JP5049391B2 - 検知素子、検知装置及び酸素濃度検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばガス検知素子やガス検知器などとして好適に実施される検知素子及び検知装置、並びに酸素濃度検査装置に関する。

近年、光学的なケミカルセンサがいろいろと考案されている。これらのセンサは商業的な需要が大きく、たとえば、光学的な酸素センサは、酸化させたくない食品、化学薬品に対して大きな需要がある。また半導体、バイオ分野などの産業分野でも、酸素検知の需要は大きい。現在、考案されている光学的ケミカルセンサの第１の従来技術として、特許文献１に示される光学的酸素センサがある。

この従来技術は、光を受けて発光する有機色素化合物を酸素透過性ポリマ中に分散させたものである。酸素の存在によって発光輝度が減少することを利用し、発光輝度の変化から酸素濃度を検知する。このケミカルセンサは、繰返し使用が可能で、かつ定量的感度が良いので、化学研究室での利用に供されている。

一方、従来から広く用いられている第２の従来技術として、酸素の存在によって色が変わる化学物質を用いた酸素センサがある。これは安価で製造も容易であり、食品パッケージなどに用いられている。

第２の従来技術の酸素センサは安価なので、食品のパッケージ毎に封入して使用できる。しかし、感度の定量性に劣るので、パッケージの気密が破れて、食品が酸化している虞があるか否かの程度しか判定できない。また、上述のような用途からも、再利用は想定されておらず、１方向の化学変化で、１回限りの使用が前提である。また、有機物を含んでいるので、高温環境では使用することができない。

この点、第１の従来技術は、前述のように、繰返し使用が可能で、かつ定量的感度も良いが、有機物を含むので、高温環境では使用することができない。

特開２００２−１６８７８３号公報

本発明の目的は、高温環境で使用可能な検知素子、検知装置及び酸素濃度検査装置を提供することである。

本発明の第１の局面に係る検知素子は、励起光により励起されて周囲雰囲気に対応した光を発生することによって、前記周囲雰囲気における予め定める気体または液体のパラメータを検知する検知素子であって、基板と、前記基板上に形成された、ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体と、を備えており、前記ナノスケールの結晶構造体は、前記予め定める気体または液体の分子または原子が吸着した場合、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体(材料)のバンドが歪み、該歪みにより遷移エネルギ(見掛けのバンドギャップ幅)に変化が生じ、該変化により前記井戸層で発生する光の強度と波長の少なくとも一方の変化によって、前記気体または液体のパラメータを示すことを特徴とする。

この構成による検知素子は、励起光により励起されて周囲雰囲気に対応した光を発することにより、前記周囲雰囲気における予め定める気体または液体のパラメータ（例えば、種類、濃度、温度、湿度）を検知する。検知素子は、基板上に、ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体を備えている。前記ナノスケールの結晶構造体は、柱状又はシート（ウォール）状に形成され、最薄部がナノスケールであればよい。前記化合物半導体発光素子が前記励起光を受けて発光する場合、前記ナノスケールの結晶構造体に前記予め定める気体または液体（被検体）の分子または原子が吸着していれば、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体(材料)のバンドが歪んでいるので、該歪みにより遷移エネルギ（見掛けのバンドギャップ幅）に変化が生じ、該変化により前記井戸層で発生する光の強度（輝度）および波長が変化する。該強度と該波長の少なくとも一方の変化によって、前記気体または液体（被検体）の所定のパラメータを検知する。

前記化合物半導体発光素子により構成される前記ナノスケールの結晶構造体は、成長温度が高いので、高温の環境で使用することができ、しかも多くの気体または液体（被検体）に対して安定（腐食や変質が少なく）なので、繰り返して使用することができる。特に、波長でパラメータを検知する場合、感度劣化が少ないので、定量性に優れ、また校正が不要になる。

本発明の第２の局面に係る検知装置は、予め定める気体または液体のパラメータを検知する検知装置であって、ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体を、基板上に備える検知素子と、前記化合物半導体発光素子を発光させる励起手段と、前記化合物半導体発光素子から発した光を受光し、該光の強度と波長の少なくとも一方を検知する検知手段とを含み、前記ナノスケールの結晶構造体は、前記予め定める気体または液体の分子または原子が吸着した場合、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体(材料)のバンドが歪み、該歪みにより遷移エネルギ(見掛けのバンドギャップ幅)に変化が生じ、前記検知手段は、前記井戸層で発生する光の強度と波長の少なくとも一方の変化を検知することによって、前記気体または液体のパラメータを検知することを特徴とする。

