专利名称：气体监测装置、燃烧状态监测装置、长期变化监测装置和杂质浓度监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体监测装置、燃烧状态监测装置、长期变化监测装置和杂质浓度监测装置，其通过使用对包括近红外区域的光敏感的半导体光接收元件来监测诸如燃烧器的工业设备或基础设施中的气体所包含的气体成分等(气体成分、诸如煤烟的漂浮物等)。
背景技术：
在诸如锅炉、燃烧器等的设施中，检测根据操作状况变化的火焰或气体的状态，在操作过程中反应检测结果，以及另外，检验设施的劣化状态，以保持设施的维护。由于气体比固体更容易允许电磁波从其穿过，因此气体适于光学监测。具体来讲，近红外区域中的光适于监测由有机物质产生的气体，这是因为碳氢化合物等的气体的吸收光谱位于近红外区域内。然而，在通过近红外光谱法进行分析中，输出信号包括由于光接收元件导致的大量噪声。因此，为了在不完全依赖传感器(光接收元件)性能的改进的情况下提取关于输出信号的必要信息，使用分光计法、化学计量法等作为重要的方法。在近红外区域中，广义上，以上提及的传感器(光接收元件)分为作为固态组件的电子管和光电二极管(PD)。在这些传感器之中，PD具有小尺寸并且可以容易地高度集成，以形成一维阵列、二维阵列等，并因此，已广泛执行了对PD的研究和开发(非专利文献 (NPL) 1)。本发明的目标是用于生物成分的检测装置，所述检测装置包括PD。当前，使用的是下面的一个或多个PD阵列。(1)所述一个或多个PD阵列的实例是具有的敏感性达到红外区域并且在近红外区域中也具有敏感性的PD或其阵列。这种PD的具体实例包括锗(Ge) 基PD、硫化铅(I^bS)基PD、HgCdTe基PD、其一维阵列和其二维阵列。(2)所述一个或多个 PD阵列的另一个实例是在近红外区域中的1. 7μπι以下的波长处具有敏感性的InP基PD、 包括在InP基PD种类中的InGaAs基PD及其阵列。本文中，InP基PD是指包括由III-V族化合物半导体组成并且形成在InP衬底上的吸收层的PD，并且InGaAs基PD也包括在InP 基PD中。在以上的光电二极管之中，为了降低噪声，通常冷却⑴中描述的光电二极管。例如，大部分光电二极管在操作的同时在液氮温度(77Κ)下冷却或者通过用Peltier装置进行冷却。因此，包括这类光电二极管的装置具有大尺寸，并且装置成本增加。虽然这类装置可以在室温下使用，但是这些装置的问题在于，在2. 5μπι以下的波长范围下的暗电流高并且检测能力低。另一方面，(2)中描述的InP基PD具有以下优点(I)在与hP晶格匹配的InGaAs中，虽然暗电流小，但是PD的敏感性限于近红外区域中的1. 7μπι以下的波长范围。(II)在延伸WhGaAs中，其中可以接收到光的波长区域被延伸至2.6μπι，暗电流高并且冷却是必要的。因此，在InP基PD中，不能使用对于提高气体监测的精度是重要的具有 2. 0 μ m以上波长的光，或者，为了使用这种光必须对PD进行冷却。关于使用近红外光进行光学监测的实例，在维持其内的含有绝缘油的充油器械 (如，充油(OF)线缆)中，通过检测油中溶解的气体所含有的多个碳氢化合物的成分比来检验充油器械的劣化(专利文献(PTL)I和PTL 2)。具体来讲，PTL 2提出了一种装置，该装置被构造成用于检测碳氢化合物气体的浓度和氢气的浓度，这些气体由于其双原子分子导致在红外区域中没有吸收光谱。在这种光学监测装置中，使用的光接收元件在1. 5至1. 6μπι 的波长范围内具有敏感性。作为另一个实例，为了抑制诸如锅炉的燃烧装置中的氮养化物、煤烟、一氧化碳的产生，提出了一种被构造成用于监测燃烧状态的光学监测装置(PTL 3)。在这种装置中，使用多层光接收元件，在该元件中堆叠了硅光电二极管和PbS光电导元件。另外，也提出了一种包括组合的硅光电二极管和Ge光电二极管的多层光接收元件和包括组合的硅光电二极管和1 光电导元件的多层光接收元件。使用硅光电二极管的原因在于接收波长在可见光区域中的光或波长靠近可见光区域的光。此外，提出了一种红外照相机，其检测燃烧器中焚烧炉的整个部分的温度分布 (PTL 4)。这种红外照相机的光接收部分的内容是未知的。在制造大规模集成电路(LSI)等的制造过程中，在沉积外延膜中使用高纯度气体。然而，这些气体包含微量水分，这对LSI等的耐久性产生不利影响。为了监测气体所包含的这种微量水分，提出了一种装置，该装置被构造成用于使用以近红外区域中单波长振荡的激光光源来接收气体所发射的光并且用于通过锁定检测(lock-in detection)来检测数量级为0. 1至Ippm的水分浓度(NPL2)。锗光电二极管用作在这种装置中的光接收元件。在用于检测气体成分的光接收装置和其他一般近红外光接收装置中，使用包括多级台阶缓冲层的InGaAs、PbS, Ge、HgCdTe、延伸的InGaAs等的单个元件或元件阵列。对所有以上提及的气体监测装置共同的光接收波长范围是1至1.8 μ m。然而，一些装置确定光接收波长范围的上限为约2. 0 μ m或2. 5 μ m。如上所述，至于化6仏8，必须将敏感性延伸到近红外区域的长波长侧。为了提高敏感性，已提出了以下的方法。(Kl)增加InGaAs吸收层中的铟(In)比例，以及通过将h比例改变为阶梯状的阶梯缓冲层插入在吸收层和InP衬底之间，来吸收吸收层和InP衬底之间的晶格失配(PTL 5)。(K2)将氮(N)并入在InGaAs吸收层中以形成^JnNAs吸收层(PTL 6)。通过并入大量N来满足与InP衬底形成晶格匹配。(K3)通过提供由GaAsSb和InGaAs组成的II型多量子阱结构，来实现到长波长侧的光接收波长范围的延伸(NPL 3)。满足与InP衬底的晶格匹配。(K4)通过采用湿法蚀刻在光接收元件(像素)之间形成元件分离沟槽，来实现二维阵列的形成(PTL 7)。NPL 1 :Masao Nakayama" Techno logy trend of infrared detecting elements，，， Sensor Technology,1989 March issue(Vol. 9，No.3)，p. 61-64。NPL 2 Shang-Qian Wu, et al. , "Detection of trace moisture in gas with diode laser absorption spectroscopy", Journal of the Japan Society of Infrared Science and Technology，vol· 11，p.33-40 (2001)。NPL 3 :R. Sidhu, “A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattic-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells”， IEEE Photonics TechnologyLetters, Vol.17，No. 12(2005)，pp. 2715—2717。
PTL1 日本未经审查的专利申请公布No.2007-120971
PTL2 日本未经审查的专利申请公布No.09-304274
PTL3 日本未经审查的专利申请公布No.05-79624
PTL4 日本未经审查的专利申请公布No.05-196220
PTL5 日本未经审查的专利申请公布No.2002-373999
PTL6 日本未经审查的专利申请公布No.9-219563
PTL7 日本未经审查的专利申请公布No.2001-144278

发明内容
