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
【課題】 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等を提供することを目的とする。
【解決手段】 受光層３がＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造を有し、ｐｎ接合１５は、不純物元素を受光層内に選択拡散して形成したものであり、受光層における不純物濃度が、５×１０１６／ｃｍ３以下であり、気体モニタリング装置は、波長３μｍ以下の少なくとも１つの波長の光を受光して、気体中のガス成分等を検出することを特徴とする。
【解決手段】 受光層３がＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造を有し、ｐｎ接合１５は、不純物元素を受光層内に選択拡散して形成したものであり、受光層における不純物濃度が、５×１０１６／ｃｍ３以下であり、気体モニタリング装置は、波長３μｍ以下の少なくとも１つの波長の光を受光して、気体中のガス成分等を検出することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外域を含む光に対して受光感度をもつ半導体受光素子を用いて、産業用装置やごみ焼却炉等のインフラ施設等、における気体中のガス成分等（ガス成分、すす等の浮遊物等）をモニタリングする、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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボイラやごみ焼却炉等の施設には、運転状況に応じて変化する火炎や気体の状態を検知し、検知結果を運転に反映させ、また当該施設の劣化状態を知り当該施設を更新することが行われている。気体は、固体に比べて電磁波を通しやすいので、光学式モニタリングには適しているが、中でも、近赤外域の光は、炭化水素などの気体の吸収スペクトルが位置するので、有機物が発する気体のモニタリングに適している。しかし、近赤外光による分析では、出力信号に、受光素子に起因する大きなノイズが含まれている。このため、センサ（受光素子）の性能向上に全面的に頼らずに、出力信号について必要な情報を抽出するために、分光学的方法またはケモメトリックスなどが重要な手法として用いられている。
【０００３】
上記センサ（受光素子）は、近赤外域では、電子管タイプと固体素子のフォトダイオード（ＰＤ）とに、大別される。このなかで、ＰＤは、小型で、一次元アレイおよび二次元アレイなどの高集積化が容易なので、多くの研究開発が行われている（非特許文献１）。本発明は、ＰＤを用いた生体成分についての検出装置を対象にする。現在、次のようなＰＤ、またはＰＤアレイが用いられている。
（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。
【０００４】
上記のフォトダイオードのうち、（１）は、ノイズを抑制するため冷却する場合が多く、たとえば液体窒素温度（７７Ｋ）やペルチエ素子で冷却して稼動させるものが多い。このため、装置が大がかりになり装置コストが大きくなる。室温でも用いることはできるが、波長域２．５μｍ以下の範囲で暗電流が大きく、検出能力が劣るという問題を有している。（２）一方、ＩｎＰ系ＰＤの課題は、（Ｉ）ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓは暗電流が低いが、受光感度が近赤外域の１．７μｍ以下の波長域に限定されること、および（ＩＩ）受光可能な波長域を２．６μｍまで拡大したｅｘｔｅｎｄｅｄ−ＩｎＧａＡｓでは暗電流が大きく冷却する必要があること、である。したがって、ＩｎＰ系ＰＤでは、気体モニタリングで精度向上のために重要となる２．０μｍ以上の光を、用いることができないか、または用いる場合には冷却する必要がある。
【０００５】
近赤外光を用いた光学式モニタリングの例としては、ＯＦケーブルのように絶縁油を収容した油入機器の保守管理に、油中溶存ガス中の複数の炭化水素の組成比を検知することで油入機器の劣化を知るものがある（特許文献１、２）。特許文献２では、とくに炭化水素ガスと、２原子分子に起因して赤外域に吸収スペクトルをもたない水素の濃度を検知する装置について提案がされている。この光学式モニタリング装置では、波長１．５〜１．６μｍ帯に感度をもつ受光素子を用いている。
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。
【０００６】
ＩｎＧａＡｓについては、上述のように、受光感度を近赤外の長波長側まで拡大する課題がある。これを改善するために、下記の方策が提案されている。
（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）。
【非特許文献１】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
【非特許文献２】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)
【非特許文献３】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
【特許文献１】特開２００７−１２０９７１号公報
【特許文献２】特開平０９−３０４２７４号公報
【特許文献３】特開平０５−７９６２４号公報
【特許文献４】特開平０５−１９６２２０号公報
【特許文献５】特開２００２−３７３９９９号公報
【特許文献６】特開平９−２１９５６３号公報
【特許文献７】特開２００１−１４４２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の受光素子では、全体をまとめると最大２５００ｎｍまでの近赤外光を利用するものが示されている。受光感度が良好であれば、波長の上限は大きいほうが多くの情報を得ることができるので好ましい。しかし、波長１．７μｍを超える光を受光するには、上述したように、ＰｂＳ、ＨｇＣｄＴｅなどを用いた受光素子では、暗電流が大きく、検出能力が低く、検出分解能を高める課題がある。また、検出能力を高めるために冷却して使用すると、気体モニタリング装置が大掛かりになる。
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。
【０００８】
一方、冷却が不要で、近赤外域の長波長側に受光感度を有する受光素子および受光素子アレイは、上記の方策（Ｋ１）〜（Ｋ４）に示すように、いくつかの候補はある。しかし、それぞれに次の課題を残している。
（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。
【０００９】
冷却機構なしで暗電流を抑制したフォトダイオードを用いて、高い感度で近赤外分光が、簡単に行えるようになれば、気体モニタリングにおいても微量のガス成分や微小の温度変化を検知できるようになり有用性を増すことができる。
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の気体モニタリング装置は、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る。この気体モニタリング装置は、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、受光層のＩｎＰ基板と反対側に拡散濃度分布調整層を備える。その拡散濃度分布調整層のバンドギャップがＩｎＰよりも小さく、受光素子では、その拡散濃度分布調整層を通して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。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。
【００１１】
上記の構成によって、近赤外域に対応したバンドギャップエネルギを有する多重量子井戸構造を、不純物濃度を５×１０１6ｃｍ−３以下に低くすることにより多重量子井戸構造を破壊されず、すなわち結晶性を損なわずに、形成することができる。そして、受光素子のｐｎ接合形成のための不純物が選択拡散され、すなわち周縁部から内側に平面的に周囲限定されて、個々の受光素子に分離されるように導入される。このため、各受光素子を高精度で形成しやすく、素子分離溝を設ける必要がないので、暗電流の低い受光素子を形成することができる。このため、波長３μｍ以下において、冷却なしで高い感度の受光をすることができる。気体のガス成分（分子）の吸収帯は、波長０．９μｍ〜３μｍに、いくつも存在するので、上記の気体モニタリング装置によって、これら複数の吸収帯を同時に用いて検出することができる。これによって検出精度を向上させることができる。
【００１２】
拡散濃度分布調整層のバンドギャップをＩｎＰより小さくすることによって、拡散濃度分布調整層の受光層側の厚み範囲の不純物濃度を低くしても、電気抵抗を低く抑えることができ、このため応答速度の低下防止に資することができる。さらに詳しく説明すると、拡散濃度分布調整層のバンドギャップをＩｎＰ基板のバンドギャップより小さくした理由は、次のとおりである。
（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。
【００１３】
ここで、検出とは、あらかじめ所定成分の検量線（所定成分の濃度と、その波長での光の強度または吸収度との関係）を作成しておいて、所定成分の濃度または含有率を求めることであってもよいし、そのような検量線を用いない手法であってもよい。なお、上記のｐｎ接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、不純物元素が選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記拡散導入された不純物領域と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合またはｎｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ濃度またはｎ濃度が非常に低い場合も含むものである。
【００１４】
上記の拡散濃度分布調整層内において、不純物元素の濃度が、受光層と反対側における１×１０１8／ｃｍ３〜９．９×１０１8／ｃｍ３から受光層側における５×１０１6／ｃｍ３以下に低下する分布をとることができる。これによって、表面トップ側に位置する電極の界面抵抗を抑えながら、またはオーミック接触を可能にしながら、かつ多重量子井戸構造の良好な結晶性を確保することができる。拡散濃度分布調整層内の部分における低い不純物濃度に起因する電気抵抗の増大または電気伝導度の低下の問題は、上記のように、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをＩｎＰ相当のそれよりも小さくすることにより軽減することができる。
【００１５】
上記の受光層をタイプＩＩの量子井戸構造とすることができる。これによって、電磁波の吸収の際に、電子の高い価電子帯の層から低い導電帯の層への遷移が可能となり、より長波長域の光に対する受光感度を獲得することが容易になる。
【００１６】
上記の受光層を、（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とすることができる。ここで、（ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ，Ｓｂ）／ＧａＡｓＳｂ）は、（ＧａＩｎＮＡｓＰ／ＧａＡｓＳｂ）、（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）、（ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）、または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）を意味する。これによって、これまで蓄積した材料および技術を用いて、容易に、結晶性に優れ、暗電流の低い受光素子を得ることができる。
【００１７】
上記のＩｎＰ基板を、（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とすることができる。これによって、欠陥密度が小さく結晶性に優れた、多重量子井戸構造の受光層を含む積層体を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光層を得ることができる。
【００１８】
