(57)【要約】【課題】小型化が可能で且つ複雑な光軸合わせが不要なスペクトル検出器を提供すること。【解決手段】本発明のスペクトル検出器は、基板と、前記基板上に形成され、複数の凸部を有する半導体を有する光検出器と、前記光検出器に入射した光のうち前記複数の凸部を透過する光の波長を検出する波長検出回路と、を有する。本発明によれば、回折格子やプリズム等の光学部品を用いなくとも、波長が未知の光に含まれるピーク波長の分布を容易に検出することができ、複雑な光学系の光軸調整不要な小型のスペクトル検出器を実現することができる。【選択図】図１
2011012970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成され、複数の凸部を有する半導体を有する光検出器と、
前記光検出器に入射した光のうち前記複数の凸部を透過する光の波長を検出する波長検出回路と、を有することを特徴とするスペクトル検出器。
【請求項２】
前記光検出器を複数備え、前記複数の光検出器の前記凸部の大きさ、ピッチ及び／又は高さの少なくとも一つ以上は、それぞれ異なっており、
前記波長検出回路は、前記複数の光検出器に入射した光のうち各光検出器の前記複数の凸部を透過する光の波長をそれぞれ検出することを特徴とする請求項１に記載のスペクトル検出器。
【請求項３】
前記複数の光検出器は、光が入射された際に光電圧をそれぞれ出力し、
前記波長検出回路は、
前記複数の光検出器からそれぞれ出力される前記光電圧を測定して光電圧測定信号を出力する光電圧測定回路と、
前記複数の光検出器に対応する複数の基準光電圧測定結果と複数の基準電位差結果を記憶するメモリと、
前記メモリに記憶された前記基準光電圧測定信号を参照して前記光電圧測定回路から出力される光電圧測定信号から比較対象の波形を抽出する波形抽出回路と、
前記波形抽出回路により抽出された波形の電位差を算出して測定電位差を出力する電位差算出回路と、
前記電位差算出回路から出力される測定電位差と前記メモリに記憶された前記複数の基準電位差結果とを比較し、前記入射光に含まれたピーク波長を検出する比較回路と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のスペクトル検出器。
【請求項４】
前記光電圧測定回路は、既知のピーク波長を含む基準光を前記複数の光検出器に入射した際に各光検出器から出力される光電圧を測定して基準光電圧測定信号を出力し、
前記光電圧測定回路から出力される前記基準光電圧測定信号を前記基準光電圧測定結果として前記メモリに複数記憶する制御回路を有することを特徴とする請求項３に記載のスペクトル検出器。
【請求項５】
前記電位差算出回路は、前記メモリに記憶された複数の前記基準光電圧測定結果の電位差を算出して前記基準電位差結果として出力し、
前記制御回路は、前記電位差算出回路から出力される前記基準電位差結果を前記メモリに複数記憶することを特徴とする請求項３又は４に記載のスペクトル検出器。
【請求項６】
前記複数の光検出器と、前記波長検出回路と、は同一の回路基板上に実装されたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のスペクトル検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスペクトル検出器に関する。特に、半導体素子上に形成した凹凸パターンを有する光検出器を複数備えたスペクトル検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、光源のスペクトルを測定するため、波長を分光するには回折格子がよく用いられる。回折格子には１２００〜１６００本／ｍｍの格子（スリット）が形成されている。格子軸周りに回折格子を回すと一つのスリットにある特定の波長の光が入射する。格子の両端においては、角度が一様とならないように加工されている。
【０００３】
最近、この回折格子とＣＣＤとを利用した小型の波長分光器が生産されている。この波長分光器は、回折格子とＣＣＤとの間に相当の距離が必要となる。一般的に可視光の波長分光器は、５ｃｍ×１０ｃｍ×３ｃｍ程度の大きさになってしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、小型化が可能で且つ複雑な光軸合わせが不要なスペクトル検出器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態によると、基板と、前記基板上に形成され、複数の凸部を有する半導体とを有する光検出器と、前記光検出器に入射した光のうち前記複数の凸部を透過する光の波長を検出する波長検出回路と、を有するスペクトル検出器が提供される。
【０００６】
また、前記光検出器を複数備え、前記複数の光検出器の前記凸部の大きさ、ピッチ及び／又は高さの少なくとも一つ以上は、それぞれ異なっており、前記波長検出回路は、前記複数の光検出器に入射した光のうち各光検出器の前記複数の凸部を透過する光の波長をそれぞれ検出するようにしてもよい。
【０００７】
