JP7190971B2 - Ｎｄｉｒガスセンサ及び光学デバイス - Google Patents

Description

本発明は、ＮＤＩＲガスセンサ及び光学デバイスに関する。

従来、大気中の測定対象ガスの濃度測定を行うガス濃度測定装置として、非分散赤外線吸収型（Ｎｏｎ－Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ：ＮＤＩＲ）ガス濃度測定装置が知られている。非分散赤外線吸収型ガス濃度測定装置は、ガスの種類によって吸収される赤外線の波長が異なることを利用し、この吸収量を検出することによりそのガス濃度を測定するようになっている。この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、測定対象ガスが吸収特性を持つ波長に限定した赤外線を透過するフィルタ（透過部材）と赤外線受光素子とを組み合わせ、測定対象ガスが吸収する赤外線の吸収量を測定することによってガスの濃度を測定するように構成された装置が挙げられる。この原理を応用した炭酸ガス濃度測定装置が特許文献１に開示されている。

特開平９－３３４３１号公報

しかしながら、各検出対象ガスに対して赤外線光源、赤外線受発光素子や光学フィルタの最適な組み合わせは検討されていないのが現状である。特にこれまでは光学フィルタの仕様の最適化は行われていなかった。
本発明は、簡素化した光学フィルタを用いた場合にも高精度なＮＤＩＲガスセンサ及び光学デバイスを提供することを課題とする。

本発明の要旨は以下の通りである。

一態様において、本発明のＮＤＩＲガスセンサは、
基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、
第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、
を備え、
前記多層膜は、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が１．２以上２．５以下である第１層と、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が３．２以上４．２以下である第２層と、が交互に積層された構造を含み、
前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、
前記光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、５０ｎｍ以上の幅で平均透過率が７０％以上となる波長域を含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であり、かつ、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率が２％以上６０％以下である。

また、別の態様において、本発明のＮＤＩＲガスセンサは、
基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、
第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、
を備え、
前記多層膜は、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳからなる群から選択される少なくとも一つを含む第１層と、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される少なくとも一つを含む第２層と、が交互に積層された構造を含み、
前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、
前記光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、５０ｎｍ以上の幅で平均透過率が７０％以上となる波長域を含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であり、かつ、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率が２％以上６０％以下である。

一態様において、本発明の光学デバイスは、
基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、
第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、
を備え、
前記多層膜は、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が１．２以上２．５以下である第１層と、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が３．２以上４．２以下である第２層と、が交互に積層された構造を含み、
前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、
前記光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、５０ｎｍ以上の幅で平均透過率が７０％以上となる波長域を含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であり、かつ、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率が２％以上６０％以下である。

また、別の態様において、本発明の光学デバイスは、
基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、
第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、
を備え、
前記多層膜は、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳからなる群から選択される少なくとも一つを含む第１層と、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される少なくとも一つを含む第２層と、が交互に積層された構造を含み、
前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、
前記光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、５０ｎｍ以上の幅で平均透過率が７０％以上となる波長域を含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であり、かつ、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率が２％以上６０％以下である。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本発明によれば、簡素化した光学フィルタを用いた場合にも高精度なＮＤＩＲガスセンサ及び光学デバイスを提供することが可能となる。

本実施形態における光学フィルタの断面の一例を示す図である。 本実施形態におけるＮＤＩＲガスセンサの一例を示す図である。 本発明による光学フィルタと比較例による光学フィルタとを比較して説明する図である。 比較例による光学フィルタと本発明による光学フィルタとの相違を示す図である。 実施例１～３に係る赤外線受発光素子の各層の積層構造を示す図である。 実施例１及び実施例３に係る赤外線受光素子の分光スペクトルを示す図である。 実施例１及び実施例２に係る光学フィルタ（簡素化フィルタ）の透過スペクトルを、比較例に係る光学フィルタ（従来構成のフィルタ）の透過スペクトルと比較して、示す図である。 実施例１及び実施例２に係る簡素化フィルタの積層構造を示す図である。 実施例１において赤外線受光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＯ_２検出向けＩＲ－センサの分光スペクトルを示す図である。 実施例２に係る赤外線発光素子の発光スペクトルを示す図である。 実施例２において赤外線発光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＯ_２検出向けＩＲ－ＬＥＤの発光スペクトルを示す図である。 実施例３及び実施例５に係る光学フィルタ（簡素化フィルタ）の透過スペクトルを、比較例に係る光学フィルタ（従来構成のフィルタ）の透過スペクトルと比較して、示す図である。 実施例３及び実施例５に係る簡素化フィルタの積層構造を示す図である。 実施例３において赤外線受光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＯ_２検出向けＩＲ－センサの分光スペクトルを示す図である。 実施例４に係る赤外線受発光素子の各層の積層構造を示す図である。 実施例４に係る赤外線受光素子の分光スペクトルを示す図である。 実施例４に係る光学フィルタ（簡素化フィルタ）の透過スペクトルを、比較例に係る光学フィルタ（従来構成のフィルタ）の透過スペクトルと比較して、示す図である。 実施例４に係る簡素化フィルタの積層構造を示す図である。 実施例４において赤外線受光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＨ_４検出向けＩＲ－センサの分光スペクトルを示す図である。 実施例５に係る赤外線受発光素子の各層の積層構造を示す図である。 実施例５に係る赤外線受光素子の分光スペクトルを示す図である。 実施例５において赤外線受光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＯ_２検出向けＩＲ－センサの分光スペクトルを示す図である。 光学フィルタに用いられる誘電体材料の屈折率の波長分散データである。 受発光部品のカットオフ波長を示す図である。

以下、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と言う。）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かか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発明の解決手段に必須であるとは限らない。

また、以下では本実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下に説明する各図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適宜省略する。
また、本実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構成を例示するものであって、各部の材質、形状、構造、配置、寸法等を下記のものに特定するものでない。
また、本実施形態は、以下で説明されている特徴的な構成の組み合わせの全てを含むものである。
本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

［ＮＤＩＲガスセンサ］
本実施形態に係るＮＤＩＲガスセンサは、一の態様において、基板と、基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、を備え、多層膜は、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が１．２以上２．５以下である第１層と、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が３．２以上４．２以下である第２層と、が交互に積層された構造を含み、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である。

また、本実施形態に係るＮＤＩＲガスセンサは、別の態様において、基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、を備え、多層膜は、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳからなる群から選択される少なくとも一つを含む第１層と、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される少なくとも一つを含む第２層と、が交互に積層された構造を含み、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である。

