特開 2023-135634 センサ及び発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023135634

(43)【公開日】2023-09-28

(54)【発明の名称】センサ及び発光素子

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/20 20060101AFI20230921BHJP

   C30B 29/36 20060101ALI20230921BHJP

   G01N 24/00 20060101ALI20230921BHJP

   H01L 33/34 20100101ALI20230921BHJP

【ＦＩ】

G01R33/20

C30B29/36 A

G01N24/00 P

H01L33/34

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023036789

(22)【出願日】2023-03-09

(31)【優先権主張番号】P 2022040303

(32)【優先日】2022-03-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「先導研究プログラム未踏チャレンジ２０５０」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000173809

【氏名又は名称】一般財団法人電力中央研究所

(71)【出願人】

【識別番号】301032942

【氏名又は名称】国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(74)【代理人】

【識別番号】100206081

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡 央

(72)【発明者】

【氏名】村田 晃一

(72)【発明者】

【氏名】浅田 聡志

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 真一郎

(72)【発明者】

【氏名】増山 雄太

【テーマコード（参考）】

4G077

5F241

【Ｆターム（参考）】

4G077AB01

4G077AB06

4G077BE08

4G077DB04

4G077DB07

4G077EA02

4G077ED05

4G077ED06

4G077HA02

4G077HA20

5F241AA03

5F241CA02

5F241CA22

5F241CA33

5F241CA49

5F241CA50

5F241CA57

(57)【要約】

【課題】室温を超える温度でも使用することができるセンサ及び発光素子を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ単結晶を備え、前記ＳｉＣ単結晶は、スピン欠陥を含み、かつスピン欠陥の密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、前記ＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は１×１０¹³ｃｍ^-3以下である、ことを特徴とするセンサ及び発光素子。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＳｉＣ単結晶を備え、物理量を検出する検出素子を有し、
前記ＳｉＣ単結晶は、スピン欠陥を含み、かつスピン欠陥の密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、
前記ＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は１×１０¹³ｃｍ^-3以下である、
ことを特徴とするセンサ。

【請求項2】

前記スピン欠陥は遷移金属元素であり、かつ前記遷移金属元素の密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。

【請求項3】

前記遷移金属元素は、バナジウム、チタン、クロム及びモリブデンからなる群の中の少なくとも一種以上である
ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ。

【請求項4】

前記ＳｉＣ単結晶の電気伝導度は、１Ｓｃｍ^-1以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。

【請求項5】

前記ＳｉＣ単結晶を形成する、炭素の同位体核種１２Ｃまたは珪素の同位体核種２８Ｓｉもしくはその両方の同位体存在比が、天然存在比よりに高いことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。

【請求項6】

さらに、前記検出素子から出力される信号を処理する回路を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ。

【請求項7】

さらに、基板を有し、
前記検出素子及び前記回路が、前記基板上に設けられている
ことを特徴とする請求項６に記載のセンサ。

【請求項8】

前記回路は、
前記ＳｉＣ単結晶と接するように配置される第一の半導体と、
前記ＳｉＣ単結晶と接するように配置され、前記第一の半導体と導電型が異なる第二の半導体と、を備える
ことを特徴とする請求項６又は７に記載のセンサ。

【請求項9】

さらに、前記ＳｉＣ単結晶にマイクロ波を照射する照射部を備える
ことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のセンサ。

【請求項10】

ＳｉＣ単結晶を備える発光素子であって、
前記ＳｉＣ単結晶は、スピン欠陥を含み、かつスピン欠陥の密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、
前記ＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は１×１０¹³ｃｍ^-3以下である、
ことを特徴とする発光素子。

【請求項11】

前記スピン欠陥は遷移金属元素であり、かつ前記遷移金属元素の密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下である
ことを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。

【請求項12】

前記遷移金属元素は、バナジウム、チタン、クロム及びモリブデンからなる群の中の少なくとも一種以上である
ことを特徴とする請求項１１に記載の発光素子。

【請求項13】

前記ＳｉＣ単結晶の電気伝導度は、１Ｓｃｍ^-1以下である
ことを特徴とする請求項１０に記載の発光素子。

【請求項14】

ｎ型の前記ＳｉＣ単結晶である第１単結晶と、
ｐ型の前記ＳｉＣ単結晶である第２単結晶と、
を備えることを特徴とする請求項１０～１３のいずれか一項に記載の発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサ及び発光素子に関し、特に炭化珪素センサ及び炭化珪素発光素子並びにモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて絶縁破壊電界が１桁大きく、バンドギャップが３倍大きい。また、炭化珪素（ＳｉＣ）は、シリコン（Ｓｉ）に比べて熱伝導率が３倍程度高い等の特性を有する。そのため炭化珪素（ＳｉＣ）は、パワーデバイス、高周波デバイス、高温動作デバイス等への応用が期待されている。このため、近年、上記のような半導体デバイスにＳｉＣエピタキシャルウエハが用いられるようになっている。

【0003】

特許文献１には、炭化珪素からなる半導体基板と、前記半導体基板のおもて面に設けられた、窒素およびバナジウムを含むｎ型エピタキシャル層と、前記ｎ型エピタキシャル層の、前記半導体基板側の表面層に設けられたｐ型領域と、前記ｐ型領域からなる所定の素子構造と、前記ｐ型領域に電気的に接続された第１電極と、前記半導体基板の裏面に設けられた第２電極と、を備え、前記ｎ型エピタキシャル層の窒素濃度は、１×１０¹⁵／ｃｍ³以下であり、前記ｎ型エピタキシャル層のバナジウム濃度は、前記ｎ型エピタキシャル層の窒素濃度よりも低いことを特徴とする炭化珪素半導体装置が開示されている。

【0004】

特許文献２には、α－ＳｉＣ単結晶基材の表面に物理的蒸着法もしくは熱化学的蒸着法で１０μｍ以上の厚さのβ－ＳｉＣ層を形成してなる複合体を熱処理することによって、上記β－ＳｉＣ層の多結晶体をα－ＳｉＣに転化させて該β－ＳｉＣ層に上記α－ＳｉＣ単結晶基材の結晶軸と同方位に配向された単結晶を成長させていることを特徴とする単結晶ＳｉＣが開示されている。

