JP2014112667A

JP2014112667A - 光半導体素子、及び前記光半導体素子を光源として備えた光干渉断層撮像装置

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Abstract

【課題】高出力で広いスペクトル半値幅を得るため、高いキャリア注入密度とした場合でも、短波長領域の発光強度を抑制することが可能となる光半導体素子を提供する。
【解決手段】光半導体素子であって、
第一のクラッド層と第二のクラッド層と、それらの間に設けられた、発光層とバリア層とを含む活性層とを有し、
前記発光層から発光される光のスペクトルが中心波長λｃ、スペクトル半値幅Δλである光半導体素子であり、前記第一のクラッド層と前記第二のクラッド層の少なくともいずれか一方が、下記の式（１）で示されるλｓの波長の光を吸収する光吸収部を有している。

λｓ＜（λｃ−（Δλ／２））式（１）

【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体素子、及び前記光半導体素子を光源として備えた光干渉断層撮像装置に関する。

近年、スーパールミネッセントダイオード（ＳｕｐｅｒＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＤｉｏｄｅ、以下、これをＳＬＤと記す。）が注目を集めている。
ＳＬＤは、誘導増幅を用い、更に共振させることで高出力かつ非常に狭いスペクトル幅の光を低い注入電流にて発振させる半導体レーザや、自然放出光を利用した放射角の広いＬＥＤとは異なる。
すなわち、ＳＬＤは、誘導増幅を用いるが、高電流注入状態でも共振しない構成とすることで、高出力かつ広いスペクトル半値幅が得られることを特徴としている。
このような特徴を活かし、分光器、測長器、屈折率分布測定器、断層撮像装置、励起用光源等、様々な用途への応用が広がっている。

上記したように、ＳＬＤは特に広いスペクトル半値幅を実現するため、半導体レーザと比較し、そのデバイス動作には高電流注入を行う。
以下に、ＳＬＤの発光の特性について、図２を用いて説明する。
まず、発光のための層が量子井戸層１つ（ＳｉｎｇｌｅＱｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ、以下ＳＱＷと略す）の場合について、図２（ａ）にそのスペクトル強度を示す。
図２（ａ）では、横軸に波長、縦軸にスペクトル強度を示しており、複数本あるスペクトル波形は、異なる注入電流に対応するものである。
図２（ａ）のうち最低電流注入時のスペクトル波形２０１と、最高電流注入時のスペクトル波形２０２とを比較すると、電流注入量の増加に伴い、高次準位での発光波長（点線の矢印２０３で示す）の強度が増加し、スペクトル半値幅が広がる。
この際、スペクトル形状変化としては、長波長側の変化は小さいが、高電流注入に伴い、短波長側の強度が増加している。

次に、図２（ｂ）、（ｃ）に発光のための層が複数の量子井戸（Ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ、以下ＭＱＷと略す）の場合を示す。
図２（ｂ）は、組成が同じで井戸層の厚さを変えた２つの量子井戸の伝導帯側のバンド図を示す。黒い点はキャリアである電子を示している。
量子井戸２０４は、量子井戸２０５よりも厚さが薄いため、量子効果により、よりバンドギャップが大きくなり、短波長の発光が得られる。
それぞれの量子井戸に対応する利得を、図２（ｃ）に示す。
低電流注入時は、量子井戸２０５に電子が溜まり発光する。電流注入量を増やしていくと、量子井戸２０４にも電子が溜まり発光するようになるが、同時に量子井戸２０５より高いエネルギーの位置からも発光するようになるため、量子井戸２０５からの利得形状は、実線２０７から点線２０８に変化する。結果的に、短波長側の強度がより増加する（点線矢印２０９）。以上のように、ＳＱＷでもＭＱＷでも、ＳＬＤの特徴であるスペクトル半値幅を広げる際に、長波長側に比べ短波長側の強度がより増加する、という現象が生じる。

この短波長側の光が使用上、つぎのような点で問題となることがある。
すなわち、短波長の光はエネルギーが高いため、波長によって測定系や測定対象物に損傷を与える場合がある。
また、電流注入を増やした際の強度の増加が激しいため、注入電流量によっては、かえってスペクトル半値幅が狭まる、スペクトル形状がガウシアン形状から大きくずれることにより測定の際ノイズとなる場合がある。
特に、眼底ＯＣＴ（ＯｐｔｉｃａｌＣｏｈｅｒｅｎｃｅＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）用の光源としてＳＬＤを用いた場合、眼球に波長７９０ｎｍ以下の光が入射されると、視感度が高くなり、瞳の収縮を起こしてしまう。そのため、正確な測定が困難となる。

