JP2015106607A - 波長可変面発光レーザおよびその製造方法およびそれを用いた光干渉断層像取得装置 - Google Patents

波長可変面発光レーザおよびその製造方法およびそれを用いた光干渉断層像取得装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 モノリシック型の波長可変面発光レーザの静電アクチュエータ部の支持部の耐圧を向上させ、高い駆動電圧での駆動を可能とする。【解決手段】 第１反射鏡と、活性層と、空隙部と、第２反射鏡と、をこの順に有し、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間の距離を変化させることによって出射する光の波長を可変とする波長可変面発光レーザであって、前記活性層上に設けられた導電層と、前記導電層上に支持部を介して設けられた前記第２反射鏡を備える導電性の梁部と、前記導電層の前記第２反射鏡と対向する領域と前記支持部との間に設けられた高抵抗領域と、を有し、前記梁部と前記導電層の前記第２反射鏡と対向する領域との間に電圧を印加して前記梁部を変位させることを特徴とする波長可変面発光レーザ。【選択図】 図１

Description

本発明は波長可変光源、特に波長可変機構としてＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）機構によって反射鏡を可動させ、発振波長を変化させる波長可変面発光レーザに関する。
近年、医用分野において、光干渉画像断層診断法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ 以下ＯＣＴと略す）と呼ばれる、近赤外線を用いた非侵襲・非接触の診断方法が研究されている。ＯＣＴにおいて幾つかの手法が検討されているが、中でも波長掃引光源を用いたＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ 以下ＳＳ−ＯＣＴと略す）が注目されている。ＳＳ−ＯＣＴ用の波長可変光源には、広い波長可変幅と狭いスペクトル線幅と高速動作とが要求される。そのような要求を実現するため、垂直共振面発光レーザ（以下ＶＣＳＥＬと略す）の一方の反射鏡を、ＭＥＭＳ技術で作製したアクチュエータによって動かし、共振器長を変化させて発振波長を可変とする波長可変ＶＣＳＥＬが研究されている。
波長可変ＶＣＳＥＬの製法には、可動部を別体で作製して半導体レーザ基板に接合する方法と、可動部を半導体レーザ基板上にモノリシックに形成する方法がある。接合に関するアライメントなどの諸問題や工程の簡便性などから、モノリシックに形成する方法が多く研究されている。
非特許文献１には、ＭＥＭＳ技術を用いてモノリシックに形成された、波長可変ＶＣＳＥＬが開示されている。図５（ａ）は非特許文献１の波長可変面発光レーザの平面模式図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）中の破線Ａ−Ａ’における断面模式図である。波長可変面発光レーザは、半導体基板１に第１反射鏡２から可動部である梁部９を構成する層までを連続して積層したのち、選択性エッチングなどの加工を施して梁部９を形成し第１電極端子１０、第２電極端子１２を形成する事によって形成される。この時、活性層の劣化を抑制するため、第１反射鏡から梁部９を構成する層までは、半導体基板１と格子整合する材料が用いられる。
非特許文献１では、半導体基板１にＧａＡｓを用いている。そして、第１反射鏡２のＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒｕｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｒ）層、第１スペーサ層３、活性層４、第２スペーサ層５、絶縁層６、導電層７のそれぞれにはＧａＡｓもしくはＡｌＧａＡｓが用いられている。また、支持部８を構成する層（犠牲層）にＧａＡｓ、梁部９を構成する層としてＡｌＧａＡｓが用いられている。梁部９には第２反射鏡１１としてＨｉｇｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｇｒａｔｉｎｇ（ＨＣＧ）が形成されている。
導電層７と梁部９とは、支持部８を介して電気的に分離されており、導電層７と梁部９のそれぞれに第１電極端子１０、第２電極端子１２を介して駆動電圧を印加すると、導電層７と梁部９との間に静電力が生じる。この静電力によって梁部９が導電層７側に引き寄せられて、梁部９に形成された第２反射鏡１１と第１反射鏡２との間の共振器長が変化するため、レーザの発振波長を変化させることができる。
［Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｇｒａｔｉｎｇ ＶＣＳＥＬｓ：Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｎ ＩｎＰ−ｂａｓｅｄ ＶＣＳＥＬｓ］ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．ＵＣＢ／ＥＥＣＳ−２０１１−４４
被検体の深さ方向の分解能の向上と計測時間の短縮を実現するため、ＳＳ−ＯＣＴ用の波長可変光源には広い波長帯域を高速で掃引することが求められる。波長可変帯域は梁部の変位量によって決定され、高速性は梁部が有する共振周波数によって制限される。
静電型アクチュエータにおいて、変位量は印加する駆動電圧によって制御されるが、高い共振周波数を有する構造は剛性が高く、変位しにくい。従って、一定量の変位を得るのに必要な駆動電圧は、共振周波数が高い構造ほど高くなる。
例として、図６に共振周波数と一定量の変位を得るのに必要な駆動電圧の関係の計算結果を示す。アクチュエータの可動部の構造は単純両持ち梁構造とし、梁材料はＡｌ組成が０．７のＡｌＧａＡｓ、厚さは２５０ｎｍ、エアギャップは１．８μｍとした。図６では、梁部の長さを２０μｍから１００μｍまで変えた時の構造の共振周波数を横軸、その構造に対して０．６μｍ変位に必要な電圧の計算値を縦軸に示している。梁部の長さが短いほど、梁部の剛性が高くなり共振周波数は高くなる。
図からわかるように、一定量の変位を確保しつつ高速で動作させようとすると、駆動電圧を高くする必要がある。駆動電圧を高くするには、導電層７と梁部９とを絶縁する支持部８に高い絶縁耐圧が求められる。
しかしながら、梁部９を半導体レーザ基板にモノリシックに作りこむ場合、支持部８を構成する層は、半導体基板と格子整合性の良い半絶縁性半導体の材料に制限される。一般的に、半導体基板と格子整合性の良い半絶縁性半導体は絶縁耐圧が低く、駆動電圧を高くすることが出来ないという問題点がある。
例えば非特許文献１で支持部に使用しているＧａＡｓを例にとると、エアギャップを１．８μｍとした時の時耐圧は７２Ｖである。この場合、変位量０．６μｍを確保するためには、共振周波数がおよそ７２０ｋＨｚ以下の剛性の低い梁部に制限されてしまい、さらなる高速動作を実現することができない。
本発明は、上記課題を鑑み、支持部の絶縁耐圧を向上させ、広い波長帯域を高速で掃引可能な波長可変発光レーザとその製造方法、およびそれを用いた光干渉断層像取得装置を提供する事を目的とする。
本発明による波長可変面発光レーザは、第１反射鏡と、活性層と、空隙部と、第２反射鏡と、をこの順に有し、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間の距離を変化させることによって出射する光の波長を可変とする波長可変面発光レーザであって、前記活性層上に設けられた導電層と、前記導電層上に支持部を介して設けられた前記第２反射鏡を備える導電性の梁部と、前記導電層の前記第２反射鏡と対向する領域と前記支持部との間に設けられた高抵抗領域と、を有し、前記梁部と前記導電層の前記第２反射鏡と対向する領域との間に電圧を印加して前記梁部を変位させることを特徴とする。
本発明によれば、支持部と導電層の第２反射鏡に対向する領域とが導電層との間に設けられた高抵抗化領域によって、電気的に分離されている事により、梁部と導電層の第２反射鏡に対向する領域との間に印加できる駆動電圧の上限値を高くすることが出来る。その結果、高速かつ波長可変範囲の広い波長可変面発光レーザを実現することができる。
本発明の実施例にかかる波長可変面発光レーザの第１例の概略断面図 本発明の波長可変面発光レーザの第２例の概略断面図 本発明の波長可変面発光レーザの第３例の概略断面図 本発明の実施例にかかる波長可変面発光レーザの製造工程を示す図 従来の実施例にかかる波長可変面発光レーザの概略断面図 共振周波数と一定の可変量を得るのに必要な電圧との関係を示す図 本発明の波長可変面発光レーザの適用例である光干渉断層像取得装置の概略図
以下、図面を用いて本発明にかかる波長可変面発光レーザについて説明する。
図１（ａ）は波長可変面発光レーザの平面模式図、図１（ｂ）は図１（ａ）における破線Ａ−Ａ’での断面模式図である。図１において半導体基板１には、第１反射鏡であるＤＢＲ層２、第１スペーサ層３、活性層４、第２スペーサ層５、絶縁層６、導体層７が順次積層されている。導体層７の上には、第１電極端子１０と、第２反射鏡１１を備える梁部９を支持するための支持部８とが設けられており、梁部９には第２電極端子１２が設けられている。梁部９と導電層７とは、支持部８の高さに応じた空隙部１４で離間されている。第１スペーサ層３および第２スペーサ層５は、第１反射鏡２と第２反射鏡１１との光学距離を調整する役割を有している。
