JPH0227826B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、導電率の大きなアモルフアス半導体
薄膜の有する３つの特徴、すなわちp⁺形薄膜、
n⁺形薄膜の有する大きな熱電能、p⁺−n⁺接合部
の有するオーミツク性、薄膜形成の容易さと微細
加工性に着目して構成した薄膜p⁺−n⁺接合形ア
モルフアス半導体熱電対素子に関する。さらに詳
しく述べれば、p⁺形、n⁺形は、従来のｐ形、ｎ
形アモルフアス半導体に比べて大きな導電率の、
すなわち少なくともσが１（Ω・cm）^-1以上である
ことを示すものが発明者により見出されたから、
このアモルフアス半導体で構成したp⁺−n⁺接合
形アモルフアス半導体熱電対素子に関する。特に
この熱電対素子を応用して構成される直流から光
波に至る電力検出素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、電力（特に高周波電力）を測定する場合
検出素子としてはボロメータが用いられ、最近で
は、Bi−Sb等に代表される薄膜熱電対素子やSi
−Ta₂Nに代表される半導体−薄膜熱電対素子が
用いられている。サーミスタやバレツタなどのボ
ロメータを検出素子として用いた方式は、高周波
エネルギーを吸収したときに生じる抵抗値変化か
ら間接的に入射電力を測定するもので、周囲の温
度変化に対して敏感に抵抗値が変化するために零
点が変動し、この零点ドリフトを補償する回路が
必要となつた。その上サーミスタの場合は、周波
数が高くなると入力定在波比が大きくなり、ま
た、バレツタの場合は、過電流に弱いなどの欠点
がある。検出素子として、薄膜熱電対素子や半導
体−薄膜熱電対素子を用いた方式は、薄膜熱電対
素子又は半導体−薄膜熱電対素子が入射高周波電
力を吸収し、その入射電力に比例した直流の熱起
電力に変換して測定するものである。

この方式は、周囲温度の変化による零点ドリフ
トは小さいが、1μW以下の微小な電力を測定す
るのが困難である。特にBi−Sb等に代表される
薄膜熱電対素子の場合は一対当りの熱起電力が
高々120μV／℃と小さく、しかも金属の融点が低
く、特に、この金属をポリイミドフイルムやマイ
カ等絶縁性基板に蒸着膜を形成した場合、基板と
の付着力が弱くなる。しかも、水や有機溶剤によ
つて膜質が損なわれるので、フオトエツチング技
術に代表される微細加工技術が使用できないため
素子形状が大きくなり、従つて、検出できる周波
数領域が制限され、また、応答速度に数秒を要す
る等の欠点がある。一方、Si−Ta₂Nに代表され
る半導体−薄膜熱電対素子は、支持基板のSiの熱
伝導率が約1.45W／cm．℃と大きい。このため熱
電対素子の検出感度を高めるため、Si基板を薄く
する必要があり、実用化素子では、基板厚さが
5μｍである。チツプ状Si基板の一部を薄くするた
めには通常選択性エツチング技術が用いられるた
め、あらかじめ、Si基板にエツチングストツパ用
拡散層を形成する必要がある。

又、金属薄膜の代わりに、熱電能の大きな半導
体薄膜を用いる方法も検討されてきたが、膜の安
定性に欠け、微細加工が施せず、更にシリコン薄
膜では基板の堆積温度として700℃以上を必要と
しているため、実用上のメリツトが少なかつた。

以上述べたように、半導体−薄膜熱電対素子
は、構造が複雑な上に製造方法も困難さを伴う。

一方、薄膜形成技術の進展により、半導体薄膜
を用いて熱電対を構成する方法が種々検討されて
きた（例えば、特開昭第53−143180号公報、特開
昭第57−7172号公報）。確かに、真空蒸着法、ス
パツタ法あるいはプラズマCVD法を用いて半導
体薄膜を形成した場合、結晶性が損なわれて非晶
質化すること、すなわちアモルフアス化すること
により熱起電力としては１ｍＶ／℃程度の大きな
値が得られている。しかしながら、導電率も同時
に小さくなり、ｐ−ｎ接合型熱電対素子を構成し
た場合、ｐ−ｎ接合が形成されてしまい、オーミ
ツク性を示さなくなる。このため、電力検出素子
として用いる上では、整流作用により、検出レベ
ルと出力間に比例関係が成立せず、補正回路を必
要とした。又、この整流作用をなくすため、ｐ−
ｎ接合間に金属膜を挿入したり、あるいは覆つた
りすることも試みられているが、この場合は、新
たにシヨツトキー接合が形成される。又、このシ
ヨツトキー接合をなくすには、金属膜との接合部
のキヤリアをイオン注入法等を用いて高濃度にド
ープすることが必要であり、素子作成法が極めて
複雑となつていた。更に、素子抵抗が大きくなる
ので、抵抗による熱ノイズが増大し、最小検出レ
ベルを制限してしまつていた。

