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JP7690355B2 - 分析装置 - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、分析装置に関する。
非侵襲法にて血中物質濃度を測定する方式として光学式のものが用いられている。本発明の対象とする中赤外波長域において、体細胞の組織液でなく、血管の血中濃度を測定する場合には光源には高出力が求められることから、小型化が難しかった。
特開２００４－３４０７９７号公報 特開２０２１－３７３２１号公報 国際公開第２０１９／１７６１５７号
本発明の実施形態は、小型化が可能な分析装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、分析装置は、第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面とを有する基板と、前記基板の第１面に設けられ、量子カスケードレーザを含む光源部と、前記基板の前記第１面に設けられた光検出部と、前記基板の前記第１面に設けられ、前記光源部及び前記光検出部と電気的に接続された配線部と、を備える。
第１実施形態の分析装置の模式断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態における電極及び配線部の模式上面図である。 第２実施形態の分析装置の模式断面図である。 （ａ）は第２実施形態における光検出部の模式上面図であり、（ｂ）は第２実施形態における光検出部の模式下面図である。 第３実施形態の分析装置の模式断面図である。 （ａ）は第３実施形態における量子カスケードレーザの模式上面図であり、（ｂ）は第３実施形態における下面電極の模式下面図である。 第４実施形態の分析装置の模式断面図である。
以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ構成には同じ符号を付している。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の分析装置１の模式断面図である。
分析装置１は、基板１０と、光源部２１と、光検出部２２とを備える。
基板１０は、光源部２１が発する光に対して透過性を有する。基板１０は、例えばＳｉを含むシリコン基板である。または、基板１０は、ＩｎＰまたはＧａＡｓを含む化合物半導体基板であってもよい。基板１０は、光源部２１及び光検出部２２が設けられる第１面１１と、第１面１１の反対側に位置する第２面１２とを有する。基板１０は、第２面１２にレンズ部１５を含む。レンズ部１５は、基板１０を加工して得られる凹部、凸部、または周期構造部を含む。
光源部２１は、互いに発振波長が異なる第１量子カスケードレーザ２１ａと第２量子カスケードレーザ２１ｂを含む。第１量子カスケードレーザ２１ａ及び第２量子カスケードレーザ２１ｂは、例えば、III-Ｖ族化合物半導体を含む発光層を有する。発光層は、キャリアのサブバンド間遷移を生じさせる量子井戸構造を有し、電子のサブバンド間遷移により発光する。
第１量子カスケードレーザ２１ａ及び第２量子カスケードレーザ２１ｂは、フォトニック結晶層３０を含む面発光型である。発光層の表面は基板１０の第１面１１に対して平行である。フォトニック結晶層３０は、二次元回折格子を含む。フォトニック結晶層３０は、二次元回折格子として、例えば、基板１０の第１面１１に対して平行な面内において周期的に配置された複数のピットを有する。発光層が発した光は、フォトニック結晶層３０により、発光層の表面に沿った方向に共振するとともに、基板１０の第１面１１に対して概ね垂直な方向に放出される。概ね垂直な方向とは、第１面１１に垂直な方向に対して２°以上１０°以下の範囲で傾いた方向も含む。この構造は面発光型であるため、素子面積を大きくすることで高出力を得やすい。量子カスケードレーザはＴＭ偏光であるため、フォトニック結晶を用いて面発光型が実現できる。さらに量子カスケードレーザは原理的に高速動作が可能であり、非常に短いパルスを発生することができる。このことはトータルのエネルギーを低くし、生体組織にダメージを与えずに、尖頭値の高いパルスを照射することができ、血管中の目的検知物質を高感度に測定することが可能となる。
光検出部２２は、第１量子カスケードディテクター２２ａと、第２量子カスケードディテクター２２ｂとを含む。第１量子カスケードディテクター２２ａは、第１量子カスケードレーザ２１ａが発する光を検出することができる。第２量子カスケードディテクター２２ｂは、第２量子カスケードレーザ２１ｂが発する光を検出することができる。第１量子カスケードディテクター２２ａ及び第２量子カスケードディテクター２２ｂは、電子のサブバンド間遷移を利用した光検出素子である。従来量子カスケードディテクターは光を基板に垂直な方向から入射させて検出しようとした場合、光を吸収して電子に変換する活性領域の厚さが高々２μｍ程度であるため、光の吸収が十分でなく、感度が非常に低かった。一方、本発明の一実施形態のフォトニック結晶を用いた量子カスケードディテクターは基板に垂直に入射した光をフォトニック結晶により、活性層と平行な方向に変換することで、活性層中で十分に吸収され感度が高くなる。