また、前記複数の光検出器は、光が入射された際に光電圧をそれぞれ出力し、前記波長検出回路は、前記複数の光検出器からそれぞれ出力される前記光電圧を測定して光電圧測定信号を出力する光電圧測定回路と、前記複数の光検出器に対応する複数の基準光電圧測定結果と複数の基準電位差結果を記憶するメモリと、前記メモリに記憶された前記基準光電圧測定信号を参照して前記光電圧測定回路から出力される光電圧測定信号から比較対象の波形を抽出する波形抽出回路と、前記波形抽出回路により抽出された波形の電位差を算出して測定電位差を出力する電位差算出回路と、前記電位差算出回路から出力される測定電位差と前記メモリに記憶された前記複数の基準電位差結果とを比較し、前記入射光に含まれたピーク波長を検出する比較回路と、を有するようにしてもよい。
【０００８】
また、前記光電圧測定回路は、既知のピーク波長を含む基準光を前記複数の光検出器に入射した際に各光検出器から出力される光電圧を測定して基準光電圧測定信号を出力し、
前記光電圧測定回路から出力される前記基準光電圧測定信号を前記基準光電圧測定結果として前記メモリに複数記憶する制御回路を有するようにしてもよい。
【０００９】
また、前記電位差算出回路は、前記メモリに記憶された複数の前記基準光電圧測定結果の電位差を算出して前記基準電位差結果として出力し、前記制御回路は、前記電位差算出回路から出力される前記基準電位差結果を前記メモリに複数記憶するようにしてもよい。
【００１０】
また、前記複数の光検出器と、前記波長検出回路と、前記発行駆動回路と、は同一の回路基板上に実装してもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回折格子やプリズム等の光学部品を用いなくとも、波長が未知の光に含まれるピーク波長の分布を容易に検出することができ、複雑な光学系の光軸調整不要な小型のスペクトル検出器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態に係る本発明のスペクトル検出器２０００の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１のスペクトル検出器２０００のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図３】一実施形態に係る本発明の光検出器１０００の概略構成図であり、（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、光検出器１０００の平面図及びＸ−Ｘ’で切断した断面図である。
【図４】一実施形態に係る本発明の光検出器１０００の基板部１００１の構成を示す図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、一実施形態に係る本発明の光検出器１０００に対する光の入射状態を説明する図である。
【図６】一実施形態に係る本発明の光検出器１０００に対して、キセノンランプからの光（λ＝２００ｎｍから５００ｎｍ）を入射し、θ＝１９°〜３９°までステップ１°で変化させ、且つφ＝０°〜３６０°させたときのｐ電極とｎ電極との電位差を電圧計１０１０によって測定した結果を示すグラフである。
【図７】一実施形態に係る本発明の光検出器１０００において、入射角φ＝８０°の光電圧の波長分布５００１と入射角φ＝４０°の光電圧の波長分布５００３との差分（電圧差）を計算した結果を示すグラフである。
【図８】一実施形態に係る本発明の光検出器１０００において、入射角θ＝２０°とした場合の光電圧の極小値及び極大値のデータをスペクトル解析し、光電圧の波長分布を調べた結果を示すグラフである。
【図９】一実施形態に係る本発明の光検出器１０００の上面図である。
【図１０】一実施形態に係る本発明の光検出器１０００の製造プロセス図である。
【図１１】一実施形態に係る本発明の光検出器１０００の製造プロセス図である。
【図１２】一実施形態に係る本発明の光検出器１０００の製造プロセス図である。
【図１３】図１の波長検出回路２０１２の回路構成図である。
【図１４】図１３の波長検出回路２０１２において実行される基準光電圧の測定／記憶処理を説明するための図である。
【図１５】図１３の波長検出回路２０１２において実行される基準電位差結果の記憶処理を説明するための図である。
【図１６】図１３の波長検出回路２０１２において実行される波長検出処理を説明するための図である。
【図１７】図１３の波長検出回路２０１２において実行される波長検出処理を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
※以下、光検出層の下にＬＥＤ層（発光層）を形成することは、構造的に困難であるようですので、ＬＥＤ層（発光層）に関する説明は全て削除致しました。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に記載する実施形態はそれぞれ本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれらの実施形態に限定されるわけではない。
【００１４】