技术问题在上述光接收元件中，总而言之，已提出了其中使用了具有的波长达到最大 2500nm的近红外光的元件。只要敏感性良好，波长的上限就优选为大的，这是因为可以得到大量信息。然而，为了如上所述使用包含I^bS、HgCdTe等的光接收元件来接收具有的波长超过1. 7μπι的光，必须解决诸如高暗电流和低检测能力的问题，并且必须增强检测分辨率。此外，在使用这种光接收元件同时进行冷却以便增强检测能力的情况下，气体监测装置具有大尺寸。虽然与InP衬底晶格匹配的InGaAs光接收元件在检测能力方面是优良的，但是与元件敏感性相对应的波长为1.7μπι以下。因此，光接收元件不适于检测(例如)在比此更长的波长范围中具有大量吸收光谱的气体成分。具体来讲，如在由有机物质产生的碳氢化合物气体中一样，在大量成分混合的情况下，为了提高分辨率，所期望的是使用可归因于气体成分的两个或更多个吸收带来全面检测作为检测目标的单个气体分量。然而，在使用两个或更多个吸收带的这种检测气体分量中，1. 7 μ m或更少的敏感波长范围是非常不充分的。同时，如以上方法(Kl)至(K4)中所描述的，存在不需要冷却并且在近红外区域的长波长侧处具有敏感性的光接收元件和光接收元件阵列的一些候选物。然而，这些候选物均具有以下问题。(Kl)由于InP衬底和吸收层没有完全彼此晶格匹配，因此由于高晶格缺陷密度导致的暗电流非常高。因此，不能实现足够高的动态范围(S/N比)并且噪声高。因此，暗点的数目(图像遗漏)增加。另外，为了实现晶格匹配，InP不能用作构成层压体顶层的窗口层，并且必须提供 InAsP窗口层。因此，从近红外区域到较短波长侧的范围中的敏感度降低，其中，重要的吸收带位于一些生物成分中。(K2)当N的数量约为10原子百分比，以便将带隙波长延伸到较长波长侧同时实现与InP的晶格匹配时，得到由良好晶体构成的fe^nNAs是非常困难的。此外，为了充分增大敏感度，得到具有的厚度约为2 μ m的fe^nNAs是非常困难的并且几乎是不可能的。也就是说，不能得到清晰图像。(K3)当通过普通方法将杂质引入到具有多量子阱结构的吸收层中时，多量子阱结构的晶体质量劣化。因此，制造成品率降低，由此提高了制造成本，并且不容易得到良好的晶体质量。因此，虽然光接收波长范围可以延伸到约2. 5μπι的较长波长，但是不能得到清晰图像。(Κ4)为了采用通过湿法蚀刻进行的元件分离来形成阵列，必须的是蚀刻剂足够深并均勻地进入沟槽。然而，蚀刻剂没有足够深并且均勻地进入沟槽，并且这种控制是困难的。因此，制造成品率降低。另一方面，当采用干法蚀刻时，光接收元件被损坏。具体来讲， 接收根据波长衍射的光的装置，例如气体监测装置的情况下，以上损坏不能被接受。如果可以容易地使用在不利用冷却机制的情况下抑制暗电流的光电二极管来以高敏感性执行近红外光谱技术，则还可以在气体监测中检测到微量气体成分和非常少量的温度变化，并因此可以增加可用性。本发明的目的在于提供气体监测装置、包括气体监测装置的燃烧状态监测装置、 长期变化监测装置和杂质浓度监测装置，该气体监测装置能够通过使用在不提供冷却机制的情况下暗电流减小并且敏感性延伸到1.8μπι以上的波长的hP基光电二极管来执行气体监测。问题的解决方法本发明的气体监测装置是一种使用波长范围为3μπι以下的近红外区域中的光来监测气体的装置。所述气体监测装置包括接收在所述近红外区域中的光的光接收元件，并且所述光接收元件包括形成在InP衬底上并具有多量子阱结构的吸收层。所述吸收层具有 1. 8 μ m以上且3 μ m以下的带隙波长，并且在所述吸收层的表面侧上设置扩散浓度分布控制层，所述表面侧与所述InP衬底相对。所述扩散浓度分布控制层具有的带隙小于^P的带隙。在所述光接收元件中，通过经由所述扩散浓度分布控制层选择性地扩散杂质元素以便到达所述吸收层来形成pn结。所述吸收层中的所述杂质元素的浓度为5X IOlfVcm3以下。 所述光接收元件从所述气体接收光以检测气体中包含的气体成分等(气体成分、诸如细小颗粒的漂浮物等)，所述光具有的波长为3μπι以下中的至少一种。根据以上构造，通过将杂质元素的浓度降低为5X1016/cm3以下，可以形成具有的带隙能量对应于近红外区域的多量子阱结构，而不会破坏多量子阱结构，也就是说，不会使晶体质量受损。此外，选择性地扩散用于形成光接收元件的pn结的杂质，也就是说，通过扩散将杂质引入到光接收元件的外周部的内部，使得外周部中的扩散在二维方向上受限制。 因此，引入杂质，使得光接收元件彼此分离。因此，可以采用高精度容易地形成光接收元件中的每个，并且不需要设置元件分离沟槽。因此，可以形成具有低暗电流的光接收元件。因此，在3 μ m以下的波长中，在不进行冷却的情况下能够以高敏感性接收光。在0. 9至3 μ m 的波长范围中，存在气体包含的气体成分(分子)的多个吸收带。因此，可以同利用以上使用多个吸收带的气体监测装置来执行检测。因此，可以提高检测精度。通过将扩散浓度分布控制层的带隙控制成小于^P的带隙，即使当扩散浓度分布控制层的吸收层侧处的厚度范围的杂质元素浓度降低时，电阻也可以被抑制为低。因此，可以防止响应时间的缩短。更具体来讲，扩散浓度分布控制层的带隙被控制为小于InP衬底的带隙的原因如下(1)当近红外区域的吸收层由III-V族化合物半导体形成时，在某些情况下，具有的带隙能量大于吸收层的带隙能量的材料用作窗口层。在这种情况下，考虑到晶格匹配等， 与半导体衬底相同的材料通常用作窗口层。假设扩散浓度分布控制层的带隙能量小于窗口层的带隙能量并且大于吸收层的带隙能量。这是因为，如果扩散浓度分布控制层的带隙能量小于吸收层的带隙能量并且采用了其中外延层的顶表面用作入射表面的结构，则扩散浓度分布控制层吸收应该由吸收层吸收的光，由此降低吸收层的敏感性。(2)通过使用具有的带隙能量小于通常用作窗口层的材料的大带隙能量的材料， 即使当杂质浓度降低时，也可以抑制电阻的增大或者电气传导率的减小。结果，如上所述， 在施加电压的状态下，可以抑制响应时间的缩短。这里，“检测”可以是指预定成分的校准曲线(预定成分的浓度和所述波长处的光的强度或吸收率之间的关系)被预先准备，并且预定成分的浓度或含量被确定。可替选地， “检测”可以是指其中没有使用这种校准曲线的方法。注意的是，以上的Pn结应该如下广义理解。在吸收层中，当与通过选择性扩散引入杂质元素的表面相反的表面侧上的区域是其中杂质浓度低得足以使杂质区域被视为本征半导体的杂质区域(也称作“i区域”)时，该 i区域和通过选择性扩散形成的杂质区域之间形成的结也包括在Pn结中。也就是说，以上提及的Pn结可以是pi结、ni结等。此外，pn结还包括其中pi结中的ρ浓度或ni结中的 η浓度非常低的情况。在所述扩散浓度分布控制层中，所述杂质元素的浓度分布可以从与所述吸收层相反侧上的约lX1018/cm3以上的高浓度降低至所述吸收层侧上的5X1016/cm3以下。在这种情况下，可以确保多量子阱结构的良好晶体质量，同时减小在顶表表面侧上设置的电极的界面电阻或者允许形成电极的欧姆接触。可以通过控制扩散浓度分布控制层的带隙能量使其小于如上所述的对应于MP的带隙能量的带隙能量，来减小由于扩散浓度分布控制层的一部分中杂质浓度低造成电阻增大或电气传导率减小的问题。所述吸收层可以具有II型量子阱结构。在这种情况下，在电磁波的吸收中，可以执行电子从高价带的层到低导带的层的跃迁。因此，可以容易地得到对较长波长中的光的敏感性。所述吸收层可以具有由(InGaAs/GaAsSb)组成的多量子阱结构或由(GaInNAs (P， Sb) /GaAsSb)组成的多量子阱结构。这里，(GaInNAs (P, Sb) /GaAsSb)意味着(GaInNAsP/ GaAsSb)、(GaInNAs Sb/GaAsSb)、(GaInNAsPSb) /GaAsSb)或(GaInNAs/GaAsSb)。在这种情况下，可以通过使用迄今为止积累的材料和技术容易地得到具有良好晶体质量和低暗电流的光接收元件。所述InP衬底可以是在[111]方向或[11_1]方向上相对于(100)倾斜5°至20° 的偏离角衬底。在这种情况下，可以得到包括吸收层的层压体，所述吸收层具有其中缺陷密度低并且具有良好晶体质量的多量子阱结构。因此，可以得到其中暗电流被抑制并且暗点数目少的吸收层。所述杂质元素可以是锌(Si)，并且所述扩散浓度分布控制层可以由InGaAs组成。 在这种情况下，扩散浓度分布控制层可以由电阻对杂质浓度依赖小的材料形成，即使在低杂质浓度下，所述材料具有的电阻也没有显著增大。通过抑制电阻增大来防止响应时间的劣化。