[发明专利]生物成分检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括对近红外区中的光具有灵敏度的半导体光接收元件的生物成分检测装置。

背景技术

诸如人的血液和体脂肪等生物成分在近红外区中有吸收带，因而，近红外光谱技术作为非侵入性分析法而引起了注意，并且对其进行了深入研究并加强了实际应用。特别是近年来，糖尿病、肥胖等成为了关注焦点，并且作为血糖的主要成分的葡萄糖、胆固醇、脂类等的吸收光谱带位于近红外区中。因而，已积极地开展利用生物体的皮肤等的研究。在通过近红外光谱技术进行的分析中，输出信号包含必要信息以及由于光接收元件而引起的大量噪音。因此，为了在不完全依赖于传感器(光接收元件)性能的改进的情况下提取与输出信号有关的必要信息，已采用光谱方法、化学计量学等作为重要方法。

在近红外区中，上述传感器(光接收元件)大致分为电子管和作为固态元件的光电二极管(PD)。在这些传感器之中，PD具有小尺寸并且能够容易高度集成以形成一维阵列、二维阵列等，因而，对PD进行了广泛的研究和开发(非专利文献1)。本发明以针对生物成分的、包括PD的检测装置为目标。现在，采用下列PD或PD阵列。

(1)这样的PD或PD阵列的示例为直至红外区为止都具有灵敏度并且在近红外区中也具有灵敏度的PD或其阵列。这样的PD的具体示例包括锗(Ge)基PD、硫化铅(PbS)基PD、HgCdTe基PD、其一维阵列以及其二维阵列。

(2)这样的PD或PD阵列的另一示例为对近红外区中1.7μm或更小波长具有灵敏度的InP基PD、包括在InP基PD分类中的InGaAs基PD及其阵列。这里，InP基PD是指包含由III-V族化合物半导体构成且设置在InP衬底上的吸收层的PD，并且InGaAs基PD也包括在InP基PD中。

在以上光电二极管之中，(1)中所述的光电二极管通常需要冷却，以便减少噪音。例如，大多数光电二极管是在液氮温度(77K)处冷却或利用珀耳帖(Peltier)装置冷却下操作的。据此，包含这样的光电二极管的装置具有大的尺寸，并且装置成本增大。虽然这样的装置可以用于室温下，但这些装置存在2.5μm或更小的波长范围内暗电流大且检测能力差的问题。另一方面，(2)中所述InP基PD具有下列缺点：(I)在与InP晶格匹配的InGaAs中，虽然暗电流低，但PD的灵敏度限于近红外区中1.7μm或更小的波长范围。(II)在扩展型InGaAs中，其中可以接收光的波长区扩展到2.6μm，暗电流大，且必须冷却。据此，在InP基PD中，不能使用在生物成分的检验中重要的、具有2.0μm或更大的波长的光，或者为了使用这样的光而必须冷却PD。

在使用近红外光的生物成分检测中，最通常进行的是以与糖尿病直接相关的血糖水平(诸如葡萄糖和葡萄所含的糖)为目标的检测(专利文献1至4)，并且其次最通常进行的体脂肪的检测(专利文献5)。此外，从美容的观点来看，已利用近红外光来进行与皮肤的皱纹相关胶原质的测量(专利文献6)。除此以外，对于在角膜的手术过程中胶原质的分布等，也已经提出红外射线的测量(专利文献7)。

在上述生物成分检测中，在用于近红外光的分光装置中使用InGaAs、PbS、Ge、HgCdTe、包含多级台阶缓冲层的扩展性InGaAs等的单个元件或元件阵列。上述全部生物成分检测装置所公共的光接收波长范围为1至1.8μm。然而，这些装置中的一些将光接收波长范围的上限确定为大约2.0μm或2.5μm。

如上所述，对于InGaAs，必须将灵敏度扩大到近红外区的长波长侧。为了提高灵敏度，已提出了以下方法。

(K1)提高InGaAs吸收层的铟(In)的比例，并通过在该吸收层和InP衬底之间插入其中In比例被阶段性改变的台阶缓冲层来吸收该吸收层和InP衬底之间的晶格失配(专利文献8)。

(K2)InGaAs吸收层中并入氮(N)，以形成GaInNAs吸收层(专利文献9)。通过并入大量N来满足与InP衬底的晶格匹配。

(K3)通过提供由GaAsSb和InGaAs组成的II型多量子阱结构来实现将光接收波长范围扩大到长波长侧(非专利文献2)。满足与InP衬底的晶格匹配。

(K4)通过湿法蚀刻，在光接收元件(像素)之间形成元件分离沟槽来实现二维阵列的形成(专利文件10)。

非专利文献1：Masao Nakayama，“Technology trend of infrared detectors”Sensor Technology，1989 March issue(Vol.9，No.3)，p.61-64