JP2003197951A

JP2003197951A - 火炎センサ

Info

Publication number: JP2003197951A
Application number: JP2001397111A
Authority: JP
Inventors: Hikari Hirano; 光平野; Satoshi Kamiyama; 智上山; Hiroshi Amano; 浩天野; Isamu Akasaki; 勇赤崎
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】波長選択性が良好な火炎センサを提供する。【解決手段】火炎センサが、単数または複数の半導体
層を有する半導体受光素子構造を備え、前記半導体受光
素子構造中の単数または複数の半導体層に受光領域が形
成されてなり、前記半導体受光素子構造上に、複数の光
透過層が堆積されてなる多層膜光フィルタ構造が直接積
層され、前記半導体受光素子構造と前記多層膜光フィル
タ構造とが一体形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は照射された光の一部
を除去可能な光フィルタ構造を備えた火炎センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】火炎センサは、火炎からの光に対して良
好な感度を示すことが求められるが、設置される場所に
よっては各種照明機器からの光（室内光）や太陽光など
の照射を受けてノイズを発生することもあるため、検出
対象とする火炎の波長範囲に感度を有しつつ、室内光や
太陽光の波長範囲においては感度を有さないような波長
選択性を有することが必要である。また、現在はその受
光部に直接ギャップ形の半導体を用い、その半導体のバ
ンドギャップエネルギを調整することで吸収端波長（カ
ットオフ波長）が調整された受光素子を用いて火炎セン
サが構成されている。ここで、感度（単位はＡ／Ｗ）と
は、火炎センサに照射される光強度（Ｗ）に対して、ど
れだけの光電流（Ａ）が発生したかを示すものであり、
同じ強度の光が照射された場合、発生する光電流が大き
いほど感度が高いと言える。

【０００３】ここで、受光素子が備える受光層に直接ギ
ャップ形の半導体を用いるのは、その受光層における光
吸収過程が直接遷移によって行われるため、吸収係数の
波長特性を調べた場合、その吸収係数が特定の吸収端波
長（受光層のバンドギャップエネルギに相当）で急激に
変化し、吸収端波長前後の波長を選択的に分離して光吸
収することができるという波長選択性が大きく見られる
からである。他方で、受光層に間接ギャップ形の半導体
を用いた場合、その受光層における光吸収過程が間接遷
移によって行われるために、吸収係数は波長に対して緩
やかに変化する。従って、間接ギャップ形の半導体を受
光層に用いた受光素子においては、波長選択性が大きく
見られない。

【０００４】従来は、火炎の発光の内で紫外域に存在す
る発光を検出対象とし、その検出対象波長域の火炎の光
にのみ感度を有するような火炎センサを構成するため
に、受光素子の光入射面側を覆うようにして火炎センサ
とは別の１枚の光学フィルタを装着して検出対象としな
い光を遮断し、その光学フィルタを通過した検出対象波
長域にある火炎の光のみが受光素子に照射されるように
構成していた。ここで、受光素子を覆うように光学フィ
ルタを設けた場合の火炎センサの感度（Ａ／Ｗ）は、光
学フィルタの部分に照射される光強度（Ｗ）に対して、
光学フィルタを通過した光を受光した受光素子において
どれだけの光電流（Ａ）が発生したかで導出される。従
って、光学フィルタの透過率スペクトルを調整すること
で、受光層に照射される光のスペクトルも調整されるこ
とから、結果として得られる火炎センサの波長感度も変
えることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、受光層
に直接ギャップ形の半導体を用い、且つ光学フィルタを
受光素子の光入射面側に備えた火炎センサを構成したと
しても、各種照明機器からの室内光や太陽光からの光に
対する感度を完全に除去するには至らなかった。具体的
には、検出対象波長域にある火炎の光と、太陽光および
室内光との境界波長域である波長３００ｎｍ〜４００ｎ
ｍ、更には３２０ｎｍ〜４００ｎｍの波長範囲におい
て、光の遮断が不十分であること、並びに図８（ａ）お
よび図８（ｂ）に示すような光学フィルタとしての色ガ
ラスフィルタの透過率スペクトルの立ち上がりが緩やか
であることに問題がある。また、受光層となる半導体層
自体についても、検出対象波長域にある火炎に対する感
度の値が、検出対象波長域よりも長波長側にある検出対
象波長域外での感度の値の一万分の一以下の値とさせる
ことができない。その結果、光学フィルタによる遮光が
不十分であるために、火炎センサが太陽光や室内光に対
して光電流を発生させるという問題があることが分かっ
た。

【０００６】従来は、光学フィルタとして色ガラスフィ
ルタが、受光層である直接ギャップ形の半導体層を有す
る受光素子と共に用いられ、全ての波長域で同じ光強度
の光を照射して測定した場合には、検出対象波長域外で
の感度が、検出対象波長域にある火炎の光に対する感度
の値の百分の一〜一万分の一程度となるような感度比を
得ることができた。しかし、実際には検出対象波長域外
での光の強度（例えば、波長４００ｎｍ前後における太
陽の光強度）は、検出対象波長域にある火炎の光強度
（例えば、波長３００ｎｍ前後の火炎の光強度）に比べ
て非常に大きいものとなり、実際の火炎センサの使用状
況において得られる検出対象波長域外での感度は、検出
対象波長域にある火炎の光に対する感度の値の百分の一
〜千分の一となっていた。

