JP7634389B2 - 半導体ウエハ、半導体デバイス、及びガス濃度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体ウエハ、半導体デバイス、及びガス濃度測定装置に関する。

近年、様々な電子機器において、さらなる小型化が求められている。これに伴い、電子機器に実装される半導体デバイスについても小型化が求められている。ここで、半導体デバイスは、例えば赤外線を受光する赤外線受光デバイス、及び、赤外線を発光する赤外線発光デバイス等を含む。また、半導体デバイスの小型化は、例えば実装面積を小さくすること、及び、厚さ方向を薄くすること（低背化）等を含む。

例えば、先行文献１の技術は、基板を挟んでレンズと赤外線受光素子とを配置することによって、基板の一方にレンズ及び赤外線受光素子を配置する場合に比べて小型化を実現した赤外線受光デバイスを開示する。

特開２０１６－０９０３７７号公報

ここで、赤外線受光デバイス又は赤外線発光デバイスでは、特定の波長帯域での受光又は発光のために、光学フィルタ（以下、単に「フィルタ」とする）が用いられる。フィルタは一般に多層構造であり、反りが生じることがあり、一つの素子の大きさが小型化するほど反りの影響が顕在化する。反りの発生は素子を複数有するウエハの状態のときに特に顕著である。さらに、赤外領域のフィルタは、可視光領域のフィルタと比べて膜厚が厚くなることから応力が大きく、反りの影響が大きい。例えば、仮に特許文献１の技術でレンズの代わりに赤外領域のフィルタを配置しても、基板の孔を有する部分でフィルタの反りの影響を強く受け、その応力が赤外線受光素子に及ぶ。このように、赤外光領域のフィルタを備える半導体ウエハ、半導体デバイスの小型化は困難であった。

本発明は、反りを抑えて小型化が可能な半導体ウエハ及び半導体デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一実施態様において、半導体ウエハは、
ウエハ基板と、
前記ウエハ基板の第１面に形成され、２～１０μｍの赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、
前記ウエハ基板の第１面に対向する前記ウエハ基板の第２面の上に形成される光学フィルタを備え、
前記ウエハ基板の厚みＴｗａｆ［μｍ］と光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｗａｆ^{２．０４８８}の関係を満たす。

本発明の他の一実施態様において、半導体ウエハは、
ウエハ基板と、
前記ウエハ基板の第１面に形成され、赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、
前記第１面に対向する前記ウエハ基板の第２面の上に形成される光学フィルタと、を備え、
前記光学フィルタが、前記ウエハ基板との間に膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であるＳｉからなる中間層を有し、前記光学フィルタの膜厚が、前記ウエハ基板の厚みの１０％以下である。

本発明の一実施態様において、半導体デバイスは、
基板と、
前記基板の第１面に形成され、２～１０μｍの赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、
前記基板の第１面に対向する前記基板の第２面の上に形成される光学フィルタと、
前記光学フィルタの少なくとも一部を露出させるように、前記基板、前記半導体積層部及び前記光学フィルタを封止する封止部を備え、
前記基板の厚みＴｓｕｂ［μｍ］と光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｓｕｂ^{２．０４８８の}関係を満たす。

本発明の他の一実施態様において、半導体デバイスは、
厚みがＴｓｕｂ［μｍ］の基板と、
前記基板の第１面に形成され、赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、
前記第１面に対向する前記基板の第２面の上に形成される、厚みがＴｏｐｔ［μｍ］光学フィルタと、を備え、
前記光学フィルタが、前記基板との間に膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であるＳｉからなる中間層を有し、前記光学フィルタの膜厚が、前記基板の厚みの１０％以下である。

本発明の一実施態様において、ガス濃度測定装置は、
被検出ガスによって吸収される赤外線を出力する発光部と、
前記被検出ガスを導入するガスセルと、
前記発光部から出力されて前記ガスセルを通過した赤外線を受光し、受光した赤外線の光量に応じた信号を出力する受光部と、を備え、
前記発光部及び前記受光部の少なくとも一方は、上記に記載の半導体デバイスである。

本発明によれば、反りを低減することによって、従来技術と比べてさらなる小型化が可能な半導体ウエハ、半導体デバイス、及びガス濃度測定装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体デバイスの概略構成を示す外観斜視図である。 図２は、図１の半導体デバイスのＡ－Ａ断面図である。 図３は、受発光素子の断面図である。 図４は、光学フィルタの断面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る半導体デバイスを備えるガス濃度測定装置の構成例を示す図である。 図６は、本発明の別の実施形態に係る半導体デバイスの断面図である。 図７は、従来例の半導体デバイスの断面図である。 図８は、本発明の一実施形態に係る半導体デバイスの製造方法例を示す図である。 図９は、本発明の別の実施形態に係る半導体デバイスの製造方法例を示す図である。 図１０は、実施例１の光学フィルタの構造を示す図である。 図１１は、実施例１の分光感度を示す図である。 図１２は、実施例２の光学フィルタの構造を示す図である。 図１３は、実施例２の発光強度を示す図である。 図１４は、実施例３の光学フィルタの構造を示す図である。 図１５は、実施例３の分光感度を示す図である。 図１６は、実施例４の光学フィルタの構造を示す図である。 図１７は、実施例４の分光感度を示す図である。 図１８は、ＧａＡｓ基板の厚みＴｗａｆとウエハ反りの関係を示す図である。 図１９は、ＧａＡｓ基板の厚みＴｗａｆ又はＴｓｕｂにたいして、一体型のうえで許容される光学フィルタの厚みＴｏｐｔを示す図である。 図２０は、比較例８の光学フィルタの構造を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

＜半導体ウエハ＞
＜第一の実施形態の半導体ウエハ＞
本発明の第一の実施形態の半導体ウエハは、ウエハ基板と、ウエハ基板の第１面に形成され、２～１０μｍの赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、ウエハ基板の第１面に対向するウエハ基板の第２面の上に形成される光学フィルタを備える。ウエハ基板の厚みＴｗａｆ［μｍ］と光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｗａｆ^{２．０４８８}の関係を満たす。

第一の実施形態の半導体ウエハは、ウエハ基板の厚みＴｗａｆ［μｍ］と光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｗａｆ^{２．０４８８}の関係を満たすことにより、半導体ウエハの反りを十分に低減するという効果を奏する。

