(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル又は他のエレメントに投射すべき光を放射するように配列され且つ前記サンプル又は他のエレメントから受光した光に反応する単一の基板から成り、前記サンプル又は他のエレメントから受光した光に依存して変化する特性を監視する手段と、前記基板の一部として一体であって高低交互の複数の屈折率材料層を有して光が放射される反射器から成っていて第１の波長範囲の光を放射する共振空胴光放射エレメントと、前記反射器に組み込まれるか組み合わせられた吸収層とを更に備え、前記吸収層は、前記第１の波長範囲の光を吸収することなく前記第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲の光を吸収する帯域ギャップ材料から実現される半導体放射・検出光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記サンプル又は他のエレメントから受光した光は、電気的性質に影響を与えると共に電流−電圧特性を改変し、前記監視手段が前記電流−電圧特性を監視するようになっている半導体放射・検出光学装置。
【請求項３】
請求項１に記載の半導体放射・検出光学装置であって、光放射エレメントと光検出エレメントとから成り、前記２つのエレメントは、共に、前記基板に一体化されている半導体放射・検出光学装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記光放射エレメント及び／又は前記光検出エレメントは、LED又はレーザのいずれかの形態の共振空洞エレメントから成っている半導体放射・検出光学装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記光検出エレメントは、前記光放射エレメントから放射される光とは異なる波長の光を検出するようになっている半導体放射・検出光学装置。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記光検出エレメントは、前記異なった波長の光に優先的に反応するようにし、また前記光放射エレメントが放射する波長の光に相対的に反応しない半導体放射・検出光学装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記光検出エレメントは、受光面又はその付近に波長選択フィルタ層を備えている半導体放射・検出光学装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記光検出エレメントは、共振空胴から成っており、前記フィルタ層は、前記光検出エレメントの上方反射器に設けられている半導体放射・検出光学装置。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記半導体基板は、上下の反射器の間に設けられた前記共振空胴から成り、前記上方反射器がある領域は、前記光放射エレメントを形成するように除かれ、前記基板の他の領域は、前記光検出エレメントを形成し、且つ前記上方反射器に前記フィルタ層を含む半導体放射・検出光学装置。
【請求項１０】
請求項３乃至９のいずれかに記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記前記光検出エレメントは、逆バイアスをかけるように配置されたダイオードから成り、前記ダイオードは、使用時に、なだれ的な光検出が生ずるように破壊点付近に配置される半導体放射・検出光学装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の半導体放射・検出光学装置であって、共振空胴光放射器を備え、前記共振空胴光放射器は、その光放射面上に配置されて結合空胴システムを形成する二次光共振器を有し、前記二次光共振器は、サンプル用の室又は流動ダクトを含む半導体放射・検出光学装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記吸収層は、前記基板のドーピング処理されていない半導体領域に配置されている半導体放射・検出光学装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記吸収層は、光が放射される前記反射器を形成する高低交互の屈折率材料の２つの群の間に配置されている半導体放射・検出光学装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記共通の基板に一体化された光放射・検出器群から成り、前記光放射・検出器群は、相互に独立して動作するように配置され、前記監視手段は、各光放射・検出器毎に他の光放射・検出器とは独立してその特性を監視するように配置されている半導体放射・検出光学装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記光放射・検出器は、直線的に配列されている半導体放射・検出光学装置。