図１は、本実施形態における光学フィルタの断面の一例を示す。
図１に示すように、この例の光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が１．２～２．５となる低屈折率材料（Ｌ）からなる層と、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が３．２～４．２となる高屈折率材料（Ｈ）からなる層とを、Ｓｉ基板上に直接設けられる層が上記高屈折率材料（Ｈ）となるように、Ｓｉ基板の両面に交互積層することで、多層膜が形成されている。本実施形態の光学フィルタでは、図１の構成に限定されることなく、多層膜は、基板の一面上にのみ形成されていてもよく、基板の両面上に形成されていてもよい。
また、本実施形態の光学フィルタでは、多層膜は、屈折率が１．２～２．５となる第１層と屈折率が３．２～４．２となる第２層とが交互に積層されている限り、特に限定されないが、図１に例のように、高屈折率材料（Ｈ）が基板上に直接設けられることが本発明の効果を高めるうえで好ましい。

本実施形態において、光学フィルタは、中赤外域の干渉型バンドパスフィルタである。一般に、中赤外域の干渉型バンドパスフィルタは積層数が多く、成膜時の欠陥が増加しやすい。また、光学フィルタの積層数が多いと、ＮＤＩＲガスセンサの小型化が困難である。そのため、光学フィルタの積層数は少ないことが好ましい。ただし、単に光学フィルタの積層数を減らして簡素化すると、ガスセンサの精度が劣化するおそれがある。

また、高精度なＮＤＩＲガスセンサを実現するためには、検出対象ガス以外のガスによる赤外線の吸収の影響を低減する必要がある。

発明者は、赤外線受発光素子や光学フィルタの最適な組み合わせを検討した結果、以下に説明するように、簡素化した光学フィルタを用いても精度が劣化しないＮＤＩＲガスセンサを実現した。

ここで、簡素化した光学フィルタとは、センサ感度の無い領域の遮断機能を制限することで、当該領域の遮断に必要な光学薄膜の積層分を減らした光学フィルタである。積層数の少ない簡素化した光学フィルタを用いることで量産性の向上が期待できる。また、積層数を減らすことにより成膜時の欠陥を低減することができ、その結果、歩留まりの改善が見込める。また、多積層が原因の反りが低減されることにより、ダイシングで発生するチッピングの発生が抑制され、量産安定性を高めることができる。なお、センサ感度の無い領域は、以下のように定められる。詳細については後述するが、赤外線受発光素子はバンドギャップエネルギーＥｇによって長波長側のカットオフ波長が定まる（図２４参照）。本実施形態において、バンドギャップエネルギーＥｇは６０００ｎｍに対応し、例えば６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域がカットオフされる。以下、本実施形態において、センサ感度の無い領域は６０００～８０００ｎｍの波長域であるとして説明する。

本実施形態に係るＮＤＩＲガスセンサによれば、赤外線受発光素子の活性層がＡｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、光学フィルタの２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下含み、かつ６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長帯における最大透過率が５％以上であっても、ガスの検出精度を保ちつつ、簡易に製造できる安価な光学フィルタを用いることが可能となるという効果を奏する。

検出対象ガスとしては、ＣＯ_２、ＣＯ、メタン、Ｈ_２Ｏ、ＮＯ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、Ｃ_３Ｈ_８、ＮＨ_３、ＣＨ_２Ｏ等の２μｍ～１０μｍの波長帯の赤外線に対して吸収特性を有するガス種が一例として挙げられるが、これに限定されるものではない。

本実施形態に係るＮＤＩＲガスセンサが備える赤外線受発光素子は、赤外線発光素子（例えば赤外線ＬＥＤ）及び／又は赤外線受光素子（例えば赤外線フォトダイオード）である。つまり、赤外線受発光素子は、赤外線発光素子および赤外線受光素子の少なくとも一つである。赤外線受光素子は、フォトダイオードに限られず、光導電型センサやサーミスタ、サーモパイル等種々のものから選択することができる。赤外線発光素子は、発光ダイオードに限られず、ランプやＭＥＭＳヒーター等の種々のものから選択することができる。赤外線発光素子および赤外線受光素子は、活性層がＡｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含むことが好ましい。

図２は、本実施形態におけるＮＤＩＲガスセンサの一例を示す図である。
本実施形態に係るＮＤＩＲガスセンサでは、図２に示すように、赤外線発光素子から出力させる赤外線の光路中に赤外線受光素子を設置し、赤外線受光素子の前には検出対象であるガスの吸収波長を選択的に透過させる光学フィルタを設置する。

図３は、本発明による光学フィルタと比較例による光学フィルタとを比較して説明する図である。
図３の比較例の技術では、分光感度に波長選択性（波長による感度変化）がない。一方、本発明では図３のように波長選択性がある。よって、本発明では、感度のない波長については光学フィルタでカットする必要がなく、光学フィルタに求められる機能は簡略化できる。
図４は、比較例による光学フィルタと本発明による光学フィルタとの相違を示す図である。
図４に示すように、本実施形態におけるＮＤＩＲガスセンサでは、カット特性を決定づけるカット面と呼ばれる多層積層の膜厚を大幅に減らすことができる。後述する実施例で示すように、多層膜が基板の両面に形成されている場合に、各面の総膜厚の比を０．５～２．０の範囲に含めることが可能である。つまり、通常バンドパス面の２倍よりも大きかったカット面の膜厚を、バンドパス面の０．５～２．０倍にすることが可能である。

以下、本発明の一態様のＮＤＩＲガスセンサの各構成について説明する。

－光学フィルタ－
光学フィルタは、基板と、基板上に形成され、屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する。多層膜は、基板の一面のみに形成されていてもよく、両面に形成されていてもよい。
光学フィルタは、ＮＤＩＲガスセンサ内のうち、赤外線発光素子から放射された赤外線が赤外線受光素子に至る光路の間の何れかの場所に設置される。光学フィルタは、赤外線発光素子と一体形成されていてもよく、また、赤外線受光素子と一体形成されていてもよい。また、光路内の所定の場所に設置されていてもよい。また、光学フィルタを複数備える形態でもよい。
光学フィルタは、基板上に第１層及び第２層を蒸着法により成膜することで作成することができる。

－－基板－－
基板の一面上に多層膜が形成されるため、基板は、多層膜を構成する各層の形成に適したものであればよい。一例としては、Ｓｉ基板、Ｇｅ基板、ＺｎＳ基板、サファイア基板等が挙げられるが、これらに限らない。

