(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光増幅器ＳＯＡを含む光電子要素のマトリックスを含む人工網膜であって、前記半導体光増幅器ＳＯＡが、ｐ−ドープ窒化ガリウムＧａＮの基板に複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ（窒化インジウム−ガリウム／窒化ヒ素−ガリウム）又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ（窒化インジウム−ガリウム／窒化アルミニウム−ガリウム）量子ウェルを有する窒化ガリウムＧａＮの活性層を含み、ｎ−ドープ窒化ガリウムＧａＮの層で被覆された、人工網膜。
【請求項２】
前記ｐ−ドープ窒化ガリウムＧａＮ基板がｐ−ＧａＮのカラムを形成する、請求項１に記載の人工網膜。
【請求項３】
前記ｐ−ＧａＮのカラムが、炭素、ダイヤモンド、二酸化チタン、シリカ、窒化シリコン又は窒化ガリウムから選択される生体適合性材料の絶縁層で被覆された、請求項２に記載の人工網膜。
【請求項４】
前記ｐ−ＧａＮカラムの横寸法に対する高さの割合が２０未満である、請求項２又は３に記載の人工網膜。
【請求項５】
前記光電子要素のマトリックスが異なる高さの半導体光増幅器ＳＯＡを含む、先行する請求項のいずれかに記載の人工網膜。
【請求項６】
前記光電子要素のマトリックスがＥ２＝π（３５０／２）２×１／ｎとなるような距離Ｅで離隔された半導体光増幅器ＳＯＡを含み、ｎが前記マトリックスにおける前記光電子要素の数である、先行する請求項のいずれかに記載の人工網膜。
【請求項７】
前記光電子要素のマトリックスが垂直キャビティ半導体光増幅器ＳＯＡ又は水平キャビティ半導体光増幅器ＳＯＡを含む、先行する請求項のいずれかに記載の人工網膜。
【請求項８】
前記光電子要素のマトリックスが、光キャビティを画定するように複数の量子ウェルを有する前記活性ＧａＮ層のいずれかの側に２つの分布ブラッグ反射器がそれぞれ配置された少なくとも１つの垂直キャビティ半導体光増幅器を含む、請求項７に記載の人工網膜。
【請求項９】
前記光電子要素のマトリックスが垂直キャビティ半導体光増幅器又は水平キャビティ半導体光増幅器の三次元マトリックスである、請求項７に記載の人工網膜。
【請求項１０】
前記光電子要素のマトリックスが垂直及び水平フォトダイオードをさらに含む、先行する請求項のいずれかに記載の人工網膜。
【請求項１１】
前記光電子要素のマトリックスが異なる高さを有する垂直又は水平フォトダイオードを含む、請求項１０に記載の人工網膜。
【請求項１２】
前記光電子要素のマトリックスがＥ２＝π（３５０／２）２×１／ｎとなるような距離Ｅで離隔された垂直又は水平フォトダイオードを含み、ｎが前記マトリックスにおける前記光電子要素の数である、請求項１０及び１１のいずれか一項に記載の人工網膜。
【請求項１３】
網膜上人工器官である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の人工網膜。
【請求項１４】
網膜下人工器官である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の人工網膜。
【請求項１５】
網膜下及び網膜上の人工器官を同時に含む人工網膜であって、請求項１３に記載の前記網膜上人工器官及び請求項１４に記載の前記網膜下人工器官の内の少なくとも１つを含む人工網膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、人間の目の光受容細胞の劣化を補うように設計された人工網膜において使用され得る移植可能光電子デバイスの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
人間の目又は眼球は、全体的に球状形体の中空構造体である。目の後部の最内層は、網膜である。網膜は神経構造体であり、視神経を介して脳に対して視覚情報を処理して導く多数の光受容体及びニューロンを含む。視神経が出ていく地点で網膜は遮られ、これは盲点であり、その近くには網膜中心窩として知られる中心窩を含み、黄斑又は斑点がある。
【０００３】
特殊化光受容体神経細胞は目の後方の内壁に並んでいるので、それらの形状により錐体及び桿体と名付けられ、感光性物質を含む。感光性の桿体は、特に暗所視のために設計された光受容体であり、色覚を担う錐体は、中でも特に昼間視のために設計される。錐体は、３つの細胞ファミリーに分割され、それぞれがスペクトルの判定ゾーンにその感度ピーク（青色−紫色、緑色及び黄色−緑色）を備えている。
【０００４】
人間の目の光受容体細胞の劣化は、例えば、加齢黄斑変性症（ＡＭＤ）又は遺伝による網膜色素変性症の原因となり得る。光受容体（錐体及び桿体）は感光性の網膜の細胞であるのに対して、光受容体によって捕捉された信号を処理する他方のニューロンは視神経を介して脳に情報を送る。光受容体細胞が劣化すると、網膜は光に応答できなくなる。しかしながら、それらの電気刺激が脳によって光覚を生成するように、十分な数の他のニューロンが残っている。
【０００５】
光受容体細胞の欠如を治療するために、人工網膜の移植及びオプトジェネティックアプローチの２つの方法が検討された。
【０００６】
オプトジェネティック技術は、細胞膜に感光性タンパク質を組み込むことによって、ニューロンを変化させてそれらを感光的にすることを伴う。各細胞を感光的にすることによって、視覚は正常に近い視力まで回復できる可能性がある。しかしながら、オプトジェネティックアプローチに基づく人工的視覚は、主な欠点を示す。変性細胞は活性化するのに青色（４６０ｎｍ）の非常に明るい光を必要とし、必要な光強度は健常な個人に通常観られる感光性閾値より約７倍大きい。