従つて、以上における非晶質薄膜半導体の熱電
材料としての欠点、すなわち、熱起電力は大きい
が、導電率が小さくなつてしまうことを改善する
ため、材料の組成を変えることにより導電率を増
大化させる試みがなされており、例えばAsの非
晶質半導体材料にNiを添加することにより、導
電率としては３×10⁰〔Ω・cm〕^-1と増大させるこ
とに成功したが、残念ながらゼーベツク係数、す
なわち熱電能としては50μV／℃と金属並みの低
い値しか得られていない（例えば、特開昭第53−
143180号公報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上の点に鑑み、導電率と熱電能とが共に大き
く、しかもp⁺−n⁺接合部がオーミツク特性を有
することによりｐ−ｎ接合部間にことさらにオー
ミツク電極を介在させる必要がなく、加えて薄膜
形成が容易でかつ微細加工性を有するp⁺型、n⁺
型アモルフアス半導体薄膜を発見し、これらを組
み合わせた熱電対素子、特に安価で小型、測定可
能な周波数範囲が広く、高速応答でしかも高感度
の電力検出素子を実現することが、本発明の解決
しようとする課題である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、導電率の大きなアモルフアス半導
体薄膜が今回、発明者により新たに発見された事
実、すなわちアモルフアスSi薄膜の有する大きな
熱電能、p⁺−n⁺接合部のオーミツク性、薄膜形
成の容易さと微細加工性に着目して高性能で安価
なかつｐ−ｎ接合部間にオーミツク電極が不用の
新しい構造の熱電対素子およびこの熱電対素子を
応用した小型で、素子抵抗が小さく、測定周波数
範囲が広く、高速応答かつ高感度の電力検出素子
を実現することにより問題点を解決するものであ
る。

〔実施例〕

第１図及び第２図は、発明者により新たに発見
された熱電能、導電率が共に大きなp⁺形、n⁺形
半導体薄膜の熱電能−導電率特性および温度差−
熱起電力特性を示す図である。SiF₄とH₂の混合
ガスをDCグロー放電法により合成したアモルフ
アスSi薄膜（ａ・Si−Ｆ−Ｈ）より構成されてい
るのを特徴とし、第１図で丸印はp⁺形の、また、
＋印はn⁺形の特性を示す。熱電能αはp⁺形で正、
n⁺形で負となる。p⁺形薄膜およびn⁺形薄膜形成
用ドーピングガスとしては、それぞれB₂H₆、
PH₃を用いた。熱電能としては、絶対値でp⁺形が
200μV／℃以上、n⁺形が150μV／℃以上を示し、
p⁺形とn⁺形は互いに逆の極性を示す。

p⁺−n⁺接合型の熱電能（α）としては350μV／
℃が得られている。また、この時の導電率（σ）
は20（Ω・cm）^-1以上と大きい。

第２図は、p⁺形およびn⁺形薄膜の両端にメタ
ル電極を設け、冷接点側を室温とし、温接点を高
温にし、温接点と冷接点（室温）との温度差ΔT
に対する熱起電力Vthの関係を示したものであ
る。第２図中、実線はp⁺形、一点破線はn⁺形の
特性を示し、p⁺形は正、n⁺形は負を示している。
そして、後述するように、p⁺−n⁺接合部間にオ
ーミツク電極を設けなくとも共によい線形性が得
られている。

