JP2003060223A - 火炎センサ - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ショットキーダイオード構造の受光部におい
て発生される光電流が暗電流と比べて明確に出力される
火炎センサを提供する。 【解決手段】 受光層７と、少なくとも上記受光層７を
挟んで設けられた１対の電極８、９とを備えてなるショ
ットキーダイオード部を備え、上記受光層７において発
生された光キャリアを、上記１対の電極間８、９に所定
の逆バイアス電圧を印加することで光電流として出力す
る火炎センサ１であって、測定下限の光強度を有する照
射光を受光して出力された光電流の値が暗電流の値に対
して１倍となるバイアス電圧よりも絶対値の小さいバイ
アス電圧を印加してなる。
て発生される光電流が暗電流と比べて明確に出力される
火炎センサを提供する。 【解決手段】 受光層７と、少なくとも上記受光層７を
挟んで設けられた１対の電極８、９とを備えてなるショ
ットキーダイオード部を備え、上記受光層７において発
生された光キャリアを、上記１対の電極間８、９に所定
の逆バイアス電圧を印加することで光電流として出力す
る火炎センサ１であって、測定下限の光強度を有する照
射光を受光して出力された光電流の値が暗電流の値に対
して１倍となるバイアス電圧よりも絶対値の小さいバイ
アス電圧を印加してなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ショットキーダイ
オード型の受光部を備えた火炎センサに関する。
オード型の受光部を備えた火炎センサに関する。
【従来の技術】ｎ型半導体、ｉ型半導体、ｐ型半導体を
順次積層して構成されたＰＩＮ型の火炎センサでは、光
電流を抽出する電極の一方をｐ型半導体層の上に設ける
必要がある。ｐ型半導体層の上に電極を設けた場合、そ
の界面はオーミック接触とする必要があり、それによっ
て、ｐ型半導体層と電極との界面の電気抵抗を小さくす
ることができるように構成されている。更に、ｐ型半導
体層上に設けられる電極をオーミック接触とさせるため
に、電極を熱処理することが行われている。一方で、シ
ョットキーダイオード型の火炎センサでは、受光層であ
る半導体層と電極とをショットキー接合で形成してい
る。従って、この場合は電極を熱処理することは行われ
ていない。
順次積層して構成されたＰＩＮ型の火炎センサでは、光
電流を抽出する電極の一方をｐ型半導体層の上に設ける
必要がある。ｐ型半導体層の上に電極を設けた場合、そ
の界面はオーミック接触とする必要があり、それによっ
て、ｐ型半導体層と電極との界面の電気抵抗を小さくす
ることができるように構成されている。更に、ｐ型半導
体層上に設けられる電極をオーミック接触とさせるため
に、電極を熱処理することが行われている。一方で、シ
ョットキーダイオード型の火炎センサでは、受光層であ
る半導体層と電極とをショットキー接合で形成してい
る。従って、この場合は電極を熱処理することは行われ
ていない。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ＰＩＮ型の火
炎センサを窒化物半導体で構成しようとした場合、例え
ば、ＡｌxＧａ1-xＮであるｐ型窒化物半導体層のアルミ
ニウム組成比ｘをできるだけ小さく（ｘ＜０．１〜０．
２）しなければ、ｐ型窒化物半導体層上の電極をオーミ
ック接触とさせることはできない。更に、アルミニウム
組成比ｘを大きくした場合には、得られるｐ型窒化物半
導体の結晶品質も悪く、特に欠陥準位が多く形成される
ために火炎の光に対応する波長範囲以外の波長範囲で光
を吸収して光電流が発生し、その結果、火炎の光のみを
高い感度で検知することができないという問題も生じて
しまう。従って、ＡｌxＧａ1-xＮであるｐ型窒化物半導
体層においては現実的にアルミニウム組成比ｘ＜０．１
とせざるを得ない。
炎センサを窒化物半導体で構成しようとした場合、例え
ば、ＡｌxＧａ1-xＮであるｐ型窒化物半導体層のアルミ
ニウム組成比ｘをできるだけ小さく（ｘ＜０．１〜０．
２）しなければ、ｐ型窒化物半導体層上の電極をオーミ
ック接触とさせることはできない。更に、アルミニウム
組成比ｘを大きくした場合には、得られるｐ型窒化物半
導体の結晶品質も悪く、特に欠陥準位が多く形成される
ために火炎の光に対応する波長範囲以外の波長範囲で光
を吸収して光電流が発生し、その結果、火炎の光のみを
高い感度で検知することができないという問題も生じて
しまう。従って、ＡｌxＧａ1-xＮであるｐ型窒化物半導
体層においては現実的にアルミニウム組成比ｘ＜０．１
とせざるを得ない。
【０００３】しかしながら、アルミニウム組成比ｘを低
くした場合には、そのｐ型窒化物半導体のバンドギャッ
プエネルギが火炎の光が持っているエネルギよりも小さ
くなるために、照射された火炎の光が、受光層であるｉ
型半導体層に到達する前にｐ型窒化物半導体層で吸収さ
れ、結果的に、検出対象とする紫外域における火炎の発
光を高い感度で検知することができないという問題が生
じてしまう。
くした場合には、そのｐ型窒化物半導体のバンドギャッ
プエネルギが火炎の光が持っているエネルギよりも小さ
くなるために、照射された火炎の光が、受光層であるｉ
型半導体層に到達する前にｐ型窒化物半導体層で吸収さ
れ、結果的に、検出対象とする紫外域における火炎の発
光を高い感度で検知することができないという問題が生
じてしまう。
【０００４】上述の２つの相反する問題は、感度が比較
的低くても構わなかった従来の受光素子においてはほと
んど問題にならなかったが、極めて微弱な光を受光して
発生された小さい光電流を感度良く検出することを要求
される火炎センサにとっては大きな問題となっていた。
従って、ＰＩＮ型の受光素子を微弱な火炎の光を検出可
能な火炎センサとして使用するためには以上の問題点が
立ちはだかり、そのためＰＩＮ型の火炎センサの欠点と
なっている。
的低くても構わなかった従来の受光素子においてはほと
んど問題にならなかったが、極めて微弱な光を受光して
発生された小さい光電流を感度良く検出することを要求
される火炎センサにとっては大きな問題となっていた。
従って、ＰＩＮ型の受光素子を微弱な火炎の光を検出可
能な火炎センサとして使用するためには以上の問題点が
立ちはだかり、そのためＰＩＮ型の火炎センサの欠点と
なっている。
【０００５】ショットキーダイオード型の受光部を備え
た火炎センサにおいては、火炎の発光により誘起される
光電流よりも暗電流が温度上昇に伴って大きく増大する
ことが見出されたため、通常の火炎センサと同様の使用
条件（受光部に印加されるバイアス電圧の値や雰囲気温
度など）では光電流と暗電流とを明確に区別できず、火
炎の発光を感度良く検出できないことが分かった。
た火炎センサにおいては、火炎の発光により誘起される
光電流よりも暗電流が温度上昇に伴って大きく増大する
ことが見出されたため、通常の火炎センサと同様の使用
条件（受光部に印加されるバイアス電圧の値や雰囲気温
度など）では光電流と暗電流とを明確に区別できず、火
炎の発光を感度良く検出できないことが分かった。
【０００６】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、ショットキーダイオード型の受
光素子において光電流と暗電流とを明確に区別できる受
光素子を提供する点にある。
のであり、その目的は、ショットキーダイオード型の受
光素子において光電流と暗電流とを明確に区別できる受
光素子を提供する点にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明に係る火炎センサの第一の特徴構成は、特許請
求の範囲の欄の請求項１に記載の如く、受光層と、少な
くとも前記受光層を挟んで設けられた１対の電極とを備
えてなるショットキーダイオード部を備え、前記受光層
において発生された光キャリアを、前記１対の電極間に
所定の逆バイアス電圧を印加することで光電流として出
力する火炎センサにおいて、測定下限の光強度を有する
照射光を受光して出力された光電流の値が暗電流の値に
対して１倍となるバイアス電圧よりも絶対値の小さいバ
イアス電圧を印加してなる点にある。
の本発明に係る火炎センサの第一の特徴構成は、特許請
求の範囲の欄の請求項１に記載の如く、受光層と、少な
くとも前記受光層を挟んで設けられた１対の電極とを備
えてなるショットキーダイオード部を備え、前記受光層
において発生された光キャリアを、前記１対の電極間に
所定の逆バイアス電圧を印加することで光電流として出
力する火炎センサにおいて、測定下限の光強度を有する
照射光を受光して出力された光電流の値が暗電流の値に
対して１倍となるバイアス電圧よりも絶対値の小さいバ
イアス電圧を印加してなる点にある。
【０００８】ここで、光電流の値が暗電流の値に対して
１倍（等しい）とは、両者が厳密に等しくなくても、火
炎センサの出力分解能（誤差を含む）の範囲内で等しい
と見なすことができる状態にあることを意味する。ま
た、測定下限の光強度を有する照射光とは、本発明に係
る火炎センサが検出することを要求される最小強度の光
のことである。従って、測定下限の光強度を有する照射
