(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセルと、
前記ガスセル内に配置された発光ダイオードと、
前記ガスセル内に配置され、前記発光ダイオードからの赤外線を含む光の光量に応じた電気信号を出力する第１のフォトダイオードと、
前記第１のフォトダイオードの出力の参照信号を出力し、かつ前記第１のフォトダイオードと同一の半導体積層構造からなる第２のフォトダイオードと、
前記ガスセル内に配置され、前記第１のフォトダイオードに入射する光の波長を測定対象ガスの吸収帯域に絞り込む光学フィルタと、
前記第１及び第２のフォトダイオードからの出力が入力される演算部と、を備え、前記第１のフォトダイオードの出力を、前記第２のフォトダイオードの出力を用いて補正し、補正した前記第１のフォトダイオードの出力に基づきガス濃度を検出するガスセンサであって、
前記発光ダイオードと第１及び第２のフォトダイオードの活性層がそれぞれＡｌxＩｎ(1-x)Ｓｂ（０．００４≦ｘ≦０．１００）であり、
前記光学フィルタの透過特性の半値幅の長波長端の波長が前記ガスセンサの使用温度範囲の最大値において、前記発光ダイオードの発光強度と前記第２のフォトダイオードの分光感度を掛け合わせたスペクトルのピーク波長よりも短くなる
ガスセンサ。
【請求項２】
前記第１及び第２のフォトダイオードの活性層はＡｌxＩｎ(1-x)Ｓｂ（０．００４≦ｘ≦０．０４）であり、且つ、前記光学フィルタは４．１〜４．４μｍの間に最大透過率を有する請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記光学フィルタの半値幅の長波長側の端は４．５μｍ以下の波長である請求項１または請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記発光ダイオードと前記第１のフォトダイオードが同一の半導体積層構造からなる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記発光ダイオードと前記第１のフォトダイオードの活性層がそれぞれ、ＡｌxＩｎ1-xＳｂ（０．０１≦ｘ≦０．０３５）からなる請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ガスセンサは二酸化炭素を検出する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記使用温度範囲の最大値は１５０℃である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関し、より詳細には、従来と比べてより簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から大気中の測定対象ガスの濃度測定を行うガスセンサとして、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非分散赤外吸収型（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ、ＮＤＩＲ型）ガスセンサが知られている。この原理を用いたガス濃度測定装置としては、例えば、赤外線光源と、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）と赤外線センサを組み合わせ、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したものが挙げられる（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３３４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＮＤＩＲ型ガスセンサにおいて、赤外線を含む光を放射する光源の発光量や、赤外線センサの出力は、その周囲の環境温度によって変化する。特に、小型ＮＤＩＲガスセンサの光源・センサとして注目される化合物半導体ダイオードは、温度による発光強度・受光感度の変化が大きいことが知られている。赤外線センサの出力を用いてガス濃度の測定を行う場合には、光源や赤外線センサの周囲の温度による出力変化を補正する必要があるが、一般にその変化を補正するためには３〜４点以上の校正環境を用いての出力補正が必要となり、テストの時間やコスト両面による負担が大きいことが課題となっていた。