ホーム > 特許ランキング > 浜松ホトニクス株式会社
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022049352
(43)【公開日】2022-03-29
(54)【発明の名称】光検出モジュール及びビート分光装置
(51)【国際特許分類】
H01L 31/02 20060101AFI20220322BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20220322BHJP
G01N 21/27 20060101ALI20220322BHJP
G01N 21/39 20060101ALI20220322BHJP
G01J 1/04 20060101ALI20220322BHJP
H01L 31/0264 20060101ALN20220322BHJP
G01N 21/3504 20140101ALN20220322BHJP
【ＦＩ】
H01L31/02 B
G01J1/02 B
G01N21/27 H
G01N21/39
G01J1/04 K
H01L31/08 L
G01N21/3504
【審査請求】未請求
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020155515
(22)【出願日】2020-09-16
(71)【出願人】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100177910
【弁理士】
【氏名又は名称】木津 正晴
(72)【発明者】
【氏名】道垣内 龍男
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 昭生
(72)【発明者】
【氏名】日▲高▼ 正洋
(72)【発明者】
【氏名】枝村 忠孝
【テーマコード（参考）】
2G059
2G065
5F849
【Ｆターム（参考）】
2G059AA01
2G059BB01
2G059CC04
2G059DD13
2G059EE01
2G059EE12
2G059FF04
2G059GG01
2G059GG03
2G059GG09
2G059JJ11
2G059JJ22
2G059KK01
2G059MM04
2G059NN01
2G065AA04
2G065AB09
2G065AB16
2G065BA02
2G065BA40
2G065BB04
2G065BB06
2G065CA12
2G065CA25
2G065CA27
2G065CA30
2G065DA08
5F849AA17
5F849AB07
5F849BA03
5F849BB07
5F849CB01
5F849CB14
5F849DA16
5F849DA35
5F849FA05
5F849JA05
5F849JA08
5F849JA12
5F849LA01
5F849XB08
5F849XB24
(57)【要約】
【課題】応答速度の高速化及び信頼性の確保を実現することができる光検出モジュール、及び波長掃引範囲を広くすることできるビート分光装置を提供する。
【解決手段】光検出モジュール１は、光検出器１０及び固定部材５０を備える。光検出器１０は、半導体基板１１と、メサ部１２と、第１コンタクト層１３と、第２コンタクト層１４と、半導体基板１１の主面１１ａ上に平面状に形成され、第１コンタクト層１３及び第２コンタクト層１４の一方に電気的に接続された第１電極１５と、を有する。固定部材５０は、絶縁基板５１と、絶縁基板５１の主面５１ａ上に平面状に形成された第１配線５２と、を有する。絶縁基板５１の主面５１ａには、凹部５４が形成されており、メサ部１２の少なくとも一部は、凹部５４内に配置されている。第１電極１５は、第１配線５２に面接触した状態で、第１配線５２に電気的に接続されている。
【選択図】図１
【解決手段】光検出モジュール１は、光検出器１０及び固定部材５０を備える。光検出器１０は、半導体基板１１と、メサ部１２と、第１コンタクト層１３と、第２コンタクト層１４と、半導体基板１１の主面１１ａ上に平面状に形成され、第１コンタクト層１３及び第２コンタクト層１４の一方に電気的に接続された第１電極１５と、を有する。固定部材５０は、絶縁基板５１と、絶縁基板５１の主面５１ａ上に平面状に形成された第１配線５２と、を有する。絶縁基板５１の主面５１ａには、凹部５４が形成されており、メサ部１２の少なくとも一部は、凹部５４内に配置されている。第１電極１５は、第１配線５２に面接触した状態で、第１配線５２に電気的に接続されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光検出器と、
前記光検出器が固定された固定部材と、を備え、
前記光検出器は、
主面を有する半導体基板と、
検出光の入射量に応じて電気信号を発生させる半導体領域を含み、前記半導体基板の前記主面上に形成されたメサ部と、
前記メサ部における前記半導体基板とは反対側の表面上に形成された第１コンタクト層と、
前記半導体基板の前記主面と前記メサ部との間に形成された第２コンタクト層と、
前記半導体基板の前記主面上に平面状に形成され、前記第１コンタクト層及び前記第２コンタクト層の一方に電気的に接続された第１電極と、を有し、
前記固定部材は、
主面を有する絶縁基板と、
前記絶縁基板の前記主面上に平面状に形成された第１配線と、を有し、
前記絶縁基板の前記主面には、凹部が形成されており、
前記メサ部の少なくとも一部は、前記凹部内に配置されており、
前記第１電極は、前記第１配線に面接触した状態で、前記第１配線に電気的に接続されている、光検出モジュール。
前記光検出器が固定された固定部材と、を備え、
前記光検出器は、
主面を有する半導体基板と、
検出光の入射量に応じて電気信号を発生させる半導体領域を含み、前記半導体基板の前記主面上に形成されたメサ部と、
前記メサ部における前記半導体基板とは反対側の表面上に形成された第１コンタクト層と、
前記半導体基板の前記主面と前記メサ部との間に形成された第２コンタクト層と、
前記半導体基板の前記主面上に平面状に形成され、前記第１コンタクト層及び前記第２コンタクト層の一方に電気的に接続された第１電極と、を有し、
前記固定部材は、
主面を有する絶縁基板と、
前記絶縁基板の前記主面上に平面状に形成された第１配線と、を有し、
前記絶縁基板の前記主面には、凹部が形成されており、
前記メサ部の少なくとも一部は、前記凹部内に配置されており、
前記第１電極は、前記第１配線に面接触した状態で、前記第１配線に電気的に接続されている、光検出モジュール。
【請求項2】
前記メサ部の前記半導体領域は、サブバンド間吸収によって検出光を吸収する吸収領域と前記サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層された活性層を含む、請求項１に記載の光検出モジュール。
【請求項3】
前記半導体基板の前記主面に平行な方向における前記メサ部の一方の端面は、前記検出光の入射面となっている、請求項１又は２に記載の光検出モジュール。
【請求項4】
前記半導体基板の前記主面に平行な方向における前記メサ部の一方の端面は、前記半導体基板の側面と面一になっている、請求項１～３のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項5】
前記メサ部の前記端面と向かい合うように配置され、前記メサ部の前記端面に向けて前記検出光を収束させるレンズを更に備える、請求項３又は４に記載の光検出モジュール。
【請求項6】
前記凹部は、前記絶縁基板の側面に開口している、請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項7】
前記凹部は、前記絶縁基板の主面の外縁から離間するように前記主面に形成された穴によって構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項8】
前記光検出器は、前記第１電極と前記第１コンタクト層及び前記第２コンタクト層の前記一方とに電気的に接続された接続配線を更に有し、
前記接続配線の少なくとも一部は、前記凹部内に配置されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
前記接続配線の少なくとも一部は、前記凹部内に配置されている、請求項１～７のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項9】
前記接続配線は、シート状のエアブリッジ配線である、請求項８に記載の光検出モジュール。
【請求項10】