【0005】

特許文献３には、ＳｉＣ種結晶をＳｉ－Ｃ溶液に接触させて前記ＳｉＣ種結晶上にＳｉＣ単結晶を成長させる溶液成長法に用いるＳｉＣ種結晶であって、ファセット領域及び非ファセット領域のいずれか一方のみからなる結晶成長面を有し、半径Ｒを有する前記ＳｉＣ種結晶の前記結晶成長面の中心位置と、前記中心位置を中心とした半径１／３Ｒの仮想円上であって、中心角４５°おきに配置される複数の第１測定位置と、前記中心位置を中心とした半径２／３Ｒの仮想円上であって、中心角４５°おきに配置される複数の第２測定位置とにおける窒素濃度のうち、最小値に対する最大値と最小値との差分値の割合が１５％以下である、ＳｉＣ種結晶が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１９－６７９２８号公報

【特許文献2】特開平１１－１２０９７号公報

【特許文献3】再公表ＷＯ２０１８／０６２２２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１～３に記載のＳｉＣ半導体は、パワー半導体デバイスへ適用されるものである。センサへ適用した場合では、検出感度や測定精度が低く、室温を超える温度では使用することが難しいという問題があった。発光素子に適用した場合では、室温を超える温度（例えば、数百度以上）で所望の波長の発光を得るのが難しいという問題があった。

【0008】

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、室温を超える温度でも使用することができるセンサ及び発光素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供している。

【0010】

本発明の一態様に係るセンサは、ＳｉＣ単結晶を備え、物理量を検出する検出素子を有し、前記ＳｉＣ単結晶は、スピン欠陥を含み、かつスピン欠陥の密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、前記ＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は１×１０¹³ｃｍ^-3以下である、ことを特徴とする。

【0011】

また、本発明の一態様に係るセンサは、前記スピン欠陥は遷移金属元素であり、かつ前記遷移金属元素の密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする。

【0012】

また、本発明の一態様に係るセンサは、前記遷移金属元素は、バナジウム、チタン、クロム及びモリブデンからなる群の中の少なくとも一種以上であることを特徴とする。

【0013】

また、本発明の一態様に係るセンサは、前記ＳｉＣ単結晶の電気伝導度は、１Ｓｃｍ^-1以下であることを特徴とする。

【0014】

また、本発明の一態様に係るセンサは、前記ＳｉＣ単結晶を形成する、炭素の同位体核種１２Ｃまたは珪素の同位体核種２８Ｓｉもしくはその両方の同位体存在比が、天然存在比より高いことを特徴とする。

【0015】

また、本発明の一態様に係るセンサは、さらに、前記検出素子から出力される信号を処理する回路を有することを特徴とする。

【0016】

また、本発明の一態様に係るセンサは、さらに、基板を有し、前記検出素子及び前記回路が、前記基板上に設けられていることを特徴とする。

【0017】

また、本発明の一態様に係るセンサは、前記回路は、前記ＳｉＣ単結晶と接するように配置される第一の半導体と前記ＳｉＣ単結晶と接するように配置され、前記第一の半導体と導電型が異なる第二の半導体と、を備えることを特徴とする。

【0018】

また、本発明の一態様に係るセンサは、さらに、前記ＳｉＣ単結晶にマイクロ波を照射する照射部を備えることを特徴とする。

【0019】

本発明の一態様に係る発光素子は、ＳｉＣ単結晶を備える発光素子であって、前記ＳｉＣ単結晶は、スピン欠陥を含み、かつスピン欠陥の密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、前記ＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は１×１０¹³ｃｍ^-3以下である、ことを特徴とする。

【0020】

また、本発明の一態様に係る発光素子は、前記スピン欠陥は遷移金属元素であり、かつ前記遷移金属元素の密度が１×１０¹⁰ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする。

【0021】

また、本発明の一態様に係る発光素子は、前記遷移金属元素は、バナジウム、チタン、クロム及びモリブデンからなる群の中の少なくとも一種以上であることを特徴とする。

【0022】

また、本発明の一態様に係る発光素子は、前記ＳｉＣ単結晶の電気伝導度は、１Ｓｃｍ^-1以下であることを特徴とする。

【0023】

また、本発明の一態様に係る発光素子は、ｎ型の前記ＳｉＣ単結晶である第１単結晶と、ｐ型の前記ＳｉＣ単結晶である第２単結晶と、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、室温を超える温度でも使用することができるセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の第１実施形態に係るセンサの模式図を示す図である。

【図2】本発明の第２実施形態に係るセンサの模式図を示す図である。

【図3】本発明の第３実施形態に係るセンサの模式図を示す図である。

【図4】本発明の第４実施形態に係るセンサの模式図を示す図である。

【図5】本発明の第５実施形態に係るセンサの模式図を示す図である。

【図6】本発明の第６実施形態に係るセンサの模式図を示す図である。

【図7】本発明の第７実施形態に係るセンサの模式図を示す図である。

【図8】本発明の第８実施形態に係る発光素子を示す模式図である。

【図9】ＳｉＣ単結晶における遷移金属元素の密度と発光強度との関係を示す図である。

【図10】ＳｉＣ単結晶における炭素空孔密度と発光強度との関係を示す図である。

【図11】ＳｉＣ単結晶における格子欠陥の測定結果を示す図である。

【図12】ＳｉＣ単結晶における導電率と発光強度との関係を示す図である。

【図13】本発明の実施例に係るセンサの検出結果を示す図である。

【図14】本発明の実施例に係る発光素子の発光特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下に、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明の一形態は、以下の説明に限定されず、本発明の趣旨その範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは、当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明の一形態は、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。

【0027】

以下に示される複数の実施の形態は適宜組み合わせることが可能である。また１の実施の形態中に、複数の構成例（作製方法例、動作方法例等も含む。）が示される場合は、互い構成例を適宜組み合わせること、及び他の実施の形態に記載された１又は複数の構成例と適宜組み合わせることも可能である。

【0028】

図面において、同一の要素又は同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

【0029】

なお、本明細書中において、数値の下限値から数値の上限値までの数値範囲を表す記載表現として「～」を用いた説明箇所あるが、この説明箇所における数値範囲は、下限値自体及び上限値自体を含む下限値以上、上限値以下として特定される数値範囲である。