従来において、短波長側の出力を抑制させる方法として、特許文献１では次のような半導体レーザ素子が提案されている。
図１１に特許文献１における半導体レーザ素子の利得形状とスペクトル形状を示す。図１１の（ａ）、（ｂ）は従来例、図１１の（ｃ）、（ｄ）は特許文献１での実施例を示す。また、図１２に特許文献１における半導体レーザ素子の活性層近辺の１つの構成を示すバンド図を示す。
この半導体レーザ素子では、ファブリペローレーザにおいて、バリア層３２とクラッド層１３の間に光吸収層１４と分離層１５を配置するという構成が採られている。

特開２００７−２０８０６２号公報

特許文献１に記載のファブリペローレーザの場合ではＳＬＤに比べ低電流で駆動するため、駆動時のキャリア密度はＳＬＤに比べて低い。そのため、記載された分離層１５の厚さで光吸収層１４へのキャリアの進入を防ぐことが可能となる。
しかしながら、本発明の対象としているＳＬＤではそもそも発光のためのメカニズムが異なり、高出力で広いスペクトル半値幅が得られるようにするために、レーザよりも高いキャリア密度が必要となる。
従って、特許文献１のような構成では、光吸収層へのキャリア進入をブロックすることができず、光吸収層へキャリアが注入されてしまう。すると、光吸収層によって光が吸収されず、更には光吸収層からの発光が起こってしまう場合が生じる。したがって、特許文献１の構成では、高出力で広いスペクトル半値幅が得られるようにするため、キャリアの注入密度を高くした場合に、短波長側の光強度が大きくなり、上記した測定系や測定対象物に損傷を与える場合があるという課題に対処することはできない。

本発明は、上記課題に鑑み、高出力で広いスペクトル半値幅を得るため、高いキャリア注入密度とした場合でも、短波長領域の発光強度が抑制された光半導体素子の提供を目的とする。

本発明に係る光半導体素子は、第一のクラッド層と第二のクラッド層と、それらの間に設けられた、発光層とバリア層とを含む活性層とを有し、
前記発光層から発光される光のスペクトルが中心波長λｃ、スペクトル半値幅Δλである光半導体素子であって、
前記第一のクラッド層と前記第二のクラッド層の少なくともいずれか一方が、下記の式（１）で示されるλｓの波長の光を吸収する光吸収部を有することを特徴とする。

λｓ＜（λｃ−（Δλ／２））式（１）

また、本発明に係る光干渉断層撮像装置は、上記した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光に基づいて、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。

本発明によれば、高出力で広いスペクトル半値幅を得るため、高いキャリア注入密度とした場合でも、短波長領域の発光強度が抑制された光半導体素子を実現することができる。

本発明の実施形態におけるＳＬＤの構成例について説明する図。本発明の課題を説明する図。本発明の実施形態におけるＳＬＤの波長と利得の関係を示す図。光吸収層の位置に対する規格化強度とスペクトル形状を示す図。光吸収層の位置に対する規格化強度を示す図。本発明の実施例１におけるＳＬＤの構成例について説明する図。本発明の実施例２におけるＳＬＤの構成例について説明する図。本発明の実施例３におけるＳＬＤの構成例について説明する図。本発明の実施例４におけるＳＬＤの構成例について説明する図。本発明の実施形態におけるＳＬＤを備えた光干渉断層撮像装置の構成例について説明する図。先行例である特許文献１における半導体レーザ素子の利得形状とスペクトル形状を示す図。先行例である特許文献１における半導体レーザ素子の活性層近辺の１つの構成を示すバンド図。本発明の実施例５におけるＳＬＤの半導体層構造のバンド図。

本発明の実施形態に係る光半導体素子は、第一のクラッド層と第二のクラッド層と、それらの間に設けられた、発光層とバリア層とを含む活性層とを有し、発光層から発光される光のスペクトルが中心波長λｃ、スペクトル半値幅Δλである。
そして、第一のクラッド層と第二のクラッド層の少なくともいずれか一方が、下記の式（１）で示されるλｓの波長の光を吸収する光吸収部を有することを特徴とする。

