JP2008192731A - 半導体発光素子および該素子を備えた光断層画像化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子において、導波路の構造不整を少なくし、電流狭窄構造を良好にする。
【解決手段】半導体発光素子１は、第１導電型半導体基板１１の一方の面に、第１導電型半導体基板１１側から上方に第一導電型の下部クラッド層１３と、半導体活性層１５と、半導体活性層１５の特定領域１５ａに電流を注入するための電流狭窄部２４と、第２導電型コンタクト層２３と第２導電型電極２５とを順次有し、半導体活性層１５の下方に第１導電型電極２６を有する。電流狭窄部２４は、半導体活性層１５側から上方に、第２導電型上部第１クラッド層１７と、前記上部第１クラッド層の層幅より小さい層幅を有しかつ第一導電型電流ブロック層２１で埋め込まれた第２導電型上部第２クラッド層１９とを順次有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）や半導体光増幅器（ＳＯＡ）等として利用可能な半導体発光素子、及びこれを備えた光断層画像化装置に関するものである。

生体組織の断層画像を取得する際に、低コヒーレンス光による光干渉を用いるＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）装置が眼科分野で実用化されている。ＯＣＴ装置の性能は光源の性能に依存するところが大きく、光源のコヒーレンス長により光軸方向の分解能が決まるため、光源は、低コヒーレンス光源であることが望ましい。低コヒーレンス光のコヒーレンス長Δｚは、中心波長λｃおよびスペクトル半値幅Δλとした場合、次式で表すことが可能である。

Δｚ＝２ｌｎ２／π・（λｃ^２／Δλ）
上記式に示されるように、スペクトル幅が広い光源ほどコヒーレンス長が短くなるので、ＯＣＴ用の光源は、より広帯域であることが望ましい。

近年、ＯＣＴ装置は、眼科分野での実用化を受けて、内視鏡への応用を目指した研究が進められている。内視鏡用ＯＣＴでは、被測定部が水分を多く含む物質に覆われていることが多いため、生体内組織における散乱損失及び吸収損失、及び水による吸収損失の合計が最小となるように、発光波長を設計した光源の検討が進められており、更に、広帯域化に伴って生じる分散の影響を考慮した検討がなされている。水による吸収は、特定の波長において吸収ピークを有することから、水分を多く含む物質に覆われた環境で使用される内視鏡用等のＯＣＴに用いられる低コヒーレンス光には、高レベルに波長特性が制御されたビーム特性が要求される。

特開２００６−２６７０７１号公報には、水分を多く含む物質に覆われた測定対象の断層画像を取得するＯＣＴ装置用の低コヒーレンス光は、生体組織の光吸収特性、散乱特性及び分散特性を考慮すると、最適な中心波長帯が０．９０μm以上かつ１．１５μm以下であることが記載されており、ＯＣＴ装置において、この範囲内に中心波長を有する光源を使用することにより、生体組織が水分を多く含む物質により覆われている場合であっても、生体組織の所望の深度までの光断層画像を高精度に取得することができるようになることが記載されている。しかし、この波長範囲の光源としては、従来はチタンサファイアレーザ等が使用されており、高価で取り扱いが容易でないものが多い。

一方、低コストで、かつ取り扱いの容易なＯＣＴ装置用の低コヒーレンス光源としては、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）が有望とされている。上記波長範囲内に中心波長を有するＳＬＤとしては、斜め光導波路構造を有するＳＬＤ等が既に知られているが、上記したように、ＯＣＴ装置の分解能は、光源が広帯域であるほど高くなることから、より鮮明かつ高精細な断層画像を得るために、より広帯域化されたＳＬＤが求められている。

広帯域なＳＬＤを作製する手法の一つとして、半導体発光素子において、射出する光の導波方向に発光波長の異なる光を生じる構造を形成して、広帯域化する手法がある。具体的には、選択成長を利用して、量子井戸厚・量子井戸組成を光軸方向で変化させた活性層を形成することにより、射出する光の導波方向に発光波長の異なる光を生じる構造を得る。

この手法は、２つのストライプ状のＳｉＯ_２などで形成される誘電体マスクを互いに一定間隔を開けて平行に形成し、その上に結晶成長を行うと、マスクに挟まれた成長領域の成長速度・組成が変化する現象を利用しており、マスク幅を変えることで成長する活性層膜厚・組成を射出する光の導波方向に変化させることができる。この手法により、通常のＳＬＤと比較して広帯域なＳＬＤを作製することが可能であるが、一方、この手法では、膜厚や組成の変化の割合を大きくすると急激に結晶劣化が生じてしまうという問題がある。

特許文献１には、半導体光集積素子においてマスク間ストライプ幅を１０μｍ以上に大きくすることにより、ＩＩＩ族原料種の組成の変化をゆるやかにさせて結晶劣化を抑制する方法及び該方法によって製造された半導体光集積素子が開示されている。
特開平７−５０４４３号公報

しかし、特許文献１では、リッジ形成を、膜厚差の大きい選択成長層をエッチングすることによって作製しているため、リッジ幅を一定にすることが難しく、素子の導波特性が低下し、また、膜厚の薄い短波長側の領域においては、オーバーエッチングによるストライプ構造の破損や、極めて薄い電流ブロック層による電流狭窄特性の劣化が起こりやすく、良好なビーム特性が得られなくなる恐れがある。
また、半導体光増幅器（ＳＯＡ）も、ＳＬＤと同様の素子構成を有する半導体発光素子であり、同様の課題を有している。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、導波路の構造不整が少なく、良好な電流狭窄構造を有し、ビーム特性の良好なＳＬＤやＳＯＡ等の半導体発光素子を提供することを目的とするものである。