光を受光して発生された光電流を暗電流と区別すること
ができれば、それ以上の光強度を有する照射光も当然検
出することができる。
１倍（等しい）とは、両者が厳密に等しくなくても、火
炎センサの出力分解能（誤差を含む）の範囲内で等しい
と見なすことができる状態にあることを意味する。ま
た、測定下限の光強度を有する照射光とは、本発明に係
る火炎センサが検出することを要求される最小強度の光
のことである。従って、測定下限の光強度を有する照射
光を受光して発生された光電流を暗電流と区別すること
ができれば、それ以上の光強度を有する照射光も当然検
出することができる。
【０００９】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項２に記載の如く、上記第一の特徴構成に加えて、前
記光電流の値が前記暗電流の値に対して２倍となるバイ
アス電圧よりも絶対値の小さいバイアス電圧を前記１対
の電極間に印加してなる点にある。
炎センサの第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項２に記載の如く、上記第一の特徴構成に加えて、前
記光電流の値が前記暗電流の値に対して２倍となるバイ
アス電圧よりも絶対値の小さいバイアス電圧を前記１対
の電極間に印加してなる点にある。
【００１０】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項３に記載の如く、上記第二の特徴構成に加えて、０
ボルトのバイアス電圧を前記１対の電極間に印加してな
る点にある。
炎センサの第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項３に記載の如く、上記第二の特徴構成に加えて、０
ボルトのバイアス電圧を前記１対の電極間に印加してな
る点にある。
【００１１】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項４に記載の如く、上記第一から第三の何れかの特徴
構成に加えて、前記受光層のバンドギャップエネルギが
３．６ｅＶ以上である点にある。
炎センサの第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項４に記載の如く、上記第一から第三の何れかの特徴
構成に加えて、前記受光層のバンドギャップエネルギが
３．６ｅＶ以上である点にある。
【００１２】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項５に記載の如く、上記第四の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが４．０ｅＶ以下で
ある点にある。
炎センサの第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項５に記載の如く、上記第四の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが４．０ｅＶ以下で
ある点にある。
【００１３】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第六の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項６に記載の如く、上記第四の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上で
ある点にある。
炎センサの第六の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項６に記載の如く、上記第四の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが４．１ｅＶ以上で
ある点にある。
【００１４】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第七の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項７に記載の如く、上記第六の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上で
ある点にある。
炎センサの第七の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項７に記載の如く、上記第六の特徴構成に加えて、前
記受光層のバンドギャップエネルギが４．４ｅＶ以上で
ある点にある。
【００１５】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第八の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項８に記載の如く、上記第一から第七の特徴構成に加
えて、前記受光層がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を含
む点にある。
炎センサの第八の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項８に記載の如く、上記第一から第七の特徴構成に加
えて、前記受光層がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を含
む点にある。
【００１６】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第九の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項９に記載の如く、上記第一から第八の何れかの特徴
構成に加えて、前記受光層における入射光の反射率を低
減させる反射防止手段が前記受光層の入射光側に設けら
れている点にある。
炎センサの第九の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項９に記載の如く、上記第一から第八の何れかの特徴
構成に加えて、前記受光層における入射光の反射率を低
減させる反射防止手段が前記受光層の入射光側に設けら
れている点にある。
【００１７】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第十の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項１０に記載の如く、上記第九の特徴構成に加えて、
前記反射防止手段が、前記受光層よりも屈折率の小さい
光透過層である点にある。
炎センサの第十の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請
求項１０に記載の如く、上記第九の特徴構成に加えて、
前記反射防止手段が、前記受光層よりも屈折率の小さい
光透過層である点にある。
【００１８】上記課題を解決するための本発明に係る火
炎センサの第十一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の
請求項１１に記載の如く、上記第一から第十の何れかの
特徴構成に加えて、下地層構造と、前記下地層構造上に
設けられた、前記受光層を含む受光層構造とを備えてな
り、前記下地層構造が備える複数の半導体層が、前記下
地層構造の結晶状態を改善する複数のバッファ層を備え
て構成される点にある。
炎センサの第十一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の
請求項１１に記載の如く、上記第一から第十の何れかの
特徴構成に加えて、下地層構造と、前記下地層構造上に
設けられた、前記受光層を含む受光層構造とを備えてな
り、前記下地層構造が備える複数の半導体層が、前記下
地層構造の結晶状態を改善する複数のバッファ層を備え
て構成される点にある。
【００１９】以下に作用並びに効果を説明する。本発明
に係る火炎センサの第一の特徴構成によれば、光キャリ
アを発生させるショットキーダイオード部に印加される
逆バイアス電圧が、検出することが要求されている測定
下限の光強度を受光して出力された光電流の値が暗電流
の値に対して１倍となるバイアス電圧よりも絶対値の小
さいバイアス電圧であることで、発生された光電流が暗
電流よりも大きな値となり、暗電流と区別して検出する
ことができる。また、印加されるバイアス電圧を更に小
さくすれば暗電流が指数関数的に減少するので、更に光
電流と暗電流とを明確に区別することができる火炎セン
サを提供することができる。
に係る火炎センサの第一の特徴構成によれば、光キャリ
アを発生させるショットキーダイオード部に印加される
逆バイアス電圧が、検出することが要求されている測定
下限の光強度を受光して出力された光電流の値が暗電流
の値に対して１倍となるバイアス電圧よりも絶対値の小
さいバイアス電圧であることで、発生された光電流が暗
電流よりも大きな値となり、暗電流と区別して検出する
ことができる。また、印加されるバイアス電圧を更に小
さくすれば暗電流が指数関数的に減少するので、更に光
電流と暗電流とを明確に区別することができる火炎セン
サを提供することができる。