另外，用作杂质的锌迄今为止广泛用于选择性扩散中，并且能够以高精度形成扩散区域。因此，可以防止扩散浓度分布控制层下侧上的电阻增大，同时在扩散浓度分布控制层中上侧(即，扩散引入侧)的高杂质浓度向着下侧(即，吸收层侧)减少。因此，可以防止在具有多量子阱结构的吸收层中形成具有高杂质浓度的区域。结果，可以在不降低响应性的情况下，得到具有良好晶体质量且具有量子阱结构的光接收元件。注意的是，InGaAs的带隙能量为0. 75eV。InP窗口层可以设置在所述扩散浓度分布控制层上。由InP组成的窗口层的形成没有降低内部设置的半导体堆叠结构的晶体质量。因此，当采用其中外延层设置在入射表面侧上的结构时，InP窗口层还有效地用于抑制暗电流，同时防止例如在比吸收层更靠近入射侧的位置处的近红外光的吸收。此外，与用于在其他晶体表面上形成钝化膜的技术，例如用于在InGaAs表面上形成钝化膜的技术)相比，已经积累并且在技术上建立了用于在InP 晶体表面上形成钝化膜的技术。因此，可以容易地抑制表面上的电流泄漏。在InP衬底、构成吸收层的量子阱结构的各个层和扩散浓度分布控制层中的任两者中，晶格匹配度(I Aa/' a' I 其中，a代表晶格参数并且Aa代表两者之间的晶格参数差)可以是0.002以下。通过采用这种构造，可以通过使用共同可利用的InP衬底来得到具有良好晶体质量的吸收层。因此，在具有的波长为1.8μπι以上的近红外光的光接收元件或光接收元件阵列中，可以显著抑制暗电流。可以一维排列或二维地排列多个光接收元件。在光接收元件阵列中，多个光接收元件包括公共的半导体堆叠结构，通过选择性扩散将杂质元素引入到用于光接收元件中的每个的吸收层，并且光接收元件被布置成一维或二维。根据这种构造，由于光接收元件形成在各个杂质扩散区域中，因此不需要设置元件分离沟槽。因此，可以形成以高精度容易形成并且其中暗电流可以减小的光接收元件阵列。所述气体监测装置可以包括所述光接收元件的二维阵列，并且可以利用所述成像装置来形成所述气体中的所述气体成分的浓度分布和温度分布的图像。在这种情况下，可以得到目标对象中包含的预定成分的分布图像，容易在视觉上理解所述分布图像。在所述光接收元件中，所述外延层顶侧可以用作光入射表面，所述外延层顶侧与所述InP衬底侧相反并且所述吸收层位于其间，或者所述InP衬底侧可以用作所述光入射表面并且可以去除InP衬底或者所述InP衬底的厚度可以减小成与所述吸收层的厚度相同的厚度以下。在这种情况下，可以防止可见区域至近红外区域中的光由InP衬底吸收，并且可以提高比近红外区域的波长短的波长处的敏感性。结果，可以监测从火焰发射光的颜色、燃烧期间的垃圾、煤烟、变色传感器等，并且可以实现所检测内容的延伸和检测精度的提高。至于来自气体的光，可以监测气体成分等(气体成分、气体中的漂浮物等)的吸收光谱和/或发射光谱。因此，除了气体成分浓度之外，还可以监测气体的温度等。本发明的燃烧状态监测装置包括上述气体监测装置中的任何一种，其中诸如燃料或垃圾的物质的燃烧状态被监测。通过采用这种构造，例如，可以保持合适的燃烧状态，同时抑制诸如NOx的有害气体的产生。本发明的长期变化监测装置包括上述气体监测装置中的任何一种，其中，由器械中的长期变化而产生的气体成分被监测。通过采用这种构造，例如，可以检测用于电力传输的OF线缆的长期劣化，以防止发生事故。本发明的杂质浓度监测装置包括上述气体监测装置中的任何一种，其中从外部引入的气体中包含的杂质的气体成分的浓度被监测。通过采用这种构造，例如，在使用高纯度工艺气体的半导体制造中，监测诸如水分的微量有害杂质，并且因此可以采取迅速的动作。 结果，可以保持所得到产品的质量。
本发明的有益效果根据本发明的气体监测装置和包括该气体监测装置的燃烧状态监测装置等，可以通过使用InP基光接收元件以高敏感性来检测气体中包含的气体成分，其中，在不提供冷却机制的情况下暗电流减小并且敏感性延伸到1. 8 μ m以上的波长。


图1是示出根据本发明的实施例1的光接收元件的横截面图。图2是示出图1所示的光接收元件中的Si浓度分布的图。图3是示出根据本发明的实施例1的光接收元件阵列的横截面图。图4是与本发明不同的参考实例1的光接收元件的横截面图。图5是示出图4所示的光接收元件中的Si浓度分布的图。图6是与本发明不同的参考实例2的光接收元件的横截面图。图7是示出图6所示的光接收元件中的Si浓度分布的图。图8是示出根据本发明的实施例2的成像装置概况的视图。图9是示出图8所示的成像装置的光接收元件阵列的视图。图10是示出图9所示的光接收元件阵列中的一个光接收元件的视图。图11是外延面朝上安装的光接收元件的横截面图。图12是外延面朝下(倒装芯片)安装的光接收元件的横截面图。图13是示出根据本发明的实施例3的气体监测装置(1)的视图。图14是示出图13所示气体监测装置⑴附着到OF线缆的油中气体分离单元的状态的视图。图15是示出氢传感器和穿过氢传感器设置的光纤维的视图。图16是示出OF线缆的长期劣化水平和气体成分之间关系的实例的曲线图。图17是示出适于除了近红外区域中的敏感性之外的可见范围中的敏感性是必须的这种情况的本发明的光接收元件实例的视图。图18是示出图13所示的气体监测装置(1)的修改形式的视图。图19是示出图19所使用的氢传感器的视图。图20是示出根据本发明的实施例4的气体监测装置O)的燃烧状态监测装置的视图。图21是示出火焰光的光谱实例的视图。图22是示出根据本发明的实施例5的气体监测装置(3)的温度分布测量装置的视图。图23是示出图22所示的气体监测装置(3)中的成像装置的视图。图对是示出用于说明图22所示的气体监测装置(3)原理的水的发射光谱的曲线图。图25是示出用于说明图22所示的气体监测装置(3)原理的水的吸收光谱的曲线图。图沈是示出根据本发明的实施例6的气体监测装置(4)的杂质监测装置的视图。图27是实例中使用的光接收元件阵列的局部横截面图。
图观是示出元件之间距离和实例中测量的暗电流之间的关系的曲线图。图四是示出实例中的在深度方向上的Si浓度分布的曲线图。
具体实施例方式(实施例1-半导体光接收元件阵列的结构)图1是示出根据本发明实施例的光接收元件10的横截面图。参照图1，光接收元件 10包括设置在InP衬底1上并且具有以下结构的III-V族半导体堆叠结构(外延晶片)。(InP衬底1/InP缓冲层2/具有由InGaAs或feJnNAs和GaAsSb组成的多量子阱结构/InGaAs扩散浓度分布控制层4/lnP窗口层5)通过从由SiN膜组成的选择性扩散掩模图案36的开口选择性地扩散作为ρ型杂质的Zn，来形成从InP窗口层5延伸到具有多量子阱结构的吸收层3的ρ型区域6。通过使用由SiN膜组成的选择性扩散掩模图案36来执行扩散，可以通过扩散将ρ型杂质引入到光接收元件10的外周部的内部中，使得外周部中的扩散被二维地限制。 由AuSi组成的P侧电极11和由AuGeNi组成的η侧电极12分别设置在ρ型区域 6和InP衬底1的反面上，以便形成欧姆接触。在这种情况下，InP衬底1被掺杂η型杂质， 以便具有预定水平的电气传导率。在InP衬底1的反面上还设置由SiON组成的抗反射膜 35，使得当光从InP衬底的反面侧入射时还可以使用光接收元件10。在与ρ型区域6的边界前部相对应的位置处具有多量子阱结构的吸收层3中，形成ρη结。通过在ρ侧电极11和η侧电极12之间施加反向偏置电压，在其中η型杂质浓度低(η型杂质本底)的侧上更大范围地产生耗尽层。具有多量子阱结构的吸收层3中的本底具有约5Χ 1015/cm3以下的η型杂质浓度(载流子浓度)。ρη结的位置15由具有多量子阱的吸收层3的本底(η型载流子浓度)和用作ρ型杂质的Si浓度分布之间的交点来确定。 也就是说，ρη结15位于图2所示的位置处。在扩散浓度分布控制层4中，从^P窗口层5的表面5a选择性扩散的ρ型杂质的浓度从InP窗口层侧的高浓度区域急剧地降低到吸收层侧。因此，在吸收层3中，可以实现 5X IO1Vcm3以下的Si浓度作为杂质浓度。在图2中，在吸收层3中实现约lX1016/cm3以下的较低Si浓度。