【０００７】
人工網膜は、「網膜下の」人工器官の場合には目に入射する光、又は「網膜上の」人工器官の場合には目の外部に装着されたマイクロカメラからの電気信号のいずれかによって活性化される、光電子要素のマトリックスを含む光電子デバイスを有する。使用される様々なタイプの移植体は、ナノメートルデバイスを使用するのが容易でありかつそれを開発するのを可能とするシリコンベースの技術を必要とする。ただし、シリコンは、可視的光場において不透明な材料である。
【０００８】
網膜上の解決手段には、ニューロンを刺激するように網膜の前に電子移植体を配置することを伴う。網膜上移植体それ自体は、感光的でなく、目の外部に装着されたマイクロカメラに接続されなくてはならない。網膜上移植体は、その機能が網膜の内層においてニューロンの役割を満たす「コーダ」を必要とし、それは視覚情報の予備処理を実行する。
【０００９】
アメリカ合衆国では、食品医薬品局（ＦＤＡ）は、進行した網膜色素変性症の患者を治療するように設計された最初の網膜上人工器官の使用を２０１３年２月に認可した。「アーガスＩＩ人工網膜システム」として周知のこの網膜上人工器官は、Ｓｅｃｏｎｄ  Ｓｉｇｈｔ  Ｍｅｄｉｃａｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｉｎｃ．社によって製造される。この網膜上人工器官は、およそ６０個の電極のマトリックスによるゴールドスタンダードであり、世界中の患者で既に試験された。
【００１０】
網膜下人工器官は、網膜の下に配置されて損傷した光受容体神経細胞を交換し、それは外科処置的に実行がより困難であるがより自然な位置でニューロンを刺激することが可能となる。網膜下人工器官は、入射光を、ニューロン（双極細胞）に伝達される電気信号に変換する。網膜下人工器官は、それ自体が感光的であり、外部デバイスを必要としない。基準の網膜下人工器官「Ｒｅｔｉｎａ」は、Ｒｅｔｉｎａ  ＩｍｐｌａｎｔＡＧ社によって製造される。
【００１１】
テキストを読み、独立的に動き回り、顔を認識するには、最小解像度が１０００ピクセルより高くなくてはならないと考えられる。網膜下人工器官は、１５００ピクセルのマトリックスによって感光的である。網膜上人工器官では、解像度は６０ピクセルしかない。しかしながら、２つのタイプの人工器官によって実行された臨床試験では同等の結果となるが、網膜下人工器官には非常に多数の電極がある。光電子要素の数が増加する場合、より小型の光電子要素によってマトリックスはより高密度になる。個々の光電子要素をより精密に位置決定するには、光電子要素と網膜神経節細胞の層との間の近接性を増加させることが不可欠となる。これによって各光電子要素は、視力を増加させるように網膜のわずかな部分を活性化させることができる。
【００１２】
さらに、既知の人工網膜は、三次元（３Ｄ）シミュレーションを行うことができない平坦な二次元（２Ｄ）デバイスであり、これらの性能を大いに制限している。
【発明の概要】
【００１３】
したがって、上記の欠点がなく、現行のものよりも効果的な解決手段が必要とされる。
【００１４】
提示される解決手段は、ｐ型ドーピングによる窒化ガリウムＧａＮの基板に複数の量子ウェルＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ（窒化インジウムガリウム／窒化ヒ素ガリウム）又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ（窒化インジウムガリウム／窒化アルミニウムガリウム）を有する窒化ガリウムＧａＮの層を含み、ｎ型ドーピングによる窒化ガリウムＧａＮの層で被覆された半導体光増幅器ＳＯＡを有する光電子要素のマトリックスを特徴とする人工網膜である。
【００１５】
半導体材料ＧａＮには、良好な化学安定性及び生体適合性を有する効果がある。したがって、それは保護バリアを形成するので、この材料では人体にあまり耐性がない材料を密封することができる。
【００１６】
半導体材料ＧａＮはまた、可視光の波長領域において透明である特性を有する。これにより、まだ機能している網膜細胞は、人工網膜の不透明性による影響はない。さらに、影響を受けない網膜細胞は、人工網膜が目を透過する可視光をマスクしないので、依然として刺激される。
【００１７】
したがって、マルチ量子ウェル（ＭＱＷ）ＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮを有する窒化ガリウムＧａＮ構造体に基づく光電子要素を含むマトリックスを有する光電子デバイスは、隣接する２つの光電子要素の間に光を通過させる効果を示す。
【００１８】
一観点から、ｐ型ドーピングによる窒化ガリウム（ＧａＮ）の基板がｐＧａＮのカラムを形成する。
【００１９】
他の観点から、ｐ−ＧａＮのカラムが、炭素、ダイヤモンド、二酸化チタンＴｉＯ２、シリコンＳｉＯ２、窒化シリコンＳｉ３Ｎ４又は窒化ガリウムＧａＮから選択される生体適合性材料の絶縁層で被覆される。
【００２０】
さらに他の観点から、ｐＧａＮのカラムの高さと断面寸法との割合は２０未満である。
【００２１】
構成の一方法によると、光電子デバイスは、異なる高さの半導体光増幅器ＳＯＡを備えた光電子要素のマトリックスを有する。
【００２２】