例えば、第１量子カスケードディテクター２２ａ及び第２量子カスケードディテクター２２ｂは、第１量子カスケードレーザ２１ａ及び第２量子カスケードレーザ２１ｂと同種の半導体層を含む。例えば、第１量子カスケードレーザ２１ａ、第２量子カスケードレーザ２１ｂ、第１量子カスケードディテクター２２ａ、及び第２量子カスケードディテクター２２ｂは、基板１０とは別の成長基板上に集積形成された後、シリコン酸化膜を介してまたは直接、基板１０の第１面１１に接合される。または、第１量子カスケードレーザ２１ａ、第２量子カスケードレーザ２１ｂ、第１量子カスケードディテクター２２ａ、及び第２量子カスケードディテクター２２ｂは、基板１０の第１面１１上に成長させてもよい。
第１量子カスケードディテクター２２ａ及び第２量子カスケードディテクター２２ｂは、例えば、第１量子カスケードレーザ２１ａ及び第２量子カスケードレーザ２１ｂと同様のフォトニック結晶層３０を含む面受光型である。
第１量子カスケードレーザ２１ａ、第２量子カスケードレーザ２１ｂ、第１量子カスケードディテクター２２ａ、及び第２量子カスケードディテクター２２ｂのそれぞれは、第１電極４１と第２電極４２を有する。
第１電極４１は、フォトニック結晶層３０の上方に設けられている。図２（ａ）に示すように、上面視において、第２電極４２は、第１電極４１の周囲に設けられている。
分析装置１は、基板１０の第１面１１に設けられ、光源部２１及び光検出部２２と電気的に接続された配線部をさらに有する。配線部の材料として、例えば、Ti/Au、Ni/Au、AuGe/Auなどを用いることができる。図２（ａ）に示すように、配線部は、第１電極４１と接続された第１配線４５と、第１配線４５と接続された第１パッド４６と、第２電極４２と接続された第２配線４３と、第２配線４３と接続された第２パッド４４とを含む。第１パッド４６及び第２パッド４４に接合されるワイヤを通じて、光源部２１及び光検出部２２は外部回路と電気的に接続される。
図２（ｂ）に示すように、第１電極４１は、上面視において円形であってもよい。第２電極４２は、上面視において第１電極４１を環状に囲む。第１電極４１をパッドと接続させずに、第１電極４１に直接ワイヤを接合してもよい。
第１量子カスケードレーザ２１ａ及び第２量子カスケードレーザ２１ｂは、中赤外領域のレーザ光を出力する。第１量子カスケードレーザ２１ａは波長λ１のレーザ光を出力し、第２量子カスケードレーザ２１ｂは、λ１とは異なる波長λ２のレーザ光を出力する。λ１及びλ２は、例えば、７．８μｍ以上８．８μｍ以下である。
第１量子カスケードレーザ２１ａ及び第２量子カスケードレーザ２１ｂからのレーザ光は基板１０内を第２面１２に向かって進み、第２面１２から基板１０の外部に出射する。レーザ光は、第２面１２のレンズ部１５で集光され、または方向を変えられて、例えば人の皮膚に入射して、血管１００に到達し反射する。
血管１００で反射したレーザ光は、レンズ部１５で集光され、または方向を変えられて、第２面１２から基板１０内に入射する。基板１０内に入射した反射光は、第１面１１から第１量子カスケードディテクター２２ａ及び第２量子カスケードディテクター２２ｂに入射する。第１量子カスケードディテクター２２ａ及び第２量子カスケードディテクター２２ｂに入射した光は、光電変換される。光電変換された電気信号から、血管１００内のグルコース吸収率に応じた反射光の強度が測定される。ここで、血糖値とは血液中に含まれるグルコースの濃度である。したがって、血管１００内のグルコース吸収率に応じた反射光の強度から血糖値を求めることができる。
本実施形態によれば、基板１０の第１面１１に、光源部２１、光検出部２２、及び配線部が半導体プロセスにより集積される。また、基板１０の第２面１２に、基板１０の加工によりレンズ部１５が設けられる。このため、小型な非侵襲分析装置を提供することができる。例えば１ｍｍ程度のチップサイズの分析装置を提供することができ、携帯端末等に搭載可能となる。
１つの量子カスケードレーザにより光源部２１を構成し、１つの量子カスケードディテクターにより光検出部２２を構成してもよい。この場合、分析装置１をより小型化できる。２つの量子カスケードレーザ２１ａ、２１ｂと、２つの量子カスケードディテクター２２ａ、２２ｂを用いると、異なる２波長の光に対するグルコースの吸光度の比から、高精度で血糖値を求めることができる。
［第２実施形態］
図３は、第２実施形態の分析装置２の模式断面図である。
第２実施形態の分析装置２は、プラズモンを利用した光検出部６０を有する。光検出部６０は、基板１０の第１面１１に設けられた金属アンテナ６１を含む。図４（ａ）に示すように、金属アンテナ６１は、例えばナノ構造体である複数の金属ピラー（または凹凸構造）６１ａを含む。第１面１１には、金属アンテナ６１と電気的に接続された配線部が設けられている。配線部は、金属アンテナ６１と接続された配線６３と、配線６３と接続されたパッド６４とを含む。