λｓ＜（λｃ−（Δλ／２））式（１）

以下では、光半導体素子の一例であるスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を例として説明する。
上下をバリア層で挟まれた発光層に対し、その発光スペクトルの半値幅は変えず短波長側のみの強度を減少させるための光吸収部が、ｎまたはｐにドーピングされたクラッド層内に配置された構成を有している。
具体的には、本実施形態のＳＬＤは、図１に示される構成を有している。
すなわち、図１に示されるように、基板１０１上にｎまたはｐ型にドーピングした下部クラッド層（第一のクラッド層）１０２が設けられている。
その上に、発光層１０６とバリア層１２０とを有するドーピングしない活性層１０３を配置し、その上にｐまたはｎ型にドーピングした上部クラッド層（第二のクラッド層）１０４が設けられている。そして、その上にコンタクト層１０５が設けられている。
また、基板１０１の下部と、コンタクト層１０５の上部に電極が設けられている（不図示）。コンタクト層１０５と上部クラッド層１０４の一部はリッジ状に加工されている。
上部クラッド層１０４または下部クラッド層１０２のうちどちらか一方または双方に、発光層１０６からの光のうち、次の式（１）を満たすλｓ以下の波長を吸収する光吸収層１０７を配置する。

λｓ＜（λｃ−（Δλ／２）） ……式（１）

但し、
λｃ：発光層１０６から発光される光のスペクトル中心波長
Δλ：スペクトル半値幅
なお、図１では下部クラッド層１０２のみに、光吸収部１０７を設けた例を示している。また、本実施形態のＳＬＤでは、発光層１０６から発光される光のスペクトル中心波長は、８３０〜８７０ｎｍの範囲とするのが望ましい。

上記式（１）について図３を用いて説明する。
図３では横軸に波長を、縦軸に利得を示している。発光層１０６の利得スペクトル３０１に対して、スペクトル中心波長λｃは、スペクトル半値幅Δλの中心波長としている。
点線は、光吸収部１０７の利得スペクトル３０２を示している。光吸収部１０７は、光強度を減少させたい領域であるλｓ以下において損失が得られるよう、組成や膜厚、配置する位置等を調整されている。このような構成とすることで、短波長領域での発光が抑制される。なお、光吸収部１０７を発光層１０６の近く、つまりドーピングしない活性層１０３内に配置するとより吸収効果が得られるように思われるが、同時にキャリアも注入されやすくなるため、光吸収部１０７からの発光が起きてしまう。
したがって、光吸収部１０７は、キャリア注入ができるだけ抑えられるよう、ドーピングされたクラッド層の中、かつ発光層１０６からの発光強度が低下しにくい位置に配置することが好ましい。
もし下部クラッド層１０２がドーピングされたクラッド層である場合、該クラッド層に配された光吸収部１０７の周囲の層（不図示）のドーピング濃度は、該周囲の層に隣接する層（不図示）のドーピング濃度に比べて低いことが好ましい。光吸収部が量子井戸層を有する場合、その量子井戸層において、その周囲の層のドーピング量により利得スペクトルが変化するためである。ドーピング量が多くなると、利得スペクトルはなまった形となり、損失領域がブロードになる。一方ドーピング量を少なくすると、利得スペクトルは短波長側がより急峻な形となり、所望の波長以下の強度をより効果的に減少させることができる。
周囲の層の厚さが薄すぎると利得スペクトル変化の効果が小さくなり、厚すぎるとキャリアの流れに影響を及ぼすため、ＳＬＤの構成によるが、周囲の層は、光吸収部１０７に隣接する領域のうち、上下２０ｎｍ程度の厚さであることが好ましい。また、周囲の層に隣接する層のドーピング濃度は、周囲の層のドーピング濃度に比べて低ければ低いほど利得スペクトル変化の効果が大きいが、低すぎるとキャリアの流れに影響を及ぼすため、１／１０以下であることが好ましく、特に１/１０以下かつ１／１０００以上であることがさらに好ましい。

図４を用い、具体例を挙げてより詳細に説明する。
図４は、図１に示すＳＬＤの例における光吸収部１０７を配置した位置に対する、スペクトル形状や吸収効果の依存性を示す図である。
図４におけるＳＬＤは、具体的にはつぎのように構成されている。
基板１０１はＧａＡｓ基板、下部クラッド層１０２はｎ型ドーピングしたＡｌ_0.5ＧａＡｓ、活性層１０３は発光層／バリア層がＩｎ_0.07ＧａＡｓ／Ａｌ_0.2ＧａＡｓで構成されている。
また、上部クラッド層１０４はｐ型ドーピングされたＡｌ_0.5ＧａＡｓ、上部コンタクト層１０５はｐ型ドーピングされたＧａＡｓで構成されている。
活性層１０３の厚さは４８ｎｍ、発光層１０６の厚さは８ｎｍとし、発光層１０６は、活性層１０３の中心に配置している。光吸収部１０７はＧａＡｓ層、厚さ５ｎｍの場合とし、発光層１０６からの距離を変えた場合についての結果を示している。

