(57)【要約】【課題】小型化かつ量産性の高い中赤外受発光装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ１、受光素子２および集積回路３を集積したシリコン基板４がパッケージ５内に実装されている。半導体レーザ１は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子カスケード型レーザであり、波長９．６μｍのレーザ光３１を放出する。このレーザ光３１のうち、光学素子２１表面上に染み出したエバネッセント波３２で試料に直接照射し、試料内を透過または拡散した光を直接受光素子２で集光する。受光素子２は、ＳｉＧｅ／Ｓｉ量子井戸（５０層）からなる中赤外受光素子である。ＳｉＧｅ量子井戸に形成された価電子帯のサブバンド間を、正孔が中赤外光を吸収してサブバンド遷移を行うことにより、中赤外光を検出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子および受光素子がモノリシック集積またはハイブリッド集積により形成された半導体基板と、前記発光素子から放出した光を試料に直接照射する機能と試料内を透過または拡散した光または試料表面を反射した光を直接集光し前記受光素子に導く機能を備えた光学素子が、一つのパッケ−ジに納められていることを特徴とした受発光装置。
【請求項２】
半導体基板と光学素子の間には、その間隙にほぼ等しい厚みを有するスペーサが存在することを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項３】
外部からの応力により光学素子が変形することを抑制する位置にスペーサが存在することを特徴とした請求項２記載の受発光装置。
【請求項４】
半導体基板表面が平坦層になっており、その表面を介して半導体基板が光学素子に接していることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項５】
半導体基板または光学素子の少なくとも一方には、相互の位置を認識できるマークが形成されていることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項６】
発光素子または前記受光素子の駆動または信号処理にかかわる集積回路が、発光素子および受光素子が形成された基板に形成されていることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項７】
発光素子が、波長４〜２０μｍの少なくとも一つの赤外域の光を放出することができる発光素子であることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項８】
発光素子は、ポテンシャル井戸内に形成された特定のエネルギー準位間を電子または正孔がエネルギー遷移することで光子を放出することを特徴とした請求項７記載の受発光装置。
【請求項９】
光学素子は、発光素子から放出された光に少なくとも１回以上の反射を与えることができることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項１０】
光学素子の試料照射面は溝形状の凹部を有しており、前記凹部に光を通過させることができることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項１１】
発光素子から出射される第２の光が、前記発光素子が集積された基板内部を通過した後、到達する基板表面に、第２の受光素子が形成されていることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項１２】
受光素子として、シリコンとシリコンゲルマニウムからなる量子井戸のサブバンド間光子吸収を用いたことを特徴とする請求項１記載または請求項１１記載の受発光装置。
【請求項１３】
光学素子における複数回反射を繰り返す面にほぼ対面して集積回路が形成されていることを特徴とした請求項６記載の受発光装置。
【請求項１４】
光学素子と集積回路の間には本装置で用いられる波長帯の光の進行を妨げる機能を有する膜が形成されていることを特徴とした請求項６記載の受発光装置。
【請求項１５】
光学素子における複数回反射を繰り返す面のうち、本受発光装置の機能に関わらない面には、金属薄膜または誘電体多層膜が形成されていることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項１６】
光学素子の光入射部または光出射部の少なくとも一方にレンズが形成されていることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項１７】
レンズとしてフレネルレンズが用いられていることを特徴とした請求項１６記載の受発光装置。
【請求項１８】
発光素子として複数の波長で発光し、光学素子の光入射部または光出射部の少なくとも一方に回折格子を備え、発光素子からの光または光学素子からの光を波長分光し、前記分光した光を個別に受光することによって情報を得ることを特徴とする請求項１記載の受発光装置。
【請求項１９】
パッケージの材質が樹脂プラスチックであることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項２０】