本発明はまた、上記半導体発光素子を用いた光断層画像化装置（ＯＣＴ装置）を提供することを目的とするものである。

本発明は、特に、内視鏡用ＯＣＴ装置等の光源として好適な、発光波長が０．９０μｍ以上かつ１．１５μｍ以下の範囲にある広帯域な半導体発光素子を提供することを目的とするものであるが、本発明は、射出光の中心波長が上記波長範囲外の広帯域な半導体発光素子にも適用可能である。

本発明の半導体発光素子は、第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第一導電型の下部クラッド層と、半導体活性層と、前記半導体活性層の特定領域に電流を注入するための電流狭窄部と、第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前記半導体活性層の下方に第１導電型電極を有する半導体発光素子において、
前記半導体活性層は、前記半導体発光素子から射出される光の導波方向に段階的または連続的に組成及び膜厚が変化している構造であり、
前記電流狭窄部は、前記半導体活性層側から上方に、第２導電型上部第１クラッド層と、前記上部第１クラッド層の層幅より小さい層幅を有しかつ第一導電型電流ブロック層で埋め込まれた第２導電型上部第２クラッド層とを順次有することを特徴とするものである。

本明細書において、「第１導電型」及び「第２導電型」はｐ型又はｎ型に相当し、導電型の異なることを示している。

本発明の半導体発光素子の好適な態様としては、少なくとも前記半導体活性層と、前記上部第1クラッド層とが、リッジ構造部を構成しているものが挙げられ、前記リッジ構造部の幅が８μm以上３０μm以下であることが好ましい。

本明細書において、リッジ構造部の幅とは、リッジ構造を形成する半導体結晶層のうち、最下層の層幅と定義する。

前記上部第２クラッド層の層幅は、２μm以上３μm以下であることが好ましい。

本発明の半導体発光素子は、発光波長が０．９５μｍ以上１．１５μｍ以下であることを特徴とするものである。

本発明の半導体発光素子は、スーパールミネッセントダイオード又は半導体光増幅器であることを特徴とするものである。

本発明の光断層画像化装置は、低コヒーレンス光を出射する光源部と、
前記低コヒーレンス光を測定光と参照光に分割する分割手段と
前記測定光を測定対象に照射する照射光学系と、
前記参照光または前記測定光が照射されたときの外測定対象からの反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、
合波された前記反射光と前記参照光の干渉光の光強度に基づいて、前記参照光の光路長と前記測定光及び反射光の合計の光路長とが略一致する、前記測定対象の複数の深さの位置における反射光の強度を検出し、これらの深さ位置における強度に基づいて測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えた光断層画像化装置において、
前記光源部が、上記本発明の半導体発光素子を前記低コヒーレンス光の光源として含むことを特徴とするものである。

本発明の半導体発光素子は、電流狭窄構造を、第２導電型上部第１クラッド層と、その層幅より小さい層幅を有しかつ第一導電型電流ブロック層で埋め込まれた第２導電型上部第２クラッド層とにより形成しているので、電流狭窄構造を作製する際に、エッチング加工は第２導電型上部第２クラッド層のみに行えばよく、活性層を含む光導波領域をエッチングする必要がない。そのため、オーバーエッチング等のエッチング不良により導波路構造の破損が起こりにくく、従って電流狭窄特性の劣化も生じにくい。

特に、エッチング不良が生じやすい、射出される光の導波方向に膜厚を異ならせたＳＬＤやＳＯＡ等の広帯域半導体発光素子等においては、上記エッチング不良による素子特性への影響を大幅に低減化することができる。

従って、本発明によれば、導波路の構造不整が少なく、良好な電流狭窄構造を有し、ビーム特性の良好なＳＬＤやＳＯＡ等の半導体発光素子を提供することができる。

また、前記リッジ構造部の幅を８μm以上３０μm以下とした場合には、結晶性を良好にすることができる。

「半導体発光素子」
図面を参照して、本発明に係る一実施形態の半導体発光素子について説明する。図１は、本実施形態の半導体発光素子１の全体斜視図である。本実施形態は埋め込み型リッジストライプ構造である。

図１に示す本実施形態の半導体発光素子１においては、図示奥側の素子端面が後方端面１Ｒであり、図示手前側の素子端面が前方端面（光出力側の端面）１Ｆである。本実施形態では、後方端面１Ｒ及び前方端面１Ｆはいずれも半導体基板１１の基板面に対して垂直であり、後方端面１Ｒ及び前方端面１Ｆは互いに平行である。
以下に、本実施形態の半導体発光素子１の層構成について説明する。

半導体発光素子１は、ｎ型（第１導電型）半導体基板１１の図示上面に、該基板側からｎ型バッファ層１２とｎ型下部クラッド層１３とが順次積層されている。ｎ型下部クラッド層１３上に、アンドープ下部光ガイド層１４、半導体活性層１５、アンドープ上部光ガイド層１６とｐ型（第２導電型）上部第１クラッド層１７の積層構造からなるストライプ状のリッジ構造部２０が形成されている。

半導体活性層１５としては、多重量子井戸活性層が好ましい。本実施形態では、リッジ構造部２０を形成する各層の組成及び膜厚を、射出される光の導波方向に段階的または連続的に変化させて、射出する光の波長を光軸方向で変化させ、射出される光の発光波長を変調させる構成としている（図１参照）。

