JP6646539B2 - 流体分析装置、及び流体分析装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、流体分析装置、及び流体分析装置の製造方法に関する。
特許文献１記載の装置では、レーザの一方の端面から出射されたビームが測定槽内のガスを介して検波器で検出され、レーザの他方の端面から出射されたビームが基準槽内の基準ガスを介して別の検波器で検出される。このような装置によれば、２つの検波器のそれぞれから出力される信号を同時に取得することで、測定槽内のガスについて差分吸収測定を実施し、当該ガスを分析することができる。
しかしながら、特許文献１記載の装置では、レーザ、測定槽、基準槽、及び２つの検波器が別々に構成されているため、ガスの分析精度を維持しつつ、構造を単純化することは困難である。
そこで、本発明は、単純な構造で精度良く流体を分析することができる流体分析装置、及び流体分析装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の流体分析装置は、基板と、基板の表面に形成され、表面に平行な所定方向において互いに対向する第１光出射面及び第２光出射面を有する量子カスケードレーザと、表面に形成され、量子カスケードレーザと同一の層構造、及び所定方向において第１光出射面と対向する第１光入射面を有する第１量子カスケード検出器と、表面に形成され、量子カスケードレーザと同一の層構造、及び所定方向において第２光出射面と対向する第２光入射面を有する第２量子カスケード検出器と、少なくとも第２光出射面及び第２光入射面を覆い、量子カスケードレーザの発振波長に対する光透過性、及び電気絶縁性を有する樹脂部材と、を備え、第１光出射面と第１光入射面との間の第１領域には、分析対象の流体が配置される第１空間が設けられている。
この流体分析装置では、第１量子カスケード検出器及び第２量子カスケード検出器のそれぞれから出力される信号を同時に取得することで、分析対象の流体について差分吸収測定を実施し、当該流体を分析することができる。ここで、量子カスケードレーザ、第１量子カスケード検出器及び第２量子カスケード検出器が同一の層構造を有している。これにより、量子カスケードレーザ、第１量子カスケード検出器及び第２量子カスケード検出器が同一の量子カスケード構造を有することになるため、量子カスケードレーザの発振波長が、第１量子カスケード検出器及び第２量子カスケード検出器のそれぞれの検出波長に確実に重なる。また、量子カスケードレーザ、第１量子カスケード検出器及び第２量子カスケード検出器が同一の基板の表面に形成されている。これにより、量子カスケードレーザ、第１量子カスケード検出器及び第２量子カスケード検出器のそれぞれの温度が基板を介して均一化されるため、周囲温度の変化が差分吸収測定の結果に影響し難くなる。よって、この流体分析装置によれば、単純な構造で精度良く流体を分析することができる。
本発明の流体分析装置では、樹脂部材は、第２光出射面と第２光入射面との間の第２領域の全体に配置されており、第１光出射面及び第１光入射面、並びに、第１領域の全体を露出させていてもよい。これにより、樹脂部材自体を基準物質として、第１空間に配置された流体（例えば、ガス）について差分吸収測定を実施することができる。
本発明の流体分析装置では、樹脂部材は、第２光出射面と第２光入射面との間の第２領域の全体に配置されており、第１領域において第１空間を画定する第１凹部を有した状態で第１光出射面及び第１光入射面を覆っていてもよい。これにより、樹脂部材自体を基準物質として、第１空間に配置された流体（例えば、ガス、液体）について差分吸収測定を実施することができる。特に、樹脂部材が有する第１凹部によって第１空間が画定されているため、分析対象の流体が液体である場合に、当該液体を第１空間に安定的に配置することができる。
本発明の流体分析装置では、第１凹部は、基板とは反対側に開口していてもよい。これにより、分析対象の流体が液体である場合に、第１空間に当該液体をより安定的に配置することができる。
本発明の流体分析装置では、樹脂部材は、第２光出射面と第２光入射面との間の第２領域において第２空間を画定する第２凹部を有した状態で第２光出射面及び第２光入射面を覆っており、第１領域において第１空間を画定する第１凹部を有した状態で第１光出射面及び第１光入射面を覆っていてもよい。これにより、第２空間に所定の物質を配置し、当該物質を基準物質として、第１空間に配置された流体（例えば、ガス、液体）について差分吸収測定を実施することができる。特に、樹脂部材が有する第１凹部によって第１空間が画定されているため、分析対象の流体が液体である場合に、当該液体を第１空間に安定的に配置することができる。同様に、樹脂部材が有する第２凹部によって第２空間が画定されているため、基準物資となる所定の物質が液体である場合に、当該液体を第２空間に安定的に配置することができる。
本発明の流体分析装置では、第１凹部及び第２凹部のそれぞれは、基板とは反対側に開口していてもよい。これにより、分析対象の流体が液体である場合に、第１空間に当該液体をより安定的に配置することができる。同様に、基準物資となる所定の物質が液体である場合に、第２空間に当該液体をより安定的に配置することができる。
本発明の流体分析装置では、表面に平行且つ所定方向に垂直な方向における第１量子カスケード検出器及び第２量子カスケード検出器のそれぞれの幅は、表面に平行且つ所定方向に垂直な方向における量子カスケードレーザの幅よりも大きくてもよい。これにより、量子カスケードレーザの第１光出射面から出射されたレーザ光を第１量子カスケード検出器の第１光入射面に効率良く入射させることができる。同様に、量子カスケードレーザの第２光出射面から出射されたレーザ光を第２量子カスケード検出器の第２光入射面に効率良く入射させることができる。