【0030】

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係るセンサ１００を図面に基づいて説明する。

【0031】

図１は、本発明の第１実施形態に係るセンサ１００の模式図を示す図である。図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るセンサ１００は、検出素子１１０を有する。検出素子１１０はＳｉＣ単結晶を備える。検出素子１１０は、物理量を検出する。物理量は特に限定されないが、例えば、温度や磁場、電場が挙げられる。

【0032】

本発明の第１実施形態で、検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶は、スピン欠陥を含み、かつスピン欠陥の密度が１×１０¹⁰～１×１０¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴とする。すなわち、検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶は半導体である。スピン欠陥は、ＳｉＣ単結晶に不純物イオンが含まれることにより生じるものである。スピン欠陥の密度は、不純物イオンの密度により変化する。スピン欠陥は、遷移金属元素であることが好ましい。遷移金属元素の密度が１×１０¹⁰～１×１０¹⁷ｃｍ^-3であることが好ましい。信号強度を増強させる場合においてスピン欠陥の密度は１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上であることがより好ましく、１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上であることがより好ましい。これにより、センサ１００の室温を超える温度での測定精度が更に向上する。空間分解能を向上させる場合には、スピン欠陥の密度は１×１０¹⁴ｃｍ^-3以下であることがより好ましく、１×１０¹²ｃｍ^-3以下であることがより好ましい。

【0033】

遷移金属元素は、バナジウム、チタン、クロム及びモリブデンからなる群の中の少なくとも一種以上であることがさらに好ましい。これにより、センサ１００の室温を超える温度での検出感度や測定精度が更に向上する。

【0034】

本発明の第１実施形態で、検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は、１×１０¹³ｃｍ^-3以下である。ここで、炭素空孔は、ＳｉＣ単結晶を構成する炭素原子の欠損である。ＳｉＣ単結晶中の炭素空孔は、バンドギャップ中に欠陥準位を形成し、キャリアトラップや再結合中心として作用する。炭素空孔密度の増加に伴い、炭化珪素のキャリア寿命が低下することが知られている。例えば、非特許文献 Ｋａｔｓｕｎｏｒｉ Ｄａｎｎｏ， Ｄａｉｓｕｋｅ Ｎａｋａｍｕｒａ ａｎｄ Ｔｓｕｎｅｎｏｂｕ Ｋｉｍｏｔｏ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ９０， ２０２１０９ （２００７）にキャリア寿命と炭素空孔密度の関係が示されている。

【0035】

すなわち、炭素空孔はスピン欠陥起因の発光強度や電気信号強度の低下を引き起こし、センサ１００の検出感度や測定精度を低下させる要因となる。したがって、炭素空孔密度を低減させることで、センサ１００の室温を超える温度での測定精度が向上する。検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は、スピン欠陥密度よりも低いことが好ましく、例えば、１×１０¹¹ｃｍ^-3以下であることがより好ましい。また格子間炭素起因の点欠陥は、例えば、ＳｉＣ単結晶中に含まれなくてもよい。

【0036】

格子間炭素起因の点欠陥とは、格子の隙間に存在する炭素に起因した欠陥である。格子間炭素起因の点欠陥は、例えば、ＥＨ１センター、ＥＨ３センター、ＲＤ３センター、ＯＮ１センター、ＯＮ２センターである。ＥＨ１センター、ＥＨ３センター、ＲＤ３センターのそれぞれの密度が１×１０¹¹ｃｍ^-3以下であることが好ましく、ＯＮ１センター、ＯＮ２センターのそれぞれの密度は１×１０¹¹ｃｍ^-3以下であることが好ましい。これにより、センサ１００の室温を超える温度での検出感度や測定精度がさらに向上する。

【0037】

本発明の第１実施形態で、検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶中のシリコン空孔の格子欠陥密度は、炭素空孔の格子欠陥密度より小さい。ここで、シリコン空孔は、ＳｉＣ単結晶を構成する珪素原子の欠損である。シリコン空孔もバンドギャップ中に欠陥準位を形成し、キャリアトラップや再結合中心として作用することから、センサ１００の検出感度や測定精度を低下させる要因となる。したがって、シリコン空孔密度を低減させることにより、センサ１００の室温を超える温度での検出感度や測定精度が向上する。

【0038】

本発明の第１実施形態で、検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶は、半絶縁型半導体であってもよい。検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶の電気伝導度は１×１０^-3Ｓｃｍ^-1以下であることが好ましい。

【0039】

本発明の第１実施形態で、検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶は、炭素の同位体核種１２Ｃまたは珪素の同位体核種２８Ｓｉもしくはその両方の同位体存在比を天然存在比以上に高めてもよい。同位体存在比とは、全同位体核種の量を１としたときの、それぞれの同位体核種の値を言う。例えば、炭素の同位体核種１２Ｃおよび１３Ｃの天然存在比は、０．９８９および０．０１１である。ＳｉＣ単結晶を構成する炭素または珪素の核スピンはスピン欠陥が有する不対電子に作用することから、センサ１００の検出感度を低下させる要因となる。すなわち、炭素の同位体核種１２Ｃまたは珪素の同位体核種２８Ｓｉもしくはその両方の同位体存在比を天然存在比以上に高めることが好ましい。これにより、センサ１００の検出感度や測定精度が向上する。

【0040】

ＳｉＣ単結晶中のドーピング濃度は、例えば、１×１０¹³ｃｍ^-3以上１×１０¹⁷以下ｃｍ^-3であってもよい。ドーピング濃度は、ｎ型の場合はドナー濃度からアクセプタ濃度を引いた実効的なドーピング濃度であり、ｐ型の場合はアクセプタ濃度からドナー濃度を引いた実効的なドーピング濃度である。ｎ型の場合は、アクセプタ濃度は低いほど好ましく、ｐ型の場合はドナー濃度が低いほど好ましい。ｎ型の場合のアクセプタ濃度は、例えば、１×１０¹³ｃｍ^-3以下であり、好ましくは１×１０¹²ｃｍ^-3以下である。ｐ型の場合のドナー濃度は、例えば、１×１０¹³ｃｍ^-3以下であり、好ましくは１×１０¹²ｃｍ^-3以下である。ここで、ドーピング濃度とは、スピン欠陥を生成する元素を除くドーピング元素の濃度をいう。