本実施形態においては、本発明の光検出器を複数備えたスペクトル検出器について説明する。図１に本実施形態に係る本発明のスペクトル検出器２０００の概略構成を示す。本実施形態に係る本発明のスペクトル検出器２０００は、同様の構成を有する光検出器２００１〜２００６を基板２０２０上に備えている。なお、本実施形態においては、光検出器を６個備えた本発明のスペクトル検出器の例について説明しているが、光検出器の数はこれに限定されるわけではなく、より多くの光検出器を備えることによって高精度なスペクトル検出器を実現することができる。なお、本実施形態において、以下に述べる「基準光」とは波長λが既知の光であることを示し、「被測定光」とは波長λが未知の光であることを示す。
【００１５】
図１において、スペクトル検出器２０００は、プリント基板２０２０上に光検出器２００１〜２００６と、波長検出回路２０１２と、が実装されている。光検出器２００１〜２００３は、図１のＡ−Ａ線で切断した断面図を図２に示すように、その上層にＧａＮ層からなる光検出層として形成されている。なお、図２では、光検出器２００１〜２００３の断面構造を示しているが、図示しない光検出器２００４〜２００６も同様の構造を有する。
【００１６】
次に、光検出器について説明する。図３は、一実施形態に係る本発明の光検出器１０００の概略構成図である。図３（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、光検出器１０００の平面図及びＸ−Ｘ’で切断した断面図である。光検出器１０００は、基板部１００１及び半導体層１００３を有している。図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、光検出器１０００の半導体層１００３は、複数の凸部１００５を有している。この凸部１００５は一定の規則に従って配列されている。この凸部１００５によって形成された凹凸パターンを「ナノパターン」と呼ぶ。本実施形態においては、凸部１００５は直径Ｌ及び高さｈの円柱状であり、図３（Ａ）に示すとおり、短ピッチ（短周期）ｂ、長ピッチ（長周期）ａで配列されている。なお、本実施形態では、凸部１００５には、円柱状のものを用いたが、これに限定されるわけではなく、角状、円錐状、三角形状等他の形状のものを採用してもよい。但し、凸部１００５の形状を選択するにあたっては、凹凸パターンの凹部と凸部との差があまり大きくならないように調整することが好ましい。また、本実施形態においては、凸部１００５それぞれが正三角形の頂点に位置するように配置したが、これに限定されるわけではない。
【００１７】
本実施形態においては、凸部１００５は、直径Ｌ＝１５０ｎｍ、高さｈ＝７０ｎｍ、短ピッチｂ＝３００ｎｍ、長ピッチａ＝√３×ｍ＝√３×３００≒５２０ｎｍとしたが、これに限定されるわけではない。
【００１８】
図４は、本実施形態の光検出器１０００の基板部１００１の詳細な構成を示す図である。本実施形態においては、基板部１００１は窒化ガリウム系化合物半導体を用いたＬＥＤと同様の構造を有している。具体的には、本実施形態においては、基板部１００１は、サファイア基板１００１ａ上に、ＧａＮバッファ層１００１ｂ（２５ｎｍ）、ｕ−ＧａＮ層１００１ｃ（５００ｎｍ）、ｎ−ＧａＮクラッド層１００１ｄ（２μｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ量子井戸活性層１００１ｅ（２ｎｍ）及びｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層１００１ｆ（３０ｎｍ）が順に積層されて形成されている。本実施形態においては、基板部１００１のｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層１００１ｆ上にｐ−ＧａＮ層１００３（１１０ｎｍ）が形成されている。なお、本実施形態においては、基板部１００１には上述したような構造を用いたが、本発明はこれに限定されるわけではない。
【００１９】
また、本実施形態においては、基板部１００１上にｐ型窒化ガリウム半導体層（ｐ−ＧａＮ層）１００３（１１０ｎｍ）が形成されているが、これに限定されるわけではなく、ｎ−ＧａＮやＡｌxＧａ1-xＮ等の窒化ガリウム系半導体を用いるようにしてもよい。半導体層１００３にｎ−ＧａＮを用いる場合は、ショットキ障壁を利用することが考えられる。ｎ−ＧａＮ又はｎ−ＩｎＧａＡｌＮ（ただし、n型のキャリア濃度＜5×1017cm3）を用いる場合は、ｐ−ｎ接合部だけでなく、ｎ型の半導体層のみでも光を感知することができる。光起電力型光検出器は、P-n 接合型、ｎ型とショットキ型がある。ただし、ｎとショットキは、ｎ型は、キャリア濃度が低いこと（n型のキャリア濃度＜5×1017cm3あるいはＩ層）が求められる。なお、Ｉ層はキャリアが存在しない層をいい、多くの場合アンドープ層をいう。但し、ＧａＮのように転位等でキャリアを打ち消す場合、ｐ型の不純物を導入しキャリアを打ち消している場合も含めてＩ層という。同様に、ｐ型の半導体にｎ型の不純物を導入しキャリアを打ち消している場合も含めてＩ層という。
【００２０】
なお、ｐ−ＧａＮ層１００３の凸部１００５の製造方法については後述する。また、凸部１００５を形成する際にｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層１００１ｆの一部をエッチングすることによって、ｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層１００１ｆの一部及びｐ−ＧａＮ層１００３によって凸部１００５を形成するようにしてもよい。