図４（ａ）は、横軸が発光層１０６からのｐ側方向への距離、縦軸が光吸収部１０７を追加しなかった時の波長７９０ｎｍにおける強度を１とした時の規格化強度を示している。
ここで、距離ゼロのみ、光吸収層を付加しなかった場合の点となっており（発光層と光吸収層は同じ位置におけないため）、距離２０ｎｍまでは、光吸収層がドーピングされない活性層１０３内にある場合、距離２０ｎｍ以上は、光吸収層がドーピングされた上部クラッド層１０４内にある場合を表す。
規格化強度が１より小さい場合は、吸収が起こっていることを表す。

図４（ａ）によると、光吸収部１０７は、ドーピングされない活性層１０３内に配置された時（距離１０ｎｍ）でも吸収がおきており、距離４０〜７０ｎｍ程度で最小となり、更に距離を増すと値が増えてくる。つまり、吸収が減ってくる。

図４（ｂ）には３種類のスペクトル形状を示している。
発光層１０６のみのスペクトル形状（光吸収部１０７を付加しなかった場合）である実線４０１と比較すると、
光吸収部１０７がドーピングされないバリア層内にある場合（発光層１０６からの距離は１５ｎｍ）の点線４０２では、７９０ｎｍ以下の波長の強度は減少しているが、スペクトル形状には８２０ｎｍ近辺に新たにピークが生じており、スペクトル形状が大きく変化している。
この８２０ｎｍ近辺のピークは、光吸収部１０７にキャリアが注入されたことにより発光が起こったことによるピークと考えられる。
スペクトル形状が点線４０２のようにガウシアン形状から大きくずれてしまうと、短波長からのピークによりノイズ成分の強度が出てしまう等の不具合が生じることがある。

一方、光吸収部１０７がドーピングされたクラッド層内に配置された場合（発光層１０６からの距離は３０ｎｍ）である一点鎖線４０３では、７９０ｎｍ以下の波長の強度のみ減少している。元々のスペクトル形状である実線４０１と比較し長波長側のスペクトル形状には大きな違いが見られない。
図４（ｂ）には図示していないが、更に距離を増やしていっても、スペクトル形状には大きな違いは見られない。
図４（ａ）より、距離を増加していくことにより、規格化強度は減少していく（吸収が増加する）が、最小値を経てまた上昇していくことが分かる。
図５に、図４と比較し、光吸収部１０７をＧａＡｓ、厚さ６ｎｍと変え、発光層１０６に対し光吸収部１０７をｎ側に配置した以外は同様の結果を示す。
ドーピングされない活性層１０３中に光吸収部１０７を配置すると、規格化強度が１を超える。
これは、キャリアが注入され発光してしまったためと考えられる。光吸収部１０７をドーピングされた下部クラッド層１０２内に配置すると（距離が２０ｎｍ以上）、規格化強度が１を下回り、７９０ｎｍの強度が吸収されていることがわかる。
この値は５０ｎｍ付近で最小値をとり、距離が更に増えると値が上昇していく（吸収量が減少していく）。