【請求項１６】
請求項１４に記載の半導体放射・検出光学装置であって、前記前記光放射・検出器は、二次元的に配列されている半導体放射・検出光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光学装置に関し、特に、生物化学又は生物医学の分析の分野に用いられるがそれに限定されない半導体光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生物学的サンプルを分析するために光学技術を用いることは、特に、分子レベルでの分析の可能性から重要性が増している。今までに種々の光学システムが提案されており、これらのシステムは、サンプル、典型的には、群をなして連続するサンプルに光を向けるレーザ又は他の光放射器と、個々のサンプルから光を検出する別個の光検出器とを一般に使用している。典型的には、サンプルは、蛍光染料がマーキングされていて、入射光が各サンプルを刺激し、異なった波長の光を放射せしめ、この光は、光検出器によって検出される。今まで、このシステムは、研究所用として大型で複雑な構造を有していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
我々は、例えば、分析ンシステムを一体化し、その結果多数の利点をもたらすことができるが、他の用途にも潜在的に使用することができる光放射と光検出とを共に行うことができる半導体光学装置を工夫しており、これらの装置は、簡単で小型の構造を有し、種々の分野で使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの面から見ると、本発明によれば、サンプル又は他のエレメントに投射すべき光を放射するように配列され且つ前記サンプル又は他のエレメントから受光した光に反応する単一の基板から成り、前記サンプル又は他のエレメントから受光した光に依存して変化する特性を監視する手段と、前記基板の一部として一体であって高低交互の複数の屈折率材料層を有して光が放射される反射器から成っていて第１の波長範囲の光を放射する共振空胴光放射エレメントと、前記反射器に組み込まれるか組み合わせられた吸収層とを更に備え、前記吸収層は、前記第１の波長範囲の光を吸収することなく前記第１の波長範囲とは異なる第２の波長範囲の光を吸収する帯域ギャップ材料から実現される半導体放射・検出光学装置が提供される。
【０００５】
この装置は、基板に一体に設けられて受光した光に反応しそれに基く電気的出力信号を発生する光検出器を含んでいる。この光検出器は、例えば、装置が放射しサンプル又は他のエレメントから反射する光と同じ波長の受光に反応してもよいし、異なる波長の受光、例えば、装置によって放射される光による刺激に応答してサンプルによって放射される光で反応してもよい。このような刺激された光の放射は、蛍光によって行われてもよい。
【０００６】
それに代えて、この装置は、サンプル又は他のエレメントから受光した光が装置の電気的性質に影響を与えると共に電流−電圧又はインピーダンス特性を換えるようにしてもよい。この場合、監視手段は、受光（特にその強度）に基いて変化する装置の電流−電圧特性を監視するために設けられる。
【０００７】
この装置は、共通の基板上に一体化した光放射器・光検出器の群から成っていてもよく、これらの光放射器・光検出器は、相互に独立して動作し、監視手段は、各光放射器・光検出器毎に、他の光放射器・光検出器とは独立して関連する装置の特性を監視するように配置されている。この装置は、複数のサンプルの分析試験を各サンプル毎に光放射器を設けて行うのに用いられる。この装置は、相応する光放射器群から光を放射する表面領域群を有してサンプルがその表面の上方の同様に相応する群に位置決めされるようにする表面放射器から成っているのが好ましい。例えば、第２の基板が装置の表面の上方に配置され、この第２の基板には、個々のサンプルを受け入れるへこみ、室又は流れダクトが形成されている。この第２の基板は、装置と一体化してもよいし、別個の部品としてもよい。多数の光放射器・光検出器が二次元的に配置されていてもよいし、直線的に配列されていてもよい。