【００２１】
次に、図５〜図９を参照して本実施形態に係る本発明の光検出器１０００の動作について説明する。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施形態に係る本発明の光検出器１０００に対する光の入射状態を説明する図である。本実施形態においては、ｐ−ＧａＮ層１００３の凸部１００５の短ピッチ方向に対する光の入射角をφとし、ｐ−ＧａＮ層１００３の表面に対する光の入射角をθとする。短ピッチ方向と平行な入射角をφ＝０とし、ｐ−ＧａＮ層１００３の表面に垂直な入射角をθ＝９０°とする。本実施形態に係る本発明の光検出器１０００においては、光源からの光を凸部１００５の側面及び上面に入射することになる。
【００２２】
また、本実施形態に係る本発明の光検出器１０００の動作を確認するために、窒化ガリウム系半導体層（ｐ−ＧａＮ層）１００３上にＮｉ膜及びＡｕ膜１００７を形成し、ｐ電極を形成した（図５（Ａ）及び（Ｂ））。また、光検出器の一部をｎ−ＧａＮ層１００１ｄが露出するまでエッチングし、そのエッチングした部分にＴｉ膜及びＡｌ膜１００８を形成しｎ電極を形成した。ｐ電極とｎ電極との電位差（光電圧：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｖｏｌｔａｇｅ）を電圧計１０１０によって測定する。なお、図５（Ｂ）においては、説明の便宜上、基板１００１のうち、ｎ−ＧａＮ層１００１ｄ及びｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層１００１ｆ以外の層は省略されている。
【００２３】
本実施形態に係る本発明の光検出器１０００に対して、キセノンランプからの光（λ＝２００ｎｍから５００ｎｍ）を入射し、θ＝１９°〜３９°までステップ１°で変化させ、且つφ＝０°〜３６０°させたときのｐ電極とｎ電極との電位差を電圧計１０１０によって測定した。
【００２４】
測定結果を図６に示す。図６は、λ＝３８８ｎｍのときの光検出器１０００のｐ電極とｎ電極との電位差（光電圧：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｖｏｌｔａｇｅ）の測定結果である。図６に示されているとおり、入射角θを１９°〜３９°に変化させた場合のいずれの場合においても、入射角φの変化に対し複数の極小値及び極大値をもって光電圧が変化していることが分かる。
【００２５】
ここで、入射角θ＝２０°とした場合の光電圧の極小値及び極大値（図６の●で示す点、入射角φ＝４０°及び８０°）のデータをスペクトル解析し、光電圧の波長分布を調べた結果を図７に示す。そして、入射角φ＝８０°の光電圧の波長分布５００１と入射角φ＝４０°の光電圧の波長分布５００３との差分（電圧差）を計算した結果を図８に示す。図８に示されているとおり、波長λ＝３７８ｎｍのとき、電圧差は最大となっている。このことから、本実施形態に係る光検出器１０００は、波長λ＝３７８ｎｍの入射光を最も吸収せず、即ち最も透過させていることがわかる。言い換えると、本実施形態に係る本発明の光検出器１０００は、入射する光のうち特定の波長λ＝３７８ｎｍのピーク波長を持つ光を透過する。よって、この原理を応用することによって、本実施形態に係る本発明の光検出器１０００に光を入射させ、透過光が検出できれば、入射する光が特定の波長λ＝３７８ｎｍのピーク長を有する光であることを目視で判断することができる。従って、回折格子やプリズム等の光学部品を用いなくとも、特定のピーク波長を有する光を検出することができ、複雑な光学系の光軸調整不要な小型で光検出器を実現することができる。
【００２６】
本実施形態に係る本発明の光検出器１０００においては、凸部１００５は、直径Ｌ＝１５０ｎｍ、短ピッチｂ＝３００ｎｍ、長ピッチａ≒５２０ｎｍ、高さｈ＝７０ｎｍとしたので、特定の波長λ＝３７８ｎｍのピーク波長を持つ光を透過していると考えられる。本発明の光検出器１０００においては、凸部１００５の直径Ｌ、短ピッチｂ、長ピッチａ、高さｈと、透過する特定ピークを有する波長λとは相関がある。つまり、凸部の直径Ｌｌをｋ倍することにより、λ＝３７８ｋ  ｎｍにピーク波長を有する光を透過することができる。
【００２７】
次に、図９を参照する。図９は、本実施形態に係る本発明の光検出器１０００の上面図であり、入射角θとしたとき、凸部１００５の直径Ｌとピッチｂと入射項との関係を示した図である本実施形態に係る本発明の光検出器１０００においては、以下の式（１）に示す関係が成立する。
【００２８】
Ｌｍ＝λ・ｃｏｓθ／（２ｎ）    ・・・（１）
【００２９】
ここで、Ｌは凸部１００５の直径、ｍは整数、ｎは（空気と窒化ガリウム層１００３の凸部１００５（ナノパターン））の屈折率で、１＜ｎ＜２.６（ＧａＮの屈折率）、ｍは整数又は整数の逆数である。ここで、（空気とナノパターン）の屈折率と定義しているのは、ナノ構造というのは目に見えないからである（４００ｎｍ＜目に見える波長（可視光）＜４００ｎｍ、一般的に１μｍ以下、１ｎｍ以上をナノ構造という。）。
