(57)【要約】【課題】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の製造方法、半導体発光素子、及び光断層画像化装置を提供する。【解決手段】ＧａＡｓ基板上に形成されたＩｎＧａＰ下部第１クラッド層１３Ａ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、選択領域の上にＩｎＧａＰ下部第２クラッド層１３Ｂを形成する第２の工程、下部第２クラッド層１３Ｂ上にＩｎＧａＡｓ量子井戸層１５を形成する第３の工程、量子井戸層１５上にＩｎＧａＰ上部クラッド層１７を形成する第４の工程を含む半導体発光素子１の製造方法において、第２の工程を６００°Ｃ以上の成長温度で、第３の工程を６００°Ｃ以上の成長温度で、選択成長用マスクを除去せずに第４の工程を６００°Ｃ以上の成長温度で行い、第２の工程から第４の工程までを大気に暴露することなく行う。【選択図】図３
2009231756.tif 000002
【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ＩｎＧａＰから構成される下部第１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ＩｎＧａＰから構成される下部第２クラッド層を少なくとも１層形成する第２の工程と、
前記下部第２クラッド層の上に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３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４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°Ｃ以上の成長温度の下で行い、前記第３の工程を６００°Ｃ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４の工程を６００°Ｃ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４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及び第４の工程における成長温度が６００°Ｃ〜７５０°Ｃの範囲であり、前記第３の工程における成長温度が５００°Ｃ〜６００°Ｃ未満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】
導電型ＧａＡｓ基板と、
ＩｎＧａＰから構成される下部第１クラッド層と、
前記下部第１クラッド層上の選択領域の上に形成されたＩｎＧａＰから構成される下部第２クラッド層と、
前記下部第２クラッド層の上に形成されたＩｎＧａＡｓから構成される量子井戸層と、
前記量子井戸層の上に形成されたＩｎＧａＰから構成される上部クラッド層と、
を少なくともこの順に含む半導体発光素子。
【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３〜５の何れか１項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３〜６の何れか１項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、半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子、及び光断層画像化装置に係り、より詳細には、選択成長を利用した半導体発光素子の製造方法、半導体発光素子、及び光断層画像化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、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たＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）装置（光断層画像化装置）が用いられることがある。このＯＣＴ装置の一例として、光源から射出された低コヒーレンス光を測定光と参照光とに分割した後、測定光が測定対象に照射されたときの反射光と参照光とを合波し、反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて断層画像を取得する装置がある。
【０００３】
このような光断層画像化装置においては、例えば参照光を反射するミラーを移動させることにより、参照光の光路長を変更させて測定対象内の測定深さを変更し、測定対象の断層画像を取得するようになっている。しかしながら、ミラーを移動させるという機械的な手段を用いて測定する深さ位置を変えているため、データの収集に時間を要するという問題がある。
【０００４】
そこで、高速に断層画像を取得する方法として 上述した参照光の光路長の変更を行うことなく断層画像を取得する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に開示された所謂ＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｄｏｍａｉｎ  ＯＣＴ）装置においては、マイケルソン型干渉計を用いて、光源から低コヒーレンス光を射出して測定光と参照光とに分割した後、測定対象に測定光が照射されたときの反射光と参照光との干渉光を各周波数成分に分解したチャンネルドスペクトルをフーリエ解析することにより、深さ方向の走査を行わずに断層画像を取得するようになっている。
【０００６】
ところで、ＯＣＴ装置は、内視鏡への応用を目指してさらに研究開発が進められている。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。しかしながら、近年、ＯＣＴ装置では、生体内部の後方散乱反射光を検出するため、散乱特性も計測深度を律束することが明らかにされた。生体組織での主な散乱はレーリー散乱であり、レーリー散乱では散乱強度は波長の４乗に逆比例する。ＯＣＴ信号を取得する際の全損失は、吸収損失と散乱損失の和である。このような生体組織における光の全損失を考慮して、全損失が最小となる波長帯域である、１.３μｍ帯の光を光源波長として用いている。このため、眼科用のＯＣＴ装置が実用化された後、内視鏡応用のＯＣＴ装置においては、光源波長として１.３μｍ帯の光を用いた研究開発が進められている。
【０００７】
しかしながら、内視鏡へＯＣＴ装置を応用する場合、被測定部の多くは水分を多く含む物質に覆われている。例えば被測定部が胃壁であれば、胃液や胃粘膜に覆われているし、被測定部が大腸壁であれば、粘液や腸粘膜に覆われている。また、被測定部が膀胱壁であれば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。これらの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、水による吸収の影響が大きいため、１.３μｍ帯の光を用いた場合・所望の深度までの光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おそれがある。