本発明の流体分析装置では、量子カスケードレーザは、分布帰還型素子として構成されており、第１光入射面は、第１光出射面と鋭角を成す位置関係となるように傾斜しており、第２光入射面は、第２光出射面と鋭角を成す位置関係となるように傾斜していてもよい。これにより、量子カスケードレーザの第１光出射面から出射されたレーザ光のうち第１量子カスケード検出器の第１光入射面で反射された光が戻り光となって第１光出射面に入射することが抑制されると共に、量子カスケードレーザの第２光出射面から出射されたレーザ光のうち第２量子カスケード検出器の第２光入射面で反射された光が戻り光となって第２光出射面に入射することが抑制される。したがって、分布帰還型素子として構成された量子カスケードレーザにおいて、戻り光の影響で発振モードが乱れるのを抑制して、安定したシングルモード発振を得ることができ、より高精度な分光計測を実施することが可能となる。
本発明の流体分析装置の製造方法は、基板の表面に、量子カスケード構造を含む積層体を形成する第１工程と、積層体にエッチング処理を施し、表面に平行な所定方向において互いに対向する第１光出射面及び第２光出射面を有する量子カスケードレーザ、所定方向において第１光出射面と対向する第１光入射面を有する第１量子カスケード検出器、並びに所定方向において第２光出射面と対向する第２光入射面を有する第２量子カスケード検出器を形成する第２工程と、表面に、量子カスケードレーザ、第１量子カスケード検出器及び第２量子カスケード検出器を覆うように、量子カスケードレーザの発振波長に対する光透過性、及び電気絶縁性を有する樹脂層を形成する第３工程と、樹脂層にエッチング処理を施し、少なくとも第２光出射面及び第２光入射面を覆う樹脂部材を形成すると共に、第１光出射面と第１光入射面との間の第１領域に、分析対象の流体が配置される第１空間を設ける第４工程と、を含む。
この流体分析装置の製造方法によれば、上述した流体分析装置を容易に且つ確実に製造することができる。特に、同一の量子カスケード構造を有する量子カスケードレーザ、第１量子カスケード検出器及び第２量子カスケード検出器を、基板の表面に高い位置精度で形成することができる。
本発明によれば、単純な構造で精度良く流体を分析することができる流体分析装置、及び流体分析装置の製造方法を提供することが可能となる。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］
［第１実施形態］
図１及び図２に示されるように、流体分析装置１Ａは、基板２と、量子カスケードレーザ２０（以下、「ＱＣＬ２０」という）と、第１量子カスケード検出器３０（以下、「第１ＱＣＤ３０」という）と、第２量子カスケード検出器４０（以下、「第２ＱＣＤ４０」という）と、樹脂部材３と、を備えている。基板２は、例えばＩｎＰ等の半絶縁性半導体材料からなる。基板２の表面２ａに垂直なＺ軸方向から見た場合に、Ｚ軸方向に垂直なＹ軸方向における基板２の幅は、例えば数百μｍ程度であり、Ｚ軸方向及びＹ軸方向に垂直なＸ軸方向（基板２の表面２ａに平行な所定方向）における基板２の長さは、例えば数ｍｍ程度である。なお、図２では、樹脂部材３のみが、図１の一点鎖線に沿っての断面で示されている。
ＱＣＬ２０は、基板２の表面２ａに形成されている。ＱＣＬ２０は、Ｘ軸方向において互いに対向する第１光出射面２０ａ及び第２光出射面２０ｂを有している。第１光出射面２０ａ及び第２光出射面２０ｂは、Ｘ軸方向に垂直なＹＺ平面に平行である。Ｙ軸方向におけるＱＣＬ２０の幅は、例えば数μｍ〜数十μｍ程度であり、Ｘ軸方向におけるＱＣＬ２０の長さ（共振器長）は、例えば数ｍｍ程度である。
図３に示されるように、ＱＣＬ２０は、層構造１０を有している。層構造１０は、活性層１１、上部ガイド層１２ａ及び下部ガイド層１２ｂ、上部クラッド層１３ａ及び下部クラッド層１３ｂ、並びに、上部コンタクト層１４ａ及び下部コンタクト層１４ｂからなるリッジストライプ構造である。下部コンタクト層１４ｂは、例えばＩｎＧａＡｓからなり、基板２の表面２ａに形成されている。下部クラッド層１３ｂは、例えばＩｎＰからなり、下部コンタクト層１４ｂ上に形成されている。下部ガイド層１２ｂは、例えばＩｎＧａＡｓからなり、下部クラッド層１３ｂ上に形成されている。活性層１１は、量子カスケード構造を有し、下部ガイド層１２ｂ上に形成されている。上部ガイド層１２ａは、例えばＩｎＧａＡｓからなり、活性層１１上に形成されている。上部クラッド層１３ａは、例えばＩｎＰからなり、上部ガイド層１２ａ上に形成されている。上部コンタクト層１４ａは、例えばＩｎＧａＡｓからなり、上部クラッド層１３ａ上に形成されている。
活性層１１における１周期当たりの量子カスケード構造の一例は、表１のとおりである。
ＱＣＬ２０では、Ｙ軸方向における下部コンタクト層１４ｂの幅が、Ｙ軸方向における基板２の幅と同一となっており、Ｙ軸方向における下部クラッド層１３ｂ、下部ガイド層１２ｂ、活性層１１、上部ガイド層１２ａ、上部クラッド層１３ａ及び上部コンタクト層１４ａの幅が、Ｙ軸方向における基板２の幅よりも小さくなっている。これにより、Ｙ軸方向における下部コンタクト層１４ｂの両縁部が、Ｙ軸方向における下部クラッド層１３ｂ、下部ガイド層１２ｂ、活性層１１、上部ガイド層１２ａ、上部クラッド層１３ａ及び上部コンタクト層１４ａの両側面に対して、Ｙ軸方向における両側に突出している。
Ｙ軸方向における下部クラッド層１３ｂ、下部ガイド層１２ｂ、活性層１１、上部ガイド層１２ａ、上部クラッド層１３ａ及び上部コンタクト層１４ａの両側面には、例えばＳｉＮからなる絶縁膜２１が形成されている。上部コンタクト層１４ａ上には、例えばＡｕからなる上部電極２２が形成されている。Ｙ軸方向における下部コンタクト層１４ｂの両縁部上には、例えばＡｕからなる下部電極２３が形成されている。