半導体ウエハの反りを十分に低減させる観点から、第一の実施形態の半導体ウエハにおけるウエハ基板の厚みＴｗａｆは２４０μｍ～６００μｍであることが好ましい。

半導体ウエハの反りを十分に低減させる観点から、第一の実施形態の半導体ウエハにおける光学フィルタの厚みＴｏｐｔは４μｍ～２６μｍであることが好ましい。

＜第二の実施形態の半導体ウエハ＞
本発明の第二の実施形態の半導体ウエハは、ウエハ基板と、ウエハ基板の第１面に形成され、赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、第１面に対向するウエハ基板の第２面の上に形成される光学フィルタと、を備える。光学フィルタが、ウエハ基板との間に膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であるＳｉからなる中間層を有し、光学フィルタの膜厚が、ウエハ基板の厚みの１０％以下である。

第二の実施形態の半導体ウエハは、光学フィルタが、ウエハ基板との間に膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であるＳｉからなる中間層を有し、光学フィルタの膜厚が、ウエハ基板の厚みの１０％以下である事により、半導体ウエハの反りを十分に低減するという効果を奏する。

半導体ウエハの反りを十分に低減させる観点から、第二の実施形態の半導体ウエハにおける光学フィルタの厚みＴｏｐｔは、１．５μｍ～６０μｍであることが好ましい。

ダイシングにおけるチッピング抑制の観点から、第一及び第二の実施形態の半導体ウエハは、ウエハ中心部とウエハ再外周位置の高低差により定義されるウエハの反り量が、３００μｍ以下であることが好ましい。

第二の実施形態の半導体ウエハにおける中間層は、膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であり、好ましくは７５μｍ以上２５０μｍ以下、より好ましくは１００μｍ以上２００μｍ以下である。材料についてはＳｉからなるものであれば特に制限されない。一例としては、両面をミラー研磨したＳｉ基板などが挙げられる。

＜半導体デバイス＞
＜第一の実施形態の半導体デバイス＞
本発明の第一の実施形態の半導体デバイスは、基板と、基板の第１面に形成され、２～１０μｍの赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、基板の第１面に対向する基板の第２面の上に形成される光学フィルタと、光学フィルタの少なくとも一部を露出させるように、基板、半導体積層部及び光学フィルタを封止する封止部を備える。基板の厚みＴｓｕｂ［μｍ］と光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｓｕｂ^{２．０４８８の}関係を満たす。

第一の実施形態の半導体デバイスは、基板の厚みＴｓｕｂ［μｍ］と光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｓｕｂ^{２．０４８８}の関係を満たすことにより、波長選択性の優れた受発光部品を実現したうえで、半導体デバイスの内部応力を十分に低減し、温度及び湿度などの外部環境の変化によるダイオードの特性変動、光学薄膜の剥離による故障を抑制するという効果を奏する。

＜第二の実施形態の半導体デバイス＞
本発明の第二の実施形態の半導体デバイスは、基板と、基板の第１面に形成され、赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、第１面に対向する基板の第２面の上に形成される光学フィルタと、を備え、光学フィルタが、基板との間に膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であるＳｉからなる中間層を有し、光学フィルタの膜厚が、基板の厚みの１０％以下である。

第二の実施形態の半導体デバイスは、基板との間に膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であるＳｉからなる中間層を有し、光学フィルタの膜厚が、基板の厚みの１０％以下である事により、半導体デバイスの内部応力を十分に低減し、温度及び湿度などの外部環境の変化によるダイオードの特性変動、光学薄膜の剥離による故障を抑制するという効果を奏する。

＜ガス濃度測定装置＞
本発明の第一の実施形態のガス濃度測定装置は、被検出ガスによって吸収される赤外線を出力する発光部と、被検出ガスを導入するガスセルと、発光部から出力されてガスセルを通過した赤外線を受光し、受光した赤外線の光量に応じた信号を出力する受光部と、を備える。発光部及び受光部の少なくとも一方は、第一又は第二の実施形態の半導体デバイスである。

第一の実施形態のガス濃度測定装置は、発光部及び受光部の少なくとも一方が、第一又は第二の実施形態の半導体デバイスであることにより、モジュールサイズの小型化とガスセンサとしての高い検出性能を両立させるという効果を奏する。

以下、上述の第一及び第二の実施形態の半導体ウエハ（以下、「本実施形態の半導体ウエハ」と称する）及び第一及び第二の実施形態の半導体デバイス（以下、「本実施形態の半導体デバイス」と称する）における各構成要件について、説明する。

＜＜ウエハ基板＞＞
本実施形態の半導体ウエハにおけるウエハ基板は、その第一面上に赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部を有するものであれば特に制限されない。半導体デバイスの高い生産性の観点から、ウエハ基板は２インチ以上８インチ以下であることが好ましい。ウエハ基板の材料の例としては、シリコン基板、ガリウム砒素基板などが挙げられる。

＜＜基板＞＞
本実施形態の半導体デバイスにおける基板は、その第一面上に赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部を有するものであれば特に制限されない。基板の材料の例としては、シリコン基板、ガリウム砒素基板などが挙げられる。モジュールサイズの小型化とガスセンサとしての高い検出性能を両立させるという効果を奏する観点から、第一の実施形態においては、基板の厚みは２４０μｍ以上６００μｍ以下であることが好ましい。

＜＜半導体積層部＞＞
本実施形態の半導体ウエハ及び本実施形態の半導体デバイスにおける半導体積層部は、赤外線を受光又は発光可能なものであれば特に制限されない。

半導体積層部は活性層を有していることが好ましく、中赤外域の所望の波長に対して選択的な分光特性をもつセンサを実現する観点から、活性層がＡｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．１０≦ｙ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）であることが好ましい。

＜＜光学フィルタ＞＞
干渉フィルタの設計を簡素化して、ウエハ反りを低減する観点から、本実施形態の半導体ウエハ及び本実施形態の半導体デバイスにおける光学フィルタは、２．４μｍ以上６μｍ以下の波長の赤外線に対する屈折率が１．２以上２．５以下の第１層と、２．４μｍ以上６μｍ以下の波長の赤外線に対する屈折率が２以上４．２以下の第２層と、を有することが好ましく、第１層と第２層とを交互に２回以上かつ２５回以下の範囲で積層して形成されるものであることがより好ましい。