【００２０】また、本発明に係るショットキーダイオー
ド型の受光部を備えた火炎センサを高い受光感度で使用
することができる使用条件を見つけることができたこと
から、従来から使用されてきたＰＩＮ型の受光部を備え
た火炎センサに取って代わる火炎センサを提供すること
ができた。その結果、従来のＰＩＮ型の受光部を備えた
火炎センサにおいて上述したように問題となっていた、
ｐ型窒化物半導体層の結晶品質が悪いという問題と、ｐ
型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギを小さくせ
ざるを得ないという問題とをデバイスの設計時に考慮す
る必要が無くなった。その結果、高品質で受光波長域を
自由に設定できる火炎センサが得られるようになった。
ド型の受光部を備えた火炎センサを高い受光感度で使用
することができる使用条件を見つけることができたこと
から、従来から使用されてきたＰＩＮ型の受光部を備え
た火炎センサに取って代わる火炎センサを提供すること
ができた。その結果、従来のＰＩＮ型の受光部を備えた
火炎センサにおいて上述したように問題となっていた、
ｐ型窒化物半導体層の結晶品質が悪いという問題と、ｐ
型窒化物半導体層のバンドギャップエネルギを小さくせ
ざるを得ないという問題とをデバイスの設計時に考慮す
る必要が無くなった。その結果、高品質で受光波長域を
自由に設定できる火炎センサが得られるようになった。
【００２１】本発明に係る火炎センサの第二の特徴構成
によれば、光電流の値が暗電流の値に対して２倍以上と
なるようなバイアス電圧が印加されていることで、照射
光を吸収して発生された光電流の存在を暗電流と明確に
区別して検出することができる。また、光電流の値と暗
電流の値との間には大きな差が十分に確保されているの
で、雰囲気温度が上昇することで暗電流の値が大きくな
った場合であっても、光電流の存在を暗電流と明確に区
別して検出することができる。特に暗電流の値が抑制さ
れることから、微弱光の検出に効果的な火炎センサを得
ることができる。
によれば、光電流の値が暗電流の値に対して２倍以上と
なるようなバイアス電圧が印加されていることで、照射
光を吸収して発生された光電流の存在を暗電流と明確に
区別して検出することができる。また、光電流の値と暗
電流の値との間には大きな差が十分に確保されているの
で、雰囲気温度が上昇することで暗電流の値が大きくな
った場合であっても、光電流の存在を暗電流と明確に区
別して検出することができる。特に暗電流の値が抑制さ
れることから、微弱光の検出に効果的な火炎センサを得
ることができる。
【００２２】本発明に係る火炎センサの第三の特徴構成
によれば、１対の電極間に印加されるバイアス電圧が０
ボルトであることで、雰囲気温度が上昇した場合であっ
ても暗電流が増大しないことから、光電流の存在を暗電
流と非常に明確に区別して、微弱光の検出に効果的な火
炎センサを得ることができる。
によれば、１対の電極間に印加されるバイアス電圧が０
ボルトであることで、雰囲気温度が上昇した場合であっ
ても暗電流が増大しないことから、光電流の存在を暗電
流と非常に明確に区別して、微弱光の検出に効果的な火
炎センサを得ることができる。
【００２３】本発明に係る火炎センサの第四の特徴構成
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが３．
６ｅＶ以上であることで、波長約３４４ｎｍ（３．６ｅ
Ｖ）以下の波長の光、即ち、波長約３４４ｎｍ以下の波
長域に現れる火炎の光を上記受光層によって選択的に検
出することができる火炎センサを得ることができる。
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが３．
６ｅＶ以上であることで、波長約３４４ｎｍ（３．６ｅ
Ｖ）以下の波長の光、即ち、波長約３４４ｎｍ以下の波
長域に現れる火炎の光を上記受光層によって選択的に検
出することができる火炎センサを得ることができる。
【００２４】本発明に係る火炎センサの第五の特徴構成
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが３．
６ｅＶ以上４．０ｅＶ以下であることで、波長約３１０
ｎｍ（４．０ｅＶ）〜３４４ｎｍ（３．６ｅＶ）の範囲
の波長の光、即ち、火炎の光の中でも特に炭化水素を含
む化合物を燃焼させた場合に観測されるＯＨラジカルの
発光に起因する発光ピークを良好に検出することができ
る火炎センサを得ることができる。特に、火炎センサの
設置場所がエンジン内部などの閉鎖された空間である場
合には、屋外に設置された場合には同時に観測される各
種照明機器からの室内光や太陽光といった光が存在する
ことがないため、火炎の光のみを良好に検出することが
できる。
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが３．
６ｅＶ以上４．０ｅＶ以下であることで、波長約３１０
ｎｍ（４．０ｅＶ）〜３４４ｎｍ（３．６ｅＶ）の範囲
の波長の光、即ち、火炎の光の中でも特に炭化水素を含
む化合物を燃焼させた場合に観測されるＯＨラジカルの
発光に起因する発光ピークを良好に検出することができ
る火炎センサを得ることができる。特に、火炎センサの
設置場所がエンジン内部などの閉鎖された空間である場
合には、屋外に設置された場合には同時に観測される各
種照明機器からの室内光や太陽光といった光が存在する
ことがないため、火炎の光のみを良好に検出することが
できる。
【００２５】本発明に係る火炎センサの第六の特徴構成
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが４．
１ｅＶ以上であることで、波長約３００ｎｍ（４．１ｅ
Ｖ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記受光層によ
って検出することができる火炎センサを得ることができ
る。更に、波長約３００ｎｍを超える波長の光、即ち、
各種照明機器などからの室内光に対しては上記受光層が
感度を有さないので、火炎の光に対して選択的に感度を
有する火炎センサを得ることができる。
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが４．
１ｅＶ以上であることで、波長約３００ｎｍ（４．１ｅ
Ｖ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記受光層によ
って検出することができる火炎センサを得ることができ
る。更に、波長約３００ｎｍを超える波長の光、即ち、
各種照明機器などからの室内光に対しては上記受光層が
感度を有さないので、火炎の光に対して選択的に感度を
有する火炎センサを得ることができる。
【００２６】本発明に係る火炎センサの第七の特徴構成
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが４．
４ｅＶ以上であることで、波長約２８０ｎｍ（４．４ｅ
Ｖ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記受光層によ
って検出することができる火炎センサを得ることができ
る。更に、波長約２８０ｎｍを超える波長の光、即ち、
各種照明機器などからの室内光および太陽光（自然光）
に対しては上記受光層が感度を有さないので、火炎の光
に対して選択的に感度を有する火炎センサを得ることが
できる。
によれば、上記受光層のバンドギャップエネルギが４．
４ｅＶ以上であることで、波長約２８０ｎｍ（４．４ｅ
Ｖ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記受光層によ
って検出することができる火炎センサを得ることができ
る。更に、波長約２８０ｎｍを超える波長の光、即ち、
各種照明機器などからの室内光および太陽光（自然光）
に対しては上記受光層が感度を有さないので、火炎の光
に対して選択的に感度を有する火炎センサを得ることが
できる。
【００２７】本発明に係る火炎センサの第八の特徴構成
によれば、受光層がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を含
む含む窒化物半導体からなることで、アルミニウムの組
成比ｘを調整することで、受光層のバンドギャップを任
意に設定することができる。その結果、受光層のカット
オフ波長が設定され、各種照明機器や太陽光には感度を
有さないが、火炎の光に対しては感度を有するような火
炎センサを提供することができる。
によれば、受光層がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦１）を含
む含む窒化物半導体からなることで、アルミニウムの組
成比ｘを調整することで、受光層のバンドギャップを任
意に設定することができる。その結果、受光層のカット
オフ波長が設定され、各種照明機器や太陽光には感度を
有さないが、火炎の光に対しては感度を有するような火
炎センサを提供することができる。
【００２８】本発明に係る火炎センサの第九の特徴構成
によれば、受光層上の入射光側に反射防止手段が設けら
