JP4743453B2 - 気体モニタリング装置、燃焼状態モニタリング装置、経年変化モニタリング装置、および不純物濃度モニタリング装置 - Google Patents
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Description
(1)赤外域にまで受光感度を持ち、近赤外域にも受光感度をもつPD、またはそのアレイ。このようなフォトダイオードには、たとえばゲルマニウム(Ge)系PD、硫化鉛(PbS)系PD、HgCdTe系PD、またはその一次元アレイ、二次元アレイがある。
(2)近赤外域の波長1.7μm以下に受光感度を持つInP系PD、そのInP系PDの範疇に入るInGaAs系PD、またはそのアレイ。ここで、InP系PDとは、InP基板に形成されるIII−V族化合物半導体の受光層を含むPDをいい、InGaAs系PDも含まれる。
他の例として、ボイラ等の燃焼装置における窒素酸化物、煤(すす)、一酸化炭素の発生を抑制するために、燃焼状態を監視する光学式モニタリング装置が提案されている(特許文献3)。この装置では、シリコンフォトダイードとPbS光導電型素子とを積層した多層受光素子が用いられている。また、シリコンフォトダイオードとGeフォトダイオードとの組み合わせ、またはシリコンフォトダイオードとPbSe光導電型素子との組み合わせ、の多層受光素子も合わせて提案されている。シリコンフォトダイオードを用いるのは、可視光域またはそれに近い波長の光を受光するためである。
また、ごみ焼却装置において、燃焼炉全体の温度分布をとらえる赤外線カメラの提案がなされている(特許文献4)。この赤外線カメラの受光部の内容は不明である。
LSI等の製造プロセスには、エピタキシャル膜の成膜に高純度のガスを用いるが、これらガスには微量の水分が含まれ、LSI等の耐久性に悪影響を及ぼす。このようなガス中の微量水分のモニタリングに近赤外域の単一波長を発振するレーザ光源を用いて、上記ガスの透過光を受光して、ロックイン検波により0.1〜1ppmオーダの水分濃度を検知する装置が提案されている(非特許文献2)。この装置の受光素子には、ゲルマニウムフォトダイオードが用いられている。
これらのガス成分の検出の受光装置、および他の一般的な近赤外受光装置では、InGaAs、PbS、Ge、HgCdTe、ステップバッファ層を多段に設けたextended−InGaAsなどの単素子またはアレイ型が用いられている。受光波長域は、上記すべての気体モニタリング装置に共通する範囲は1μm〜1.8μmである。ただし、2.0μmまたは2.5μm程度を上限に設定しているものも認められる。
(K1)InGaAs受光層のIn組成を高め、InP基板との格子不整合は、その間に挿入してIn組成を段階的に変えたステップバッファ層によって吸収する(特許文献5)。
(K2)InGaAs受光層にNを含有させてGaInNAs受光層とする(特許文献6)。InP基板との格子整合は、Nを多量に含有させることで満足させる。
(K3)GaAsSbとInGaAsとのタイプII型多重量子井戸構造によって、受光域の長波長化をはかる(非特許文献3)。InP基板との格子整合は、満たされている。
(K4)二次元アレイ化は、受光素子(画素)間に、素子分離溝をウエットエッチングを形成することで実現する(特許文献7)。
中山雅夫「赤外線検出素子の技術動向」センサー技術、1989年3月号(Vol.9, No.3),p.61-64 呉尚謙ら「半導体レーザ分光によるガス中微量水分の検出」日本赤外線学会誌、Vol.11,p.33-40(2001) R.Sidhu,"A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717
InP基板に格子整合するInGaAs受光素子は、検出能力に優れるが、感度は波長1.7μm以下であり、それより長波長域に吸収スペクトルを多くもつガス成分等の検出には不適である。とくに、有機物が発する炭化水素ガスのように、多くの成分が混在する場合、1つの検出対象のガス成分を、当該ガス成分起因の2つ以上の吸収帯を用いて、総合的に検出することが分解能を向上するのに望ましい。このような2つ以上の吸収帯を用いるガス成分の検出では、しかしながら、感度波長域1.7μm以下では、きわめて不十分である。
(K1):InP基板と受光層とが、完全に格子整合しないため、高格子欠陥密度に起因する暗電流が非常に高い。このため十分高いダイナミックレンジ(S/N比)を得られず、高ノイズである。このため暗点(画像抜け)が多くなる。
