JP2014082482A - 光半導体素子とその駆動方法、および前記光半導体素子を有する光干渉断層撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来よりも発光波長帯域を広くすることができる光半導体素子を提供する。
【解決手段】多重量子井戸構造を含むＭＱＷ活性層１４と、前記活性層に電流を注入させるための少なくとも１つの電極対１１，１７とを有する光半導体素子であって、前記多重量子井戸構造が第１の量子井戸１４１と前記第１の量子井戸と異なる第２の量子井戸１４２とを有し、前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸とは、井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のうち少なくとも２つが互いに異なることを特徴とする光半導体素子を構成する。
【選択図】図７
【解決手段】多重量子井戸構造を含むＭＱＷ活性層１４と、前記活性層に電流を注入させるための少なくとも１つの電極対１１，１７とを有する光半導体素子であって、前記多重量子井戸構造が第１の量子井戸１４１と前記第１の量子井戸と異なる第２の量子井戸１４２とを有し、前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸とは、井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のうち少なくとも２つが互いに異なることを特徴とする光半導体素子を構成する。
【選択図】図７
Description
本発明は光半導体素子とその駆動方法、及び前記光半導体素子を有する光干渉断層撮像装置に関する。
従来、生体組織の光断層画像を取得する装置として、光干渉断層撮像装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、以下、単にＯＣＴと呼ぶことがある）が知られている。ＯＣＴでは、光源から射出された低コヒーレント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際の測定対象からの反射光と参照光を合波し、反射光と参照光との干渉光の強度によって測定対象の断層画像を取得するものである。
ＯＣＴ用の光源として、光半導体素子の一つであるスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）が用いられている。また、発光波長帯域を広くすることが望まれている。
発光波長帯域を広くする手段として、特許文献１では発光波長の異なる複数の量子井戸層を形成する光半導体素子が提案されている。
特許文献１に開示の光半導体素子では、井戸幅が２〜６ｎｍ異なる複数の量子井戸による多重量子井戸構造を有する活性層を用いることにより、発光波長帯域を広くしている。
発光波長帯域を広くする手段として、特許文献１では発光波長の異なる複数の量子井戸層を形成する光半導体素子が提案されている。
特許文献１に開示の光半導体素子では、井戸幅が２〜６ｎｍ異なる複数の量子井戸による多重量子井戸構造を有する活性層を用いることにより、発光波長帯域を広くしている。
しかし、上記特許文献１に開示の光半導体素子は、多重量子井戸構造を構成する複数の量子井戸層において、井戸幅のみが互いに異なる構成であるため、発光波長帯域の広帯域化に限界があった。
そこで本発明は、上記課題に鑑み、従来よりも発光波長帯域を広くすることができる光半導体素子とその駆動方法、および前記光半導体素子を有する光干渉断層撮像装置を提供することを目的とする。
本発明に係る光半導体素子は、多重量子井戸構造を含む活性層と、前記活性層に電流を注入させるための少なくとも１つの電極対とを有する光半導体素子であって、
前記多重量子井戸構造が第１の量子井戸と前記第１の量子井戸と異なる第２の量子井戸とを有し、前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸とは、井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のうち少なくとも２つが互いに異なることを特徴とする。
また、本発明に係る光干渉断層撮像装置は、
上記光半導体素子を有する光源部と、
前記光源部からの光を検体に照射し、検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、
前記光源部からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記検体測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、前記光検出部で検出された干渉光の強
度に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、を有することを特徴とする。
また本発明に係る光半導体素子の駆動方法は、上記光半導体素子において、
前記活性層に電流を注入するステップを有し、
前記ステップは、前記第１の量子井戸において、基底準位と１次準位で発光させ、
前記第２の量子井戸における基底準位からの発光ピークが、前記第１の量子井戸の基底準位からの発光ピークの半値全幅以内に存在するように前記活性層に注入する電流注入量を調整するステップを有することを特徴とする。
前記多重量子井戸構造が第１の量子井戸と前記第１の量子井戸と異なる第２の量子井戸とを有し、前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸とは、井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のうち少なくとも２つが互いに異なることを特徴とする。
また、本発明に係る光干渉断層撮像装置は、
上記光半導体素子を有する光源部と、
前記光源部からの光を検体に照射し、検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、
