JP2012044026A - 光半導体基板、光源用装置、及び、光半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電光変換又は光電変換を行う複数の変換部3と、複数の前記変換部3が集積して配置された基板本体2とを備えている。複数の前記変換部3は、電光変換の場合の出力特性又は光電変換の場合の入力特性が異なるものを含み、当該出力特性又は入力特性が異なる変換部3が基板本体1の集積面に沿った方向で分散して配列されている。
【選択図】 図1
Description
OCTの性能(分解能)を高めるためにはさらなる広帯域化が必要であり、そこで、例えば特許文献1に示しているように、量子ドット層を多重積層化することにより、広帯域の光源を実現しようとしている。なお、このような量子ドットは、受光素子としても用いることができる。
本発明によれば、複数の変換部は、基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列されているので、複数の変換部はそれぞれ独立しており他と干渉するのを防ぐことができる。つまり、多重積層化した従来の構造のようなエネルギー遷移が生じず、発光の効率の向上を図ることができる。
そして、変換後の出力特性が異なる変換部が、基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列されているので、この出力特性として例えば発光の中心波長を広く分布させ(シフトさせ)、全体として広帯域なスペクトルを有することができ、しかも、各変換部に所定の特性を備えさせることでスペクトル形状を任意に制御することができ、例えばガウシアン形状のようなスペクトル形状を得ることが可能となる。
なお、前記変換部としては、量子ドットを有するもの、量子井戸を有するもの、量子細線を有するものがある。
また、電光変換とは、所定電流の導入(印加)によって所定のPL分布の光を出力(発光)することであり、電光変換の変換後の出力特性は、出力される光のPL分布を特定するパラメータであり、例えば、中心波長(発光波長)や、PL分布の広がり具合(分散)等である。
この場合、歪緩和層の厚さと組成比との内の一方又は双方を異ならせることにより、異なる中心波長を有する変換部を形成することができる。
また、量子ドットの大きさや組成を変化させることにより、異なる中心波長を有する変換部を形成することもできる。
本発明によれば、変換部に与える電流を大小制御することで、スペクトル形状を調整することができ、さらに、変換部毎に個別に制御することで、複数の変換部を有する光半導体基板素子としてのスペクトル形状を、任意の形状(例えばガウシアン形状)とすることが可能となる。また、変換部に量子ドットが含まれる場合、変換部への注入電流を増やし、電流による励起を高めることにより、量子ドット内の励起準位からの発光が寄与し、変換部毎においても広帯域化が可能となる。
本発明によれば、複数の変換部は、基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列されているので、複数の変換部はそれぞれ独立しており他と干渉するのを防ぐことができる。つまり、多重積層化した従来の構造のようなエネルギー遷移が生じず、受光の効率の向上を図ることができる。
そして、変換前の入力特性が異なる変換部が、基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列されているので、この入力特性として例えば受光の中心波長を広く分布させ(シフトさせ)、全体として広帯域なスペクトルを有することができ、しかも、各変換部に所定の特性を備えさせることでスペクトル形状を任意に制御することができ、例えばガウシアン形状のようなスペクトル形状を得ることが可能となる。
また、光電変換とは、所定の波長の光を受光することによって所定電流を出力することであり、この場合、光電変換の変換前の入力特性は、入力される光(入力に適する光)を特定するためのパラメータであり、例えば、中心波長(受光波長)等である。
そして、開口パターンを変更した後、原料の供給量を変更するので、基板本体上に形成される複数の変換部の中には、他と異なる変換特性(出力特性又は入力特性)を有している変換部が含まれる。この特性の相異により、変換部の例えば発光又は受光の中心波長を広く分布させ(シフトさせ)、全体として広帯域なスペクトルを有することができ、しかも、各変換部に所定の変換特性を備えさせることでスペクトル形状を任意に制御することができ、例えばガウシアン形状のようなスペクトル形状を得ることができる光半導体基板を製造することが可能となる。