れていることで、反射防止手段を設けていない場合に比
べて受光層に入射される光量（エネルギ量）を増大させ
ることができる。その結果、受光層における光電変換効
率が増大されたことと等価であることから、火炎からの
光の強度が弱くても感度良く検出することができる火炎
センサを提供することができる。
によれば、受光層上の入射光側に反射防止手段が設けら
れていることで、反射防止手段を設けていない場合に比
べて受光層に入射される光量（エネルギ量）を増大させ
ることができる。その結果、受光層における光電変換効
率が増大されたことと等価であることから、火炎からの
光の強度が弱くても感度良く検出することができる火炎
センサを提供することができる。
【００２９】本発明に係る火炎センサの第十の特徴構成
によれば、反射防止手段が、受光層の屈折率よりも小さ
い屈折率を有する光透過層で構成されることで、その光
透過層の化学組成や膜厚などを調整することで、所望の
屈折率を有する光透過層を容易に作製することができ、
その結果、受光層に対して良好に光を入射させることが
できる。
によれば、反射防止手段が、受光層の屈折率よりも小さ
い屈折率を有する光透過層で構成されることで、その光
透過層の化学組成や膜厚などを調整することで、所望の
屈折率を有する光透過層を容易に作製することができ、
その結果、受光層に対して良好に光を入射させることが
できる。
【００３０】本発明に係る火炎センサの第十一の特徴構
成によれば、上記下地層構造が複数のバッファ層を備え
て構成されることで、堆積される各半導体層の格子定数
が異なるために格子欠陥が生じる可能性がある場合であ
っても、バッファ層が設けられることで、下地層構造中
においてバッファ層の上方に堆積された半導体層の結晶
状態が改善され、格子欠陥の少ない半導体層を得ること
ができ、その結果、上記下地層構造の上方に堆積される
受光層構造における半導体層の結晶状態についても格子
欠陥の少ない、結晶状態の良好に得ることができる。従
って、受光層のバンドギャップエネルギを所定のカット
オフに設定するなどした場合には、格子欠陥に起因する
カットオフ波長以上の光に対する感度が生じることはな
い。
成によれば、上記下地層構造が複数のバッファ層を備え
て構成されることで、堆積される各半導体層の格子定数
が異なるために格子欠陥が生じる可能性がある場合であ
っても、バッファ層が設けられることで、下地層構造中
においてバッファ層の上方に堆積された半導体層の結晶
状態が改善され、格子欠陥の少ない半導体層を得ること
ができ、その結果、上記下地層構造の上方に堆積される
受光層構造における半導体層の結晶状態についても格子
欠陥の少ない、結晶状態の良好に得ることができる。従
って、受光層のバンドギャップエネルギを所定のカット
オフに設定するなどした場合には、格子欠陥に起因する
カットオフ波長以上の光に対する感度が生じることはな
い。
【００３１】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して、本発明に
係る火炎センサの構成と、その特性について説明する。
図１に示す火炎センサ１の受光素子部分は、サファイア
を用いて構成された基板２の上に第１バッファ層３（低
温で堆積させたＡｌＮ）と、結晶改善層４（ＧａＮ）
と、第２バッファ層５（低温で堆積させたＡｌＮ）とを
順次堆積させることで作製された下地層構造の上に、コ
ンタクト用のｎ型半導体層６（ｎ+−ＡｌxＧａ1-xＮ
（ｘ＝０．４））と、受光層７（ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮ
（ｘ＝０．４））とが順次堆積されて受光層構造が形成
され、部分的に取り除かれたｎ型半導体層６上の一部分
に電極８（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）がオーミック接触となる
ように設けられ、更に受光層７上の一部分にメッシュ状
の電極９（Ｎｉ／Ａｕ）がショットキー接合を形成して
設けられ、更に電極９上の一部分に電極１０（Ａｕ）が
設けられて構成されている。また、基板１の材料として
はサファイアの他にシリコン（Ｓｉ）を使用することも
できる。また、受光層などの材料にはＡｌＧａＮではな
く、ＩｎＡｌＧａＮを用いることもできる。
係る火炎センサの構成と、その特性について説明する。
図１に示す火炎センサ１の受光素子部分は、サファイア
を用いて構成された基板２の上に第１バッファ層３（低
温で堆積させたＡｌＮ）と、結晶改善層４（ＧａＮ）
と、第２バッファ層５（低温で堆積させたＡｌＮ）とを
順次堆積させることで作製された下地層構造の上に、コ
ンタクト用のｎ型半導体層６（ｎ+−ＡｌxＧａ1-xＮ
（ｘ＝０．４））と、受光層７（ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮ
（ｘ＝０．４））とが順次堆積されて受光層構造が形成
され、部分的に取り除かれたｎ型半導体層６上の一部分
に電極８（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）がオーミック接触となる
ように設けられ、更に受光層７上の一部分にメッシュ状
の電極９（Ｎｉ／Ａｕ）がショットキー接合を形成して
設けられ、更に電極９上の一部分に電極１０（Ａｕ）が
設けられて構成されている。また、基板１の材料として
はサファイアの他にシリコン（Ｓｉ）を使用することも
できる。また、受光層などの材料にはＡｌＧａＮではな
く、ＩｎＡｌＧａＮを用いることもできる。
【００３２】上記火炎センサ１の素子特性（弱い光に対
する応答性や、応答速度等）を向上させるためには、ｎ
型半導体層６のキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上で
あり、受光層７のキャリア濃度を１×１０18ｃｍ-3以下
であるように構成すればよい。ここで、低キャリア密度
の受光層７（ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体）を成長させる
場合、ＩＩＩ族元素の供給量に対するＶ族元素の供給量
の比（Ｖ／ＩＩＩ）が５０００以上になるように調整す
ることで、窒化物半導体層中の窒素（Ｎ）空孔の数を減
少させることができる。窒素空孔はホッピング伝導に寄
与するホッピングサイトとなり得ることから、窒素空孔
の数が減少することで、得られた受光層７におけるキャ
リア濃度を約１×１０15ｃｍ-3以下という低いレベルに
まで調整することができ、良好な量子効率および応答速
度を有する半導体素子を得ることができる。ここで、キ
ャリアドーパントとして作用する酸素を成膜系から十分
に除去しておけば、キャリア濃度を約５×１０14ｃｍ-3
以下という更に低いレベルにまで調整することができ
る。尚、Ｖ／ＩＩＩの値を１０００以上として成膜を行
った場合、或いはＶ／ＩＩＩの値を５００以上として成
膜を行った場合にもキャリア濃度を同等のレベルにまで
調整することができるが、Ｖ／ＩＩＩの値を小さくして
成膜を行うことで窒素（Ｎ）空孔の数を十分に減少させ
ることが出来なかった場合には、微弱な光を検出するこ
とが要求される火炎センサとしての使用に問題が発生す
ることもある。例えば、上記ホッピングサイトの存在に
より暗電流が増大することや、検出対象波長域にある火
炎の光を吸収して発生された光キャリアが不純物準位に
おいてトラップされることなどから、検出されるべき光
電流が明確に現れない場合がある。
する応答性や、応答速度等）を向上させるためには、ｎ
型半導体層６のキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3以上で
あり、受光層７のキャリア濃度を１×１０18ｃｍ-3以下
であるように構成すればよい。ここで、低キャリア密度
の受光層７（ＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体）を成長させる
場合、ＩＩＩ族元素の供給量に対するＶ族元素の供給量
の比（Ｖ／ＩＩＩ）が５０００以上になるように調整す
ることで、窒化物半導体層中の窒素（Ｎ）空孔の数を減
少させることができる。窒素空孔はホッピング伝導に寄
与するホッピングサイトとなり得ることから、窒素空孔
の数が減少することで、得られた受光層７におけるキャ
リア濃度を約１×１０15ｃｍ-3以下という低いレベルに
まで調整することができ、良好な量子効率および応答速
度を有する半導体素子を得ることができる。ここで、キ
ャリアドーパントとして作用する酸素を成膜系から十分
に除去しておけば、キャリア濃度を約５×１０14ｃｍ-3
以下という更に低いレベルにまで調整することができ
る。尚、Ｖ／ＩＩＩの値を１０００以上として成膜を行
った場合、或いはＶ／ＩＩＩの値を５００以上として成
膜を行った場合にもキャリア濃度を同等のレベルにまで
調整することができるが、Ｖ／ＩＩＩの値を小さくして
成膜を行うことで窒素（Ｎ）空孔の数を十分に減少させ
ることが出来なかった場合には、微弱な光を検出するこ
とが要求される火炎センサとしての使用に問題が発生す
ることもある。例えば、上記ホッピングサイトの存在に
より暗電流が増大することや、検出対象波長域にある火