前記光源部からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記検体測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、前記光検出部で検出された干渉光の強
度に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、を有することを特徴とする。
また本発明に係る光半導体素子の駆動方法は、上記光半導体素子において、
前記活性層に電流を注入するステップを有し、
前記ステップは、前記第１の量子井戸において、基底準位と１次準位で発光させ、
前記第２の量子井戸における基底準位からの発光ピークが、前記第１の量子井戸の基底準位からの発光ピークの半値全幅以内に存在するように前記活性層に注入する電流注入量を調整するステップを有することを特徴とする。
本発明によれば、井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のうち少なくとも２つが互いに異なる多重量子井戸構造を有するため、発光波長帯域を広くすることができる光半導体素子とその駆動方法、および前記光半導体素子を有する光干渉断層撮像装置を実現できる。
本発明の実施形態における光半導体素子は、多重量子井戸構造を含む活性層と、前記活性層に電流を注入させるための少なくとも１つの電極対とを有し、多重量子井戸構造が第１の量子井戸と第１の量子井戸と異なる第２の量子井戸とを有する。そして、第１の量子井戸と第２の量子井戸とは、井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のうち少なくとも２つが互いに異なることを特徴とする。
井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のいずれかが互いに異なる複数の量子井戸は、各々異なる波長領域において発光する。すなわち、井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のうち少なくとも２つが互いに異なることで発光波長領域を広くすることができる。
また、第１の量子井戸が、基底準位と１次準位で発光するように構成され、第２の量子井戸の基底準位からの発光ピークが、第１の量子井戸の基底準位からの発光ピークの半値全幅以内に存在するように構成されていることが好ましい。ここで、高電流注入時には、第１の量子井戸の基底準位からの発光強度は、１次準位の発光強度に比べて一般的に小さくなる。そこで、第２の量子井戸の基底準位からの発光ピークが、第１の量子井戸の基底準
位からの発光ピークの半値全幅以内に存在することで、発光強度の小さい第１の量子井戸の基底準位からの発光を増幅し発光強度を増大させることができる。第１、第２量子井戸の基底準位からの発光が重なり合って、発光強度が増大することで、電流を多く注入する場合でも基底準位から十分な発光強度が得られ、発光波長帯域が広い光半導体素子が実現される。
また、井戸層の組成が互いに異なる場合は、障壁層が互いに異なる場合に比べて、発光波長領域がより変わりやすい。そのため、第１の量子井戸と前記第２の量子井戸とは、井戸層の組成が異なることが好ましい。
一方、井戸層の幅の差が大きいほど、各々の量子井戸からの発光強度の差は大きい。そのため、最終的に出力される発光スペクトルの起伏を小さくしたい場合は、井戸層の幅の差は小さい方が好ましい。例えば、第１の量子井戸と第２の量子井戸とは、井戸層の幅が異なり、その差が１ｎｍ以下であることが好ましい。
なお、第１の量子井戸と第２の量子井戸とは、井戸層の組成、および井戸層の幅が異なる場合、井戸層の組成を異ならしめることによって発光波長帯域を広くし、井戸層の幅を異ならしめることによって、発光出力を調整することができる。
また、第１の量子井戸、及び第２の量子井戸が基底準位の重い正孔と軽い正孔を有しており、第２の量子井戸の重い正孔からの発光ピークが、第１の量子井戸の重い正孔からの発光ピークの半値全幅以内に存在することが好ましい。これは、第１の量子井戸の重い正孔からの発光強度は高注入状態では小さいため、第２の量子井戸の重い正孔からの発光ピークを近づけることにより、発光強度を大きくすることができるからである。
また、第１の量子井戸および第２の量子井戸は、井戸層がＩｎxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）を有することが好ましい。また、詳細は後述するが、本実施形態に係る光半導体素子は、電極対の少なくとも一方の電極が分割され、活性層における複数の異なる領域に独立に電流を注入するように構成してもよい。このような構成を多電極の光半導体素子と呼ぶことがある。
電極対の少なくとも一方の電極が分割されているとは、図９に示すように、電極１７と電極１９とに電極が分割されていることを意味する。このような構成では、電極１７と電極１１、電極との間の領域、電極１９電極１１との間の領域に独立に電流を注入することができる。
井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のいずれかが互いに異なる複数の量子井戸は、各々異なる波長領域において発光する。すなわち、井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のうち少なくとも２つが互いに異なることで発光波長領域を広くすることができる。
また、第１の量子井戸が、基底準位と１次準位で発光するように構成され、第２の量子井戸の基底準位からの発光ピークが、第１の量子井戸の基底準位からの発光ピークの半値全幅以内に存在するように構成されていることが好ましい。ここで、高電流注入時には、第１の量子井戸の基底準位からの発光強度は、１次準位の発光強度に比べて一般的に小さくなる。そこで、第２の量子井戸の基底準位からの発光ピークが、第１の量子井戸の基底準
位からの発光ピークの半値全幅以内に存在することで、発光強度の小さい第１の量子井戸の基底準位からの発光を増幅し発光強度を増大させることができる。第１、第２量子井戸の基底準位からの発光が重なり合って、発光強度が増大することで、電流を多く注入する場合でも基底準位から十分な発光強度が得られ、発光波長帯域が広い光半導体素子が実現される。
