(57)【要約】【課題】０．９０μm以上かつ１．１５μm以下の中心波長帯の低コヒーレンス光を射出する半導体発光素子において、選択成長用マスクを除去せずに、広帯域な量子井戸層の形成と結晶品質の高い上部クラッド層の形成とを両立する。【解決手段】０．９０μm以上かつ１．１５μm以下の中心波長帯の低コヒーレンス光を射出し、かつＧａＡｓ基板１１およびＩｎＧａＡｓ量子井戸層１５を有する半導体発光素子１において、選択成長を用いＩｎＧａＡｓ量子井戸層１５の形成を６００℃以下の成長温度下で行い、選択成長用マスクを除去せずにＩｎＧａＰ上部クラッド層１７の形成を６００℃以上の成長温度下で行う。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電型ＧａＡｓ基板の上に形成された下部クラッド層の上に、幅が段階的または連続的に変化する選択成長用マスクを形成して選択領域を形成する第１の工程と、
前記選択領域の上にＩｎＧａＡｓから構成される量子井戸層を少なくとも１層形成する第２の工程と、
前記量子井戸層の上にＩｎＧａＰから構成される上部クラッド層を形成する第３の工程とを、少なくともこの順に含む半導体発光素子の製造方法において、
前記第２の工程を６００℃未満の成長温度の下で行い、前記選択成長用マスクを除去せずに前記第３の工程を６００℃以上の成長温度の下で行い、少なくとも前記第２の工程から前記第３の工程までを大気に暴露することなく行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第２の工程における成長温度が５００℃〜６００℃未満の範囲であり、前記第３の工程における成長温度が６００℃〜７５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体発光素子の製造方法により製造されたことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
スーパールミネッセントダイオードであることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
半導体光増幅器であることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
光出射面が共振器軸に対し傾いている斜面導波路構造を有することを特徴とする請求項３から５いずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項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と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前記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と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および前記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３から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ものであることを特徴とする光断層画像化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子、その製造方法およびそれを用いた光断層画像化装置に関するものであり、より詳細には選択成長を利用した半導体発光素子、その製造方法およびそれを用いた光断層画像化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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）装置が実用化されている（特許文献１）。
【０００３】
ＯＣＴ装置の光源波長としては、主に０.８μｍ帯が用いられている。これは生体における吸収特性を主に考慮した結果、選択された波長である。しかし近年、後方散乱反射光を検出するＯＣＴ装置では、散乱特性も計測深度を律束することが明らかにされた。そこで最近は、吸収損失と散乱損失の和で表される生体組織内における光の全損失を最小とするため、光源波長として１.３μｍ帯が注目を集めている。これは、生体組織内で主として生じているレーリー散乱の散乱強度が、波長の４乗に逆比例することを考慮した結果である。このため、眼科用のＯＣＴ装置が実用化された後、内視鏡用のＯＣＴ装置においては、１.３μｍ帯の光を用いた研究開発が進められている。
【０００４】
しかしながら、内視鏡へＯＣＴ装置を応用する場合には、被測定部の多くは水分を多く含む物質に覆われていることを考慮しなければならない。例えば、胃壁は胃液や胃粘膜に覆われており、大腸壁は粘液や腸粘膜に覆われている。また、膀胱壁は尿あるいは測定のために用いる生理食塩水等に覆われている。したがって、上記のような水分を多く含む物質に覆われている被測定部においては、１.３μｍ帯の光が水による吸収の影響を受けやすいため、所望の計測深度までの断層画像が取得できない、あるいは取得した断層画像の信頼度が低下するといった問題が生じることになる。
【０００５】
そこで、本出願人は特許文献２にて、水分を多く含む物質に覆われた被測定部の断層画像を取得する場合には、生体組織の光吸収特性、散乱特性及び分散特性を考慮して、ＯＣＴ装置用の低コヒーレンス光は、中心波長帯が０．９０μm以上かつ１．１５μm以下であるものが最適であることを明らかにした。
【０００６】
一方、断層画像の光軸方向の分解能は光源のコヒーレンス長により決まり、よりコヒーレンス長が短くなることによりその分解能が向上する。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を用いて次式で表されるため、ＯＣＴ装置用の光源はより広帯域であることが好ましいといえる。  
