２０には、例えば浜松ホトニク製重水素（Ｌ２Ｄ２）ランプＬ７２９３を使用する。センサアンプ１８が電極１４ａ及び１４ｂの間に印加するバイアス電圧は例えば１５Ｖとする。
【００４２】
先ず、図８並びに図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、紫外線１６の強度を一定として、チョッパ１７により紫外線センサ１１に紫外線１６を１０秒間入射させ、その後、紫外線１６を１０秒間遮断する。このサイクルを例えば３回繰り返す。このとき、紫外線センサ１１に入射する紫外線１６の強度変化は、図９（ａ）に示す破線２２のようになる。また、このとき、紫外線センサ１１から出力される出力値は図９（ａ）に示す実線２３のようになる。図９（ａ）より、紫外線センサ１１に紫外線１６が入射している期間においては、紫外線１６の強度が一定であるにもかかわらず、紫外線センサ１１の出力値は時間の経過に伴って徐々に上昇する。また、デジタルマルチメータ１９により、各サイクルにおいて紫外線１６の遮断１秒前の出力値Ａと、遮断１秒後の出力値Ｂとの差（Ａ−Ｂ）を求める。図９（ｂ）に示すように、紫外線センサ１１の出力値が時間と共に変化するにもかかわらず、出力差（Ａ−Ｂ）の値は、ほぼ一定値となる。この出力差（Ａ−Ｂ）の値が、紫外線１６の強度を示す。
【００４３】
また、予め紫外線センサ１１に入射する紫外線の強度と、出力差（Ａ−Ｂ）の値との関係をデジタルマルチメータ１９に入力しておけば、この関係を参照して、紫外線１６の強度の絶対値を求めることができる。
【００４４】
このように、本実施例においては、ダイヤモンド膜１３に存在する捕獲準位が、紫外線強度の測定結果に及ぼす影響をキャンセルでき、紫外線１６の強度を正確且つ迅速に測定することができる。また、本実施例の光強度測定装置１５は、紫外線センサ１１にダイヤモンド膜１３を使用しているため、耐熱性及び耐久性が優れている。更に、このダイヤモンド膜１３を気相合成法により形成しているため、ダイヤモンド膜１３を低コストで形成できる。
【００４５】
なお、本実施例においては、測定対象光である紫外線１６を、紫外線センサ１１に対して２０秒間の周期で断続的に照射する例を示したが、この断続周期は測定原理からは特に制限されるものではない。従って、本発明においては、これ以外の周期で紫外線１６を照射してもよい。但し、使用する実用的な光断続装置の性能を考えて、断続周期は１００ｎｓ秒乃至１０秒程度が望ましい。また、紫外線１６を遮断後、出力値Ｂを測定するまでの時間は必要である。出力値Ｂの測定は、紫外線１６を遮断後、ダイヤモンド薄膜中のキャリアとしの電子及び正孔が消滅するまでの時間が経過した後、測定可能となる。一般的には、キャリア（電子及び正孔）の寿命を考慮して、出力値Ｂの測定は紫外線１６を遮断後、１０ｎｓ以上経過した後に行うことが望ましい。一方、出力値Ａの測定は紫外線１６が遮断され、出力が低下する直前に行うことが望ましいが、測定の時間応答によってはそれ以前に測定を行っても実質上なんら問題はない。更に、測定対象光を断続する間隔は必ずしも一定である必要はない。
【００４６】
本実施例の効果を実験によって確かめた。図１０（ａ）は横軸に時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力値をとって、実験結果を示すグラフ図であり、図１０（ｂ）は横軸に時間をとり、縦軸に紫外線の遮断前後における紫外線センサの出力値の差をとって、実験結果を示すグラフ図である。測定には、図８に示す光強度測定装置１５を使用した。一定強度の紫外線を紫外線センサに、１０秒間照射−１０秒間遮断−１０秒間照射−１０秒間遮断−２０秒間照射−１０秒間遮断−２０秒間照射−１０秒間遮断−１０秒間照射−１０秒間遮断−１０秒間照射−遮断、の順に断続的に照射した。即ち、紫外線センサに入射する紫外線の強度変化は、図９（ａ）の線２２のように、矩形波形となるようにした。このとき、照射される紫外線の強度は一定であるにもかかわらず、図１０（ａ）に示すように、紫外線センサの出力値は紫外線の照射中は連続的に増加し、紫外線の遮断中は連続的に減少した。一方、図１０（ｂ）に示すように、紫外線の遮断前後における紫外線センサの出力値の差は、ほぼ一定であった。
