(57)【要約】【課題】製造プロセスを簡素化でき、小型で大量生産が可能で、分光検知器として利用可能な半導体光デバイスを提供する。【解決手段】実施形態に係る半導体光デバイスは、基板と、前記基板上に配置されたフィルタ層と、前記フィルタ層上に配置された半導体受光素子とを備え、前記フィルタは入射光の所望の波長を透過する、異なる屈折率材料からなる周期構造を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置されたフィルタ層と、
前記フィルタ層上に配置された半導体受光素子と
を備え、
前記フィルタ層は、入射光の所望の波長を透過する、異なる屈折率材料からなる周期構造を有する半導体光デバイス。
【請求項２】
前記基板上に屈折率が異なる２つの層を交互に積層した積層構造が配置され、前記積層構造の上部に前記フィルタ層が配置され、前記フィルタ層上に前記半導体受光素子が配置される請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項３】
前記基板上に前記フィルタ層が複数配置され、各前記フィルタ層上に半導体受光素子がそれぞれ配置される請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項４】
前記周期構造を有する前記複数のフィルタ層は、前記周期構造の周期が互いに異なる請求項２又は３に記載の半導体光デバイス。
【請求項５】
前記フィルタ層は、低屈折率のシリコン酸化物と高屈折率のアモルファスシリコンとからなる前記周期構造を有する請求項１から４いずれか１項に記載の半導体光デバイス。
【請求項６】
前記フィルタ層は、フォトニック結晶からなることを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載の半導体光デバイス。
【請求項７】
前記フィルタ層は、低屈折率の母材層と、当該母材層に所望の周期で設けられた高屈折率の複数の帯状層とからなる請求項１から６いずれか１項に記載の半導体光デバイス。
【請求項８】
前記半導体受光素子は、III−Ｖ族半導体から作られるｐｉｎ構造と、前記ｐｉｎ構造に対して電圧を印加する一対の電極とを備える請求項１から７いずれか１項に記載の半導体光デバイス。
【請求項９】
前記基板上に配置された半導体発光素子をさらに備える請求項１から８いずれか１項に記載の半導体光デバイス。
【請求項１０】
前記半導体発光素子は、前記基板上に配置された活性層を含む半導体層と、前記活性層に電圧を印加する一対の電極とを備え、前記基板と前記半導体層の間に第１の反射層が設けられ、前記半導体層上に第２の反射層が設けられる請求項９記載の半導体光デバイス。
【請求項１１】
前記半導体層はIII−Ｖ族半導体から作られる請求項１０に記載の半導体光デバイス。
【請求項１２】
前記第１の反射層は、フォトニック結晶からなる請求項１０又は１１に記載の半導体光デバイス。
【請求項１３】
前記第２の反射層は多重反射膜である請求項１０から１２いずれか１項に記載の半導体光デバイス。
【請求項１４】
前記多重反射膜は、屈折率が異なる２つの層を交互に積層した積層体から構成される請求項１３に記載の半導体光デバイス。
【請求項１５】
前記半導体発光素子は、半導体レーザである請求項１０から１４いずれか１項に記載の半導体光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、被測定物の物性を評価するために、フォトルミネッセンス法、ラマン分光法、顕微分光法などの各種分光測定が広く活用されている。分光測定では、被測定物の組成又は結合状態等の物性の情報が得られる。現在、分光測定を血液分析等の生体測定へ適用することが検討されており、可搬性を有する小型の分光測定装置の大量生産が必要とされている。小型の分光測定装置を実現するには、小型の分光検知器が必要である。
【０００３】
近年、可視光の分光検知器として、半導体受光素子上に吸収特性の異なる複数のカラーフィルタを集積した光学素子が知られている（特許文献１）。また、光学素子は、従来の分光検知器と比較して小型であるが、複数のカラーフィルタを別箇に形成するため製造プロセスが煩雑になる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７００８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
実施形態によると、製造プロセスを簡素化でき、小型で大量生産が可能で、分光検知器として利用可能な半導体光デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの実施形態によると、基板と、前記基板上に配置されたフィルタ層と、前記フィルタ層上に配置された半導体受光素子とを備え、前記フィルタ層は、入射光の所望の波長を透過する、異なる屈折率材料からなる周期構造を有する半導体光デバイスが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る半導体光デバイスを示す断面図である。
【図２】図１のフィルタ層を示す平面図である。
【図３】図２のフィルタ層の反射スペクトル及び透過スペクトルを示す図である。
【図４】第２の実施形態に係る半導体光デバイスを示す断面図である。
【図５】図４のフィルタ層の反射スペクトル及び透過スペクトルを示す図である。