由于本发明针对的光接收元件10的目标在于在从近红外区域至其长波长侧的范围中具有敏感性，因此窗口层优选地由具有的带隙能量大于吸收层3的带隙能量的材料组成。为此，通常使用InP作为窗口层，InP是具有的带隙能量大于吸收层的带隙能量并具有良好晶格匹配度的材料。可替选地，还可以使用InAlAs，其具有的带隙能量基本上等于hP 的带隙能量。(本实施例的光接收元件阵列的要点)本实施例的特征在于包括以下的因素。1.当通过选择性地扩散来将高浓度杂质引入到多量子阱结构时，多量子阱结构被破坏。因此，必须的是将通过选择性地扩散引入的杂质量抑制为低。总的来说，必须的是将通过扩散引入的P型杂质浓度控制为5X IOlfVcm3以下。2.为了在实际生产过程中以良好的可重复性稳定地实现以上低浓度的ρ型杂质， 在吸收层3上设置由InGaAs组成的扩散浓度分布控制层4。如果在扩散浓度分布控制层4中，吸收层侧处的厚度范围具有以上提及的低杂质浓度，则低杂质浓度范围中的导电特性降低或者低杂质浓度范围中的电阻增大。当扩散浓度分布控制层4中的低杂质浓度范围的导电特性降低时，响应性降低，以及例如，不能得到良好的运动图像。然而，在扩散浓度分布控制层由具有的带隙能量比与^P的带隙能量相对应的带隙能量小的材料来形成，具体来讲，由具有的带隙能量小于1. 34eV的III-V族半导体材料形成的情况下，即使杂质浓度低， 导电特性不会非常明显地降低。满足以上扩散浓度分布控制层要求的III-V族半导体材料的实例是InGaAs。将更详细地描述将吸收层的杂质浓度控制为5X IOlfVcm3以下的原因。如果吸收层 3中的Si浓度超过5X1017cm3，则因为例如ρ型杂质(Zn)的选择性地扩散的深度增加，所以在具有Si浓度大于1 X IO17Cm3的所得的高浓度部分中，构成量子阱层的InGaAs和GaAsSb 的原子彼此混乱，由此超晶格结构被破坏。破坏部分的晶体质量劣化，由此元件特性劣化， 例如，暗电流增大。这里，通常通过二次离子质谱仪(SIMQ来测量Si浓度。然而，难以分析数量级为IO17CnT3或IO16CnT3的浓度，并且产生相对大的测量误差。以上的详细描述涉及讨论关于具有双倍精度或一半精度的Si浓度值，并且这是由测量精度的这种粗糙度所导致的。因此，例如，因为测量精度低，所以讨论5X IOlfVcm3和6X IOlfVcm3之间的差是困难的，并且不是非常明显的。通过使用具有窄带隙能量的材料作为扩散浓度分布控制层，即使在低杂质浓度处，也可以抑制电阻的增加。相信的是，通过由电容和电阻确定的CR时间常数来确定对施加反向偏置电压等的响应时间。因此，可以通过抑制如上所述的电阻R增加来缩短响应时间。3.在本实施例中，多量子阱结构具有II型结构。在I型量子阱结构中，在包括其中具有小带隙能量的半导体层夹在具有大带隙能量的半导体层之间以便提供近红外区域中的敏感性的结构的光接收元件的情况下，通过具有小带隙能量的半导体层的带隙来确定敏感性的波长(截止波长)的上限。也就是说，由光引起的电子和空穴的跃迁在具有小带隙能量的半导体层中执行(直接跃迁)。在这种情况下，在III-V族化合物半导体之中，将截止波长延伸至长波长范围的材料是非常有限的。相比之下，在II型量子阱结构中，当具有相同费米能量的两种不同类型的半导体层交替堆叠时，第一半导体的导带和第二半导体的价带之间的能量差确定敏感性的波长(截止波长)的上限。也就是说，在第二半导体的价带和第一半导体的导带之间执行由光造成的电子或空穴的跃迁(间接跃迁)。因此，通过控制第二半导体的价带能量使其高于第一半导体的价带的能量，并且控制第一半导体的导带的能量使其低于第二半导体的导带的能量，与单个半导体中执行直接跃迁的情况相比， 敏感性能够容易地延伸到长波长侧。4.如上所述，通过扩散将ρ型杂质引入到光接收元件的外周部的内部中，使得通过使用选择性地扩散掩模图案来执行选择性扩散，使外周部中的扩散被二维地受限。因此， 上述Pn结没有暴露在光接收元件的边缘上。结果，光电流的泄漏被抑制。图3是示出其中上述多个光接收元件10被布置在包括公共InP衬底的外延晶片上的光接收元件阵列50的横截面图。这种光接收元件阵列50的特征在于在没有元件分离沟槽的情况下布置多个光接收元件10。如以上的第4项所描述的，ρ型区域6被限制在光接收元件中的每个内，并且与相邻的光接收元件可靠地分离。吸收层3被形成为具有多量子阱结构，扩散浓度分布控制层4布置在吸收层3上，并且吸收层3中的ρ型杂质浓度被控制为5X IOlfVcm3以下。这些要点等与图1所示的光接收元件10的要点相同。接着，将描述用于制造图1所示的光接收元件10的方法。具有的厚度为2μπι的 InP缓冲层2或InGaAs缓冲层2被沉积在η型InP衬底1上。随后，形成具有由(InGaAs/ GaAsSb)或(fe^nNAs/GaAsSb)组成的多量子阱结构的吸收层3。形成单元量子阱结构的 InGaAs层(或fe^nNAs层)的厚度为5nm，并且对的数目(单元量子阱的重复数目)是300。 随后，作为用于通过扩散引入Si的扩散浓度分布控制层4，具有的厚度为lymm InGaAs层在吸收层3上外延地生长。最后，接着外延生长具有的厚度为Iym的InP窗口层5。优选地，通过分子束外延(MBE)法来外延地生长吸收层3和扩散浓度分布控制层4。可以通过 MBE法来外延生长InP窗口层5。可替选地，可以在生长扩散浓度控制层4之后从MBE设备中取出InP衬底1，并且可以通过金属有机气相外延(MOVPE)法来外延生长MP窗口层5。InP缓冲层2或InGaAs缓冲层2可以不被掺杂或者可以被掺杂有浓度为约 1 X IO1Vcm3 的诸如硅(Si)的 η 型掺杂剂。具有由 InGaAs/GaAsSb (或 GaInNAs/GaAsSb)组成的多量子阱结构的吸收层3、由InGaAs组成的扩散浓度分布控制层4和InP窗口层5优选地不被掺杂。然而，这些层可以被掺杂有极微量(例如，约2X1015/cm3)的诸如Si的η型掺杂剂。此外，用于形成η侧电极的高浓度η侧电极形成层、被掺杂有约IXlO18Cm3的η型掺杂剂的η侧电极形成层可以被插入在InP衬底1和缓冲层2之间。InP衬底1可以是掺杂！^的半绝缘InP衬底。在这种情况下，掺杂有约1 X IO1Vcm3的η型掺杂剂的η侧电极形成层被插入在半绝缘InP衬底1和缓冲层2之间。使用包括上述InP衬底1的堆叠结构(外延晶片)来生产光学装置。从形成在hP 窗口层5的表面fe上的SiN掩模图案36的开口，执行对Si的选择性扩散。因此，ρ型区域 6被形成为在具有InGaAs/GaAsSb (或feJnNAs/GaAsSb)多量子阱结构的吸收层3中延伸。 P型区域6的前端部形成pn结15。在这种情况下，具有约1 X IO1Vcm3以上的Si浓度的高浓度区域被限制在InGaAs扩散浓度分布控制层4中。也就是说，以上的高浓度杂质分布从 InP窗口层5的表面fe在深度方向上继续到InGaAs扩散浓度分布控制层4的内部，并且在扩散浓度分布控制层4中的较深位置处降低至5X IOlfVcm3以下。pn结15附近的Si浓度分布示出渐变型结。至于光接收元件10的一维或二维布置，也就是说，图3所示的光接收元件阵列，通过执行Si的选择性扩散(被二维限制使得扩散部分设置在每个光接收元件的外周部内的扩散)，相邻的光接收元件彼此分离，而不用执行用于元件分离的台面蚀刻。具体来讲，Zn 选择性扩散区域6构成一个光接收元件10的主要部分并且形成一个像素，并且其中不扩散 Si的区域将各个像素彼此分开。因此，光接收元件阵列没有经受(例如)由于台面蚀刻造成的晶体损伤，并因此可以抑制暗电流。PTL 7所描述的关注是，在通过杂质的选择性扩散而形成pn结的情况下，元件之间的距离不能降低到特定尺度以下，这是因为杂质不仅在深度方向上扩散，而且在横向方向(与深度方向正交的方向)上扩散。然而，根据ai的选择性扩散的实验结果，确认的是， 在其中InP窗口层5布置在顶表面上且InGaAs扩散浓度分布控制层4布置在InP窗口层5 下方的结构中，在横向方向上的扩散面积基本上等于或小于在深度方向上的扩散面积。