JP2019110194A - 光デバイス及び光学式濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、小型化が可能な光デバイス及び光学式濃度測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】光デバイス１００は、基板２と、０．１μｍ以上１００μｍ以下の厚みで基板２上に形成されて屈折率が基板２よりも大きい第１の層３１と、第１の層３１上に形成されて第１の半導体積層部４１１を有する発光素子４１と、第１の層３１上に形成されて第２の半導体積層部５１１を有し、発光素子４１から放射されて第１の層３１を通った光Ｌを受光可能な受光素子５１とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、光デバイス及び光学式濃度測定装置に関する。

光デバイスのうち、受光した赤外線に応じた信号を出力する赤外線受光デバイスは、光通信分野、省エネルギー分野あるいはガスセンサ等の環境分野において用いられるようになってきている。

また、光デバイスのうち、赤外線を発光する赤外線発光デバイスは、注入された電流によって発光する発光ダイオードの形態での開発が進められている。

同一のデバイス内に、発光素子と受光素子を設け、更に発光素子と受光素子の間に光路を設けることによって、同一のデバイス内において光のやり取りによる信号伝達が可能となる。この光路を伝搬する光を利用して、様々な物理量のセンシングが実現できる。その一例としてガスセンサが挙げられる。

特開２０１２−２２０３５１号公報

従来のデバイスでは発光素子と受光素子の間の空間を光路として用いていたため（特許文献１）、デバイスが大型化するという課題があった。

本発明の目的は、小型化が可能な光デバイス及び光学式濃度測定装置を提供することにある。

本発明の一態様による光デバイスは、基板と、０．１μｍ以上１００μｍ以下の厚みで前記基板上に形成されて屈折率が前記基板よりも大きい第１の層と、前記第１の層上に形成されて第１の半導体積層部を有する発光素子と、前記第１の層上に形成されて第２の半導体積層部を有し、前記発光素子から放射されて前記第１の層を通った光を受光可能な受光素子と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の一態様による光学式濃度測定装置は、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置であって、上記本発明の一態様による光デバイスを備え、前記第１の層の少なくとも一部は、前記被測定気体又は前記被測定液体と接触可能に設けられていることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、光デバイスおよび光学式濃度測定装置が小型になる。

本実施形態の第１構成例に係る光デバイスの断面の構成例を示す図である。 本実施形態の第２構成例に係る光デバイスの断面の構成例を示す図である。 本実施形態の第３構成例に係る光デバイスの断面の構成例を示す図である。 本実施形態の第４構成例に係る光デバイスの断面の構成例を示す図である。 本実施形態の第５構成例に係る光デバイスに設けられる受発光素子の断面の構成例を示す図である。

以下、実施形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。

＜光デバイス＞
本実施形態に係る光デバイスは、基板と、０．１μｍ以上１００μｍ以下の厚みで前記基板上に形成されて屈折率が前記基板よりも大きい第１の層と、前記第１の層上に形成されて第１の半導体積層部を有する発光素子と、前記第１の層上に形成されて第２の半導体積層部を有し、前記発光素子から放射されて前記第１の層を通った光を受光可能な受光素子と、を備えている。

本実施形態の光デバイスによれば、同一基板上に発光素子、受光素子及び光路（第１の層）を形成することで、小型化が可能となる。

基板と第１の層の屈折率は、実際に波長１〜１２μｍの赤外線を適当な角度で透過させたときに進行する光線の挙動から求めてもよいし、各層の材料の屈折率の絶対値から求めてもよい。

また、基板と第１の層の間に屈折率が第１の層とは異なる第２の層を設けてもよい（この場合、第１の層の屈折率をｎ１とし、第２の層の屈折率をｎ２とし、基板の屈折率をｎｓとすると、ｎ１＞ｎ２及びｎ１≧ｎｓとすることがより好ましい）。そうすることによって、効率よく、発光素子と受光素子の間に光のやり取りが可能となる。

＜光学式濃度測定装置＞
本実施形態に係る光学式濃度測定装置は、被測定気体または被測定液体の濃度を測定する装置であり、本実施形態の光デバイスを備えている。当該光デバイスに備えられた第１の層の少なくとも一部は、被測定気体または被測定液体と接触可能に設けられている。