【０００７】更に、波長選択性のある１枚の光学フィル
タを火炎センサの入射光側に設けたにも拘わらず、光透
過率スペクトルの立ち上がりが緩やかであることによっ
て火炎センサが太陽光や室内光に対しても感度を有して
しまうのは以下の理由によるものがあることが見出され
た。

【０００８】従来は、光学フィルタを用いたとしても検
出対象波長域以外の光が完全には除去されないことを考
慮して、光学フィルタを設けると同時に、光学フィルタ
によって除去しきれなかった光が受光層で吸収されるこ
とを防止する目的で、受光層、および受光層よりも光入
射面側に設けられた半導体層のバンドギャップエネルギ
を所定のカットオフ波長に調整して、それらの半導体層
自体を光学フィルタとして作用させて、検出対象波長域
よりも長波長の光を完全に除去しようとしていた。しか
しながら、それらの半導体層中には欠陥準位などが存在
し、その欠陥準位においてはバンドギャップエネルギに
満たないエネルギの光（検出対象波長域よりも長波長の
光）が吸収されることでノイズとなる光電流が発生され
ていた。その結果、所定のカットオフ波長よりも長い波
長の光に対しても感度を有し、完全な波長選択性を達成
することができないという問題が生じていた。

【０００９】具体的には、受光素子としてのＰＩＮフォ
トダイオードをＧａＮ系材料で作製する場合、受光層
（ｉ型半導体層）よりも光入射面側に設けられたｐ型半
導体層を構成するｐ−Ａｌ_xＧａ_1-xＮに含まれる欠陥準
位、並びに三元混晶系の組成ずれによるＧａＮの光吸収
（吸収端波長は約３６０ｎｍ）や、ｐ電極を形成するた
めのｐ型コンタクト層を構成するｐ−ＧａＮの光吸収に
よって、検出対象波長域よりも長波長側の光が吸収され
ていた。そのため、ｐ型半導体層およびｉ型半導体層の
バンドギャップエネルギを調整して、２８０ｎｍ〜３３
０ｎｍ付近にカットオフ波長を設けたとしても、そのカ
ットオフ波長から波長４００ｎｍの間の光に対して、ノ
イズとなる程度の感度を有してしまうという問題が生じ
ていた。

【００１０】このように、受光素子の光入射面側に光学
フィルタを備えて構成された従来型の火炎センサでは、
半導体層中の欠陥準位に起因する感度が問題となること
が認識されておらず、その対策も採られていなかった。
そのため、検出対象波長域にある火炎の光だけを感度良
く検知することのできる火炎センサを作製することがで
きていなかった。

【００１１】また、感度の良好な火炎センサを構成する
ためには、発生する暗電流のレベルを低減させる必要が
ある。暗電流が発生する原因としては、受光素子構造中
の半導体層間の接合部の空乏層を通り抜けるトンネル電
流（接合部漏れ電流）によるものと、受光素子側面を流
れる沿面電流（メサ周囲漏れ電流）によるものとがあ
る。上記トンネル電流は、半導体層内部に含まれる欠陥
密度、欠陥の種類などに依存しており、電極間にバイア
ス電圧を印加した場合にはトンネル電流を完全に無くす
ことは出来ない。上記沿面電流は、受光素子の表面の状
態に依存しており、特に湿度の変動に大きく依存する。

【００１２】従来は沿面電流を低減させるために受光素
子の表面に水素や窒素などの不純物を注入して高抵抗化
することが行われていたが、不純物を注入することで半
導体内部の特性が変化し、結果として、上述したような
トンネル電流が増大するという問題があった。

【００１３】また、火炎センサは、その特殊な用途か
ら、高温多湿の環境下で使用されることが多く、そのよ
うな環境下でも安定した動作をすることが求められる。
しかし、高温下では熱電子放出によって暗電流が大きく
観測されるのは当然のことであり、更に、上述したよう
に、高湿度下では火炎センサ表面を流れる沿面電流が増
大することで暗電流が大きく観測されるという問題があ
る。

【００１４】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、波長感度が調整された火炎セン
サを提供する点にある。

【００１５】

【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、単数または複数
の半導体層を有する半導体受光素子構造を備え、前記半
導体受光素子構造中の単数または複数の半導体層に受光
領域が形成されてなり、前記半導体受光素子構造上に、
複数の光透過層が堆積されてなる多層膜光フィルタ構造
が直接積層され、前記半導体受光素子構造と前記多層膜
光フィルタ構造とが一体形成された点にある。

【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、単数または複数の半導体層を有す
る半導体受光素子構造を備え、前記半導体受光素子構造
中の単数または複数の半導体層に受光領域が形成され、
前記半導体受光素子構造の一部を所定の深さまで除去し
て形成された段差を挟む、前記半導体受光素子構造の２
つの面上の一方に第１電極が設けられ、他方に第２電極
が設けられてなり、前記第１電極と前記第２電極との間
の前記段差の断面の少なくとも一部、および前記半導体
受光素子構造上の光入射面に、複数の光透過層が堆積さ
れてなる絶縁性の多層膜光フィルタ構造が直接堆積さ
れ、前記半導体受光素子構造と前記多層膜光フィルタ構
造とが一体形成された点にある。

【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、上記第一または第二の特徴構成に
加えて、前記受光領域の形成に係る単数または複数の半
導体層がＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x- _yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ
≦１）から形成される点にある。