前記光検出器は、前記半導体基板の前記主面上に平面状に形成され、前記第１コンタクト層及び前記第２コンタクト層の他方に電気的に接続された第２電極を更に有し、
前記固定部材は、前記絶縁基板の前記主面上に平面状に形成された第２配線を更に有し、
前記第２電極は、前記第２配線に面接触した状態で、前記第２配線に電気的に接続されている、請求項１～９のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
前記固定部材は、前記絶縁基板の前記主面上に平面状に形成された第２配線を更に有し、
前記第２電極は、前記第２配線に面接触した状態で、前記第２配線に電気的に接続されている、請求項１～９のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項11】
前記第２コンタクト層は、前記半導体基板の前記主面に垂直な方向から見た場合に、前記半導体基板の前記主面と前記メサ部との間に位置する第１部分と、前記メサ部の外側に位置する第２部分と、を有し、
前記第２電極は、前記第２コンタクト層の前記第２部分上に形成されている、請求項１０に記載の光検出モジュール。
前記第２電極は、前記第２コンタクト層の前記第２部分上に形成されている、請求項１０に記載の光検出モジュール。
【請求項12】
前記第１電極は、半田層を介して前記第１配線に面接触しており、
前記第２電極は、半田層を介して前記第２配線に面接触している、請求項１１に記載の光検出モジュール。
前記第２電極は、半田層を介して前記第２配線に面接触している、請求項１１に記載の光検出モジュール。
【請求項13】
前記光検出器は、前記半導体基板の前記主面上に平面状に形成され、前記第２コンタクト層から電気的に分離された高さ調整層を有し、
前記第１電極は、前記高さ調整層上に形成されている、請求項１１又は１２に記載の光検出モジュール。
前記第１電極は、前記高さ調整層上に形成されている、請求項１１又は１２に記載の光検出モジュール。
【請求項14】
前記第１配線は、前記第１配線を伝搬する電気信号の波長の１／４以下の長さを有する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項15】
光導波方向に垂直な方向における前記メサ部の両側面は、露出している、請求項１～１４のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項16】
前記メサ部は、前記凹部の内面から離間している、請求項１～１５のいずれか一項に記載の光検出モジュール。
【請求項17】
波長固定光源と、
波長可変光源と、
前記波長固定光源からの光及び前記波長可変光源からの光を前記検出光として検出する請求項１～１６のいずれか一項に記載の光検出モジュールと、を備え、
前記波長固定光源からの光と前記波長可変光源からの光との間の波長差に応じた周波数を有するビート信号の周波数が掃引されるように、前記波長可変光源からの光の波長が変化させられつつ、前記波長固定光源からの光及び前記波長可変光源からの光が前記光検出器により検出される、ビート分光装置。
波長可変光源と、
前記波長固定光源からの光及び前記波長可変光源からの光を前記検出光として検出する請求項１～１６のいずれか一項に記載の光検出モジュールと、を備え、
前記波長固定光源からの光と前記波長可変光源からの光との間の波長差に応じた周波数を有するビート信号の周波数が掃引されるように、前記波長可変光源からの光の波長が変化させられつつ、前記波長固定光源からの光及び前記波長可変光源からの光が前記光検出器により検出される、ビート分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光検出モジュール及びビート分光装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、量子カスケード検出器が開示されている。量子カスケード検出器では、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移（サブバンド間吸収）を利用して光が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１７－１４７４２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述したような光検出器には、応答速度の高速化が求められる。また、信頼性の確保も併せて求められる。そこで、本発明は、応答速度の高速化及び信頼性の確保を実現することができる光検出モジュール、及び波長掃引範囲を広くすることができるビート分光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】
【0005】
本発明の光検出モジュールは、光検出器と、光検出器が固定された固定部材と、を備え、光検出器は、主面を有する半導体基板と、検出光の入射量に応じて電気信号を発生させる半導体領域を含み、半導体基板の主面上に形成されたメサ部と、メサ部における半導体基板とは反対側の表面上に形成された第１コンタクト層と、半導体基板の主面とメサ部との間に形成された第２コンタクト層と、半導体基板の主面上に平面状に形成され、第１コンタクト層及び第２コンタクト層の一方に電気的に接続された第１電極と、を有し、固定部材は、主面を有する絶縁基板と、絶縁基板の主面上に平面状に形成された第１配線と、を有し、絶縁基板の主面には、凹部が形成されており、メサ部の少なくとも一部は、凹部内に配置されており、第１電極は、第１配線に面接触した状態で、第１配線に電気的に接続されている。
【0006】
この光検出モジュールでは、光検出器における半導体基板上の第１電極が、固定部材における絶縁基板上の第１配線に面接触した状態で、第１配線に電気的に接続されている。これにより、例えばワイヤボンディングにより第１電極と第１配線とが接続される場合と比べて、ワイヤによりインダクタンスが発生するのを回避することができ、インダクタンスを低減することができる。その結果、応答速度を高速化することができる。また、第１電極と第１配線とを面接触した状態で接続することで、光検出器と固定部材とを強固に固定することができ、信頼性を確保することができる。更に、この光検出モジュールでは、光検出器のメサ部の少なくとも一部が、絶縁基板に形成された凹部内に配置されている。これにより、繊細なメサ部を保護することができ、信頼性を確保することができる。よって、この光検出モジュールによれば、応答速度の高速化及び信頼性の確保を実現することができる。
【0007】
メサ部の半導体領域は、サブバンド間吸収によって検出光を吸収する吸収領域とサブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層された活性層を含んでいてもよい。このような活性層をメサ部が有する場合、応答速度の高速化の観点から、インダクタンスを低減することが特に重要となる。この点、この光検出モジュールでは、上述したとおりインダクタンスを低減することができ、応答速度の高速化を実現することができる。
【0008】
半導体基板の主面に平行な方向におけるメサ部の一方の端面は、検出光の入射面となっていてもよい。この場合、メサ部において光を効果的に吸収することができ、出力信号の強度を確保することができる。
【0009】
半導体基板の主面に平行な方向におけるメサ部の一方の端面は、半導体基板の側面と面一になっていてもよい。この場合、メサ部の当該端面を検出光の入射面として容易に利用することができる。
【0010】
本発明の光検出モジュールは、メサ部の端面と向かい合うように配置され、メサ部の端面に向けて検出光を収束させるレンズを更に備えていてもよい。この場合、メサ部の端面の幅（光導波方向に垂直な方向における長さ）を狭くすることができ、平面視におけるメサ部の面積を小さくすることができる。その結果、寄生容量を低減することができ、応答速度を一層高速化することができる。また、メサ部の面積が一定であると仮定すると、メサ部の幅を狭くすることで、光導波方向におけるメサ部の長さを長くすることができる。その結果、メサ部において光を効果的に吸収することができ、出力信号の強度を確保することができる。
【0011】
凹部は、絶縁基板の側面に開口していてもよい。この場合、メサ部の端面に検出光を容易に入射させることができる。或いは、凹部は、絶縁基板の主面の外縁から離間するように主面に形成された穴によって構成されていてもよい。
【0012】
光検出器は、第１電極と第１コンタクト層及び第２コンタクト層の一方とに電気的に接続された接続配線を更に有し、接続配線の少なくとも一部は、凹部内に配置されていてもよい。この場合、接続配線を保護することができ、信頼性を確実に確保することができる。
