WO2022059261A1 - 光検出モジュール及びビート分光装置 - Google Patents

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WO2022059261A1
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wiring
electrode
photodetector
mesa portion
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龍男 道垣内
昭生 伊藤
正洋 日▲高▼
忠孝 枝村
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • One aspect of the present disclosure relates to a photodetector and a beat spectroscope.
  • Patent Document 1 discloses a quantum cascade detector.
  • the quantum cascade detector light is detected by utilizing the intersubband transition (intersubband absorption) in the quantum well structure.
  • the photodetector as described above is required to have a high response speed. In addition, ensuring reliability is also required. Therefore, one aspect of the present disclosure is to provide a photodetector module capable of increasing the response speed and ensuring reliability, and a beat spectroscopic apparatus capable of widening the wavelength sweep range. ..
  • the photodetector includes a photodetector and a fixing member to which the photodetector is fixed, and the photodetector has a semiconductor substrate having a main surface and an incident amount of detected light.
  • the second contact layer formed between the main surface and the mesa portion of the semiconductor substrate and the second contact layer formed in a planar shape on the main surface of the semiconductor substrate and electrically connected to one of the first contact layer and the second contact layer.
  • the fixing member has an insulating substrate having a main surface and a first wiring formed in a plane on the main surface of the insulating substrate, and the fixing member has a main surface of the insulating substrate.
  • a recess is formed, at least a part of the mesa portion is arranged in the recess, and the first electrode is electrically connected to the first wiring in a state of being in surface contact with the first wiring. ..
  • the first electrode on the semiconductor substrate of the photodetector is electrically connected to the first wiring in a state of being in surface contact with the first wiring on the insulating substrate of the fixing member.
  • the response speed can be increased.
  • the photodetector and the fixing member can be firmly fixed, and reliability can be ensured.
  • this photodetector module at least a part of the mesa portion of the photodetector is arranged in the recess formed in the insulating substrate. As a result, the delicate mesa portion can be protected and reliability can be ensured. Therefore, according to this photodetection module, it is possible to increase the response speed and ensure reliability.
  • the semiconductor region of the mesa portion may include an active layer in which an absorption region that absorbs detection light by intersubband absorption and a transport region that transports electrons excited by intersubband absorption are alternately laminated.
  • an active layer in which an absorption region that absorbs detection light by intersubband absorption and a transport region that transports electrons excited by intersubband absorption are alternately laminated.
  • One end surface of the mesa portion in the direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate may be an incident surface of the detection light.
  • the light can be effectively absorbed in the mesa portion, and the strength of the output signal can be ensured.
  • One end surface of the mesa portion in the direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate may be flush with the side surface of the semiconductor substrate.
  • the end face of the mesa portion can be easily used as an incident surface of the detection light.
  • the photodetector module may be arranged so as to face the end face of the mesa portion, and may further include a lens that converges the detected light toward the end face of the mesa portion.
  • the width of the end face of the mesa portion (the length in the direction perpendicular to the optical waveguide direction) can be narrowed, and the area of the mesa portion in the plan view can be reduced.
  • the parasitic capacitance can be reduced and the response speed can be further increased.
  • the length of the mesa portion in the optical waveguide direction can be increased by narrowing the width of the mesa portion. As a result, light can be effectively absorbed in the mesa portion, and the strength of the output signal can be ensured.
  • the recess may be open on the side surface of the insulating substrate. In this case, the detection light can be easily incident on the end face of the mesa portion.
  • the recess may be formed by a hole formed in the main surface so as to be separated from the outer edge of the main surface of the insulating substrate.
  • the photodetector further has a connection wiring electrically connected to the first electrode and one of the first contact layer and the second contact layer, and at least a part of the connection wiring is arranged in the recess. May be good. In this case, the connection wiring can be protected and reliability can be ensured.
  • connection wiring may be a sheet-shaped air bridge wiring. In this case, by arranging it in the recess, the delicate air bridge wiring can be protected, and reliability can be reliably ensured.
  • the optical detector is formed in a planar shape on the main surface of the semiconductor substrate, further has a second electrode electrically connected to the other of the first contact layer and the second contact layer, and the fixing member is an insulating substrate.
  • a second wiring formed in a plane shape may be further provided on the main surface of the second electrode, and the second electrode may be electrically connected to the second wiring in a state of being in surface contact with the second wiring.
  • the inductance can be reduced as compared with the case where the second electrode and the second wiring are connected by wire bonding, for example, and the response speed can be further increased.
  • the photodetector and the fixing member can be firmly fixed, and reliability can be reliably ensured.
  • the second contact layer has a first portion located between the main surface of the semiconductor substrate and the mesa portion and a second portion located outside the mesa portion when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the semiconductor substrate. And, the second electrode may be formed on the second portion of the second contact layer. In this case, a large area of the second electrode can be secured, and a large contact area between the second electrode and the second wiring can be secured.
  • the first electrode may be in surface contact with the first wiring via the solder layer
  • the second electrode may be in surface contact with the second wiring via the solder layer.
  • the first electrode and the first wiring can be firmly connected electrically and mechanically
  • the second electrode and the second wiring can be firmly connected electrically and mechanically.
  • the photodetector is formed in a planar shape on the main surface of the semiconductor substrate and has a height adjusting layer electrically separated from the second contact layer, and the first electrode is formed on the height adjusting layer. May be. In this case, even if there is a height difference between the first electrode and the second electrode when connecting the first electrode and the first wiring and connecting the second electrode and the second wiring, even if there is a difference in height between the first electrode and the second electrode.
  • the height adjustment layer can reduce the difference in height between the first electrode and the second electrode, and can realize good surface contact at each connection point.
  • the first wiring may have a length of 1/4 or less of the wavelength of the electric signal propagating in the first wiring. In this case, impedance matching can be realized.
  • Both sides of the mesa portion in the direction perpendicular to the optical waveguide direction may be exposed. In this case, the generation of parasitic capacitance can be suppressed and the response speed can be further increased.
  • the mesa portion may be separated from the inner surface of the recess. In this case, the mesa portion can be reliably protected.