また、井戸層の組成が互いに異なる場合は、障壁層が互いに異なる場合に比べて、発光波長領域がより変わりやすい。そのため、第１の量子井戸と前記第２の量子井戸とは、井戸層の組成が異なることが好ましい。
一方、井戸層の幅の差が大きいほど、各々の量子井戸からの発光強度の差は大きい。そのため、最終的に出力される発光スペクトルの起伏を小さくしたい場合は、井戸層の幅の差は小さい方が好ましい。例えば、第１の量子井戸と第２の量子井戸とは、井戸層の幅が異なり、その差が１ｎｍ以下であることが好ましい。
なお、第１の量子井戸と第２の量子井戸とは、井戸層の組成、および井戸層の幅が異なる場合、井戸層の組成を異ならしめることによって発光波長帯域を広くし、井戸層の幅を異ならしめることによって、発光出力を調整することができる。
また、第１の量子井戸、及び第２の量子井戸が基底準位の重い正孔と軽い正孔を有しており、第２の量子井戸の重い正孔からの発光ピークが、第１の量子井戸の重い正孔からの発光ピークの半値全幅以内に存在することが好ましい。これは、第１の量子井戸の重い正孔からの発光強度は高注入状態では小さいため、第２の量子井戸の重い正孔からの発光ピークを近づけることにより、発光強度を大きくすることができるからである。
また、第１の量子井戸および第２の量子井戸は、井戸層がＩｎxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜１）を有することが好ましい。また、詳細は後述するが、本実施形態に係る光半導体素子は、電極対の少なくとも一方の電極が分割され、活性層における複数の異なる領域に独立に電流を注入するように構成してもよい。このような構成を多電極の光半導体素子と呼ぶことがある。
電極対の少なくとも一方の電極が分割されているとは、図９に示すように、電極１７と電極１９とに電極が分割されていることを意味する。このような構成では、電極１７と電極１１、電極との間の領域、電極１９電極１１との間の領域に独立に電流を注入することができる。
このように、２つの異なる量子井戸の基底準位からの発光ピーク波長をそれぞれの発光ピークの半値全幅以内に設定することにより、高出力時にも基底準位から十分な発光強度が得られ広帯域スペクトルを有するＳＬＤを実現できる。
広帯域スペクトルを有するＳＬＤは、ＯＣＴの光源として使用することで深さ方向の高い分解能での観察が可能になる。
広帯域スペクトルを有するＳＬＤは、ＯＣＴの光源として使用することで深さ方向の高い分解能での観察が可能になる。
以下、具体的な実施形態について、図を用いて詳細に説明する。以下の実施形態についての説明において、パラメータを設定して説明するが、本発明はこれらに限られない。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における活性層部分のエネルギーバンド図であり、第１、第２の２つの量子井戸を有している。
図２は、第１の量子井戸構造は、Ｉｎ0.11Ｇａ0.89Ａｓ；７ｎｍを井戸層とし、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓを障壁層として構成された単一量子井戸ＳＬＤの発光スペクトルである。図１、図２において、発光ピークの長波長側から、基底準位の重い正孔からの発光、基底準位の軽い正孔、第１量子準位の重い正孔からの発光である。
図１、図２において、注入電流の異なるスペクトルを重ね画きしており、注入電流レベルが低いと長波長に発光ピークを有するが、注入電流の増大に伴って、発光強度が最大となるピークは、基底準位の重い正孔の発光、基底準位の軽い正孔、第１量子準位の重い正孔へと変化する。
高出力となる高電流注入では、第１量子準位の重い正孔からの発光が優位となり、短波長
側に偏った発光スペクトルとなっている。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態における活性層部分のエネルギーバンド図であり、第１、第２の２つの量子井戸を有している。
図２は、第１の量子井戸構造は、Ｉｎ0.11Ｇａ0.89Ａｓ；７ｎｍを井戸層とし、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓを障壁層として構成された単一量子井戸ＳＬＤの発光スペクトルである。図１、図２において、発光ピークの長波長側から、基底準位の重い正孔からの発光、基底準位の軽い正孔、第１量子準位の重い正孔からの発光である。
図１、図２において、注入電流の異なるスペクトルを重ね画きしており、注入電流レベルが低いと長波長に発光ピークを有するが、注入電流の増大に伴って、発光強度が最大となるピークは、基底準位の重い正孔の発光、基底準位の軽い正孔、第１量子準位の重い正孔へと変化する。
高出力となる高電流注入では、第１量子準位の重い正孔からの発光が優位となり、短波長
側に偏った発光スペクトルとなっている。
図３は、第２の量子井戸構造は、Ｉｎ0.16ＧａＡｓ；４ｎｍを井戸層とし、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓを障壁層として構成された単一量子井戸ＳＬＤの発光スペクトルである。第１の量子井戸構造より井戸層のＩｎ組成を多くすることで、井戸のポテンシャルエネルギーを深くし、かつ、井戸幅を狭くすることで量子準位のエネルギーを調整している。
これによって、基底準位の発光ピークを、第１の量子井戸構造（図２）の基底準位の発光ピークの半値全幅内に配置している。
なお、第２の量子井戸構造では、第１次準位の発光は存在しない。
これによって、基底準位の発光ピークを、第１の量子井戸構造（図２）の基底準位の発光ピークの半値全幅内に配置している。
なお、第２の量子井戸構造では、第１次準位の発光は存在しない。
図４は、第１、第２の２つの量子井戸を活性層とするＳＬＤの発光スペクトルである。２つの量子井戸の基底準位の重い正孔の発光がほぼ重なる（ほぼ一致する）ことで発光強度が増大されるとともに、基底準位の軽い正孔の発光波長が少し異なることで発光スペクトルに大きなディップが形成されていない。