第２反射鏡１１としては半導体ＤＢＲや誘電体ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒｕｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｒ）、ＨＣＧ（Ｈｉｇｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｇｒａｔｉｎｇ）などを用いる事が出来る。ＨＣＧは、反射帯域が広い上に構造上軽量であるため高速動作が可能であることから、特に好ましい。反射鏡として半導体ＤＢＲを用いる場合には、梁部そのものを半導体ＤＢＲ構成にしておく事も好ましい。
さらに、本発明では、梁部９と導電層の第２反射鏡に対向する領域１５との間に印加する駆動電圧が支持部８に印加されないようにするため、導電層の第２反射鏡に対向する領域１５と支持部８との間に高抵抗化領域１３を設けて互いを電気的に分離している。図１（ａ）では、第１電極端子１０を含み導電層の第２反射鏡に対向する領域１５を囲んで設けているが、これに限定されるものではない。高抵抗化領域１３は、図２の様に支持部８と接する領域としても良いし、図３の様に支持部８の周辺部を取り囲んで形成しても良い。
高抵抗化領域１３は、導電層７にイオンを打ち込んで高抵抗化することにより得られる。高抵抗化領域１３の抵抗率は、導電層の第２反射鏡に対向する領域１５と支持部８とを電気的に分離するのが目的であるため、導電層が有する抵抗率の１０倍以上、より好ましくは１０００倍以上とする。
例えば、導電層７がＡｌＧａＡｓからなる場合は、打ち込むイオンとして水素イオン、酸素イオン、ホウ素イオンのいずれかを好適に用いることができる。加速電圧は注入されるイオン濃度が導電層の深さ近辺で最大になる様に適切に選択すれば良い。また、ドーズ量は必要駆動電圧、高抵抗領域の平面パターンなどを考慮して適切に選択すればよく、お１×１０１２ｃｍ−２以上５×１０１５ｃｍ−２以下の範囲が好適である。また、イオン注入の他に、酸化狭窄の手法を用いる事も可能である。
導電層の第２反射鏡に対向する領域１５と支持部８とを電気的に分離することにより、導電層の第２反射鏡に対向する領域１５と梁部９との間に印加された電圧は、ほとんど支持部８には印加されなくなる。従って導電層の第２反射鏡に対向する領域１５と梁部９との間に、支持部８の耐圧以上の電圧を印加することが可能となり、剛性の高い梁部９を用いても、大きく変位させることができる。即ち、本発明にかかる構成を有する波長可変面発光レーザは、広い波長帯域を高速で掃引して光を出射することが可能となる。
本発明にかかる波長可変面発光レーザを光源として好適に用いることのできる光干渉断層像取得装置（以下ＯＣＴ装置と記す）の概略構成を図７に示す。
波長掃引光源５０１として本発明の波長可変型面発光レーザを用いる。波長掃引光源５０１から出力された時間に対して波長が変化するレーザ光は、ファイバカプラ５０２を通り二つに分岐される。一方はレンズを通し被検体に照射され、もう一方はコリメータレンズ５０６を通し光路長調整機構５０７を経て再度コリメータレンズ５０８を通しファイバへ集光される。
被検体からの反射光は、被検体からの反射光を伝達させる被検体用光路を介してファイバカプラへ集まる。すなわち、再度レンズを通りファイバへ戻りファイバカプラ５０２を通りファイバカプラ５０４へ導かれる。
また、光路長調整機構を通り伝達させる参照光用光路を介してファイバカプラへ集まる。すなわち、光路長調整機構５０７を通った光もファイバカプラ５０４へ集まる。
このファイバカプラ（干渉部）５０４にて被検体からの信号光と、光路長調整機構５０７を通った参照光とが合波し、干渉信号（干渉光）が生成される。この干渉信号はファイバカプラ５０４で２つに分岐され、差動検出器（光検出部）５０９にて干渉信号の干渉成分のみをＳ／Ｎ良く検出する。
差動検出器５０９で検出された干渉信号は演算処理装置５１０にて均一周波数間隔の干渉スペクトルデータからフーリエ変換を施すことにより、被検体の奥行き情報を取得する。取得した奥行き情報は、画像表示装置５１１にて断層像として表示される。
本発明の波長可変面発光レーザを光源５０１として用いることにより、被検体の深さ方向の分解能が高く、計測時間の短いＯＣＴ装置を提供することが可能となる。
以下に本発明の実施例にかかる波長可変面発光レーザとその製造方法を説明する。詳細な説明を省略している部分は、公知の構成あるいは方法を適用することができる。
図１は本実施例である波長可変面発光レーザの断面及び平面の概略図である。半導体基板１は第１反射鏡であるＤＢＲ層２と、ＤＢＲ層２の上に設けられスペーサ層３および５で挟まれた活性層４と、絶縁層６と、導電層７とを備えている。本実施例では、半導体基板１としてｎ型ＧａＡｓ基板を用いた。ＤＢＲ層２はＡｌＡｓとＧａＡｓの積層構造とし、活性層として多量子井戸構造を有するＩｎＧａＡｓ層、第１スペーサ層および第２スペーサ層にはＡｌＧａＡｓ層を用いた。絶縁層６には、第２反射鏡１１の真下にあたる一部分（図１（ａ）の点線で囲った円の部分）を除いて酸化した、半絶縁性半導体層であるＡｌＧａＡｓ層を用いた。