構成の他の方法によると、光電子要素のマトリックスは、垂直キャビティを有する半導体光増幅器ＳＯＡ又は水平キャビティを有する半導体光増幅器ＳＯＡを有する。光電子要素のマトリックスが垂直キャビティを有する少なくとも１つの半導体光増幅器ＳＯＡを有する場合、２つの分布ブラッグ反射器は、光キャビティが画定されるように、マルチ量子ウェルを有する活性ＧａＮ層の各側部に配置される。
【００２３】
構成のさらに他の方法によると、光電子要素のマトリックスは、垂直キャビティを有する半導体光増幅器ＳＯＡ又は水平キャビティを備えた半導体光増幅器ＳＯＡの三次元（３Ｄ）マトリックスである。
【００２４】
半導体光増幅器ＳＯＡは、Ｅ２＝π（３５０／２）２×１／ｎとなるような距離Ｅで離隔されるべきであり、ここでｎはマトリックスにおける光電子要素の数である。
【００２５】
半導体光増幅器ＳＯＡの透明マトリックスは青色、黄色又は緑色の光を増幅して、オプトジェネティック技術によって、又は網膜上若しくは網膜下の人工器官によって得られる結果を向上させる。
【００２６】
構成の一方法によると、光電子要素はフォトダイオードである。マルチ量子ウェルＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮを有するフォトダイオードの透明マトリックスを使用することによって、今日使用されている網膜上人工器官によるマイクロカメラの必要性をなくす。
【００２７】
構成の他の方法によると、光電子要素のマトリックスはまた、垂直又は水平フォトダイオードを有する。光電子要素のマトリックスは、好ましくは少なくとも１つのフォトダイオード及び少なくとも１つの半導体光増幅器ＳＯＡを含むべきである。
【００２８】
構成の他の方法によると、光電子デバイスは、異なる高さの垂直又は水平フォトダイオードを備えた光電子要素のマトリックスを有する。フォトダイオード及び半導体光増幅器ＳＯＡは、網膜神経節細胞の層及び／又は視神経をより正確に刺激するために、異なる高さのものである。
【００２９】
垂直又は水平フォトダイオードは、Ｅ２＝π（３５０／２）２×１／ｎとなるような距離Ｅで離隔されるべきであり、ここでｎはマトリックスにおける光電子要素の数である。
【００３０】
網膜上人工器官である人工網膜もまた、提示される。
【００３１】
網膜下人工器官である人工網膜もまた、提示される。
【００３２】
網膜下人工器官及び網膜上人工器官の両方を特徴とする人工網膜もまた、提示される。
【００３３】
一観点によると、網膜上又は網膜下の人工器官は、少なくとも１つの垂直フォトダイオードを有するマトリックスを特徴とする。
【００３４】
第２の観点によると、網膜上又は網膜下の人工器官は、少なくとも１つの水平フォトダイオードを有するマトリックスを特徴とする。
【００３５】
第３の観点によると、網膜上又は網膜下の人工器官は、垂直キャビティを備えた少なくとも１つの半導体光増幅器を有するマトリックスを特徴とする。
【００３６】
第４の観点によると、網膜上又は網膜下の人工器官は、水平キャビティを備えた少なくとも１つの半導体光増幅器を有するマトリックスを特徴とする。
【００３７】
さらに他の観点によると、フォトダイオードの少なくとも１つのマトリックス及び半導体光増幅器ＳＯＡの少なくとも１つのマトリックスは、電気信号の注入及び青色、緑色又は黄色の光の増幅の双方によってニューロンを刺激するために、同じ網膜上又は網膜下の人工器官に同時に組み込まれ得る。
【００３８】
本発明の他の特性及び効果は、例示的かつ非限定的な例及び添付図面によって必然的に与えられる実施形態の以下の説明を読めば明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、人間の目の概略的断面図を示す。
【図２】図２は、網膜の概略的断面図を示す。
【図３】図３ａ、３ｂ及び３ｃは、発明による光電子要素の実施形態を概略的に示す。
【図４】図４は、網膜下人工器官に適用可能な垂直フォトダイオードを有する光電子デバイスの実施形態を概略的に示す。
【図５】図５は、網膜上人工器官に適用可能な垂直フォトダイオードを有する光電子デバイスの実施形態を概略的に示す。
【図６】図６は、網膜下人工器官に適用可能な垂直キャビティを有する半導体光増幅器を有する光電子デバイスの実施形態を概略的に示す。
【図７】図７は、網膜上人工器官に適用可能な垂直キャビティを有する半導体光増幅器を有する光電子デバイスの実施形態を概略的に示す。
【図８】図８は、網膜下人工器官に適用可能な、垂直フォトダイオード及び垂直キャビティを有する半導体光増幅器を備えた光電子デバイスの実施形態を概略的に示す。
【図９】図９は、網膜上人工器官に適用可能な、垂直フォトダイオード及び垂直キャビティを有する半導体光増幅器を備えた光電子デバイスの実施形態を概略的に示す。
【図１０】図１０は、光電子要素のマトリックスの実施形態を概略的に示す。
【図１１】図１１は、フォトダイオードＧａＮ及び半導体光増幅器ＳＯＡ用途のための垂直キャビティＧａＮのファセットを示す。
【図１２】図１２ａ及び１２ｂは、網膜下人工器官に適用され得る水平フォトダイオードからなる光電子デバイスの一実施形態の２つの垂直側面図を概略的に示す。
【図１３】図１３ａ及び１３ｂは、網膜上人工器官に適用され得る水平フォトダイオードからなる光電子デバイスの一実施形態の２つの垂直側面図を概略的に示す。
【図１４】図１４ａ及び１４ｂは、網膜下人工器官に適用され得る水平キャビティを有する半導体光増幅器からなる光電子デバイスの一実施形態の２つの垂直側面図を概略的に示す。