この構成によれば、気体または液体（被検体）の所定のパラメータ、たとえば種類、濃度、温度、湿度等を検知する検知装置において、検知素子は、基板上に、ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体を備えている。前記ナノスケールの結晶構造体は、柱状又はシート（ウォール）状に形成され、最薄部がナノスケールであればよい。前記化合物半導体発光素子が励起手段で励起されて発光する場合、前記ナノスケールの結晶構造体に前記予め定める気体または液体（被検体）の分子または原子が吸着していれば、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体（材料）のバンドが歪んでいるので、該歪みにより遷移エネルギ（見掛けのバンドギャップ幅）に変化が生じ、該変化により前記井戸層で発生する光の強度（輝度）および波長に変化が生じる。その少なくとも一方の変化を、検知手段が検知する。そして、予め測定されているその強度と波長との少なくとも一方に対する前記気体または液体（被検体）の所定のパラメータ値と対照し、実際のパラメータ値を算出する。

前記化合物半導体発光素子により構成される前記ナノスケールの結晶構造体は、成長温度が高いので、高温の環境で使用することができ、しかも多くの気体または液体（被検体）に対して安定（腐食や変質が少なく）なので、繰り返して使用することができる。特に、波長でパラメータを検知する場合、感度劣化が少ないので、定量性に優れ、また校正が不要になる。

本発明の第３の局面に係る酸素濃度検査装置は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体により構成されるナノスケールの結晶構造体を含んでおり、雰囲気中の酸素濃度に応じて発光波長及び輝度が異なる発光素子と、前記発光素子に励起エネルギを供給する供給部と、前記供給部から励起エネルギが供給されることにより、前記発光素子から発した光を受光する光受光部と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、酸素濃度検査装置を高温環境で使用することができる。

本発明の第１実施形態に係る検知素子である酸素濃度検査チップの構造を示す断面図である。 紫外励起光に対するＧａＮナノコラムの発光スペクトラムを示すグラフである。 図３Ａは、図１に示す酸素濃度検査チップの動作原理を説明するための図である(酸素ガス不存在)。図３Ｂは、図１に示す酸素濃度検査チップの動作原理を説明するための図である(酸素ガス存在)。 本発明の第２実施形態に係る検知装置である酸素濃度センサの構造を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る検知素子である酸素濃度検査チップの構造を示す断面図である。 図４の酸素濃度センサの電気的構成を示すブロック図である。 図７Ａは、Ｎｉ薄膜パターンＰの基本単位の平面図である。図７Ｂは、Ｎｉ薄膜パターンＰの基本単位の立体図である。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る検知素子である酸素濃度検査チップ１の構造を示す断面図である。このチップ１は、紫外光源２からエネルギｈν１の励起光を照射すると、エネルギｈν２の光を発し、その光の波長が酸素濃度に応じて、図２で示すように変化することを利用して、酸素濃度を概略検知可能にするものである。

前記チップ１は、サファイア基板３上に、ＧａＮナノコラム４がアレイ状に形成されている。個々のＧａＮナノコラム４は、ｎ型ＧａＮ層５、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の井戸層（発光層）６、およびｐ型ＧａＮ層７を備える。前記ＧａＮナノコラム４は、たとえば以下のようにして作製することができる。

先ず、サファイア基板３上に、電子線蒸着によって、カタリスト材料層となるＮｉ薄膜を５ｎｍ蒸着する。通常のリソグラフィ技術とＡｒイオンエッチングなどのドライエッチング技術を用いて、前記Ｎｉ薄膜を、２次元フォトニック結晶による回折格子パターン状のＮｉ薄膜パターンに形成する。図７に示すように、このＮｉ薄膜パターンＰは、直径１００ｎｍの柱径で、一片２３０ｎｍの三角形を基本単位としている。続いて、これをＭＯＣＶＤ装置に入れて温度を９００℃に設定した状態で、ＧａＮ結晶成長の成長ガスであるトリメチルガリウム（Ｇａ（ＣＨ_３）_３）およびアンモニア（ＮＨ_３）を供給することにより、Ｎｉ薄膜パターンの表面に、ＧａとＮとを吸着させる。ＧａＮ結晶成長のＧａ原料はトリメチルガリウムであり、Ｎ原料はアンモニアである。吸着されたＧａとＮとは、Ｎｉ薄膜内に取り込まれ、該Ｎｉ薄膜内を拡散して基板１との界面に達し、ここで互いに結合してＧａＮ単結晶を形成する。一方、サファイア基板３上に直接堆積したＧａとＮとは、互いに結合することができず、したがって、該サファイア基板３上にはＧａＮ単結晶は形成されない。こうしてＮｉ薄膜とサファイア基板３との間にのみＧａＮ単結晶が成長する。

