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检测元件、检测装置及 氧浓度测试装置

阅读：733发布：2024-02-17

专利汇可以提供检测元件、检测装置及氧浓度测试装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种检测元件，该检测元件通过受激励光激励而产生与周围气氛相对应的光，以检测所述周围气氛中的预先指定的气体或液体的参数，包括基板以及形成在所述基板上、采用具有异质结构的阱层的化合物半导体发光元件的纳米级的结晶结构体，通过所述预先指定的气体或液体的分子或原子吸附在所述纳米级的结晶结构体，使在所述阱层中带隙宽度较小的结构体发生能带的畸变，该畸变使跃迁能产生变化，利用因该变化而在所述阱层产生的光的强度和波长的至少其中之一的变化来表示所述气体或液体的参数。，下面是检测元件、检测装置及氧浓度测试装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种检测元件，其特征在于，受激励光激励而产生与周围气氛相对应的光，以检测所述周围气氛中的预先指定的气体或液体的参数，所述检测元件包括：
基板；以及
纳米级的结晶结构体，形成在所述基板上，采用具有在该基板上依次叠成n型GaN层、GaN/InGaN 异质结构的阱层及p型GaN层的化合物半导体发光元件，其中，当所述预先指定的气体或液体的分子或原子吸附在所述纳米级的结晶结构体时，该纳米级的结晶结构体在所述阱层中带隙宽度较小的结构体发生能带的畸变，该畸变使跃迁能产生变化，利用因该变化而在所述阱层产生的光的强度和波长的至少其中之一的变化来表示所述气体或液体的参数。
2.根据权利要求1所述的检测元件，其特征在于：在所述阱层产生的光被设定在可见光区域。
3.根据权利要求1或2所述的检测元件，其特征在于：所述纳米级的结晶结构体为GaN纳米柱。
4.根据权利要求3所述的检测元件，其特征在于：
所述纳米级的结晶结构体以直径为100nm的柱径、一边为230nm的三角形为基本单位，所述GaN纳米柱的长度为1μm。
5.一种检测装置，其特征在于，检测预先指定的气体或液体的参数，所述检测装置包括：
检测元件，在基板上设置有纳米级的结晶结构体，该纳米级的结晶结构体采用具有在该基板上依次叠成n型GaN层、GaN/InGaN异质结构的阱层及p型GaN层的化合物半导体发光元件；
激励机构，使所述化合物半导体发光元件发光；以及
检测机构，接受从所述化合物半导体发光元件发出的光，检测该光的强度和波长的至少其中之一，其中，
当所述预先指定的气体或液体的分子或原子吸附在所述纳米级的结晶结构体时，该纳米级的结晶结构体在所述阱层中带隙宽度较小的结构体发生能带的畸变，该畸变使跃迁能产生变化，所述检测机构通过检测在所述阱层产生的光的强度和波长的至少其中之一的变化，来检测所述气体或液体的参数。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于：所述纳米级的结晶结构体为GaN纳米柱。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于：
所述纳米级的结晶结构体以直径为100nm的柱径、一边为230nm的三角形为基本单位，所述GaN纳米柱的长度为1μm。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的检测装置，其特征在于：所述激励机构为使所述化合物半导体发光元件光激发的发光元件。
9.根据权利要求5至7中任一项所述的检测装置，其特征在于：
在所述纳米级的结晶结构体的两端安装有电极，
所述激励机构为直流电源。
10.根据权利要求5至7中任一项所述的检测装置，其特征在于：
所述检测机构包括：
至少三个光学滤光器，对从所述化合物半导体发光元件发出的光进行分光；
光电二极管，对应于所述各光学滤光器而设置，检测通过对应的光学滤光器的光的强度；以及
运算机构，基于所述各光电二极管的输出来计算所述预先指定的气体或液体的参数值。
11.根据权利要求5至7中任一项所述的检测装置，其特征在于还包括：
主体部，形成为笔状，并且具备设置有所述检测元件的笔尖部，其中，在所述主体部中，设置有剩余的结构及显示所述检测机构的检测结果的显示机构。
12.根据权利要求11所述的检测装置，其特征在于还包括：设置在覆盖所述笔尖部的笔帽上的紫外线产生机构。
13.一种氧浓度测试装置，其特征在于包括：
发光元件，包含采用具有在基板上依次叠成n型GaN层、GaN/InGaN异质结构的阱层及p型GaN层的化合物半导体的纳米级的结晶结构体，发光波长及亮度随气氛中的氧浓度而变化；
供应部，对所述发光元件供应激励能量；以及
受光部，接受通过从所述供应部供应激励能量而从所述发光元件发出的光。
14.根据权利要求13所述的氧浓度测试装置，其特征在于：
包含所述阱层和所述GaN层的结构体具有垂直形成在基板上的纳米柱形状。
15.根据权利要求14所述的氧浓度测试装置，其特征在于：
所述纳米级的结晶结构体以直径为100nm的柱径、一边为230nm的三角形为基本单位，所述纳米柱的长度为1μm。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的氧浓度测试装置，其特征在于还包括：
光学滤光器，配置在所述发光元件与所述受光部之间的光路上，将从所述发光元件发出的光分成红蓝绿三色，其中，
所述受光部分为：接收由所述光学滤光器分光的红色光的红光接收部；接收由所述光学滤光器分光的绿色光的绿光接收部；以及接收由所述光学滤光器分光的蓝色光的蓝光接收部，
所述氧浓度测试装置还包括：
运算部，基于根据所述红光接收部、所述绿光接收部、所述蓝光接收部各自的输出而求出的分光分布，来计算氧浓度。