パッケージ内部に有機ガスを吸収または分解する材料が形成されていることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【請求項２１】
発光素子から放出した光を試料に直接照射する機能と試料内を透過または拡散した光または試料表面を反射した光を直接集光し受光素子に導く機能を備えた光学素子にひとつ以上の凹部があり、前記凹部に前記発光素子または前記受光素子の少なくとも一方が組み込まれていることを特徴とした請求項１記載の受発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力を与えることによって、波長０．８〜２．５μｍの近赤外光や波長４〜２０μｍの中赤外波長の光を発光し、（光の吸収という形態で）対象物内の組成情報（量、質など）をその光に重畳した後、その光を受光し、電気信号として、組成情報を出力する赤外光受発光装置に関するものである。具体的な用途としては、全反射減衰型フーリエ変換赤外分光光度計（Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ  Ｔｏｔａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｆｏｕｒｉｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ：  ＡＴＲ−ＦＴＩＲ）、環境分析器、水質分析器、非侵襲生体センサー、リサイクル用再生分別装置、野菜鮮度センサーなど多様な測定ヘッドに用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
波長０．８〜２．５μｍの近赤外光や波長４〜２０μｍの中赤外波長には、各種有機物質（生体物質など）を構成する化学結合の吸収波長が多数含まれていることが知られている。それゆえ、ある物質にこの波長帯の光を透過させたとき、その吸収スペクトルを測定することにより、その物質の種類や量を測定することができる。特にＺｎＳｅなどの光学素子中を数回反射するときのエバネッセント波を物質に通し、その減衰スペクトルを検出手段として用いるＡＴＲ法（全反射減衰法：Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ  Ｔｏｔａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）は物質内の光吸収を非破壊で測定するのに適している。しかしながら、この波長帯を室温発光できる発光素子はこれまで存在しなかったため、大掛かりな固体光源（ＣＯ２レーザなど）を用いたり、低効率なハロゲン電球の分光などを行う必要があり、民生用に広く活用することが難しかった。
【０００３】
一方、近年、室温において、発振波長４〜２０μｍのレーザ光を数百ｍＷなる高出力で出射できる量子カスケードレーザが開発された（例えば、Ｆ．Ｃａｐｐａｓｏ  ｅｔ．ａｌ．，”Ｎｅｗ  Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  Ｖｏｌ．６，  Ｎｏ．６，  ｐ．９３１  （２０００））。従来の半導体レーザが伝導帯／価電子帯のバンド間遷移を用いているのに対し、この量子カスケードレーザは伝導帯内の電子のエネルギー遷移で発光するものである。量子カスケードレーザは、オージェ非発光再結合やヘテロ界面のリークが少なく、容易に室温発振を達成できる。これにより、中赤外光源の活用が大きく開けた。
【０００４】
従来の中赤外域受発光装置の一例を図２２に示す。被測定物８４は、例えば、生体などであり、測定ヘッドは光学素子８３が兼ねる。駆動回路８７を稼動させ、量子カスケードレーザを内部に含む発光素子８１から中赤外光８２を出射させる。その中赤外光８２はＺｎＳｅ光学結晶８３に入射し反射を繰り返し、受光素子８６に出射される。この反射部分において、光学結晶の外側にエバネッセント波８５が生じる。光学結晶８３の測定面８９には、被測定物８４が接している。エバネッセント波８５が被測定物８４の内部に染み出すことにより、光吸収が生じる。この結果、被測定物の情報（光吸収）が重畳する。中赤外光は受光素子８６に入射し、光電流を生じさせ、信号処理回路８８で増幅される。
【０００５】
これまでの構造では、発光素子と受光素子、さらに測定ヘッドに相当する光学素子が個別部品の組み合わせで作製されていた（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−６６２４８号公報（段落番号［００２５］、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ユーザはこれらの光軸調整が必要であった。また更に、小型化にするため、集積化すると、より精度良い光軸調整が必要となる。しかしながら、中赤外の光（４〜２０μｍ）は人間の目には見えないのみならず、大気中の水分、二酸化炭素、二酸化窒素などの分子振動の吸収波長に相当するため、光軸調整には大気成分管理なども必要であり量産化に適さなかった。また中赤外域受発光装置を用いた計測部分が大型化／重量化し、取り扱いが困難であった。特に、自宅医療応用の場合、高齢者のように肉体的弱者が自分で計測部分を容易に取り扱えるためには小型／軽量化が必須である。