【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、上記第三の特徴構成に加えて、前
記受光領域の形成に係るＩｎＡｌＧａＮのバンドギャッ
プエネルギが３．６ｅＶ以上である点にある。

【００１９】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
記受光領域の形成に係るＩｎＡｌＧａＮのバンドギャッ
プエネルギが４．０ｅＶ以下である点にある。

【００２０】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
記受光領域の形成に係るＩｎＡｌＧａＮのバンドギャッ
プエネルギが４．１ｅＶ以上である点にある。

【００２１】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
記受光領域の形成に係るＩｎＡｌＧａＮのバンドギャッ
プエネルギが４．４ｅＶ以上である点にある。

【００２２】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何れかの特徴
構成に加えて、光入射面側に単数または複数のフィルタ
装置を更に備えてなる点にある。

【００２３】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、上記第八の特徴構成に加えて、検
出対象波長域にある所定の第１波長における第１感度の
値が、検出対象波長域外にあり、前記第１波長より５０
ｎｍ長波長の第２波長における第２感度の値の１万倍以
上である点にある。

【００２４】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、受光領域
を含む半導体受光素子構造に入射される光の一部を、上
記多層膜光フィルタ構造によって高い波長選択性をもっ
て遮断することができるので、結果として、火炎センサ
の感度をカットオフ波長において急峻に変化させること
ができる。つまり、波長選択性の高い火炎センサを提供
することができる。具体的には、多層膜光フィルタ構造
を構成する上記光透過層の各界面で発生する光の干渉作
用によって特定の波長範囲の光を打ち消し合わせること
ができる。ここで、干渉作用によって打ち消される光の
波長範囲は、上記光透過層の厚さや組成（屈折率）を変
えることで自在に調整可能である。更に、上記多層膜光
フィルタ構造は、上記半導体受光素子構造上に直接積層
され、上記半導体受光素子構造と上記多層膜光フィルタ
構造とが一体形成されるので、火炎センサの作製プロセ
スを簡略化することができる。

【００２５】本発明に係る火炎センサの第二の特徴構成
によれば、電界が印加される上記第１電極と上記第２電
極との間の段差の断面の少なくとも一部、および上記半
藤愛受光素子構造上の光入射面に、絶縁性の多層膜光フ
ィルタ構造が直接堆積されて一体形成されているので、
受光領域を含む半導体受光素子構造に入射される光の一
部を、上記多層膜光フィルタ構造によって高い波長選択
性をもって遮断することができ、更に、第１電極と第２
電極との間の半導体受光素子構造表面に生じる沿面電流
を低減させることができる。

【００２６】更に具体的には、第１に、火炎センサの波
長感度特性をカットオフ波長において急峻に変化させる
ことができる。つまり、波長選択性の高い火炎センサを
提供することができる。例えば、多層膜光フィルタ構造
を構成する上記光透過層の各界面で発生する光の干渉作
用によって特定の波長範囲の光を打ち消し合わせること
ができる。ここで、干渉作用によって打ち消される光の
波長範囲は、上記光透過層の厚さや組成（屈折率）を変
えることで自在に調整可能である。更に、上記多層膜光
フィルタ構造は、上記半導体受光素子構造上に直接積層
され、上記半導体受光素子構造と上記多層膜光フィルタ
構造とが一体形成されるので、火炎センサの作製プロセ
スを簡略化することができる。

【００２７】第２に、高抵抗な部位が火炎センサを構成
する半導体受光素子構造の内部構造を変化させて設けら
れるのではないことから、従来のように不純物の注入に
よる高抵抗部を設けた場合に発生する欠陥密度の上昇
や、それに伴うトンネル電流の増大などの問題が発生す
ることもない。更に、火炎センサが火炎に曝される高温
多湿の環境下に配置され、第１電極と第２電極との間に
電界が印加されたとしても、電極間に形成された絶縁性
の多層膜光フィルタ構造によって、第１電極と第２電極
との間の半導体積層構造の表面経路上の抵抗値を高くす
ることができ、火炎センサの半導体積層構造の表面を流
れる沿面電流のレベルを大幅に低減させることができ
る。従って、火炎を受光して発生した光電流を暗電流と
区別して感度良く検出することのできる火炎センサを提
供することができる。

【００２８】本発明に係る火炎センサの第三の特徴構成
によれば、上記受光領域の形成に係る単数または複数の
半導体層が、直接ギャップ形の半導体であるＩｎ_xＡｌ_y
Ｇａ _1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）によって形成
されるので、インジウム組成比ｘおよびアルミニウム組
成比ｙを変えて成膜を行うことで、受光領域のハンドギ
ャップエネルギを約１．９ｅＶ〜約６．２ｅＶの間で調
整することができる。また、直接ギャップ形の半導体が
使用されることから、上記バンドギャップエネルギによ
って設定されるカットオフ波長において、光の吸収係数
が急峻に変化する受光領域を形成することができる。従
って、良好な波長選択性を有する火炎センサが提供され
る。

【００２９】本発明に係る火炎センサの第四の特徴構成
によれば、上記受光領域において３．６ｅＶ以上のエネ
ルギを有する光が吸収されることで、波長約３４４ｎｍ
（３．６ｅＶ）以下の波長の光、即ち、波長約３４４ｎ
ｍ以下の波長域に比較的大きい強度で現れる火炎の光を
上記受光領域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。