図１及び図２に示されるように、第１ＱＣＤ３０は、基板２の表面２ａに形成されている。より具体的には、第１ＱＣＤ３０は、ＱＣＬ２０に対してＸ軸方向における一方の側に位置するように、基板２の表面２ａに形成されている。第１ＱＣＤ３０は、Ｘ軸方向においてＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａと対向する第１光入射面３０ａを有している。第１光入射面３０ａは、ＹＺ平面に平行である。Ｙ軸方向における第１ＱＣＤ３０の幅は、例えば数十μｍ程度であり、Ｘ軸方向における第１ＱＣＤ３０の長さは、例えば数百μｍ〜数ｍｍ程度である。ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａと第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａとの距離は、例えば数百μｍ程度である。
第１ＱＣＤ３０は、ＱＣＬ２０と同一の層構造１０を有しており、第１ＱＣＤ３０の活性層１１は、ＱＣＬ２０の活性層１１と同一の量子カスケード構造を有している。第１ＱＣＤ３０は、ＱＣＬ２０の絶縁膜２１、上部電極２２及び下部電極２３に代えて、それらに相当する絶縁膜３１、上部電極３２及び下部電極３３を有している。
第２ＱＣＤ４０は、基板２の表面２ａに形成されている。より具体的には、第２ＱＣＤ４０は、ＱＣＬ２０に対してＸ軸方向における他方の側に位置するように、基板２の表面２ａに形成されている。第２ＱＣＤ４０は、Ｘ軸方向においてＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと対向する第２光入射面４０ａを有している。第２光入射面４０ａは、ＹＺ平面に平行である。Ｙ軸方向における第２ＱＣＤ４０の幅は、例えば数十μｍ程度であり、Ｘ軸方向における第２ＱＣＤ４０の長さは、例えば数百μｍ〜数ｍｍ程度である。ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａとの距離は、例えば数百μｍ程度である。
第２ＱＣＤ４０は、ＱＣＬ２０と同一の層構造１０を有しており、第２ＱＣＤ４０の活性層１１は、ＱＣＬ２０の活性層１１と同一の量子カスケード構造を有している。第２ＱＣＤ４０は、ＱＣＬ２０の絶縁膜２１、上部電極２２及び下部電極２３に代えて、それらに相当する絶縁膜４１、上部電極４２及び下部電極４３を有している。
第１ＱＣＤ３０の形状は、第２ＱＣＤ４０の形状と同一である。ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａと第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａとの距離は、ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａとの距離と同一である。Ｙ軸方向（基板２の表面２ａに平行且つ所定方向に垂直な方向）における第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれの幅は、Ｙ軸方向におけるＱＣＬ２０の幅よりも大きい。なお、同一の特性が得られるのであれば、第１ＱＣＤ３０の形状と第２ＱＣＤ４０の形状とは、同一である必要はない。
樹脂部材３は、ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａとの間の第２領域Ｒ２の全体に配置されており、第２光出射面２０ｂ及び第２光入射面４０ａを覆っている。樹脂部材３は、ＱＣＬ２０の発振波長に対する光透過性、及び電気絶縁性を有している。樹脂部材３は、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａ及び第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａ、並びに、第１光出射面２０ａと第１光入射面３０ａとの間の第１領域Ｒ１の全体を露出させている。流体分析装置１Ａでは、第１領域Ｒ１の全体が、分析対象の流体が配置される第１空間Ｓ１となっている。
以上のように構成された流体分析装置１Ａは、例えば配線基板に実装された状態で、次のように使用される。すなわち、流体分析装置１Ａが分析対象のガス雰囲気中に暴露され、第１空間Ｓ１に分析対象のガスが配置される。この状態で、上部電極２２及び下部電極２３を介してＱＣＬ２０にバイアス電圧が印加され、ＱＣＬ２０においてレーザ発振が起こされる。これにより、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから出射されたレーザ光Ｌ１は、分析対象のガスを介して第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａに入射し、上部電極３２及び下部電極３３を介して第１ＱＣＤ３０から信号が出力される。一方、ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂから出射されたレーザ光Ｌ２は、樹脂部材３を介して第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａに入射し、上部電極４２及び下部電極４３を介して第２ＱＣＤ４０から信号が出力される。後段の処理回路では、分析対象のガスを分析するために、第１ＱＣＤ３０から出力された信号と第２ＱＣＤ４０から出力された信号との差分が取られる。このように、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれから出力される信号が同時に取得され、樹脂部材３自体を基準物質（リファレンス）として、第１空間Ｓ１に配置されたガスについて差分吸収測定がリアルタイムに実施される。
ここで、流体分析装置１Ａでは、次の理由により、ＱＣＬ２０が安定して動作する。すなわち、ＱＣＬ２０では、Ｙ軸方向における下部コンタクト層１４ｂの両縁部上に下部電極２３が形成されている。そのため、基板２が半絶縁性半導体材料からなっているものの、上部電極２２及び下部電極２３を介してＱＣＬ２０にバイアス電圧が印加された際に、下部コンタクト層１４ｂを介してＱＣＬ２０の内部に電流が均一に広がり、接触抵抗の低減が実現されるからである。