さらに受光素子と信号処理回路の距離が離れているため、配線に電気誘導的な雑音が重畳されることもあり、十分な信号品質を得ることが難しかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の受発光装置は、発光素子および受光素子がモノリシック集積またはハイブリッド集積により形成された半導体基板と、前記発光素子から放出した光を試料に直接照射する機能と試料内を透過または拡散した光または試料表面を反射した光を直接集光し前記受光素子に導く機能を備えた光学素子が、一つのパッケ−ジに納められているものである。このような構造では、発光素子と受光素子が、同一平面にあり、しかもその位置精度は、半導体集積技術により極めて精度が良い（数十μｍ以下の精度）。このため、従来、発光素子、受光素子、光学素子の３個の位置調整であったものが、受発光素子基板と光学素子の２個の位置調整になり量産性が向上する。さらに、このような構造にすることにより、中赤外域受発光装置の小型軽量化が実現でき、一般ユーザにとって扱い易くなる。
【０００９】
また、本発明の請求項２記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、半導体基板と光学素子の間には、その間隙にほぼ等しい厚みを有するスペーサが存在することを特徴としたものである。このスペーサを用いることにより、受光素子と発光素子が形成された基板と光学素子の距離・平行度を（中赤外光の光学調整なしに）物理的に決めることができる。
【００１０】
また、本発明の請求項３記載の受発光装置は、請求項２記載の受発光装置において、外部からの応力により光学素子が変形することを抑制する位置にスペーサが存在することを特徴としたものである。これは、このスペーサの位置として、光学素子と半導体基板の間隙の面内（発光、受光部、マーク部（下記参照）除く）にほぼ一様に存在させることで、光学素子になんらかの圧力が加わった場合、このスペーサが支柱の役目を果たすため、光学素子が歪むことはない。これにより、試料に圧着しながら測定する場合においても精度が劣化することはない。
【００１１】
また、本発明の請求項４記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、半導体基板表面が平坦層になっており、その表面を介して半導体基板が光学素子に接していることを特徴としたものである。これにより発光素子から出射された光が大気に暴露される距離が小さくなり、位置合わせ精度および測定精度が向上する。
【００１２】
また、本発明の請求項５記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、半導体基板または光学素子の少なくとも一方には、相互の位置を認識できるマークが形成されていることを特徴としたものである。これにより、半導体製造工程の一つであるフォトリソグラフィで一般に広く用いられるマスク合わせ技術（パッシブアライメント）を用いることができ、半導体基板と光学素子の面内位置を（中赤外光の光学調整なしに）数μｍ以内であわせることができる。したがって、上記のスペーサを併用することにより、中赤外光の光学調整なしに、言い換えれば大気成分の管理を行うことなく、中赤外光受発光装置を実現することができ、量産化、低価格化を実現することができる。
【００１３】
さらに、本発明の請求項６記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、発光素子または前記受光素子の駆動または信号処理にかかわる集積回路が、発光素子および受光素子が形成された基板に形成されていることを特徴としたものである。これにより、装置の小型化、誘導雑音の低減が実現できる。
【００１４】
また、本発明の請求項７記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、発光素子が、波長４〜２０μｍの少なくとも一つの赤外域の光を放出することができる発光素子であることを特徴としたものである。これにより、種々の分子振動の測定が可能となり、生体応用、大気観測などの応用ができる。
【００１５】
次に、本発明の請求項８記載の受発光装置は、請求項７記載の受発光装置において、この発光素子は、ポテンシャル井戸内に形成された特定のエネルギー準位間を電子または正孔がエネルギー遷移することで光子を放出することを特徴とするものである。本構造により、発光素子を低温に冷やす必要がなく、受光素子、集積回路との同一基板形成が可能となる。
【００１６】
また、本発明の請求項９記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子は、発光素子から放出された光に少なくとも１回以上の反射を与えることができることを特徴としたものである。これにより、試料から複数回の情報を重畳して得ることができ（信号強度が増加し）測定精度が向上する。
【００１７】
さらに、本発明の請求項１０記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子の試料照射面は溝形状の凹部を有しており、前記凹部に光を通過させることができることを特徴としたものである。溝の幅や深さを任意に設定することにより、試料（測定対象）により多く光が染み込み、より多くの情報を生体から得ることが可能になる。
【００１８】