【０００８】
そこで、本出願人は特許文献２において、生体組織が水分を多く含む物質に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のできる光断層画像化装置を提供する提案を行った。それは、低コヒーレンス光を射出する光源と、光源から射出された低コヒーレンス光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、測定光が測定対象に照射されたときの該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、合波手段により合波された反射光と参照光との干渉光の周波数および強度に基づいて、測定対象の各深さ位置における反射光の強度を検出する干渉光検出手段と、干渉光検出手段により検出された各深さ位置における干渉光の強度を用いて測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを有し、低コヒーレンス光の中心波長が、０．９０μｍ以上かつ１．１５μｍ以下の範囲にあることを特徴とするものである。
【０００９】
低コヒーレンス光源の候補としては、低コストで且つ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。画像の解像度を向上するためには、光源の波長帯域を広げることが有効で、これを達成する手法として、選択成長を利用して量子井戸厚・量子井戸組成を軸方向で変調するという手法がある。
【００１０】
この手法は、２つのストライプ状のＳｉＯ２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いて、マスク幅を変えることで成長する活性層膜厚・組成を共振器軸方向に変化させることができる。
【００１１】
この手法を用いると、通常のＳＬＤと比較して非常に広い帯域を得ることが可能であるが、例えば必要とされる１μｍ帯の波長を発光させようとすると、以下のような問題があった。
【００１２】
すなわち、この波長帯域では、ＧａＡｓ基板を用い、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。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。一方、後者のＩｎｘＧａ１−ｘＰ は、ＧａＡｓ基板にＸ＝０．５の場合しか格子整合しない。選択成長で広帯域化を鑑みた場合、発光層であるＩｎＧａＡｓ量子井戸層の組成については、強い組成変調をさせるので、同じ条件でＩｎＧａＰによりクラッド層を形成すると、格子不整合から結晶劣化が生じてしまう。つまり、選択成長により１μｍ帯の波長を発光する素子において、広帯域な量子井戸層と高品質なクラッド層の両方を備えた発光素子の作製は非常に困難であった。
【００１３】
本発明者らによる過去の検討では、選択成長させたＩｎＧａＰのクラッド層を用いた場合では、発光効率などの特性がよいとは言えなかった（例えば特許文献３記載の発光素子）。
【００１４】
さらに最近の検証では、選択成長に伴う再成長の界面が非常に荒れやすいことがわかった。従来型の選択成長構造では、選択成長は、量子井戸層直下のＧａＡｓ光ガイド層から開始していた。これは、クラッド層を選択成長させると、格子不整合のために結晶性が低下するためである。
【特許文献１】特開平１１−３２５８４９号公報
【特許文献２】特開２００６−２６７０７１号公報
【特許文献３】特開２００７−１８４５５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上記のように量子井戸層直下のＧａＡｓ光ガイド層から選択成長させた構造とすると、再成長界面で生じるロスがレーザ特性に非常に影響を及ぼすことがわかった。
【００１６】
選択成長を用いて光導波路方向に波長が変化する例えば１μｍ帯発光のＳＬＤ／ＳＯＡ（半導体光増幅器）において帯域を広げ且つ発光特性を良好にするためには、組成変調効果を強めた量子井戸と、組成変調されないクラッド層の両立が必要であり、組成の変調効果を層ごとに制御できる方法が必要となる。また、従来の選択成長構造で生じていた再成長界面のロスの低減方法を確立する必要もある。
【００１７】
本発明は上記事実を考慮して成されたものであり、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の製造方法、半導体発光素子、及び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】
【００１８】
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。
【００１９】
すなわち、請求項１記載の発明の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ＩｎＧａＰから構成される下部第１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ＩｎＧａＰから構成される下部第２クラッド層を少なくとも１層形成する第２の工程と、前記下部第２クラッド層の上に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３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４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°Ｃ以上の成長温度の下で行い、前記第３の工程を６００°Ｃ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４の工程を６００°Ｃ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４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。
【００２０】
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。
【００２１】
そして、「選択成長用マスクを除去せずに」第４の工程を行うとは、第４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４の工程を行うことを意味するものとする。
【００２２】
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。
【００２３】
なお、請求項２に記載したように、前記第２及び第４の工程における成長温度が６００°Ｃ〜７５０°Ｃの範囲であり、前記第３の工程における成長温度が５００°Ｃ〜６００°Ｃ未満の範囲であることが好ましい。
【００２４】
請求項３記載の発明の半導体発光素子は、導電型ＧａＡｓ基板と、ＩｎＧａＰから構成される下部第１クラッド層と、前記下部第１クラッド層上の選択領域の上に形成されたＩｎＧａＰから構成される下部第２クラッド層と、前記下部第２クラッド層の上に形成されたＩｎＧａＡｓから構成される量子井戸層と、前記量子井戸層の上に形成されたＩｎＧａＰから構成される上部クラッド層と、を少なくともこの順に含むことを特徴とする。