中赤外域に吸収が少なく、所望の波長の赤外線を効率よく透過させる観点から、本実施形態の半導体ウエハ及び本実施形態の半導体デバイスにおける光学フィルタは、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２及びＺｎＳの少なくとも一つを含むことが好ましい。

中赤外域に吸収が少なく、所望の波長の赤外線を効率よく透過させる観点から、本実施形態の半導体ウエハ及び本実施形態の半導体デバイスにおける光学フィルタは、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも一つを含むことが好ましい。
また、量産性の観点から、平面視において、ウエハ基板又は基板の大きさと光学フィルタの大きさが略等しいことが好ましい場合がある。略等しいとは、目的を逸脱しない範囲であることを意味するが、具体的には相対的な面積割合の差が１０％以下であることを意味してよい。

以下に図面を参照しながら、本発明の実施形態が説明される。ここで、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明が省略される。

（半導体デバイス）
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体デバイス１の概略構成を示す外観斜視図である。図１に示されるように、半導体デバイス１は、外部から視認される光学フィルタ１０と、封止部２０と、電極３０と、を備える。

図２は、図１の半導体デバイス１のＡ－Ａ断面図である。図２に示されるように、半導体デバイス１は、封止部２０及び光学フィルタ１０によって覆われる受発光素子４０を備える。図１及び図２に示されるように、半導体デバイス１は、光学フィルタ１０と、封止部２０と、電極３０と、受発光素子４０と、を備える。

（受発光素子）
受発光素子４０は、基板４１と、半導体積層部４２と、を備える。受発光素子４０は、赤外線を受光する受光素子、又は、赤外線を発光する発光素子である。

（基板）
図２に示されるように、受発光素子４０の基板４１は、半導体積層部４２側の主面である第１面４１１と、第１面４１１に対向する光学フィルタ１０側の主面である第２面４１２と、を備える。基板４１は、例えばＧａＡｓ基板（図３参照）であるが、これに限定されるものではない。基板４１は、例えばＳｉ基板等の他の基板であってよい。

（半導体積層部）
図３は、受発光素子４０の断面図である。受発光素子４０の半導体積層部４２は、化合物半導体の活性層４２４を含み、赤外線を基板４１の側へ発光又は基板４１の側から受光する。活性層４２４は、受発光素子４０が受光素子である場合には光吸収層であり、受発光素子４０が発光素子である場合には発光層である。半導体積層部４２は、基板４１の第１面４１１の上に形成される。

ここで、「半導体積層部４２は、基板４１の第１面４１１の上に形成される」という表現における「上に」という文言は、基板４１の第１面４１１に接して半導体積層部４２が形成される場合に加えて、基板４１の第１面４１１と半導体積層部４２との間に別の層がさらに存在する場合も含む。その他の層同士の関係を表現する場合において「上の」という文言を使用する場合にも、意味は同様であるとする。例えば、後述する図３の半導体積層部４２の層構造において、第２のｎ型化合物半導体層４２２、ｎ型バリア層４２３、活性層４２４、ｐ型バリア層４２５及びｐ型化合物半導体層４２６は、いずれも第１のｎ型化合物半導体層４２１の上に形成されている。

半導体積層部４２は、第１のｎ型化合物半導体層４２１と、第２のｎ型化合物半導体層４２２と、ｎ型バリア層４２３と、活性層４２４と、ｐ型バリア層４２５と、ｐ型化合物半導体層４２６と、を備える。第１のｎ型化合物半導体層４２１は、格子緩和のためのバッファ層としての機能、及び所望の中赤外域の赤外線を透過させる機能を有する。第１のｎ型化合物半導体層４２１は、例えばｎ型にドーピングされたＩｎＳｂを含む。第２のｎ型化合物半導体層４２２は、ＰＩＮダイオードのｎ層としての機能、及び所望の中赤外域の赤外線を透過させる機能を有する。第２のｎ型化合物半導体層４２２は、例えばｎ型にドーピングされたＡｌＩｎＳｂを含む。ｎ型バリア層４２３は、ｐ型バリア層４２５とともに発光素子におけるキャリア閉じ込め機能、及び熱励起キャリアによるリークを防止する機能を有する。ｎ型バリア層４２３は、例えばｎ型にドーピングされたＡｌ_ｙＩｎ_１－ｙＳｂ（０．１５≦ｙ≦０．４０）を含む。活性層４２４は、受光素子における光電変換層、発光素子における発光層としての機能を有する。活性層４２４は、ｐ型あるいはノンドープのＡｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０．０２≦ｘ≦０．２０）を含む。ｐ型バリア層４２５は、ｎ型バリア層４２３とともに発光素子におけるキャリア閉じ込め機能、及び熱励起キャリアによるリークを防止する機能を有する。ｐ型バリア層４２５は、例えばｐ型にドーピングされたＡｌ_ｚＩｎ_１－ｚＳｂ（０．１５≦ｚ≦０．４０）を含む。ｐ型化合物半導体層４２６は、ＰＩＮダイオードのｐ層としての機能を有する。ｐ型化合物半導体層４２６は、例えばｐ型にドーピングされたＡｌＩｎＳｂを含む。

ここで、上記の各層の組成は一例である。例えば活性層４２４は、化合物半導体としてＡｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．１０≦ｙ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）を含んでよい。例えば第２のｎ型化合物半導体層４２２は、ｎ型にドーピングされたＡｌＩｎＳｂ又はＩｎＳｂを含んでよい。例えばｐ型化合物半導体層４２６は、ｐ型にドーピングされたＡｌＩｎＳｂ又はＩｎＳｂを含んでよい。

ここで、「第１のｎ型化合物半導体層４２１は、…ＩｎＳｂを含む」という表現における「含む」という文言は、ＩｎＳｂを主に第１のｎ型化合物半導体層４２１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、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎなどの元素を数％以下）加えるなど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使用される「含む」という文言は、同様の意味を有する。

（光学フィルタ）
図４は、光学フィルタ１０の断面図である。光学フィルタ１０は、２．４μｍ以上６μｍ以下の波長域の赤外線に対する屈折率が１．２以上かつ２．５以下である第１層１０１と、２．４μｍ以上６μｍ以下の波長域の赤外線に対する屈折率が２以上かつ４．２以下である第２層１０２と、を含む。光学フィルタ１０は、基板４１の第２面４１２の上に形成される。