また、本発明の請求項１１記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、発光素子から出射される第２の光（レーザの後面光）が、前記発光素子が集積された基板内部を通過した後、到達する基板の表面に、第２の受光素子が形成されていることを特徴としたものである。この構造においては、発光素子から出射される第２の光が、前記発光素子が集積された基板内部を通過した後、前記基板に集積された第２の受光素子に入射する。この第２の受光素子に入射した光を用いて前記発光素子の出力を一定にすることができる。従来の構造では、発光素子取り付け部に近接して第２の受光素子を取り付ける必要があったが、本構造では第２の受光素子の取り付け位置の設計自由度が向上する。
【００１９】
また、本発明の請求項１２記載の受発光装置は、請求項１または請求項１１記載の受発光装置において、受光素子として、シリコンとシリコンゲルマニウムからなる量子井戸のサブバンド間光子吸収を用いたことを特徴としたものである。これにより従来赤外受光に用いられたＨｇＣｄＴｅなどのような有害な材料を使用することなく、中赤外光の受光が可能になる。
【００２０】
さらに、本発明の請求項１３記載の受発光装置は、請求項６記載の受発光装置において、光学素子における複数回反射を繰り返す面にほぼ対面して集積回路が形成されていることを特徴としたものである。これにより、集積回路を発光素子と受光素子の間におくことができ、基板表面の有効活用（基板の小型化）を実現できる。
【００２１】
また、本発明の請求項１４記載の受発光装置は、請求項６記載の受発光装置において、光学素子と集積回路の間には本装置で用いられる波長帯の光の進行を妨げる機能を有する膜が形成されていることを特徴とするものである。これにより、パッケージ内の迷光（この迷光は例えば測定面での不要散乱光など）が集積回路に入射し、集積回路トランジスタのｐ型またはｎ型高濃度領域における自由キャリア吸収による発熱に起因した雑音が発生することを防ぐ。
【００２２】
さらに、本発明の請求項１５記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子における複数回反射を繰り返す面のうち、本受発光装置の機能に関わらない面には、金属薄膜または多層膜が形成されていることを特徴とするものである。これにより、光学素子の反射効率が向上し、反射面の損失を防ぐ。
【００２３】
また、本発明の請求項１６記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子の光入射部または光出射部の少なくとも一方にレンズが形成されていることを特徴とするものである。これにより、光学素子への光入射を容易にしたり、また光学素子から受光素子への出射光を効率よくすることができる。
【００２４】
また、本発明の請求項１７記載の受発光装置は、請求項１６記載の受発光装置において、レンズとしてフレネルレンズが用いられていることを特徴とするものである。これにより、レンズ作製が容易になる。
【００２５】
また、本発明の請求項１８記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、発光素子として複数の波長で発光し、光学素子の光入射部または光出射部の少なくとも一方に回折格子を備え、発光素子からの光または光学素子からの光を波長分光し、前記分光した光を個別に受光することによって情報を得ることを特徴とするものである。これにより、吸収波長が異なる組成に対しての分析が可能になる。
【００２６】
さらに、本発明の請求項１９記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、パッケージの材質が樹脂プラスチックであることを特徴とするものである。これにより、低コスト化が図れる。
【００２７】
また、本発明の請求項２０記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、パッケージ内部に有機ガスを吸収または分解する材料が形成されていることを特徴とするものである。これにより、パッケージ内部のガスによる光吸収が低減される。
【００２８】
また、本発明の請求項２１記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子に凹部があり、その凹部に発光素子または受光素子の少なくとも一方が組み込まれていることを特徴とするものである。これにより、発光素子および受光素子の位置が機械的精度で決定し、かつ、大気に触れることが極めて少ないので、精度良く計測することが可能である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００３０】
図１は本発明の実施の形態における受発光装置の断面図である。また図２は図１に示す発明の斜視図を示す。この実施の形態は、生体中グルコース量測定センサー用の受発光装置である。駆動時において、光学素子２１の表面近傍には、波長９．６μｍの光がエバネッセント波として存在している。生体を光学素子２１の表面に触れさせることにより、エバネッセント波が生体内部に侵入する。グルコースは波長９．６μｍの光を吸収するので、エバネッセント波の吸収量を測定することによりグルコース量測定が可能である。なお、この測定原理自体は、全反射減衰型フーリエ変換赤外分光光度計として広く知られている。
【００３１】
図１、２において、半導体レーザ１、受光素子２、集積回路（ＬＳＩ）３を集積したシリコン基板４が、パッケージ５中に実装されている。
【００３２】