第１の層の少なくとも一部が被測定気体または被測定液体と接触すると、被測定気体または被測定液体の濃度が変化した場合、光路としての第１の層を伝搬する光の変動が大きくなるため、センシングの分野では特に好ましい場合がある。

発光素子から放射された光は、第１の層内を通って受光素子に入射するが、この際、第１の層内を通る光の一部はエバネッセント光として被測定気体または被測定液体によって吸収されることとなる。受光素子で検出した信号に基づき吸収量を算出することで、被測定気体または被測定液体の濃度を測定することが可能となる。

以下、本実施形態に係る光デバイス及び光学式濃度測定装置の各構成部について、例を挙げて説明する。

＜基板＞
基板はその上（すなわち、基板の表面）に第１の層を形成できれば特に限定されない。基板は、具体的にはシリコン（Ｓｉ）単結晶（波長５μｍ付近の屈折率約３．４）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）単結晶（波長５μｍ付近の屈折率約３．３）又は酸化アルミ単結晶（例えばサファイア（波長５μｍ付近の屈折率：１．６））で形成されていてもよい。基板は、単一の材料（例えばＳｉ単結晶、ＧａＡｓ単結晶、サファイア等）で形成されていてもよく、複数の材料の積層体で形成されていてもよい。例えば、ＳＯＩ基板のうちＳｉとＳｉＯ_２の積層部分が基板として用いられてもよい（この場合、ＳｉＯ_２上のＳｉを第１の層として用いることができるが、このときＳｉで形成された第１の層の屈折率はＳｉＯ_２の屈折率よりも大きいため、「第１の層の屈折率が基板の屈折率よりも大きい」という関係を満たすものとする）。また、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体基板上にエピタキシャル成長された半導体層が基板として用いられてもよい。

＜第１の層＞
第１の層は、基板上に形成されている。第１の層の厚みは、０．１μｍ以上１００μｍ以下である。第１の層は、基板よりも大きい屈折率を有している。第１の層の具体的な例としては、Ｉｎ又はＳｂを含んだ半導体材料、またはＳｉで形成された層であってよい。第１の層が形成される半導体材料の具体的な例としては、ＩｎＳｂ及びＩｎＡｓＳｂ等が挙げられる。

＜第２の層＞
第２の層は、基板と第１の層の間に設けられ、屈折率が第１の層とは異なる層である。第２の層の屈折率が第１の層より小さいと、第１の層に入射された光が第１の層内に閉じ込められ、第１の層における光の伝搬ロスが減るため、好ましい場合がある。

第２の層は、抵抗率が１０ｋΩ・ｃｍ以上１ＧΩ・ｃｍ以下の絶縁材料で形成されていてもよい。第２の層を形成するための形成材料の具体的な例としては、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ等を利用した材料、またはＳｉＯ_２が挙げられる。第２の層の形成材料の混合比を変えることで第１の層と異なる屈折率を有する第２の層を実現できるため、好ましい場合がある。また、第２の層は、単層構造でなくても、多層構造であってもよい。第２の層は、例えば異なる屈折率の層が２種類交互に積層され、光の干渉効果を利用したミラーを形成してもよい。

＜発光素子＞
発光素子は、第１の層上に形成され、第１の半導体積層部を有している。発光素子は、注入された注入電流によって発光する。発光素子の種類としては、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）が挙げられる。

第１の半導体積層部は、発光効率が高められるという観点から、単結晶の半導体材料で形成されていてもよい。第１の半導体積層部が半導体材料で形成されている場合、第１の半導体積層部は、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層の少なくとも一方を有してもよい。第１の半導体積層部の構成として、第１の半導体積層部がｎ型半導体層及びｐ型半導体層の両方を有する場合に、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層が積層された積層部を含むｐｎ接合を有する構成や、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層の間にｉ型半導体層をさらに含むｐｉｎ接合を有する構成が挙げられる。

