JP2004247458A

JP2004247458A - Light emitting/receiving device and manufacturing method therefor

Info

Publication number: JP2004247458A
Application number: JP2003034856A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takigawa; 信一瀧川; Shinji Uchida; 真司内田; Kenji Orita; 賢児折田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a mid-infrared ray emitting/receiving device which is small and suitable for mass production. <P>SOLUTION: A silicon substrate 4 where a semiconductor laser 1, a light receiving element 2 and an integrated circuit 3 are integrated is packed in a package 5. The semiconductor laser 1 is an InGaAs/InAlAs quantum cascade-type, and it emits a laser beam 31 of a wavelength of 9.6μm. A sample is directly irradiated with an evanescent wave 32 running out on the surface of an optical element 21 in the laser beam 31, and light transmitted or diffused in the sample is directly condensed by the light receiving element 2. The light receiving element 2 is a mid-infrared ray receiving element formed of an SiGe/Si quantum well (50 layers). A mid-infrared ray is detected by permitting a hole to absorb the mid-infrared ray and shifting a sub-band between the sub-bands of valence bands, which are formed in a SiGe quantum well. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力を与えることによって、波長０．８〜２．５μｍの近赤外光や波長４〜２０μｍの中赤外波長の光を発光し、（光の吸収という形態で）対象物内の組成情報（量、質など）をその光に重畳した後、その光を受光し、電気信号として、組成情報を出力する赤外光受発光装置に関するものである。具体的な用途としては、全反射減衰型フーリエ変換赤外分光光度計（ＡｔｔｅｎｕａｔｅｄＴｏｔａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＦｏｕｒｉｅＴｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎＩｎｆｒａｒｅｄ：ＡＴＲ−ＦＴＩＲ）、環境分析器、水質分析器、非侵襲生体センサー、リサイクル用再生分別装置、野菜鮮度センサーなど多様な測定ヘッドに用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
波長０．８〜２．５μｍの近赤外光や波長４〜２０μｍの中赤外波長には、各種有機物質（生体物質など）を構成する化学結合の吸収波長が多数含まれていることが知られている。それゆえ、ある物質にこの波長帯の光を透過させたとき、その吸収スペクトルを測定することにより、その物質の種類や量を測定することができる。特にＺｎＳｅなどの光学素子中を数回反射するときのエバネッセント波を物質に通し、その減衰スペクトルを検出手段として用いるＡＴＲ法（全反射減衰法：ＡｔｔｅｎｕａｔｅｄＴｏｔａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）は物質内の光吸収を非破壊で測定するのに適している。しかしながら、この波長帯を室温発光できる発光素子はこれまで存在しなかったため、大掛かりな固体光源（ＣＯ_２レーザなど）を用いたり、低効率なハロゲン電球の分光などを行う必要があり、民生用に広く活用することが難しかった。
【０００３】
一方、近年、室温において、発振波長４〜２０μｍのレーザ光を数百ｍＷなる高出力で出射できる量子カスケードレーザが開発された（例えば、Ｆ．Ｃａｐｐａｓｏｅｔ．ａｌ．，”ＮｅｗＦｒｏｎｔｉｅｒｓｉｎＱｕａｎｔｕｍＣａｓｃａｄｅＬａｓｅｒｓａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｅｌｅｃｔｅｄＴｏｐｉｃｓｉｎＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．６，ｐ．９３１（２０００））。従来の半導体レーザが伝導帯／価電子帯のバンド間遷移を用いているのに対し、この量子カスケードレーザは伝導帯内の電子のエネルギー遷移で発光するものである。量子カスケードレーザは、オージェ非発光再結合やヘテロ界面のリークが少なく、容易に室温発振を達成できる。これにより、中赤外光源の活用が大きく開けた。
【０００４】
従来の中赤外域受発光装置の一例を図２２に示す。被測定物８４は、例えば、生体などであり、測定ヘッドは光学素子８３が兼ねる。駆動回路８７を稼動させ、量子カスケードレーザを内部に含む発光素子８１から中赤外光８２を出射させる。その中赤外光８２はＺｎＳｅ光学結晶８３に入射し反射を繰り返し、受光素子８６に出射される。この反射部分において、光学結晶の外側にエバネッセント波８５が生じる。光学結晶８３の測定面８９には、被測定物８４が接している。エバネッセント波８５が被測定物８４の内部に染み出すことにより、光吸収が生じる。この結果、被測定物の情報（光吸収）が重畳する。中赤外光は受光素子８６に入射し、光電流を生じさせ、信号処理回路８８で増幅される。
【０００５】
これまでの構造では、発光素子と受光素子、さらに測定ヘッドに相当する光学素子が個別部品の組み合わせで作製されていた（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−６６２４８号公報（段落番号［００２５］、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ユーザはこれらの光軸調整が必要であった。また更に、小型化にするため、集積化すると、より精度良い光軸調整が必要となる。しかしながら、中赤外の光（４〜２０μｍ）は人間の目には見えないのみならず、大気中の水分、二酸化炭素、二酸化窒素などの分子振動の吸収波長に相当するため、光軸調整には大気成分管理なども必要であり量産化に適さなかった。また中赤外域受発光装置を用いた計測部分が大型化／重量化し、取り扱いが困難であった。特に、自宅医療応用の場合、高齢者のように肉体的弱者が自分で計測部分を容易に取り扱えるためには小型／軽量化が必須である。さらに受光素子と信号処理回路の距離が離れているため、配線に電気誘導的な雑音が重畳されることもあり、十分な信号品質を得ることが難しかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の受発光装置は、発光素子および受光素子がモノリシック集積またはハイブリッド集積により形成された半導体基板と、前記発光素子から放出した光を試料に直接照射する機能と試料内を透過または拡散した光または試料表面を反射した光を直接集光し前記受光素子に導く機能を備えた光学素子が、一つのパッケ−ジに納められているものである。このような構造では、発光素子と受光素子が、同一平面にあり、しかもその位置精度は、半導体集積技術により極めて精度が良い（数十μｍ以下の精度）。このため、従来、発光素子、受光素子、光学素子の３個の位置調整であったものが、受発光素子基板と光学素子の２個の位置調整になり量産性が向上する。さらに、このような構造にすることにより、中赤外域受発光装置の小型軽量化が実現でき、一般ユーザにとって扱い易くなる。
【０００９】
また、本発明の請求項２記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、半導体基板と光学素子の間には、その間隙にほぼ等しい厚みを有するスペーサが存在することを特徴としたものである。このスペーサを用いることにより、受光素子と発光素子が形成された基板と光学素子の距離・平行度を（中赤外光の光学調整なしに）物理的に決めることができる。
【００１０】
また、本発明の請求項３記載の受発光装置は、請求項２記載の受発光装置において、外部からの応力により光学素子が変形することを抑制する位置にスペーサが存在することを特徴としたものである。これは、このスペーサの位置として、光学素子と半導体基板の間隙の面内（発光、受光部、マーク部（下記参照）除く）にほぼ一様に存在させることで、光学素子になんらかの圧力が加わった場合、このスペーサが支柱の役目を果たすため、光学素子が歪むことはない。これにより、試料に圧着しながら測定する場合においても精度が劣化することはない。
【００１１】
また、本発明の請求項４記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、半導体基板表面が平坦層になっており、その表面を介して半導体基板が光学素子に接していることを特徴としたものである。これにより発光素子から出射された光が大気に暴露される距離が小さくなり、位置合わせ精度および測定精度が向上する。
【００１２】
また、本発明の請求項５記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、半導体基板または光学素子の少なくとも一方には、相互の位置を認識できるマークが形成されていることを特徴としたものである。これにより、半導体製造工程の一つであるフォトリソグラフィで一般に広く用いられるマスク合わせ技術（パッシブアライメント）を用いることができ、半導体基板と光学素子の面内位置を（中赤外光の光学調整なしに）数μｍ以内であわせることができる。したがって、上記のスペーサを併用することにより、中赤外光の光学調整なしに、言い換えれば大気成分の管理を行うことなく、中赤外光受発光装置を実現することができ、量産化、低価格化を実現することができる。
【００１３】
さらに、本発明の請求項６記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、発光素子または前記受光素子の駆動または信号処理にかかわる集積回路が、発光素子および受光素子が形成された基板に形成されていることを特徴としたものである。これにより、装置の小型化、誘導雑音の低減が実現できる。
【００１４】
また、本発明の請求項７記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、発光素子が、波長４〜２０μｍの少なくとも一つの赤外域の光を放出することができる発光素子であることを特徴としたものである。これにより、種々の分子振動の測定が可能となり、生体応用、大気観測などの応用ができる。
【００１５】
次に、本発明の請求項８記載の受発光装置は、請求項７記載の受発光装置において、この発光素子は、ポテンシャル井戸内に形成された特定のエネルギー準位間を電子または正孔がエネルギー遷移することで光子を放出することを特徴とするものである。本構造により、発光素子を低温に冷やす必要がなく、受光素子、集積回路との同一基板形成が可能となる。
【００１６】
また、本発明の請求項９記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子は、発光素子から放出された光に少なくとも１回以上の反射を与えることができることを特徴としたものである。これにより、試料から複数回の情報を重畳して得ることができ（信号強度が増加し）測定精度が向上する。
【００１７】
さらに、本発明の請求項１０記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子の試料照射面は溝形状の凹部を有しており、前記凹部に光を通過させることができることを特徴としたものである。溝の幅や深さを任意に設定することにより、試料（測定対象）により多く光が染み込み、より多くの情報を生体から得ることが可能になる。
【００１８】
また、本発明の請求項１１記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、発光素子から出射される第２の光（レーザの後面光）が、前記発光素子が集積された基板内部を通過した後、到達する基板の表面に、第２の受光素子が形成されていることを特徴としたものである。この構造においては、発光素子から出射される第２の光が、前記発光素子が集積された基板内部を通過した後、前記基板に集積された第２の受光素子に入射する。この第２の受光素子に入射した光を用いて前記発光素子の出力を一定にすることができる。従来の構造では、発光素子取り付け部に近接して第２の受光素子を取り付ける必要があったが、本構造では第２の受光素子の取り付け位置の設計自由度が向上する。
【００１９】
また、本発明の請求項１２記載の受発光装置は、請求項１または請求項１１記載の受発光装置において、受光素子として、シリコンとシリコンゲルマニウムからなる量子井戸のサブバンド間光子吸収を用いたことを特徴としたものである。これにより従来赤外受光に用いられたＨｇＣｄＴｅなどのような有害な材料を使用することなく、中赤外光の受光が可能になる。
【００２０】
さらに、本発明の請求項１３記載の受発光装置は、請求項６記載の受発光装置において、光学素子における複数回反射を繰り返す面にほぼ対面して集積回路が形成されていることを特徴としたものである。これにより、集積回路を発光素子と受光素子の間におくことができ、基板表面の有効活用（基板の小型化）を実現できる。
【００２１】
また、本発明の請求項１４記載の受発光装置は、請求項６記載の受発光装置において、光学素子と集積回路の間には本装置で用いられる波長帯の光の進行を妨げる機能を有する膜が形成されていることを特徴とするものである。これにより、パッケージ内の迷光（この迷光は例えば測定面での不要散乱光など）が集積回路に入射し、集積回路トランジスタのｐ型またはｎ型高濃度領域における自由キャリア吸収による発熱に起因した雑音が発生することを防ぐ。
【００２２】
さらに、本発明の請求項１５記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子における複数回反射を繰り返す面のうち、本受発光装置の機能に関わらない面には、金属薄膜または多層膜が形成されていることを特徴とするものである。これにより、光学素子の反射効率が向上し、反射面の損失を防ぐ。
【００２３】
また、本発明の請求項１６記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子の光入射部または光出射部の少なくとも一方にレンズが形成されていることを特徴とするものである。これにより、光学素子への光入射を容易にしたり、また光学素子から受光素子への出射光を効率よくすることができる。
【００２４】
また、本発明の請求項１７記載の受発光装置は、請求項１６記載の受発光装置において、レンズとしてフレネルレンズが用いられていることを特徴とするものである。これにより、レンズ作製が容易になる。
【００２５】
また、本発明の請求項１８記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、発光素子として複数の波長で発光し、光学素子の光入射部または光出射部の少なくとも一方に回折格子を備え、発光素子からの光または光学素子からの光を波長分光し、前記分光した光を個別に受光することによって情報を得ることを特徴とするものである。これにより、吸収波長が異なる組成に対しての分析が可能になる。
【００２６】
さらに、本発明の請求項１９記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、パッケージの材質が樹脂プラスチックであることを特徴とするものである。これにより、低コスト化が図れる。
【００２７】
また、本発明の請求項２０記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、パッケージ内部に有機ガスを吸収または分解する材料が形成されていることを特徴とするものである。これにより、パッケージ内部のガスによる光吸収が低減される。
【００２８】
また、本発明の請求項２１記載の受発光装置は、請求項１記載の受発光装置において、光学素子に凹部があり、その凹部に発光素子または受光素子の少なくとも一方が組み込まれていることを特徴とするものである。これにより、発光素子および受光素子の位置が機械的精度で決定し、かつ、大気に触れることが極めて少ないので、精度良く計測することが可能である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００３０】
図１は本発明の実施の形態における受発光装置の断面図である。また図２は図１に示す発明の斜視図を示す。この実施の形態は、生体中グルコース量測定センサー用の受発光装置である。駆動時において、光学素子２１の表面近傍には、波長９．６μｍの光がエバネッセント波として存在している。生体を光学素子２１の表面に触れさせることにより、エバネッセント波が生体内部に侵入する。グルコースは波長９．６μｍの光を吸収するので、エバネッセント波の吸収量を測定することによりグルコース量測定が可能である。なお、この測定原理自体は、全反射減衰型フーリエ変換赤外分光光度計として広く知られている。
【００３１】
図１、２において、半導体レーザ１、受光素子２、集積回路（ＬＳＩ）３を集積したシリコン基板４が、パッケージ５中に実装されている。
【００３２】
半導体レーザ１は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子カスケード型レーザであり、波長９．６μｍのレーザ光を放出する。本半導体レーザの閾値電流は、約１００ｍＡ、スロープ効率は０．６Ｗ／Ａである。駆動電流は集積回路３から供給される。半導体レーザ１のエピタキシャル成長面が基板４に、Ａｕ−Ｓｎ系金属を用いて融着されている。シリコン基板をエッチングすることにより、凹形状の半導体レーザ取り付け部が形成されている。このシリコン基板４の面方位を＜１１０＞方向に９．７度オフした（１００）とすることにより、半導体レーザ１の光を基板表面垂直方向に折り曲げる立上げミラー２０をレーザ前出射側に形成している（例えば、オプトロニクス社「光技術精密加工技術」第２部第３章第２節を参照）。
【００３３】
立上げミラ−２０に波長９．６μｍでの反射率を高くするために、ＡｇやＡｌ等の反射膜を設けると更に好ましいと言える。
【００３４】
また、レーザ後出射側にはモニター用受光素子２５が形成されている。シリコンが波長９．６μｍ前後の光に対してはほぼ透明であることから、レーザ裏面から出射した光３３はシリコン基板４の中を透過し、モニター用受光素子２５に達する。このモニター用受光素子２５による光電流が一定になるように、集積回路３がレーザの駆動電流をフィードバックすることで、半導体レーザ１の出力は一定に保たれる。