【図１５】図１５ａ及び１５ｂは、網膜上人工器官に適用され得る水平キャビティを有する半導体光増幅器からなる光電子デバイスの一実施形態の２つの垂直側面図を概略的に示す。
【図１６】図１６ａ及び１６ｂは、網膜上人工器官に適用され得る水平キャビティを有する半導体光増幅器からなる光電子デバイスの他の実施形態の２つの垂直側面図を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
「左」及び「右」、「上部」及び「底部」、「前」及び「後」、「水平の」及び「垂直の」、「上に」及び「下に」などのような方向性の用語は、説明する図面の向きに関してここでは使用される。実施形態を構成する要素は異なる向きに配置され得るので、方向性の用語は例示の目的にのみここでは使用され、限定するものではない。
【００４１】
図１は、人間の目１の断面を概略的に示す。これは硝子体液５と呼ばれるゼラチン状の物質を囲む３層の重畳膜２、３及び４で構成される。
【００４２】
目の前房は、光を受信し、
−瞳７と呼ばれるその中心に丸い開口部を有する虹彩６であって、それによって光が目を通過することができ、そのサイズは目が曝される輝度に自動的に適合する虹彩６と、
−丸く透明なドーム状の膜であって光線を通過させることができる角膜８と、
−距離に応じて網膜に画像を合焦させるレンズ９とからなる。
【００４３】
網膜４は、目の後房の内面に並ぶ膜である。網膜の神経細胞は、光エネルギーを、視神経１０によって脳に伝達される電気信号に変換する。盲点１１は視神経を形成する繊維が集まる目の領域であり、感光性細胞がない。近くには、斑点１２（又は黄斑）が、多数の視細胞で形成される。
【００４４】
いずれの毛細血管もない網膜の最も感受的な領域は、網膜中心窩１３と呼ばれる。網膜中心窩１３は、色彩に対して感受的であり、視力にとって重要な、斑点１２（直径約６ｍｍ）において見られる網膜の小さな部分である。小窩１４（直径約０．３５ｍｍ）は、網膜中心窩１３（直径約１．５ｍｍ）の中間に位置し、錐体細胞のみを含む。網膜中心窩１３は、最も高い視力を有する網膜４の一部であり、これは光線が最小の干渉で直接入射し、光受容体細胞の密度が最も高い場所である。小窩１４では、光受容体の錐体が、網膜４の他の場所よりも長く、薄く、より高密度に密集している。これによって、小窩１４が網膜４において最も高い視力を確実に有する。光受容体細胞は、光エネルギーを、視神経に送られる神経インパルスに変換する。
【００４５】
図２において概略的断面図に示すように、網膜４は、網膜中心窩１３で放射状に配された様々な層の積層体で構成される。網膜神経節細胞（ＲＧＣ）の層である外層２０は、光が目の内部で拡散するのを阻止する。光受容体（ＰＲ）の層である内層２１は、特殊化神経受容体細胞２２で形成され、光を検出する桿体及び錐体、並びに視覚情報を処理して脳に伝達するニューロンを備える。内層２２は、小窩１４によって直接アクセスできる。中間層２３又は内顆粒層（ＩＮＬ）は、双極細胞などの接続細胞を含む。
【００４６】
図３ａ〜３ｃに図示するような共通の概念に基づいて、光電子要素からなる光電子デバイスを使用する人工網膜にはいくつかの種類がある。この概念は、ｐ型ドープ窒化ガリウムＧａＮの基板３１におけるＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ（窒化インジウムガリウム／窒化ヒ素ガリウム）又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ（窒化インジウムガリウム／窒化アルミニウムガリウム）のための複数の量子ウェルを備えた内因性の活性ＧａＮ層３０において１以上のエピタキシーを実行することに基づいている。本質的な材料は、ドープされていない及び／又は不純物のない半導体的材料である。エピタキシーは、結晶のメッシュ状態及び配向に関して同じ材料で一般的に行われる、材料の結晶成長である。各活性ＧａＮ層３０の上部では、ｎ型ドープＧａＮ窒化ガリウム層３２の層がエピタキシーを実現するように実施される。
【００４７】
プロセスがｐ−ＧａＮ基板３１の後面３３に適用され、ｐ−ＧａＮ基板３１は所望の高さまで薄化及び研磨され、結果としてｐ−ＧａＮカラム３４を生成する。ｐ−ＧａＮカラム３３は、例えば、塩化物誘導結合プラズマＩＣＰによるｐ−ＧａＮ基板層３１の選択的エッチングによって得られる。
【００４８】
ｐ−ＧａＮカラム３４は、網膜の細胞を刺激するのに十分長くなくてはならない。ｐ−ＧａＮカラム３４の高さと横測定値（幅又は直径）との割合は、カラムが破損するのを防止するように好ましくは２０未満とすべきである。ｐ−ＧａＮカラム３４は、網膜の異なる層を刺激するために、異なる高さとなり得る。異なる高さは、例えば、後面から開始することによるｐ−ＧａＮ基板３１の選択的エッチングを通じて実現される。ｐ−ＧａＮカラム３４は、平行な縁部を有する桿体（図３ａ）、角錐台（図３ｂ）又は幅広ベース上部の薄い桿体（図３ｃ）の形状となり得る。この説明の後半では、図３ｃに示すように、幅広ベース上部の薄い桿体について検討する。
【００４９】
複数の量子ウェルからなる同様の構造体を有するいくつかの光電子要素は、いくつかの波長（青色、緑色、黄色）を増幅又は検出するために、選択領域成長（ＳＡＧ）技術を用いて作り出され得る。同じマトリックスに見られる種々の光電子要素は、注入ＧａＮ又は半絶縁性ＧａＮの領域によって電気的に隔離されるので、光電子要素は相互に分離され、マトリックスは透明を維持する。
【００５０】
図４は、光電子デバイスの実施形態の概略的表示を示し、少なくとも１つのＧａＮベース垂直フォトダイオードで構成され、網膜下人工器官に使用することを目的としている。