半導体レーザ１は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子カスケード型レーザであり、波長９．６μｍのレーザ光を放出する。本半導体レーザの閾値電流は、約１００ｍＡ、スロープ効率は０．６Ｗ／Ａである。駆動電流は集積回路３から供給される。半導体レーザ１のエピタキシャル成長面が基板４に、Ａｕ−Ｓｎ系金属を用いて融着されている。シリコン基板をエッチングすることにより、凹形状の半導体レーザ取り付け部が形成されている。このシリコン基板４の面方位を＜１１０＞方向に９．７度オフした（１００）とすることにより、半導体レーザ１の光を基板表面垂直方向に折り曲げる立上げミラー２０をレーザ前出射側に形成している（例えば、オプトロニクス社「光技術精密加工技術」第２部第３章第２節を参照）。
【００３３】
立上げミラ−２０に波長９．６μｍでの反射率を高くするために、ＡｇやＡｌ等の反射膜を設けると更に好ましいと言える。
【００３４】
また、レーザ後出射側にはモニター用受光素子２５が形成されている。シリコンが波長９．６μｍ前後の光に対してはほぼ透明であることから、レーザ裏面から出射した光３３はシリコン基板４の中を透過し、モニター用受光素子２５に達する。このモニター用受光素子２５による光電流が一定になるように、集積回路３がレーザの駆動電流をフィードバックすることで、半導体レーザ１の出力は一定に保たれる。
【００３５】
信号受光素子２は、シリコン基板上に形成されたＳｉＧｅ／Ｓｉ量子井戸（５０層）からなる中赤外受光素子である。ＳｉＧｅ量子井戸に形成された価電子帯のサブバンド間を、正孔が中赤外光を吸収してサブバンド遷移を行うことにより、中赤外光を検出する（詳細は、Ｒ．Ｐ．Ｇ．Ｋａｒｕｎａｓｉｒｉ  ｅｔ  ａｌ．，  ”Ｓｉ１−ｘＧｅｘ／Ｓｉ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ”，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ５９  （２０）  ｐ．  ２５８８  （１９９１）などを参照）。ＳｉＧｅは、中赤外光の受光によく使われるＨｇＣｄＴｅなどに比べて、安全であり、かつ、シリコン基板上に容易に集積できる。信号受光素子２において光から変換された電気信号は集積回路３に送られる。なお、モニター用受光素子２５も同様な素子構造を有する。
【００３６】
集積回路３は、半導体レーザ１をパルス駆動するシリコンバイポーラ回路、信号受光素子２のＣＭＯＳ増幅回路、およびモニター用受光素子２５の信号のフィードバックＣＭＯＳ回路から構成されている。外部との接続用として、アース用電極パッド１０、電源用電極パッド１１、レーザ駆動値設定用電極パッド１６、信号取り出し用電極パッド１７が形成されている。本集積回路３は、電源＋１０Ｖにより動作する。
【００３７】
パッケージ５はエポキシ系樹脂で形成されている。パッケージ５には、アース用リード電極６、電源用リード電極７、レーザ駆動値設定用リード電極１２、信号取り出し用リード電極１３および放熱用金属１８が取り付けてある。リード電極６，７，１２，１３は銅を主材とし、表面はＮｉおよびＡｕメッキを施してある。また放熱用金属１８は無酸素銅を使用している。基板４は、導電性接着材１９を用いて、放熱用金属１８に接着されている。また、金ワイヤー８，９，１４，１５により、各電極パッド１０，１１，１６，１７は、各リード電極６，７，１２，１３に接続されている。
【００３８】
パッケージ５の上部は開口されており、その開口部にはＺｅＳｅ光学結晶２１が取り付けてある。光学結晶２１と基板４の間には厚さ１０μｍのスペーサ７１，７２があり、この厚みにより、光学結晶２１と基板４の間隙を１０μｍに保っている。ＺｅＳｅは波長９．６μｍ近傍の光に対して、吸収係数は０．００５  ｃｍ−１以下と極めて小さく、ほぼ透明体とみなすことができる。ＺｅＳｅ光学結晶２１の入射側および出射側はテーパ状になっており、半導体レーザ１から出射された光３１が光学結晶２１に入射し、光学結晶２１内で全反射を繰り返し、また光学結晶２１から出射した光が受光素子２に入射するよう角度が設計されている。この設計は、シュネルの法則を用いることにより簡単に計算でき、ＺｅＳｅの屈折率が波長９．６μｍにおいて約２．４であることを考慮すると、テーパ角（表面とテーパ部２２，２３が成す角）は４０．２度以上でなければならない。本実施の形態ではテーパ角を４５度とした。この場合、レーザ光３１は、光学素子２１表面の法線方向に対して２７．９度の角をなし全反射条件を満たす。レーザ光３１のうち、光学素子２１表面から染み出している部分がエバネッセント波３２である。表面からおよそ５０μｍ染み出しており、その範囲が検出部分となる。光学素子２１の表面のうち、測定で使用しない面には、検出部からの不要散乱光が集積回路に入射し誤動作することを防ぐため、Ｃｒを用いた遮光膜２４が形成されている。なお、この遮光膜は集積回路の表面に形成してもよい。また遮光膜としては、Ｃｒの他に金などの金属や高反射率誘電体多層膜（例えば、アルミナ（厚みλ／４ｎ１）／シリコン（厚みλ／４ｎ２）／アルミナ（λ／４ｎ１）／シリコン（λ／４ｎ２）、ここでλは使用する波長、ｎ１、ｎ２はアルミナ、シリコンの屈折率）を用いてもよい。このＣｒ遮光膜がない場合、測定精度が±１０％であるのに対し、この遮光膜により、精度±２％まで低減することができた。
【００３９】
