［研究報告］

ZnO 単結晶基板を用いた UV-C 紫外線検出器に関する研究*
治之**、菊池遠藤

三千子**、芦生匡史**、目黒 和幸**、藤澤柏葉 安兵衛****充**、羽根一博***、火炎検出器を目指して開発中の Pt/MgxZn1-xO ショットキーフォトダイオード型 UV-C 紫外線検出器について報告する。試作した紫外線検出器は、Pt ショットキー電極、MgxZn1-xO 薄膜、n-ZnO単結晶基板、そして Pt/Ti オーミック電極から構成される。得られた最大電流感度は、波長 250nm において 0.034 A/W であった。
キーワード：酸化亜鉛単結晶、火炎検出器、薄膜、MgxZn1-xO ショットキーフォトダイオード

Studies of a UV-C Detector Using a ZnO Single Crystal Substrate
ENDO Haruyuki**, KIKUCHI Michiko**, ASHIOI Masafumi **, MEGUROKazuyuki**, FUJISAWA Mitsuru**, HANE Kazuhiro*** and KASIWABA Yasube****In this report, UV-C photodiode which aimed at a flame sensor is described. Thefabricated photodiode consisted of an anti-reflection SiO2 film, semitransparent Schottky
Pt electrode, Mg0.35Zn0.65O film, n-ZnO single crystal substrate and Pt/Ti ohmic electrode.
The maximum responsivity was 0.034 A/W at the wavelength of 250 nm.
key words: ZnO single crystal, flame detector, MgxZn1-xO film, Schottky photodiode１緒

言

短波長の紫外線である UV-C（波長 280-200 nm）の検出

近年ワイドギャップ酸化物半導体材料として酸化亜用途として、工業用燃焼炉や火災警報器等に使用され鉛(ZnO)が注目を浴びている。ZnO はバンドギャップがる火炎検出がある。現在 UV-C 検出に用いられているセ

3.2 eV と広いワイドギャップ半導体で、GaN との格子ンサとして光電効果を用いた光電管や、AlGaN 薄膜や定数のミスマッチが小さく、且つ束縛励起子の結合エダイアモンドを用いたセンサが報告されている。現在

1)

ネルギーが 60meV と大きいので、高効率の発光ダイオ

その優れた特性から光電型が実用化されているが、駆ードや紫外線レーザーとして期待される材料である。

動電圧が 300～400 V と高電圧が必要な上、センサ筐体

また、ZnO は安全で無公害、安価といった特長を持ち、がガラス性なので機械的強度が低く、サイズが数 cm3

更に可視光に対し透明で紫外線吸収率が高いことから、と大きく高価であるという問題がある。また、AlGaN

発光ダイオード材料としてだけでなく、紫外線センサやダイアモンドを用いた半導体式が実用化に向けて開などの受光デバイス材料としても期待されている。

発が進められているが、性能や価格の面で課題があり当センターでは、岩手県内に立地する東京電波㈱が、実用化はこれからである。

高純度な直径 2 インチサイズ ZnO 単結晶基板の開発にそこで本研究では、UV-C のみを吸収させる紫外線吸成功 2)したことを受け、この ZnO 単結晶基板の特性評収材料として、Mg/Zn 組成比制御によりワイドバンド価を行なうとともに、新たな応用製品の開発事業を進ギャップ化が可能な MgxZn1-xO 薄膜に着目した。MgO はめている。現在までに UV-A（波長 400-320 nm）や UV-B

バンドギャップが 7.8 eV の酸化物で、ZnO と化合させ（波長 320-280 nm）領域の日射紫外線検知を目的とし、ることにより MgxZn1-xO が合成され、Mg と Zn の組成比Pt 電極をショットキー電極とした Pt/ZnO ショットキを制御することにより、バンドギャップが ZnO の 3.2ーフォトダイオード型紫外線センサを開発してきた 3)、eV から MgO の 7.8 eV まで合成が可能な材料である。

4)。

また MgxZn1-xO 薄膜は ZnO 基板と格子整合性が良いため、一方、太陽光の地表到達限界波長である 280 nm よりZnO 基板を用いることにより高品質な薄膜の形成が可

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シーズ発掘試験「火炎検知用近紫外線検出器の開発」
電子情報技術部
東北大学大学院工学研究科
岩手大学地域連携研究センター

岩手県工業技術センター研究報告第 15 号（２００８）能である。本報告では UV-C 検出に適したバンドギャッ

Ar ガス流量 29 sccm、基板温度 500℃である。成膜しプをもつ Mg0.35Zn0.65O 薄膜を形成した Pt/Mg0.35Zn0.65O

た Mg0.35Zn0.65O 薄膜上にネガレジストを使用し半透明ショットキーフォトダイオードを作製し、その基本的電極用パターンを形成後、Pt 薄膜を膜厚 3 nm スパッ5)な動作確認をするに至ったので報告する 。