【0013】
接続配線は、シート状のエアブリッジ配線であってもよい。この場合、凹部内に配置することで繊細なエアブリッジ配線を保護することができ、信頼性を確実に確保することができる。
【0014】
光検出器は、半導体基板の主面上に平面状に形成され、第１コンタクト層及び第２コンタクト層の他方に電気的に接続された第２電極を更に有し、固定部材は、絶縁基板の主面上に平面状に形成された第２配線を更に有し、第２電極は、第２配線に面接触した状態で、第２配線に電気的に接続されていてもよい。この場合、例えばワイヤボンディングにより第２電極と第２配線とが接続される場合と比べてインダクタンスを低減することができ、応答速度を一層高速化することができる。また、第２電極と第２配線とを面接触した状態で接続することで、光検出器と固定部材とを強固に固定することができ、信頼性を確実に確保することができる。
【0015】
第２コンタクト層は、半導体基板の主面に垂直な方向から見た場合に、半導体基板の主面とメサ部との間に位置する第１部分と、メサ部の外側に位置する第２部分と、を有し、第２電極は、第２コンタクト層の第２部分上に形成されていてもよい。この場合、第２電極の面積を大きく確保することができ、第２電極と第２配線との間の接触面積を大きく確保することができる。
【0016】
第１電極は、半田層を介して第１配線に面接触しており、第２電極は、半田層を介して第２配線に面接触していてもよい。この場合、第１電極と第１配線とを電気的及び機械的に強固に接続することができると共に、第２電極と第２配線とを電気的及び機械的に強固に接続することができる。また、第１電極と第１配線とを接続すると共に第２電極と第２配線とを接続する際に、第１電極と第２電極との間に高さの差が存在する場合でも、当該高さの差を半田層によって吸収することができ、各接続箇所において良好な面接触を実現することができる。
【0017】
検出器は、半導体基板の主面上に平面状に形成され、第２コンタクト層から電気的に分離された高さ調整層を有し、第１電極は、高さ調整層上に形成されていてもよい。この場合、第１電極と第１配線とを接続すると共に第２電極と第２配線とを接続する際に、第１電極と第２電極との間に高さの差が存在する場合でも、高さ調整層によって第１電極と第２電極との間の高さの差を低減することができ、各接続箇所において良好な面接触を実現することができる。
【0018】
第１配線は、第１配線を伝搬する電気信号の波長の１／４以下の長さを有してもよい。この場合、インピーダンスマッチングを実現することができる。
【0019】
光導波方向に垂直な方向におけるメサ部の両側面は、露出していてもよい。この場合、寄生容量の発生を抑制することができ、応答速度を一層高速化することができる。
【0020】
メサ部は、凹部の内面から離間していてもよい。この場合、メサ部を確実に保護することができる。
【0021】
本発明のビート分光装置は、波長固定光源と、波長可変光源と、波長固定光源からの光及び波長可変光源からの光を検出光として検出する上記光検出モジュールと、を備え、波長固定光源からの光と波長可変光源からの光との間の波長差に応じた周波数を有するビート信号の周波数が掃引されるように、波長可変光源からの光の波長が変化させられつつ、波長固定光源からの光及び波長可変光源からの光が光検出器により検出される。このビート分光装置が備える光検出モジュールでは、上述した理由により応答速度が高速化されている。そのため、このビート分光装置では、ビート分光における波長掃引範囲を広くすることができる。
【発明の効果】
【0022】
本発明によれば、応答速度の高速化及び信頼性の確保を実現することができる光検出モジュール、及び波長掃引範囲を広くすることできるビート分光装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】実施形態の光検出モジュールの正面図である。
【図2】光検出器の斜視図である。
【図3】光検出器の平面図である。
【図4】光検出器の正面図である。
【図5】光検出器の構成を示す表である。
【図6】固定部材の平面図である。
【図7】光検出モジュールの実装状態を示す斜視図である。
【図8】光検出モジュールの実装状態を示す平面図である。
【図9】光検出モジュールの実装状態を示す正面図である。
【図10】光検出器の応答特性を示すグラフである。
【図11】高周波領域における出力信号の例を示すグラフである。
【図12】（ａ）は、実施形態の光検出器の正面図であり、（ｂ）は、第１変形例の光検出器の正面図である。
【図13】第２変形例に係る光検出モジュールの断面図である。
【図14】第２変形例に係る固定部材の平面図である。
【図15】第３変形例に係る光検出器の平面図である。
【図16】ビート分光装置の構成を示す図である。
【図17】光検出器の感度特性及び波長固定光源の発振波長を示すグラフである。
【図18】波長固定光源及び波長可変光源の発振波長を示すグラフである。
【図19】波長可変光源の注入電流と発振波長との間の関係を示すグラフである。
【図20】波長可変光源への注入電流とビート周波数との間の関係を示すグラフである。
【図21】ビート信号の例を示すグラフである。
【図22】応答特性の比較結果を示すグラフである。
【図23】ビート分光の測定結果を示すグラフである。
【図24】ビート分光の測定結果を示すグラフである。
【図25】ビート分光の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
［光検出モジュール］
［光検出モジュール］
【0025】
図１に示されるように、光検出モジュール１は、光検出器１０と、光検出器１０が固定された固定部材（サブマウント）５０と、を備えている。光検出器１０は、例えば量子カスケード検出器（Quantum Cascade Detector：ＱＣＤ）であり、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移（サブバンド間吸収）を利用して検出光ＤＬを検出する。
［光検出器］
［光検出器］
【0026】
図２、図３及び図４に示されるように、光検出器１０は、半導体基板１１と、メサ部１２と、第１コンタクト層１３と、第２コンタクト層１４と、第１電極１５と、エアブリッジ配線１６と、第２電極１７と、を備えている。
【0027】
半導体基板１１は、例えば、矩形平板状に形成され、平坦な主面１１ａを有している。半導体基板１１は、例えば、半絶縁性のＩｎＰ基板である。以下、半導体基板１１の幅方向、奥行き方向、厚さ方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向として説明する。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は互いに直交している。なお、図２～図４では図１に対して光検出器１０の各構成がＸ方向に関して反転して配置されている。実際には、光検出器１０の各構成は、図２～図４に示される配置に対してＸ方向に関して反転して配置されている。要は、後述するように、第１電極１５が第１配線５２に接続されると共に第２電極１７が第２配線５３に接続されるように、各要素が配置されていればよい。
【0028】
メサ部１２は、光導波方向Ａに沿って延在するように半導体基板１１の主面１１ａ上に形成されている。光導波方向Ａは、Ｙ方向と平行である。メサ部１２は、第２コンタクト層１４を介して主面１１ａ上に形成されており、半導体基板１１からＺ方向に突出している。Ｘ方向におけるメサ部１２の一対の側面１２ａの各々は、露出している。すなわち、各側面１２ａは、他の要素によって覆われていない。側面１２ａは、Ｘ方向と交差するように延在する表面であり、この例ではＸ方向に垂直な平坦面である。
【0029】
メサ部１２は、活性層２１を含んでいる。図５に示されるように、活性層２１は、Ｚ方向（半導体基板１１の主面１１ａに垂直な方向）に沿って交互に積層された複数の吸収領域２２及び複数の輸送領域２３を含んでおり、量子カスケード構造を有している。活性層２１においては、吸収領域２２及び輸送領域２３の対からなる単位積層体２４が繰り返し積層されている。この例では、活性層２１は、感度波長のピークが４．５μｍとなるように構成されており、９０周期分の単位積層体２４を含んでいる。単位積層体２４の周期数は、例えば１０以上１５０以下であってもよい。
【0030】
吸収領域２２は、障壁層２６１及び井戸層２７１を含んでおり、サブバンド間吸収によって検出光ＤＬを吸収する。輸送領域２３は、複数の障壁層２６２～２６７及び複数の井戸層２７２～２７７を含んでおり、吸収領域２２におけるサブバンド間吸収によって励起された電子を次周期の吸収領域２２へと輸送する。障壁層２６１～２６７及び井戸層２７２～２７７の組成、層厚、ドーピング状態の一例は、図５に示されるとおりである。
