JP5812236B2 - Optical semiconductor substrate and light source device - Google Patents
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Description
本発明は、結晶成長技術により得られる光半導体基板、及び、光半導体基板から得られた光半導体素子を備えた光源用装置に関する。
The present invention relates to an optical semiconductor substrate obtained by the crystal growth technique,及 Beauty, it relates to a light source for apparatus having an optical semiconductor device obtained from the optical semiconductor substrate.
結晶成長技術により得られる自己組織化の量子ドットは、光学素子等としてこれまで多くの技術応用が提案されている。特に、ＩｎＡｓ量子ドットの発光波長である１．３μｍ帯は、生体組織において浸透長が長く散乱が少ないため、医療・バイオイメージングにも適している。特に光コヒーレンストモグラフィ（以下、ＯＣＴという）はインコヒーレントな広帯域光源を用いるため、もともと帯域に広がりを持つ自己組織化の量子ドットがＯＣＴの光源材料として有望視されている。 Many technical applications have been proposed for self-assembled quantum dots obtained by crystal growth techniques as optical elements. In particular, the 1.3 μm band, which is the emission wavelength of InAs quantum dots, is suitable for medical and bioimaging because it has a long penetration length and little scattering in living tissue. In particular, since optical coherence tomography (hereinafter referred to as OCT) uses an incoherent broadband light source, a self-organized quantum dot having a broad band is promising as a light source material for OCT.
ＯＣＴの光源として使用される従来の、量子井戸や量子ドットを用いた高輝度エミッティングダイオード（ＳＬＤ）では、充分に帯域が広いとは言えず（１００ｎｍ程度）、また、スペクトル形状にディップ等が存在している。
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。
A conventional high-intensity emitting diode (SLD) using quantum wells or quantum dots used as an OCT light source cannot be said to have a sufficiently wide band (about 100 nm), and there is a dip in the spectrum shape. Existing.
In order to improve the performance (resolution) of OCT, it is necessary to further broaden the band. Therefore, for example, as shown in Patent Document 1, an attempt is made to realize a broadband light source by multiply stacking quantum dot layers. Yes. Such quantum dots can also be used as light receiving elements.
特許文献１のように、量子ドット層を多重積層化した場合、層相互の発光帯と吸光帯との重なりによりエネルギー遷移が生じ、発光素子として用いると、発光効率が低下するおそれがある。また、ＯＣＴに用いる場合、この構造では、光源として好ましいスペクトル形状を得ることが困難であり、その結果、画像ノイズの原因となることがある。 When the quantum dot layers are stacked in multiple layers as in Patent Document 1, energy transition occurs due to the overlap between the light emission band and the light absorption band of the layers, and when used as a light emitting element, the light emission efficiency may be reduced. Further, when used for OCT, this structure makes it difficult to obtain a preferable spectral shape as a light source, and as a result, it may cause image noise.
そこで、本発明は、発光又は受光の効率を向上させることができ、しかも、広帯域でかつ所望のスペクトル形状を得ることが可能となる光半導体基板、及び、この光半導体基板から得られた光半導体素子を備えた光源用装置を提供することを目的とする。
Accordingly, the present invention can improve the efficiency of light emission or light reception, moreover, an optical semiconductor substrate becomes possible to obtain a wide band and a desired spectral shape,及 Beauty, obtained from the optical semiconductor substrate Light An object of the present invention is to provide a light source device provided with a semiconductor element.
（１）本発明は、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、出力特性が異なる少なくとも三種類のものを含み、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おり、前記出力特性が異なる前記変換部の発光波長が前記集積面に沿った一方向に向かって順に長くなるようにして、当該出力特性が異なる当該変換部は当該一方向に並んでおり、複数の前記変換部は、更に、出力特性が同じものを含み、前記出力特性が異なる前記変換部は、前記集積面に沿った前記一方向に並び、前記出力特性が同じ前記変換部は、当該集積面に沿った他方向に並んでおり、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、前記出力特性が異なる前記変換部では、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ことを特徴とする。
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。
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。
(1) The present invention is an optical semiconductor substrate including a plurality of conversion units that perform electro-optic conversion and a substrate body in which the plurality of conversion units are integrated and arranged, and the plurality of conversion units are configured to output The conversion unit including at least three types having different characteristics, the output units having different output characteristics being arranged in a direction along the integration surface of the substrate body, and the emission wavelength of the conversion unit having different output characteristics The conversion units having different output characteristics are arranged in the one direction so that each of the conversion units has the same output characteristic. The conversion units having different output characteristics are arranged in the one direction along the integration surface, and the conversion units having the same output characteristics are arranged in the other direction along the integration surface, and the conversion Part includes a quantum dot and the quantum dot. In the conversion portion having a strain relaxation layer formed thereon and having different output characteristics, one or both of the thickness and the composition ratio of the strain relaxation layer is a strain relaxation layer of another conversion portion. It is characterized by being different .
