酸化亜鉛単結晶を用いた光導電型紫外線センサの研究

• Material Type: 博士論文
• Title: 酸化亜鉛単結晶を用いた光導電型紫外線センサの研究
• Author/Editor: 高橋, 修三
• Author Heading: 高橋, 修三
• Publication, Distribution, etc.: 岩手大学
• Publication Date: 2015
• Publication Date (W3CDTF): 2015
• Pages: 1-80
• Degree grantor/type: 岩手大学
• Dissertation Number: 甲第254号
• Degree Type: 博士（工学）
• Target Audience: 一般
• Note (General): 出版タイプ： VoR; 紫外線は広範な分野で今後ますます使用されるようになり、またオゾンホールの影響で環境中の紫外線量は増加すると考えられる。そのため紫外線情報を知ることが重要で、安価、安全、取り扱いが容易な紫外線センサ（UVセンサ）の必要性が高まっている。可視光に応答せずに紫外線のみ検出するためには、エネルギーバンドギャップが3eV以上の半導体を使用するのが有利であるため、窒化ガリウム（GaN）、酸化亜鉛（ZnO）、酸化ガリウム（Ga2O3）などのワイドバンドギャップ半導体が検討されている。それらの中で、ZnOはバンドギャップが3.37eVであるので、近紫外線領域から深紫外線領域にわたって幅広く感度を持つと考えられる。しかも、レアメタルを含まず、高品質な大型単結晶が得られるのでUVセンサの材料として優れていると考えられる。高品質ZnO単結晶を使用したUVセンサの研究ではショットキー型の例があるが、感度がまだ低い。 本研究では、まだあまり調べられていないZnO単結晶の紫外線に関する光導電の諸特性を明らかにし、高い感度が得られると考えられる光導電型紫外線センサ実現の可能性を検討した。 本論文は7章から構成されている。第1章は序論であり、環境紫外線の増加要因、人体への影響、UVセンサの必要性および研究の目的を述べている。第2章ではUVセンサの現状とZnO単結晶の一般的性質、ZnO単結晶の育成方法について述べている。第3章では本研究の実験方法およびサンプルの作製について詳細に説明している。第4章では本研究に使用した水熱合成法で作製したZnO単結晶基板（c面基板）の各種評価実験結果と考察について述べている。研究に用いたZnO単結晶は、不純物をドーピングしないで育成されたもの（ノンドープZnO単結晶）と窒素（N）をドーピングして作製したもの（NドープZnO単結晶）の2種類である。両者の基板とも結晶性及び表面平坦性が優れ、高品質であることが示されている。また、NドープZnO単結晶基板のN濃度はおよそ1018 cm-3、抵抗率は108-9 Ωcmでノンドープ基板に比べて104倍以上高いことが分かった。これはドーピングされたNがアクセプタの働きをし、欠陥由来のドナーを補償したために高くなったと考えている。 第5章ではZnO単結晶基板の光導電特性を明らかにし、考察している。主な点は以下の通りである。①Nドープ及びノンドープ単結晶基板のZn面およびO面ともに紫外線領域にのみ感度があり、光電流のピーク波長は368-373 nmでZnO単結晶のバンドギャップとほぼ一致した。光電流はZn面よりもO面で大きかった。②光応答感度は、ノンドープZnO単結晶のO面で104 A/W, Zn面では約1.2×103 A/Wで、NドープZnO単結晶のO面では約4×103 A/W、Zn面ではおよそ4×102 A/Wとそれぞれ大きな値を示した。③15 μW/cm2の紫外光照射下での光電流/暗電流比は、ノンドープZnO単結晶ではO面では約6、Zn面では約5と小さい値であったが、NドープZnO単結晶ではO面で約7×104、Zn面で4×104と大きな値を示した。④可視光除去率（光電流の紫外線/可視光比）はNドープ単結晶基板のZn面が大きく、104以上の大きな値を示した。⑤光電流の時間応答特性はノンドープ単結晶基板で非常に遅かったがNドープ単結晶基板で速く、さらにO面よりもZn面で速い変化が得られた。⑥大気中、酸素ガス中、窒素ガス中、真空中での測定から、どちらの基板でも光電流は酸素の影響を強く受けて減少した。一方、酸素ガス中では時間応答は速かった。以上のような現象を以下のように考察している。2種類の基板ともZn面に比較するとO面の光電流の値が大きい。これはO面では電子を受け入れる表面準位密度が高く、これに電導帯の電子が取られてバンドが曲がり、光照射によって発生した電子と正孔が分離されて再結合の確率が減ってキャリアの寿命が長くなるためと考えられるが、Zn面では表面準位密度が低くバンドの曲がりが少ないためキャリアは分離されず、体積再結合と速い表面再結合によって光電流は小さいと考察している。NドープZnO単結晶基板で時間応答が速いのは、ZnOの酸素欠陥による深いトラップの形成がNのドーピングにより抑えられたためと考察している。そして、これらの結果から、NドープZnO単結晶基板の特にZn面がUVセンサに適していること、また適当な保護膜をセンサ表面に施し安定化することがセンサの特性を改善するであろうことを提案している。 第6章では第5章の提案を受けてNドープZnO単結晶センサを作製し、このセンサの諸特性について述べている。作製したUVセンサは、室内蛍光灯から出る弱い紫外線から太陽光の紫外線まで検出できることを示している。 第7章は結論である。主要な結果をまとめ、実用化への提言を行った。
• DOI: 10.15113/00010414; https://doi.org/10.15113/00010414
• Access Restrictions: インターネット公開
• Data Provider (Database): 国立情報学研究所 : 学術機関リポジトリデータベース（IRDB）（機関リポジトリ）; https://irdb.nii.ac.jp
• Original Data Provider (Database): 岩手大学 : 岩手大学リポジトリ