【図６】第３の実施形態に係る半導体光デバイスを示す断面図である。
【図７】第４の実施形態に係る半導体光デバイスを示す断面図である。
【図８】第５の実施形態に係る半導体光デバイスを示す断面図である。
【図９】第５の実施形態に係る半導体光デバイスの他の例を示す断面図である。
【図１０】第６の実施形態に係る半導体光デバイスを示す断面図である。
【図１１】第７の実施形態に係る半導体光デバイスを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態に係る半導体光デバイスを詳細に説明する
実施形態に係る半導体光デバイスは、基板を備える。基板上には、半導体受光素子が配置されている。半導体素子と受光素子との間にはフィルタ層が設けられている。フィルタ層は、入射光の所望の光を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を有し、光が基板側から入射される。基板は、種々の材料から作ることができる。入射光の波長において、透明な基板が望ましく、例えば、半導体受光素子に入射する光が可視光のとき、基板はＧａＮ又はＳｉＣから作ることができる。半導体受光素子に入射する光が近赤外光のときは、光透過性の高いＳｉ、又はＧａＡｓ、ＩｎＰから作ることができる。
【０００９】
半導体受光素子は、従来公知のものであればよく、例えば平面形状が矩形状又は円形状をなすｐｉｎ構造のものを用いることができる。ｐｉｎ構造の半導体受光素子は、ｐ型層及びｎ型層にそれぞれ電極が接続される。例えば、ｐ型層がｐ−Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓから形成される場合にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ、ｐ型層がｐ−ＩｎＰから形成される場合にはＺｎ／Ａｕをｐ型電極として用いることができる。例えば、ｎ型層がｎ−ＧａＡｓから形成される場合にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、ｎ型層がｎ−ＩｎＰから形成される場合には、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをｎ型電極として用いることができる。
【００１０】
フィルタ層は、例えば、フォトニック結晶から作ることができる。フォトニック結晶は、母材層に当該母材層と異なる屈折率を有する複数の領域を１次元方向又は２次元方向に周期的に配置した構造を有する。具体的には、フォトニック結晶は例えばシリコン酸化物のような母材層に複数の帯状孔を１次元方向に周期的に開口するか、又は複数の円形、矩形の孔を２次元方向に周期的に開口し、これらの孔に母材に比べて高屈折率のアモルファスシリコン層を埋め込んだ構造を有する。母材である低屈折率材料は、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ｉｎ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯＸ（ｘは１＜ｘ＜１．５）を挙げることができる。高屈折率材料は、例えばＳｉ、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｉｎ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等を挙げることができる。このようなフィルタ層は、異なる屈折率材料からなる周期構造の周期を変更することによって、透過する波長を選択できる。
【００１１】
実施形態に係る半導体光デバイスにおいて、フィルタ層は以下に説明する種々の形態を有する。
【００１２】
（１）基板と半導体受光素子の間に複数のフィルタ層を光の入射方向に沿って配置することができる。このような形態において、複数のフィルタ層は入射光の所望の波長の光を透過する。
【００１３】
（２）基板上の同一表面に複数のフィルタ層をアレイ状に配置し、当該フィルタ層上に半導体受光素子を設けることができる。このような形態おいて、複数のフィルタ層はそれぞれ入射光の所望の波長の光を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造が互いに相違する。
【００１４】
（３）基板上に半導体発光素子をさらに設けた半導体光デバイスにおいて、基板上に１つ又は２つ以上のフィルタ層を配置し、当該フィルタ層上に半導体受光素子を設けることができる。このような形態おいて、半導体発光素子は特に限定されないが、例えばｐｉｎ構造の半導体発光素子又は半導体レーザを用いることができる。
【００１５】
（４）基板上にフィルタ層を配置し、当該フィルタ層上に半導体発光素子をさらに設けた半導体光デバイスにおいて、前記フィルタ層とは別の領域に位置する基板上に１つ又は２つ以上のフィルタ層を配置し、当該フィルタ層上に半導体受光素子を設けることができる。
【００１６】
次に、前述した実施形態を図面を参照してより具体的に説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体光デバイスの断面図であり、図２は図１のフィルタ層を示す平面図である。
【００１８】