【0041】

本発明の第１実施形態で、検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶は、ｎ型半導体であってもよい。

【0042】

ドナーである元素として、例えば、窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）が挙げられる。

【0043】

本発明の第１実施形態で、検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶は、ｐ型半導体であってもよい。

【0044】

アクセプタである元素として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や硼素（Ｂ）が挙げられる。

【0045】

図１に示すように、本発明の第１実施形態で、検出素子１１０は基板１９０の上に設けられてもよい。これにより、検出素子１１０の変形を防ぐことができる。その結果、センサ１００の検出精度をより向上させることができる。基板１９０の種類は特に限定されず、例えば、絶縁体基板、半導体基板又は導電体基板が挙げられる。基板１９０は、ＳｉＣであることが好ましい。基板１９０は、検出素子１１０の一部であってもよい。

【0046】

絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板、樹脂基板などが挙げられる。

【0047】

半導体基板としては、例えば、シリコン、ゲルマニウムなどの単体半導体基板、又は炭化シリコン、シリコンゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、酸化亜鉛、酸化ガリウムからなる化合物半導体基板などが挙げられる。さらに、前述の半導体基板内部に絶縁体領域を有する半導体基板、例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などが挙げられる。

【0048】

導電体基板としては、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などが挙げられる。又は、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などが挙げられる。さらに、絶縁体基板に導電体又は半導体が設けられた基板、半導体基板に導電体又は絶縁体が設けられた基板、導電体基板に半導体又は絶縁体が設けられた基板などが挙げられる。

【0049】

基板１９０として、可撓性基板を用いてもよい。なお、可撓性基板上に検出素子１１０を設ける方法としては、非可撓性の基板上に検出素子１１０を作製した後、検出素子１１０を剥離し、可撓性基板である基板１９０に転置すればよい。その場合には、非可撓性基板と検出素子１１０との間に剥離層を設けてもよい。基板１９０として、繊維を編みこんだシート、フィルム又は箔などを用いてもよい。基板１９０は伸縮性を有してもよい。基板１９０は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい、また、元の形状に戻らない性質を有してもよい。

【0050】

基板１９０の厚さは、例えば、５μｍ以上以下であってもよい。好ましくは１５μｍ以上以下である。基板１９０を薄くすると、センサ１００を軽量化することができる。また、基板１９０を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有することができ、また、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有することができる。そのため、落下などによって基板１９０の上の検出素子１１０に加わる衝撃などを緩和することができる。すなわち、丈夫なセンサ１００を提供することができる。

【0051】

基板１９０に適用できる可撓性基板は、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、又はそれらの繊維などでなる基板１９０である。可撓性基板は、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性基板には、例えば、線膨張率が１×１０^-3／Ｋ以下、である材質を用いてもよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド（ナイロン、アラミドなど）、ポリイミド、ポリカーボネート、アクリル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが挙げられる。特に、アラミドは、線膨張率が低いので、可撓性基板である基板１９０として、アラミドが好ましい。

【0052】

本発明の実施形態に係るセンサ１００で、検出素子１１０のＳｉＣ単結晶中のスピン欠陥（不純物イオン）が有する不対電子がプローブとして作用する。外部環境とスピン欠陥が有する不対電子との相互作用による、スピン欠陥の電子状態の変化を検出することで、外部環境の情報を得ることができる。これにより、スピン欠陥が有する不対電子との相互作用する外部環境の応じた物理量を検出することができる。また、スピン欠陥のプローブとしての作用は、室温を超える温度でも維持される。そのため、本発明の実施形態に係るセンサ１００によれば、室温を超える温度でも高い測定精度を有する。

【0053】

加えて、本発明の実施形態に係るセンサ１００は、ＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は１×１０¹³ｃｍ^-3以下である。これにより、センサ１００の検出精度が向上する。さらに、炭素空孔及びシリコン空孔は、高温において消滅する可能性がある。そのため、炭素空孔及びシリコン空孔を利用して物理量を検出するセンサ１００は、室温を超える温度の高温での検出精度が低下する可能性がある。一方、本発明の実施形態に係るセンサ１００は、炭素空孔及びシリコン空孔を利用して物理量を検出しない。そのため、本発明の実施形態に係るセンサ１００は、室温を超える温度でも優れた検出精度を有する。さらに、本発明の実施形態に係るセンサ１００は、高温でも安定してセンサとして作動するので、室温では、高い動作信頼性をより長期間にわたり維持することができる。

【0054】

本発明の第１実施形態で、センサ１００はさらに照射部１６０（図示しない）を有してもよい。照射部１６０は検出素子１１０にマイクロ波を照射してもよい。これにより、センサ１００の検出精度がさらに向上する。照射部１６０は、例えば共振器であってもよい。本発明の第１実施形態では、センサ１００からの発光強度のマイクロ波周波数依存性を評価し、共鳴ピーク周波数の値もしくはシフト量から環境の磁場を定量的に評価することができる。

【0055】

＜第２実施形態＞
続いて本発明の第２実施形態に係るセンサ１００Ａを図面に基づいて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

【0056】

図２は、本発明の第２実施形態に係るセンサ１００Ａの模式図を示す図である。図２に示すように、本発明の第２実施形態に係るセンサ１００Ａは、検出素子１１０と電極１２０とを有する。

【0057】

（電極）
本発明の第２実施形態に係るセンサ１００Ａで、電極１２０は、検出素子１１０のＳｉＣ単結晶の少なくとも片側に設けられている。図２に示すように、電極１２０は片側に複数配置してもよい。電極１２０として、例えば、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）の低抵抗材料からなる単体、もしくは合金、又はこれらを主成分とする化合物を含む導電膜の単層又は積層であってもよい。電極１２０として、耐熱性と導電性を両立するタングステンやモリブデンなどの高融点材料を用いることが好ましい。また、アルミニウムや銅などの低抵抗導電性材料で形成することが好ましい。さらに、Ｃｕ－Ｍｎ合金を用いることがより好ましい。電極１２０として、Ｃｕ－Ｍｎ合金を用いた場合、酸素を含む絶縁体との界面に酸化マンガンを形成し、酸化マンガンがＣｕの拡散を抑制する機能を持つので好ましい。