【０００８】
この装置に用いられる共振空胴光放射エレメントは、例えば、共振空胴ＬＥＤ又はレーザから成っているのが好ましく、例えば、垂直―空胴表面放射レーザ（又はVCSEL）から成っているのが好ましい。
【０００９】
装置の光放射面の上方には結合空胴システムを形成する二次光学空胴が配置されていてもよく、この二次空胴は、サンプル用の室間又流れダクトを含んでいる。
【００１０】
共振空胴装置の場合には、光出力が放射される反射器は、高低交互の複数の屈折率材料層から成り、この吸収層は、この反射器に組み込まれるか組み合わせられる。この吸収層は、光学装置から放射される光とは異なる（典型的にはそれよりも長い）波長の光を吸収する働きを有する。光を吸収する場合、吸収層に正孔対が発生して装置の電流−電圧特性を改変する。その位置は、共振空胴内の光学定在波の節であるので、吸収層は、装置によって放射される光に影響を与えることがない。
【００１１】
正孔対は、光が吸収層に吸収された時に、この吸収層に生成される。これらの電子及びホールが除去されて電流の流れに有効に働くように、電界が吸収層を横切って存在することが必要であることが解った。この条件を確実にするために、吸収層は、装置のドーピングしていない半導体領域に位置させるのが好ましい。そうすると、装置のＰＮ結合が吸収層を横切って所望の電界を生成する。この吸収層は、装置の光出力が放射される反射器を形成する高低交互の屈折率材料の２つの群の間にあるドーピングしていない半導体層又は領域に位置させる。
【００１２】
この装置は、典型的には、二端子垂直一体型装置であり、その監視手段は、装置の電流―電圧特性を監視するように配列されている。例えば、定電圧源が装置に接続され、監視手段は、電流を監視するように配列されている。それに代えて、装置は、定電流源から給電され、監視手段が装置間の電圧を監視してもよい。
【００１３】
監視手段は、一部が装置の半導体基板に一体化した回路から成っている。
【００１４】
この半導体基板は、上下の反射器の間の中央に配置された光放射層から成っていて放射光の波長で共振する共振空胴を形成する。それに代えて、空胴は、検出される光の波長、即ち放射光の波長とは異なる波長で共振してもよく、この場合、検出される光を吸収する層は、上下の反射器の間の中央に配置され、光放射層は、上及び／又は下の反射器に接近して配置される。
【００１５】
本発明による装置は、共に単一の基板に一体化された光放射エレメントと光検出エレメントとから成っている。光放射器及び／又は光検出器は、ＬＥＤ又はレーザのいずれかの形態の共振空胴から成っている。光検出器は、光放射器から放射される光とは異なる波長（長い波長）の光を検出するようになっている。この場合、好ましくは、光検出器は、反射されるか飛散して光検出器に戻ってきた放射光に相対的に感応しないように、前者の波長の光に優先的に反応するようにしている。例えば、光検出エレメントは、表面又はその付近にフィルタ層を備え、このフィルタ層は、検出された波長の光を通すが、放射された波長の光を遮断する。このフィルタ層は、光検出器の上方の反射器に設けられている。
【００１６】
本発明による装置の１つの実施例では、半導体基板は、上下の反射器の間に共振空胴が形成されているが、上方の反射器がある領域は、光放射器を形成するために除去されており、基板の他の領域は、光検出器を形成し、この上方の反射器には反射された放射光を除去するフィルタ層を含んでいる。
【００１７】
好ましくは、光検出器にかけられた逆バイアスは、ダイオードをその破壊点付近に位置させている。従って、使用時には、なだれ的な光検出が生ずるので、検出信号を相当に増加する。
【００１８】
本発明による装置は、少なくとも１対の光放射器・光検出器から成り、一方の対は、放射光をサンプル又は他のエレメントに向け、このサンプル又は他のエレメントから反射された又は戻りの光を受け取り、他方の対の光放射器・光検出器は、基準として作用する。２つの放射器・検出器の検出出力信号は、次いで、これらの信号のノイズ成分を打ち消すように一体に組み合わせられる。
【００１９】
理解されることと思うが、本発明による上記の装置は、小型化して量産することができ、安価でしかも信頼性を有する量産品を提供することができる。更に、サンプルは、装置の光放射領域と受光領域との両方に接近して配置されるので、高い検出効率を得ることができる。同じ装置上の放射器・検出器の群によって独立した試験を行うことができることは特に有利である。