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来と比べてより簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様は、ガスセルと、前記ガスセル内に配置された発光ダイオードと、前記ガスセル内に配置され、前記発光ダイオードからの赤外線を含む光の光量に応じた電気信号を出力する第１のフォトダイオードと、前記第１のフォトダイオードの出力の参照信号を出力し、かつ前記第１のフォトダイオードと同一の半導体積層構造からなる第２のフォトダイオードと、前記ガスセル内に配置され、前記第１のフォトダイオードに入射する光の波長を測定対象ガスの吸収帯域に絞り込む光学フィルタと、前記第１及び第２のフォトダイオードからの出力が入力される演算部と、を備え、前記第１のフォトダイオードの出力を、前記第２のフォトダイオードの出力を用いて補正し、補正した前記第１のフォトダイオードの出力に基づきガス濃度を検出するガスセンサであって、前記発光ダイオードと第１及び第２のフォトダイオードの活性層がそれぞれＡｌxＩｎ(1-x)Ｓｂ（０．００４≦ｘ≦０．１００）であり、前記光学フィルタの透過特性の半値幅の長波長端の波長が前記ガスセンサの使用温度範囲の最大値において、前記発光ダイオードの発光強度と前記第２のフォトダイオードの分光感度を掛け合わせたスペクトルのピーク波長よりも短くなるガスセンサである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、従来と比べてより簡便に温度補正されたガスセンサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係るガスセンサの実施形態を説明するための構成図である。
【図２】本実施例に係るガスセンサの製造方法を説明するための工程図（その１）である。
【図３】本実施例に係るガスセンサの製造方法を説明するための工程図（その２）である。
【図４】本実施例に係るガスセンサの製造方法を説明するための工程図（その３）である。
【図５】本実施例に係るガスセンサの製造方法を説明するための工程図（その４）である。
【図６】本実施例に係るガスセンサの製造方法を説明するための工程図（その５）である。
【図７】本実施形態に係るガスセンサの実施形態を説明するための構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための形態（以下、本実施形態という）について説明する。なお、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。
＜ガスセンサ＞
本実施形態のガスセンサは、ガスセルと、ガスセル内に配置された発光ダイオードと、ガスセル内に配置され、発光ダイオードからの赤外線を含む光の光量に応じた電気信号を出力する第１のフォトダイオードと、ガスセル内に配置され、第１のフォトダイオードに入射する光の波長を測定対象ガスの吸収帯域に絞り込む光学フィルタと、第１のフォトダイオードの出力の参照信号を出力し、かつ第１のフォトダイオードと同一の半導体構造からなる第２のフォトダイオードと、第１及び第２のフォトダイオードからの出力が入力される演算部と、を備えたガスセンサであって、発光ダイオードと第１及び第２のフォトダイオードの活性層がそれぞれＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｓｂ（０．００４≦ｘ≦０．１００）であり、光学フィルタは４．１〜４．４μｍの間に最大透過率を持ち、かつ最大透過率をもつ波長が第１及び第２のフォトダイオードの分光感度特性の最大値より短く、半値幅の長波長側の端を４．５μｍ以下の波長とすることを特徴としており、リファレンスセンサである第２のダイオードの出力を用いて第１のダイオードの出力を補正した補正信号と温度との相関から温度補正をし、ガス濃度を出力するガスセンサである。
【０００９】
本実施形態に係るガスセンサによれば、従来よりも少ないテスト点数で高精度に温度補正可能なガスセンサが提供できる。また、本実施形態のガスセンサにおいて、測定対象ガスが二酸化炭素であってもよい。本発明の発光ダイオード及びフォトダイオードは、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．３μｍ付近での発光強度及び受光感度に優れるため、高いＳ／Ｎで二酸化炭素による吸収の影響を検知することができ、高精度にガス濃度を測定することが可能となる。