導電層７の上には、厚さ約１．８μｍの半絶縁性ＧａＡｓから構成される支持部８を介して、厚さ約０．２５μｍのＡｌ組成０．７のｎ型ＡｌＧａＡｓである半導体導電層からなる梁部９を形成した。尚、梁部９にはＨＣＧ１１が形成してあり、第２反射鏡として機能する。
梁部９の上には、約０．２μｍ厚のＡｕＧｅ層、厚さ約１０ｎｍのＮｉ層、厚さ約０．３μｍのＡｕ層からなる第２電極端子１２を設けた。導電層 ７の上には、梁部の直下を避けて、厚さ約５０ｎｍのＴｉ層、厚さ約０．３μｍのＡｕ層からなる第１電極端子１０を形成した。また、導電層７には、イオン注入によって導電層の第２反射鏡に対向する領域１５を取り囲んで高抵抗化領域１３を設け、支持部８と第１電極端子１０が設けられ導電層の第２反射鏡に対向する領域１５とを電気的に分離した。
第１電極端子１０と第２電極端子１２との間には、不図示の配線によって駆動電圧を印加することができる。両端子間に駆動電圧を印加すると、梁部９は第２電極端子１２と同電位、高抵抗化領域１３で囲まれた領域の導電層は第１電極端子１０と同電位となる。従って、梁部９と高抵抗化領域１３で囲まれた領域、即ち導電層の第２反射鏡に対向する領域１５との間に静電気力が生じ、梁部９が導電層７側に引き寄せられ、空隙部１４が変化する。
次に、図４を用いて本発明の波長可変面発光レーザの作製方法を説明する。図４は、図１の波長可変面発光レーザの作製方法を、断面概略図を用いて示したものである。
まず、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１の上に、ＡｌＡｓとＧａＡｓを交互に積層して、第１反射鏡であるＤＢＲ層２を形成した。さらにＡｌＧａＡｓからなる第１スペーサ層３、ＩｎＧａＡｓからなる活性層４、ＡｌＧａＡｓからなる第２スペーサ層５、およびＡｌＧａＡｓからなる層を順次形成した。なお、このＡｌＧａＡｓからなる層はプロセス途中で一部を除いて酸化し、絶縁層６としている。
絶縁層６の上に導電性ＡｌＧａＡｓを堆積して導電層７を形成した後、支持部を構成する層８´を、半絶縁性ＧａＡｓにて厚さ約１．８μｍで形成した。さらに、梁部を構成する層９´を、Ａｌ組成０．７のｎ型ＡｌＧａＡｓにて厚さ約０．２５μｍで形成した（図４（ａ））。ここまで堆積した層は、いずれも有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて成膜した。
次に、梁部を構成する層９´の上に、フォトレジストによってイオン注入用マスク２１を形成（図４（ｂ））する。さらに、加速電圧２３５ｋｅＶ、ドーズ量２×１０１５ｃｍ−２にてプロトンイオン注入を行い、導電層の第２反射鏡に対向する領域１５を囲む５μｍ幅の高抵抗化領域１３を形成した（図４（ｃ））。
溶媒にてイオン注入マスクを除去した後（図４（ｄ））、梁部を構成する層９´の上に、第２反射鏡となるＨＣＧのパターンと梁部として用いる部分を覆うパターン２２を、レジストを用いて形成した。マスクで覆われていない領域の梁部を構成する層９´、および支持部を構成する層８´を、導電層７に到達するまでドライエッチング法にて除去し、梁部を構成する層９´を梁状にした（図４（ｅ））。この工程により、第２反射鏡となるＨＣＧパターンを備える梁部９を形成することができた。
続いて、導電層７が露出しかつ高抵抗化領域１３で囲まれた領域１５内に、Ｔｉ約５０ｎｍ、Ａｕ約３００ｎｍを順次形成したのち、フォトリソグラフィを用いてパターニングして、第１電極端子１０を形成した（図４（ｆ））。さらに梁部９の上にＡｕＧｅ約０．２μｍ、Ｎｉ約１０ｎｍ、Ａｕ約３００ｎｍを順次形成したのち、フォトリソグラフィを用いてパターニングして、図４（ｇ）のように第２電極端子１２を形成した。
最後にクエン酸と過酸化水素の混合溶液を用いて支持部を構成する層８´のＧａＡｓ層を選択的にエッチングして支持部８をパターニングすることにより空隙部１４を形成した（図４（ｈ））。
空隙部１４を形成後、レーザドップラー振動計を用いて共振周波数を測定したところ、１４００ｋＨｚであった。また、直流電圧を印加したところ、１２５Ｖにおいて所謂プルイン現象が発生したが、支持部８における絶縁破壊現象は見られなかった。
比較としてプロトン注入を行わない点を除いて、実施例と同様にサンプルを作製し、同様の測定を行ったところ、共振周波数は１４００ｋＨｚで同じだったが、電圧印加の際７０Ｖにおいて支持部８における絶縁破壊が生じた。
以上の結果から、本発明の構成を備えることで、梁部９と導電層の第２反射鏡に対向する領域１５に、支持部８の耐圧以上の電圧を印加することが可能となり、剛性の高い梁部９を用いても、大きく変位させることができる。従って、本発明にかかる構成を有する波長可変面発光レーザは、広い波長帯域を高速で掃引することが可能となり、ＯＣＴ装置の光源として好適に用いることができる。