【００３０】本発明に係る火炎センサの第五の特徴構成
によれば、上記受光領域において３．６ｅＶ以上４．０
ｅＶ以下のエネルギを有する光が吸収されることで、波
長約３１０ｎｍ（４．０ｅＶ）〜３４４ｎｍ（３．６ｅ
Ｖ）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外
乱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。

【００３１】本発明に係る火炎センサの第六の特徴構成
によれば、上記受光領域において４．１ｅＶ以上のエネ
ルギを有する光が吸収されることで、波長約３００ｎｍ
（４．１ｅＶ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記
受光領域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
上記受光領域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。

【００３２】本発明に係る火炎センサの第七の特徴構成
によれば、上記受光領域において４．４ｅＶ以上のエネ
ルギを有する光が吸収されることで、波長約２８０ｎｍ
（４．４ｅＶ）以下の波長の光、即ち、火炎の光を上記
受光領域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領域が感度を有さない
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。

【００３３】本発明に係る火炎センサの第八の特徴構成
によれば、単数または複数のフィルタ装置を光入射側に
備えてなるで、半導体受光素子構造上に堆積された上記
光フィルタ構造と、このフィルタ装置とを併用して、更
に波長選択性の高い火炎センサを構成することができ
る。

【００３４】本発明に係る火炎センサの第九の特徴構成
によれば、火炎の検出対象波長域にある所定の第１波長
における第１感度の値が、検出対象波長域外にあり、第
１波長より５０ｎｍ長波長の第２波長における第２感度
の値の１万倍以上にすることができることから、検出対
象とする火炎の光のみを高い波長選択性を持って検出す
ることができる。その結果、検出対象波長域にある火炎
の光が微弱であっても、その存在を良好に検出すること
ができる火炎センサを提供することができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】図１に例示する火炎センサは、下
地構造と、デバイス構造と、多層膜光フィルタ構造とを
順次堆積して形成され、デバイス構造はＰＩＮ接合型で
ある。下地構造は、基板１上に、低温堆積緩衝層２と、
結晶改善層３と、低温堆積中間層４とを順次堆積して形
成される。デバイス構造は、下地構造上に、ｎ型半導体
層５と、受光領域として作用するｉ型半導体層６と、ｐ
型半導体層７とを順次積層して形成される。多層膜光フ
ィルタ構造は、光透過層８と光透過層９とを交互に積層
して形成される。電極１０は、デバイス構造がエッチン
グなどによって部分的に除去されることで露出されたｎ
型半導体層５の表面にオーミック接触となるように形成
される。電極１１は、ｐ型半導体層７の表面の一部分に
オーミック接触となるように形成される。以上のように
構成することで、ｉ型半導体層６において光吸収と光キ
ャリアの発生とが行われた場合、その光キャリアが電極
１０および電極１１によって光電流として取り出され、
火炎の検知が行われる。

【００３６】上述した各部材の材料は具体的には、基板
１はサファイアであり、低温堆積緩衝層２はＡｌＮ（厚
さ２０ｎｍ）であり、結晶改善層３はＧａＮ（厚さ１μ
ｍ）であり、低温堆積中間層４はＡｌＮ（厚さ２０ｎ
ｍ）であり、ｎ型半導体層５（厚さ１μｍ）とｉ型半導
体層６（厚さ１００〜２００ｎｍ）とｐ型半導体層７
（厚さ８０ｎｍ）とは単結晶Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ
（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である。更に、光透過層８
はＡｌＮであり、光透過層９はＡｌＧａＮである。但
し、ｐ型半導体層７上に形成された多層膜光フィルタ構
造の最下層の光透過層８は低温堆積されたＡｌＮであ
る。また、電極１０および電極１１はＴｉ、Ｎｉ、Ａ
ｌ、Ａｕなどの金属を使用して形成される。また、電極
１１とｐ型半導体層７との間の電気的な特性をオーミッ
クなものとするために、ｐ型半導体層７上にｐ−ＧａＮ
やアルミニウム組成比の小さいＡｌＧａＮからなるｐ型
コンタクト層を形成してもよい。尚、上述した膜厚の値
は用途に応じて他の値に変更可能である。

【００３７】多層膜光フィルタ構造（光透過層８および
光透過層９）側から照射された光は、まず多層膜光フィ
ルタ構造中に入射するのだが、光透過層８および光透過
層９の各界面では反射光と入射光とが干渉し合うため、
特定の波長範囲の光が打ち消されることとなる。ここ
で、どの波長範囲の光を打ち消すかは、光透過層８およ
び光透過層９の組成（屈折率）および膜厚によって決定
されるため、成膜時にそれらを変えることで、打ち消さ
れる波長範囲の調整を行うことができる。

【００３８】図２に示す火炎センサも、図１に示した火
炎センサと同様に下地構造と、デバイス構造と、多層膜
光フィルタ構造とを順次堆積して形成され、デバイス構
造はショットキーダイオード型である。下地構造は、基
板１上に、低温堆積緩衝層２と、結晶改善層３と、低温
堆積中間層４とを順次堆積して形成される。デバイス構
造は、下地構造上に、ｎ型半導体層５と、受光領域とし
て作用するｉ型半導体層６とを順次積層して形成され
る。多層膜光フィルタ構造は、光透過層１４と光透過層
１５とを交互に積層して形成される。電極１０は、デバ
イス構造がエッチングなどによって部分的に除去される
ことで露出されたｎ型半導体層５の表面にオーミック接
触となるように形成される。電極１２は、ｉ型半導体層
６の表面に対してショットキー接合となるような光透過
率の高い材料で形成される。また、電極１２上の一部分
にワイヤボンディング用の電極１３が形成される。以上
のように構成することで、ｉ型半導体層６において光吸
収と光キャリアの発生とが行われた場合、その光キャリ
アが電極１０および電極１２によって光電流として取り
出され、火炎の検知が行われる。