【００３５】
信号受光素子２は、シリコン基板上に形成されたＳｉＧｅ／Ｓｉ量子井戸（５０層）からなる中赤外受光素子である。ＳｉＧｅ量子井戸に形成された価電子帯のサブバンド間を、正孔が中赤外光を吸収してサブバンド遷移を行うことにより、中赤外光を検出する（詳細は、Ｒ．Ｐ．Ｇ．Ｋａｒｕｎａｓｉｒｉｅｔａｌ．， ”Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ／Ｓｉｍｕｌｔｉｐｌｅｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒ”，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５９（２０）ｐ．２５８８（１９９１）などを参照）。ＳｉＧｅは、中赤外光の受光によく使われるＨｇＣｄＴｅなどに比べて、安全であり、かつ、シリコン基板上に容易に集積できる。信号受光素子２において光から変換された電気信号は集積回路３に送られる。なお、モニター用受光素子２５も同様な素子構造を有する。
【００３６】
集積回路３は、半導体レーザ１をパルス駆動するシリコンバイポーラ回路、信号受光素子２のＣＭＯＳ増幅回路、およびモニター用受光素子２５の信号のフィードバックＣＭＯＳ回路から構成されている。外部との接続用として、アース用電極パッド１０、電源用電極パッド１１、レーザ駆動値設定用電極パッド１６、信号取り出し用電極パッド１７が形成されている。本集積回路３は、電源＋１０Ｖにより動作する。
【００３７】
パッケージ５はエポキシ系樹脂で形成されている。パッケージ５には、アース用リード電極６、電源用リード電極７、レーザ駆動値設定用リード電極１２、信号取り出し用リード電極１３および放熱用金属１８が取り付けてある。リード電極６，７，１２，１３は銅を主材とし、表面はＮｉおよびＡｕメッキを施してある。また放熱用金属１８は無酸素銅を使用している。基板４は、導電性接着材１９を用いて、放熱用金属１８に接着されている。また、金ワイヤー８，９，１４，１５により、各電極パッド１０，１１，１６，１７は、各リード電極６，７，１２，１３に接続されている。
【００３８】
パッケージ５の上部は開口されており、その開口部にはＺｅＳｅ光学結晶２１が取り付けてある。光学結晶２１と基板４の間には厚さ１０μｍのスペーサ７１，７２があり、この厚みにより、光学結晶２１と基板４の間隙を１０μｍに保っている。ＺｅＳｅは波長９．６μｍ近傍の光に対して、吸収係数は０．００５ｃｍ^−１以下と極めて小さく、ほぼ透明体とみなすことができる。ＺｅＳｅ光学結晶２１の入射側および出射側はテーパ状になっており、半導体レーザ１から出射された光３１が光学結晶２１に入射し、光学結晶２１内で全反射を繰り返し、また光学結晶２１から出射した光が受光素子２に入射するよう角度が設計されている。この設計は、シュネルの法則を用いることにより簡単に計算でき、ＺｅＳｅの屈折率が波長９．６μｍにおいて約２．４であることを考慮すると、テーパ角（表面とテーパ部２２，２３が成す角）は４０．２度以上でなければならない。本実施の形態ではテーパ角を４５度とした。この場合、レーザ光３１は、光学素子２１表面の法線方向に対して２７．９度の角をなし全反射条件を満たす。レーザ光３１のうち、光学素子２１表面から染み出している部分がエバネッセント波３２である。表面からおよそ５０μｍ染み出しており、その範囲が検出部分となる。光学素子２１の表面のうち、測定で使用しない面には、検出部からの不要散乱光が集積回路に入射し誤動作することを防ぐため、Ｃｒを用いた遮光膜２４が形成されている。なお、この遮光膜は集積回路の表面に形成してもよい。また遮光膜としては、Ｃｒの他に金などの金属や高反射率誘電体多層膜（例えば、アルミナ（厚みλ／４ｎ_１）／シリコン（厚みλ／４ｎ_２）／アルミナ（λ／４ｎ_１）／シリコン（λ／４ｎ_２）、ここでλは使用する波長、ｎ_１、ｎ_２はアルミナ、シリコンの屈折率）を用いてもよい。このＣｒ遮光膜がない場合、測定精度が±１０％であるのに対し、この遮光膜により、精度±２％まで低減することができた。
【００３９】
本受発光装置の大きさは横５ｍｍ、縦１０ｍｍ、厚み４ｍｍ（リード電極を除く）であり、極めてコンパクトな中赤外域受発光装置を実現している。操作方法としては、まずリード電極７に電圧１０Ｖを印加し、集積回路を駆動させる。次に、リード電極１２に５Ｖ以上を印加することにより、半導体レーザ１に２００ｍＡのパルス電流（パルス幅１μｓｅｃ、デューティ１０％）が流れる。この結果、約６０ｍＷの中赤外レーザ光３１が放出され、光学素子の表面にエバネッセント波３２として現れる。このような短パルスにすることにより、生体への熱的影響を小さくしている。生体内のグルコースにより吸収を受けたレーザ光３１は受光素子２により光電流を生成し、集積回路４により、フルスケール１０Ｖの電圧信号に変換される。ノイズは１ｍＶ以下であるのでダイナミックレンジは８０ｄＢ以上を確保し、充分なＳ／Ｎ特性を得られる。このように高特性が得られるのは、受光素子と集積回路が極めて近く、周囲の雑音に影響されないことも大きい。これによりグルコース量の微小な変化でも測定することができる。また、消費電力は２Ｗ程度であり、家庭用電源はもちろんのこと、ポータブル機器に組み込むことができ、取り扱いが容易である。
【００４０】
図３〜図１０に本実施の形態の作製方法を述べる。シリコン基板４は前述のように、＜１１０＞方向に９．７度オフした（１００）を面方位として有する。基板サイズは直径６インチである（各図は、簡単のため、１個分で描いてある）。
【００４１】
まずシリコン基板４にすべての素子の基準位置となる認識マーク７３をフォトリソグラフィで基板に形成する。次に認識マーク７３を基準にして、受光素子を形成する部分以外にＳｉＯ_２マスクを形成した後、分子線エピタキシャル成長法を用いて、ＳｉＧｅ／Ｓｉ量子井戸層を成長させる。次にＳｉＯ_２をリフトオフすることにより、信号用受光素子２、モニター用受光素子２５をシリコン基板上に形成する（図３）。
【００４２】
つぎにフォトリソグラフィ（認識マーク７３を基準）とＫＯＨ系エッチング液を用いて、レーザ取り付け凹部４１、立上げミラー２０を形成する（図４）。
【００４３】
さらに図５のように、通常の半導体プロセス（認識マーク７３を基準としたフォトリソグラフィー、イオン注入、熱拡散、層間絶縁膜など）を用いて、集積回路３、アース用電極パッド１０、電源用電極パッド１１、レーザ駆動値設定用電極パッド１６、信号取り出し用電極パッド１７、レーザワイヤー用電極パッド４２を形成する。これら相互の接続には、図５でわかるように、フォトリソグラフィによる金配線が成されている。なお凹部４１にはレーザエピタキシャル面用電極４３が形成されており、この電極４３表面には、半導体レーザの融着用にＡｕ−Ｓｎが蒸着で形成されている。また、スペーサ７１，７２は金の厚膜でありフォトリソグラフィとメッキによって形成した（スペーサとしては、例えば、液晶パネルで用いるような球状の二酸化珪素を用いてもかまわない。この場合、球を熱硬化型接着材に混ぜ、図９の直前の工程においてディスペンサでその接着材を基板表面に塗布する。）。最後にダイシングを行う。この基板（ダイ）の大きさは、横３ｍｍ、長さ６ｍｍ、厚み０．３ｍｍである。
【００４４】
次に、半導体レーザ１をエピタキシャル面を基板４側にして、凹部４１に融着する（図６）。融着温度は約２８０℃である。半導体レーザは、ＩｎＰ基板上に分子線エピタキシャル成長法を用いて形成されたＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子カスケードレーザ（発光部はＩｎＧａＡｓ井戸部（Ｉｎ組成６０％）とＡｌＩｎＡｓ障壁部（Ｉｎ組成４０％）の超格子構造）である。その半導体レーザの大きさは、共振器長０．８ｍｍ、幅０．３ｍｍ、厚み０．１ｍｍである。
【００４５】
次に、図７のように、導電性接着材１９（図１参照）を用いて、シリコン基板４をパッケージ５の放熱用金属１８（図１参照）部分に接着する。導電性接着材は、銀を含む熱硬化型エポキシ系接着材であり、良好な熱伝導も得ることができる（熱伝導率は約８Ｗ／ｋｍ）。接着後の厚みは約５０μｍである。このようにすることにより、半導体レーザ１の熱抵抗は、約３０℃／Ｗと良好な値が得られている。
【００４６】
次工程は、図８に示すワイヤーボンド工程である。直径２５μｍの金ワイヤー８，９，１４，１５を形成することにより、電極パッド１０，１１，１６，１７は、リード電極６、７，１２，１３に各々接続される。また、金ワイヤー４５により、半導体レーザ１の裏面電極はレーザ用電極パッド４２に接続される。
【００４７】
最後に、図９に示すように、テーパを有するＺｅＳｅ光学素子２１と発光／受光素子が形成された基板４の位置合わせ（アライメント）を行う。この光学素子２１の片面（パッケージ内部の面）にはアルミニューム薄膜の認識マーク７４が形成されている。基板の認識マーク７３と光学素子の認識マーク７４を用いて面内の位置合わせを行う。ＺｎＳｅはバンドギャップ２．７ｅＶであるので、波長０．４５μｍ以上の光、例えば、黄緑光などを用いれば容易に光学素子２１を通して、認識マーク７３，７４のアライメントが可能である。面内ずれが５μｍ以内になった後に、基板４と光学素子２１を密着させる。この時、スペーサ７１，７２により、基板４と光学素子２１の間隙は自動的にスペーサ７１，７２の厚みになり、かつ、平行性を有することができる。その後、ＵＶ硬化接着材を用いて、テーパを有するＺｅＳｅ光学素子２１をパッケージに接着する。光学素子２１は、パッケージの開口を閉じる蓋を兼用する。
【００４８】
なお、ＵＶ硬化接着材はアウトガス放出量が少ないもの（２００℃１時間における重量変化１％以下）を選んだ。なお、パッケージ内部の、一部または全面に有機ガスを吸収または分解する材料（たとえば酸化チタンなど）を被膜することにより、ＵＶ照射時に接着材から放出される有機ガスを分解することができる（有機ガスによる、９．６μｍ近傍の光吸収ロスを低減できる）。
【００４９】
このようにして、本受発光装置が完成する（図１０）。
【００５０】
本発明の第２の実施の形態を図１１に示す。基本的な図面は図１と同じである。第２の実施の形態ではＺｎＳｅ光学結晶２１の入射側テーパ部２２に凸型レンズ５１が取り付けてある。一般に半導体レーザ１の出射光は、半値全角１０〜３０゜の発散光となる。その光をレンズ５１により、ほぼ平行光に変換することにより、周囲に発散する無効エバネッセント波を抑制することができる。この結果、信号強度が増大するので感度をさらに向上させることができる。なお、レンズとして、図１２に示すように、光学結晶２１の入射側テーパ部２２に形成したフレネルレンズ５２を用いると、光学結晶２１のテーパ部２２を刻印することでレンズを形成することができ、レンズ作製が容易になる。
【００５１】
本発明の第３の実施の形態を図１３に示す。基本的な構造は図１と同じである。この実施の形態では、光源として複数の波長成分をもつ発光ダイオード５７を使用している（発光ダイオードの代わりに、スーパールミネッセントダイオードや、マルチモード半導体レーザを用いてもよい）。また光学素子２１の出射側テーパ部２３には、回折格子５３が形成されている（図１４参照）。さらに、信号受光素子は、図１５に示すように、回折格子の方向に沿って素子５４，５５，５６がある。
【００５２】
図１６を用いてこの動作を説明する。発光ダイオード５７から放出された光６１は光学素子２１に入射し、反射を繰り返し、その反射面におけるエバネッセント波が被測定物で吸収されることにより、光量が減少する。本実施の形態では、光６１は複数の波長成分を有しており、被測定物の吸収に波長依存性がある場合には、波長によって吸収量が異なる。回折格子５３は、光６１を波長により３方向６２，６３，６４に分離する。その方向には、信号受光素子５４，５５，５６が存在する。これにより、各波長帯における信号吸収量を測定できる。特に本発明においては、約９．１±０．２μｍの光は信号受光素子５４に、約９．６±０．２μｍの光は信号受光素子５５に、約９．８±０．２μｍの光は信号受光素子５６に、集光するように回折格子を設計している。これにより、被測定物を生体とした場合、信号受光素子５４、および信号受光素子５６の信号をリファレンスとして、信号受光素子５５の信号を相対評価することにより（つまり、約９．１μｍおよび約９．８μｍ光をリファレンスとして約９．６μｍ光の増減を評価することにより）、約９．６μｍ光に対して吸収を示す物質、例えば、生体中のグルコース濃度などを正確に評価することができる。
【００５３】
本実施の形態では主に、波長９．６μｍの光を用いて説明したがこれに限定するものではなく、波長１．４〜１．６μｍの光を用いても構わない。
【００５４】
本発明の第４の実施の形態を、図１７を用いて説明する。
【００５５】
発光ダイオ−ド５７から放出された光６１は立上げミラ−２０で反射された後、光学素子２１に入射する。光学素子２１は図１８にも示されているように溝５８が少なくとも１本以上形成されている。
【００５６】
図には示していないが、溝５８には生体や溶液等の被測定物を設定する。
【００５７】
光学素子２１に入射した光は、溝５８に到達し、屈折されて溝部分に設定された被測定物を通過し再び光学素子２１に入射する。光は被測定物によって吸収されるため、受光素子２を用いて吸収量を測定することにより、被測定物の濃度を容易に評価することができる。溝５８の幅や深さは特に限定するものではなく、被測定物の特性に応じて最適な設定が可能となるものである。
【００５８】
本発明の第５の実施の形態を、図１９を用いて説明する。本図は概ね図１と同じであるが、スペーサ７１，７２に代わり、半導体基板４上に平坦化層７５が形成されている。この平坦化層７５に光学素子２１が密着しており平坦化層の厚みにより基板４と光学素子２１の距離を制御している。平坦化層は、下記に述べるように、塗布酸化膜（ＳＯＧ：Ｓｐｉｎ−Ｏｎ−Ｇｌａｓｓ）である。このような構造にすることにより、発光素子１と光学素子２１の距離および受光素子２と光学素子２１の距離を極めて小さくすることができ、パッケージ内の残留有機物による雑音を低減させることが可能となる。第５の実施の形態の作製方法は、基本的には、図３〜図１０と同じであるが、図５においてスペーサ７１，７２を作製する代わりに、図２０に示すように平坦化層を形成する。（なお、よりわかりやすくするため、集積回路３の表面の配線等による凹凸も描いている（図２０（ａ））。まず図２０（ｂ）のように、スピンコート法を用いて、塗布酸化膜７６を形成する。これにより表面はほぼ平坦になるが、さらに、平坦化するために、ＣＭＰ（ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）により、塗布酸化膜表面の凹凸を０．５μｍ以下にしている。その後、フォトリソグラフィとドライエッチ（ＣＨＦ_４とＯ_２の混合ガスを使用）により、平坦化が不要部を除去する（図２０（ｃ））。この後は図６以降と同じになる。
【００５９】
本発明の第６の実施の形態を図２１に示す。ＺｎＳｅ光学素子１０１には、発光素子用凹部１１１および受光素子用凹部１１２が形成されている。発光素子は、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子カスケードレーザ１０２および半絶縁性窒化アルミニウム基板１０３から構成されている。基板１０３にはビアホール（ＶｉａＨｏｌｅ）が形成されておりレーザ１０２の二つの電極が基板１０３の裏面に接続されている。この発光素子は凹部１１１に嵌め込まれており、機械的精度により位置が決定される。基板１０３の裏面電極から金ワイヤー１０８を通じ、リード電極１０６に接続されている。また、受光素子は、ＳｉＧｅ／Ｓｉ量子井戸サブバンド間遷移型受光部１０４および半絶縁性窒化アルミニウム基板１０５から構成されている。基板１０５にはビアホール（ＶｉａＨｏｌｅ）が形成されており受光部１０４の二つの電極が基板１０５の裏面に接続されている。この受光素子は凹部１１２に嵌め込まれており、機械的精度により位置が決定される。基板１０５の裏面電極から金ワイヤー１０９を通じ、リード電極１０７に接続されている。１１０は樹脂パッケージである。本構造にすることにより、発光素子から出射された光は、ほとんど大気に触れないので、精度良く位置合わせが可能である。
【００６０】
以上の本発明において、生体のグルコース量測定の応用例を示したが、発光素子からの波長を適切に選べば、全反射減衰型フーリエ変換赤外分光光度計における各種組成分析、環境分析器／水質分析器における不純物測定、各種非侵襲生体センサーにおける血中成分分析、リサイクル用再生分別装置における対象物分析、野菜鮮度センサーにおける鮮度測定などに応用可能である。
【００６１】
【発明の効果】
上記のように、本発明を用いれば、コンパクトで扱い易い中赤外受発光装置を量産性高く、かつ、低価格に製造することができ、工業的に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の斜視図
【図３】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図４】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図５】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図６】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図７】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図８】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図９】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図１０】本発明の第１の実施の形態における受発光装置の作製工程図
【図１１】本発明の第２の実施の形態における受発光装置の断面図
【図１２】本発明の第２の実施の形態における受発光装置の光学素子の斜視図
【図１３】本発明の第３の実施の形態における受発光装置の断面図
【図１４】本発明の第３の実施の形態における受発光装置の光学素子の斜視図
【図１５】本発明の第３の実施の形態におけるシリコン基板の斜視図
【図１６】本発明の第３の実施の形態における受発光装置の動作を示す斜視図
【図１７】本発明の第４の実施の形態における受発光装置の断面図
【図１８】本発明の第４の実施の形態における受発光装置の光学素子の斜視図
【図１９】本発明の第５の実施の形態における受発光装置の断面図
【図２０】本発明の第５の実施の形態における受発光装置の作製工程図（一部）
【図２１】本発明の第６の実施の形態における受発光装置の断面図
【図２２】従来の受発光装置の一例を示す図
【符号の説明】
１，５７発光素子（ベアチップ）
２，５４，５５，５６信号受光素子
３集積回路
４シリコン基板
５樹脂パッケージ
６，７，１２，１３リード電極
８，９，１４，１５，４５金ワイヤー
１０，１１，１６，１７，４３電極パッド
１８放熱用金属
１９導電性接着材
２０立上げミラー
２１，８３光学結晶
２２入射側テーパ部
２３出射側テーパ部
２４遮光膜
２５モニター用受光素子
３１，６１，８２中赤外光
３２，８５エバネッセント波
３３発光素子の裏面光
４１発光素子取り付け凹部
４２発光素子基板側電極取付パッド
５１凸型レンズ
５２フレネルレンズ
５３回折格子
５８溝
６２，６３，６４分光後の光
７１，７２スペーサ
７３認識マーク（基板側）
７４認識マーク（光学素子側）
７５平坦化層
８１発光素子
８４被測定物