Δｚ＝２ｌｎ２・λｃ２／（π・Δλ）
【０００７】
したがって、低コヒーレンス光源を構成する半導体発光素子の候補としては、低コストでかつ発光スペクトルがガウス形状に近いスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）が有望である。発光スペクトルが広帯域な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する手法がある。
【０００８】
具体的には、選択成長を利用して、量子井戸の膜厚および組成を射出する光の導波方向に沿って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方法である。この手法は、ＳｉＯ２などで形成される幅の異なる２つの選択成長用マスクを間隔を開けて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・組成がマスクの幅に依存して変化する現象を利用している。したがって、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沿って変化させることができる。
【特許文献１】特開平１１−３２５８４９号公報
【特許文献２】特開２００７−１８４５５７号公報
【特許文献３】特開２００６−２６７０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、この手法を用いると発光スペクトルが広帯域な半導体発光素子を得ることが可能であるが、０．９０μm以上かつ１．１５μm以下の中心波長帯の低コヒーレンス光を射出する半導体発光素子を製造する上で、次の問題がある。
【００１０】
この波長帯域で、ＧａＡｓ基板およびＩｎＧａＡｓ量子井戸層を用いる場合には、クラッド層に使用できる材料はバンドギャップの関係上ＡｌＧａＡｓなどのＡｌを含む系か、もしくはＩｎＧａＰとなる。
【００１１】
しかしながら、前者のＡｌを含む材料系では、選択成長マスクへの吸着が強力すぎて、マスク上でポリ結晶を生成してしまい、光出力特性に悪影響を及ぼすので使用には不適である。
【００１２】
一方、後者のＩｎｘＧａ1-ｘＰ は、ＧａＡｓ基板にＸ＝０．５でしか格子整合しない。そのため、選択成長で発光スペクトルの広帯域化を試みる場合、ＩｎとＧａの組成に強い変調をかけてＩｎＧａＡｓ量子井戸層を形成した後、同じ条件でＩｎＧａＰ上部クラッド層を形成すると、この上部クラッド層にも同様の組成変調が生じてＧａＡｓ基板に対して格子不整合となってしまう。この結果、この格子不整合の上部クラッド層から結晶劣化が生じて、半導体発光素子の耐久性および信頼性が低下してしまう。なお、選択成長用マスクを除去してから（つまり、選択成長を用いずに）上部クラッド層を形成する方法を用いれば、格子不整合の問題は生じない。しかしながら、一連の層形成工程を不適切な場所で停止せざるを得ない点、活性層の大部分を外気に暴露せざるを得ない点等を考慮すれば、この方法は到底用いることができないのは明らかである。
【００１３】
つまり、０．９０μm以上かつ１．１５μm以下の中心波長帯の低コヒーレンス光を射出し、かつ選択成長を利用した半導体発光素子において、選択成長用マスクを除去せずに、発光スペクトルが広帯域な量子井戸層の形成と結晶品質の高い上部クラッド層の形成とを両立することは非常に困難であった。例えば、本出願人による特許文献３に示すように、選択成長でＩｎＧａＰ上部クラッドを形成した場合では、発光効率などの特性に問題がある。
【００１４】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、０．９０μm以上かつ１．１５μm以下の中心波長帯の低コヒーレンス光を射出し、かつ選択成長を利用した半導体発光素子において、より高い耐久性および信頼性を有する半導体発光素子およびその製造方法の提供、さらには本発明による半導体発光素子を用いたより高性能な光断層画像化装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために本出願人は、選択成長における成長温度によってＩｎとＧａの組成変調を制御できることに注目し、本発明に至った。
【００１６】
すなわち、本発明による半導体発光素子の製造方法は、
導電型ＧａＡｓ基板の上に形成された下部クラッド層の上に、幅が段階的または連続的に変化する選択成長用マスクを形成して選択領域を形成する第１の工程と、
選択領域の上にＩｎＧａＡｓから構成される量子井戸層を少なくとも１層形成する第２の工程と、
量子井戸層の上にＩｎＧａＰから構成される上部クラッド層を形成する第３の工程とを、少なくともこの順に含む半導体発光素子の製造方法において、
第２の工程を６００℃未満の成長温度の下で行い、選択成長用マスクを除去せずに第３の工程を６００℃以上の成長温度の下で行い、少なくとも第２の工程から第３の工程までを大気に暴露することなく行うことを特徴とするものである。
【００１７】
ここで、「幅が段階的または連続的に変化する選択成長用マスク」とは、選択成長に用いられるマスクであって、射出する光の導波方向に対して垂直な方向のマスクの長さが、段階的または連続的に上記導波方向に沿って変化するものを意味するものとする。
【００１８】
そして、「選択成長用マスクを除去せずに」第３の工程を行うとは、第３の工程の前に少なくとも選択成長用マスクを除去するためのみの工程を行うことなく、第３の工程を行うことを意味するものとする。
【００１９】
また、「大気に暴露することなく行う」とは、製造途中の半導体発光素子を薄膜成長装置から大気中に出すこと、または製造途中の半導体発光素子が存在する薄膜成長装置を大気で満たすことなく行うことを意味するものとする。この場合、真空の経路または不活性ガスで満たされた経路を介しての装置間等の移動を含むものとする。
【００２０】