また、積層体のトップ層をなす窓層について、格子整合を実現するために、InPを用いることができず、InAsP窓層とする必要がある。このため、生体成分によっては重要な吸収帯が位置する近赤外域から短波長側の感度が劣化する。
(K2):InPに格子整合しながら、バンドギャップを長波長化するために、Nを10at%程度にすると、良好な結晶のGaInNAsを得ることは非常に難しい。さらに、受光感度を十分高くするために、厚み2μm程度のGaInNAs得ることは、ほとんど不可能なくらい困難である。要は、鮮明な像を得ることができない。
(K3):多重量子井戸構造の受光層に、通常の方法で不純物を導入すると多重量子井戸構造の結晶性が害される。このため、製造歩留りが低下して製品コストを増大させ、かつ結晶性についても良好なものが得にくい。したがって、受光波長域は2.5μm程度まで長波長化できるが、鮮明な像を得ることができない。
(K4):ウエットエッチングにより素子分離してアレイ化するためには、エッチャントが、溝に十分深く、均一に回り込む必要がある。しかし、エッチャントは、溝に十分深く、均一に回り込まず、制御は難しい。このため製造歩留りが低くなる。一方、ドライエッチングでは、受光素子へのダメージが発生する。とくに気体モニタリング装置のように、波長に応じて回折された光を受光する装置の場合、上記ダメージは許容できない。
本発明は、冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長1.8μm以上に拡大したInP系フォトダイオードを用いて、気体のモニタリングを高感度で遂行することができる、気体モニタリング装置、それを用いた、燃焼状態モニタリング装置、経年変化モニタリング装置、および不純物濃度モニタリング装置を提供することを目的とする。
III−V族化合物半導体積層構造を有し、近赤外域の光を受光する受光素子を備え、その受光素子がInP基板上に形成された多重量子井戸構造の受光層を有する。その受光層のバンドギャップ波長が1.8μm以上3μm以下であり、受光素子では、受光層へと届く不純物元素の選択拡散によって、pn接合が形成される。受光層における前記不純物元素の濃度が5×1016/cm3以下である。また、基板と反対側の受光層の面に接して、III−V族化合物半導体の拡散濃度分布調整層を備え、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギが、InP基板のバンドギャップエネルギより小さく、拡散濃度分布調整層の拡散前のn型不純物濃度が、2×10 15 /cm 3 以下であり、拡散濃度分布調整層は、受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有する。そして、波長3μm以下の少なくとも1つの波長の、気体からの光を受光素子により受光して、該気体中のガス成分等(ガス成分、微粒子等の浮遊物)を検出することを特徴とする。
(1)III−V族化合物半導体により近赤外域用の受光層を形成したとき、その受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを窓層に用いる場合があり、その場合、格子整合性等も考慮して、半導体基板と同じ材料が用いられることが多い。拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギは、窓層のバンドギャップエネルギより小さく、受光層のバンドギャップエネルギより大きいことを前提としている。受光層のバンドギャップエネルギより小さい場合には、エピタキシャル層表面を入射面とする構造を採用したとき、拡散濃度分布調整層が対象とする光を吸収し、受光層の受光感度を低下させるからである。
(2)窓層に通常用いられる大きなバンドギャップエネルギの材料よりも小さいバンドギャップエネルギの材料を用いることにより、不純物濃度を低くしても電気抵抗増大の程度、または電気伝導度の低下の程度を小さくすることができる。この結果、上記のように電圧印加状態において応答速度の低下を抑制できる。
図1は、本発明の実施の形態における受光素子10を示す断面図である。図1によれば、受光素子10は、InP基板1の上に次の構成のIII−V族半導体積層構造(エピタキシャルウエハ)を有する。
(InP基板1/InPバッファ層2/InGaAsまたはGaInNAsとGaAsSbとの多重量子井戸構造の受光層3/InGaAs拡散濃度分布調整層4/InP窓層5)