ここで、光学フィルタ１０は、第１層１０１と第２層１０２とを交互に２回以上かつ２５回以下の範囲で積層して形成されることが好ましい。２回以上かつ２５回以下の範囲で積層することによって、低応力で組み立て加工が行いやすい受発光部品の実現が可能である。また、選択的かつ高精度なガス検出機能を実現するために、多層膜の膜厚は一定の厚み以上積層する必要があり、Ｔｏｐｔ≧４の関係を満たすことが好ましい。また、低背化、低コスト化の観点から、光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］は、基板の厚みＴｓｕｂ［μｍ］に対して、Ｔｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｓｕｂ^{２．０４８８}の関係を満たす。あるいは２６μｍ以下であることが好ましい。あるいは、基板と光学フィルタの間に、Ｓｉからなる膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下の中間層を備える場合には、基板の厚みの１０％以下、あるいは６０μｍ以下であることが好ましい。

上記の膜厚範囲を満たしていれば、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｎＳなどを一例とする光学薄膜を光学フィルタの材料として用いた場合に、特に応力による基板の反りを抑えることができる。

第１層１０１は、例えばＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２及びＺｎＳの少なくとも一つを含む。また、第２層１０２は、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも一つを含む。

また、光学フィルタ１０は、受発光素子４０が受光又は発光する赤外線の波長域に合わせて、第１層１０１及び第２層１０２の特性を変更してよい。例えば、受発光素子４０が受光又は発光する赤外線の波長域が２．４μｍ以上かつ１０μｍ以下である場合に、光学フィルタ１０は、波長が２．４μｍ以上かつ６μｍ以下である赤外線に対して屈折率が１．２以上かつ２．５以下である第１層１０１と、屈折率が２以上かつ４．２以下である第２層１０２と、を含んでよい。

（封止部）
図１及び図２に示されるように、半導体デバイス１は、光学フィルタ１０の一部を露出させるように、基板４１、半導体積層部４２及び光学フィルタ１０を封止する封止部２０を備える。封止部２０は、モールド樹脂、又はポッティング樹脂といった樹脂であってよい。図２に示されるように、基板４１、半導体積層部４２及び光学フィルタ１０の側面（ｚ軸に平行な面）は封止部２０によって覆われており、振動に対する耐性が優れているといった効果がある。

（電極）
電極３０は、受発光素子４０に対して電力を供給、あるいは電流を取り出すための導電体である。電極３０は、例えばＣｕ及びその合金などがあげられる。

（ガス濃度測定装置）
図５は、半導体デバイス１を備えるガス濃度測定装置１００の構成例を示す図である。ガス濃度測定装置１００は、発光部２と、受光部３と、ガスセル４と、ガス導入部５と、ガス排出部６と、を備える。

ガス濃度測定装置１００において、発光部２から出力された赤外線は、ガスセル４において被検出ガスにより吸収される。受光部３は、ガスセル４を通過した赤外線、すなわち、被検出ガスにより吸収された後の赤外線を受光する。受光部３は、受光した赤外線の光量に応じた信号を出力する。ここで、赤外線は被検出ガスの濃度に応じて吸収される量が変化する。そのため、ガス濃度測定装置１００は、受光部３の出力信号に基づいて、被検出ガスの濃度を測定することができる。被検出ガスの濃度は、受光部３の出力信号に基づいて、ガス濃度測定装置１００が備える、又は、ガス濃度測定装置１００の外部に設けられたプロセッサ等の演算部によって算出されてよい。被検出ガスは、例えばＣＯ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｈ_２Ｏ、Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ、ＣＨ_２Ｏ、Ｃ_３Ｈ_８、ＮＨ_３、ＮＯ等であって、ガス導入部５からガスセル４内に導入されて、ガス排出部６から排出される。

半導体デバイス１は、ガス濃度測定装置１００の発光部２及び受光部３の少なくとも１つとして使用され得る。例えば、半導体デバイス１は、受発光素子４０が発光素子であって、ガス濃度測定装置１００の発光部２として用いられてよい。このとき、半導体デバイス１は、光学フィルタ１０の露出部分が受光部３の方を向くように、ガス濃度測定装置１００に設けられる。また、例えば、半導体デバイス１は、受発光素子４０が受光素子であって、ガス濃度測定装置１００の受光部３として用いられてよい。このとき、半導体デバイス１は、光学フィルタ１０の露出部分が発光部２の方を向くように、ガス濃度測定装置１００に設けられる。また、受発光素子４０が発光素子である半導体デバイス１と、受発光素子４０が受光素子である別の半導体デバイス１とが、それぞれ、ガス濃度測定装置１００の発光部２及び受光部３として使用されてよい。

以上のように、半導体デバイス１は、基板４１と、化合物半導体の活性層を含み、赤外線を基板４１の側へ発光又は基板４１の側から受光する、基板４１の第１面４１１に形成される半導体積層部４２と、第１層１０１と、第２層１０２と、を含み、基板４１の第２面４１２の上に形成される光学フィルタ１０と、を備える。ここで、図７は、従来例の半導体デバイス１００１の断面図である。半導体デバイス１００１は、光学フィルタ１０を支持する封止部２２を、受発光素子４０を封止する封止部２１と接続することで構成される。半導体デバイス１００１は、独立した部品である光学フィルタ１０を、封止部２２の一部に接着剤等でマウントする構造である。半導体デバイス１００１では必然的に基板４１と光学フィルタ１０との間に空気の層が生じるが、空気の層での光の干渉を避けるため、光学フィルタ１０が基板４１から一定距離以上離れている必要がある。しかし、半導体デバイス１は、上記の構成によって、光学フィルタ１０が基板４１の第１面４１１に接して設けられるため、従来技術と比べてさらなる小型化が可能である。

（別の実施形態）
図６は、本発明の別の実施形態に係る半導体デバイス１の断面図である。図６は、上記の実施形態の図２に対応する。ここで、別の実施形態に係る半導体デバイス１の外観斜視図、光学フィルタ１０の構成、受発光素子４０の構成は、上記の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