更に、注入されたキャリヤが２つの量子井戸に分配されることで、単一量子井戸構造では、高注入状態で突出していた第１量子準位の重い正孔からの発光（図２参照）が低減し、広い発光波長に渡って凹凸の小さいスペクトルが得られている。
更に、注入されたキャリヤが２つの量子井戸に分配されることで、単一量子井戸構造では、高注入状態で突出していた第１量子準位の重い正孔からの発光（図２参照）が低減し、広い発光波長に渡って凹凸の小さいスペクトルが得られている。
（第２実施形態）
第２実施形態として、図９に示す２電極構成ＳＬＤにおいて広帯域スペクトル発光を可能にする駆動方法について説明する。
図１０は、光出射側電極に電流を注入した際の発光スペクトルであり、低注入では基底準位からの発光が支配的となっているが、高出力が得られる高注入では１次準位からの発光が優位となり、スペクトル幅が減少してしまう。
そこで、光出射側の電極（フロント電極）に高い電流注入を行い、高出力を得る。この条件では、フロント電極部は高い電流密度の電流注入状態であり、１次準位の重い正孔からの発光が優位であるスペクトルとなる。
この状態で、他方の電極（リア電極）に低い電流注入を行い、基底準位からの発光が支配的となる低い電流密度の電流注入状態とする。
この状態では、リア電極部で発生した基底準位からの発光が支配的である発光が、フロント電極部に入射されることで誘導増幅が生じ、基底準位からの発光強度が増大した光が光出力側から出力される。
つまり、フロント電極への電流注入により得られる１次準位の重い正孔からの発光が優位であるスペクトルに、リア電極部で発生した基底準位からの発光が支配的である発光が誘導増幅されたスペクトルが重畳されることにより、高出力かつ広帯域スペクトル発光が得られる。
第２実施形態として、図９に示す２電極構成ＳＬＤにおいて広帯域スペクトル発光を可能にする駆動方法について説明する。
図１０は、光出射側電極に電流を注入した際の発光スペクトルであり、低注入では基底準位からの発光が支配的となっているが、高出力が得られる高注入では１次準位からの発光が優位となり、スペクトル幅が減少してしまう。
そこで、光出射側の電極（フロント電極）に高い電流注入を行い、高出力を得る。この条件では、フロント電極部は高い電流密度の電流注入状態であり、１次準位の重い正孔からの発光が優位であるスペクトルとなる。
この状態で、他方の電極（リア電極）に低い電流注入を行い、基底準位からの発光が支配的となる低い電流密度の電流注入状態とする。
この状態では、リア電極部で発生した基底準位からの発光が支配的である発光が、フロント電極部に入射されることで誘導増幅が生じ、基底準位からの発光強度が増大した光が光出力側から出力される。
つまり、フロント電極への電流注入により得られる１次準位の重い正孔からの発光が優位であるスペクトルに、リア電極部で発生した基底準位からの発光が支配的である発光が誘導増幅されたスペクトルが重畳されることにより、高出力かつ広帯域スペクトル発光が得られる。
上記駆動を実現するためには、必要な光出力の範囲内で、フロント電極部は１次準位の重い正孔からの発光が優位であるスペクトルを維持し、リア電極部は基底準位からの発光が支配的であるスペクトルを維持する必要がある。
リア電極部を長くすることは、基底準位からの発光が支配的であるスペクトルを維持するのに有効である。
リア電極が長くなることで応答速度が不十分となる場合、リア電極は連続通電を行い、フロント電極のみを変調駆動することによって、高速駆動を可能とすることができる。
なお、フロント電極、リア電極の機能をそれぞれ複数の電極（電流注入領域）で実現することも可能である。
リア電極部を長くすることは、基底準位からの発光が支配的であるスペクトルを維持するのに有効である。
リア電極が長くなることで応答速度が不十分となる場合、リア電極は連続通電を行い、フロント電極のみを変調駆動することによって、高速駆動を可能とすることができる。
なお、フロント電極、リア電極の機能をそれぞれ複数の電極（電流注入領域）で実現することも可能である。
本発明の実施形態に係る光干渉断層撮像装置（ＯＣＴ）は、上記本実施形態に係る光半導体素子を有する光源部を有する。そして、光源部からの光を検体に照射し、検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、光源部からの光を参照ミラーに照射し、参照ミラーか
らの反射光を伝達させる参照部とを有する。そして、検体測定部からの反射光と参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、光検出部で検出された干渉光の強度に基づいて、検体の断層像を得る画像処理部を有する。
本実施形態に係る光半導体素子は発光波長帯域が広いため、ＯＣＴ用の光源として用いた場合、深さ分解能が高い。
らの反射光を伝達させる参照部とを有する。そして、検体測定部からの反射光と参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、光検出部で検出された干渉光の強度に基づいて、検体の断層像を得る画像処理部を有する。
本実施形態に係る光半導体素子は発光波長帯域が広いため、ＯＣＴ用の光源として用いた場合、深さ分解能が高い。
本実施形態に係る光半導体素子の駆動方法は、活性層に電流を注入して、第１の量子井戸において、基底準位と１次準位で発光させる。そして第２の量子井戸における基底準位からの発光ピークが、第１の量子井戸の基底準位からの発光ピークの半値全幅以内に存在するように活性層に注入する電流注入量を調整する。前述したように、第２の量子井戸における基底準位からの発光ピークが、第１の量子井戸の基底準位からの発光ピークの半値全幅以内に存在するようにすることで、発光強度の小さい第１の量子井戸の基底準位からの発光を増幅し発光強度を増大させることができる。