上記の不純物元素を亜鉛（Ｚｎ）とし、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓから形成することができる。これにより、電気抵抗の不純物濃度依存性が小さく、不純物濃度が低くても電気抵抗はそれほど高くならない材料で、拡散濃度分布調整層を形成することができる。電気抵抗の増大抑制は、応答速度の劣化を防止する。また、不純物の亜鉛は、これまでの選択拡散の実績が豊富であり、高い精度で拡散領域を形成することができる。このため、拡散濃度分布調整層内で、拡散導入側の上側で高い濃度の不純物を、受光層側の下側で低い濃度としながら、その下側での電気抵抗を高めないようにできる。このため量子井戸構造を有する受光層内に、高い不純物濃度の領域を形成しないようにできる。この結果、応答性を低下させずに、結晶性の良好な量子井戸構造の受光素子を得ることができる。なお、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップエネルギは０．７５ｅＶである。
【００１９】
拡散濃度分布調整層の上にＩｎＰ窓層を備えることができる。ＩｎＰによる窓層の形成は、内部の半導体積層構造の結晶性を損なわないことから、エピタキシャル層を入射面側とする構造を採用した場合、受光層より入射側での近赤外光の吸収などを防止しながら、暗電流の抑制にも有効に作用する。また、ＩｎＰの結晶表面にパッシベーション膜を形成する技術は、他の結晶表面に形成する場合、たとえばＩｎＧａＡｓの表面にパッシベーション膜を形成する技術よりも蓄積があり、技術的に確立されており、表面での電流リークを容易に抑制することができる。
【００２０】
上記のＩｎＰ基板、受光層の量子井戸構造を構成する各層、および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）を０．００２以下とすることができる。この構成により、普通に入手ができるＩｎＰ基板を用いて、結晶性に優れた受光層を得ることができる。このため、波長１．８μｍ以上の近赤外光の受光素子または受光素子アレイにおいて、暗電流を画期的に抑制することができる。
【００２１】
上記の受光素子は、一次元または二次元にアレイ化した構造をとることができる。受光素子アレイは、受光素子が、複数、半導体積層構造を共通にし、かつ不純物元素が受光素子ごとに受光層内に選択拡散されて形成されており、一次元または二次元に配列されている。この構成によれば、受光素子が個々の不純物拡散領域で形成されるため、素子分離溝を設ける必要がない。このため、高精度で形成しやすく、暗電流を低くできる受光素子アレイを形成することができる。
【００２２】
上記受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、該撮像装置により気体中の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ができる。これによって、感覚的に理解しやすい対象物中の所定成分の分布像を得ることができる。
【００２３】
上記の受光素子は、受光層に対して、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受光層と同等以下の厚みに減厚されている構造をとることができる。これによって、ＩｎＰ基板による可視域〜近赤外域の光吸収を避けることができ、近赤外域よりも短波長側の受光感度を向上することができる。この結果、火炎、燃焼中のごみ、すす、着色センサ等の発する光の色彩をモニタリングすることができ、検知内容の拡大および検知精度の向上を得ることができる。なお、上記の気体からの光について、ガス成分等（ガス成分、該気体中の浮遊物等）の吸収スペクトルおよび／または発光スペクトルをモニタリングすることができる。これによって、ガス成分の濃度とともに、当該気体の温度等をモニタすることができる。
【００２４】
本発明の燃焼状態モニタリング装置は、上記のいずれか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。これによって、たとえばＮＯｘ等の有害ガスの発生を抑制して、適切な燃焼状態を保つことができる。
【００２５】
本発明の経年変化モニタリング装置は、上記のいずれか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。これによって、たとえば電力輸送のＯＦ（Oil Filled)ケーブルにおける経年劣化を検知して、事故発生を防止することができる。
【００２６】
本発明の不純物濃度モニタリング装置は、上記のいずれか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。これによって、たとえば高純度のプロセスガスを用いる半導体製造において、水分などの微量有害不純物をモニタリングして、迅速な対応をとることができる。この結果、製品の品質を維持することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の気体モニタリング装置、およびこれを用いた燃焼状態モニタリング装置等によれば、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系受光素子を用いて、気体中のガス成分を高感度で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（実施の形態１−半導体受光素子アレイの構造−）
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。
【００２９】
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用することもできるようになっている。
【００３０】
多重量子井戸構造の受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５×１０１５／ｃｍ３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置１５は、多重量子井戸の受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。すなわち図２に示す位置となる。
【００３１】
拡散濃度分布調整層４内では、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから選択拡散されたｐ型不純物の濃度が、ＩｎＰ窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層３内では、Ｚｎ濃度は５×１０１６／ｃｍ３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。図２では、受光層３内のＺｎ濃度は、より低い１×１０１６／ｃｍ３程度以下が実現されている。
【００３２】
本発明が対象とする受光素子１０は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層には、受光層３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の材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００３３】
（本実施の形態の受光素子アレイのポイント）
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。
【００３４】
２.上記の低いｐ型不純物の濃度を、実生産上、再現性よく安定して得るために、ＩｎＧａＡｓによる拡散濃度分布調整層４を、受光層３の上に設ける。この拡散濃度分布調整層４において、受光層側の厚み範囲が、上記のような低い不純物濃度になると、その低い不純物濃度の範囲の電気伝導性は低下し、または電気抵抗は増大する。拡散濃度分布調整層４における低不純物濃度範囲の電気伝導性が低下すると、応答性が低下して、たとえば良好な動画を得ることができない。しかしながら、ＩｎＰ相当のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギの材料、具体的には１．３４ｅＶ未満のバンドギャップエネルギを持つＩＩＩ−Ｖ族半導体材料によって拡散濃度分布調整層を形成した場合には、不純物濃度が低くても、電気伝導性は非常に大幅には低下しない。上記拡散濃度分布調整層の要件を満たすＩＩＩ−Ｖ族半導体材料として、たとえばＩｎＧａＡｓなどを挙げることができる。
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。
【００３５】
拡散濃度分布調整層にバンドギャップエネルギの狭い材料を用いると、不純物濃度が低くても電気抵抗の増加を抑制することができる。逆バイアス電圧印加等に対する応答速度は、容量および電気抵抗によるＣＲ時定数で決まると考えられるので、電気抵抗Ｒの増大を、上記のように抑制することにより応答速度を短くすることができる。
【００３６】
３.本実施の形態では、多重量子井戸構造をタイプＩＩとする。タイプＩの量子井戸構造では、バンドギャップエネルギの小さい半導体層を、バンドギャップエネルギの大きい半導体層で挟みながら、近赤外域に受光感度を持たせる受光素子の場合、小さいバンドギャップエネルギの半導体層のバンドギャップにより受光感度の波長上限（カットオフ波長）が定まる。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、小さいバンドギャップエネルギの半導体層内で行われる（直接遷移）。この場合、カットオフ波長をより長波長域まで拡大する材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体内で、非常に限定される。これに対して、タイプＩＩの量子井戸構造では、フェルミエネルギを共通にして異なる２種の半導体層が交互に積層されたとき、第１の半導体の伝導帯と、第２の半導体の価電子帯とのエネルギ差が、受光感度の波長上限（カットオフ波長）を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第２の半導体の価電子帯と、第１の半導体の伝導帯との間で行われる（間接遷移）。このため、第２の半導体の価電子帯のエネルギを、第１の半導体の価電子帯より高くし、かつ第１の半導体の伝導帯のエネルギを、第２の半導体の伝導帯のエネルギより低くすることにより、１つの半導体内の直接遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を実現しやすい。
【００３７】
４.上述のように、選択拡散マスクパターンを用いて選択拡散により、受光素子の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してｐ型不純物を拡散導入するので、上記のｐｎ接合は受光素子の端面に露出しない。この結果、光電流のリークは抑制される。
【００３８】
図３は、上記の受光素子１０を、共通のＩｎＰ基板を含むエピタキシャルウエハに複数個配列した受光素子アレイ５０を示す断面図である。受光素子１０が複数個、素子分離溝なしに配列されている点に特徴を持つ。上述の４.で述べたように、各受光素子の内側にｐ型領域６が限定され、隣接する受光素子とは、確実に区分けされている。受光層３が多重量子井戸構造で形成されており、受光層３の上に拡散濃度分布調整層４が配置されて、受光層３内のｐ型不純物濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下とされている点などは、図１の受光素子１０と同じである。
【００３９】
次に、図１に示す受光素子１０の製造方法について説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、２μｍ厚みのＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２を成膜する。次いで、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造の受光層３を形成する。単位量子井戸構造を形成するＩｎＧａＡｓ層（またはＧａＩｎＮＡｓ層）の厚みは５ｎｍであり、ペア数（単位量子井戸の繰り返し数）は３００である。次いで、受光層３の上に、Ｚｎ拡散導入の際の拡散濃度分布調整層４として、厚み１μｍのＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み１μｍのＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長する。上記の受光層３および拡散濃度分布調整層４は、ともにＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、ＩｎＰ窓層５は、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長してもよいし、拡散濃度調整層４を成長させた後、ＭＢＥ装置から取り出して、ＭＯＶＰＥ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。
【００４０】
ＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２は、ノンドープでもよいし、Ｓｉなどｎ型ドーパントを１×１０１７／ｃｍ３程度ドーピングしてもよい。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓの拡散濃度分布調整層４、およびＩｎＰ窓層５は、ノンドープが望ましいが、Ｓｉなどｎ型ドーパントを極微量（たとえば２×１０１５／ｃｍ３程度）ドーピングしてもよい。また、ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１Ｅ１８ｃｍ−３程度ドープしたｎ側電極を形成するための高濃度のｎ側電極形成層を挿入してもよい。また、ＩｎＰ基板１は、Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板であってもよい。この場合は、その半絶縁性ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１×１０１８／ｃｍ３程度ドープしたｎ側電極形成層を挿入する。
【００４１】
上述のＩｎＰ基板１を含む積層構造（エピタキシャルウエハ）を用いて、光デバイスを製造する。ＩｎＰ窓層５の表面５ａに形成したＳｉＮマスクパターン３６を用いて、その開口部からＺｎを選択拡散してＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３内に届くようにｐ型領域６を形成する。ｐ型領域６のフロント先端部がｐｎ接合１５を形成する。このとき、Ｚｎ濃度が１×１０１８／ｃｍ３程度以上の高濃度領域は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内に限定される。すなわち、上記高濃度不純物分布は、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから深さ方向に、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内にまで連続し、さらに拡散濃度分布調整層４内のより深い位置で５×１０１６／ｃｍ３以下に低下する。そして、ｐｎ接合１５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。
【００４２】
受光素子１０の一次元または二次元配列、すなわち図３に示す受光素子アレイは、素子分離用のメサエッチングをすることなくＺｎの選択拡散（受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散）によって、隣り合う受光素子どうし分離する。すなわち、Ｚｎ選択拡散領域６が１つの受光素子１０の主要部となり、１つの画素を形成するが、Ｚｎが拡散していない領域が、各画素を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。
【００４３】
不純物の選択拡散によってｐｎ接合を形成する場合、拡散が深さ方向だけでなく横方向（深さ直交方向）にも進行するので、素子間隔を一定以上、狭くすることができない懸念が、上記特許文献７に表明されている。しかしながら、実際にＺｎの選択拡散を行ってみると、最表面にＩｎＰ窓層５があり、その下にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が配置された構造では、横方向の拡散は、深さ方向と同程度またはそれ以下に収まることが確認された。すなわち、Ｚｎの選択拡散において、Ｚｎはマスクパターンの開口径よりも横方向に広がるが、その程度は小さく、図１、図３などに模式的に示すように、マスクパターン開口部よりも少し広がるだけである。
【００４４】
図４は、本発明とは異なる参考例１における受光素子１１０を示す断面図である。参考例１の受光素子１１０では、次の積層構造を有する。
（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。
【００４５】
拡散濃度分布調整層がないと、図５に示すように、たとえばＺｎ濃度分布は多重量子井戸構造の受光層１０３まで高い濃度となる。すなわち、多重量子井戸構造内において、５×１０１６／ｃｍ３を超えて１×１０１８／ｃｍ３の高い不純物濃度領域が形成される。多重量子井戸構造に高濃度不純物が導入されると、その構造が破壊され、暗電流が大きく増大する。逆に、このような高濃度不純物領域が、多重量子井戸構造内に形成されないようにするために、拡散濃度分布調整層を設けて選択拡散を行うのである。
【００４６】
しかしながら、Ｚｎの選択拡散において、次のような考え方が成立する余地がある。
（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。
【００４７】
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と、その領域では、繰り返し説明してきたように電気抵抗が高くなり、応答速度が低下する。このため、窓層を形成するほどバンドギャップエネルギが大きい材料に、具体的にはその典型材料であるＩｎＰ窓層１０５に、拡散濃度分布調整層の役割を果たさせることはできない。このことは、上記（１）および（２）の場合について同じである。よって、拡散濃度調整層には、バンドギャップエネルギがＩｎＰ相当以下、具体的には１．３４ｅＶ未満を満たす材料を用いるのがよい。すなわち、低濃度不純物領域でも、電気伝導度の低下が比較的小さく、電気抵抗の増加が比較的小さいＩｎＧａＡｓのような材料を用いる必要がある。
【００４８】
（実施の形態２−気体モニタリングのための撮像装置の構造−）
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。
【００４９】
図９において、受光素子アレイ５０の受光素子１０は、共通のＩｎＰ基板５１（１）に設けられている。各受光素子でＳＷＩＲ帯の光を受光することにより生じた電流信号は、上述のように実装基板を兼ねたマルチプレクサ７１に送られ、画像形成の処理がなされる。各受光素子のサイズやピッチ、アレイの大きさを変えながら、画素数を変化させる。図９に示す受光素子アレイ５０は９万画素のものである。図１０に示す受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に形成された複数のエピタキシャル膜を有し、また、ｐ型領域６を形成する際に用いた、ｐ型不純物導入用の拡散マスク３６を残している。ｐ型領域６にはｐ部電極１１が接続され、はんだバンプなどによりマルチプレクサ７１など実装基板の配線などへと接続される。
【００５０】
図１１は、図８に示したエピダウンの受光素子と異なり、エピアップ実装の受光素子を説明する断面図である。本発明においては、撮像装置内の受光素子はエピダウン実装でもエピアップ実装でも、どちらでもよい。この受光素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、下から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５／拡散マスク３６／反射防止膜（ＡＲ膜:Anti-Reflection）３５が位置している。ｐ型領域６は、ＩｎＰ窓層５から拡散濃度分布調整層４を経て受光層３内のｐｎ接合１５まで形成されている。また、ｎ側電極１２がｎ型ＩｎＰ基板の裏面に位置し、ｐ側電極１１は、ｐ型領域６のＩｎＰ窓層５の表面に位置し、配線電極２７に電気的に接続されている。本実施の形態においては、受光層３は、波長１．０μｍ〜３．０μｍの範囲の光を受光する。具体的には、受光層３は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。
【００５１】
図１１に示す受光素子は、上記したようにエピアップ実装され、エピタキシャル層すなわちＩｎＰ窓層５の側から光を入射される。本実施の形態における受光素子は、上述のように、エピアップ実装でもエピダウン実装でもよく、図１２に示すように、エピダウン実装され、ＩｎＰ基板１の裏面側から光を入射されるタイプでもよい。図１２のエピダウン実装の受光素子１０の場合、ＩｎＰ基板１の裏面にＡＲ膜３５が施される。拡散濃度調整層４、ＩｎＰ窓層５、ｐ側電極１１および保護膜を兼ねるＳｉＮの拡散マスク３６は、エピアップ実装の場合と同様に設けられる。図１２に示すエピダウン実装の場合、ＩｎＰ基板などＩｎＰはＳＷＩＲ帯光に透明なので、ＳＷＩＲ帯光は吸収されることなく、受光層３のｐｎ接合１５に到達する。図１２の構造においても、受光層は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。以後の本発明例においても、とくに断らない限り、同様である。
【００５２】
ｐ側電極１１と、ｎ側電極１２とは、図１１に示すようにＩｎＰ基板１を間に挟んで対向する位置に配置してもよいし、図１２に示すようにＩｎＰ基板１の同じ側の位置に配置してもよい。図１２に示す構造の場合、図９に示す受光素子アレイ５０の各受光素子１０と集積回路とはフリップチップ実装により電気的に接続される。図１１および図１２の構造の受光素子において、ｐｎ接合１５に到達した光は吸収され、電流信号を生じ、上述のように、集積回路を通して各々一画素の像に変換される。
【００５３】
ＩｎＰ基板１は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に５度〜２０度傾斜したオフアングル基板とするのがよい。より望ましくは、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に１０度〜１５度傾斜させる。このような大きなオフ角基板を用いることにより、欠陥密度が小さく結晶性に優れたｎ型ＩｎＰバッファ層２、タイプＩＩの量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光層を得ることができる。このため、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を受光して撮像する装置の性能を大きく向上させる受光層を得ることができる。すなわち上記オフアングル基板を用いて形成された受光素子の有する作用は、宇宙光を受光して撮像する撮像装置の品質向上にとくに有用である。
【００５４】
上記のような大きなオフ角は、ＩｎＰ基板について提唱されたことはなく、本発明者らによってはじめて確認されたものであり、ＩｎＰ基板上に良好な結晶性のエピタキシャル膜を成長させる場合の重要な要素である。たとえば、非常に長波長域の発光及び受光が可能であるとする、上記の量子井戸構造の受光層３中に、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓが含まれる場合、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、実際には、実用に耐える、良好なエピアキシャル層として形成されることは不可能である。すなわち、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓは暗電流を抑制し、暗点を減らした受光層になることはない。この結果、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を用いて鮮明な画像を得ることができない。上記例としてあげたＧａＩｎＮＡｓだけでなく、ＧａＩｎＮＡｓＰおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂにおいてもＩｎＰ基板のオフ角は、上記のような大きい角度範囲が、良好な結晶性を得るのに必要であるという点で同じである。
【００５５】
図１１および図１２に示す受光素子１０では、受光層３を覆うように位置するＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を備える。受光層３の格子定数がＩｎＰ基板１の格子定数と同じであるため、受光層３の上に、暗電流を小さくすることで定評があるＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を形成することができる。このため、暗電流を抑制し、素子信頼性を向上させることができる。
【００５６】
（実施の形態３：気体モニタリング装置（１）−ＯＦケーブル経年劣化のモニタリング装置−）
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。
【００５７】
上記のガス成分の近赤外域における吸収スペクトルのピーク波長は次のとおりである。
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。
【００５８】