なお、樹脂部材３の材料としては、例えば東洋合成工業株式会社製の「光硬化性樹脂ＰＡＫ−０１」を用いることが可能である。図４は、分光エリプソメータで測定されたＰＡＫ−０１の吸収係数（消衰係数）を示す図である。図４に示されるように、ＰＡＫ−０１は、３．８〜５．５μｍ及び６．３〜６．５μｍの波長に対して透明である。樹脂部材３の材料としてＰＡＫ−０１を用いる場合、ＱＣＬ２０の発振波長が３．８〜５．５μｍ又は６．３〜６．５μｍの範囲に含まれるように活性層１１の量子カスケード構造を設計することで（表１に示される例は、ＱＣＬ２０の発振波長が６．４μｍとなるように活性層１１の量子カスケード構造を設計した例）、ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂから出射されたレーザ光Ｌ２が樹脂部材３に吸収されるのを抑制することができる。ＰＡＫ−０１は、例えば、二酸化炭素の吸収（波長４．３μｍ）、一酸化二窒素の吸収（波長４．５μｍ）、生体有機分子に含まれる炭素の二重結合の伸縮振動による吸収（アミドIIバンド、波長６．４μｍ）等を検出するに好適である。
以上説明したように、流体分析装置１Ａでは、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれから出力される信号を同時に取得することで、分析対象の流体について差分吸収測定を実施し、当該流体を分析することができる。ここで、流体分析装置１Ａでは、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０が同一の層構造１０を有している。これにより、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０が同一の量子カスケード構造を有することになるため、ＱＣＬ２０の発振波長が、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれの検出波長に確実に重なる。また、流体分析装置１Ａでは、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０が同一の基板２の表面２ａに形成されている。これにより、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれの温度が基板２を介して均一化されるため、周囲温度の変化が差分吸収測定の結果に影響し難くなる。よって、流体分析装置１Ａによれば、単純な構造で精度良く流体を分析することができる。
一般的に、同一の層構造を有する量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器においては、量子カスケード検出器の検出波長域が量子カスケードレーザの発振波長域よりも広くなる。しかし、量子カスケード検出器の検出波長域は、フォトダイオード等に比べて非常に狭く、ピーキーである。したがって、量子カスケード検出器を受光素子として用いる場合、発光素子の発振波長域との合わせ込みが難しい。それに対し、流体分析装置１Ａでは、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０が、同一の層構造１０を有し、同一の基板２上にモノシリックに形成されている。そのため、ＱＣＬ２０の発振波長域と第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれの検出波長域との合わせ込みを特に行わなくても、ＱＣＬ２０の発振波長域が、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれの検出波長域に確実に重なる。また、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれの検出波長域がフォトダイオード等に比べて非常に狭いこと、並びに、サブバンド間遷移に関する選択則から第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれがＺ軸方向から入射する光に対して感度を有しないことから、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれによるノイズ光の検出を抑制することができる。なお、量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器が同一の基板上にモノシリックに形成された例は、例えば、「Benedikt Schwarz, Peter Reininger, Daniela Ristanic, Hermann Detz,Aaron Maxwell Andrews, Werner Schrenk and Gottfried Strasser、“Monolithically integrated mid-infrared lab-on-a-chip usingplasmonics and quantum cascade structures”、NatureCommunications、Published：6/Jun/2014、Vol.5 4085(2014)」に記載されている。
また、流体分析装置１Ａでは、樹脂部材３が、ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａとの間の第２領域Ｒ２の全体に配置されており、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａ及び第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａ、並びに、それらの間の第１領域Ｒ１の全体を露出させている。これにより、樹脂部材３自体を基準物質として、第１空間Ｓ１に配置された流体（例えば、ガス）について差分吸収測定を実施することができる。