タにより成膜し、リフトオフにより Pt 電極をパターニングする。同様にリフトオフによりワイヤボンディン

２２－１実験

グパッド用 Pt を 100 nm パターニングする。検出対象

MgxZn1-xO 薄膜の形成となる波長 250 nm 付近で感度が最大になるように、UV-C 検出をするためには、波長 280 nm より短波長SiO2 からなる反射防止膜を 60 nm リフトオフによりパの光のみを吸収させるため、バンドギャップが 4.4 eVターニングする。最後に基板裏面に、Al2wt%：ZnO タ

以上の MgxZn1-xO 薄膜形成が必要となる。本研究では、ーゲットを用い、低抵抗 ZnO 薄膜を 150 nm 成膜後、連MgxZn1-xO 薄膜の成膜を超高真空斜入射三元同時スパッ続して膜厚 20 nm の Ti 薄膜と膜厚 100 nm の Pt 薄膜をタ装置（ULVAC;MPS-3000）により行なった。本スパッ成膜してオーミック電極が形成される。成膜工程が終

タ装置は、カソードが基板に対し 55 度傾けてオフアク了した基板はダイシングソーによりチップサイズ 2×シス配置されているため、プラズマダメージが低く結2 mm2 に切断されセンサチップが完成する。Ag ペース晶性の良好な薄膜成膜が可能である。

トを用いて TO-18 金属ステム上にダイボンディング後、表１に主なスパッタ条件を示す。スパッタ条件は、Au ワイヤによりワイヤボンディングしてダイオード

スパッタガス圧 0.3 Pa、O2 ガス流量 1 sccm、Ar ガスのアノードとカソードがパッケージに接続される。最流量 29 sccm、基板温度 500℃である。MgxZn1-xO 薄膜の後に石英基板が装着されたキャップが接着されセンサ

バンドギャップ評価用成膜基板として c 面サファイアが完成する。

基板を用いた。Mg と Zn の組成比制御は、直径 4 イン

試作した Pt/ Mg0.35Zn0.65O ショットキーフォトダイオ

チ MgO ターゲット放電電力を 200W 一定とし、直径 5ードの電気的特性は、半導体特性評価システム（ケーインチ ZnO ターゲットを同時放電させ ZnO 放電電力をスレー；4200-SCS, pre-Amp）を使用し、室温で暗所に制御することにより行なった。ZnO 放電電力は、50 W、2 分間放置後測定を行った。光学的特性測定のための100 W 及び 125 W の 3 条件で、MgO ターゲットと ZnO

光源として、紫外線特性評価装置（日本分光;IUV-25）

ターゲット放電電力比の違いによる ZnO 組成比のバンを使用した。本装置は Xe ランプを光源とし、モノクロドギャップエネルギー依存性について評価した。バン

メータにより分光した光を試料に照射可能な装置であ

ドギャップの評価は、分光光度計によりオプティカルる。絶対感度は、校正された Si フォトダイオードを使バンドギャップを測定することにより行なった。Mg/Zn用して算出した。素子の出力電流は、0 V バイアスの組成比分析は、X 線光電子分光（X-Ray Photoelectron

条件で電流アンプ（ケースレー; 428-PROG）により電Spectroscopy, XPS）により行なった。

圧に変換後、デジタルマルチメータ（ケースレー;2700）で電圧測定を行った。

表１

MgxZn1-xO 薄膜のスパッタ条件
３
項目

条件

３－１

結果

MgxZn1-xO 薄膜の光学特性

図 1 にサファイア基板上に成膜した MgxZn1-xO 薄膜のMgO ターゲット放電電力

200 W

ZnO ターゲット放電電力

50 W, 100 W, 125 W

分光透過特性を示す。比較のため、ZnO 基板の分光特スパッタガス圧

0.3 Pa性も図示した。結果より、MgO ターゲット放電電力 200O2: Ar ガス流量

1 sccm:29 sccm

W 一定の下で、ZnO ターゲットの放電電力を制御するこ

基板温度

500 ℃とにより、透過率が 0%となるバンドエッジ吸収波長が300 nm 程度まで短波長化し、バンドギャップをワイド

２－２

Pt/Mg0.35Zn0.65O ショットキーフォトダイオードの作製及び特性評価

バンドギャップ化出来ていることが分かる。表１に
XPS により組成分析した Zn に対する Mg モル分率を示素子の試作には、水熱育成法により製作された東京

す。ZnO 放電電力 50 W において、Mg モル分率 x=0.35、電波株式会社製 n 形 ZnO 単結晶基板（c 板、10×10×バンドギャップエネルギー4.14 eV が得られた。以上

0.5 mm3、抵抗率 50～500 Ω･cm）を用いた。次に素子の結果より、目標とする 4.4 eV に僅かに及ばないが、試作工程について述べる。有機溶剤により超音波洗浄

本条件を素子試作条件として選択した。

～乾燥後、超高真空斜入射三元同時スパッタ装置に基Pt/ Mg0.35Zn0.65O ショットキーフォトダイオー板を導入し、MgxZn1-xO 薄膜を 620 nm 成膜する。スパッ３－２

タ条件は、スパッタガス圧 0.3 Pa、O2 ガス流量 1 sccm、ドの電気的特性
図２に試作した Pt/M Mg0.35Zn0.65O ショットキーフォ

ZnO 単結晶基板を用いた UV-C 紫外線検出器に関する研究

R = I P POPT = (ηq hν )トダイオードの電流-電圧特性を示す。順方向電圧は

A/W.