所定時間この状態を維持することにより、長さが約１μｍほどのＧａＮの柱状結晶、すなわちＧａＮナノコラム４が形成される。このＧａＮナノコラム４の頂上には、最初に定めたコラム径で２次元フォトニック結晶パターンに配列されたＮｉ薄膜が存在している。成長条件を適切に保つことで、前記ＧａＮナノコラム４は、定められた位置において、同じ径で成長してゆく。このＧａＮナノコラム４の成長の際に、シラン（ＳｉＨ_４）、トリメチルインジウム（Ｉｎ（ＣＨ_３）_３）、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）などを供給することで、前記ＧａＮナノコラム４に、ｎ型ＧａＮ層５、井戸層発光層６およびｐ型ＧａＮ層７を形成することができる。シランはｎ型を形成するためのＳｉ原料であり、トリメチルインジウムは量子井戸を形成するためのＩｎ原料であり、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムはｐ型を形成するためのＭｇ原料である。

第１実施形態では、ナノコラム４の材料としてＧａＮを例にしているが、これに限定されるものではなく、酸化物、窒化物、酸窒化物などを含む化合物半導体総てを対象とすることができる。また、ナノコラム４の成長には、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いたが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）装置等を用いても、ナノコラム４を成長させることができる。

図３Ａ及び図３Ｂは、上述のように構成される酸素濃度検査チップ１の動作原理を説明するための図である。図３Ａは、被検体である酸素ガスがないときのＧａＮナノコラム４とそのエネルギバンドを示す図である。ＧａＮナノコラム４は、前述のように、ｎ型ＧａＮ層５、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の井戸層６、およびｐ型ＧａＮ層７を備える。ここで、井戸層６のエネルギバンド図は、表面準位、および内部ピエゾ抵抗のために、一般にフラットバンドに対して傾いている構造を有する。この状態で、外部励起光によりキャリアを発生させて、電子８と正孔９とを井戸層６に供給した場合、或る緩和時間を経て両者は結合し、バンドギャップエネルギｈν２に相当する光を発生する。

次に図３Ｂに、被検体である酸素ガス１０が存在する時のＧａＮナノコラム４とそのエネルギバンドを示す。ここでの井戸層６のエネルギバンド図は、表面準位、および内部ピエゾ抵抗に加えて、酸素ガス１０がＧａＮナノコラム４の表面に吸着し、イオン化することによって、酸素ガス１０が存在しない場合に比べて、より一層顕著に、フラットバンドに対して傾いている構造に変化する。このため、外部励起光によりキャリアを発生させて、ヘテロ構造の井戸層６に電子８と正孔９とを供給した場合、電子８と正孔９とが結合して発生するエネルギｈν２は、酸素ガス１０が吸着していない場合に発生するエネルギｈν２と異なる。したがって、酸素ガス１０が吸着している場合と酸素ガス１０が吸着していない場合では異なる波長の光が放出される。一般に、酸素ガス１０が吸着している場合の波長は酸素ガス１０が吸着していない場合に比べると長波長側にシフトする。この波長のシフト量から、酸素ガス１０の濃度を検知することができる。

図２は、紫外励起光（３６０ｎｍ）に対するＧａＮナノコラム４の発光スペクトラムを示すグラフである。横軸は波長で、縦軸は標準化された発光強度（輝度）を示す。参照符号α１は酸素がない真空時のデータであり、参照符号α２は酸素ガス１０が充填された雰囲気中でのデータである。前述のとおり、酸素雰囲気においては、発光スペクトルが長波長側（４４０→４５０ｎｍ）にシフトしていることが理解される。これらのスペクトル範囲は青色の可視光なので、目視により、このスペクトルの差を充分認識することができる。

