紫外線センサーの開発

名城大学 岩谷素顕 竹内哲也 上山智 赤﨑勇名城大学 岩谷素顕 竹内哲也 上山智 赤﨑勇

名古屋大学 天野浩

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目的目的

紫外線センサーの用途

紫外線センサーがどこに必要か？

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メディカル・バイオ分野・・・紫外光源のパワー制御

皮膚がん 白内障

www.mirai.ne.jp/~seisinc5/wadai0108.htmwww.nxtlens.jp/html/protect/sick.htmlwww.nxtlens.jp/html/protect/sick.htmlhttp://www.moshimo.com/item_image/0003500000025/3/l.jpg

必要要件：波長選択性

3

必要要件：波長選択性

車内LAN・・・高感度・高耐久性車内LAN 高感度 高耐久性高温動作可能な可視光高速・高感度フォトダイオード

http://www.can‐cia.org/index.php?id=228&L=3p // g/ p p

必要要件：波長選択性 高温動作 高速 高感度

4

必要要件：波長選択性、高温動作、高速、高感度窒化物半導体のメリット：ノイズに強い、環境的マッチングが良い

火炎センサーの応用分野

理想的な燃焼のためにはセンサ が必要http://www.tepco.co.jp/higashi-tp/m_06a-j.html

理想的な燃焼のためにはセンサーが必要5

火炎センサ火炎センサー

太陽光・白熱灯には反応しない

紫外線検出器

太陽光 白熱灯には反応しない

紫外線検出器

6

ブ イ ド

この領域(250nm～280nm)

ソーラーブラインド

波長 波長波長 波長

火炎のスペクトル 太陽光と白熱光

火炎特有の光火炎特有の光

100 280 320 400 760 波長(nm)

地表へ届く太陽光オゾン層で吸収

7

主流は光電管効率100%の線

主流は光電管

光電子倍増管Siフォトダイオード+フィルター

光電子倍増管

価格と寿命が課題

感度不足

価格と寿命が課題

8

必要要件：波長選択性、高温動作、高感度、高S/N比窒化物半導体のメリット：長寿命、安価

材料の選択紫外線・可視光センサーとしては窒化物半導体が最適

材料 選択Visible

UV IRBandgap energy Eｇ [eV]

6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0

0 5

0.6Si

GaAsZnSe

6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0

0.36

0.5

InN

a-Al

2O

3Relative eye response(under day light)

t a [n

m] その他のメリット

*高温動作*ノイズに強い

0.34GaInN

AlInN

ZnOCon

stan

t

ノイズに強い*長寿命*安価

0.32ZrB

2

6H-SiCAlN

GaNLatti

ce

200 400 600 1800

0.30 AlGaN6H-SiCAlN

200 400 600 1800Wavelength [nm] ][

1240eVE g

λ[nm]＝9

受光素子の構成

ソース ドレイン

光

ゲート電極

P電極 光光

u-AlGaN

ソ ス電極

ドレイン電極u-AlGaN

光導電セル

電極

p-AlGaNu-AlGaN

u-GaNu-GaN抵抗率が変化

n-AlGaN

n電極ショットキ光

光FETpinフォトダイオード

n電極

光電流が変化光電流が変化

u-AlGaN+ ‐:ショットキー

u GaN 光電流が変化

応答速度 受光感度暗電流

u-GaNMSM 2DEG

紫外光センサーの必須要素

応答速度 受光感度暗電流

(S/N比)

10４ A/W >10-8 Aの必須要素<1ms >10４ A/W >10 A

(>4th order)10

本グル プの成果本グループの成果高品質AlGaNによる光導電セルの実現

1999年 JJAPなどで報告

GaN (1 m)

低温AlN中間層

GaN (1 m)

1Light Off

GaN (1 m)

低温バッ ファ層

Sapphire (0001)

Al0.43Ga0.57N (1 m)