【００３０】
そして、上記式（１）において、本実施形態のパラメータである凸部１００５の直径Ｌｌ＝１５０ｎｍ、λ＝３７８、φ＝２０°を入力すると、以下の式（２）を得ることができる。
【００３１】
ｎｍ＝１.１８７    ・・・（２）
【００３２】
この式（２）において、ｍ＝１とした場合は、ｎ＝１.１８７、ｍ＝１／２とした場合は、ｎ＝２．３７となり、空気とＧａＮナノパターンの屈折率ｎとした適当な数値を得ることができる。
【００３３】
本実施形態に係る本発明の光検出器１０００においては、入射光は凸部１００５に導かれ、特定の波長成分が吸収されることによって、特定の波長をピークとする光が生成される。
【００３４】
（凸部１００５（ナノパターン）の形成）
次に、本実施形態に係る本発明の光検出器１０００の製造方法、特に凸部１００５の製造方法について説明する。
【００３５】
図１０（Ａ）に示すとおり、基板部１００１の上にＧａＮ層１００３を形成した後、ＧａＮ層１００３上にＮｉ層１０２０を電子ビーム（ＥＢ）蒸着法によって１０ｎｍの厚さに蒸着し、さらに熱硬化樹脂１０２２を塗布する。その後、全体の温度を上げ、熱硬化樹脂１０２２を軟化させる（図１０（Ｂ））。次に、所望のパターン（ナノパターン）構造を有するモールド１０２４を熱硬化樹脂１０２２上に押しつけ、熱硬化樹脂１０２２にナノパターンを転写する（図１０（Ｃ））。
【００３６】
次に、熱硬化樹脂１０２２にナノパターンを押しつけたまま全体を冷却し、熱硬化樹脂１０２２を硬化させる（図１１（Ａ））。そして、モールド１０２４を熱硬化樹脂１０２４から離型する（図１１（Ｂ））。次に、ＵＶ−Ｏ3処理を行うことによって、熱硬化樹脂１０２２の残膜を除去する（図１１（Ｃ））。このとき、熱硬化樹脂１０２４のモールドパターンも若干エッチングされる。
【００３７】
次に、Ａｒガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、Ｎｉ層１０２０をエッチングし、Ｎｉ層１００２にナノパターンを形成する（図１２（Ａ））。次に、ＢＣｌ3及びＣｌ2ガスを用いた反応性イオンエッチングによってＧａＮ層１００３をエッチングし、ＧａＮ層１００３にナノパターンを形成する（図１２（Ｂ））。次に、５％ＨＮＯ3溶液を用いてＮｉ層１０２０を除去することによって、ＧａＮ層１００３にナノパターンを形成することができる（図１２（Ｃ））。なお、エッチング条件を適宜変更することによって、基板部１００１のｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層１００１ｆの一部もエッチングし、ｐ−ＧａＮ層１００３とｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層１００１ｆの一部とによって凸部１００５を形成するようにしてもよい。
【００３８】
本実施形態に係る本発明の光検出器によると、回折格子やプリズム等の光学部品を用いなくとも、特定のピーク波長を有する光を検出することができ、複雑な光学系の光軸調整不要な小型で光検出器を実現することができる。
【００３９】
以上のように形成した光検出器１０００が、図１に示したスペクトル検出器２０００の基板２０２０上に光検出器２００１〜２００６として実装される。光検出器２００１〜２００６の構造は、例えば、図４に示したように、サファイア基板１００１ａ上に、ＧａＮバッファ層１００１ｂ（２５ｎｍ）、ｕ−ＧａＮ層１００１ｃ（５００ｎｍ）、ｎ−ＧａＮクラッド層１００１ｄ（２μｍ）、Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ量子井戸活性層１００１ｅ（２ｎｍ）及びｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層１００１ｆ（３０ｎｍ）が順に積層される。この光検出器２００１〜２００６の構造は、これに限定するものではない。
【００４０】
また、光検出器２００１〜２００６の各凸部の形状は、図３に示した直径Ｌ、短ピッチｂ、長ピッチａ、高さｈが、それぞれ異なっている。すなわち、光検出器２００１〜２００６の各凸部の形状は、透過する特定ピークを有する光の波長λがそれぞれ異なるように形成されている。
【００４１】
また、図１及び図２において、２０５１，２０５２は、光検出器２００１〜２００６に光を入射した際に発生する電位差（光電圧：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｖｏｌｔａｇｅ）を測定するための電極である。電極２０５１は、図５（Ａ）（Ｂ）に示したように、窒化ガリウム系半導体層（ｐ−ＧａＮ層）１００３上にＮｉ膜及びＡｕ膜１００７を形成したｐ電極である。電極２０５２は、図５（Ａ）（Ｂ）に示したように、ｎ−ＧａＮ層１００１ｄが露出するまでエッチングし、そのエッチングした部分にＴｉ膜及びＡｌ膜１００８を形成したｎ電極である。なお、図１及び図２では、電極２０５１を各光検出器２００１〜２００６の凸部の上面の一部を覆うように形成している場合を示しているが、これに限定するものではなく、凸部の上面の全面に形成するようにしてもよい。
【００４２】