半導体光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる矩形状の基板１を備えている。例えば、シリコン酸化物から作られる絶縁膜２は基板１の主面に設けられている。入射光の所望の波長を透過する、フィルタ層３は、絶縁膜２表面に設けられ、入射光の所望の波長を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、例えばフォトニック結晶から作られている。フィルタ層３は、平面形状が矩形状をなす。フォトニック結晶は、図２に示すように例えばシリコン酸化物から作られる母材層３ａと、当該母材層３ａに一定間隔をあけて埋め込まれ、母材に比べて高屈折率の材料（例えばアモルファスシリコン）から作られる複数の帯状層３ｂとを備える構造を有する。互いに隣接する帯状層３ｂ間において、長さ方向に沿う中心線の周期Λ１は一定で、例えば０．５μｍ〜１．０μｍである。
【００１９】
フィルタ層３を含む絶縁膜２上には、絶縁膜２と同材質の絶縁膜４が表面を平坦化して設けられている。すなわち、フィルタ層３は絶縁膜２及び絶縁膜４で覆われている。フィルタ層３に対応する絶縁膜４部分の表面には、半導体受光素子１１が設けられている。半導体受光素子１１は、例えばそれぞれＩｎＧａＡｓ等のIII−Ｖ族半導体からなるｐ型層５、ｉ型層６及びｎ型層７を備え、これらの層５，６，７はこの順序で積層されている。ｐ型層５、ｉ型層６及びｎ型層７は、いずれも平面形状が矩形状をなす。最下層のｐ型層５の一部はその上のｉ型層６及びｎ型層７（互いに同寸法）より大きな面積を持ち、ｉ型層６の外縁より外周に相似的に露出した矩形環状の縁部５ａを有する。矩形状のｎ型電極８は、最上層のｎ型層７表面に設けられている。矩形環状のｐ型電極９は、最下層のｐ型層５の矩形環状の縁部５ａ表面に設けられている。
【００２０】
以上説明した図１に示す第１の実施形態に係る半導体光デバイスは、基板１と半導体受光素子１１の間に屈折率が周期的に変化する、例えばフォトニック結晶から作られるフィルタ層３を備える。基板１側から光をフィルタ層３に入射させると、特定の波長（又は波長域）の光を透過し、それ以外の波長域の光を反射する。フィルタ層３を透過した光は、ｐｉｎ構造の半導体受光素子１１に入射され、ここで光電変換がなされて光電流が発生する。発生した光電流は、半導体受光素子１１のｐ型層５及びｎ型層７に接続されたｐ型電極９及びｎ型電極８を通して取り出すことができる。この光電流は、フィルタ層３を透過する特定の波長（又は波長域）の光強度に相関する。その結果、半導体受光素子１１で発生する光電流を一対の電極８，９で検出することによって、フィルタ層３を通して半導体受光素子１１に入射する特定の波長（又は波長域）の光強度を計測することができる。
【００２１】
前述したシリコン酸化物から作られる母材層３ａと、当該母材層３ａに一定間隔をあけて埋め込まれ、母材に比べて高屈折率の材料（例えばアモルファスシリコン）から作られる複数の帯状層３ｂとを備える構造を有するフォトニック結晶のフィルタ層３は、互いに隣接する帯状層３ｂ間において、長さ方向に沿う中心線の周期Λ１が一定で、例えば０．５６μｍ、帯状層３ｂの厚みが０．９５μｍである場合、図３に示す波長選択性を示す。図３は図２のフィルタ層の反射スペクトル及び透過スペクトルを示す図である。図３に示すように、フィルタ層３は波長０．９７μｍ及び１．１０μｍの帯域において、約９８％の反射率が現われ、当該２つの波長域間に位置する波長１．０５μｍにおいて約５６％の反射率となる。従って、当該フィルタ層３は波長１．０５μｍの帯域において、消光比約２２の反射型光学フィルタとして機能する。
【００２２】
なお、入射される光の波長が長い場合には、フィルタ層３の周期Λ１を長くし、他方、入射される光の波長が短い場合にはフィルタ層３の周期Λ１を短くする。
【００２３】
このような高い波長選択性及び消光比を有するフィルタ層３を基板１と半導体受光素子１１の間に配置することによって、基板１側から光をフィルタ層３に入射させると、特定の波長（又は波長域）の光を透過し、それ以外の波長域の光を反射し、フィルタ層３を通して半導体受光素子１１に入射する特定の波長（又は波長域）の光強度を一対の電極８，９で計測することができる。
【００２４】
従って、第１の実施形態に係る半導体光デバイスによると、入射する光のうち特定の波長（又は波長域）の光の強度を計測できる。また、第１の実施形態に係る半導体光デバイスは分光検知器に適用する場合、既存の半導体プロセスにより得ることができるため、従来の分光検知器に比べて製造の簡素化と小型化を達成できる。
【００２５】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る半導体光デバイスの断面図である。なお、図４において、図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００２６】