８６受光素子
８７発光素子駆動回路
８８受光素子信号処理回路
８９測定面
１０１光学素子
１０２量子カスケードレーザ
１０３，１０５窒化アルミニウム基板
１０４受光素子
１０６，１０７リード電極
１０８，１０９ワイヤー
１１０パッケージ
１１１発光素子用凹部
１１２受光素子用凹部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention emits near-infrared light having a wavelength of 0.8 to 2.5 μm or light having a mid-infrared wavelength of 4 to 20 μm by applying electric power, and emits light in an object (in the form of light absorption). The present invention relates to an infrared light receiving / emitting device that superimposes composition information (quantity, quality, etc.) on the light, receives the light, and outputs the composition information as an electric signal. Specific applications include an attenuated total reflection Fourier transform infrared spectrophotometer (Attenuated Total Reflection Fourier Transformation Infrared: ATR-FTIR), an environmental analyzer, a water quality analyzer, a non-invasive biological sensor, a recycle separation device, It can be used for various measuring heads such as vegetable freshness sensor.
[0002]
[Prior art]
Near-infrared light having a wavelength of 0.8 to 2.5 μm and mid-infrared light having a wavelength of 4 to 20 μm may include many absorption wavelengths of chemical bonds constituting various organic substances (such as biological substances). Are known. Therefore, when light in this wavelength band is transmitted through a certain substance, the type and amount of the substance can be measured by measuring its absorption spectrum. In particular, the ATR method (Attenuated Total Reflection: Attenuated Total Reflection), which uses an evanescent wave that is reflected several times in an optical element such as ZnSe through a substance and uses its attenuation spectrum as a detection means, does not destroy light absorption in the substance. Suitable for measuring with. However, since no light-emitting element capable of emitting light in this wavelength band at room temperature has been available, a large-scale solid-state light source (CO ₂ Laser, etc.) or low-efficiency spectral analysis of halogen bulbs, which makes it difficult to widely use them for consumer use.
[0003]
On the other hand, recently, a quantum cascade laser capable of emitting a laser beam having an oscillation wavelength of 4 to 20 μm at a high output of several hundred mW at room temperature has been developed (for example, F. Cappaso et. Al., “New Frontiers in Quantum Cascade Lasers”). and Applications ", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 6, p. 931 (2000)). While the conventional semiconductor laser uses the transition between the conduction band and the valence band, this quantum cascade laser emits light by the energy transition of electrons in the conduction band. The quantum cascade laser has little Auger non-radiative recombination and leakage at the hetero interface, and can easily achieve room-temperature oscillation. This has greatly expanded the use of mid-infrared light sources.
[0004]
FIG. 22 shows an example of a conventional mid-infrared region light emitting / receiving device. The DUT 84 is, for example, a living body, and the optical element 83 also serves as a measurement head. The driving circuit 87 is operated to emit the mid-infrared light 82 from the light emitting element 81 including the quantum cascade laser therein. The mid-infrared light 82 enters the ZnSe optical crystal 83 and repeats reflection, and is emitted to the light receiving element 86. In this reflection portion, an evanescent wave 85 is generated outside the optical crystal. An object to be measured 84 is in contact with the measurement surface 89 of the optical crystal 83. When the evanescent wave 85 seeps into the measured object 84, light absorption occurs. As a result, information (light absorption) of the device under test is superimposed. The mid-infrared light enters the light receiving element 86, generates a photocurrent, and is amplified by the signal processing circuit 88.
[0005]
In the conventional structure, a light emitting element, a light receiving element, and an optical element corresponding to a measuring head are manufactured by combining individual components (for example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-66248 A (paragraph number [0025], FIG. 1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the user has required these optical axis adjustments. In addition, when integrated to reduce the size, more accurate optical axis adjustment is required. However, the mid-infrared light (4 to 20 μm) is not only invisible to the human eye, but also corresponds to the absorption wavelength of molecular vibrations such as atmospheric moisture, carbon dioxide, and nitrogen dioxide. Was not suitable for mass production because it required management of atmospheric components. In addition, the measurement portion using the mid-infrared light emitting / receiving device has been increased in size and weight, and handling has been difficult. In particular, in the case of home medical applications, small and light weight is indispensable for physically weak people such as the elderly to easily handle the measurement part by themselves. Further, since the distance between the light receiving element and the signal processing circuit is large, electrical inductive noise may be superimposed on the wiring, and it has been difficult to obtain sufficient signal quality.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, a light emitting and receiving device according to claim 1 of the present invention includes a semiconductor substrate in which a light emitting element and a light receiving element are formed by monolithic integration or hybrid integration, and light emitted from the light emitting element is sampled. An optical element having a function of directly irradiating and a function of directly condensing light transmitted or diffused in the sample or light reflected on the surface of the sample and guiding the light to the light receiving element is contained in one package. is there. In such a structure, the light emitting element and the light receiving element are on the same plane, and the positional accuracy is extremely high (accuracy of several tens μm or less) by the semiconductor integration technology. For this reason, the conventional three-position adjustment of the light-emitting element, the light-receiving element, and the optical element is changed to the two-position adjustment of the light-receiving / emitting element substrate and the optical element, thereby improving mass productivity. Further, by adopting such a structure, the mid-infrared region light emitting / receiving device can be reduced in size and weight and can be easily handled by general users.
[0009]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the light emitting and receiving device according to the first aspect, wherein a spacer having a thickness substantially equal to the gap exists between the semiconductor substrate and the optical element. It is what it was. By using this spacer, the distance and parallelism between the optical element and the substrate on which the light receiving element and the light emitting element are formed can be physically determined (without optical adjustment of the mid-infrared light).
[0010]
The light emitting and receiving device according to claim 3 of the present invention is characterized in that, in the light emitting and receiving device according to claim 2, a spacer is present at a position where the optical element is prevented from being deformed by an external stress. Things. This is because the spacer is almost uniformly present in the plane of the gap between the optical element and the semiconductor substrate (excluding the light emission, light receiving section, and mark section (see below)), so that some pressure is applied to the optical element. In this case, since the spacer functions as a support, the optical element is not distorted. Thereby, even when the measurement is performed while being pressed against the sample, the accuracy does not deteriorate.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the light emitting and receiving device according to the first aspect, wherein the surface of the semiconductor substrate is a flat layer, and the semiconductor substrate is in contact with the optical element through the surface. It is characterized by the following. Thereby, the distance of the light emitted from the light emitting element to the atmosphere is reduced, and the alignment accuracy and the measurement accuracy are improved.