第１の半導体積層部が半導体材料を有している場合、第１の半導体積層部は、ＩＩＩ族またはＶ族の元素で形成されてもよい。ＩＩＩ族またはＶ族の元素の具体的な例としては、１μｍから１２μｍ波長帯の赤外線を放出する元素が挙げられる。第１の半導体積層部を形成するための具体的な形成材料としては、ＩｎＳｂ（屈折率は約４）、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ及びＩｎＡｓＳｂなどが挙げられる。これらの形成材料を利用した第１の半導体積層部は、発光波長帯を数μｍから十数μｍまで設定することができ、非分散型赤外線（Ｎｏｎ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲｅｄ：ＮＤＩＲ）方式を使ったガスセンサに応用できる。また製造性の観点から、第１の半導体積層部と後述の第２の半導体積層部は、同じ材料であることが好ましい場合がある。

＜受光素子＞
受光素子は、第１の層上に形成され、第２の半導体積層部を有している。光学カップリング性向上の観点から、第１の層に接する部分の第２の半導体積層部の材料は、当該第１の層の材料よりも、波長５μｍの赤外線に対する屈折率が大きいと好ましい場合がある。第１の層に接する部分は、第２の半導体積層部の最下層の層である。第１の半導体積層部及び第２の半導体積層部は、同じ材料で形成され且つ同じ積層構造を有していてもよい。つまり、第２の半導体積層部は、受光効率が高められるという観点から、単結晶の半導体材料で形成されていてもよい。第２の半導体積層部が半導体材料で形成されている場合、第２の半導体積層部は、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層の少なくとも一方を有してもよい。第２の半導体積層部の構成として、第２の半導体積層部がｎ型半導体層及びｐ型半導体層の両方を有する場合に、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層が積層された積層部を含むｐｎ接合を有する構成や、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層の間にｉ型半導体層をさらに含むｐｉｎ接合を有する構成が挙げられる。また、第２の半導体積層部の構成として、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層及びｉ型半導体層の一方を有する光導電型の構成が挙げられる。

第１の層に接する部分の第１の半導体積層部及び第２の半導体積層部の形成材料の波長５μｍの赤外線に対する屈折率を第一屈折率とし、当該第１の層の形成材料の波長５μｍの赤外線に対する屈折率を第二屈折率とすると、第一屈折率対第二屈折率の比の値は、０．８以上１．２以下であると好ましい場合がある。特に、第２の半導体積層部の屈折率が第１の層より小さい場合、第１の層を経由して伝搬される光が効率良く第２の半導体積層部に吸収されるため、好ましい場合がある。

＜光路＞
本実施形態に係る光デバイスは、発光素子と受光素子との間に光を伝搬する部位を設けることによって、発光素子から受光素子への光の伝搬が可能となる。この部位を光路と呼ぶ。この光路は第１の層を加工することによって形成することが可能である。

光路を通る光は環境の影響を受けるように設計してもよい。例えば、微細加工によって光路の断面を細く加工すると光の一部が光路から環境に染み出すこととなり、環境の雰囲気の様々な変化の検知・測定が可能となる。例えば、雰囲気の媒体（液体または気体）が光路から染み出した光の特定の波長を吸収すると、発光素子から受光素子に伝搬する光が減少する。この現象を利用して、環境の雰囲気の特定の物質の濃度の測定が可能となる。また、光路を長くすることで、当該物質の変化への感度が大きくでき、高感度の濃度センサが実現できる。

＜各層の形成技術＞
第１の層、第２の層、第１の半導体積層部及び第２の半導体積層部は、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）法、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）法、又は、接着法を用いて形成することが出来る。第１の半導体積層部及び第２の半導体積層部は、高い品質にする観点から、ＭＢＥ法またはＭＯＣＶＤ法を用いて形成することが好ましい。この場合、第１の半導体積層部及び第２の半導体積層部の結晶性を向上させる観点から、基板、第１の層及び第２の層の形成材料は、単結晶であってよく、具体的にはＳｉ単結晶、ＧａＡｓ単結晶又はサファイアであってもよい。