【００３９】上述した各部材の材料は具体的には、基板
１はサファイアであり、低温堆積緩衝層２はＡｌＮであ
り、結晶改善層３はＧａＮであり、低温堆積中間層４は
ＡｌＮであり、ｎ型半導体層５とｉ型半導体層６とは単
結晶Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１）である。更に、光透過層１４はＭｇＦ₂であり、光
透過層１５はＳｉＯ₂である。また、電極１０はＴｉ、
Ｎｉ、Ａｌ、Ａｕなどの金属を使用して形成され、電極
１２はＩＴＯやＳｎＯ₂等の透明導電性膜を使用して形
成される。ワイヤボンディング用の電極１３は導電率の
高いＡｕなどの金属が使用される。各半導体層の厚さは
図１（ａ）に示した場合と同様である。

【００４０】多層膜光フィルタ構造（光透過層１４およ
び光透過層１５）側から照射された光は、まず多層膜光
フィルタ構造中に入射するのだが、光透過層１４および
光透過層１５の各界面では反射光と入射光とが干渉し合
うため、特定の波長範囲の光が打ち消されることとな
る。ここで、どの波長範囲の光を打ち消すかは、光透過
層１４および光透過層１５の組成（屈折率）および膜厚
によって決定されるため、成膜時にそれらを変えること
で、打ち消される波長範囲の調整を行うことができる。

【００４１】尚、上述した多層膜光フィルタ構造（光透
過層８、光透過層９、光透過層１４、および光透過層１
５）の材料は上述したものに限定されず、光透過性の材
料であれば他の様々な材料を使用することもできる。例
えば、ＢＮ、ＢＰ、ＣａＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＬｉＦ、Ｐ₂Ｏ
₅、ＺｎＳｉＯ_x、ＣａＳｉＯ₃、（Ｃａ、Ｚｎ）（Ｐ
Ｏ₄）_xなどを光透過層として使用することができる。

【００４２】以上のようなＩｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎを含む
下地構造およびデバイス構造をＭＯＣＶＤ装置の反応室
内に設置されたサファイア基板１上に順次堆積させる際
の原料ガスとしては、トリメチルインジウム（インジウ
ム源）、トリメチルアルミニウム（アルミニウム源）、
トリメチルガリウム（ガリウム源）、ＮＨ３（窒素源）
を使用することができる。また、ｎ型不純物としてはＳ
ｉがＳｉＨ₄（シランガス）の形態で供給され、ｐ型不
純物としてはＭｇがＣＰ₂Ｍｇ（シクロペンタンマグネ
シウム）の形態で供給される。ここで、基板温度を調整
することが可能であり、低温堆積緩衝層２や低温堆積中
間層４を堆積させる場合には基板温度を約４００℃〜約
６００℃に調整し、結晶改善層３や他の半導体層を堆積
させる場合には基板温度を約９００℃〜１１００℃に調
整することが行われる。

【００４３】多層膜光フィルタ構造をＡｌＮやＡｌＧａ
Ｎを用いて構成する場合には、上述した下地構造および
デバイス構造と同じ成膜方法を用いることで、図１に示
した素子構造を一連の成膜プロセスで作製することがで
きる。また、ＢＮを備えた多層膜光フィルタ構造を作製
する場合には、原料ガス（ホウ素源）としてトリメチル
ボロンをＭＯＣＶＤ装置に更に追加することで、下地構
造およびデバイス構造の成膜工程に引き続く一連の成膜
プロセスにおいてＢＮ膜を成膜することができる。同様
に、ＢＰを備えた多層膜光フィルタ構造を作製する場合
には、原料ガス（リン源）としてＰＨ₃、ＴＭＰ（トリ
メチルホスフィン）：Ｐ（ＣＨ₃）₃などをＭＯＣＶＤ装
置に更に追加すればよい。

【００４４】ＣａＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＬｉＦ、Ｐ₂Ｏ₅、Ｚ
ｎＳｉＯ_x、ＣａＳｉＯ₃、（Ｃａ、Ｚｎ）（ＰＯ₄）_xな
どの材料からなる薄膜（光透過層）は、抵抗加熱、電子
ビーム加熱などの真空蒸着法やスパッタリングによって
成膜することで得られる。その際に使用される各蒸着源
またはターゲットは、市販されているものを使用するこ
ともできる。

【００４５】図３に示す火炎センサの構成は、図１に例
示した火炎センサと基板、各半導体層、および電極の構
成は同様であるが、多層膜光フィルタ構造の構成が異な
る。具体的には、図３に例示する火炎センサにおいて
は、デバイス構造を部分的にエッチングすることで露出
されたｎ型半導体層５の表面に電極１０がオーミック接
触となるように形成され、上記ｎ型半導体層５とは段差
のあるｐ型半導体層７上に電極１１がオーミック接触と
なるように形成される。ここで、火炎センサに対しては
電極１１側から光が照射されるのだが、受光領域（ｉ型
半導体層６）に対して大きな強度の光が入射されるよう
に、電極９は入射光を遮断しないような構成であること
が要求される。