第２の実施形態に係る半導体光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる矩形状の基板１を備えている。基板１の主面には、例えば、低屈折率層１２と高屈折率層１３とが交互に積層された積層構造１４が設けられている。積層構造１４は、例えば３層の低屈折率層であるシリコン酸化物層１２と３層の高屈折率層であるアモルファスシリコン層１３とが、交互に積層されている。積層構造１４上には絶縁膜２が設けられ、絶縁膜２表面にはフィルタ層３が設けられている。フィルタ層３は、入射光の所望の波長を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、第１の実施形態で説明したのと同様な構造を有するフォトニック結晶から作られている。なお、フィルタ層３の互いに隣接する帯状層（図示せず）間において、長さ方向に沿う中心線の周期Λ１は一定で、０．５μｍ〜１．０μｍ、例えば０．６μｍである。フィルタ層３を含む絶縁膜２上には、絶縁膜２と同材質の絶縁膜４が表面を平坦化して設けられている。すなわち、フィルタ層３は絶縁膜２及び絶縁膜４で覆われている。絶縁膜４の表面には、第１の実施形態と同様な構造の半導体受光素子１１及び一対の電極８，９が設けられている。
【００２７】
以上説明した図４に示す第２の実施形態に係る半導体光デバイスは、第１の実施形態と同様に基板１から入射される光の特定な波長（又は波長域）を透過し、その波長（又は波長域）の光電流を一対の電極８，９で検出することによって、半導体受光素子１１に入射する特定の波長（又は波長域）の光の強度を計測することができる。
【００２８】
また、第２の実施形態に係る半導体光デバイスでは基板１側から入射する光は入射方向に沿って積層構造１４、フィルタ層３を透過した後、半導体受光素子１１に入射される。積層構造１４及びフィルタ層３は、共に高反射率層となっているため、これらを透過する光に対しては、ファブリ・ペロー型の光共振器、または、位相シフト付回折格子と同等の透過特性を示す。その結果、図１に示すような単層のフィルタ層と比較して、透過する光の波長がより狭帯域の光になる。すなわち、基板１と半導体受光素子１１との間に積層構造１４及びフィルタ層３を配置させることで、透過する光の波長選択性が高い光学フィルタを設計することができる。
【００２９】
すなわち、基板１と半導体受光素子１１の間に屈折率が周期的に変化する、例えば交互積層膜から作られる積層構造１４と、フォトニック結晶からつくられるフィルタ層３とを備え、積層構造１４のアモルファスシリコン層１３の厚みがそれぞれ０．０９２μｍ、シリコン酸化物層１２の厚みがそれぞれ０．２２５μｍ、フィルタ層３の周期Λ１が０．５μｍ〜０．６μｍ、例えば０．５６μｍとした場合、図５の（ａ），（ｂ）に示す透過スペクトル及び反射スペクトルが現われる。なお、図５の（ｂ）は図５の（ａ）波長域（１．２９〜１．３１μｍ）付近を拡大した図である。図５の（ａ），（ｂ）に示すように入射方向にフィルタ層３及び積層構造１４を配置すると、２００ｎｍの波長域（１．２μｍ〜１．４μｍの波長域）の高反射率波長帯の中に幅約１ｎｍの透過率帯が現われる、狭帯域の透過特性を示す。また、フィルタ層３及び積層構造１４はその透過率と反射率との関係から消光比約６０の光学フィルタとして機能する。
【００３０】
なお、図４において積層構造１４は、シリコン酸化物層１２とアモルファスシリコン層１３とが交互に積層されている例を示したがこれに限定されない。低屈折率半導体層１２及び高屈折率層１３は、例えばｐ型ＧａＡｓ層及びｐ型ＡｌＧａＡｓ層等の半導体材料で形成されていてもよい。
【００３１】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係る半導体光デバイスの断面図である。なお、図６において、図１、図４と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００３２】
第３の実施形態に係る半導体光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる矩形状の基板１を備えている。基板１の主面には、絶縁膜２表面に、入射光の所望の波長を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、第１の実施形態で説明したのと同様な構造を有するフォトニック結晶から作られる第１のフィルタ層３１が設けられている。なお、第１のフィルタ層３１の互いに隣接する帯状層（図示せず）間において、長さ方向に沿う中心線の周期Λ２は一定で、０．５μｍ〜１．０μｍ、例えば０．６μｍである。第１のフィルタ層３１を含む絶縁膜２上には、絶縁膜２と同材質の絶縁膜４１が表面を平坦化して設けられている。すなわち、第１のフィルタ層３１は絶縁膜２及び絶縁膜４１で覆われている。第２のフィルタ層３２は、絶縁膜４１表面に設けられ、入射光の所望の波長を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、第１の実施形態で説明したのと同様な構造を有するフォトニック結晶から作られている。なお、第２のフィルタ層３２の互いに隣接する帯状層（図示せず）間において、長さ方向に沿う中心線の周期Λ３は一定で、例えば第１のフィルタ層３１の周期Λ２と同じ値であることが好ましい。なお、第１のフィルタ層３１の周期Λ２と第２のフィルタ層３２の周期Λ３は、異なる値であってもよい。第２のフィルタ層３２を含む絶縁膜４１上には、絶縁膜２と同材質の絶縁膜４２が表面を平坦化して設けられている。すなわち、第２のフィルタ層３２は絶縁膜４１及び絶縁膜４２で覆われている。絶縁膜４２の表面には、第１の実施形態と同様な構造の半導体受光素子１１及び一対の電極８，９が設けられている。
【００３３】
以上説明した図６に示す第３の実施形態に係る半導体光デバイスは、第１の実施形態と同様に基板１から入射される光の特定な波長（又は波長域）を透過し、その波長（又は波長域）の光電流を一対の電極８，９で検出することによって、半導体受光素子１１に入射する特定の波長（又は波長域）の光の強度を計測することができる。
