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古屋大学天野浩 1 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？ 2 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.htm www.nxtlens.jp/html/protect/sick.html http://www.moshimo.com/item_image/0003500000025/3/l.jpg 必要要件：波長選択性 3 車内LAN 車内LAN・・・高感度・高耐久性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=3 p // g/ p p 4 必要要件：波長選択性、高温動作、高速、高感度必要要件：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理想的な燃焼のためにはセンサーが必要 5 http://www.tepco.co.jp/higashi-tp/m_06a-j.html 火炎センサー火炎センサ太陽光・白熱灯には反応しない太陽光白熱灯には反応しない紫外線検出器 6 ソーラーブラインドブイドこの領域 (250nm～280nm) 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 100 280 オゾン層で吸収 7 320 400 地表へ届く太陽光 760 波長(nm) 主流は光電管光電子倍増管価格と寿命が課題 8 効率100%の線 Siフォトダイオード+フィルター感度不足必要要件：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、安価材料の選択材料選択紫外線・可視光センサーとしては窒化物半導体が最適 Visible UV IR Bandgap energy Eｇ [eV] 6 0 5.0 6.0 30 3.0 20 2.0 50 4 4.0 0 ZnSe Lattice Constantt a [nm] 0.6 Si a-Al O Relative eye response (under day light) 2 その他のメリット *高温動作 *ノイズに強いノイズに強い *長寿命 *安価 3 InN AlInN 0.34 GaInN ZnO ZrB2 0.32 GaN AlN 0.30 200 9 GaAs 05 0.5 0.36 10 1.0 AlGaN 6H-SiC 400 600 Wavelength  [nm] 1800 λ[nm]＝ 1240 E [ eV ] g 受光素子の構成光 P電極 u-AlGaN 光導電セル抵抗率が変化光 + ショットキ ‐:ショットキー u-AlGaN u GaN u-GaN 光光ソスソース電極 p-AlGaN u-AlGaN n-AlGaN ゲート電極ドレイン電極 u-AlGaN u-GaN u-GaN n電極光FET pinフォトダイオード光電流が変化光電流が変化 MSM 2DEG 紫外光センサーの必須要素 10 応答速度 <1ms 受光感度 >10 10４ A/W 暗電流 (S/N比) >10-8 A (>4th order) 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) Light Off 1 低温AlN中間層 GaN (1 m) 低温バッファ層 Sapphire (0001) Al0.43Ga0.57N (1 m) GaN (1 m) Al0.43Ga0.57N (1 m) 低温バッファ層低温バッファ層 Sapphire (0001) 0.1 Sapphire (0001) Al0.4 3Ga0 .57N (1 m) 低温AlN中間層低温AlN中間層  ) G N (1 m) GaN 低温バッファ層 GaN (1 m) GaN (1 m) 低温バッファ層 Sapphire (0001) 低温AlN中間層 GaN (1 m) Sapphire (0001) 低温バッファ層 Sapphire (000 1) 0.01 0.1 11 1 10 Time (s) 100 1000 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 12 火炎センサ火炎センサーへの応用の応用 0229a Meij18-D Mesh electrodes 0V Flame response (d>4cm) -12 2 10 N R No Room Li Light ht Room Light ON Filter U330 Filter U330 -12 1.5 10 Current (A A) -12 1 10 -13 5 10 0 -13 -5 10 No Filter No Filter -12 -1 10 80 160 240 320 Time(s) 感度特性 400 480 室内光がある状態で室内光がある状態火炎を感知可能 H15年度紫外受光素子として使用可能 13 従来の研究結果応答速応答速度暗暗電流受光感度 S/N比＞50ms 10-8 A 10-3 A/W × 103 ○ pinフトダイオド pin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： JJAP 43(2004)L 683) JJAP, - 1.8×10 1 8 10-88 A 0.144 A/W ○ △ 102 △ 光FET (APA Opt. O t Inc.: I Ele. Lett.,31(1995)398) ＜1ms 