也就是说，在Si的选择性扩散中，虽然Si在横向方向上扩散使得扩散区域的直径大于掩模图案的开口直径，但是横向扩散的程度小并且区域仅略微从掩模图案的开口扩张，如例如图1 和图3所示意性示出的。图4是与本发明不同的参考实例1的光接收元件110的横截面图。参考实例1的光接收元件110具有以下的堆叠结构。(InP衬底10/InP或InGaAs缓冲层102/具有(feJnNAs/GaAsSb)多量子阱结构的吸收层103/InP窗口层105)这种堆叠结构与本发明实施例的堆叠结构的不同之处在于，不提供扩散浓度分布控制层。也就是说，具有多量子阱结构的吸收层103被设置在hP窗口层105正下方。当不提供扩散浓度分布控制层时，如图5中所示，例如，关于Si浓度分布，高浓度区域延伸到具有多量子阱结构的吸收层103。具体来讲，在多量子阱结构中形成具有 1乂1018八!113(其超过5\1016八1113)的浓度的高浓度杂质区域。当在多量子阱结构中引入高浓度杂质时，结构被破坏，并且暗电流显著增加。为了防止在多量子阱结构中形成这种高浓度杂质区域，形成扩散浓度分布控制层，然后执行选择性扩散。然而，存在用于实现以下关于Si的选择性扩散的想法的可能性。(1)通过扩散进行引入所需的时间被限制为短时间，使得高浓度区域没有达到多量子阱结构103。(2) InP窗口层105的厚度增大，使得InP窗口层105具有扩散浓度分布控制层的功能。图6是示出用于检验上述的(1)和(2)情况的参考实例2的光接收元件110的横截面图。参考实例2的光接收元件110具有与参考实例1的光接收元件的堆叠结构基本相同的堆叠结构，但是InP窗口层105的厚度大于参考实例1的厚度。参考实例2的光接收元件110对应于以上⑵的情况，但是还可以用于检验以上(1)的情况。在图6所示的堆叠结构中，执行选择性扩散，使得在多量子阱结构103中不形成Si的高浓度区域。因此，得到图7所示的Si浓度分布。在图7所示的Si浓度分布的情况下，在^iP窗口层105中，Zn 浓度从高浓度急剧减少至低浓度，并且具有浓度为约1 X IO1Vcm3的低浓度杂质区域被形成在吸收层侧处的MP窗口层105中。当在MP窗口层105中形成具有浓度为约IXlOlfVcm3的这种低浓度杂质区域时， 区域中的电阻增大，由此响应时间降低，如以上重复描述的。因此，扩散浓度分布控制层的功能不能被提供到具有带隙能量的材料，所述带隙能量大得足以形成由这类典型材料构成的窗口层，具体来讲，形成LP窗口层105。这适用于以上⑴和(2)的情况。因此，优选地，使用具有的带隙能量对应于MP的带隙能量以下的材料，具体来讲，满足带隙能量小于 1. 34eV的材料作为扩散浓度控制层。也就是说，必须的是使用诸如^GaAs的材料，在该材料中，即使在低浓度杂质区域中，电气传导率的降低也相对小并且电阻的增大也相对小。(实施例2—用于气体监测的成像装置的结构)图8是示出根据本发明的实施例2的用于气体监测的成像装置(光接收元件阵列)的概况的视图。省略了聚焦于预定范围中气体上的、诸如透镜的光学构件。图9是示出成像装置的光接收元件阵列的视图。图10是示出图9所示的光接收元件阵列50中的单个光接收元件的视图。在图8中，在成像装置70中，形成在公共InP衬底51上的光接收元件10被外延面朝下地安装，使得光接收元件10的外延层侧面对具有安装基板功能的多路复用器71。电连接到光接收元件10中的每个的外延层的ρ型区域6的ρ侧电极11以及设置在公共η型InP衬底51 (1)上的η侧电极12被连接到多路复用器71并且将电信号发送到多路复用器71。多路复用器71从光接收元件中的每个接收电信号并且在已对气体执行聚焦的预定范围中执行用于形成整个图像的过程。η侧电极12和ρ侧电极11分别经由焊料凸块12b和lib被电连接到多路复用器71。入射光通过InP衬底51的反面上形成的抗反射(AR)膜35进入并且被接收在pn结15中，pn结15是ρ型区域6和吸收层3之间的边界面。从Si扩散掩模36的开口引入ρ型区域6，该Si扩散掩模36由SiN组成并且还用作保护膜。将&扩散掩模图案36按原样与用作保护膜并设置在掩模图案36上的SiON膜图案43 —起留下。现在，将分别参照图9和图10详细描述光接收元件阵列和光接收元件中的每个的结构。在图9中，在公共InP衬底51(1)上设置光接收元件阵列50的光接收元件10。将通过在每个光接收元件中接收短波红外(SWIR)带中的光而产生的电流信号发送到多路复用器71并且经历如上所述用于形成图像的过程，多路复用器71还用作安装基板。通过改变每个光接收元件的尺寸和节距以及阵列的尺寸来改变像素的数目。图9中所示的光接收元件阵列50具有90000个像素。图10中所示出的光接收元件10包括形成在InP衬底1 上的多个外延膜。用于引入P型杂质的扩散掩模36留在光接收元件10中，扩散掩模36已经用于形成P型区域6。ρ部电极11连接到ρ型区域6，并且经由焊料凸块等例如被连接到诸如多路复用器71的安装基板的布线。图11是示出与图8所示的外延面朝下的光接收元件不同的、被外延面朝上地安装的光接收元件的横截面图。在本发明中，成像装置中的光接收元件可以是被外延面朝下地安装或者被外延面朝上地安装。在该光接收元件10中，从底部开始，在η型InP衬底1上， 顺序地设置η型InP缓冲层2、吸收层3、扩散浓度分布控制层4、ΙηΡ窗口层5、扩散掩模36 和AR膜35。ρ型区域6被形成为从MP窗口层5通过扩散浓度分布控制层4延伸到吸收层3中的pn结15。另外，η侧电极12设置在η型hP衬底的反面上。ρ侧电极11设置在 P型区域6的hP窗口层5的表面上并且电连接到布线电极27。在本实施例中，吸收层3 接收具有波长范围为1. 0至3. 0 μ m的光。具体来讲，吸收层3由上述II型多量子阱结构来形成。图11所示的光接收元件是如上所述被外延面朝上地安装。光从外延层侧，即，从 InP窗口层5侧入射。本实施例的光接收元件可以被外延面朝上地安装或者被外延面朝下地安装。如图12中所示，光接收元件10可以被外延面朝下地安装，并且光可以从M5衬底 1的反面侧入射。在图12所示的外延面朝下安装的光接收元件10的情况下，AR膜35设置在InP衬底1的反面上。如与外延面朝上安装的情况一样，设置扩散浓度控制层4、InP窗口层5、ρ侧电极11和也用作保护膜的SiN扩散掩模36。在图12所示的外延面朝下的安装中，对于S^WRS中的光，构成InP衬底等的InP是透明的。因此，S^WRS中的光到达吸收层3的pn结15，而没有被吸收。另外，在图12所示的结构中，吸收层由上述II型多量子阱结构形成。除非另有说明，这也适用于下述本发明的实施例。如图11中所示，ρ侧电极11和η侧电极12可以布置在彼此面对的位置处，并且 InP衬底1位于其间。可替选地，如图12中所示，ρ侧电极11和η侧电极12可以布置在 InP衬底1的同一侧上的位置处。在图12所示的结构中，图9所示的光接收元件阵列50的各光接收元件10通过倒装芯片安装被电连接到集成电路。在具有图11和图12所示的结构的光接收元件中，入射到pn结15上的光被吸收，以产生电流信号。通过集成电路，将电流信号中的每个转换成一个像素的图像，如上所述。优选地，InP衬底1是在[111]方向或[11_1]方向上相对于(100)倾斜5度至20 度的偏离角衬底。更优选地，衬底在[111]方向或[11-1]方向上相对于(100)倾斜10度至15度。通过使用具有大偏离角的这种衬底，可以得到η型InP缓冲层2、具有II型量子阱结构的吸收层3、InGaAS扩散浓度分布控制层4和InP窗口层5，这些层都具有低缺陷密度和良好的晶体质量。结果，可以得到其中暗电流被抑制并且暗点数目少的吸收层。因此， 可以得到吸收层，其能够显著提高接收S^WR带中的微弱宇宙光以获得图像的装置的性能。 也就是说，使用以上提及的偏离角衬底形成的光接收元件的操作尤其有益于提高接收宇宙光以获得图像的成像装置的质量。迄今为止没有提出以上提及的MP衬底的大偏离角度，以及由于使用这种MP衬底造成的以上优点已由本发明的发明者首次确认。InP衬底的大偏离角是在InP衬底上生长具有良好晶体特性的外延膜的情况下的重要因素。