１ 基板
２ 第１反射鏡（ＤＢＲ層）
３ 第１スペーサ層
４ 活性層
５ 第２スペーサ層
６ 絶縁層
７ 導電層
８ 支持部
９ 梁部
１０ 第１電極端子
１１ 第２反射鏡（ＨＣＧ）
１２ 第２電極端子、
１３ 高抵抗化層
１４ 空隙部

Claims (10)

  1. 第１反射鏡と、活性層と、空隙部と、第２反射鏡と、をこの順に有し、
    前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間の距離を変化させることによって出射する光の波長を可変とする波長可変面発光レーザであって、
    前記活性層の上に設けられた導電層と、
    前記導電層の上に支持部を介して設けられた前記第２反射鏡を備える導電性の梁部と、
    前記導電層の前記第２反射鏡と対向する領域と前記支持部との間に設けられた高抵抗領域と、を有し、
    前記梁部と前記導電層の前記第２反射鏡と対向する領域との間に電圧を印加して前記梁部を変位させることを特徴とする波長可変面発光レーザ。
  2. 前記高抵抗化領域の抵抗率が、前記導電層の抵抗率の１０倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変面発光レーザ。
  3. 前記高抵抗化領域が、前記導電層にイオンが注入された領域であることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変面発光レーザ。
  4. 前記高抵抗化領域に注入されたイオンが、水素イオンまたは酸素イオンであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変面発光レーザ。
  5. 前記第２反射鏡がＨｉｇｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｇｒａｔｉｎｇであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波長可変面発光レーザ。
  6. 前記第１反射鏡がＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒｕｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｒであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の波長可変面発光レーザ。
  7. 光源と、
    前記光源からの光を被検体に照射し、被検体からの反射光を伝達させる被検体用光路と、
    前記光源からの光を光路長調整機構を通り伝達させる参照光用光路と、
    前記被検体用光路からの反射光と前記参照光用光路からの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、
    前記光検出部で得られた干渉信号から前記被検体の断層像を得る演算処理装置と、
    を備える光干渉断層像取得装置であって、
    前記光源が、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の波長可変面発光レーザを備えることを特徴とする光干渉断層像取得装置。
  8. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の波長可変面発光レーザの製造方法であって、
    第１反射鏡と活性層とを備える半導体基板の上に、第１の半導体導電層と半絶縁性の半導体層と第２の半導体導電層とを順次形成する工程と、
    前記第１の半導体導電層の一部を高抵抗化する工程と、
    前記半絶縁性の半導体層および第２の半導体導電層を梁状にパターニングする工程と、
    第２の半導体導電層に第２反射鏡を形成する工程と、
    前記半絶縁性半導体の一部を除去して前記第２反射鏡と前記第１の半導体導電層との間に空隙部を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする波長可変面発光レーザの製造方法。
  9. 前記第１の半導体導電層の一部を高抵抗化する工程が、イオン注入によって行われることを特徴とする請求項８に記載の波長可変面発光レーザの製造方法。
  10. 前記第１の半導体導電層の一部を高抵抗化する工程においてイオン注入されるイオンが、水素イオンまたは酸素イオンであることを特徴とする請求項９に記載の波長可変面発光レーザの製造方法。
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