炎の光を吸収して発生された光キャリアが不純物準位に
おいてトラップされることなどから、検出されるべき光
電流が明確に現れない場合がある。
【００３３】ｎ型半導体層６と電極８との間に良好な
（抵抗の低い）オーミック接触を形成するために、アル
ミニウム組成比が更に低いＡｌＧａＮに変更することも
できる。また、オーミックコンタクト層として使用され
ているｎ型半導体層６の材料をＧａＮに変更することも
できる。
（抵抗の低い）オーミック接触を形成するために、アル
ミニウム組成比が更に低いＡｌＧａＮに変更することも
できる。また、オーミックコンタクト層として使用され
ているｎ型半導体層６の材料をＧａＮに変更することも
できる。
【００３４】以上のように火炎センサ１を構成すること
で、受光層７と電極９との間にショットキー接合が形成
され、受光層７を挟むようにして設けられた１対の電極
８（負極）、および電極９、１０（正極）の間に逆バイ
アス電圧（電極８側を正とし、電極９側を負とする）を
印加することで、入射光により発生されたキャリアが光
電流として観測される。
で、受光層７と電極９との間にショットキー接合が形成
され、受光層７を挟むようにして設けられた１対の電極
８（負極）、および電極９、１０（正極）の間に逆バイ
アス電圧（電極８側を正とし、電極９側を負とする）を
印加することで、入射光により発生されたキャリアが光
電流として観測される。
【００３５】ここで、火炎センサ１に波長選択性を持た
せるためには、受光層７（ＡｌxＧａ1-xＮ）におけるＡ
ｌの組成比を調整して、そのバンドギャップエネルギを
所望の値に設定することが行われる。例えば、波長約３
４４ｎｍ以下の波長域に広がる火炎の光を選択的に受光
することのできる火炎センサを作製したい場合には、受
光層７のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上とな
るようにアルミニウム組成比ｘ＝０．０５、或いはそれ
以上とすればよい。或いは、約３００ｎｍ以上の波長域
に含まれる、各種照明機器からの光（室内光）を受光せ
ずに、火炎の光を受光するような火炎センサを作製した
い場合には、受光層７のバンドギャップエネルギが４．
１ｅＶ以上となるようにアルミニウム組成比ｘ＝０．２
６、或いはそれ以上とすればよい。また或いは、約２８
０ｎｍ以上の波長域に含まれる、太陽光からの光を受光
せずに、火炎の光のみを受光するような火炎センサを作
製したい場合には、受光層７のバンドギャップエネルギ
が４．４ｅＶ以上となるようにアルミニウム組成比ｘ＝
０．３８、或いはそれ以上とすればよい。
せるためには、受光層７（ＡｌxＧａ1-xＮ）におけるＡ
ｌの組成比を調整して、そのバンドギャップエネルギを
所望の値に設定することが行われる。例えば、波長約３
４４ｎｍ以下の波長域に広がる火炎の光を選択的に受光
することのできる火炎センサを作製したい場合には、受
光層７のバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上とな
るようにアルミニウム組成比ｘ＝０．０５、或いはそれ
以上とすればよい。或いは、約３００ｎｍ以上の波長域
に含まれる、各種照明機器からの光（室内光）を受光せ
ずに、火炎の光を受光するような火炎センサを作製した
い場合には、受光層７のバンドギャップエネルギが４．
１ｅＶ以上となるようにアルミニウム組成比ｘ＝０．２
６、或いはそれ以上とすればよい。また或いは、約２８
０ｎｍ以上の波長域に含まれる、太陽光からの光を受光
せずに、火炎の光のみを受光するような火炎センサを作
製したい場合には、受光層７のバンドギャップエネルギ
が４．４ｅＶ以上となるようにアルミニウム組成比ｘ＝
０．３８、或いはそれ以上とすればよい。
【００３６】更に、火炎センサがエンジン内部などの閉
鎖空間に設置された場合には、上述した室内光や太陽光
が存在しないため、それらを排除するような大きいバン
ドギャップエネルギを設定する必要はない。そのため、
火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物（エンジン
で燃焼される燃料）を燃焼させた場合に観測されるＯＨ
ラジカルの発光に起因する発光ピーク（波長約３１０ｎ
ｍ（±１０ｎｍ）：４．０ｅＶ）の光（波長３１０ｎｍ
以上３４４ｎｍ以下の火炎の光）を選択的に受光するこ
とのできる火炎センサを作製した場合には、受光層７の
バンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上４．０ｅＶ以
下となるように、アルミニウム組成比ｘを０．０５以上
０．２４以下とすればよい。
鎖空間に設置された場合には、上述した室内光や太陽光
が存在しないため、それらを排除するような大きいバン
ドギャップエネルギを設定する必要はない。そのため、
火炎の光の中でも特に炭化水素を含む化合物（エンジン
で燃焼される燃料）を燃焼させた場合に観測されるＯＨ
ラジカルの発光に起因する発光ピーク（波長約３１０ｎ
ｍ（±１０ｎｍ）：４．０ｅＶ）の光（波長３１０ｎｍ
以上３４４ｎｍ以下の火炎の光）を選択的に受光するこ
とのできる火炎センサを作製した場合には、受光層７の
バンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上４．０ｅＶ以
下となるように、アルミニウム組成比ｘを０．０５以上
０．２４以下とすればよい。
【００３７】図１では、ｎ型半導体層６上に同じ材料の
受光層７を設けて、受光層部分を多層構造とされた火炎
センサ１を説明したが、必ずしも受光層部分を多層構造
にする必要はなく、図２に示すようにｎ型半導体層６を
受光層として用い、ｎ型半導体層６（受光層）上にオー
ミック電極（電極８）とショットキー電極（電極９）と
をそれぞれ設けた単層構造としてもよい。
受光層７を設けて、受光層部分を多層構造とされた火炎
センサ１を説明したが、必ずしも受光層部分を多層構造
にする必要はなく、図２に示すようにｎ型半導体層６を
受光層として用い、ｎ型半導体層６（受光層）上にオー
ミック電極（電極８）とショットキー電極（電極９）と
をそれぞれ設けた単層構造としてもよい。
【００３８】火炎センサ１内部には、光を受光していな
い場合であっても各層からの熱電子放出などによってキ
ャリアが発生しており、この時に観測される電流を暗電
流という。暗電流は火炎センサ１の温度上昇と共に増大
する傾向にあるため、火炎センサ１が高温域に曝される
火炎センサなどの用途に使用する場合には、暗電流の温
度特性を調べる必要がある。
い場合であっても各層からの熱電子放出などによってキ
ャリアが発生しており、この時に観測される電流を暗電
流という。暗電流は火炎センサ１の温度上昇と共に増大
する傾向にあるため、火炎センサ１が高温域に曝される
火炎センサなどの用途に使用する場合には、暗電流の温
度特性を調べる必要がある。
【００３９】図３に示すのは、温度を５０℃から３００
℃まで変化させた場合の火炎センサ１の暗電流の温度特
性である。図３から分かるように、バイアス電圧（逆バ
イアス）が２ボルトという低い値であっても火炎センサ
１の温度が上昇すると共に、暗電流が急激に上昇してい
る。また、比較例として５０℃である火炎センサ１に対
して、１．０６μＷ／ｃｍ 2の光を照射した場合の光電
流を示しているが、バイアス電圧が約３ボルト以下の値
までは光電流の値が暗電流の値の約２程度となってい
る。このように、１μＷ／ｃｍ2程度の光であっても精
度良く検知できている。
℃まで変化させた場合の火炎センサ１の暗電流の温度特
性である。図３から分かるように、バイアス電圧（逆バ
イアス）が２ボルトという低い値であっても火炎センサ
１の温度が上昇すると共に、暗電流が急激に上昇してい
る。また、比較例として５０℃である火炎センサ１に対
して、１．０６μＷ／ｃｍ 2の光を照射した場合の光電
流を示しているが、バイアス電圧が約３ボルト以下の値
までは光電流の値が暗電流の値の約２程度となってい
る。このように、１μＷ／ｃｍ2程度の光であっても精
度良く検知できている。
【００４０】図中から分かるように、温度が１５０℃以
上に高くなれば、５０℃である火炎センサ１に１．０６
μＷ／ｃｍ2という比較的弱い光を照射した場合に検出
される光電流よりも大きな暗電流が流れるため、火炎の
光を精度良く検知できないと予想される。従って、測定
下限の光強度が小さい場合には火炎センサ１をできるだ
け室温付近で、更にバイアス電圧が低い状態で使用する
ことが要求される。ただし、照射される光強度が大きい
場合（測定下限の光強度が大きい場合）には、温度上昇
に伴う暗電流の増加以上に、発生される光電流も増大す
ると考えられるため、雰囲気温度が更に高い場合であっ
ても光電流と暗電流とを明確に区別することができる。
以下に、バイアス電圧の値の好適な条件について説明す
る。
上に高くなれば、５０℃である火炎センサ１に１．０６
μＷ／ｃｍ2という比較的弱い光を照射した場合に検出
される光電流よりも大きな暗電流が流れるため、火炎の
光を精度良く検知できないと予想される。従って、測定
下限の光強度が小さい場合には火炎センサ１をできるだ
け室温付近で、更にバイアス電圧が低い状態で使用する