図１３を参照して、光路切換器８には３本の光ファイバ７ａ，７ｂ，７ｃが接続されている。たとえば光ファイバ７ａの光を通すと、水素以外のガス成分の情報を含んだ光が、出射端８２ｂから出射される。この光はレンズで平行光とされ、回折格子９１に照射される。回折格子９１は当該光を分光し、受光素子アレイ５０に分光された各波長の光を、出射角度に応じて出射する。受光素子アレイ５０は、一次元アレイでも二次元アレイでもよいが、アレイ中の各受光素子は、予め、位置にしたがって波長に対応づけられている。この結果、水素を除くガス成分の、ベースノイズを含んだ吸収スペクトルを得ることができる。このようなスペクトルの測定を、光ファイバ７ａの通過光だけでなく、光ファイバ７ｃの参照光と、光ファイバ７ｂの水素センサ透過光とについて行う。光ファイバ７ａ，７ｂ，７ｃ間の切り換えは、光路切換器８によって行う。どの光ファイバから測定を行うかの順序は問わないが、たとえば、（１）まず、油中ガス分離セル４０に設けられた水素センサ４５中を通り、光ファイバ７ｃを経由した光のスペクトルを求める。この水素センサ４５中を通る光の測定は、水素によって着色する前、および着色した後、の両方について行っておく。次に、（２）光ファイバ７ｃの参照光のスペクトルを得る。（３）油中ガス分離セル４０を通り、光ファイバ７ａを経由した光のスペクトルを得る。
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。
【００５９】
水素濃度については、直接、可視光を用いて水素センサ４５の着色による程度を測定してもよい。その場合、近赤外域より短波長側の可視域を含む光は、ＩｎＰ基板による吸収を受ける。受光素子１０を一列に並べた構成であれば、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受光素子１０を用いるのがよい。共通のＩｎＰ基板に設ける一次元アレイについては、一枚の共通ＩｎＰ基板に図１１に示す受光素子１０の構造を作り込むことは、容易に可能である。しかし、二次元アレイの構造については、各ｐ側電極からの配線を光の障害にならないように設けることが難しい。このため、共通のＩｎＰ基板上の二次元アレイ５０については、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（エピダウン実装）、バッファ層２または受光層３側を光入射側とした構造とするのがよい。ＩｎＰ基板は、除去するか、または受光層３の厚み程度以下に減厚するのがよい。図１７では、ＩｎＰ基板が除去されている。この受光素子アレイ５０では、共通のｎ側電極１２はボンディングワイヤ１２ｗによりＣＭＯＳ７１の接地電位用電極パッド１２ｃに接続されている。また、各ｐ側電極１１は、保護膜４３中に設けられた電極パッド１１ｃに接続される。このような受光素子アレイ５０は、共通のＩｎＰ基板に二次元に配列することができ、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、水素センサ９の着色を、直接、モニタすることができる。図１７に示すような、受光素子アレイ５０または撮像装置４０は、このあと説明する本発明の実施の形態の変形例および実施の形態４においても言及する。
【００６０】
従来（特許文献２）は、ＯＦケーブルの経年変化モニタでは、各ガス成分の吸収ピーク波長に合わせたレーザ光源を５台配置して、各ガス成分の濃度を求め、かつレーザ光源に変調をかけ、その変調光を用いて水素濃度を求めていた。図１３に示す気体モニタリング装置１００では、上記５台のレーザ光源は不要であり、また変調器も不要である。この結果、経済性を大きく改善するとともに、モニタリング装置を大幅に簡単にすることができる。したがって故障にそなえてのメインテナンスの必要性が減り、メインテナンス頻度を減らすことができる。
【００６１】
図１８および図１９は、上記本発明の実施の形態３の変形例を示す図である。この変形例では、近赤外域に吸収帯をもつガス成分と、吸収帯をもたない水素とが共存する場合、水素濃度および他のガス成分の濃度を求める点で、図１３等に示す気体モニタリング装置１００と同じである。相違点は、水素センサ４５に光ファイバを通さず、気体中を伝播する光が、水素センサ４５を透過して、水素センサ４５を透過した光のスペクトルを測定する点である。すなわち、図１７に示すように、水素センサ４５は、透明なガラス基板４５ｇと、触媒の薄膜４５ｆとで形成される。触媒には、Ｐｔ，Ｐｄ，ＰｄＷＯ３，ＰｔＷＯ３などを用いることができる。導光端８１ａから光ファイバ８１およびレンズ８７を経て気体セル４０へと導光された光は、ガス成分が混合する気体と、水素センサ４５とを透過する。その後、レンズ８７により光ファイバ８２に導光される。その後の経路は、図１３における光ファイバ７ａと同じである。
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。
【００６２】
（実施の形態４：気体モニタリング装置（２）−燃焼状態モニタリング装置−）
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。
【００６３】
（実施の形態５：気体モニタリング装置（３）−ごみの燃焼における温度分布測定装置（温度カメラ）−）
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。
【００６４】
（実施の形態６：気体モニタリング装置（４）−プロセスガス中の不純物モニタリング装置−）
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。
【実施例】
【００６５】
−半導体受光素子アレイの構造についての実施例−
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。
【００６６】
結果を図２８に示す。図２８によれば、ＩｎＰ窓層５の厚みが０．６μｍと薄い場合、素子間隔または画素ピッチを５μｍまで小さくしても、暗電流は１×１０−１０Ａ（アンペア)とすることができる。ＩｎＰ窓層５の厚みが１．６μｍの場合には、上述したように、横方向へのＺｎの拡散が広がり、素子間隔７μｍを超えないと、１×１０−１０Ａとすることができない。しかし、本実施例によって、ＩｎＰ窓層５の厚みを０．６μｍと薄くし、かつ拡散濃度分布調整層を配置することによって、素子間隔５μｍとすることができることを確認した。
【００６７】
拡散濃度分布調整層４の作用については、Ｚｎの深さ方向濃度分布をＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectroscopy)分析によって検証した。図２９に、Ｚｎの深さ方向濃度分布を示す。図２９によれば、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４と受光層３との界面において、Ｚｎのパイルアップのピーク値は５×１０16ｃｍ-3以下に抑制されている。このため、受光層３のｎ型キャリア濃度のバックグラウンドと、Ｚｎ濃度との交差位置（図中○印）に形成されるｐｎ接合において、Ｚｎ濃度は確実に低くすることができ、結晶性等の劣化を防止することができる。そして、この拡散濃度分布調整層４の配置によって、受光層の多重量子井戸構造にその本来の作用を奏させることが可能になる。
【００６８】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、ＩｎＰ系ＰＤの画期的な性能向上によって、既存の食品品質検査装置に対して、高精度な検査を行うことができ、食品の信頼性に資することができる。また、たとえばブランド食材の特定を行うことが可能になる等の変革をもたらす可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子を示す断面図である。
【図２】図１の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における受光素子アレイを示す断面図である。
【図４】本発明と異なる参考例１の受光素子の断面図である。
【図５】図４の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図６】本発明と異なる参考例２の受光素子の断面図である。
【図７】図６の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２における撮像装置の概要を示す図である。
【図９】図８の撮像装置の受光素子アレイを示す図である。
【図１０】図９の受光素子アレイにおける一つの受光素子を示す図である。
【図１１】エピアップ実装の受光素子の断面図である。
【図１２】エピダウン（フリップチップ）実装の受光素子の断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３における気体モニタリング装置（１）を示す図である。
【図１４】図１３の気体モニタリング装置（１）をＯＦケーブルの油中ガス分離セルに取り付けた状態を示す図である。
【図１５】水素センサとその中を通る光ファイバとを示す図である。
【図１６】ＯＦケーブルの経年劣化レベルとガス成分との関係の一例を示す図である。
【図１７】近赤外域に加えて可視域での感度が必要な場合に好適な、本発明の受光素子の一例を示す図である。
【図１８】図１３の気体モニタリング装置（１）の変形例を示す図である。
【図１９】図１９に用いられる水素センサを示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態４における気体モニタリング装置（２）の燃焼状態モニタリング装置を示す図である。
【図２１】火炎光のスペクトル例を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態５における気体モニタリング装置（３）の温度分布測定装置を示す図である。
【図２３】図２２の気体モニタリング装置（３）における撮像装置を示す図である。
【図２４】図２２の気体モニタリング装置（３）の原理を説明するための、水の発光スペクトルを示す図である。
【図２５】図２２の気体モニタリング装置（３）の原理を説明するための、水の吸収スペクトルを示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態６における気体モニタリング装置（４）の不純物モニタリング装置を示す図である。
【図２７】実施例に用いた受光素子アレイの部分断面図である。
【図２８】実施例において測定した暗電流と素子間隔との関係を示す図である。
【図２９】実施例におけるＺｎの深さ方向濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層、３ 多重量子井戸構造の受光層、４ 拡散濃度分布調整層、５ ＩｎＰ窓層、５ａ 窓層の表面、６ ｐ型領域、７ａ，７ｂ，７ｃ 光ファイバ、１０，１０ａ，１０ｂ 受光素子、１１ ｐ側電極、１２ ｎ側電極、１２ｂ はんだバンプ、１２ｃ 電極パッド、１２ｗ ボンディングワイヤ、１５ ｐｎ接合、３５ 反射防止膜、３６ 選択拡散マスクパターン、２７ 配線電極、４０ ガスセル（油中ガス分離セル）、４１ 気体、４３ 保護膜、４５ 水素センサ、４５ａ 基板、４５ｂ 光伝播路（光ファイバ）、４５ｃ ＷＯ３薄膜、４５ｄ Ｐｄ薄膜、４５ｆ 触媒薄膜、４５ｇ 基板、５０ 受光素子アレイ、５１ ＩｎＰ基板、５５ 撮像装置、５５ａ フィルタ部、５５ｃ 光学系、７０ 撮像装置、７１ マルチプレクサ（実装基板）、７３ 光源、８１ 光ファイバ、８１ａ 導光端、８１ｂ 出射端、８２ 光ファイバ、８３ プローブ、８５ 制御部、８５ｂ マイコン（演算部、ＣＰＵ）、８５ｃ 表示部（出力装置）、８７ レンズ、９１ 分光器（回折格子）、９３ ビームスプリッタ、９４ 鏡、１００ 気体モニタリング装置、１００ｃ 燃焼状態モニタリング装置、１００ｄ 温度分布測定装置、１００ｅ 不純物モニタリング装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外域を含む光に対して受光感度をもつ半導体受光素子を用いて、産業用装置やごみ焼却炉等のインフラ施設等、における気体中のガス成分等（ガス成分、すす等の浮遊物等）をモニタリングする、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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボイラやごみ焼却炉等の施設には、運転状況に応じて変化する火炎や気体の状態を検知し、検知結果を運転に反映させ、また当該施設の劣化状態を知り当該施設を更新することが行われている。気体は、固体に比べて電磁波を通しやすいので、光学式モニタリングには適しているが、中でも、近赤外域の光は、炭化水素などの気体の吸収スペクトルが位置するので、有機物が発する気体のモニタリングに適している。しかし、近赤外光による分析では、出力信号に、受光素子に起因する大きなノイズが含まれている。このため、センサ（受光素子）の性能向上に全面的に頼らずに、出力信号について必要な情報を抽出するために、分光学的方法またはケモメトリックスなどが重要な手法として用いられている。
【０００３】
上記センサ（受光素子）は、近赤外域では、電子管タイプと固体素子のフォトダイオード（ＰＤ）とに、大別される。このなかで、ＰＤは、小型で、一次元アレイおよび二次元アレイなどの高集積化が容易なので、多くの研究開発が行われている（非特許文献１）。本発明は、ＰＤを用いた生体成分についての検出装置を対象にする。現在、次のようなＰＤ、またはＰＤアレイが用いられている。