  • the beat spectroscopic device includes a fixed wavelength light source, a variable wavelength light source, and the above-mentioned light detection module that detects light from a fixed wavelength light source and light from a variable wavelength light source as detection light. While changing the wavelength of the light from the variable wavelength light source, the frequency of the beat signal having a frequency corresponding to the wavelength difference between the light from the fixed wavelength light source and the light from the variable wavelength light source is swept. The light from the fixed wavelength light source and the light from the variable wavelength light source are detected by the light detector. In the photodetector module included in this beat spectroscope, the response speed is increased for the reason described above. Therefore, in this beat spectroscope, the wavelength sweep range in beat spectroscopy can be widened.
  • a photodetector module capable of increasing the response speed and ensuring reliability
  • a beat spectroscopic device capable of widening the wavelength sweep range
  • (A) is a front view of the photodetector of the embodiment, and (b) is a front view of the photodetector of the first modification. It is sectional drawing of the light detection module which concerns on 2nd modification. It is a top view of the fixing member which concerns on the 2nd modification. It is a top view of the photodetector which concerns on the 3rd modification. It is a figure which shows the structure of the beat spectroscope. It is a graph which shows the sensitivity characteristic of a photodetector and the oscillation wavelength of a fixed wavelength light source. It is a graph which shows the oscillation wavelength of a fixed wavelength light source and a variable wavelength light source.
  • the photodetector module 1 includes a photodetector 10 and a fixing member (submount) 50 to which the photodetector 10 is fixed.
  • the photodetector 10 is, for example, a Quantum Cascade Detector (QCD), and detects the detection optical DL by utilizing the inter-subband transition (inter-subband absorption) in the quantum well structure.
  • QCD Quantum Cascade Detector
  • the photodetector 10 includes a semiconductor substrate 11, a mesa portion 12, a first contact layer 13, a second contact layer 14, and a first electrode 15. It includes an air bridge wiring 16 and a second electrode 17.
  • the semiconductor substrate 11 is formed in a rectangular flat plate shape, for example, and has a flat main surface 11a.
  • the semiconductor substrate 11 is, for example, a semi-insulating InP substrate.
  • the width direction, the depth direction, and the thickness direction of the semiconductor substrate 11 will be described as the X direction, the Y direction, and the Z direction, respectively.
  • the X, Y, and Z directions are orthogonal to each other.
  • each configuration of the photodetector 10 is inverted with respect to FIG. 1 in the X direction.
  • each configuration of the photodetector 10 is arranged inverted with respect to the X direction with respect to the arrangement shown in FIGS. 2 to 4.
  • each element may be arranged so that the first electrode 15 is connected to the first wiring 52 and the second electrode 17 is connected to the second wiring 53.
  • the mesa portion 12 is formed on the main surface 11a of the semiconductor substrate 11 so as to extend along the optical waveguide direction A.
  • the optical waveguide direction A is parallel to the Y direction.
  • the mesa portion 12 is formed on the main surface 11a via the second contact layer 14, and protrudes from the semiconductor substrate 11 in the Z direction.
  • Each of the pair of side surfaces 12a of the mesa portion 12 in the X direction is exposed. That is, each side surface 12a is not covered by other elements.
  • the side surface 12a is a surface extending so as to intersect the X direction, and is a flat surface perpendicular to the X direction in this example.
  • the mesa portion 12 contains the active layer 21.
  • the active layer 21 includes a plurality of absorption regions 22 and a plurality of transport regions 23 alternately laminated along the Z direction (direction perpendicular to the main surface 11a of the semiconductor substrate 11). It has a quantum cascade structure.
  • the unit laminate 24 composed of a pair of the absorption region 22 and the transport region 23 is repeatedly laminated.
  • the active layer 21 is configured so that the peak of the sensitivity wavelength is 4.5 ⁇ m, and includes the unit laminate 24 for 90 cycles.
  • the number of cycles of the unit laminated body 24 may be, for example, 10 or more and 150 or less.
  • the absorption region 22 includes a barrier layer 261 and a well layer 271, and absorbs the detected light DL by intersubband absorption.
  • the transport region 23 includes a plurality of barrier layers 262 to 267 and a plurality of well layers 272 to 277, and transports electrons excited by intersubband absorption in the absorption region 22 to the absorption region 22 in the next cycle.
  • An example of the composition, layer thickness, and doping state of the barrier layers 261 to 267 and the well layers 272 to 277 is as shown in FIG.
  • the detection light DL When the detection light DL is incident on the active layer 21, the detection light DL is absorbed by the active layer 21. More specifically, the active layer is formed by repeating electron excitation by absorption between subbands, relaxation of excited electrons, transport, and extraction of electrons into the unit laminate 24 in the next cycle in the plurality of unit laminates 24. Cascade light absorption occurs at 21.
  • the photodetector module 1 detects the detection light DL by taking out the current generated by this light absorption as an electric signal and measuring the amount of the current. That is, the active layer 21 functions as a semiconductor region that generates an electric signal according to the incident amount of the detected light DL.
  • the mesa portion 12 is formed to be long in the Y direction, and for example, the long side is formed in a rectangular shape parallel to the Y direction in a plan view (when viewed from the Z direction). That is, in a plan view, the length L1 of the mesa portion 12 in the Y direction (optical waveguide direction A) is longer than the length (width) L2 of the mesa portion 12 in the X direction (direction perpendicular to the optical waveguide direction A). ..
  • the length L1 is, for example, 50 ⁇ m or more.
  • the length L1 is, for example, about 50 ⁇ m to 3000 ⁇ m, and in this example, it is 100 ⁇ m.
  • the length L2 is, for example, about 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m, and in this example, it is 25 ⁇ m.
  • the aspect ratio of the mesa portion 12 (ratio of the length L1 to the length L2) in a plan view is 1 to 100.
  • the aspect ratio of the mesa portion 12 may be 1.5 to 50, preferably 2 to 10.
  • the lengths L1 and L2 may be 10 ⁇ m or more. If the length L1 is smaller than 50 ⁇ m, it may be difficult to secure the strength of the output signal. If the length L2 is smaller than 10 ⁇ m, it may be difficult to form the air bridge wiring 16. If the length L1 is larger than 3000 ⁇ m or the length L2 is larger than 1000 ⁇ m, the element size becomes large and it may be difficult to realize a high cutoff.
  • the first contact layer 13 is an upper contact layer formed on the surface 12b of the mesa portion 12 opposite to the semiconductor substrate 11.
  • the second contact layer 14 is a lower contact layer formed between the main surface 11a of the semiconductor substrate 11 and the mesa portion 12.
  • An example of the composition, layer thickness, and doping state of the first contact layer 13 and the second contact layer 14 is as shown in FIG.