【0031】
活性層２１に検出光ＤＬが入射すると、活性層２１において検出光ＤＬが吸収される。より具体的には、サブバンド間吸収による電子励起、励起された電子の緩和、輸送及び次周期の単位積層体２４への電子の抽出が複数の単位積層体２４において繰り返されることにより、活性層２１においてカスケード的な光吸収が起こる。光検出モジュール１では、この光吸収により発生する電流を電気信号として取り出し、その電流量を計測することにより、検出光ＤＬを検出する。すなわち、活性層２１は、検出光ＤＬの入射量に応じて電気信号を発生させる半導体領域として機能する。
【0032】
メサ部１２は、Ｙ方向に長尺に形成されており、例えば、平面視において（Ｚ方向から見た場合に）長辺がＹ方向と平行な長方形状に形成されている。すなわち、平面視において、Ｙ方向（光導波方向Ａ）におけるメサ部１２の長さＬ１は、Ｘ方向（光導波方向Ａに垂直な方向）におけるメサ部１２の長さ（幅）Ｌ２よりも長い。長さＬ１は、例えば５０μｍ以上である。長さＬ１は、例えば５０μｍ～３０００μｍ程度であり、この例では１００μｍである。長さＬ２は、例えば１０μｍ～１０００μｍ程度であり、この例では２５μｍである。平面視におけるメサ部１２のアスペクト比（長さＬ１の長さＬ２に対する比）は、１～１００である。メサ部１２のアスペクト比は、１．５～５０であってもよく、好ましくは２～１０であってもよい。長さＬ１，Ｌ２は、１０μｍ以上であってもよい。長さＬ１が５０μｍよりも小さいと、出力信号の強度を確保することが難しくなるおそれがある。長さＬ２が１０μｍよりも小さいと、エアブリッジ配線１６を形成することが難しくなるおそれがある。長さＬ１が３０００μｍよりも大きいか、又は長さＬ２が１０００μｍよりも大きいと、素子サイズが大きくなり、高いカットオフを実現することが難しくなるおそれがある。
【0033】
第１コンタクト層１３は、メサ部１２における半導体基板１１とは反対側の表面１２ｂ上に形成された上部コンタクト層である。第２コンタクト層１４は、半導体基板１１の主面１１ａとメサ部１２との間に形成された下部コンタクト層である。第１コンタクト層１３及び第２コンタクト層１４の組成、層厚、ドーピング状態の一例は、図５に示されるとおりである。
【0034】
第２コンタクト層１４は、メサ部１２よりも各辺の長さが長い長方形状に形成されており、メサ部１２からはみ出した部分を有している。すなわち、第２コンタクト層１４は、平面視において、半導体基板１１の主面１１ａとメサ部１２との間に位置する第１部分１４ａと、メサ部１２の外側に位置する第２部分１４ｂと、を有している。
【0035】
メサ部１２、第１コンタクト層１３及び第２コンタクト層１４は、例えば結晶成長により半導体基板１１の主面１１ａ上に形成される。メサ部１２、第１コンタクト層１３及び第２コンタクト層１４は、結晶成長後にフォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて第２コンタクト層１４の表面又は第２コンタクト層１４の内部に至るようにエッチングを行うことにより、形成される。製造時には、例えば、メサ部１２、第１コンタクト層１３及び第２コンタクト層１４に対応する部分をウェハ上に複数形成した後にウェハを切断することにより、複数の素子が一括形成される。
【0036】
この例では、Ｙ方向（光導波方向Ａ）（半導体基板１１の主面１１ａに平行な方向）におけるメサ部１２の一方の端面１２ｃが、検出光ＤＬの入射面（受光面）となっている。端面１２ｃから入射した検出光ＤＬは、光導波方向Ａに沿ってメサ部１２内を進行する。端面１２ｃは、半導体基板１１の側面１１ｂと面一になっている。すなわち、端面１２ｃと側面１１ｂは同一の平面上に位置する。側面１１ｂは、Ｙ方向と交差するように延在する表面であり、この例ではＹ方向に垂直な平坦面である。この例では、側面１１ｂ及び端面１２ｃは、ウェハの切断により形成される劈開面である。
【0037】
第１電極１５は、半導体基板１１の主面１１ａ上に平面状に形成されている。第１電極１５は、例えば、金により構成されており、パターニングにより正方形状に形成されている。第１電極１５は、メサ部１２に対してＸ方向における一方側に位置する接続部分１５ａを有している。この例では、接続部分１５ａは、第１電極１５の全体である。第１電極１５は、エアブリッジ配線１６を介して第１コンタクト層１３に電気的に接続されている。第１電極１５は、活性層２１から出力される電流を外部に取り出すために設けられている。第１電極１５の面積は、例えば１００００μｍ２以上である。この場合、第１電極１５と後述する第１配線５２とを良好に面接触させることができる。この例では、第１電極１５の寸法は４００μｍ×４００μｍである。
【0038】
エアブリッジ配線１６は、第１コンタクト層１３及び第１電極１５に電気的に接続された接続配線である。エアブリッジ配線１６は、第１コンタクト層１３からＸ方向における一方側に引き出され、第１コンタクト層１３と第１電極１５との間に架け渡されている。この例では、エアブリッジ配線１６は、第１コンタクト層１３からＸ方向と平行な方向に沿って引き出されている。エアブリッジ配線１６は、平面視において、Ｘ方向における第１コンタクト層１３（メサ部１２）の端部から引き出されている。エアブリッジ配線１６は、空中を延在するブリッジ部１６ａを有する空中配線（立体配線）である。ブリッジ部１６ａは、後述するめっき層１５１を介して第１電極１５（接続部分１５ａ）に電気的に接続されている。エアブリッジ配線１６は、第１コンタクト層１３上に形成された平面状の部分１６ｂを更に有している。ブリッジ部１６ａは部分１６ｂと一体に形成されている。
【0039】
エアブリッジ配線１６は、例えば次の工程により形成される。まず、半導体基板１１の主面１１ａにおけるメサ部１２と第１電極１５との間の領域に、パターニングによりレジストを形成する。続いて、レジスト上にめっきにより厚さ５μｍ程度の金の薄膜を形成し、その後にレジストを除去する。これにより、シート状のエアブリッジ配線１６が形成される。
【0040】
ブリッジ部１６ａは、幅広なシート状（層状）に形成されている。Ｙ方向（光導波方向Ａ）におけるブリッジ部１６ａの長さ（幅）Ｌ３は、Ｘ方向におけるブリッジ部１６ａの長さＬ４よりも長い。この例では、ブリッジ部１６ａは、Ｙ方向から見た場合に湾曲して延在している。この場合、図４に示されるように、Ｘ方向におけるブリッジ部１６ａの長さＬ４は、延在方向に沿ってのブリッジ部１６ａの長さ（実長）である。長さＬ３は、例えば５０μｍ以上である。長さＬ３は、例えば５０μｍ～３０００μｍ程度であり、この例では８０μｍである。長さＬ４は、例えば５μｍ～２００μｍ程度であり、この例では３０μｍである。ブリッジ部１６ａのアスペクト比（長さＬ３の長さＬ４に対する比）は、０．２５～１００であってもよく、好ましくは１～５０であってもよい。ブリッジ部１６ａのアスペクト比は、より好ましくは１～２０であってもよく、更に好ましくは２～１０であってもよい。Ｚ方向におけるブリッジ部１６ａ（エアブリッジ配線１６）の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下である。
【0041】
第２電極１７は、第２コンタクト層１４の第２部分１４ｂ上に平面状に形成されている。換言すれば、第２電極１７は、第２コンタクト層１４を介して半導体基板１１の主面１１ａ上に平面状に形成されている。第２電極１７は、例えば、金により構成されており、パターニングにより正方形状に形成されている。第２電極１７は、メサ部１２に対してＸ方向における他方側（第１電極１５とは反対側）に配置されている。第２電極１７は、第２コンタクト層１４に電気的に接続されている。第２電極１７は、活性層２１から出力される電流を外部に取り出すために設けられている。第２電極１７は、第１電極１５から電気的に分離されている。第２電極１７の面積は、例えば１００００μｍ２以上である。この場合、第２電極１７と後述する第２配線５３とを良好に面接触させることができる。この例では、第２電極１７の寸法は４００μｍ×４００μｍであり、第１電極１５と同一である。
【0042】