＜ガスセル＞
本実施形態のガスセンサにおいて、ガスセルは、被検出ガスを導入することが可能なものであれば特に制限されない。すなわち、被検出ガスの導入口を有していれば良い。被検出ガスのリアルタイム検出の精度向上の観点から、導入口に加えて、導出口を備えていることが好ましい。導入口、導出口には粉塵等の侵入を防ぎ、ガスの出入を遮らないフィルタを備えていても良い。ガスセルを構成する材料は特に制限されない。例えば、金属、ガラス、セラミックス、ステンレス等の材料が挙げられるがこの限りではない。検出感度向上の観点から、発光ダイオードから出力された光の吸収係数が小さく、反射率が高い材料であることが好ましい。具体的にはアルミニウムからなる金属筐体や、アルミニウム、金、銀を含む合金、もしくはこれらの積層体のコーティングが施された樹脂筐体、が好ましい。信頼性・経時変化の観点から金または金を含む合金層でコーティングされた樹脂筐体が好ましい。
【００１０】
＜発光ダイオード＞
本実施形態に係るガスセンサにおいて、発光ダイオードは、測定対象ガスによって吸収される波長を含む光を出力するもので、活性層がＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂのＰＩＮ構造からなるダイオードであって、活性層のＡｌ組成が、０．００４≦ｘ≦０．１００を満たすものである。ここで、発光ダイオードの活性層のＡｌ組成が０．００４≦Ｘ≦０．１００の範囲にあることで、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．３μｍ付近に強い発光強度を有し、且つ同時に、簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガス濃度測定装置に好適な光源を得ることが可能となる。また発光ダイオードの活性層のＡｌ組成の上限は、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．３μｍ付近にさらに強い発光強度を有するという観点から、好ましくはＸ≦０．０９０、より好ましくはＸ≦０．０８０、さらに好ましくはＸ≦０．０７０、さらに好ましくはＸ≦０．０６０、さらに好ましくはＸ≦０．０５０、さらに好ましくはＸ≦０．０４０であってもよい。
【００１１】
また、ｎ層及びｐ層としては、Ｉｎ、Ａｌ、Ｇａからなる群より選択される少なくとも一つのIII族原子と、Ｓｂ、Ａｓからなる群より選択される少なくとも一つのＶ族原子からなる化合物半導体が好ましく、ＩｎＳｂ或いはＡｌＩｎＳｂであることがさらに好ましい。これにより、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．３μｍ付近にさらに適した発光特性を持つ発光ダイオードを実現することができる。
【００１２】
また、発光ダイオードは基板上に形成されていても良く、本発明の発光ダイオード素子において、基板は、その上に所望の半導体積層部を形成することが可能なものであれば特に制限されない。一例としては、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ基板への結晶成長が挙げられるがこの限りではない。結晶面は、（１００）、（１１１）、（１１０）方向等がある。赤外線領域においてはＧａＡｓ、Ｓｉ等の基板は測定対象ガスの吸収波長に対して高い透過率を示すため、本発明に使用する基板として適している。半導体積層部の材料としてＡｌＩｎＳｂを用いる場合、基板としてはＧａＡｓが好ましい。また、発光ダイオードは発光強度を増強させるために配線により直列または並列接続されていることも好ましい。
【００１３】
発光ダイオードの駆動は、受光センサであるフォトダイオードの信号が適切に得られる条件であれば特に制限されない。具体的には、電流、電圧、電力などによって制御することが挙げられる。また、発光ダイオードは発光時に発熱し、発熱は劣化の加速要因となりうるため、パルス駆動などの間欠駆動などによりできるだけ発熱しない条件で駆動することが好ましい。パルス駆動をする際は、発光ダイオードの駆動周波数に同期したフォトダイオードの信号を得ることで、よりノイズの小さいフォトダイオード信号を得ることができる。
【００１４】
＜フォトダイオード＞