【００２５】
この発明による半導体発光素子は、請求項１又は請求項２記載の製造方法により製造することができる。
【００２６】
また、半導体発光素子は、例えば請求項４に記載したように、スーパールミネッセントダイオードや、請求項５に記載したように、半導体光増幅器とすることができる。
【００２７】
また、請求項６に記載したように、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。
【００２８】
請求項７記載の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３〜６の何れか１項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。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、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、という効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
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。
【００３１】
「半導体発光素子およびその製造方法」
【００３２】
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。
【００３３】
図１は、成長温度５５０°Ｃ、５８５°Ｃ、６００°Ｃおよび６３５°Ｃ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°Ｃおよび５８５°Ｃ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°Ｃおよび６３５°Ｃ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
これらから、６００°Ｃ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°Ｃ未満の下で形成して組成変調の効果を強めることができ、ＩｎＧａＰクラッド層は６００°Ｃ以上の下で形成することで組成変調を抑制することができる。
【００３７】
そして、本発明者等の研究により、前述した量子井戸層直下の再成長界面に起因するロスの問題に関しては、ＧａＡｓ光ガイド層から選択成長させるのではなく、ｎ型の下部第２クラッド層を６００°Ｃ以上の成長温度で成長させ、再成長界面と量子井戸層との距離を長くすることにより解決できることがわかった。
【００３８】
詳細は後述するが、成長温度プロファイルとしては、図３に示すように、再成長界面に対して６００°Ｃ以上の成長温度で下部第２クラッド層を形成し、量子井戸層は６００°Ｃ未満の成長温度で形成し、上部クラッド層は６００°Ｃ以上の成長温度で形成すればよい。これにより、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り、ロスの少ない良好な発光特性を有する中心波長帯が例えば約１μｍ程度のＳＬＤやＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を作製することができる。
【００３９】
次に、本実施形態におけ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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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下部第１クラッド層１３Ａとが順次積層されている。そして、下部第１クラッド層１３Ａ上には、ｎ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部第２クラッド層１３Ｂ、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。
【００４３】
このリッジ構造部２０のリッジ幅ｄは一例として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、下部第１クラッド層１３Ａ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２１が、基板１１の下面にはｎ型電極２２が形成されている。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
はじめに、炉内に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下部第１クラッド層１３Ａとを結晶成長により順次形成する。
【００５０】
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型下部第１クラッド層１３Ａ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、図３に示すようにｎ型Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部第２クラッド層１３Ｂを６５０°Ｃの成長温度の下で結晶成長により形成し、その上にアンドープＧａＡｓ下部光ガイド層１４を形成した後成長を中断させる。
【００５１】
そして、図３に示すように炉内の温度を５８０°Ｃまで降下させ、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°Ｃの成長温度の下で順次形成して、成長を中断させる。
【００５２】
次に、図３に示すように炉内を６５０°Ｃまで上昇させ、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２１を、基板１１の下面にｎ型電極２２を形成して半導体発光素子１が完成する（図７）。
【００５３】
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。
【００５４】
また、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。
【００５５】
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。
【００５６】
第２の工程は、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ下部第２クラッド層１３Ｂを形成する工程に含まれている。この層を６５０°Ｃの成長温度の下で形成することにより、下部第２クラッド層１３Ｂの組成変調を生じさせないようにしている。
【００５７】
第３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°Ｃ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°Ｃ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。
