Presentation Information
[C-3_C-4-43]Pt-SiO₂膜装荷Si微小リング共振器型水素ガスセンサの高感度化
◎△Ryuki Saito1, Ayumu Sato1, Shinji Okazaki1, Yoshiaki Nishijima1,2, Taro Arakawa1,2 (1. Graduate School of Engineering, Yokohama National University, 2. Semiconductor and Quantum Integrated Electronics (SQIE) Research Center)
Keywords:
Silicon Photonics,Microring Resonator,Hydrogen Sensor
近年の水素エネルギー需要の増加に伴い、安全対策として水素センサが求められる。安全性の観点から光学式水素センサが注目されている。Si微小リング共振器（MRR）型センサは小型かつ高速応答が可能である一方、低濃度帯での感度に課題を有する。本研究では、水素感応膜製膜過程での熱劣化を回避するため、新たな水素感応膜製膜法を用いてデバイス作製を行い、水素濃度0.10 vol.%の低濃度水素の検知を確認し、高感度化を達成したので報告する。
本研究で用いるデバイスはSOI基板上にSi MRRを作製し、その上部にクラッド層としてSiO2やAl2O3を製膜し、更にその上部に水素感応膜であるPt-SiO2膜を製膜したものとなっている。上部クラッドは水素感応膜による吸収損失を考慮し、SiO2では700 nm、Al2O3では800nmとした。本センサはPt-SiO2膜において白金を触媒として水素と酸素が反応する際に発生する反応熱が、クラッド層を通じてSi MRRに伝搬され熱光学 (TO) 効果により導波路の実効屈折率が変化することで、MRRの共振波長が長波長側にシフトする。この共振波長のシフトを検知することで水素を検知する仕組みとなっている。
従来のPt-SiO2製膜法では、焼成の際にSi MRRに対する加熱を伴い、MRRの光学特性に悪影響を与えることが確認された。そのため本研究では焼成を事前に行ったPt-SiO2粉末をデバイスの上部に配置し、TEOS (tetraethyl orthosilicate) をバインダーとして滴下し接着を行う製膜法を考案した。この製膜法を用いて作製したデバイスを水素雰囲気下で光学導波測定を行い、水素検知性能を確認した。
共振波長の最大シフト量は先行研究に劣るが、上部クラッドAl2O3デバイスにおいて水素濃度0.10 vol.%での共振波長シフトを確認した。また、上部クラッドSiO2デバイスにおいても0.10 vol.%において検知に不十分ではあるが微小な共振波長シフトが確認され、0.20 vol.%においては検知に十分な0.054 nmの共振波長シフトが確認された。この結果より、低濃度水素の検知限界の向上が達成された。
本研究で用いるデバイスはSOI基板上にSi MRRを作製し、その上部にクラッド層としてSiO2やAl2O3を製膜し、更にその上部に水素感応膜であるPt-SiO2膜を製膜したものとなっている。上部クラッドは水素感応膜による吸収損失を考慮し、SiO2では700 nm、Al2O3では800nmとした。本センサはPt-SiO2膜において白金を触媒として水素と酸素が反応する際に発生する反応熱が、クラッド層を通じてSi MRRに伝搬され熱光学 (TO) 効果により導波路の実効屈折率が変化することで、MRRの共振波長が長波長側にシフトする。この共振波長のシフトを検知することで水素を検知する仕組みとなっている。
従来のPt-SiO2製膜法では、焼成の際にSi MRRに対する加熱を伴い、MRRの光学特性に悪影響を与えることが確認された。そのため本研究では焼成を事前に行ったPt-SiO2粉末をデバイスの上部に配置し、TEOS (tetraethyl orthosilicate) をバインダーとして滴下し接着を行う製膜法を考案した。この製膜法を用いて作製したデバイスを水素雰囲気下で光学導波測定を行い、水素検知性能を確認した。
共振波長の最大シフト量は先行研究に劣るが、上部クラッドAl2O3デバイスにおいて水素濃度0.10 vol.%での共振波長シフトを確認した。また、上部クラッドSiO2デバイスにおいても0.10 vol.%において検知に不十分ではあるが微小な共振波長シフトが確認され、0.20 vol.%においては検知に十分な0.054 nmの共振波長シフトが確認された。この結果より、低濃度水素の検知限界の向上が達成された。