【００４７】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例に係る光強度測定装置は、前述の第１の実施例に係る光強度測定装置（図８参照）と比較して、デジタルマルチメータのみが異なっている。即ち、本第２実施例の光強度測定装置におけるデジタルマルチメータは、図８に示す紫外線１６が紫外線センサ１１に入射しているときの紫外線センサ１１の出力値をＡとし、この出力Ａを検出直後、チョッパ１７により紫外線１６を遮断した後の紫外線センサ１１の出力をＢとし、紫外線センサ１１に紫外線を入射し、紫外線センサ１１の出力値が一定となった後に紫外線を遮断し、その直後の紫外線センサ１１の出力値をＣとするとき、（Ａ×Ｃ／Ｂ）の値を算出するものである。本第２実施例に係る光強度測定装置における上記以外の構成は、前述の第１の実施例に係る光強度測定装置１５におけるデジタルマルチメータ１９以外の構成と同一である。
【００４８】
次に、本実施例に係る光強度測定方法について説明する。図１１は横軸に紫外線の照射を開始してからの時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力値をとって、紫外線センサ１１の予想される出力特性を模式的に示すグラフ図であり、図１２は横軸に時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力値及びその補正値をとって、光強度測定装置の予想される測定結果を模式的に示すグラフ図である。先ず、紫外線を紫外線センサ１１（図８参照）に連続的に入射させる。図１１に示すように、この紫外線の照射を開始すると、紫外線センサ１１の出力は連続的に増加し、紫外線の照射開始後約１０００秒でほぼ一定値となり安定する。そして、照射開始後３６００秒後にチョッパ１７により紫外線を遮断する。そして、紫外線の遮断１秒後の紫外線センサ１１の出力値を測定し、その値をＶｒｅｆとする。
【００４９】
次に、紫外線１６の強度の測定を行う。Ｌ２Ｄ２ランプ２０により一定強度の紫外線１６を照射する。そして、チョッパ１７により、紫外線センサ１１に紫外線１６を３０秒間入射し、その後、１０秒間遮断する。このサイクルを３サイクル繰り返す。このとき、センサアンプ１８により、紫外線センサ１１の出力値を測定する。図１２に示す実線２４は、この紫外線センサ１１の出力値を示す。図１２に示すように、紫外線センサに紫外線１６が入射されているときの紫外線センサ１１の出力値（実線２４）は、一定の値にはならず、時間の経過に伴って連続的に増加する。
【００５０】
そして、紫外線１６を遮断する０．１秒前の紫外線センサ１１の出力値Ａを測定する。また、紫外線１６を遮断して１秒後の紫外線センサ１１の出力値Ｂを測定する。そして、デジタルマルチメータにより、前述のＶｒｅｆの値を参照して、（Ａ×Ｖｒｅｆ／Ｂ）の値を算出する。図１２に示す実線２５は、この（Ａ×Ｖｒｅｆ／Ｂ）の値を示す。このように、紫外線センサ１１の出力値（実線２４）は時間と共に変化するが、（Ａ×Ｖｒｅｆ／Ｂ）の値（実線２５）はほぼ一定値となる。この（Ａ×Ｖｒｅｆ／Ｂ）の値が紫外線１６の強度を示している。このように、本実施例においては、紫外線１６の強度を精度よく測定することができる。
【００５１】
また、予め紫外線センサ１１に入射する紫外線の強度と、（Ａ×Ｖｒｅｆ／Ｂ）の値との関係をデジタルマルチメータに入力しておけば、この関係を参照して、紫外線１６の強度の絶対値を求めることができる。