そして、本発明による半導体発光素子の製造方法において、第２の工程における成長温度は５００℃〜６００℃未満の範囲であり、第３の工程における成長温度は６００℃〜７５０℃の範囲であることが好ましい。
【００２１】
さらに、本発明による半導体発光素子は、上記の半導体発光素子の製造方法により製造されたことを特徴とするものであり、スーパールミネッセントダイオードまたは半導体光増幅器であることが好ましい。
【００２２】
また、光出射面が共振器軸に対し傾いている斜面導波路構造を有することが好ましい。
【００２３】
さらに、本発明による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、
低コヒーレンス光を測定光と参照光とに分割する分割手段と
測定光を測定対象に照射する照射光学系と、
参照光または測定光が照射されたときの測定対象からの反射光と、参照光とを合波する合波手段と、
合波された反射光と参照光との干渉光の光強度に基づいて、参照光の光路長と測定光および反射光の合計の光路長とが略一致する、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、
光源部が、上記に記載の半導体発光素子を低コヒーレンス光の光源として含むものであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明による半導体発光素子は、０．９０μm以上かつ１．１５μm以下の中心波長帯の低コヒーレンス光を射出し、かつＧａＡｓ基板およびＩｎＧａＡｓ量子井戸層を有する半導体発光素子において、選択成長を用いて、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層の形成を６００℃以下の成長温度下で行い、選択成長用マスクを除去せずにＩｎＧａＰ上部クラッド層の形成を６００℃以上の成長温度下で行っている。これにより、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層中のＩｎとＧａは組成変調させ、ＩｎＧａＰ上部クラッド層中のＩｎとＧａは組成変調させないように制御することができる。この結果、発光スペクトルが広帯域な量子井戸層の形成と結晶品質の高い上部クラッド層の形成を両立することができるため、半導体発光素子の耐久性および信頼性を向上させることが可能となり、さらには本発明による半導体発光素子を用いることにより、光断層画像化装置の性能も向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明における最良の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
【００２６】
「半導体発光素子およびその製造方法」
まず、成長温度によるＩｎおよびＧａの組成変調の制御について説明する。  
図１は、成長温度５５０℃、５８５℃、６００℃および６３５℃におけるＩｎＧａＡｓの組成変調と選択成長マスクの幅との関係を示すグラフである。これにより、選択成長による組成変調は、成長温度により効果が変化することが判明した。つまり、成長温度５５０℃および５８５℃の下で選択成長を行うと、選択成長マスク幅に依存して組成変調および膜厚変調が生じる。しかしながら、成長温度６００℃および６３５℃の下で選択成長を行うと、ＩｎとＧａの拡散長が略一致し組成比が変化しないため、この温度領域での波長変調は膜厚変調のみの効果にて生じることがわかる。
【００２７】
また図２は、ＩｎＧａＰにおける図１と同様の関係を示すグラフである。これより、ＩｎＧａＰにおいても成長温度を制御することによりＩｎＧａＡｓと同様な効果が生じていることがわかる。
【００２８】
なお、組成量はオージェ電子分光にて行い、ＩｎＧａＡｓ層およびＩｎＧａＰ層の厚さは臨界膜厚以下で評価するため２００Åで行った。
【００２９】
これらから、６００℃付近を境にＩｎとＧａの拡散長に変化が生じ、組成変調の効果に違いが表れることがわかる。さらに、ＩｎとＧａをIII族系に有するIII−Ｖ族半導体化合物において、この境となる成長温度がＶ族系の種類によらないことを示している。したがって、選択成長におけるこの現象を利用することによって、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層は成長温度６００℃未満の下で形成して組成変調の効果を強め、ＩｎＧａＰ上部クラッド層は６００℃以上の下で形成することで組成変調をさせないといった制御が可能となる。
【００３０】
そのときの成長温度プロファイルの例を図３に示す。この場合では、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層を成長温度５８０℃で形成し、その後成長温度を６５０℃まで上昇させ、ＩｎＧａＰ上部クラッド層を成長温度６５０℃で形成している。この方法を用いることにより、０．９０μm以上かつ１．１５μm以下の中心波長帯の低コヒーレンス光を射出する半導体発光素子の製造において、発光スペクトルが広帯域な量子井戸層の形成と結晶品質の高い上部クラッド層の形成とを両立することが可能となる。
【００３１】
次に、第１の実施形態による半導体発光素子およびその製造方法について説明する。  
図４〜７は、本実施形態による半導体発光素子の製造工程を示す概略斜視図であり、図７は、この工程によって製造される本実施形態による半導体発光素子１の概略斜視図である。図７に示す本実施形態による半導体発光素子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、本実施形態による半導体発光素子１の層構成について説明する。
【００３２】