リッジ構造部２０上には、リッジ構造部２０の最上層であるｐ型上部第1クラッド層１７の層幅よりも小さい層幅であり、エッチングストップ層１８上に積層されたｐ型上部第２クラッド層１９が形成されている。ｐ型上部第２クラッド層１９及びリッジ構造部２０は、ｎ型下部クラッド層１３上に設けられた、ｎ型電流ブロック層２１により挟まれている。更に、ｐ型上部第２クラッド層１９及びｎ型電流ブロック層２１の上に、ｐ型上部第３クラッド層２２とｐ型コンタクト層２３とｐ型電極２５とが順次積層されている。ｎ型電極２６は、ｎ型半導体基板１１の下面に形成されている。

本実施形態において、電流狭窄部２４を、第２導電型上部第１クラッド層１７と、その層幅より小さい層幅を有しかつｎ型電流ブロック層２１で埋め込まれたｐ型上部第２クラッド層１９とにより形成している。電流狭窄部２４において、電流ブロック層２１と、それ以外の層とは導電型が異なるように設計されている。このような構成では、ｐ型上部第２クラッド層１９と電流ブロック層２１との間の逆バイアス構造によって、電流の流れる領域がｐ型上部第２クラッド層１９の層幅に絞り込まれ、ｐ型上部第２クラッド層１９の下方に位置するリッジ構造部２０においてもｐ型上部第２クラッド層１９の層幅に相当する特定領域１５ａに選択的に電流が注入されるので、ｐ型上部第２クラッド層１９の層幅に対応した幅の領域に電流が流れて、出力光がシングルモード化されるようになっている。従って、半導体活性層１５の電流注入領域１５ａ、及びその近傍部分（光ガイド層１４、１６の電流注入領域１５ａの近傍部分など）を光は導波する。以下、特定領域１５ａを電流注入領域と称す。なお、図面上は、便宜上、半導体活性層１５の電流注入領域１５ａと非電流注入領域との境界を明確に図示してあるが、電流注入領域１５ａと非電流注入領域との境界は明確なものではない。

半導体発光素子１の層組成及び各層の膜厚は、射出する光の波長特性に応じて適宜設計できる。例えば、内視鏡用等のＯＣＴ装置の低コヒーレンス光源として好適とされている、発光波長が０．９０μm以上１．１５μm以下の広帯域な低コヒーレンス光を射出させる場合は、活性層としてＩｎＧａＡｓ多重量子井戸活性層等を採用すればよい。以下、半導体基板１１と各層の組成と膜厚の設計例を挙げる。光の導波方向に段階的または連続的に変化している層においては、膜厚の厚い方の値を示す。
半導体基板１１：ｎ−ＧａＡｓ基板、
ｎ型バッファ層１２：ｎ−ＧａＡｓ層（０．２μｍ厚、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３）、
ｎ型下部クラッド層１３：ｎ−Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐ層（２．０μｍ厚、キャリア濃度５．０×１０^１７ｃｍ^−３）、
下部光ガイド層１４：アンドープＧａＡｓ層（３４ｎｍ厚） 、
半導体活性層１５：ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸活性層（６ｎｍ厚の量子井戸層と１０ｎｍ厚の障壁層とが交互に積層された積層構造）、
上部光ガイド層１６：アンドープＧａＡｓ層（３４ｎｍ厚）、
ｐ型上部第１クラッド層１７：ｐ−Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐ層（０．２μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０^１７ｃｍ^−３）、
ｐ型エッチングストップ層１８：ｐ− ＧａＡｓ層（１０ｎｍ厚、キャリア濃度７．０×１０^１７ｃｍ^−３）、
ｐ型上部第２クラッド層１９： ｐ−Ｉｎ_０．４９Ｇａ_０．５１Ｐ層（０．５μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０^１７ｃｍ^−３）、
ｎ型電流ブロック層２１：ｎ−Ｉｎ_０．４９（Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８)_０．５１Ｐ層（０．５μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３）、
ｐ型上部第３クラッド層２２：ｐ−Ｉｎ_０．４９（Ａｌ_０．１２Ｇａ_０．８８)_０．５１Ｐ層（１．３μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０^１７ｃｍ^−３）、
ｐ型コンタクト層２３：ｐ−ＧａＡｓ層（２．０μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０^１９ｃｍ^−３） 。

リッジ構造部２０を形成している各層、及びｐ型エッチングストップ層１８は、膜厚及び組成が、光の導波方向に段階的または連続的に変化していることを述べた。本実施形態では、図示されるように、半導体発光素子１は、光の導波方向の２領域においてリッジ構造部２０を形成している各層に異なる膜厚及び組成を有し（それぞれｅ領域、ｆ領域とする）、光出力側のｅ領域の方の膜厚が厚くなっている。ｅ領域とｆ領域との境界では、２両領域間において膜厚及び組成が、共に連続的に変化するように、膜厚、組成共に傾斜を有している。ｅ領域とｆ領域の射出光の導波方向の幅は特に制限なく、射出光の波長特性等に応じて適宜設計できる。