【００５１】
複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する吸収活性ＧａＮ層４０は、ｐ型ドープ窒化ガリウムＧａＮの基板４１におけるエピタキシーによって作製される。ｎ型ドープ窒化ガリウムＧａＮ層４２は、吸収性ＧａＮ層４０の上部にある。ｐ−ＧａＮカラム４３は、ｐ−ＧａＮ基板４１を薄化及び研磨することによって所望の高さで得られる。ｐ−ＧａＮカラム４３は、誘電性又は半絶縁性材料の分離層４４で被覆される。さらに、分離層４４を構成する材料は、炭素、ダイヤモンド、二酸化チタン、共通誘電性材料（シリカ、窒化シリコンなど）又は半絶縁性ＧａＮ材料などの良好なレベルの生体適合性を与えなくてはならない。分離は半絶縁性ＧａＮ４５を注入することによって実現され、マトリックスにおいて光電子要素を独立的に二極化させるために、光電子要素を相互に隔離する。
【００５２】
金属コンタクト４６は、ｎ型ドープ窒化ガリウムＧａＮ層４２の前面に配置される。ｎ−ＧａＮ層４２の前面の金属コンタクト４６は、人工網膜を二極化させる。他の金属コンタクト４７が、刺激される網膜の領域４８に対応するｐ−ＧａＮカラム４３の端部に配置される。金属コンタクト４６及び４７は、それらの間に電圧を確立する電気化学的発電機４９（電池又はアキュムレータ）によって接続される。光Ｌはｐ−ＧａＮカラム４３を通過して吸収活性ＧａＮ層４０に到達しなくてはならないので、金属コンタクト４７はｐ−ＧａＮカラム４３の上面全体を被覆してはならない。光電流が出現し、それは網膜の種々の層を刺激する。
【００５３】
図５に概略的に示す実施形態は、網膜上人工器官に使用するために設計された少なくとも１つのＧａＮベース垂直フォトダイオードからなる光電子デバイスを示す。
【００５４】
複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する吸収活性ＧａＮ層５０は、ｐ型ドープ窒化ガリウムＧａＮの基板５１におけるエピタキシーによって作製される。ｎ型ドープ窒化ガリウムＧａＮの層５２は、吸収性ＧａＮ層５０の上部にある。ｐ−ＧａＮカラム５３は、ｐ−ＧａＮ基板５１を薄化及び研磨することによって所望の高さで得られる。ｐ−ＧａＮカラム５３は、誘電性又は半絶縁性材料の分離層５４で被覆される。分離は、半絶縁性ＧａＮ５５を注入することによって実現される。マトリックスにおける各フォトダイオードは、このように医学的要求に応じてその隣接するものから独立的に二極化され得る。金属コンタクト５６はｎ−ＧａＮ層５２の前面に配置され、他の金属コンタクト５７は刺激される網膜の領域５８に対応するｐ−ＧａＮカラム５３の端部に配置される。光ＬはｎＧａＮカラム５２を通過して吸収活性ＧａＮ層５０に到達しなくてはならないので、金属コンタクト５６はｎ−ＧａＮカラム５２の前面全体を被覆してはならない。光電流が出現し、それは網膜の種々の層を刺激する。ただし、金属コンタクト５７は、誘導光電流が網膜の様々な層を刺激するのに十分であるため、ｐＧａＮカラム５３の端部では表面全体を被覆し得る。実際に、光受容体細胞がない網膜上領域の外部に光を伝送する必要はない。
【００５５】
これらフォトダイオードのように半導体に基づいて、何百万個でなければ何千個の光電子要素を含むマトリックスと網膜を交換することによって、光を電気信号に変換することが可能となり、電気信号はその後、まだ機能している視覚繊維に伝達される。
【００５６】
ここで、垂直キャビティを有する少なくとも１つのＧａＮベース半導体光増幅器で構成され、網膜下人工器官で使用することを目的とする光電子デバイスの実施形態の概略図を示す図６を検討する。
【００５７】
光増幅器は、光信号を事前に電気信号に変換する必要がなく、光信号を直接増幅する装置であることを述べた。光増幅器は、光キャビティを有さず又はキャビティから生成される反作用がない点で、レーザとは異なる。半導体光増幅器ＳＯＡは、半導体材料を使用して利得媒体を提供する光増幅器である。これらの半導体光増幅器ＳＯＡは、その端面に反射防止部を含み、それによってゲインを上回るキャビティからのエネルギー損失をもたらすので、光増幅器がレーザのように動作するのを防止する。
【００５８】
複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する活性ＧａＮ層６０の増幅は、ｐ型ドープ窒化ガリウムＧａＮの基板６１におけるエピタキシーによってなされる。ｎ型ドープ窒化ガリウムＧａＮの層６２は、増幅ＧａＮ層６０の上部にある。２つの分布ブラッグ反射器ＤＢＲ６３は、増幅ＧａＮ層６０のいずれかの側に配置される。
【００５９】
ｐ−ＧａＮ基板６１を薄化及び研磨することによって、ｐ−ＧａＮカラム６４が所望の高さで得られる。ｐ−ＧａＮカラム６４は、誘電性又は半絶縁性材料の分離層６５によって被覆される。
【００６０】
金属コンタクト６６はｎ−ＧａＮ層６２の前面に配置され、他の金属コンタクト６７は、刺激される網膜の領域６８に対応するｐ−ＧａＮカラム６４の端部に配置される。一方では、入射光Ｌはｐ−ＧａＮ基板６１を貫通して増幅ＧａＮ層６０に到達可能でなくてはならず、他方では、増幅光ＡＬは刺激を要求する領域６８に到達可能でなくてはならず、金属コンタクト６７はｐ−ＧａＮカラム６４の端部で表面全体を被覆してはならない。
【００６１】
分布ブラッグ反射器ＤＢＲ６３は、青色光が増幅される光キャビティを画定する。すべての青色光は、ｎ−ＧａＮ層６２の前面を被覆する金属コンタクト６６によって作り出されるミラーで反射する。