以上の実験結果より、アモルフアス半導体薄
膜、ａ・Si−Ｆ−Ｈ薄膜は共に熱電対素子材料と
して秀れた特性を示すことがわかつた。

第３図及び第４図は本発明による熱電対素子の
一実施例の構成を示す図で、第３図に平面図を、
第４図にＸ−X′における断面図を示す。第３図
及び第４図は、絶縁性基板１と、該基板上に設け
られた第１のアモルフアス半導体２と、該基板上
に設けられ、該第１のアモルフアス半導体と互い
にその一部がオーミツク特性を有した接合部３を
形成する第２のアモルフアス半導体４と、該接合
部と隔離して、前記第１及び第２のアモルフアス
半導体の一部に接触して設けられた一対のオーミ
ツク電極５，６及び各アモルフアス半導体２，４
と各オーミツク電極５，６との各接触部７，８と
から構成される熱電対素子９を示す図である。こ
の熱電対素子９は第１のアモルフアス半導体と第
２のアモルフアス半導体との接合部３が温（冷）
接点を、各アモルフアス半導体と各オーミツク電
極との各接触部７，８が冷（温）接点を形成する
ので、温（冷）接点と冷（温）接点との間の温度
差ΔT（℃）に比例した直流熱起電力Vth（ｍｖ）
が一対のオーミツク電極５，６間に発生する。こ
の時発生する熱起電力Vthは、第１及び第２のア
モルフアス半導体薄膜の各熱電能α₁、α₂と、温度
差ΔTによつて決定され、次式で与えられる。

Vth＝（α₁＋α₂）ΔT ………(1) 第１図の実験結果より第１および第２のアモル
フアス半導体薄膜として、p⁺形およびn⁺形各
ａ・Si−Ｆ−Ｈ薄膜を用いれば、p⁺形およびn⁺
形は互いに極性が逆の熱電能を有するので、温度
差ΔT＝１℃当り0.35ｍｖ以上の熱起電力Vthが
得られる。

第５図および第６図は、本発明による熱電対素
子の他の実施例を示す図で、第５図に平面図を第
６図に正面図を示す。第５図および第６図は、絶
縁性基板１０と、該基板上に設けられた第１のア
モルフアス半導体１１と、該基板上に設けられ、
該第１のアモルフアス半導体と互いにその一部が
オーミツク特性を有した接合部１２を形成する第
２のアモルフアス半導体１３と、該接合部と隔離
して、前記第１および第２のアモルフアス半導体
の一部に接触して設けられた一対のオーミツク電
極１４，１５および各アモルフアス半導体１１，
１３と各オーミツク電極１４，１５との各接触部
１６，１７とから構成される熱電対素子１８を示
す図である。この熱電対素子１８は、第１のアモ
ルフアス半導体と第２のアモルフアス半導体との
接合部が温（冷）接点を、各アモルフアス半導体
と各オーミツク電極との各接触部１６，１７が冷
（温）接点を形成する。第１及び第２のアモルフ
アス半導体としてそれぞれp⁺形、n⁺形ａ・Si−
Ｆ−Ｈ薄膜を用いれば、温度差ΔT＝１℃当り約
0.35ｍｖの熱起電力Vthが得られる。

本実施例で示した構造の熱電対素子１８は、フ
オトエツチング技術により微細化できるので、狭
い空間の温度測定や、ICの表面温度測定用素子
に利用できる。第７図、第８図は本発明の応用に
よる電力検出素子、特にマイクロ波帯における電
力検出素子の実施例を示す図で、第７図に平面図
を第８図にＸ−X′における断面図を示す。第７
図及び第８図は、第３図及び第４図に示された熱
電対素子９に、被測定電力を吸収して発熱する抵
抗体１９、抵抗体１９に被測定電力を供給する入
力端子２０、アース端子２１を付加した構造の電
力検出素子２２を示す図で、前記抵抗体１９が
p⁺−n⁺接合部３に対応する反対側絶縁性基板１
上に設けられることを特徴とする。

この場合、抵抗体の形状の細くなつた発熱部は
温接点を形成するp⁺−n⁺接合部３が最も高く、
冷接点を形成する各オーミツク電極５，６と各ア
モルフアス半導体２，４の各接触部７，８とが最
も低くなるように配列される。被測定電力の大き
さＰに比例して抵抗体１９に熱が発生するので、
温接点Thおよび冷接点Tc間の温度差ΔTは被測
定電力Ｐに比例する。一方、温度差ΔTが与えら
れた場合の直流熱起電力Vthは、p⁺形およびn⁺形
ａ・Si−Ｆ−Ｈ薄膜の熱電能をそれぞれα_p、α_oと
すれば（α_p＋α_o）と温度差ΔTの積で与えられ
る。