【００３４】
また、第３の実施形態に係る半導体光デバイスでは基板１側から入射する光は入射方向に沿って２層のフィルタ層３１、３２を透過した後、半導体受光素子１１に入射される。フィルタ層３１、３２は、高反射率層となっているため、２つのフィルタ層を透過する光に対しては、第２の実施形態と同様に、ファブリ・ペロー型の光共振器、または、位相シフト付回折格子と同等の透過特性を示す。その結果、図１に示すような単層のフィルタ層と比較して、透過する光の波長がより狭帯域の光になる。すなわち、基板１と半導体受光素子１１との間にフィルタ層を複数枚配置させることで、透過する光の波長選択性が高い光学フィルタを設計することができる。
【００３５】
（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態に係る半導体光デバイスの断面図である。なお、図７において、図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００３６】
第４の実施形態に係る半導体光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる矩形状の基板１を備えている。例えば、シリコン酸化物から作られる絶縁膜２は基板１の主面に設けられている。第１のフィルタ層３３、第２のフィルタ層３４及び第３のフィルタ層３５は、それぞれ絶縁膜２表面に設けられ、入射光の所望の波長を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、第１の実施形態で説明したのと同様な構造を有するフォトニック結晶から作られている。なお、第１のフィルタ層３３の互いに隣接する帯状層（図示せず）間において、長さ方向に沿う中心線の周期Λ４は一定で、０．５μｍ〜１．０μｍ、例えば０．５５μｍである。第２のフィルタ層３４の周期Λ５は一定で、０．５μｍ〜１．０μｍ、例えば０．６０μｍである。第３のフィルタ層３５の周期Λ６は一定で、０．５μｍ〜１．０μｍ、例えば０．５０μｍである。第１〜第３のフィルタ層３３，３４，３５を含む絶縁膜２上には、絶縁膜２と同材質の絶縁膜４が表面を平坦化して設けられている。すなわち、第１〜第３のフィルタ層３３，３４，３５は絶縁膜２及び絶縁膜４で覆われている。
【００３７】
絶縁膜４の表面には、第１の実施形態と同様な構造の半導体受光素子１１及び一対の電極８，９が第１〜第３のフィルタ層３３，３４，３５に対応してそれぞれ設けられている。
【００３８】
以上説明した図７に示す第３の実施形態に係る半導体光デバイスは、第１の実施形態と同様に基板１から入射される光の特定な波長（又は波長域）を第１〜第３のフィルタ層３３，３４，３５で透過し、各特定の波長（又は波長域）を第１〜第３のフィルタ層３３，３４，３５に対応する半導体受光素子１１でそれぞれその波長（又は波長域）の光電流を一対の電極８，９で検出することによって、各半導体受光素子１１に入射する各特定の波長（又は波長域）の光の強度を分離して計測することができる。
【００３９】
また、第４の実施形態に係る半導体光デバイスは分光検知器に適用する場合、既存の半導体プロセスにより、同一のプロセスで第１〜第３のフィルタ層３３，３４，３５及びそれらに対応する半導体受光素子１１を得ることができるため、従来の分光検知器に比べて製造の簡素化と小型化を達成できる。
【００４０】
なお、第４の実施形態において基板上に配置した各フィルタ層は、第３の実施形態と同様に入射方向に２層、又は３層以上配置してもよい。また、第２の実施形態と同様に、絶縁膜２と基板１の間に、フィルタ層と共に屈折率の異なる材料を交互に積層した積層構造を配置してもよい。
【００４１】
（第５の実施形態）
図８は、第５の実施形態に係る半導体光デバイスの断面図である。なお、図８において、図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００４２】
第５の実施形態に係る半導体光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる矩形状の基板１を備えている。例えば、シリコン酸化物から作られる絶縁膜２は基板１の主面に設けられている。第１のフィルタ層３６及び第２のフィルタ層３７は、それぞれ絶縁膜２表面に所望の間隔をあけて設けられ、入射光の所望の波長を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、第１の実施形態で説明したのと同様な構造を有するフォトニック結晶から作られている。なお、第１のフィルタ層３６の互いに隣接する帯状層（図示せず）間において、長さ方向に沿う中心線の周期Λ７は一定で、例えば０．６μｍである。第２のフィルタ層３７の周期Λ８は一定で、例えば０．５μｍである。第１、第２のフィルタ層３６，３７を含む絶縁膜２上には、絶縁膜２と同材質の絶縁膜４が表面を平坦化して設けられている。すなわち、第１、第２のフィルタ層３６，３７は絶縁膜２及び絶縁膜４で覆われている。
【００４３】
絶縁膜４の表面には、第１の実施形態と同様な構造の半導体受光素子１１及び一対の電極８，９が第１、第２のフィルタ層３６，３７に対応してそれぞれ設けられている。
【００４４】