光吸収層の厚さや組成、発光層に対するｐ側、ｎ側の違い、活性層の厚さやクラッド層
との屈折率差による導波路構造等の違いにより、多少の特性の違いはある。しかし、いずれも光吸収層をドーピングされない活性層１０３内に配置すると、スペクトル形状が大きく異なる、短波長側でも発光が起きてしまう等の不具合が生じる。
したがって、光吸収層は、ドーピングされたクラッド層内に配置する必要がある。
光吸収部１０７の数は、１つに限るものではなく、減少させたい光量によって調整することができる。特に発光層の体積が多い場合には、光吸収部の損失量が足りなくなる場合がある。その際に光吸収部を複数層としても良い。
また、片側のクラッド層のみだけでなく、上下両方のクラッド層内に配置しても良い。
以上で示したように、ノンドープの領域から最適な距離を離すことによりノンドープの領域をオーバーフローして到達する少数キャリアの流入を抑制することができる。
ところで、ＳＬＤでは一般的なレーザダイオードと比較して高いキャリア密度で駆動するため、オーバーフローする少数キャリアの量も多くなる。そのため、ＳＬＤの活性層の構造や駆動条件、より具体的には電流密度や活性層の温度によっては、上記対策だけでは十分にキャリアを抑制できず、光吸収層から発光が生じてしまう場合が存在する。
そのような場合、光吸収層とノンドープの領域の間にクラッド層よりもバンドギャップの小さな層やクラッド層よりもバンドギャップの大きな層を設けることで、さらに好適にキャリアの抑制を行うことができる。これら両方を設ける場合、ノンドープに近い側から、バンドギャップがクラッド層より小さい層、そしてその先にバンドギャップが大きい層を設けることが最も好適である。
例えば、発光層が複数の半導体層を有し、第一のクラッド層と第二のクラッド層の少なくともいずれか一方がドーピングされている形態を考える。このような形態において、第一および第二のクラッド層よりバンドギャップが小さく、かつ複数の半導体層のうち最も小さいバンドギャップを持つ層のバンドギャップより大きなバンドギャップを持つキャリア消費層が設けられている。キャリア消費層は発光層と光吸収層との間で、かつドーピングされたクラッド層内に設ける。
また、このキャリア消費層と、ドーピングされたクラッド層よりバンドギャップが大きな障壁層が発光層と光吸収層との間で、かつドーピングされたクラッド層内に位置しており、活性層、キャリア消費層、障壁層の順で設けられている。
具体例は実施例５に示す。

以上、具体例としては、発光層が量子井戸を用いた場合について記載した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、注入電流の増加により高いエネルギーからの発光がおきるものであれば、発光層がバルク、量子井戸、量子細線、量子ドットのいずれであっても良い。
また、光吸収層としても量子井戸を用いた場合について記載したが、本発明はこれに限られるものではなく、所望の波長以下の波長帯に損失を持つものであれば、バルク、量子井戸、量子細線、量子ドットのいずれであっても良い。
光吸収層として、バルクを用いるよりも、量子井戸、量子細線、量子ドットを用いることにより、短波長側の吸収ピークがより急峻になる。

つぎに、発光層、光吸収層とも一般的な例である量子井戸を用いたＳＬＤを光源部として備えた光干渉断層撮像装置（以下ＯＣＴ装置とよぶことがある）の構成例について説明する。
図１０は、本実施形態における光干渉断層撮像装置の模式図である。
図１０のＯＣＴ装置は、光を検体に照射する光源部（１００１等）、検体部からの反射光を伝達させる検体測定部（１００７等）、光を参照ミラーに照射して参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部（１００２等）を備える。
また、２つの反射光を干渉させる干渉部（１００３）、干渉部により得られた干渉光を検出する光検出部（１００９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（１０１１）を備える。

以下に、各構成要素を説明する。
光源部は、ＳＬＤ光源１００１と該ＳＬＤ光源を制御する光源制御部１０１２を有して構成され、ＳＬＤ光源１００１は光照射用の光ファイバ１０１０を介して干渉部を構成するファイバカップラ１００３に接続されている。
干渉部のファイバカップラ１００３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１００４は、参照光光路用ファイバ１００２に接続されて参照部を構成し、ファイバ１００２は、ファイバカップラ１００３に接続されている。

検査光光路用１００５ファイバ、照射集光光学系１００６、照射位置走査用ミラー１００７により測定部が構成され、検査光光路用１００５ファイバは、ファイバカップラ１００３に接続されている。ファイバカップラ１００３では、検査物体１０１４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。
光検出部は、受光用ファイバ１００８とフォトディテクタ１００９で構成され、ファイバカップラ１００３で生ずる干渉光をフォトディテクタ１２０９に導く。フォトディテクタ１００９で受光された光は信号処理装置１０１１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１０１３に断層画像として表示される。
ここで、信号処理装置１０１１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１０１３は、パーソナルコンピュータの表示画面等で構成できる。

光源制御装置１０１２は、照射位置走査用ミラー１００７の駆動信号等をも制御する信号処理装置１０１１に接続され、走査用ミラー１００７の駆動と同期してＳＬＤ光源１００１が制御される。
例えば、上記で説明した光源を本例のＳＬＤ光源１００１として用いると、この光源装置は広帯域での情報取得が可能であるため、奥行き分解能が高解像な断層画像情報を高速に取得可能である。
更に、眼球の感度が高くなる７９０ｎｍ以下の波長における強度が低くなっているため、より正確な測定が可能となる。
このＯＣＴ装置は、眼科、歯科、皮膚科等における断層画像撮影に有用である。
尚、本実施例では、ＯＣＴ装置の一例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の方式のＯＣＴ装置の光源として用いることができる。