例如，在具有上述量子阱结构的吸收层3的情况下，推测能够发射并接收长波长范围中的光的吸收层3包含含氮(N)化合物半导体，例如，fe^nNAs，事实上，吸收层3不能形成为可以经受实际使用的令人满意的外延层，除非使用了具有这种大偏离角的InP衬底。也就是说，例如fe^nNAs的含氮化合物半导体不能形成为其中暗电流被抑制并且暗点的数目减少的吸收层，除非使用了具有上述大偏离角的这种InP衬底。因此，不可能使用S^WR带中的弱宇宙光得到清晰图像。不仅引用作为以上实例的fe^nNAs而且GahNAsP和^JnNAsSb的共同之处在于，为了得到良好的晶体质量，以上提及的InP衬底的大偏离角范围是必须的。图11和图12所示的每个光接收元件10包括被设置成覆盖吸收层3的InGaAs扩散浓度控制层4和InP窗口层5。由于吸收层3的晶格参数与InP衬底1的晶格参数相同， 因此能可靠减少暗电流的InGaAs扩散浓度控制层4和hP窗口层5可以形成在吸收层3 上。因此，可以抑制暗电流，以提高元件的可靠性。(实施例3气体监测装置(I)-OF线缆的长期劣化的监测装置)图13是示出根据本发明的实施例3的气体监测装置100的视图。气体监测装置 100监测用于电力等传输的OF线缆的长期劣化。如图14中所示，气体监测装置100检测 OF线缆中设置的油中气体分离单元40中存在的气体成分。图15是示出气体监测装置100 中的波导中的氢传感器45的视图。在参照图13至图15描述气体监测装置100的结构之前，将描述可以通过检测OF线缆的油中气体分离单元40中包含的气体成分来监测长期劣化的原因。图16是示出甲烷CH4和乙炔C2H2的浓度的曲线图，甲烷CH4和乙炔C2H2是油中气体分离单元40中包含的气体成分。可以通过检测甲烷和乙炔的浓度来确定劣化的大致程度。在图16中，基于甲烷和乙炔的浓度，结果被分成A、B、C和D四组。紧接在分析了气体成分之后，将OF线缆解体，以检验劣化程度。观察结果和以上四组之间的如下关系。组A 线缆部分的破裂等组B:芯的褪色等组C:连接部分中的电晕放电凹陷等
组D —些连接片略微变化为蜡的状态，但是也观察到一些常规连接片。这些结果表明，从组D至组A，长期劣化程度增加。为了以较高精度检验长期劣化， 除了甲烷CH4和乙炔C2H2之外，必须检测氢气H2、乙烯C2H4、乙烷C2H6和一氧化碳CO。为了检测包括氢气吐的这些气体成分，使用图13至图15所示的装置。近红外区域中的以上气体成分的吸收光谱的峰值波长如下。乙炔 C2H2 :1· 5201 μ m一氧化碳 CO :1. 5688 μ m乙烯 C2H4 :1. 6245 μ m甲烧 CH4 :1. 6456 μ m乙烷 C2H6 :1. 6816 μ m氢气H2在近红外区域中没有吸收光谱，这是因为氢气由双原子分子组成并且不会发生偶极矩的变化。因此，为了检测氢气，通过接触氢气以吸收氢气而使其颜色发生变化的氢传感器45被布置成使得氢传感器45暴露在气体单元40中并且光传播路径穿过氢传感器45。通过氢传感器由于吸收氢气而变色，光传播路径中的近红外区域中的光衰减。因此， 由于近红外区域中发射光的量根据氢气浓度的量值而变化，因此可以通过光量的这种变化来检测氢气。在图13中，作为光源73，例如，可以使用卤素灯，其发射光，所述光具有的波长在近红外区域到可见区域的范围中。光从光引导端81a引导到光纤维，并且通过光分路单元 88a分成测量光和基准光。测量光被引导到光纤维81。基准光被引导到光纤维7c并且进入光路径开关8。测量光从光纤维81的发射端发射到油中气体分离单元或气体单元40。在气体单元40中，由于长期变化，导致含有氢气的以上气体成分混合。经受对应于近红外区域中的以上峰值波长的吸收的光从光引导端传播通过光纤维82，所述吸收不同于氢气的吸收。采用光分路单元88b对包括气体成分的吸收信息并且传播通过光纤维82的光进行分路。被分路的光成分之一入射到光路径开关8上同时包括所述信息。另一分路的光成分传播通过其颜色已经由氢气而发生变化的氢传感器45，穿过光纤维7b，并且入射到光路径开关8上。图15是示出氢传感器45的视图。氢传感器45包括作为主要组件的基板45a、光传播路径45b、WO3薄膜45c和Pd薄膜45d，基板45a由LiNbO3组成，光传播路径4 通过利用热扩散将钛Ti引入到基板中来形成，WO3薄膜45c通过利用真空蒸发在光传播路径4 上沉积WO3形成，Pd薄膜45d通过利用溅射在WO3薄膜45c上沉积Pd形成。光传播路径4 的两端被连接到光纤维7b (参照图13)。当该氢传感器45放置在含有氢气的气体单元40 中时，Pd薄膜45d用作催化剂并且WO3薄膜45c变色。结果，传播通过光传播路径4 的渐消失的光的衰减速率增大，并且近红外区域中透射的光量减少。透射光量的这种变化包括氢气浓度的信息。参照图13，三个光纤维7a、7b和7c被连接到光路径开关8。例如，当穿过光纤维 7a的光穿过光路径开关8时，包括除了氢气之外的气体成分信息的光从发射端82b发射。 这种光被透镜准直并且入射在衍射光栅91上。衍射光栅91光谱地分离光并且根据发射角度将具有各个波长的分离的光成分发射到光接收元件阵列50。光接收元件阵列50可以是一维阵列或二维阵列。阵列中的每个光接收元件预先根据其位置而对应于波长。因此，可以得到除了氢气之外的气体成分的吸收光谱，所述光谱包括基础噪声。不仅对于穿过光纤维7a的光而且对于穿过光纤维7c的基准光和穿过光纤维7b的透射过氢传感器的光，来执行这种光谱测量。通过光路径开关8对光纤维7a、7b和7c进行切换。光纤维的测量次序没有具体限制。例如，可以如下执行光谱的测量。(1)首先，确定穿过油中气体分离单元40 中设置的氢传感器45和穿过光纤维7c的光的光谱。在由于氢气而发生变色之前和之后， 对穿过氢传感器45的光进行这种测量。接着，(2)得到光纤维7c的基准光的光谱。(3)得到穿过油中气体分离单元40、然后穿过光纤维7a的光的光谱。可以通过基于以上光谱确定上述气体分量的吸收峰值波长处的强度来确定各个气体分量的浓度。至于氢气，预先确定近红外区域中的合适波长，并且可以基于氢传感器45 发生变色之前和之后之间的波长强度变化来确定氢气浓度。至于氢气浓度，可以使用可见光直接测量氢传感器45的变色程度。在这种情况下，通过InP衬底吸收包括位于近红外区域的短波长侧的可见范围的光。在其中光接收元件10布置成行的构造中，如图11中所示，优选地使用其中外延层的顶部用作光入射表面 (外延面朝上安装)并且InP衬底位于安装侧的光接收元件10。至于设置在公共InP衬底上的一维阵列，容易在单个公共InP衬底上形成图11所示的光接收元件10的结构。然而， 至于二维阵列的结构，难以提供从各个P侧电极延伸的布线，使得布线不干扰光。为此，至于公共InP衬底上的二维阵列50，如图17中所示，优选地使用如下结构外延层的顶部位于安装侧(外延面朝下安装)并且缓冲层2侧或吸收层3侧用作光入射侧。优选地，去除 InP衬底，或者InP衬底的厚度被减小为与吸收层3的厚度基本相同的尺度以下。在图17 中，去除了 InP衬底。在这种光接收元件阵列50中，公共η侧电极12连接到用于地电势的电极焊盘12c，电极焊盘12c设置在互补金属氧化物半导体(CMOS) 71上，并且使结合引线 12w位于其间。此外，ρ侧电极11中的每个连接到保护膜43中设置的相应的电极焊盘11c。 在这种光接收元件阵列50中，光接收元件可以被二维地布置在公共InP衬底上。因此，能够以良好的敏感性实现可见范围中的光，并且可以直接监测氢传感器90的变色。在本发明的该实施例的变形形式和下述的实施例4中，还将描述图17所示的光接收元件阵列50或成像装置40。根据已知技术(PTL 2)，在OF线缆的长期变化监测过程中，被调节成各个气体成分的吸收峰值波长的五个激光光源被布置成确定各个气体分量的浓度。另外，激光光源被调制，并且通过使用调制光来确定氢气浓度。在图13所示的气体监测装置100中，上述五个激光光源并不是必需的，并且调制器也不是必需的。结果，可以显著提高经济效率，并且可以显著简化监测装置。