生体成分検出装置
【課題】 冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長１．８μｍ以上に拡大したＩｎＰ系フォトダイオードを用いて、生体成分を高感度で検出することができる生体成分検出装置を提供する。
【解決手段】 受光層３がＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造を有し、ｐｎ接合１５は不純物元素を受光層内に選択拡散して形成したものであり、受光層における不純物濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下であり、拡散濃度分布調整層の拡散前のｎ型不純物濃度が２×１０１５／ｃｍ３以下であって受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有し、生体成分検出装置は、波長３μｍ以下の生体成分の吸収帯に含まれる、少なくとも１つの波長の光を受光して、検査をする。
【解決手段】 受光層３がＩＩＩ−Ｖ族半導体の多重量子井戸構造を有し、ｐｎ接合１５は不純物元素を受光層内に選択拡散して形成したものであり、受光層における不純物濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下であり、拡散濃度分布調整層の拡散前のｎ型不純物濃度が２×１０１５／ｃｍ３以下であって受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有し、生体成分検出装置は、波長３μｍ以下の生体成分の吸収帯に含まれる、少なくとも１つの波長の光を受光して、検査をする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外域の光に対して受光感度をもつ半導体受光素子を用いた生体成分検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒトの血液、体脂肪などの生体成分等は、近赤外域に吸収帯を持つので、近赤外分光法は、非侵襲の分析法として注目され、研究および実用化が急速に進んでいる。とくに近年、糖尿病、肥満等に注目が集まり、血糖中の主成分であるグルコース、コレステロール、脂質等の吸収スペクトル帯が近赤外域にあるため、生体の皮膚等を用いた研究が盛んに行われている。近赤外分光による分析では、出力信号に、必要な情報と、受光素子に起因する大きなノイズが含まれている。このため、センサ（受光素子）の性能向上に全面的に頼らずに、出力信号について必要な情報を抽出するために、分光学的方法またはケモメトリックスなどが重要な手法として用いられている。
【０００３】
上記センサ（受光素子）は、近赤外域では、電子管タイプと固体素子のフォトダイオード（ＰＤ）とに、大別される。このなかで、ＰＤは、小型で、一次元アレイおよび二次元アレイなどの高集積化が容易なので、多くの研究開発が行われている（非特許文献１）。本発明は、ＰＤを用いた生体成分についての検出装置を対象にする。現在、次のようなＰＤ、またはＰＤアレイが用いられている。
（１）赤外域にまで受光感度を持ち、近赤外域にも受光感度をもつＰＤ、またはそのアレイ。このようなフォトダイオードには、たとえばゲルマニウム（Ｇｅ）系ＰＤ、硫化鉛（ＰｂＳ）系ＰＤ、ＨｇＣｄＴｅ系ＰＤ、またはその一次元アレイ、二次元アレイがある。
（２）近赤外域の波長１．７μｍ以下に受光感度を持つＩｎＰ系ＰＤ、そのＩｎＰ系ＰＤの範疇に入るＩｎＧａＡｓ系ＰＤ、またはそのアレイ。ここで、ＩｎＰ系ＰＤとは、ＩｎＰ基板に形成されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光層を含むＰＤをいい、ＩｎＧａＡｓ系ＰＤも含まれる。
【０００４】
上記のフォトダイオードのうち、（１）は、ノイズを抑制するため冷却する場合が多く、たとえば液体窒素温度（７７Ｋ）やペルチエ素子で冷却して稼動させるものが多い。このため、装置が大がかりになり装置コストが大きくなる。室温でも用いることはできるが、波長域２．５μｍ以下の範囲で暗電流が大きく、検出能力が劣るという問題を有している。（２）一方、ＩｎＰ系ＰＤの短所は、（Ｉ）ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓは暗電流が低いが、受光感度が近赤外域の１．７μｍ以下の波長域に限定されること、および（ＩＩ）受光可能な波長域を２．６μｍまで拡大したｅｘｔｅｎｄｅｄ−ＩｎＧａＡｓでは暗電流が大きく冷却する必要があること、である。したがって、ＩｎＰ系ＰＤでは、生体成分の検査で重要となる２．０μｍ以上の光を、用いることができないか、または用いる場合には冷却する必要がある。
【０００５】
近赤外光を用いた生体成分検出においては、糖尿病に直接関係する血糖値（グルコース、ぶどう糖など）を対象とするものが圧倒的に多く（特許文献１〜４）、次いで、体脂肪についての検出（特許文献５）がなされている。また、美容関連では、肌のしわに関係するコラーゲンの近赤外光による測定がなされている（特許文献６）。また、角膜の手術中のコラーゲン等の分布に関連して赤外線の測定を行う提案がなされている（特許文献７）。
これらの生体成分検出では、近赤外光の分光装置に、ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳ、Ｇｅ、ＨｇＣｄＴｅ、ステップバッファ層を多段に設けたｅｘｔｅｎｄｅｄ−ＩｎＧａＡｓなどの単素子またはアレイ型が用いられている。受光波長域は、上記すべての生体成分検出装置に共通する範囲は１μｍ〜１．８μｍである。ただし、２．０μｍまたは２．５μｍ程度を上限に設定しているものも認められる。
【０００６】
ＩｎＧａＡｓについては、上述のように、受光感度を近赤外の長波長側まで拡大する課題がある。これを改善するために、下記の方策が提案されている。
（Ｋ１）ＩｎＧａＡｓ受光層のＩｎ組成を高め、ＩｎＰ基板との格子不整合は、その間に挿入してＩｎ組成を段階的に変えたステップバッファ層によって吸収する（特許文献８）。
（Ｋ２）ＩｎＧａＡｓ受光層にＮを含有させてＧａＩｎＮＡｓ受光層とする（特許文献９）。ＩｎＰ基板との格子整合は、Ｎを多量に含有させることで満足させる。
（Ｋ３）ＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓとのタイプＩＩ型多重量子井戸構造によって、受光域の長波長化をはかる（非特許文献２）。ＩｎＰ基板との格子整合は、満たされている。
（Ｋ４）二次元アレイ化は、受光素子（画素）間に、素子分離溝をウエットエッチングを形成することで実現する（特許文献１０）。
【非特許文献１】中山雅夫「赤外線検出素子の技術動向」センサー技術、１９８９年３月号(Vol.9, No.3),p.61-64
【非特許文献２】R.Sidhu,"A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717
【特許文献１】特開２００２−０６５６４５号公報
【特許文献２】特開平１１−２１６１３１号公報
【特許文献３】特表２００５−５１９６８２号公報
【特許文献４】特開平１１−１２８２０９号公報
【特許文献５】特開２００１−９５８０６号公報
【特許文献６】特開２００５−８３９０１号公報
【特許文献７】特開平１０−１１８１０８号公報
【特許文献８】特開２００２−３７３９９９号公報
【特許文献９】特開平９−２１９５６３号公報
【特許文献１０】特開２００１−１４４２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の生体成分検出装置では、全体をまとめると最大２．５μｍまでの近赤外光を利用する機構が提案されている（特許文献１〜６）。受光感度が良好であれば、波長の上限は大きいほうが多くの情報を得ることができるので好ましい。しかし、波長１．７μｍを超える範囲を受光するには、上述したように、ＰｂＳ、ＨｇＣｄＴｅなどを用いた受光素子では、暗電流が大きく、検出能力が低く、検出分解能を高める課題がある。また、検出能力を高めるために冷却して使用すると、生体成分検出装置が大掛かりになり、消費電力も大きくなる。
ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ受光素子は、検出能力に優れるが、感度は波長１．７μｍ以下であり、それより長波長域に吸収スペクトルを多くもつ生体成分の検出には不適である。とくに、生体のように、多くの生体成分が複合して生体組織を形成している場合、１つの検出対象の生体成分を、当該生体成分起因の２つ以上の吸収帯を用いて、総合的に検出することが分解能を向上するのに望ましい。このような２つ以上の吸収帯を用いる生体成分の検出では、しかしながら、感度波長域１．７μｍ以下では、きわめて不十分である。
【０００８】
一方、冷却が不要で、近赤外域の長波長側に受光感度を有する受光素子および受光素子アレイは、上記（Ｋ１）〜（Ｋ４）に示すように、いくつかの候補はある。しかし、それぞれに次の課題を残している。
（Ｋ１）：ＩｎＰ基板と受光層とが、完全に格子整合しないため、高格子欠陥密度に起因する暗電流が非常に高い。このため十分高いダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ比）を得られず、高ノイズである。このため暗点（画像抜け）が多くなる。
また、積層体のトップ層をなす窓層について、格子整合を実現するために、ＩｎＰを用いることができず、ＩｎＡｓＰ窓層とする必要がある。このため、生体成分によっては重要な吸収帯が位置する近赤外域から短波長側の感度が劣化する。
（Ｋ２）：ＩｎＰに格子整合しながら、バンドギャップを長波長化するために、Ｎを１０ａｔ％程度にすると、良好な結晶のＧａＩｎＮＡｓを得ることは非常に難しい。さらに、受光感度を十分高くするために、厚み２μｍ程度のＧａＩｎＮＡｓ得ることは、ほとんど不可能なくらい困難である。要は、鮮明な像を得ることができない。
（Ｋ３）：多重量子井戸構造の受光層に、通常の方法で不純物を導入すると多重量子井戸構造の結晶性が害される。このため、製造歩留りが低下して製品コストを増大させ、かつ結晶性についても良好なものが得にくい。したがって、受光波長域は２．５μｍ程度まで長波長化できるが、鮮明な像を得ることができない。
（Ｋ４）：ウエットエッチングにより素子分離してアレイ化するためには、エッチャントが、溝に十分深く、均一に回り込む必要がある。しかし、エッチャントは、溝に十分深く、均一に回り込まず、制御は難しい。このため製造歩留りが低くなる。
一方、ドライエッチングでは、受光素子へのダメージが発生する。とくに生体成分検出装置のように、波長に応じて回折された光を受光する装置の場合、上記ダメージは許容できない。
【０００９】
冷却機構なしで暗電流を抑制したフォトダイオードを用いて、高い感度で近赤外分光が、簡単に行えるようになれば、生体成分について日常的に有用な情報を得ることができることになり、健康管理、疾病治癒などに関連した多くの分野の発展を促すことができる。
本発明は、冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長１．８μｍ以上に拡大したＩｎＰ系フォトダイオードを用いて、生体成分を高感度で検出することができる生体成分検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の生体成分検出装置は、近赤外域の光を利用して、生体の成分を検出するための装置である。この装置は、近赤外域の光を受光するＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子を備え、受光素子がＩｎＰ基板上に形成された多重量子井戸構造の受光層を有し、受光層のバンドギャップ波長が１．８μｍ以上３μｍ以下であり、ＩｎＰ基板と反対側の受光層の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の拡散濃度分布調整層を備え、その拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギがＩｎＰよりも小さい。受光素子では、拡散濃度分布調整層を通して受光層へと届く、不純物元素の選択拡散によってｐｎ接合が形成され、受光層における不純物元素の濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下であり、拡散濃度分布調整層の拡散前のｎ型不純物濃度が、２×１０１５／ｃｍ３以下であり、該拡散濃度分布調整層は、受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有する。そして、生体からの透過光または反射光について、波長３μｍ以下の少なくとも１つの波長の光を受光素子により受光して、検出をすることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によって、近赤外域に対応したバンドギャップエネルギを有する多重量子井戸構造を、不純物濃度を５×１０１6ｃｍ−３以下に低くすることにより多重量子井戸構造を破壊されず、すなわち結晶性を損なわずに、形成することができる。そして、受光素子のｐｎ接合形成のための不純物が選択拡散され、すなわち周縁部から内側に平面的に周囲限定されて、個々の受光素子に分離されるように導入される。このため、各受光素子を高精度で形成しやすく、素子分離溝を設ける必要がないので、暗電流の低い受光素子を形成することができる。このため、波長３μｍ以下において、冷却なしで高い感度の受光をすることができる。生体成分（分子）の吸収帯は、波長０．９μｍ〜３μｍに、いくつも存在するので、上記の生体成分検出装置によって、これら複数の吸収帯を同時に用いて検出することができる。これによって検出精度を向上させることができる。
【００１２】
拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをＩｎＰより小さくすることによって、拡散濃度分布調整層の受光層側の厚み範囲の不純物濃度を低くしても、電気抵抗を低く抑えることができ、このため応答速度の低下防止に資することができる。さらに詳しく説明すると、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをＩｎＰ基板のバンドギャップエネルギより小さくした理由は、次のとおりである。
（１）ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により近赤外域用の受光層を形成したとき、その受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを窓層に用いる場合があり、その場合、格子整合性等も考慮して、半導体基板と同じ材料が用いられることが多い。拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギは、窓層のバンドギャップエネルギより小さく、受光層のバンドギャップエネルギより大きいことを前提としている。受光層のバンドギャップエネルギより小さい場合には、エピタキシャル層表面を入射面とする構造を採用したとき、拡散濃度分布調整層が対象とする光を吸収し、受光層の受光感度を低下させるからである。
（２）窓層に通常用いられる大きなバンドギャップエネルギの材料よりも小さいバンドギャップエネルギの材料を用いることにより、不純物濃度を低くしても電気抵抗増大の程度、または電気伝導度の低下の程度を小さくすることができる。この結果、上記のように電圧印加状態において応答速度の低下を抑制できる。
【００１３】
ここで、検出とは、あらかじめ所定成分の検量線（所定成分の濃度と、その波長での光の強度または吸収度との関係）を作成しておいて、所定成分の濃度または含有率を求めることであってもよいし、そのような検量線を用いない手法であってもよい。なお、上記のｐｎ接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、不純物元素が選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記拡散導入された不純物領域と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合またはｎｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ濃度またはｎ濃度が非常に低い場合も含むものである。
【００１４】
拡散濃度分布調整層は、不純物元素の濃度が、受光層と接する面と反対側の面側にある１×１０１８／ｃｍ３以上の領域と、受光層側にある２×１０１６／ｃｍ３以下の領域と、２つの領域の間にあり２つの領域よりも厚みが薄く不純物元素の濃度が２×１０１６／ｃｍ３より大きく、１×１０１８／ｃｍ３より小さい領域と、を有するようにできる。これによって、表面トップ側に位置する電極の界面抵抗を抑えながら、またはオーミック接触を可能にしながら、かつ多重量子井戸構造の良好な結晶性を確保することができる。拡散濃度分布調整層内の部分における低い不純物濃度に起因する電気抵抗の増大または電気伝導度の低下の問題は、上記のように、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをＩｎＰ相当のそれよりも小さくすることにより軽減することができる。
【００１５】
上記の受光層をタイプＩＩの量子井戸構造とすることができる。これによって、電磁波の吸収の際に、電子の高い価電子帯の層から低い導電帯の層への遷移が可能となり、より長波長域の光に対する受光感度を獲得することが容易になる。
【００１６】
上記の受光層を、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造、または（ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ，Ｓｂ）／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造とすることができる。ここで、（ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ，Ｓｂ）／ＧａＡｓＳｂ）は、（ＧａＩｎＮＡｓＰ／ＧａＡｓＳｂ）、（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）、（ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）、または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）を意味する。これによって、これまで蓄積した材料および技術を用いて、容易に、結晶性に優れ、暗電流の低い受光素子を得ることができる。
【００１７】
上記のＩｎＰ基板を、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に、５°〜２０°傾斜したオフアングル基板とすることができる。これによって、欠陥密度が小さく結晶性に優れた、多重量子井戸構造の受光層を含む積層体を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光素子アレイや検出装置を得ることができる。
【００１８】
上記の不純物元素を亜鉛（Ｚｎ）とし、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓから形成することができる。これにより、電気抵抗の不純物濃度依存性が小さく、不純物濃度が低くても電気抵抗はそれほど高くならない材料で、拡散濃度分布調整層を形成することができる。電気抵抗の増大抑制は、応答速度の劣化を防止する。また、不純物の亜鉛は、これまでの選択拡散の実績が豊富であり、高い精度で拡散領域を形成することができる。このため、拡散濃度分布調整層内で、拡散導入側の上側で高い濃度の不純物を、受光層側の下側で低い濃度としながら、その下側での電気抵抗を高めないようにできる。このため量子井戸構造を有する受光層内に、高い不純物濃度の領域を形成しないようにできる。この結果、応答性を低下させずに、結晶性の良好な量子井戸構造の受光素子を得ることができる。なお、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップエネルギは０．７５ｅＶである。