また、流体分析装置１Ａでは、Ｙ軸方向における第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれの幅が、Ｙ軸方向におけるＱＣＬ２０の幅よりも大きい。これにより、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａから広がり角をもって出射されたレーザ光Ｌ１を第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａに効率良く入射させることができる。同様に、ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂから広がり角をもって出射されたレーザ光Ｌ２を第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａに効率良く入射させることができる。
次に、流体分析装置１Ａの製造方法について、図５、図６及び図７を参照して説明する。まず、図５の（ａ）に示されるように、基板２の表面２ａに、量子カスケード構造を含む積層体１００を形成する（第１工程）。積層体１００は、下部コンタクト層１４ｂ、下部クラッド層１３ｂ、下部ガイド層１２ｂ、活性層１１、上部ガイド層１２ａ、上部クラッド層１３ａ及び上部コンタクト層１４ａ（図３参照）を、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法等によって基板２の表面２ａに順次エピタキシャル成長させることで、得られる。
続いて、図５の（ｂ）に示されるように、積層体１００にエッチング処理を施すことにより、ＱＣＬ２０の層構造１０に相当する部分２００、第１ＱＣＤ３０の層構造１０に相当する部分３００、及び第２ＱＣＤ４０の層構造１０に相当する部分を形成する（第２工程）。各部分２００，３００，４００の形成には、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いることが可能である。ただし、基板２の表面２ａに対する垂直性に優れた第１光出射面２０ａ、第２光出射面２０ｂ、第１光入射面３０ａ及び第２光入射面４０ａを得るために、ＩＣＰ等のドライエッチング技術を用いることが好ましい。なお、各部分２００，３００，４００は、下部コンタクト層１４ｂのうち互いの間に存在していた領域が除去されることで、互いに電気的に分離される。続いて、図６の（ａ）に示されるように、部分２００に対しは絶縁膜２１を介して上部電極２２及び下部電極２３を形成し、部分３００に対しは絶縁膜３１を介して上部電極３２及び下部電極３３を形成し、部分４００に対しは絶縁膜４１を介して上部電極４２及び下部電極４３を形成することにより、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０を得る（第２工程）。
続いて、図６の（ｂ）に示されるように、基板２の表面２ａに、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０を覆うように、ＱＣＬ２０の発振波長に対する光透過性、及び電気絶縁性を有する樹脂層５００を形成する（第３工程）。樹脂層５００は、例えば、スピンコートによって基板２の表面２ａに紫外線硬化樹脂材を塗布した後、紫外線の照射によって当該樹脂材を硬化させることで、得られる。続いて、図７の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、樹脂層５００にエッチング処理を施し、樹脂部材３を形成すると共に、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａと第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａとの間の第１領域Ｒ１に第１空間Ｓ１を設ける（第４工程）。より具体的には、図７の（ａ）に示されるように、樹脂層５００上にフォトレジスト５０１をパターニングし、図７の（ｂ）に示されるように、樹脂層５００に反応性イオンエッチング処理を施すことにより、樹脂部材３を形成すると共に、第１領域Ｒ１に第１空間Ｓ１を設ける。
以上の各工程を順次実施することで、流体分析装置１Ａを得る。なお、以上の各工程をウェハレベルで順次実施し、最後にウェハをダイシングして複数の流体分析装置１Ａを得ることが可能である。その場合、第１ＱＣＤ３０において第１光入射面３０ａと対向する端面、及び第２ＱＣＤ４０において第２光入射面４０ａと対向する端面は、ダイシング時における劈開面等の切断面であってもよい。
以上説明したように、流体分析装置１Ａの製造方法によれば、流体分析装置１Ａを容易に且つ確実に製造することができる。特に、同一の量子カスケード構造を有するＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０を、基板２の表面２ａに高い位置精度で形成することができる。
［第２実施形態］
［第２実施形態］
図８及び図９に示されるように、流体分析装置１Ｂは、樹脂部材３の構成において、上述した流体分析装置１Ａと主に相違している。なお、図９では、樹脂部材３のみが、図８の一点鎖線に沿っての断面で示されている。
流体分析装置１Ｂでは、樹脂部材３は、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａと第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａとの間の第１領域Ｒ１において第１空間Ｓ１を画定する第１凹部３ａを有した状態で、第１光出射面２０ａ及び第１光入射面３０ａを覆っている。第１凹部３ａは、基板２とは反対側に開口しており、第１凹部３ａの底面は、基板２の表面２ａとなっている。ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａとの間の第２領域Ｒ２の全体に樹脂部材３が配置されている点は、上述した流体分析装置１Ａの樹脂部材３と同様である。