According to the present invention, since the plurality of conversion units are distributed and arranged in the direction along the integration surface of the substrate body, the plurality of conversion units are independent of each other and can prevent interference with each other. it can. That is, energy transition does not occur as in the conventional multi-layered structure, and light emission efficiency can be improved.
And since the conversion parts having different output characteristics after conversion are arranged in a distributed manner along the integration surface of the substrate body, for example, the center wavelength of light emission is widely distributed (shifted) as this output characteristic, It is possible to have a broad spectrum as a whole, and it is possible to arbitrarily control the spectrum shape by providing each converter with a predetermined characteristic, and it is possible to obtain a spectrum shape such as a Gaussian shape, for example. Become .
Also, the optic converter is to output (emission) light of a predetermined PL distribution by the introduction of a predetermined current (applied), the output characteristics after conversion of electro-optic conversion is a PL distribution of the light output The parameters to be specified are, for example, the center wavelength (emission wavelength), the spread degree (dispersion) of the PL distribution, and the like.
そして、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。
And the conversion part which has a different center wavelength can be formed by varying one or both of the thickness and composition ratio of a strain relaxation layer.
Moreover, the conversion part which has a different center wavelength can also be formed by changing the magnitude | size and composition of a quantum dot.
（２）また、本発明の光源用装置は、前記（１）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。
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。
( 2 ) Moreover, the light source device of the present invention is electrically parallel to each of the optical semiconductor element obtained from the optical semiconductor substrate according to (1 ) and the plurality of conversion units included in the optical semiconductor element. It is characterized by comprising: a connected wiring section; and a control section for individually controlling a current applied to the conversion section through the wiring section for each of the plurality of conversion sections.
According to the present invention, the shape of the spectrum can be adjusted by controlling the magnitude of the current applied to the conversion unit, and further, the optical semiconductor substrate element having a plurality of conversion units by individually controlling each conversion unit The spectrum shape can be an arbitrary shape (for example, Gaussian shape). In addition, when quantum dots are included in the conversion part, the emission current from the excitation level in the quantum dots contributes by increasing the injection current into the conversion part and enhancing the excitation by the current. Is possible.
（３）また、本発明は、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、入力特性が異なる少なくとも三種類のものを含み、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おり、前記入力特性が異なる前記変換部の受光波長が前記集積面に沿った一方向に向かって順に長くなるようにして、当該入力特性が異なる当該変換部は当該一方向に並んでおり、複数の前記変換部は、更に、入力特性が同じものを含み、前記入力特性が異なる前記変換部は、前記集積面に沿った前記一方向に並び、前記入力特性が同じ前記変換部は、当該集積面に沿った他方向に並んでおり、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、前記入力特性が異なる前記変換部では、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ことを特徴とする。
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。
( 3 ) Moreover, this invention is an optical semiconductor substrate provided with the some conversion part which performs photoelectric conversion, and the board | substrate body by which the said some conversion part was integrated | stacked, Comprising: The said some conversion part is Including at least three types having different input characteristics, wherein the conversion units having different input characteristics are arranged in a distributed manner along the integration surface of the substrate body, and the conversion units having different input characteristics are arranged. The conversion units having different input characteristics are arranged in the one direction so that the light receiving wavelength becomes longer in one direction along the integration surface, and the plurality of conversion units further have input characteristics. The conversion units including the same and having different input characteristics are arranged in the one direction along the integration surface, and the conversion units having the same input characteristics are arranged in the other direction along the integration surface , The conversion unit includes a quantum dot and the In the conversion part having a strain relaxation layer formed on the child dot and having different input characteristics, one or both of the thickness and the composition ratio of the strain relaxation layer is a distortion of the other conversion part. It is different from the relaxation layer .