以下、図面を参酌しながら本実施形態に係る光デバイスをより詳細に説明する。
（第１構成例）
図１は、本実施形態の第１構成例に係る光デバイス１００の断面の構成例を示す。
図１に示すように、第１構成例に係る光デバイス１００は、基板２と、０．１μｍ以上１００μｍ以下の厚みで基板２上に形成されて屈折率が基板２よりも大きい第１の層３１と、第１の層３１上に形成されて第１の半導体積層部４１１を有する発光素子４１と、第１の層３１上に形成されて第２の半導体積層部５１１を有し、発光素子４１から放射されて第１の層３１を通った光Ｌを受光可能な受光素子５１とを備えている。基板２は上述の基板の一例に相当し、第１の層３１は上述の第１の層の一例に相当し、発光素子４１は上述の発光素子の一例に相当し、受光素子５１は上述の受光素子の一例に相当し、第１の半導体積層部４１１が上述の第１の半導体積層部に相当し、第２の半導体積層部５１１が上述の第２の半導体積層部に相当する。

第１の層３１、発光素子４１及び受光素子５１は、基板２上に形成されている。

また、光デバイス１００は、発光素子４１上に形成された電極１１ａと、第１の層３１上であって発光素子４１の隣に形成された電極１１ｂと、受光素子５１上に形成された電極１２ａと、第１の層３１上であって受光素子５１の隣に形成された電極１２ｂとを備えている。発光素子４１は、断面が台形状のメサ状を有している。電極１１ａは、発光素子４１の上面に配置されている。受光素子５１は、発光素子４１と同様に、断面が台形状のメサ状を有している。電極１２ａは、受光素子５１の上面に配置されている。電極１１ａ及び電極１１ｂは発光素子４１へ電流を供給するために利用される。電極１２ａ及び電極１２ｂは、受光素子５１からの電気信号を取り出すために利用される。

発光素子４１及び受光素子５１は、ＰＮ構造やＰＩＮフォトダイオード構造を有していても良いし、同一型の半導体で形成されるフォトコンダクター構造を有していても良い。受光素子５１がフォトコンダクター構造を有している場合、受光素子５１に入射する光によって起電力を発生させないために、受光素子５１にバイアス印加が必要となる。

第１構成例における第１の層３１は、電極１１ｂと発光素子４１との電気的接続、受光素子５１と電極１２ｂとの電気的接続及び発光素子４１から受光素子５１への光Ｌの伝搬の３つの役割をもつ。また、図１には示していないが、ガス・液体の濃度測定への用途の場合、測定感度を高めるため、第１の層の一部を細長く若しくは薄くなるように加工してもよい。

（第２構成例）
図２は、本実施形態の第２構成例に係る光デバイス２００の断面の構成例を示す。なお、第１構成例による光デバイス１００と同様の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図２に示すように、第２構成例に係る光デバイス２００は、基板２と、０．１μｍ以上１００μｍ以下の厚みで基板２上に形成されて屈折率が基板２よりも大きい第１の層３２と、第１の層３２上に形成されて第１の半導体積層部４２１を有する発光素子４２と、第１の層３２上に形成されて第２の半導体積層部５２１を有し、発光素子４２から放射されて第１の層３２を通った光Ｌを受光可能な受光素子５２とを備えている。第１の層３２は上述の第１の層の一例に相当し、発光素子４２は上述の発光素子の一例に相当し、受光素子５２は上述の受光素子の一例に相当し、第１の半導体積層部４２１が上述の第１の半導体積層部に相当し、第２の半導体積層部５２１が上述の第２の半導体積層部に相当する。

第２構成例における発光素子４２は、上記第１構成例における発光素子４１と形状が異なっている。発光素子４２は、段差を有するメサ状を有している。発光素子４２は、第１の層３２に対して高さの異なる２つの上面を有している。これらの２つの上面のうち、第１の層３２に対して高さが高い方の上面には電極１１ａが配置され、第１の層３２に対して高さが低い方の上面には電極１１ｂが配置されている。

電極１１ｂは第１の層３２と直接触れずに形成される。第２構成例では、発光素子４２と電気的に接続される電極１１ａ及び電極１１ｂは、発光素子４２上のみに形成される。

第２構成例における受光素子５２は、上記第１構成例における受光素子５１と形状が異なっている。受光素子５２は、段差を有するメサ状を有している。受光素子５２は、第１の層３２に対して高さの異なる２つの上面を有している。これらの２つの上面のうち、第１の層３２に対して高さが高い方の上面には電極１２ａが配置され、第１の層３２に対して高さが低い方の上面には電極１２ｂが配置されている。このため、電極１２ｂは第１の層３２と直接触れずに形成される。第２構成例では、受光素子５２と電気的に接続される電極１２ａ及び電極１２ｂは、受光素子５２上のみに形成される。