本発明の光源用装置によれば、光半導体基板全体としてのスペクトル形状を、任意の形状とすることが可能となり、例えばOCT画像の分解能を高めることが可能となる光源用装置となる。
本発明の光半導体基板は、電光変換又は光電変換を行う複数の変換部が、基板本体上の所定領域に集積して配置された基板である。この変換部は、後にも説明するが、結晶成長技術により得られる自己組織化の活性層であり、この変換部(活性層)を、以下では「成長部」と呼んで説明する。
また、この成長部には、量子ドット又は量子井戸等を有するものがあるが、以下の実施形態では、量子ドットを有する成長部の場合を説明する。また、電光変換を行う場合の本実施形態では、成長後の量子ドット(成長部)の評価については、AFM観察、PL測定に基づく。PLスペクトル及びPL強度マップは、室温において励起光源としてHe−Ne(λ=632.8nm)レーザーを用いて測定している。
図1は、光半導体基板の説明図であり、(a)は量子ドットからのフォトルミネッセンス強度(PL強度)のマップを示しており、(b)は光半導体基板の断面図である。本発明の光半導体基板1は、基板本体(GaAs基板本体)2と、この基板本体2上に領域選択的に成長させて得た複数の成長部3とを有している。成長部3は、基板本体2上にモノリシックに形成されており、少なくとも縦横の二次元的に広がった配置で、かつ、空間的に分離して基板本体2上に配置されている。つまり、複数の成長部3は、基板本体2の集積面2aに沿った方向で分散して配列されている。
図1(a)によれば、基板本体2上において、約0.8mm×0.6mmの選択領域に、量子ドット4(成長部3)が形成されており、全体で24箇所の選択領域に、量子ドット4(成長部3)が形成されている。この光半導体基板1は、後述するマスクを用いた製造方法により製造される。
そこで、後に、前記の光半導体基板1に基づく光源用装置に関して説明するが、電光変換を行う前記光半導体基板1によれば、複数の成長部3の中には、他と異なる出力特性を有している成長部が含まれているので、この特性の相異により、成長部3の中心波長を広く分布させ(シフトさせ)、全体として広帯域なスペクトルを有することができ、しかも、各成長部3に所定の特性を備えさせることでスペクトル形状を任意に制御することができ、例えばガウシアン形状のようなスペクトル形状を得ることが可能となる。
分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)法により、GaAs基板本体1上に量子ドット4(又は量子井戸)を結晶成長させる。真空である成長室中で、半導体を構成する各元素を供給源(ソース)から供給し、適当な温度に加熱した基板本体2上で結晶として成長させる。各構成元素は、Ga、In、Al、As等であり、これらの構成元素の供給源は、元素単体ないし化合物のソースを用いる。
図4は、光半導体基板1を製造するための装置の説明図であり、(a)は横断面図、(b)は基板本体2及び成長部3を示す拡大図、(c)はB−B矢視の簡略説明図である。この装置は、基板本体2を搭載する試料ホルダ40と、複数の開口(開口部)10aが形成されている板状のマスク10と、このマスク10を取り付けるマスクホルダ20とを有している。試料ホルダ40とマスクホルダ20とは図4の組み立て状態から分離可能であり、図5は分解した状態の斜視図である。
開口(開口部)10aは、基板本体2に成長部3を成長させるために、マスク10に形成された貫通穴であり、複数個形成され所定の開口パターンを有している。図6(a)では、90度間隔で開口ブロック13、14、15、16が設けられている。
つまり、マスク10を所定角度について回転させることで、基板本体2に対する開口パターンを変更する。例えば、概念的には図6(b)に示すように、開口パターンを回転非対称のパターンにすることで、一枚の基板本体2上でかつ近接した位置に、二種以上の組成や厚み(特性)をもった成長部3が成形される。図6(b)は180度毎に開口パターンが回転非対称となるパターンを有しているが、90度毎に開口パターンが回転非対称となるパターンを有していてもよい。このように、回転非対称となるパターンの開口ブロックを所定の位相毎に複数形成することで、複数種類(例えば、三種類、四種類・・・)の成長部3の形成が可能となる。