【００５２】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。本実施例は、紫外線センサのベースレベル（ゼロレベル）が何らかの原因で変動している場合における補正方法の具体例である。本実施例に係る光強度測定装置は、前述の第１の実施例に係る光強度測定装置（図８参照）と同一である。図１３は横軸に時間の対数をとり、縦軸に紫外線センサの出力値をとって、本実施例の補正方法を模式的に示すグラフ図である。
【００５３】
図１３に示すように、本実施例においては、一定照射量の紫外線１６（図８参照）を照射するとき、紫外線センサ１１の出力値のベース値が湿度の影響で図１３の破線２６に示すように変化することがわかっている。なお、紫外線センサ１１の出力を実線２８により示す。もし、ベースレベルに変動がなければ、紫外線１６が遮断された後の紫外線センサ１１の出力は指数関数的に減少し、その出力変化は時間軸を対数表示にした場合には直線になる。この直線の傾きを図１３においては破線２７で示す。この傾き（破線２７）は、簡単には、｛（紫外線１６が遮断されている間の２点間の出力差）／（２点の対数上での時間間隔）｝の値として求めることができる。そして、紫外線１６の遮断後、紫外線センサ１１の出力値は、一定時間Ｔｚ後に０に漸近する。
【００５４】
一方、ベースレベルが破線２６に示すように変化し、前記傾きが変化した場合には、ベースラインに変動がない場合において出力値が０に漸近するための時間Ｔｚでは、紫外線センサ１１の出力値は０には漸近しない。しかしながら、紫外線１６を遮断してから時間Ｔｚ後に、紫外線センサ１１の出力値が漸近する値を事実上のベースライン上にある値とみなせるため、出力値とそのベースライン上の値との差２９を新たな出力値とみなすことにより、ベースラインの変動の影響をキャンセルし、正確な測定値を求めることができる。
【００５５】
なお、上述したように、紫外線センサの出力差（Ａ−Ｂ）を求めて、予め求めた紫外線の強度と出力値との関係を参照して紫外線センサの出力値を補正することにより、紫外線の強度の測定値を得ることができるが、紫外線照射そのものがｏｆｆになった場合は、この断続前後の出力差（Ａ−Ｂ）の値もほぼゼロとなる。即ち、継続的な断続前後の出力差は、紫外線照射そのものがｏｆｆになった場合にはほぼゼロとなる。従って、出力差がゼロとなる場合の出力値が紫外線センサのゼロレベルである。このようにしてゼロレベルの見積もりを行うことも可能である。
【００５６】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図１４は本実施例に係る光強度測定装置を示すブロック図である。図１４に示すように、本実施例に係る光強度測定装置３１においては、紫外線センサ１１が設けられ、この紫外線センサ１１に入射する紫外線１６の経路において、紫外線センサ１１の前方にはシャッタ３２が配置されている。紫外線センサ１１は、紫外線が入射されると、その入射強度に応じて電流を出力するものであり、図７に示す第１の実施例における紫外線センサ１１と同じものである。シャッタ３２は紫外線１６を通過させて紫外線センサ１１に入射するか、又は、紫外線１６を遮断して紫外線センサ１６に入射させないかを選択するものである。また、紫外線センサ１１の近傍には発光ダイオード（ＬＥＤ）３３が設けられている。この発光ダイオード３３はバイアス光３４を紫外線センサ１１に入射させるものである。バイアス光３４の波長は、紫外線センサ１１のダイヤモンド膜１３（図７参照）のバンドギャップ（図１（ａ）参照）に相当する波長よりも長いものとする。
【００５７】
更に、紫外線センサ１１はセンサアンプ３５に接続されている。このセンサアンプ３５は、紫外線センサ１１の電極１４ａと１４ｂ（図７参照）との間にバイアス電圧を印加すると共に、電極１４ａと１４ｂとの間に流れる電流を増幅して出力するものである。更に、センサアンプ３５は演算手段としてのデジタルマルチメータ３６に接続されている。このデジタルマルチメータ３６は、センサアンプ３５から出力された電流が入力され、電圧値として測定し、紫外線１６の強度を測定するものである。紫外線センサ１１、シャッタ３２、発光ダイオード３３、センサアンプ３５及びデジタルマルチメータ３６により、本実施例の光強度測定装置３１が構成される。