InP窓層5から多重量子井戸構造の受光層3にまで届くように位置するp型領域6は、SiN膜の選択拡散マスクパターン36の開口部から、p型不純物のZnが選択拡散されることで形成される。受光素子10の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記SiN膜の選択拡散マスクパターン36を用いて拡散することによって達せられる。
本実施の形態における特徴は、次の要素で構成される点にある。
1.多重量子井戸構造は、選択拡散で不純物を高濃度に導入した場合、その構造が破壊されるため、選択拡散による不純物導入を低く抑える必要がある。通常、上記の拡散導入するp型不純物の濃度を5×1016/cm3以下とする必要がある。
受光層の不純物濃度を5×1016/cm3以下とする理由をさらに詳しく説明する。p型不純物(Zn)の選択拡散の深さが深くなるなどして受光層3内におけるZn濃度が1×1017cm−3を超えると、超えた高濃度部分では量子井戸層を構成するInGaAsとGaAsSbの原子が相互に入り乱れ超格子構造が破壊される。破壊された部分の結晶品質は低下し、暗電流が増加するなど素子特性を劣化させる。ここで、Zn濃度は通常はSIMS分析法(Secondary Ion Mass Spectroscopy:二次イオン質量分析法)で測定するが、1017cm−3台あるいは1016cm−3台の濃度の分析は難しく、比較的大きな測定誤差が発生する。上記の詳細説明は、Zn濃度について倍または半分の精度での議論であるが、それはこの測定精度のあらさからきている。したがって、たとえば5×1016/cm3と、6×1016/cm3との相違を議論するのは、測定精度上、難しく、またそれほど大きな意味がない。
(InP基板101/InPまたはInGaAsバッファ層102/(GaInNAs/GaAsSb)多重量子井戸構造の受光層103/InP窓層105)
本発明の実施の形態における積層構造と比較して、拡散濃度分布調整層がないことが相違点である。すなわち、InP窓層105の直下に、多重量子井戸構造の受光層103が配置されている。
(1)拡散導入時間を短時間に限定して、高濃度領域が多重量子井戸構造103内にかからないようにする。
(2)InP窓層105の厚みを厚くして、拡散濃度分布調整層の役割をInP窓層105に分担させる。
図6は、上記の(1)および(2)の場合を検討するための参考例2における受光素子110を示す断面図である。参考例2の受光素子110では、参考例1の受光素子とほぼ同じ積層構造を有するが、InP窓層105の厚みは、参考例1よりも厚くしており、上記(2)の場合に対応するが、(1)の場合も検討することは可能である。図6の積層構造において、多重量子井戸構造103内にZnの高濃度領域を形成しないように選択拡散を行った結果、得られたのが図7に示すZn濃度分布である。図7に示すZn濃度分布の場合、InP窓層105内において、Zn濃度は、高濃度から低濃度へと急峻に低下し、受光層側のInP窓層105内において、1×1016/cm3程度の低濃度不純物領域が形成される。
図8は本発明の実施の形態2における、気体モニタリングのための撮像装置(受光素子アレイ)の概要を示す図である。気体の所定範囲についてピントを合わせるためのレンズなどの光学部品は省略してある。図9は、上記の撮像装置の受光素子アレイを説明するための図である。図10は、図9の受光素子アレイ50のうちの1つの受光素子を示す図である。図8において、この撮像装置70は、共通のInP基板51の上に形成された受光素子10がエピタキシャル層側を、実装基板の機能を有するマルチプレクサ71に向けて、いわゆるエピダウン実装されている。各受光素子10のエピタキシャル層のp型領域6と電気的に接続されるp側電極11と、共通のn型InP基板51(1)に設けられるn側電極12とは、マルチプレクサ71に接続され、電気信号をマルチプレクサに送り、マルチプレクサ71では各受光素子における電気信号を受けて、気体のピントを合わせた所定範囲について全体像を形成する処理を行う。n側電極12およびp側電極11は、それぞれはんだバンプ12b,11bを介在させてマルチプレクサ71と電気的に接続される。入射光は、InP基板51の裏面に形成したAR(Anti-Reflection)膜35を通して導入され、p型領域6と受光層3との界面であるpn接合15で受光される。p型領域6は、保護膜を兼ねるSiNのZn拡散マスク36の開口部から導入される。Zn拡散マスクパターン36は、その上に形成された保護膜のSiON膜パターン43とともにそのまま残される。受光素子アレイおよび各受光素子の構造については、図9および図10を用いて、次に詳しく説明する。