【0058】

図２に示すように、電極１２０と検出素子１１０のＳｉＣ単結晶との間に絶縁膜２００を設けてもよい。絶縁膜２００は、ＳｉＣ単結晶と検出素子１１０のＳｉＣ単結晶とを電気的に分離させる機能を有する。また、電極１２０と検出素子１１０のＳｉＣ単結晶との間に絶縁膜２００を設けることで電極１２０と検出素子１１０のＳｉＣ単結晶との間に電荷を蓄えることができる。絶縁膜２００は、単層構造又は積層構造であってもよい。絶縁膜２００を構成する材料として、例えば、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化シリコン、酸化窒化シリコン、窒化酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、酸化ランタン、酸化ネオジム、酸化ハフニウム、酸化タンタルなどが挙げられる。また、絶縁膜２００として、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ－Ｅｔｈｙｌ－Ｏｒｔｈｏ－Ｓｉｌｉｃａｔｅ）、若しくはシラン等と、酸素若しくは亜酸化窒素等とを反応させて形成した段差被覆性の良い酸化シリコンを用いてもよい。また、絶縁膜２００の上面の平坦性を高めるために、絶縁膜２００の成膜後にＣＭＰ法等を用いた平坦化処理を行ってもよい。絶縁膜２００は、酸化物を含むことが好ましい。

【0059】

図２における電極１２０とＳｉＣ単結晶の間に、導電型の異なるＳｉＣ単結晶層を形成しても良い。例えば、ｎ型ＳｉＣ単結晶上に、ｐ型ＳｉＣ単結晶層を形成する。このとき、電極１２０とＳｉＣ単結晶間に形成するＳｉＣ単結晶層のドーピング濃度は、ＳｉＣ単結晶よりも高いことが好ましい。

【0060】

上述以外の構成は、第１実施形態に係るセンサ１００と同じ構成とすることができる。

【0061】

＜第３実施形態＞
続いて本発明の第３実施形態に係るセンサ１００Ｂを図面に基づいて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

【0062】

図３は、本発明の第３実施形態に係るセンサ１００Ｂの模式図を示す図である。図３に示すように、本発明の第３実施形態に係るセンサ１００Ｂは、検出素子１１０と光源部１３０と検出部１４０とを有する。

【0063】

（光源部）
本発明の第３実施形態において、光源部１３０は電磁波を検出素子１１０に照射する。電磁波の波長は、１５００ｎｍ以下であってもよく、１３００ｎｍ以下であってもよい。

【0064】

（検出部）
本発明の第３実施形態において、検出部１４０は検出素子１１０が発する電磁波を検出する。検出部１４０は、光源部１３０によって出力される電磁波と検出素子１１０との相互作用により、生じる電磁波を検出する。図３において、検出部１４０は、光源部１３０によって出力される電磁波と検出素子１１０のＳｉＣ単結晶中のスピン欠陥との相互作用によって変化する電磁波を検出する。

【0065】

本発明の実施形態に係るセンサ１００Ｂで、検出素子１１０のＳｉＣ単結晶中のスピン欠陥（不純物イオン）が有する不対電子の状態は、電磁波を照射されることにより変化する。つまり、検出素子１１０のＳｉＣ単結晶中のスピン欠陥（不純物イオン）が有する不対電子がプローブとして作用する。ここで、外部環境とスピン欠陥が有する不対電子との相互作用によって、スピン欠陥の電子状態が変化する。そのため、光源部１３０によって検出素子１１０に照射される電磁波と、光源部１３０によって出力される電磁波と検出素子１１０との相互作用によって生じる電磁波と、の関係は外部環境によって変化する。したがって、光源部１３０によって出力される電磁波と検出素子１１０との相互作用によって生じる電磁波を検出することで、外部環境の情報を得ることができる。これにより、スピン欠陥が有する不対電子との相互作用する外部環境の応じた物理量を検出することができる。

【0066】

本発明の実施形態に係るセンサ１００Ｂによれば、検出素子１１０と、光源部１３０及び検出部１４０とを電気的に接続しなくてもよい。これにより、検出素子１１０と、光源部１３０及び検出部１４０とを離して設けることができる。

【0067】

＜第４実施形態＞
続いて本発明の第４実施形態に係るセンサ１００Ｃを図面に基づいて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

【0068】

図４は、本発明の第４実施形態に係るセンサ１００Ｃの模式図を示す図である。図４に示すように、本発明の第４実施形態に係るセンサ１００Ｃは、検出素子１１０と光源部１３０と検出部１４０とケーブル１５０とを有する。本発明の第４実施形態では、光源部１３０と検出部１４０とが一体として設けられている。

【0069】

（ケーブル１５０）
本発明の第４実施形態で、ケーブル１５０は、検出素子１１０に接続している。ケーブル１５０は、検出素子１１０で発生する電磁波を媒介する。また、ケーブル１５０は、光源部１３０及び検出部１４０に接続している。ケーブル１５０は、光源部１３０から発せられる電磁波を媒介する。つまり、ケーブル１５０は、光源部１３０から発せられる電磁波を検出素子１１０へ送信し、また検出素子１１０から発せられる電磁波を検出部１４０へ送信する。これにより、送信又は受信される電磁波が外部環境に影響を受けるのを防ぐことができる。その結果、センサ１００Ｃの検出精度が更に向上させることができる。ケーブル１５０は、例えば光ファイバーであってもよい。

【0070】

＜第５実施形態＞
続いて本発明の第５実施形態に係るセンサ１００Ｄを図面に基づいて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

【0071】

図５は、本発明の第５実施形態に係るセンサ１００Ｄの模式図を示す図である。図５に示すように、本発明の第５実施形態に係るセンサ１００Ｄは、検出素子１１０と光源部１３０と検出部１４０とケーブル１５０と照射部１６０と信号線１７０とを有する。本発明の第５実施形態では、光源部１３０と検出部１４０とが一体として設けられている。

【0072】

信号線１７０の第一の端部は検出素子１１０に接続している。信号線１７０の第二の端部は照射部１６０に接続している。信号線１７０は、照射部１６０から発せられるマイクロ波を媒介する。検出素子１１０には、信号線１７０の第一の端部から出力されるマイクロ波が照射される。信号線１７０は特に限定されないが、例えば電線であってもよい。