  • the second contact layer 14 is formed in a rectangular shape having a longer side length than the mesa portion 12, and has a portion protruding from the mesa portion 12. That is, the second contact layer 14 has a first portion 14a located between the main surface 11a and the mesa portion 12 of the semiconductor substrate 11 and a second portion 14b located outside the mesa portion 12 in a plan view. have.
  • the mesa portion 12, the first contact layer 13 and the second contact layer 14 are formed on the main surface 11a of the semiconductor substrate 11 by, for example, crystal growth.
  • the mesa portion 12, the first contact layer 13 and the second contact layer 14 are etched so as to reach the surface of the second contact layer 14 or the inside of the second contact layer 14 by using a photolithography technique and a dry etching technique after crystal growth. Is formed by performing. At the time of manufacturing, for example, a plurality of elements are collectively formed by cutting the wafer after forming a plurality of portions corresponding to the mesa portion 12, the first contact layer 13 and the second contact layer 14 on the wafer.
  • one end surface 12c of the mesa portion 12 in the Y direction (optical waveguide direction A) (direction parallel to the main surface 11a of the semiconductor substrate 11) is an incident surface (light receiving surface) of the detection light DL. ..
  • the detected light DL incident from the end face 12c travels in the mesa portion 12 along the optical waveguide direction A.
  • the end surface 12c is flush with the side surface 11b of the semiconductor substrate 11. That is, the end surface 12c and the side surface 11b are located on the same plane.
  • the side surface 11b is a surface extending so as to intersect the Y direction, and is a flat surface perpendicular to the Y direction in this example.
  • the side surface 11b and the end surface 12c are cleavage planes formed by cutting the wafer.
  • the first electrode 15 is formed in a planar shape on the main surface 11a of the semiconductor substrate 11.
  • the first electrode 15 is made of, for example, gold, and is formed in a square shape by patterning.
  • the first electrode 15 has a connecting portion 15a located on one side in the X direction with respect to the mesa portion 12. In this example, the connecting portion 15a is the entire first electrode 15.
  • the first electrode 15 is electrically connected to the first contact layer 13 via the air bridge wiring 16.
  • the first electrode 15 is provided to take out the current output from the active layer 21 to the outside.
  • the area of the first electrode 15 is, for example, 10000 ⁇ m 2 or more. In this case, the first electrode 15 and the first wiring 52, which will be described later, can be brought into good surface contact with each other.
  • the dimensions of the first electrode 15 are 400 ⁇ m ⁇ 400 ⁇ m.
  • the air bridge wiring 16 is a connection wiring electrically connected to the first contact layer 13 and the first electrode 15.
  • the air bridge wiring 16 is drawn out from the first contact layer 13 to one side in the X direction and is bridged between the first contact layer 13 and the first electrode 15.
  • the air bridge wiring 16 is drawn from the first contact layer 13 along a direction parallel to the X direction.
  • the air bridge wiring 16 is drawn out from the end of the first contact layer 13 (mesa portion 12) in the X direction in a plan view.
  • the air bridge wiring 16 is an aerial wiring (three-dimensional wiring) having a bridge portion 16a extending in the air.
  • the bridge portion 16a is electrically connected to the first electrode 15 (connecting portion 15a) via a plating layer 151 described later.
  • the air bridge wiring 16 further has a planar portion 16b formed on the first contact layer 13.
  • the bridge portion 16a is integrally formed with the portion 16b.
  • the air bridge wiring 16 is formed, for example, by the following process. First, a resist is formed by patterning in the region between the mesa portion 12 and the first electrode 15 on the main surface 11a of the semiconductor substrate 11. Subsequently, a gold thin film having a thickness of about 5 ⁇ m is formed on the resist by plating, and then the resist is removed. As a result, the sheet-shaped air bridge wiring 16 is formed.
  • the bridge portion 16a is formed in a wide sheet shape (layer shape).
  • the length (width) L3 of the bridge portion 16a in the Y direction (optical waveguide direction A) is longer than the length L4 of the bridge portion 16a in the X direction.
  • the bridge portion 16a is curved and extends when viewed from the Y direction.
  • the length L4 of the bridge portion 16a in the X direction is the length (actual length) of the bridge portion 16a along the extending direction.
  • the length L3 is, for example, 50 ⁇ m or more.
  • the length L3 is, for example, about 50 ⁇ m to 3000 ⁇ m, and in this example, it is 80 ⁇ m.
  • the length L4 is, for example, about 5 ⁇ m to 200 ⁇ m, and in this example, it is 30 ⁇ m.
  • the aspect ratio of the bridge portion 16a (ratio of the length L3 to the length L4) may be 0.25 to 100, preferably 1 to 50.
  • the aspect ratio of the bridge portion 16a may be more preferably 1 to 20, and even more preferably 2 to 10.
  • the thickness of the bridge portion 16a (air bridge wiring 16) in the Z direction is 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the second electrode 17 is formed in a planar shape on the second portion 14b of the second contact layer 14.
  • the second electrode 17 is formed in a planar shape on the main surface 11a of the semiconductor substrate 11 via the second contact layer 14.
  • the second electrode 17 is made of, for example, gold, and is formed in a square shape by patterning.
  • the second electrode 17 is arranged on the other side (opposite side of the first electrode 15) in the X direction with respect to the mesa portion 12.
  • the second electrode 17 is electrically connected to the second contact layer 14.
  • the second electrode 17 is provided to take out the current output from the active layer 21 to the outside.
  • the second electrode 17 is electrically separated from the first electrode 15.
  • the area of the second electrode 17 is, for example, 10000 ⁇ m 2 or more.
  • the second electrode 17 and the second wiring 53 which will be described later, can be brought into good surface contact with each other.
  • the size of the second electrode 17 is 400 ⁇ m ⁇ 400 ⁇ m, which is the same as that of the first electrode 15.
  • the plating layer may also be formed on the first electrode 15 and the second electrode 17.
  • these plating layers are indicated by reference numerals 151 and 171.
  • the plating layers 151 and 171 can be regarded as constituting the first electrode 15 and the second electrode 17, respectively.
  • the plating layer 151 is formed to be one size smaller than the first electrode 15 (formed only on a part of the first electrode 15), but is formed on the entire surface of the first electrode 15. May be good.
  • the plating layer 171 is formed to be one size smaller than the second electrode 17, it may be formed on the entire surface of the second electrode 17.