図13は、本発明の実施の形態3における気体モニタリング装置100を示す図である。この気体モニタリング装置100は、電力等の伝送に用いられるOF(Oil Filled)ケーブルの経年劣化をモニタリングする。図14に示すように、気体モニタリング装置100は、OFケーブルに設けられた油中ガス分離セル40に存在する気体の成分を検知する。また、図15は、気体モニタリング装置100における導波路内の水素センサ45を説明するための図である。図13〜図15により、気体モニタリング装置100の構造について説明する前に、OFケーブルの油中ガス分離セル40内のガス成分を検出することによって、経年劣化をモニタできる理由について説明する。
図16は、油中ガス分離セル40におけるガス成分である、メタンCH4とアセチレンC2H2の濃度を示す図である。メタンとアセチレンの濃度を検出することで、おおよその劣化の程度を検知することができる。図16では、メタンとアセチレンの濃度に基づいて、A、B、C、Dの4グループに分けられている。ガス成分分析を行った直後に、OFケーブルを解体して劣化の程度を検査したところ、上記4グループとの間に、次に示すような関係が認められた。
Aグループ:ケーブル部の破壊など
Bグループ:コアの無色化など
Cグループ:接続部コロナ放電痕など
Dグループ:接続紙ややワックス化、正常のものも多い
DグループからAグループへと、経年劣化の程度が大きくなっていることが分かる。より精度よく、経年劣化を判定するためには、メタンCH4、アセチレンC2H2の他に、水素H2、エテンC2H4、エタンC2H6、一酸化炭素COの検出も必要となる。水素H2を含むこれらのガス成分を検出するために、図13〜図15に示す装置を用いる。
アセチレンC2H2:1.5201μm
一酸化炭素CO:1.5688μm
エテンC2H4:1.6245μm
メタンCH4:1.6456μm
エタンC2H6:1.6816μm
水素H2は2原子分子であり、双極子モーメントの変化が生じないので、近赤外域に吸収スペクトルを持たない。このため、水素の検出には、水素と接して水素を吸着することで色が変化する水素センサ45を気体セル40中に露出させ、その中を光伝播路が通過するように配置する。水素吸着に起因する水素センサの着色により光伝播路における近赤外域の光が減衰する。したがい水素濃度の大小により、近赤外域の光透過量は変化するので、この光量変化によって水素を検出することができる。
図13において、光源73は、近赤外域〜可視域の波長を含む光を放出する、ハロゲンランプなどを用いることができる。導光端81aから光ファイバに導光され、光分岐器88aにより、測定光と参照光とに分けられ、測定光は光ファイバ81に導光される。また参照光は光ファイバ7cへと、導光され、光路切換器8にいたる。測定光は、光ファイバ81の出射端から、油中ガス分離セルまたは気体セル40へと出射される。気体セル40には、経年変化によって水素を含む上記のガス成分が混入している。水素以外の近赤外域の上記ピーク波長に対応する吸収を受けた光は、導光端から光ファイバ82を伝播する。光ファイバ82を伝播した、ガス成分の吸収の情報を含む光は、光分岐器88bで分岐され、一方はその情報を含んだまま光路切換器8にいたる。また、他方は、水素によって色彩を変じた水素センサ45中を、伝播して、光ファイバ7bを経て、光路切換器8にいたる。
図15は、水素センサ45を示す図である。LiNbO3からなる基板45aと、その基板にTiを熱拡散して形成された光伝播路45bと、その上にWO3を真空蒸着させたWO3薄膜45cと、その上にPdをスパッタリングさせたPd薄膜45dとを主構成要素とする。光伝播路45bの両端は、光ファイバ7bに接続される(図13参照)。この水素センサ45を、水素が混入する気体セル40におくと、Pd薄膜45dが触媒となってWO3薄膜45cが着色する。その結果、光伝播路45bを伝播するエバネッセント波の減衰割合が増加して近赤外域での透過光量が減衰する。この透過光量変化に、水素濃度の情報が含まれる。
上記のスペクトルに基づいて、上述の各ガス成分の吸収ピーク波長における強度を求めることで、各ガス成分の濃度を求めることができる。水素については、近赤外域の適切な波長を定めておき、その波長について、水素センサ45の着色の前後の強度変化に基づいて求めることができる。