半導体発光素子１は、ｎ型（第１導電型）ＧａＡｓ基板１１の図示上面に、基板側からｎ型ＧａＡｓバッファ層１２とｎ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部クラッド層１３とが順次積層されている。そして、下部クラッド層１３上には、アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層１４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１５、アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層１６およびｐ型（第２導電型）Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層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。このリッジ構造部２０のリッジ幅ｄは５μｍである。また、リッジ構造部２０上には、リッジ構造部２０の両脇端面を除いて上面にｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８が形成されている。そして、下部クラッド層１３およびリッジ構造部２０を覆うように、コンタクト層１８上の一部を除いて（電流狭窄部２３）ＳｉＯ２電流狭窄層１９が形成されている。さらに、電流狭窄部２３を埋めるように電流狭窄層１９上にはｐ型電極２５が、基板１１の下面にはｎ型電極２６が形成されている。
【００３３】
量子井戸活性層１５は、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層と障壁層（例えば、ＧａＡｓ等）との交互積層構造を有するものである。この場合には、量子井戸活性層１５は、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層が一層の単一量子井戸構造であっても、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層が二層以上の多重量子井戸構造であってもよい。
【００３４】
また本実施形態において、リッジ構造部２０を形成する各層のうち、量子井戸活性層１５中のＩｎＧａＡｓ量子井戸層は組成および膜厚を、それ以外の層は膜厚を、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いる。これにより、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層は段階的または連続的に変化した圧縮性歪を有し、それ以外の層は格子整合する構成としている。なお、半導体発光素子１の層組成および各層の膜厚は、射出する光の波長特性に応じて適宜設計できる。さらに、リッジ構造部２０は、光の導波方向に並んだ２つの領域（それぞれｅ領域、ｆ領域とする）によって形成されており（図７）、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つの領域間において、組成および膜厚が共に連続的に変化するように、組成および膜厚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。
【００３５】
そして以下に、本実施形態による半導体発光素子１の製造方法を示す。  
図４〜図７を参照して、上記本実施形態による半導体発光素子１の製造方法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、パターニングした選択成長用マスクを用いて選択成長により作製される。
【００３６】
はじめに、ｎ型（第１導電型）ＧａＡｓ基板１１を用意し、基板１１の略全面にｎ型ＧａＡｓバッファ層１２とｎ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部クラッド層１３とを順次形成する。次に、リッジ構造部２０に対応したパターンのＳｉＯ２選択成長用マスクＭをｎ型下部クラッド層１３上に形成し（図４）、フォトリソグラフィーにより選択成長用マスクＭをパターニングする。その後、選択成長用マスクＭを形成した状態で、アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層１４、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１５、アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層１６を５８０℃の成長温度の下で順次形成して、成長中断を行って成長温度を６５０℃まで上昇させる（図３）。そして、ｐ型（第２導電型）Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層１７およびｐ型ＧａＡｓコンタクト層１８を順次形成して（図５）、選択成長用マスクＭを除去して微小なポリ結晶を除去した後（図６）、リソグラフィー工程とエッチングによりリッジ構造部２０の上部のみの部分を残してコンタクト層１８を除去する。そして、ＳｉＯ２電流狭窄層１９を形成し、リッジ構造部２０の上部にあたる部分に２μｍ程度の幅の窓開けストライプをリソグラフィー工程により形成し、さらにその上にｐ型電極２５を、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７）。なお、下部光ガイド層１４の形成からコンタクト層１８の形成までの工程を、大気に暴露することなく１つの薄膜成長装置で一貫して行っている。
【００３７】
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。
【００３８】
リッジ構造部２０は、図４に示されるようなパターンの選択成長用マスクＭにより選択成長されるので、上述したように各層の組成および膜厚が、射出される光の導波方向に段階的または連続的に変化した構造となる。
【００３９】