低温AlN中間層

0.1

Al0.43Ga0.57N(1 m)

低温バッファ層

Sapphire (0001)

GaN (1 m)

低温バッファ層

Sapphire (0001)

Al0.43Ga0.57N (1 m)

低温AlN中間層

G N (1 )低温AlN中間層

GaN (1 m)

低温バッ ファ 層

Sapphire (0001)

0.01

GaN (1 m)

低温バッファ層

Sapphire (0001)GaN (1 m)

低温AlN中間層

GaN (1 m)

低温バッファ層

Sapphire (0001)

0.1 1 10 100 1000Time (s)

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本グル プの成果本グループの成果 高品質AlGaNによるソーラブラインドpinフォトダイオード

2000年 JJAPなどで報告2000年 JJAPなどで報告

12

火炎センサ の応用2 10-12

0229aMeij18-D Mesh electrodes

0V Flame response (d>4cm)

N R Li ht

火炎センサーへの応用

1 10-12

1.5 10-12

A)

Room Light ONNo Room Light

0

5 10-13

Cur

rent

(A

-1 10-12

-5 10-13

80 160 240 320 400 480

No Filter No FilterFilterU330

FilterU330

室内光がある状態Time(s)

感度特性

室内光がある状態で火炎を感知可能

H15年度

紫外受光素子として使用可能

H15年度

13

従来の研究結果従来の研究結果

応答速 暗Structure 応答速度 暗電流 受光感度 S/N比

光導電セル(大阪ガス 名城大：

＞50ms

×10-8 A

○10-3 A/W

×103

○(大阪ガス、名城大：JJAP, 38(1999)L487) × ○ × ○pinフォトダイオード ＜1ms 2×10-11 A 0.23 A/W 6.7×103pinフ トダイオ ド(大阪ガス、名城大：JJAP, 39(2000)L387) ◎ ◎ △ ○

1 8 10 8

MSM 2DEG(名工大：

JJAP 43(2004)L 683)

- 1.8×10-8

A

○0.144 A/W

△102

△JJAP, 43(2004)L 683) ○光FET

(APA O t I＜1ms 10-3 A 3×103 A/W 1.29

14

(APA Opt. Inc.:Ele. Lett.,31(1995)398) ◎ △ ○ ×

感度が違う要因

p AlGaN

P電極 光

p-AlGaN

n-AlGaNu-AlGaN

ここで発生する電子‐正孔対が光電流になる

光子の数に依存

ダ ド

n AlGaN

n電極

pinフォトダイオード

ゲ

光

ソース電極

ドレイン電極

ゲート電極

⇒2DEGの移動度は~1000cm2/Vsu-AlGaN

u-GaN⇒ゲート直下に働く電界は~2.5×104 V/cmドリフト電流=qnμE なので⇒光励起によって2DEGが少し増加でも高い

15u-GaN

光FET

(104~105A/W程度)感度が可能

本研究のアプ チ本研究のアプローチ特性

Source DrainGate 暗電流 1.4mA ×

光電流 1 8 A ◎n-AlGaNn-GaN

光電流 1.8mA ◎

感度 3000A/W ◎u-GaN

Sapphire(0001)LT-buffer

感度 3000A/W ◎

が 常Sample structure

Sapphire(0001)

・・・(*)暗電流が非常に大きい

(低S/N比)

改善する新しい方法が必要

16 (*) M.A.Khan, M.S.shur, Q.Chen,J.N.Kuznia, C.J.Sun, Elec. Lett., 31,1995,398.