说明书全文

检测元件、检测装置及氧浓度测试装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种例如适合作为气体检测元件或气体检测器等的检测元件、检测装置及氧浓度测试装置。

背景技术

[0002] 近年来，提出有各种光学化学传感器(optical chemical sensor)的技术方案。这些传感器的商业需求较大，例如，在不希望被氧化的食品、化学药品领域，对光学氧传感器有较大的需求。而且，在半导体、生物领域等产业领域，氧检测的需求也较大。目前，作为提案的光学化学传感器的第1背景技术，有专利文献1所示的光学氧传感器。

[0003] 此背景技术是使接收光并发光的有机色素化合物分散在透氧性聚合物(oxygen-permeable polymer)中的技术。利用发光亮度因氧的存在而减小的现象，根据发光亮度的变化来检测氧浓度。由于该化学传感器可反复使用，且定量的灵敏度好，因此供化学研究室所利用。

[0004] 另一方面，作为一直以来广泛使用的第2背景技术，有使用颜色因氧的存在而改变的化学物质的氧传感器。其廉价而且容易制造，被用于食品包装等。

[0005] 第2背景技术的氧传感器由于廉价，因此可封入食品的每个包装内使用。但是，由于灵敏度的定量性较差，因此仅仅能够判断包装的密封是否被破坏、食品是否有发生氧化的危险。而且，从上述的用途来看，也不能期待再利用，前提是单向的化学变化并仅限1次使用。而且，由于包含有机物，因此无法在高温环境下使用。

[0006] 关于此点，第1背景技术虽然如上所述可反复使用且定量的灵敏度也较好，但由于包含有机物，因此无法在高温环境下使用。

[0007] 专利文献1：日本专利公开公报特开2002-168783号

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种可在高温环境下使用的检测元件、检测装置及氧浓度测试装置。

[0009] 本发明所涉及的检测元件，受激励光激励而产生与周围气氛相对应的光，以检测所述周围气氛中的预先指定的气体或液体的参数，包括：基板；以及形成在所述基板上、采用具有在该基板上依次叠成n型GaN层、GaN/InGaN 异质结构的阱层及p型GaN层的化合物半导体发光元件的纳米级的结晶结构体，其中，当所述预先指定的气体或液体的分子或原子吸附在所述纳米级的结晶结构体时，该纳米级的结晶结构体在所述阱层中带隙宽度较小的结构体(材料)发生能带的畸变，该畸变跃迁能(表面上的带隙宽度)产生变化，利用因该变化而在所述阱层产生的光的强度和波长的至少其中之一的变化来表示所述气体或液体的参数。