第２の工程は、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１５を形成する工程に含まれている。量子井戸活性層１５は、単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有することを先に述べた。このとき、少なくとも一層のＩｎＧａＡｓ量子井戸層が６００℃未満の成長温度の下で組成変調を生じさせるように形成されていればよい。組成変調を有するＩｎＧａＡｓ量子井戸層が少なくとも一層あれば、半導体発光素子における発光スペクトルの広帯域化が可能となるためである。なお、量子井戸活性層１５が多重量子井戸構造を有する場合には、半導体発光素子の発光特性の観点から、すべてのＩｎＧａＡｓ量子井戸層が６００℃未満の成長温度の下で組成変調を生じさせるように形成されることがより好ましい。
【００４０】
そして、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層１７を６５０℃の成長温度の下で形成する第３の工程により、選択成長用マスクＭを除去せずとも上部クラッド層１７の組成変調を生じさせないようにしている。
【００４１】
また、第２の工程における成長温度は５００℃〜６００℃未満の範囲であり、第３の工程における成長温度は６００℃〜７５０℃の範囲であることが好ましい。ここで、第２の工程における成長温度の下限を５００℃としたのは、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層の結晶品質が劣化するためであり、第３の工程における成長温度の上限を７５０℃としたのは、これ以上の熱履歴をＩｎＧａＡｓ量子井戸層に加えると同様に結晶品質が劣化するためである。
【００４２】
なお、本実施形態では成長温度を上昇させる際に成長中断を行ったが、必ずしも成長中断は必要としない。例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１５の形成において、最後の障壁層を形成しながら温度上昇させる方法を用いてもよい。このようにすれば、成長中断による最上層からの材料の再蒸発を防ぎ、一連の層形成を連続して行うことが可能となる。例えばＧａＡｓ障壁層であれば、層を形成中に成長温度を変化させても組成変調等の影響がないためにこのような方法を用いることができる。
【００４３】
さらに、本発明では少なくとも第２の工程から第３の工程までを大気に暴露することなく行う。しかしながら本実施形態のような場合には、上記のように下部光ガイド層１４の形成からコンタクト層１８の形成までの工程を、大気に暴露することなく行うことが好ましく、１つの薄膜成長装置で一貫して行うことがより望ましい。より一般的に換言すれば、選択成長用マスクＭを形成してから除去するまでの間の薄膜形成を１つの薄膜成長装置で大気に暴露することなく行うことがより望ましい。このようにすることで、大気の暴露によるパーティクル汚染を防げるので、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層１５に近接した構造の品質劣化を防止する効果がある。
【００４４】
選択成長の技術は、選択成長用マスク（ＳｉＯ２等の誘電体）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る。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、組成および膜厚に勾配を持たせることができる。したがって、射出される光の導波方向で組成および膜厚の異なる２領域を有する半導体発光素子１を、選択成長により領域毎に分けずに一括で作製することが可能である。なお、リッジ構造部２０の組成および膜厚の変調制御は、所望の組成および膜厚となるようにマスクのパターン（マスク幅、マスク間幅等）を変えることにより行うことができる。図４に示される選択成長用マスクＭのパターンは、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パターンの一例である。
【００４５】
選択成長用マスク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、選択成長用マスクＭの幅が広くなっている。
【００４６】
以下、本実施形態における作用を示す。  
本発明による半導体発光素子１は、０．９０μm以上かつ１．１５μm以下の中心波長帯の低コヒーレンス光を射出し、かつＧａＡｓ基板およびＩｎＧａＡｓ量子井戸層を有し、選択成長を用いて、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層の形成を５８０℃の成長温度の下で行い、選択成長用マスクを除去せずにＩｎＧａＰ上部クラッド層の形成を６５０℃の成長温度の下で行っている。
【００４７】
これにより、選択成長用マスクＭを残したまま、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層中のＩｎとＧａは組成変調させ、ＩｎＧａＰ上部クラッド層中のＩｎとＧａは組成変調させないように制御することができる。すなわち、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層をそのバンドギャップが射出される光の導波方向に沿って変化するような構造とすることができ、上部クラッド層１７を組成変調なく全体的に格子整合すような構造とすることができる。この結果、発光スペクトルが広帯域な量子井戸層の形成と結晶品質の高い上部クラッド層の形成を両立することができるため、半導体発光素子の耐久性および信頼性を向上させることが可能となる。
【００４８】
さらに、選択成長用マスクＭを除去する工程を省くことができ、大気に暴露する工程を減らし一貫した薄膜形成ができるため、製造の工程を簡素化しかつコストを抑えることを可能とする。
【００４９】