【００１９】
拡散濃度分布調整層の上にＩｎＰ窓層を備えることができる。ＩｎＰによる窓層の形成は、内部の半導体積層構造の結晶性を損なわないことから、エピタキシャル層を入射面側とする構造を採用した場合、受光層より入射側での近赤外光の吸収などを防止しながら、暗電流の抑制にも有効に作用する。また、ＩｎＰの結晶表面にパッシベーション膜を形成する技術は、他の結晶表面に形成する場合、たとえばＩｎＧａＡｓの表面にパッシベーション膜を形成する技術よりも蓄積があり、技術的に確立されており、表面での電流リークを容易に抑制することができる。
【００２０】
上記のＩｎＰ基板、受光層の量子井戸構造を構成する各層、拡散濃度分布調整層、およびＩｎＰ窓層、の任意の相互間において、格子整合度（｜Δａ／ａ｜：ただし、ａは格子定数、Δａは相互間の格子定数差）を０．００２以下とすることができる。この構成により、普通に入手ができるＩｎＰ基板を用いて、結晶性に優れた受光層を得ることができる。このため、波長１．８μｍ以上の近赤外光の受光素子または受光素子アレイにおいて、暗電流を画期的に抑制することができる。
【００２１】
上記の受光素子は、一次元または二次元にアレイ化した構造をとることができる。受光素子アレイは、受光素子が、複数、半導体積層構造を共通にし、かつ不純物元素が受光素子ごとに受光層内に選択拡散されて形成されており、一次元または二次元に配列されている。この構成によれば、受光素子が個々の不純物拡散領域で形成されるため、素子分離溝を設ける必要がない。このため、高精度で形成しやすく、暗電流を低くできる受光素子アレイを形成することができる。
【００２２】
検査をする生体部分に、スーパーコンティニウム光源（ＳＣ光源）または発光ダイオード（ＬＥＤ）による光を照射し、生体部分からの透過光または反射光を受光することができる。通常ハロゲンランプが光源として用いられるが、ハロゲンランプは発熱するため、照射することで熱や不快感を感じる場合がある。これに対して、ＳＣ光源やＬＥＤは発熱しないことから生体に関する測定用光源に適している。本発明の生体成分検出装置は、上記のＳＣ光源、ＬＥＤの場合、および通常のハロゲンランプの場合を含めて、上記の受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして、生体に含まれる成分の濃度を算出する制御部とを備えるのが普通である。
【００２３】
上記受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、該撮像装置により検出対象の生体に含まれる成分の分布像を形成することができる。これによって、感覚的に理解しやすい対象物中の所定成分の分布像を得ることができる。
【００２４】
上記の波長域の光を、生体に照射し、該生体からの反射光または該生体からの透過光を、受光して、生体に含まれる、グルコース、ぶどう糖、ヘモグロビン、コレステロール、アルブミン、活性酸素、脂肪、およびコラーゲンの少なくとも１つの成分を検出することができる。これによって、ヒトの血液中の糖やコレステロール濃度を、簡単に知ることができる。この結果、国民の数十パーセントに達する糖尿病患者およびその予備軍の状態を、精度よく日常的に知ることができ、治療や病気の進行を止めることができる。また、血管や血液の成分濃度を簡単に得られるので、脳梗塞、心筋梗塞などの成人病の予防などにも有用である。メタボリック症候群など、上記の疾病の前段階の状態ともいえる症候について、客観的なデータを手軽に自ら得ることができ、対策を講じやすい。
さらに、目尻のしわ等の生成に関連するコラーゲン不足を、近赤外の撮像装置によって、簡単に分布像として確認することができる。コラーゲンを含めて、多くの美肌関連成分の検出に用いることができる。
【００２５】
上記検出部位の光の照射側に、または照射側から見て検出部位の後に、位置して、光を分光する分光部と、分光された波長に応じて位置する複数の受光素子または受光素子アレイと、受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして、生体の成分濃度を算出する制御部とを備えることができる。これによって、多波長同時受光などを、迅速に、かつ精度よく行うことができる。分光部は、回折格子などで形成するのが好ましい。また、制御部には、記憶部、外部からの入力部などが含まれており、対象波長の検量線などがあらかじめ入力され、記憶されていてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の生体成分検出装置によれば、冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長１．８μｍ以上に拡大したＩｎＰ系受光素子を用いて、生体成分を高感度で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施の形態１−半導体受光素子アレイの構造−）
図１は、本発明の実施の形態における受光素子１０を示す断面図である。図１によれば、受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造（エピタキシャルウエハ）を有する。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓＳｂとの多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５から多重量子井戸構造の受光層３にまで届くように位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。受光素子１０の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて拡散することによって達せられる。
【００２８】
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用することもできるようになっている。
【００２９】
多重量子井戸構造の受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５×１０１５／ｃｍ３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置１５は、多重量子井戸の受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。すなわち図２に示す位置となる。
【００３０】
拡散濃度分布調整層４内では、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから選択拡散されたｐ型不純物の濃度が、ＩｎＰ窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層３内では、Ｚｎ濃度は５×１０１６／ｃｍ３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。図２では、受光層３内のＺｎ濃度は、より低い１×１０１６／ｃｍ３程度以下が実現されている。
【００３１】
本発明が対象とする受光素子１０は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層には、受光層３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００３２】
（本実施の形態の受光素子アレイのポイント）
本実施の形態における特徴は、次の要素で構成される点にある。
１.多重量子井戸構造は、選択拡散で不純物を高濃度に導入した場合、その構造が破壊されるため、選択拡散による不純物導入を低く抑える必要がある。通常、上記の拡散導入するｐ型不純物の濃度を５×１０１６／ｃｍ３以下とする必要がある。
【００３３】
２.上記の低いｐ型不純物の濃度を、実生産上、再現性よく安定して得るために、ＩｎＧａＡｓによる拡散濃度分布調整層４を、受光層３の上に設ける。この拡散濃度分布調整層４において、受光層側の厚み範囲が、上記のような低い不純物濃度になると、その低い不純物濃度の範囲の電気伝導性は低下し、または電気抵抗は増大する。拡散濃度分布調整層４における低不純物濃度範囲の電気伝導性が低下すると、応答性が低下して、たとえば良好な動画を得ることができない。しかしながら、ＩｎＰ相当のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギの材料、具体的には１．３４ｅＶ未満のバンドギャップエネルギを持つＩＩＩ−Ｖ族半導体材料によって拡散濃度分布調整層を形成した場合には、不純物濃度が低くても、電気伝導性は非常に大幅には低下しない。上記拡散濃度分布調整層の要件を満たすＩＩＩ−Ｖ族半導体材料として、たとえばＩｎＧａＡｓなどを挙げることができる。
受光層の不純物濃度を５×１０１６／ｃｍ３以下とする理由をさらに詳しく説明する。ｐ型不純物（Ｚｎ）の選択拡散の深さが深くなるなどして受光層３内におけるＺｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３を超えると、超えた高濃度部分では量子井戸層を構成するＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂの原子が相互に入り乱れ超格子構造が破壊される。破壊された部分の結晶品質は低下し、暗電流が増加するなど素子特性を劣化させる。ここで、Ｚｎ濃度は通常はＳＩＭＳ分析法（Secondary Ion Mass Spectroscopy：二次イオン質量分析法）で測定するが、１０１７ｃｍ−３台あるいは１０１６ｃｍ−３台の濃度の分析は難しく、比較的大きな測定誤差が発生する。上記の詳細説明は、Ｚｎ濃度について倍または半分の精度での議論であるが、それはこの測定精度のあらさからきている。したがって、たとえば５×１０１６／ｃｍ３と、６×１０１６／ｃｍ３との相違を議論するのは、測定精度上、難しく、またそれほど大きな意味がない。
【００３４】
拡散濃度分布調整層にバンドギャップエネルギの狭い材料を用いると、不純物濃度が低くても電気抵抗の増加を抑制することができる。逆バイアス電圧印加等に対する応答速度は、容量および電気抵抗によるＣＲ時定数で決まると考えられるので、電気抵抗Ｒの増大を、上記のように抑制することにより応答速度を短くすることができる。
【００３５】
３.本実施の形態では、多重量子井戸構造をタイプＩＩとする。タイプＩの量子井戸構造では、バンドギャップエネルギの小さい半導体層を、バンドギャップエネルギの大きい半導体層で挟みながら、近赤外域に受光感度を持たせる受光素子の場合、小さいバンドギャップエネルギの半導体層のバンドギャップにより受光感度の波長上限（カットオフ波長）が定まる。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、小さいバンドギャップエネルギの半導体層内で行われる（直接遷移）。この場合、カットオフ波長をより長波長域まで拡大する材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体内で、非常に限定される。これに対して、タイプＩＩの量子井戸構造では、フェルミエネルギを共通にして異なる２種の半導体層が交互に積層されたとき、第１の半導体の伝導帯と、第２の半導体の価電子帯とのエネルギ差が、受光感度の波長上限（カットオフ波長）を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第２の半導体の価電子帯と、第１の半導体の伝導帯との間で行われる（間接遷移）。このため、第２の半導体の価電子帯のエネルギを、第１の半導体の価電子帯より高くし、かつ第１の半導体の伝導帯のエネルギを、第２の半導体の伝導帯のエネルギより低くすることにより、１つの半導体内の直接遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を実現しやすい。
【００３６】
４.上述のように、選択拡散マスクパターンを用いて選択拡散により、受光素子の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してｐ型不純物を拡散導入するので、上記のｐｎ接合は受光素子の端面に露出しない。この結果、光電流のリークは抑制される。
【００３７】
図３は、上記の受光素子１０を、共通のＩｎＰ基板を含むエピタキシャルウエハに複数個配列した受光素子アレイ５０を示す断面図である。受光素子１０が複数個、素子分離溝なしに配列されている点に特徴を持つ。上述の４.で述べたように、各受光素子の内側にｐ型領域６が限定され、隣接する受光素子とは、確実に区分けされている。受光層３が多重量子井戸構造で形成されており、受光層３の上に拡散濃度分布調整層４が配置されて、受光層３内のｐ型不純物濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下とされている点などは、図１の受光素子１０と同じである。
【００３８】
次に、図１に示す受光素子１０の製造方法について説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、２μｍ厚みのＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２を成膜する。次いで、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造の受光層３を形成する。ＩｎＰと格子整合するようＩｎＧａＡｓの組成はＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓとし、ＧａＡｓＳｂの組成はＧａＡｓ0.52Ｓｂ0.48とする。これにより格子整合度（｜Δａ／ａ｜：ただし、ａは格子定数、Δａは相互間の格子定数差）を０．００２以下とする。単位量子井戸構造を形成するＩｎＧａＡｓ層（またはＧａＩｎＮＡｓ層）の厚みは５ｎｍであり、ペア数（単位量子井戸の繰り返し数）は３００である。次いで、受光層３の上に、Ｚｎ拡散導入の際の拡散濃度分布調整層４として、厚み１μｍのＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み１μｍのＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長する。上記の受光層３および拡散濃度分布調整層４は、ともにＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、ＩｎＰ窓層５は、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長してもよいし、拡散濃度調整層４を成長させた後、ＭＢＥ装置から取り出して、ＭＯＶＰＥ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。
【００３９】
ＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２は、ノンドープでもよいし、Ｓｉなどｎ型ドーパントを１×１０１７／ｃｍ３程度ドーピングしてもよい。ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂの多重量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓの拡散濃度分布調整層４、およびＩｎＰ窓層５は、ノンドープが望ましいが、Ｓｉなどｎ型ドーパントを極微量（たとえば２×１０１５／ｃｍ３程度）ドーピングしてもよい。また、ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１Ｅ１８ｃｍ−３程度ドープしたｎ側電極を形成するための高濃度のｎ側電極形成層を挿入してもよい。また、ＩｎＰ基板１は、Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板であってもよい。この場合は、その半絶縁性ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１×１０１８／ｃｍ３程度ドープしたｎ側電極形成層を挿入する。
【００４０】
上述のＩｎＰ基板１を含む積層構造（エピタキシャルウエハ）を用いて、光デバイスを製造する。ＩｎＰ窓層５の表面５ａに形成したＳｉＮマスクパターン３６を用いて、その開口部からＺｎを選択拡散してＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３内に届くようにｐ型領域６を形成する。ｐ型領域６のフロント先端部がｐｎ接合１５を形成する。このとき、Ｚｎ濃度が１×１０１８／ｃｍ３程度以上の高濃度領域は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内に限定される。すなわち、上記高濃度不純物分布は、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから深さ方向に、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内にまで連続し、さらに拡散濃度分布調整層４内のより深い位置で５×１０１６／ｃｍ３以下に低下する。そして、ｐｎ接合１５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。
【００４１】
受光素子１０の一次元または二次元配列、すなわち図３に示す受光素子アレイは、素子分離用のメサエッチングをすることなくＺｎの選択拡散（受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散）によって、隣り合う受光素子どうし分離する。すなわち、Ｚｎ選択拡散領域６が１つの受光素子１０の主要部となり、１つの画素を形成するが、Ｚｎが拡散していない領域が、各画素を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。
【００４２】
不純物の選択拡散によってｐｎ接合を形成する場合、拡散が深さ方向だけでなく横方向（深さ直交方向）にも進行するので、素子間隔を一定以上、狭くすることができない懸念が、上記特許文献１０に表明されている。しかしながら、実際にＺｎの選択拡散を行ってみると、最表面にＩｎＰ窓層５があり、その下にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が配置された構造では、横方向の拡散は、深さ方向と同程度またはそれ以下に収まることが確認された。すなわち、Ｚｎの選択拡散において、Ｚｎはマスクパターンの開口径よりも横方向に広がるが、その程度は小さく、図１、図３などに模式的に示すように、マスクパターン開口部よりも少し広がるだけである。
【００４３】
図４は、本発明とは異なる参考例１における受光素子１１０を示す断面図である。参考例１の受光素子１１０では、次の積層構造を有する。
（ＩｎＰ基板１０１／ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓバッファ層１０２／（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層１０３／ＩｎＰ窓層１０５）
ｐ型領域１０６は、選択拡散マスクパターンを用いてＩｎＰ窓層１０５の表面１０５ａから受光層１０３内に届くように選択拡散されることで、形成されている。ｐ型領域１０６の先端にｐｎ接合１１５が形成される。本発明の実施の形態における積層構造と比較して、拡散濃度分布調整層がないことが相違点である。すなわち、ＩｎＰ窓層１０５の直下に、多重量子井戸構造の受光層１０３が配置されている。
【００４４】
拡散濃度分布調整層がないと、図５に示すように、たとえばＺｎ濃度分布は多重量子井戸構造の受光層１０３まで高い濃度となる。すなわち、多重量子井戸構造内において、５×１０１６／ｃｍ３を超えて１×１０１８／ｃｍ３の高い不純物濃度領域が形成される。多重量子井戸構造に高濃度不純物が導入されると、その構造が破壊され、暗電流が大きく増大する。逆に、このような高濃度不純物領域が、多重量子井戸構造内に形成されないようにするために、拡散濃度分布調整層を設けて選択拡散を行うのである。