別の実施形態に係る半導体デバイス１は、光学フィルタ１０と、中間層１１と、封止部２０と、電極３０と、受発光素子４０と、を備える。上記の実施形態と異なり、別の実施形態に係る半導体デバイス１は、基板４１と光学フィルタ１０の間に中間層１１を備える。中間層１１は、例えばＳｉである。Ｓｉの中間層１１によって、別の実施形態に係る半導体デバイス１は、上記の実施形態の半導体デバイス１の効果に加えて、堅牢性が向上して、組立工程での安定性を高めることが可能である。ここで、中間層１１の膜厚を薄くしすぎると、半導体デバイス１の堅牢性の効果が生じにくく、半導体デバイス１に対する中間層１１の反りの影響が大きくなるおそれがある。また、中間層１１の膜厚を厚くしすぎると小型化（低背化）を妨げるおそれがある。上記の観点から、中間層１１の膜厚は、例えば５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であることが好ましい。中間層１１の膜厚は、例えば１００μｍ以上かつ２５０μｍ以下であることがより好ましい。中間層１１の膜厚は、例えば１５０μｍ以上かつ２００μｍ以下であることがさらに好ましい。

（実施例）
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。

［実施例１］
赤外線発光素子の裏面に光学フィルタを備えたＩＲ－センサの製造例に基づいて本実施形態の半導体ウエハ及び半導体デバイスについて説明する。まず、直径が４インチのＧａＡｓ基板上にＭＢＥ法によりＰＩＮダイオード構造を作製した。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がバリア層として設けられた。図３は、実施例１に係る赤外線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線を使用し露光が行われた。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が規則的に複数形成された。次に、ドライエッチング処理により、複数のメサが形成された。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が行われ、その後、保護膜としてＳｉＮが成膜され、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が形成された。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、複数のメサが直列接続された。その後、ポリイミド樹脂が保護膜として、素子表面を覆うように形成された。

このようにして加工した化合物半導体ウエハの裏面を研磨により３５０μｍに薄くし、さらに蒸着装置を用いて図１０の光学フィルタを化合物半導体ウエハの裏面に形成すれば、本実施形態に係る半導体ウエハが作製できる。

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、シミュレーションにおける光学薄膜の材料（ＧｅとＳｉＯ）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。

実施例１で得られた半導体ウエハは、ウエハ基板の厚みＴｗａｆ（３５０μｍ）と光学フィルタの厚みＴｏｐｔ（７．８μｍ）が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｗａｆ^{２．０４８８}の関係を満たす。

上述した半導体ウエハの反り量を、公知のバイメタルの公式を使って見積もった結果、およそ２７５μｍになるという結果が得られた。ここで半導体ウエハの反り量とは、ウエハ中心部とウエハ再外周位置の高低差により定義されるウエハの反り量である。ウエハ反り量は、ダイシング時のチッピングを抑制する観点から３００μｍ以下であることが望まれ、本実施形態ではこれを満たす。

上述した前工程プロセスにより作製したフィルタ一体型のセンサ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すれば、本実施形態に係る半導体デバイスが作製できる。実施例１のように、中間層を含まない半導体デバイスは、例えば図８の製造方法に従って作製される。

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計算した結果、図１１の結果が得られた。図１１は、実施例１に係る赤外線発光素子の分光感度スペクトルを示す。この結果が示す通り、従来では構造的に独立していたＩＲ－センサと光学フィルタを一体化させることによって、同等の分光感度スペクトルは維持したまま、ＰＫＧ（パッケージ）サイズを、３．０ｍｍ×３．０ｍｍ×０．５２ｍｍ（縦×横×厚み、以下同じ）にまで小型化することができる。図７に示した従来例のＩＲ－センサは３．０ｍｍ×３．０ｍｍ×１．１ｍｍであったことから、約半分の薄型化が実現している。

また、この構造であれば、図７に示した従来の光学フィルタ付きＩＲ－センサに必要であった光学フィルタのＰＫＧ化工程が不要になるので、プロセス容易性の面からも優れている。

［実施例２］
赤外線発光素子の裏面にＳｉ基板の中間層及び光学フィルタを備えたＩＲ－ＬＥＤについて説明する。直径が４インチのＧａＡｓ基板上にＭＢＥ法によりＰＩＮダイオード構造を作製した。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がバリア層として設けられた。図３は、実施例２に係る赤外線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線を使用し露光が行われた。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が規則的に複数形成された。次に、ドライエッチング処理により、複数のメサが形成された。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が行われ、その後、保護膜としてＳｉＮが成膜され、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が形成された。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、複数のメサが直列接続された。その後、ポリイミド樹脂が保護膜として、素子表面を覆うように形成された。

このようにして加工した化合物半導体ウエハの裏面を研磨により２００μｍに薄くし、１５０μｍのＳｉ基板の中間層を介して、図１２の光学フィルタを備えれば、本実施形態に係る半導体ウエハとなる。製法としては、Ｓｉ基板上に光学フィルタを形成し、Ｓｉ基板の裏面を１５０μｍに研磨したのちに、化合物半導体ウエハの裏面とフィルタウエハの裏面をプラズマで活性化させて共有結合させればよい。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、実施例１と同様の方法を採用した。

実施例２で得られた半導体ウエハは、ウエハ基板の厚みＴｗａｆ（２００μｍ）にたいして、光学フィルタの厚みＴｏｐｔ（６．８μｍ）が３．４％であり、本発明で規定する１０％以下の関係を満たす。

上述した製法であれば、ウエハの剛性が高く且つバイメタル効果の影響を受けにくいため、フィルタ一体化によるウエハ反りの変化が小さくなり、アセンブリ工程の際にチッピングの発生を抑制したダイシングが可能である。

上述の製法により作製したフィルタ一体型の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すれば、本実施形態に係る半導体デバイスが作製できる。実施例２のように、中間層を含む半導体デバイスは、例えば図９の製造方法に従って作製される。

このように作製した赤外線発光素子の発光強度スペクトルを計算した結果、図１３の結果が得られた。図１３は、実施例２に係る赤外線発光素子の発光強度スペクトルを示す。この結果が示す通り、従来では構造的に独立していたＩＲ－ＬＥＤと光学フィルタを一体化させることによって、同等の分光感度スペクトルは維持したまま、ＰＫＧサイズを、３．０ｍｍ×３．０ｍｍ×１．１ｍｍから３．０ｍｍ×３．０ｍｍ×０．５２ｍｍにまで小型化することができる。また、この構造であれば、光学フィルタをＰＫＧ化する工程は省略できる。さらに、ＣＯ_２の吸収帯域のみに発光強度を有するＩＲ－ＬＥＤが設計できたことにより、ガスセンサモジュールにおける光路設計の自由度が広がる。これは、光学フィルタの入射角度依存性が大きいために、ＩＲ－センサの前に光学フィルタを設置する従来の構成では、センサとＬＥＤの相対位置、及び光路設計に制約があったためである。