【0073】

本発明の第５実施形態に係るセンサ１００Ｄによれば、検出素子１１０が、光源部１３０、検出部１４０及び照射部１６０と離れている。これにより、センサ１００Ｄの検出素子１１０のみを測定したい環境に近づけて測定することができる。その結果、本発明の第５実施形態に係るセンサ１００Ｄは、光源部１３０、検出部１４０及び照射部１６０の動作に影響を及ぼす高温環境でも高い検出精度を有することができる。

【0074】

＜第６実施形態＞
続いて本発明の第６実施形態に係るセンサ１００Ｅを図面に基づいて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

【0075】

図６は、本発明の第６実施形態に係るセンサ１００Ｅの模式図を示す図である。図６に示すように、本発明の第６実施形態に係るセンサ１００Ｅは、検出素子１１０と、光源部１３０と、検出部１４０と、ケーブル１５０と、照射部１６０と、信号線１７０と、回路１８０とを有する。本発明の第６実施形態では、光源部１３０と検出部１４０とが一体として設けられている。

【0076】

（回路）
回路１８０は、ケーブル１５０と接続している。回路１８０は、検出素子１１０から入力される信号を処理する。回路１８０は、検出素子１１０から入力される信号に応じた信号をケーブル１５０に出力する。回路１８０はケーブル１５０から入力される信号を処理する。回路１８０は、ケーブル１５０から入力される信号に応じた信号を検出素子１１０に出力する。回路１８０は、容量素子、抵抗素子、整流素子、スイッチ素子、発光素子及び記憶素子を有してもよい。回路１８０は、検出素子１１０から出力される信号を増幅する増幅器を有してもよい。図６に示すように、検出素子１１０及び回路１８０は同じ基板１９０の上に設けられてもよい。これにより、検出素子１１０及び回路１８０を集積することができる。回路１８０が検出素子１１０に入力する信号及び出力する信号は電気的信号である。

【0077】

回路１８０を構成する回路素子は、第一の半導体と、第一の半導体と導電型が異なる第二の半導体を有してもよい。回路１８０は、第一の半導体と、第一の半導体とを有するトランジスタを備えてもよい。例えば、回路１８０を構成する回路素子は、炭化珪素や窒化ガリウムなどの半導体から構成される。

【0078】

（ケーブル）
本実施形態で、ケーブル１５０は電気的信号を媒介する。ケーブルは、例えば電線であってもよい。

【0079】

本実施形態で、光源部１３０は電気的信号をケーブル１５０に入力する。ケーブル１５０は、入力された信号を介して回路１８０に入力する。回路１８０は、ケーブル１５０から入力される信号を処理する。回路１８０は、ケーブル１５０から入力される信号に応じた電気信号を検出素子１１０に入力する。検出素子１１０のＳｉＣ単結晶中のスピン欠陥（不純物イオン）が有する不対電子は、電気信号が入力されることにより電気的信号を発生させる。つまり、検出素子１１０のＳｉＣ単結晶中のスピン欠陥（不純物イオン）が有する不対電子が信号発生部として作用する。ここで、外部環境とスピン欠陥が有する不対電子との相互作用によって、スピン欠陥の電子状態が変化する。そのため、回路１８０によって検出素子１１０に入力される電気信号と、回路１８０によって出力される電気信号と検出素子１１０との相互作用によって生じる電気信号と、の関係は外部環境によって変化する。したがって、回路１８０によって出力される電気信号と検出素子１１０との相互作用によって生じる電気信号を検出することで、外部環境の情報を得ることができる。

【0080】

＜第７実施形態＞
続いて本発明の第７実施形態に係るセンサ１００Ｆを図面に基づいて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

【0081】

図７は、本発明の第７実施形態に係るセンサ１００Ｆの模式図を示す図である。図７に示すように、本発明の第７実施形態に係るセンサ１００Ｆは、検出素子１１０と、光源部１３０と、検出部１４０と、ケーブル１５０と、回路１８０とを有する。本発明の第７実施形態では、光源部１３０と検出部１４０とが一体として設けられている。本発明の第７実施形態は、第６実施形態の変形例である。本実施形態では、外部環境とスピン欠陥が有する不対電子との相互作用によって生じるスピン欠陥の電子状態の変化を電気的に検出する。そのため、検出素子１１０にマイクロ波を照射しなくても、センシングすることができる。

【0082】

スピン欠陥の密度は、電子スピン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐａｒａｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ＥＰＲ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｉｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ、；ＥＳＲ）や光検出磁気共鳴法（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｄｅｔｅｃｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ、；ＯＤＭＲ）、もしくは半導体中深い準位評価法（Ｄｅｅｐ Ｌｅｖｅｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＤＬＴＳ） を利用して測定することができる。

【0083】

シリコン空孔及び炭素空孔の密度は、半導体中深い準位評価法（Ｄｅｅｐ Ｌｅｖｅｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ＤＬＴＳ） を利用して測定することができる。

【0084】

ＳｉＣ単結晶の組成は、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ＳＩＭＳ）で測定することができる。

【0085】

「製造方法」
本発明者は、下記の方法で本発明に係るセンサ１００を製造できることを確認しているが、本発明に係るセンサ１００を製造する方法は下記の方法に限定されない。

【0086】

まず、センサ１００の検出素子１１０のＳｉＣ単結晶の製造方法について、説明する。炭化珪素からなる支持基板（半導体ウエハ）を用意し、公知の半導体基板の洗浄法により炭化珪素基板を洗浄する。公知の半導体基板の洗浄法として有機洗浄法及びＲＣＡ洗浄法が挙げられる。炭化珪素基板の結晶構造は、例えば、四層周期六方晶構造（４Ｈ－ＳｉＣ）であってもよいし、六層周期六方晶構造（６Ｈ－ＳｉＣ）であってもよい。炭化珪素基板のおもて面（後述するエピタキシャル層を成長させる主面）は、（０００１）面、いわゆるＳｉ面であってもよいし、（０００－１）面、いわゆるＣ面であってもよい。炭化珪素基板は、例えばＳｉ面（またはＣ面）を結晶軸に対して例えば４°程度傾けた（オフ角を付けた）面をおもて面とする炭化珪素バルク基板であってもよい。