【００５８】
次に、光強度測定装置３１を使用した光強度測定方法について説明する。図１５（ａ）及び（ｂ）は、横軸に時間をとり、縦軸に紫外線の入射強度及び紫外線センサの出力値をとって、バイアス光が紫外線センサ１１の出力特性に及ぼす影響を模式的に示すグラフ図であり、（ａ）は紫外線センサ１１にバイアス光３４が入射していない場合を示し、（ｂ）は紫外線センサ１１にバイアス光３４が入射している場合を示す。測定対象光となる紫外線１６の光源として、重水素（Ｌ２Ｄ２）ランプ２０を使用する。この重水素ランプ２０はランプ電源２１に接続されている。重水素ランプ２０には、例えば浜松ホトニク製重水素（Ｌ２Ｄ２）ランプＬ７２９３を使用する。また、センサアンプ３５が電極１４ａ及び１４ｂ間に印加するバイアス電圧は例えば１０乃至１２０Ｖとする。
【００５９】
本実施例の光強度測定方法においては、先ず、発光ダイオード３３をｏｆｆとし、バイアス光３４が紫外線センサ１１に入射しないようにする。この状態で、一定強度の紫外線１６を紫外線センサ１１に対して長時間照射する。そして、センサアンプ１８が紫外線センサ１１に対してバイアス電圧を印加しつつ、紫外線センサ１１の出力値を測定する。その後、紫外線１６を遮断する。図１５（ａ）に示す破線３７は、紫外線センサ１１に入射する紫外線１６の強度を示し、実線３８は、このときの紫外線センサ１１の出力値を示す。図１５（ａ）に示すように、紫外線１６が遮断された後も、紫外線センサ１１の出力値はすぐにはゼロにならず、徐々に減少する。この理由は前述のとおりである。
【００６０】
次に、発光ダイオード３３をｏｎとし、バイアス光３４を紫外線センサ１１に入射させる。この状態で、一定強度の紫外線１６を紫外線センサ１１に対して長時間照射する。そして、センサアンプ１８が紫外線センサ１１に対してバイアス電圧を印加しつつ、紫外線センサ１１の出力値を測定する。その後、紫外線１６を遮断する。紫外線１６の強度変化は、図１５（ａ）の破線３７に示すものと同じである。図１５（ｂ）の実線３９は、このときの紫外線センサ１１の出力値を示す。図１５（ｂ）に示すように、紫外線１６が遮断された後、紫外線センサ１１の出力値は直ちにゼロになる。即ち、紫外線センサ１１の出力値が紫外線１６の変化に追従できる。
【００６１】
本実施例においては、紫外線センサ１１の動作中に、発光ダイオード３３によりバイアス光３４を紫外線センサ１１に入射することにより、紫外線センサ１１のダイヤモンド膜１３（図７参照）の捕獲準位に捕獲されたキャリアが、バイアス光３４により励起されて速やかに放出される。これにより、キャリアが捕獲準位に捕獲され、その後熱励起されることによるセンサ出力の遅れが発生せず、入射する紫外線の強度を迅速且つ正確に測定することができる。この結果、光強度測定装置３１により紫外線１６の強度を測定するとき、測定値が紫外線１６の変化に追従できる。また、本実施例の光強度測定装置３１は、紫外線センサ１１にダイヤモンド膜１３を使用しているため、耐熱性及び耐久性が優れている。
【００６２】
なお、バイアス光３４には、ダイヤモンド膜１３のバンドギャップに相当する光の波長（２２５ｎｍ）より長い波長を持つ光として、例えば、赤色、青色、白色の可視光を使用することができる。いずれの可視光を使用しても、得られる結果はほぼ同じである。
【００６３】