【００４６】電極１０と電極１１との間の段差の断面
（基板１面に対して垂直な、メサ構造の側面）の少なく
とも一部、および各半導体層が積層されてなる半導体積
層構造上の光入射面（ｐ型半導体層７の上面）に、光透
過層８と光透過層９とが交互に積層された絶縁性の多層
膜光フィルタ構造が形成されており、図１および図２を
参照して説明したのと同様に、受光領域を含む半導体受
光素子構造に入射される光の一部を、上記多層膜光フィ
ルタ構造によって高い波長選択性をもって遮断すること
ができる。更に、電極１０と電極１１との間に電界を印
加した場合に火炎センサの表面（段差の断面を含む）に
流れる沿面電流の経路の抵抗値を大幅に高くし、且つ湿
度の影響を低減させることで、電極１０と電極１１との
間の半導体受光素子構造表面に生じる沿面電流を低減さ
せることができる。

【００４７】図４に示すのは受光領域の形成に係る単結
晶Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）
のバンドギャップエネルギを示すグラフであり、インジ
ウム組成比ｘおよびアルミニウム組成比ｙを変えること
で、バンドギャップエネルギが約１．９ｅＶ〜約６．２
ｅＶの間で調整可能であることが分かる。尚、図４にお
いてはインジウムとアルミニウムとが同時に含まれる場
合の例は簡略化のため除外している。

【００４８】次に、受光領域の形成に係る単結晶Ｉｎ_x
Ａｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のバンド
ギャップエネルギ、即ちカットオフ波長をどの波長に設
定することが好ましいかが問題となる。図５に示すの
は、炭化水素を燃焼させた場合に発生した火炎の光、太
陽光、および各種照明機器を起源とする室内光の発光ス
ペクトルである。火炎の光は、波長約３４４ｎｍ以下の
範囲で比較的大きな強度を示し、太陽光は波長約２８０
ｎｍ以上の範囲に大きく現われ、室内光は波長約３００
ｎｍ以上の範囲に大きく現れている。

【００４９】従って、波長約３４４ｎｍ以下の波長域に
比較的大きい強度で現れ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、受光領
域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ｙ＝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、検出対象波長範囲にある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、受光領域のバンドギ
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ｙ＝０．２５、或いはそれ以上とすればよ
い。また或いは、約２８０ｎｍ以上の波長域に含まれ
る、太陽光からの光を受光せずに、検出対象波長範囲に
ある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、受光領域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ｙ＝
０．３５、或いはそれ以上とすればよい。

【００５０】或いは、弱い光強度であれば太陽光などの
外乱光が受光領域において吸収されても構わない場合に
は、受光領域のバンドギャップエネルギが４．３ｅＶ以
上（波長約２９０ｎｍ以下）となるようにアルミニウム
組成比ｙ＝０．３１、或いはそれ以上とすればよい。波
長約２９０ｎｍ以下では図５に示すようにそれらの外乱
光の光強度が非常に小さくなり、他方で火炎の光は大き
いので、結果として火炎の光が存在することを検知する
ことができる。

【００５１】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、そこで燃焼される燃料の発光を検出
したい場合には、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、検出対象波長
範囲にある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３１０ｎｍ（３１０ｎｍ±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する
場合には、受光領域のバンドギャップエネルギが３．６
ｅＶ以上４．０ｅＶ以下となるように、アルミニウム組
成比ｙを０．０５以上０．２３以下とすればよい。

【００５２】また、受光領域（ｉ型半導体層６）のバン
ドギャップエネルギを調整するだけでなく、ｉ型半導体
層６の周囲に設けられる半導体層のバンドギャップエネ
ルギを調整することを行ってもよい。例えば、図１に示
したＰＩＮ型の火炎センサにおいてｉ型半導体層６より
も光入射面側に配置されたｐ型半導体層７のバンドギャ
ップエネルギがｉ型半導体層６のバンドギャップエネル
ギよりも大きく調整された場合には、そのｐ型半導体層
７が、ｉ型半導体層６で吸収されるべき波長の光にとっ
ての透過窓として作用し、受光領域であるｉ型半導体層
６に大きな強度の光が入射される。更に、ｉ型半導体層
６よりも基板１側に配置されたｎ型半導体層５のバンド
ギャップエネルギがｉ型半導体層のバンドギャップエネ
ルギよりも大きく設定された場合には、受光領域で吸収
される光よりも低エネルギ側の光（長波長側の光）を吸
収して、検出対象波長範囲以外の光（この場合は太陽
光）に対しても感度を有するという問題が発生しない火
炎センサを構成することができる。

【００５３】尚、上述したアルミニウム組成比ｙとバン
ドギャップエネルギとの関係は理論値に基づいて説明し
たものであり、アルミニウム組成比ｙを理論値通りにし
て成膜を行ったとしても実際に得られるＡｌＧａＮ層の
バンドギャップエネルギが異なる可能性もある。例え
ば、三元混晶化合物であるＡｌＧａＮの場合には、二元
化合物であるＧａＮが生成され易く、その結果、バンド
ギャップエネルギが低エネルギ側（長波長側）にシフト
する傾向にある。従って、理論値通りのバンドギャップ
エネルギを得たい場合には、アルミニウム組成比を予め
大きく設定した上で成膜することが行われることもあ
る。