  • the plating layer 151 can also be regarded as constituting the air bridge wiring 16.
  • the plating layers 151 and 171 may not be formed.
  • the fixing member 50 includes an insulating substrate 51, a first wiring 52, and a second wiring 53.
  • the insulating substrate 51 is formed, for example, in the shape of a rectangular flat plate, and has a main surface 51a and 51b on the side opposite to the main surface 51a. In this example, the main surfaces 51a and 51b are flat surfaces parallel to each other.
  • the base material of the insulating substrate 51 is, for example, alumina (aluminum oxide). In this case, the dielectric loss in the high frequency band can be reduced.
  • the base material of the insulating substrate 51 may be SiC or ceramics, which is a material having high insulating properties.
  • a recess 54 is formed on the main surface 51a of the insulating substrate 51.
  • the recess 54 is a groove extending along the Y direction (optical waveguide direction A) and opens on the side surface 51c of the insulating substrate 51. That is, the recess 54 extends so as to reach the side surface 51c.
  • the side surface 51c is a surface extending so as to intersect the Y direction, and is a flat surface perpendicular to the Y direction in this example.
  • the recess 54 has a rectangular shape in a plan view and a substantially semicircular shape in a cross section perpendicular to the Y direction.
  • the first wiring 52 is formed in a plane on the main surface 51a of the insulating substrate 51.
  • the first wiring 52 is made of, for example, gold, and is formed into a predetermined shape by patterning.
  • the first wiring 52 is arranged on one side in the X direction with respect to the recess 54.
  • the first wiring 52 is formed in a rectangular shape whose long side is parallel to the Y direction, and extends between the side surfaces 51c and 51d of the insulating substrate 51.
  • the side surface 51d is a surface of the insulating substrate 51 opposite to the side surface 51c.
  • the second wiring 53 is formed in a plane on the main surface 51a of the insulating substrate 51.
  • the second wiring 53 is electrically separated from the first wiring 52.
  • the second wiring 53 is made of, for example, gold, and is formed into a predetermined shape by patterning.
  • the second wiring 53 is formed so as to reach (wrap around) the main surface 51b from the main surface 51a of the insulating substrate 51 through the side surface 51e. That is, the second wiring 53 has a first portion 53a arranged on the main surface 51a and a second portion 53b arranged over the main surface 51b and the side surface 51e.
  • the first portion 53a is arranged on the other side (opposite side of the first wiring 52) in the X direction with respect to the recess 54.
  • the first portion 53a has a portion 53a1 having a long side formed in a rectangular shape parallel to the X direction and a portion 53a2 having a long side formed into a rectangular shape parallel to the Y direction.
  • the portion 53a2 extends from the portion 53a1 to the side surface 51d of the insulating substrate 51.
  • the second portion 53b is formed on the entire surface of the main surface 51b and the side surface 51e.
  • a solder layer 55 is formed on the first wiring 52, and a solder layer 56 is formed on the second wiring 53.
  • the solder layer 56 is formed on the portion 53a1 of the second wiring 53.
  • Each of the solder layers 55 and 56 is formed in a square shape by, for example, a metal material, and has a thickness of about 1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the photodetector 10 is fixed to the fixing member 50 in a state where the main surface 11a of the semiconductor substrate 11 faces the main surface 51a of the insulating substrate 51.
  • the fixed state in which the photodetector 10 is fixed to the fixing member 50 at least a part of the mesa portion 12 is arranged in the recess 54.
  • the tip end portion of the mesa portion 12 (the end portion on the side opposite to the semiconductor substrate 11 in the Y direction) is arranged in the recess 54.
  • the mesa portion 12 is separated from the inner surface 54a of the recess 54.
  • the longitudinal direction of the mesa portion 12 is parallel to the longitudinal direction of the recess 54.
  • the end surface 12c of the mesa portion 12 is exposed from the recess 54 when viewed from the Y direction.
  • a part of the air bridge wiring 16 (bridge portion 16a) is also arranged in the recess 54 so as to be separated from the inner surface 54a.
  • the connection portion between the air bridge wiring 16 and the first contact layer 13 is arranged in the recess 54.
  • the photodetector 10 is fixed to the fixing member 50 by connecting the first electrode 15 to the first wiring 52 and connecting the second electrode 17 to the second wiring 53.
  • the first electrode 15 is fused to the first wiring 52 by using the solder layer 55, and is electrically connected to the first wiring 52 in a state of being in surface contact with the first wiring 52 via the solder layer 55.
  • the second electrode 17 is fused to the second wiring 53 using the solder layer 56, and is electrically connected to the second wiring 53 in a state of being in surface contact with the second wiring 53 via the solder layer 56.
  • Each of the contact area between the first electrode 15 and the first wiring 52 and the contact area between the second electrode 17 and the second wiring 53 is 10,000 ⁇ m 2 or more. In the fixed state, a part of the first wiring 52 is exposed so that the terminal 81 of the connector 80 described later can be connected (FIGS. 7 and 8). [Mounting status of photodetector module]
  • the photodetector module 1 is used by being connected to, for example, a connector 80.
  • the connector 80 is, for example, an SMA connector and has a terminal 81 electrically connected to the signal line of the SMA cable.
  • the terminal 81 is mechanically connected to the first wiring 52 of the fixing member 50, and is electrically connected to the first wiring 52.
  • the terminal 81 may be connected to the first wiring 52 by soldering.
  • the first wiring 52 is a signal side wiring electrically connected to the signal line.
  • the connector 80 further includes a main body member 82 and a support member 83 integrally formed with the main body member 82.
  • the main body member 82 and the support member 83 are electrically connected to the ground wire of the SMA cable.
  • the photodetection module 1 is fixed to the connector 80 by connecting the fixing member 50 to the support member 83.
  • the second portion 53b of the second wiring 53 of the fixing member 50 is connected to the gold layer formed on the surface of the support member 83 by soldering.
  • the gold layer is formed so as to cover the entire surface of the support member 83, for example.
  • the main body member 82 may be configured separately from the support member 83.
  • the support member 83 to which the fixing member 50 is connected may be fixed to the main body member 82 by screwing or soldering.
  • the second wiring 53 is electrically connected to the ground wire. That is, in this example, the second wiring 53 is a ground-side wiring that is electrically connected to the ground wire.
  • the electrical connection between the photodetector 10 and the connector 80 is realized without the use of bonding wires (wireless connection). This makes it possible to avoid the generation of inductance caused by the bonding wire.