ことが要求される。ただし、照射される光強度が大きい
場合（測定下限の光強度が大きい場合）には、温度上昇
に伴う暗電流の増加以上に、発生される光電流も増大す
ると考えられるため、雰囲気温度が更に高い場合であっ
ても光電流と暗電流とを明確に区別することができる。
以下に、バイアス電圧の値の好適な条件について説明す
る。
【００４１】次に、図４には、火炎センサ１の光電流の
バイアス電圧依存性であり、火炎センサ１に対する照射
光強度が１ｎＷ／ｃｍ2である場合の光電流、１μＷ／
ｃｍ2である場合の光電流、７３μＷ／ｃｍ2である場合
の光電流、および暗電流のそれぞれのバイアス電圧依存
性のグラフを示す。
バイアス電圧依存性であり、火炎センサ１に対する照射
光強度が１ｎＷ／ｃｍ2である場合の光電流、１μＷ／
ｃｍ2である場合の光電流、７３μＷ／ｃｍ2である場合
の光電流、および暗電流のそれぞれのバイアス電圧依存
性のグラフを示す。
【００４２】照射光強度の大きさに依らず、バイアス電
圧の値が小さい場合には、光電流の値が暗電流の値の１
倍を超え、そのバイアス電圧が印加された条件下におい
て光電流を暗電流と明確に区別できることが分かる。例
えば、照射光強度が１ｎＷ／ｃｍ2である場合には逆バ
イアス電圧が約０．２５Ｖ以下であればよく、照射光強
度が１μＷ／ｃｍ2である場合には逆バイアス電圧が約
１．５Ｖ以下であればよい。
圧の値が小さい場合には、光電流の値が暗電流の値の１
倍を超え、そのバイアス電圧が印加された条件下におい
て光電流を暗電流と明確に区別できることが分かる。例
えば、照射光強度が１ｎＷ／ｃｍ2である場合には逆バ
イアス電圧が約０．２５Ｖ以下であればよく、照射光強
度が１μＷ／ｃｍ2である場合には逆バイアス電圧が約
１．５Ｖ以下であればよい。
【００４３】各光電流が暗電流よりも更に大きいことが
要求される場合、照射光強度が１ｎＷ／ｃｍ2の場合の
光電流を暗電流と比べると、バイアス電圧（逆バイアス
電圧）が０ボルト付近では、光電流の値が暗電流の値の
約２程度であり、光電流を暗電流と明確に区別して検出
できる（火炎の光の存在を検出できる）ことが分かる。
また、照射光強度が１μＷ／ｃｍ2の場合の光電流を暗
電流と比べると、バイアス電圧（逆バイアス電圧）が
０．５ボルトを超える辺りまでは、光電流の値が暗電流
の値の約２程度であり、光電流を暗電流と区別して観測
することができる状態にあることが分かる。更に、照射
光強度が７３μＷの場合の光電流を暗電流と比べると、
バイアス電圧（逆バイアス電圧）が約２ボルト辺りまで
は、光電流の値が暗電流の値の約２程度であり、光電流
を暗電流と区別して観測することができることが分か
る。
要求される場合、照射光強度が１ｎＷ／ｃｍ2の場合の
光電流を暗電流と比べると、バイアス電圧（逆バイアス
電圧）が０ボルト付近では、光電流の値が暗電流の値の
約２程度であり、光電流を暗電流と明確に区別して検出
できる（火炎の光の存在を検出できる）ことが分かる。
また、照射光強度が１μＷ／ｃｍ2の場合の光電流を暗
電流と比べると、バイアス電圧（逆バイアス電圧）が
０．５ボルトを超える辺りまでは、光電流の値が暗電流
の値の約２程度であり、光電流を暗電流と区別して観測
することができる状態にあることが分かる。更に、照射
光強度が７３μＷの場合の光電流を暗電流と比べると、
バイアス電圧（逆バイアス電圧）が約２ボルト辺りまで
は、光電流の値が暗電流の値の約２程度であり、光電流
を暗電流と区別して観測することができることが分か
る。
【００４４】尚、図３では、温度を上昇させた場合にお
ける、逆バイアス電圧が０Ｖの時の暗電流の値を示して
いないが、何れの場合も暗電流は零である。従って、電
極間に印加される逆バイアス電圧が０Ｖの状態で光電流
の測定を行った場合には、光電流と暗電流とを非常に明
確に区別でき、微弱光の検出に効果的な火炎センサを得
ることができる。
ける、逆バイアス電圧が０Ｖの時の暗電流の値を示して
いないが、何れの場合も暗電流は零である。従って、電
極間に印加される逆バイアス電圧が０Ｖの状態で光電流
の測定を行った場合には、光電流と暗電流とを非常に明
確に区別でき、微弱光の検出に効果的な火炎センサを得
ることができる。
【００４５】＜別実施形態＞
＜１＞以上のように火炎センサ１の構成について説明し
たが、受光層７の表面で光が反射されることがあり、そ
れを防止するような反射防止機能を受光装置に備えさせ
ることについて図５を参照して説明する。
たが、受光層７の表面で光が反射されることがあり、そ
れを防止するような反射防止機能を受光装置に備えさせ
ることについて図５を参照して説明する。
【００４６】図５（ａ）は、反射防止機能を備えた火炎
センサ２０の構成図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に
示した反射防止機能部分の説明図であり、図５（ｃ）は
反射防止機能を備えていない場合の比較例の説明図であ
る。
センサ２０の構成図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に
示した反射防止機能部分の説明図であり、図５（ｃ）は
反射防止機能を備えていない場合の比較例の説明図であ
る。
【００４７】まず、図５（ａ）に示す火炎センサ２０
は、サファイアを用いて構成された基板２の上に第１バ
ッファ層３（低温で堆積させたＡｌＮ）と、結晶改善層
４（ＧａＮ）と、第２バッファ層５（低温で堆積させた
ＡｌＮ）とを順次堆積させることで作製された下地層の
上に、ｎ型半導体層６（ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．
４））と、受光層７（ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．
４））とが順次堆積され、ｎ型半導体層６上の一部分に
電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）８がオーミック接触を形成す
るように設けられ、同様に受光層７上には電極９（Ｎｉ
／Ａｕ）がオーミック接触となるように設けられ、更に
電極９上の一部分に電極１０（Ａｕ）が設けられて構成
されている。そして、電極９上の電極１０が設けられて
いない部分に、光透過層１１が設けられている。ここ
で、電極９は極めて薄く形成されており、その結果、照
射された火炎の光が電極９を透過して受光層であるｉ型
半導体層６に良好に入射される。また、基板２の材料と
してはサファイアの他にシリコン（Ｓｉ）を使用するこ
ともできる。
は、サファイアを用いて構成された基板２の上に第１バ
ッファ層３（低温で堆積させたＡｌＮ）と、結晶改善層
４（ＧａＮ）と、第２バッファ層５（低温で堆積させた
ＡｌＮ）とを順次堆積させることで作製された下地層の
上に、ｎ型半導体層６（ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．
４））と、受光層７（ｎ−ＡｌxＧａ1-xＮ（ｘ＝０．
４））とが順次堆積され、ｎ型半導体層６上の一部分に
電極（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ）８がオーミック接触を形成す
るように設けられ、同様に受光層７上には電極９（Ｎｉ
／Ａｕ）がオーミック接触となるように設けられ、更に
電極９上の一部分に電極１０（Ａｕ）が設けられて構成
されている。そして、電極９上の電極１０が設けられて
いない部分に、光透過層１１が設けられている。ここ
で、電極９は極めて薄く形成されており、その結果、照
射された火炎の光が電極９を透過して受光層であるｉ型
半導体層６に良好に入射される。また、基板２の材料と
してはサファイアの他にシリコン（Ｓｉ）を使用するこ
ともできる。
【００４８】ここで使用した光透過層１１はＡｌxＧａ
1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、原子の組成を異ならせる
ことで屈折率を調整することができる。他にも、弗化マ
グネシウム（ＭｇＦ2）、弗化カルシウム（ＣａＦ2）、
二酸化珪素（ＳｉＯ2）等を用いることができる。尚、
ＡｌxＧａ1-xＮを用いた場合には、各半導体層と同じ成
膜プロセスにおいて作製できるという利点がある。
1-xＮ（０≦ｘ≦１）であり、原子の組成を異ならせる
ことで屈折率を調整することができる。他にも、弗化マ
グネシウム（ＭｇＦ2）、弗化カルシウム（ＣａＦ2）、
二酸化珪素（ＳｉＯ2）等を用いることができる。尚、
ＡｌxＧａ1-xＮを用いた場合には、各半導体層と同じ成
膜プロセスにおいて作製できるという利点がある。
【００４９】図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した火炎セ
ンサ１中の半導体構造に備えられた反射防止機能部分を
説明する図である。図中では、空気中の屈折率をｎ0、
光透過層の屈折率をｎ1（ｎ1＞ｎ0）、受光層７の屈折
率をｎ2（ｎ2＞ｎ1）としている。尚、電極９は極めて
薄く形成されていることから、ここでは考慮しない。更
に、比較例として図５（ｃ）には、反射防止機能が備わ
っていない場合の反射について説明する。
ンサ１中の半導体構造に備えられた反射防止機能部分を
