高感度マグネシウムシリサイド
短波長赤外線センサー
茨城大学

大学院理工学研究科
電気電子システム工学科
教授 鵜殿 治彦
2022年11月11日
1

社会が要請するサービスの進化
人が認識、判断し、提供するサービス
機械が認識、判断し、提供するサービス

無意識に提供される
サービス
Real ⇄ Virtual

センサが重要 ⇨ 短波長赤外(SWIR)センサに注目
2

短波長赤外（SWIR）の特徴••••

波長 0.9 ~ 2.5μmの赤外線
人には見えない、アイセーフ波長帯（1.4 μm〜）
低照度下でも高い視認性
プラスチックを透過、生体も比較的透過、H2Oの吸収帯
短波長赤外/SWIR0.81

中波長赤外/MWIR

2Mg2Si/

4µm
6Mg2Si1-xSnx

InGaAs

光起電力型

InAs(77K)

InSb(77K)
MCT (300K, 77K)
光通信

熱光発電

温度検出・熱イメージ
ガス検知

赤外イメージ（夜間監視・生体観察など）
3短波長赤外（SWIR）センサの問題点

センサユニット価格 （米ドル）10万SWIR

100万 1000万 1億

10億

100億

現状の〜1/1,000の価格
10,000倍の量産性が必要

SWIRイメージ
センサ現状①低価格化

新たな赤外センサ材料

CMOS
2000

②大量生産

CMOSイメージセンサ並の普及にはCMOS
2007

汎用普及領域

イメージセンサの出荷台数 （台）

CMOS
2020

Mg2Siに注目• 原料が豊富で安価• 基板結晶が利用可能• シリコンプロセスとの親和性
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マグネシウムシリサイド Mg2Si の基本物性
u 逆フッ化カルシウム(CaF2) 構造
uFm3m (立方晶)u 間接遷移型半導体
uEg = 0.61eV [1] ( Γ - X )[2]0.6351nm
u pn 制御可能
u 化合物混晶をつくる
uMg2Si/Ge/Sn/Pb
u 融点[3] 1085°C
u 耐酸化性 < 550°C
u 高い熱電性能 ZT~1W

X K[1] Udono et al., Jpn.J.Appl.Phys. 54 (2015) 07JB06.
[2] Y. Imai and A. Watanabe, Intermetallics 10(2002)333.
[3] T.B.Massaki et al., Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd (1990)

5資源･環境面から見たMg2Siの魅力;8"*%$&'!
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◎ 資源量が豊富、低コスト◎ RoHS対応◎ 良好な安定性
大量消費可能な半導体材料

クラーク数
順位

元素

地殻中濃度(ppm)

暴露限界TLV *(mg/m3)

2Si

27.7 x 104

104Fe

5.0 x 104- (5: Fe2O3)5Ca

3.6 x 104-8Mg

2.1 x 104- (10: MgO)

12Mn

9500.214Ba

425

0.515Sr

375

0.521Cr

1000.05(六価Cr)

34

Pb

130.1

49

As

1.8

**0.3x10-3>50

Sb

0.20.1>50

Cd

0.2

0.05>50Se

0.05

0.1>50Te

0.010.1*産業衛生学雑誌51（2009）98**発がんリスクレベル

6開発した新技術の全体像
結晶成長

基板加工

センサ作製

特性評価

Mg2Si の結晶・基板・センサ・特性評価の全工程を研究室内で開発

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Mg2Si 結晶成長 ~高品質化への取り組み~• 垂直ブリッジマン法

Ar– Ar=460 Torr @RT（成長時約3気圧）

TM +10°C• ルツボ材

蓋るつぼ位置– BN-アルミナ– PG-カーボン

石英アンプル

原料融液– pBN, BN, BN-pBN• 原料（Mg:Si=2:1）〜40 °C/cm– Mg (5N or 6N), Si (10N grade)• 融点 TM=1085℃• 昇温+溶融 2-3h4−10 mm/h

温度
Tamura, Udono et al., Thin Solid Films, 515(2007)8272
Udono et al., Jpn.J.Appl.Phys. 54 (2015) 07JB06
鵜殿, サーマルマネージメント 2-4-1.1 (2013) NTS.
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PG/pBNルツボでのMg2Si 結晶の成長
PG-カーボン るつぼ

BNコートアルミナ るつぼ

pBN るつぼ1cm1cmTamura, Udono et al., Thin Solid Films, 515(2007)8272
Udono et al., Jpn.J.Appl.Phys. 54 (2015) 07JB06

9PG/pBNルツボでの固着による小傾角粒界の問題
PG-graphite crucible

Mg2SiCuKax220

y220

440z440(deg)

2q at 220 ref.

方位のズレは最大２deg
g＝422
div.=0.06 deg.

2mm

反射X線トポグラフ像
H. Udono et al., Jpn.J.Appl.Phys. 54 (2015) 07JB06

Y. Fuse, H. Uodno et al., APAC-Silicide 2019, Miyazaki.
布施雄太郎, 茨城大学大学院理工学研究科 修士論文2020.
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各種ルツボの濡れ性と小傾角粒界の観察結果

・結晶の終端部凸⇒濡れ性が悪い⇒ 固着しない
固着
凹⇒濡れ性が良い

SampleMg2Si
PG carbon
BNpBN

線膨張係数(10-6K-1)
7.5
4.62-5.43.1

引っ張り応力で小傾角粒界が発生

Y. Fuse, H. Uodno et al., APAC-Silicide 2019, Miyazaki.
布施雄太郎, 茨城大学大学院理工学研究科 修士論文2020.
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BNコートpBNルツボによる固着抑制に成功
X線ロッキングカーブ測定
440 diff.