従来(特許文献1)は、レーザ光源の発振周波数を水素センサ45の吸収帯に合わせ、レーザ光源に変調をかけて変調されて出射される2倍周波数の波長範囲を炭化水素ガスの吸収ピーク波長に合わせていた。これによれば、相互に影響することなく、水素濃度と、他のガス成分の濃度とを得ることができる。従来の装置の場合、変調器、温度調節のペルチエ素子、位相検波器などを必要とする。これに対して、図18および図19の光モニタリング装置では、図13に示す装置構成と同じであり、非常に簡単である。図18および図19に示す装置においても、受光素子10または受光素子アレイ50に、図11の受光素子、もしくはその一次元アレイ、または図17に示す受光素子アレイ50を用いてもよい。むしろ、これら短波長域の吸収減少をはかった受光素子を用いるほうが、水素センサ45の着色変化を知る上で好ましい。
図20は、本発明の実施の形態4における気体モニタリング装置または燃焼状態モニタリング100cを示す図である。この燃焼状態モニタリング装置100cは、
燃焼炉内火炎の燃焼状態を診断する装置であって、火炎光を受光する複数個の光プローブP1、P2等から導光された火炎光のスペクトルを測定し、高精度の診断を行う。公害防止のため、ボイラ等の燃焼装置では、窒素酸化物、煤(すす)および一酸化炭素を発生させないことが望まれている。燃焼状態を形成するには、燃焼炉内で燃料と空気とが適度に混合する火炎を形成する。この適度な混合により、燃焼炉内に極端な高温領域を形成させず、かつ極端な低温領域を形成させないことが必要である。このような燃焼状態を監視する装置の一つに、火炎発光スペクトルを検出し、このスペクトル特性から燃焼状態を診断するものがあり、本実施の形態における燃焼状態モニタリング装置が該当する。
図20に示す燃焼状態モニタリング装置100cでは、ボイラの炉壁に複数のプローブP1,P2,・・Pn(または導光端82a)が取り付けられ、火炎光を光ファイバ82へと導光する。複数の光ファイバ82は、光路切換器8に接続され、当該光路切換器8によって選択された光路の光ファイバのみが、オン状態とされ光が通される。オン状態の光路の光は、光ファイバの出射端82bから、レンズ87へと出射される。レンズ87によって平行光線とされた光は、回折格子91で回折されて、受光素子アレイ50によって波長ごとの受光がされる。受光素子アレイ50は、共通のInP基板に作製された一次元もしくは二次元アレイでも、または個々の受光素子10が配列されたものであってもよい。この受光素子アレイ50については、図21に示すように、すすの発光スペクトルが可視域にかかるので、上記したように、列状に配列された個々の受光素子10であれば、図11に示すように、エピタキシャル層トップを光入射面とし(エピアップ実装)、InP基板を実装側とするのがよい。一次元アレイについては、上述のように、一枚の共通InP基板に、図11に示す受光素子10を一次元に配列させる構造は、容易に作製することができる。一方、共通のInP基板に二次元アレイ50を得るには、図17に示すように、エピタキシャル層トップを実装側とし、バッファ層2または受光層3側を光入射側とするのがよい(エピダウン実装)。InP基板は、除去するか、または減厚するのがよい。これによって、可視域の光を感度よく受光することができ、すすの発光スペクトルを感度よくモニタすることができる。
従来(特許文献3)は、多くの干渉フィルタを回転台に取り付け、かつシリコンフォトダイオードとPbS光導電型素子とを積層した複層素子を受光素子に用いていた。この複層の受光素子は、干渉フィルタと同数、必要であり、やはり回転台に取り付けられていた。図20に示す燃焼状態モニタリング装置100cは、上記の回転台、干渉フィルタ、複層の受光素子を必要とせず、従来の装置に比べて格段に簡単にすることができる。このような格段の簡単化によって、測定精度は向上し、燃焼状態モニタリング装置に対する必要なメインテナンス頻度を減少させ、当該装置の製造コストを減少させる。
図22は、ごみの燃焼炉においてごみの温度分布を得るための温度分布測定装置100dである。また図23は温度分布撮像装置55を示す図である。ごみ燃焼炉では、炭素または炭化水素は塊状であり燃料に適した形態で存在するわけではないので、すすは少なく、また水分が多量に存在する。図24は、ごみ燃焼炉における近赤外スペクトルを示すが、水の発光スペクトル波長λ2,λ3が顕著である。本実施の形態においては、水の発光スペクトルが温度によって変化することを利用して、図25に示す水の吸収スペクトルと合わせて、水の濃度と温度とをモニタリングする。図25中、(K1)および(K2)は、それぞれ10mmおよび1mmのキュベットセルを用いて測定したものである。発光スペクトルの強度は、水の濃度にも比例するので、2つの発光ピーク波長だけでは、精度のよい測定が難しいので、吸収スペクトルも用いる。