[0010] 基于此结构的检测元件，受激励光激励而发出与周围气氛相对应的光，以检测所述周围气氛中的预先指定的气体或液体的参数(例如种类、浓度、温度、湿度)。检测元件在基板上设置有采用具有异质结构(heterostructure)的阱层(well layer)的化合物半导体发光元件的纳米级的结晶结构体。所述纳米级的结晶结构体形成柱状或片(壁(wall))状，且最薄部可为纳米级。当所述化合物半导体发光元件接收所述激励光而发光时，如果所述预先指定的气体或液体(被检体)的分子或原子吸附于所述纳米级的结晶结构体，则在所述阱层中带隙(bandgap)宽度较小的结构体(材料)会发生能带的畸变，因此该畸变使跃迁能(transition energy)(表面上的带隙宽度)产生变化，因该变化而在所述阱层产生的光的强度(亮度)及波长会发生变化。利用该强度和该波长的至少其中之一的变化来检测所述气体或液体(被检体)的指定参数。

[0011] 采用所述化合物半导体发光元件的所述纳米级的结晶结构体由于生长温度较高，因此可在高温环境下使用，并且对于多种气体或液体(被检体)稳定(腐蚀或变质较少)，因此可以反复使用。尤其是当利用波长来检测参数时，由于灵敏度恶化较少，因此定量性优异，而且不需要校正。

[0012] 本发明所涉及的检测装置，检测预先指定的气体或液体的参数，包括：检测元件，在基板上设置有采用具有在该基板上依次叠成n型GaN层、GaN/InGaN异质结构的阱层及p型GaN层的化合物半导体发光元件的纳米级的结晶结构体；激励机构，使所述化合物半导体发光元件发光；以及检测机构，接受从所述化合物半导体发光元件发出的光，检测该光的强度和波长的至少其中之一，其中，当所述预先指定的气体或液体的分子或原子吸附在所述纳米级的结晶结构体时，该纳米级的结晶结构体在所述阱层中带隙宽度较小的结构体(材料)发生能带的畸变，该畸变使跃迁能(表面上的带隙宽度)产生变化，所述检测机构通过检测在所述阱层产生的光的强度和波长的至少其中之一的变化，从而检测所述气体或液体的参数。

[0013] 根据此结构，在检测气体或液体(被检体)的指定参数、例如种类、浓度、温度、湿度等的检测装置中，检测元件在基板上设置有采用具有异质结构的阱层的化合物半导体发光元件的纳米级的结晶结构体。所述纳米级的结晶结构体形成为柱状或片(壁)状，且最薄部可为纳米级。当所述化合物半导体发光元件受激励机构激励而发光时，如果所述预先指定的气体或液体(被检体)的分子或原子吸附于所述纳米级的结晶结构体，则在所述阱层中带隙宽度较小的结构体(材料)会发生能带的畸变，因此该畸变使跃迁能(表面上的带隙宽度)产生变化，因该变化而在所述阱层产生的光的强度(亮度)及波长会发生变化。检测机构检测该强度及波长的至少其中之一的变化。并且，将其与预先测定的针对其强度和波长的至少其中之一的所述气体或液体(被检体)的指定参数值进行对照，计算实际的参数值。

[0014] 采用所述化合物半导体发光元件的所述纳米级的结晶结构体由于生长温度较高，因此可在高温环境下使用，并且对于多种气体或液体(被检体)稳定(腐蚀或变质较少)，因此可以反复使用。尤其当利用波长来检测参数时，由于灵敏度恶化较少，因此定量性优异，而且不需要校正。

[0015] 本发明所涉及的氧浓度测试装置包括：发光元件，包含采用具有在基板上依次叠成n型GaN层、GaN/InGaN异质结构的阱层及p型GaN层的化合物半导体的纳米级的结晶结构体，发光波长及亮度随气氛中的氧浓度而变化；供应部，对所述发光元件供应激励能量；以及受光部，接收通过从所述供应部供应激励能量而从所述发光元件发出的光。

[0016] 根据此结构，可在高温环境下使用氧浓度测试装置。附图说明

[0017] 图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的检测元件即氧浓度测试芯片的结构的剖视图。