【００４５】
しかしながら、Ｚｎの選択拡散において、次のような考え方が成立する余地がある。
（１）拡散導入時間を短時間に限定して、高濃度領域が多重量子井戸構造１０３内にかからないようにする。
（２）ＩｎＰ窓層１０５の厚みを厚くして、拡散濃度分布調整層の役割をＩｎＰ窓層１０５に分担させる。
図６は、上記の（１）および（２）の場合を検討するための参考例２における受光素子１１０を示す断面図である。参考例２の受光素子１１０では、参考例１の受光素子とほぼ同じ積層構造を有するが、ＩｎＰ窓層１０５の厚みは、参考例１よりも厚くしており、上記（２）の場合に対応するが、（１）の場合も検討することは可能である。図６の積層構造において、多重量子井戸構造１０３内にＺｎの高濃度領域を形成しないように選択拡散を行った結果、得られたのが図７に示すＺｎ濃度分布である。図７に示すＺｎ濃度分布の場合、ＩｎＰ窓層１０５内において、Ｚｎ濃度は、高濃度から低濃度へと急峻に低下し、受光層側のＩｎＰ窓層１０５内において、１×１０１６／ｃｍ３程度の低濃度不純物領域が形成される。
【００４６】
ＩｎＰ窓層１０５内において、１×１０１６／ｃｍ３程度の低濃度不純物領域が形成されると、その領域では、繰り返し説明してきたように電気抵抗が高くなり、応答速度が低下する。このため、窓層を形成するほどバンドギャップエネルギが大きい材料に、具体的にはその典型材料であるＩｎＰ窓層１０５に、拡散濃度分布調整層の役割を果たさせることはできない。このことは、上記（１）および（２）の場合について同じである。よって、拡散濃度調整層には、バンドギャップエネルギがＩｎＰ相当以下、具体的には１．３４ｅＶ未満を満たす材料を用いるのがよい。すなわち、低濃度不純物領域でも、電気伝導度の低下が比較的小さく、電気抵抗の増加が比較的小さいＩｎＧａＡｓのような材料を用いる必要がある。
【００４７】
（実施の形態２−生体成分検出装置における撮像装置（成分の分布像形成装置）の構造−）
図８は本発明の実施の形態２における、生体成分検出装置に含まれる撮像装置（受光素子アレイ）の概要を示す図である。レンズなどの光学部品は省略してある。図９は、上記の撮像装置または検出装置（イメージセンサ）７０のうちの受光素子アレイ５０を説明するための図である。図１０は、図９の受光素子アレイ５０のうちの１つの受光素子を示す図である。図８において、この撮像装置７０は、共通のＩｎＰ基板５１の上に形成された受光素子１０がエピタキシャル層側を、実装基板の機能を有するマルチプレクサ７１に向けて、いわゆるエピダウン実装されている。各受光素子１０のエピタキシャル層のｐ型領域６と電気的に接続されるｐ側電極１１と、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１（１）に設けられるｎ側電極１２とは、マルチプレクサ７１に接続され、電気信号をマルチプレクサに送り、マルチプレクサ７１では各受光素子における電気信号を受けて、対象物の全体像を形成する処理を行う。ｎ側電極１２およびｐ側電極１１は、それぞれはんだバンプ１２ｂ，１１ｂを介在させてマルチプレクサ７１と電気的に接続される。入射光は、ＩｎＰ基板５１の裏面に形成したＡＲ(Anti-Reflection)膜３５を通して導入され、ｐ型領域６と受光層３との界面であるｐｎ接合１５で受光される。ｐ型領域６は、保護膜を兼ねるＳｉＮのＺｎ拡散マスク３６の開口部から導入される。Ｚｎ拡散マスクパターン３６は、その上に形成された保護膜のＳｉＯＮ膜パターン４３とともにそのまま残される。受光素子アレイおよび各受光素子の構造については、図９および図１０を用いて、次に詳しく説明する。
【００４８】
図９において、受光素子アレイ５０の受光素子１０は、共通のＩｎＰ基板５１（１）に設けられている。各受光素子でＳＷＩＲ帯の光を受光することにより生じた電流信号は、上述のように実装基板を兼ねたマルチプレクサ７１に送られ、画像形成の処理がなされる。各受光素子のサイズやピッチ、アレイの大きさを変えながら、画素数を変化させる。図９に示す受光素子アレイ５０は９万画素のものである。図１０に示す受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に形成された複数のエピタキシャル膜を有し、また、ｐ型領域６を形成する際に用いた、ｐ型不純物導入用の拡散マスク３６を残している。ｐ型領域６にはｐ部電極１１が接続され、はんだバンプなどによりマルチプレクサ７１など実装基板の配線などへと接続される。
【００４９】
図１１は、図８に示したエピダウンの受光素子と異なり、エピアップ実装の受光素子を説明する断面図である。本発明においては、撮像装置内の受光素子はエピダウン実装でもエピアップ実装でも、どちらでもよい。この受光素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、下から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５／拡散マスク３６／反射防止膜（ＡＲ膜:Anti-Reflection）３５が位置している。ｐ型領域６は、ＩｎＰ窓層５から拡散濃度分布調整層４を経て受光層３内のｐｎ接合１５まで形成されている。また、ｎ側電極１２がｎ型ＩｎＰ基板の裏面に位置し、ｐ側電極１１は、ｐ型領域６のＩｎＰ窓層５の表面に位置し、配線電極２７に電気的に接続されている。本実施の形態においては、受光層３は、波長１．０μｍ〜３．０μｍの範囲の光を受光する。具体的には、受光層３は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。
【００５０】
図１１に示す受光素子は、上記したようにエピアップ実装され、エピタキシャル層すなわちＩｎＰ窓層５の側から光を入射される。本実施の形態における受光素子は、上述のように、エピアップ実装でもエピダウン実装でもよく、図１２に示すように、エピダウン実装され、ＩｎＰ基板１の裏面側から光を入射されるタイプでもよい。図１２のエピダウン実装の受光素子１０の場合、ＩｎＰ基板１の裏面にＡＲ膜３５が施される。拡散濃度調整層４、ＩｎＰ窓層５、ｐ側電極１１および保護膜を兼ねるＳｉＮの拡散マスク３６は、エピアップ実装の場合と同様に設けられる。図１２に示すエピダウン実装の場合、ＩｎＰ基板などＩｎＰはＳＷＩＲ帯光に透明なので、ＳＷＩＲ帯光は吸収されることなく、受光層３のｐｎ接合１５に到達する。図１２の構造においても、受光層は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。以後の本発明例においても、とくに断らない限り、同様である。
【００５１】
ｐ側電極１１と、ｎ側電極１２とは、図１１に示すようにＩｎＰ基板１を間に挟んで対向する位置に配置してもよいし、図１２に示すようにＩｎＰ基板１の同じ側の位置に配置してもよい。図１２に示す構造の場合、図９に示す受光素子アレイ５０の各受光素子１０と集積回路とはフリップチップ実装により電気的に接続される。図１１および図１２の構造の受光素子において、ｐｎ接合１５に到達した光は吸収され、電流信号を生じ、上述のように、集積回路を通して各々一画素の像に変換される。
【００５２】
ＩｎＰ基板１は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に５度〜２０度傾斜したオフアングル基板とするのがよい。より望ましくは、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に１０度〜１５度傾斜させる。このような大きなオフ角基板を用いることにより、欠陥密度が小さく結晶性に優れたｎ型ＩｎＰバッファ層２、タイプＩＩの量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光素子アレイや検出装置を得ることができる。このため、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を受光して撮像する装置の性能を大きく向上させる受光層を得ることができる。すなわち上記オフアングル基板を用いて形成された受光素子の有する作用は、宇宙光を受光して撮像する撮像装置の品質向上にとくに有用である。
【００５３】
上記のような大きなオフ角は、ＩｎＰ基板について提唱されたことはなく、本発明者らによってはじめて確認されたものであり、ＩｎＰ基板上に良好な結晶性のエピタキシャル膜を成長させる場合の重要な要素である。たとえば、非常に長波長域の発光及び受光が可能であるとする、上記の量子井戸構造の受光層３中に、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓが含まれる場合、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、実際には、実用に耐える、良好なエピアキシャル層として形成されることは不可能である。すなわち、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓは暗電流を抑制し、暗点を減らした受光層になることはない。この結果、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を用いて鮮明な画像を得ることができない。上記例としてあげたＧａＩｎＮＡｓだけでなく、ＧａＩｎＮＡｓＰおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂにおいてもＩｎＰ基板のオフ角は、上記のような大きい角度範囲が、良好な結晶性を得るのに必要であるという点で同じである。
【００５４】
図１１および図１２に示す受光素子１０では、受光層３を覆うように位置するＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を備える。受光層３の格子定数がＩｎＰ基板１の格子定数と同じであるため、受光層３の上に、暗電流を小さくすることで定評があるＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を形成することができる。このため、暗電流を抑制し、素子信頼性を向上させることができる。
【００５５】
（実施の形態３：生体成分検出装置（１）−血糖値：反射光による測定−）
図１３は、本発明の実施の形態３における生体成分検出装置１００を示す図である。また図１４は、図１３の生体成分検出装置１００におけるプローブを示す図である。糖尿病患者にとって、自身の血糖値を知ることは、重要であり、血糖値の上昇に対してインシュリン投与により、これを低下させる。このため患者は、血糖値を日常的に測定するが、血液を採取することなく、非侵襲的に精度よく測定できれば、患者にとって好ましい。
非侵襲的な血糖値測定は、皮膚組織中のグルコース濃度が血液中のグルコース濃度と高い正の相関関係を有することに基づいており、皮膚組織中のグルコース濃度をもって血糖値とする。皮膚組織中のグルコース濃度は、数十〜数百ｍｇ／ｄｌと微量であるため、皮膚に近赤外光を照射し、皮膚組織を透過または拡散反射した光を、高い精度で捉える必要がある。
【００５６】
高い精度で微量のグルコース濃度を測定するためには、グルコースの近赤外域の吸収帯において、２つ以上の吸収帯を用いることが効果的である。グルコースは、波長１μｍ〜３μｍの範囲に多くの吸収帯をもつが、従来のＩｎＧａＡｓアレイを用いる限り、精度よく測定できるのは、波長１．７μｍ以下の近赤外光であり、それより長波長域の吸収帯の光については、高精度の測定はできなかった。図１３に示すように、図８に示す検出装置７０を用いることにより、波長３．０μｍまで拡大して受光することができる。また、回折格子９１と受光素子アレイ５０との位置合わせをしておくことで、グルコースの吸収スペクトルを１回（１チャンス）の照射および受光で行うことができる。したがって、波長１．８μｍ以上の吸収帯を用いてグルコース濃度を測定することが容易となり、皮膚中の微量のグルコースを精度よく簡単に測定することが可能になる。
【００５７】
グルコース濃度の測定精度を上げるための、次の要因がある。吸光度やベースラインの変動をできるだけ抑えることで、スペクトル測定の安定度を高めることができる。測定されるスペクトルに変動を与える装置上の要素には、光源、受光素子ユニットなどの部品間の位置関係の変動、環境温度の経時変化等がある。これらの変動を補正するために、生体信号とは別個にセラミック板等の基準板を反射させたレファレンス信号を測定し、それを基準光とするのが一般的である。このため、スペクトル測定を安定して行うためには、レファレンス信号の安定した測定が可能であることが重要となる。
【００５８】
図１３を例にとると、検出部位の測定における近赤外光は、つぎの経路をとる。
光源７３→拡散板７４→照射用光ファイバ８１→センシング部（プローブ）８３→検出部位→センシング部（プローブ）８３→情報搭載光ファイバ８２→回折格子（分光器）９１→検出装置７０→濃度算出用マイコン８５ｂ
上記の経路をとる場合、照射用光ファイバと情報搭載光ファイバとが付いたプローブを、検出部位（皮膚）にあてる。一方、レファレンス信号の測定は、上記の検出部位が、基準板に置き換わるだけである。上記のプローブを、皮膚から離して基準板に押し当てる操作を行う。上記のレファレンス信号および生体信号をもとにして、濃度算出用マイコンはグルコース濃度を算出する。
【００５９】
上記の方式によるレファレンス信号の測定は、プローブと基準板との位置再現のばらつき、およびレファレンス信号と生体信号との測定時差の発生があり、測定ごとの上記作業の繰り返しがレファレンス信号の安定的な測定を困難にする。このため、従来、レファレンス信号変動によるスペクトル測定の不安定性を十分に補正できず、精度よくグルコース濃度分析を行うことが困難であった。図１４に示すプローブ８３は、このレファレンス信号測定の不安定性を解消する。基準板の測定を行うことなく、直接、照射用光ファイバ８１と情報搭載光ファイバ８２とを繋ぐ光ファイバ８４を配置して、それぞれにスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を配置する。これによって、プローブと基準板との位置再現のばらつきはなくなり、レファレンス信号と生体信号との測定時差は軽減される。スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、手動でもよいし、マイコン８５ｂからの指示で自動的にオンオフされる自動スイッチにしてもよい。
【００６０】
（実施の形態４：生体成分検出装置（２）−血糖値：透過光による測定−）
図１５は、本発明の実施の形態４における生体成分検出装置１００を示す図である。図１５において、受光部に上述の検出装置７０を用い、グルコースの近赤外域の長波長域に位置する吸収帯を用いて濃度測定を行うという点では、実施の形態３と同じである。本実施の形態では、生体を透過した近赤外光を測定してグルコース濃度を求める点で、実施の形態３と相違する。図１５に示す例は、ヒトの指の透過光を受光するが、皮膚、筋肉、血液など多くの生体組織の情報を得ることができる。
【００６１】
レファレンス信号の測定は、生体（指）の装入時には退き、生体が退いた時に装入される基準板の透過光によって行う。基準板の厚みは、基準板の材料にもよるが透過光の光量が十分あるように薄くしておくのがよい。基準板の移動は、アクチュエータ７５によって行うことで、位置や姿勢（角度）のばらつきが生じないようにする。
上記のような基準板を用いる代わりに、図１４に示したように、照射用光ファイバ８１と情報搭載光ファイバ８２とを迂回して繋ぐ光ファイバ８４を配置して、それぞれの光ファイバ８１，８２，８４にスイッチを設けてもよい。
【００６２】
（実施の形態５：生体成分検出装置（３）−血糖値：透過光による測定−）
図１６は、本発明の実施の形態５における生体成分検出装置１００を示す図である。この生体成分検出装置１００では、筐体７７の一部に生体装入溝７７ａを設けて、その生体装入溝７７ａに装入された生体の透過光を用いて血糖値を検出する点に特徴がある。装入される生体部位は、肩から先、たとえば腕や掌を想定して、これらのうちの最大サイズの生体装入溝７７ａとすることができる。特別に耳たぶを専門にした生体装入溝７７ａであってもよい。
【００６３】
近赤外光の経路は、つぎのとおりである。
光源７３→集光レンズ８７→反射鏡７６→集光レンズ８７→照射用光ファイバ８１→検出部位→受光端部８２ａ→押圧調整アクチュエータ８２ｂ→情報搭載光ファイバ８２→集光レンズ８７→回折格子９１→検出装置７０（図８参照）
掌で手刀をつくったときの小指の下方は、骨を介在させずに光を通すことができるので、血糖値の測定には有効である。上記の生体装入溝７７ａは、とくに上記の小指下方の掌部に対象を絞る必要はなく、上記押圧調整アクチュエータ８２ｂなどによって、位置合わせを行うことができる。これによって、患者が自身で、簡単に、精度よく、血糖値を測定することが可能となる。
検出装置７０内の受光素子アレイ５０が、近赤外域の長波長域まで受光可能であり、測定精度を向上させることについては、実施の形態３および４と同じである。光源は、ハロゲンランプ等を用いるのがよいが、この生体成分検出装置１００の場合、光源には、発熱の小さいコンティニューム光源やＬＥＤを用いることが好ましい。
【００６４】
（実施の形態６：生体成分検出装置（４）−血糖値：１つのプローブによる複数サンプリングによる精度向上−）
図１７は、本発明の実施の形態６における生体成分検出装置１００を示す図である。また図１８は、図１７の生体成分検出装置１００におけるプローブの部分の拡大図である。この生体成分検出装置１００では、検出部位（皮膚）に近赤外光を照射して、反射光から情報を得る。そのとき、照射光およびプローブは、図１８に示すように、単一であるが、プローブ８３内に３つの受光端部６１，６２，６３が収納されている。これら３つの受光端部６１，６２，６３で受光された近赤外光は、それぞれ別の情報搭載光ファイバ８２を伝播する。回折格子９１で分光され、検出装置７０（図８参照）で受光される際に、選択スイッチ６６によって、受光端部６１，６２，６３で取り込まれて伝播してきた光を、別個に分光して受光する。本実施の形態における特徴は、１つのプローブ内に複数の受光端部を収納し、反射光を複数位置で取り込んで分光、解析する点にある。受光端部には、プリズム、光ファイバなどを用いることができる。
【００６５】
皮膚に照射された近赤外光は、皮膚内の表層部を拡散したあと、外部に出て、それが受光端部に取り込まれる。複数の取り込み、または複数サンプリングを行うことで、検出部位の皮膚における近赤外光の経路が、特別な一つではなく平均化される。この皮膚表層部における経路の平均化によって、血糖値データの信頼性を大きく向上させることができる。このような複数サンプリングの効果を確実に得るためには、受光端部の相互の間隔ｄは、たとえば１ｍｍ程度以上はあることが好ましい。
図１７に示す生体成分検出装置１００は、受光端部６１，６２，６３のそれぞれの光について、波長１μｍから３μｍまでのスペクトルを示すことができる。演算部（マイコン）８５は、それぞれの受光端部からの光について、同一の複数の波長、またはそれぞれについて異なる複数の波長を用いて、生体成分濃度を得ることができる。生体成分としては、血糖値だけでなく、コレステロール、アルブミン、ヘモグロビン、ビリルビンなどを精度よく検出することができる。
【００６６】
（実施の形態７：生体成分検出装置（５）−体脂肪−）
図１９は、本発明の実施の形態７における生体成分検出装置１００を示す図である。本実施の形態では、生体成分を体脂肪とする。体脂肪は近赤外域に複数の吸収帯をもつので、近赤外スペクトルにより、検出を行うことができる。体脂肪の検出には、圧力を付加することが行われる。図１９において、テーブル９５にはプローブ８３が嵌め込まれ、そのプローブ８３に、生体（指）が載せられる。プローブ８３には、照射用光ファイバ８１と情報搭載光ファイバ８２が装着されている。指には、エアバック９６によって圧力が加わるようになっている。エアバック９６は、ハウジング９７に収納され、エア配管６９により空気の装入や放出が行われる。圧力計６８に基づき、マイコン８５はエアポンプ６９を適宜稼動させ、エア配管６９から空気をエアバック９６に送り込み、指に圧力を付加することができる。