説明する図である。図中では、空気中の屈折率をｎ0、
光透過層の屈折率をｎ1（ｎ1＞ｎ0）、受光層７の屈折
率をｎ2（ｎ2＞ｎ1）としている。尚、電極９は極めて
薄く形成されていることから、ここでは考慮しない。更
に、比較例として図５（ｃ）には、反射防止機能が備わ
っていない場合の反射について説明する。
【００５０】まず、図５（ａ）および図５（ｂ）に示す
ように、受光層７と光透過層１１が設けられ、上記光透
過層１１が空気中に露出している場合と、光透過層１１
が設けられておらず、受光層７が空気中に露出している
場合の２例について、受光層７に垂直に入射する入射光
に対する反射率Ｒ1およびＲ2を以下の数１および数２に
示す。尚、ｎ0、ｎ1、ｎ2はそれぞれ、空気中、光透過
層１１中、受光層７中の屈折率である。ここで、光透過
層１４の膜厚ｄ14は、入射光の四分の一波長を自身の屈
折率で割った値：ｄ14＝λ（入射光）／４ｎ1に設定さ
れる。尚、入射光の波長とは、透過させたい光の波長で
あり、例えば、火炎の光に対応する２６０ｎｍ〜２８０
ｎｍの波長である。
ように、受光層７と光透過層１１が設けられ、上記光透
過層１１が空気中に露出している場合と、光透過層１１
が設けられておらず、受光層７が空気中に露出している
場合の２例について、受光層７に垂直に入射する入射光
に対する反射率Ｒ1およびＲ2を以下の数１および数２に
示す。尚、ｎ0、ｎ1、ｎ2はそれぞれ、空気中、光透過
層１１中、受光層７中の屈折率である。ここで、光透過
層１４の膜厚ｄ14は、入射光の四分の一波長を自身の屈
折率で割った値：ｄ14＝λ（入射光）／４ｎ1に設定さ
れる。尚、入射光の波長とは、透過させたい光の波長で
あり、例えば、火炎の光に対応する２６０ｎｍ〜２８０
ｎｍの波長である。
【００５１】
【数１】
Ｒ1＝（ｎ0・ｎ2−ｎ1）2／（ｎ0・ｎ2＋ｎ1）2
【００５２】
【数２】Ｒ2＝（ｎ0−ｎ2）2／（ｎ0＋ｎ2）2
【００５３】ここで、受光層７におけるＡｌとＧａとの
組成比ｘが０．３５で、光透過層１１におけるＡｌとＧ
ａとの組成比ｙが１．００、つまりＡｌＮである場合、
各屈折率はｎ0＝１．０、ｎ0＝２．２２、ｎ0＝２．７
となる。更に、光透過層１１の層厚は、入射光の四分の
一波長を光透過層１１の屈折率で除算した値、即ち０．
４ｎｍとする。尚、受光層７と光透過層１１の屈折率は
概算値である。以上のことから、光透過層１１を設けた
場合の反射率Ｒ1と、設けなかった場合の反射率Ｒ2と
は、それぞれＲ1＝８．５％、Ｒ2＝２１．１％となる。
従って、光透過層１１を設けた場合、設けなかった場合
に比べて光導電作用に寄与する光エネルギは約１６％増
加することになり、実効的に火炎センサ５０の光電変換
効率を約１６％増大させることができたことになる。
組成比ｘが０．３５で、光透過層１１におけるＡｌとＧ
ａとの組成比ｙが１．００、つまりＡｌＮである場合、
各屈折率はｎ0＝１．０、ｎ0＝２．２２、ｎ0＝２．７
となる。更に、光透過層１１の層厚は、入射光の四分の
一波長を光透過層１１の屈折率で除算した値、即ち０．
４ｎｍとする。尚、受光層７と光透過層１１の屈折率は
概算値である。以上のことから、光透過層１１を設けた
場合の反射率Ｒ1と、設けなかった場合の反射率Ｒ2と
は、それぞれＲ1＝８．５％、Ｒ2＝２１．１％となる。
従って、光透過層１１を設けた場合、設けなかった場合
に比べて光導電作用に寄与する光エネルギは約１６％増
加することになり、実効的に火炎センサ５０の光電変換
効率を約１６％増大させることができたことになる。
【００５４】＜２＞基板上に半導体層を堆積させる場
合、基板の格子定数と半導体層の格子定数とが異なるた
めに、半導体層の結晶状態が乱れ、格子欠陥が発生する
ことがある。この結晶状態の乱れは、更に上方に堆積さ
れる半導体層の結晶状態をも悪化させるため、基板と受
光層との間に他の半導体層が設けられていても、受光層
の結晶状態には乱れが生じ、好ましくない波長域の光吸
収に寄与する準位を受光層中に形成することになる。そ
のような問題点に鑑みて上述の実施形態ではダブルバッ
ファを含む下地層構造上に受光層構造を形成した。
合、基板の格子定数と半導体層の格子定数とが異なるた
めに、半導体層の結晶状態が乱れ、格子欠陥が発生する
ことがある。この結晶状態の乱れは、更に上方に堆積さ
れる半導体層の結晶状態をも悪化させるため、基板と受
光層との間に他の半導体層が設けられていても、受光層
の結晶状態には乱れが生じ、好ましくない波長域の光吸
収に寄与する準位を受光層中に形成することになる。そ
のような問題点に鑑みて上述の実施形態ではダブルバッ
ファを含む下地層構造上に受光層構造を形成した。
【００５５】以上の実施形態においては、受光装置の下
地層構造が、その結晶状態を改善する目的で設けられた
複数のバッファ層を含んでいるが、その効果を図６を参
照して説明する。図６には下地層構造上に受光層構造が
形成された半導体素子の受光感度の波長依存性を示すグ
ラフを示すが、図中の（ａ）で示す実線は上述の実施形
態において説明したような複数のバッファ層を備えた場
合（ダブルバッファ）、（ｂ）および（ｃ）の破線は比
較例として１つのバッファ層を備えた場合（シングルバ
ッファ）の測定結果である。詳細には、（ａ）の測定結
果はダブルバッファの下地層構造の上にＰＩＮ型（電極
／ｐ−ＧａＮ／ｉ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ）の受
光層構造を形成した場合の結果であり、（ｂ）の測定結
果はシングルバッファの下地層構造の上にショットキー
型（電極／ｎ−ＡｌＧａＮ）の受光層構造を形成した場
合の結果であり、（ｃ）の測定結果はシングルバッファ
の下地層構造の上にショットキー型（電極／ｎ−ＡｌＧ
ａＮ）の受光層構造を形成した場合の結果である。
地層構造が、その結晶状態を改善する目的で設けられた
複数のバッファ層を含んでいるが、その効果を図６を参
照して説明する。図６には下地層構造上に受光層構造が
形成された半導体素子の受光感度の波長依存性を示すグ
ラフを示すが、図中の（ａ）で示す実線は上述の実施形
態において説明したような複数のバッファ層を備えた場
合（ダブルバッファ）、（ｂ）および（ｃ）の破線は比
較例として１つのバッファ層を備えた場合（シングルバ
ッファ）の測定結果である。詳細には、（ａ）の測定結
果はダブルバッファの下地層構造の上にＰＩＮ型（電極
／ｐ−ＧａＮ／ｉ−ＡｌＧａＮ／ｎ−ＡｌＧａＮ）の受
光層構造を形成した場合の結果であり、（ｂ）の測定結
果はシングルバッファの下地層構造の上にショットキー
型（電極／ｎ−ＡｌＧａＮ）の受光層構造を形成した場
合の結果であり、（ｃ）の測定結果はシングルバッファ
の下地層構造の上にショットキー型（電極／ｎ−ＡｌＧ
ａＮ）の受光層構造を形成した場合の結果である。
【００５６】下地層構造が複数のバッファ層を備えて構
成された場合（ａ）の受光感度は、吸収端波長付近で急
峻な変化を示しているが、これは、複数のバッファ層を
設けることでその上方の半導体層の結晶状態が良好なも
のとなり、その結果、受光層の結晶状態を良好なものと
することができた（欠陥準位が含まれないようにした）
効果であると言える。他方で、下地層構造が１つのバッ
ファ層を備えて構成された場合（（ｂ）および（ｃ））
の受光感度は、吸収端波長付近で緩やかな変化を示して
おり、これは、下地層構造における結晶状態の改善が不
十分であるために、受光層の結晶状態の改善も不十分と
なり、その結果、受光層に好ましくない波長域の光の吸
収に寄与する欠陥準位が発生したことによる影響である
と言える。
成された場合（ａ）の受光感度は、吸収端波長付近で急
峻な変化を示しているが、これは、複数のバッファ層を
設けることでその上方の半導体層の結晶状態が良好なも
のとなり、その結果、受光層の結晶状態を良好なものと
することができた（欠陥準位が含まれないようにした）
効果であると言える。他方で、下地層構造が１つのバッ
ファ層を備えて構成された場合（（ｂ）および（ｃ））
の受光感度は、吸収端波長付近で緩やかな変化を示して
おり、これは、下地層構造における結晶状態の改善が不
十分であるために、受光層の結晶状態の改善も不十分と
なり、その結果、受光層に好ましくない波長域の光の吸
収に寄与する欠陥準位が発生したことによる影響である
と言える。
【図１】火炎センサの構成図である。
【図２】火炎センサの別の構成図である。
【図３】暗電流の温度依存性を示すグラフである。
【図４】光電流および暗電流のバイアス電圧依存性を示
すグラフである。
すグラフである。
【図５】火炎センサの別の構成図である。
【図６】火炎センサの感度の波長依存性を示すグラフで
ある。
ある。
１ 火炎センサ
２ 基板
３ 第１バッファ層
４ 結晶改善層
５ 第２バッファ層
６ ｎ型半導体層
７ 受光層
８ 電極
９ 電極
１０ 電極
１１ 光透過層
２０ 火炎センサ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 赤崎 勇
愛知県名古屋市天白区塩釜口１−501 名
城大学内
(72)発明者 上山 智
愛知県名古屋市天白区塩釜口１−501 名
城大学内