－－多層膜－－
多層膜は、屈折率の異なる複数の層を有する膜であり、具体的には、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が１．２以上２．５以下である第１層と、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が３．２以上４．２以下である第２層と、が交互に積層された構造を含む。

本実施形態における光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である。
なお、上記平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域の幅は、かかる波長域が複数ある場合にはその合計によるものとする。

本実施形態における光学フィルタでは、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率が２％以上６０％以下であることが好ましく、より好ましくは３０％以上６０％以下であり、さらに好ましくは４０％以上６０％以下である。ここで、光学フィルタは、Ｓｉ基板を挟んで設けられる上記のカット面と、バンドパス面と、を有する（図１参照）。６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率の上限である６０％は、本実施形態におけるバンドパス面の同波長域の平均透過率の上限に対応する。一般に、バンドパス面は、センサ感度の無い領域においても透過率は１００％とはならない。そのため、光学フィルタでは、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率は、１００％よりも小さい上限値を有し、上限値はバンドパス面の平均透過率によって定められる。一方、光学フィルタの６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率の下限は、カット面の平均透過率によって変動する。つまり、カット面の積層状態によって、光学フィルタの平均透過率の下限を例えば４０％、３０％または２％に変更することが可能である。

６０００～８０００ｎｍの波長域における平均透過率に好適値が存在する理由は以下の通りである。光学フィルタの積層数は、遮断する波長域の広さに依存する傾向がある。特にＮＤＩＲガスセンサにおいては、６０００～８０００ｎｍの範囲に複数のガス（Ｈ_２Ｏ、ＳＯ_２、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_２Ｏ、ＣＨ_４、ＮＯなど）の吸収があるため、特定のガスを精度よく検出するためには、６０００～８０００ｎｍの波長域の中赤外線を遮断する必要がある。

一方、半導体受発光部品の感度域は、状態密度とボルツマン分布に影響する。図２４は、半導体受発光部品のカットオフ波長を示す図である。特に長波長側の感度の立ち上がり波長はバンドギャップエネルギーＥｇに依存する。本願発明では、受発光部品のバンドギャップエネルギーを最適設計することで、検出対象ガスに応じた固有の吸収波長域には感度を有する一方で、６０００～８０００ｎｍの波長域には感度を持たないセンサを実現できる。その結果、光学フィルタによる６０００～８０００ｎｍの遮断は重要ではなくなり、光学フィルタの設計は簡素化され、コスト削減と量産性の向上を実現できる。そのとき、６０００～８０００ｎｍの波長域における平均透過率は２％を超えるようになり、平均透過率２～６０％の範囲においては、ＮＤＩＲガスセンサとしての性能を維持したまま光学フィルタを簡素化することが可能となる。

一方で、高精度なガスセンサを実現するためには、２４００～６０００ｎｍの波長域の中に含まれる、平均透過率が７０％以上となる透過スペクトルの形状を、矩形に近づけることが望まれる。透過スペクトルの立ち上がりと立ち下がり形状を矩形に近いシャープな形状にするためには、光学フィルタの積層数が増え、その結果６０００～８０００ｎｍの波長域においても一定の遮断効果を受けるようになる。そのため、平均透過率は６０％以内に収まるようになる。つまり、６０００～８０００ｎｍの波長域における上下限の値は、ＮＤＩＲガスセンサとしての性能を維持したまま、光学フィルタを簡素化できる範囲を示す。

（光学フィルタの平均透過率の測定方法）
光学フィルタの２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における平均透過率が７０％以上９５％以下であることの確認方法としては、顕微ＦＴ－ＩＲ装置（ブルカー社製、Ｈｙｐｅｒｉｏｎ３０００＋ＴＥＮＳＯＲ２７）によって、例えば、波数範囲９００ｃｍ^－１から４２００ｃｍ^－１、波数分解能８ｃｍ^－１にて透過スペクトルを取得し、上記波長域における透過率の数値積分値に対して、波長域（範囲）で割ることにより実施できる。測定点数としては、１０００ｎｍあたり２００点（＝５ｎｍあたり１点）とする。６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率も同様の方法で確認が可能である。

ここで第１層が複数回積層された場合、それぞれの第１層の材料及び膜厚は同じでもよく、異なっていてもよい。第２層についても同様である。多層膜は第１層及び第２層以外の層をさらに含んでいてもよい。第１層と第２層を交互に積層する場合にも、第１層→第２層→第３層→第１層→第２層・・・というような積層構造とすることも可能である。

多層膜の膜厚としては、５０００ｎｍ以上２５０００ｎｍ以下が好ましく、５０００ｎｍ以上２００００ｎｍ以下がさらに好ましい。これにより、光学フィルタ製造の時間短縮及び歩留まり改善という効果を奏する。膜厚は、断面ＳＥＭ観察により測定可能である。

第１層と第２層とが交互に積層された回数は、第１層一層と第２層一層とを一つの繰り返し単位としたときの繰り返し単位の数として、それぞれ１０回以上６０回以下が好ましく、１０回以上４０回以下がさらに好ましい。これにより、光学フィルタ製造の時間短縮及び歩留まり改善という効果を奏する。
なお、上記交互に積層された回数は、断面ＳＥＭ観察により測定可能である。

－－－第１層－－－
本実施形態の多層膜の第１層は、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が１．２以上２．５以下の層である。
第１層の具体的な材料としては、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳ等が挙げられる。第１層は、上記材料からなるものとしてよい。

－－－第２層－－－
本実施形態の多層膜の第２層は、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が３．２以上４．２以下の層である。
第２層の具体的な材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ等が挙げられる。第２層は、上記材料からなるものとしてよい。

（第１層及び第２層の屈折率の測定方法）
なお、本実施形態における屈折率については、ＪＩＳ Ｋ７１４２に準拠して、エリプソメーターにより測定した値とする。

－赤外線受発光素子－
赤外線受発光素子は、第一導電型半導体層、活性層Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）、及び第二導電型半導体層を有する素子である。

ここで、「受発光」とは、受光及び発光の少なくとも何れかの機能を有することを意味し、赤外線受発光素子は、具体的には赤外線発光ダイオードや赤外線フォトダイオードを指す。

またここで、「Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）を含む」とは、ＡｌとＩｎとＳｂを層内に含むことを意味するが、その他の元素を含む場合もこの表現に含まれる。具体的には、他の元素を少量（例えばＡｓ、Ｐ、Ｇａ、Ｎ等の元素を数％以下）加える等してこの層の組成に軽微な変更を加える場合についてもこの表現に含まれる。その他の層の組成を表現する場合に「含む」という文言を使用する場合にも、同様の意味を有するものとする。