第１、第２のフィルタ層３６，３７の間に位置する絶縁膜４の表面には、半導体発光素子１００が設けられている。半導体発光素子１００は、例えばそれぞれＩｎＧａＡｓ等のIII−Ｖ族半導体からなるｐ型層１０５、ｉ型層１０６及びｎ型層１０７を備え、これらの層１０５，１０６，１０７はこの順序で積層されている。ｐ型層１０５、ｉ型層１０６及びｎ型層１０７は、いずれも平面形状が矩形状をなす。最下層のｐ型層１０５はその上のｉ型層１０６及びｎ型層１０７（互いに同寸法）より大きな面積を持ち、ｉ型層１０６の外縁より外周に相似的に露出した矩形環状の縁部１０５ａを有する。矩形状のｎ型電極１０８は、最上層のｎ型層１０７表面に設けられている。矩形環状のｐ型電極１０９は、最下層のｐ型層１０５の矩形環状の縁部１０５ａ表面に設けられている。
【００４５】
なお、左側の半導体受光素子１１及び右側の半導体受光素子１１と半導体発光素子１００とは、例えば１００μｍの距離をあけて離間している。
【００４６】
以上説明した図８に示す第５の実施形態に係る半導体光デバイスにおいて、基板１の裏面に被測定物ＳＭＰを半導体発光素子１００の直下の位置に接して配置する。半導体発光素子１００のｎ型層１０７及びｐ型層１０５にｎ型電極１０８及びｐ型電極１０９から電圧を印加すると、ｉ型層１０６で光電変換がなされて光を発生する。半導体発光素子１００で発生した光は、反射膜を兼ねるｎ型電極１０８で反射されて、基板１に下方に放出される。放出した光は、基板１の裏面に接して配置される被測定物ＳＭＰの表面で反射又は拡散される。被測定物ＳＭＰで反射又は拡散された光は、再び、基板１を通して基板１と２つの半導体受光素子１１との間に配置される第１のフィルタ層３６及び第２のフィルタ層３７にそれぞれ入射する。第１、第２のフィルタ層３６、３７は、第１の実施形態で説明したのと同様、被測定物ＳＭＰで反射又は拡散された光のうち特定の波長（又は波長域）の光を透過し、その他の波長の光を反射し、第１、第２のフィルタ層３６、３７に対応する半導体受光素子１１で透過した波長（又は波長域）の光電流を一対の電極８，９で検出することによって、各半導体受光素子１１に入射する各特定の波長（又は波長域）の光の強度を分離して計測することができる。
【００４７】
従って、第５の実施形態に係る半導体光デバイスによると、被測定物ＳＭＰの表面における反射光又は拡散光を分光測定することができるため、被測定物ＳＭＰの微細な表面状態などの物性を得られる。それ故、第５の実施形態に係る半導体光デバイスは、小型のワンチップ型分光測定装置として利用することができる。
【００４８】
第５の実施形態に係る半導体光デバイスは、半導体発光素子１００における半導体層と半導体受光素子の半導体層とは、同一の層構造を有し、同一の半導体材料で形成されている。フィルタ層３６及び３７を構成する母材と誘電体材料も、同じであるが、エッチングマスクの設計により、屈折率が変化する周期Λ７及びΛ８を容易に変更でき、より多くの波長に対応するフィルタ層を並列させることが可能である。そのため、計測する波長域が増加しても、製造プロセスを増加させることなく、フィルタ層を備える多数の半導体受光素子を同一基板上に集積させることができる。
【００４９】
また、第５の実施形態に係る半導体光デバイスは分光検知器に適用する場合、既存の半導体プロセスにより得ることができるため、光学部品の実装やアライメントが必要な従来の分光検知器に比べて製造の簡素化と小型化を達成できる。また、従来の分光検知器が、振動による光学系のずれにより検出波長の精度が劣化するのに対し、第５の実施形態では、光学系のアライメントが不要なため、振動が大きい場所でも使用することが可能となる。
【００５０】
なお、第５の実施形態では１つの半導体発光素子及び２つの半導体受光素子を備える例を示したがこれに限定されない。同一基板上に集積される半導体受光素子の数は、測定対象となる波長の数や半導体光デバイスの用途により適宜変更される。また、第５の実施形態では複数のフィルタ層の屈折率が変化する周期が互いに異なる例を示したがこれに限定されず、同じ周期を有するフィルタ層を含んでいてもよい。さらに、第５の実施形態に用いるフィルタ層は、第２の実施形態に示すフィルタ層と同様、フィルタ層と基板の間に、フィルタ層と共に異なる屈折率の材料を交互に積層した積層構造を配置しても良い。さらに、第５の実施形態に用いるフィルタ層は、第３の実施形態に示すフィルタ層と同様、光の入射方向に２つ以上配置してもよい。
【００５１】
第５の実施形態に係る半導体光デバイスの他の例では、図９に示すように、半導体発光素子１００と基板１との間にさらにフィルタ層３８を備える構成にしてもよい。フィルタ層３８は、例えばそれぞれ絶縁膜２表面に所望の間隔をあけて設けられ、入射光の所望の波長を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、第１の実施形態で説明したのと同様な構造を有するフォトニック結晶から作られている。この構成によれば、半導体発光素子１００から発光、出射する光をフィルタ層３８で狭帯域の光のみを透過して被測定物ＳＭＰに照射できる。この例においても、上述する例と同様に被測定物ＳＭＰの表面における反射光又は拡散光を測定することができる。
【００５２】