本実施形態に係るガスセンサにおいて、フォトダイオードは、活性層がＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂのＰＩＮ構造からなるダイオードであって、活性層のＡｌ組成が、０．００４≦ｘ≦０．１００の関係を満たし、受光した赤外線に応じた電気信号を出力するものである。ここで、フォトダイオードの活性層のＡｌ組成が０．００４≦Ｘ≦０．１００の範囲にあることで、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．３μｍ付近に強い受光感度を有し、且つ同時に、簡易に測定ガスの濃度の温度補正が可能なガス濃度測定装置に好適な光源を得ることが可能となる。またフォトダイオードの活性層のＡｌ組成の上限は、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．３μｍ付近にさらに強い受光感度を有するという観点から、好ましくはＸ≦０．０９０、より好ましくはＸ≦０．０８０、さらに好ましくはＸ≦０．０７０、さらに好ましくはＸ≦０．０６０、さらに好ましくはＸ≦０．０５０、さらに好ましくはＸ≦０．０４０であってもよい。なおここで、便宜上、発光ダイオードの活性層のＡｌ組成とフォトダイオードの活性層のＡｌ組成を同一の文字ｘで表記しているが、それぞれが０．００４≦Ｘ≦０．１００の範囲内のいずれかの値を別々に採用してもよく、また同じ組成としてもよい。またフォトダイオードは発光ダイオードと同様の積層構造及び材料であることが好ましい。これにより、二酸化炭素ガスの光吸収のピークである４．３μｍ付近の検出にさらに適したフォトダイオードを実現することができる。
【００１５】
また、フォトダイオードは基板上に形成されていても良く、本発明のフォトダイオード素子において、基板は、その上に所望の半導体積層部を形成することが可能なものであれば特に制限されない。一例としては、Ｓｉ，ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ基板への結晶成長が挙げられるがこの限りではない。結晶面は、（１００）、（１１１）、（１１０）方向等がある。赤外線領域においてはＧａＡｓ、Ｓｉ等の基板は測定対象ガスの吸収波長に対して高い透過率を示すため、本発明に使用する基板として適している。半導体積層部の材料としてＡｌＩｎＳｂを用いる場合、基板としてはＧａＡｓが好ましい。また、参照信号を出力する第２のフォトダイオードは、発光ダイオードと同じ基板に作製されていても良い。また、フォトダイオードの形状は十分なＳ／Ｎ（信号／ノイズ）を得られるものであれば特に制限されない。ノイズ低減のために複数個直列接続されていることも好ましい。
【００１６】
＜光学フィルタ＞
本実施形態に係るガスセンサにおいて、光学フィルタは、測定対象ガスによる赤外線の吸収が生じる波長域の赤外線を透過するものである。光学フィルタは、異なる屈折率の材料の多層膜からなる干渉フィルタであってもよい。光学フィルタの具体的な例としては赤外線に対して透明な基板上に、屈折率の異なる材料（例えば、Ｇｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＳｉＯ２、等）を交互に積層した干渉構造が利用できる。波長によって、入射光が干渉現象によって、強めあったり、弱めあったりし、特定の光のみ強く反射させることができる。これらの積層構造は光学フィルタの基板の両面に形成しても良いし、片面でも良い。この基板の具体的な例としてはＧａＡｓやＳｉやサファイアが挙げられる。干渉フィルタの具体的な例としては、透過率の高いＳｉ基板の両面に、Ｇｅ及びＺｎＳの薄膜を交互に、数周期〜数十周期を積層した干渉フィルタが挙げられる。このような構造を利用することによって、一部の波長のみ強く（例えば８０％以上）の反射率が実現でき、その他の波長を透過するような構造が実現できる。
【００１７】
また、検出対象ガスが二酸化炭素である場合、光学フィルタが最大透過率を持つ波長は４．１〜４．４μｍであることが好ましい。
ここでフィルタが最大透過率を持つ波長の最適範囲を述べたが、ガスセルの設計によって、フィルタに透過する光の入射角度が垂直でない場合もあれば、垂直である場合もある。一方、光学フィルタの構造や材質や設計、温度によって、入射角によって、最大透過率を持つ波長が異なることもある。言うまでもないが、本発明で述べる「最大透過率を持つ波長」とはガスセルの光路設計で決められる入射角を考慮したものである。例えば、入射角が垂直に対して３０度の場合、入射角３０度において最大透過率を示す波長のことを言う。