[0018] 图2是表示相对于紫外激励光的GaN纳米柱的发光光谱的图表。

[0019] 图3(A)是用于说明图1所示的氧浓度测试芯片的动作原理的图(不存在氧气)。图3(B)是用于说明图1所示的氧浓度测试芯片的动作原理的图(存在氧气)。

[0020] 图4是表示本发明的第2实施方式所涉及的检测装置即氧浓度传感器的结构的图。

[0021] 图5是表示本发明的第2实施方式所涉及的检测元件即氧浓度测试芯片的结构的剖视图。

[0022] 图6是表示图4的氧浓度传感器的电结构的框图。

[0023] 图7(A)是Ni 薄膜图案P的基本单位的俯视图。图7(B)是Ni薄膜图案P的基本单位的立体图。

具体实施方式

[0024] (第1实施方式)

[0025] 图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的检测元件即氧浓度测试芯片1的结构的剖视图。当从紫外光源2照射能量hv1的激励光时，该芯片1发出能量hv2的光，利用该光的波长随氧浓度不同而如图2所示那样发生变化的现象，可大致检测氧浓度。

[0026] 所述芯片1的结构为，GaN纳米柱(GaN nanocolumns)4呈阵列状形成在蓝宝石基板3上。各GaN纳米柱4具备n型GaN层5、GaN/InGaN异质结构的阱层(well layer)(发光层)6及p型GaN层7。所述GaN纳米柱4例如可如下所示那样加以制作。

[0027] 首先，通过电子射线蒸镀在蓝宝石基板3上蒸镀5nm作为催化剂材料层的Ni薄膜。利用通常的光刻技术和Ar离子蚀刻等干式蚀刻技术，使所述Ni薄膜形成由二维光子晶体构成的衍射栅格图案(diffraction lattice pattern)状的Ni薄膜图案。如图7所示，该Ni薄膜图案P以直径为100nm的柱径、一边为230nm的三角形作为基本单位。然后，将其放入MOCVD(metal organic chemical vapor deposition：有机金属化学气相沉积)装置中，并将温度设定为900℃，在此状态下，通过供应GaN结晶生长的生长气体即三甲基镓(Ga(CH3)3)及氨(NH3)，使Ga和N吸附在Ni薄膜图案的表面。GaN结晶生长的Ga原料为三甲基镓，N原料为氨。所吸附的Ga和N被导入Ni薄膜内，在该Ni薄膜内扩散并到达与基板1的界面，在此处彼此结合而形成GaN单晶。另一方面，直接堆积在蓝宝石基板3上的Ga与N无法彼此结合，因此，不会在该蓝宝石基板3上形成GaN单晶。这样，GaN单晶只在Ni薄膜与蓝宝石基板3之间生长。

[0028] 通过使该状态维持指定时间，形成长度为约1μm左右的GaN的柱状结晶，即GaN纳米柱4。在该GaN纳米柱4的顶部，存在以最初指定的柱径排列成二维光子晶体图案的Ni薄膜。通过适当地保持生长条件，所述GaN纳米柱4在已被确定的位置上以相同的直径生长。在该GaN纳米柱4的生长过程中，通过供应硅烷(SiH4)、三甲基铟(In(CH3)3)、二茂镁(Cp2Mg)等，可在所述GaN纳米柱4中形成n型GaN层5、阱层发光层6及p型GaN层7。硅烷为用于形成n型的Si原料，三甲基铟为用于形成量子阱的In原料，二茂镁为用于形成p型的Mg原料。

[0029] 在第1实施方式中，作为纳米柱4的材料例示了GaN，但并不限定于此，也可以将包含氧化物、氮化物、氮氧化物等的所有化合物半导体作为对象。另外，将有机金属化学气相沉积(MOCVD)装置用于纳米柱4的生长，但使用分子束外延(MBE)装置、氢化物气相外延(HVPE)装置等也可以使纳米柱4生长。

[0030] 图3(A)及图3(B)是用于说明如上所述构成的氧浓度测试芯片1的动作原理的图。图3(A)是表示没有作为被检体的氧气时GaN纳米柱4和其能带(energy band)的图。GaN纳米柱4如前所述具备n型GaN层5、GaN/InGaN异质结构的阱层6及p型GaN层7。
在此，阱层6的能带图由于表面能级(surface level)及内部压阻(piezo resistance)的缘故，一般具有相对于平带(flat band)倾斜的结构。如果在此状态下通过外部激励光产生载流子(carrier)而将电子8和空穴9供应到阱层6，则经过一定的缓和时间后，两者结合而产生相当于带隙能量(bandgap energy)hv2的光。