また、前述の多電極の光半導体素子を用いた駆動方法において、電流を注入する複数の異なる領域のうち、光半導体素子の光出射端側の領域では、１次準位からの発光が優位となるように電流注入を行う。ここで、光出射端側の領域は図９の電極１７と電極１１によって電流注入される領域である。また、光出射端側の領域以外の電流注入領域では、基底準位からの発光が支配的となるように電流注入を行う。ここで、光出射端側以外の領域は図９の電極１９と電極１１によって電流注入される領域である。なお、図９では光出射端側以外の領域は１つのみであるが、電極１７，１９以外の電極を有する場合や、電極１７，１９をさらに分割して独立に電流注入する領域を増やす場合、は光出射端に最も近い領域以外の領域を指す。
また、光出射端側の領域への電流注入によって、発光強度が制御されるため、この領域への変調電流注入によるパルス駆動が可能である。すなわち、光出射端側の領域への電流注入量を０あるいは小さくすることで、光出射端側の領域は光吸収層として機能し、光出力も０あるいは小さくなる。一方、光出射端側の領域への電流注入量を大きくすることで光出力が大きくなる。そのため、電流注入量を変えることによって光出力のオンとオフを切り替えるパルス駆動を行うことができる。
また、前述の多電極の光半導体素子を用いた駆動方法において、電流を注入する複数の異なる領域のうち、光半導体素子の光出射端側の領域では、１次準位からの発光が優位となるように電流注入を行う。ここで、光出射端側の領域は図９の電極１７と電極１１によって電流注入される領域である。また、光出射端側の領域以外の電流注入領域では、基底準位からの発光が支配的となるように電流注入を行う。ここで、光出射端側以外の領域は図９の電極１９と電極１１によって電流注入される領域である。なお、図９では光出射端側以外の領域は１つのみであるが、電極１７，１９以外の電極を有する場合や、電極１７，１９をさらに分割して独立に電流注入する領域を増やす場合、は光出射端に最も近い領域以外の領域を指す。
また、光出射端側の領域への電流注入によって、発光強度が制御されるため、この領域への変調電流注入によるパルス駆動が可能である。すなわち、光出射端側の領域への電流注入量を０あるいは小さくすることで、光出射端側の領域は光吸収層として機能し、光出力も０あるいは小さくなる。一方、光出射端側の領域への電流注入量を大きくすることで光出力が大きくなる。そのため、電流注入量を変えることによって光出力のオンとオフを切り替えるパルス駆動を行うことができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）の構成例について、図７を用いて説明する。
図７に示されるように、ｎ型のＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型のＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓから成るｎ−クラッド層１３、ＭＱＷ活性領域１４を積層する。
ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性領域１４は、第１の量子井戸構造である井戸層ＩｎＧａＡｓ；７ｎｍ、と第２の第２の量子井戸構造である井戸層ＩｎＧａＡｓ；４ｎｍを有している。
ＭＱＷ活性領域１４上に、ｐ型のＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓから成るｐ−クラッド層１５、ＧａＡｓから成るコンタクト層１６を介して、ｐ−型電極１７が形成されている。
そして、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には、ｎ−型電極１１が形成されている高抵抗層１８は、ｐ−クラッド層１５に電流を集中させるための層であり、かつ、ｐ−クラッド層１５の下の活性層領域に光を閉じ込めるために、屈折率の小さい材料が用いられる。高抵抗層１８として空気層を用いることができる。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）の構成例について、図７を用いて説明する。
図７に示されるように、ｎ型のＧａＡｓ基板１２上に、ｎ型のＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓから成るｎ−クラッド層１３、ＭＱＷ活性領域１４を積層する。
ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性領域１４は、第１の量子井戸構造である井戸層ＩｎＧａＡｓ；７ｎｍ、と第２の第２の量子井戸構造である井戸層ＩｎＧａＡｓ；４ｎｍを有している。
ＭＱＷ活性領域１４上に、ｐ型のＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓから成るｐ−クラッド層１５、ＧａＡｓから成るコンタクト層１６を介して、ｐ−型電極１７が形成されている。
そして、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の裏面には、ｎ−型電極１１が形成されている高抵抗層１８は、ｐ−クラッド層１５に電流を集中させるための層であり、かつ、ｐ−クラッド層１５の下の活性層領域に光を閉じ込めるために、屈折率の小さい材料が用いられる。高抵抗層１８として空気層を用いることができる。
図８は図７の斜視図であり、リッジストライプを端面に対して〜７°傾けることで反射を極力小さくするとともに、端面には保護膜が形成されている。図８において、図７と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
ｐ−ｎ電極間に通電して光出射端側から得られる発光スペクトル（図４）は、注入電流の
増大に応じて、基底準位からの発光、１次準位からの発光へとスペクトルが変化する。
ｐ−ｎ電極間に通電して光出射端側から得られる発光スペクトル（図４）は、注入電流の
増大に応じて、基底準位からの発光、１次準位からの発光へとスペクトルが変化する。
第１の量子井戸層と第２の量子井戸層は、Ｉｎの組成と井戸幅が異なっており、第２の量
子井戸構造は、第１の量子井戸構造より井戸層のＩｎ組成を多くすることで、井戸のポテンシャルエネルギーを深くし、かつ、井戸幅を狭くすることで量子準位のエネルギーを調整している。