本受発光装置の大きさは横５ｍｍ、縦１０ｍｍ、厚み４ｍｍ（リード電極を除く）であり、極めてコンパクトな中赤外域受発光装置を実現している。操作方法としては、まずリード電極７に電圧１０Ｖを印加し、集積回路を駆動させる。次に、リード電極１２に５Ｖ以上を印加することにより、半導体レーザ１に２００ｍＡのパルス電流（パルス幅１μｓｅｃ、デューティ１０％）が流れる。この結果、約６０ｍＷの中赤外レーザ光３１が放出され、光学素子の表面にエバネッセント波３２として現れる。このような短パルスにすることにより、生体への熱的影響を小さくしている。生体内のグルコースにより吸収を受けたレーザ光３１は受光素子２により光電流を生成し、集積回路４により、フルスケール１０Ｖの電圧信号に変換される。ノイズは１ｍＶ以下であるのでダイナミックレンジは８０ｄＢ以上を確保し、充分なＳ／Ｎ特性を得られる。このように高特性が得られるのは、受光素子と集積回路が極めて近く、周囲の雑音に影響されないことも大きい。これによりグルコース量の微小な変化でも測定することができる。また、消費電力は２Ｗ程度であり、家庭用電源はもちろんのこと、ポータブル機器に組み込むことができ、取り扱いが容易である。
【００４０】
図３〜図１０に本実施の形態の作製方法を述べる。シリコン基板４は前述のように、＜１１０＞方向に９．７度オフした（１００）を面方位として有する。基板サイズは直径６インチである（各図は、簡単のため、１個分で描いてある）。
【００４１】
まずシリコン基板４にすべての素子の基準位置となる認識マーク７３をフォトリソグラフィで基板に形成する。次に認識マーク７３を基準にして、受光素子を形成する部分以外にＳｉＯ２マスクを形成した後、分子線エピタキシャル成長法を用いて、ＳｉＧｅ／Ｓｉ量子井戸層を成長させる。次にＳｉＯ２をリフトオフすることにより、信号用受光素子２、モニター用受光素子２５をシリコン基板上に形成する（図３）。
【００４２】
つぎにフォトリソグラフィ（認識マーク７３を基準）とＫＯＨ系エッチング液を用いて、レーザ取り付け凹部４１、立上げミラー２０を形成する（図４）。
【００４３】
さらに図５のように、通常の半導体プロセス（認識マーク７３を基準としたフォトリソグラフィー、イオン注入、熱拡散、層間絶縁膜など）を用いて、集積回路３、アース用電極パッド１０、電源用電極パッド１１、レーザ駆動値設定用電極パッド１６、信号取り出し用電極パッド１７、レーザワイヤー用電極パッド４２を形成する。これら相互の接続には、図５でわかるように、フォトリソグラフィによる金配線が成されている。なお凹部４１にはレーザエピタキシャル面用電極４３が形成されており、この電極４３表面には、半導体レーザの融着用にＡｕ−Ｓｎが蒸着で形成されている。また、スペーサ７１，７２は金の厚膜でありフォトリソグラフィとメッキによって形成した（スペーサとしては、例えば、液晶パネルで用いるような球状の二酸化珪素を用いてもかまわない。この場合、球を熱硬化型接着材に混ぜ、図９の直前の工程においてディスペンサでその接着材を基板表面に塗布する。）。最後にダイシングを行う。この基板（ダイ）の大きさは、横３ｍｍ、長さ６ｍｍ、厚み０．３ｍｍである。
【００４４】
次に、半導体レーザ１をエピタキシャル面を基板４側にして、凹部４１に融着する（図６）。融着温度は約２８０℃である。半導体レーザは、ＩｎＰ基板上に分子線エピタキシャル成長法を用いて形成されたＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子カスケードレーザ（発光部はＩｎＧａＡｓ井戸部（Ｉｎ組成６０％）とＡｌＩｎＡｓ障壁部（Ｉｎ組成４０％）の超格子構造）である。その半導体レーザの大きさは、共振器長０．８ｍｍ、幅０．３ｍｍ、厚み０．１ｍｍである。
【００４５】
次に、図７のように、導電性接着材１９（図１参照）を用いて、シリコン基板４をパッケージ５の放熱用金属１８（図１参照）部分に接着する。導電性接着材は、銀を含む熱硬化型エポキシ系接着材であり、良好な熱伝導も得ることができる（熱伝導率は約８Ｗ／ｋｍ）。接着後の厚みは約５０μｍである。このようにすることにより、半導体レーザ１の熱抵抗は、約３０℃／Ｗと良好な値が得られている。
【００４６】
次工程は、図８に示すワイヤーボンド工程である。直径２５μｍの金ワイヤー８，９，１４，１５を形成することにより、電極パッド１０，１１，１６，１７は、リード電極６、７，１２，１３に各々接続される。また、金ワイヤー４５により、半導体レーザ１の裏面電極はレーザ用電極パッド４２に接続される。
【００４７】
最後に、図９に示すように、テーパを有するＺｅＳｅ光学素子２１と発光／受光素子が形成された基板４の位置合わせ（アライメント）を行う。この光学素子２１の片面（パッケージ内部の面）にはアルミニューム薄膜の認識マーク７４が形成されている。基板の認識マーク７３と光学素子の認識マーク７４を用いて面内の位置合わせを行う。ＺｎＳｅはバンドギャップ２．７ｅＶであるので、波長０．４５μｍ以上の光、例えば、黄緑光などを用いれば容易に光学素子２１を通して、認識マーク７３，７４のアライメントが可能である。面内ずれが５μｍ以内になった後に、基板４と光学素子２１を密着させる。この時、スペーサ７１，７２により、基板４と光学素子２１の間隙は自動的にスペーサ７１，７２の厚みになり、かつ、平行性を有することができる。その後、ＵＶ硬化接着材を用いて、テーパを有するＺｅＳｅ光学素子２１をパッケージに接着する。光学素子２１は、パッケージの開口を閉じる蓋を兼用する。
【００４８】