第２構成例では、発光素子４２上に電極１１ｂが形成され、受光素子５２上に電極１２ｂが形成されている。このため、第２構成例における第１の層３２は、上記第１構成例における第１の層３１と異なり、電極１１ｂと発光素子４２との電気的接続、及び受光素子５２と電極１２ｂとの電気的接続の役割を持たない。第１の層３２は、発光素子４２から受光素子５２への光Ｌの伝搬の１つの役割を持つ。

（第３構成例）
図３は、本実施形態の第３構成例に係る光デバイス３００の断面の構成例を示す。なお、第１構成例による光デバイス１００と同様の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図３に示すように、第３構成例に係る光デバイス３００は、基板２と、０．１μｍ以上１００μｍ以下の厚みで基板２上に形成されて屈折率が基板２よりも大きい第１の層３３と、第１の層３３上に形成されて第１の半導体積層部４１１を有する発光素子４１と、第１の層３３上に形成されて第２の半導体積層部５３１を有し、発光素子４１から放射されて第１の層３３を通った光Ｌを受光可能な受光素子５３とを備えている。第１の層３３は上述の第１の層の一例に相当し、受光素子５３は上述の受光素子の一例に相当し、第２の半導体積層部５３１は上述の第２の半導体積層部に相当する。

光デバイス３００では、フォトダイオード構造のＬＥＤが発光素子４１として利用され、フォトコンダクターが受光素子５３として利用されている。

受光素子５３では、第２の半導体積層部５３１内を基板３の表面と平行な方向に主に電流が流れる。受光素子５３は、基板３上に形成された第１の層３３の表面に形成された断面が台形状のメサ状に形成されている。電極１２ａ及び電極１２ｂは、受光素子５３の上面、すなわち第２の半導体積層部５３１の平坦な面上に第１の層３３とほぼ平行に配置されている。光デバイス３００において、電極１２ａ及び電極１２ｂを通してバイアスを印加すると、第１の層３３から入射する光の強度によって受光素子５３（より具体的には第２の半導体積層部５３１）の抵抗が変化する。このため、光デバイス３００は、このバイアスによる電圧又は電流の変化を光電変換信号として取り出すことができる。

第３構成例では、発光素子４１上に電極１１ａが形成され、第１の層３３上に電極１１ｂが形成され、受光素子５２上に電極１２ａ及び電極１２ｂが形成されている。このため、第３構成例における第１の層３３は、上記第２構成例における第１の層３２と異なり、電極１１ｂと発光素子４１との電気的接続の役割は持つものの、受光素子５３と電極１２ｂとの電気的接続の役割は持たない。このため、第１の層３３は、電極１１ｂと発光素子４１との電気的接続、及び発光素子４２から受光素子５２への光Ｌの伝搬の２つの役割を持つ。

（第４構成例）
図４は、本実施形態の第４構成例に係る光デバイス４００の断面の構成例を示す。なお、第２構成例による光デバイス２００と同様の作用・機能を奏する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。

図４に示すように、第４構成例に係る光デバイス４００は、基板２と、０．１μｍ以上１００μｍ以下の厚みで基板２上に形成されて屈折率が基板２よりも大きい第１の層３２と、第１の層３２上に形成されて第１の半導体積層部４２１を有する発光素子４２と、第１の層３２上に形成されて第２の半導体積層部５２１を有し、発光素子４２から放射されて第１の層３２を通った光Ｌを受光可能な受光素子５２とを備えている。さらに、光デバイス４００は、基板２と第１の層３２との間に、屈折率が第１の層３２とは異なる第２の層７を備えている。第２の層は上述の第２の層の一例に相当する。

光デバイス４００では、基板２上に第２の層７が形成され、第２の層７上に第１の層３２が形成されている。なお、基板２、第２の層７及び第１の層３２は、ＳＯＩ基板によって構成されていてもよい。この場合、基板２がシリコン基板で構成され、第２の層７が絶縁層で構成され、第１の層３２が半導体層で構成される。