【0087】

次に、エピタキシャル成長炉のチャンバー内に、炭化珪素基板を挿入する。エピタキシャル成長炉は、例えば熱（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）炉であってもよい。次に、炭化珪素基板の温度（基板温度）がエピタキシャル成長に適した所定温度となるように、エピタキシャル成長炉内の温度を調整する。エピタキシャル成長炉内の温度を調整する前に、エピタキシャル成長炉内において、炭化珪素基板のおもて面を例えば後述するキャリアガスでドライエッチングして清浄化してもよい。

【0088】

次に、エピタキシャル成長炉内に、原料ガス、キャリアガス、ドーピングガスおよび添加ガスと、遷移金属元素を含むガスと、を同時に導入する。原料ガスとして、珪素（Ｓｉ）を含むガスおよび炭素（Ｃ）を含むガスを導入する。珪素を含むガスは、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）ガスであってもよい。炭素を含むガスは、例えばプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）ガスであってもよい。キャリアガスとして、例えば水素（Ｈ₂）ガスを用いてもよい。添加ガスとして、塩素（Ｃｌ）を含むガスを適宜添加してもよい。塩素を含むガスは、例えば塩化水素（ＨＣｌ）ガスであってもよい。

【0089】

遷移金属元素を含むガス中の遷移金属元素は、ドーピング元素を含むガスと同様に、後述するエピタキシャル層にドーピングされる。すなわち、遷移金属元素を含むガスは、ドーパントガスとなる。遷移金属元素を含むガスには、例えば四塩化バナジウム（ＶＣｌ₄）ガスを用いてもよい。具体的には、例えば、遷移金属元素を含むガスには、例えば、四塩化バナジウムの濃度が１００ｐｐｍとなるように水素ガスで予め希釈（ＶＣｌ₄／Ｈ₂）したガスを用いてもよい。遷移金属元素を含むガスは、原料ガス等（原料ガス、キャリアガス、ドーピングガスおよび添加ガス）と同時に、ガスボンベから例えば原料ガス等とは別の配管を通ってエピタキシャル成長炉に供給される。

【0090】

次に、導入した原料ガス、キャリアガス、ドーピングガス、添加ガス、およびバナジウムを含むガスからなる混合ガス雰囲気中で、ＣＶＤ法により炭化珪素基板のおもて面上にエピタキシャル層を成長させる。ドーパントとしてドーピングされたエピタキシャル層が成長する。エピタキシャル成長炉内に原料ガス等とともにバナジウムを含むガスを導入することで、エピタキシャル層の不純物濃度を低下させることができる。エピタキシャル層中の遷移金属元素は、ドナーおよびアクセプタのいずれでもない。このため、エピタキシャル層の不純物濃度は、エピタキシャル層のドーピング濃度から遷移金属元素濃度を減算した値となる。

【0091】

エピタキシャル成長条件は、例えば次の条件であってもよい。炭化珪素基板の温度は１６００℃である。エピタキシャル成長炉内の混合ガス雰囲気の圧力は８０Ｔｏｒｒである。エピタキシャル成長炉に導入ガスとしてモノシランガス、プロパンガス、塩化水素ガス、窒素ガスおよび四塩化バナジウムガスを用いる場合、これらのガスの各流量はそれぞれ１００ｓｃｃｍ、３３ｓｃｃｍ、１ｓｃｃｍ、０．１４ｓｃｃｍおよび１ｓｃｃｍである。遷移金属元素を除くドーピング元素を含むガスの流量に対する遷移金属元素を含むガスの流量比は、ｎ型エピタキシャル層の所定の窒素濃度を得るために事前に検証して決定することが好ましい。また、ｐ型エピタキシャル層を形成する場合には、トリメチルアルミニウム（Ｃ₆Ｈ₁₈Ａｌ₂）やトリエチルボロン（（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃Ｂ）を添加してもよい。

【0092】

エピタキシャル層中の炭素の同位体核種１２Ｃまたは珪素の同位体核種２８Ｓｉもしくはその両方の同位体存在比を天然存在比以上に高めるためには、同位体制御された原料ガス、ドーピングガス、添加ガスを利用する。例えば、同位体核種１２Ｃから構成されるプロパンガスを用いることで、エピタキシャル層中の炭素の同位体核種１２Ｃの存在比を向上させる。

【0093】

エピタキシャル層中の炭素および珪素の同位体存在比は、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ＳＩＭＳ）で測定することができる。

【0094】

ここまでの工程により、炭化珪素基板のおもて面上にエピタキシャル層を積層してなる炭化珪素エピタキシャル基板（エピタキシャルウエハ）が作製される。そして、エピタキシャルウエハを切断（ダイシング）して個々のチップ状に個片化することで、炭化珪素半導体装置が完成する。

【0095】

本発明の実施形態に係るセンサ１００のＳｉＣ単結晶の製造方法は、エピタキシャル成長法を使用する。また、ＳｉＣ単結晶のスピン欠陥の生成に、イオン注入、電子線照射及びプロトン照射を行わない。これにより、炭素空孔密度は１×１０¹³ｃｍ^-3以下にすることができる。例えば、イオン注入法を用いて、遷移金属の密度１×１０¹⁰～１×１０¹⁷ｃｍ^-3を実現しようとすると、同程度以上の炭素空孔およびその他の欠陥が形成される。さらには、遷移金属の密度が高くなると、ＳｉＣ単結晶の結晶性が低下し、アモルファス化する。そのため、エピタキシャル成長法を用いることで、スピン欠陥を有する高品質なＳｉＣ単結晶を製造することができる。その結果、室温を超える温度の高温でも高い検出精度を有するセンサ１００を製造することができる。

【0096】

上述したセンサ１００の製造方法は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）や、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ｐｉｎ（ｐ－ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ－ｎ）ダイオード、ＳＢＤ（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ショットキーバリアダイオード）等に適用可能である。なお、センサ１００のＳｉＣ単結晶以外の部分は、一般的な素子構造を一般的な方法により形成すればよい。

【0097】

＜第８実施形態＞
続いて本発明の第８実施形態に係る発光素子３００を図面に基づいて説明する。なお、同一の構成の場合は同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