なお、ＵＶ硬化接着材はアウトガス放出量が少ないもの（２００℃１時間における重量変化１％以下）を選んだ。なお、パッケージ内部の、一部または全面に有機ガスを吸収または分解する材料（たとえば酸化チタンなど）を被膜することにより、ＵＶ照射時に接着材から放出される有機ガスを分解することができる（有機ガスによる、９．６μｍ近傍の光吸収ロスを低減できる）。
【００４９】
このようにして、本受発光装置が完成する（図１０）。
【００５０】
本発明の第２の実施の形態を図１１に示す。基本的な図面は図１と同じである。第２の実施の形態ではＺｎＳｅ光学結晶２１の入射側テーパ部２２に凸型レンズ５１が取り付けてある。一般に半導体レーザ１の出射光は、半値全角１０〜３０゜の発散光となる。その光をレンズ５１により、ほぼ平行光に変換することにより、周囲に発散する無効エバネッセント波を抑制することができる。この結果、信号強度が増大するので感度をさらに向上させることができる。なお、レンズとして、図１２に示すように、光学結晶２１の入射側テーパ部２２に形成したフレネルレンズ５２を用いると、光学結晶２１のテーパ部２２を刻印することでレンズを形成することができ、レンズ作製が容易になる。
【００５１】
本発明の第３の実施の形態を図１３に示す。基本的な構造は図１と同じである。この実施の形態では、光源として複数の波長成分をもつ発光ダイオード５７を使用している（発光ダイオードの代わりに、スーパールミネッセントダイオードや、マルチモード半導体レーザを用いてもよい）。また光学素子２１の出射側テーパ部２３には、回折格子５３が形成されている（図１４参照）。さらに、信号受光素子は、図１５に示すように、回折格子の方向に沿って素子５４，５５，５６がある。
【００５２】
図１６を用いてこの動作を説明する。発光ダイオード５７から放出された光６１は光学素子２１に入射し、反射を繰り返し、その反射面におけるエバネッセント波が被測定物で吸収されることにより、光量が減少する。本実施の形態では、光６１は複数の波長成分を有しており、被測定物の吸収に波長依存性がある場合には、波長によって吸収量が異なる。回折格子５３は、光６１を波長により３方向６２，６３，６４に分離する。その方向には、信号受光素子５４，５５，５６が存在する。これにより、各波長帯における信号吸収量を測定できる。特に本発明においては、約９．１±０．２μｍの光は信号受光素子５４に、約９．６±０．２μｍの光は信号受光素子５５に、約９．８±０．２μｍの光は信号受光素子５６に、集光するように回折格子を設計している。これにより、被測定物を生体とした場合、信号受光素子５４、および信号受光素子５６の信号をリファレンスとして、信号受光素子５５の信号を相対評価することにより（つまり、約９．１μｍおよび約９．８μｍ光をリファレンスとして約９．６μｍ光の増減を評価することにより）、約９．６μｍ光に対して吸収を示す物質、例えば、生体中のグルコース濃度などを正確に評価することができる。
【００５３】
本実施の形態では主に、波長９．６μｍの光を用いて説明したがこれに限定するものではなく、波長１．４〜１．６μｍの光を用いても構わない。
【００５４】
本発明の第４の実施の形態を、図１７を用いて説明する。
【００５５】
発光ダイオ−ド５７から放出された光６１は立上げミラ−２０で反射された後、光学素子２１に入射する。光学素子２１は図１８にも示されているように溝５８が少なくとも１本以上形成されている。
【００５６】
図には示していないが、溝５８には生体や溶液等の被測定物を設定する。
【００５７】
光学素子２１に入射した光は、溝５８に到達し、屈折されて溝部分に設定された被測定物を通過し再び光学素子２１に入射する。光は被測定物によって吸収されるため、受光素子２を用いて吸収量を測定することにより、被測定物の濃度を容易に評価することができる。溝５８の幅や深さは特に限定するものではなく、被測定物の特性に応じて最適な設定が可能となるものである。
【００５８】
本発明の第５の実施の形態を、図１９を用いて説明する。本図は概ね図１と同じであるが、スペーサ７１，７２に代わり、半導体基板４上に平坦化層７５が形成されている。この平坦化層７５に光学素子２１が密着しており平坦化層の厚みにより基板４と光学素子２１の距離を制御している。平坦化層は、下記に述べるように、塗布酸化膜（ＳＯＧ：Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）である。このような構造にすることにより、発光素子１と光学素子２１の距離および受光素子２と光学素子２１の距離を極めて小さくすることができ、パッケージ内の残留有機物による雑音を低減させることが可能となる。第５の実施の形態の作製方法は、基本的には、図３〜図１０と同じであるが、図５においてスペーサ７１，７２を作製する代わりに、図２０に示すように平坦化層を形成する。（なお、よりわかりやすくするため、集積回路３の表面の配線等による凹凸も描いている（図２０（ａ））。まず図２０（ｂ）のように、スピンコート法を用いて、塗布酸化膜７６を形成する。これにより表面はほぼ平坦になるが、さらに、平坦化するために、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により、塗布酸化膜表面の凹凸を０．５μｍ以下にしている。その後、フォトリソグラフィとドライエッチ（ＣＨＦ４とＯ２の混合ガスを使用）により、平坦化が不要部を除去する（図２０（ｃ））。この後は図６以降と同じになる。
【００５９】