[0031] 接下来，图3(B)示出存在作为被检体的氧气10时的GaN纳米柱4和其能带。此处的阱层6的能带图，除了表面能级及内部压阻以外，还由于氧气10吸附于GaN纳米柱4的表面而离子化，从而变成相对于平带比不存在氧气10时更加明显地倾斜的结构。因此，当通过外部激励光产生载流子而将电子8和空穴9供应到异质结构的阱层6时，电子8和空穴9结合而产生的能量hv2与未吸附氧气10时产生的能量hv2不同。因此，在吸附了氧气10的情况下和未吸附氧气10的情况下放出不同波长的光。一般而言，吸附了氧气10时的波长与未吸附氧气10时相比移动(shift)到长波长侧。可根据该波长的移动量检测氧气10的浓度。

[0032] 图2是相对于紫外激励光(360nm)的GaN纳米柱4的发光光谱的图示。横轴为波长，纵轴为标准化后的发光强度(亮度)。参照符号α1是没有氧的真空时的数据，参照符号α2是填充有氧气10的环境中的数据。如前所述，可知，在氧环境下，发光光谱移动到长波长侧(440→450nm)。由于这些光谱范围为蓝色的可见光，因此可通过目视充分认识到该光谱之差。

[0033] 如上所述，第1实施方式的氧浓度测试芯片1受到来自紫外光源2的激励光激励，产生与氧浓度相应的波长和亮度的光。该芯片1在蓝宝石基板3上具备具有异质结构的阱层6的GaN纳米柱4。当氧分子或原子吸附在GaN纳米柱4时，在异质结构的阱层6中带隙宽度较小的结构体(材料)发生能带的畸变，由于该畸变跃迁能(transition energy)(表面上的带隙宽度)产生变化，利用因该变化而在阱层6产生的光的强度(亮度)和波长的至少其中之一的变化来表示氧浓度。

[0034] GaN纳米柱4由于生长温度较高，因此可在高温环境(至少500℃)下使用，并且，由于对于氧气10稳定(腐蚀或变质较少)，因此可反复使用。尤其在利用波长(颜色)来检测氧浓度时，由于灵敏度恶化较少，因此定量性优异，而且不需要校正。

[0035] 而且，在第1实施方式所涉及的氧浓度测试芯片1中，由阱层6产生的光(能量hv2)如上所述被设定在可见光的区域，因此人们可通过目视立即知晓有无氧气10的存在以及其浓度。

[0036] (第2实施方式)

[0037] 图4示出本发明的第2实施方式所涉及的检测装置即氧浓度传感器11的结构。该传感器11为形成笔状的手持式的检测装置。在传感器11的笔尖部设有氧浓度测试芯片
12。在传感器11的主体部16内设有显示测定结果的显示部13、键14及后述的刷新键15。
通过将笔帽18套在主体部16上，可保护所述芯片12。主体部16与笔帽18通过电缆17连接。

[0038] 适于该传感器11的芯片12例如如图5所示那样构成。GaN纳米柱24呈阵列状形成在硅基板23上。硅基板23和GaN纳米柱24均具有导电性。各GaN纳米柱24具备n型GaN层25、GaN/InGaN异质结构的阱层(发光层)26以及p型GaN层27。通过加大p型GaN层27的上部的直径，使相邻的p型GaN层27电接触。由此，p型GaN层27的形状从上方来看呈平面状。为了对阱层26供应载流子，将p型电极28连接在p型GaN层27上，将n型电极29经由硅基板23连接于n型GaN层25，这些电极28、29与外部的直流电源30连接。通过供应载流子，产生具有相当于异质结构的阱层26的带隙能量的能量hv3的光。该光的波长由于吸附在GaN纳米柱24表面的氧分子、原子的浓度不同的原因，基于图3中说明的原理而发生变化。图4所示的主体部16基于上述波长的变化来计算氧浓度，并将该值显示在显示部13上。GaN纳米柱24的制作方法与第1实施方式相同。