（各層のＡｌ組成の測定方法）
各層のＡｌ組成は、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）法により以下のように求めた。測定にはＣＡＭＥＣＡ社製磁場型ＳＩＭＳ装置ＩＭＳ ７ｆを用いた。この手法は、固体表面にビーム状の一次イオン種を照射することで、スパッタリング現象により深さ方向に掘り進めながら、同時に発生する二次イオンを検出することで、組成分析を行う手法である。なおここで、Ａｌ組成とは、各層に含まれる全１３族元素に対するＡｌ元素の比率を指す。

具体的には、一次イオン種をセシウムイオン（Ｃｓ＋）、一次イオンエネルギーを２．５ｋｅＶ、ビーム入射角を６７．２°とし、検出二次イオン種としてマトリックス効果が小さいＭＣｓ＋（Ｍは、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂなど）を検出した。

この際、上述のような一定条件でスパッタリングを行い、目的とする層の深さまでスパッタリングを所定の時間行うことで、目的とする層の組成分析を行った。なお、目的とする層の深さは、後述の断面ＴＥＭ測定により各層の厚さから求めることができる。ＳＩＭＳ分析のスパッタリング時間―深さの変換は、分析と同条件での一定時間スパッタリング深さを、例えば触針式の段差計を用いて測定しスパッタレートを求め、これを使って試料測定時のスパッタリング時間を深さに変換することで求めた。

そして、各層におけるＭＣｓ＋の信号強度から、Ａｌ組成を求めた。例えばＡｌＩｎＳｂ層の場合、Ａｌ組成は（ＡｌＣｓ＋の信号強度）÷（（ＡｌＣｓ＋の信号強度）＋（ＩｎＣｓ＋の信号強度））から求めた。

なお、各層が深さ方向に均一な組成であっても、スパッタリングの影響により信号強度が深さ方向に分布を生じる場合があるが、この場合は最大の信号強度を各層の信号強度の代表値とする。

なお、分析で求められるＡｌ組成定量値は真値からのずれを伴い得る。この真値からのずれを補正するために、Ｘ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｎ）法から得られる格子定数値を求めた別サンプルを用意し、Ａｌ組成値が既知である標準試料として用いて、各層のＡｌ組成の測定条件を用いてＳＩＭＳ分析を行うことで、信号強度に対するＡｌ組成の感度係数を求めた。各層のＡｌ組成は、ＳＩＭＳ信号強度に上記感度係数をかけることで求めた。

ここで、別サンプルとしてはＧａＡｓ基板上に積層された膜厚８００ｎｍのＡｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂを用いた。このサンプルについて、格子定数をスペクトリス株式会社製Ｘ線回折装置Ｘ’Ｐｅｒｔ ＭＰＤを用いてＸ線回折（ＸＲＤ：Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆａｃｔｉｏｎ）法により以下のように求め、標準試料としてのＡｌ組成ｘを求めた。

Ｘ線回折による２θ－ωスキャンを行うことにより、基板表面の面方位に対応する面の面指数の２θ－ωスキャンにおけるピーク位置から、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂを含む層の基板表面に対する法線方向の格子定数を求め、該法線方向の格子定数からベガード則を用いてＡｌ組成ｘを決定した。ここでは、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ層の異方的な歪みはないものとした。ベガード則は具体的には以下の式（１）で表される。

ここでａ_ＡｌＳｂはＡｌＳｂ、ａ_ＩｎＳｂはＩｎＳｂの格子定数であり、ａ_{ＡｌＩｎＳｂ}は上記のＸ線回折により求まるＡｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂの格子定数である。ａ_ＡｌＳｂには６．１３５５Åを、ａ_ＩｎＳｂには６．４７９４Åを使用した。ＳＩＭＳ測定に対する標準試料としては、０．１０＜ｘ＜０．１５のものを用いた。

活性層がＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含む場合のＡｓ組成ｙについても、上記と同様の手法を用いることで測定可能である。この際には、別サンプルとしてはＧａＡｓ基板上に積層された膜厚８００ｎｍのＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙを用い、ベガード則は具体的には以下の式（２）で表される。

ここでａ_ＩｎＡｓはＩｎＡｓ、ａＩｎＳｂはＩｎＳｂの格子定数であり、ａ_{ＩｎＡｓＳｂ}は上記のＸ線回折により求まるＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙの格子定数である。ａ_ＩｎＡｓには６．０５８５Åを、ａ_ＩｎＳｂには６．４７９４Åを使用する。ＳＩＭＳ測定に対する標準試料としては、０．１０＜ｙ＜０．１５のものを用いた。

第一導電型及び第二導電型はそれぞれｎ型（ｎ型不純物を含む）、ｉ型（不純物を含まない）及びｐ型（ｐ型不純物を含む）の何れかであってよい。
第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層は、ＧａＡｓ基板やＳｉ基板等の半導体基板上に形成されてもよい。
本実施形態では、基板から順に、第一導電型半導体層、活性層、第二導電型半導体層となるように各層を設けてもよく、基板から順に、第二導電型半導体層、活性層、第一導電型半導体層となるように各層を設けてもよい。そして、本実施形態では、好ましくは、第一導電型がｎ型、第二導電型がｐ型である。

また、本実施形態では、第一導電型半導体層と活性層との間、及び／又は活性層と第二導電型半導体層との間に、それぞれ一層又は複数層のバリア層が設けられていてもよい。
本実施形態では、好ましくは、第一導電型半導体層と活性層との間にｎ型バリア層が、活性層と第二導電型半導体層との間にｐ型バリア層が、それぞれ設けられる。
ｎ型バリア層としては、ｎ型Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．２０≦ｘ≦０．３５）が本発明の効果を高めるうえで好ましい。
ｐ型バリア層としては、ｐ型Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．２０≦ｘ≦０．３５）が本発明の効果を高めるうえで好ましい。