【００６７】
また、近赤外光の経路はつぎのとおりである。
光源７３→照射用光ファイバ８１→プローブ８３→指→プローブ８３→情報搭載光ファイバ８２→回折格子９１→検出装置７０（図８参照）→マイコン８５
指にかかる圧力は圧力計６８で知ることができ、圧力ごとに、体脂肪の比率を知ることができる。さらに、従来は、体脂肪の近赤外光による検出では、もっぱら１．２１μｍの吸収ピークが用いられていた。上記のように、検出装置７０内の受光素子アレイ５０（図３、図８参照）を用いることにより、波長３μｍまで、受光可能域を拡大できるので、３μｍまでのより長波長域の吸収ピークを用いて、体脂肪率をより高精度で検出することができる。
【００６８】
（実施の形態８：生体成分検出装置（６）−角膜のコラーゲン分布検出−）
ここでは、特定の課題を解決するのではなく、生体中とくに光に敏感な眼の角膜におけるコラーゲン分布の検出に、本発明に係る生体成分検出装置が有用であることを提唱する。角膜は、主としてコラーゲンと組織液とから構成される。このコラーゲンは、美容上、重要な成分であり、吸収帯は、１μｍ〜３μｍの範囲に多く分布する。このため、図３または図８に示した本発明の受光素子アレイ５０または撮像装置７０による検出に適している。
図２０は、本発明の実施の形態８における生体成分検出装置（眼のコラーゲン分布像形成装置）１００を示す図である。眼の見え方は角膜だけで決まるものではないが、角膜の状態を知ることは必要である。
凹面鏡７６は近赤外光に対する反射率が大きいものを用いるのがよく、たとえば金（Ａｕ）で形成したものを用いる。凹面鏡７６は、眼の正面ではなく傍らに位置して、角膜から出た光を反射して、角膜の像を撮像装置７０に結像させるようにする。フィルタ７２は、コラーゲンの吸収帯に属する１μｍ〜３μｍの光を透過させるものがよい。制御部８５のマイクロコンピュータ８５ｂは、撮像装置７０の画素の出力信号に基づいて、角膜Ｃにおけるコラーゲン分布像を形成し、表示装置８５ｃに表示する。本発明に係る撮像装置７０は、たとえば図８に示すものを用いるのがよい。暗電流が低く、長波長側にまで感度が高いため、Ｓ／Ｎ比の高い、鮮明なコラーゲン分布像を得ることができる。このため、眼におけるコラーゲンの果たす作用などの理解に役立つ。
【００６９】
眼は光に対して非常に敏感に反応するので、できれば光源７３は使用しないことが好ましい。図２１は、ＳＷＩＲ宇宙光の強度分布を示す図である。たとえば、このＳＷＩＲ宇宙光のスペクトルのピークＩを、光源に用いることができる。ピークＩの波長は、１．４μｍ付近にあり、コラーゲンの吸収帯に近い。このため、図２１において、光源７３を除いて、ＳＷＩＲ宇宙光で代用することができる。または、人工の光源７３を用いるにしても、光を近赤外域に限定して、しかもそのピーク値をＳＷＩＲ宇宙光のピーク強度のたとえば２倍とすることでもよい。上記ＳＷＩＲ宇宙光を光源にすることでアイセーフが確実に実現される。上記のように、ＳＷＩＲ宇宙光を用いたり、強度レベルの低い光源を用いることができるのは、本発明に係る撮像装置７０の暗電流を低くできるからである。すなわち微弱な信号でも、鮮明な画像を形成することができるからである。
【００７０】
（実施の形態９：生体成分検出装置（７）−角膜矯正手術における角膜コラーゲン分布検出−）
ＡｒＦエキシマレーザを用いて、角膜を蒸散させ、精密な角膜矯正手術を行う方法が知られている。このような角膜矯正手術は、矯正量の制御性がよい、手術が自動化されている、安定性に優れる、術後の感染性副作用が少ない、角膜の強度低下が少ない等の利点を有している。しかしながら、上記の角膜矯正手術は、弱度近視と中程度近視に対する臨床試験結果は有効であるのに対し、ＡｒＦエキシマレーザによる角膜中央部へのレーザ照射回数を増加させると、生体液の角膜表面への浸出が顕著になり、角膜の蒸散が進まなくなる。このため、強度近視に対して予定した矯正量を得ることができず、手術の成功率が悪くなるという問題があった。角膜にＡｒＦエキシマレーザを照射したとき、蒸散時に角膜表面から発生するキノコ状の噴霧を取り除くために窒素ガスを吹き付けると、表面が乾燥して蒸散面の平滑化が悪化するという問題があった。
【００７１】
上記のように、術中における角膜表面の湿潤状態は、蒸散の良否を左右する重要な要因となっており、術中の角膜表面の湿潤状態をモニタする必要がある。ＡｒＦエキシマレーザの照射による角膜蒸散のとき、主にコラーゲンがレーザを吸収して蒸散し、角膜の約８０％を占める組織液は、残存角膜から浸出し、その部分の組成が変化してＡｒＦエキシマレーザの吸収が変化する。コラーゲンの蒸散に費やされたＡｒＦエキシマレーザは、コラーゲンの分子の振動、回転に変換され、温度上昇が生じる。このため、温度の４乗に比例した強度の赤外光が放射される。この赤外光をモニタすることで、角膜の湿潤状態を検出することができるとの提案がなされている（特許文献７）。この方法では、１つの角膜Ｃの全体に対して、赤外線の波形が一つ対応するだけなので、角膜全体の平均的な湿潤状態についての情報が得られるだけである。しかし、実際は、組織液の浸出は、１つの角膜のなかで、島状に分かれて生じるため、角膜の各位置の湿潤状態の情報があったほうが好ましい。
【００７２】
本発明に係る撮像装置７０または受光素子二次元アレイ５０を用いることによって、角膜の各位置におけるコラーゲン濃度の情報を明確に得ることが可能である。術中に過渡的に浸出が生じるときの、角膜全体にわたるコラーゲン分布推移を検出することができる。このような検出は、角膜の状態に貴重な情報をもたらすことは明らかである。この場合、上記パルスレーザのパルス幅は１０ｎｓのオーダであり、その後の数ｍｓ〜１０００ｍｓの間のコラーゲン分布を検出することが重要である。ＡｒＦエキシマレーザショット後、１０ｎｓ程度で、角膜蒸散のキノコ雲状の噴霧が発生するが、この噴霧の影響をなるべく受けないように、角膜表面のコラーゲン分布を数ｍｓ〜数十ｍｓのオーダで追跡して検出する必要がある。
【００７３】
図２２および図２３は、本発明の実施の形態９における、手術中の角膜のコラーゲン分布を検出する装置を説明するための図である。光源７３は、図示しないＡｒＦエキシマレーザの出射部と重ならないように配置する。図２２において、光学系は、角膜の像を、撮像装置７０または受光素子二次元アレイ５０に結像するように構成されている。角膜のコラーゲンが多い箇所は画素または受光素子の出力電圧は小さく（暗く）、またコラーゲンが少ない箇所では出力電圧は高く（明るく）なる。ＡｒＦエキシマレーザショットの直後、撮像装置７０または受光素子二次元アレイ５０、の各画素の出力電圧の波形（時間推移）は、制御部８５に含まれる処理装置８５ｂに入力され、記憶される。撮像装置７０の画素または二次元アレイの受光素子１０は、図２３に示すように、細かく区分けされた角膜Ｃの各位置に対応づけられる。
【００７４】
本発明に係る撮像装置７０は、角膜の各位置のコラーゲン分布を医学的に把握するのに十分すぎるほどの密度で画素を形成することができる。そして、隣接する画素間でのクロストークも小さく、暗電流も非常に小さくすることができる。また、上述のように、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓで形成することで応答時間を短くすることが可能である。このため、各画素において出力電圧波形を、高い追随性をもって高精度で得ることができる。このような画素の波形をすべて集めて角膜の地図上でコラーゲン分布濃度をプロットすれば、ＡｒＦエキシマレーザショット直後における角膜全体での浸出状況を把握することができる。
【００７５】
（実施の形態１０：生体成分検出装置（８）−顔面のコラーゲン分布像−）
顔面のコラーゲン分布像は、美容的に、重要である。たとえば、唇の端や目尻にしわが出来ている場合、コラーゲン濃度は低いとされる（特許文献６）。コラーゲン濃度が高いことと、皺のない張りのある肌とは相関が高い可能性がある。本実施の形態における撮像装置７０の構成は、実施の形態８または９と、同じであり、図示はしない。
本発明に係る撮像装置７０を用いれば、顔面の鮮明なコラーゲン分布像を得ることができる。また、上述のように、顔面のコラーゲン分布像の撮像には、アイセーフが問題とされる。本発明に係る撮像装置７０は、微弱な信号でも鮮明な像を得ることができるので、光源を用いずにＳＷＩＲ宇宙光を用いることができる。また、光源を用いる場合でも、発光強度の低い光源を用いることができる。このため、アイセーフの問題を克服するのが容易である。
【実施例】
【００７６】
−半導体受光素子アレイの構造についての実施例−
本発明の受光素子アレイの素子間隔または画素ピッチをどの程度まで小さくできるか、図２４に示す受光素子アレイを用いた実施例によって検証した。受光素子間隔または画素ピッチは、図２４に示すように、ＳｉＮ選択拡散マスクパターン３６の非開口部の幅である。Ｚｎの選択拡散の後に、ｐ側電極１１はＡｕＺｎにより、またｎ側電極１２はＡｕＧｅＮｉにより、それぞれ形成した。図３の場合、ＩｎＰ基板１にＦｅドープの半絶縁性基板を用いているので、高濃度不純物のバッファ層２にｎ側電極１２を設けているが、図１に示すようにｎ型ＩｎＰ基板を用いる場合には、基板裏面にｎ側電極を設けてもよいし、または基板表面側に基板と隣接するｎ型半導体層（たとえばバッファ層２）にｎ側電極を設けてもよい。本実施例では、図３の受光素子アレイのｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に５Ｖの逆バイアス電圧を印加して、暗電流を測定した。ＩｎＰ窓層５の厚みは０．６μｍと１．６μｍの２種類について、また素子間隔は３μｍ〜２０μｍの範囲にわたって７種類の素子間隔について、それぞれ受光素子アレイを製造して、暗電流を測定した。拡散濃度分布調整層４の厚みは１μｍとした。
【００７７】
結果を図２５に示す。図２５によれば、ＩｎＰ窓層５の厚みが０．６μｍと薄い場合、素子間隔または画素ピッチを５μｍまで小さくしても、暗電流は１×１０−１０Ａ（アンペア)とすることができる。ＩｎＰ窓層５の厚みが１．６μｍの場合には、上述したように、横方向へのＺｎの拡散が広がり、素子間隔７μｍを超えないと、１×１０−１０Ａとすることができない。しかし、本実施例によって、ＩｎＰ窓層５の厚みを０．６μｍと薄くし、かつ拡散濃度分布調整層を配置することによって、素子間隔５μｍとすることができることを確認した。
【００７８】
拡散濃度分布調整層４の作用については、Ｚｎの深さ方向濃度分布をＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectroscopy)分析によって検証した。図２６に、Ｚｎの深さ方向濃度分布を示す。図２６によれば、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４と受光層３との界面において、Ｚｎのパイルアップのピーク値は５×１０16ｃｍ-3以下に抑制されている。このため、受光層３のｎ型キャリア濃度のバックグラウンドと、Ｚｎ濃度との交差位置（図中○印）に形成されるｐｎ接合において、Ｚｎ濃度は確実に低くすることができ、結晶性等の劣化を防止することができる。そして、この拡散濃度分布調整層４の配置によって、受光層の多重量子井戸構造にその本来の作用を奏させることが可能になる。
【００７９】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、ＩｎＰ系ＰＤの画期的な性能向上によって、既存の装置に比べて、高精度な検査を容易に行うことができるので、健康および美容の分野で大きな貢献をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子を示す断面図である。
【図２】図１の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における受光素子アレイを示す断面図である。
【図４】本発明と異なる参考例１の受光素子の断面図である。
【図５】図４の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図６】本発明と異なる参考例２の受光素子の断面図である。
【図７】図６の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２における撮像装置の概要を示す図である。
【図９】図８の撮像装置の受光素子アレイを示す図である。
【図１０】図９の受光素子アレイにおける一つの受光素子を示す図である。
【図１１】エピアップ実装の受光素子の断面図である。
【図１２】エピダウン（フリップチップ）実装の受光素子の断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３における生体成分検出装置（１）を示す図である。
【図１４】図１３の生体成分検出装置のプローブの拡大図である。
【図１５】本発明の実施の形態４における生体成分検出装置（２）を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態５における生体成分検出装置（３）を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態６における生体成分検出装置（４）を示す図である。
【図１８】図１７の生体成分検出装置のプローブの拡大図である。
【図１９】本発明の実施の形態７における生体成分検出装置（５）を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態８における生体成分検出装置（６）を示す図である。
【図２１】ＳＷＩＲ宇宙光スペクトルと本発明例の受光素子の感度分布を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態９における生体成分検出装置（７）を示す図である。
【図２３】コラーゲンが検出される角膜上の位置を示す図である。
【図２４】実施例に用いた受光素子アレイの部分断面図である。
【図２５】実施例において測定した暗電流と素子間隔との関係を示す図である。
【図２６】実施例におけるＺｎの深さ方向濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層、３ 多重量子井戸構造の受光層、４ 拡散濃度分布調整層、５ ＩｎＰ窓層、５ａ 窓層の表面、６ ｐ型領域、１０ 受光素子、１１ ｐ側電極、１２ ｎ側電極、１２ｂ はんだバンプ、１５ ｐｎ接合、３５ 反射防止膜、３６ 選択拡散マスクパターン、２７ 配線電極、４３ ＳｉＯＮ膜、５０ 受光素子アレイ、５１ ＩｎＰ基板、６１，６２，６３ 受光端部、６６ 選択スイッチ、６７エアポンプ、６８ 圧力計、６９ エア配管、７０ 撮像装置（検出装置）、７１ マルチプレクサ（実装基板）、７２ フィルタ、７３ 光源、７４ 拡散板、７５ アクチュエータ、７６ 凹面鏡、７７ 筐体、７７ａ 生体装入溝、８１ 照射用光ファイバ、８２ 情報搭載光ファイバ、８２ａ 受光端部、８２ｂ 押圧調整アクチュエータ、８３ プローブ、８４ 光ファイバ、８５ 制御部、８５ｂ マイコン（演算部、ＣＰＵ）、８５ｃ 表示部（出力装置）、８７，８７ａ，８７ｂ 集光レンズ、９１ 回折格子（分光器）、９５ テーブル、９６ エアバッグ、１００ 生体成分検出装置、Ｃ 角膜、Ｅ 眼。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近赤外域の光に対して受光感度をもつ半導体受光素子を用いた生体成分検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒトの血液、体脂肪などの生体成分等は、近赤外域に吸収帯を持つので、近赤外分光法は、非侵襲の分析法として注目され、研究および実用化が急速に進んでいる。とくに近年、糖尿病、肥満等に注目が集まり、血糖中の主成分であるグルコース、コレステロール、脂質等の吸収スペクトル帯が近赤外域にあるため、生体の皮膚等を用いた研究が盛んに行われている。近赤外分光による分析では、出力信号に、必要な情報と、受光素子に起因する大きなノイズが含まれている。このため、センサ（受光素子）の性能向上に全面的に頼らずに、出力信号について必要な情報を抽出するために、分光学的方法またはケモメトリックスなどが重要な手法として用いられている。
【０００３】
上記センサ（受光素子）は、近赤外域では、電子管タイプと固体素子のフォトダイオード（ＰＤ）とに、大別される。このなかで、ＰＤは、小型で、一次元アレイおよび二次元アレイなどの高集積化が容易なので、多くの研究開発が行われている（非特許文献１）。本発明は、ＰＤを用いた生体成分についての検出装置を対象にする。現在、次のようなＰＤ、またはＰＤアレイが用いられている。
（１）赤外域にまで受光感度を持ち、近赤外域にも受光感度をもつＰＤ、またはそのアレイ。このようなフォトダイオードには、たとえばゲルマニウム（Ｇｅ）系ＰＤ、硫化鉛（ＰｂＳ）系ＰＤ、ＨｇＣｄＴｅ系ＰＤ、またはその一次元アレイ、二次元アレイがある。
（２）近赤外域の波長１．７μｍ以下に受光感度を持つＩｎＰ系ＰＤ、そのＩｎＰ系ＰＤの範疇に入るＩｎＧａＡｓ系ＰＤ、またはそのアレイ。ここで、ＩｎＰ系ＰＤとは、ＩｎＰ基板に形成されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の受光層を含むＰＤをいい、ＩｎＧａＡｓ系ＰＤも含まれる。
【０００４】
上記のフォトダイオードのうち、（１）は、ノイズを抑制するため冷却する場合が多く、たとえば液体窒素温度（７７Ｋ）やペルチエ素子で冷却して稼動させるものが多い。このため、装置が大がかりになり装置コストが大きくなる。室温でも用いることはできるが、波長域２．５μｍ以下の範囲で暗電流が大きく、検出能力が劣るという問題を有している。（２）一方、ＩｎＰ系ＰＤの短所は、（Ｉ）ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａＡｓは暗電流が低いが、受光感度が近赤外域の１．７μｍ以下の波長域に限定されること、および（ＩＩ）受光可能な波長域を２．６μｍまで拡大したｅｘｔｅｎｄｅｄ−ＩｎＧａＡｓでは暗電流が大きく冷却する必要があること、である。したがって、ＩｎＰ系ＰＤでは、生体成分の検査で重要となる２．０μｍ以上の光を、用いることができないか、または用いる場合には冷却する必要がある。
【０００５】
近赤外光を用いた生体成分検出においては、糖尿病に直接関係する血糖値（グルコース、ぶどう糖など）を対象とするものが圧倒的に多く（特許文献１〜４）、次いで、体脂肪についての検出（特許文献５）がなされている。また、美容関連では、肌のしわに関係するコラーゲンの近赤外光による測定がなされている（特許文献６）。また、角膜の手術中のコラーゲン等の分布に関連して赤外線の測定を行う提案がなされている（特許文献７）。
これらの生体成分検出では、近赤外光の分光装置に、ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳ、Ｇｅ、ＨｇＣｄＴｅ、ステップバッファ層を多段に設けたｅｘｔｅｎｄｅｄ−ＩｎＧａＡｓなどの単素子またはアレイ型が用いられている。受光波長域は、上記すべての生体成分検出装置に共通する範囲は１μｍ〜１．８μｍである。ただし、２．０μｍまたは２．５μｍ程度を上限に設定しているものも認められる。
【０００６】
ＩｎＧａＡｓについては、上述のように、受光感度を近赤外の長波長側まで拡大する課題がある。これを改善するために、下記の方策が提案されている。
（Ｋ１）ＩｎＧａＡｓ受光層のＩｎ組成を高め、ＩｎＰ基板との格子不整合は、その間に挿入してＩｎ組成を段階的に変えたステップバッファ層によって吸収する（特許文献８）。
（Ｋ２）ＩｎＧａＡｓ受光層にＮを含有させてＧａＩｎＮＡｓ受光層とする（特許文献９）。ＩｎＰ基板との格子整合は、Ｎを多量に含有させることで満足させる。