このとき、狭帯域の光を被測定物ＳＭＰに照射することで、被測定物の表面の物質を励起して蛍光又は燐光を放出させる構成とできる。その結果、蛍光又は燐光の発光スペクトルを半導体受光素子１１で計測するフォトルミネッセンス測定が可能になる。従来のフォトルミネッセンスの測定では、励起光が半導体受光素子に入射されないようにノッチフィルタ又はグレーティングのような消光比の高い光学素子が必要になる。これに対し、第５の実施形態の他の例では被測定物ＳＭＰの表面の物質を励起して放出された発光スペクトルが第１、第２のフィルタ層３６、３７を透過する際、励起光は第１の実施形態で説明したように高反射率を示す第１、第２のフィルタ層３６、３７で反射されるため、従来のように消光比の高い光学素子を別途設けることなく励起光が半導体受光素子１１に入射されるのを阻止できる。
【００５３】
（第６の実施形態）
図１０は、第６の実施形態に係る半導体光デバイスの断面図である。なお、図１０において、図８と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００５４】
第６の実施形態に係る半導体光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる矩形状の基板１を備えている。例えば、シリコン酸化物から作られる絶縁膜２は基板１の主面に設けられている。第１のフィルタ層３６及び第２のフィルタ層３７は、それぞれ絶縁膜２表面に所望の間隔をあけて設けられ、入射光の所望の波長を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、第１の実施形態で説明したのと同様な構造を有するフォトニック結晶から作られている。
【００５５】
異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、例えばフォトニック結晶から作られる反射層３９は、第１、第２のフィルタ層３６、３７間に位置する絶縁膜２表面に設けられている。第１、第２のフィルタ層３６，３７及び反射層３９を含む絶縁膜２上には、絶縁膜２と同材質の絶縁膜４が表面を平坦化して設けられている。すなわち、第１、第２のフィルタ層３６，３７及び反射層３９は絶縁膜２及び絶縁膜４で覆われている。反射層３９は、半導体レーザ２００の光共振器を構成する反射鏡である第１の反射層として機能する。
【００５６】
反射層３９を含む絶縁膜４の表面には、半導体発光素子である半導体レーザ２００（ＬＤ）が設けられている。半導体レーザ２００は、化合物半導体から作られるｎ型コンタクト層２０５、ｎ型スペーサ層２０６、活性層２０７及びｐ型スペーサ層２０８がこの順序で積層され半導体層２１０を備えている。
【００５７】
半導体層２１０の最上層に位置するｐ型スペーサ層２０８の表面には、反射層として多重反射膜２１１が設けられている。多重反射膜２１１は、高屈折率半導体層と低屈折率半導体層を交互に積層した分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）ミラーである。多重反射膜２１１は、例えば第２の反射層として機能する。高屈折率半導体層と低屈折率半導体層は、例えばｐ型ＧａＡｓ層とｐ型ＡｌＧａＡｓ層である。半導体層２１０の最下層に位置するｎ型コンタクト層２０５の所定の深さの表層から最上層のｐ型スペーサ層２０８及び多重反射膜２１１は、矩形の積層体構造をなし、この積層体構造の周辺に最下層に位置する矩形のｎ型コンタクト層２０５の一部がその上のｎ型スペーサ層２０６、活性層２０７及びｐ型スペーサ層２０８より大きな面積を持ち、ｎ型スペーサ層２０６の外縁より外周に相似的に露出した矩形環状の縁部２０５ａを有する。矩形状のｐ型電極２１２は、最上層の多重反射膜２１１表面に設けられている。矩形環状のｎ型電極２１３は、最下層のｎ型コンタクト層２０５の矩形環状の縁部２０５ａ表面に設けられている。
【００５８】
第１のフィルタ層３６及び第２のフィルタ層３７を含む絶縁膜４の表面には、例えばそれぞれ半導体受光素子１１が形成されている。
【００５９】
以上説明した図１０に示す第６の実施形態に係る半導体光デバイスにおいて、基板１の裏面に被測定物ＳＭＰを半導体発光素子１００の直下の位置に接して配置する。半導体レーザ２００の多重反射膜２１１及び半導体層２１０にｎ型電極２１３及びｐ型電極２１２から電圧を印加すると、活性層２０７で光電変換がなされ光が発生する。半導体発光素子２００で発生した光は、フォトニック結晶から作られる反射層３９と多重反射膜２１１との間で形成される光共振器で共振しながら増幅され、単色光が反射層３９を通して基板１に垂直な下方に放出される。放出した単色光は、基板１の裏面に配置される被測定物ＳＭＰの表面の物質を励起し、蛍光又は燐光を出射する。被測定物ＳＭＰで出射された光は、再び、基板１を通して基板１と２つの半導体受光素子１１との間に配置される第１のフィルタ層３６及び第２のフィルタ層３７にそれぞれ入射する。第１、第２のフィルタ層３６、３７は、第１の実施形態で説明したのと同様、被測定物ＳＭＰで反射又は拡散された光のうち特定の波長（又は波長域）の光を透過し、その他の波長の光を反射し、第１、第２のフィルタ層３６、３７に対応する半導体受光素子１１で透過した波長（又は波長域）の光電流を一対の電極８，９で検出することによって、各半導体受光素子１１に入射する各特定の波長（又は波長域）の光の強度を蛍光又は燐光の発光スペクトルとして計測することができる。
【００６０】
従って、第６の実施形態に係る半導体光デバイスは、フォトルミネッセンスの分光測定を行うことができる。