10-3 A 3×103 A/W 1.29 Structure 光導電セル (大阪ガス名城大： (大阪ガス、名城大： JJAP, 38(1999)L487) 14 × ◎ ◎ ○ ◎ △ △ ○ ○ × 感度が違う要因光 P電極 pp-AlGaN AlGaN u-AlGaN nn-AlGaN 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 n電極 pinフォトダイオードダド光ソース電極ゲートゲ電極 u-AlGaN u-GaN u-GaN 15 光FET ドレイン電極 ⇒2DEGの移動度は~1000cm2/Vs ⇒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 (104~105A/W程度)感度が可能本研究のアプ本研究のアプローチチ特性 Source Gate Drain n-AlGaN n-GaN u-GaN 暗電流 1.4mA × 光電流 1.8mA 18 A ◎ 感度 3000A/W ◎ LT-buffer Sapphire(0001) Sample structure ・・・(*) が常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 p-GaN u-AlGaN p-GaN Mg concentration : ～3×1019 〔cm-3〕 thickness: 120 〔nm〕 u-GaN LT b ff llayer LT-buffer Sapphire 17 u-AlGaN AlG thickness : 13〔nm〕 AlN molar l fraction f i : 0.21 0 21 デバイス構造 UV light 2 m Ti/Al source エネgy ルギー[eV Energ [eV] V] Ti/Al Drain p-GaN 120nm u Al0.21Ga0.79N u-Al 13nm u-GaN 2m LT b ff LT-buffer Sapphire (0001) 18 p-GaN u-AlGaN u-GaN 7 6 5 EC 4 3 EF 2 1 EV 0 100 150 200 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 p型GaNによって空乏層が形成⇒暗電流の低減暗電流の低減  受光領域には金属がない⇒感度がさらに向上実験結果 10m 0.4 with 264 nm UV light with 365 nm UV light 1m 0.3 with 365 nm UV light IDS[A A/mm] IDS[A/m mm] 100µ 10µ Dark current 02 0.2 1µ 0.1 100n 10n RT 0 0.0 5 10 15 VDS[V] Source 19 20 0 5 10 15 20 VDS[V] p-GaN 120nm Drain Source Drain u-Al0.21Ga0.79N 15〔nm〕 u-Al0.21Ga0.79N 15〔nm〕 u-GaN 2.7〔m〕 LT-buffer layer u-GaN 2.7〔m〕 LT-buffer layer Sapphire(0001) Sapphire(0001) 実験結果のまとめ using p-GaN 暗電流 [[A/mm]] 光電流 (@365nm) [A/mm] 受光感度 [A/W] without p-GaN 10-8 0.25 10-3 0.27 1.25×105 5.6×105 高感度感度：5桁 20 受光感度スペクトル 105 300nm (40 W/cm2) VDS=5V 感度: 4.6×104 A/W Photoseensitivity [A/W] 104 103 102 101 RT V DS=5[V] 100 250 300 350 400 Wavelength [nm] 450 p photoc currentt [A/m mm] 光強度光電流特性光強度-光電流特性 350µ light source : 365nm UV-LED UV LED VDS = 5V 300µ 250µ 200 200µ 10 to 200 W/cm2 150µ 100µ 50µ 0 0 50 100 150 200 2 photo intensity [W/cm ] 応答速度 -3 Photoocurrent [A/mm] 5.0x10 -3 応答速度 4.0x10 -3 3.0x10 約1m秒 -3 2.0x10 -3 1.0x10 00.00 0.0 0.1 0.2 0.3 time [s] 0.4 0.5 まとめ Structure p型ゲートFET (本研究) 本研究 p otoco ducto photoconductor (大阪ガス、名城大： JJAP, 38(1999)L487) pinフォトダイオード (大阪ガス、名城大： JJAP, 39(2000)L387) MSM 2DEG (名工大： (名大 JJAP, 43(2004)L 683) 24 Photo FET (APA Opt. Inc.: Ele. Lett.,31(1995)398) 応答速度暗電流受光感度 S/N比比約1ms 10-9 A 1×105 A/W 1×105 ＞50ms 10-8 A 10-3 A/W × 103 ○ ＜1ms 1 11 A 2×10 2 10-11 0 23 A/W 0.23 6.7×10 6 7 103 - 1.8×10-8 A 0.144 A/W ○ △ 102 △ 10-3 A 3×103 A/W 1.29 ◎ × ◎ ＜1ms ◎ ◎ ○ ◎ △ ◎ △ ○ ◎ ○ ×