[0012]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the light emitting and receiving device according to the first aspect, wherein at least one of the semiconductor substrate and the optical element is formed with a mark capable of recognizing a mutual position. It is a characteristic. This makes it possible to use a mask alignment technique (passive alignment) generally used in photolithography, which is one of the semiconductor manufacturing processes, and to adjust the in-plane positions of the semiconductor substrate and the optical element (without optical adjustment of mid-infrared light). Can be adjusted within several μm. Therefore, by using the above spacers together, a mid-infrared light receiving / emitting device can be realized without optical adjustment of mid-infrared light, in other words, without managing atmospheric components, and mass production, low Price can be realized.
[0013]
Furthermore, in the light emitting and receiving device according to claim 6 of the present invention, in the light emitting and receiving device according to claim 1, the light emitting element or an integrated circuit for driving or signal processing the light receiving element is formed with the light emitting element and the light receiving element. Characterized in that it is formed on a substrate that has been bent. As a result, it is possible to reduce the size of the device and reduce induction noise.
[0014]
The light emitting and receiving device according to claim 7 of the present invention is the light emitting and receiving device according to claim 1, wherein the light emitting element is capable of emitting at least one infrared light having a wavelength of 4 to 20 μm. It is characterized by having. This makes it possible to measure various types of molecular vibrations, and thus can be applied to biological applications and atmospheric observations.
[0015]
Next, the light emitting and receiving device according to claim 8 of the present invention is the light emitting and receiving device according to claim 7, wherein the light emitting element has an electron or a hole between specific energy levels formed in the potential well. It is characterized in that photons are emitted by energy transition. With this structure, it is not necessary to cool the light emitting element to a low temperature, and the same substrate as the light receiving element and the integrated circuit can be formed.
[0016]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the light emitting and receiving device according to the first aspect, wherein the optical element can give at least one or more reflections to the light emitted from the light emitting element. It is what it was. Thereby, information can be obtained by superimposing a plurality of times from the sample (signal intensity increases), and measurement accuracy improves.
[0017]
Furthermore, in the light emitting and receiving device according to claim 10 of the present invention, in the light emitting and receiving device according to claim 1, the sample irradiation surface of the optical element has a groove-shaped concave portion, and the light passes through the concave portion. It is characterized by being able to do. By arbitrarily setting the width and depth of the groove, more light permeates the sample (measurement target), and more information can be obtained from the living body.
[0018]
Further, in the light emitting and receiving device according to claim 11 of the present invention, in the light emitting and receiving device according to claim 1, second light (rear surface light of laser) emitted from the light emitting element is integrated with the light emitting element. A second light receiving element is formed on the surface of the substrate that reaches after passing through the inside of the substrate. In this structure, the second light emitted from the light emitting element passes through the inside of the substrate on which the light emitting element is integrated, and then enters the second light receiving element integrated on the substrate. Using the light incident on the second light receiving element, the output of the light emitting element can be made constant. In the conventional structure, it is necessary to mount the second light receiving element close to the light emitting element mounting portion, but in the present structure, the degree of freedom in designing the mounting position of the second light receiving element is improved.
[0019]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the light emitting and receiving apparatus according to the first or the eleventh aspect, inter-subband photon absorption of a quantum well made of silicon and silicon germanium is used as the light receiving element. It is characterized by the following. This makes it possible to receive mid-infrared light without using a harmful material such as HgCdTe which has been conventionally used for infrared light reception.
[0020]
Furthermore, the light emitting and receiving device according to claim 13 of the present invention is characterized in that, in the light emitting and receiving device according to claim 6, an integrated circuit is formed substantially facing a surface of the optical element that repeats reflection a plurality of times. It was done. Thus, the integrated circuit can be placed between the light emitting element and the light receiving element, and effective use of the substrate surface (small size of the substrate) can be realized.
[0021]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the light emitting and receiving device according to the sixth aspect, a function between the optical element and the integrated circuit has a function of preventing light traveling in a wavelength band used in the device. It is characterized in that a film is formed. As a result, stray light in the package (for example, unnecessary stray light on the measurement surface) enters the integrated circuit, and noise due to heat generation due to free carrier absorption in the p-type or n-type high-concentration region of the integrated circuit transistor. To prevent the occurrence of.
[0022]
Further, in the light emitting and receiving device according to claim 15 of the present invention, in the light emitting and receiving device according to claim 1, of the surfaces that repeat reflection a plurality of times in the optical element, a surface that is not related to the function of the light emitting and receiving device is A metal thin film or a multilayer film is formed. Thereby, the reflection efficiency of the optical element is improved, and loss of the reflection surface is prevented.
[0023]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the light emitting and receiving device according to the first aspect, a lens is formed on at least one of a light incident portion and a light emitting portion of the optical element. Things. Thus, light can easily be incident on the optical element, and light emitted from the optical element to the light receiving element can be efficiently made.
[0024]
According to a seventeenth aspect of the present invention, in the light emitting and receiving device according to the sixteenth aspect, a Fresnel lens is used as a lens. This facilitates lens production.
[0025]
The light emitting and receiving device according to claim 18 of the present invention is the light emitting and receiving device according to claim 1, wherein the light emitting device emits light at a plurality of wavelengths and diffracts at least one of a light incident portion and a light emitting portion of the optical element. It is characterized by comprising a grating, performing wavelength separation of light from a light emitting element or light from an optical element, and obtaining information by individually receiving the split light. This enables analysis for compositions having different absorption wavelengths.
[0026]
Further, a light emitting and receiving device according to a nineteenth aspect of the present invention is the light emitting and receiving device according to the first aspect, wherein the material of the package is a resin plastic. Thereby, cost reduction can be achieved.
[0027]
According to a twentieth aspect of the present invention, there is provided the light emitting and receiving device according to the first aspect, wherein a material for absorbing or decomposing an organic gas is formed inside the package. Thereby, light absorption by the gas inside the package is reduced.
[0028]