本発明の第６の実施の形態を図２１に示す。ＺｎＳｅ光学素子１０１には、発光素子用凹部１１１および受光素子用凹部１１２が形成されている。発光素子は、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子カスケードレーザ１０２および半絶縁性窒化アルミニウム基板１０３から構成されている。基板１０３にはビアホール（Ｖｉａ  Ｈｏｌｅ）が形成されておりレーザ１０２の二つの電極が基板１０３の裏面に接続されている。この発光素子は凹部１１１に嵌め込まれており、機械的精度により位置が決定される。基板１０３の裏面電極から金ワイヤー１０８を通じ、リード電極１０６に接続されている。また、受光素子は、ＳｉＧｅ／Ｓｉ量子井戸サブバンド間遷移型受光部１０４および半絶縁性窒化アルミニウム基板１０５から構成されている。基板１０５にはビアホール（Ｖｉａ  Ｈｏｌｅ）が形成されており受光部１０４の二つの電極が基板１０５の裏面に接続されている。この受光素子は凹部１１２に嵌め込まれており、機械的精度により位置が決定される。基板１０５の裏面電極から金ワイヤー１０９を通じ、リード電極１０７に接続されている。１１０は樹脂パッケージである。本構造にすることにより、発光素子から出射された光は、ほとんど大気に触れないので、精度良く位置合わせが可能である。
【００６０】
以上の本発明において、生体のグルコース量測定の応用例を示したが、発光素子からの波長を適切に選べば、全反射減衰型フーリエ変換赤外分光光度計における各種組成分析、環境分析器／水質分析器における不純物測定、各種非侵襲生体センサーにおける血中成分分析、リサイクル用再生分別装置における対象物分析、野菜鮮度センサーにおける鮮度測定などに応用可能である。
【００６１】
【発明の効果】
上記のように、本発明を用いれば、コンパクトで扱い易い中赤外受発光装置を量産性高く、かつ、低価格に製造することができ、工業的に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の斜視図
【図３】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図４】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図５】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図６】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図７】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図８】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図９】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図１０】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図１１】本発明の第２の実施の形態における受発光装置の断面図
【図１２】本発明の第２の実施の形態における受発光装置の光学素子の斜視図
【図１３】本発明の第３の実施の形態における受発光装置の断面図
【図１４】本発明の第３の実施の形態における受発光装置の光学素子の斜視図
【図１５】本発明の第３の実施の形態におけるシリコン基板の斜視図
【図１６】本発明の第３の実施の形態における受発光装置の動作を示す斜視図
【図１７】本発明の第４の実施の形態における受発光装置の断面図
【図１８】本発明の第４の実施の形態における受発光装置の光学素子の斜視図
【図１９】本発明の第５の実施の形態における受発光装置の断面図
【図２０】本発明の第５の実施の形態における受発光装置の作製工程図（一部）
【図２１】本発明の第６の実施の形態における受発光装置の断面図
【図２２】従来の受発光装置の一例を示す図
【符号の説明】
１，５７  発光素子（ベアチップ）
２，５４，５５，５６  信号受光素子
３  集積回路
４  シリコン基板
５  樹脂パッケージ
６，７，１２，１３  リード電極
８，９，１４，１５，４５  金ワイヤー
１０，１１，１６，１７，４３  電極パッド
１８  放熱用金属
１９  導電性接着材
２０  立上げミラー
２１，８３  光学結晶
２２  入射側テーパ部
２３  出射側テーパ部
２４  遮光膜
２５  モニター用受光素子
３１，６１，８２  中赤外光
３２，８５  エバネッセント波
３３  発光素子の裏面光
４１  発光素子取り付け凹部
４２  発光素子基板側電極取付パッド
５１  凸型レンズ
５２  フレネルレンズ
５３  回折格子
５８  溝
６２，６３，６４  分光後の光
７１，７２  スペーサ
７３  認識マーク（基板側）
７４  認識マーク（光学素子側）
７５  平坦化層
８１  発光素子
８４  被測定物
８６  受光素子
８７  発光素子駆動回路
８８  受光素子信号処理回路
８９  測定面
１０１  光学素子
１０２  量子カスケードレーザ
１０３，１０５  窒化アルミニウム基板
１０４  受光素子
１０６，１０７  リード電極
１０８，１０９  ワイヤー
１１０  パッケージ
１１１  発光素子用凹部
１１２  受光素子用凹部
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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