以上のように、第１実施形態の酸素濃度検査チップ１は、紫外光源２からの励起光により励起されて、酸素濃度に対応した波長と輝度の光を発生する。このチップ１は、サファイア基板３上に、ヘテロ構造の井戸層６を有するＧａＮナノコラム４を備えている。ＧａＮナノコラム４は酸素分子または原子が吸着した場合、ヘテロ構造の井戸層６においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体(材料)のバンドが歪み、該歪みにより遷移エネルギ（見掛けのバンドギャップ幅）に変化が生じ、該変化により井戸層６で発生する光の強度（輝度）と波長の少なくとも一方の変化によって、酸素濃度を示している。

ＧａＮナノコラム４は成長温度が高いので、高温の環境(少なくとも５００℃)で使用することができ、しかも酸素ガス１０に対して安定（腐食や変質が少なく）なので、繰り返して使用することができる。特に、波長(色)を利用して酸素濃度を検知する場合、感度劣化が少ないので、定量性に優れ、また校正が不要になる。

また、第１実施形態に係る酸素濃度検査チップ１では、井戸層６で発生する光（エネルギｈν２）は、上述のように可視光の領域に設定されているので、人間が目視によって、すぐに酸素ガス１０の存在の有無、および濃度を知ることができる。

［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る検知装置である酸素濃度センサ１１の構造を示す図である。このセンサ１１は、ペン状に形成されるハンディタイプの検知装置である。センサ１１のペン先部には酸素濃度検査チップ１２が設けられている。センサ１１の本体部１６には、測定結果を表示する表示部１３、測定釦１４および後述するリフレッシュ釦１５が設けられている。本体部１６にキャップ１８を嵌めることにより、前記チップ１２を保護している。本体部１６とキャップ１８はケーブル１７で接続されている。

このセンサ１１に好適なチップ１２は、たとえば図５で示すように構成される。シリコン基板２３上に、ＧａＮナノコラム２４がアレイ状に形成されている。シリコン基板２３とＧａＮナノコラム２４はいずれも導電性を有する。個々のＧａＮナノコラム２４は、ｎ型ＧａＮ層２５、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の井戸層（発光層）２６、およびｐ型ＧａＮ層２７を備える。ｐ型ＧａＮ層２７の上部では径を大きくすることにより、隣り合うｐ型ＧａＮ層２７が電気的に接触している。これにより、ｐ型ＧａＮ層２７の形状は上から見ればプレーナ状になっている。井戸層２６にキャリアを供給するために、ｐ型ＧａＮ層２７上にはｐ型電極２８が接続され、ｎ型ＧａＮ層２５にはシリコン基板２３を介してｎ型電極２９が接続され、これらの電極２８，２９が外部の直流電源３０に接続されている。キャリアを供給することにより、ヘテロ構造の井戸層２６のバンドギャップエネルギに相当するエネルギｈν３を有する光が発生する。その光は、ＧａＮナノコラム２４の表面に吸着した酸素分子、原子の濃度の違いが原因で、図３で説明した原理により、波長が変化する。図４に示す本体部１６は、上記波長の変化を基にして酸素濃度を演算して、その値を表示部１３に表示する。ＧａＮナノコラム２４の作製方法は、第１実施形態と同様である。

図６は、前記センサ１１の電気的構成を示すブロック図である。本体部１６に配置された測定釦１４を押すことにより、前記本体部１６内に設けられた励起手段である前述の直流電源３０からチップ１２に電流が供給されて、該チップ１２は発光する。その光は光ファイバ３１を通り、本体部１６内のフィルタ３２によって分光された後、対応するフォトダイオード３３で光電変換される。検知手段である前記フィルタ３２およびフォトダイオード３３は、前記ＧａＮナノコラム２４の光を分光するために、赤色用のフィルタ３２とフォトダイオード３３、緑色用のフィルタ３２とフォトダイオード３３、青色用のフィルタ３２とフォトダイオード３３の少なくとも三種類が設けられる。演算手段である信号処理部３４は、前記各フォトダイオード３３の出力から分光分布を演算し、その分光分布を、予め測定されて格納されている酸素濃度のデータと対照して実際の酸素濃度を算出し、前記表示部１３に、図４で示すように表示させる。

第１実施形態の酸素濃度検査チップ１では発光の色（波長）を目視して、酸素濃度を判断するので、酸素濃度は大まかにしか分らなかった。一方、第２実施形態では酸素濃度を表示するので、酸素濃度を高精度に定量化して知ることができる。第２実施形態の構成でも、高温の環境で使用することができる。しかも酸素ガス１０に対して安定（腐食や変質が少なく）なので、繰り返して使用することができる。特に、上述のように波長（色）でパラメータを検知する場合、感度劣化が少ないので、定量性に優れ、また校正が不要になる。