According to a twenty-first aspect of the present invention, in the light emitting and receiving device according to the first aspect, the optical element has a concave portion, and at least one of the light emitting element and the light receiving element is incorporated in the concave portion. It is a feature. Thus, the positions of the light emitting element and the light receiving element are determined with mechanical accuracy, and the position of the light emitting element and the light receiving element are very rarely exposed to the atmosphere.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to embodiments.
[0030]
FIG. 1 is a sectional view of a light emitting and receiving device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view of the invention shown in FIG. This embodiment is a light emitting / receiving device for a sensor for measuring the amount of glucose in a living body. At the time of driving, light having a wavelength of 9.6 μm exists as an evanescent wave near the surface of the optical element 21. When the living body is brought into contact with the surface of the optical element 21, the evanescent wave enters the living body. Since glucose absorbs light having a wavelength of 9.6 μm, the amount of glucose can be measured by measuring the amount of evanescent wave absorbed. The measurement principle itself is widely known as an attenuated total reflection Fourier transform infrared spectrophotometer.
[0031]
1 and 2, a silicon substrate 4 on which a semiconductor laser 1, a light receiving element 2, and an integrated circuit (LSI) 3 are integrated is mounted in a package 5.
[0032]
The semiconductor laser 1 is an InGaAs / InAlAs quantum cascade laser and emits a laser beam having a wavelength of 9.6 μm. The threshold current of this semiconductor laser is about 100 mA, and the slope efficiency is 0.6 W / A. The drive current is supplied from the integrated circuit 3. The epitaxial growth surface of the semiconductor laser 1 is fused to the substrate 4 using an Au-Sn-based metal. By etching the silicon substrate, a recessed semiconductor laser mounting portion is formed. By setting the plane orientation of the silicon substrate 4 to (100), which is 9.7 degrees off in the <110> direction, a rising mirror 20 that bends the light of the semiconductor laser 1 in a direction perpendicular to the substrate surface is formed on the laser front emission side. (See, for example, Optronics, Inc., “Optical Technology Precision Processing Technology,” Part 2, Chapter 3, Section 2).
[0033]
In order to increase the reflectance at the wavelength of 9.6 μm on the start-up mirror 20, it can be said that it is more preferable to provide a reflective film such as Ag or Al.
[0034]
Further, a monitor light receiving element 25 is formed on the laser emission side. Since silicon is substantially transparent to light having a wavelength of about 9.6 μm, light 33 emitted from the back surface of the laser passes through the silicon substrate 4 and reaches the light receiving element 25 for monitoring. The output of the semiconductor laser 1 is kept constant by the integrated circuit 3 feeding back the laser driving current so that the photocurrent by the monitoring light receiving element 25 becomes constant.
[0035]
The signal light receiving element 2 is a mid-infrared light receiving element including a SiGe / Si quantum well (50 layers) formed on a silicon substrate. The mid-infrared light is detected by absorbing the mid-infrared light and performing a sub-band transition between the valence band sub-bands formed in the SiGe quantum well (see RP. G. Karunasiri et al., "Si _1-x Ge _x / Si multiple quantum well infrastructure detector, Appl. Phys. Lett. 59 (20) p. 2588 (1991).) SiGe is safer than HgCdTe, which is often used for receiving mid-infrared light. The electric signal converted from light in the signal light receiving element 2 is sent to the integrated circuit 3. The monitor light receiving element 25 has the same element structure.
[0036]
The integrated circuit 3 includes a silicon bipolar circuit that drives the semiconductor laser 1 in a pulse, a CMOS amplification circuit of the signal light receiving element 2, and a feedback CMOS circuit of a signal of the monitoring light receiving element 25. For connection to the outside, an earth electrode pad 10, a power supply electrode pad 11, a laser drive value setting electrode pad 16, and a signal extraction electrode pad 17 are formed. This integrated circuit 3 operates with a power supply of +10 V.
[0037]
The package 5 is formed of an epoxy resin. The package 5 is provided with a ground lead electrode 6, a power lead electrode 7, a laser drive value setting lead electrode 12, a signal extraction lead electrode 13, and a heat radiation metal 18. The lead electrodes 6, 7, 12, and 13 are mainly made of copper, and the surfaces thereof are plated with Ni and Au. The heat-dissipating metal 18 uses oxygen-free copper. The substrate 4 is bonded to the heat-dissipating metal 18 using a conductive adhesive 19. The electrode pads 10, 11, 16 and 17 are connected to the lead electrodes 6, 7, 12 and 13 by gold wires 8, 9, 14 and 15.
[0038]
The top of the package 5 is opened, and a ZeSe optical crystal 21 is attached to the opening. Spacers 71 and 72 each having a thickness of 10 μm are provided between the optical crystal 21 and the substrate 4, and the gap between the optical crystal 21 and the substrate 4 is maintained at 10 μm by this thickness. ZeSe has an absorption coefficient of 0.005 cm for light near a wavelength of 9.6 μm. ^-1 It is extremely small as follows and can be regarded as almost transparent. The incident side and the outgoing side of the ZeSe optical crystal 21 are tapered, and light 31 emitted from the semiconductor laser 1 enters the optical crystal 21 and repeats total reflection in the optical crystal 21. The angle is designed so that the emitted light enters the light receiving element 2. This design can be easily calculated by using Schnell's law, and considering that the refractive index of ZeSe is about 2.4 at a wavelength of 9.6 μm, the taper angle (the angle formed by the surface and the tapered portions 22 and 23). ) Must be at least 40.2 degrees. In this embodiment, the taper angle is 45 degrees. In this case, the laser beam 31 forms an angle of 27.9 degrees with respect to the normal direction of the surface of the optical element 21 and satisfies the condition of total reflection. The portion of the laser beam 31 that has permeated from the surface of the optical element 21 is the evanescent wave 32. It exudes about 50 μm from the surface, and the range is the detection portion. A light-shielding film 24 using Cr is formed on a surface of the optical element 21 that is not used for measurement in order to prevent unnecessary scattered light from the detection unit from entering the integrated circuit and causing malfunction. Note that this light-shielding film may be formed on the surface of the integrated circuit. As the light shielding film, in addition to Cr, a metal such as gold or a high reflectivity dielectric multilayer film (for example, alumina (thickness λ / 4n) ₁ ) / Silicon (thickness λ / 4n) ₂ ) / Alumina (λ / 4n) ₁ ) / Silicon (λ / 4n) ₂ ), Where λ is the wavelength used, n ₁ , N ₂ May be the refractive index of alumina or silicon. Without this Cr light-shielding film, the measurement accuracy was ± 10%, whereas with this light-shielding film, the accuracy could be reduced to ± 2%.
[0039]
The size of this light emitting / receiving device is 5 mm in width, 10 mm in length, and 4 mm in thickness (excluding the lead electrode), and realizes a very compact mid-infrared region light emitting / receiving device. As an operation method, first, a voltage of 10 V is applied to the lead electrode 7 to drive the integrated circuit. Next, a pulse current of 200 mA (pulse width 1 μsec, duty 10%) flows through the semiconductor laser 1 by applying 5 V or more to the lead electrode 12. As a result, about 60 mW of mid-infrared laser light 31 is emitted and appears as an evanescent wave 32 on the surface of the optical element. By using such short pulses, the thermal influence on the living body is reduced. The laser light 31 absorbed by glucose in the living body generates a photocurrent by the light receiving element 2 and is converted by the integrated circuit 4 into a full-scale 10V voltage signal. Since the noise is 1 mV or less, a dynamic range of 80 dB or more is secured, and sufficient S / N characteristics can be obtained. The reason why such high characteristics are obtained is that the light receiving element and the integrated circuit are extremely close to each other and are largely unaffected by ambient noise. As a result, even a minute change in the glucose amount can be measured. Further, the power consumption is about 2 W, and it can be incorporated in a portable power source as well as a home power source, and is easy to handle.