（Ｋ３）ＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓとのタイプＩＩ型多重量子井戸構造によって、受光域の長波長化をはかる（非特許文献２）。ＩｎＰ基板との格子整合は、満たされている。
（Ｋ４）二次元アレイ化は、受光素子（画素）間に、素子分離溝をウエットエッチングを形成することで実現する（特許文献１０）。
【非特許文献１】中山雅夫「赤外線検出素子の技術動向」センサー技術、１９８９年３月号(Vol.9, No.3),p.61-64
【非特許文献２】R.Sidhu,"A Long-Wavelength Photodiode on InP Using Lattice-Matched GaInAs-GaAsSb Type-II Quantum Wells, IEEE Photonics Technology Letters, Vol.17, No.12(2005), pp.2715-2717
【特許文献１】特開２００２−０６５６４５号公報
【特許文献２】特開平１１−２１６１３１号公報
【特許文献３】特表２００５−５１９６８２号公報
【特許文献４】特開平１１−１２８２０９号公報
【特許文献５】特開２００１−９５８０６号公報
【特許文献６】特開２００５−８３９０１号公報
【特許文献７】特開平１０−１１８１０８号公報
【特許文献８】特開２００２−３７３９９９号公報
【特許文献９】特開平９−２１９５６３号公報
【特許文献１０】特開２００１−１４４２７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の生体成分検出装置では、全体をまとめると最大２．５μｍまでの近赤外光を利用する機構が提案されている（特許文献１〜６）。受光感度が良好であれば、波長の上限は大きいほうが多くの情報を得ることができるので好ましい。しかし、波長１．７μｍを超える範囲を受光するには、上述したように、ＰｂＳ、ＨｇＣｄＴｅなどを用いた受光素子では、暗電流が大きく、検出能力が低く、検出分解能を高める課題がある。また、検出能力を高めるために冷却して使用すると、生体成分検出装置が大掛かりになり、消費電力も大きくなる。
ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓ受光素子は、検出能力に優れるが、感度は波長１．７μｍ以下であり、それより長波長域に吸収スペクトルを多くもつ生体成分の検出には不適である。とくに、生体のように、多くの生体成分が複合して生体組織を形成している場合、１つの検出対象の生体成分を、当該生体成分起因の２つ以上の吸収帯を用いて、総合的に検出することが分解能を向上するのに望ましい。このような２つ以上の吸収帯を用いる生体成分の検出では、しかしながら、感度波長域１．７μｍ以下では、きわめて不十分である。
【０００８】
一方、冷却が不要で、近赤外域の長波長側に受光感度を有する受光素子および受光素子アレイは、上記（Ｋ１）〜（Ｋ４）に示すように、いくつかの候補はある。しかし、それぞれに次の課題を残している。
（Ｋ１）：ＩｎＰ基板と受光層とが、完全に格子整合しないため、高格子欠陥密度に起因する暗電流が非常に高い。このため十分高いダイナミックレンジ（Ｓ／Ｎ比）を得られず、高ノイズである。このため暗点（画像抜け）が多くなる。
また、積層体のトップ層をなす窓層について、格子整合を実現するために、ＩｎＰを用いることができず、ＩｎＡｓＰ窓層とする必要がある。このため、生体成分によっては重要な吸収帯が位置する近赤外域から短波長側の感度が劣化する。
（Ｋ２）：ＩｎＰに格子整合しながら、バンドギャップを長波長化するために、Ｎを１０ａｔ％程度にすると、良好な結晶のＧａＩｎＮＡｓを得ることは非常に難しい。さらに、受光感度を十分高くするために、厚み２μｍ程度のＧａＩｎＮＡｓ得ることは、ほとんど不可能なくらい困難である。要は、鮮明な像を得ることができない。
（Ｋ３）：多重量子井戸構造の受光層に、通常の方法で不純物を導入すると多重量子井戸構造の結晶性が害される。このため、製造歩留りが低下して製品コストを増大させ、かつ結晶性についても良好なものが得にくい。したがって、受光波長域は２．５μｍ程度まで長波長化できるが、鮮明な像を得ることができない。
（Ｋ４）：ウエットエッチングにより素子分離してアレイ化するためには、エッチャントが、溝に十分深く、均一に回り込む必要がある。しかし、エッチャントは、溝に十分深く、均一に回り込まず、制御は難しい。このため製造歩留りが低くなる。
一方、ドライエッチングでは、受光素子へのダメージが発生する。とくに生体成分検出装置のように、波長に応じて回折された光を受光する装置の場合、上記ダメージは許容できない。
【０００９】
冷却機構なしで暗電流を抑制したフォトダイオードを用いて、高い感度で近赤外分光が、簡単に行えるようになれば、生体成分について日常的に有用な情報を得ることができることになり、健康管理、疾病治癒などに関連した多くの分野の発展を促すことができる。
本発明は、冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長１．８μｍ以上に拡大したＩｎＰ系フォトダイオードを用いて、生体成分を高感度で検出することができる生体成分検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の生体成分検出装置は、近赤外域の光を利用して、生体の成分を検出するための装置である。この装置は、近赤外域の光を受光するＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子を備え、受光素子がＩｎＰ基板上に形成された多重量子井戸構造の受光層を有し、受光層のバンドギャップ波長が１．８μｍ以上３μｍ以下であり、ＩｎＰ基板と反対側の受光層の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の拡散濃度分布調整層を備え、その拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギがＩｎＰよりも小さい。受光素子では、拡散濃度分布調整層を通して受光層へと届く、不純物元素の選択拡散によってｐｎ接合が形成され、受光層における不純物元素の濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下であり、拡散濃度分布調整層の拡散前のｎ型不純物濃度が、２×１０１５／ｃｍ３以下であり、該拡散濃度分布調整層は、受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有する。そして、生体からの透過光または反射光について、波長３μｍ以下の少なくとも１つの波長の光を受光素子により受光して、検出をすることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によって、近赤外域に対応したバンドギャップエネルギを有する多重量子井戸構造を、不純物濃度を５×１０１6ｃｍ−３以下に低くすることにより多重量子井戸構造を破壊されず、すなわち結晶性を損なわずに、形成することができる。そして、受光素子のｐｎ接合形成のための不純物が選択拡散され、すなわち周縁部から内側に平面的に周囲限定されて、個々の受光素子に分離されるように導入される。このため、各受光素子を高精度で形成しやすく、素子分離溝を設ける必要がないので、暗電流の低い受光素子を形成することができる。このため、波長３μｍ以下において、冷却なしで高い感度の受光をすることができる。生体成分（分子）の吸収帯は、波長０．９μｍ〜３μｍに、いくつも存在するので、上記の生体成分検出装置によって、これら複数の吸収帯を同時に用いて検出することができる。これによって検出精度を向上させることができる。
【００１２】
拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをＩｎＰより小さくすることによって、拡散濃度分布調整層の受光層側の厚み範囲の不純物濃度を低くしても、電気抵抗を低く抑えることができ、このため応答速度の低下防止に資することができる。さらに詳しく説明すると、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをＩｎＰ基板のバンドギャップエネルギより小さくした理由は、次のとおりである。
（１）ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により近赤外域用の受光層を形成したとき、その受光層のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギを窓層に用いる場合があり、その場合、格子整合性等も考慮して、半導体基板と同じ材料が用いられることが多い。拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギは、窓層のバンドギャップエネルギより小さく、受光層のバンドギャップエネルギより大きいことを前提としている。受光層のバンドギャップエネルギより小さい場合には、エピタキシャル層表面を入射面とする構造を採用したとき、拡散濃度分布調整層が対象とする光を吸収し、受光層の受光感度を低下させるからである。
（２）窓層に通常用いられる大きなバンドギャップエネルギの材料よりも小さいバンドギャップエネルギの材料を用いることにより、不純物濃度を低くしても電気抵抗増大の程度、または電気伝導度の低下の程度を小さくすることができる。この結果、上記のように電圧印加状態において応答速度の低下を抑制できる。
【００１３】
ここで、検出とは、あらかじめ所定成分の検量線（所定成分の濃度と、その波長での光の強度または吸収度との関係）を作成しておいて、所定成分の濃度または含有率を求めることであってもよいし、そのような検量線を用いない手法であってもよい。なお、上記のｐｎ接合は、次のように、広く解釈されるべきである。受光層内において、不純物元素が選択拡散で導入される側と反対の面側の領域の不純物濃度が、真性半導体とみなせるほど低い不純物領域（ｉ領域と呼ばれる）であり、上記拡散導入された不純物領域と当該ｉ領域との間に形成される接合をも含むものである。すなわち上記のｐｎ接合は、ｐｉ接合またはｎｉ接合などであってもよく、さらに、これらｐｉ接合またはｎｉ接合におけるｐ濃度またはｎ濃度が非常に低い場合も含むものである。
【００１４】
拡散濃度分布調整層は、不純物元素の濃度が、受光層と接する面と反対側の面側にある１×１０１８／ｃｍ３以上の領域と、受光層側にある２×１０１６／ｃｍ３以下の領域と、２つの領域の間にあり２つの領域よりも厚みが薄く不純物元素の濃度が２×１０１６／ｃｍ３より大きく、１×１０１８／ｃｍ３より小さい領域と、を有するようにできる。これによって、表面トップ側に位置する電極の界面抵抗を抑えながら、またはオーミック接触を可能にしながら、かつ多重量子井戸構造の良好な結晶性を確保することができる。拡散濃度分布調整層内の部分における低い不純物濃度に起因する電気抵抗の増大または電気伝導度の低下の問題は、上記のように、拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギをＩｎＰ相当のそれよりも小さくすることにより軽減することができる。
【００１５】
上記の受光層をタイプＩＩの量子井戸構造とすることができる。これによって、電磁波の吸収の際に、電子の高い価電子帯の層から低い導電帯の層への遷移が可能となり、より長波長域の光に対する受光感度を獲得することが容易になる。
【００１６】
上記の受光層を、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造、または（ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ，Ｓｂ）／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造とすることができる。ここで、（ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ，Ｓｂ）／ＧａＡｓＳｂ）は、（ＧａＩｎＮＡｓＰ／ＧａＡｓＳｂ）、（ＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）、（ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ／ＧａＡｓＳｂ）、または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）を意味する。これによって、これまで蓄積した材料および技術を用いて、容易に、結晶性に優れ、暗電流の低い受光素子を得ることができる。
【００１７】
上記のＩｎＰ基板を、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に、５°〜２０°傾斜したオフアングル基板とすることができる。これによって、欠陥密度が小さく結晶性に優れた、多重量子井戸構造の受光層を含む積層体を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光素子アレイや検出装置を得ることができる。
【００１８】
上記の不純物元素を亜鉛（Ｚｎ）とし、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓから形成することができる。これにより、電気抵抗の不純物濃度依存性が小さく、不純物濃度が低くても電気抵抗はそれほど高くならない材料で、拡散濃度分布調整層を形成することができる。電気抵抗の増大抑制は、応答速度の劣化を防止する。また、不純物の亜鉛は、これまでの選択拡散の実績が豊富であり、高い精度で拡散領域を形成することができる。このため、拡散濃度分布調整層内で、拡散導入側の上側で高い濃度の不純物を、受光層側の下側で低い濃度としながら、その下側での電気抵抗を高めないようにできる。このため量子井戸構造を有する受光層内に、高い不純物濃度の領域を形成しないようにできる。この結果、応答性を低下させずに、結晶性の良好な量子井戸構造の受光素子を得ることができる。なお、ＩｎＧａＡｓのバンドギャップエネルギは０．７５ｅＶである。
【００１９】
拡散濃度分布調整層の上にＩｎＰ窓層を備えることができる。ＩｎＰによる窓層の形成は、内部の半導体積層構造の結晶性を損なわないことから、エピタキシャル層を入射面側とする構造を採用した場合、受光層より入射側での近赤外光の吸収などを防止しながら、暗電流の抑制にも有効に作用する。また、ＩｎＰの結晶表面にパッシベーション膜を形成する技術は、他の結晶表面に形成する場合、たとえばＩｎＧａＡｓの表面にパッシベーション膜を形成する技術よりも蓄積があり、技術的に確立されており、表面での電流リークを容易に抑制することができる。
【００２０】
上記のＩｎＰ基板、受光層の量子井戸構造を構成する各層、拡散濃度分布調整層、およびＩｎＰ窓層、の任意の相互間において、格子整合度（｜Δａ／ａ｜：ただし、ａは格子定数、Δａは相互間の格子定数差）を０．００２以下とすることができる。この構成により、普通に入手ができるＩｎＰ基板を用いて、結晶性に優れた受光層を得ることができる。このため、波長１．８μｍ以上の近赤外光の受光素子または受光素子アレイにおいて、暗電流を画期的に抑制することができる。
【００２１】
上記の受光素子は、一次元または二次元にアレイ化した構造をとることができる。受光素子アレイは、受光素子が、複数、半導体積層構造を共通にし、かつ不純物元素が受光素子ごとに受光層内に選択拡散されて形成されており、一次元または二次元に配列されている。この構成によれば、受光素子が個々の不純物拡散領域で形成されるため、素子分離溝を設ける必要がない。このため、高精度で形成しやすく、暗電流を低くできる受光素子アレイを形成することができる。
【００２２】
検査をする生体部分に、スーパーコンティニウム光源（ＳＣ光源）または発光ダイオード（ＬＥＤ）による光を照射し、生体部分からの透過光または反射光を受光することができる。通常ハロゲンランプが光源として用いられるが、ハロゲンランプは発熱するため、照射することで熱や不快感を感じる場合がある。これに対して、ＳＣ光源やＬＥＤは発熱しないことから生体に関する測定用光源に適している。本発明の生体成分検出装置は、上記のＳＣ光源、ＬＥＤの場合、および通常のハロゲンランプの場合を含めて、上記の受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして、生体に含まれる成分の濃度を算出する制御部とを備えるのが普通である。
【００２３】
上記受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、該撮像装置により検出対象の生体に含まれる成分の分布像を形成することができる。これによって、感覚的に理解しやすい対象物中の所定成分の分布像を得ることができる。
【００２４】
上記の波長域の光を、生体に照射し、該生体からの反射光または該生体からの透過光を、受光して、生体に含まれる、グルコース、ぶどう糖、ヘモグロビン、コレステロール、アルブミン、活性酸素、脂肪、およびコラーゲンの少なくとも１つの成分を検出することができる。これによって、ヒトの血液中の糖やコレステロール濃度を、簡単に知ることができる。この結果、国民の数十パーセントに達する糖尿病患者およびその予備軍の状態を、精度よく日常的に知ることができ、治療や病気の進行を止めることができる。また、血管や血液の成分濃度を簡単に得られるので、脳梗塞、心筋梗塞などの成人病の予防などにも有用である。メタボリック症候群など、上記の疾病の前段階の状態ともいえる症候について、客観的なデータを手軽に自ら得ることができ、対策を講じやすい。
さらに、目尻のしわ等の生成に関連するコラーゲン不足を、近赤外の撮像装置によって、簡単に分布像として確認することができる。コラーゲンを含めて、多くの美肌関連成分の検出に用いることができる。
【００２５】
上記検出部位の光の照射側に、または照射側から見て検出部位の後に、位置して、光を分光する分光部と、分光された波長に応じて位置する複数の受光素子または受光素子アレイと、受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして、生体の成分濃度を算出する制御部とを備えることができる。これによって、多波長同時受光などを、迅速に、かつ精度よく行うことができる。分光部は、回折格子などで形成するのが好ましい。また、制御部には、記憶部、外部からの入力部などが含まれており、対象波長の検量線などがあらかじめ入力され、記憶されていてもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の生体成分検出装置によれば、冷却機構なしで暗電流を減らし、受光感度を波長１．８μｍ以上に拡大したＩｎＰ系受光素子を用いて、生体成分を高感度で検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（実施の形態１−半導体受光素子アレイの構造−）
図１は、本発明の実施の形態における受光素子１０を示す断面図である。図１によれば、受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に次の構成のＩＩＩ−Ｖ族半導体積層構造（エピタキシャルウエハ）を有する。
（ＩｎＰ基板１／ＩｎＰバッファ層２／ＩｎＧａＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓＳｂとの多重量子井戸構造の受光層３／ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５）
ＩｎＰ窓層５から多重量子井戸構造の受光層３にまで届くように位置するｐ型領域６は、ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６の開口部から、ｐ型不純物のＺｎが選択拡散されることで形成される。受光素子１０の周縁部の内側に、平面的に周囲限定されて拡散導入されるということは、上記ＳｉＮ膜の選択拡散マスクパターン３６を用いて拡散することによって達せられる。
【００２８】