（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。
【０００４】
上記のフォトダイオードのうち、（１）は、ノイズを抑制するため冷却する場合が多く、たとえば液体窒素温度（７７Ｋ）やペルチエ素子で冷却して稼動させるものが多い。このため、装置が大がかりになり装置コストが大きくなる。室温でも用いることはできるが、波長域２．５μｍ以下の範囲で暗電流が大きく、検出能力が劣るという問題を有している。（２）一方、ＩｎＰ系ＰＤの課題は、（Ｉ）ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓは暗電流が低いが、受光感度が近赤外域の１．７μｍ以下の波長域に限定されること、および（ＩＩ）受光可能な波長域を２．６μｍまで拡大したｅｘｔｅｎｄｅｄ−ＩｎＧａＡｓでは暗電流が大きく冷却する必要があること、である。したがって、ＩｎＰ系ＰＤでは、気体モニタリングで精度向上のために重要となる２．０μｍ以上の光を、用いることができないか、または用いる場合には冷却する必要がある。
【０００５】
近赤外光を用いた光学式モニタリングの例としては、ＯＦケーブルのように絶縁油を収容した油入機器の保守管理に、油中溶存ガス中の複数の炭化水素の組成比を検知することで油入機器の劣化を知るものがある（特許文献１、２）。特許文献２では、とくに炭化水素ガスと、２原子分子に起因して赤外域に吸収スペクトルをもたない水素の濃度を検知する装置について提案がされている。この光学式モニタリング装置では、波長１．５〜１．６μｍ帯に感度をもつ受光素子を用いている。
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。
【０００６】
ＩｎＧａＡｓについては、上述のように、受光感度を近赤外の長波長側まで拡大する課題がある。これを改善するために、下記の方策が提案されている。
（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）。
【非特許文献１】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
【非特許文献２】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)
【非特許文献３】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
【特許文献１】特開２００７−１２０９７１号公報
【特許文献２】特開平０９−３０４２７４号公報
【特許文献３】特開平０５−７９６２４号公報
【特許文献４】特開平０５−１９６２２０号公報
【特許文献５】特開２００２−３７３９９９号公報
【特許文献６】特開平９−２１９５６３号公報
【特許文献７】特開２００１−１４４２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の受光素子では、全体をまとめると最大２５００ｎｍまでの近赤外光を利用するものが示されている。受光感度が良好であれば、波長の上限は大きいほうが多くの情報を得ることができるので好ましい。しかし、波長１．７μｍを超える光を受光するには、上述したように、ＰｂＳ、ＨｇＣｄＴｅなどを用いた受光素子では、暗電流が大きく、検出能力が低く、検出分解能を高める課題がある。また、検出能力を高めるために冷却して使用すると、気体モニタリング装置が大掛かりになる。
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。
【０００８】
一方、冷却が不要で、近赤外域の長波長側に受光感度を有する受光素子および受光素子アレイは、上記の方策（Ｋ１）〜（Ｋ４）に示すように、いくつかの候補はある。しかし、それぞれに次の課題を残している。
（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。
【０００９】
冷却機構なしで暗電流を抑制したフォトダイオードを用いて、高い感度で近赤外分光が、簡単に行えるようになれば、気体モニタリングにおいても微量のガス成分や微小の温度変化を検知できるようになり有用性を増すことができる。
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の気体モニタリング装置は、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る。この気体モニタリング装置は、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、受光層のＩｎＰ基板と反対側に拡散濃度分布調整層を備える。その拡散濃度分布調整層のバンドギャップがＩｎＰよりも小さく、受光素子では、その拡散濃度分布調整層を通して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。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。
【００１１】
上記の構成によって、近赤外域に対応したバンドギャップエネルギを有する多重量子井戸構造を、不純物濃度を５×１０１6ｃｍ−３以下に低くすることにより多重量子井戸構造を破壊されず、すなわち結晶性を損なわずに、形成することができる。そして、受光素子のｐｎ接合形成のための不純物が選択拡散され、すなわち周縁部から内側に平面的に周囲限定されて、個々の受光素子に分離されるように導入される。このため、各受光素子を高精度で形成しやすく、素子分離溝を設ける必要がないので、暗電流の低い受光素子を形成することができる。このため、波長３μｍ以下において、冷却なしで高い感度の受光をすることができる。気体のガス成分（分子）の吸収帯は、波長０．９μｍ〜３μｍに、いくつも存在するので、上記の気体モニタリング装置によって、これら複数の吸収帯を同時に用いて検出することができる。これによって検出精度を向上させることができる。
【００１２】
拡散濃度分布調整層のバンドギャップをＩｎＰより小さくすることによって、拡散濃度分布調整層の受光層側の厚み範囲の不純物濃度を低くしても、電気抵抗を低く抑えることができ、このため応答速度の低下防止に資することができる。さらに詳しく説明すると、拡散濃度分布調整層のバンドギャップをＩｎＰ基板のバンドギャップより小さくした理由は、次のとおりである。
（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。
【００１３】
ここで、検出とは、あらかじめ所定成分の検量線（所定成分の濃度と、その波長での光の強度または吸収度との関係）を作成しておいて、所定成分の濃度または含有率を求めることであってもよいし、そのような検量線を用いない手法であってもよい。なお、上記のｐｎ接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、不純物元素が選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記拡散導入された不純物領域と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合またはｎｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ濃度またはｎ濃度が非常に低い場合も含むものである。
【００１４】
上記の拡散濃度分布調整層内において、不純物元素の濃度が、受光層と反対側における１×１０１8／ｃｍ３〜９．９×１０１8／ｃｍ３から受光層側における５×１０１6／ｃｍ３以下に低下する分布をとることができる。これによって、表面トップ側に位置する電極の界面抵抗を抑えながら、またはオーミック接触を可能にしながら、かつ多重量子井戸構造の良好な結晶性を確保することができる。拡散濃度分布調整層内の部分における低い不純物濃度に起因する電気抵抗の増大または電気伝導度の低下の問題は、上記のように、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをＩｎＰ相当のそれよりも小さくすることにより軽減することができる。
【００１５】
上記の受光層をタイプＩＩの量子井戸構造とすることができる。これによって、電磁波の吸収の際に、電子の高い価電子帯の層から低い導電帯の層への遷移が可能となり、より長波長域の光に対する受光感度を獲得することが容易になる。
【００１６】
上記の受光層を、（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とすることができる。ここで、（ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ，Ｓｂ）／ＧａＡｓＳｂ）は、（ＧａＩｎＮＡｓＰ／ＧａＡｓＳｂ）、（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）、（ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）、または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）を意味する。これによって、これまで蓄積した材料および技術を用いて、容易に、結晶性に優れ、暗電流の低い受光素子を得ることができる。
【００１７】
上記のＩｎＰ基板を、（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とすることができる。これによって、欠陥密度が小さく結晶性に優れた、多重量子井戸構造の受光層を含む積層体を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光層を得ることができる。
【００１８】
上記の不純物元素を亜鉛（Ｚｎ）とし、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓから形成することができる。これにより、電気抵抗の不純物濃度依存性が小さく、不純物濃度が低くても電気抵抗はそれほど高くならない材料で、拡散濃度分布調整層を形成することができる。電気抵抗の増大抑制は、応答速度の劣化を防止する。また、不純物の亜鉛は、これまでの選択拡散の実績が豊富であり、高い精度で拡散領域を形成することができる。このため、拡散濃度分布調整層内で、拡散導入側の上側で高い濃度の不純物を、受光層側の下側で低い濃度としながら、その下側での電気抵抗を高めないようにできる。このため量子井戸構造を有する受光層内に、高い不純物濃度の領域を形成しないようにできる。この結果、応答性を低下させずに、結晶性の良好な量子井戸構造の受光素子を得ることができる。なお、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップエネルギは０．７５ｅＶである。
【００１９】
拡散濃度分布調整層の上にＩｎＰ窓層を備えることができる。ＩｎＰによる窓層の形成は、内部の半導体積層構造の結晶性を損なわないことから、エピタキシャル層を入射面側とする構造を採用した場合、受光層より入射側での近赤外光の吸収などを防止しながら、暗電流の抑制にも有効に作用する。また、ＩｎＰの結晶表面にパッシベーション膜を形成する技術は、他の結晶表面に形成する場合、たとえばＩｎＧａＡｓの表面にパッシベーション膜を形成する技術よりも蓄積があり、技術的に確立されており、表面での電流リークを容易に抑制することができる。
【００２０】
上記のＩｎＰ基板、受光層の量子井戸構造を構成する各層、および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）を０．００２以下とすることができる。この構成により、普通に入手ができるＩｎＰ基板を用いて、結晶性に優れた受光層を得ることができる。このため、波長１．８μｍ以上の近赤外光の受光素子または受光素子アレイにおいて、暗電流を画期的に抑制することができる。
【００２１】
上記の受光素子は、一次元または二次元にアレイ化した構造をとることができる。受光素子アレイは、受光素子が、複数、半導体積層構造を共通にし、かつ不純物元素が受光素子ごとに受光層内に選択拡散されて形成されており、一次元または二次元に配列されている。この構成によれば、受光素子が個々の不純物拡散領域で形成されるため、素子分離溝を設ける必要がない。このため、高精度で形成しやすく、暗電流を低くできる受光素子アレイを形成することができる。
【００２２】
上記受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、該撮像装置により気体中の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ができる。これによって、感覚的に理解しやすい対象物中の所定成分の分布像を得ることができる。
【００２３】