２つの量子井戸の基底準位の重い正孔の発光がほぼ重なることで発光強度が増大されるとともに、基底準位の軽い正孔の発光波長が異なることで発光スペクトルに大きなディップが形成されていない。
更に、注入されたキャリヤが２つの量子井戸に分配されることで、単一量子井戸構造では、高注入状態で突出していた第１量子準位の重い正孔からの発光が低減し、広い発光波長に渡って凹凸の小さいスペクトルが得られている。
第２の基底準位の重い正孔の発光ピークを、第１の量子井戸構造の基底準位の重い正孔の発光ピークの半値全幅内に配置することによって、基底準位からの発光が増強され広い発光スペクトルが得られている。
なお、本実施例のスペクトル帯域は、０．８〜０．９μｍであるが、量子井戸活性層を構成するＩｎxＧａ1-xＡｓ量子井戸層のＩｎの組成と井戸幅、ＡｌｙＧａ1-yＡｓ障壁層のＡｌ組成を選択することによってスペクトル帯域１．０〜１．１μｍを得ることも可能である。
子井戸構造は、第１の量子井戸構造より井戸層のＩｎ組成を多くすることで、井戸のポテンシャルエネルギーを深くし、かつ、井戸幅を狭くすることで量子準位のエネルギーを調整している。
２つの量子井戸の基底準位の重い正孔の発光がほぼ重なることで発光強度が増大されるとともに、基底準位の軽い正孔の発光波長が異なることで発光スペクトルに大きなディップが形成されていない。
更に、注入されたキャリヤが２つの量子井戸に分配されることで、単一量子井戸構造では、高注入状態で突出していた第１量子準位の重い正孔からの発光が低減し、広い発光波長に渡って凹凸の小さいスペクトルが得られている。
第２の基底準位の重い正孔の発光ピークを、第１の量子井戸構造の基底準位の重い正孔の発光ピークの半値全幅内に配置することによって、基底準位からの発光が増強され広い発光スペクトルが得られている。
なお、本実施例のスペクトル帯域は、０．８〜０．９μｍであるが、量子井戸活性層を構成するＩｎxＧａ1-xＡｓ量子井戸層のＩｎの組成と井戸幅、ＡｌｙＧａ1-yＡｓ障壁層のＡｌ組成を選択することによってスペクトル帯域１．０〜１．１μｍを得ることも可能である。
［実施例２］
図５は、実施例２の活性層部分のエネルギーバンド図であり、
第１の量子井戸構造は、Ｉｎ0.11ＧａＡｓ：８ｎｍを井戸層とし、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓを障壁層として構成されている。
また、第２の量子井戸構造は、Ｉｎ0.09ＧａＡｓ：７ｎｍを井戸層とし、Ａｌ0.05ＧａＡｓを障壁層として構成されている。
第１、第２の量子井戸構造の井戸層組成、井戸幅、障壁の高さを制御することで、互いの基底準位の発光ピークが半値全幅内に存在する構成となっている。
この第２の量子井戸構造も、第１次準位は量子井戸内に存在しない。
図６に、この実施例２のＳＬＤの発光スペクトルを示す。
２つの量子井戸の基底準位の軽い正孔の発光波長が近いことから発光スペクトルの中央にピークを有する発光スペクトルが得られる。
その他の構成・機能は実施例１と同じであるので、記載は省略する。
図５は、実施例２の活性層部分のエネルギーバンド図であり、
第１の量子井戸構造は、Ｉｎ0.11ＧａＡｓ：８ｎｍを井戸層とし、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓを障壁層として構成されている。
また、第２の量子井戸構造は、Ｉｎ0.09ＧａＡｓ：７ｎｍを井戸層とし、Ａｌ0.05ＧａＡｓを障壁層として構成されている。
第１、第２の量子井戸構造の井戸層組成、井戸幅、障壁の高さを制御することで、互いの基底準位の発光ピークが半値全幅内に存在する構成となっている。
この第２の量子井戸構造も、第１次準位は量子井戸内に存在しない。
図６に、この実施例２のＳＬＤの発光スペクトルを示す。
２つの量子井戸の基底準位の軽い正孔の発光波長が近いことから発光スペクトルの中央にピークを有する発光スペクトルが得られる。
その他の構成・機能は実施例１と同じであるので、記載は省略する。
［実施例３］
実施例３として、第２実施形態に対応するスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）の構成例について、図９を用いて説明する。図９において、図７，８と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図９は、実施例３におけるＳＬＤの概略斜視図であり、実施例１との違いは、ｐ−型電極が２電極構成となっている点である。
光出射側の電極（フロント電極）が０．７ｍｍ、他方の電極（リア電極）は１．５ｍｍとなっている。
図１１は、フロント電極、またはリア電極への注入電流の異なるスペクトルを重ね画きしており、注入電流の増大に伴って、発光強度が最大となるピークは、基底準位の重い正孔の発光、基底準位の軽い正孔、第１量子準位の重い正孔へと変化する。
高出力となる高電流注入では、第１量子準位の重い正孔からの発光が優位となり、短波長側に偏った発光スペクトルとなっている。
図１０は、光出射側電極に電流を注入した際の発光スペクトルであり、低注入では基底準位からの発光が支配的となっているが、高出力が得られる高注入では１次準位からの発光
が優位となり、スペクトル幅が減少してしまう。
実施例３として、第２実施形態に対応するスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）の構成例について、図９を用いて説明する。図９において、図７，８と同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図９は、実施例３におけるＳＬＤの概略斜視図であり、実施例１との違いは、ｐ−型電極が２電極構成となっている点である。
光出射側の電極（フロント電極）が０．７ｍｍ、他方の電極（リア電極）は１．５ｍｍとなっている。
図１１は、フロント電極、またはリア電極への注入電流の異なるスペクトルを重ね画きしており、注入電流の増大に伴って、発光強度が最大となるピークは、基底準位の重い正孔の発光、基底準位の軽い正孔、第１量子準位の重い正孔へと変化する。