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６を用いて説明する。
本実施例のＳＬＤでは、発光スペクトルのうち、短波長側の光強度のみを減少させるデバイス構成として、クラッド層に吸収用量子井戸層が配置されて構成されている。
図６（ａ）に本実施例のＳＬＤの層構成を示す。
図６（ａ）に示すように、基板６０１としてｎ型にドーピングしたＩｎＰ基板を、下部クラッド層６０２としてｎ型にドーピングしたＩｎＰを用いる。
また、活性層６０３として発光層６０６／バリア層６２０（ＩｎＧａＡｓ_0.7Ｐ／ＩｎＧａＡｓ_0.35Ｐ）を、上部クラッド層６０４としてｐ型にドーピングしたＩｎＰ、コンタクト層６０５としてｐ型にドーピングしたＩｎＰを用いる。発光層６０６の厚さは８ｎｍとする。
光吸収層６０７として、厚さ８ｎｍのＩｎＧａＡｓ_0.6Ｐ量子井戸層を上部クラッド層６０４内に配置した。
その位置は、活性層６０３と上部クラッド層６０４の界面から５０ｎｍの場所とした。

図６（ｂ）に、上記層構成における発光スペクトルを示す。
実線６０８に比較例として、光吸収層６０７がない場合、点線６０９に本実施例の光吸収層６０７を追加した場合を示す。
図６（ｂ）より、光吸収層６０７を付加することにより中心波長近辺の強度の減少は見られないが、短波長側の強度が減少していることが分かる。
波長１．１５ｕｍにおける強度は、光吸収層６０７の追加によって約３５％減少した。またこの際半値幅の変化は約１％程度であった。
クラッド層に光吸収層を入れることにより、スペクトル形状には殆ど変化を与えず、短波長側の強度のみ減少させることができる。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態（ＳＬＤ）の構成例について、図７を用いて説明する。光吸収部が複数の光吸収層から構成されている形態の実施例である。
本実施例のＳＬＤでは、発光スペクトルのうち、短波長側の光強度のみを減少させるデバイス構成として、クラッド層に光吸収層が２層設けられている。
本実施例のＳＬＤは、図７に示すように、基板７０１としてｎ型にドーピングしたＧａＡｓ基板を、下部クラッド層７０２としてｎ型にドーピングしたＡｌ_0.5ＧａＡｓを用いる。
また、活性層７０３として発光層７０６／バリア層７２０（Ｉｎ_0.07ＧａＡｓ／Ａｌ_0.2ＧａＡｓ）を、上部クラッド層７０４としてｐ型にドーピングしたＡｌ_0.5ＧａＡｓ、コンタクト層７０５としてｐ型にドーピングしたＧａＡｓを用いる。発光層７０６の厚さは８ｎｍとする。光吸収層７０７、７０８として、厚さ６ｎｍのＧａＡｓ量子井戸層を、下部クラッド層７０２内に配置した。その位置は、活性層７０３と下部クラッド層７０２の界面からそれぞれ３０、５０ｎｍの場所とした。

この構成とした際の発光スペクトルと、光吸収層を設けない場合の発光スペクトルと比較すると、光吸収層を設けることにより中心波長付近の強度減少は起こらず、半値幅の減少も起こらなかった。
７９０ｎｍでの強度は、約６６％減少した。同構造において、光吸収層を３０ｎｍの位置に１層だけ追加した場合の強度は約３９％、５０ｎｍの位置に１層だけ追加した場合の強度は約３８％減少した。
本実施例は、活性層よりもｎ側に光吸収層を２つ配置した場合について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、光吸収層を３つ以上、ｐ側クラッド層に複数配置、ｎ側とｐ側のクラッド層両方に配置しても良い。
クラッド層に光吸収層を複数層設けることにより、スペクトル形状には殆ど変化を与えず、短波長側の強度のみを１層の場合よりもより多く減少させることができる。

［実施例３］
実施例３として、上記各実施例と異なる形態（ＳＬＤ）の構成例について、図８を用いて説明する。
本実施例のＳＬＤでは、光吸収部である量子井戸層の周囲のドーピング量が、その周囲のクラッド層よりも低いドーピング量に構成されている。
図８（ａ）は、光吸収部８０７が下部クラッド層８０２中にあり、更に光吸収部８０７の周囲の層８０８のドーピング濃度が、下部クラッド層８０２のうち周囲の層８０８に隣接する層８３０と比較し低くなっている。
本実施例では、周囲８０８のドーピング濃度を、領域８３０の濃度と比較し２桁低くしている。また、ドーピング濃度を低くしている領域は、光吸収部８０７を中心とし上下２０ｎｍとしている。