【００１８】
＜温度測定部＞
本実施形態に係るガスセンサにおいて、測定対象ガスの温度を測定し、それを温度情報として出力する温度測定部（図示せず）をさらに備えていても良い。温度測定部は、測定対象ガスの温度を測定可能なものであれば特に限定されない。具体的には、サーミスタや白金抵抗体を利用することができる。
【００１９】
また、温度測定部が出力する温度情報は、ダイオード（光源、もしくはセンサ）の抵抗値から算出された温度情報であってもよい。ダイオードの抵抗は、温度によって変化する。特に活性層にＩｎまたはＳｂを含むような半導体材料は、一般的に温度による抵抗の変化が大きいため、微小な温度変化であってもモニタできる。そのため、フォトダイオードの抵抗値から算出された温度情報を用いることで、高精度に温度を測定することができる。ダイオードの抵抗は、例えばフォトダイオードに電流を流すまたは電圧を印加することで測定することができる。
【００２０】
＜演算部＞
本実施形態に係るガスセンサにおいて、演算部（図示せず）は、ガス濃度算出における演算が可能なものであれば特に制限されず、例えば、アナログＩＣ、ディジタルＩＣ及びＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等が好適である。センサからの出力信号を配線により外部に取出し、外部の演算部に接続しても構わない。また、演算部には、発光ダイオードを制御するための機能が含まれていても構わない。
【００２１】
＜補正信号の導出＞
本実施形態に係るガスセンサにおいて、補正信号Ｓは、第１のフォトダイオードの出力Ｓ１と、リファレンスセンサである第２のフォトダイオードの出力Ｓ２を用いて
Ｓ＝Ｓ１／Ｓ２
で表される。本実施形態における０．００４≦ｘ≦０．０４の範囲では、Ｓ１／Ｓ２の０〜５０℃における温度特性は温度の上昇に従って下降するため、２温度（例えば、１０、４０℃）での出力を直線で補正することでガスセンサの精度を向上できる。また、０．０１≦ｘ≦０．０３５ではＳの線形性がより向上するため、２温度でのテストでも温度特性の補正精度をさらに向上させることができる。また、上述した発光ダイオード、フォトダイオード、光学フィルタの構成であれば０〜５０℃の温度範囲で出力信号の良好な線形性を得ることができるが、発光スペクトル、受光スペクトル、フィルタの透過スペクトルの波長軸における相対的な位置関係が同様の場合には、他の波長帯の場合にも同じ効果を得ることができる。
【００２２】
＜駆動温度について＞
上記で０〜５０℃の温度範囲について説明したが、用途によってはこれより広い温度範囲（例えば、−４０〜８５℃）で動作させるガスセンサを設計しても良い。本発明のように、光学フィルタの透過特性の半値幅の長波長端の波長がガスセンサの使用温度範囲の最大値において、発光ダイオード１１の発光強度と第２のフォトダイオード１４の分光感度を掛け合わせたスペクトルのピーク波長よりも短くなることを特徴とする構成とすれば、構成部品の耐熱温度の範囲で使用できるガスセンサを作製できる。ただし、高温環境下では発光ダイオード、フォトダイオードの劣化が加速されるため、１５０℃以下での使用が好ましい。一般に、車載用途としては１００℃、民生用途としては８５℃程度の温度が求められるが、これらの環境温度下での使用も好ましい。
【００２３】
以下、図面を参照して本発明を実施形態について説明する。
＜実施形態＞
図１は、本発明に係るガスセンサの実施形態を説明するための構成図である。
本実施形態のガスセンサ１００は、ガスセル１０と、ガスセル１０内に配置された発光ダイオード１１と、第１のフォトダイオード１２と、光学フィルタ１３と、第２のフォトダイオード１４とを備えている。なお、符号２１はガス導入口、２２はガス導出口を示している。
【００２４】
第１のフォトダイオード１２は、ガスセル１０内に配置され、発光ダイオード１１からの赤外線を含む光の光量に応じた電気信号を出力する。また、光学フィルタ１３は、ガスセル１０内に配置され、第１のフォトダイオード１２に入射する光の波長を測定対象ガスの吸収帯域に絞り込む。
また、第２のフォトダイオード１４は、第１のフォトダイオード１２の出力の参照信号を出力し、かつ第１のフォトダイオード１２と同一の半導体構造からなる。また、図示しない演算部は、第１及び第２のフォトダイオード１２，１４からの出力が入力される。