以上より、被測定電力Ｐが抵抗体１９によつて
吸収・発熱により、オーミツク電極対５，６間に
もたらされる直流熱電力Vthは次式で与えられ
る。

Vth＝（α_p＋α_o）ΔT∝（α_p＋α_o）Ｐ ………(2) (2)式より、被測定電力の大きさＰは、熱電対素
子のオーミツク電極対５，６間の直流電圧を測定
することにより得られる。

被測定電力の大きさＰが一定の場合、熱電対素
子の温接点はp⁺−n⁺接合部３の温度Thで与えら
れ、p⁺−n⁺接合部３の温度を高く上昇させるに
は、抵抗体の発熱部の形状を小さくするとともに
絶縁性基板１、p⁺形およびn⁺形薄膜２，４及び
周囲の空気を通して放散される熱量を抑制しなけ
ればならない。そのため、絶縁性基板１には、熱
伝導率が小さく、かつ、薄く加工の出来る物質が
望まれ、例えばコーニング7059や溶融石英ガラス
等が用いられる。電力検出素子の応答性を速める
場合は比熱が小さい物質、すなわち熱容量の小さ
な材料例えば、サフアイヤ等を絶縁性基板に用い
る。

又、p⁺−n⁺接合型ａ・Si−Ｆ−Ｈ薄膜はオー
ミツク性を有し、整流性を示さないので、p⁺−
n⁺接合間にオーミツク電極用メタルを設ける必
要がないので、マイクロ波の電力を測定する場
合、寄生リアクタンスの増大とならないため、超
高周波帯まで入力定在波比を低く抑えることがで
きる等の利点を有する。

第９図及び第１０図は、本発明の応用による光
パワー検出素子の実施例を示す図で、第９図に平
面図を、第１０図にＸ−X′における断面図を示
す。

第９図、第１０図は第３図、第４図に示される
熱電対素子のp⁺−n⁺接合部上に重ねて光吸収膜
３１を設けたものと同じ断面構造を有する光パワ
検出素子３２を示す図である。ただし、この場
合、測定対象のビーム径が1.5〜2.0mmφ程度であ
り、したがつて、受光面の大きさが３〜５mmφ程
度必要となり、しかも受光位置が受光面内で動い
ても同一検出感度特性を必要とする。このため円
対称構造とするのが有利である。光吸収膜３１
は、金黒、カーボンブラツク、あるいは、組成比
の異なつたアモルフアス半導体薄膜等で構成され
る。

以上の実施例で述べた熱電対素子、熱電対素子
を応用した電力検出素子および光パワー検出素子
はそれぞれ一対の熱電対素子の構成のものについ
て述べたが、構造上容易に想像できるように、２
対以上をカスケード状に接続した多対形熱電対素
子および、それらを応用した電力検出素子、光パ
ワー検出素子を構成することができ、しかもこの
場合はオーミツク電極間の出力電圧（熱起電力）
Vthと出力インピーダンスは、それぞれ熱電対素
子数に比例して大きくなるので、測定精度および
所望の出力インピーダンス等に合わせた設計がで
きる。次に製作方法について述べる。低抵抗アモ
ルフアス半導体薄膜は、SiF₄とH₂の混合ガスに、
ドーピングガスとしてB₂H₆、AsH₃、PH₃等を添
加し、DCグロー放電法やプラズマCVD法によつ
て製作することが一般的であるが、SiH₄ガスに
B₂H₆やPH₃、AsH₃等を添加し、磁界やハイパワ
ーを印加したプラズマCVD法を用いても同様の
特性を有する低抵抗アモルフアス半導体薄膜を作
製できる。以上のアモルフアス半導体薄膜におい
ては一部がマイクロクリスタルとなり微結晶化半
導体膜となるが、導電率が大きく、かつ熱電能が
共に大きくなる等の特性を有するので、本発明で
述べた熱電対素子の特徴が損なわれるものではな
い。絶縁性基板上にアモルフアス半導体薄膜を堆
積した後はフオトエツチング技術、メタルの真空
蒸着法等を用いて容易に素子を製作することがで
きる。抵抗材料としては、NiCr、Ta₂N、Ｗ等が
用いられる。