［実施例３］
赤外線発光素子の裏面に光学フィルタを備えたＩＲ－センサについて説明する。まず、直径が４インチのＧａＡｓ基板上にＭＢＥ法によりＰＩＮダイオード構造を作製した。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がバリア層として設けられた。図３は、実施例３に係る赤外線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線を使用し露光が行われた。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が規則的に複数形成された。次に、ドライエッチング処理により、複数のメサが形成された。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が行われ、その後、保護膜としてＳｉＮが成膜され、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が形成された。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、複数のメサが直列接続された。その後、ポリイミド樹脂が保護膜として、素子表面を覆うように形成された。

このようにして加工した化合物半導体ウエハの裏面を研磨により３００μｍに薄くし、さらに蒸着装置を用いて図１４の光学フィルタを化合物半導体ウエハの裏面に形成すれば、本実施形態に係る半導体ウエハが作製できる。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、実施例１と同様の方法を採用した。

実施例３で得られた半導体ウエハは、ウエハ基板の厚みＴｗａｆ（３００μｍ）と光学フィルタの厚みＴｏｐｔ（５．７μｍ）が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｗａｆ^{２．０４８８}の関係を満たす。

上述した半導体ウエハの反り量を、公知のバイメタルの公式を使って見積もった結果、およそ２７５μｍになるという結果が得られた。ここで半導体ウエハの反り量とは、ウエハ中心部とウエハ再外周位置の高低差により定義されるウエハの反り量である。ウエハ反り量は、ダイシング時のチッピングを抑制する観点から３００μｍ以下であることが望まれ、本実施形態ではこれを満たす。

上述した前工程プロセスにより作製したフィルタ一体型のセンサ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すれば、本実施形態に係る半導体デバイスが作製できる。

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計算した結果、図１５の結果が得られた。図１５は、実施例３に係る赤外線発光素子の分光感度スペクトルを示す。この結果が示す通り、従来では構造的に独立していたＩＲ－センサと光学フィルタを一体化させることによって、同等の分光感度スペクトルは維持したまま、ＰＫＧサイズを、３．０ｍｍ×３．０ｍｍ×１．１ｍｍから３．０ｍｍ×３．０ｍｍ×０．５２ｍｍにまで小型化することができる。また、この構造であれば、光学フィルタをＰＫＧ化する工程は省略できる。

［実施例４］
赤外線発光素子の裏面にＳｉ基板の中間層及び光学フィルタを備えたＩＲ－センサについて説明する。まず、直径が４インチのＧａＡｓ基板上にＭＢＥ法によりＰＩＮダイオード構造を作製した。活性層はＩｎ_０．１４Ａｓ_０．８６Ｓｂ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、活性層とｐ型半導体層の間に、ｐ型Ａｌ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ｓｂがバリア層として設けられた。図３は、実施例４に係る赤外線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線を使用し露光が行われた。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が規則的に複数形成された。次に、ドライエッチング処理により、複数のメサが形成された。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が行われ、その後、保護膜としてＳｉＮが成膜され、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が形成された。その後、フォトリソグラフィーとスパッタリングにより、複数のメサが直列接続された。その後、ポリイミド樹脂が保護膜として、素子表面を覆うように形成された。

このようにして加工した化合物半導体ウエハの裏面を研磨により２００μｍに薄くし、１５０μｍのＳｉ基板の中間層を介して、図１６の光学フィルタを備えれば、本実施形態に係る半導体ウエハとなる。製法としては、Ｓｉ基板上に光学フィルタを形成し、Ｓｉ基板の裏面を１５０μｍに研磨したのちに、化合物半導体ウエハの裏面とフィルタウエハの裏面をプラズマで活性化させて共有結合させればよい。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、光学薄膜の材料ＧｅとＺｎＳの複素屈折率の波長分散データの文献値を用いた以外は、実施例１と同様の方法を採用した。

実施例４で得られた半導体ウエハは、ウエハ基板の厚みＴｗａｆ（２００μｍ）にたいして、光学フィルタの厚みＴｏｐｔ（１６．０μｍ）が８．０％であり、本発明で規定する１０％以下の関係を満たす。

上述した製法であれば、ウエハの剛性が高く且つバイメタル効果の影響を受けにくいため、フィルタ一体化によるウエハ反りの変化が小さくなり、アセンブリ工程の際にチッピングの発生を抑制したダイシングが可能である。

上述の製法により作製したフィルタ一体型のセンサ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すれば、本実施形態に係る半導体デバイスが作製できる。

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計算した結果、図１７の結果が得られた。図１７は、実施例４に係る赤外線発光素子の分光感度スペクトルを示す。この結果が示す通り、フィルタとセンサを一体型にすることで、アルコールの吸収帯域に選択的に感度を有するセンサを実現できる。

［比較例１］
光学フィルタを形成しなかったこと以外は、実施例１と同様に半導体ウエハ及び赤外線受光素子を得た。

得られた赤外線受光素子の分光感度スペクトルを計算した結果を図１１に記載した。実施例１で得られた赤外線受光素子と比較して、２～５．５μｍに広範囲の感度帯域を有しているため、ＣＯ_２の吸収を選択的に検出する用途には適さない。

［比較例２］
光学フィルタ及び中間層を形成しなかったこと以外は、実施例２と同様に半導体ウエハ及び赤外線発光素子を得た。

得られた赤外線発光素子の発光強度スペクトルを計算した結果を図１３に記載した。実施例２で得られた赤外線発光素子と比較して、３～５．５μｍに広範囲の感度帯域を有しているため、ＣＯ_２の吸収を選択的に検出する用途には適さない。

［比較例３］
光学フィルタを形成しなかったこと以外は、実施例３と同様に半導体ウエハ及び赤外線受光素子を得た。

得られた赤外線受光素子の分光感度スペクトルを計算した結果を図１５に記載した。実施例３で得られた赤外線受光素子と比較して、２～４μｍに広範囲の感度帯域を有しているため、ＣＨ４の吸収を選択的に検出する用途には適さない。