【００２０】
本発明の第２の面から見ると、本発明によれば、生物学的サンプルを分析し又は試験する装置であって、サンプルに光を向ける単一の光放射器とこのサンプルから光を受ける単一の光検出器とから成る装置が提供される。
【００２１】
従って、この装置は、単一のサンプル（又は１回に１つのサンプル）に使用する単一チャンネル装置である。この装置は、非常に小さな寸法で安価に構成することができるので、この分野で容易に使用することができ、実際上、単一の使用や使い捨て装置とすることができる。
【００２２】
光放射器と光検出器とは、並べて搭載され、生物学的なサンプルがその上方に位置するように配列される。この装置は、サンプル用の保持基板を備え、この保持基板は、光放射器及び光検出器の上方に恒久的に又は取り外し自在に位置決めされる。
【００２３】
好ましくは、光放射器は、ある波長で光放射ピークを有し、また光検出器は、異なる波長で光吸収ピークを有する。特に、この装置は、放射器から放射された光によって刺激されるサンプルからの蛍光の放射を検出するようになっている。
【００２４】
光放射器は、垂直空胴表面放射レーザ（ＶＣＳＥＬ）又は共振空胴光放射ダイオード（ＲＣＬＥＤ）から成っている。光検出器は、異なった波長（長い波長）で放射ピークを有し光検出器として作用するように、逆バイアスで使用される同一の装置から成っていてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１を参照すると、生物学的サンプルの群を光学的に分析する従来技術のシステムが示され、各サンプルは、蛍光染料がマーキングされている。このシステムは、トレイＴから成り、その上面には、個々のサンプルを受け取る複数のへこみ又は囲いＲの二次元的な群が形成されている。レーザ又は他の光源Ｓは、これらのサンプルに光を向けるように設けられ、その光ビームをサンプル上を連続的に走査する手段が設けられている。光検出器Ｐは、連続するサンプルから蛍光によって放射される光を検出するように設けられ、この光検出器の出力は、処理ユニットに供給される。
【００２６】
図２を参照すると、生物学的なサンプルを分析試験するのに用いられえる垂直空胴型表面放射レーザ（又はＶＣＳＥＬ）の形態の本発明による半導体装置が示されている。この装置は、空胴層１０、１２と中間ゲイン材料層１４とを有する半導体基板と、上下の多層反射器１６，１１８とから成っている。各反射器は、高低の屈折率をそれぞれ有する異なる材料の複数の交互層から成り、各層は、１／４波長の厚みを有する。この装置は、その上下面に電極２０、２２を備え、使用時には、上下の電極２０、２２に電圧が印加され、装置に電流の流れを生じさせる。この電流は、装置を励起して共振空胴内にレーザを生じさせ、このレーザ出力Ｏは、装置の上面から放射される。
【００２７】
本発明によれば、レーザ出力は、装置の上又は上方に位置決めされた生物学的又は生化学的サンプルに向けられる。サンプルには蛍光染料がマーキングされている。レーザ出力Ｏは、サンプルを刺激し、レーザ出力光よりも波長が長い光を放射せしめる。サンプルから放射される光Ｄの一部は、装置に戻って装置の中に入る。
【００２８】
上部反射器１６は、サンプルによって放射される波長の光の吸収層を形成する狭い帯域ギャップ材料の層２４を含む。この吸収層２４は、装置空胴の内部光学的定在波の節に相応する位置に配置されている。光強度の変化は、図３に軌跡Ｗによって示され、節に吸収層２４があるのを示している。従って、吸収層２４は、装置から放射される光を吸収することがなく、レーザ特性に影響を与えることがない。
【００２９】
使用時には、サンプルから装置によって検出される光Ｄは、吸収層２４によって吸収されて正孔対を発生し、従って、この対は、装置の電流−電圧特性を改変する。定電圧源が装置間に接続され、サンプルから受け取った光Ｄの強度に依存して変化する電流を監視する手段が設けられている。それに代えて、装置は、定電流源から電流が供給されていてもよく、この場合は、サンプルから受け取る光Ｄの強度に依存して変化する装置間の電圧を監視する手段が設けられる。
【００３０】
上部反射器１６の構造を更に詳細に述べると、好ましい形態では、この反射器は、高低の屈折率材料の交互層の第１の群と、半導体材料のドーピングされていない層と、高低の屈折率材料の交互層の第２の群とから成り、吸収層２４は、高低屈折率交互層の２つの群の間のドーピングされていない層に配置されている。図４及び図５は、２つの群の高低の屈折率材料の交互層を符号１６ａ、１６ｂで示し、また吸収層を符号２４で示しており、間隔は、装置の光共振器から外側に向けて測定される。軌跡Ｅは、計算された電界を示す。６４５ｎｍの放射光波長に対しては、吸収層２４は、電界の節又は最小値のところにあり、従って装置によって放射される光に影響を与えることがない。６７５ｎｍの戻り光に対しては、最早このような状況ではなく、吸収層２４は、この光を吸収するように作用する。