樹脂部材３は、ＱＣＬ２０の上部電極２２を露出させる凹部３ｂ、第１ＱＣＤ３０の上部電極３２を露出させる凹部３ｃ、及び第２ＱＣＤ４０の上部電極４２を露出させる凹部３ｄを更に有している。各上部電極２２，３２，４２に対しては、対応する各凹部３ｂ，３ｃ，３ｄを介して、外部配線との電気的なコンタクトを取ることが可能である。各下部電極２３，３３，４３に対しては、それぞれの外縁部が樹脂部材３によって覆われていないため、それぞれの外縁部を介して、外部配線との電気的なコンタクトを取ることが可能である。なお、分析対象の流体が液体である場合に、当該流体の付着等を防止するために、各上部電極２２，３２，４２に対する外部配線との電気的なコンタクト、及び各下部電極２３，３３，４３に対する外部配線との電気的なコンタクトを取った後に、各凹部３ｂ，３ｃ，３ｄ及び下部電極２３，３３，４３を樹脂部材で覆いうこと（つまり、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれを全体的に樹脂部材で覆うこと）が好ましい。
以上説明したように、流体分析装置１Ｂによれば、上述した流体分析装置１Ａと同様に、単純な構造で精度良く流体を分析することができる。
また、流体分析装置１Ｂでは、樹脂部材３が第２領域Ｒ２の全体に配置されているだけでなく、樹脂部材３が、第１領域Ｒ１において第１空間Ｓ１を画定する第１凹部３ａを有した状態で、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａ及び第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａを覆っている。これにより、樹脂部材３自体を基準物質として、第１空間Ｓ１に配置された流体（例えば、ガス、液体）について差分吸収測定を実施することができる。
特に、流体分析装置１Ｂでは、樹脂部材３が有する第１凹部３ａによって第１空間Ｓ１が画定されており、第１凹部３ａが基板２とは反対側に開口しているため、分析対象の流体が液体である場合に、マイクロピペット等を用いて当該液体を第１空間Ｓ１に安定的に配置することができる。また、分析対象の流体として液体を第１空間Ｓ１に配置した場合にも、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａ及び第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａが樹脂部材３によって覆われているため、電気的な絶縁性を確保することができる。更に、微量のサンプルでの分析が可能であるため、例えば、唾液、血液、汗、尿等を分析する場合に、被験者への負担を軽減することができる。
［第３実施形態］
［第３実施形態］
図１０及び図１１に示されるように、流体分析装置１Ｃは、樹脂部材３の構成において、上述した流体分析装置１Ａと主に相違している。なお、図１１では、樹脂部材３のみが、図１０の一点鎖線に沿っての断面で示されている。
流体分析装置１Ｃでは、樹脂部材３は、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａと第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａとの間の第１領域Ｒ１において第１空間Ｓ１を画定する第１凹部３ａを有した状態で、第１光出射面２０ａ及び第１光入射面３０ａを覆っている。第１凹部３ａは、基板２とは反対側に開口しており、第１凹部３ａの底面は、基板２の表面２ａとなっている。更に、樹脂部材３は、ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａとの間の第２領域Ｒ２において第２空間Ｓ２を画定する第２凹部３ｅを有した状態で、第２光出射面２０ｂ及び第２光入射面４０ａを覆っている。第２凹部３ｅは、基板２とは反対側に開口しており、第２凹部３ｅの底面は、基板２の表面２ａとなっている。
樹脂部材３は、ＱＣＬ２０の上部電極２２を露出させる凹部３ｂ、第１ＱＣＤ３０の上部電極３２を露出させる凹部３ｃ、及び第２ＱＣＤ４０の上部電極４２を露出させる凹部３ｄを更に有している。各上部電極２２，３２，４２に対しては、対応する各凹部３ｂ，３ｃ，３ｄを介して、外部配線との電気的なコンタクトを取ることが可能である。各下部電極２３，３３，４３に対しては、それぞれの外縁部が樹脂部材３によって覆われていないため、それぞれの外縁部を介して、外部配線との電気的なコンタクトを取ることが可能である。なお、分析対象の流体が液体である場合に、当該流体の付着等を防止するために、各上部電極２２，３２，４２に対する外部配線との電気的なコンタクト、及び各下部電極２３，３３，４３に対する外部配線との電気的なコンタクトを取った後に、各凹部３ｂ，３ｃ，３ｄ及び下部電極２３，３３，４３を樹脂部材で覆いうこと（つまり、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれを全体的に樹脂部材で覆うこと）が好ましい。
以上説明したように、流体分析装置１Ｃによれば、上述した流体分析装置１Ａと同様に、単純な構造で精度良く流体を分析することができる。
また、流体分析装置１Ｃでは、樹脂部材３が、第１領域Ｒ１において第１空間Ｓ１を画定する第１凹部３ａを有した状態で、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａ及び第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａを覆っている。更に、樹脂部材３が、第２領域Ｒ２において第２空間Ｓ２を画定する第２凹部３ｅを有した状態で、ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂ及び第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａを覆っている。これにより、第２空間Ｓ２に所定の物質を配置し、当該物質を基準物質として、第１空間Ｓ１に配置された流体（例えば、ガス、液体）について差分吸収測定を実施することができる。