(2)

1.7 V から立ち上がり、逆方向耐圧は 40 V 程度で、若干順方向電圧が高い結果となった。これは成膜した

図３に試作した Pt/ Mg0.35Zn0.65O ショットキーフォト

Mg0.35Zn0.65O 薄膜がノンドープのため抵抗が高い上、ダイオードの電流感度の分光特性を示す。結果より、

Pt-Mg0.35Zn0.65O ショットキー接触や Mg0.35Zn0.65O -ZnO

可視光から UV-B 領域の電流感度が低く、300 nm 付近接合界面に高抵抗層等の中間層が形成されたためと考から電流感度が増加し、評価に使用した紫外線特性評えられる。

価装置の測定限界である 250nm で最大感度 0.034 A/Wが得られた。この結果は AlGaN 等 7)の波長 265 nm に於ける最大電流感度 0.01 A/W に比較しても高感度である

100ことが分かった。

ZnOターゲット放電電力
50W

10x10

100 W

60

ZnO基板

40200250

300

350

400

450-98125 W

6Current [A]Transmittance [%]80425000

Wavelength [nm]-2

サファイア基板上に成膜した MgxZn1-xO 薄膜の

図１-40

図２MgxZn1-xO 薄膜オプティカルバンドギャップの125 W

成膜時間[h]22.55.53.8

膜厚 [nm]

500

520

520

22.294.5136.8

Mg モル分率0.35

0.080.02

オプティカルバンド

4.14

3.53

3.46[nm/h]

Pt/ Mg0.35Zn0.65O ショットキーフォトダイオード

40Responsivity [A/W]

100 W

スパッタレート

10-350 W

放電電力

050x10（MgO ターゲット放電電力:200W 一定）
タ ー ゲ ッ ト

-10の電流-電圧特性

MgO/ZnO ターゲット放電電力比依存性

ZnO

-20

Applied Voltage [V]分光透過特性表２-303020100300

400

500

600

700

800

Wavelength [nm]ギャップ [eV]
図３３－３

Pt/Mg0.35Zn0.65O ショットキーフォトダイオー

Pt/ Mg0.35Zn0.65O ショットキーフォトダイオードの電流感度の分光特性

ドの光学的特性フォトダイオードの量子効率ηは、(1)式で表わされる 。

η = ( I P q) /( POPT hν )４結言

本研究では火炎検出を目指して、UV-C 紫外線検出器6)を試作し、基本的な動作を確認した。スパッタ法によ(1)り作製した MgxZn1-xO 薄膜は、MgO ターゲットと ZnO ターゲットの放電電力比を制御することにより、Mg モル

ここで Ip は光電流、q は電子の電荷、POPT は受光パワ

分率 0.35 によりバンドギャップ 4.14 eV が得られた。

ー、hνはフォトンエネルギーを示す。フォトダイオー

試作した Pt/ Mg0.35Zn0.65O ショットキーフォトダイオー

ドの重要な性能指数である電流感度 R は(2)式で表わ

ドの最大電流感度は 0.034 A/W が得られた。

される。

岩手県工業技術センター研究報告
謝辞第 15 号（２００８）

4) H. Endo, M. Sugibuchi, K. Takahashi, S. Goto, T.

本研究を行うにあたり、東京電波株式会社杉村茂昭

Hasegawa, E. Ohshima, K. Meguro, K. Hane,

氏から ZnO 単結晶基板に関するアドバイスを頂きましand Y. Kashiwaba, IEEJ Trans. SM, 127, 131

た。また、組成分析にあたり当センター材料技術部三浦上席専門研究員及び藤原技師より支援を頂きました。

(2007).
5) H. Endo, M. Sugibuchi, K. Takahashi, S. Goto, K.

本研究は、JST シーズ発掘試験研究及び岩手県酸化亜Hane, and Y. Kashiwaba, Phys. Status. Solidi C

鉛産業クラスター形成事業により行われたものです。

(2008) in press.

この場をお借りしてお礼申し上げます。

6) S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices(Wiley, New York, 1981), p.262.2.

文献1) U. Ozgar, Ya. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A.
Reshikov, S. Dogan, V. Avrutin, S. J. Cho, and H.
Morkoc, J. Appl. Phys. 98, 041301 (2005).
2) E. Ohshima, H. Ogino, I. Niikura, K. Maeda, M.
Sato, M. Ito, and T. Fukuda, J. Cryst. Growth260, 166 (2004).
3) H. Endo, M. Sugibushi, K. Takahashi, S. Goto, S.
Sugimura, K. Hane, and Y. Kashiwaba, Appl.
Phys. Lett., 90, 12, 121906 (2007).

7) C. Pernot, A. Hirano, M. Iwaya, T. Detchprohm,H. Amano and I. Akasaki: Jpn. J. Appl. Phys. 39,(2000) 387.