Ｆターム(参考） 2G065 AB05 BA09 CA30 DA06 DA20
4M104 AA04 BB05 BB14 CC01 CC03
FF13 GG05
5F049 MA05 MB07 NA04 NA10 NA11
NB10 SE05 SE09 SE12 SS01
SZ03 UA20
Claims (11)
- 【請求項１】 受光層と、少なくとも前記受光層を挟ん
で設けられた１対の電極とを備えてなるショットキーダ
イオード部を備え、前記受光層において発生された光キ
ャリアを、前記１対の電極間に所定の逆バイアス電圧を
印加することで光電流として出力する火炎センサにおい
て、 測定下限の光強度を有する照射光を受光して出力された
光電流の値が暗電流の値に対して１倍となるバイアス電
圧よりも絶対値の小さいバイアス電圧を印加してなる火
炎センサ。 - 【請求項２】 前記光電流の値が前記暗電流の値に対し
て２倍となるバイアス電圧よりも絶対値の小さいバイア
ス電圧を前記１対の電極間に印加してなる請求項１に記
載の火炎センサ。 - 【請求項３】 ０ボルトのバイアス電圧を前記１対の電
極間に印加してなる請求項２に記載の火炎センサ。 - 【請求項４】 前記受光層のバンドギャップエネルギが
３．６ｅＶ以上である請求項１から請求項３の何れかに
記載の火炎センサ。 - 【請求項５】 前記受光層のバンドギャップエネルギが
４．０ｅＶ以下である請求項４に記載の火炎センサ。 - 【請求項６】 前記受光層のバンドギャップエネルギが
４．１ｅＶ以上である請求項４に記載の火炎センサ。 - 【請求項７】 前記受光層のバンドギャップエネルギが
４．４ｅＶ以上である請求項６に記載の火炎センサ。 - 【請求項８】 前記受光層がＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦
１）を含む請求項１から請求項７の何れかに記載の火炎
センサ。 - 【請求項９】 前記受光層における入射光の反射率を低
減させる反射防止手段が前記受光層の入射光側に設けら
れている請求項１から請求項８の何れかに記載の火炎セ
ンサ。 - 【請求項１０】 前記反射防止手段が、前記受光層より
も屈折率の小さい光透過層である請求項９に記載の火炎
センサ。 - 【請求項１１】 下地層構造と、前記下地層構造上に設
けられた、前記受光層を含む受光層構造とを備えてな
り、 前記下地層構造が備える複数の半導体層が、前記下地層
構造の結晶状態を改善する複数のバッファ層を備えて構
成される請求項１から請求項１０の何れかに記載の火炎
センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001249182A JP2003060223A (ja) | 2001-08-20 | 2001-08-20 | 火炎センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001249182A JP2003060223A (ja) | 2001-08-20 | 2001-08-20 | 火炎センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003060223A true JP2003060223A (ja) | 2003-02-28 |
Family
ID=19078224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001249182A Pending JP2003060223A (ja) | 2001-08-20 | 2001-08-20 | 火炎センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003060223A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7144130B2 (en) | 2003-06-09 | 2006-12-05 | Moritex Corporation | Illumination device |
| US7268370B2 (en) | 2003-06-05 | 2007-09-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Phosphor, semiconductor light emitting device, and fabrication method thereof |
| WO2008044749A1 (en) * | 2006-10-04 | 2008-04-17 | Sharp Kabushiki Kaisha | Photosensor and ambient light sensor |
| US7482641B2 (en) | 2004-02-19 | 2009-01-27 | Panasonic Corporation | White light emitting element and white light source |
| JP2009200124A (ja) * | 2008-02-19 | 2009-09-03 | Fujitsu Ltd | 光検出装置および光検出方法 |
| JP2016207836A (ja) * | 2015-04-22 | 2016-12-08 | 住友電気工業株式会社 | 半導体積層体、受光素子および半導体積層体の製造方法 |
| US10158035B2 (en) | 2015-04-22 | 2018-12-18 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Semiconductor stack, light-receiving device, and method for producing semiconductor stack |
-
2001
- 2001-08-20 JP JP2001249182A patent/JP2003060223A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7268370B2 (en) | 2003-06-05 | 2007-09-11 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Phosphor, semiconductor light emitting device, and fabrication method thereof |
| US7435995B2 (en) | 2003-06-05 | 2008-10-14 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Phosphor, semiconductor light emitting device, and fabrication method thereof |
| US7144130B2 (en) | 2003-06-09 | 2006-12-05 | Moritex Corporation | Illumination device |
| US7482641B2 (en) | 2004-02-19 | 2009-01-27 | Panasonic Corporation | White light emitting element and white light source |
| US7781793B2 (en) | 2004-02-19 | 2010-08-24 | Panasonic Corporation | White light emitting element and white light source |
| WO2008044749A1 (en) * | 2006-10-04 | 2008-04-17 | Sharp Kabushiki Kaisha | Photosensor and ambient light sensor |
| US8138463B2 (en) | 2006-10-04 | 2012-03-20 | Sharp Kabushiki Kaisha | Photosensor and ambient light sensor with constant bias voltage |
| JP2009200124A (ja) * | 2008-02-19 | 2009-09-03 | Fujitsu Ltd | 光検出装置および光検出方法 |
| JP2016207836A (ja) * | 2015-04-22 | 2016-12-08 | 住友電気工業株式会社 | 半導体積層体、受光素子および半導体積層体の製造方法 |
| US10158035B2 (en) | 2015-04-22 | 2018-12-18 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Semiconductor stack, light-receiving device, and method for producing semiconductor stack |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20070523 |