上記の受光素子は、受光層に対して、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受光層と同等以下の厚みに減厚されている構造をとることができる。これによって、ＩｎＰ基板による可視域〜近赤外域の光吸収を避けることができ、近赤外域よりも短波長側の受光感度を向上することができる。この結果、火炎、燃焼中のごみ、すす、着色センサ等の発する光の色彩をモニタリングすることができ、検知内容の拡大および検知精度の向上を得ることができる。なお、上記の気体からの光について、ガス成分等（ガス成分、該気体中の浮遊物等）の吸収スペクトルおよび／または発光スペクトルをモニタリングすることができる。これによって、ガス成分の濃度とともに、当該気体の温度等をモニタすることができる。
【００２４】
本発明の燃焼状態モニタリング装置は、上記のいずれか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。これによって、たとえばＮＯｘ等の有害ガスの発生を抑制して、適切な燃焼状態を保つことができる。
【００２５】
本発明の経年変化モニタリング装置は、上記のいずれか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。これによって、たとえば電力輸送のＯＦ（Oil Filled)ケーブルにおける経年劣化を検知して、事故発生を防止することができる。
【００２６】
本発明の不純物濃度モニタリング装置は、上記のいずれか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。これによって、たとえば高純度のプロセスガスを用いる半導体製造において、水分などの微量有害不純物をモニタリングして、迅速な対応をとることができる。この結果、製品の品質を維持することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の気体モニタリング装置、およびこれを用いた燃焼状態モニタリング装置等によれば、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系受光素子を用いて、気体中のガス成分を高感度で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（実施の形態１−半導体受光素子アレイの構造−）
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。
【００２９】
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用することもできるようになっている。
【００３０】
多重量子井戸構造の受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５×１０１５／ｃｍ３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置１５は、多重量子井戸の受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。すなわち図２に示す位置となる。
【００３１】
拡散濃度分布調整層４内では、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから選択拡散されたｐ型不純物の濃度が、ＩｎＰ窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層３内では、Ｚｎ濃度は５×１０１６／ｃｍ３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。図２では、受光層３内のＺｎ濃度は、より低い１×１０１６／ｃｍ３程度以下が実現されている。
【００３２】
本発明が対象とする受光素子１０は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層には、受光層３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の材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００３３】
（本実施の形態の受光素子アレイのポイント）
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。
【００３４】
２.上記の低いｐ型不純物の濃度を、実生産上、再現性よく安定して得るために、ＩｎＧａＡｓによる拡散濃度分布調整層４を、受光層３の上に設ける。この拡散濃度分布調整層４において、受光層側の厚み範囲が、上記のような低い不純物濃度になると、その低い不純物濃度の範囲の電気伝導性は低下し、または電気抵抗は増大する。拡散濃度分布調整層４における低不純物濃度範囲の電気伝導性が低下すると、応答性が低下して、たとえば良好な動画を得ることができない。しかしながら、ＩｎＰ相当のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギの材料、具体的には１．３４ｅＶ未満のバンドギャップエネルギを持つＩＩＩ−Ｖ族半導体材料によって拡散濃度分布調整層を形成した場合には、不純物濃度が低くても、電気伝導性は非常に大幅には低下しない。上記拡散濃度分布調整層の要件を満たすＩＩＩ−Ｖ族半導体材料として、たとえばＩｎＧａＡｓなどを挙げることができる。
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。
【００３５】
拡散濃度分布調整層にバンドギャップエネルギの狭い材料を用いると、不純物濃度が低くても電気抵抗の増加を抑制することができる。逆バイアス電圧印加等に対する応答速度は、容量および電気抵抗によるＣＲ時定数で決まると考えられるので、電気抵抗Ｒの増大を、上記のように抑制することにより応答速度を短くすることができる。
【００３６】
３.本実施の形態では、多重量子井戸構造をタイプＩＩとする。タイプＩの量子井戸構造では、バンドギャップエネルギの小さい半導体層を、バンドギャップエネルギの大きい半導体層で挟みながら、近赤外域に受光感度を持たせる受光素子の場合、小さいバンドギャップエネルギの半導体層のバンドギャップにより受光感度の波長上限（カットオフ波長）が定まる。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、小さいバンドギャップエネルギの半導体層内で行われる（直接遷移）。この場合、カットオフ波長をより長波長域まで拡大する材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体内で、非常に限定される。これに対して、タイプＩＩの量子井戸構造では、フェルミエネルギを共通にして異なる２種の半導体層が交互に積層されたとき、第１の半導体の伝導帯と、第２の半導体の価電子帯とのエネルギ差が、受光感度の波長上限（カットオフ波長）を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第２の半導体の価電子帯と、第１の半導体の伝導帯との間で行われる（間接遷移）。このため、第２の半導体の価電子帯のエネルギを、第１の半導体の価電子帯より高くし、かつ第１の半導体の伝導帯のエネルギを、第２の半導体の伝導帯のエネルギより低くすることにより、１つの半導体内の直接遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を実現しやすい。
【００３７】
４.上述のように、選択拡散マスクパターンを用いて選択拡散により、受光素子の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してｐ型不純物を拡散導入するので、上記のｐｎ接合は受光素子の端面に露出しない。この結果、光電流のリークは抑制される。
【００３８】
図３は、上記の受光素子１０を、共通のＩｎＰ基板を含むエピタキシャルウエハに複数個配列した受光素子アレイ５０を示す断面図である。受光素子１０が複数個、素子分離溝なしに配列されている点に特徴を持つ。上述の４.で述べたように、各受光素子の内側にｐ型領域６が限定され、隣接する受光素子とは、確実に区分けされている。受光層３が多重量子井戸構造で形成されており、受光層３の上に拡散濃度分布調整層４が配置されて、受光層３内のｐ型不純物濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下とされている点などは、図１の受光素子１０と同じである。
【００３９】
次に、図１に示す受光素子１０の製造方法について説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、２μｍ厚みのＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２を成膜する。次いで、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造の受光層３を形成する。単位量子井戸構造を形成するＩｎＧａＡｓ層（またはＧａＩｎＮＡｓ層）の厚みは５ｎｍであり、ペア数（単位量子井戸の繰り返し数）は３００である。次いで、受光層３の上に、Ｚｎ拡散導入の際の拡散濃度分布調整層４として、厚み１μｍのＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み１μｍのＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長する。上記の受光層３および拡散濃度分布調整層４は、ともにＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、ＩｎＰ窓層５は、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長してもよいし、拡散濃度調整層４を成長させた後、ＭＢＥ装置から取り出して、ＭＯＶＰＥ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。
【００４０】
ＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２は、ノンドープでもよいし、Ｓｉなどｎ型ドーパントを１×１０１７／ｃｍ３程度ドーピングしてもよい。ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓの拡散濃度分布調整層４、およびＩｎＰ窓層５は、ノンドープが望ましいが、Ｓｉなどｎ型ドーパントを極微量（たとえば２×１０１５／ｃｍ３程度）ドーピングしてもよい。また、ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１Ｅ１８ｃｍ−３程度ドープしたｎ側電極を形成するための高濃度のｎ側電極形成層を挿入してもよい。また、ＩｎＰ基板１は、Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板であってもよい。この場合は、その半絶縁性ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１×１０１８／ｃｍ３程度ドープしたｎ側電極形成層を挿入する。
【００４１】
上述のＩｎＰ基板１を含む積層構造（エピタキシャルウエハ）を用いて、光デバイスを製造する。ＩｎＰ窓層５の表面５ａに形成したＳｉＮマスクパターン３６を用いて、その開口部からＺｎを選択拡散してＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３内に届くようにｐ型領域６を形成する。ｐ型領域６のフロント先端部がｐｎ接合１５を形成する。このとき、Ｚｎ濃度が１×１０１８／ｃｍ３程度以上の高濃度領域は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内に限定される。すなわち、上記高濃度不純物分布は、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから深さ方向に、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内にまで連続し、さらに拡散濃度分布調整層４内のより深い位置で５×１０１６／ｃｍ３以下に低下する。そして、ｐｎ接合１５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。
【００４２】
受光素子１０の一次元または二次元配列、すなわち図３に示す受光素子アレイは、素子分離用のメサエッチングをすることなくＺｎの選択拡散（受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散）によって、隣り合う受光素子どうし分離する。すなわち、Ｚｎ選択拡散領域６が１つの受光素子１０の主要部となり、１つの画素を形成するが、Ｚｎが拡散していない領域が、各画素を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。
【００４３】