  • bonding wires wireless connection.
  • the wire may be damaged due to impact, catching, etc., so care must be taken when handling the device.
  • the bonding wire since the bonding wire is not used, the handling of the device can be facilitated.
  • the shape (wiring pattern) of the first wiring 52 is set in consideration of impedance matching.
  • the first wiring 52 is configured as a microstrip line.
  • the thickness of the insulating substrate 51 is 0.5 mm
  • the relative permittivity of the insulating substrate 51 is 9.8
  • the thickness of the first wiring 52 is 0.8 ⁇ m
  • the matching resistance value at 20 GHz is set.
  • the width W of the first wiring 52 is set to 0.5 mm or less
  • the length L5 of the first wiring 52 is set to 1.45 mm or less (FIG. 6).
  • the length L5 of the first wiring 52 becomes 1/4 or less of the wavelength (electrical length) of the electric signal propagating through the first wiring 52.
  • the first wiring 52 may be configured as a coplanar line instead of a microstrip line.
  • the photodetector module 1 (photodetector 10) further includes a lens 40.
  • the lens 40 is arranged so as to face the end surface 12c of the mesa portion 12 which is the light incident surface, focuses the detection light DL toward the end surface 12c, and collects the detection light DL on the end surface 12c.
  • the numerical aperture (NA) of the lens 40 is, for example, 0.4 or more, and the focusing diameter is several ⁇ m to several tens of ⁇ m.
  • a low-reflection layer including a dielectric multilayer film may be formed on both surfaces and the end surface 12c of the lens 40. In this case, the transmittance of the photodetector 10 on these surfaces with respect to light in the sensitivity wavelength range can be 95% or more.
  • the first electrode 15 on the semiconductor substrate 11 in the photodetector 10 is in surface contact with the first wiring 52 on the insulating substrate 51 in the fixing member 50, and is electrically connected to the first wiring 52. Connected (face connected).
  • the response speed can be increased.
  • the photodetector 10 and the fixing member 50 can be firmly fixed, and reliability can be ensured.
  • the photodetector module 1 at least a part of the mesa portion 12 of the photodetector 10 is arranged in the recess 54 formed in the insulating substrate 51.
  • the delicate mesa portion 12 can be protected and reliability can be ensured.
  • the mesa portion 12 can be protected from external contact, adhesion of suspended matter, damage due to wind pressure, etc. (mechanical damage due to an external factor). Therefore, according to the photodetector module 1, it is possible to increase the response speed and ensure reliability.
  • FIG. 10 is a graph showing the response characteristics of the photodetector 10
  • FIG. 11 is a graph showing an example of an output signal in the high frequency region.
  • the cutoff frequency which is the frequency when the signal strength decreases by -3 dB
  • the MCT (HgCdTe) sensor which has been used as a mid-infrared photodetector, can only realize a cutoff frequency of about several hundred MHz (up to about 1 GHz).
  • the cutoff frequency can be increased and the response speed can be increased.
  • FIG. 11 in the frequency band exceeding 26 GHz, a high signal strength exceeding 30 dB is obtained.
  • the mesa portion 12 includes an active layer 21 in which an absorption region 22 that absorbs detection light by intersubband absorption and a transport region 23 that transports electrons excited by intersubband absorption are alternately laminated.
  • an active layer 21 in which an absorption region 22 that absorbs detection light by intersubband absorption and a transport region 23 that transports electrons excited by intersubband absorption are alternately laminated.
  • One end surface 12c of the mesa portion 12 in the Y direction (direction parallel to the main surface 11a of the semiconductor substrate 11) (optical waveguide direction A) is the incident surface of the detection light DL.
  • the light can be effectively absorbed in the mesa portion 12, and the intensity of the output signal can be ensured.
  • One end surface 12c of the mesa portion 12 in the Y direction is flush with the side surface 11b of the semiconductor substrate 11. As a result, the end surface 12c of the mesa portion 12 can be easily used as the incident surface of the detection light DL.
  • the photodetection module 1 is arranged so as to face the end surface 12c of the mesa portion 12, and includes a lens 40 that converges the detection light DL toward the end surface 12c of the mesa portion 12.
  • the width (length in the X direction) of the end surface 12c of the mesa portion 12 can be narrowed, and the area of the mesa portion 12 in a plan view can be reduced.
  • the parasitic capacitance can be reduced and the response speed can be further increased.
  • the length of the mesa portion 12 in the optical waveguide direction A can be increased by narrowing the width of the mesa portion 12.
  • the light can be absorbed more effectively in the mesa portion 12, and the intensity of the output signal can be surely secured.
  • the absorption efficiency can also be improved by increasing the number of cycles of the unit laminate 24 in the active layer 21 to make the active layer 21 thicker.
  • the increase in the thickness of the active layer 21 also contributes to the reduction of parasitic capacitance and the reduction of noise due to the increase in element resistance.
  • the number of cycles is preferably about 10 or more and 150 or less.
  • the recess 54 is open on the side surface 51c of the insulating substrate 51. As a result, the detection light can be easily incident on the end surface 12c of the mesa portion 12 in the Y direction.
  • the photodetector 10 has an air bridge wiring 16 (connection wiring) electrically connected to the first electrode 15 and the first contact layer 13, and a part of the air bridge wiring 16 is arranged in the recess 54. ing. As a result, the delicate air bridge wiring 16 can be protected, and reliability can be reliably ensured.
  • the second electrode 17 is electrically connected (surface-connected) to the second wiring 53 in a state where the second electrode 17 is in surface contact with the second wiring 53.
  • the inductance can be reduced as compared with the case where the second electrode 17 and the second wiring 53 are connected by wire bonding, for example, and the response speed can be further increased.
  • the photodetector 10 and the fixing member 50 can be firmly fixed, and reliability can be reliably ensured. can.
  • the second contact layer 14 has a first portion 14a located between the main surface 11a of the semiconductor substrate 11 and the mesa portion 12, and a second portion 14b located outside the mesa portion 12 in a plan view.
  • a second electrode 17 is formed on the second portion 14b.
  • the first electrode 15 is in surface contact with the first wiring 52 via the solder layer 55
  • the second electrode 17 is in surface contact with the second wiring 53 via the solder layer 56.
  • the first electrode 15 and the first wiring 52 can be firmly connected electrically and mechanically
  • the second electrode 17 and the second wiring 53 can be firmly connected electrically and mechanically. be able to.