図２において、各光検出器２００１〜２００３の電極２０５１及び２０５２は、ボンディングワイヤ２０５３及び２０５４により基板２０２０に電気的に接続されている。これらのボンディングワイヤ２０５３，２０５４の接続位置に合わせて、基板２０２０には上面から下面に貫通するスルーホール２０７０が形成されている。また、基板２０２０の下面には、各スルーホール２０７０と波長検出回路２０１２を電気的に接続する配線パターン（図示せず）が形成されている。なお、図２には示していないが、光検出器２００４〜２００６の各電極２０５１及び２０５２も同様にボンディングワイヤ２０５３及び２０５４により基板２０２０に電気的に接続されている。
【００４３】
図２に示した構成により、被測定光の入射時に光検出器２００１〜２００６においてそれぞれ発生する光電圧が波長検出回路２０１２により測定される。
【００４４】
次に、波長検出回路２０１２の回路構成を図１３に示す。
波長検出回路２０１２は、図１３に示すように、光電圧検出回路２０１２Ａと、制御回路２０１２Ｂと、メモリ２０１２Ｃと、電位算出回路２０１２Ｄと、波形抽出回路２０１２Ｅと、比較回路２０１２Ｆと、を備える。これらの回路は、配線パターン２０１２Ｇにより電気的に接続されている。
【００４５】
光電圧検出回路２０１２Ａは、図１に示した光検出器２００１〜２００６に形成されたボンディングワイヤ２０５３，２０５４に電気的に接続されている。光電圧検出回路２０１２Ａは、光を入射した際に光検出器２００１〜２００６からそれぞれ出力される電位差（光電圧）を測定する回路である。
【００４６】
制御回路２０１２Ｂは、波長検出回路２０１２内の動作を制御する回路であり、後述する基準光電圧の測定／記憶処理（図１４参照）、基準電位差結果の記憶処理（図１５参照）、波長検出処理（図１６、図１７参照）等を制御する。
【００４７】
メモリ２０１２Ｃは、制御回路２０１２Ｂにおいて実行される上記制御動作に対応する各種制御プログラム等を記憶する。また、メモリ２０１２Ｃは、後述する基準光電圧の測定／記憶処理（図１４参照）において基準光電圧測定結果を記憶し、後述する基準電位差結果の記憶処理（図１５参照）において基準電位差結果を記憶する。
【００４８】
電位差算出回路２０１２Ｄは、後述する基準電位差結果の記憶処理（図１５参照）において基準光電圧測定結果から基準電位差結果を算出する。また、電位差算出回路２０１２Ｄは、後述する波長検出処理（図１６、図１７参照）において波形抽出回路２０１２Ｅにより被測定光から抽出される波形の測定電位差結果を算出する回路である。
【００４９】
波形抽出回路２０１２Ｅは、後述する波長検出処理（図１６、図１７参照）においてメモリ２０１２Ｃに記憶された基準光電圧測定結果を参照して被測定光から比較対象とする波形を抽出する回路である。
【００５０】
比較回路２０１２Ｆは、後述する波長検出処理（図１６、図１７参照）においてメモリ２０１２Ｃに記憶された基準電位差結果と電位差算出回路２０１２Ｄにより算出された測定電位差結果を比較して、被測定光に含まれた波長を検出して検出波長を出力する回路である。
【００５１】
次に、波長検出回路２０１２において実行される基準光電圧の測定／記憶処理について図１４を参照して説明する。この処理は、スペクトル検出器２０００に対して基準光が入射される際に実行される。なお、図１４に示す波長検出回路２０１２では、本処理に関わる構成と処理過程を示している。
【００５２】
図１に示した光検出器２００１〜２００６において、それぞれ透過されるピーク波長λは、３６８ｎｍ，３７３ｎｍ，３７８ｎｍ，３８３ｎｍ，３８８ｎｍ，３９３ｎｍの５ｎｍ間隔に設定されているものとする。すなわち、上述したように、光検出器の各凸部の直径Ｌ、短ピッチｂ、長ピッチａ、高さｈと、透過する特定ピークを有する光の波長λとは相関があり、凸部の直径Ｌｌをｋ倍することにより、特定のピーク波長を有する光を透過する。このことに基づいて、光検出器２００１〜２００６の各凸部の直径Ｌ、短ピッチｂ、長ピッチａ、高さｈは、ピーク波長λ：３６８ｎｍ，３７３ｎｍ，３７８ｎｍ，３８３ｎｍ，３８８ｎｍ，３９３ｎｍの光をそれぞれ透過するように形成されている。なお、光検出器２００１〜２００６において透過される光のピーク波長λの設定は、限定するものではなく、測定対象とする光に応じて適宜変更してもよい。すなわち、光検出器２００１〜２００６の各凸部の形状は、測定対象とする光に応じて適宜変更してもよい。
【００５３】
図１４に示す処理では、波長λ：３１０ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲でステップ２ｎｍの基準光を、入射角θ：１９°，入射角φ：０°〜３６０°（好ましくは、φ：０°〜９０°）の条件でスペクトル検出器２０００に対して入射するものとする。なお、この基準光の波長λの範囲やステップ幅の設定は限定するものではなく、光検出器２００１〜２００６が検出可能なピーク波長に応じて適宜変更してもよい。すなわち、光検出器２００１〜２００６において透過されるピーク波長の設定に応じて、例えば、波長４３０ｎｍ以上の可視光範囲、赤外光の範囲、紫外光の範囲に設定してもよい。
【００５４】