［活性層の組成と光学フィルタの特性の関係］
各検出対象ガスに対する、活性層の好ましい組成及び光学フィルタの特性は以下の通りである。
検出対象ガスがＮＨ_３（５５００ｎｍ～６５００ｎｍに吸収有り）の場合、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．０５）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦０．９０）を含み、光学フィルタは、５６００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であることが好ましい。
検出対象ガスがＮＯ（５１００ｎｍ～５７００ｎｍに吸収有り）の場合、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．０５）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦０．９０）を含み、光学フィルタは、５２００ｎｍ～５５００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であることが好ましい。
検出対象ガスがＣＯ（４４００ｎｍ～５０００ｎｍに吸収有り）の場合、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．１２）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦０．９０）を含み、光学フィルタは、４５００ｎｍ～４８００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であることが好ましい。
検出対象ガスがＣＯ_２（４１００ｎｍ～４４００ｎｍに吸収有り）の場合、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．１２）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦０．９０）を含み、光学フィルタは、４２００ｎｍ～４３５０ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であることが好ましい。
検出対象ガスがＣＨ_２Ｏ（３１００ｎｍ～３８００ｎｍに吸収有り）、又はＣ_３Ｈ_８（３２００ｎｍ～３７００ｎｍに吸収有り）、又はＣ_２Ｈ_５ＯＨ（３２００ｎｍ～３７００ｎｍに吸収有り）の場合、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０４≦ｘ≦０．１４）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．８０≦ｙ≦１）を含み、光学フィルタは、３３００ｎｍ～３６００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であることが好ましい。
検出対象ガスがＣＨ_４（３２００ｎｍ～３５００ｎｍに吸収有り）の場合、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０４≦ｘ≦０．１４）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．８０≦ｙ≦１）を含み、光学フィルタは、３２００ｎｍ～３４００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であることが好ましい。
検出対象ガスがＨ_２Ｏ（２５００ｎｍ～２９００ｎｍに吸収有り）の場合、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０８≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．８０≦ｙ≦１）を含み、光学フィルタは、２４００ｎｍ～２８００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であることが好ましい。

［光学デバイス］
本実施形態に係る光学デバイスは、前述の本実施形態に係るＮＤＩＲガスセンサと同様の特徴を備えるものである。光学デバイスはＮＤＩＲガスセンサに限定されず、同様の特徴を有する赤外線放射温度計、赤外分光イメージング、人体検知センサ、であってよい。
本実施形態に係る光学デバイスによれば、簡素化した光学フィルタを用いた際にも、所望の波長帯域の赤外線のみを選択的に受光／発光が可能となる、という効果を得ることができる。

本実施形態に係る光学デバイスは、一の態様において、基板と、基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、を備え、多層膜は、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が１．２以上２．５以下である第１層と、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が３．２以上４．２以下である第２層と、が交互に積層された構造を含み、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である。

また、本実施形態に係る光学デバイスは、別の態様において、基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、を備え、多層膜は、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳからなる群から選択される少なくとも一つを含む第１層と、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される少なくとも一つを含む第２層と、が交互に積層された構造を含み、活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。

［実施例１］
簡素化フィルタと赤外線受光素子とを組み合わせたＩＲ－センサについて説明する。ＩＲ－センサは、例えばＣＯ２センサのような光学デバイスの一部を構成する。まず、ＰＩＮダイオード構造については、ＭＢＥ法により作成した。活性層はＡｌ_０．０４Ｉｎ_０．９６Ｓｂとし、ｎ型半導体層は、Ｓｎを１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングすることで、エネルギーバンドを縮退させ、２０００ｎｍより長波長の赤外線光に対して透明化している。さらに、活性層を挟むように、ｎ型Ａｌ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ｓｂとｐ型Ａｌ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ｓｂをバリア層として設けた。図５に、実施例１に係る赤外線受発光素子の各層の積層構造を示す。
このようにして準備した半導体ウエハの表面にｉ線用ポジ型フォトレジストを塗布し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に現像を行い、半導体積層部の表面にレジストパターンを規則的に複数形成した。次に、ドライエッチング処理により、複数のメサを形成した。メサ形状を有する素子上に、ハードマスクとしてＳｉＯ_２を成膜後、ドライエッチングで素子分離を行い、その後、保護膜としてＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、複数のメサを直列接続した。その後、ポリイミド樹脂を保護膜として、素子表面を覆うように形成した。
上述した前工程プロセスにより作製したウエハをダイシングして個片化し、Ａｕワイヤーをボンディングしリードフレームと結線して、エポキシ系モールド樹脂で受光面が露出するように封止した。このように作製した赤外線受光素子の分光感度スペクトルを測定した結果、図６の結果が得られた。図６に、実施例１に係る赤外線受光素子の分光スペクトルを示す。このセンサは、ＣＯ_２の吸収帯域である４３００ｎｍ付近の赤外線には感度を有するが、６０００ｎｍより長波長側の赤外線には、ほとんど感度を持たない。
光学フィルタの設計は、シミュレーションで実施した。シミュレーションの手法については、フレネル係数を利用した公知の計算手法を用いた。また、光学薄膜の材料としては、ＧｅとＳｉＯを想定し、これらの複素屈折率の波長分散データについては、文献値を用いた。以下に、光学シミュレーションにより計算した簡素化フィルタの設計について述べる。
図７に、実施例１に係る光学フィルタ（簡素化フィルタ）の透過スペクトルを、比較例に係る光学フィルタ（従来構成のフィルタ）の透過スペクトルと比較して、示す。図８に、実施例１に係る簡素化フィルタの積層構造を示す。図７に示すように、簡素化フィルタは２０００ｎｍ～２５００ｎｍ付近、あるいは６５００ｎｍ以降に透過域をもつ。この領域の遮断機能を不要としたことで、光学薄膜の厚みは、従来フィルタの２５０００ｎｍに対して８４３２ｎｍにまで削減できている。図７で示す簡素化フィルタは、４１８０ｎｍ～４３３０ｎｍの波長域において、平均透過率が８１％となっている。また、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率は５１％であり、その波長域での平均透過率は２０％である。
次に、図９に、実施例１において赤外線受光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＯ_２検出向けＩＲ－センサの分光スペクトルを示す。この結果が示すように、どちらの光学フィルタを用いても、赤外線受光素子と組み合わせた際の出力は同等である。つまり、ＮＤＩＲ式ガスセンサ用のセンサ部品としての性能は一切低下させずに、光学フィルタの設計を大幅に簡素化できることを示せた。