図１のＡ−Ａ’断面図、及びＢ−Ｂ’断面図を図２Ａ及び図２Ｂに示す。図２Ａと図２Ｂにおいて、リッジ構造部２０を構成する各層はいずれも図２Ａの方の膜厚が厚くなっており、リッジ構造部２０以外の層の膜厚は図２Ａと図２Ｂとで変化なく、平面内において略均一である。半導体結晶は、その膜厚と組成によってエネルギーバンドギャップＥｇが変化する。本実施形態では、光出力側にあるｅ領域の方が、ｆ領域に比してＥｇが小さくなるように、つまり、ｅ領域における発光波長の方が長波長となるように設計されている。

このように、半導体発光素子１内部において、ｅ領域とｆ領域とで発光（中心）波長の異なる光が発光されるので、半導体発光素子１からは、各領域で発光された光が混ざりあった、スペクトル半値幅の広い、広帯域光Ｌａが射出される。従って、半導体発光素子１によれば、ｅ領域とｆ領域の膜厚と組成を変化させて、ｅ領域及びｆ領域のエネルギーバンドギャップを調整することにより、所望の波長特性を有する広帯域光Ｌａを射出させることができる。

リッジ構造部２０の幅ｄは、リッジ構造２０を形成する各半導体層を結晶性の良好なものとするためには、８μm以上が好ましく、１０μm以上であることがより好ましい。また、幅ｄを広くしすぎると所望のエネルギーバンドギャップＥｇが得にくく、従って所望の波長変調ができなくなるので３０μm以下であることが好ましい。

このようなリッジ構造部２０を有する場合には、半導体発光素子１において、ｐ型上部第２クラッド層１９の層幅を２μm以上３μm以下とすることにより、広帯域光Ｌａをシングルモード光とすることができる。このようなｐ型上部第２クラッド層１９の層幅に位置するリッジ構造部２０は、結晶性が良好であるため、ビーム特性の良好な広帯域シングルモード光Ｌａとすることができる。リッジ構造部２０の結晶性については後記する。

以下に、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法を示す。
図３Ａ〜図３Ｆを参照して、上記本実施形態の半導体発光素子１の製造例について説明する。
本実施形態において、半導体発光素子１は、誘電体パターニングマスクを用いた選択成長技術により作製される。

はじめに、半導体基板１１を用意し、該基板の略全面にｎ型バッファ層１２とｎ型下部クラッド層１３とを順次成膜する。本実施形態において、各半導体層及び各種膜の成膜方法は特に制限なく、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、分子線エピタキシー法等が挙げられる。

次に、リッジ構造部２０に対応したパターンの選択成長用誘電体マスクＭをｎ型下部クラッド層１３上に形成する（図３Ａ）。まずＳｉＯ_２膜をｎ型下部クラッド層１３上略全面に成膜し、フォトリソグラフィーにより選択成長用誘電体マスクＭをパターニングする。

選択成長技術は、誘電体マスクＭによりマスクされていない領域にのみ半導体結晶を気相成長させる方法であり、混晶半導体結晶の場合はマスクの幅を変えることにより、混晶半導体結晶を構成する原子を含む各原料種の気相中の濃度勾配や表面マイグレーションによる実効的な移動距離が変わり、成長層厚及び組成を異ならせることができる。従って、選択成長技術によれば、射出される光の導波方向で膜厚及び組成の異なる２領域を有する半導体発光素子１を、領域毎に分けずに一括で作製することが可能である。

上記本実施形態の半導体発光素子１において、リッジ構造部２０の膜厚及び組成を、射出する光の導波方向で変化させて発光波長を変調することを可能としているので、リッジ構造部２０において所望の膜厚及び組成となるように誘電体マスクＭのパターン（マスク幅、マスク間幅等）を形成すればよい。

上記本実施形態の半導体発光素子１は、光の導波方向の２領域においてリッジ構造部２０を形成している各層に異なる膜厚及び組成を有し（ｅ領域、ｆ領域）、光出力側のｅ領域の方の膜厚が厚くなっている。ｅ領域とｆ領域との境界では、２両領域間において膜厚及び組成が、共に連続的に変化するように、膜厚、組成共に傾斜を有している。図３Ａに示される誘電体マスクＭのマスクパターンは、このような半導体発光素子１を構成する際に用いられるマスクパターン例である。

図３Ａにおいて、リッジ構造部２０は、誘電体マスクＭで挟まれた領域に形成されるので、誘電体マスクＭの目開き幅Ｄは、リッジ構造部２０の幅ｄと同じである。

選択成長技術において、表面マイグレーションにより原料種が移動することを述べたが、マスク近傍の２〜３μmの領域では側面からの表面マイグレーションによる影響により良好な結晶成長がしにくく、得られた結晶が劣化しやすいものとなり、発光特性の良好な半導体発光素子が得られなくなる。従って、目開き幅Ｄは、両側からのマイグレーションの影響及び、発光領域の幅を考慮した場合、８μm以上であることが好ましく、１０μm以上であることがより好ましい。また、目開き幅Ｄは、あまり広すぎると、目開き幅Ｄの方向に組成分布や膜厚分布が形成されやすくなり、素子特性が低下し、所望のエネルギーバンドギャップＥｇが得にくくなる。従って、所望の波長変調ができなくなるので３０μm以下であることが好ましい。上記したように、シングルモード光とする場合は、発光領域が２〜３μmであるので、目開き幅Ｄが上記範囲であれば、表面マイグレーションの影響が及ばない結晶性の良好な部分を発光領域とすることができる。