［比較例４］
光学フィルタを形成しなかったこと以外は、実施例４と同様に半導体ウエハ及び赤外線受光素子を得た。

得られた赤外線受光素子の分光感度スペクトルを計算した結果を図１７に記載した。実施例４で得られた赤外線受光素子と比較して、２～１３μｍに広範囲の感度帯域を有しているため、アルコールの吸収を選択的に検出する用途には適さない。

［比較例５］
センサＰＫＧは比較例１と同じとして、別途製作したフィルタＰＫＧをセンサＰＫＧにマウントすることで、赤外線受光素子を得た。フィルタＰＫＧに搭載される光学フィルタは、赤外線受光素子の波長選択性を考慮せずに設計されたバンドパスフィルタであり、ＣＯ_２の吸収波長帯域を除く、少なくとも１～９μｍの波長帯域の赤外線を遮断する。光学フィルタ部の厚みは２０μｍ以上である。光学フィルタウエハをダイシングして個片化し、エポキシ系モールド樹脂でフィルタチップの両面が露出するように封止すれば、本実施形態に係る半導体デバイスが作製できる。

得られた赤外線受光素子の分光感度スペクトルを計算した結果を図１１に記載した。実施例１で得られた赤外線受光素子と同等の結果が得られた。一方、比較例５ではセンサＰＫＧとフィルタＰＫＧを組み合わせた構造であるため小型化が困難である。比較例５のＩＲ－センサは３．０ｍｍ×３．０ｍｍ×１．１ｍｍであることから、実施例１にたいしてデバイス高さが約２倍となっている。

［比較例６］
ＬＥＤ ＰＫＧは比較例２と同じとして、別途製作したフィルタＰＫＧをセンサＰＫＧにマウントすることで、赤外線発光素子を得た。フィルタＰＫＧに搭載される光学フィルタは、赤外線発光素子の波長選択性を考慮せずに設計されたバンドパスフィルタであり、ＣＯ_２の吸収波長帯域を除く、少なくとも１～９μｍの波長帯域の赤外線を遮断する。光学フィルタ部の厚みは２０μｍ以上である。光学フィルタウエハをダイシングして個片化し、エポキシ系モールド樹脂でフィルタチップの両面が露出するように封止すれば、本実施形態に係る半導体デバイスが作製できる。

得られた赤外線発光素子の発光強度スペクトルを計算した結果を図１３に記載した。実施例２で得られた赤外線受光素子と同等の結果が得られた。

一方、比較例６ではＬＥＤ ＰＫＧとフィルタＰＫＧを組み合わせた構造であるため小型化が困難である。比較例６のＩＲ－ＬＥＤは３．０ｍｍ×３．０ｍｍ×１．１ｍｍであることから、実施例２にたいしてデバイス高さが約２倍となっている。

［比較例７］
センサＰＫＧは比較例３と同じとして、別途製作したフィルタＰＫＧをセンサＰＫＧにマウントすることで、赤外線受光素子を得た。フィルタＰＫＧに搭載される光学フィルタは、赤外線受光素子の波長選択性を考慮せずに設計されたバンドパスフィルタであり、ＣＨ４の吸収波長帯域を除く、少なくとも１～９μｍの波長帯域の赤外線を遮断する。光学フィルタ部の厚みは２０μｍ以上である。光学フィルタウエハをダイシングして個片化し、エポキシ系モールド樹脂でフィルタチップの両面が露出するように封止すれば、本実施形態に係る半導体デバイスが作製できる。

得られた赤外線受光素子の分光感度スペクトルを計算した結果を図１５に記載した。実施例３で得られた赤外線受光素子と同等の結果が得られた。

一方、比較例７ではセンサＰＫＧとフィルタＰＫＧを組み合わせた構造であるため小型化が困難である。比較例７のＩＲセンサは３．０ｍｍ×３．０ｍｍ×１．１ｍｍであることから、実施例３にたいしてデバイス高さが約２倍となっている。

［比較例８］
化合物半導体ウエハの裏面に形成する光学フィルタの厚みを、図２０に示す３．９μｍにしたこと以外は、実施例１と同様に半導体ウエハ及び赤外線受光素子を得た。

得られた赤外線受光素子の分光感度スペクトルを計算した結果を図１１に記載した。実施例１で得られた赤外線受光素子と比較して、ピーク感度が約２０％低く、さらに半値幅に関しては５０％以上狭いため、ＣＯ_２吸収帯域における感度は４０％以下にまで低下してしまう。

図１８は、光学フィルタをセンサウエハと一体化させた際の、ＧａＡｓ基板厚みとウエハ反りの関係を示す図である。

実測値としてプロットされる点は、４インチのＧａＡｓ基板の厚みを４００μｍ～５８０μｍの範囲で変化させ、かつ光学フィルタ（材料ＳｉＯ）の厚みを１４．３μｍとした場合の、ウエハ中心部とウエハ再外周位置の高低差により定義されるウエハの反り量を実測した結果である。

一方、計算値としてプロットされる値は、公知のバイメタルの理論をベースとして、実測値と一致するようにフィッティングした結果である。フィッティングにあたって、材料のヤング率と線膨張係数は文献値を用いた。

次に、この計算モデルを使って、ウエハ反りが３００μｍ以下になるＧａＡｓ基板厚み［μｍ］とフィルタ厚み［μｍ］の関係を計算して図示したものが図１９である。図１９のプロットを最小二乗法により近似したところ、Ｔｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｗａｆ^{２．０４８８}の関係を満たすときに、ウエハ反りが３００μｍ以下になるという結果を得た。図１８及び図１９に基づく結果は半導体デバイスについても同様である。すなわち、基板の厚みＴｓｕｂ［μｍ］と光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］が、Ｔｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｓｕｂ^{２．０４８８の}関係を満たすときに、反りが抑えられ、半導体デバイスの内部応力が十分に低減される。

実施例の詳細を表１に示す。また、実施例と対比した比較例の詳細を表２に示す。

本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。当業者の知識に基づいて各実施形態に設計の変更等を加えることが可能であり、そのような変更等を加えた態様は本発明の範囲に含まれる。

１ 半導体デバイス
２ 発光部
３ 受光部
４ ガスセル
５ ガス導入部
６ ガス排出部
１０ 光学フィルタ
１１ 中間層
２０ 封止部
２１ 封止部
２２ 封止部
３０ 電極
４０ 受発光素子
４１ 基板
４２ 半導体積層部
１００ ガス濃度測定装置
１０１ 第１層
１０２ 第２層
４１１ 第１面
４１２ 第２面
４２１ 第１のｎ型化合物半導体層
４２２ 第２のｎ型化合物半導体層
４２３ ｎ型バリア層
４２４ 活性層
４２５ ｐ型バリア層
４２６ ｐ型化合物半導体層
１００１ 半導体デバイス