According to the present invention, since the plurality of conversion units are distributed and arranged in the direction along the integration surface of the substrate body, the plurality of conversion units are independent of each other and can prevent interference with each other. it can. That is, energy transition does not occur as in the conventional multi-layered structure, and the efficiency of light reception can be improved.
Since the conversion units having different input characteristics before conversion are distributed and arranged in the direction along the integration surface of the substrate body, for example, the center wavelength of received light is widely distributed (shifted) as the input characteristics, It is possible to have a broad spectrum as a whole, and it is possible to arbitrarily control the spectrum shape by providing each converter with a predetermined characteristic, and it is possible to obtain a spectrum shape such as a Gaussian shape, for example. Become.
In addition, photoelectric conversion is to output a predetermined current by receiving light of a predetermined wavelength. In this case, the input characteristic before conversion of photoelectric conversion is the input light (light suitable for input). This is a parameter for specifying, for example, a center wavelength (light receiving wavelength) or the like.
本発明の光半導体基板によれば、発光又は受光の効率の向上を図り、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、任意のスペクトル形状を得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。
According to the optical semiconductor substrate of the present invention, it is possible to improve the efficiency of light emission or light reception, to have a broad spectrum as a whole, and to obtain an arbitrary spectrum shape .
According to the light source device of the present invention, the spectral shape of the entire optical semiconductor substrate can be set to an arbitrary shape. For example, the light source device can increase the resolution of an OCT image.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The optical semiconductor substrate of the present invention is a substrate in which a plurality of conversion units that perform electro-optic conversion or photoelectric conversion are arranged in a predetermined region on the substrate body. As will be described later, this conversion part is a self-organized active layer obtained by a crystal growth technique, and this conversion part (active layer) will be described below as a “growth part”.
In addition, some of the growth portions have quantum dots or quantum wells. In the following embodiments, the case of a growth portion having quantum dots will be described. Moreover, in this embodiment in the case of performing electro-optic conversion, the evaluation of the quantum dot (growth part) after growth is based on AFM observation and PL measurement. The PL spectrum and the PL intensity map are measured using a He—Ne (λ = 632.8 nm) laser as an excitation light source at room temperature.
〔１．光半導体基板について〕
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。
[1. Optical semiconductor substrate)
FIG. 1 is an explanatory diagram of an optical semiconductor substrate, in which (a) shows a map of photoluminescence intensity (PL intensity) from quantum dots, and (b) is a cross-sectional view of the optical semiconductor substrate. The optical semiconductor substrate 1 of the present invention has a substrate body (GaAs substrate body) 2 and a plurality of growth portions 3 obtained by selective growth on the substrate body 2. The growth part 3 is monolithically formed on the substrate body 2, and is disposed on the substrate body 2 so as to be spread at least vertically and horizontally and spatially separated. That is, the plurality of growth portions 3 are arranged in a distributed manner in the direction along the integration surface 2 a of the substrate body 2.
このように量子ドット４を有する成長部３が、二次元的に広がった配置でかつ空間的に分離して複数配置されているので、複数の成長部３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積層ドット間でのエネルギー遷移（発光の再吸収）が生じず、発光（又は光電変換を行う場合には、受光）の効率の向上を図ることができる。
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。
As described above, since the plurality of growth portions 3 having the quantum dots 4 are arranged in a two-dimensional manner and spatially separated, the plurality of growth portions 3 are independent of each other and interfere with each other. Can be prevented. That is, energy transition (re-emission of light emission) does not occur between stacked dots as in the conventional multi-layered structure, and the efficiency of light emission (or light reception when performing photoelectric conversion) can be improved. it can.
According to FIG. 1A, on the substrate body 2, quantum dots 4 (growth portions 3) are formed in a selection area of about 0.8 mm × 0.6 mm, and a total of 24 selection areas are formed. , Quantum dots 4 (growth part 3) are formed. This optical semiconductor substrate 1 is manufactured by a manufacturing method using a mask to be described later.