誘電体マスクＭの幅は、リッジ構造部２０の膜厚及び組成に応じて決定すればよく、膜厚を相対的に厚くしたい方を幅広にすればよい。図示されるように、本実施形態においては、光出力側のｅ領域において膜厚が厚くなるように、誘電体マスクＭの幅が広くなっている。

次に、選択成長によりリッジ構造部２０を形成する。誘電体マスクＭを載せた状態で、アンドープ下部光ガイド層１４、多重量子井戸活性層１５、アンドープ上部光ガイド層１６、ｐ型上部第1クラッド層１７を順次成膜してリッジ構造部２０を形成し、更にその上にエッチングストップ層１８を成膜する。これらの層は、図３Ａに示されるようなパターンの誘電体マスクＭにより選択成長されるので、図３Ｂに示されるように、射出する光の導波方向で変化させて膜厚が変化したリッジ構造部２０を形成する。膜厚の変化と同様に、各層の組成も導波方向で変化しているので、リッジ構造部２０における異なる膜厚の部分において発光波長が異なるようにすることができる。

次に、誘電体マスクＭを除去し（図３Ｃ）、その上にｐ型上部第２クラッド層１９を成膜する(図３Ｄ)。誘電体マスクＭが除去されているので、ｐ型上部第２クラッド層１９及び該層より後に成膜される層の膜厚は全領域において略均一である。

次に、ｐ型上部第１クラッド層１７と、その層幅より小さい層幅を有しかつｎ型電流ブロック層２１で埋め込まれたｐ型上部第２クラッド層１９とからなる電流狭窄部２４を形成する。

ｐ型上部第２クラッド層１９上に、該クラッド層１９が所望の層幅となるようにエッチングマスクを配して、ｐ型上部第２クラッド層１９にエッチングを施した後、エッチングストップ層１８を除去し（図３Ｅ）、ｐ型上部第２クラッド層１９が埋め込まれるようにｎ型電流ブロック層２１を成膜する。ｐ型上部第２クラッド層１９の層幅は、ｐ型上部第１クラッド層１７より小さければよく、シングルモード光を得るには、２μm以上３μm以下の範囲内が好ましい。

上記のように、本実施形態において、電流狭窄部２４は、活性層１５を含む光導波領域をエッチングすることなく、全領域において膜厚の略均一なｐ型第２クラッド層のみをエッチングし、それをｎ型電流ブロック層２１で埋め込むことにより形成される。そのため、オーバーエッチング等のエッチング不良による影響を導波路構造にほとんど与えることなく、電流狭窄構造を形成することができ、また、電流ブロック層２１の膜厚も、全領域において略均一とすることができる。そのため、オーバーエッチング等のエッチング不良により導波路構造の破損が起こりにくく、電流狭窄不良による素子特性劣化が起こりにくい。

特に、本実施形態の半導体発光素子１のように、射出される光の導波方向に膜厚の異なるリッジ構造部２０を有する広帯域な半導体発光素子等は、リッジ構造部２０を直接エッチング加工すると、膜厚差により、膜厚の薄い領域におけるオーバーエッチングが生じやすく、素子特性を大きく劣化させてしまう可能性が高い。上記のように、本実施形態によれば、光の導波方向に膜厚の異なるリッジ構造部２０をエッチングする必要がないため、良好な素子特性を有する、広帯域な半導体発光素子１を提供することができる。

かかる構成の電流狭窄部及びその製造方法は、本実施形態のように射出される光の導波方向に膜厚の異なるリッジ構造部を有するものだけではなく、光の導波方向の膜厚が略均一な半導体発光素子にも適用可能であり、同様にエッチング不良による導波路構造の破損が起こりにくく、電流狭窄不良による素子特性劣化を起こりにくくすることができる。例えば、半導体レーザ等の狭帯域な半導体発光素子にも適用できる。

最後に、ｐ型上部第２クラッド層上のエッチングマスクを除去し、次いでｐ型上部第３クラッド層２２、ｐ型コンタクト層２３を順次成膜し、更にその上にｐ型電極２５を、ｎ型半導体基板１１の下面にｎ型電極２６を形成して半導体発光素子１が完成する（図３Ｆ）。
以上のようにして、本実施形態の半導体発光素子１は製造される。

本実施形態の半導体発光素子１は、電流狭窄構造を、第２導電型上部第１クラッド層１７と、その層幅より小さい層幅を有しかつ第一導電型電流ブロック層２１で埋め込まれた第２導電型上部第２クラッド層１９とにより形成しているので、電流狭窄構造を作製する際に、エッチング加工は第２導電型上部第２クラッド層１９のみに行えばよく、活性層１５を含む光導波領域をエッチングする必要がない。そのため、オーバーエッチング等のエッチング不良により導波路構造の破損が起こりにくく、従って電流狭窄特性の劣化も生じにくい。

特に、エッチング不良が生じやすい、射出される光の導波方向に膜厚を異ならせた広帯域な半導体発光素子等においても、上記エッチング不良による素子特性への影響を大幅に低減化することができる。