【００３１】
図６は、上記のようにして作られた装置の放射及び検出のスペクトルを示し、放射光が吸収層によって影響を受けていないが、光の有効検出が８９０ｎｍまでのより長い波長で生じているのを明瞭に示している。
【００３２】
装置の半導体の未ドーピング領域に吸収層を設けることによって、（より長い波長の光を吸収する時に発生する）正孔対が有効に除去されて装置に電流が流れるのに寄与するように、電界が吸収層を横切って存在するのが確保される。このようにして、より長い波長の受光の強度に基いて外部信号が発生する。
【００３３】
図２の装置の変形では、装置は、ＶＣＳＥＬの代わりに、共振空胴ＬＥＤから成っている。
【００３４】
図７及び図８を参照すると、生物学的又は生化学的なサンプルＢの相応する群の分析試験を行うのに使用する垂直空胴型表面放射レーザＬの二次元的な群の形態の半導体装置が示されている。この装置は、空胴層１０、１２と中間ゲイン材料層１４とを有する半導体基板と、上下の多層反射器１６、１８とから成っている。各反射器は、高低の屈折率をそれぞれ有する異なる材料の複数の交互層から成り、各層は、１／４波長の厚みを有する。この装置は、その上面に電極２０の群を備え、下面に共通電極又は接地電極２２が設けられている。使用時には、各上部電極２０と下部電極２２との間に電圧が印加され、装置に個々の電流通路を形成する。各電流通路において、装置が励起されて共振空胴内に局部的なレーザ作用を発生し、そのレーザ出力Ｏは、装置の上面の電極２０間の空間又は窓２０ａを経て放射される。この配列は、レーザの二次元的な群を形成することが理解される。
【００３５】
上部電極２０と上部反射層１６の上方にインターフェース層２６が形成され、サンプル受け基板２８は、インターフェース層２６の上に配置されている。サンプル受け基板２８の上面には、個々のサンプルＢを受け取るへこみ又は囲い２９の二次元的な群が形成されており、これらの囲い２９は、装置の上部電極２０の間の個々の窓２０ａに整列しているので、各サンプル囲い２９毎に、１つの独立したレーザがあることになる。サンプル受け基板２８は、半導体装置に一体でもよいし、それに代えて、図８に示すように、所望に応じて、取り外したり使い捨てたりすることができる別箇の部品であってもよい。
【００３６】
図７の装置の上部反射器１６は、各サンプルから戻る光の吸収層を形成する狭い帯域ギャップ材料の層２４を含んでいる。この吸収層２４は、図２乃至６に関連して述べたと同様の方法で反射器１６内に設けられている。
【００３７】
各レーザから放射される光Ｏは、蛍光染料がマーキングされた相応するサンプルに入射するので、このサンプルを刺激してより長い波長の光を放射せしめる。この光には装置の個々のレーザＬに戻るものがあり、この戻った光は、吸収層２４によって局部的に吸収され、その結果、個々のレーザＬの電流−電圧特性を変えることになる。定電圧源が個々の上部電極２０と接地電極２２とを経て各レーザを横切って接続され、そのレーザを流れる電流を監視する手段が設けられている。それに代えて、各レーザは、定電流源から電流が供給されていてもよく、この場合は、そのレーザ間の電圧を監視する手段が設けられる。
【００３８】
図７に示された実施例の変形においては、各レーザＬは、半導体装置内に一体に設けられて個々のサンプルＢから戻る光を受ける光検出器を備え、吸収層２４は不要である。各レーザの光検出器は、各サンプルから反射して戻ってくるレーザ光又はこのレーザ光による刺激に応答してサンプルから放射される光を検出する。光検出器の出力は監視回路に接続されている。
【００３９】
図２の装置又はその上記した変形は、ＶＣＳＥＬの群の代わりに、共振空胴ＬＥＤの群であってもよい。
【００４０】
図７に示された実施例の他の変形において、これもまた、吸収層２４が不要であるが、各レーザの出力光は、個々のサンプルによって反射されてレーザに戻り、レーザの電流−電圧特性を改変するように作用する。レーザの電極２０には、各レーザを流れる電流及び／又は各レーザ間の電圧を監視する回路が接続されている。
【００４１】