温度分布撮像装置55では、干渉フィルタ55aが重要である。干渉フィルタ55aは、上記の水の発光ピーク波長λ2,λ3、および複数の吸収ピーク波長のそれぞれに透過波長をもつフィルタとする。たとえば吸収ピーク波長は、図25に示すように、近赤外域に2つの鋭いピークM2,M3をもつが、干渉フィルタ55aは、これらの波長の光を通すようにする。したがって、干渉フィルタ55aは、上記の2つの発光ピーク波長と合わせて全部で4種類、または4つの透過波長のフィルタを配置することになる。外部の操作によって自動的に、これら4種類の干渉フィルタを選択する自動選択機構を設けることが望ましい。レンズ等の光学系55cについても自動的にピントを合わせる自動焦点機構を設けるのがよい。たとえば、上記4種類の干渉フィルタに対応して、4つの波長の光について、ごみまたはその少し上方の撮像を行う。これによって4つの波長の像を得ることができる。
予め、水蒸気温度および水蒸気濃度を変えた空気について、上記の波長における光の強度を求め、温度の回帰式を求めておくことができる。この温度回帰式を制御部のマイコン85bに記憶させておく。上記の撮像によって、各位置において、波長ごとの強度を得ることができる。上記の温度回帰式を用いれば、各位置において、温度を求めることができる。このように、水の温度および濃度を両方ともモニタすることで、ごみの燃焼状態を精度よく検知することができる。
従来(特許文献4)は、多くの温度センサをごみ焼却装置内に配置していたが、本実施の形態の装置を、焼却炉の上方部または頂部に配置することで、温度センサの数を削減することができる。
図26は、本発明の実施の形態6における気体モニタリング装置である、ガス中の不純物モニタリング装置100eを示す図である。この装置は、非特許文献2に開示された装置そのものである。光源73に発振波長1371μm付近(図25のM2に対応)の半導体レーザを用い、ビームスプリッタ93や鏡94を用いて、2ビームに分け、一方を測定対象のプロセスガスが導入されるサンプルセルを通し、他はキャンセル用ビームとする。光強度測定には、直流ノイズ成分を除去するため、ロックイン検波を行う。
異なる点は、光検出器(受光素子)10a,10bの内容である。非特許文献2ではプリアンプ付きのゲルマニウムフォトダイオードが用いられていたが、本実施の形態では、受光素子10a,10bに、図10または図11に示す受光素子を用いる。このため、暗電流が低く、感度の良い近赤外域での分光測定が可能となる。また、1つの波長だけでなく、図25に示した吸収ピーク波長のどれも選択することができる。したがって、図25のM1,M3に対応する半導体レーザ装置を準備することにより、3つの波長で水分濃度をモニタリングすることができる。これによって、プロセスガス中、最も望ましくない不純物である水分の濃度を、より高精度でモニタすることが可能になる。
本発明の受光素子アレイの素子間隔または画素ピッチをどの程度まで小さくできるか、図27に示す受光素子アレイを用いた実施例によって検証した。受光素子間隔または画素ピッチは、図27に示すように、SiN選択拡散マスクパターン36の非開口部の幅である。Znの選択拡散の後に、p側電極11はAuZnにより、またn側電極12はAuGeNiにより、それぞれ形成した。図3の場合、InP基板1にFeドープの半絶縁性基板を用いているので、高濃度不純物のバッファ層2にn側電極12を設けているが、図1に示すようにn型InP基板を用いる場合には、基板裏面にn側電極を設けてもよいし、または基板表面側に基板と隣接するn型半導体層(たとえばバッファ層2)にn側電極を設けてもよい。本実施例では、図3の受光素子アレイのp側電極11とn側電極12との間に5Vの逆バイアス電圧を印加して、暗電流を測定した。InP窓層5の厚みは0.6μmと1.6μmの2種類について、また素子間隔は3μm〜20μmの範囲にわたって7種類の素子間隔について、それぞれ受光素子アレイを製造して、暗電流を測定した。拡散濃度分布調整層4の厚みは1μmとした。
Claims (14)
- 波長域3μm以下の近赤外域の光を利用して、気体をモニタリングするための装置であって、
III−V族化合物半導体積層構造を有し、前記近赤外域の光を受光する受光素子を備え、
前記受光素子がInP基板上に形成された多重量子井戸構造の受光層を有し、