上記条件で基準光がスペクトル検出器２０００に対して入射された際に、光検出器２００１〜２００６からそれぞれ出力される各電位差（光電圧）を光電圧測定回路２０１２Ａにおいて測定する。この場合、波長λが３１０ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲にステップ２ｎｍで変更される基準光が入射角φで入射される毎に、光検出器２００１〜２００６からそれぞれ出力される各電位差（光電圧）が光電圧測定回路２０１２Ａにおいて測定される。各電位差（光電圧）は、図６に示したように変化する電圧波形として測定される。
【００５５】
なお、入射角φの設定は、「好ましくは、φ：０°〜９０°」としているが、図６において光電圧（μＶ）の最小値と最大値を示す入射角φが４０°と８０°の時であることに基づいている。
【００５６】
次いで、光電圧測定回路２０１２Ａにおいて基準光毎に光検出器２００１〜２００６から測定された各電圧波形を、制御回路２０１２Ｂにより光検出器２００１〜２００６毎に基準光電圧測定結果としてメモリ２０１２Ｃに記憶する。以上により、基準光電圧の測定／記憶処理を終了する。
【００５７】
次に、波長検出回路２０１２において実行される基準電位差結果の記憶処理について図１５を参照して説明する。この処理は、スペクトル検出器２０００に対して基準光が入射される際に実行される。なお、図１５に示す波長検出回路２０１２では、本処理に関わる構成と処理過程を示している。
【００５８】
まず、電位差算出回路２０１２Ｄは、上記基準光電圧の測定／記憶処理においてメモリ２０１２Ｃに記憶された基準光電圧測定結果を順次読み出し、光電圧の極小値及び極大値（例えば、図６の●で示す点、入射角φ＝４０°及び８０°）のデータをスペクトル解析して当該光電圧の波長分布を調べ、極大値の光電圧（入射角φ＝８０°）の波長分布と極小値の光電圧（入射角φ＝４０°）の波長分布との差分（電位差）を算出する。この電位差の算出を、メモリ２０１２Ｃに記憶された基準光電圧測定結果毎に繰り返し実行することより、波長λ：３１０ｎｍ〜４２０ｎｍの範囲でステップ２ｎｍに変化させた基準光毎に、図９に示したようなピーク波長を示す電圧波形を光検出器２００１〜２００６毎に得ることができる。
【００５９】
次いで、電位差算出回路２０１２Ｄにおいて基準光毎に光検出器２００１〜２００６のそれぞれに対して算出された結果を示す電圧波形を、制御回路２０１２Ｂにより光検出器２００１〜２００６毎に基準電位差結果としてメモリ２０１２Ｃに記憶する。以上により、基準電位差結果の記憶処理を終了する。
【００６０】
次に、波長検出回路２０１２において実行される波長検出処理について図１６及び図１７を参照して説明する。この処理は、スペクトル検出器２０００に対して被測定光が入射される際に実行される。なお、図１６に示す波長検出回路２０１２では、本処理に関わる構成と処理過程を示している。また、図１７は、波長検出回路２０１２において実行される波長検出処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
【００６１】
図１６及び図１７に示す処理では、被測定光を、入射角θ：１９°，入射角φ：０°〜３６０°（好ましくは、φ：０°〜９０°）の条件でスペクトル検出器２０００に対して入射するものとする。なお、この基準光の入射条件の設定は限定するものではい。また、図１７に示すフローチャートは、被測定光がある入射条件で入射される毎に実行されるものとする。さらに、図１７において、「ＯＶ」は光電圧測定回路２０１２Ａにおいて測定される光電圧測定信号を示し、「ＲＯＶｎ（但し、ｎは整数）」はメモリ２０１２Ｃに記憶された複数の基準光電圧測定結果のうちの一つを示す。また、「Ｗｎ（但し、ｎは整数）」は波形抽出回路２０１２Ｅにおいて光電圧測定信号ＯＶから抽出される波形の一つを示し、「ＶＤｎ」は電位差算出回路２０１２Ｄにおいて抽出波形Ｗｎから算出される測定電位差の一つを示し、「ＲＶＤｎ」はメモリ２０１２Ｃに記憶された複数の基準電位差結果のうちの一つを示す。
【００６２】
上記入射条件で被測定光がスペクトル検出器２０００に対して入射された際に、光検出器２００１〜２００６からそれぞれ出力される各電位差（以下、光電圧という）を光電圧測定回路２０１２Ａにおいて測定する（ステップＳ１０１）。各光電圧は、図６に示したように変化する電圧波形として測定される。光電圧測定回路２０１２Ａは、この各電圧波形に対応する各光電圧測定信号ＯＶを波形抽出回路２０１２Ｅに出力する（図１６参照）。
【００６３】
次いで、波形抽出回路２０１２Ｅは、メモリ２０１２Ｃからある基準光電圧測定結果ＲＯＶｎを読み出し（ステップＳ１０２）、この基準光電圧測定結果ＲＯＶｎを参照して光電圧測定回路２０１２Ａから入力された光電圧測定信号ＯＶから比較対象とする波形を抽出する（ステップＳ１０３）。被測定光に含まれた波長成分は未知であるため、光電圧測定信号ＯＶの波形は、複数の波長成分が合成されたものとなる。このため、基準光電圧測定結果ＲＯＶｎを参照し、光電圧測定信号ＯＶからピーク波長λを含むと思われる波形を抽出する。波形抽出回路２０１２Ｅは、抽出した波形を抽出波形Ｗｎとして電位差算出回路２０１２Ｄに出力する（図１６参照）。このステップＳ１０２とステップＳ１０３の処理を、メモリ２０１２Ｃに記憶された基準光電圧測定結果ＲＯＶｎの数分繰り返し実行し、抽出波形Ｗｎを順次出力する（ステップＳ１０４）。