光ファイバ３１および励起光の電源線３５を設けることにより、チップ１２をセンサ１１の残余の構成を内蔵する本体部１６から離すことができる。チップ１２の大きさは一辺が１ｍｍ以下にすることができるので、光ファイバ３１および電源線３５を内包し、チップ１２を支持する導入部３６を注射針のように細くすることができる。これにより、化学実験室などで液体内の化学物質を手軽に測定することができる。また、チップ１２は生体に有害な物質を含んでいないので、チップ１２を生体内に差込むことが可能となる。

また注目すべきは、前記チップ１２の保護用のキャップ１８内には、前記チップ１２に対向して、紫外線ランプ３７が設けられている。キャップ１８を本体部１６に嵌めた状態で、好ましくは減圧下で、前記リフレッシュ釦１５を押すことにより、前記直流電源３０からこの紫外線ランプ３７に電流が供給されて該紫外線ランプ３７が点灯する。紫外線の照射によって、チップ１２のＧａＮナノコラム２４に付着した前記酸素等の分子または原子が蒸散するので、リフレッシュすることができる。これによって、センサ１１の感度を常に良好に保つことができるとともに、繰返し使用が可能となるので、対環境性に優れ、コストパーフォーマンスの高いセンサを実現することができる。

上述の説明では、主として酸素濃度センサの例を挙げたが、ＧａＮナノコラム４，２４の表面に、たとえばポリエチルイミン（ＰＥＩ）を設けることでＣＯ_２の検知が可能であり、半透明の白金層を設けることでＨ_２の検知が可能になる。さらに半透明の金膜をＧａＮナノコラム４，２４の表面に設けることで、ＤＮＡの検知も可能である。以上は検知できる物質の例であり、本発明の対象被検体は、Ｏ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＤＮＡに限られず、本発明の原理が適用できるすべての被検体に適用できることは言うまでもない。また、温度、湿度、及び液体の検知に用いることも可能である。

また、上述の説明では、ナノスケールの結晶構造体として、前記ＧａＮナノコラム４，２４、すなわち柱状の構造で説明したけれども、シート（ウォール）状の構造でもよい。その場合、最薄部がナノスケールであればよい。しかしながら、同じチップ面積でも、ナノコラムの方が表面積は広いので、被検体の吸着に敏感であり、高感度の検知素子を実現できる。

なお、特開２００４−１５１０９３号公報には、微小共振器レーザダイオードを流路の脇に設置したセンサが開示されている。このセンサでは、流体又は環境の変化により微小共振器レーザダイオードの共振条件が変化し、この変化によりダイオードから出力される光が変化し、この変化を検知することによって、濃度又は温度を求めている。しかし、このセンサは特殊な用途に用いられ、汎用性はない。

第１実施形態では酸素濃度検査チップ１、第２実施形態では酸素濃度センサ１１を説明した。しかしながら図２に示すように、酸素がない真空時のデータ(α１)と酸素ガス１０が充填された雰囲気中でのデータ(α２)を比べると分かるように、酸素の有無により井戸層６で発生する光の波長及び輝度が異なっている。したがって、酸素濃度検査チップ１、酸素濃度センサ１１ではなく、酸素の有無を検知する酸素有無検知チップ、酸素有無検知センサとした実施形態も可能である。

本発明の第１の局面に係る検知素子は、励起光により励起されて周囲雰囲気に対応した光を発生することによって、前記周囲雰囲気における予め定める気体または液体のパラメータを検知する検知素子であって、基板と、前記基板上に形成された、ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体と、を備えており、前記ナノスケールの結晶構造体は、前記予め定める気体または液体の分子または原子が吸着した場合、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体(材料)のバンドが歪み、該歪みにより遷移エネルギ(見掛けのバンドギャップ幅)に変化が生じ、該変化により前記井戸層で発生する光の強度と波長の少なくとも一方の変化によって、前記気体または液体のパラメータを示すことを特徴とする。