[0040]
3 to 10 illustrate a manufacturing method of this embodiment mode. As described above, the silicon substrate 4 has, as a plane orientation, (100) turned off by 9.7 degrees in the <110> direction. The substrate size is 6 inches in diameter (each figure is drawn for one for simplicity).
[0041]
First, a recognition mark 73 serving as a reference position for all elements is formed on a silicon substrate 4 by photolithography. Next, based on the recognition mark 73, SiO ₂ After forming the mask, a SiGe / Si quantum well layer is grown using molecular beam epitaxy. Next, SiO ₂ Is lifted off to form the signal light receiving element 2 and the monitoring light receiving element 25 on the silicon substrate (FIG. 3).
[0042]
Next, the laser mounting concave portion 41 and the rising mirror 20 are formed using photolithography (based on the recognition mark 73) and a KOH-based etching solution (FIG. 4).
[0043]
Further, as shown in FIG. 5, the integrated circuit 3, the ground electrode pad 10, and the power supply electrode are formed by using a normal semiconductor process (photolithography based on the recognition mark 73, ion implantation, thermal diffusion, interlayer insulating film, etc.). The pad 11, the laser drive value setting electrode pad 16, the signal extraction electrode pad 17, and the laser wire electrode pad 42 are formed. As shown in FIG. 5, gold interconnections are formed in these interconnections by photolithography. An electrode 43 for a laser epitaxial surface is formed in the concave portion 41, and Au-Sn is formed on the surface of the electrode 43 by vapor deposition for welding a semiconductor laser. The spacers 71 and 72 are thick films of gold and are formed by photolithography and plating. (The spacers may be, for example, spherical silicon dioxide used in a liquid crystal panel. In this case, the spheres are heated. Mix with the curable adhesive and apply the adhesive to the substrate surface with a dispenser in the process immediately before FIG. 9). Finally, dicing is performed. The size of this substrate (die) is 3 mm in width, 6 mm in length, and 0.3 mm in thickness.
[0044]
Next, the semiconductor laser 1 is fused to the recess 41 with the epitaxial surface facing the substrate 4 (FIG. 6). The fusing temperature is about 280 ° C. The semiconductor laser is a superlattice of an InAlAs / InGaAs quantum cascade laser (a light emitting portion is an InGaAs well portion (In composition: 60%) and an AlInAs barrier portion (In composition: 40%) formed on an InP substrate by using a molecular beam epitaxial growth method. Structure). The size of the semiconductor laser is 0.8 mm in cavity length, 0.3 mm in width, and 0.1 mm in thickness.
[0045]
Next, as shown in FIG. 7, the silicon substrate 4 is bonded to the heat dissipating metal 18 (see FIG. 1) of the package 5 using a conductive adhesive 19 (see FIG. 1). The conductive adhesive is a thermosetting epoxy-based adhesive containing silver, and can also obtain good heat conduction (thermal conductivity is about 8 W / km). The thickness after bonding is about 50 μm. By doing so, the thermal resistance of the semiconductor laser 1 is as good as about 30 ° C./W.
[0046]
The next step is a wire bonding step shown in FIG. By forming the gold wires 8, 9, 14, 15 having a diameter of 25 μm, the electrode pads 10, 11, 16, 17 are connected to the lead electrodes 6, 7, 12, 13, respectively. The back electrode of the semiconductor laser 1 is connected to the laser electrode pad 42 by the gold wire 45.
[0047]
Finally, as shown in FIG. 9, alignment (alignment) of the tapered ZeSe optical element 21 and the substrate 4 on which the light emitting / receiving element is formed is performed. On one surface of the optical element 21 (the surface inside the package), a recognition mark 74 of an aluminum thin film is formed. In-plane alignment is performed using the recognition mark 73 on the substrate and the recognition mark 74 on the optical element. Since ZnSe has a band gap of 2.7 eV, it is possible to easily align the recognition marks 73 and 74 through the optical element 21 by using light having a wavelength of 0.45 μm or more, for example, yellow-green light. After the in-plane displacement is within 5 μm, the substrate 4 is brought into close contact with the optical element 21. At this time, the gap between the substrate 4 and the optical element 21 automatically becomes the thickness of the spacers 71 and 72 by the spacers 71 and 72, and the spacers 71 and 72 can have parallelism. Thereafter, the taped ZeSe optical element 21 is bonded to the package using a UV curing adhesive. The optical element 21 also serves as a lid for closing the opening of the package.
[0048]
The UV-curable adhesive was selected to have a small outgassing amount (1% or less weight change at 200 ° C. for 1 hour). In addition, by coating a material (for example, titanium oxide or the like) that absorbs or decomposes an organic gas on a part or the whole surface of the package, the organic gas released from the adhesive at the time of UV irradiation can be decomposed (organic Light absorption loss around 9.6 μm due to gas can be reduced).
[0049]
Thus, the present light emitting and receiving device is completed (FIG. 10).
[0050]
FIG. 11 shows a second embodiment of the present invention. The basic drawing is the same as FIG. In the second embodiment, a convex lens 51 is attached to the incident side tapered portion 22 of the ZnSe optical crystal 21. In general, the emitted light of the semiconductor laser 1 is divergent light having a full width at half maximum of 10 to 30 °. By converting the light into substantially parallel light by the lens 51, the ineffective evanescent wave diverging around can be suppressed. As a result, the signal strength increases, and the sensitivity can be further improved. As shown in FIG. 12, when a Fresnel lens 52 formed on the incident side tapered portion 22 of the optical crystal 21 is used as a lens, the lens can be formed by engraving the tapered portion 22 of the optical crystal 21. In addition, the lens can be easily manufactured.
[0051]
FIG. 13 shows a third embodiment of the present invention. The basic structure is the same as FIG. In this embodiment, a light emitting diode 57 having a plurality of wavelength components is used as a light source (a superluminescent diode or a multimode semiconductor laser may be used instead of the light emitting diode). Further, a diffraction grating 53 is formed in the emission side tapered portion 23 of the optical element 21 (see FIG. 14). Further, as shown in FIG. 15, the signal receiving elements include elements 54, 55 and 56 along the direction of the diffraction grating.
[0052]
This operation will be described with reference to FIG. The light 61 emitted from the light emitting diode 57 enters the optical element 21 and is repeatedly reflected, and the evanescent wave on the reflection surface is absorbed by the object to be measured, so that the amount of light decreases. In the present embodiment, the light 61 has a plurality of wavelength components, and when the absorption of the object to be measured has wavelength dependence, the absorption amount differs depending on the wavelength. The diffraction grating 53 separates the light 61 into three directions 62, 63, and 64 according to the wavelength. In that direction, the signal light receiving elements 54, 55, 56 exist. Thereby, the amount of signal absorption in each wavelength band can be measured. Particularly, in the present invention, light of about 9.1 ± 0.2 μm is applied to the signal light receiving element 54, light of about 9.6 ± 0.2 μm is applied to the signal light receiving element 55, and light of about 9.8 ± 0.2 μm is provided. Designs a diffraction grating so as to converge light on the signal light receiving element 56. Thus, when the object to be measured is a living body, the signal of the signal light receiving element 55 is relatively evaluated using the signals of the signal light receiving element 54 and the signal light receiving element 56 as a reference (that is, about 9.1 μm and about 9 μm). By evaluating the increase or decrease of the light of about 9.6 μm using the light of 8.8 μm as a reference), it is possible to accurately evaluate a substance that absorbs light of about 9.6 μm, for example, a glucose concentration in a living body.
[0053]
In the present embodiment, description has been made mainly using light having a wavelength of 9.6 μm. However, the present invention is not limited to this, and light having a wavelength of 1.4 to 1.6 μm may be used.