ＧａＡｓ基板本体２上に空間的に分離して形成されている前記成長部３それぞれは、図１（ｂ）に示しているように、ＩｎＡｓ量子ドット（量子ドット層）４と、当該量子ドット４上に形成されているＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ歪緩和層５とを有している。さらに、本実施形態では、歪緩和層５の上にＧａＡｓ保護層（キャップ層）６が設けられている。 As shown in FIG. 1B, each of the growth portions 3 formed spatially separated on the GaAs substrate main body 2 includes an InAs quantum dot (quantum dot layer) 4 and the quantum dots 4. And an In 0.2 Ga 0.8 As strain relaxation layer 5 formed thereon. Furthermore, in this embodiment, a GaAs protective layer (cap layer) 6 is provided on the strain relaxation layer 5.
図１（ａ）において、複数の成長部３の中には、他と異なる出力特性（光電変換の場合は入力特性）を有している成長部が含まれている。このために、本実施形態では、歪緩和層５の特性を、他の成長部の歪緩和層５と異ならせることにより、他と異なる出力特性を有している成長部としている。歪緩和層５の特性としては、その厚さ（膜厚）及び材料の組成比の内の一方又は双方があり、このような歪緩和層５の特性を変えることにより、成長部における中心波長（発光波長）を変える（シフトさせる）ことができる。そこで、本実施形態では、歪緩和層５の厚さを異ならせることにより、異なる出力特性を有する成長部を形成している。 In FIG. 1A, the plurality of growth portions 3 include growth portions having output characteristics different from others (input characteristics in the case of photoelectric conversion). For this reason, in the present embodiment, the characteristics of the strain relaxation layer 5 are made different from those of the strain relaxation layer 5 of the other growth part, so that the growth part has different output characteristics. The characteristics of the strain relaxation layer 5 include one or both of the thickness (film thickness) and the composition ratio of the material. By changing the characteristics of the strain relaxation layer 5, the central wavelength ( The emission wavelength can be changed (shifted). Therefore, in the present embodiment, growth portions having different output characteristics are formed by varying the thickness of the strain relaxation layer 5.
図１（ａ）の場合、出力特性がそれぞれ異なる（少なくとも）四種類の成長部３−１，３−２，３−３，３−４を有しており、一方向（横方向）には同じ特性の成長部が並び、他方向（縦方向）には異なる特性の成長部が並んでいる。つまり、量子ドット４は全て同じであるが、成長部３−１，３−２，３−３，３−４のそれぞれにおいて、歪緩和層５の厚さが相異している。 In the case of FIG. 1A, there are (at least) four types of growth parts 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 having different output characteristics, and one direction (lateral direction) Growth portions having the same characteristics are arranged, and growth portions having different characteristics are arranged in the other direction (vertical direction). That is, the quantum dots 4 are all the same, but the thickness of the strain relaxation layer 5 is different in each of the growth parts 3-1, 3-2, 3-3, 3-4.
図２（ａ）は、Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ歪緩和層５の厚さ（０，２，３，４，６ｎｍ）と、各厚さの歪緩和層５を有する成長部３のＰＬ強度ピーク波長との関係を示した図であり、（ｂ）は、前記厚さ（０，２，３，４，６ｎｍ）の歪緩和層５を有する各成長部３のＰＬスペクトルを示す図である。この図によれば、歪緩和層５の厚さを変化させることにより、各成長部３のピーク波長（発光波長）をシフトさせることができるのがわかる。なお、４ｎｍと６ｎｍとでは大きな変化が無いことから、歪緩和層５の膜厚を４ｎｍ以下の範囲で変化させるのが好ましい。 FIG. 2A shows the thickness of the In 0.2 Ga 0.8 As strain relaxation layer 5 (0, 2, 3, 4, 6 nm) and the growth portion 3 having the strain relaxation layer 5 of each thickness. It is the figure which showed the relationship with PL intensity | strength peak wavelength, (b) is a figure which shows PL spectrum of each growth part 3 which has the strain relaxation layer 5 of the said thickness (0, 2, 3, 4, 6 nm). It is. According to this figure, it can be seen that the peak wavelength (emission wavelength) of each growth portion 3 can be shifted by changing the thickness of the strain relaxation layer 5. In addition, since there is no big change with 4 nm and 6 nm, it is preferable to change the film thickness of the strain relaxation layer 5 in the range of 4 nm or less.