【００６４】
次いで、電位差算出回路２０１２Ｄは、上記基準電位差結果の記憶処理において説明した算出方法で抽出波形Ｗｎの測定電位差ＶＤｎを算出し（ステップＳ１０５）、その測定電位差ＶＤｎを比較回路２０１２Ｆに出力する（図１６参照）。このステップＳ１０５の処理を抽出波形Ｗｎの数分繰り返し実行し、測定電位差ＶＤｎを順次算出する（ステップＳ１０６）。
【００６５】
次いで、比較回路２０１２Ｆは、メモリ２０１２Ｃからある基準電位差結果ＲＶＤｎを読み出し（ステップＳ１０７）、この基準電位差結果ＲＶＤｎと電位差算出回路２０１２Ｄから入力された測定電位差ＶＤｎとを比較して、一致する割合に基づいて同一か否かを判定する（ステップＳ１０８）。「一致する割合」は、例えば、基準電位差結果ＲＶＤｎと測定電位差ＶＤｎとの間の電圧差から求められる誤差率等に基づいて判定するようにしてもよい。
【００６６】
比較回路２０１２Ｆは、基準電位差結果ＲＶＤｎと測定電位差ＶＤｎと間の一致する割合が少ない（誤差率が大きい）と判定した場合（ステップＳ１０８：ＮＯ）、ステップＳ１０７に戻り、次の他の基準電位差結果ＲＶＤｎを読み出して、同様の判定処理を繰り返し実行する。また、比較回路２０１２Ｆは、基準電位差結果ＲＶＤｎと測定電位差ＶＤｎと間の一致する割合が多い（誤差率が小さい）と判定した場合（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、当該基準電位差結果ＲＶＤｎが示すピーク波長λを検出波長λとして出力する（ステップＳ１０９）（図１６参照）。
【００６７】
次いで、比較回路２０１２Ｆは、電位差算出回路２０１２Ｄからの測定電位差ＶＤｎの入力有無を確認し（ステップＳ１１０）、次の他の測定電位差ＶＤｎが入力された場合は（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、その他の測定電位差ＶＤｎを比較対象として（ステップＳ１１１）、ステップＳ１１７に戻る。また、比較回路２０１２Ｆは、電位差算出回路２０１２Ｄから測定電位差ＶＤｎが入力されない場合は（ステップＳ１１０：ＮＯ）、本処理を終了する。
【００６８】
以上のように、波長抽出処理を行うことにより、光検出器２００１〜２００６の各検出波長に基づいて被測定光に含まれた複数のピーク波長λを自動的に抽出可能な高精度なスペクトル検出器を実現することができる。したがって、本実施形態に係るスペクトル検出器２０００によると、被測定光のスペクトル分布を容易に検出することができる。
【００６９】
また、本実施形態に係るスペクトル検出器２０００によると、複雑な光学系の光軸調整不要な小型で使用が容易なスペクトル検出器を提供することができる。さらに、本実施形態に係るスペクトル検出器２０００によると、光検出器２００１〜２００６の下層にＬＥＤ層（発光層）を形成し、光検出層による光のスペクトル検出機能と、発光層による発光機能を併せた構造としたため、発光装置として用いることも可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１０００  光検出器
１００１  基板部
１００１ａ  サファイア基板
１００１ｂ  ＧａＮバッファ層
１００１ｃ  ｕ−ＧａＮ層
１００１ｄ  ｎ−ＧａＮクラッド層
１００１ｅ  Ｉｎ0.05Ｇａ0.95Ｎ量子井戸活性層
１００１ｆ  ｐ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ｎ層
１００３  窒化ガリウム系半導体層
１００５  凸部
１０１０  電圧計
１０２０  Ｎｉ層
１０２２  熱硬化樹脂
１０２４  モールド
２０００  スペクトル検出器
２００１〜２００６  光検出器
２０１２  波長検出回路
２０１２Ａ  光電圧測定回路
２０１２Ｂ  制御回路
２０１２Ｃ  メモリ
２０１２Ｄ  電位差算出回路
２０１２Ｅ  波形抽出回路
２０１２Ｆ  比較回路
【図１】
2011012970.tif 000003
【図３】
2011012970.tif 000004
【図４】
2011012970.tif 000005
【図５】
2011012970.tif 000006
【図９】
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【図１０】
2011012970.tif 000008
【図１１】
2011012970.tif 000009
【図１２】
2011012970.tif 000010
【図１３】
2011012970.tif 000011
【図１４】
2011012970.tif 000012
【図１５】
2011012970.tif 000013
【図１６】
2011012970.tif 000014
【図１７】
2011012970.tif 000015
【図２】
2011012970.tif 000016
【図６】
2011012970.tif 000017
【図７】
2011012970.tif 000018
【図８】
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