[0039] 图6是表示所述传感器11的电结构的框图。通过按压配置在主体部16的测定键14，电流从作为设置在所述主体部16内的激励机构的上述的直流电源30流到芯片12，该芯片12发光。该光通过光纤31，被主体部16内的滤光器32分光之后，由对应的光电二极管
33进行光电转换。作为检测机构的所述滤光器32及光电二极管33，为了对所述GaN纳米柱
24的光进行分光而设有至少三种，即红色用的滤光器32和光电二极管33、绿色用的滤光器
32和光电二极管33、以及蓝色用的滤光器32和光电二极管33。作为运算机构的信号处理部34基于所述各光电二极管33的输出来计算分光分布，并将该分光分布与预先测定并保存的氧浓度的数据进行对照，计算出实际的氧浓度，如图4所示将其显示在所述显示部13。

[0040] 第1实施方式的氧浓度测试芯片1是目视发光的颜色(波长)来判断氧浓度，因此只能够大体知晓氧浓度。另一方面，在第2实施方式中由于显示氧浓度，因此能够高精度且定量化地知晓氧浓度。第2实施方式的结构也可在高温环境使用。并且，由于对于氧气10稳定(腐蚀或变质较少)，因此可反复使用。尤其是，在如上述那样利用波长(颜色)来检测参数时，由于灵敏度恶化较少，因此定量性优异，而且不需要校正。

[0041] 通过设置光纤31及激励光的电源线35，可使芯片12远离内置传感器11的剩余结构的主体部16。由于芯片12的尺寸可以设成一边为1mm以下，因此可使内包光纤31及电源线35并支撑芯片12的导入部36细如注射针头。由此，能够在化学实验室等中简单地测定液体内的化学物质。而且，由于芯片12不含对生物有害的物质，因此可将芯片12植入生物体内。

[0042] 另外，应注意的是，在所述芯片12的保护用的笔帽18内，与所述芯片12相对置地设有紫外线灯37。在将笔帽18套在主体部16上的情况下，最好通过在减压下按压所述刷新键15，使电流从所述直流电源30流到该紫外线灯37从而使该紫外线灯37点亮。通过紫外线的照射，附着在芯片12的GaN纳米柱24上的所述氧等的分子或原子蒸发，因此能够进行刷新。从而能够始终良好地保持传感器11的灵敏度，并且可反复使用，因此可实现对环境性优异且性价比较高的传感器。

[0043] 在上述说明中，主要列举了氧浓度传感器的示例，但可通过在GaN纳米柱4、24的表面设置例如聚醚酰亚胺(PEI)来检测CO2，通过设置半透明的铂层来检测H2。此外，通过在GaN纳米柱4、24的表面设置半透明的金膜，也可以检测DNA。以上是能够检测的物质的示例，本发明的对象被检体并不限于O2、CO2、H2、DNA，当然能够适用于可应用本发明的原理的所有被检体。而且，也能够用于温度、湿度及液体的检测。

[0044] 而且，在上述说明中，作为纳米级的结晶结构体，以所述GaN纳米柱4、24、即柱状的结构进行了说明，但也可以是片(壁)状的结构。此时，最薄部可为纳米级。然而，即使是相同的芯片面积，也由于纳米柱的表面积较宽，因此对被检体的吸附更为敏感，从而能够实现高灵敏度的检测元件。

[0045] 另外，日本专利公开公报特开2004-151093号公开了一种在流路的旁边设置有微型振荡器激光二极管的传感器。该传感器中，微型振荡器激光二极管的共振条件随流体或环境的变化而发生变化，从二极管输出的光因该变化而发生变化，通过检测该变化，求出浓度或温度。但是，该传感器被用于特殊用途，不具有通用性。

[0046] 在第1实施方式中对氧浓度测试芯片1进行了说明，在第2实施方式中对氧浓度传感器11进行了说明。但是如图2所示，将没有氧的真空时的数据(α1)与填充有氧气10的环境中的数据(α2)进行比较可知，根据氧的有无，在阱层6产生的光的波长及亮度不同。因此，也可以不是氧浓度测试芯片1、氧浓度传感器11，而是作为检测是否有氧的氧有无检测芯片、氧有无检测传感器的实施方式。