基板１０の第２面１２には、裏面電極６２が設けられている。図４（ｂ）に示すように、裏面電極６２は、第２面１２における光入射領域１２ａを囲んでいる。光入射領域１２ａには、レンズ部１５が配置されている。
第２実施形態においても、基板１０の第１面１１に、光源部２１、金属アンテナ６１、及び配線部が半導体プロセスにより集積されるため、小型な非侵襲分析装置を提供することができる。
［第３実施形態］
図５は、第３実施形態の分析装置３の模式断面図である。
第３実施形態の分析装置３は、光源部２３として、端面発光型の量子カスケードレーザ２４と、回折格子２５とを有する。
図６（ａ）は、量子カスケードレーザ２４の模式上面図であり、図６（ｂ）は量子カスケードレーザ２４の下面電極２８の模式下面図である。
量子カスケードレーザ２４は、例えばIII-Ｖ族化合物半導体を含む半導体層２６と、半導体層２６上に設けられた上面電極２７と、基板１０の第２面１２における半導体層２６の下方領域に設けられた下面電極２８とを有する。
回折格子２５は、基板１０の第１面１１に設けられ、量子カスケードレーザ２４の端面（発光面）の側方に位置する。第２面１２における回折格子２５の下方領域にレンズ部１５が位置する。量子カスケードレーザ２４の端面から出射されたレーザ光は、回折格子２５により、第１面１１から第２面１２に向かう方向に、進む方向が変えられる。
フォトニック結晶層を有する面発光型の量子カスケードレーザは、端面発光型の量子カスケードレーザと回折格子との組み合わせよりも、回折効率がよい。
［第４実施形態］
図７は、第４実施形態の分析装置４の模式断面図である。
第４実施形態の分析装置４は、光源部及び光検出部を兼ねる量子カスケード素子５１を備える。量子カスケード素子５１は、フォトニック結晶層３０を含む面発光／受光型である。
量子カスケード素子５１は、基板１０の第１面１１から第２面１２に向かう方向にレーザ光を出射する面発光モードと、第２面１２から入射する反射光を第１面１１側から受光する面受光モードとを有する。面発光モードと面受光モードとが高速で切り替わることで、１つの量子カスケード素子５１で光源部及び光検出部を兼ねることができる。このような第４実施形態によれば、分析装置４をより小型化できる。
以上説明した各実施形態の分析装置を用いて、血糖値以外の生体情報を非侵襲で取得することも可能である。
以上では光源となる量子カスケードレーザ、量子カスケードディテクターについて詳しく説明したが、量子カスケードレーザの駆動回路、量子カスケードディテクターからの電気信号を処理する電気回路を基板上に形成しても良い。この構成の場合、よりコンパクトな装置を構成することが可能となる。
また、量子カスケードレーザ、量子カスケードディテクターの構造については、この波長域を発振することができる一般的な構造、構成でよい。
本発明の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。
１～４…分析装置、１０…基板、１１…第１面、１２…第２面、１５…レンズ部、２１、２３…光源部、２１ａ…第１量子カスケードレーザ、２１ｂ…第２量子カスケードレーザ、２２、６０…光検出部、２２ａ…第１量子カスケードディテクター、２２ｂ…第２量子カスケードディテクター、２４…量子カスケードレーザ、３０…フォトニック結晶層、５１…量子カスケード素子、６１…金属アンテナ、１００…血管

Claims (7)

  1. 第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面とを有する基板と、
    前記基板の第１面に設けられ、互いに発振波長が異なる第１量子カスケードレーザ及び第２量子カスケードレーザを含む光源部と、
    前記基板の前記第１面に設けられた光検出部と、
    前記基板の前記第１面に設けられ、前記光源部及び前記光検出部と電気的に接続された配線部と、
    を備え、
    前記基板は、前記第２面にレンズ部を含む分析装置。
  2. 前記第１量子カスケードレーザ及び前記第２量子カスケードレーザは、フォトニック結晶層を含む面発光型である請求項１に記載の分析装置。
  3. 前記光検出部は、量子カスケードディテクターを含む請求項１または２に記載に分析装置。
  4. 前記光検出部は、金属アンテナを含む請求項１または２に記載に分析装置。
  5. 第１面と、前記第１面の反対側に位置する第２面とを有する基板と、
    前記基板の第１面に設けられ、光源部及び光検出部を兼ねる量子カスケード素子と、
    前記基板の前記第１面に設けられ、前記量子カスケード素子と電気的に接続された配線部と、
    を備え、
    前記量子カスケード素子は、フォトニック結晶層を含む面発光／受光型である分析装置。
  6. 前記基板は、Ｓｉ、ＩｎＰ、またはＧａＡｓを含む請求項１～５のいずれか１つに記載の分析装置。
  7. 前記基板は、前記第２面にレンズ部を含む請求項５または６に記載の分析装置。
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