【００６２】
オプトジェネティック動作を実行した後、網膜細胞は増幅青色光ＡＬによって選択的に刺激される。反射防止コーティング６９は、寄生反射を防止し光伝送の品質を向上させるために、ｐ−ＧａＮカラム６４の上端部に必要である。
【００６３】
図７は、垂直キャビティを有する少なくとも１つのＧａＮベース半導体光増幅器で構成され、網膜上人工器官で使用する目的の光電子デバイスの実施形態の概略図を示す。
【００６４】
複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する増幅活性ＧａＮ層７０は、ｐ型ドープ窒化ガリウムＧａＮの基板７１におけるエピタキシーによって作製される。ｎ型ドープ窒化ガリウムＧａＮの層７２は、増幅ＧａＮ層７０の上部にある。２つの分布ブラッグ反射器ＤＢＲ７３は、増幅ＧａＮ層７０のいずれかの側に配置される。
【００６５】
ｐ−ＧａＮの基板７１を薄化及び研磨することによって、所望の高さのｐ−ＧａＮのカラム７４が生成される。ｐ−ＧａＮ層７４は、誘電性又は半絶縁性材料の絶縁層７５で被覆される。
【００６６】
金属コンタクト７６はｎ−ＧａＮ層７２の前面に配置され、他の金属コンタクト７７は、刺激される網膜の領域７８に対応するｐ−ＧａＮカラム７４の端部に配置される。入射青色光Ｌはｎ−ＧａＮ層７２を横断してＧａＮ増幅層７０に到達しなくてはならないので、金属コンタクト７６はｎ−ＧａＮ層７２の前面の表面全体を被覆してはならない。青色光ＬＡが増幅されると、それはｐ−ＧａＮのカラム７４を離れて網膜の隣接層７８を刺激しなくてはならず、そこでオプトジェネティック治療が有効化され、したがって、金属コンタクト７７はｐ−ＧａＮのカラム７４の端部の表面全体を被覆してはならない。
【００６７】
青色光は、ＧａＮ増幅層７０のいずれかの側に位置決めされた２つの分布ブラッグ反射器ＤＢＲ７３によって画定される光キャビティにおいて増幅される。オプトジェネティック動作の後、網膜細胞は増幅青色光ＬＡによって選択的に刺激される。反射防止コーティング７９は、ｐ−ＧａＮカラム７４の上端部に要求されて、寄生反射を防止し、光伝送の品質を向上させる。
【００６８】
網膜下人工器官を対象とする光電子デバイスを、網膜上人工器官を対象とする光電子デバイスと組み合わせることは、それらが同じ動作モードを有するか否かに関わらず、有利となり得る。例えば、特にオプトジェネティック療法が、錐体などの光受容性細胞よりも神経節細胞の層付近の細胞でより効果的であると判明した場合には、光増幅器を含む網膜下人工器官はフォトダイオードを含む網膜上人工器官と組み合わされることが可能である。あるいは逆に、光増幅器を含む網膜上人工器官は、フォトダイオードを含む網膜下人工器官と組み合わされてもよい。また、単一の網膜上又は網膜下人工器官において、フォトダイオード及び光増幅器を組み合わせることも可能である。これは、ビア（金属化ホール）の使用によって、光電子要素の直接的及び間接的分極を生成するように実現され得る。
【００６９】
図８に概略的に示す実施形態では、組み合わせられた少なくとも１つのＧａＮベースフォトダイオード及び少なくとも１つの垂直キャビティＧａＮベース半導体光増幅器を含む光電子デバイスは、網膜下人工器官に使用することを目的とする。
【００７０】
フォトダイオード８０は、図４のものと類似しており、ｐ−ＧａＮ基板８２に堆積され、ｐ−ＧａＮのカラム８４を形成するように切断されたｎ−ＧａＮ層８３に載置された複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する活性吸収ＧａＮ層８１を含む。金属コンタクト８５はｎ−ＧａＮ層８３に堆積され、他の金属コンタクト８６は、刺激される網膜の領域８７に対応するｐ−ＧａＮカラム８４の上端部を部分的に被覆する。
【００７１】
垂直キャビティ半導体光増幅器１００は、ｐ−ＧａＮ基板１０２に堆積され、ｐ−ＧａＮのカラム１０４を形成するように切断されたｎ−ＧａＮ層１０３に載置された複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有するＧａＮ増幅層１０１を含む。２つの分布ブラッグ反射器ＤＢＲ１０５は、ＧａＮ増幅層１０１のいずれかの側に配置される。金属コンタクト１０６はｎ−ＧａＮ層１０３に堆積され、他の金属コンタクト１０７は、刺激される網膜の領域１０８に対応するｐ−ＧａＮカラム１０２の上端部を部分的に被覆する。
【００７２】
フォトダイオードの複数の量子ウェル構造及び垂直キャビティ半導体増幅器の複数の量子ウェル構造は、バットジョイントエピタキシーを使用することによって、分布ブラッグ反射器と適合され得る。
【００７３】
ここで、組み合わされた少なくとも１つのＧａＮベースフォトダイオード及び少なくとも１つの垂直キャビティＧａＮベース半導体光増幅器を含み、網膜上人工器官に使用する目的の光電子デバイスの実施形態を概略的に示す図９を検討する。
【００７４】
フォトダイオード９０は、図５のものと類似しており、ｐ−ＧａＮ基板９２に堆積され、ｐ−ＧａＮのカラム９４を形成するように切断されたｎ−ＧａＮ層９３に載置された複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する活性吸収ＧａＮ層９１を含む。金属コンタクト９５はｎ−ＧａＮ層９３に堆積され、他の金属コンタクト９６は、刺激される網膜の領域９７に対応するｐ−ＧａＮカラム９４の上端部を部分的に被覆する。
【００７５】