結晶成長装置は、成長室を減圧するためのポンプや配管等を備えているが、その構成は一般的に知られている分子線エピタキシャル成長装置(MBE成長装置)と同様であるので、詳細な説明を省略する。なお、詳細は、権田俊一編著「分子線エピタキシー」培風館、第一章 分子線エピタキシー概論 参照。
前記のとおり、この製造方法は、結晶成長装置の成長室内において、複数の開口10aを有するマスク10を基板本体2に被せ、蒸発源60から原料を発生させて前記開口10aを通じて基板本体2上に量子ドット4を有する成長部3を成長させる。これにより、空間的に分離した複数の成長部3を備えた光半導体基板1が製造される。
前記試料ホルダ40及び前記マスクホルダ20によって、図7(b)に示しているように、前記マスク10を基板本体2に被せた状態とし、この基板本体2に第一の量子ドット4−1を成長させると、マスク10の開口パターンを変更することなく、この第一の量子ドット4−1上に第一の歪緩和層5−1を成長させる。さらに、開口パターンを変更することなく、保護層6−1を成長させ、第一の成長部3−1を形成する。
なお、さらに異なる開口パターンへの変更を行い、この変更毎に、原料の供給量(総供給量)を異ならせることにより、三種類、四種類・・・と、多種類の成長部3をさらに基板本体2上に、空間的に分離してモノリシックに形成することができる。
このように、開口パターンを変更した後、原料の供給量を変更するので、基板本体2上に形成される複数の成長部3の中には、他と異なる特性を有している成長部が含まれることとなる。そして、この特性の相異により、成長部3の発光(又は受光)の中心波長を広く分布させ(シフトさせ)、全体として広帯域なスペクトルを有することができ、しかも、各成長部3に所定の特性を備えさせることでスペクトル形状を任意に制御することができ、例えばガウシアン形状のようなスペクトル形状を得ることができる光半導体基板1を製造することが可能となる。
図8(a)は、光源用装置の概略構成図である。この光源用装置は、電光変換を行う前記光半導体基板1から得られた光半導体素子8を備えている。この光半導体素子8とは、前記光半導体基板1を加工して製造された半導体素子(SLD)であり、例えば、図1(a)の縦方向に並ぶ一列の成長部3の列と、その隣りで縦方向に並ぶ一列の成長部3の列との間には、加工代領域7が形成されており、この加工代領域7で基板1が切断されて、切り出された一列の(複数の)成長部3を、光半導体素子8とすることができる。光半導体素子8には、成長部3に接続された端子9が設けられており、成長部3毎に端子9が設けられている。
そして、この光源用装置は、さらに、光半導体素子8が有する複数の成長部3−1,3−2,3−3それぞれに電気的に並列に接続されている配線部51と、この配線部51を通じて成長部3−1,3−2,3−3に与える電流を、複数の成長部毎に個別に制御する制御部52とを備えている。
制御部52は、電源53(53−1,53−2,53−3)と、各成長部3に与える電流を調整する調整部54とを有している。調整部54は、電流計の機能と、フィードバック制御の機能とを有し、成長部3に導入する電流を所定値に制御することができる。
図9は、受光用装置の概略構成図である。この受光用装置は、光電変換を行う前記光半導体基板1から得られた光半導体素子8を備えている。光半導体素子8は、前記光源用装置で用いられた半導体素子と同様であり、光半導体素子8には、成長部3に接続された端子9が設けられており、成長部3毎に端子9が設けられている。光電変換を行う光半導体基板1の製造方法と、電光変換を行う光半導体基板1の製造方法とは、同じである。
そして、この受光用装置は、さらに、光半導体素子8が有する複数の成長部3−1,3−2,3−3それぞれに電気的に並列に接続されている配線部51と、これら複数の成長部3−1,3−2,3−3それぞれから前記配線部51を通じて得られた電流を、成長部毎で個別に制御する受光回路部55とを備えている。
受光回路部55は、成長部3それぞれから得られた電流を、成長部毎で個別に制御する構成であるため、入射される光の強度スペクトルに受光感度を適応させることができる。これにより、例えば、太陽光スペクトルに適合した高効率の太陽電池や、レンズ集光された光のスペクトル分布に対応した高効率の受光素子を作製すること等が可能となる。
また、前記光半導体基板1に基づいて作製される光半導体素子8を有しているので、広帯域な受光(光吸収)が可能となる。