【００２５】
このような構成を備え、本実施形態のガスセンサ１００は、発光ダイオード１１と第１及び第２のフォトダイオード１２，１４の活性層がＡｌｘＩｎ（１−ｘ）Ｓｂ（０．００４≦ｘ≦０．０４）であり、光学フィルタ１３は４．１〜４．４μｍの間に最大透過率を持ち、かつ最大透過率をもつ波長が前記発光ダイオード１１の発光強度と前記第２のフォトダイオード１４の分光感度を掛け合わせたスペクトルのピーク波長よりも短く、かつ半値幅の長波長側の端を４．５μｍ以下の波長とするように構成されている。
【００２６】
また、発光ダイオード１１と第１のフォトダイオード１２が同一の半導体構造からなっていることが好ましい。
また、発光ダイオード１１と第１のフォトダイオード１２の活性層がそれぞれ、ＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂ（０．０１≦ｘ≦０．０３５）からなることが好ましい。
つまり、図１に示すように、本実施形態のガスセンサ１００は、ガスセル１０内に発光ダイオード１１と第１のフォトダイオード１２と光学フィルタ１３及び第２のフォトダイオード１４を備えている。発光ダイオードより出射された光は、光学フィルタ１３を透過して第１のフォトダイオード１２に届き、フィルタを通過せずに第２のフォトダイオード１４に届く。
【００２７】
発光ダイオード１１と第１及び第２のフォトダイオード１２，１４は活性層がＡｌｘＩｎ１−ｘＳｂのＰＩＮ構造からなるダイオードであって、活性層のＡｌ組成が、０．００４≦ｘ≦０．０４の関係をそれぞれ満たしている。また、光学フィルタ１３は、光学フィルタが最大透過率を持つ波長は４．１〜４．４μｍである。第１及び第２のフォトダイオード１２，１４が発する電流信号は電極から配線により取り出され、そのまま、またはＩ／Ｖ変換オペアンプ等により電圧信号に換算・増幅され、Ｓ＝Ｓ１／Ｓ２を算出することができる。
次に、本実施形態のガスセンサを各実施例に基づき説明する。
【実施例１】
【００２８】
図２乃至図６は、本実施例に係る発光ダイオード、フォトダイオード素子の製造方法を説明するための工程図である。以下、発光ダイオードについて作製過程を記述するが、第１、第２のフォトダイオードについても同様である。これらダイオードの積層構造は、ＭＢＥ法により作製される。
つまり、まず、ＧａＡｓ基板４０上に、バッファ層としてＳｎを濃度１×１０19［ｃｍ-3］ドーピングしたｎ型半導体であるＩｎＳｂ層４１ａを０．５μｍ形成した。その上にＳｎを濃度１×１０19［ｃｍ-3］ドーピングしたｎ型半導体であるＡｌ0.05Ｉｎ0.95Ｓｂ層４１ｂを０．５μｍ形成した。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０19［ｃｍ-3］ドーピングしたＡｌ0.22Ｉｎ0.78Ｓｂバリア層４２を２０ｎｍ形成した。
【００２９】
さらに、その上にｉ型半導体Ａｌ0.05Ｉｎ0.95Ｓｂ層を活性層４３として２μｍ形成した。ここで、ｉ型とは意図的にドーパントを添加していないことを示す。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたＡｌ0.22Ｉｎ0.78Ｓｂバリア層４４を２０ｎｍ形成した。さらに、その上にＺｎを濃度１×１０18［ｃｍ-3］ドーピングしたｐ型半導体のＡｌ0.05Ｉｎ0.95Ｓｂ層４５を０．５μｍ形成した。ｎ型半導体層４１ａからｐ型半導体層４５までの構造がＰＩＮ接合によるフォトダイオード構造をなす。
【００３０】
次に、この化合物半導体積層部上にレジストパターンを形成した。そして、このレジストパターンをマスクに化合物半導体積層体をエッチングした。これにより、基板４０上に、図３に示したような頂部５１と底部５２とを有するメサ構造のメサ型化合物半導体積層部５０を形成した。次に、図５に示すように、メサ型化合物半導体積層部５０の全面に第１の保護層６１としてＳｉＯ２を３０００Å、第２の保護層６２としてＳｉＮを２０００Å形成した。次に、メサ型化合物半導体積層部５０の頂部５１上の一部と、底部５２上の一部とをそれぞれ開口し、それ以外の領域を覆うレジストパターンを形成した。そして、このレジストパターンをマスクにＳｉＮ膜、ＳｉＯ２膜をドライエッチングした。これにより、図４に示すように、ＳｉＮ膜及びＳｉＯ２膜の下から、メサ型化合物半導体積層部５０の頂部５１と底部５２とをそれぞれ露出させた。