一例として、第１空間Ｓ１を画定する第１凹部３ａに、所定の溶媒及び所定の溶質からなる溶液を配置し、第２空間Ｓ２を画定する第２凹部３ｅに、当該所定の溶媒のみからなる溶液（すなわち、当該所定の溶質が除かれた溶液）を配置すれば、当該所定の溶媒の影響を除いた当該所定の溶質のみの吸収特性を評価することができる。
特に、流体分析装置１Ｃでは、樹脂部材３が有する第１凹部３ａによって第１空間Ｓ１が画定されており、第１凹部３ａが基板２とは反対側に開口しているため、分析対象の流体が液体である場合に、マイクロピペット等を用いて当該液体を第１空間Ｓ１に安定的に配置することができる。同様に、樹脂部材３が有する第２凹部３ｅによって第２空間Ｓ２が画定されており、第２凹部３ｅが基板２とは反対側に開口しているため、基準物資となる所定の物質が液体である場合に、マイクロピペット等を用いて当該液体を第２空間Ｓ２に安定的に配置することができる。また、分析対象の流体として液体を第１空間Ｓ１に配置した場合にも、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａ及び第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａが樹脂部材３によって覆われているため、電気的な絶縁性を確保することができる。同様に、基準物質となる所定の物質として液体を第２空間Ｓ２に配置した場合にも、ＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂ及び第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａが樹脂部材３によって覆われているため、電気的な絶縁性を確保することができる。更に、微量のサンプルでの分析が可能であるため、例えば、唾液、血液、汗、尿等を分析する場合に、被験者への負担を軽減することができる。
以上、本発明の第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態について説明したが、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、ＱＣＬ２０、第１ＱＣＤ３０及び第２ＱＣＤ４０のそれぞれの層構造１０は、上述したものに限定されない。また、層構造１０における活性層１１の量子カスケード構造も、上述したものに限定されない。
一例として、上述した各実施形態において、層構造１０に回折格子層を設けて、ＱＣＬ２０を分布帰還（ＤＦＢ：Distributed Feedback）型素子として構成してもよい。そのような構成によれば、ＱＣＬ２０においてシングルモード発振を得て、より高精度な分光計測を実施することができる。
その場合、図１２の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａがＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａと鋭角を成す位置関係となるように、第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａを傾斜させることが好ましい。同様に、第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａがＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと鋭角を成す位置関係となるように、第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａを傾斜させることが好ましい。これにより、レーザ光Ｌ１のうち第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａで反射された光Ｌ１ａが戻り光となってＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａに入射することが抑制されると共に、レーザ光Ｌ２のうち第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａで反射された光Ｌ２ａが戻り光となってＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂに入射することが抑制される。したがって、戻り光の影響でＤＦＢによる発振モードが乱れるのを抑制して、ＱＣＬ２０において、安定したシングルモード発振を得ることができる。
図１２の（ａ）及び（ｂ）に示される例では、第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａ及び第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａのそれぞれが、Ｚ軸方向に垂直なＸＹ平面と直角を成し且つＸ軸方向に垂直なＹＺ平面と４５°を成すように傾斜している。傾斜した第１光入射面３０ａを有する第１ＱＣＤ３０、及び傾斜した第２光入射面４０ａを有する第２ＱＣＤ４０は、フォトリソグラフィー技術を用いて積層体１００にエッチング処理を施すことで、形成することができる。