  • the first wiring 52 has a length of 1/4 or less of the wavelength of the electric signal propagating through the first wiring 52. This makes it possible to realize impedance matching.
  • FIG. 12A is a front view of the photodetector 10
  • FIG. 12B is a front view of the photodetector 10A of the first modification.
  • the insulating layer 90 is, for example, a silicon nitride (SiN) film.
  • the insulating layer 90 is inserted between the first contact layer 13 and the metal layer (part 16b of the air bridge wiring 16) on the first contact layer 13.
  • this portion has a structure in which an insulator is sandwiched between metals, for example, if an alignment shift occurs when the insulating layer 90 is formed, a slight parasitic capacitance may be generated in the portion.
  • the photodetector 10 since both side surfaces 12a of the mesa portion 12 are exposed, it is possible to suppress the generation of such parasitic capacitance.
  • the mesa portion 12 is separated from the inner surface of the recess 54. As a result, the mesa portion 12 can be reliably protected.
  • the photodetector 10 is a detector that detects the detection light DL by utilizing the absorption between subbands in the quantum well structure, the detection can be performed without applying an external voltage, so that heat is generated in the mesa section 12. Hard to occur. Therefore, the mesa portion 12 can be separated from the insulating substrate 51.
  • the first contact layer 13 and the first electrode 15 are connected by an air bridge wiring 16.
  • the wiring length can be shortened and the area of the mesa portion 12 in a plan view can be reduced as compared with the case where the first contact layer 13 and the first electrode 15 are connected by wire bonding, for example. can.
  • the area required for wiring is determined from the area required for crimping the tip of the wire, and for example, an area of about 100 ⁇ m ⁇ 100 ⁇ m is required. By shortening the wiring length, the inductance can be reduced and the response speed can be increased.
  • the length L1 of the mesa portion 12 in the optical waveguide direction A (Y direction) is the X direction when viewed from the Z direction (the direction perpendicular to the main surface 11a of the semiconductor substrate 11). It is longer than the length L2 of the mesa portion 12 in (the direction perpendicular to the optical waveguide direction A).
  • the path through which the detection light DL travels in the mesa portion 12 can be lengthened, and the light can be effectively absorbed in the mesa portion 12.
  • the strength of the output signal can be ensured even when the area of the mesa portion 12 is reduced.
  • the air bridge wiring 16 is drawn out from the first contact layer 13 to one side in the X direction and is bridged between the first contact layer 13 and the first electrode 15. This makes it possible to secure the width (length in the optical waveguide direction A) of the air bridge wiring 16.
  • the inductance can be further reduced by increasing the cross-sectional area, and the strength of the air bridge wiring 16 can be ensured to ensure reliability.
  • the first electrode 15 has a connection portion 15a located on one side in the X direction with respect to the mesa portion 12, and the air bridge wiring 16 is drawn out from the first contact layer 13 to one side in the X direction to obtain a first. It is connected to the connection portion 15a of the electrode 15. As a result, the air bridge wiring 16 can be pulled out from the first contact layer 13 to one side in the X direction, and the width of the air bridge wiring 16 can be reliably secured.
  • the air bridge wiring 16 has a bridge portion 16a extending in the air, and the length L3 of the bridge portion 16a in the optical waveguide direction A is longer than the length L4 of the bridge portion 16a in the X direction. As a result, the width of the bridge portion 16a (air bridge wiring 16) can be reliably secured.
  • Each of the length L1 of the mesa portion 12 in the optical waveguide direction A and the length L3 of the bridge portion 16a in the optical waveguide direction A is 50 ⁇ m or more. As a result, the width of the bridge portion 16a can be reliably secured. Further, the length of the mesa portion 12 in the optical waveguide direction A can be secured, and the light can be absorbed more effectively in the mesa portion 12.
  • the detection light DL travels in the semiconductor substrate 11 and then enters the mesa portion 12.
  • the side surface 11b of the semiconductor substrate 11 is an inclined surface inclined with respect to the Z direction.
  • the inclination angle ⁇ of the side surface 11b with respect to the Z direction when viewed from the X direction is 45 degrees.
  • the side surface 11b is a polished surface formed by, for example, polishing.
  • the detection light DL is incident on the side surface 11b from a direction perpendicular to the side surface 11b, travels in the semiconductor substrate 11, and then is incident on the surface 12d of the mesa portion 12 via the second contact layer 14.
  • the surface 12d is the surface of the mesa portion 12 on the semiconductor substrate 11 side. That is, in this example, the side surface 11b is the incident surface of the detection light DL.
  • the end surface 12c of the mesa portion 12 is not flush with the side surface 11b of the semiconductor substrate 11.
  • the detected light DL incident on the mesa portion 12 is reflected multiple times in the mesa portion 12, and the electric field vibration component parallel to the Z direction of the detected light DL is absorbed in the active layer 21.
  • the detection light DL may be reflected multiple times in the semiconductor substrate 11 and may be incident on the surface 12d of the mesa portion 12 a plurality of times.
  • the first electrode 15 and the like are omitted, and the hatching showing the cross section is omitted.
  • the recess 54 is formed by a hole formed in the main surface 51a of the insulating substrate 51.
  • the recess 54 does not open to the side surface 51c of the insulating substrate 51 and is separated from the outer edge of the main surface 51a.
  • the recess 54 has a substantially semicircular shape in a cross section perpendicular to the X direction.
  • at least a part of the mesa portion 12 is arranged in the recess 54.
  • the mesa portion 12 is formed in a shape that allows it to be arranged in the recess 54. Even with such a second modification, it is possible to increase the response speed and ensure reliability, as in the above embodiment. Further, since the recess 54 is not opened in the side surface 51c of the insulating substrate 51 and is configured as a hole, the mesa portion 12 can be more reliably protected.
  • the photodetector 10 includes a height adjusting layer 19.
  • the height adjusting layer 19 is formed in a planar shape on the main surface 11a of the semiconductor substrate 11.
  • the height adjusting layer 19 is formed on the main surface 11a so as to be separated from the second contact layer 14, and is electrically separated from the second contact layer 14.
  • the height adjusting layer 19 is formed at the same time as the formation of the second contact layer 14, and has the same structure as the second contact layer 14. That is, the height adjusting layer 19 has the same thickness as the second contact layer 14.