［実施例２］
簡素化フィルタと赤外線発光素子とを組み合わせたＩＲ－ＬＥＤについて説明する。ＩＲ－ＬＥＤは、例えばＣＯ２センサのような光学デバイスの一部を構成する。まず、ＰＩＮダイオード構造については、ＭＢＥ法により作成した。活性層はＡｌ_０．０４Ｉｎ_０．９６Ｓｂとし、ｎ型半導体層は、Ｓｎを１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングすることで、エネルギーバンドを縮退させ、２０００ｎｍより長波長の赤外線光にたいして透明化している。さらに、活性層を挟むように、ｎ型Ａｌ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ｓｂとｐ型Ａｌ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ｓｂをバリア層として設けた。図５に、実施例２に係る赤外線受発光素子の各層の積層構造を示す。
このようにして準備した半導体ウエハの表面にｉ線用ポジ型フォトレジストを塗布し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に現像を行い、半導体積層部の表面にレジストパターンを規則的に複数形成した。次に、ドライエッチング処理により、複数のメサを形成した。メサ形状を有する素子上に、ハードマスクとしてＳｉＯ_２を成膜後、ドライエッチングで素子分離を行い、その後、保護膜としてＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、複数のメサを直列接続した。その後、ポリイミド樹脂を保護膜として、素子表面を覆うように形成した。
上述した前工程プロセスにより作製したウエハをダイシングして個片化し、Ａｕワイヤーをボンディングしリードフレームと結線して、エポキシ系モールド樹脂で発光面が露出するように封止した。このように作製した赤外線発光素子の発光スペクトルを測定した結果、図１０の結果が得られた。図１０に、実施例２に係る赤外線発光素子の発光スペクトルを示す。このＩＲ－ＬＥＤは、ＣＯ_２の吸収帯域である４３００ｎｍ付近の赤外域では発光を示すが、６０００ｎｍより長波長側の赤外域では発光を示さない。
光学フィルタの設計は、シミュレーションで実施した。シミュレーションの手法については、フレネル係数を利用した公知の計算手法を用いた。また、光学薄膜の材料としては、ＧｅとＳｉＯを想定し、これらの複素屈折率の波長分散データについては、文献値を用いた。以下に、光学シミュレーションにより計算した簡素化フィルタの設計について述べる。
図７に、実施例２に係る光学フィルタ（簡素化フィルタ）の透過スペクトルを、比較例に係る光学フィルタ（従来構成のフィルタ）の透過スペクトルと比較して、示す。図８に、実施例２に係る簡素化フィルタの積層構造を示す。図７に示すように、簡素化フィルタは２０００ｎｍ～２５００ｎｍ付近、あるいは６５００ｎｍ以降に透過域をもつ。この領域の遮断機能を不要としたことで、光学薄膜の厚みは、従来フィルタの２５０００ｎｍに対して８４３２ｎｍにまで削減できている。図７で示す簡素化フィルタは、４１８０ｎｍ～４３３０ｎｍの波長域において、平均透過率が８１％となっている。また、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率は５１％であり、その波長域での平均透過率は２０％である。
次に、図１１に、実施例２において赤外線発光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＯ_２検出向けＩＲ－ＬＥＤの発光スペクトルを示す。この結果が示すように、どちらの光学フィルタを用いても、赤外線発光素子と組み合わせた際の出力は同等である。つまり、ＮＤＩＲ式ガスセンサ用の光源としての性能は一切低下させずに、光学フィルタの設計を大幅に簡素化できることを示せた。

［実施例３］
簡素化フィルタと赤外線受光素子とを組み合わせたＩＲ－センサについて説明する。ＩＲ－センサは、例えばＣＯ２センサのような光学デバイスの一部を構成する。まず、ＰＩＮダイオード構造については、ＭＢＥ法により作成した。活性層はＡｌ_０．０４Ｉｎ_０．９６Ｓｂとし、ｎ型半導体層は、Ｓｎを１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングすることで、エネルギーバンドを縮退させ、２０００ｎｍより長波長の赤外線光に対して透明化している。さらに、活性層を挟むように、ｎ型Ａｌ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ｓｂとｐ型Ａｌ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ｓｂをバリア層として設けた。図５に、実施例３に係る赤外線受発光素子の各層の積層構造を示す。
このようにして準備した半導体ウエハの表面にｉ線用ポジ型フォトレジストを塗布し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に現像を行い、半導体積層部の表面にレジストパターンを規則的に複数形成した。次に、ドライエッチング処理により、複数のメサを形成した。メサ形状を有する素子上に、ハードマスクとしてＳｉＯ_２を成膜後、ドライエッチングで素子分離を行い、その後、保護膜としてＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、複数のメサを直列接続した。その後、ポリイミド樹脂を保護膜として、素子表面を覆うように形成した。
上述した前工程プロセスにより作製したウエハをダイシングして個片化し、Ａｕワイヤーをボンディングしリードフレームと結線して、エポキシ系モールド樹脂で受光面が露出するように封止した。このように作製した赤外線受光素子の分光感度スペクトルを測定した結果、図６の結果が得られた。図６に、実施例１に係る赤外線受光素子の分光スペクトルを示す。このセンサは、ＣＯ_２の吸収帯域である４３００ｎｍ付近の赤外線には感度を有するが、６０００ｎｍより長波長側の赤外線には、ほとんど感度を持たない。
光学フィルタの設計は、シミュレーションで実施した。シミュレーションの手法については、フレネル係数を利用した公知の計算手法を用いた。また、光学薄膜の材料としては、ＳｉとＳｉＯ_２を想定し、これらの複素屈折率の波長分散データについては、文献値を用いた。以下に、光学シミュレーションにより計算した簡素化フィルタの設計について述べる。
図１２に、実施例３に係る光学フィルタ（簡素化フィルタ）の透過スペクトルを、比較例に係る光学フィルタ（従来構成のフィルタ）の透過スペクトルと比較して、示す。図１３に、実施例３に係る簡素化フィルタの積層構造を示す。図１２に示すように、簡素化フィルタは２０００ｎｍ～２５００ｎｍ付近、あるいは６０００ｎｍ～８０００ｎｍに透過域をもつ。この領域の遮断機能を不要としたことで、光学薄膜の厚みは、従来フィルタの２５０００ｎｍに対して９７８０ｎｍにまで削減できている。図１２で示す簡素化フィルタは、４１８０ｎｍ～４３３０ｎｍの波長域において、平均透過率が７６％となっている。また、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率は６２％であり、その波長域での平均透過率は２４％である。
次に、図１４に、実施例３において赤外線受光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＯ_２検出向けＩＲ－センサの分光スペクトルを示す。この結果が示すように、どちらの光学フィルタを用いても、赤外線受光素子と組み合わせた際の出力は同等である。つまり、ＮＤＩＲ式ガスセンサ用のセンサ部品としての性能は一切低下させずに、光学フィルタの設計を大幅に簡素化できることを示せた。