本実施例の効果を実験によって確かめた。図１６（ａ）及び（ｂ）は、横軸に時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力値をとって、バイアス光が紫外線センサの出力特性に及ぼす影響の実験結果を示すグラフ図であり、（ａ）は紫外線センサにバイアス光が入射していない場合を示し、（ｂ）は紫外線センサにバイアス光が入射している場合を示す。測定に使用する装置は、図１４に示す光強度測定装置３１と同じ装置とし、発光ダイオード３３には青色ＬＥＤを使用した。但し、発光ダイオード３３を使用しない場合は、発光ダイオード３３を光強度測定装置３１から外し、重水素ランプ２０を紫外線センサ１１に近づけた。
【００６４】
先ず、紫外線センサに紫外線を照射し、図１６（ａ）及び（ｂ）に示す「ＯＦＦ」の時点でこの紫外線を遮断した。図１６（ａ）に示すように、紫外線センサにバイアス光が入射していない場合は、紫外線を遮断しても紫外線センサの出力値はすぐにはゼロにならず連続的に減少し、紫外線遮断の１分後においても約１Ｖの出力が認められた。これに対して、図１６（ｂ）に示すように、紫外線センサにバイアス光が入射している場合は、紫外線を遮断した後、直ちに紫外線センサの出力電圧が低下し、速やかにベースラインである０Ｖになった。なお、紫外線センサにバイアス光を入射させずに測定したときは、重水素ランプ２０を紫外線センサ１１に近づけたため、紫外線を照射しているときの紫外線センサ１１の出力値（図１６（ａ）参照）は、紫外線センサ１１にバイアス光を入射させて測定したときの紫外線センサ１１の出力値（図１６（ｂ）参照）よりも大きくなった。
【００６５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、多結晶半導体ダイヤモンド薄膜又は高配向性ダイヤモンド薄膜等のワイドバンドギャップ半導体を使用し、紫外線等の波長が短い光の強度を測定する光強度測定装置において、信頼性が高く、低コストである光強度測定装置を得ることができる。また、この光強度測定装置を使用して、迅速且つ正確に光強度を測定することができる。これにより、コストが低い高配向ダイヤモンド膜又は多結晶ダイヤモンド膜を使用した紫外線センサの実用範囲が広がり、且つ新たな応用分野を開拓できると共に、紫外光、真空紫外光、深紫外光を利用する産業分野の発展に多大な貢献をなすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に半導体膜内の位置をとり、縦軸にエネルギレベルをとって、捕獲準位を有する半導体膜内における電子及び正孔の挙動を示すバンド図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に半導体膜内の位置をとり、縦軸にエネルギレベルをとって、捕獲準位を有する半導体膜内におけるＴ＝Ｔ０における電子及び正孔の挙動を示すバンド図であり、（ａ）は強い紫外線が照射される場合を示し、（ｂ）は微弱な紫外線が照射される場合を示す。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に半導体膜内の位置をとり、縦軸にエネルギレベルをとって、捕獲準位を有する半導体膜内におけるＴ＝Ｔ１における電子及び正孔の挙動を示すバンド図であり、（ａ）は強い紫外線が照射される場合を示し、（ｂ）は微弱な紫外線が照射される場合を示す。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に半導体膜内の位置をとり、縦軸にエネルギレベルをとって、捕獲準位を有する半導体膜内におけるＴ＝Ｔ２における電子及び正孔の挙動を示すバンド図であり、（ａ）は強い紫外線が照射される場合を示し、（ｂ）は微弱な紫外線が照射される場合を示す。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に半導体膜内の位置をとり、縦軸にエネルギレベルをとって、捕獲準位を有する半導体膜内におけるＴ＝Ｔ３における電子及び正孔の挙動を示すバンド図であり、（ａ）は強い紫外線が照射される場合を示し、（ｂ）は微弱な紫外線が照射される場合を示す。