不純物の選択拡散によってｐｎ接合を形成する場合、拡散が深さ方向だけでなく横方向（深さ直交方向）にも進行するので、素子間隔を一定以上、狭くすることができない懸念が、上記特許文献７に表明されている。しかしながら、実際にＺｎの選択拡散を行ってみると、最表面にＩｎＰ窓層５があり、その下にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が配置された構造では、横方向の拡散は、深さ方向と同程度またはそれ以下に収まることが確認された。すなわち、Ｚｎの選択拡散において、Ｚｎはマスクパターンの開口径よりも横方向に広がるが、その程度は小さく、図１、図３などに模式的に示すように、マスクパターン開口部よりも少し広がるだけである。
【００４４】
図４は、本発明とは異なる参考例１における受光素子１１０を示す断面図である。参考例１の受光素子１１０では、次の積層構造を有する。
（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。
【００４５】
拡散濃度分布調整層がないと、図５に示すように、たとえばＺｎ濃度分布は多重量子井戸構造の受光層１０３まで高い濃度となる。すなわち、多重量子井戸構造内において、５×１０１６／ｃｍ３を超えて１×１０１８／ｃｍ３の高い不純物濃度領域が形成される。多重量子井戸構造に高濃度不純物が導入されると、その構造が破壊され、暗電流が大きく増大する。逆に、このような高濃度不純物領域が、多重量子井戸構造内に形成されないようにするために、拡散濃度分布調整層を設けて選択拡散を行うのである。
【００４６】
しかしながら、Ｚｎの選択拡散において、次のような考え方が成立する余地がある。
（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。
【００４７】
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と、その領域では、繰り返し説明してきたように電気抵抗が高くなり、応答速度が低下する。このため、窓層を形成するほどバンドギャップエネルギが大きい材料に、具体的にはその典型材料であるＩｎＰ窓層１０５に、拡散濃度分布調整層の役割を果たさせることはできない。このことは、上記（１）および（２）の場合について同じである。よって、拡散濃度調整層には、バンドギャップエネルギがＩｎＰ相当以下、具体的には１．３４ｅＶ未満を満たす材料を用いるのがよい。すなわち、低濃度不純物領域でも、電気伝導度の低下が比較的小さく、電気抵抗の増加が比較的小さいＩｎＧａＡｓのような材料を用いる必要がある。
【００４８】
（実施の形態２−気体モニタリングのための撮像装置の構造−）
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。
【００４９】
図９において、受光素子アレイ５０の受光素子１０は、共通のＩｎＰ基板５１（１）に設けられている。各受光素子でＳＷＩＲ帯の光を受光することにより生じた電流信号は、上述のように実装基板を兼ねたマルチプレクサ７１に送られ、画像形成の処理がなされる。各受光素子のサイズやピッチ、アレイの大きさを変えながら、画素数を変化させる。図９に示す受光素子アレイ５０は９万画素のものである。図１０に示す受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に形成された複数のエピタキシャル膜を有し、また、ｐ型領域６を形成する際に用いた、ｐ型不純物導入用の拡散マスク３６を残している。ｐ型領域６にはｐ部電極１１が接続され、はんだバンプなどによりマルチプレクサ７１など実装基板の配線などへと接続される。
【００５０】
図１１は、図８に示したエピダウンの受光素子と異なり、エピアップ実装の受光素子を説明する断面図である。本発明においては、撮像装置内の受光素子はエピダウン実装でもエピアップ実装でも、どちらでもよい。この受光素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、下から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５／拡散マスク３６／反射防止膜（ＡＲ膜:Anti-Reflection）３５が位置している。ｐ型領域６は、ＩｎＰ窓層５から拡散濃度分布調整層４を経て受光層３内のｐｎ接合１５まで形成されている。また、ｎ側電極１２がｎ型ＩｎＰ基板の裏面に位置し、ｐ側電極１１は、ｐ型領域６のＩｎＰ窓層５の表面に位置し、配線電極２７に電気的に接続されている。本実施の形態においては、受光層３は、波長１．０μｍ〜３．０μｍの範囲の光を受光する。具体的には、受光層３は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。
【００５１】
図１１に示す受光素子は、上記したようにエピアップ実装され、エピタキシャル層すなわちＩｎＰ窓層５の側から光を入射される。本実施の形態における受光素子は、上述のように、エピアップ実装でもエピダウン実装でもよく、図１２に示すように、エピダウン実装され、ＩｎＰ基板１の裏面側から光を入射されるタイプでもよい。図１２のエピダウン実装の受光素子１０の場合、ＩｎＰ基板１の裏面にＡＲ膜３５が施される。拡散濃度調整層４、ＩｎＰ窓層５、ｐ側電極１１および保護膜を兼ねるＳｉＮの拡散マスク３６は、エピアップ実装の場合と同様に設けられる。図１２に示すエピダウン実装の場合、ＩｎＰ基板などＩｎＰはＳＷＩＲ帯光に透明なので、ＳＷＩＲ帯光は吸収されることなく、受光層３のｐｎ接合１５に到達する。図１２の構造においても、受光層は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。以後の本発明例においても、とくに断らない限り、同様である。
【００５２】
ｐ側電極１１と、ｎ側電極１２とは、図１１に示すようにＩｎＰ基板１を間に挟んで対向する位置に配置してもよいし、図１２に示すようにＩｎＰ基板１の同じ側の位置に配置してもよい。図１２に示す構造の場合、図９に示す受光素子アレイ５０の各受光素子１０と集積回路とはフリップチップ実装により電気的に接続される。図１１および図１２の構造の受光素子において、ｐｎ接合１５に到達した光は吸収され、電流信号を生じ、上述のように、集積回路を通して各々一画素の像に変換される。
【００５３】
ＩｎＰ基板１は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に５度〜２０度傾斜したオフアングル基板とするのがよい。より望ましくは、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に１０度〜１５度傾斜させる。このような大きなオフ角基板を用いることにより、欠陥密度が小さく結晶性に優れたｎ型ＩｎＰバッファ層２、タイプＩＩの量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光層を得ることができる。このため、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を受光して撮像する装置の性能を大きく向上させる受光層を得ることができる。すなわち上記オフアングル基板を用いて形成された受光素子の有する作用は、宇宙光を受光して撮像する撮像装置の品質向上にとくに有用である。
【００５４】
上記のような大きなオフ角は、ＩｎＰ基板について提唱されたことはなく、本発明者らによってはじめて確認されたものであり、ＩｎＰ基板上に良好な結晶性のエピタキシャル膜を成長させる場合の重要な要素である。たとえば、非常に長波長域の発光及び受光が可能であるとする、上記の量子井戸構造の受光層３中に、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓが含まれる場合、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、実際には、実用に耐える、良好なエピアキシャル層として形成されることは不可能である。すなわち、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓは暗電流を抑制し、暗点を減らした受光層になることはない。この結果、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を用いて鮮明な画像を得ることができない。上記例としてあげたＧａＩｎＮＡｓだけでなく、ＧａＩｎＮＡｓＰおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂにおいてもＩｎＰ基板のオフ角は、上記のような大きい角度範囲が、良好な結晶性を得るのに必要であるという点で同じである。
【００５５】
図１１および図１２に示す受光素子１０では、受光層３を覆うように位置するＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を備える。受光層３の格子定数がＩｎＰ基板１の格子定数と同じであるため、受光層３の上に、暗電流を小さくすることで定評があるＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を形成することができる。このため、暗電流を抑制し、素子信頼性を向上させることができる。
【００５６】
（実施の形態３：気体モニタリング装置（１）−ＯＦケーブル経年劣化のモニタリング装置−）
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。
【００５７】
上記のガス成分の近赤外域における吸収スペクトルのピーク波長は次のとおりである。
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。
【００５８】
図１３を参照して、光路切換器８には３本の光ファイバ７ａ，７ｂ，７ｃが接続されている。たとえば光ファイバ７ａの光を通すと、水素以外のガス成分の情報を含んだ光が、出射端８２ｂから出射される。この光はレンズで平行光とされ、回折格子９１に照射される。回折格子９１は当該光を分光し、受光素子アレイ５０に分光された各波長の光を、出射角度に応じて出射する。受光素子アレイ５０は、一次元アレイでも二次元アレイでもよいが、アレイ中の各受光素子は、予め、位置にしたがって波長に対応づけられている。この結果、水素を除くガス成分の、ベースノイズを含んだ吸収スペクトルを得ることができる。このようなスペクトルの測定を、光ファイバ７ａの通過光だけでなく、光ファイバ７ｃの参照光と、光ファイバ７ｂの水素センサ透過光とについて行う。光ファイバ７ａ，７ｂ，７ｃ間の切り換えは、光路切換器８によって行う。どの光ファイバから測定を行うかの順序は問わないが、たとえば、（１）まず、油中ガス分離セル４０に設けられた水素センサ４５中を通り、光ファイバ７ｃを経由した光のスペクトルを求める。この水素センサ４５中を通る光の測定は、水素によって着色する前、および着色した後、の両方について行っておく。次に、（２）光ファイバ７ｃの参照光のスペクトルを得る。（３）油中ガス分離セル４０を通り、光ファイバ７ａを経由した光のスペクトルを得る。
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。
【００５９】
水素濃度については、直接、可視光を用いて水素センサ４５の着色による程度を測定してもよい。その場合、近赤外域より短波長側の可視域を含む光は、ＩｎＰ基板による吸収を受ける。受光素子１０を一列に並べた構成であれば、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受光素子１０を用いるのがよい。共通のＩｎＰ基板に設ける一次元アレイについては、一枚の共通ＩｎＰ基板に図１１に示す受光素子１０の構造を作り込むことは、容易に可能である。しかし、二次元アレイの構造については、各ｐ側電極からの配線を光の障害にならないように設けることが難しい。このため、共通のＩｎＰ基板上の二次元アレイ５０については、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（エピダウン実装）、バッファ層２または受光層３側を光入射側とした構造とするのがよい。ＩｎＰ基板は、除去するか、または受光層３の厚み程度以下に減厚するのがよい。図１７では、ＩｎＰ基板が除去されている。この受光素子アレイ５０では、共通のｎ側電極１２はボンディングワイヤ１２ｗによりＣＭＯＳ７１の接地電位用電極パッド１２ｃに接続されている。また、各ｐ側電極１１は、保護膜４３中に設けられた電極パッド１１ｃに接続される。このような受光素子アレイ５０は、共通のＩｎＰ基板に二次元に配列することができ、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、水素センサ９の着色を、直接、モニタすることができる。図１７に示すような、受光素子アレイ５０または撮像装置４０は、このあと説明する本発明の実施の形態の変形例および実施の形態４においても言及する。
【００６０】