高出力となる高電流注入では、第１量子準位の重い正孔からの発光が優位となり、短波長側に偏った発光スペクトルとなっている。
図１０は、光出射側電極に電流を注入した際の発光スペクトルであり、低注入では基底準位からの発光が支配的となっているが、高出力が得られる高注入では１次準位からの発光
が優位となり、スペクトル幅が減少してしまう。
光出射側の電極（フロント電極）に高い電流注入を行い、高出力を得る。この条件では、フロント電極部は高密度の電流注入状態であり、１次順位の重い正孔からの発光が優位で
あるスペクトルとなる。
この状態で、他方の電極（リア電極）に低い電流注入を行い、基底準位からの発光が支配的となる低密度の電流注入状態とする。この状態では、リア電極部で発生した基底準位からの発光が支配的である発光が、フロント電極部に入射されることで誘導増幅が生じ、基底準位からの発光強度が増大した光が光出力側から出力される。
つまり、フロント電極への電流注入により得られる１次順位の重い正孔からの発光が優位であるスペクトルに、リア電極部で発生した基底準位からの発光が支配的である発光が誘導増幅されたスペクトルが重畳されることにより、高出力かつ広帯域スペクトル発光が得られる。
あるスペクトルとなる。
この状態で、他方の電極（リア電極）に低い電流注入を行い、基底準位からの発光が支配的となる低密度の電流注入状態とする。この状態では、リア電極部で発生した基底準位からの発光が支配的である発光が、フロント電極部に入射されることで誘導増幅が生じ、基底準位からの発光強度が増大した光が光出力側から出力される。
つまり、フロント電極への電流注入により得られる１次順位の重い正孔からの発光が優位であるスペクトルに、リア電極部で発生した基底準位からの発光が支配的である発光が誘導増幅されたスペクトルが重畳されることにより、高出力かつ広帯域スペクトル発光が得られる。
［実施例４］
実施例４として、本発明のスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を光源に用いた光干渉断層撮像装置（ＯＣＴ装置）の構成例について、図１２を用いて説明する。
図１２に示すＯＣＴ装置は、基本的には光源部（１５０１等）、光源部からの光を検体に照射し、検体部からの反射光を伝達させる検体測定部（１５０７等）と、光を参照ミラーに照射し、参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部（１５０２等）を備える。
また、２つの反射光を干渉させる干渉部（１５０３）、干渉部により得られた干渉光を検出する光検出部（１５０９等）、光検出部で検出された光に基づいて画像処理を行う（断層像を得る）画像処理部（１５１１）を備える。
実施例４として、本発明のスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を光源に用いた光干渉断層撮像装置（ＯＣＴ装置）の構成例について、図１２を用いて説明する。
図１２に示すＯＣＴ装置は、基本的には光源部（１５０１等）、光源部からの光を検体に照射し、検体部からの反射光を伝達させる検体測定部（１５０７等）と、光を参照ミラーに照射し、参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部（１５０２等）を備える。
また、２つの反射光を干渉させる干渉部（１５０３）、干渉部により得られた干渉光を検出する光検出部（１５０９等）、光検出部で検出された光に基づいて画像処理を行う（断層像を得る）画像処理部（１５１１）を備える。
以下、各構成要素について説明する。
光源部は、ＳＬＤ光源１５０１は光照射用の光ファイバ１５１０を介して干渉部を構成するファイバカップラ１５０３に接続されている。
干渉部のファイバカップラ１５０３は、光源の波長帯域でシングルモードのもので構成し、各種ファイバカップラは３ｄＢカップラで構成した。
反射ミラー１５０４は、参照光光路用ファイバ１５０２に接続されて参照部を構成し、ファイバ１５０２は、ファイバカップラ１５０３に接続されている。
検査光光路用１５０５ファイバ、照射集光光学系１５０６、照射位置走査用ミラー１５０７により測定部が構成され、検査光光路用１５０５ファイバは、ファイバカップラ１５０３に接続されている。ファイバカップラ１５０３では、検査物体１５１４の内部及び表面から発生した後方散乱光と、参照部からの戻り光とが干渉して干渉光となる。
光源部は、ＳＬＤ光源１５０１は光照射用の光ファイバ１５１０を介して干渉部を構成するファイバカップラ１５０３に接続されている。
干渉部のファイバカップラ１５０３は、光源の波長帯域でシングルモードのもので構成し、各種ファイバカップラは３ｄＢカップラで構成した。
反射ミラー１５０４は、参照光光路用ファイバ１５０２に接続されて参照部を構成し、ファイバ１５０２は、ファイバカップラ１５０３に接続されている。
検査光光路用１５０５ファイバ、照射集光光学系１５０６、照射位置走査用ミラー１５０７により測定部が構成され、検査光光路用１５０５ファイバは、ファイバカップラ１５０３に接続されている。ファイバカップラ１５０３では、検査物体１５１４の内部及び表面から発生した後方散乱光と、参照部からの戻り光とが干渉して干渉光となる。
検出側は、受光用ファイバ１５０８と分光手段とアレイ型の光検出手段で構成される光検出部１５０９で構成され、広帯域の発光スペクトルを有する干渉光を波長帯域毎に分光検出する。
検出部１５０９のアレイ型の光検出手段で受光された光は信号処理装置１５１１にてスペクトル信号に変換され、さらにフーリエ変換を施すことで被験物体の奥行き情報を取得する。取得された奥行き情報は画像出力モニター１５１２に断層画像として表示される。
ここで、信号処理装置１５１１は、パーソナルコンピュータ等で構成することができ、画像出力モニター１５１２は、パーソナルコンピュータの表示画面等で構成できる。
例えば、実施例１で説明したＳＬＤ光源装置を本例の波長可変光源１５０１として用いると、このＳＬＤ光源装置は広帯域スペクトルを有しているため、奥行き分解能が高解像な断層画像情報を取得可能である。