［実施例４］
簡素化フィルタと赤外線受光素子とを組み合わせたＩＲ－センサについて説明する。ＩＲ－センサは、例えばＣＨ_４センサのような光学デバイスの一部を構成する。まず、ＰＩＮダイオード構造については、ＭＢＥ法により作成した。活性層はＡｌ_０．０９Ｉｎ_０．９１Ｓｂとし、ｎ型半導体層は、Ｓｎを１．０×１０^１９原子／ｃｍ^３ドーピングすることで、エネルギーバンドを縮退させ、２０００ｎｍより長波長の赤外線光に対して透明化している。さらに、活性層を挟むように、ｎ型Ａｌ_０．３０Ｉｎ_０．７０Ｓｂとｐ型Ａｌ_０．３０Ｉｎ_０．７０Ｓｂをバリア層として設けた。図１５に、実施例４に係る赤外線受発光素子の各層の積層構造を示す。
このようにして準備した半導体ウエハの表面にｉ線用ポジ型フォトレジストを塗布し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に現像を行い、半導体積層部の表面にレジストパターンを規則的に複数形成した。次に、ドライエッチング処理により、複数のメサを形成した。メサ形状を有する素子上に、ハードマスクとしてＳｉＯ_２を成膜後、ドライエッチングで素子分離を行い、その後、保護膜としてＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、複数のメサを直列接続した。その後、ポリイミド樹脂を保護膜として、素子表面を覆うように形成した。
上述した前工程プロセスにより作製したウエハをダイシングして個片化し、Ａｕワイヤーをボンディングしリードフレームと結線して、エポキシ系モールド樹脂で受光面が露出するように封止した。このように作製した赤外線受光素子の分光感度スペクトルを測定した結果、図１６の結果が得られた。図１６に、実施例４に係る赤外線受光素子の分光スペクトルを示す。このセンサは、ＣＨ_４の吸収帯域である３３００ｎｍ付近の赤外線には感度を有するが、６０００ｎｍより長波長側の赤外線には、ほとんど感度を持たない。
光学フィルタの設計は、シミュレーションで実施した。シミュレーションの手法については、フレネル係数を利用した公知の計算手法を用いた。また、光学薄膜の材料としては、ＧｅとＳｉＯを想定し、これらの複素屈折率の波長分散データについては、文献値を用いた。以下に、光学シミュレーションにより計算した簡素化フィルタの設計について述べる。
図１７に、実施例４に係る光学フィルタ（簡素化フィルタ）の透過スペクトルを、比較例に係る光学フィルタ（従来構成のフィルタ）の透過スペクトルと比較して、示す。図１８に、実施例４に係る簡素化フィルタの積層構造を示す。図１７に示すように、簡素化フィルタは６０００ｎｍ～８０００ｎｍに透過域をもつ。この領域の遮断機能を不要としたことで、光学薄膜の厚みは、従来フィルタの２５０００ｎｍに対して７５２９ｎｍにまで削減できている。図１７で示す簡素化フィルタは、３２６０ｎｍ～３３８０ｎｍの波長域において、平均透過率が７８％となっている。また、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率は８５％であり、その波長域での平均透過率は５２％である。
次に、図１９に、実施例４において赤外線受光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＨ_４検出向けＩＲ－センサの分光スペクトルを示す。この結果が示すように、どちらの光学フィルタを用いても、赤外線受光素子と組み合わせた際の出力は同等である。つまり、ＮＤＩＲ式ガスセンサ用のセンサ部品としての性能は一切低下させずに、光学フィルタの設計を大幅に簡素化できることを示せた。

［実施例５］
簡素化フィルタと赤外線受光素子とを組み合わせたＩＲ－センサについて説明する。ＩＲ－センサは、例えばＣＯ２センサのような光学デバイスの一部を構成する。まず、ＰＩＮダイオード構造については、ＭＢＥ法により作成した。活性層はＩｎＡｓ_０．８７Ｓｂ_０．１３とし、ｎ型半導体層はエネルギーバンドを縮退させ、２０００ｎｍより長波長の赤外線光に対して透明化している。さらに、活性層を挟むように、ｎ型Ａｌ_０．３０Ｉｎ_０．７０ＡｓＳｂとｐ型Ａｌ_０．３０Ｉｎ_０．７０ＡｓＳｂをバリア層として設けた。図２０に、実施例５に係る赤外線受発光素子の各層の積層構造を示す。
このようにして準備した半導体ウエハの表面にｉ線用ポジ型フォトレジストを塗布し、縮小投影型露光機によりｉ線を使用し露光を行った。次に現像を行い、半導体積層部の表面にレジストパターンを規則的に複数形成した。次に、ドライエッチング処理により、複数のメサを形成した。メサ形状を有する素子上に、ハードマスクとしてＳｉＯ_２を成膜後、ドライエッチングで素子分離を行い、その後、保護膜としてＳｉＮを成膜し、フォトリソグラフィーとドライエッチングによりコンタクトホールを形成した。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、複数のメサを直列接続した。その後、ポリイミド樹脂を保護膜として、素子表面を覆うように形成した。
上述した前工程プロセスにより作製したウエハをダイシングして個片化し、Ａｕワイヤーをボンディングしリードフレームと結線して、エポキシ系モールド樹脂で受光面が露出するように封止した。このように作製した赤外線受光素子の分光感度スペクトルを測定した結果、図２１の結果が得られた。図２１に、実施例５に係る赤外線受光素子の分光スペクトルを示す。このセンサは、ＣＯ_２の吸収帯域である４３００ｎｍ付近の赤外線には感度を有するが、６０００ｎｍより長波長側の赤外線には、ほとんど感度を持たない。
光学フィルタの設計は、シミュレーションで実施した。シミュレーションの手法については、フレネル係数を利用した公知の計算手法を用いた。また、光学薄膜の材料としては、ＳｉとＳｉＯ_２を想定し、これらの複素屈折率の波長分散データについては、文献値を用いた。以下に、光学シミュレーションにより計算した簡素化フィルタの設計について述べる。
図１２に、実施例５に係る光学フィルタ（簡素化フィルタ）の透過スペクトルを、比較例に係る光学フィルタ（従来構成のフィルタ）の透過スペクトルと比較して、示す。図１３に、実施例５に係る簡素化フィルタの積層構造を示す。図１２に示すように、簡素化フィルタは２０００ｎｍ～２５００ｎｍ付近、あるいは６０００ｎｍ～８０００ｎｍに透過域をもつ。この領域の遮断機能を不要としたことで、光学薄膜の厚みは、従来フィルタの２５０００ｎｍに対して９７８０ｎｍにまで削減できている。図１２で示す簡素化フィルタは、４１８０ｎｍ～４３３０ｎｍの波長域において、平均透過率が７６％となっている。また、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率は６２％であり、その波長域での平均透過率は２４％である。
次に、図２２に、実施例５において赤外線受光素子と光学フィルタ（簡素化フィルタ）とを組み合わせて構成したＣＯ_２検出向けＩＲ－センサの分光スペクトルを示す。この結果が示すように、どちらの光学フィルタを用いても、赤外線受光素子と組み合わせた際の出力は同等である。つまり、ＮＤＩＲ式ガスセンサ用のセンサ部品としての性能は一切低下させずに、光学フィルタの設計を大幅に簡素化できることを示せた。

