室温で波長1.55～3μmまで見える赤外光センサーを開発 家庭・医療・環境・食品産業など生活に近い場面への展開に期待

【本研究のポイント】

・近〜中波赤外域で高い透過性と導電性を両立する電極と、赤外線を効率よく吸収する半導体材料を組み合わせることで、これまで室温では困難だった3μm（マイクロメートル）帯までの赤外光を検出可能な小型センサーを試作した。

・Ge（ゲルマニウム）基板上に、Sn固溶限界を超える13.6%のSnを含有した高品質p型GeSn層の結晶成長に成功し、波長3μm帯の感度を実現した。

・本小型センサー（フォトダイオード）は、一つの素子で通信波長（1.55μm付近）から3μm付近までの赤外光を検出でき、ガス検知だけでなく、環境モニタリング、ヘルスケア（呼気分析）、食品・医薬品の品質管理、産業プロセス監視、赤外イメージング、さらにはセキュリティ用分光センシングなど、幅広い用途への展開が期待できる。

【研究概要】 名古屋大学大学院工学研究科の中塚 理 教授、柴山 茂久 助教らの研究グループと日本電気株式会社（NEC）の田中 朋 博士らは、産業技術総合研究所(産総研）・先端半導体研究センターの前田 辰郎 博士、Rahmat Hadi Saputro（ラハマト ハディ サプトロ）博士らとの共同研究で、Si集積回路プロセス技術と相性の良いゲルマニウム錫（GeSn）/ゲルマニウム（Ge）接合赤外センサーを新たに開発しました。

近〜中波赤外域で高い透過性と導電性を両立するiTCO（infrared-transparent conductive oxide）電極と赤外光を効率よく吸収するGeSn材料を組み合わせることで、室温で3μm帯までの赤外光を検出可能な小型センサーを試作しました。名古屋大学で開発した低温MBE法により、Ge基板上にSnの平衡固溶限界を超える13.6%の高Sn組成p型GeSn混晶層の高品質なエピタキシャル成長に成功し、3μm帯の感度を持つ狭ギャップ半導体薄膜を実現しました。産総研で試作、検証したiTCO/p型GeSn/n型Geフォトダイオードの特性評価からは、一つの素子で通信波長（1.55μm付近）から3μm付近までをカバーできることが実証されました。

本研究成果は、2026年5月20日（現地時間）に国際会議Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)において講演発表されます。

【研究背景と内容】

3μm付近の“中赤外”と呼ばれる光は、メタンなどの温室効果ガスや、呼気に含まれる分子、食品や薬の品質の違いなどを見分けられる、分子ごとの特徴（＝分子の指紋）を読み取れる領域の光です。これまで、この領域を高感度で計測するセンサーは冷却が必要で、大型かつ高価なものが主流であり、普及の障壁となっていました。従来のInGaAs半導体センサーでは、～1.67μmが主力で、先端の拡張型InGaAsでも～2.6μmが上限です。そのため、2.6～3.3μmの“すき間”を室温で埋めることができる小型・低コストの技術が求められていました。

今回の研究で開発したデバイスは、 ①室温で動作可能 ②一般的な半導体プロセスにより制作可能（＝量産に向いている） という大きな特長があります。これにより、これまで困難だった家庭、医療、環境、食品産業など、生活に近い場面へ“中赤外センシング”を広く普及するための基盤が構築されます。