【００５４】次に、多層膜光フィルタ構造（光透過層８
および光透過層９、または光透過層１４および光透過層
１５）の光学特性について説明する。多層膜光フィルタ
の例として図６（ａ）および図６（ｂ）に示すのは、朝
日分光株式会社から販売されている光学フィルタ（多層
膜フィルタ）の透過率特性であり、例として、ＵＶ３０
０（図６（ａ））とＵＶ３２５（図６（ｂ））と表記さ
れる光学フィルタの透過率特性を示す。従って、図１
（ａ）および図１（ｂ）において説明した多層膜光フィ
ルタ構造の光学的な特性は、図６（ａ）および図６
（ｂ）に示す光学フィルタと同様の光学特性を示すと考
えてもよい。

【００５５】図６（ａ）および図６（ｂ）中から明らか
であるように、透過率特性のグラフには光の干渉を利用
していることを示す干渉縞が現れており、その干渉の効
果として特定の波長範囲においては透過率を極めて小さ
くすることができる。また、透過率スペクトルは極めて
急峻に変化し、高い波長選択性を示すことが分かる。例
えば、ＵＶ３００では、波長３２５ｎｍ〜３７０ｎｍの
波長範囲の透過率がほぼ零であり、ＵＶ３２５では、波
長３４０ｎｍ〜３９０ｎｍの波長範囲の透過率がほぼ零
であり、更に立ち上がりは極めて急峻である。

【００５６】図６（ａ）および図６（ｂ）に示した多層
膜フィルタは、弗化マグネシウム：ＭｇＦ₂、ＳｉＯ₂、
アルミナ等の紫外域においても透過率の高い材料を複数
枚重ねて構成されている。その原理は、上述したように
所定の厚さの材料を重ねて構成することで、それらの間
で光の干渉が生じ、特定波長の光が打ち消されるという
ものである。従って、特定の波長範囲の光の透過率を下
げるためには、多数の材料を重ねて、何度も干渉を生じ
させることで、光を何度も打ち消し合わせればよい。こ
の場合、上述のような透過率の高い材料を使用している
ことから、干渉が生じない波長範囲の光の透過率は高い
まま維持され、その結果、検出対象波長における透過率
と、検出対象波長域よりも長波長側にある検出対象波長
域外における透過率との比が５桁程度になるまで設定す
ることができる。

【００５７】図７に示すのは、半導体受光素子構造の上
方の光入射面側にフィルタ装置１６を備えてなる火炎セ
ンサの構成図である。従って、図７に示した火炎センサ
は、多層膜光フィルタ構造（光透過層８および光透過層
９）と、フィルタ装置１６という２つのフィルタを備え
て構成されている。フィルタ装置１６には、図８（ａ）
および図８（ｂ）に透過率特性を示すような色ガラスフ
ィルタが使用される。従って、火炎センサに照射された
光は、まずフィルタ装置１６によって所定の波長範囲の
光（例えば可視光）が効果的に遮断され、次に、多層膜
光フィルタ構造（光透過層８および光透過層９、並びに
光透過層１４および光透過層１５）によって、カットオ
フ波長付近の光が急峻に遮断された後で、受光領域（ｉ
型半導体層６）に入射される。

【００５８】図８（ａ）に示すのは、ＨＯＹＡ株式会社
から販売されている光学フィルタ（色ガラスフィルタ）
の透過率特性であり、例として、Ｕ−３３０、Ｕ−３４
０、Ｕ−３５０、およびＵ−３６０と表記される光学フ
ィルタの透過率特性を示す。ここで、各光学フィルタに
付記された数字は、透過率が最高になる波長を表してい
る。図示するような波長選択性を有する光学フィルタを
用いて光を透過させることで、特定の波長範囲の光の光
強度が好適に低減される。例えば、Ｕ−３３０の透過率
特性に着目すると、透過ピークの短波長側の透過限界波
長が約２１０ｎｍに位置し、長波長側の透過限界波長が
約４２５ｎｍに位置することから、波長２１０ｎｍ〜４
２５ｎｍの範囲以外の光の光強度が低減される。更に、
波長２８０ｎｍにおいて透過率が３０％を超えており、
波長２７０ｎｍ〜波長３７０ｎｍの範囲において透過率
が７０％を超えており、波長２８０ｎｍ〜波長３００ｎ
ｍの範囲において透過率が８０％を超えていることか
ら、火炎の光の波長範囲（２００ｎｍ〜３４０ｎｍ）の
光は、その強度がほとんど低減されること無しに光学フ
ィルタを透過することができる。

【００５９】図８（ｂ）に示すのは、ＨＯＹＡ株式会社
から販売されている別の光学フィルタ（色ガラスフィル
タ）の透過率特性であり、例として、ＵＶ−２８、ＵＶ
−３０、ＵＶ−３２、ＵＶ−３４、ＵＶ−３６と表記さ
れる光学フィルタの透過率特性を示す。ここで、各光学
フィルタに付記された数字は、透過限界波長の１／１０
の数字に相当しており、ＵＶ−２８であれば透過限界波
長が２８０ｎｍであることを示している。ここで、ＵＶ
−２８は燐酸塩ガラスなどを用いて作製され、ＵＶ−３
０、ＵＶ−３２、ＵＶ−３４、ＵＶ−３６は珪酸塩ガラ
スなどを用いて作製される。この色ガラスフィルタは、
図８（ａ）に示したフィルタと異なり、透過率限界波長
よりも短波長側の光を遮断し、長波長側の光を透過させ
る単純な特性を有している。