ｐ型領域６にはＡｕＺｎによるｐ側電極１１が、またＩｎＰ基板１の裏面にはＡｕＧｅＮｉのｎ側電極１２が、それぞれオーミック接触するように設けられている。この場合、ＩｎＰ基板１にはｎ型不純物がドープされ、所定レベルの導電性を確保されている。ＩｎＰ基板１の裏面には、またＳｉＯＮの反射防止膜３５を設け、ＩｎＰ基板の裏面側から光を入射するようにして使用することもできるようになっている。
【００２９】
多重量子井戸構造の受光層３には、上記のｐ型領域６の境界フロントに対応する位置にｐｎ接合が形成され、上記のｐ側電極１１およびｎ側電極１２間に逆バイアス電圧を印加することにより、ｎ型不純物濃度が低い側（ｎ型不純物バックグラウンド）により広く空乏層を生じる。多重量子井戸構造の受光層３におけるバックグラウンドは、ｎ型不純物濃度（キャリア濃度）で５×１０１５／ｃｍ３程度またはそれ以下である。そして、ｐｎ接合の位置１５は、多重量子井戸の受光層３のバックグラウンド（ｎ型キャリア濃度）と、ｐ型不純物のＺｎの濃度プロファイルとの交点で決まる。すなわち図２に示す位置となる。
【００３０】
拡散濃度分布調整層４内では、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから選択拡散されたｐ型不純物の濃度が、ＩｎＰ窓層側における高濃度領域から受光層側にかけて急峻に低下している。このため、受光層３内では、Ｚｎ濃度は５×１０１６／ｃｍ３以下の不純物濃度を容易に実現することができる。図２では、受光層３内のＺｎ濃度は、より低い１×１０１６／ｃｍ３程度以下が実現されている。
【００３１】
本発明が対象とする受光素子１０は、近赤外域からその長波長側に受光感度を有することを追求するので、窓層には、受光層３のバンドギャップエネルギより大きいバンドギャップエネルギの材料を用いるのが好ましい。このため、窓層には、通常、受光層よりもバンドギャップエネルギが大きく、格子整合の良い材料であるＩｎＰが用いられる。ＩｎＰとほぼ同じバンドギャップエネルギを有するＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００３２】
（本実施の形態の受光素子アレイのポイント）
本実施の形態における特徴は、次の要素で構成される点にある。
１.多重量子井戸構造は、選択拡散で不純物を高濃度に導入した場合、その構造が破壊されるため、選択拡散による不純物導入を低く抑える必要がある。通常、上記の拡散導入するｐ型不純物の濃度を５×１０１６／ｃｍ３以下とする必要がある。
【００３３】
２.上記の低いｐ型不純物の濃度を、実生産上、再現性よく安定して得るために、ＩｎＧａＡｓによる拡散濃度分布調整層４を、受光層３の上に設ける。この拡散濃度分布調整層４において、受光層側の厚み範囲が、上記のような低い不純物濃度になると、その低い不純物濃度の範囲の電気伝導性は低下し、または電気抵抗は増大する。拡散濃度分布調整層４における低不純物濃度範囲の電気伝導性が低下すると、応答性が低下して、たとえば良好な動画を得ることができない。しかしながら、ＩｎＰ相当のバンドギャップエネルギより小さいバンドギャップエネルギの材料、具体的には１．３４ｅＶ未満のバンドギャップエネルギを持つＩＩＩ−Ｖ族半導体材料によって拡散濃度分布調整層を形成した場合には、不純物濃度が低くても、電気伝導性は非常に大幅には低下しない。上記拡散濃度分布調整層の要件を満たすＩＩＩ−Ｖ族半導体材料として、たとえばＩｎＧａＡｓなどを挙げることができる。
受光層の不純物濃度を５×１０１６／ｃｍ３以下とする理由をさらに詳しく説明する。ｐ型不純物（Ｚｎ）の選択拡散の深さが深くなるなどして受光層３内におけるＺｎ濃度が１×１０１７ｃｍ−３を超えると、超えた高濃度部分では量子井戸層を構成するＩｎＧａＡｓとＧａＡｓＳｂの原子が相互に入り乱れ超格子構造が破壊される。破壊された部分の結晶品質は低下し、暗電流が増加するなど素子特性を劣化させる。ここで、Ｚｎ濃度は通常はＳＩＭＳ分析法（Secondary Ion Mass Spectroscopy：二次イオン質量分析法）で測定するが、１０１７ｃｍ−３台あるいは１０１６ｃｍ−３台の濃度の分析は難しく、比較的大きな測定誤差が発生する。上記の詳細説明は、Ｚｎ濃度について倍または半分の精度での議論であるが、それはこの測定精度のあらさからきている。したがって、たとえば５×１０１６／ｃｍ３と、６×１０１６／ｃｍ３との相違を議論するのは、測定精度上、難しく、またそれほど大きな意味がない。
【００３４】
拡散濃度分布調整層にバンドギャップエネルギの狭い材料を用いると、不純物濃度が低くても電気抵抗の増加を抑制することができる。逆バイアス電圧印加等に対する応答速度は、容量および電気抵抗によるＣＲ時定数で決まると考えられるので、電気抵抗Ｒの増大を、上記のように抑制することにより応答速度を短くすることができる。
【００３５】
３.本実施の形態では、多重量子井戸構造をタイプＩＩとする。タイプＩの量子井戸構造では、バンドギャップエネルギの小さい半導体層を、バンドギャップエネルギの大きい半導体層で挟みながら、近赤外域に受光感度を持たせる受光素子の場合、小さいバンドギャップエネルギの半導体層のバンドギャップにより受光感度の波長上限（カットオフ波長）が定まる。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、小さいバンドギャップエネルギの半導体層内で行われる（直接遷移）。この場合、カットオフ波長をより長波長域まで拡大する材料は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体内で、非常に限定される。これに対して、タイプＩＩの量子井戸構造では、フェルミエネルギを共通にして異なる２種の半導体層が交互に積層されたとき、第１の半導体の伝導帯と、第２の半導体の価電子帯とのエネルギ差が、受光感度の波長上限（カットオフ波長）を決める。すなわち、光による電子または正孔の遷移は、第２の半導体の価電子帯と、第１の半導体の伝導帯との間で行われる（間接遷移）。このため、第２の半導体の価電子帯のエネルギを、第１の半導体の価電子帯より高くし、かつ第１の半導体の伝導帯のエネルギを、第２の半導体の伝導帯のエネルギより低くすることにより、１つの半導体内の直接遷移による場合よりも、受光感度の長波長化を実現しやすい。
【００３６】
４.上述のように、選択拡散マスクパターンを用いて選択拡散により、受光素子の周縁部より内側に、平面的に周囲限定してｐ型不純物を拡散導入するので、上記のｐｎ接合は受光素子の端面に露出しない。この結果、光電流のリークは抑制される。
【００３７】
図３は、上記の受光素子１０を、共通のＩｎＰ基板を含むエピタキシャルウエハに複数個配列した受光素子アレイ５０を示す断面図である。受光素子１０が複数個、素子分離溝なしに配列されている点に特徴を持つ。上述の４.で述べたように、各受光素子の内側にｐ型領域６が限定され、隣接する受光素子とは、確実に区分けされている。受光層３が多重量子井戸構造で形成されており、受光層３の上に拡散濃度分布調整層４が配置されて、受光層３内のｐ型不純物濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下とされている点などは、図１の受光素子１０と同じである。
【００３８】
次に、図１に示す受光素子１０の製造方法について説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、２μｍ厚みのＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２を成膜する。次いで、（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）または（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造の受光層３を形成する。ＩｎＰと格子整合するようＩｎＧａＡｓの組成はＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓとし、ＧａＡｓＳｂの組成はＧａＡｓ0.52Ｓｂ0.48とする。これにより格子整合度（｜Δａ／ａ｜：ただし、ａは格子定数、Δａは相互間の格子定数差）を０．００２以下とする。単位量子井戸構造を形成するＩｎＧａＡｓ層（またはＧａＩｎＮＡｓ層）の厚みは５ｎｍであり、ペア数（単位量子井戸の繰り返し数）は３００である。次いで、受光層３の上に、Ｚｎ拡散導入の際の拡散濃度分布調整層４として、厚み１μｍのＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長し、次いで、最後に厚み１μｍのＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長する。上記の受光層３および拡散濃度分布調整層４は、ともにＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法によってエピタキシャル成長するのがよい。また、ＩｎＰ窓層５は、ＭＢＥ法でエピタキシャル成長してもよいし、拡散濃度調整層４を成長させた後、ＭＢＥ装置から取り出して、ＭＯＶＰＥ(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法によってエピタキシャル成長してもよい。
【００３９】
ＩｎＰバッファ層２またはＩｎＧａＡｓバッファ層２は、ノンドープでもよいし、Ｓｉなどｎ型ドーパントを１×１０１７／ｃｍ３程度ドーピングしてもよい。ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂの多重量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓの拡散濃度分布調整層４、およびＩｎＰ窓層５は、ノンドープが望ましいが、Ｓｉなどｎ型ドーパントを極微量（たとえば２×１０１５／ｃｍ３程度）ドーピングしてもよい。また、ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１Ｅ１８ｃｍ−３程度ドープしたｎ側電極を形成するための高濃度のｎ側電極形成層を挿入してもよい。また、ＩｎＰ基板１は、Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板であってもよい。この場合は、その半絶縁性ＩｎＰ基板１とバッファ層２との間に、ｎ型ドーパントを１×１０１８／ｃｍ３程度ドープしたｎ側電極形成層を挿入する。
【００４０】
上述のＩｎＰ基板１を含む積層構造（エピタキシャルウエハ）を用いて、光デバイスを製造する。ＩｎＰ窓層５の表面５ａに形成したＳｉＮマスクパターン３６を用いて、その開口部からＺｎを選択拡散してＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ（またはＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層３内に届くようにｐ型領域６を形成する。ｐ型領域６のフロント先端部がｐｎ接合１５を形成する。このとき、Ｚｎ濃度が１×１０１８／ｃｍ３程度以上の高濃度領域は、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内に限定される。すなわち、上記高濃度不純物分布は、ＩｎＰ窓層５の表面５ａから深さ方向に、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４内にまで連続し、さらに拡散濃度分布調整層４内のより深い位置で５×１０１６／ｃｍ３以下に低下する。そして、ｐｎ接合１５の近傍におけるＺｎ濃度分布は、傾斜型接合を示すような分布になっている。
【００４１】
受光素子１０の一次元または二次元配列、すなわち図３に示す受光素子アレイは、素子分離用のメサエッチングをすることなくＺｎの選択拡散（受光素子の周縁部の内側になるように平面的に周囲限定した拡散）によって、隣り合う受光素子どうし分離する。すなわち、Ｚｎ選択拡散領域６が１つの受光素子１０の主要部となり、１つの画素を形成するが、Ｚｎが拡散していない領域が、各画素を分離する。このため、メサエッチングに付随する結晶の損傷などを受けることがなく、暗電流を抑制することができる。
【００４２】
不純物の選択拡散によってｐｎ接合を形成する場合、拡散が深さ方向だけでなく横方向（深さ直交方向）にも進行するので、素子間隔を一定以上、狭くすることができない懸念が、上記特許文献１０に表明されている。しかしながら、実際にＺｎの選択拡散を行ってみると、最表面にＩｎＰ窓層５があり、その下にＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４が配置された構造では、横方向の拡散は、深さ方向と同程度またはそれ以下に収まることが確認された。すなわち、Ｚｎの選択拡散において、Ｚｎはマスクパターンの開口径よりも横方向に広がるが、その程度は小さく、図１、図３などに模式的に示すように、マスクパターン開口部よりも少し広がるだけである。
【００４３】
図４は、本発明とは異なる参考例１における受光素子１１０を示す断面図である。参考例１の受光素子１１０では、次の積層構造を有する。
（ＩｎＰ基板１０１／ＩｎＰまたはＩｎＧａＡｓバッファ層１０２／（ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）多重量子井戸構造の受光層１０３／ＩｎＰ窓層１０５）
ｐ型領域１０６は、選択拡散マスクパターンを用いてＩｎＰ窓層１０５の表面１０５ａから受光層１０３内に届くように選択拡散されることで、形成されている。ｐ型領域１０６の先端にｐｎ接合１１５が形成される。本発明の実施の形態における積層構造と比較して、拡散濃度分布調整層がないことが相違点である。すなわち、ＩｎＰ窓層１０５の直下に、多重量子井戸構造の受光層１０３が配置されている。
【００４４】
拡散濃度分布調整層がないと、図５に示すように、たとえばＺｎ濃度分布は多重量子井戸構造の受光層１０３まで高い濃度となる。すなわち、多重量子井戸構造内において、５×１０１６／ｃｍ３を超えて１×１０１８／ｃｍ３の高い不純物濃度領域が形成される。多重量子井戸構造に高濃度不純物が導入されると、その構造が破壊され、暗電流が大きく増大する。逆に、このような高濃度不純物領域が、多重量子井戸構造内に形成されないようにするために、拡散濃度分布調整層を設けて選択拡散を行うのである。
【００４５】
しかしながら、Ｚｎの選択拡散において、次のような考え方が成立する余地がある。
（１）拡散導入時間を短時間に限定して、高濃度領域が多重量子井戸構造１０３内にかからないようにする。
（２）ＩｎＰ窓層１０５の厚みを厚くして、拡散濃度分布調整層の役割をＩｎＰ窓層１０５に分担させる。
図６は、上記の（１）および（２）の場合を検討するための参考例２における受光素子１１０を示す断面図である。参考例２の受光素子１１０では、参考例１の受光素子とほぼ同じ積層構造を有するが、ＩｎＰ窓層１０５の厚みは、参考例１よりも厚くしており、上記（２）の場合に対応するが、（１）の場合も検討することは可能である。図６の積層構造において、多重量子井戸構造１０３内にＺｎの高濃度領域を形成しないように選択拡散を行った結果、得られたのが図７に示すＺｎ濃度分布である。図７に示すＺｎ濃度分布の場合、ＩｎＰ窓層１０５内において、Ｚｎ濃度は、高濃度から低濃度へと急峻に低下し、受光層側のＩｎＰ窓層１０５内において、１×１０１６／ｃｍ３程度の低濃度不純物領域が形成される。
【００４６】
ＩｎＰ窓層１０５内において、１×１０１６／ｃｍ３程度の低濃度不純物領域が形成されると、その領域では、繰り返し説明してきたように電気抵抗が高くなり、応答速度が低下する。このため、窓層を形成するほどバンドギャップエネルギが大きい材料に、具体的にはその典型材料であるＩｎＰ窓層１０５に、拡散濃度分布調整層の役割を果たさせることはできない。このことは、上記（１）および（２）の場合について同じである。よって、拡散濃度調整層には、バンドギャップエネルギがＩｎＰ相当以下、具体的には１．３４ｅＶ未満を満たす材料を用いるのがよい。すなわち、低濃度不純物領域でも、電気伝導度の低下が比較的小さく、電気抵抗の増加が比較的小さいＩｎＧａＡｓのような材料を用いる必要がある。
【００４７】
（実施の形態２−生体成分検出装置における撮像装置（成分の分布像形成装置）の構造−）
図８は本発明の実施の形態２における、生体成分検出装置に含まれる撮像装置（受光素子アレイ）の概要を示す図である。レンズなどの光学部品は省略してある。図９は、上記の撮像装置または検出装置（イメージセンサ）７０のうちの受光素子アレイ５０を説明するための図である。図１０は、図９の受光素子アレイ５０のうちの１つの受光素子を示す図である。図８において、この撮像装置７０は、共通のＩｎＰ基板５１の上に形成された受光素子１０がエピタキシャル層側を、実装基板の機能を有するマルチプレクサ７１に向けて、いわゆるエピダウン実装されている。各受光素子１０のエピタキシャル層のｐ型領域６と電気的に接続されるｐ側電極１１と、共通のｎ型ＩｎＰ基板５１（１）に設けられるｎ側電極１２とは、マルチプレクサ７１に接続され、電気信号をマルチプレクサに送り、マルチプレクサ７１では各受光素子における電気信号を受けて、対象物の全体像を形成する処理を行う。ｎ側電極１２およびｐ側電極１１は、それぞれはんだバンプ１２ｂ，１１ｂを介在させてマルチプレクサ７１と電気的に接続される。入射光は、ＩｎＰ基板５１の裏面に形成したＡＲ(Anti-Reflection)膜３５を通して導入され、ｐ型領域６と受光層３との界面であるｐｎ接合１５で受光される。ｐ型領域６は、保護膜を兼ねるＳｉＮのＺｎ拡散マスク３６の開口部から導入される。Ｚｎ拡散マスクパターン３６は、その上に形成された保護膜のＳｉＯＮ膜パターン４３とともにそのまま残される。受光素子アレイおよび各受光素子の構造については、図９および図１０を用いて、次に詳しく説明する。
【００４８】
図９において、受光素子アレイ５０の受光素子１０は、共通のＩｎＰ基板５１（１）に設けられている。各受光素子でＳＷＩＲ帯の光を受光することにより生じた電流信号は、上述のように実装基板を兼ねたマルチプレクサ７１に送られ、画像形成の処理がなされる。各受光素子のサイズやピッチ、アレイの大きさを変えながら、画素数を変化させる。図９に示す受光素子アレイ５０は９万画素のものである。図１０に示す受光素子１０は、ＩｎＰ基板１の上に形成された複数のエピタキシャル膜を有し、また、ｐ型領域６を形成する際に用いた、ｐ型不純物導入用の拡散マスク３６を残している。ｐ型領域６にはｐ部電極１１が接続され、はんだバンプなどによりマルチプレクサ７１など実装基板の配線などへと接続される。
【００４９】
図１１は、図８に示したエピダウンの受光素子と異なり、エピアップ実装の受光素子を説明する断面図である。本発明においては、撮像装置内の受光素子はエピダウン実装でもエピアップ実装でも、どちらでもよい。この受光素子１０は、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、下から順に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２／受光層３／拡散濃度分布調整層４／ＩｎＰ窓層５／拡散マスク３６／反射防止膜（ＡＲ膜:Anti-Reflection）３５が位置している。ｐ型領域６は、ＩｎＰ窓層５から拡散濃度分布調整層４を経て受光層３内のｐｎ接合１５まで形成されている。また、ｎ側電極１２がｎ型ＩｎＰ基板の裏面に位置し、ｐ側電極１１は、ｐ型領域６のＩｎＰ窓層５の表面に位置し、配線電極２７に電気的に接続されている。本実施の形態においては、受光層３は、波長１．０μｍ〜３．０μｍの範囲の光を受光する。具体的には、受光層３は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。
【００５０】
図１１に示す受光素子は、上記したようにエピアップ実装され、エピタキシャル層すなわちＩｎＰ窓層５の側から光を入射される。本実施の形態における受光素子は、上述のように、エピアップ実装でもエピダウン実装でもよく、図１２に示すように、エピダウン実装され、ＩｎＰ基板１の裏面側から光を入射されるタイプでもよい。図１２のエピダウン実装の受光素子１０の場合、ＩｎＰ基板１の裏面にＡＲ膜３５が施される。拡散濃度調整層４、ＩｎＰ窓層５、ｐ側電極１１および保護膜を兼ねるＳｉＮの拡散マスク３６は、エピアップ実装の場合と同様に設けられる。図１２に示すエピダウン実装の場合、ＩｎＰ基板などＩｎＰはＳＷＩＲ帯光に透明なので、ＳＷＩＲ帯光は吸収されることなく、受光層３のｐｎ接合１５に到達する。図１２の構造においても、受光層は、上述のタイプＩＩの多重量子井戸構造によって形成される。以後の本発明例においても、とくに断らない限り、同様である。