[0047] 本发明所涉及检测元件，受激励光激励而产生与周围气氛相对应的光，以检测所述周围气氛中的预先指定的气体或液体的参数，该检测元件包括：基板；以及形成在所述基板上、采用具有异质结构的阱层的化合物半导体发光元件的纳米级的结晶结构体，其中，当所述预先指定的气体或液体的分子或原子吸附在所述纳米级的结晶结构体时，该纳米级的结晶结构体在所述阱层中带隙宽度较小的结构体(材料)发生能带的畸变，该畸变使跃迁能(表面上的带隙宽度)产生变化，利用因该变化而在所述阱层产生的光的强度和波长的至少其中之一的变化来表示所述气体或液体的参数。

[0048] 基于此结构的检测元件受激励光激励而发出与周围气氛相对应的光，以检测所述周围气氛中的预先指定的气体或液体的参数(种类、浓度、温度、湿度)。检测元件在基板上设置有采用具有异质结构的阱层的化合物半导体发光元件的纳米级的结晶结构体。所述纳米级的结晶结构体形成柱状或片(壁)状，且最薄部可为纳米级。当所述化合物半导体发光元件接收所述激励光而发光时，如果所述预先指定的气体或液体(被检体)的分子或原子吸附于所述纳米级的结晶结构体，则该纳米级的结晶结构体在所述阱层中带隙宽度较小的结构体(材料)会发生能带的畸变，因此，该畸变使跃迁能(表面上的带隙宽度)产生变化，因该变化而在所述阱层产生的光的强度(亮度)及波长会发生变化。利用该强度和该波长的至少其中之一的变化来检测所述气体或液体(被检体)的指定参数。

[0049] 采用所述化合物半导体发光元件的所述纳米级的结晶结构体由于生长温度较高，因此可在高温环境下使用，并且对于多种气体或液体(被检体)稳定(腐蚀或变质较少)，因此可以反复使用。尤其是当利用波长来检测参数时，由于灵敏度恶化较少，因此定量性优异，而且不需要校正。

[0050] 在本发明所涉及的检测元件中，在所述阱层产生的光被设定在可见光区域。

[0051] 根据此结构，由于来自检测元件的光为可见光，因此人们可通过目视立即知晓被检体(所述预先指定的气体或液体)是否存在及其浓度。

[0052] 在本发明所涉及的检测元件中，所述纳米级的结晶结构体为具有GaN/InGaN异质结构的所述阱层的GaN纳米柱。

[0053] 在本发明所涉及的检测元件中，所述纳米级的结晶结构体以直径为100nm的柱径、一边为230nm的三角形为基本单位，所述GaN纳米柱的长度为1μm。

[0054] 本发明所涉及的检测装置，检测预先指定的气体或液体的参数，包括：检测元件，在基板上设置有采用具有异质结构的阱层的化合物半导体发光元件的纳米级的结晶结构体；激励机构，使所述化合物半导体发光元件发光；以及检测机构，接受从所述化合物半导体发光元件发出的光，检测该光的强度和波长的至少其中之一，其中，当所述预先指定的气体或液体的分子或原子吸附在所述纳米级的结晶结构体时5，该纳米级的结晶结构体在所述阱层中带隙宽度较小的结构体(材料)发生能带的畸变，该畸变使跃迁能(表面上的带隙宽度)产生变化，所述检测机构通过检测在所述阱层产生的光的强度和波长的至少其中之一的变化，从而检测所述气体或液体的参数。

[0055] 根据此结构，在检测气体或液体(被检体)的指定参数例如种类、浓度、温度、湿度等的检测装置中，检测元件在基板上设置有采用具有异质结构的阱层的化合物半导体发光元件的纳米级的结晶结构体。所述纳米级的结晶结构体形成柱状或片(壁)状，且最薄部可为纳米级。当所述化合物半导体发光元件受激励机构激励而发光时，如果所述预先指定的气体或液体(被检体)的分子或原子吸附于所述纳米级的结晶结构体，则该纳米级的结晶结构体在所述阱层中带隙宽度较小的结构体(材料)会发生能带的畸变，因此，该畸变使跃迁能(表面上的带隙宽度)产生变化，因该变化而在所述阱层产生的光的强度(亮度)及波长会发生变化。检测机构检测该强度及波长的至少其中之一的变化。然后，将其与预先测定的针对其强度和波长的至少其中之一的所述气体或液体(被检体)的指定参数值进行对照，计算实际的参数值。