【００６０】図９には、図７に例示した構造の火炎セン
サを使用して火炎の光の検出性能を測定した場合の測定
結果（図中の実線Ａ）を示す。尚、比較例として多層膜
光フィルタ構造（光透過層８および光透過層９）および
フィルタ装置１６を共に備えていない受光素子の光検出
性能を測定した場合の測定結果（図中の破線Ｂ）につい
ても示す。実線Ａで示すように、検出対象とする波長域
の感度の値は、検出対象としない波長域の感度の値の約
１００００倍となっており、非常に波長選択性の高い火
炎センサが構成されている。例えば、カットオフ波長
（第１波長：約２７０ｎｍ）付近における感度の値は、
そのカットオフ波長から約５０ｎｍだけ長波長側の波長
（第２波長：約３２０ｎｍ）における感度の値の約１０
０００倍以上となっている。一方で、破線Ｂの比較例で
は、検出対象とする波長域の感度の値（波長２７０ｎｍ
における感度の値）は、検出対象としない波長域の感度
の値（波長３２０ｎｍにおける感度の値）の約１０００
倍程度であり、波長選択性は大きく見られない。

【００６１】以上のように、図７に例示した構造の火炎
センサを用いた場合には、検出対象波長域における感度
の値と、検出対象波長域外の感度の値との間の感度差を
大きく設定することができるので、検出対象波長域に現
れる火炎の光を高感度で検出することの出来る火炎セン
サを構成することができる。

【００６２】以上の実施形態では、ＰＩＮ接合型および
ショットキーダイオード型のデバイス構造を備えた火炎
センサについて説明したが、本発明に係る火炎センサは
デバイス構造に限定されるものではない。例えば、ＰＮ
接合型、フォトトランジスタ型、フォトＦＥＴ型のデバ
イス構造を備えた火炎センサを構成した場合であって
も、上述した火炎センサと同様の効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【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】火炎センサの別の構成図である。

【図４】ＩｎＡｌＧａＮのバンドギャップエネルギを示
すグラフである。

【図５】火炎の光、太陽光、および室内光のスペクトル
を示すグラフである。

【図６】（ａ）および（ｂ）は多層膜フィルタの透過率
特性を示すグラフである。

【図７】火炎センサの別の構成図である。

【図８】（ａ）および（ｂ）は色ガラスフィルタの透過
率特性を示すグラフである

【図９】火炎センサの波長感度特性を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１基板２低温堆積緩衝層３結晶改善層４低温堆積中間層５ｎ型半導体層６ｉ型半導体層７ｐ型半導体層８光透過層９光透過層１０電極１１電極１２電極１３電極１４光透過層１５光透過層１６フィルタ装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者天野浩愛知県名古屋市天白区塩釜口１―501 名城大学理工学部内 (72)発明者赤崎勇愛知県名古屋市天白区塩釜口１―501 名城大学理工学部内Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB05 BA09 BB27 DA06 5C085 AA14 AB01 BA31 DA08 FA38 5F049 MA02 MA04 MA05 MA14 MB07 NA05 NA17 NB10 SE03 SE04 SZ07 SZ08 WA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単数または複数の半導体層を有する半導
体受光素子構造を備え、前記半導体受光素子構造中の単
数または複数の半導体層に受光領域が形成されてなり、前記半導体受光素子構造上に、複数の光透過層が堆積さ
れてなる多層膜光フィルタ構造が直接積層され、前記半
導体受光素子構造と前記多層膜光フィルタ構造とが一体
形成された火炎センサ。
【請求項２】単数または複数の半導体層を有する半導
体受光素子構造を備え、前記半導体受光素子構造中の単
数または複数の半導体層に受光領域が形成され、前記半
導体受光素子構造の一部を所定の深さまで除去して形成
された段差を挟む、前記半導体受光素子構造の２つの面
上の一方に第１電極が設けられ、他方に第２電極が設け
られてなり、前記第１電極と前記第２電極との間の前記段差の断面の
少なくとも一部、および前記半導体受光素子構造上の光
入射面に、複数の光透過層が堆積されてなる絶縁性の多
層膜光フィルタ構造が直接堆積され、前記半導体受光素
子構造と前記多層膜光フィルタ構造とが一体形成された
火炎センサ。
【請求項３】前記受光領域の形成に係る単数または複
数の半導体層がＩｎ _xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、
０≦ｙ≦１）から形成される請求項１または請求項２に
記載の火炎センサ。
【請求項４】前記受光領域の形成に係るＩｎＡｌＧａ
Ｎのバンドギャップエネルギが３．６ｅＶ以上である請
求項３に記載の火炎センサ。
【請求項５】前記受光領域の形成に係るＩｎＡｌＧａ
Ｎ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】前記受光領域の形成に係るＩｎＡｌＧａ
Ｎ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】前記受光領域の形成に係るＩｎＡｌＧａ
Ｎ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】光入射面側に単数または複数のフィルタ
装置を更に備えてなる請求項１から請求項７の何れか１
項に記載の火炎センサ。
【請求項９】検出対象波長域にある所定の第１波長に
おける第１感度の値が、検出対象波長域外にあり、前記
第１波長より５０ｎｍ長波長の第２波長における第２感
度の値の１万倍以上である請求項８に記載の火炎セン
サ。