第２の層７は、第１の層３２を通る光Ｌを反射する役割を持つ。波長１μｍから１２μｍの光に対する屈折率が第１の層３２よりも第２の層７の方が低いと、発光素子４２から第１の層３２に入射した光Ｌが第１の層３２に閉じ込められて第１の層３２における光の伝搬ロスが低減するため、好ましい場合がある。

また、第２の層７は、単層構造ではなく、多層構造であってもよい。

第２の層７の上方に設けられる第１の層、発光素子及び受光素子は、第２構成例における第１の層３２、発光素子４２及び受光素子５２に限られず、第１構成例における第１の層３１、発光素子４１及び受光素子５１、又は第３構成例における第１の層３３、発光素子４１及び受光素子５３であってもよい。

（第５構成例）
図５は、本実施形態に係る光デバイスに備えられる発光素子及び受光素子の具体的な構成例を示す。当該発光素子の第１の半導体積層部及び当該受光素子の第２の半導体積層部は、同じ材料で形成され且つ同じ積層構造を有していてもよい。第５構成例では、第１の半導体積層部及び第２の半導体積層部が同じ積層構造を有している場合の発光素子及び受光素子の構成例について説明する。第５構成例では、発光素子及び受光素子を「光電変換素子」と総称する。

図５に示すように、光デバイスは、材料および組成の少なくとも一方やドーパントが異なる半導体層が積層された光電変換素子４０を備えている。光電変換素子４０は、ＰＩＮ構造の半導体積層部２１を有している。半導体積層部２１は、光電変換素子４０が発光素子である場合には第１の半導体積層部に相当し、光電変換素子４０が受光素子である場合には第２の半導体積層部に相当する。半導体積層部２１は、段差を有するメサ状に形成されている。半導体積層部２１は、複合基板（不図示）の第１の層３２上に形成されたｎ層２１９と、ｎ層２１９上に形成されたｎバリア層２１７と、ｎバリア層２１７上に形成された活性層２１５と、活性層２１５上に形成されたｐバリア層２１３と、ｐバリア層２１３上に形成されたｐ層２１１とを有している。

活性層２１５は、赤外線を吸収または放出する層である。光電変換素子４０が例えば受光素子である場合には、活性層２１５は赤外線を吸収する層として機能する。一方、光電変換素子４０が例えば発光素子である場合には、活性層２１５は赤外線を放出する層として機能する。活性層２１５は、バンドギャップを変えることで、発光波長帯と受光波長帯を変えることができる。一例としては活性層２１５がＩｎＳｂで形成されている場合、発光波長帯と受光波長帯のピーク波長は５μｍ付近となる。

ｎバリア層２１７及びｐバリア層２１３は、活性層２１５よりもバンドギャップが大きく設定されても良い。そうすると、光電変換素子４０が受光素子として動作される場合、キャリアの拡散防止効果による高Ｓ／Ｎ比が実現でき、光電変換素子４０が発光素子として動作される場合、キャリアの閉じこみによる効果によって発光効率が改善できる。また、ｐバリア層２１３およびｎバリア層２１７は異なるバンドオフセットを有しても良い。一般的に、ｐバリア層２１３およびｎバリア層２１７のバンドオフセットは、半導体積層部２１の発光効率（光電変換素子４０が発光素子として動作する場合）や受光効率（光電変換素子４０が受光素子として動作する場合）が最適になるように活性層２１５の形成材料によって設定される。

ｐ層２１１はｐ型半導体で形成された層である。ｐ層２１１は、光電変換素子４０が受光部として動作する場合にはホールの取り出し層として動作する。一方、ｐ層２１１は、光電変換素子４０が発光部として動作する場合にはホール注入層として利用される。ｎ層２１９はｎ型半導体で形成されている。ｎ層２１９は、光電変換素子４０が発光素子の場合には第１の層に接する第１の半導体積層部の部分の一例に相当し、光電変換素子４０が受光素子の場合には第１の層に接する第２の半導体積層部の部分の一例に相当する。ｎ層２１９は、光電変換素子４０が受光素子として動作する場合には電子の取り出し層として動作する。一方、ｎ層２１９は、光電変換素子４０が発光素子として動作する場合には電子注入層として利用される。