【0098】

図８は、本発明の第８実施形態に係る発光素子３００を示す模式図である。図８に示すように、本発明の第８実施形態に係る発光素子３００は、第１単結晶３１０と第２単結晶３２０とを備える。第１単結晶３１０は、ｎ型ＳｉＣ単結晶であり、第２単結晶３２０は、ｐ型ＳｉＣ単結晶である。つまり、発光素子３００は、ｎ型ＳｉＣ単結晶である第１単結晶３１０上に、ｐ型ＳｉＣ単結晶である第２単結晶３２０が設けられた構成の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）である。

【0099】

本発明の第８実施形態で、発光素子３００を構成するＳｉＣ単結晶は、第１～第７実施形態における検出素子１１０が有するＳｉＣ単結晶と同様に、スピン欠陥を含み、かつスピン欠陥の密度が１×１０¹⁰～１×１０¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴とする。スピン欠陥は、遷移金属元素であることが好ましい。遷移金属元素の密度が１×１０¹⁰～１×１０¹⁷ｃｍ^-3であることが好ましい。

【0100】

遷移金属元素は、バナジウム、チタン、クロム及びモリブデンからなる群の中の少なくとも一種以上であることがさらに好ましい。これにより、室温を超える温度（例えば、数百度以上）で、発光素子３００から所望の波長の発光を得やすくなる。

【0101】

また、発光素子３００を構成するＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は、１×１０¹³ｃｍ^-3以下である。また、発光素子３００を構成するＳｉＣ単結晶の電気伝導度は１×１０^-3Ｓｃｍ^-1以下であることが好ましい。

【実施例0102】

上述したセンサ及び発光素子で用いられるＳｉＣ単結晶の特性を測定した。図９は、ＳｉＣ単結晶における遷移金属元素の密度と発光強度との関係を示す図である。図９に示す通り、遷移金属元素であるバナジウムの密度の増加に伴って、発光強度が上昇していることが確認できる。図９に示す結果から、遷移金属元素の密度が１×１０¹⁰～１×１０¹⁷ｃｍ^-3であることが好ましく、信号強度を増強させる場合においてスピン欠陥の密度は１×１０¹⁴ｃｍ^-3以上であることがより好ましく、１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上であることが、さらに、より好ましいということができる。

【0103】

図１０は、ＳｉＣ単結晶における炭素空孔密度と発光強度との関係を示す図である。図１０に示す通り、炭素空孔密度の増加に伴って、発光強度が低下していることが確認できる。図１０に示す結果から、ＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は、１×１０¹³ｃｍ^-3以下が好ましいことが分かる。また、ＳｉＣ単結晶中の炭素空孔の格子欠陥密度は、スピン欠陥密度よりも低いことが好ましく、例えば、１×１０¹¹ｃｍ^-3以下であることがより好ましいということができる。

【0104】

図１１は、ＳｉＣ単結晶における格子欠陥の測定結果を示す図である。ＳｉＣ単結晶における格子欠陥は、半導体中の深い準位評価法（Ｄｅｅｐ Ｌｅｖｅｌ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＤＬＴＳ）を用いて測定した。図１１を参照すると、バナジウム起因のものと、炭素空孔起因のものが測定されている。ここで、検出感度以上の密度のシリコン空孔が存在する場合には、図中の点線部にピークが現れる筈である。しかしながら、得られた測定結果は、図中の点線部にピークが現れていないため、ＳｉＣ単結晶中のシリコン空孔の格子欠陥密度は、炭素空孔の格子欠陥密度より小さいということができる。

【0105】

図１２は、ＳｉＣ単結晶における導電率と発光強度との関係を示す図である。尚、ＳｉＣ単結晶の導電率は、ドーピング濃度から推定している。図１２に示す通り、同程度のバナジウム密度を含むサンプルを比較した場合には、導電率が高くなるほど発光強度が低下することが分かる。図１２に示す結果から、ＳｉＣ単結晶の電気伝導度（導電率）は、１Ｓｃｍ^-1以下であることが好ましいということができる。

【0106】

前述の方法で、センサを製造した。１３００ｎｍ以下の波長を有する光を励起光として製造したセンサに照射した。励起光を照射されたセンサの発光強度を測定した。発光強度や発光波長の変化によりスピン欠陥の電子状態を検出でき、電子状態の変化から環境の情報を検出できる。図１３は、本発明の実施例に係るセンサの検出結果を示す図である。図１３に示すように、本発明の実施例に係るセンサは、２０℃を超える高温でも高い発光強度を有した。本発明の実施例に係るセンサは、高温でもセンシングすることができることを確認した。

【0107】

また、発光素子を製造した。ｎ型ＳｉＣ単結晶である第１単結晶３１０において、バナジウムの密度は２×１０¹⁴ｃｍ^-3であり、ドナーとしての窒素の密度は１×１０¹⁵ｃｍ^-3であった。発光素子（ＬＥＤ）の場合には、バナジウムの密度がドナーとしての窒素の密度以下である必要がある。尚、バナジウムの密度は１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下が望ましく、ドナーとしての窒素の密度は１×１０¹⁷ｃｍ^-3以下が望ましい。

【0108】

図１４は、本発明の実施例に係る発光素子の発光特性を示す図である。図１４に示すように、本発明の実施例に係る発光素子では、波長１３００ｎｍ程度の発光が得られている。ここで、本実施例では、室温を超える１５０℃で発光が得られており、更に高温の２５０℃度でも波長１３００ｎｍ程度の発光が得られているのが分かる。

【0109】

明細書の全体において、ある部分がある構成要素を「有する」や「備える」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことができるということを意味する。

【0110】

また、明細書に記載の「…部」の用語は、少なくとも１つの機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアまたはソフトウェアとして具現されてもよいし、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせで具現されてもよい。

【0111】

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、上記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0112】

以上のことから、本発明によれば、室温を超える温度でも使用することができるセンサを提供することができるので、産業上の利用価値が高い。

【符号の説明】

【0113】

１００ センサ
１００Ａ センサ
１００Ｂ センサ
１００Ｃ センサ
１００Ｄ センサ
１００Ｅ センサ
１００Ｆ センサ
１１０ 検出素子
１８０ 回路
１９０ 基板
３００ 発光素子
３１０ 第１単結晶
３２０ 第２単結晶

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】