この構成による検知素子は、励起光により励起されて周囲雰囲気に対応した光を発することにより、前記周囲雰囲気における予め定める気体または液体のパラメータ（種類、濃度、温度、湿度）を検知する。検知素子は、基板上に、ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体を備えている。前記ナノスケールの結晶構造体は、柱状又はシート（ウォール）状に形成され、最薄部がナノスケールであればよい。前記化合物半導体発光素子が前記励起光を受けて発光する場合、前記ナノスケールの結晶構造体に前記予め定める気体または液体（被検体）の分子または原子が吸着していれば、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体(材料)のバンドが歪んでいるので、該歪みにより遷移エネルギ（見掛けのバンドギャップ幅）に変化が生じ、該変化により前記井戸層で発生する光の強度（輝度）および波長が変化する。該強度と該波長の少なくとも一方の変化によって、前記気体または液体（被検体）の所定のパラメータを検知する。

前記化合物半導体発光素子により構成される前記ナノスケールの結晶構造体は、成長温度が高いので、高温の環境で使用することができ、しかも多くの気体または液体（被検体）に対して安定（腐食や変質が少なく）なので、繰り返して使用することができる。特に、波長でパラメータを検知する場合、感度劣化が少ないので、定量性に優れ、また校正が不要になる。

本発明の第１の局面に係る検知素子において、前記井戸層で発生する光は可視光の領域に設定される、ようにすることができる。

この構成によれば、検知素子からの光が可視光なので、人間が目視によって、すぐに被検体（前記予め定める気体または液体）の存在の有無、および濃度を知ることができる。

本発明の第１の局面に係る検知素子において、前記ナノスケールの結晶構造体は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の前記井戸層を有するＧａＮナノコラムである、ようにすることができる。

本発明の第１の局面に係る検知素子において、前記ナノスケールの結晶構造体は、直径１００ｎｍの柱径で、一片２３０ｎｍの三角形を基本単位としており、前記ＧａＮナノコラムの長さは１μｍである、ようにすることができる。

本発明の第２の局面に係る検知装置は、予め定める気体または液体のパラメータを検知する検知装置であって、ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体を、基板上に備える検知素子と、前記化合物半導体発光素子を発光させる励起手段と、前記化合物半導体発光素子から発した光を受光し、該光の強度と波長の少なくとも一方を検知する検知手段とを含み、前記ナノスケールの結晶構造体は、前記予め定める気体または液体の分子または原子が吸着した場合、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体(材料)のバンドが歪み、該歪みにより遷移エネルギ(見掛けのバンドギャップ幅)に変化が生じ、前記検知手段は、前記井戸層で発生する光の強度と波長の少なくとも一方の変化を検知することによって、前記気体または液体のパラメータを検知することを特徴とする。

この構成によれば、気体または液体（被検体）の所定のパラメータ、たとえば種類、濃度、温度、湿度等を検知する検知装置において、検知素子は、基板上に、ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体を備えている。前記ナノスケールの結晶構造体は、柱状又はシート（ウォール）状に形成され、最薄部がナノスケールであればよい。前記化合物半導体発光素子が励起手段で励起されて発光する場合、前記ナノスケールの結晶構造体に前記予め定める気体または液体（被検体）の分子または原子が吸着していれば、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体（材料）のバンドが歪んでいるので、該歪みにより遷移エネルギ（見掛けのバンドギャップ幅）に変化が生じ、該変化により前記井戸層で発生する光の強度（輝度）および波長に変化が生じる。その少なくとも一方の変化を、検知手段が検知する。そして、予め測定されているその強度と波長との少なくとも一方に対する前記気体または液体（被検体）の所定のパラメータ値と対照し、実際のパラメータ値を算出する。

前記化合物半導体発光素子により構成される前記ナノスケールの結晶構造体は、成長温度が高いので、高温の環境で使用することができ、しかも多くの気体または液体（被検体）に対して安定（腐食や変質が少なく）なので、繰り返して使用することができる。特に、波長でパラメータを検知する場合、感度劣化が少ないので、定量性に優れ、また校正が不要になる。

本発明の第２の局面に係る検知装置において、前記ナノスケールの結晶構造体は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の井戸層を有するＧａＮナノコラムである、ようにすることができる。

本発明の第２の局面に係る検知装置において、前記ナノスケールの結晶構造体は、直径１００ｎｍの柱径で、一片２３０ｎｍの三角形を基本単位としており、前記ＧａＮナノコラムの長さは１μｍである、ようにすることができる。

本発明の第２の局面に係る検知装置において、前記励起手段は、前記化合物半導体発光素子を光励起（ＰＬ：フォトルミネッセンスを用いる）する発光素子である、ようにすることができる。