前記受光層のバンドギャップ波長が1.8μm以上3μm以下であり、
前記受光素子では、前記受光層へと届く不純物元素の選択拡散によって、pn接合が形成され、
前記受光層における前記不純物元素の濃度が5×1016/cm3以下であり、前記基板と反対側の前記受光層の面に接して、III−V族化合物半導体の拡散濃度分布調整層を備え、前記拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギが、前記InP基板のバンドギャップエネルギより小さく、前記拡散濃度分布調整層の拡散前のn型不純物濃度が、2×10 15 /cm 3 以下であり、前記拡散濃度分布調整層は、受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有し、
波長3μm以下の少なくとも1つの波長の、前記気体からの光を前記受光素子により受光して、該気体中のガス成分等を検出することを特徴とする、気体モニタリング装置。 - 前記拡散濃度分布調整層は、前記不純物元素の濃度が、前記受光層と接する面と反対側の面側にある1×10 18 /cm 3 以上の領域と、前記受光層側にある2×10 16 /cm 3 以下の領域と、前記2つの領域の間にあり前記2つの領域よりも厚みが薄く前記不純物元素の濃度が2×10 16 /cm 3 より大きく、1×10 18 /cm 3 より小さい領域と、を有することを特徴とする、請求項1に記載の気体モニタリング装置。
- 前記受光層がタイプIIの量子井戸構造であることを特徴とする、請求項1または2に記載の気体モニタリング装置。
- 前記受光層が(InGaAs/GaAsSb)の多重量子井戸構造、または(GaInNAs(P,Sb)/GaAsSb)の多重量子井戸構造であることを特徴とする、請求項3に記載の気体モニタリング装置。
- 前記InP基板は、(100)から[111]方向または[11−1]方向に、5°〜20°傾斜したオフアングル基板であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置。
- 前記不純物元素が亜鉛(Zn)であり、前記拡散濃度分布調整層がInGaAsから形成されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置。
- 前記拡散濃度分布調整層の上にInP窓層を備えることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置。
- 前記InP基板、前記受光層、および前記拡散濃度分布調整層の任意の相互間において、格子整合度(|Δa/a|:ただし、aは格子定数、Δaは相互間の格子定数差)が0.002以下であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置。
- 前記受光素子が、一次元または二次元にアレイ化していることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置。
- 前記受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、該撮像装置により前記気体中の所定範囲におけるガス成分の濃度分布および温度分布の像を形成することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置。
- 前記受光素子は、前記受光層に対して、前記InP基板と反対側のエピタキシャル層トップ側を光入射面とするか、または前記InP基板側が光入射面であって、当該InP基板が除去されているか若しくは前記受光層と同等以下の厚みとされていることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置を備え、燃料、ごみ等の物質の燃焼状態をモニタリングすることを特徴とする、燃焼状態モニタリング装置。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置を備え、装置の経年変化に伴って発生するガス成分をモニタリングすることを特徴とする、経年変化モニタリング装置。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の気体モニタリング装置を備え、外から導入する気体中の不純物のガス成分濃度をモニタリングすることを特徴とする、不純物濃度モニタリング装置。
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