【００６１】
また、従来のフォトルミネッセンスの測定において、励起光が半導体受光素子に入射されないようにノッチフィルタ又はグレーティングのような消光比の高い光学素子が必要になる。
【００６２】
これに対し、第６の実施形態では被測定物ＳＭＰを励起して放出された蛍光又は燐光が第１、第２のフィルタ層３６、３７を透過する際、励起光は第１の実施形態で説明したように高反射率を示す第１、第２のフィルタ層３６、３７で反射されるため、従来のように消光比の高い光学素子を別途設けることなく励起光が半導体受光素子１１に入射されるのを阻止できる。
【００６３】
なお、第６の実施形態に係る半導体光デバイスによれば、フィルタ層を、第２、第３の実施形態のように、波長分解能及び高い消光比が得られる構成とすることで、ラマン散乱光測定のような分光測定を行うことができる。また、第６の実施形態に係る半導体発デバイスにおいても、第５の実施形態にて説明した、被測定物の反射光又は拡散光を分光測定する。
【００６４】
なお、第６の実施形態では１つの半導体発光素子及び２つの半導体受光素子を備える例を示したがこれに限定されない。同一基板上に集積される半導体受光素子の数は、測定対象となる波長の数や半導体光デバイスの用途により適宜変更される。また、第６の実施形態では複数のフィルタ層の屈折率が変化する周期が互いに異なる例を示したがこれに限定されず、同じ周期を有するフィルタ層を含んでいてもよい。さらに、第６の実施形態の半導体レーザにおける第２の反射鏡として、分布反射型（ＤＢＲ）ミラーを例に説明したが、反射層３９と同様の構造を第２の反射層に用いても良い。
【００６５】
（第７の実施形態）
図１１は、第７の実施形態に係る半導体光デバイスを示す断面図である。
【００６６】
第７の実施形態に係る半導体光デバイスは、例えば光透過性の高いシリコンから作られる矩形状の基板１を備えている。例えば、シリコン酸化物から作られる絶縁膜２は基板１の主面に設けられている。絶縁膜２、４間にはフィルタ層（図示せず）が設けられている。フィルタ層は、入射光の所望の波長を透過し、異なる屈折率材料からなる周期構造を持つ、第１の実施形態で説明したのと同様な構造を有するフォトニック結晶から作られている。
【００６７】
絶縁膜４表面には、複数の半導体発光素子（例えば、発光ダイオード又は半導体レーザ）からなる発光ユニットＵＬＤと、当該ユニットＵＬＤを四方で取り囲む複数の半導体受光素子からなる受光ユニットＵＰＤがそれぞれ配置されている。受光ユニットＵＰＤもまた四方で取り囲む複数の半導体発光素子からなる発光ユニットＵＬＤが配置されている。発光ユニットＵＬＤを囲む４つの受光ユニットＵＰＤの単位を一つの測定ユニットＵとする。なお、各半導体受光素子からなる受光ユニットＵＰＤはフィルタ層に対応して絶縁膜４表面に設けられている。
【００６８】
図１１に示す第７の実施形態に係る半導体光デバイスによれば、第５及び第６の実施形態と同様に被測定物の表面の分光測定を行うことができる。発光ユニットＵＬＤの出射が終わった後に、異なる発光ユニットＵＬＤの光を照射するように、順次ユニットＵを走査することによって、被測定物ＳＭＰの表面の位置に対応する物性を調べることができる。受光ユニットＵＰＤは、異なる波長を検出できる複数の半導体受光素子を集積しているため、より精密な分光測定を行うことができる。
【００６９】
なお、前述した第５、第６及び第７の実施形態に係る半導体光デバイスからなる小型の分光測定装置は、例えば近赤外分光法に代表されるような、生体測定にも適用できる。具体的には、人体の肌を被測定物ＳＭＰとして、半導体光デバイスをその上に載置して上述する例と同様に測定を行う。第７の実施形態に係る半導体光デバイスを例にすると、発光ユニットＵＬＤから出力された光は、被測定物ＳＭＰに到達後、被測定物ＳＭＰ中を拡散し、その一部は受光ユニットＵＰＤの位置で放出される。受光ユニットＵＰＤにおいて、第５、第６の実施形態に係る半導体光デバイスと同様に、半導体受光素子におけるそれぞれの光電流を検出することで、血液中の酸素や血糖値等の血液分析や脳波測定等の生体測定をおこなうことができる。例えば、特開２００１−８７２５０号公報、特開２０１３−１８８３０８号公報、特開２０１２−９５８０３号公報、特開２０１４−１２４４５４号公報に記載の適用例が考えられる。
【００７０】
なお、半導体光デバイスの発光又は受光する光の波長は、例えば可視光又は近赤外光である。その用途に応じて、各部材の材料、フィルタ層の周期等は適宜選択される。すなわち、上述する周期Λ１〜Λ８の数値範囲は単なる例示である。
【００７１】
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７２】
１…基板、２、４…絶縁膜、３…フィルタ層、５…ｐ型層、６…ｉ型層、７…ｎ型層、８…ｎ型電極、９…ｐ型電極、１１…半導体受光素子、１００、２００…半導体発光素子、１０５…ｐ型層、１０６…ｉ型層、１０７…ｎ型層、１０８…ｎ型電極、１０９…ｐ型電極、２０５…ｎ型コンタクト層、２０６…ｎ型スペーサ層、２０７…活性層、２０８…ｐ型スペーサ層、２１０…半導体層、２１１…多重反射膜、２１２…ｐ型電極、２１３…ｎ型電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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