【００３１】
さらに、図５に示すように、第１の電極部７１及び第２の電極部７２を形成するために、基板４０上方にレジストパターンを形成し、Ｔｉを１０００Å、Ｐｔを２００Å、Ａｕを３０００Å、この順で蒸着し、その後、リフトオフを行った。さらに、図６に示すように、ＧａＡｓ基板４０の素子加工していない裏面から厚さを２３０μｍまで粗面研削し、ＴｉＯ２膜８１を１５００Å蒸着することにより赤外線発光ダイオード素子１００を得た。つまり、基板４０とＴｉＯ２膜８１との境界Ａは粗面である。
【００３２】
図７は、本実施例に係るガスセンサの構造を示す図である。
上記のように作製した発光ダイオード１１、および同様の方法で作製した第１のフォトダイオード１２、第２のフォトダイオード１４は、モールド樹脂９０により封止され、光学フィルタ１３と合わせて図７のように配置し、ガスセンサを作製した。光学フィルタとして最大透過率を４．２１μｍで示し、半値幅の上端を４．４２μｍとする光学フィルタを用いている。本実施例では、発光ダイオード１１と参照信号を出力する第２のフォトダイオード１４が同一のＧａＡｓ基板に作製されており、第２のフォトダイオードは発光ダイオードより発し、ＧａＡｓ基板内で反射した光の信号をＳ２として出力することになる。一方で、第１のフォトダイオード１２は、発光ダイオード１１、第２のフォトダイオードが形成されている基板に隣接して設置されており、光学フィルタ１３を通過したのちガスセル１０で反射された光を受光して信号Ｓ１を出力することになる。なお図示しないが、本実施形態に係るガスセンサには、測定対象ガスが流入及び流出するための穴が形成されている。
【００３３】
０〜５０℃での補正信号Ｓ＝Ｓ１／Ｓ２を取得し、Ｓについて
【数１】
0006410679.tif 000002
と定義するΨ2を評価したところ、０．９９９となり、温度特性が一次関数で良く表せている結果となった。ただし、Ｓiは各温度でのＳ、ｆ（ｘi）は一次関数の回帰モデル、μはＳの平均値である。
【実施例２】
【００３４】
発光ダイオード及びフォトダイオードの活性層をそれぞれＡｌ０．００５Ｉｎ０．９９５Ｓｂとする以外は実施例１と同様の方法でガスセンサを作製した。０〜５０℃での補正信号Ｓ＝Ｓ１／Ｓ２を取得し、Ｓについて［数１］で定義されるΨ２を評価したところ、０．９７５となった。
【実施例３】
【００３５】
発光ダイオード及びフォトダイオードの活性層をそれぞれＡｌ０．０３５Ｉｎ０．９６５Ｓｂとする以外は実施例１と同様の方法でガスセンサを作製した。０〜５０℃での補正信号Ｓ＝Ｓ１／Ｓ２を取得し、Ｓについて［数１］で定義されるΨ２を評価したところ、０．９９２となった。
【００３６】
［比較例１］
発光ダイオード及びフォトダイオードの活性層をそれぞれＡｌ０．００３Ｉｎ０．９９７Ｓｂとする以外は実施例１と同様の方法でガスセンサを作製した。０〜５０℃での補正信号Ｓ＝Ｓ１／Ｓ２を取得し、Ｓについて［数１］で定義されるΨ２を評価したところ、０．０３となった。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は、上述した実施形態に記載の技術的範囲には限定されない。上述した実施形態に、多様な変更又は改良を加えることも可能であり、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、二酸化炭素等に代表される赤外線吸収を生じるガスのガスセンサとして好適である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ガスセル
１１  発光ダイオード
１２  第１のフォトダイオード
１３  光学フィルタ
１４  第２のフォトダイオード
２１  ガス導入口
２２  ガス導出口
４０  ＧａＡｓ基板
４１ａ  ＩｎＳｂ層
４１ｂ  ｎ型ＡｌＩｎＳｂ層
４２  ｎ型バリア層
４３  活性層
４４  ｐ型バリア層
４５  ｐ型ＡｌＩｎＳｂ層
５０  メサ型化合物半導体積層部
５１  頂部
５２  底部
６１  第１の保護層
６２  第２の保護層
７１  第１の電極部
７２  第２の電極部
８１  ＴｉＯ２膜
９０  モールド樹脂
１００  ガスセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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