因此，为了防止损坏进行维修的需要降低，并且可以降低维修的频率。图18和图19是示出本发明的实施例3的修改形式的视图。这种修改形式与图13 所示的气体监测装置100等的共同之处在于，当在近红外区域中具有吸收带的气体成分和不具有吸收带的氢气共存时，确定氢气浓度和其他气体成分的浓度。这种修改形式与上述气体监测装置100的不同之处在于，没有光纤维穿过氢传感器45，并且传播通过气体的光穿过氢传感器45，以测量穿过氢传感器45的光的光谱。具体来讲，如图17中所示，氢传感器45包括透明玻璃基板45g和催化剂薄膜45f。例如，Pt、Pd、PdffO3或PtWO3可以用作催化剂。从光引导端81a通过光纤维81和透镜87引导到气体单元40的光穿过其中气体成分被混合的气体以及氢传感器45。然后，光通过另一透镜87被引导到光纤维82。随后的路径与图13所示的光纤维7a相同。在已知技术(PTL 1)中，激光光源的振荡频率被调节成氢传感器45的吸收带，并且当调制激光光源发射的双倍频率的波长范围被调节成碳氢化合物气体的吸收峰值波长。 根据这种方法，可以确定氢气浓度和其他气体成分的浓度，而不会彼此影响。在已知装置的情况下，调制器、用于温度控制的Peltier装置、相位灵敏度检测器和其他成分是必须的。 相比之下，图18和图19所示的光监测装置与非常简单的图13所示的装置具有相同构造。 另外，在图18和图19所示的装置中，图11所示的光接收元件或其一维阵列或图17所示的光接收元件阵列50可以用作光接收元件10或光接收元件阵列50。从检验氢传感器45变色的变化的角度来说，使用短波长范围中的吸收减少的这些光接收元件的使用是相当优选的。(实施例4气体监测装置O)-燃烧状态监测装置)图20是示出根据本发明的实施例4的气体监测装置或燃烧状态监测装置IOOc的视图。这种燃烧状态监测装置IOOc是一种被构造成用于诊断燃烧炉中火焰的燃烧状态的装置，其中，从接收火焰光的多个光学探针P1、P2等引导的火焰光的光谱被测量以执行高精度的诊断。出于环境污染保护的目的，所期望的是，在诸如锅炉的燃烧装置中不产生氮氧化物、煤烟和一氧化碳。为了形成燃烧状态，在燃烧炉中形成其中燃料和空气适当混合的火焰。必须的是，通过执行这种适当混合，在燃烧炉中没有形成极高温度区域并且没有形成极低温度区域。用于监测这种燃烧状态的装置实例是一种被构造成用于检测火焰发射光谱并用于基于这种光谱的特性来诊断燃烧状态的装置。根据本实施例的燃烧状态监测装置对应于这种装置。在图20所示的燃烧状态监测装置IOOc中，多个探针PI、P2…和Pn(或光引导端 82a)附着到锅炉的炉壁，使得火焰光被引导到多个光纤维82。光纤维82连接到光路径开关8。只由光路径开关8所选择光路径的光纤维变为接通状态，并且光穿过光纤维。在接通状态的光路径的光从光纤维的发射端82b发射到透镜87。由透镜87准直的光被衍射光栅 91衍射，并且每个波长的光被光接收元件阵列50接收。光接收元件阵列50可以是形成在公共InP衬底上的一维阵列或两维阵列，或者其中布置了各个光接收元件10的阵列。至于这种光接收元件阵列50，如图21中所示，煤烟的发射光谱延伸到可见范围。因此，如上所述，当各个光接收元件10布置成行时，优选地，如图11中所示，外延层的顶部用作光入射表面(外延面朝上安装)并且InP衬底位于安装侧。至于一维阵列，容易制造如下结构图11 所示的光接收元件10被一维地布置在单个公共InP衬底上。另一方面，为了在公共InP衬底上得到二维阵列50，如图17中所示，外延层的顶部位于安装侧并且缓冲层2侧和吸收层 3侧用作光入射表面(外延面朝下安装)。优选地，去除InP衬底，或者减少InP衬底的厚度。因此，能够以高敏感性接收可见区中的光，并且能够以高敏感性监测煤烟的发射光谱。根据已知技术(PTL 3)，多个干涉滤光器附着到回转台，并且使用其中堆叠了硅光电二极管和PbS光电导元件的双层元件作为光接收元件。所需的双层光接收元件的数目与干涉滤光器的数目相同，并且光接收元件还附着到回转台。图20所示的燃烧状态监测装置 IOOc不需要回转台、干涉滤光器或双层光接收元件，并且可以比现有装置明显简化。这种明显简化提高了测量精度，降低了用于燃烧状态监测装置所需的维修频率并且降低了装置的生产成本。(实施例5:气体监测装置(3)_垃圾燃烧中的温度分布测量装置(温度照相机))图22示出用于得到燃烧器中垃圾的温度分布的温度分布测量装置100d。图23是示出温度分布成像装置阳的视图。在燃烧器中，碳或碳氢化合物以凝聚状态存在，并因此其存在形式不适用于燃料。因此，煤烟的数量小，并且存在大量水分。图M示出燃烧器中的近红外光谱，并且明显观察到水的发射光谱波长入2和λ3。在本实施例中，通过使用水的发射光谱根据温度变化的现象并且结合图25所示水的吸收光谱，来监测水的浓度和温度。 在图25中，分别使用具有尺寸为IOmm和Imm的比色管来测量(Kl)和(Κ2)。由于发射光谱的强度还与水的浓度成比例，因此难以只使用两个发射峰值波长以高精度执行测量。因此， 还使用吸收光谱。在温度分布成像装置55中，干涉滤光器55是重要的。干涉滤光器55是在以上提及的水的发射峰值波长λ 2和λ 3处具有发射波长并且具有多个吸收峰值波长的滤光器。例如，关于吸收峰值波长，如图25中所示，吸收光谱在近红外区域中具有两个尖峰Μ2和Μ3。干涉滤光器5 被构造成用于使具有这些波长的光从中穿过。因此，干涉滤光器5 包括总共四种类型的滤光器或具有总共四个发射波长结合以上提及的两个发射峰值波长的滤光器。 优选地，提供自动选择机制，以通过外部操作来自动地选择这四种类型的干涉滤光器。诸如透镜的光学系统55c还优选地包括自动执行聚焦的自动聚焦机构。例如，根据以上四种类型的干涉滤光器，相对于具有四个波长的光成分来捕获垃圾或垃圾的稍靠上部的图像。因此，可以得到与四个波长相对应的图像。以上波长处的光成分的强度可以预先针对空气来确定，其中，改变水蒸气温度和水蒸气浓度以确定温度的回归公式。这种温度回归公式被存储在控制单元的微计算机8 中。通过以上的成像，可以得到每个位置处的各个波长的强度。通过使用以上的温度回归公式，可以确定每个位置处的温度。通过以此方式监测水的温度和浓度这两者，能够以高精度来检测垃圾的燃烧状态。根据已知技术(PTL 4)，多个温度传感器布置在燃烧器中。然而，可以通过布置本实施例的装置，在焚烧炉的上部或顶部来减少温度传感器的数目。(实施例6气体监测装置G)-用于监测工艺气体中杂质的装置)图沈是示出用于监测气体中包含的杂质的装置100e，装置IOOe是根据本发明实施例6的气体监测装置。这种装置是NPL 2中公开的装置。具有发射波长大约为1371 μ m 的半导体激光(对应于图25所示的似)用作光源73，并且使用分束器93和镜子94将光分成两束。一束穿过引入了测量目标的工艺气体的样品管，以及另一束用作用于取消的光束。 为了测量光强度以便去除直流噪声分量，来执行锁定检测。本实施例的装置和NPL 2中公开的装置之间的差异是光电检测器(光接收元件)10a和IOb的内容。具有前置放大器的锗光电二极管用在NPL 2中，然而图10或图11 中所示的光接收元件用在本实施例中。因此，能够以高敏感性来实现其中暗电流小的仅红外区域中的光谱技术。此外，不仅可以选择单个波长，而且可以选择图25所示的吸收峰值波长中的任一个。因此，通过与图25中的Ml至M3相对应的准备半导体激光器装置，可以监测三个波长处的水分浓度。因此，能够以较高精度来监测作为在工艺气体中最不期望的杂质的水分浓度。