  • the first electrode 15 is formed on the height adjusting layer 19. Even with such a third modification, it is possible to increase the response speed and ensure reliability, as in the above embodiment.
  • the height difference between the first electrode 15 and the second electrode 17 can be reduced by the height adjusting layer 19, and good surface contact can be realized at each connection point.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the material and shape of each configuration not only the above-mentioned material and shape but also various materials and shapes can be adopted.
  • the length L3 of the bridge portion 16a in the optical waveguide direction A does not necessarily have to be longer than the length L4 of the bridge portion 16a in the X direction.
  • the lens 40 may be omitted.
  • the second contact layer 14 may have only the first portion 14a without the second portion 14b.
  • the mesa portion 12 further includes an upper clad layer arranged between the active layer 21 and the first contact layer 13, and a lower clad layer arranged between the active layer 21 and the second contact layer 14. May be good.
  • the mesa portion 12 may not be formed long in the Y direction, and may have a square shape, a circular shape, or the like in a plan view, for example.
  • the entire mesa portion 12 may be arranged in the recess 54.
  • the entire air bridge wiring 16 (connection wiring) may be arranged in the recess 54.
  • the connection wiring connecting the first electrode 15 and the first contact layer 13 may be a bonding wire.
  • At least one of the pair of the first electrode 15 and the first wiring 52 and the pair of the second electrode 17 and the second wiring 53 may be connected to each other in a surface contact state.
  • the first electrode 15 and the first wiring 52 may not be surface-connected, and may be connected by, for example, a bonding wire.
  • the second electrode 17 and the second wiring 53 may not be surface-connected, and may be connected by, for example, a bonding wire.
  • the first electrode 15 or the second electrode 17 may be formed on the surface of the semiconductor substrate 11 opposite to the main surface 11a.
  • the solder layers 55 and 56 may be omitted. That is, the first electrode 15 may be in surface contact with the first wiring 52 via a solder layer, a plating layer, or the like, or may be in direct surface contact with the first wiring 52. Similarly, the second electrode 17 may be in surface contact with the second wiring 53 via the solder layer or the plating layer, or may be in direct surface contact with the second wiring 53.
  • the first electrode 15, the second electrode 17, the first wiring 52, and the second wiring 53 in the above embodiment can be regarded as the second electrode, the first electrode, the second wiring, and the first wiring, respectively. That is, the first electrode may be connected to the second contact layer 14, and the second electrode may be connected to the first contact layer 13.
  • the photodetector 10 is configured as a quantum cascade detector, but the photodetector 10 is configured as another photodetector such as a quantum well infrared photodetector (QWIP). You may.
  • the quantum well infrared photodetector is an infrared detector that detects light by utilizing intersubband absorption in a quantum well structure.
  • the mesa portion 12 may include a semiconductor region that generates an electric signal according to the incident amount of the detection light DL, and may not necessarily include the active layer 21.
  • the photodetector 10 may be configured as a photodiode, in which case the mesa portion 12 includes a semiconductor region forming a PN junction. [Beat spectroscope]
  • the beat spectroscope 100 includes a first light source (fixed wavelength light source) 101, a second light source (wavelength variable light source) 102, a beam splitter 103, a light detection module 1, and a spectrum analyzer 104. And a gas cell 105.
  • a first light source fixed wavelength light source
  • a second light source wavelength variable light source
  • a beam splitter 103 a beam splitter
  • a light detection module 1 a light detection module 1
  • a spectrum analyzer 104 e.g., a gas cell 105.
  • the beat spectroscope 100 light is swept (scanned) so that the frequency of the beat signal having a frequency corresponding to the wavelength difference between the light P1 from the first light source 101 and the light P2 from the second light source 102 is swept (scanned).
  • the light P1 and P2 are detected by the light detection module 1 while the wavelength of P2 is changed. This makes it possible to perform heterodyne detection spectroscopy.
  • the first light source 101 and the second light source 102 output light P1 and P2 having oscillation wavelengths that are included in the sensitivity wavelength range of the photodetector module 1 and are close to each other.
  • the first light source 101 and the second light source 102 are, for example, distributed feedback type quantum cascade lasers (Distributed Feedback Quantum Cascade Laser: DFB-QCL).
  • DFB-QCL distributed Feedback Quantum Cascade Laser
  • the oscillation wavelength of the first light source 101 is fixed, and the oscillation wavelength of the second light source 102 is modulated.
  • the oscillation wavelength of the second light source 102 can be modulated by changing the injection current.
  • the first light source 101 is a fixed wavelength light source in which the wavelength of the output light P1 is fixed
  • the second light source 102 is a wavelength variable light source in which the wavelength of the output light P2 changes.
  • the operation of the second light source 102 is controlled by, for example, a control unit configured by a computer.
  • FIG. 17 is a graph showing the oscillation wavelengths of the first light source 101 and the second light source 102.
  • Reference numeral F indicates an oscillation wavelength of the first light source 101 when the injection current is 780 mA.
  • Reference numerals T1 to T4 indicate the oscillation wavelengths of the second light source 102 when the injection currents are 780 mA, 810 mA, 830 mA, and 850 mA, respectively. In this way, the oscillation wavelength of the second light source 102 can be modulated by changing the injection current.
  • the light P1 from the first light source 101 passes through the lens 108, is reflected by the mirrors 111 and 112, and is incident on the beam splitter 103.
  • the light P2 from the second light source 102 passes through the lens 109, is reflected by the mirror 113, and is incident on the beam splitter 103.
  • the light P1 and P2 are combined by the beam splitter 103.
  • the combined light P1 and P2 pass through the diaphragm members (iris) 114 and 115, are reflected by the mirror 116, are incident on the lens 40, and are incident on the photodetector 10.
  • a spectrum analyzer 104 is connected to the photodetector 10.
  • a gas cell 105 containing the gas to be measured is arranged between the second light source 102 and the mirror 113.
  • the light P2 from the second light source 102 passes through the gas cell 105 and then enters the mirror 113.
  • the wavelength modulation range of the light P2 from the second light source 102 straddles the absorption line of the gas, the light of a specific wavelength of the light P2 is absorbed.