上述したエアブリッジ配線１６の形成工程におけるめっきの際に、第１電極１５及び第２電極１７上にもめっき層が形成されてもよい。図２～図４では、これらのめっき層が符号１５１，１７１で示されている。めっき層１５１，１７１は、それぞれ第１電極１５及び第２電極１７を構成しているとみなすことができる。この例では、めっき層１５１は第１電極１５よりも一回り小さく形成されている（第１電極１５の一部上のみに形成されている）が、第１電極１５の全面上に形成されてもよい。同様に、めっき層１７１は第２電極１７よりも一回り小さく形成されているが、第２電極１７の全面上に形成されてもよい。めっき層１５１は、エアブリッジ配線１６を構成しているとみなすこともできる。めっき層１５１，１７１は形成されなくてもよい。
［固定部材］
［固定部材］
【0043】
図１及び図６に示されるように、固定部材５０は、絶縁基板５１と、第１配線５２と、第２配線５３と、を備えている。図６では、理解の容易化のために第１配線５２及び第２配線５３にハッチングが付されている。絶縁基板５１は、例えば矩形平板状に形成され、主面５１ａと、主面５１ａとは反対側の５１ｂと、を有している。この例では、主面５１ａ，５１ｂは互いに平行な平坦面である。絶縁基板５１の母材は、例えばアルミナ（酸化アルミニウム）である。この場合、高周波数帯での誘電損失を低減することができる。絶縁基板５１の母材は、絶縁性が高い材料であるＳｉＣ又はセラミックスであってもよい。
【0044】
絶縁基板５１の主面５１ａには、凹部５４が形成されている。この例では、凹部５４は、Ｙ方向（光導波方向Ａ）に沿って延在する溝であり、絶縁基板５１の側面５１ｃに開口している。すなわち、凹部５４は、側面５１ｃに至るように延在している。側面５１ｃは、Ｙ方向と交差するように延在する表面であり、この例ではＹ方向に垂直な平坦面である。一例として、凹部５４は、平面視において長方形状を呈し、Ｙ方向に垂直な断面において略半円形状を呈している。
【0045】
第１配線５２は、絶縁基板５１の主面５１ａ上に平面状に形成されている。第１配線５２は、例えば、金により構成されており、パターニングにより所定の形状に形成されている。第１配線５２は、凹部５４に対してＸ方向における一方側に配置されている。第１配線５２は、長辺がＹ方向と平行な長方形状に形成されており、絶縁基板５１の側面５１ｃ，５１ｄ間にわたって延在している。側面５１ｄは、絶縁基板５１における側面５１ｃとは反対側の表面である。
【0046】
第２配線５３は、絶縁基板５１の主面５１ａ上に平面状に形成されている。第２配線５３は、第１配線５２から電気的に分離されている。第２配線５３は、例えば、金により構成されており、パターニングにより所定の形状に形成されている。第２配線５３は、絶縁基板５１の主面５１ａから側面５１ｅを通って主面５１ｂへ至るように（回り込むように）形成されている。すなわち、第２配線５３は、主面５１ａ上に配置された第１部分５３ａと、主面５１ｂ及び側面５１ｅ上にわたって配置された第２部分５３ｂと、を有している。第１部分５３ａは、凹部５４に対してＸ方向における他方側（第１配線５２とは反対側）に配置されている。第１部分５３ａは、長辺がＸ方向と平行な長方形状に形成された部分５３ａ１と、長辺がＹ方向と平行な長方形状に形成された部分５３ａ２と、を有している。部分５３ａ２は、部分５３ａ１から絶縁基板５１の側面５１ｄに至るように延在している。第２部分５３ｂは、主面５１ｂ及び側面５１ｅの全面上に形成されている。
【0047】
第１配線５２上には、半田層５５が形成されており、第２配線５３上には半田層５６が形成されている。半田層５６は、第２配線５３の部分５３ａ１上に形成されている。各半田層５５，５６は、例えば金属材料により正方形状に形成されており、１μｍ以上１０μｍ以下程度の厚さを有している。
【0048】
図１に示されるように、光検出器１０は、半導体基板１１の主面１１ａが絶縁基板５１の主面５１ａと向かい合った状態で、固定部材５０に固定されている。光検出器１０が固定部材５０に固定された固定状態においては、メサ部１２の少なくとも一部が凹部５４内に配置されている。この例では、メサ部１２の先端部（Ｙ方向における半導体基板１１とは反対側の端部）が凹部５４内に配置されている。メサ部１２は、凹部５４の内面５４ａから離間している。メサ部１２の長手方向は、凹部５４の長手方向と平行になっている。メサ部１２の端面１２ｃは、Ｙ方向から見た場合に凹部５４から露出している。固定状態においては、エアブリッジ配線１６（ブリッジ部１６ａ）の一部も、内面５４ａから離間するように凹部５４内に配置されている。これにより、エアブリッジ配線１６と第１コンタクト層１３との間の接続部が凹部５４内に配置されている。
【0049】
光検出器１０は、第１電極１５が第１配線５２に接続されると共に第２電極１７が第２配線５３に接続されることにより、固定部材５０に固定されている。第１電極１５は、半田層５５を用いて第１配線５２に融着されており、半田層５５を介して第１配線５２に面接触した状態で、第１配線５２に電気的に接続されている。第２電極１７は、半田層５６を用いて第２配線５３に融着されており、半田層５６を介して第２配線５３に面接触した状態で、第２配線５３に電気的に接続されている。第１電極１５と第１配線５２との間の接触面積、及び第２電極１７と第２配線５３との間の接触面積の各々は、１００００μｍ２以上である。固定状態においては、後述するコネクタ８０の端子８１が接続可能となるように、第１配線５２の一部が露出する（図７、図８）。
［光検出モジュールの実装状態］
［光検出モジュールの実装状態］
【0050】
図７、図８及び図９に示されるように、光検出モジュール１は、例えばコネクタ８０に接続されて使用される。コネクタ８０は、例えばＳＭＡコネクタであり、ＳＭＡケーブルの信号線に電気的に接続された端子８１を有している。端子８１は、固定部材５０の第１配線５２に機械的に接続されており、第１配線５２に電気的に接続されている。或いは、端子８１は、半田付けにより第１配線５２に接続されてもよい。このように、この例では、第１配線５２は、信号線に電気的に接続される信号側配線である。
【0051】
コネクタ８０は、本体部材８２と、本体部材８２と一体に形成された支持部材８３と、を更に有している。本体部材８２及び支持部材８３は、ＳＭＡケーブルのグランド線に電気的に接続されている。光検出モジュール１は、固定部材５０が支持部材８３に接続されることにより、コネクタ８０に固定されている。例えば、固定部材５０の第２配線５３の第２部分５３ｂが、支持部材８３の表面上に形成された金層に、半田付けにより接続されている。金層は、例えば支持部材８３の全面を覆うように形成されている。或いは、本体部材８２は、支持部材８３と別体に構成されてもよい。この場合、固定部材５０が接続された支持部材８３が、ネジ止め又は半田付けにより本体部材８２に固定されてもよい。以上の接続により、第２配線５３がグランド線に電気的に接続される。すなわち、この例では、第２配線５３は、グランド線に電気的に接続されるグランド側配線である。この例では、光検出器１０とコネクタ８０との間の電気的な接続が、ボンディングワイヤを用いることなく実現されている（ワイヤレス接続）。これにより、ボンディングワイヤに起因するインダクタンスの発生を回避することができる。また、ボンディングワイヤを用いた場合、衝撃や引っ掛かり等によりワイヤが破損するおそれがあるため、装置の取扱いに注意を要する。これに対し、この例では、ボンディングワイヤが用いられていないため、装置の取り扱いを容易化することができる。
【0052】
第１配線５２の形状（配線パターン）は、インピーダンスマッチングを考慮して設定されている。この例では、第１配線５２は、マイクロストリップ線路として構成されている。一例として、絶縁基板５１の厚さが０．５ｍｍであり、絶縁基板５１の比誘電率が９．８であり、第１配線５２の厚さが０．８μｍであり、２０ＧＨｚにおけるマッチング抵抗値を５０Ωとする場合には、第１配線５２の幅Ｗが０．５ｍｍ以下、第１配線５２の長さＬ５が１．４５ｍｍ以下に設定される（図６）。これにより、第１配線５２の長さＬ５が、第１配線５２を伝搬する電気信号の波長（電気長）の１／４以下の長さとなる。このように、第１配線５２の長さＬ５を第１配線５２の設計パラメータに基づいて算出される電気長の１／４以下とすることで、所望の周波数帯におけるインピーダンスマッチングが可能となる。なお、第１配線５２は、マイクロストリップ線路ではなくコプレーナ線路として構成されてもよい。
【0053】
図８に示されるように、光検出モジュール１（光検出器１０）は、レンズ４０を更に備えている。レンズ４０は、光入射面であるメサ部１２の端面１２ｃと向かい合うように配置されており、端面１２ｃに向けて検出光ＤＬを集束させ、端面１２ｃ上で検出光ＤＬを集光させる。レンズ４０の開口数（ＮＡ）は例えば０．４以上であり、集光径は数μｍ～数十μｍである。レンズ４０の両面及び端面１２ｃ上には、誘電体多層膜を含む低反射層が形成されていてもよい。この場合、これらの表面における光検出器１０の感度波長範囲の光に対する透過率を９５％以上とすることができる。