【図６】横軸に時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力をとって、紫外線センサの出力特性を示すグラフ図である。
【図７】本発明の第１の実施例における紫外線センサを示す断面図である。
【図８】本第１実施例に係る光強度測定装置を示すブロック図である。
【図９】（ａ）は横軸に時間をとり、縦軸に紫外線の入射強度及び紫外線センサの出力値をとって、紫外線センサ１１の予想される出力特性を模式的に示すグラフ図であり、（ｂ）は横軸に時間をとり、縦軸に紫外線１６の遮断前後における紫外線センサ１１の出力値の差をとって、光強度測定装置１５の予想される測定結果を模式的に示すグラフ図である。
【図１０】（ａ）は横軸に時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力値をとって、実験結果を示すグラフ図であり、（ｂ）は横軸に時間をとり、縦軸に紫外線の遮断前後における紫外線センサの出力値の差をとって、実験結果を示すグラフ図である。
【図１１】横軸に紫外線の照射を開始してからの時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力値をとって、本発明の第２の実施例における紫外線センサ１１の予想される出力特性を模式的に示すグラフ図である。
【図１２】横軸に時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力値及びその補正値をとって、本第２実施例の光強度測定装置の予想される測定結果を模式的に示すグラフ図である。
【図１３】横軸に時間の対数をとり、縦軸に紫外線センサの出力値をとって、本発明の第３の実施例の補正方法を模式的に示すグラフ図である。
【図１４】本発明の第４の実施例に係る光強度測定装置を示すブロック図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に時間をとり、縦軸に紫外線の入射強度及び紫外線センサの出力値をとって、バイアス光が紫外線センサ１１の出力特性に及ぼす影響を模式的に示すグラフ図であり、（ａ）は紫外線センサ１１にバイアス光が入射していない場合を示し、（ｂ）は紫外線センサ１１にバイアス光が入射している場合を示す。
【図１６】（ａ）及び（ｂ）は、横軸に時間をとり、縦軸に紫外線センサの出力値をとって、バイアス光が紫外線センサの出力特性に及ぼす影響の実験結果を示すグラフ図であり、（ａ）は紫外線センサにバイアス光が入射していない場合を示し、（ｂ）は紫外線センサにバイアス光が入射している場合を示す。
【符号の説明】
１；伝導帯
２；荷電子帯
３；電子
４；正孔
５、６；捕獲準位
７；線（紫外線の照射が強い場合を示す）
８；線（紫外線の照射が微弱である場合を示す）
９ａ、９ｂ；電極
１０；半導体膜
１１；紫外線センサ
１２；基板
１３；ダイヤモンド膜
１４ａ、１４ｂ；電極
１５；光強度測定装置
１６；紫外線
１７；チョッパ
１８；センサアンプ
１９；デジタルマルチメータ
２０；重水素ランプ
２１；ランプ電源
２２；破線（紫外線１６の強度変化）
２３；実線（紫外線センサ１１の出力値）
２４；実線（紫外線センサ１１の出力値）
２５；実線（（Ａ×Ｖｒｅｆ／Ｂ）の値）
２６；破線（紫外線センサ１１のベース値）
２７；破線（出力値の傾き）
２８；実線（紫外線センサ１１の出力）
３１；光強度測定装置
３２；シャッタ
３３；発光ダイオード
３４；バイアス光
３５；センサアンプ
３６；デジタルマルチメータ
３７；破線（紫外線１６の強度）
３８；実線（紫外線センサ１１の出力値）
３９；実線（紫外線センサ１１の出力値）
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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