実施例１～５の光学シミュレーションで使用した誘電体材料の屈折率の波長分散データを図２３に示す。

実施例及び比較例の詳細条件及び結果を表１に示す。ここで、実施例１および２と比較例の波長－透過率曲線については図７に示し、実施例３および５の波長－透過率曲線については図１２に示し、実施例４の波長－透過率曲線については図１７に示した。

表１の実施例１～５は、比較例と比べて光学フィルタの膜厚が３分の１以下でありながら、赤外線受発光素子と組み合わせた際には、同等の性能を実現できる。ここで、比較例は、実施例１～５と異なり、６０００～８０００ｎｍの波長域において最大透過率は０．５％以下であって、５％よりも小さい。また、比較例は、実施例１～５と異なり、６０００～８０００ｎｍの波長域において平均透過率は０．１％であって、２％よりも小さい。

本発明によれば、簡素化した光学フィルタを用いた場合にも高精度なＮＤＩＲガスセンサ及び光学デバイスを提供することが可能となる。
なお、実施例２の赤外線発光素子と実施例１、３～５のいずれかの赤外線受光素子と簡素化フィルタとを組み合わせて光学デバイスを構成してもよい。

Claims (25)

1. 基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、
   第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、
   を備え、
   前記多層膜は、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が１．２以上２．５以下である第１層と、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が３．２以上４．２以下である第２層と、が交互に積層された構造を含み、
   前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、
   前記光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、５０ｎｍ以上の幅で平均透過率が７０％以上となる波長域を含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であり、かつ、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率が２％以上６０％以下である、ＮＤＩＲガスセンサ。
2. 前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．０５）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦０．９０）を含み、
   前記光学フィルタは、５６００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である、
   請求項１に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
3. 測定対象ガスがＮＨ_３である、請求項２に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
4. 前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．０５）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦０．９０）を含み、
   前記光学フィルタは、５２００ｎｍ～５５００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である、
   請求項１に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
5. 測定対象ガスがＮＯである、請求項４に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
6. 前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．１２）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦０．９０）を含み、
   前記光学フィルタは、４５００ｎｍ～４８００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である、
   請求項１に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
7. 測定対象ガスがＣＯである、請求項６に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
8. 前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．１２）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦０．９０）を含み、
   前記光学フィルタは、４２００ｎｍ～４３５０ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である、
   請求項１に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
9. 測定対象ガスがＣＯ_２である、請求項８に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
10. 前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０４≦ｘ≦０．１４）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．８０≦ｙ≦１）を含み、
    前記光学フィルタは、３３００ｎｍ～３６００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である、
    請求項１に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
11. 測定対象ガスがＣＨ_２Ｏ、Ｃ_３Ｈ_８又はＣ_２Ｈ_５ＯＨである、請求項１０に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
12. 前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０４≦ｘ≦０．１４）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．８０≦ｙ≦１）を含み、
    前記光学フィルタは、３２００ｎｍ～３４００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である、
    請求項１に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
13. 測定対象ガスがＣＨ_４である、請求項１２に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
14. 前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０８≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．８０≦ｙ≦１）を含み、
    前記光学フィルタは、２４００ｎｍ～２８００ｎｍの波長域の中に、平均透過率が７０％以上９５％以下となる波長域を幅５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下で含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上である、
    請求項１に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
15. 測定対象ガスがＨ_２Ｏである、請求項１４に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
16. 前記多層膜の膜厚は、５０００ｎｍ以上２５０００ｎｍ以下である、請求項１～１５の何れか一項に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
17. 前記多層膜において前記第１層と前記第２層とが交互に積層された回数は、１０回以上６０回以下である、請求項１～１６の何れか一項に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
18. 前記第１層は、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳからなる群から選択される少なくとも一つを含む、請求項１～１７の何れか一項に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
19. 前記第２層は、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される少なくとも一つを含む、請求項１～１８の何れか一項に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
20. 前記赤外線受発光素子は、赤外線ＬＥＤ及び／又は赤外線フォトダイオードである、請求項１～１９の何れか一項に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
21. 前記赤外線受発光素子は、赤外線ＬＥＤ及び赤外線フォトダイオードである、請求項１～２０の何れか一項に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
22. 前記多層膜が前記基板の両面上に形成されている、請求項１～２１の何れか一項に記載のＮＤＩＲガスセンサ。
23. 基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、
    第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、
    を備え、
    前記多層膜は、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳからなる群から選択される少なくとも一つを含む第１層と、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される少なくとも一つを含む第２層と、が交互に積層された構造を含み、
    前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、
    前記光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、５０ｎｍ以上の幅で平均透過率が７０％以上となる波長域を含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であり、かつ、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率が２％以上６０％以下である、ＮＤＩＲガスセンサ。
24. 基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、
    第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、
    を備え、
    前記多層膜は、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が１．２以上２．５以下である第１層と、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域における屈折率が３．２以上４．２以下である第２層と、が交互に積層された構造を含み、
    前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、
    前記光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、５０ｎｍ以上の幅で平均透過率が７０％以上となる波長域を含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であり、かつ、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率が２％以上６０％以下である、光学デバイス。
25. 基板と、当該基板の少なくとも一面上に形成された屈折率の異なる複数の層を有する多層膜と、を有する光学フィルタと、
    第一導電型半導体層、活性層及び第二導電型半導体層を有する赤外線受発光素子と、
    を備え、
    前記多層膜は、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳからなる群から選択される少なくとも一つを含む第１層と、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される少なくとも一つを含む第２層と、が交互に積層された構造を含み、
    前記活性層は、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含み、
    前記光学フィルタは、２４００ｎｍ～６０００ｎｍの波長域の中に、５０ｎｍ以上の幅で平均透過率が７０％以上となる波長域を含み、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における最大透過率が５％以上であり、かつ、６０００ｎｍ～８０００ｎｍの波長域における平均透過率が２％以上６０％以下である、光学デバイス。
    

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