発光層８０６は厚さ８ｎｍのＩｎ_0.07ＧａＡｓ、バリア層８２０は上下２０ｎｍずつのＡｌ_0.2ＧａＡｓ、下部クラッド層８０２はｎ型にドーピングしたＡｌ_0.5ＧａＡｓ、光吸収部８０７は厚さ６ｎｍであるＧａＡｓである場合のスペクトルを図８（ｂ）に示す。
下部クラッド層８０２のドーピング量は１．０×１０¹⁸ｃｍ^-1であり、光吸収部８０７の周囲の層８０８はｎ型にドーピングされたＡｌ_0.5ＧａＡｓで、そのドーピング量は１．０×１０¹⁶ｃｍ^-1、厚さは光吸収部８０７を中心として上下にそれぞれ２０ｎｍである。また、光吸収部８０７は、活性層８０３と下部クラッド層８０２との界面から５０ｎｍの位置に配置している。

光吸収部の周囲の層８０８のドーピング濃度を変えない場合である実線８０９と比較し、光吸収部の周囲の層８０８の周辺のドーピング濃度が他より２桁低い場合である点線８１０では、波長７９０ｎｍでの強度が約４２％低下している。
本実施例では、光吸収部をｎ側に配置した例について記載したが、本発明はこれに限定されるものではなく、光吸収層とその周囲のドーピング濃度を低下させた領域をｐ側に配置しても良い。また、ｐ側とｎ側の両方に配置しても良い。

［実施例４］
実施例４として、光の強度分布を、光ガイド層を用いて光吸収層側へ寄せるようにした構成例について、図９を用いて説明する。
本実施例では、光吸収部９０７を下部クラッド層９０２中に配置し、更に活性層９０３において、発光層９０６の上部、上部クラッド層９０４との境界部分を含む領域の屈折率が、他の活性層９０３よりも低い光ガイド層９０８を有している。
活性層９０３として、発光層９０６／バリア層９２０（Ｉｎ_0.07ＧａＡｓ／Ａｌ_0.2ＧａＡｓ）をそれぞれ８ｎｍ／２０ｎｍの厚さとし、そのうち上部クラッド層９０４側の活性層を１０ｎｍの厚さ分Ａｌ_0.3ＧａＡｓに置き換え、これを光ガイド層９０８とする。
Ａｌ_0.5ＧａＡｓから構成される下部クラッド層９０２中、活性層９０３との境界から５０ｎｍ離れた位置に光吸収部９０７を配置すると、光ガイド層９０８がない時と比べ、波長７９０ｎｍにおけるスペクトル強度は約３％低下する。

本実施例では、光ガイド層が活性層中にある場合を示したが、本発明はこれに限定するものではなく、光強度分布を光吸収部側へ寄せる構成であれば光ガイド層はどのような構成でも良い。
より具体的には、発光層からみて光吸収部と反対側のバリア領域内に周囲のバリア領域内よりも屈折率の低い領域を配置する、または発光のための量子井戸層からみて光吸収部と同じ側のクラッド層内に周囲のクラッド領域よりも屈折率の高い領域を配置する等でも良い。
光ガイド層を用いることで、より効果的に短波長の強度を吸収することが可能となる。

［実施例５］
本実施例では、実施例２と同じ活性層７０３、クラッド層７０４、光吸収部７０７および７０８、基板７０１を用いている。
図１３に本実施例の発光層付近の半導体層構造をバンド図として示す。クラッド層１３０２は実施例２のクラッド層７０２と同一の組成、すなわちｎ型にドーピングしたＡｌ_0.5ＧａＡｓで構成されているが、キャリア消費層１１０１と障壁層１１０２が含まれている点がクラッド層７０２とは異なる。
実施例２との違いは、活性層７０３と光吸収部７０７、７０８の間にクラッド層１３０２よりもバンドギャップの小さなキャリア消費層１１０１とクラッド層１３０２よりもバンドギャップの大きな障壁層１１０２が設けられている点である。これ以外の点は、実施例２と同一の構造である。そのため、この違いによる効果を以下で説明する。
本実施例では、ドーピング層内に光吸収部を設けることによる発光の抑制に加え、キャリア消費層１１０１と障壁層１１０２を設けることで、更に光吸収部へのキャリアの流入とキャリアを抑制できるメカニズムを説明する。
まず、クラッド層１３０２よりバンドギャップの大きな障壁層１１０２の効果について説明する。これは、従来の半導体レーザと同様に、オーバーフローを抑制するためにバンドギャップの大きな層を設けている。これによりバンドギャップ障壁ができる。
そして、キャリアがこの障壁を乗り越えるにはその差に相当するエネルギーが必要である。
しかしそのような高いエネルギーを持つキャリアは少ないため、大部分のキャリアはこの障壁でその先へ侵入することが食い止められる。