従来（特許文献２）は、ＯＦケーブルの経年変化モニタでは、各ガス成分の吸収ピーク波長に合わせたレーザ光源を５台配置して、各ガス成分の濃度を求め、かつレーザ光源に変調をかけ、その変調光を用いて水素濃度を求めていた。図１３に示す気体モニタリング装置１００では、上記５台のレーザ光源は不要であり、また変調器も不要である。この結果、経済性を大きく改善するとともに、モニタリング装置を大幅に簡単にすることができる。したがって故障にそなえてのメインテナンスの必要性が減り、メインテナンス頻度を減らすことができる。
【００６１】
図１８および図１９は、上記本発明の実施の形態３の変形例を示す図である。この変形例では、近赤外域に吸収帯をもつガス成分と、吸収帯をもたない水素とが共存する場合、水素濃度および他のガス成分の濃度を求める点で、図１３等に示す気体モニタリング装置１００と同じである。相違点は、水素センサ４５に光ファイバを通さず、気体中を伝播する光が、水素センサ４５を透過して、水素センサ４５を透過した光のスペクトルを測定する点である。すなわち、図１７に示すように、水素センサ４５は、透明なガラス基板４５ｇと、触媒の薄膜４５ｆとで形成される。触媒には、Ｐｔ，Ｐｄ，ＰｄＷＯ３，ＰｔＷＯ３などを用いることができる。導光端８１ａから光ファイバ８１およびレンズ８７を経て気体セル４０へと導光された光は、ガス成分が混合する気体と、水素センサ４５とを透過する。その後、レンズ８７により光ファイバ８２に導光される。その後の経路は、図１３における光ファイバ７ａと同じである。
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。
【００６２】
（実施の形態４：気体モニタリング装置（２）−燃焼状態モニタリング装置−）
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。
【００６３】
（実施の形態５：気体モニタリング装置（３）−ごみの燃焼における温度分布測定装置（温度カメラ）−）
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。
【００６４】
（実施の形態６：気体モニタリング装置（４）−プロセスガス中の不純物モニタリング装置−）
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。
【実施例】
【００６５】
−半導体受光素子アレイの構造についての実施例−
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。
【００６６】
結果を図２８に示す。図２８によれば、ＩｎＰ窓層５の厚みが０．６μｍと薄い場合、素子間隔または画素ピッチを５μｍまで小さくしても、暗電流は１×１０−１０Ａ（アンペア)とすることができる。ＩｎＰ窓層５の厚みが１．６μｍの場合には、上述したように、横方向へのＺｎの拡散が広がり、素子間隔７μｍを超えないと、１×１０−１０Ａとすることができない。しかし、本実施例によって、ＩｎＰ窓層５の厚みを０．６μｍと薄くし、かつ拡散濃度分布調整層を配置することによって、素子間隔５μｍとすることができることを確認した。
【００６７】
拡散濃度分布調整層４の作用については、Ｚｎの深さ方向濃度分布をＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectroscopy)分析によって検証した。図２９に、Ｚｎの深さ方向濃度分布を示す。図２９によれば、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４と受光層３との界面において、Ｚｎのパイルアップのピーク値は５×１０16ｃｍ-3以下に抑制されている。このため、受光層３のｎ型キャリア濃度のバックグラウンドと、Ｚｎ濃度との交差位置（図中○印）に形成されるｐｎ接合において、Ｚｎ濃度は確実に低くすることができ、結晶性等の劣化を防止することができる。そして、この拡散濃度分布調整層４の配置によって、受光層の多重量子井戸構造にその本来の作用を奏させることが可能になる。
【００６８】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、ＩｎＰ系ＰＤの画期的な性能向上によって、既存の食品品質検査装置に対して、高精度な検査を行うことができ、食品の信頼性に資することができる。また、たとえばブランド食材の特定を行うことが可能になる等の変革をもたらす可能性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子を示す断面図である。
【図２】図１の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における受光素子アレイを示す断面図である。
【図４】本発明と異なる参考例１の受光素子の断面図である。
【図５】図４の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図６】本発明と異なる参考例２の受光素子の断面図である。
【図７】図６の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２における撮像装置の概要を示す図である。
【図９】図８の撮像装置の受光素子アレイを示す図である。
【図１０】図９の受光素子アレイにおける一つの受光素子を示す図である。
【図１１】エピアップ実装の受光素子の断面図である。
【図１２】エピダウン（フリップチップ）実装の受光素子の断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３における気体モニタリング装置（１）を示す図である。
【図１４】図１３の気体モニタリング装置（１）をＯＦケーブルの油中ガス分離セルに取り付けた状態を示す図である。
【図１５】水素センサとその中を通る光ファイバとを示す図である。
【図１６】ＯＦケーブルの経年劣化レベルとガス成分との関係の一例を示す図である。
【図１７】近赤外域に加えて可視域での感度が必要な場合に好適な、本発明の受光素子の一例を示す図である。
【図１８】図１３の気体モニタリング装置（１）の変形例を示す図である。
【図１９】図１９に用いられる水素センサを示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態４における気体モニタリング装置（２）の燃焼状態モニタリング装置を示す図である。
【図２１】火炎光のスペクトル例を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態５における気体モニタリング装置（３）の温度分布測定装置を示す図である。
【図２３】図２２の気体モニタリング装置（３）における撮像装置を示す図である。
【図２４】図２２の気体モニタリング装置（３）の原理を説明するための、水の発光スペクトルを示す図である。
【図２５】図２２の気体モニタリング装置（３）の原理を説明するための、水の吸収スペクトルを示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態６における気体モニタリング装置（４）の不純物モニタリング装置を示す図である。
【図２７】実施例に用いた受光素子アレイの部分断面図である。
【図２８】実施例において測定した暗電流と素子間隔との関係を示す図である。
【図２９】実施例におけるＺｎの深さ方向濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層、３ 多重量子井戸構造の受光層、４ 拡散濃度分布調整層、５ ＩｎＰ窓層、５ａ 窓層の表面、６ ｐ型領域、７ａ，７ｂ，７ｃ 光ファイバ、１０，１０ａ，１０ｂ 受光素子、１１ ｐ側電極、１２ ｎ側電極、１２ｂ はんだバンプ、１２ｃ 電極パッド、１２ｗ ボンディングワイヤ、１５ ｐｎ接合、３５ 反射防止膜、３６ 選択拡散マスクパターン、２７ 配線電極、４０ ガスセル（油中ガス分離セル）、４１ 気体、４３ 保護膜、４５ 水素センサ、４５ａ 基板、４５ｂ 光伝播路（光ファイバ）、４５ｃ ＷＯ３薄膜、４５ｄ Ｐｄ薄膜、４５ｆ 触媒薄膜、４５ｇ 基板、５０ 受光素子アレイ、５１ ＩｎＰ基板、５５ 撮像装置、５５ａ フィルタ部、５５ｃ 光学系、７０ 撮像装置、７１ マルチプレクサ（実装基板）、７３ 光源、８１ 光ファイバ、８１ａ 導光端、８１ｂ 出射端、８２ 光ファイバ、８３ プローブ、８５ 制御部、８５ｂ マイコン（演算部、ＣＰＵ）、８５ｃ 表示部（出力装置）、８７ レンズ、９１ 分光器（回折格子）、９３ ビームスプリッタ、９４ 鏡、１００ 気体モニタリング装置、１００ｃ 燃焼状態モニタリング装置、１００ｄ 温度分布測定装置、１００ｅ 不純物モニタリング装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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、
前記受光層の前記ＩｎＰ基板と反対側に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がＩｎＰよりも小さく、
前記受光素子では、前記拡散濃度分布調整層を通して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、
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。
【請求項２】
前記拡散濃度分布調整層内において、前記不純物元素の濃度が、前記受光層と反対側における１×１０１8／ｃｍ３〜９．９×１０１8／ｃｍ３から前記受光層側における５×１０１６／ｃｍ３以下に低下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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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１２】
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１３】
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１４】
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。
【請求項１】
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、
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、
前記受光層の前記ＩｎＰ基板と反対側に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がＩｎＰよりも小さく、
前記受光素子では、前記拡散濃度分布調整層を通して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、
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。
【請求項２】
前記拡散濃度分布調整層内において、前記不純物元素の濃度が、前記受光層と反対側における１×１０１8／ｃｍ３〜９．９×１０１8／ｃｍ３から前記受光層側における５×１０１６／ｃｍ３以下に低下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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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１２】
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１３】
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１４】
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。
【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】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【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】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公開番号】特開２０１０−１５１６９０（Ｐ２０１０−１５１６９０Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３１５３１（Ｐ２００８−３３１５３１）
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２５日（２００８．１２．２５）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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