上述したように、ＱＣＬ２０の第１光出射面２０ａと第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａとの距離、及びＱＣＬ２０の第２光出射面２０ｂと第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａとの距離は、それぞれ、例えば数百μｍ程度である。そのため、第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａ及び第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａのそれぞれに、例えば誘電体多層膜からなる無反射コーティングを施すことは極めて困難である。したがって、第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａ及び第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａのそれぞれを傾斜させることは、ＤＦＢ型素子として構成されたＱＣＬ２０において、安定したシングルモード発振を得る上で、極めて重要である。
なお、図１２の（ａ）に示されるように、光Ｌ１ａ及び光Ｌ２ａが互いに同じ側に逃げるように、第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａ及び第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａのそれぞれを傾斜させてもよい。或いは、図１２の（ｂ）に示されるように、光Ｌ１ａ及び光Ｌ２ａが互いに異なる側に逃げるように、第１ＱＣＤ３０の第１光入射面３０ａ及び第２ＱＣＤ４０の第２光入射面４０ａのそれぞれを傾斜させてもよい。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…流体分析装置、２…基板、２ａ…表面、３…樹脂部材、３ａ…第１凹部、３ｅ…第２凹部、１０…層構造、２０…ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）、２０ａ…第１光出射面、２０ｂ…第２光出射面、３０…第１ＱＣＤ（第１量子カスケード検出器）、３０ａ…第１光入射面、４０…第２ＱＣＤ（第２量子カスケード検出器）、４０ａ…第２光入射面、１００…積層体、５００…樹脂層、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域、Ｓ１…第１空間、Ｓ２…第２空間。
Claims (9)
- 基板と、
前記基板の表面に形成され、前記表面に平行な所定方向において互いに対向する第１光出射面及び第２光出射面を有する量子カスケードレーザと、
前記表面に形成され、前記量子カスケードレーザと同一の層構造、及び前記所定方向において前記第１光出射面と対向する第１光入射面を有する第１量子カスケード検出器と、
前記表面に形成され、前記量子カスケードレーザと同一の層構造、及び前記所定方向において前記第２光出射面と対向する第２光入射面を有する第２量子カスケード検出器と、
少なくとも前記第２光出射面及び前記第２光入射面を覆い、前記量子カスケードレーザの発振波長に対する光透過性、及び電気絶縁性を有する樹脂部材と、を備え、
前記第１光出射面と前記第１光入射面との間の第１領域には、分析対象の流体が配置される第１空間が設けられている、流体分析装置。 - 前記樹脂部材は、
前記第２光出射面と前記第２光入射面との間の第２領域の全体に配置されており、
前記第１光出射面及び前記第１光入射面、並びに、前記第１領域の全体を露出させている、請求項１記載の流体分析装置。 - 前記樹脂部材は、
前記第２光出射面と前記第２光入射面との間の第２領域の全体に配置されており、
前記第１領域において前記第１空間を画定する第１凹部を有した状態で前記第１光出射面及び前記第１光入射面を覆っている、請求項１記載の流体分析装置。 - 前記第１凹部は、前記基板とは反対側に開口している、請求項３記載の流体分析装置。
- 前記樹脂部材は、
前記第２光出射面と前記第２光入射面との間の第２領域において第２空間を画定する第２凹部を有した状態で前記第２光出射面及び前記第２光入射面を覆っており、
前記第１領域において前記第１空間を画定する第１凹部を有した状態で前記第１光出射面及び前記第１光入射面を覆っている、請求項１記載の流体分析装置。 - 前記第１凹部及び前記第２凹部のそれぞれは、前記基板とは反対側に開口している、請求項５記載の流体分析装置。
- 前記表面に平行且つ前記所定方向に垂直な方向における前記第１量子カスケード検出器及び前記第２量子カスケード検出器のそれぞれの幅は、前記表面に平行且つ前記所定方向に垂直な前記方向における前記量子カスケードレーザの幅よりも大きい、請求項１〜６のいずれか一項記載の流体分析装置。
- 前記量子カスケードレーザは、分布帰還型素子として構成されており、
前記第１光入射面は、前記第１光出射面と鋭角を成す位置関係となるように傾斜しており、
前記第２光入射面は、前記第２光出射面と鋭角を成す位置関係となるように傾斜している、請求項１〜７のいずれか一項記載の流体分析装置。 - 基板の表面に、量子カスケード構造を含む積層体を形成する第１工程と、
前記積層体にエッチング処理を施し、前記表面に平行な所定方向において互いに対向する第１光出射面及び第２光出射面を有する量子カスケードレーザ、前記所定方向において前記第１光出射面と対向する第１光入射面を有する第１量子カスケード検出器、並びに前記所定方向において前記第２光出射面と対向する第２光入射面を有する第２量子カスケード検出器を形成する第２工程と、
前記表面に、前記量子カスケードレーザ、前記第１量子カスケード検出器及び前記第２量子カスケード検出器を覆うように、前記量子カスケードレーザの発振波長に対する光透過性、及び電気絶縁性を有する樹脂層を形成する第３工程と、
前記樹脂層にエッチング処理を施し、少なくとも前記第２光出射面及び前記第２光入射面を覆う樹脂部材を形成すると共に、前記第１光出射面と前記第１光入射面との間の第１領域に、分析対象の流体が配置される第１空間を設ける第４工程と、を含む、流体分析装置の製造方法。
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