図３（ａ）は、作製した光半導体基板１のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルを示す図である。四種類の成長部３−１，３−２，３−３，３−４による四波長（ＱＤ１，ＱＤ２，ＱＤ３，ＱＤ４）のスペクトルを実線で示し、これらの合波スペクトルを二点鎖線で示している。この図３（ａ）に示しているように、作製した光半導体基板１によれば、全体としての基底準位間発光の帯域を約１５０ｎｍ程度得ることができる。 FIG. 3A is a diagram showing a PL spectrum from the PL emission region of the produced optical semiconductor substrate 1. The spectrum of four wavelengths (QD1, QD2, QD3, QD4) by the four types of growth parts 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 is indicated by a solid line, and the combined spectrum thereof is indicated by a two-dot chain line. ing. As shown in FIG. 3A, according to the manufactured optical semiconductor substrate 1, a band between the ground level emission as a whole can be obtained about 150 nm.
また、後にも説明するが、成長部３それぞれに端子を設け、この端子を通じて各成長部３への注入電流を増減調整することにより、図３（ｂ）に示しているように、成長部３毎において、スペクトル形状を制御することができる。図３（ｂ）によれば、注入電流を増加させることにより、量子ドットの基底準位間発光だけでなく励起準位間発光が寄与し、スペクトル幅を広げることができる。このような電流制御を行い、電流注入によってより高励起すれば（量子ドット４内の励起準位間発光の寄与を考慮すれば）、図示しないが、２００ｎｍから３００ｎｍ程度の広帯域化を実現することも可能となる。 Further, as will be described later, a terminal is provided in each of the growth parts 3, and through this terminal, the current supplied to each growth part 3 is adjusted to increase / decrease, as shown in FIG. Every time, the spectral shape can be controlled. According to FIG. 3B, by increasing the injection current, not only the light emission between the ground levels of the quantum dots but also the light emission between the excitation levels contributes, and the spectrum width can be widened. If such current control is performed and higher excitation is performed by current injection (considering the contribution of light emission between excitation levels in the quantum dots 4), although not shown, a wide band of about 200 nm to 300 nm is realized. Is also possible.
この光半導体基板１を光源としてＯＣＴに適用することができるが、ＯＣＴの高分解能化と低ノイズ化のためには、広帯域（〜３００ｎｍ）かつガウシアン形状のスペクトルを有する光源が求められる。
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。
Although this optical semiconductor substrate 1 can be applied to OCT as a light source, a light source having a broadband (up to 300 nm) and a Gaussian spectrum is required for high resolution and low noise of OCT.
Accordingly, a light source device based on the optical semiconductor substrate 1 will be described later. However, according to the optical semiconductor substrate 1 that performs electro-optical conversion, the plurality of growth portions 3 have output characteristics different from those of others. Therefore, due to the difference in characteristics, the center wavelength of the growth part 3 can be widely distributed (shifted) to have a broad spectrum as a whole. The spectrum shape can be arbitrarily controlled by providing the 3 with a predetermined characteristic, and for example, a spectrum shape such as a Gaussian shape can be obtained.
〔２．光半導体基板１の製造方法について〕
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。
[2. Method for manufacturing optical semiconductor substrate 1]
Crystals of quantum dots 4 (or quantum wells) are grown on the GaAs substrate main body 1 by molecular beam epitaxy (Molecular Beam Epitaxy: MBE). Each element constituting the semiconductor is supplied from a supply source (source) in a vacuum growth chamber, and is grown as a crystal on the substrate body 2 heated to an appropriate temperature. Each constituent element is Ga, In, Al, As or the like, and the source of these constituent elements is a single element or a source of a compound.
まず、製造装置について説明する。
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。
First, the manufacturing apparatus will be described.
4A and 4B are explanatory views of an apparatus for manufacturing the optical semiconductor substrate 1, wherein FIG. 4A is a cross-sectional view, FIG. 4B is an enlarged view showing the substrate body 2 and the growth portion 3, and FIG. It is a simplified explanatory drawing of B arrow view. This apparatus has a sample holder 40 on which the substrate body 2 is mounted, a plate-like mask 10 in which a plurality of openings (openings) 10a are formed, and a mask holder 20 to which the mask 10 is attached. The sample holder 40 and the mask holder 20 can be separated from the assembled state of FIG. 4, and FIG. 5 is a perspective view of the disassembled state.