従って、本発明によれば、導波路の構造不整が少なく、良好な電流狭窄構造を有し、ビーム特性の良好なＳＬＤやＳＯＡ等の半導体発光素子１を提供することができる。

また、前記リッジ構造部の幅を８μm以上３０μm以下とした場合には、結晶性を良好にすることができる。

上記設計例の膜厚及び組成で作製した本実施形態の半導体発光素子１は、後記する実施例において示すように、中心波長１．１０２μｍ、発光半値幅は１８６．３ｎｍとなり、出力は１９．６ｍＷの広帯域かつ高出力の低コヒーレンス光を射出することができるＳＬＤである。この発光波長帯は、背景技術の項で述べた内視鏡用ＯＣＴ装置の低コヒーレンス光源として好適な０．９０μm以上１．１５μm以下の範囲内であり、層構成を適切に設計することにより、ある範囲で波長変調も可能である。従って、本実施形態の半導体発光素子１は、広帯域かつ、高出力な、内視鏡用ＯＣＴ装置の低コヒーレンス光源として好ましく利用することができる。

上記ＳＬＤにおいて発光波長帯は、活性層の組成や層構成等により調整可能であるので、本実施形態によれば、上記発光波長帯に限らず広帯域かつ、高出力なＳＬＤを提供することができる。

また、本実施形態の半導体発光素子１は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）として用いることができる。

（設計変更例）
本実施形態の半導体発光素子１は上記構成に限らず、適宜設計変更可能である。
上記実施形態では、半導体発光素子１は、埋め込み型リッジストライプ構造としたが、内部ストライプ構造等、他の構造としてもよい。

上記実施形態では、光導波路が素子端面の法線方向と略同一の方向に延びる導波路構造としたが、光導波路の少なくとも一部が素子端面の法線方向に対して斜めに延びる、斜め導波路構造としても良い。

上記実施形態では、選択成長技術によりリッジ構造部２０を作製したが、作製方法は制限されない。

また、上記実施形態では、射出する光の導波方向の２領域において発光波長が異なる構成としたが、領域数は制限されず、射出する光の波長特性に応じて適宜設計可能である。

更に、本実施形態の半導体発光素子１は、同一の基板上に、射出する光の導波方向に、異なる波長を発光する複数の連続した領域を設けた構成としているので、単一の半導体基板上に、異種機能の複数の光素子を集積した半導体光集積素子への応用も可能である。

「光断層画像化装置」
図面を参照して、上記実施形態の半導体発光素子１を備えた光断層画像化装置について説明する。図４は、本実施形態の光断層画像化装置の概略構成図である。

図４に示す光断層画像化装置２００は、測定対象の断層画像を前述のＴＤ−ＯＣＴ（Time Domain Optical Coherence Tomography）計測により取得するものであって、レーザ光Ｌａを射出する光源５０および集光レンズ５１からなる光源ユニット（光源部）２１０と、光源ユニット２１０から射出されて光ファイバＦＢ１を伝搬するレーザ光Ｌａを分割する光分割手段２と、ここを通過したレーザ光Ｌａを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、光分割手段３により分割されて光ファイバＦＢ３を伝搬した参照光Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段２２０と、光分割手段３により分割されて光ファイバＦＢ２を伝搬した測定光Ｌ１を測定対象Ｓに照射する光プローブ２３０と、該光プローブ２３０から測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたときの測定対象からの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４（光分割手段３が兼ねている）と、合波手段４により合波されて反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段２４０とを備えている。

光源５０は、中心波長（λｃ）１．１μｍ、スペクトル半値全幅７５ｎｍの低コヒーレント光Ｌａを射出するＳＬＤであり、光源ユニット２１０は、光源５０と、該光源５０から射出された光を光ファイバＦＢ１内に入射させるための光学系５１とを有している。この光源５０が、上記実施形態の半導体発光素子１である。

上記光路長調整手段２２０は、光ファイバＦＢ３から出射した参照光Ｌ２を平行光化するコリメータレンズ６１と、このコリメータレンズ６１との距離を変えるように図中矢印Ａ方向に移動可能とされたミラー６３と、このミラー６３を移動させるミラー移動手段６４とから構成されて、測定対象Ｓ内の測定位置を深さ方向に変化させるために、参照光Ｌ２の光路長を変える機能を有している。光路長調整手段２２０により光路長の変更がなされた参照光Ｌ２が合波手段４に導波されるようになっている。

光プローブ２３０は、先端が閉じられた円筒状のプローブ外筒５５と、このプローブ外筒５５の内部空間に、該外筒５５の軸方向に延びる状態に配設された１本の光ファイバ５３と、光ファイバ５３の先端から出射した光Ｌをプローブ外筒５５の周方向に偏向させるプリズムミラー５７と、光ファイバ５３の先端から出射した光Ｌを、プローブ外筒５５の周外方に配された被走査体としての測定対象Ｓにおいて収束するように集光するロッドレンズ５８と、プリズムミラー５７を光ファイバ５３の軸を回転軸として回転させるモータ５４とを備えている。

光分割手段３は、例えば２×２の光ファイバカプラから構成されており、光源ユニット２１０から光ファイバＦＢ１を介して導波した光Ｌaを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する。この光分割手段３は、２本の光ファイバＦＢ２、ＦＢ３にそれぞれ光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２を導波し、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３を導波する。なお、本例におけるこの光分割手段３は、合波手段４としても機能するものである。

光ファイバＦＢ２には、光プローブ２３０が光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２から光プローブ２３０へ導波する。光プローブ２３０は、例えば鉗子口から鉗子チャンネルを介して体腔内に挿入されるものであって、光学コネクタ３１により光ファイバＦＢ２に対して着脱可能に取り付けられている。

また合波手段４は、前述の通り２×２の光ファイバカプラからなり、光路長調整手段２３０により周波数シフトおよび光路長の変更が施された参照光Ｌ２と、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３とを合波し、光ファイバＦＢ４を介して干渉光検出手段２４０側に射出するように構成されている。