本発明の第２の局面に係る検知装置において、前記ナノスケールの結晶構造体の両端には電極が取付けられており、前記励起手段は直流電源である、ようにすることができる。

本発明の第２の局面に係る検知装置において、前記検知手段は、前記化合物半導体発光素子から発した光を分光する少なくとも３つの光学フィルタと、前記各光学フィルタに対応して設けられ、対応する光学フィルタを通過した光の強度を検知するフォトダイオードと、前記各フォトダイオードの出力から分光分布を演算し、前記予め定める気体または液体のパラメータ値を演算する演算手段とを備える、ようにすることができる。

この構成によれば、上記分光分布を基にするので、所望とする気体または液体のパラメータ値を高精度に求めることができる。

本発明の第２の局面に係る検知装置において、前記検知装置は、さらに、ペン状に形成されており、前記検知素子が設けられたペン先部を有する本体部を備えており、前記本体部には、残余の構成および前記検知手段の検知結果を表示する表示手段が設けられている、ようにすることができる。

この構成によれば、ハンディタイプの検知装置を実現することができる。

本発明の第２の局面に係る検知装置において、前記ペン先部を覆うキャップに、紫外線発生手段を備える、ようにすることができる。

この構成によれば、検知素子に付着した前記所定の気体または液体の分子または原子を 紫外線の照射によって蒸散させることにより、検知素子をリフレッシュさせることができる。

本発明の第３の局面に係る酸素濃度検査装置は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体により構成されるナノスケールの結晶構造体を含んでおり、雰囲気中の酸素濃度に応じて発光波長及び輝度が異なる発光素子と、前記発光素子に励起エネルギを供給する供給部と、前記供給部から励起エネルギが供給されることにより、前記発光素子から発した光を受光する光受光部と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、酸素濃度検査装置を高温環境で使用することができる。ここで、発光素子は本実施形態の酸素濃度検査チップ１，１２に対応している。供給部は本実施形態の紫外光源２及び直流電源３０に対応している。光受光部は本実施形態のフォトダイオード３３に対応している。

本発明の第３の局面に係る酸素濃度検査装置において、前記発光素子は、前記井戸層を挟むＧａＮ層をさらに含んでおり、前記井戸層と前記ＧａＮ層から構成される構造体は、基板上に垂直に形成されたナノコラム形状を有する、ようにすることができる。

この構成によれば、井戸層とＧａＮ層から構成される構造体の表面積を広くできるので、高感度の酸素濃度検査装置を実現することができる。

本発明の第３の局面に係る酸素濃度検査装置において、前記ナノスケールの結晶構造体は、直径１００ｎｍの柱径で、一片２３０ｎｍの三角形を基本単位としており、前記ナノコラムの長さは１μｍである、ようにすることができる。

本発明の第３の局面に係る酸素濃度検査装置において、前記酸素濃度検査装置は、さらに前記発光素子と前記光受光部の間の光路に配置されており、前記発光素子から発した光を赤青緑の三色に分光する光学フィルタを備えており、前記受光部は、前記光学フィルタで分光された赤色光を受光する赤受光部、前記光学フィルタで分光された緑色光を受光する緑受光部及び前記光学フィルタで分光された青色光を受光する青受光部に分けられており、前記酸素濃度検査装置は、さらに前記赤受光部、前記緑受光部、前記青受光部のそれぞれの出力から求められた分光分布を基にして酸素濃度を演算する演算部を備える、ようにすることができる。

この構成によれば、上記分光分布を基にするので、酸素濃度を高精度に求めることができる。ここで、光学フィルタ、赤受光部、緑受光部及び青受光部により構成されるユニットは、本実施形態の赤色用のフィルタ３２とフォトダイオード３３、緑色用のフィルタ３２とフォトダイオード３３及び青色用のフィルタ３２とフォトダイオード３３により構成されるユニットと対応している。

Claims (16)