検出部１５０９のアレイ型の光検出手段で受光された光は信号処理装置１５１１にてスペクトル信号に変換され、さらにフーリエ変換を施すことで被験物体の奥行き情報を取得する。取得された奥行き情報は画像出力モニター１５１２に断層画像として表示される。
ここで、信号処理装置１５１１は、パーソナルコンピュータ等で構成することができ、画像出力モニター１５１２は、パーソナルコンピュータの表示画面等で構成できる。
例えば、実施例１で説明したＳＬＤ光源装置を本例の波長可変光源１５０１として用いると、このＳＬＤ光源装置は広帯域スペクトルを有しているため、奥行き分解能が高解像な断層画像情報を取得可能である。
以上の実施例１、実施例２、実施例３で説明した広い波長可変帯域を有するスーパール
ミネッセントダイオード（ＳＬＤ）は、光通信用光源や光計測用光源として利用できる。光通信分野では、広い波長可変帯域による波長多重数の増大が可能であり、光計測分野では、実施例３で説明したように、広帯域スペクトルであるため、奥行き分解能が高解像な断層画像情報を取得可能である。
このＯＣＴ装置は、特に眼科、歯科、皮膚科等における断層画像撮影に有用である。
ミネッセントダイオード（ＳＬＤ）は、光通信用光源や光計測用光源として利用できる。光通信分野では、広い波長可変帯域による波長多重数の増大が可能であり、光計測分野では、実施例３で説明したように、広帯域スペクトルであるため、奥行き分解能が高解像な断層画像情報を取得可能である。
このＯＣＴ装置は、特に眼科、歯科、皮膚科等における断層画像撮影に有用である。
１１：ｎ−型電極
１２：ＧａＡｓ基板
１３：ｎ側光閉じ込め層
１４：ＭＱＷ活性層
１５：ｐ側光閉じ込め層
１６：ＧａＡｓコンタクト層
１７：ｐ−型電極
１２：ＧａＡｓ基板
１３：ｎ側光閉じ込め層
１４：ＭＱＷ活性層
１５：ｐ側光閉じ込め層
１６：ＧａＡｓコンタクト層
１７：ｐ−型電極
Claims (11)
- 多重量子井戸構造を含む活性層と、前記活性層に電流を注入させるための少なくとも１つの電極対とを有する光半導体素子であって、
前記多重量子井戸構造が第１の量子井戸と前記第１の量子井戸と異なる第２の量子井戸とを有し、
前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸とは、井戸層の組成、井戸層の幅、障壁層の組成のうち少なくとも２つが互いに異なることを特徴とする光半導体素子。 - 前記第１の量子井戸が、基底準位と１次準位で発光するように構成され、前記第２の量子井戸の基底準位からの発光ピークが、前記第１の量子井戸の基底準位からの発光ピークの半値全幅以内に存在することを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
- 前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸とは、井戸層の組成、および井戸層の幅のみが異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光半導体素子。
- 前記第２の量子井戸は、基底準位で発光するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体素子。
- 前記第１の量子井戸、及び前記第２の量子井戸が基底準位の重い正孔と軽い正孔を有しており、
前記第２の量子井戸の重い正孔からの発光ピークが、前記第１の量子井戸の重い正孔からの発光ピークの半値全幅以内に存在することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光半導体素子。 - 前記第１の量子井戸および前記第２の量子井戸は、井戸層がＩｎxＧａ1-xＡ（０＜ｘ＜１）を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
- 前記電極対の少なくとも一方の電極が分割され、前記活性層における複数の異なる領域に独立に電流を注入するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光半導体素子。
- 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子を有する光源部と、
前記光源部からの光を検体に照射し、検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、
前記光源部からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
前記検体測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
前記光検出部で検出された干渉光の強度に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、
を有することを特徴とする光干渉断層撮像装置。 - 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光半導体素子の駆動方法であって、
前記活性層に電流を注入するステップを有し、
前記ステップは、前記第１の量子井戸において、基底準位と１次準位で発光させ、前記第２の量子井戸における基底準位からの発光ピークが、前記第１の量子井戸の基底準位からの発光ピークの半値全幅以内に存在するように前記活性層に注入する電流注入量を調整するステップを有することを特徴とする光半導体素子の駆動方法。 - 請求項７に記載の光半導体素子の駆動方法であって、前記複数の異なる領域のうち、
前記光半導体素子の光出射端側の領域では、１次準位からの発光が優位となるように電流注入を行い、
前記光出射端側の領域以外の電流注入領域では、基底準位からの発光が支配的となるように電流注入を行うことを特徴とする請求項９に記載の光半導体素子の駆動方法。 - 前記光出射端側の領域への電流注入量を変えることによって、パルス駆動を行うことを特徴とする請求項１０に記載の光半導体素子の駆動方法。
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