【００５１】
ｐ側電極１１と、ｎ側電極１２とは、図１１に示すようにＩｎＰ基板１を間に挟んで対向する位置に配置してもよいし、図１２に示すようにＩｎＰ基板１の同じ側の位置に配置してもよい。図１２に示す構造の場合、図９に示す受光素子アレイ５０の各受光素子１０と集積回路とはフリップチップ実装により電気的に接続される。図１１および図１２の構造の受光素子において、ｐｎ接合１５に到達した光は吸収され、電流信号を生じ、上述のように、集積回路を通して各々一画素の像に変換される。
【００５２】
ＩｎＰ基板１は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に５度〜２０度傾斜したオフアングル基板とするのがよい。より望ましくは、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に１０度〜１５度傾斜させる。このような大きなオフ角基板を用いることにより、欠陥密度が小さく結晶性に優れたｎ型ＩｎＰバッファ層２、タイプＩＩの量子井戸構造の受光層３、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４およびＩｎＰ窓層５を得ることができる。この結果、暗電流が抑制され、暗点が少ない受光素子アレイや検出装置を得ることができる。このため、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を受光して撮像する装置の性能を大きく向上させる受光層を得ることができる。すなわち上記オフアングル基板を用いて形成された受光素子の有する作用は、宇宙光を受光して撮像する撮像装置の品質向上にとくに有用である。
【００５３】
上記のような大きなオフ角は、ＩｎＰ基板について提唱されたことはなく、本発明者らによってはじめて確認されたものであり、ＩｎＰ基板上に良好な結晶性のエピタキシャル膜を成長させる場合の重要な要素である。たとえば、非常に長波長域の発光及び受光が可能であるとする、上記の量子井戸構造の受光層３中に、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓが含まれる場合、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、実際には、実用に耐える、良好なエピアキシャル層として形成されることは不可能である。すなわち、上記のような大きなオフ角のＩｎＰ基板を用いない限り、Ｎを含む化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓは暗電流を抑制し、暗点を減らした受光層になることはない。この結果、微弱なＳＷＩＲ帯の宇宙光を用いて鮮明な画像を得ることができない。上記例としてあげたＧａＩｎＮＡｓだけでなく、ＧａＩｎＮＡｓＰおよびＧａＩｎＮＡｓＳｂにおいてもＩｎＰ基板のオフ角は、上記のような大きい角度範囲が、良好な結晶性を得るのに必要であるという点で同じである。
【００５４】
図１１および図１２に示す受光素子１０では、受光層３を覆うように位置するＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を備える。受光層３の格子定数がＩｎＰ基板１の格子定数と同じであるため、受光層３の上に、暗電流を小さくすることで定評があるＩｎＧａＡｓ拡散濃度調整層４およびＩｎＰ窓層５を形成することができる。このため、暗電流を抑制し、素子信頼性を向上させることができる。
【００５５】
（実施の形態３：生体成分検出装置（１）−血糖値：反射光による測定−）
図１３は、本発明の実施の形態３における生体成分検出装置１００を示す図である。また図１４は、図１３の生体成分検出装置１００におけるプローブを示す図である。糖尿病患者にとって、自身の血糖値を知ることは、重要であり、血糖値の上昇に対してインシュリン投与により、これを低下させる。このため患者は、血糖値を日常的に測定するが、血液を採取することなく、非侵襲的に精度よく測定できれば、患者にとって好ましい。
非侵襲的な血糖値測定は、皮膚組織中のグルコース濃度が血液中のグルコース濃度と高い正の相関関係を有することに基づいており、皮膚組織中のグルコース濃度をもって血糖値とする。皮膚組織中のグルコース濃度は、数十〜数百ｍｇ／ｄｌと微量であるため、皮膚に近赤外光を照射し、皮膚組織を透過または拡散反射した光を、高い精度で捉える必要がある。
【００５６】
高い精度で微量のグルコース濃度を測定するためには、グルコースの近赤外域の吸収帯において、２つ以上の吸収帯を用いることが効果的である。グルコースは、波長１μｍ〜３μｍの範囲に多くの吸収帯をもつが、従来のＩｎＧａＡｓアレイを用いる限り、精度よく測定できるのは、波長１．７μｍ以下の近赤外光であり、それより長波長域の吸収帯の光については、高精度の測定はできなかった。図１３に示すように、図８に示す検出装置７０を用いることにより、波長３．０μｍまで拡大して受光することができる。また、回折格子９１と受光素子アレイ５０との位置合わせをしておくことで、グルコースの吸収スペクトルを１回（１チャンス）の照射および受光で行うことができる。したがって、波長１．８μｍ以上の吸収帯を用いてグルコース濃度を測定することが容易となり、皮膚中の微量のグルコースを精度よく簡単に測定することが可能になる。
【００５７】
グルコース濃度の測定精度を上げるための、次の要因がある。吸光度やベースラインの変動をできるだけ抑えることで、スペクトル測定の安定度を高めることができる。測定されるスペクトルに変動を与える装置上の要素には、光源、受光素子ユニットなどの部品間の位置関係の変動、環境温度の経時変化等がある。これらの変動を補正するために、生体信号とは別個にセラミック板等の基準板を反射させたレファレンス信号を測定し、それを基準光とするのが一般的である。このため、スペクトル測定を安定して行うためには、レファレンス信号の安定した測定が可能であることが重要となる。
【００５８】
図１３を例にとると、検出部位の測定における近赤外光は、つぎの経路をとる。
光源７３→拡散板７４→照射用光ファイバ８１→センシング部（プローブ）８３→検出部位→センシング部（プローブ）８３→情報搭載光ファイバ８２→回折格子（分光器）９１→検出装置７０→濃度算出用マイコン８５ｂ
上記の経路をとる場合、照射用光ファイバと情報搭載光ファイバとが付いたプローブを、検出部位（皮膚）にあてる。一方、レファレンス信号の測定は、上記の検出部位が、基準板に置き換わるだけである。上記のプローブを、皮膚から離して基準板に押し当てる操作を行う。上記のレファレンス信号および生体信号をもとにして、濃度算出用マイコンはグルコース濃度を算出する。
【００５９】
上記の方式によるレファレンス信号の測定は、プローブと基準板との位置再現のばらつき、およびレファレンス信号と生体信号との測定時差の発生があり、測定ごとの上記作業の繰り返しがレファレンス信号の安定的な測定を困難にする。このため、従来、レファレンス信号変動によるスペクトル測定の不安定性を十分に補正できず、精度よくグルコース濃度分析を行うことが困難であった。図１４に示すプローブ８３は、このレファレンス信号測定の不安定性を解消する。基準板の測定を行うことなく、直接、照射用光ファイバ８１と情報搭載光ファイバ８２とを繋ぐ光ファイバ８４を配置して、それぞれにスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を配置する。これによって、プローブと基準板との位置再現のばらつきはなくなり、レファレンス信号と生体信号との測定時差は軽減される。スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、手動でもよいし、マイコン８５ｂからの指示で自動的にオンオフされる自動スイッチにしてもよい。
【００６０】
（実施の形態４：生体成分検出装置（２）−血糖値：透過光による測定−）
図１５は、本発明の実施の形態４における生体成分検出装置１００を示す図である。図１５において、受光部に上述の検出装置７０を用い、グルコースの近赤外域の長波長域に位置する吸収帯を用いて濃度測定を行うという点では、実施の形態３と同じである。本実施の形態では、生体を透過した近赤外光を測定してグルコース濃度を求める点で、実施の形態３と相違する。図１５に示す例は、ヒトの指の透過光を受光するが、皮膚、筋肉、血液など多くの生体組織の情報を得ることができる。
【００６１】
レファレンス信号の測定は、生体（指）の装入時には退き、生体が退いた時に装入される基準板の透過光によって行う。基準板の厚みは、基準板の材料にもよるが透過光の光量が十分あるように薄くしておくのがよい。基準板の移動は、アクチュエータ７５によって行うことで、位置や姿勢（角度）のばらつきが生じないようにする。
上記のような基準板を用いる代わりに、図１４に示したように、照射用光ファイバ８１と情報搭載光ファイバ８２とを迂回して繋ぐ光ファイバ８４を配置して、それぞれの光ファイバ８１，８２，８４にスイッチを設けてもよい。
【００６２】
（実施の形態５：生体成分検出装置（３）−血糖値：透過光による測定−）
図１６は、本発明の実施の形態５における生体成分検出装置１００を示す図である。この生体成分検出装置１００では、筐体７７の一部に生体装入溝７７ａを設けて、その生体装入溝７７ａに装入された生体の透過光を用いて血糖値を検出する点に特徴がある。装入される生体部位は、肩から先、たとえば腕や掌を想定して、これらのうちの最大サイズの生体装入溝７７ａとすることができる。特別に耳たぶを専門にした生体装入溝７７ａであってもよい。
【００６３】
近赤外光の経路は、つぎのとおりである。
光源７３→集光レンズ８７→反射鏡７６→集光レンズ８７→照射用光ファイバ８１→検出部位→受光端部８２ａ→押圧調整アクチュエータ８２ｂ→情報搭載光ファイバ８２→集光レンズ８７→回折格子９１→検出装置７０（図８参照）
掌で手刀をつくったときの小指の下方は、骨を介在させずに光を通すことができるので、血糖値の測定には有効である。上記の生体装入溝７７ａは、とくに上記の小指下方の掌部に対象を絞る必要はなく、上記押圧調整アクチュエータ８２ｂなどによって、位置合わせを行うことができる。これによって、患者が自身で、簡単に、精度よく、血糖値を測定することが可能となる。
検出装置７０内の受光素子アレイ５０が、近赤外域の長波長域まで受光可能であり、測定精度を向上させることについては、実施の形態３および４と同じである。光源は、ハロゲンランプ等を用いるのがよいが、この生体成分検出装置１００の場合、光源には、発熱の小さいコンティニューム光源やＬＥＤを用いることが好ましい。
【００６４】
（実施の形態６：生体成分検出装置（４）−血糖値：１つのプローブによる複数サンプリングによる精度向上−）
図１７は、本発明の実施の形態６における生体成分検出装置１００を示す図である。また図１８は、図１７の生体成分検出装置１００におけるプローブの部分の拡大図である。この生体成分検出装置１００では、検出部位（皮膚）に近赤外光を照射して、反射光から情報を得る。そのとき、照射光およびプローブは、図１８に示すように、単一であるが、プローブ８３内に３つの受光端部６１，６２，６３が収納されている。これら３つの受光端部６１，６２，６３で受光された近赤外光は、それぞれ別の情報搭載光ファイバ８２を伝播する。回折格子９１で分光され、検出装置７０（図８参照）で受光される際に、選択スイッチ６６によって、受光端部６１，６２，６３で取り込まれて伝播してきた光を、別個に分光して受光する。本実施の形態における特徴は、１つのプローブ内に複数の受光端部を収納し、反射光を複数位置で取り込んで分光、解析する点にある。受光端部には、プリズム、光ファイバなどを用いることができる。
【００６５】
皮膚に照射された近赤外光は、皮膚内の表層部を拡散したあと、外部に出て、それが受光端部に取り込まれる。複数の取り込み、または複数サンプリングを行うことで、検出部位の皮膚における近赤外光の経路が、特別な一つではなく平均化される。この皮膚表層部における経路の平均化によって、血糖値データの信頼性を大きく向上させることができる。このような複数サンプリングの効果を確実に得るためには、受光端部の相互の間隔ｄは、たとえば１ｍｍ程度以上はあることが好ましい。
図１７に示す生体成分検出装置１００は、受光端部６１，６２，６３のそれぞれの光について、波長１μｍから３μｍまでのスペクトルを示すことができる。演算部（マイコン）８５は、それぞれの受光端部からの光について、同一の複数の波長、またはそれぞれについて異なる複数の波長を用いて、生体成分濃度を得ることができる。生体成分としては、血糖値だけでなく、コレステロール、アルブミン、ヘモグロビン、ビリルビンなどを精度よく検出することができる。
【００６６】
（実施の形態７：生体成分検出装置（５）−体脂肪−）
図１９は、本発明の実施の形態７における生体成分検出装置１００を示す図である。本実施の形態では、生体成分を体脂肪とする。体脂肪は近赤外域に複数の吸収帯をもつので、近赤外スペクトルにより、検出を行うことができる。体脂肪の検出には、圧力を付加することが行われる。図１９において、テーブル９５にはプローブ８３が嵌め込まれ、そのプローブ８３に、生体（指）が載せられる。プローブ８３には、照射用光ファイバ８１と情報搭載光ファイバ８２が装着されている。指には、エアバック９６によって圧力が加わるようになっている。エアバック９６は、ハウジング９７に収納され、エア配管６９により空気の装入や放出が行われる。圧力計６８に基づき、マイコン８５はエアポンプ６９を適宜稼動させ、エア配管６９から空気をエアバック９６に送り込み、指に圧力を付加することができる。
【００６７】
また、近赤外光の経路はつぎのとおりである。
光源７３→照射用光ファイバ８１→プローブ８３→指→プローブ８３→情報搭載光ファイバ８２→回折格子９１→検出装置７０（図８参照）→マイコン８５
指にかかる圧力は圧力計６８で知ることができ、圧力ごとに、体脂肪の比率を知ることができる。さらに、従来は、体脂肪の近赤外光による検出では、もっぱら１．２１μｍの吸収ピークが用いられていた。上記のように、検出装置７０内の受光素子アレイ５０（図３、図８参照）を用いることにより、波長３μｍまで、受光可能域を拡大できるので、３μｍまでのより長波長域の吸収ピークを用いて、体脂肪率をより高精度で検出することができる。
【００６８】
（実施の形態８：生体成分検出装置（６）−角膜のコラーゲン分布検出−）
ここでは、特定の課題を解決するのではなく、生体中とくに光に敏感な眼の角膜におけるコラーゲン分布の検出に、本発明に係る生体成分検出装置が有用であることを提唱する。角膜は、主としてコラーゲンと組織液とから構成される。このコラーゲンは、美容上、重要な成分であり、吸収帯は、１μｍ〜３μｍの範囲に多く分布する。このため、図３または図８に示した本発明の受光素子アレイ５０または撮像装置７０による検出に適している。
図２０は、本発明の実施の形態８における生体成分検出装置（眼のコラーゲン分布像形成装置）１００を示す図である。眼の見え方は角膜だけで決まるものではないが、角膜の状態を知ることは必要である。
凹面鏡７６は近赤外光に対する反射率が大きいものを用いるのがよく、たとえば金（Ａｕ）で形成したものを用いる。凹面鏡７６は、眼の正面ではなく傍らに位置して、角膜から出た光を反射して、角膜の像を撮像装置７０に結像させるようにする。フィルタ７２は、コラーゲンの吸収帯に属する１μｍ〜３μｍの光を透過させるものがよい。制御部８５のマイクロコンピュータ８５ｂは、撮像装置７０の画素の出力信号に基づいて、角膜Ｃにおけるコラーゲン分布像を形成し、表示装置８５ｃに表示する。本発明に係る撮像装置７０は、たとえば図８に示すものを用いるのがよい。暗電流が低く、長波長側にまで感度が高いため、Ｓ／Ｎ比の高い、鮮明なコラーゲン分布像を得ることができる。このため、眼におけるコラーゲンの果たす作用などの理解に役立つ。
【００６９】
眼は光に対して非常に敏感に反応するので、できれば光源７３は使用しないことが好ましい。図２１は、ＳＷＩＲ宇宙光の強度分布を示す図である。たとえば、このＳＷＩＲ宇宙光のスペクトルのピークＩを、光源に用いることができる。ピークＩの波長は、１．４μｍ付近にあり、コラーゲンの吸収帯に近い。このため、図２１において、光源７３を除いて、ＳＷＩＲ宇宙光で代用することができる。または、人工の光源７３を用いるにしても、光を近赤外域に限定して、しかもそのピーク値をＳＷＩＲ宇宙光のピーク強度のたとえば２倍とすることでもよい。上記ＳＷＩＲ宇宙光を光源にすることでアイセーフが確実に実現される。上記のように、ＳＷＩＲ宇宙光を用いたり、強度レベルの低い光源を用いることができるのは、本発明に係る撮像装置７０の暗電流を低くできるからである。すなわち微弱な信号でも、鮮明な画像を形成することができるからである。
【００７０】
（実施の形態９：生体成分検出装置（７）−角膜矯正手術における角膜コラーゲン分布検出−）
ＡｒＦエキシマレーザを用いて、角膜を蒸散させ、精密な角膜矯正手術を行う方法が知られている。このような角膜矯正手術は、矯正量の制御性がよい、手術が自動化されている、安定性に優れる、術後の感染性副作用が少ない、角膜の強度低下が少ない等の利点を有している。しかしながら、上記の角膜矯正手術は、弱度近視と中程度近視に対する臨床試験結果は有効であるのに対し、ＡｒＦエキシマレーザによる角膜中央部へのレーザ照射回数を増加させると、生体液の角膜表面への浸出が顕著になり、角膜の蒸散が進まなくなる。このため、強度近視に対して予定した矯正量を得ることができず、手術の成功率が悪くなるという問題があった。角膜にＡｒＦエキシマレーザを照射したとき、蒸散時に角膜表面から発生するキノコ状の噴霧を取り除くために窒素ガスを吹き付けると、表面が乾燥して蒸散面の平滑化が悪化するという問題があった。
【００７１】
上記のように、術中における角膜表面の湿潤状態は、蒸散の良否を左右する重要な要因となっており、術中の角膜表面の湿潤状態をモニタする必要がある。ＡｒＦエキシマレーザの照射による角膜蒸散のとき、主にコラーゲンがレーザを吸収して蒸散し、角膜の約８０％を占める組織液は、残存角膜から浸出し、その部分の組成が変化してＡｒＦエキシマレーザの吸収が変化する。コラーゲンの蒸散に費やされたＡｒＦエキシマレーザは、コラーゲンの分子の振動、回転に変換され、温度上昇が生じる。このため、温度の４乗に比例した強度の赤外光が放射される。この赤外光をモニタすることで、角膜の湿潤状態を検出することができるとの提案がなされている（特許文献７）。この方法では、１つの角膜Ｃの全体に対して、赤外線の波形が一つ対応するだけなので、角膜全体の平均的な湿潤状態についての情報が得られるだけである。しかし、実際は、組織液の浸出は、１つの角膜のなかで、島状に分かれて生じるため、角膜の各位置の湿潤状態の情報があったほうが好ましい。
【００７２】
本発明に係る撮像装置７０または受光素子二次元アレイ５０を用いることによって、角膜の各位置におけるコラーゲン濃度の情報を明確に得ることが可能である。術中に過渡的に浸出が生じるときの、角膜全体にわたるコラーゲン分布推移を検出することができる。このような検出は、角膜の状態に貴重な情報をもたらすことは明らかである。この場合、上記パルスレーザのパルス幅は１０ｎｓのオーダであり、その後の数ｍｓ〜１０００ｍｓの間のコラーゲン分布を検出することが重要である。ＡｒＦエキシマレーザショット後、１０ｎｓ程度で、角膜蒸散のキノコ雲状の噴霧が発生するが、この噴霧の影響をなるべく受けないように、角膜表面のコラーゲン分布を数ｍｓ〜数十ｍｓのオーダで追跡して検出する必要がある。
【００７３】