实例-关于半导体光接收元件阵列的结构的实例-本发明的像素节距或光接收元件阵列的元件之间距离可以降低的程度通过使用图27所示的光接收元件阵列的实例来检验。光接收元件之间的距离或像素节距是SiN选择性扩散掩模图案36的掩模部分的宽度，如图27中所示。在选择性扩散Si之后，形成由 AuZn制成的ρ侧电极11和由AuGeNi制成的η侧电极12。在图3的情况下，由于掺杂！^ 的半绝缘衬底用作InP衬底1，因此η侧电极12设置在含有高浓度杂质的缓冲层2上。在其中η型InP衬底1用作图1所示的情况下，η侧电极可以设置在衬底的反面上，或者η侧电极可以设置在与衬底的顶表面侧的衬底相邻的η型半导体层(例如，缓冲层幻上。在该实例中，在图3所示的光接收元件阵列的ρ侧电极11和η侧电极12之间施加5V的反向偏置电压，并且测量暗电流。制造了具有0. 6 μ m和1. 6 μ m这两种MP窗口层5的厚度以及七种范围为3至20 μ m的元件之间距离的光接收元件阵列，并且测量暗电流。扩散浓度分布控制层4的厚度为1 μ m。在图观中示出结果。参照图观，在其中InP窗口层5具有0. 6 μ m的小厚度的情况下，即使元件之间距离或像素节距减小为5μπι时，也可以将暗电流抑制为IXKTkiA(安培)。在其中InP窗口层5具有1. 6 μ m的厚度的情况下，Si的扩散如上所述地在横向方向上扩张。因此，除非元件之间距离超过7 μ m，否则不能将暗电流抑制为IX ΙΟ,Α。然而，在该实例中，确认的是，通过将^iP窗口层5的厚度降低为0. 6μπι并且布置扩散浓度分布控制层，元件之间距离可以减小为5 μ m。通过用SIMS分析在深度方向上的Si浓度分布，来检验扩散浓度分布控制层4的功能。图四示出在深度方向上的Si的浓度分布。参照^GaAs扩散浓度分布控制层4和吸收层3之间的边界面处的图29，Zn堆积的峰值被抑制为5X IO16CnT3以下。因此，在吸收层3的η型载流子浓度和Si浓度的本底的交叉位置(由附图中的圆圈表示)处形成的ρη 结中，可以可靠地降低Si浓度，并且可以防止晶体质量等的劣化。另外，通过布置该扩散浓度分布控制层4，变得可以使吸收层的多量子阱结构实现其初始功能。以上已描述了本发明的实施例和实例。以上公开的本发明的实施例和实例只是示例性的，并且本发明的范围不限于本发明的这些实施例。要理解的是，本发明的范围不受权利要求书的描述限制并且包括权利要求书中描述的等价物以及权利要求书范围内的所有变形形式。工业适用性根据本发明，与用于检验食物质量的现有装置相比，可以通过显著提高InP基PD 的性能来执行高精度的检验。因此，本发明有助于食物的可靠性。另外，本发明可以带来诸如实现品牌食物辨识的分辨率。附图标记列表1 InP衬底，2缓冲层，3具有多量子阱结构的吸收层，4扩散浓度分布控制层，5 InP窗口层，5a窗口层的表面，6 ρ型区域，7a、7b和7c光纤维，10、IOa和IOb光接收元件， 11 P侧电极，12 η侧电极，12b焊料凸块，12c电极焊盘，12w结合引线，15 ρη结，35抗反射膜，36选择性扩散掩模图案，27布线电极，40气体单元(油中气体分离单元)，41气体，43 保护膜，45氢传感器，4 衬底，4 光传播路径(光纤维)，45c WO3薄膜，45d Pd薄膜，45f催化剂薄膜，45g衬底，50光接收元件阵列，51 InP衬底，55成像装置，55a滤光器部，55c光学系统，70成像装置，71多路复用器(安装基板)，73光源，81光纤维，81a光引导端，81b发射端，82光纤维，83探针，85控制单元，8 微计算机(操作单元，CPU), 85c显示单元(输出装置)，87透镜，91分光镜(衍射光栅)，93分束器，94镜子，100气体监测装置，IOOc燃烧状态监测装置，IOOd温度分布测量装置，IOOe杂质监测装置。
权利要求
1.一种气体监测装置，其用于使用具有3μπι以下的波长范围的近红外区中的光来监测气体，所述气体监测装置包括光接收元件，所述光接收元件接收所述近红外区中的光， 其中，所述光接收元件包括吸收层，所述吸收层形成在InP衬底上并且具有多量子阱结构，所述吸收层具有 1. 8 μ m以上且3 μ m以下的带隙波长；以及扩散浓度分布控制层，所述扩散浓度分布控制层设置在所述吸收层的表面侧上，该表面侧位于所述InP衬底的相反侧，所述扩散浓度分布控制层具有比^P的带隙小的带隙，在所述光接收元件中，通过经由所述扩散浓度分布控制层来选择性地扩散杂质元素来形成Pn结以至到达所述吸收层，所述吸收层中的所述杂质元素的浓度为5X IOlfVcm3以下，并且所述光接收元件从所述气体接收具有至少一个3 μ m以下的波长的光，以检测所述气体中包含的气体成分等。
2.根据权利要求1所述的气体监测装置，其中，在所述扩散浓度分布控制层中，所述杂质元素的浓度从与所述吸收层相反的一侧的大约lX1018/cm3以上的高浓度降低至所述吸收层侧的5X1016/cm3以下。
3.根据权利要求1或2所述的气体监测装置，其中， 所述吸收层具有II型量子阱结构。
4.根据权利要求3所述的气体监测装置，其中，所述吸收层具有由(InGaAs/GaAsSb)构成的多量子阱结构或由(fe^nNAs(P，Sb)/ GaAsSb)构成的多量子阱结构。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的气体监测装置，其中，所述InP衬底是相对于(100)沿[111]方向或[11-1]方向倾斜5°至20°的偏离角衬底。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的气体监测装置，其中，所述杂质元素是锌(Si)，并且所述扩散浓度分布控制层由InGaAs构成。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的气体监测装置，还包括 InP窗口层，所述InP窗口层设置在所述扩散浓度分布控制层上。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的气体监测装置，其中，在所述InP衬底、所述吸收层和所述扩散浓度分布控制层中的任意两者中，晶格匹配度是0.002以下，其中所述晶格匹配度为I Aa/a|，a表示晶格参数，Δ a表示所述两者之间的晶格参数的差。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的气体监测装置，其中， 一维或二维地布置多个所述光接收元件。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的气体监测装置，还包括成像装置，所述成像装置包括所述光接收元件的二维阵列，其中，利用所述成像装置来形成在所述气体中的预定范围内的所述气体成分的浓度分布和温度分布的图像。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的气体监测装置，其中，在所述光接收元件中，外延层顶侧用作光入射表面，其中所述外延层顶侧与所述^P衬底侧相反并且所述吸收层位于该外延层顶侧和该InP衬底侧之间，或者所述InP衬底侧用作所述光入射表面，并且去除所述InP衬底或者将该InP衬底的厚度减小至与所述吸收层相同的厚度以下的厚度。
12.一种燃烧状态监测装置，其包含根据权利要求1至11中的任一项所述的气体监测装置，其中，对于燃料或垃圾一类物质的燃烧状态进行监测。
13.—种长期变化监测装置，其包含根据权利要求1至11中的任一项所述的气体监测装置，其中，对于仪器中的伴随长期变化而产生的气体成分进行监测。
14.一种杂质浓度监测装置，其包含根据权利要求1至11中的任一项所述的气体监测装置，其中，对于从外部引入的气体中所含的杂质的气体成分的浓度进行监测。
全文摘要
公开了一种气体监测装置，所述气体监测装置能够在没有冷却机构的情况下减小暗电流并且能够使用具有的光接收敏感性扩展到不小于1.8μm波长的InP基光电二极管以以高敏感性来监测气体。该气体监测装置的特征在于，该气体监测装置包括光接收层(3)，其具有由III-V族半导体的多量子阱结构；pn结(15)，其通过在光接收层中选择性地扩散杂质元素来形成，该光接收层中的杂质浓度不大于5×1016/cm3，以及该气体监测装置接收具有不大于3μm的至少一个波长的光以检测气体中所包含的气体成分等。
文档编号G01J5/28GK102265138SQ20098015261
公开日2011年11月30日 申请日期2009年7月30日 优先权日2008年12月25日
发明者永井阳一, 稻田博史 申请人:住友电气工业株式会社