[0054]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0055]
The light 61 emitted from the light emitting diode 57 is reflected by the rising mirror 20 and then enters the optical element 21. The optical element 21 has at least one groove 58 as shown in FIG.
[0056]
Although not shown in the drawing, an object to be measured such as a living body or a solution is set in the groove 58.
[0057]
The light that has entered the optical element 21 reaches the groove 58, is refracted, passes through the DUT set in the groove portion, and enters the optical element 21 again. Since light is absorbed by the object, the concentration of the object can be easily evaluated by measuring the amount of absorption using the light receiving element 2. The width and depth of the groove 58 are not particularly limited, and can be set optimally according to the characteristics of the device under test.
[0058]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This drawing is substantially the same as FIG. 1, except that a flattening layer 75 is formed on the semiconductor substrate 4 instead of the spacers 71 and 72. The optical element 21 is in close contact with the flattening layer 75, and the distance between the substrate 4 and the optical element 21 is controlled by the thickness of the flattening layer. The flattening layer is a coated oxide film (SOG: Spin-On-Glass) as described below. With such a structure, the distance between the light emitting element 1 and the optical element 21 and the distance between the light receiving element 2 and the optical element 21 can be extremely reduced, and noise due to residual organic matter in the package can be reduced. Become. The manufacturing method according to the fifth embodiment is basically the same as that shown in FIGS. 3 to 10, but instead of manufacturing the spacers 71 and 72 in FIG. 5, a flattening layer is formed as shown in FIG. Form. (Note that, for easier understanding, irregularities due to wiring and the like on the surface of the integrated circuit 3 are also drawn (FIG. 20A.) First, as shown in FIG. The film 76 is formed, whereby the surface is substantially flat, but in order to further flatten the surface, the unevenness on the surface of the applied oxide film is reduced to 0.5 μm or less by CMP (Chemical Mechanical Polishing). Lithography and dry etching (CHF ₄ And O ₂ (A mixed gas of the above) is used to remove an unnecessary portion for flattening (FIG. 20C). Subsequent steps are the same as those in FIG.
[0059]
FIG. 21 shows a sixth embodiment of the present invention. The ZnSe optical element 101 has a light emitting element concave portion 111 and a light receiving element concave portion 112. The light emitting device is composed of an AlInAs / InGaAs quantum cascade laser 102 and a semi-insulating aluminum nitride substrate 103. Via holes are formed in the substrate 103, and two electrodes of the laser 102 are connected to the back surface of the substrate 103. This light emitting element is fitted in the concave portion 111, and its position is determined by mechanical accuracy. The back electrode of the substrate 103 is connected to the lead electrode 106 through a gold wire 108. The light receiving element includes a SiGe / Si quantum well intersubband transition type light receiving unit 104 and a semi-insulating aluminum nitride substrate 105. A via hole is formed in the substrate 105, and two electrodes of the light receiving unit 104 are connected to the back surface of the substrate 105. This light receiving element is fitted in the concave portion 112, and its position is determined by mechanical accuracy. The back electrode of the substrate 105 is connected to the lead electrode 107 through the gold wire 109. 110 is a resin package. With this structure, light emitted from the light-emitting element hardly comes into contact with the atmosphere, and thus alignment can be performed with high accuracy.
[0060]
In the present invention described above, an application example of the measurement of the amount of glucose in a living body has been shown. However, if the wavelength from the light emitting element is appropriately selected, various composition analysis in an attenuated total reflection type Fourier transform infrared spectrophotometer, an It can be applied to impurity measurement in water quality analyzers, blood component analysis in various non-invasive biological sensors, target analysis in recycle separation equipment for recycling, freshness measurement in vegetable freshness sensors, and the like.
[0061]
【The invention's effect】
As described above, by using the present invention, a compact and easy-to-handle mid-infrared light emitting / receiving device can be manufactured at high productivity and at low cost, and is industrially useful.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a light emitting and receiving device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the light emitting and receiving device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of the light emitting and receiving device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a manufacturing process diagram of the light emitting and receiving device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a manufacturing process diagram of the light emitting and receiving device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a manufacturing process diagram of the light emitting and receiving device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a manufacturing process diagram of the light emitting and receiving device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a manufacturing process diagram of the light emitting and receiving device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a manufacturing process diagram of the light emitting and receiving device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a manufacturing process diagram of the light emitting and receiving device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view of a light emitting and receiving device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a perspective view of an optical element of a light emitting and receiving device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view of a light emitting and receiving device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a perspective view of an optical element of a light emitting and receiving device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a perspective view of a silicon substrate according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a perspective view showing the operation of the light emitting and receiving device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a sectional view of a light emitting and receiving device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a perspective view of an optical element of a light emitting and receiving device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a sectional view of a light emitting and receiving device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a manufacturing process diagram (part) of a light emitting and receiving device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a sectional view of a light emitting and receiving device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a diagram illustrating an example of a conventional light emitting and receiving device.
[Explanation of symbols]
1,57 light emitting element (bare chip)
2,54,55,56 signal light receiving element
3 Integrated circuit
4 Silicon substrate
5 Resin package
6,7,12,13 Lead electrode
8,9,14,15,45 Gold wire
10, 11, 16, 17, 43 electrode pads
18 Metal for heat dissipation
19 Conductive adhesive
20 Start-up mirror
21,83 Optical crystal
22 Incident side taper
23 Exit side taper
24 Shading film
25 Photodetector for monitor
31, 61, 82 Mid-infrared light
32,85 evanescent waves
33 Back light of light emitting element
41 Light emitting element mounting recess
42 Light emitting element substrate side electrode mounting pad
51 convex lens
52 Fresnel lens
53 diffraction grating
58 grooves
62, 63, 64 Light after spectrum
71, 72 Spacer
73 Recognition mark (board side)
74 Recognition mark (optical element side)
75 Flattening layer
81 Light-emitting element
84 DUT
86 light receiving element
87 Light emitting element drive circuit
88 Light receiving element signal processing circuit
89 Measuring surface
101 Optical element
102 Quantum cascade laser
103,105 Aluminum nitride substrate
104 light receiving element
106,107 Lead electrode
108,109 wire
110 packages
111 recess for light emitting element
112 Light receiving element recess