デバイス構造デバイス構造

Mg concentrationp-GaN

u-AlGaNp-GaN

Mg concentration: ～3×1019 〔cm-3〕

thickness: 120 〔nm〕

u-GaNLT b ff l AlG

thickness: 120 〔nm〕

Sapphire

LT-buffer layerthickness : 13〔nm〕

AlN l f i 0 21

u-AlGaN

AlN molar fraction : 0.21

17

デバイス構造デバイス構造UV light

Ti/Al Drain 2 mp-GaN u-AlGaN u-GaN

6

7

V]

Ti/Al source

u Al Ga N

p-GaN 120nmEC

3

4

5

6

ルギ

ー[e

Vgy

[eV

]

LT b ffu-GaN 2m

u-Al0.21Ga0.79N 13nm

EF

EV0

1

2エネ

Ener

g

Sapphire (0001)LT-buffer

100 150 200

深さ[nm]depth [nm]

8 m技術的なポイント p型GaNによって空乏層が形成⇒暗電流の低減

18

p型GaNによって空乏層が形成 暗電流の低減 受光領域には金属がない⇒感度がさらに向上

実験結果

1m

10m

with 264 nm UV light0.4

with 365 nm UV light

10µ

100µ

mm

]

with 365 nm UV light

0 2

0.3

A/m

m]

Dark current

1µ

10µ

I DS[A

/m

0.1

0.2

I DS[A

10n

100n

RT0 5 10 15 20

0.00 5 10 15 20

VDS[V]

0 5 10 15 20VDS[V]

Source DrainSource Drainp-GaN 120nm

u-Al0.21Ga0.79N 15〔nm〕

u-GaN 2.7〔m〕

Source Drain

u-Al0.21Ga0.79N 15〔nm〕

u-GaN 2.7〔m〕

Source Drain

19 Sapphire(0001)

LT-buffer layer

Sapphire(0001)

LT-buffer layer

実験結果のまとめ実験結果のまとめ

using p-GaN without p-GaN

暗電流 [A/mm] 10-8 0.25暗電流 [ ]

光電流 (@365nm) [A/mm] 10-3 0.27

受光感度 [A/W] 1.25×105 5.6×105

高感度

感度：5桁

高感度

20

感度：5桁

受光感度スペクトル受光感度スペクトル

5

104

105

300nm (40 W/cm2)VDS=5V

103

10

[A/W

] 感度: 4.6×104 A/W

102

10

ensi

tivity

101 RTPhot

ose

250 300 350 400 450100

VDS=5[V]

250 300 350 400 450Wavelength [nm]

光強度 光電流特性光強度-光電流特性

300µ

350µ

mm

] light source : 365nm UV LED

VDS = 5V

200

250µ

300µ

t [A

/m

365nm UV-LED

150µ

200µ

curr

ent

10 to 200 W/cm2

50µ

100µ

phot

oc

0 50 100 150 2000

p

photo intensity [W/cm2]photo intensity [W/cm ]

応答速度応答速度

5.0x10-3

3.0x10-3

4.0x10-3

[A/m

m]

約1m秒

応答速度

2.0x10-3

3.0x10

ocur

rent

約1m秒

0 0

1.0x10-3

Phot

o

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50.0

time [s]

まとめ応答速度 暗電流 受光感度 比Structure 応答速度 暗電流 受光感度 S/N比

p型ゲートFET本研究

約1ms

◎10-9 A

◎1×105 A/W

◎1×105

◎(本研究) ◎ ◎ ◎ ◎photoconductor ＞50ms 10-8 A 10-3 A/W 103p otoco ducto

(大阪ガス、名城大：JJAP, 38(1999)L487) × ○ × ○

1 2 10 11 A 0 23 A/W 6 7 103pinフォトダイオード(大阪ガス、名城大：JJAP, 39(2000)L387)

＜1ms

◎2×10-11 A

◎0.23 A/W

△6.7×103

○MSM 2DEG(名工大：

- 1.8×10-8

A0.144 A/W

△102

△(名 大JJAP, 43(2004)L 683) ○ △ △

Photo FET ＜1ms 10-3 A 3×103 A/W 1.29Photo FET(APA Opt. Inc.:

Ele. Lett.,31(1995)398) ◎ △ ○ ×24