垂直キャビティ半導体光増幅器１１０は、ｐ−ＧａＮ基板１１２に堆積され、ｐ−ＧａＮのカラム１１４を形成するように切断されたｎ−ＧａＮ層１１３に載置された複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有するＧａＮ増幅層１１１を含む。２つの分布ブラッグ反射器ＤＢＲ１１５は、ＧａＮ増幅層１１１のいずれかの側に配置される。金属コンタクト１１６はｎ−ＧａＮ層１１３に堆積され、他の金属コンタクト１１７は、刺激される網膜の領域１１８に対応するｐ−ＧａＮカラム１１２の上端部を部分的に被覆する。
【００７６】
したがって、図１０に示すように、マトリックスにおいて何千個又は何百万個もの光電子要素を含む光電子デバイスからなる人工器官によって、網膜を交換することが可能となる。
【００７７】
重要なパラメータは、マトリックスにおける２つの光電子要素間の距離である。内顆粒層ＩＮＬ又は神経節細胞層ＧＣＬにおける活性細胞が正常に機能するには、光電子要素間に十分な自由空間がなくてはならない。特に有機組織が個々の光電子要素間に導入され得るのは、興味深いものとなり得る。しかし、患者の良好な画像精細度を可能とするには、十分な数の光電子要素（フォトダイオード又は光増幅器）もなくてはならない。
【００７８】
小窩は、約０．３５ｍｍの直径を有する。２つの隣接するデバイス間の間隔Ｅは以下の関係： 
Ｅ２（μｍ）＝π（３５０／２）２×１／ｎ
によって与えられ、ここでｎはマトリックスにおける光電子要素の数である。
【００７９】
２０００個の光電子要素を有するマトリックスの場合には、間隔Ｄは約４８μｍである。網膜の厚みが通常０．５ｍｍ未満であることを考慮すると、ｐ−ＧａＮカラムの高さＨは４８０μｍ未満でなくてはならない。ｐ−ＧａＮカラムが約２４μｍの横寸法Ｄ（幅又は直径）を有する光電子要素を含む光電子デバイスでは、例えば、金属コンタクト及び電気接続を可能とするのに利用可能な２４μｍが残る。
【００８０】
図１１は、ＧａＮフォトダイオード及び半導体光増幅器ＳＯＡ用途のための、水平ＧａＮキャビティのファセットを概略的に示す。ファセットは、角度αで傾斜している。全光学指数ｎ１のＭＱＷベースの光導波路ＯＧのガイド層及び全光学指数ｎ２の閉込め層で全反射するには、角度θは、ブルースター角θＢｒｅｗｓｔｅｒより大きく、以下の不等式によって定義されなくてはならない。
ｎ１＞ｎ２
θ＞θＢｒｅｗｓｔｅｒ
α＞θＢｒｅｗｓｔｅｒ
β＜π／２−θＢｒｅｗｓｔｅｒ
θＢｒｅｗｓｔｅｒ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）
【００８１】
図１２ａ及び１２ｂは、少なくとも１つのＧａＮベースの水平フォトダイオードを含む網膜下人工器官に使用する目的の、光電子デバイスの実施形態を概略的に示す。図１２ａは図の平面で光が伝搬されるデバイスの側面図であり、図１２ｂは、図１２ａに対して垂直なデバイスの他の側面図である。
【００８２】
複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する活性吸収ＧａＮ増幅層１２０は、ｐ−ドープ窒化ガリウムＧａＮ基板１２１におけるエピタキシーによって作製される。ｎ−ドープ窒化ガリウムＧａＮの層１２２は、ＧａＮ吸収層１２０の上に堆積される。誘導結合プラズマＩＣＰを使用するｐ−ＧａＮ基板１２１の選択的エッチングによって、ｐ−ＧａＮのカラム１２３は、網膜細胞の刺激を可能とする十分な所望の高さまで形成される。ｐ−ＧａＮ層１２３は、誘電性又は半絶縁性材料の絶縁層１２４で被覆される。さらに、絶縁層１２４を構成する材料は、炭素、ダイヤモンド、二酸化チタン、共通誘電性材料（シリカ、窒化シリコンなど）又は半絶縁性材料ＧａＮなどの良好な生体適合性を有さなくてはならない。この絶縁性は、光電子要素を相互に隔離するように半絶縁性ＧａＮ１２５を注入することによって実現されて、マトリックスにおける光電子要素のそれぞれが独立的に二極化されることを可能とする。
【００８３】
ｎ−ドープ窒化ガリウムＧａＮ層１２２の前面には、金属層１２６が堆積される。ｎ−ＧａＮ層１２２の前面の金属コンタクト１２６によって、人工網膜は二極化され得る。他の金属コンタクト１２７は、刺激される網膜の領域１２８に対応するｐ−ＧａＮカラム１２３の上端部に配置される。金属コンタクト１２６及び１２７は、それらの間に電圧を印加する電気化学的発電機１２９（一次又は充電式電池）によって接続される。光Ｌはｐ−ＧａＮカラム１２３を横断して吸収ＧａＮ増幅層１２０に到達しなくてはならないので、金属コンタクト１２７はｐ−ＧａＮカラム１２３の前面の表面全体を被覆してはならない。光電流が出現し、それは網膜の種々の層を刺激する。
【００８４】
図１３ａ及び１３ｂに示す実施形態では、網膜上人工器官に使用する目的の少なくとも１つのＧａＮベース水平フォトダイオードを含む光電子デバイスを示す。図１３ａは図の平面で光が伝搬されるデバイスの側面図であり、図１３ｂは図１３ａに対して垂直なデバイスの他の側面図である。
【００８５】
複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する活性吸収ＧａＮ増幅層１３０は、ｐ−ドープ窒化ガリウムＧａＮ基板１３１におけるエピタキシーによって作製される。ｎ−ドープ窒化ガリウムＧａＮの層１３２は、ＧａＮ吸収層１３０の上に堆積される。ｐ−ＧａＮ基板１３１から、所望の高さのｐ−ＧａＮのカラム１３３が生成される。ｐ−ＧａＮ層１３３は、誘電性又は半絶縁性材料の絶縁層１３４で被覆される。この絶縁性は、半絶縁性ＧａＮ１３５を注入することによって実現される。したがって、マトリックスにおける各フォトダイオードは、医学的要求に応じてその隣接するものから独立的に二極化され得る。金属コンタクト１３６はｎ−ＧａＮ層１３２の前面に配置され、他の金属コンタクト１３７は、刺激される網膜の領域１３８に対応するｐ−ＧａＮカラム１３３の端部に配置される。