1. 励起光により励起されて周囲雰囲気に対応した光を発生することによって、前記周囲雰囲気における予め定める気体または液体のパラメータを検知する検知素子であって、
   基板と、
   前記基板上に形成された、ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体と、を備えており、
   前記ナノスケールの結晶構造体は、前記予め定める気体または液体の分子または原子が吸着した場合、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体のバンドが歪み、該歪みにより遷移エネルギに変化が生じ、該変化により前記井戸層で発生する光の強度と波長の少なくとも一方の変化によって、前記気体または液体のパラメータを示すことを特徴とする検知素子。
2. 前記井戸層で発生する光は、可視光の領域に設定されることを特徴とする請求項１記載の検知素子。
3. 前記ナノスケールの結晶構造体は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の前記井戸層を有するＧａＮナノコラムであることを特徴とする請求項１又は２記載の検知素子。
4. 前記ナノスケールの結晶構造体は、直径１００ｎｍの柱径で、一片２３０ｎｍの三角形を基本単位としており、
   前記ＧａＮナノコラムの長さは１μｍであることを特徴とする請求項３記載の検知素子。
5. 予め定める気体または液体のパラメータを検知する検知装置であって、
   ヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体発光素子により構成されるナノスケールの結晶構造体を、基板上に備える検知素子と、
   前記化合物半導体発光素子を発光させる励起手段と、
   前記化合物半導体発光素子から発した光を受光し、該光の強度と波長の少なくとも一方を検知する検知手段とを含み、
   前記ナノスケールの結晶構造体は、前記予め定める気体または液体の分子または原子が吸着した場合、前記井戸層においてバンドギャップ幅の小さい方の構造体のバンドが歪み、該歪みにより遷移エネルギに変化が生じ、前記検知手段は、前記井戸層で発生する光の強度と波長の少なくとも一方の変化を検知することによって、前記気体または液体のパラメータを検知することを特徴とする検知装置。
6. 前記ナノスケールの結晶構造体は、ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の井戸層を有するＧａＮナノコラムであることを特徴とする請求項５記載の検知装置。
7. 前記ナノスケールの結晶構造体は、直径１００ｎｍの柱径で、一片２３０ｎｍの三角形を基本単位としており、
   前記ＧａＮナノコラムの長さは１μｍであることを特徴とする請求項６記載の検知装置。
8. 前記励起手段は、前記化合物半導体発光素子を光励起する発光素子であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の検知装置。
9. 前記ナノスケールの結晶構造体の両端には電極が取付けられており、
   前記励起手段は、直流電源であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に記載の検知装置。
10. 前記検知手段は、
    前記化合物半導体発光素子から発した光を分光する少なくとも３つの光学フィルタと、
    前記各光学フィルタに対応して設けられ、対応する光学フィルタを通過した光の強度を検知するフォトダイオードと、
    前記各フォトダイオードの出力から、前記予め定める気体または液体のパラメータ値を演算する演算手段とを備えることを特徴とする請求項５〜９のいずれか一項に記載の検知装置。
11. 前記検知装置は、さらに、
    ペン状に形成されており、前記検知素子が設けられたペン先部を有する本体部を備えており、
    前記本体部には、残余の構成および前記検知手段の検知結果を表示する表示手段が設けられていることを特徴とする請求項５〜１０のいずれか一項に記載の検知装置。
12. 前記ペン先部を覆うキャップに、紫外線発生手段を備えることを特徴とする請求項１１記載の検知装置。
13. ＧａＮ／ＩｎＧａＮヘテロ構造の井戸層を有する化合物半導体により構成されるナノスケールの結晶構造体を含んでおり、雰囲気中の酸素濃度に応じて発光波長及び輝度が異なる発光素子と、
    前記発光素子に励起エネルギを供給する供給部と、
    前記供給部から励起エネルギが供給されることにより、前記発光素子から発した光を受光する光受光部と、を備えることを特徴とする酸素濃度検査装置。
14. 前記発光素子は、前記井戸層を挟むＧａＮ層をさらに含んでおり、
    前記井戸層と前記ＧａＮ層から構成される構造体は、基板上に垂直に形成されたナノコラム形状を有することを特徴とする請求項１３記載の酸素濃度検査装置。
15. 前記ナノスケールの結晶構造体は、直径１００ｎｍの柱径で、一片２３０ｎｍの三角形を基本単位としており、
    前記ナノコラムの長さは１μｍである請求項１４記載の酸素濃度検査装置。
16. 前記酸素濃度検査装置は、さらに
    前記発光素子と前記光受光部の間の光路に配置されており、前記発光素子から発した光を赤青緑の三色に分光する光学フィルタを備えており、
    前記受光部は、前記光学フィルタで分光された赤色光を受光する赤受光部、前記光学フィルタで分光された緑色光を受光する緑受光部及び前記光学フィルタで分光された青色光を受光する青受光部に分けられており、
    前記酸素濃度検査装置は、さらに
    前記赤受光部、前記緑受光部、前記青受光部のそれぞれの出力から求められた分光分布を基にして酸素濃度を演算する演算部を備えることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の酸素濃度検査装置。

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