Claims (18)

1. ウエハ基板と、
   前記ウエハ基板の第１面に形成され、２～１０μｍの赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、
   前記ウエハ基板の第１面に対向する前記ウエハ基板の第２面の上に直接形成される光学フィルタを備え、
   前記ウエハ基板は化合物半導体であり、
   前記半導体積層部はＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ及びＩｎＡｓＳｂの少なくとも一つを含み、
   前記光学フィルタはＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２及びＺｎＳの少なくとも一つを含み、
   前記ウエハ基板の厚みＴｗａｆが、６００μｍ以下であり、
   前記ウエハ基板の厚みＴｗａｆ［μｍ］と前記光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｗａｆ^{２．０４８８}の関係を満たす半導体ウエハ。
2. 前記ウエハ基板の厚みＴｗａｆが、１５０μｍ～３５０μｍである、請求項１に記載の半導体ウエハ。
3. 前記光学フィルタの厚みＴｏｐｔが、４μｍ～２６μｍである、請求項１又は２に記載の半導体ウエハ。
4. ウエハ基板と、
   前記ウエハ基板の第１面に形成され、赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、
   前記第１面に対向する前記ウエハ基板の第２面の上に形成される光学フィルタと、を備え、
   前記ウエハ基板は化合物半導体であり、
   前記半導体積層部はＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ及びＩｎＡｓＳｂの少なくとも一つを含み、
   前記光学フィルタはＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２及びＺｎＳの少なくとも一つを含み、
   前記ウエハ基板の厚みＴｗａｆが、６００μｍ以下であり、
   前記光学フィルタが、前記ウエハ基板との間に膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であるＳｉからなる中間層を有し、前記光学フィルタが、前記中間層の上に直接形成され、前記光学フィルタの膜厚が、前記ウエハ基板の厚みの１０％以下である半導体ウエハ。
5. 前記光学フィルタの厚みＴｏｐｔが、１．５μｍ～６０μｍである、請求項４に記載の半導体ウエハ。
6. 前記半導体積層部の活性層が、Ａｌ_ｘＩｎ_１－ｘＳｂ（０≦ｘ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．１０≦ｙ≦０．２０）又はＩｎＡｓ_ｙＳｂ_１－ｙ（０．７５≦ｙ≦１）である、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体ウエハ。
7. 前記光学フィルタが、２．４μｍ以上６μｍ以下の波長の赤外線に対する屈折率が１．２以上２．５以下の第１層と、２．４μｍ以上６μｍ以下の波長の赤外線に対する屈折率が２以上４．２以下の第２層と、を有する請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体ウエハ。
8. 前記光学フィルタは、前記第１層と前記第２層とを交互に２回以上かつ２５回以下の範囲で積層して形成される、請求項７に記載の半導体ウエハ。
9. ウエハ中心部とウエハ再外周位置の高低差により定義されるウエハの反り量が、３００μｍ以下である、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体ウエハ。
10. 前記ウエハ基板の直径が２インチ以上８インチ以下である、請求項１から９の何れか一項に記載の半導体ウエハ。
11. 平面視において、前記ウエハ基板の大きさと前記光学フィルタの大きさが略等しい請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体ウエハ。
12. 基板と、
    前記基板の第１面に形成され、２～１０μｍの赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、
    前記基板の第１面に対向する前記基板の第２面の上に直接形成される光学フィルタと、
    前記光学フィルタの少なくとも一部を露出させるように、前記基板、前記半導体積層部及び前記光学フィルタを封止する封止部を備え、
    前記基板は化合物半導体であり、
    前記半導体積層部はＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ及びＩｎＡｓＳｂの少なくとも一つを含み、
    前記光学フィルタはＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２及びＺｎＳの少なくとも一つを含み、
    前記基板の厚みＴｓｕｂが、６００μｍ以下であり、
    前記基板の厚みＴｓｕｂ［μｍ］と前記光学フィルタの厚みＴｏｐｔ［μｍ］が、Ｔｏｐｔ≧４、かつＴｏｐｔ≦０．００００５３×Ｔｓｕｂ^{２．０４８８の}関係を満たす半導体デバイス。
13. 厚みがＴｓｕｂ［μｍ］の基板と、
    前記基板の第１面に形成され、赤外線を受光又は発光可能な半導体積層部と、
    前記第１面に対向する前記基板の第２面の上に形成される、厚みがＴｏｐｔ［μｍ］の光学フィルタと、を備え、
    前記基板は化合物半導体であり、
    前記半導体積層部はＩｎＳｂ、ＡｌＩｎＳｂ、ＩｎＡｓ及びＩｎＡｓＳｂの少なくとも一つを含み、
    前記光学フィルタはＳｉ、Ｇｅ、ＳｉＯ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２及びＺｎＳの少なくとも一つを含み、
    前記基板の厚みＴｓｕｂが、６００μｍ以下であり、
    前記光学フィルタが、前記基板との間に膜厚が５０μｍ以上かつ３００μｍ以下であるＳｉからなる中間層を有し、前記光学フィルタが、前記中間層の上に直接形成され、前記光学フィルタの膜厚が、前記基板の厚みの１０％以下である半導体デバイス。
14. 前記基板の厚みＴｓｕｂが、１５０μｍ～６００μｍである、請求項１２又は１３に記載の半導体デバイス。
15. 前記光学フィルタの厚みＴｏｐｔが、１．５μｍ～２６μｍである、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
16. 平面視において、前記基板の大きさと前記光学フィルタの大きさが略等しい請求項１２から１５のいずれか一項に記載の半導体デバイス。
17. 被検出ガスによって吸収される赤外線を出力する発光部と、
    前記被検出ガスを導入するガスセルと、
    前記発光部から出力されて前記ガスセルを通過した赤外線を受光し、受光した赤外線の光量に応じた信号を出力する受光部と、を備え、
    前記発光部及び前記受光部の少なくとも一方は、請求項１２から１６のいずれか一項に記載の半導体デバイスである、ガス濃度測定装置。
18. 前記ウエハ基板はＧａＡｓを含む、請求項１に記載の半導体ウエハ。

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