【００８６】
光は、光導波路ＯＧのはす縁部を通じて進入しなくてはならない。角度αで傾いたはす縁部は、デバイスの外部とガイド層との間に良好な光伝送を保証するように堆積されたＴｉＯ２及びＳｉＯ２ベースの反射防止コーティングを有する。光電子電流が出現して、網膜の種々の層を刺激する。
【００８７】
図１４ａ及び１４ｂは、網膜下人工器官に使用する目的の、少なくとも１つの水平キャビティＧａＮベース半導体光増幅器を含む光電子デバイスの実施形態を概略的に示す。図１４ａは図の平面で光が伝搬されるデバイスの側面図であり、図１４ｂは図１４ａに対して垂直なデバイスの他の側面図である。
【００８８】
複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する活性ＧａＮ増幅層１４０は、ｐ−ドープ窒化ガリウムＧａＮ基板１４１におけるエピタキシーによって作製される。ｎ−ドープ窒化ガリウムＧａＮの層１４２は、ＧａＮ増幅層１４０の上に堆積される。ｐ−ＧａＮ層１４１は、誘電性又は半絶縁性材料の絶縁層１４３で被覆される。
【００８９】
金属コンタクト１４４はｎ−ＧａＮ層１４２の前面に配置され、他の金属コンタクト１４５は、刺激される網膜の領域１４６に対応するｐ−ＧａＮ層１４１の端部に配置される。入射光Ｌの一部はｐ−ＧａＮ基板１４１を横断してＧａＮ増幅層１４０に到達可能としなくてはならず、増幅光ＬＡの他の部分は刺激される領域１４６に到達可能としなくてはならないので、金属コンタクト１４５はｐ−ＧａＮ層１４１の端部の表面全体を被覆してはならない。オプトジェネティック動作の後、網膜細胞は、増幅青色光ＬＡによって選択的に刺激される。
【００９０】
図１５ａ及び１５ｂは、網膜上人工器官に使用する目的の、少なくとも１つの水平キャビティＧａＮベース半導体光増幅器を含む光電子デバイスの実施形態を概略的に示す。図１５ａは図の平面で光が伝搬されるデバイスの側面図であり、図１５ｂは図１５ａに対して垂直なデバイスの他の側面図である。
【００９１】
複数のＩｎＧａＮ／ＧａＡｓＮ又はＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ量子ウェルを有する活性ＧａＮ増幅層１５０は、ｐ−ドープ窒化ガリウムＧａＮ基板１５１におけるエピタキシーによって作製される。ｎ−ドープ窒化ガリウムＧａＮの層１５２は、ＧａＮ増幅層１５０の上に堆積される。ｐ−ＧａＮ層１５１は、誘電性又は半絶縁性材料の絶縁層１５３で被覆される。
【００９２】
金属コンタクト１５４はｎ−ＧａＮ層１５２の前面に配置され、他の金属コンタクト１５５は、刺激される網膜の領域１５６に対応するｐ−ＧａＮ層１５１の端部に配置される。入射青色光Ｌは、ＧａＮ増幅層１５０に到達しなくてはならず、青色光ＬＡが増幅されると、それは網膜近くの層を刺激する。オプトジェネティック動作の後、網膜細胞は、増幅青色光ＬＡによって選択的に刺激される。
【００９３】
図１６ａ及び１６ｂは、網膜上人工器官に使用する目的の、水平キャビティＧａＮに基づく少なくとも１つの半導体光増幅器を含む光電子デバイスの他の実施形態を概略的に示す。図１６ａは図の平面で光が伝搬されるデバイスの側面図であり、図１６ｂは図１６ａに対して垂直なデバイスの他の側面図である。
【００９４】
他のこの形態では、ｐ−ドープ窒化ガリウムＧａＮ基板１６０は、光Ｌが通過できるようにエッチングされる。はす縁部を作り出すことはまた、まず基板、そして半導体光増幅器ＳＯＡの縁部をエッチングするのに有用である。青色光ＬＡは、２つのはす縁部によって画定される光キャビティにおいて増幅される。オプトジェネティック処置の後、網膜細胞は、この増幅青色光ＬＡによって選択的に刺激される。一方のはす縁部１６１は、増幅されるという信号の入力部である。その他方１６２は、増幅青色光ＬＡの出力部である。はす縁部は、ブルースター角の限度を下回る角度αで傾いている。ＴｉＯ２及びＳｉＯ２の層に基づく反射防止コーティングは、デバイスの外部とガイド層との間の良好な光伝送を保証するように堆積された。
【００９５】
網膜下人工器官を、同じ又は異なる動作モードを有する網膜上人工器官と組み合わせることは、興味深いものとなり得る。光電子要素の直接的及び間接的分極を引き起こすように、金属化ホール又はビアの使用によって単一の人工網膜に網膜下及び網膜上の２つの動作モードを組み合わせることも可能である。バットジョイントエピタキシーを使用することによって、フォトダイオードのマルチ量子ウェル及び半導体光増幅器ＳＯＡの水平キャビティのマルチ量子ウェルの構造を適合することが可能である。
【００９６】
当然のことながら、この発明は、説明した実施形態に限定されず、発明の趣旨から逸脱することなく当業者にとって利用可能な多くの変形に開放される。特に、活性層の組成は、ＧａＮに対して調和され、可視領域において活性な、すなわち青色−緑色−黄色のゾーンの光ルミネッセンスピークを有する任意のＩＩＩ−Ｖ族半導体に対して変更され得る。
【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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