【００５８】
そして、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ上部クラッド層１７を６５０°Ｃの成長温度の下で形成する第４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。
【００５９】
また、第２及び第４の工程における成長温度は６００°Ｃ〜７５０°Ｃの範囲であり、第３の工程における成長温度は５００°Ｃ〜６００°Ｃ未満の範囲であることが好ましい。ここで、第２及び第４の工程における成長温度の上限を７５０°Ｃ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下限を５００°Ｃとしたのは、成長温度をこの温度未満とした場合は同様にＩｎＧａＡｓ量子井戸層の結晶品質が劣化するためである。
【００６０】
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。
【００６１】
さらに、本発明では少なくとも第２の工程から第４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、上記のように下部第２クラッド層１３Ｂ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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
以下、本実施形態における作用を示す。
【００６５】
本発明による半導体発光素子１は、例えば約１μｍ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、ＩｎＧａＰ下部第２クラッド層の形成を６５０°Ｃの成長温度の下で行い、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層の形成を５８０°Ｃ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°Ｃの成長温度の下で行っている。
【００６６】
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下部第２クラッド層及び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るような構造とすることができる。
【００６７】
また、従来のように再成長界面に対してＧａＡｓ光ガイド層から成長させるのではなく、ｎ型下部第２クラッド層を６００°Ｃ以上の成長温度で成長させ、再成長界面と量子井戸層との距離を長くする構成としている。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
上記の本発明の方法により作成した半導体発光素子（ＳＬＤ）１と、量子井戸活性層、下部第２クラッド層、及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°Ｃで作製した半導体発光素子（以下、第１の従来型とする）、下部第２クラッド層は形成しないが、量子井戸活性層の成長温度を５８０°Ｃ、上部クラッド層の成長温度を６５０°Ｃとして作製した半導体発光素子（以下、第２の従来型とする）の発光特性（内部量子効率）を比較すると以下のようになった。
【００７１】
第１の従来型のＳＬＤは、クラッド層を形成した時点で結晶にクラックが生じ、電流注入したところ非発光であった。また、第２の従来型のＳＬＤの内部量子効率は０．３であったのに対し、本発明に係るロスを低減させたＳＬＤでは、ＩｎとＧａの組成を安定させ高品質なＩｎＧａＰ下部第２クラッド層及び上部クラッド層を形成することが可能なため、０．５８と格段に向上した。
【００７２】
なお、本発明に係るＳＬＤでは、中心波長が１．１０２μｍ、発光半値幅は１８６．３ｎｍとなり、最高出力は１９．６ｍＷと、ＯＣＴ装置の光源として十分な性能を得ることができた。
【００７３】
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。
【００７４】
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）として用いることができる。
【００７５】
（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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
また、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。
【００８１】
また、上記実施形態において、光ガイド層の材料組成および層厚は、組成および層厚を限定したものではない。クラッド層の材料は、組成および層厚は発光波長が単一モードで発光する条件の一例を示したものであり、本発明を前述の材料組成、層厚に、Ａｌを含まない材料でＧａＡｓに格子整合するものならば、限定したものではない。また、ここでは選択成長で形成したリッジストライプ構造によるＳＬＤ素子を実施例として挙げたが、内部ストライプ構造など他の構造でも構わない。
【００８２】
さらに、本実施形態では、選択成長によるストライプ構造の幅を５μｍとしているが、５μｍ〜３０μｍとしてもよい。
【００８３】
「光断層画像化装置」
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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８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。
【０１００】
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８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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
（設計変更）
【０１０３】
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】
【０１０４】
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】
【０１０５】
【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】
【０１０６】
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
１３Ａ        第１導電型（ｎ型）ＩｎＧａＰ下部第１クラッド層
１３Ｂ        第１導電型（ｎ型）ＩｎＧａＰ下部第２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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