光電変換素子４０は、半導体積層部２１の一部を覆って設けられた絶縁層（パッシベーション層）２３を有している。絶縁層２３は、光電変換素子４０の側面、すなわち半導体積層部２１の側面の絶縁性を確保する役割を持つ。絶縁層２３を形成するために使用できる具体的な材料として、例えば窒化ケイ素、酸化ケイ素およびアルミナなどが挙げられる。

光電変換素子４０は、メタル層２５を有している。メタル層２５の一部は、ｐ層２１１上の絶縁層２３の一部に形成されてｐ層２１１の少なくとも一部を露出するコンタクトホール２５１に埋め込まれている。これにより、メタル層２５はｐ層２１１に接続される。また、メタル層２５の他の一部は、ｎ層２１９上の絶縁層２３の一部に形成されてｎ層２１９の一部を露出するコンタクトホール２５２に埋め込まれている。これにより、メタル層２５は、ｎ層２１９に接続される。このように、メタル層２５は、ｎ層２１９及びｐ層２１１を接続するために設けられる。但し、メタル層２５は、一の半導体積層部２１を構成するｎ層２１９と、ｐ層２１１とを接続するのではない。メタル層２５は、一の半導体積層部２１を構成するｎ層２１９（またはｐ層２１１）と、他の半導体積層部２１を構成するｐ層２１１（またはｎ層２１９）とを接続するため、および外界（光デバイス以外のデバイスまたは回路）との電気的接続のための少なくとも一方の目的のために設けられている。

ｐ層２１１およびｎ層２１９がインジウム（Ｉｎ）およびアンチモン（Ｓｂ）の少なくとも一方で形成された層の場合、メタル層２５は、金（Ａｕ）で形成されても良い。また、メタル層２５がＡｕで形成されている場合、メタル層２５とｐ層２１１およびｎ層２１９との間の界面にチタン（Ｔｉ）層が設けられていても良い。この場合、ｐ層２１１およびｎ層２１９とメタル層２５との密着性が改善でき、信頼性の良い赤外線デバイスを実現することができる。

本実施形態に係る光学式濃度測定装置は、第１の層の少なくとも一部が環境中の被測定気体又は被測定液体と接触可能に設けられた、本実施形態の第１構成例から第４構成例に係る光デバイス１００，２００，３００，４００と、光デバイス１００，２００，３００，４００の電極１１ａ，１１ｂに接続され発光素子４１，４２に電圧を印加するための電源回路と、電極１２ａ，１２ｂに接続され受光素子５１，５２，５３から出力される電気信号を用いて被測定気体や被測定液体の濃度を検出する検出回路と、これらの電源回路や検出回路を制御する制御回路とを少なくとも備えて構成される。

また、本実施形態に係る光学式濃度測定装置は、第１の層の少なくとも一部が環境中の被測定気体又は被測定液体と接触可能に設けられた、本実施形態の第５構成例に係る光デバイスと、当該光デバイスの発光素子としての光電変換素子４０のメタル層２５に接続され当該光電変換素子４０に電圧を印加するための電源回路と、メタル層２５に接続され受光素子としての光電変換素子４０から出力される電気信号を用いて被測定気体や被測定液体の濃度を検出する検出回路と、これらの電源回路や検出回路を制御する制御回路とを少なくとも備えて構成される。

本実施形態の実施例に係る光デバイスは、第５構成例に係る光デバイスと同様の形状を有している。このため、本実施例に係る光デバイスについて、図５を参照して説明する。本実施形態の実施例に係る光デバイスは、基板としてＳｉＯ_２を絶縁層（すなわち第２の層（不図示））にしたＳＯＩ基板と、このＳＯＩ基板上に形成された光電変換素子４０とを備えている。このＳＯＩ基板の基板直径は１００ｍｍであり、第１の層３２の厚みは１５μｍであり、第２の層の厚みは５μｍであり、第３の層（不図示）の厚みは６００μｍである。また、光電変換素子４０は、錫（Ｓｎ）を７×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたＩｎＳｂで形成された厚み１μｍのｎ層２１９と、錫（Ｓｎ）を３×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたＡｌＩｎＳｂで形成された厚み０．０２μｍのｎバリア層２１７と、亜鉛（Ｚｎ）を６×１０^１６ｃｍ^−３ドープしたＩｎＳｂで形成された厚み２μｍの活性層２１５と、亜鉛（Ｚｎ）を３×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたＡｌＩｎＳｂで形成された厚み０．０２μｍのｐバリア層２１３と、Ｚｎを２×１０^１８ｃｍ^−３ドープしたＩｎＳｂで形成された厚み０．５μｍのｐ層２１１とを有している。ｎ層２１９、ｎバリア層２１７、活性層２１５、ｐバリア層２１３及びｐ層２１１は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法により積層した。光電変換素子４０を段差を有するメサ状に形成するために、塩酸過水（ＨＣｌ＋Ｈ_２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ）を用いて選択的ウエットエッチングを実施した。その後、窒化シリコンをＰ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用いて絶縁層２３を形成し、光デバイスを作製した。さらに、電子ビーム蒸着装置を用いてＡｕ／Ｐｔ／Ｔｉ（Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕの順で積層）構造を有するメタル層２５を形成した。