［作用及び効果］
［作用及び効果］
【0054】
光検出モジュール１では、光検出器１０における半導体基板１１上の第１電極１５が、固定部材５０における絶縁基板５１上の第１配線５２に面接触した状態で、第１配線５２に電気的に接続されている（面接続されている）。これにより、例えばワイヤボンディングにより第１電極１５と第１配線５２とが接続される場合と比べて、ワイヤによりインダクタンスが発生するのを回避することができ、インダクタンスを低減することができる。その結果、応答速度を高速化することができる。また、第１電極１５と第１配線５２とを面接触した状態で接続することで、光検出器１０と固定部材５０とを強固に固定することができ、信頼性を確保することができる。更に、光検出モジュール１では、光検出器１０のメサ部１２の少なくとも一部が、絶縁基板５１に形成された凹部５４内に配置されている。これにより、繊細なメサ部１２を保護することができ、信頼性を確保することができる。例えば、外部からの接触、浮遊物の付着、風圧等による破損（外部要因による機械的損傷）からメサ部１２を保護することができる。よって、光検出モジュール１によれば、応答速度の高速化及び信頼性の確保を実現することができる。
【0055】
図１０は、光検出器１０の応答特性を示すグラフであり、図１１は、高周波領域における出力信号の例を示すグラフである。図１０に示されるように、光検出器１０では、信号強度が－３ｄＢ低下するときの周波数であるカットオフ周波数が２０ＧＨｚ以上となっている。例えば、中赤外の光検出器として用いられてきたＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）センサでは、数百ＭＨｚ程度（最大１ＧＨｚ程度）のカットオフ周波数しか実現することができなかった。これに対し、光検出器１０では、カットオフ周波数を高めることができ、応答速度を高速化することができる。また、図１１に示されるように、２６ＧＨｚを超える周波数帯域において、３０ｄＢを超える高い信号強度が得られている。
【0056】
メサ部１２が、サブバンド間吸収によって検出光を吸収する吸収領域２２とサブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域２３とが交互に積層された活性層２１を含んでいる。このような活性層２１をメサ部１２が有する場合、応答速度の高速化の観点から、インダクタンスを低減することが特に重要となる。この点、光検出モジュール１では、上述したとおりインダクタンスを低減することができ、応答速度の高速化を実現することができる。
【0057】
Ｙ方向（半導体基板１１の主面１１ａに平行な方向）（光導波方向Ａ）におけるメサ部１２の一方の端面１２ｃが、検出光ＤＬの入射面となっている。これにより、メサ部１２において光を効果的に吸収することができ、出力信号の強度を確保することができる。
【0058】
Ｙ方向におけるメサ部１２の一方の端面１２ｃが、半導体基板１１の側面１１ｂと面一になっている。これにより、メサ部１２の端面１２ｃを検出光ＤＬの入射面として容易に利用することができる。
【0059】
光検出モジュール１が、メサ部１２の端面１２ｃと向かい合うように配置され、メサ部１２の端面１２ｃに向けて検出光ＤＬを収束させるレンズ４０を備えている。これにより、メサ部１２の端面１２ｃの幅（Ｘ方向における長さ）を狭くすることができ、平面視におけるメサ部１２の面積を小さくすることができる。その結果、寄生容量を低減することができ、応答速度を一層高速化することができる。また、メサ部１２の面積が一定であると仮定すると、メサ部１２の幅を狭くすることで、光導波方向Ａにおけるメサ部１２の長さを長くすることができる。その結果、メサ部１２において光を一層効果的に吸収することができ、出力信号の強度を確実に確保することができる。活性層２１における単位積層体２４の周期数を増加させて活性層２１を厚くすることによっても、吸収効率を高めることができる。活性層２１の厚さの増加は、寄生容量の低減、及び素子抵抗の増加によるノイズ低減にも寄与する。一方、周期数が多くなり過ぎると量子効率の低下を招くため、周期数は１０以上１５０以下程度であることが好ましい。
【0060】
凹部５４が、絶縁基板５１の側面５１ｃに開口している。これにより、Ｙ方向におけるメサ部１２の端面１２ｃに検出光を容易に入射させることができる。
【0061】
光検出器１０が、第１電極１５及び第１コンタクト層１３に電気的に接続されたエアブリッジ配線１６（接続配線）を有し、エアブリッジ配線１６の一部が、凹部５４内に配置されている。これにより、繊細なエアブリッジ配線１６を保護することができ、信頼性を確実に確保することができる。
【0062】
第２電極１７が、第２配線５３に面接触した状態で、第２配線５３に電気的に接続されている（面接続されている）。これにより、例えばワイヤボンディングにより第２電極１７と第２配線５３とが接続される場合と比べてインダクタンスを低減することができ、応答速度を一層高速化することができる。また、第２電極１７と第２配線５３とを面接触した状態で接続することで、光検出器１０と固定部材５０とを強固に固定することができ、信頼性を確実に確保することができる。
【0063】
第２コンタクト層１４が、平面視において、半導体基板１１の主面１１ａとメサ部１２との間に位置する第１部分１４ａと、メサ部１２の外側に位置する第２部分１４ｂと、を有し、第２部分１４ｂ上に第２電極１７が形成されている。これにより、第２電極１７の面積を大きく確保することができ、第２電極１７と第２配線５３との間の接触面積を大きく確保することができる。
【0064】
第１電極１５が、半田層５５を介して第１配線５２に面接触しており、第２電極１７が、半田層５６を介して第２配線５３に面接触している。これにより、第１電極１５と第１配線５２とを電気的及び機械的に強固に接続することができると共に、第２電極１７と第２配線５３とを電気的及び機械的に強固に接続することができる。また、第１電極１５と第１配線５２とを接続すると共に第２電極１７と第２配線５３とを接続する際に、第１電極１５と第２電極１７との間に高さの差が存在する場合でも、当該高さの差を半田層５５，５６によって吸収することができ、各接続箇所において良好な面接触を実現することができる。
【0065】
第１配線５２が、第１配線５２を伝搬する電気信号の波長の１／４以下の長さを有している。これにより、インピーダンスマッチングを実現することができる。
【0066】
Ｘ方向におけるメサ部１２の側面１２ａが露出している。これにより、寄生容量の発生を抑制することができ、応答速度を一層高速化することができる。以下、この点について図１２を参照しつつ説明する。
【0067】
図１２（ａ）は光検出器１０の正面図であり、図１２（ｂ）は第１変形例の光検出器１０Ａの正面図である。図１２（ａ）に示されるように、光検出器１０では、Ｘ方向におけるメサ部１２の両側面１２ａが露出している。これに対し、図１２（ｂ）に示されるように、光検出器１０Ａでは、メサ部１２の両側面１２ａが絶縁層９０によって覆われている。絶縁層９０は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜である。絶縁層９０は、第１コンタクト層１３と第１コンタクト層１３上の金属層（エアブリッジ配線１６の部分１６ｂ）との間に入り込んでいる。この部分は金属により絶縁体が挟まれた構造を有するため、例えば絶縁層９０の形成時にアラインメントのずれが生じた場合には、当該部分に僅かながら寄生容量が発生する可能性がある。この点、光検出器１０では、メサ部１２の両側面１２ａが露出しているため、そのような寄生容量の発生を抑制することができる。
【0068】
メサ部１２が、凹部５４の内面から離間している。これにより、メサ部１２を確実に保護することができる。光検出器１０が量子井戸構造におけるサブバンド間吸収を利用して検出光ＤＬを検出する検出器である場合、外部電圧を印加することなく検出を行うことができるため、メサ部１２において熱が発生し難い。そのため、メサ部１２を絶縁基板５１から離間させることができる。
【0069】