本発明による半導体発光素子１と、量子井戸活性層および上部クラッド層の成長温度を変化させずにどちらも５８０℃で作製した従来型の半導体発光素子の発光特性を比較すると以下のようになった。従来型では、リッジ幅の広い方のＩｎＧａＰ上部クラッド層にクラックが生じ発光は観測できなかったが、本発明による半導体発光素子１では、ＩｎとＧａの組成を安定させ高品質なＩｎＧａＰ上部クラッド層を形成することが可能なため、外部量子効率が０．３Ｗ／Ａと発光特性が格段に向上した。さらに、中心波長は１．１０２μｍ、スペクトル半値幅は１８６．３ｎｍ、そして最高出力は１９．６ｍＷとＯＣＴの光源として十分な性能を得ることができた。
【００５０】
このように、本発明によれば、スペクトル半値幅２００ｎｍ、出力数１０ｍＷ程度と広帯域・高出力な半導体発光素子を得ることができ、超高解像ＯＣＴ装置の実用レベルに耐えうる光源の提供が可能となる。
【００５１】
また、本実施形態による半導体発光素子１は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）または半導体光増幅器（ＳＯＡ）として用いることもできる。
【００５２】
（設計変更例）
本実施形態による半導体発光素子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。
【００５３】
上記実施形態では、光導波路が素子端面１Ｆおよび１Ｒ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１Ｆおよび１Ｒ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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
更に、本実施形態による半導体発光素子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。
【００５７】
「光断層画像化装置」
図を参照して、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８は、本実施形態による光断層画像化装置の概略構成図である。
【００５８】
図８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。
【００５９】
光源５０は、中心波長（λｃ）１．１μｍ、スペクトル半値幅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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
以下、上記構成を有する光断層画像化装置２００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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
この検出された干渉光Ｌ４の光強度に基づいて、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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。  
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。本実施形態による光断層画像化装置２００は、広帯域かつ、高出力な上記本実施形態による半導体発光素子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。
【００７３】
（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。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】ＩｎＧａＡｓ層における成長温度と組成変化量の関係を示す図
【図２】ＩｎＧａＰ層における成長温度と組成変化量の関係を示す図
【図３】組成変調を制御した成長温度プロファイルの一例を示す概念図
【図４】実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その１）
【図５】実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その２）
【図６】実施形態による半導体発光素子の作製工程を示す断面図（その３）
【図７】実施形態による半導体発光素子の構造を示す断面図（その４）
【図８】実施形態による光断層画像化装置を示す概略構成図
【符号の説明】
【００７６】
１          半導体発光素子
１１               第1導電型（ｎ型）ＧａＡｓ基板
１２               第1導電型（ｎ型）ＧａＡｓバッファ層
１３               第1導電型（ｎ型）ＩｎＧａＰ下部クラッド層
１４               アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層
１５               ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸活性層
１６               アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層
１７               第２導電型（ｐ型）ＩｎＧａＰ上部クラッド層
１８               第２導電型（ｐ型）ＧａＡｓコンタクト層
１９               ＳｉＯ２電流狭窄層
２０               リッジ構造部
２１               ｐ型電極
２２               ｎ型電極
２３               電流狭窄部
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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