干渉光検出手段２４０は、干渉光Ｌ４の光強度を検出するものであり、干渉光Ｌ４の光強度を測定する光検出器４０ａおよび４０ｂと、光検出器４０ａの検出値と光検出器４０ｂの検出値の入力バランスを調整してバランス検波を行う演算部４１とを備えている。具体的には、測定光Ｌ１の全光路長と測定対象Sのある点で反射、もしくは後方散乱された反射光Ｌ３の合計と、参照光Ｌ２の光路長差が光源のコヒーレンス長よりも短い場合にのみ、反射光量に比例した振幅の干渉信号が検出される。光路長調整手段２２０により光路長を走査することで、干渉信号が得られる測定対象Ｓの反射点位置（深さ）が変わって行き、干渉光検出手段２４０は測定対象Ｓの各測定位置における反射率信号を検出するようになっている。なお、測定位置の情報は光路長調整手段２２０から画像取得手段２５０へ出力されるようになっている。このミラー移動手段６４における測定位置の情報と干渉光検出手段２４０により検出された信号とに基づいて、画像取得手段２５０により測定対象Ｓの深さ方向の反射光強度分布情報が得られる。

以下、上記構成を有する光断層画像化装置１の作用について説明する。断層画像を取得する際には、まずミラー６３を矢印Ａ方向に移動させることにより、測定可能領域内に測定対象Ｓが位置するように光路長の調整が行われる。その後、光源ユニット２１０から光Ｌａが射出され、この光Ｌａは光分割手段３により測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。測定光Ｌ１は光プローブ２３０から体腔内に向けて射出され、測定対象Ｓに照射される。

そして、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３は、において、反射ミラー６２において反射した参照光Ｌ２と合波され、干渉光Ｌ４が発生する。

干渉光Ｌ４は、光分割手段３（合波手段４）で分割され、一方は光検出器４０ａに入力され、他方は光検出器４０ａに入力される。

干渉光検出手段２４０では、光検出器４０ａの検出値と光検出器４０ｂの検出値の入力バランスを調整してバランス検波を行って、干渉光Ｌ４の光強度を検出し、画像取得手段２５０へ出力する。

この検出された干渉光Ｌ４の光強度に基いて、画像取得手段２５０において測定対象Ｓの所定の深さにおける反射光強度情報が得られる。次に光路長調整手段３３０により、参照光Ｌ２の光路長を変更し、同様に干渉光Ｌ４の光強度を検出し、異なる所定の深さにおける反射光強度情報を取得する。このような動作を繰り返すことにより、測定対象Ｓの深さ方向（１次元）の反射光強度情報を取得することができる。

そして、光プローブ２３０のモータ５４により、プリズムミラー５７を回転させることにより、測定光Ｌ１を測定対象Ｓ上で走査させれば、この走査方向に沿った各部分において測定対象Ｓの深さ方向の情報が得られるので、この走査方向を含む断層面についての断層画像を取得することができる。このようにして取得された断層画像は、表示装置２６０に表示される。なお、例えば光プローブ２３０を図９の左右方向に移動させて、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向に対して直交する第２の方向に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像をさらに取得することも可能である。

このようにして取得された断層画像は、表示装置２６０に表示される。なお、例えば光プローブ２３０を図９の左右方向に移動させて、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向に対して直交する第２の方向に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像をさらに取得することも可能である。
本実施形態の光断層画像化装置２００は、以上のように構成されている。

背景技術の項で述べたように、光断層画像化装置の性能は、光源の広帯域性に大きく依存する。本実施形態の光断層画像化装置２００は、広帯域かつ、高出力な上記本実施形態の半導体発光素子（ＳＬＤ）１を用いて構成されたものであるので、鮮明かつ高精細な断層画像を取得することができる。

（設計変更）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更可能である。上記実施形態では、ＴＤ−ＯＣＴ計測により画像を取得する光断層画像化装置を例に記載したが、その他の光断層画像化装置にも適用可能である。

本発明に係る実施例について説明する。

下記の手順にて、上記実施形態の半導体発光素子（ＳＬＤ）１を製造した。半導体基板１１と各層の組成及び厚みは実施形態に挙げた設計例のとおりとした。

結晶成長は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により実施した。結晶成長は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により実施した。原料ガスとしては、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）／ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）／ＴＭＩ（トリメチルインジウム）／ＡｓＨ_３（アルシン）／ＰＨ_３（ホスフィン）を用いた。ｎ型ド−パント源としてはＳｉＨ_４（モノシラン）、ｐ型ド−パント源としてはＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を用いた。

はじめに、成長温度６００〜７００℃、圧力１０．１ｋＰａの条件下、ｎ型半導体基板１１上に、ｎ型バッファ層１２とｎ型下部第1クラッド層１３とを順次結晶成長させ（第１回目の結晶成長）、選択成長用ＳｉＯ_２膜を製膜し、フォトリソグラフィーを用いてパターニングして、誘電体マスクＭを形成した（図３Ａ）。

次いで、誘電体マスクＭを選択成長マスクとして、アンドープ下部光ガイド層１４、ＩｎＧａＡｓ歪量子井戸活性層１５、アンドープ上部光ガイド層１６、ｐ型上部第一クラッド層１７を選択成長してリッジ構造部２０を形成し、更にその上にp型エッチングストップ層１８を選択成長し（第２回目の結晶成長）（図３Ｂ）、選択成長用誘電体マスクＭを除去した後（図３Ｃ）、ｐ型上部第二クラッド層１９を第３回目の成長にて製膜した（図３Ｄ）。