図２２および図２３は、本発明の実施の形態９における、手術中の角膜のコラーゲン分布を検出する装置を説明するための図である。光源７３は、図示しないＡｒＦエキシマレーザの出射部と重ならないように配置する。図２２において、光学系は、角膜の像を、撮像装置７０または受光素子二次元アレイ５０に結像するように構成されている。角膜のコラーゲンが多い箇所は画素または受光素子の出力電圧は小さく（暗く）、またコラーゲンが少ない箇所では出力電圧は高く（明るく）なる。ＡｒＦエキシマレーザショットの直後、撮像装置７０または受光素子二次元アレイ５０、の各画素の出力電圧の波形（時間推移）は、制御部８５に含まれる処理装置８５ｂに入力され、記憶される。撮像装置７０の画素または二次元アレイの受光素子１０は、図２３に示すように、細かく区分けされた角膜Ｃの各位置に対応づけられる。
【００７４】
本発明に係る撮像装置７０は、角膜の各位置のコラーゲン分布を医学的に把握するのに十分すぎるほどの密度で画素を形成することができる。そして、隣接する画素間でのクロストークも小さく、暗電流も非常に小さくすることができる。また、上述のように、拡散濃度分布調整層をＩｎＧａＡｓで形成することで応答時間を短くすることが可能である。このため、各画素において出力電圧波形を、高い追随性をもって高精度で得ることができる。このような画素の波形をすべて集めて角膜の地図上でコラーゲン分布濃度をプロットすれば、ＡｒＦエキシマレーザショット直後における角膜全体での浸出状況を把握することができる。
【００７５】
（実施の形態１０：生体成分検出装置（８）−顔面のコラーゲン分布像−）
顔面のコラーゲン分布像は、美容的に、重要である。たとえば、唇の端や目尻にしわが出来ている場合、コラーゲン濃度は低いとされる（特許文献６）。コラーゲン濃度が高いことと、皺のない張りのある肌とは相関が高い可能性がある。本実施の形態における撮像装置７０の構成は、実施の形態８または９と、同じであり、図示はしない。
本発明に係る撮像装置７０を用いれば、顔面の鮮明なコラーゲン分布像を得ることができる。また、上述のように、顔面のコラーゲン分布像の撮像には、アイセーフが問題とされる。本発明に係る撮像装置７０は、微弱な信号でも鮮明な像を得ることができるので、光源を用いずにＳＷＩＲ宇宙光を用いることができる。また、光源を用いる場合でも、発光強度の低い光源を用いることができる。このため、アイセーフの問題を克服するのが容易である。
【実施例】
【００７６】
−半導体受光素子アレイの構造についての実施例−
本発明の受光素子アレイの素子間隔または画素ピッチをどの程度まで小さくできるか、図２４に示す受光素子アレイを用いた実施例によって検証した。受光素子間隔または画素ピッチは、図２４に示すように、ＳｉＮ選択拡散マスクパターン３６の非開口部の幅である。Ｚｎの選択拡散の後に、ｐ側電極１１はＡｕＺｎにより、またｎ側電極１２はＡｕＧｅＮｉにより、それぞれ形成した。図３の場合、ＩｎＰ基板１にＦｅドープの半絶縁性基板を用いているので、高濃度不純物のバッファ層２にｎ側電極１２を設けているが、図１に示すようにｎ型ＩｎＰ基板を用いる場合には、基板裏面にｎ側電極を設けてもよいし、または基板表面側に基板と隣接するｎ型半導体層（たとえばバッファ層２）にｎ側電極を設けてもよい。本実施例では、図３の受光素子アレイのｐ側電極１１とｎ側電極１２との間に５Ｖの逆バイアス電圧を印加して、暗電流を測定した。ＩｎＰ窓層５の厚みは０．６μｍと１．６μｍの２種類について、また素子間隔は３μｍ〜２０μｍの範囲にわたって７種類の素子間隔について、それぞれ受光素子アレイを製造して、暗電流を測定した。拡散濃度分布調整層４の厚みは１μｍとした。
【００７７】
結果を図２５に示す。図２５によれば、ＩｎＰ窓層５の厚みが０．６μｍと薄い場合、素子間隔または画素ピッチを５μｍまで小さくしても、暗電流は１×１０−１０Ａ（アンペア)とすることができる。ＩｎＰ窓層５の厚みが１．６μｍの場合には、上述したように、横方向へのＺｎの拡散が広がり、素子間隔７μｍを超えないと、１×１０−１０Ａとすることができない。しかし、本実施例によって、ＩｎＰ窓層５の厚みを０．６μｍと薄くし、かつ拡散濃度分布調整層を配置することによって、素子間隔５μｍとすることができることを確認した。
【００７８】
拡散濃度分布調整層４の作用については、Ｚｎの深さ方向濃度分布をＳＩＭＳ(Secondary Ion Mass Spectroscopy)分析によって検証した。図２６に、Ｚｎの深さ方向濃度分布を示す。図２６によれば、ＩｎＧａＡｓ拡散濃度分布調整層４と受光層３との界面において、Ｚｎのパイルアップのピーク値は５×１０16ｃｍ-3以下に抑制されている。このため、受光層３のｎ型キャリア濃度のバックグラウンドと、Ｚｎ濃度との交差位置（図中○印）に形成されるｐｎ接合において、Ｚｎ濃度は確実に低くすることができ、結晶性等の劣化を防止することができる。そして、この拡散濃度分布調整層４の配置によって、受光層の多重量子井戸構造にその本来の作用を奏させることが可能になる。
【００７９】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、ＩｎＰ系ＰＤの画期的な性能向上によって、既存の装置に比べて、高精度な検査を容易に行うことができるので、健康および美容の分野で大きな貢献をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態１における受光素子を示す断面図である。
【図２】図１の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１における受光素子アレイを示す断面図である。
【図４】本発明と異なる参考例１の受光素子の断面図である。
【図５】図４の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図６】本発明と異なる参考例２の受光素子の断面図である。
【図７】図６の受光素子におけるＺｎ濃度分布を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態２における撮像装置の概要を示す図である。
【図９】図８の撮像装置の受光素子アレイを示す図である。
【図１０】図９の受光素子アレイにおける一つの受光素子を示す図である。
【図１１】エピアップ実装の受光素子の断面図である。
【図１２】エピダウン（フリップチップ）実装の受光素子の断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３における生体成分検出装置（１）を示す図である。
【図１４】図１３の生体成分検出装置のプローブの拡大図である。
【図１５】本発明の実施の形態４における生体成分検出装置（２）を示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態５における生体成分検出装置（３）を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態６における生体成分検出装置（４）を示す図である。
【図１８】図１７の生体成分検出装置のプローブの拡大図である。
【図１９】本発明の実施の形態７における生体成分検出装置（５）を示す図である。
【図２０】本発明の実施の形態８における生体成分検出装置（６）を示す図である。
【図２１】ＳＷＩＲ宇宙光スペクトルと本発明例の受光素子の感度分布を示す図である。
【図２２】本発明の実施の形態９における生体成分検出装置（７）を示す図である。
【図２３】コラーゲンが検出される角膜上の位置を示す図である。
【図２４】実施例に用いた受光素子アレイの部分断面図である。
【図２５】実施例において測定した暗電流と素子間隔との関係を示す図である。
【図２６】実施例におけるＺｎの深さ方向濃度分布を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１ ＩｎＰ基板、２ バッファ層、３ 多重量子井戸構造の受光層、４ 拡散濃度分布調整層、５ ＩｎＰ窓層、５ａ 窓層の表面、６ ｐ型領域、１０ 受光素子、１１ ｐ側電極、１２ ｎ側電極、１２ｂ はんだバンプ、１５ ｐｎ接合、３５ 反射防止膜、３６ 選択拡散マスクパターン、２７ 配線電極、４３ ＳｉＯＮ膜、５０ 受光素子アレイ、５１ ＩｎＰ基板、６１，６２，６３ 受光端部、６６ 選択スイッチ、６７エアポンプ、６８ 圧力計、６９ エア配管、７０ 撮像装置（検出装置）、７１ マルチプレクサ（実装基板）、７２ フィルタ、７３ 光源、７４ 拡散板、７５ アクチュエータ、７６ 凹面鏡、７７ 筐体、７７ａ 生体装入溝、８１ 照射用光ファイバ、８２ 情報搭載光ファイバ、８２ａ 受光端部、８２ｂ 押圧調整アクチュエータ、８３ プローブ、８４ 光ファイバ、８５ 制御部、８５ｂ マイコン（演算部、ＣＰＵ）、８５ｃ 表示部（出力装置）、８７，８７ａ，８７ｂ 集光レンズ、９１ 回折格子（分光器）、９５ テーブル、９６ エアバッグ、１００ 生体成分検出装置、Ｃ 角膜、Ｅ 眼。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
近赤外域の光を利用して、生体の成分を検出するための装置であって、
前記近赤外域の光を受光するＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子を備え、
前記受光素子がＩｎＰ基板上に形成された多重量子井戸構造の受光層を有し、
前記受光層のバンドギャップ波長が１．８μｍ以上３μｍ以下であり、
前記ＩｎＰ基板と反対側の前記受光層の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の拡散濃度分布調整層を備え、
前記拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギがＩｎＰよりも小さく、
前記受光素子では、前記拡散濃度分布調整層を通して前記受光層へと届く、不純物元素の選択拡散によってｐｎ接合が形成され、
前記受光層における前記不純物元素の濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下であり、
前記拡散濃度分布調整層の拡散前のｎ型不純物濃度が、２×１０１５／ｃｍ３以下であり、該拡散濃度分布調整層は、受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有し、
前記生体からの透過光または反射光について、波長３μｍ以下の少なくとも１つの波長の光を前記受光素子により受光して、前記検出をすることを特徴とする、生体成分検出装置。
【請求項２】
前記拡散濃度分布調整層は、前記不純物元素の濃度が、前記受光層と接する面と反対側の面側にある１×１０１８／ｃｍ３以上の領域と、前記受光層側にある２×１０１６／ｃｍ３以下の領域と、前記２つの領域の間にあり前記２つの領域よりも厚みが薄く前記不純物元素の濃度が２×１０１６／ｃｍ３より大きく、１×１０１８／ｃｍ３より小さい領域と、を有することを特徴とする、請求項１に記載の生体成分検出装置。
【請求項３】
前記受光層がタイプＩＩの量子井戸構造であることを特徴とする、請求項１または２に記載の生体成分検出装置。
【請求項４】
前記受光層が（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造、または（ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ，Ｓｂ）／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造であることを特徴とする、請求項３に記載の生体成分検出装置。
【請求項５】
前記ＩｎＰ基板は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に、５°〜２０°傾斜したオフアングル基板であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項６】
前記不純物元素が亜鉛（Ｚｎ）であり、前記拡散濃度分布調整層がＩｎＧａＡｓから形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項７】
前記拡散濃度分布調整層の上にＩｎＰ窓層を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項８】
前記ＩｎＰ基板、前記受光層の量子井戸構造を構成する各層、拡散濃度分布調整層、および前記ＩｎＰ窓層の任意の相互間において、格子整合度（｜Δａ／ａ｜：ただし、ａは格子定数、Δａは相互間の格子定数差）が０．００２以下であることを特徴とする、請求項７に記載の生体成分検出装置。
【請求項９】
前記受光素子が、一次元または二次元にアレイ化していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項１０】
前記生体の検出部位に、スーパーコンティニウム光源（ＳＣ光源）または発光ダイオード（ＬＥＤ）による光を照射し、前記検出部位からの透過光または反射光を受光することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項１１】
前記受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、該撮像装置により前記検査対象の生体に含まれる成分の分布像を形成することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項１２】
前記波長域の光を、前記生体に照射し、該生体からの反射光または該生体からの透過光を、受光して、前記生体に含まれる、グルコース、ぶどう糖、ヘモグロビン、コレステロール、アルブミン、活性酸素、脂肪、およびコラーゲンの少なくとも１つの成分を検出することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項１３】
前記検出部位の前記光の照射側に、または照射側から見て前記検出部位の後に、位置して、光を分光する分光部と、前記分光された波長に応じて位置する複数の受光素子または受光素子アレイと、前記受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして、前記生体の成分濃度を算出する制御部とを備えることを特徴とする、請求項１２に記載の生体成分検出装置。
【請求項１】
近赤外域の光を利用して、生体の成分を検出するための装置であって、
前記近赤外域の光を受光するＩＩＩ−Ｖ族半導体による受光素子を備え、
前記受光素子がＩｎＰ基板上に形成された多重量子井戸構造の受光層を有し、
前記受光層のバンドギャップ波長が１．８μｍ以上３μｍ以下であり、
前記ＩｎＰ基板と反対側の前記受光層の面に接して、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の拡散濃度分布調整層を備え、
前記拡散濃度分布調整層のバンドギャップエネルギがＩｎＰよりも小さく、
前記受光素子では、前記拡散濃度分布調整層を通して前記受光層へと届く、不純物元素の選択拡散によってｐｎ接合が形成され、
前記受光層における前記不純物元素の濃度が５×１０１６／ｃｍ３以下であり、
前記拡散濃度分布調整層の拡散前のｎ型不純物濃度が、２×１０１５／ｃｍ３以下であり、該拡散濃度分布調整層は、受光層側の厚み範囲に低い不純物濃度範囲を有し、
前記生体からの透過光または反射光について、波長３μｍ以下の少なくとも１つの波長の光を前記受光素子により受光して、前記検出をすることを特徴とする、生体成分検出装置。
【請求項２】
前記拡散濃度分布調整層は、前記不純物元素の濃度が、前記受光層と接する面と反対側の面側にある１×１０１８／ｃｍ３以上の領域と、前記受光層側にある２×１０１６／ｃｍ３以下の領域と、前記２つの領域の間にあり前記２つの領域よりも厚みが薄く前記不純物元素の濃度が２×１０１６／ｃｍ３より大きく、１×１０１８／ｃｍ３より小さい領域と、を有することを特徴とする、請求項１に記載の生体成分検出装置。
【請求項３】
前記受光層がタイプＩＩの量子井戸構造であることを特徴とする、請求項１または２に記載の生体成分検出装置。
【請求項４】
前記受光層が（ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造、または（ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ，Ｓｂ）／ＧａＡｓＳｂ）の多重量子井戸構造であることを特徴とする、請求項３に記載の生体成分検出装置。
【請求項５】
前記ＩｎＰ基板は、（１００）から［１１１］方向または［１１−１］方向に、５°〜２０°傾斜したオフアングル基板であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項６】
前記不純物元素が亜鉛（Ｚｎ）であり、前記拡散濃度分布調整層がＩｎＧａＡｓから形成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項７】
前記拡散濃度分布調整層の上にＩｎＰ窓層を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項８】
前記ＩｎＰ基板、前記受光層の量子井戸構造を構成する各層、拡散濃度分布調整層、および前記ＩｎＰ窓層の任意の相互間において、格子整合度（｜Δａ／ａ｜：ただし、ａは格子定数、Δａは相互間の格子定数差）が０．００２以下であることを特徴とする、請求項７に記載の生体成分検出装置。
【請求項９】
前記受光素子が、一次元または二次元にアレイ化していることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項１０】
前記生体の検出部位に、スーパーコンティニウム光源（ＳＣ光源）または発光ダイオード（ＬＥＤ）による光を照射し、前記検出部位からの透過光または反射光を受光することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項１１】
前記受光素子の二次元アレイを含む撮像装置を備え、該撮像装置により前記検査対象の生体に含まれる成分の分布像を形成することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項１２】
前記波長域の光を、前記生体に照射し、該生体からの反射光または該生体からの透過光を、受光して、前記生体に含まれる、グルコース、ぶどう糖、ヘモグロビン、コレステロール、アルブミン、活性酸素、脂肪、およびコラーゲンの少なくとも１つの成分を検出することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の生体成分検出装置。
【請求項１３】
前記検出部位の前記光の照射側に、または照射側から見て前記検出部位の後に、位置して、光を分光する分光部と、前記分光された波長に応じて位置する複数の受光素子または受光素子アレイと、前記受光素子または受光素子アレイで受光した結果に基づき演算をして、前記生体の成分濃度を算出する制御部とを備えることを特徴とする、請求項１２に記載の生体成分検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１１−１５１４０１（Ｐ２０１１−１５１４０１Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３４５５８（Ｐ２０１１−３４５５８）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【分割の表示】特願２００８−３２６２７６（Ｐ２００８−３２６２７６）の分割
【原出願日】平成２０年１２月２２日（２００８．１２．２２）
【特許番号】特許第４７２１１４７号（Ｐ４７２１１４７）
【特許公報発行日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【分割の表示】特願２００８−３２６２７６（Ｐ２００８−３２６２７６）の分割
【原出願日】平成２０年１２月２２日（２００８．１２．２２）
【特許番号】特許第４７２１１４７号（Ｐ４７２１１４７）
【特許公報発行日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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