Growthdirection

point

FWHM (")#143.9#251.1#3

46.1

X’Pert MRD Pro
入射X線幅〜35”

R.Masubuchi, H.Udono et al., J. Crystal Growth,571(2021)126258.
12φ18 mm 高品質Mg2Siウエハ

FWHM 15.6”

鵜殿治彦 応用物理 88(2019)797.

13

Mg2Si結晶の大型化（２インチ結晶）

現在開発中
T. Umehara, H. Uodno et al., APAC-Silicide 2022, Online.
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Mg2Si pn接合フォトダイオード(PD)の開発■ High purity Mg2Si■ n-Mg2Si(110) sub.

10N-Si, 5N-Mg, Bridgman growthn ~1015 cm-3, μ ~450cm2/Vs■ Metal deposition & RTA
n+ Ohmiccontact
n-Mg2Si sub.
n+ layer
Al diffusion

p+ n junction
p+ Au cap

Agdiffusion

n-Mg2Si sub.
n+ layer

Udono et al., Jpn.J.Appl.Phys. 54 (2015) 07JB06■ Mesa etching■ Photolithography

wet / dryp+ Au cap

Ring / Mesh contact

φ0.8 mmp+n-Mg2Si sub.

n-Mg2Si sub.

n+ layern+ layern-Mg2Si sub.

H. Udono et al., J.Phys.Chem.Sol., 74 (2013) 311.
鵜殿治彦 応用物理 88(2019)797.
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開発したMg2Si-PDの構造と受光感度の変遷
Year
メッシュ電極メッシュAu/Ni

メッシュAu/Ti

2017

リングリング電極

2016

100 μm

円盤円盤電極2013

Zero bias
at 300K

100 μm

鵜殿治彦 応用物理 88(2019)797.
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Mg2Si-PD受光感度とその向上
受光感度の計算式*
𝝀𝒆"𝜶𝑾
𝑰𝝀 = 𝟏 − 𝑹
𝟏−𝟏𝟐𝟒𝟎𝟏 + 𝜶𝑳𝒑
2021年試作の Mg Si-PD
2単素子で量子効率80%以上を達成
理想的なMg2Si-PDの受光感度予測**鵜殿治彦 レーザー研究 (2022).

2021年JST-ASTEP成果

イメージセンサ要素技術を開発
2022-25年JST-ASTEP育成

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従来技術とその問題点
非冷却のSWIR域赤外センサでは、InGaAsによるPDやイメージセンサが民生用途でも実用化されている。
• 受光層と同じ材質の基板が無い• InP基板等への高品質成膜が必要• 熱膨張係数差による欠陥が生成しやすい• 歩留まりが低い、高価な成膜装置が必要• 量産・低価格化が進んでいない等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。
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新技術の特徴・従来技術との比較• 新規SWIR域センサ材料としてMg2Siを提案。
• 高品質なMg2Si結晶を実現し、簡易な熱拡散プロセスで、SWIR域で量子効率80%以上のPDを開発した。
• Mg2Si結晶の利用により、安価な基板とプロセスで製造できるため、赤外線センサの価格を1/100程度に低減できることが期待される。
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想定される用途• LiDARなどの検出器• 路面などの凍結の有無の検出• プラスチックの種類の分類• 夜間の監視、観察• 農作物など状態管理• 非接触の体調観察などヘルスケア
20実用化に向けた課題• 受光感度は、実用レベルの量子効率80%以上を実現済み。しかし、高感度なセンサ用途では暗電流の低減が必要である。
• 結晶品質を改善し、キャリア寿命に起因する暗電流の低減を行っていく。
• イメージセンサ化の要素技術は現在開発中• 量産化に向けたMg2Si結晶の大口径化、基板加工、デバイスプロセスの確立も必要。
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企業への期待• Mg2Si結晶の大口径化、センサの高感度化は開発技術の進化で克服できると考えている。
• 基板加工の技術、デバイス（PD,イメージセンサ）製造技術を持つ企業との共同研究を希望。
• また、SWIR域の赤外線センシング分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：Mg2Si単結晶体、 Mg2Si単結晶基板、赤外線受光素子及びMg2Si単結晶体の製造方法• 出願番号：PCT/JP2021/007223• 国際公開番号：WO 2022/064735• 出願人 ：茨城大学、JX金属• 発明者 ：鵜殿治彦、朝日聰明
23産学連携の経歴（過去５年）• 2017年-2018年 JST JST地域産学VP事業に採択• 2019年-2021年 NEDO 先導研究・エネ環事業に採択• 2021年-2022年 JST A-STEP育成(補正）事業に採択• 2022年-2025年 JST A-STEP育成事業に採択
多数の企業との共同研究の実施実績有り

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お問い合わせ先
茨城大学
研究・産学官連携センター（日立オフィス）
知財担当
ＴＥＬ 0294-38-7281
ＦＡＸ 0294-38-5240
e-mail chizai-cd@ml.ibaraki.ac.jp
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