Claims

A semiconductor substrate in which a light-emitting element and a light-receiving element are formed by monolithic integration or hybrid integration, a function of directly irradiating the sample with light emitted from the light-emitting element, and light transmitted or diffused in the sample or light reflected on the sample surface. An optical element having a function of directly condensing light and directing the light to the light receiving element is contained in one package.

2. The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein a spacer having a thickness substantially equal to the gap exists between the semiconductor substrate and the optical element.

3. The light emitting / receiving device according to claim 2, wherein the spacer is located at a position where the optical element is prevented from being deformed by an external stress.

2. The light emitting / receiving device according to claim 1, wherein the surface of the semiconductor substrate is a flat layer, and the semiconductor substrate is in contact with the optical element through the surface.

2. The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein a mark for recognizing a mutual position is formed on at least one of the semiconductor substrate and the optical element.

2. The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein an integrated circuit for driving or signal processing of the light emitting element or the light receiving element is formed on a substrate on which the light emitting element and the light receiving element are formed.

The light emitting / receiving device according to claim 1, wherein the light emitting element is a light emitting element that can emit at least one light in a wavelength range of 4 to 20 m in an infrared region.

The light emitting / receiving device according to claim 7, wherein the light emitting element emits a photon when electrons or holes perform energy transition between specific energy levels formed in the potential well.

The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein the optical element is capable of giving light emitted from the light emitting element at least once or more.

2. The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein the sample irradiation surface of the optical element has a groove-shaped concave portion, and light can pass through the concave portion.

The second light receiving element is formed on a surface of the substrate where the second light emitted from the light emitting element reaches after the light passes through the inside of the substrate on which the light emitting element is integrated. The light receiving and emitting device according to claim 1.

12. The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein the light receiving element uses intersubband photon absorption of a quantum well made of silicon and silicon germanium.

7. The light emitting and receiving device according to claim 6, wherein the integrated circuit is formed so as to substantially face a surface of the optical element that repeats reflection a plurality of times.

7. The light emitting / receiving device according to claim 6, wherein a film having a function of preventing light traveling in a wavelength band used in the present device is formed between the optical element and the integrated circuit.

2. The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein a metal thin film or a dielectric multilayer film is formed on a surface of the optical element which does not reflect the function of the light emitting and receiving device among the plurality of times of reflection. .

The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein a lens is formed on at least one of the light incident portion and the light emitting portion of the optical element.

17. The light emitting and receiving device according to claim 16, wherein a Fresnel lens is used as the lens.

The light-emitting element emits light at a plurality of wavelengths, and a diffraction grating is provided on at least one of a light incident portion and a light emitting portion of the optical element, and the light from the light-emitting element or the light from the optical element is wavelength-separated, and the separated light is obtained. 2. The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein information is obtained by individually receiving light.

2. The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein the material of the package is resin plastic.

The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein a material that absorbs or decomposes an organic gas is formed inside the package.

One or more recesses are provided in an optical element that has the function of directly irradiating the sample with light emitted from the light emitting element and the function of directly condensing or transmitting light transmitted or diffused in the sample or light reflected on the sample surface to the light receiving element. The light emitting and receiving device according to claim 1, wherein at least one of the light emitting element and the light receiving element is incorporated in the recess.