上記の構造を利用した発光素子４２及び受光素子５２を図４で示すような構成にした光路（すなわち第１の層３２）を設けることによって、雰囲気のガス（例えばＣＯ_２）の変化によって、受光素子５２の出力信号が変化するこが確認できた。

１００，２００，３００，４００ 光デバイス
２ 基板
３１，３２，３３ 第１の層
４１，４２ 発光素子
５１，５２，５３ 受光素子
７ 第２の層
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ 電極
２１１ ｐ層
２１３ ｐバリア層
２１５ 活性層
２１７ ｎバリア層
２１９ ｎ層
２５１，２５２ コンタクトホール
４１１，４２１ 第１の半導体積層部
５１１，５２１，５３１ 第２の半導体積層部
Ｌ 光

Claims (9)

1. 基板と、
   ０．１μｍ以上１００μｍ以下の厚みで前記基板上に形成されて屈折率が前記基板よりも大きい第１の層と、
   前記第１の層上に形成されて第１の半導体積層部を有する発光素子と、
   前記第１の層上に形成されて第２の半導体積層部を有し、前記発光素子から放射されて前記第１の層を通った光を受光可能な受光素子と、
   を備える光デバイス。
2. 前記基板は、シリコン単結晶、ガリウムヒ素単結晶又は酸化アルミ単結晶で形成されている
   請求項１に記載の光デバイス。
3. 前記第１の層に接する部分の前記第２の半導体積層部の材料は、該第１の層の材料よりも、波長５μｍの赤外線に対する屈折率が大きい
   請求項１又は２に記載の光デバイス。
4. 前記第１の半導体積層部及び前記第２の半導体積層部は、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層の少なくとも一方を有する
   請求項１から３のいずれか一項に記載の光デバイス。
5. 前記第１の半導体積層部及び前記第２の半導体積層部は、前記ｎ型半導体層及び前記ｐ型半導体層の両方を有する場合に、該ｎ型半導体層及び該ｐ型半導体層の間にｉ型半導体層をさらに有する
   請求項４に記載の光デバイス。
6. 前記第１の半導体積層部及び前記第２の半導体積層部は、同じ材料で形成され且つ同じ積層構造を有し、
   前記第１の層に接する部分の前記第１の半導体積層部及び前記第２の半導体積層部の材料の波長５μｍの赤外線に対する屈折率を第一屈折率とし、該第１の層の材料の波長５μｍの赤外線に対する屈折率を第二屈折率とすると、前記第一屈折率対前記第二屈折率の比の値は、０．８以上１．２以下である
   請求項１，２，４及び５のいずれか一項に記載の光デバイス。
7. 前記基板と前記第１の層との間に、屈折率が該第１の層とは異なる第２の層をさらに備える
   請求項１から６のいずれか一項に記載の光デバイス。
8. 前記第２の層は、抵抗率が１０ｋΩ・ｃｍ以上１ＧΩ・ｃｍ以下の絶縁材料で形成されている
   請求項７に記載の光デバイス。
9. 被測定気体または被測定液体の濃度を測定する光学式濃度測定装置であって、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の光デバイスを備え、
   前記第１の層の少なくとも一部は、前記被測定気体又は前記被測定液体と接触可能に設けられている
   光学式濃度測定装置。

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