以上の前記各実施形態のように、GaAs基板本体2上の選択領域にInAs量子ドット4を成長させ、成長後のこの量子ドット4にIn0.2Ga0.8As歪緩和層5を数nm成長させ、成長部3毎で、歪緩和層5の厚さを調整することにより、発光波長(受光波長)の制御を行うことができる。つまり、異なる発光波長(受光波長)を有する量子ドット4(成長部3)を、異なる領域に成長させることができる。
そして、電光変換を行う成長部3を備えた、多波長集積化した光半導体基板1から得た光半導体素子8(前記光源用装置)を、例えば高輝度エミッティングダイオード(SLD)等の光源として適用すれば、広帯域かつスペクトル形状を制御可能な近赤外光源を得ることができる。
特に、光の干渉性を用いたOCTでは、高分解能化及び低ノイズ化のために広帯域かつガウシアン形状の光源が必要とされているが、前記光半導体素子8によれば、これを実現することができる。
平面的に見て、複数の成長部は、縦方向及び横方向に広がって配置されており、しかも、縦方向と横方向との内の一方向には、同じ変換特性を有する成長部が並び、かつ、縦方向と横方向との内の他方向には、(全てが又は一部が)異なる変換特性を有する成長部が並ぶ配置。
平面的に見て、複数の成長部は、同心円状の配置で径方向に広がって配置されており、しかも、同心円上では、同じ変換特性を有する成長部が並び、かつ、径方向に異なる変換特性を有する成長部が並ぶ配置。
Claims (6)
- 電光変換を行う複数の変換部と、複数の前記変換部が集積して配置された基板本体とを備えた光半導体基板であって、
複数の前記変換部は、出力特性が異なるものを含み、当該出力特性が異なる前記変換部が前記基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列されていることを特徴とする光半導体基板。 - 前記変換部は、量子ドットと、当該量子ドット上に形成されている歪緩和層とを有し、
前記歪緩和層の厚さと組成比との内の一方又は双方が、他の変換部の歪緩和層と異なっている請求項1に記載の光半導体基板。 - 請求項1又は2に記載の光半導体基板から得られた光半導体素子と、
前記光半導体素子が有する複数の前記変換部それぞれに電気的に並列に接続されている配線部と、
前記配線部を通じて前記変換部に与える電流を、前記複数の変換部毎に個別に制御する制御部と、を備えたことを特徴とする光源用装置。 - 光電変換を行う複数の変換部と、複数の前記変換部が集積して配置された基板本体とを備えた光半導体基板であって、
複数の前記変換部は、入力特性が異なるものを含み、当該入力特性が異なる前記変換部が前記基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列されていることを特徴とする光半導体基板。 - 複数の開口が形成されているマスクを基板本体に被せ、蒸発源から原料を発生させて前記開口を通じて前記基板本体上に、電光変換又は光電変換を行う変換部を成長させることにより、当該基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列された複数の前記変換部を備えた光半導体基板を製造する方法であって、
前記基板本体に前記マスクを被せ所定領域に前記変換部を形成してから、
その後、当該基板本体上の異なる領域にさらに変換部を形成するために、当該基板本体に被せる前記マスクの開口パターンを変更すると共に、当該開口パターンを変更した後、前記蒸発源からの原料の供給量を変更することを特徴とする光半導体基板の製造方法。 - 複数の開口が形成されているマスクを基板本体に被せ、蒸発源から原料を発生させて前記開口を通じて前記基板本体上に、量子ドットを有し電光変換又は光電変換を行う変換部を成長させることにより、当該基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列された複数の前記変換部を備えた光半導体基板を製造する方法であって、
所定の開口パターンを有する前記マスクを用いて、前記基板本体に第一の量子ドットを成長させると、当該開口パターンを変更することなく、前記第一の量子ドット上に第一の歪緩和層を成長させ、第一の変換部を形成し、
その後、前記マスクの開口パターンを変更し、前記基板本体上に第二の量子ドットを成長させると、当該開口パターンを変更することなく、前記第一の歪緩和層の場合と異なる原料の供給量により、前記第二の量子ドット上に第二の歪緩和層を成長させ、第二の変換部を形成する光半導体基板の製造方法。
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