図９を参照すると、生物学的又は生化学的なサンプルＢを収納し又はこのサンプルからの流れダクトを含む第２の光共振器３０が接触する垂直空胴表面放射レーザＬの形態の半導体装置が示されている。この装置は、空胴層１０、１２と中間ゲイン材料層１４とを有する半導体基板と、上下の多層反射器１６、１８とから成っている。各反射器は、高低の屈折率をそれぞれ有する異なる材料の複数の交互層から成り、各層は、１／４波長の厚みを有する。この装置は、その上下面に電極２０、２２を備えている。使用時には、これらの電極２０、２２間に電圧が印加され、装置に電流の流れを生じさせ、装置を励起し装置の空胴内にレーザ作用を発生し、そのレーザ出力Ｏを装置の上面を経て放射する。
【００４２】
第２の光共振器３０は、サンプルＢの容器３２から成り、この容器３２の上側は、レーザ装置の反射器１６、１８に相応する構造の多層反射器３４から成っている。透明なスペーサ３６が容器３２の下側と装置の上面との間に介在している。
【００４３】
２つの光共振器が結合空胴システムを形成し、放射レーザ光Ｏは、サンプルＢを透過し、次いで第２の空胴である反射器３４によって反射されてレーザ装置に戻る。この戻り又は帰還光Ｄは、レーザ装置内で増幅されてその電流−電圧特性を改変する。レーザ装置を流れる電流及び／又はレーザ装置間の電圧を監視する回路がレーザ装置の電極２０に接続されている。
【００４４】
図９の実施例の変形において、装置の反射器１６は、サンプルＢから放射されレーザ出力とは異なる波長の刺激放射光を吸収するために、図２乃至図６を参照して述べたのと同様の方法で、狭い帯域ギャップの吸収層を含んでいる。この形態では、レーザ装置は、ＶＣＳＥＬの代わりに、共振空胴ＬＥＤから成っている。
【００４５】
前に述べたように、本発明による半導体装置は、単一の基板に共に一体に設けられた光放射エレメントと光検出エレメントとから成っている。光放射器又は光検出器あるいはその両方は、ＬＥＤ又はレーザの形態の共振空胴から成っていてもよい。光検出器が光放射器から放射された光とは異なる波長の光を検出することが意図される場合には、この光検出器は、この光検出器に散乱によって戻ってくる放射光に働かないものがあるように、前の波長の光に優先して応答するように配置されているのが望ましい。例えば、光検出エレメントは、その表面又はその付近にフィルタ層を備え、このフィルタ層は、光放射エレメント又は装置によって放射される光の波長の光を比較的に透過しないが、検出された波長の光を比較的に透過するものである。
【００４６】
図１０は、光検出エレメントの上部反射器が反射された放射光を遮断する吸収フィルタを形成する層３８を含んでいる装置を示す。この装置は、空胴層１０、１２と中間ゲイン材料層１４とを有する半導体基板と、上下の多層反射器１６、１８とから成っている。各反射器は、例えば、図２を参照して述べたように、高低の屈折率をそれぞれ有する異なる材料の複数の交互層から成っている。しかし、上部反射器１６は、基板の一部に渡ってエッチングによって取り除かれており、溝４０が装置の２つの部分を隔離して放射エレメントと光検出エレメントとを形成している。この装置は、その放射エレメントと光検出エレメントとの上下面に電極２０ａ、２２ａ及び２０ｂ、２２ｂを備えており、電極２０ａ、２２ａ間に正方向バイアスがかけられ、電極２２ａ、２２ｂ間に逆バイアスがかけられている。装置の使用時には、第１の波長の光Ｏが装置の放射エレメントの上面から放射され、光検出エレメントに入射したこの波長の反射光は、吸収層３８によって除去されるが、例えば、より長い波長の光は、この層を透過し、光検出エレメント内で検出される。前に述べたように、定電圧源が光検出エレメント電極２０ｂ、２２ｂ間に接続され、電流を監視する回路が設けられているか、それに代えて、定電流源が電極２０ｂ、２２ｂに接続されてこれらの電極間の電圧を監視する回路が設けられる。
【００４７】
便宜的には、溝４０は、環状の形態として、比較的小さな直径（おそらく、１０ミクロンのオーダー）の中央放射エレメントを囲み、それ自体が比較的大きな直径（おそらく５００ミクロンのオーダー）の光検出エレメントによって囲まれている。
【００４８】
好ましくは、光検出エレメントにかけられる逆バイアスは、このダイオードをその破壊点近くにするので、使用時には、なだれ現象的な光検出が発生する。相当大きな検出信号（千倍のオーダーの増加検出信号）を達成することができる。
【００４９】
例えば、図２の装置において、光放射層１４が上下の反射器の間の中央に配置され、空胴は、放射光の波長で共振する。それに代えて、図１１に示すように、空胴は、検出された光の波長で共振し、この場合には、検出された光を吸収する層２４は、上下の反射器１６、１８の間の中央に配置される。更に、放射層１４は、上又は下の反射器のいずれか付近に配置される。