光検出器１０では、第１コンタクト層１３と第１電極１５とがエアブリッジ配線１６によって接続されている。これにより、例えばワイヤボンディングにより第１コンタクト層１３と第１電極１５とが接続される場合と比べて、配線長を短くすることができると共に、平面視におけるメサ部１２の面積を小さくすることができる。ワイヤボンディングの場合、配線に必要な面積がワイヤ先端を圧着するため必要な面積から決まっており、例えば１００μｍ×１００μｍ程度の面積が必要となる。配線長を短くすることでインダクタンスを低減することができ、応答速度を高速化することができる。また、メサ部１２の面積を小さくすることで寄生容量を低減することができ、このことによっても応答速度を高速化することができる。一方、単にメサ部１２の面積を小さくすると、出力信号の強度が低下することが懸念される。この点、光検出器１０では、Ｚ方向（半導体基板１１の主面１１ａに垂直な方向）から見た場合に、光導波方向Ａ（Ｙ方向）におけるメサ部１２の長さＬ１が、Ｘ方向（光導波方向Ａに垂直な方向）におけるメサ部１２の長さＬ２よりも長くなっている。これにより、検出光ＤＬがメサ部１２内を進行する経路を長くすることができ、メサ部１２において光を効果的に吸収することができる。その結果、メサ部１２の面積を小さくした場合でも、出力信号の強度を確保することができる。更に、光検出器１０では、エアブリッジ配線１６が、第１コンタクト層１３からＸ方向における一方側に引き出され、第１コンタクト層１３と第１電極１５との間に架け渡されている。これにより、エアブリッジ配線１６の幅（光導波方向Ａにおける長さ）を確保することが可能となる。配線幅が広い場合、断面積が大きくなることでインダクタンスを一層低減することが可能となると共に、エアブリッジ配線１６の強度を確保して信頼性を確保することが可能となる。
【0070】
第１電極１５が、メサ部１２に対してＸ方向における一方側に位置する接続部分１５ａを有し、エアブリッジ配線１６が、第１コンタクト層１３からＸ方向における一方側に引き出され、第１電極１５の接続部分１５ａに接続されている。これにより、エアブリッジ配線１６を第１コンタクト層１３からＸ方向における一方側に引き出すことができ、エアブリッジ配線１６の幅を確実に確保することができる。
【0071】
エアブリッジ配線１６が、空中を延在するブリッジ部１６ａを有し、光導波方向Ａにおけるブリッジ部１６ａの長さＬ３が、Ｘ方向におけるブリッジ部１６ａの長さＬ４よりも長い。これにより、ブリッジ部１６ａ（エアブリッジ配線１６）の幅を確実に確保することができる。
【0072】
光導波方向Ａにおけるメサ部１２の長さＬ１、及び光導波方向Ａにおけるブリッジ部１６ａの長さＬ３の各々が、５０μｍ以上である。これにより、ブリッジ部１６ａの幅を確実に確保することができる。また、光導波方向Ａにおけるメサ部１２の長さを確保することができ、メサ部１２において光を一層効果的に吸収することができる。
［変形例］
［変形例］
【0073】
図１３及び図１４に示される第２変形例の光検出モジュール１では、検出光ＤＬが半導体基板１１内を進行した後にメサ部１２に入射する。第２変形例では、半導体基板１１の側面１１ｂが、Ｚ方向に対して傾斜した傾斜面となっている。一例として、Ｘ方向から見た場合における側面１１ｂのＺ方向に対する傾斜角度θは、４５度となっている。側面１１ｂは、例えば研磨により形成される研磨面である。検出光ＤＬは、側面１１ｂに垂直な方向から側面１１ｂに入射し、半導体基板１１内を進行した後、第２コンタクト層１４を介してメサ部１２の表面１２ｄに入射する。表面１２ｄは、メサ部１２における半導体基板１１側の表面である。すなわち、この例では、側面１１ｂが検出光ＤＬの入射面となっている。メサ部１２の端面１２ｃは、半導体基板１１の側面１１ｂと面一になっていない。メサ部１２に入射した検出光ＤＬは、メサ部１２内において多重に反射され、検出光ＤＬのうちＺ方向に平行な電場振動成分が、活性層２１において吸収される。検出光ＤＬは、半導体基板１１内において多重に反射され、メサ部１２の表面１２ｄに複数回入射してもよい。なお、図１３では、第１電極１５等が省略されていると共に、断面を示すハッチングが省略されている。
【0074】
図１４に示されるように、第２変形例では、凹部５４が、絶縁基板５１の主面５１ａに形成された穴によって構成されている。凹部５４は、絶縁基板５１の側面５１ｃに開口しておらず、主面５１ａの外縁から離間している。凹部５４は、Ｘ方向に垂直な断面において略半円形状を呈している。第２変形例においても、メサ部１２の少なくとも一部が凹部５４内に配置されている。メサ部１２は、凹部５４内に配置可能となるような形状に形成されている。このような第２変形例によっても、上記実施形態と同様に、応答速度の高速化及び信頼性の確保を実現することができる。また、凹部５４が絶縁基板５１の側面５１ｃに開口しておらず穴として構成されているため、メサ部１２を一層確実に保護することができる。
【0075】
図１５に示される第３変形例では、光検出器１０が高さ調整層１９を備えている。高さ調整層１９は、半導体基板１１の主面１１ａ上に平面状に形成されている。高さ調整層１９は、第２コンタクト層１４から離間するように主面１１ａ上に形成されており、第２コンタクト層１４から電気的に分離されている。高さ調整層１９は、第２コンタクト層１４の形成と同時に形成され、第２コンタクト層１４と同様の構成を有している。すなわち、高さ調整層１９は、第２コンタクト層１４と同一の厚さを有している。第１電極１５は、高さ調整層１９上に形成されている。このような第３変形例によっても、上記実施形態と同様に、応答速度の高速化及び信頼性の確保を実現することができる。また、第１電極１５と第１配線５２とを接続すると共に第２電極１７と第２配線５３とを接続する際に、第１電極１５と第２電極１７との間に高さの差が存在する場合でも、高さ調整層１９によって第１電極１５と第２電極１７との間の高さの差を低減することができ、各接続箇所において良好な面接触を実現することができる。
【0076】
本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。光導波方向Ａにおけるブリッジ部１６ａの長さＬ３は、必ずしもＸ方向におけるブリッジ部１６ａの長さＬ４よりも長くなくてもよい。レンズ４０は省略されてもよい。第２コンタクト層１４は、第２部分１４ｂを有さず、第１部分１４ａのみを有していてもよい。メサ部１２は、活性層２１と第１コンタクト層１３との間に配置された上部クラッド層、及び活性層２１と第２コンタクト層１４との間に配置された下部クラッド層を更に含んでいてもよい。
【0077】
メサ部１２は、Ｙ方向に長尺に形成されていなくてもよく、例えば平面視において正方形状又は円形状等を呈していてもよい。メサ部１２の全体が凹部５４内に配置されてもよい。エアブリッジ配線１６（接続配線）の全体が凹部５４内に配置されてもよい。第１電極１５と第１コンタクト層１３とを接続する接続配線は、ボンディングワイヤであってもよい。
【0078】
第１電極１５と第１配線５２の対、及び第２電極１７と第２配線５３の対の少なくとも一方が、面接触した状態で互いに接続されていればよい。第１電極１５と第１配線５２とは、面接続されていなくてもよく、例えばボンディングワイヤにより接続されてもよい。第２電極１７と第２配線５３とは、面接続されていなくてもよく、例えばボンディングワイヤにより接続されてもよい。第１電極１５又は第２電極１７は、半導体基板１１における主面１１ａとは反対側の表面上に形成されてもよい。半田層５５，５６は省略されてもよい。すなわち、第１電極１５は、半田層又はめっき層等を介して第１配線５２に面接触していてもよいし、第１配線５２に直接に面接触していてもよい。同様に、第２電極１７は、半田層又はめっき層を介して第２配線５３に面接触していてもよいし、第２配線５３に直接に面接触していてもよい。
【0079】
上記実施形態における第１電極１５、第２電極１７、第１配線５２、第２配線５３を、それぞれ、第２電極、第１電極、第２配線、第１配線とみなすこともできる。すなわち、第１電極が第２コンタクト層１４に接続されると共に、第２電極が第１コンタクト層１３に接続されてもよい。
【0080】
上記実施形態では光検出器１０が量子カスケード検出器として構成されていたが、光検出器１０は、量子井戸赤外線光検出器（Quantum Well Infrared Photodetector：ＱＷＩＰ）等の他の光検出器として構成されてもよい。量子井戸赤外線光検出器は、量子井戸構造におけるサブバンド間吸収を利用して光を検出する赤外線検出器である。メサ部１２は、検出光ＤＬの入射量に応じて電気信号を発生させる半導体領域を含んでいればよく、必ずしも活性層２１を含んでいなくてもよい。例えば、光検出器１０はフォトダイオードとして構成されてもよく、この場合、メサ部１２は、ＰＮ接合を形成する半導体領域を含む。
［ビート分光装置］
［ビート分光装置］
【0081】