次に、クラッド層１３０２よりもバンドギャップの小さなキャリア消費層１１０１をクラッド層１３０２内に設ける効果について説明する。
ノンドープの発光層からクラッド層１３０２に漏れ出た少数キャリアはバンドギャップの小さなキャリア消費層１１０１に流入する。そして、エネルギーポテンシャルの小さな領域であるため、そこに閉じ込められた状態となり長い時間とどまる。そのため、再結合する確率が上がり、この層でキャリアが消費される。
上記２つの層は本実施例のような順番で設けることが好ましい。キャリア消費層１１０１と障壁層１１０２間の障壁が最も大きくできる構成であり、この大きな障壁によるキャリアのオーバーフロー抑制と、その手前でのキャリアの消費の両方の組み合わせができる。

また、キャリア消費層１１０１のバンドギャップは発光スペクトルの最短波長付近になっている。これは、キャリア消費層１１０１では発光再結合が起きるため、この波長が本来、発光が期待される波長帯の中に位置していることで、ここからの発光も使用できる。また、それが短波長の端であることで、これよりも長波長の光は、キャリア消費層１１０１のバンドギャップ間の基礎吸収の影響を受けないためである。そのため、キャリア消費層１１０１のバンドギャップが使用する波長帯において、短波長側の端付近であることが好ましい。

１０１：基板
１０２：下部クラッド層
１０３：活性層
１０４：上部クラッド層
１０５：コンタクト層
１０６：発光層
１０７：光吸収部

Claims

第一のクラッド層と第二のクラッド層と、
それらの間に設けられた、発光層とバリア層とを含む活性層とを有し、前記発光層から発光される光のスペクトルが中心波長λｃ、スペクトル半値幅Δλである光半導体素子であって、
前記第一のクラッド層と前記第二のクラッド層の少なくともいずれか一方が、下記の式（１）で示されるλｓ以下の波長の光を吸収する光吸収部を有することを特徴とする光半導体素子。

λｓ＜（λｃ−（Δλ／２））式（１）
前記光吸収部が、量子井戸層を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
前記光吸収部が、複数の光吸収層を有し、
前記複数の光吸収層が、前記第一のクラッド層と前記第二のクラッド層のいずれか一方または双方に位置していることを特徴とする請求項２に記載の光半導体素子。
前記第一のクラッド層と前記第二のクラッド層は、ドーピングされた構成を備え、
前記ドーピングされたクラッド層に位置している前記光吸収部の周囲の層のドーピング濃度が、
前記周囲の層に隣接する層のドーピング濃度と比較し、低いドーピング濃度とされていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光半導体素子。
前記バリア層、または前記光吸収層が位置しているクラッド層のいずれか一方または双方に、周囲と屈折率の異なる層を配置し、
前記発光層からの光強度分布が、前記クラッド層における前記光吸収層が位置する場所で増加するように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光半導体素子。
前記発光層が複数の半導体層を有し、
前記第一のクラッド層と前記第二のクラッド層の少なくともいずれか一方がドーピングされており、
前記第一および第二のクラッド層よりバンドギャップが小さく、かつ前記複数の半導体層のうち最も小さいバンドギャップを持つ層のバンドギャップより大きなバンドギャップを持つキャリア消費層が、
前記発光層と前記光吸収層との間で、かつ前記ドーピングされたクラッド層内に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
前記キャリア消費層と、前記ドーピングされたクラッド層よりバンドギャップが大きな障壁層が前記発光層と前記光吸収層との間で、かつ前記ドーピングされたクラッド層内に位置しており、
前記活性層、前記キャリア消費層、前記障壁層の順で設けられていることを特徴とする請求項６に記載の光半導体素子。
前記発光層から発光される光のスペクトル中心波長が８３０〜８７０ｎｍであり、
前記光吸収層により吸収される波長として、少なくとも７９０ｎｍ以下を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光半導体素子。
請求項１から８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光に基づいて、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。