【００５０】
例えば、図７及び図８の実施例では、基板は、二次元的に配列された複数の光放射器から成っているが、これらは、例えば、流体の流れ通路に沿った連続する位置で流体を検査するように配列された流体通路付近に直線的に配列されていてもよい。
【００５１】
上記の各実施例では、監視手段は、一部が装置の半導体基板に一体化した回路から成っていることが理解される。
【００５２】
図１２を参照すると、基板５４に並べて取り付けられた半導体光放射器５０と半導体光検出器５２とから成り、生物学的又は他のサンプルを分析する装置が示されている。サンプル保持体５６は、光放射器５０と光検出器５２との上方に配置されており、このサンプル保持体５６は、分析又は試験されるべきサンプルＳを受け入れるへこみ又は囲いが上面に形成された透明基板から成っている。基板５６は、装置の恒久部分を形成してもよいし、取り外し自在又は交換自在であってもよい。
【００５３】
この装置は、放射器５０によって放射された光がサンプルＳに入射し、光検出器５２がサンプルＳから戻ってくる光を検出するように配置されている。図１２に示される例では、光放射器５０は、放射ピークが６５０ｎｍである共振空胴光放射ダイオード（ＲＣＬＥＤ）から成り、また光検出器は、放射ピークが６７０ｎｍであることを除いて同一の装置から成り、（光放射器ではなく、光検出器として作用するように）、逆電圧バイアスが用いられる。装置の使用時には、サンプルＳには、蛍光染料がマーキングされ、従って、放射器５０からサンプルに入射される６５０ｎｍ波長の光がサンプルを刺激すると、より長い波長の光が放射され、この光は、光検出器５２によって検出される。
【００５４】
表面に直角な円形ビームを生成する多層ブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射器を有するＧａＩｎＰのクリスタルの形態の光放射器及び光検出器を作って試験した。これらのクリスタルの厚みを制御することによって、放射ピークが６５０ｎｍ及び６７０ｎｍの２つの装置を形成した。この第１の装置は、放射器５０として使用され、逆バイアスを受ける第２の装置は、光検出器５２として使用された。
【００５５】
図１３は、一方のピークが６５０ｎｍであり、他方のピークが６７０ｎｍである２つの装置の放射スペクトルを示す。
【００５６】
図１４は、光信号に応答して光検出器５２が検出した光電圧を示す。５ｎｓの放射寿命の典型的な蛍光染料に対して３ｎｗのノイズフロアまで検出が下がっていることが解り、これは、丁度、５１分子から蛍光放射の検出に相応し、光検出器の極めて高い感度を示している。
【００５７】
図１２を参照して述べた装置も放射器５０及び光反射器５２にそれぞれ正逆電圧を印加するバッテリ電源を備えており、この装置は、更に、光検出器の電圧又は電流出力を測定する回路を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】生物学的サンプルの光学的分析用の従来技術のシステムの概略図である。
【図２】本発明の第１の実施例を形成する半導体放射器・検出器の断面図である。
【図３】光学的強度の変化を示す図１の装置の一部の拡大断面図である。
【図４】吸収層を用いた反射器の計算された電界のプロフィールを示すグラフである。
【図５】吸収層を用いた反射器の計算された電界のプロフィールを示すグラフである。
【図６】この装置の光放射／検出を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施例を形成する半導体放射器・検出器の断面図である。
【図８】図７の装置の外観図である。
【図９】本発明の第３の実施例を形成する半導体放射器・検出器の断面図である。
【図１０】本発明による半導体放射器・検出器の更に他の実施例の断面図である。
【図１１】図２の装置の変形例の断面図である。
【図１２】本発明による装置の更に他の実施例の横断面図である。
【図１３】図１２の装置に用いられる２つの光放射器の放射スペクトラムを示すグラフである。
【図１４】光検出器として作用するように逆バイアスをかけて用いられる図１２の装置の光放射器の一方の検出性能を示すプロット図である。
【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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