図１６に示されるように、ビート分光装置１００は、第１光源（波長固定光源）１０１と、第２光源（波長可変光源）１０２と、ビームスプリッタ１０３と、光検出モジュール１と、スペクトラムアナライザ１０４と、ガスセル１０５と、を備えている。ビート分光装置１００では、第１光源１０１からの光Ｐ１と第２光源１０２からの光Ｐ２との間の波長差に応じた周波数を有するビート信号の周波数が掃引（スキャン）されるように、光Ｐ２の波長が変化させられつつ、光Ｐ１，Ｐ２が光検出モジュール１により検出される。これにより、ヘテロダイン検波分光を行うことができる。
【0082】
第１光源１０１及び第２光源１０２は、光検出モジュール１の感度波長範囲に含まれ、かつ互いに近接した発振波長の光Ｐ１，Ｐ２を出力する。第１光源１０１及び第２光源１０２は、例えば、分布帰還型の量子カスケードレーザ（Distributed Feedback Quantum Cascade Laser：ＤＦＢ－ＱＣＬ）である。使用時には、第１光源１０１の発振波長が固定されると共に、第２光源１０２の発振波長が変調される。例えば、注入電流を変化させることで第２光源１０２の発振波長を変調させることができる。すなわち、第１光源１０１は、出力される光Ｐ１の波長が固定された波長固定光源であり、第２光源１０２は、出力される光Ｐ２の波長が変化する波長可変光源である。第２光源１０２の動作は、例えばコンピュータにより構成された制御部により制御される。
【0083】
図１７には、光検出器１０の感度特性が符号Ｒ１で示され、第２光源１０２の発振波長が符号Ｒ２で示されている。図１７に示されるように、第２光源１０２の発振波長は、光検出器１０の感度波長範囲に含まれている。図１８は、第１光源１０１及び第２光源１０２の発振波長を示すグラフである。符号Ｆは、注入電流が７８０ｍＡである場合の第１光源１０１の発振波長を示している。符号Ｔ１～Ｔ４は、それぞれ、注入電流が７８０ｍＡ，８１０ｍＡ，８３０ｍＡ，８５０ｍＡである場合の第２光源１０２の発振波長を示している。このように、注入電流を変化させることで第２光源１０２の発振波長を変調させることができる。
【0084】
第１光源１０１からの光Ｐ１は、レンズ１０８を通った後にミラー１１１，１１２で反射されてビームスプリッタ１０３に入射する。第２光源１０２からの光Ｐ２は、レンズ１０９を通った後にミラー１１３で反射されてビームスプリッタ１０３に入射する。光Ｐ１，Ｐ２は、ビームスプリッタ１０３により合波される。合波された光Ｐ１，Ｐ２は、絞り部材（アイリス）１１４，１１５を通った後にミラー１１６で反射されてレンズ４０に入射し、光検出器１０に入射する。光検出器１０にはスペクトラムアナライザ１０４が接続されている。第２光源１０２とミラー１１３との間には、測定対象のガスを収容したガスセル１０５が配置されている。第２光源１０２からの光Ｐ２は、ガスセル１０５内を通った後にミラー１１３に入射する。第２光源１０２からの光Ｐ２の波長変調範囲がガスの吸収線を跨ぐ場合、光Ｐ２のうち特定波長の光が吸収される。
【0085】
光検出器１０では、第１光源１０１からの光Ｐ１と第２光源１０２からの光Ｐ２との間の波長差に応じた周波数を有するビート信号（うなり）が検出される。光の周波数を直接測定することは難しい。例えば、波長が４μｍである場合、光検出器の応答速度は７５ＴＨｚ程度以上である必要がある。これに対し、ビート信号を用いたビート分光方法では、例えば、光Ｐ１の波長が４．０００μｍであり光Ｐ２の波長が４．００１μｍである場合、光検出器１０の応答速度は１８ＧＨｚ程度以上であればよい。上述したとおり、光検出モジュール１では、２０ＧＨｚ以上のカットオフ周波数が得られている。そのため、光検出モジュール１を用いてビート分光を行うことで、広い波長範囲について分光を行うことができる。
【0086】
ビート分光装置１００では、上述したとおり、ビート信号の周波数が掃引されるように光Ｐ２の波長が変化させられつつ、光Ｐ１，Ｐ２が光検出モジュール１により検出される。図１９は、第２光源１０２の注入電流と発振波長との間の関係を示すグラフである。図１９に示されるように、第２光源１０２の電流をｘとし、第２光源１０２からの光Ｐ２の波数をｙとすると、ｙ＝０．０１４７ｘ＋２２０２．１の関係が成り立つ。破線Ｂは、注入電流が７５０ｍＡである場合の第１光源１０１の発振波長を示している。この例では、第１光源１０１及び第２光源１０２の動作温度は２０℃であり、いずれもＣＷ（Continuous Wave）により駆動されている。符号Ｃは、或る注入電流における第１光源１０１及び第２光源１０２の発振波長の差を示している。光検出器１０の応答速度が速くなるほど、この差を大きくすることが可能となり、波長掃引範囲を広くすることが可能となる。図２０は、第２光源１０２への注入電流とビート周波数との間の関係を示すグラフである。図２０に示されるように、注入電流の増加に従ってビート周波数は直線的に増加する。
【0087】
図２１は、ビート信号の例を示すグラフである。図２２は、応答特性の比較結果を示すグラフである。図２２において、符号Ｓ１は、光検出モジュール１の周波数応答特性を示しており、符号Ｓ２は、比較対象の光検出器の周波数応答特性を示している。図２２から、光検出モジュール１では、カットオフ周波数が２０ＧＨｚ以上となっており、比較対象の光検出器と比べて応答速度が高速化されていることが分かる。
【0088】
図２３、図２４及び図２５は、ビート分光の測定結果を示すグラフである。図２３は、スペクトラムアナライザ１０４の出力信号を示すグラフであり、図２４は、図２３に示されるグラフの横軸を波長に変換したグラフである。図２５は、出力信号から背景光の信号を減算したグラフである。
【0089】
この例では、測定対象のガスを一酸化炭素とし、波数２１９０ｃｍ－１付近の吸収線を観測した。波長掃引範囲が測定対象のガスの吸収線を跨ぐ場合、図２３に矢印Ｄで示されるように、波長に依存したガスの吸収が観測される。これは、第２光源１０２からの光Ｐ２の波長がガスの吸収波長と一致する場合、吸収によって光強度が低下するためである。ビート信号の強度は、第１光源１０１からの光Ｐ１の電場振幅と第２光源１０２からの光Ｐ２の電場振幅の積に比例する。そのため、光Ｐ２の強度が低下することで、矢印Ｄで示されるようなディップが観測される。図２４では、ガスセル１０５内に一酸化炭素が封入されている場合の出力信号が符号ＳＧで示されており、ガスセル１０５内に一酸化炭素が存在しない場合の出力信号が符号ＢＧで示されている。また、一酸化炭素の吸収スペクトルが破線で示されている。符号ＦＴは、フーリエ変換赤外分光光度計（Fourier Transform Infrared Spectrometer：ＦＴＩＲ）の分解能の範囲の一例を示している。ＦＴＩＲの分解能が３ＧＨｚ（０．１ｃｍ－１）程度であるのに対し、ビート分光装置１００では、２０ＭＨｚ程度の分解能を得ることができた。これはＦＴＩＲの分解能の１５０倍以上である。このように、ビート分光装置１００によれば、ビート分光における波長掃引範囲を広くすることができる。
【0090】
また、ビート分光装置１００では、第１光源１０１及び第２光源１０２が量子カスケードレーザであり、光検出器１０が量子カスケード検出器である。量子カスケードレーザの出力光は活性層の成長方向に平行な直線偏光であるため、第１光源１０１及び第２光源１０２の偏光方向と光検出器１０が感度を有する偏光方向とが一致するように第１光源１０１、第２光源１０２及び光検出器１０を配置することで、第１光源１０１及び第２光源１０２からの光Ｐ１，Ｐ２を光検出器１０の活性層２１に効果的に吸収させることができる。更に、その場合、第１光源１０１及び第２光源１０２の偏光特性と光検出器１０の偏光特性とが互いに偏光フィルタのように機能することで、ランダムな偏光を有する背景光の影響を抑制することができ、その結果、ＳＮ比を向上することが可能となる。
【符号の説明】
【0091】
１…光検出モジュール、１０，１０Ａ…光検出器、１１…半導体基板、１１ａ…主面、１１ｂ…側面、１２…メサ部、１２ａ…側面、１２ｃ…端面、１３…第１コンタクト層、１４…第２コンタクト層、１４ａ…第１部分、１４ｂ…第２部分、１５…第１電極、１６…エアブリッジ配線（接続配線）、１７…第２電極、１９…高さ調整層、２１…活性層、２２…吸収領域、２３…輸送領域、４０…レンズ、５０…固定部材、５１…絶縁基板、５１ａ…主面、５１ｃ…側面、５２…第１配線、５３…第２配線、５４…凹部、５４ａ…内面、５５，５６…半田層、１００…ビート分光装置、１０１…第１光源（波長固定光源）、１０２…第２光源（波長可変光源）、Ａ…光導波方向、ＤＬ…検出光、Ｐ１…第１光源からの光、Ｐ２…第２光源からの光。
【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】