次いで、エッチング用ＳｉＯ_２膜を成膜し、エッチングによりｐ型上部第２クラッド層１９が２μｍの層幅となるように、エッチング用ＳｉＯ_２膜をパターニングした。そしてエッチングにより層幅２μmのストライプ状のｐ型上部第２クラッド層１９を形成した（図３Ｅ）。

次いで表面に露出しているエッチングストップ層１８を除去し、ｐ型上部第２クラッド層１９が埋め込まれるように、ｎ型電流ブロック層２１を成膜した（第４回目の結晶成長）。その後、ストライプ上のＳｉＯ₂マスクを除去して、ｐ型上部第３クラッド層２２、ｐ型コンタクト層２３を成膜し、ｐ型電極２５及びｎ型電極２９を蒸着及び熱処理により形成した（図３Ｆ）。

以上のように作製した本実施形態の半導体発光素子（ＳＬＤ）１と、従来の、選択成長層をエッチングしてリッジ形成を行ったＳＬＤのスペクトル形状と出力の比較を示した。デバイスの導波路の長さは１．５ｍｍ、リッジ幅は３μｍ、測定電流は２００ｍＡであった。従来のＳＬＤでは短波側のピークが低く、スペクトル形状が非対称形状をしていて、波長１．１０２μｍ、半値幅５５ｎｍであった。出力は１．２ｍＷと低く、ＯＣＴ装置用の光源としては使用できない性能であった。それに比較し、本発明のＳＬＤのピークはガウシアン形状に近くなり、波長１．１０２μｍ、発光半値幅は１８６．３ｎｍとなり、出力は１９．６ｍＷとＯＣＴの光源として十分な性能を得ることができた。

本発明の半導体発光素子は、ＯＣＴ装置等の光画像断層化装置用の低コヒーレンス光源等に特に好ましく利用することができる。本発明の半導体発光素子は、光画像断層化装置用の光源以外にも、通信、計測、医療、印刷、画像処理等の分野において、種々の用途の光源として好ましく利用することができる。

本発明に係る実施形態の半導体発光素子の斜視図 図１におけるＡ−Ａ’断面図 図１におけるＢ−Ｂ’断面図。 図１の半導体発光素子の製造工程を示す図 図１の半導体発光素子の製造工程を示す図 図１の半導体発光素子の製造工程を示す図 図１の半導体発光素子の製造工程を示す図 図１の半導体発光素子の製造工程を示す図 図１の半導体発光素子の製造工程を示す図 本発明に係る実施形態の光断層画像化装置を示す概略構成図

符号の説明

１ 半導体発光素子（ＳＬＤ）
１１ 第1導電型（ｎ型）半導体基板
１３ 第1導電型（ｎ型）下部クラッド層
１５ 半導体活性層
１５ａ 半導体活性層の特定領域
１７ 第２導電型（ｐ型）上部第1クラッド層
１９ 第２導電型（ｐ型）上部第２クラッド層
２０ リッジ構造部
２１ 電流ブロック層
２３ 第２導電型コンタクト層
２４ 電流狭窄部
２５ 第２導電型（ｐ型）電極
２６ 第1導電型（ｎ型）電極
２００光断層画像化装置
２１０ 光源ユニット（光源部）
２，３ 分割手段
２３０ 照射プローブ（照射光学系）
４ 合波手段
２５０ 画像取得手段
Ｓ 測定対象
Ｌａ 低コヒーレンス光（広帯域光）
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ 干渉光
ｄ リッジ構造部の幅

Claims (7)

1. 第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第一導電型の下部クラッド層と、半導体活性層と、前記半導体活性層の特定領域に電流を注入するための電流狭窄部と、第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前記半導体活性層の下方に第１導電型電極を有する半導体発光素子において、
   前記半導体活性層は、前記半導体発光素子から射出される光の導波方向に段階的または連続的に組成及び膜厚が変化しており、
   前記電流狭窄部は、前記半導体活性層側から上方に、第２導電型上部第１クラッド層と、前記上部第１クラッド層の層幅より小さい層幅を有しかつ第一導電型電流ブロック層で埋め込まれた第２導電型上部第２クラッド層とを順次有することを特徴とする半導体発光素子。
2. 少なくとも、前記半導体活性層と、前記上部第1クラッド層とが、リッジ構造部を構成していることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記リッジ構造部の幅が８μm以上３０μm以下であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記上部第２クラッド層の層幅が２μm以上３μm以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子。
5. 発光波長が０．９５μｍ以上１．１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体発光素子。
6. スーパールミネッセントダイオード又は半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体発光素子。
7. 低コヒーレンス光を出射する光源部と、
   前記低コヒーレンス光を測定光と参照光に分割する分割手段と
   前記測定光を測定対象に照射する照射光学系と、
   前記参照光または前記測定光が照射されたときの外測定対象からの反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、
   合波された前記反射光と前記参照光の干渉光の光強度に基づいて、前記参照光の光路長と前記測定光及び反射光の合計の光路長とが略一致する、前記測定対象の複数の深さの位置における反射光の強度を検出し、これらの深さ位置における強度に基づいて測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えた光断層画像化装置において、
   前記光源部が、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体発光素子を前記低コヒーレンス光の光源として含むことを特徴とする光断層画像化装置。