  • the photodetector 10 detects a beat signal (beat) having a frequency corresponding to the wavelength difference between the light P1 from the first light source 101 and the light P2 from the second light source 102. It is difficult to measure the frequency of light directly. For example, when the wavelength is 4 ⁇ m, the response speed of the photodetector needs to be about 75 THz or more. On the other hand, in the beat spectroscopy method using a beat signal, for example, when the wavelength of the light P1 is 4000 ⁇ m and the wavelength of the light P2 is 4.001 ⁇ m, the response speed of the photodetector 10 is about 18 GHz or more. All you need is. As described above, in the photodetector module 1, a cutoff frequency of 20 GHz or more is obtained. Therefore, by performing beat spectroscopy using the photodetector module 1, spectroscopy can be performed over a wide wavelength range.
  • beat signal beat
  • the broken line B shows the oscillation wavelength of the first light source 101 when the injection current is 750 mA.
  • the operating temperature of the first light source 101 and the second light source 102 is 20 ° C., and both are driven by CW (Continuous Wave).
  • Reference numeral C indicates a difference in oscillation wavelength between the first light source 101 and the second light source 102 at a certain injection current. The faster the response speed of the photodetector 10, the larger this difference can be and the wider the wavelength sweep range can be.
  • FIG. 20 is a graph showing the relationship between the injection current to the second light source 102 and the beat frequency. As shown in FIG. 20, the beat frequency increases linearly as the injection current increases.
  • FIG. 21 is a graph showing an example of a beat signal.
  • FIG. 22 is a graph showing the comparison result of the response characteristics.
  • reference numeral S1 indicates the frequency response characteristic of the photodetector module 1
  • reference numeral S2 indicates the frequency response characteristic of the photodetector to be compared. From FIG. 22, it can be seen that the photodetector module 1 has a cutoff frequency of 20 GHz or more, and the response speed is faster than that of the photodetector to be compared.
  • FIG. 23 is a graph showing the output signal of the spectrum analyzer 104
  • FIG. 24 is a graph in which the horizontal axis of the graph shown in FIG. 23 is converted into wavelength.
  • FIG. 25 is a graph obtained by subtracting the background light signal from the output signal.
  • the gas to be measured was carbon monoxide, and an absorption line with a wave number of around 2190 cm -1 was observed.
  • wavelength-dependent absorption of gas is observed as shown by arrow D in FIG. 23. This is because when the wavelength of the light P2 from the second light source 102 matches the absorption wavelength of the gas, the light intensity is lowered by the absorption.
  • the intensity of the beat signal is proportional to the product of the electric field amplitude of the light P1 from the first light source 101 and the electric field amplitude of the light P2 from the second light source 102. Therefore, as the intensity of the light P2 decreases, a dip as shown by the arrow D is observed. In FIG.
  • the output signal when carbon monoxide is enclosed in the gas cell 105 is indicated by the reference numeral SG, and the output signal when carbon monoxide is not present in the gas cell 105 is indicated by the reference numeral BG.
  • the reference numeral FT indicates an example of the range of resolution of the Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR). While the resolution of FTIR is about 3 GHz (0.1 cm -1 ), the beat spectroscope 100 was able to obtain a resolution of about 20 MHz. This is more than 150 times the resolution of FTIR. As described above, according to the beat spectroscope 100, the wavelength sweep range in the beat spectroscopy can be widened.
  • the first light source 101 and the second light source 102 are quantum cascade lasers
  • the photodetector 10 is a quantum cascade detector. Since the output light of the quantum cascade laser is linearly polarized light parallel to the growth direction of the active layer, the polarization directions of the first light source 101 and the second light source 102 and the polarization direction having sensitivity of the light detector 10 coincide with each other.
  • the first light source 101, the second light source 102, and the light detector 10 the light P1 and P2 from the first light source 101 and the second light source 102 are effectively absorbed by the active layer 21 of the light detector 10. be able to.
  • the polarization characteristics of the first light source 101 and the second light source 102 and the polarization characteristics of the photodetector 10 each function like a polarization filter, thereby suppressing the influence of background light having random polarization. As a result, it becomes possible to improve the SN ratio.
  • Optical detection module 10, 10A ... Optical detector, 11 ... Semiconductor substrate, 11a ... Main surface, 11b ... Side surface, 12 ... Mesa portion, 12a ... Side surface, 12c ... End surface, 13 ... First contact layer, 14 ... 2nd contact layer, 14a ... 1st part, 14b ... 2nd part, 15 ... 1st electrode, 16 ... air bridge wiring (connection wiring), 17 ... 2nd electrode, 19 ... height adjusting layer, 21 ... active layer , 22 ... Absorption area, 23 ... Transport area, 40 ... Lens, 50 ... Fixing member, 51 ... Insulation substrate, 51a ... Main surface, 51c ... Side surface, 52 ... First wiring, 53 ...
  • Second wiring 54 ... Recessed 54a ... inner surface, 55, 56 ... solder layer, 100 ... beat spectroscope, 101 ... first light source (fixed wavelength light source), 102 ... second light source (variable wavelength light source), A ... optical waveguide direction, DL ... detection light, P1 ... Light from the first light source, P2 ... Light from the second light source.

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Abstract

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。

Description

光検出モジュール及びビート分光装置
　本開示の一側面は、光検出モジュール及びビート分光装置に関する。
　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。
特開２０１７－１４７４２８号公報
　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、本開示の一側面は、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。
　本開示の一側面に係る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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　本開示の一側面に係る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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　光検出器は、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。
　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。
　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。
　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。
　本開示の一側面に係るビート分光装置は、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。
　本開示の一側面によれば、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。
実施形態の光検出モジュールの正面図である。 光検出器の斜視図である。 光検出器の平面図である。 光検出器の正面図である。 光検出器の構成を示す表である。 固定部材の平面図である。 光検出モジュールの実装状態を示す斜視図である。 光検出モジュールの実装状態を示す平面図である。 光検出モジュールの実装状態を示す正面図である。 光検出器の応答特性を示すグラフである。 高周波領域における出力信号の例を示すグラフである。 （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。 第２変形例に係る光検出モジュールの断面図である。 第２変形例に係る固定部材の平面図である。 第３変形例に係る光検出器の平面図である。 ビート分光装置の構成を示す図である。 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。 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。 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。 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。 ビート信号の例を示すグラフである。 応答特性の比較結果を示すグラフである。 ビート分光の測定結果を示すグラフである。 ビート分光の測定結果を示すグラフである。 ビート分光の測定結果を示すグラフである。
　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］
　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］
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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］
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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］
　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。
　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。
　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。
　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］
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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］
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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］
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。

Claims (17)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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