[0056] 采用所述化合物半导体发光元件的所述纳米级的结晶结构体由于生长温度较高，因此可在高温环境下使用，并且对于多种气体或液体(被检体)稳定(腐蚀或变质较少)，因此可以反复使用。尤其是当利用波长来检测参数时，由于灵敏度恶化较少，因此定量性优异，而且不需要校正。

[0057] 在本发明所涉及的检测装置中，所述纳米级的结晶结构体为具有GaN/InGaN异质结构的阱层的GaN纳米柱。

[0058] 在本发明所涉及的检测装置中，所述纳米级的结晶结构体以直径为100nm的柱径、一边为230nm的三角形为基本单位，所述GaN纳米柱的长度为1μm。

[0059] 在本发明所涉及的检测装置中，所述激励机构为使所述化合物半导体发光元件光激发(使用光致发光(photoluminescence，PL))的发光元件。

[0060] 在本发明所涉及的检测装置中，在所述纳米级的结晶结构体的两端安装有电极，所述激励机构为直流电源。

[0061] 在本发明所涉及的检测装置中，所述检测机构包括：至少三个光学滤光器，对从所述化合物半导体发光元件发出的光进行分光；光电二极管，对应于所述各光学滤光器而设，检测通过对应的光学滤光器的光的强度；以及运算机构，基于所述各光电二极管的输出来计算分光分布，从而计算所述预先指定的气体或液体的参数值。

[0062] 根据此结构，由于以上述分光分布为根据，因此可高精度地求出所期望的气体或液体的参数值。

[0063] 本发明所涉及的检测装置，还包括形成笔状且具有设置有所述检测元件的笔尖部的主体部，在所述主体部内，设置有剩余的结构及显示所述检测机构的检测结果的显示机构。

[0064] 根据此结构，可实现手持式的检测装置。

[0065] 本发明所涉及的检测装置，还包括设在覆盖所述笔尖部的笔帽上的紫外线产生机构。

[0066] 根据此结构，通过紫外线的照射使附着在检测元件上的所述指定气体或液体的分子或原子蒸发，从而可刷新检测元件。

[0067] 本发明所涉及的氧浓度测试装置，包括：发光元件，包含采用具有GaN/InGaN异质结构的阱层的化合物半导体的纳米级的结晶结构体，发光波长及亮度随气氛中的氧浓度而变化；供应部，对所述发光元件供应激励能量；以及受光部，接受通过从所述供应部供应激励能量而从所述发光元件发出的光。

[0068] 根据此结构，可在高温环境下使用氧浓度测试装置。此处，发光元件相当于实施方式中的氧浓度测试芯片1、12。供应部相当于实施方式中的紫外光源2及直流电源30。受光部相当于实施方式中的光电二极管33。

[0069] 在本发明所涉及的氧浓度测试装置中，所述发光元件还包括夹着所述阱层的GaN层，包含所述阱层和所述GaN层的结构体具有垂直形成在基板上的纳米柱形状。

[0070] 根据此结构，由于可扩展包含阱层和GaN层的结构体的表面积，因此可实现高灵敏度的氧浓度测试装置。

[0071] 在本发明所提供的氧浓度测试装置中，所述纳米级的结晶结构体以直径为100nm的柱径、一边为230nm的三角形为基本单位，所述纳米柱的长度为1μm。

[0072] 本发明所涉及的氧浓度测试装置，还包括配置在所述发光元件与所述受光部之间的光路上，将从所述发光元件发出的光分成红蓝绿三色的光学滤光器，其中，所述受光部分为接收由所述光学滤光器分光的红色光的红光接收部、接收由所述光学滤光器分光的绿色光的绿光接收部及接收由所述光学滤光器分光的蓝色光的蓝光接收部，所述氧浓度测试装置还包括基于根据所述红光接收部、所述绿光接收部、所述蓝光接收部各自的输出而求出的分光分布来计算氧浓度的运算部。

[0073] 根据此结构，由于以上述分光分布为根据，因此可高精度地求出氧浓度。此处，具备光学滤光器、红光接收部、绿光接收部及蓝光接收部的单元相当于实施方式中的包含红色用的滤光器32和光电二极管33、绿色用的滤光器32和光电二极管33及蓝色用的滤光器32和光电二极管33的单元。

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检测元件、检测装置及氧浓度测试装置

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