〔発明の効果〕

次に本発明の効果を述べる。

(1) 熱電能、導電率が共に大きなアモルフアス半
導体薄膜を用いたのでｐ−ｎ接合部間にオーミ
ツク電極が不用の、従つて製造プロセスが簡単
化された安価で高感度な熱電対素子および、こ
の熱電対素子を応用した電力検出素子、光パワ
ー検出素子を構成できる。特にマイクロ波以上
の電力を測定する場合、p⁺−n⁺接合形薄膜構
造の電力検出素子においてはp⁺−n⁺接合部が
オーミツクをとるためのメタル電極を必要とし
ない構造なので、寄生リアクタンスが小さい。
その結果、入力定在波比を小さく抑えた電力検
出素子、すなわち超高周波帯まで使用可能な電
力検出素子を製作できる。

(2) アモルフアス半導体薄膜として、p⁺形およ
びn⁺形ａ・Si−Ｆ−Ｈ（およびａ・Si−Ｈ）薄
膜を用いるとp⁺−n⁺接合部がオーミツク性を
示し、しかも互いに発生する熱起電力の極性が
逆なので、p⁺−n⁺接合形はp⁺形、n⁺形熱起電
力の絶対値和で与えられるので大きな熱起電力
を有する熱電対素子を構成できる。

(3) フオトエツチング技術に代表される微細加工
技術が使用できるので超小形でかつ応答速度の
速い（１ｍsec程度）熱電対素子等を構成でき
る。

(4) 製造方法が容易なので、安価な熱電対素子等
を製作できる。

以上述べたように、本発明による熱電対素子お
よびこの熱電対素子を応用した電力検出素子、光
パワー検出素子は、従来のものよりも幾多の利点
を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図はp⁺形およびn⁺形ａ・Si−Ｆ−Ｈ薄膜
の熱電能−導電率特性を示す。第２図はp⁺形お
よびn⁺形ａ・Si−Ｆ−Ｈ薄膜の温度差−熱起電力
特性を示す。第３図、第４図は本発明による熱電
対素子の一実施例を示す図で第３図は平面図、第
４図は第３図のＸ−X′での断面図を示す。第５
図、第６図は熱電対素子の他の一実施例を示す図
で第５図は平面図、第６図は正面図を示す。第７
図、第８図は本発明による熱電対素子を応用した
電力検出素子の一実施例を示す図で第７図は平面
図、第８図は第７図のＸ−X′での断面図を示す。
第９図、第１０図は本発明による熱電対素子を応
用した光パワー検出素子の一実施例を示す図で第
９図は平面図、第１０図は、第９図のＸ−X′で
の断面図を示す。 図面中、１，１０，２３は絶縁性基板、２，１
１，２４は第１のアモルフアス半導体、３，１
２，２５はオーミツク性接合部、４，１３，２６
は第２のアモルフアス半導体、５，６，１４，１
５，２７，２８は各オーミツク電極、と７，８，
１６，１７，２９，３０は各アモルフアス半導体
と各オーミツク電極との接触部、９，１８は各熱
電対素子、１９は抵抗体、２０は入力端子、２１
はアース端子、２２は電力検出素子、３１は光吸
収薄膜、３２は光パワー検出素子をそれぞれ示
す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 絶縁性基板１と；該基板上に設けられた第１
   のp⁺（またはn⁺）アモルフアス半導体２と；該基
   板上に設けられ、該第１のアモルフアス半導体と
   お互いにその一部がオーミツク特性を有したp⁺
   −n⁺接合部３を形成する第２のn⁺（またはp⁺）ア
   モルフアス半導体４と；該接合部と隔離して、前
   記第１および第２のアモルフアス半導体の一部に
   接触して設けられた一対のオーミツク電極５，６
   とから構成されたp⁺−n⁺形の熱電対素子であつ
   て、前記第１のアモルフアス半導体と第２のアモ
   ルフアス半導体との接合部を温（冷）接点とし、
   前記各アモルフアス半導体と各オーミツク電極と
   の各接触部７，８を冷（温）接点とすることを特
   徴とする熱電対素子。