試料ホルダ４０は、複数のピン４４（４４−１〜４４−４）を有しており、また、マスクホルダ２０は、このピン４４に接触することにより回転方向と半径方向とについて試料ホルダ４０との相対位置を定める位置決め片２９（２９−１〜２９−４）を有している。ピン４４及び位置決め片２９は、試料ホルダ４０とマスクホルダ２０との、装置の中心線Ｃ回りの回転方向の位置、及び、半径方向の位置を規定するための部材である。 The sample holder 40 has a plurality of pins 44 (44-1 to 44-4), and the mask holder 20 is in contact with the pins 44 so that the sample holder 40 and the sample holder 40 are rotated in the rotational direction and the radial direction. Positioning pieces 29 (29-1 to 29-4) for determining the relative position. The pin 44 and the positioning piece 29 are members for defining the position of the sample holder 40 and the mask holder 20 in the rotation direction around the center line C of the apparatus and the position in the radial direction.
板状である基板本体２は、試料ホルダ４０の下側から挿入し、Ｃ型リング４２と肩４０ａとに挟まれることにより、試料ホルダ４０に固定され、試料ホルダ４０の最上面と基板本体２の表面との距離が一定に保たれる。また、試料ホルダ４０は、基板本体２のフラット面３２と試料ホルダ４０の第二のピン４３とにより、基板本体２を特定の方向に向けて取り付けることができる。以上より、取り付け状態で、基板本体２と試料ホルダ４０との相対位置は常に一定に保たれる。 The plate-like substrate body 2 is inserted from the lower side of the sample holder 40 and sandwiched between the C-shaped ring 42 and the shoulder 40a, thereby being fixed to the sample holder 40. The uppermost surface of the sample holder 40 and the substrate body 2 are fixed. The distance from the surface is kept constant. Further, the sample holder 40 can be attached to the substrate body 2 in a specific direction by the flat surface 32 of the substrate body 2 and the second pin 43 of the sample holder 40. As described above, the relative position between the substrate body 2 and the sample holder 40 is always kept constant in the attached state.
マスクホルダ２０には、マスク１０が着脱可能として取り付けられる。マスクホルダ２０には、試料ホルダ４０を中心線Ｃに沿って離反させる方向に付勢するバネ２８が設けられている。後にも説明するが、このバネ２８によって、試料ホルダ４０に固定した基板本体２と、マスクホルダ２０に固定したマスク１０とを、間隔をあけて近接させた状態で位置決めすることができる。 The mask 10 is detachably attached to the mask holder 20. The mask holder 20 is provided with a spring 28 that urges the sample holder 40 in a direction to separate the sample holder 40 along the center line C. As will be described later, the spring 28 can position the substrate body 2 fixed to the sample holder 40 and the mask 10 fixed to the mask holder 20 in a state of being close to each other with a gap therebetween.
マスクホルダ２０と試料ホルダ４０とを組み立てるためには、位置決め片２９が、試料ホルダ４０に設けられたはめ込み穴４０ｂを介して、はめ込み溝４０ｃに収まる。さらに、図４（ｃ）に示しているように、位置決め片２９には楔形の切り欠き部が設けられており、前記はめ込み溝４０ｃに沿ってマスクホルダ２０を回転させると、試料ホルダ４０のピン４４を位置決め片２９の切り欠き部が挟み、マスクホルダ２０は試料ホルダ４０に位置決めされる。この構成により、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０とは、高精度に一意の位置関係を得ることができる。 In order to assemble the mask holder 20 and the sample holder 40, the positioning piece 29 fits in the fitting groove 40c via the fitting hole 40b provided in the sample holder 40. Further, as shown in FIG. 4C, the positioning piece 29 is provided with a wedge-shaped notch, and when the mask holder 20 is rotated along the fitting groove 40c, the pin of the sample holder 40 is pinned. 44, the notch portion of the positioning piece 29 is sandwiched, and the mask holder 20 is positioned on the sample holder 40. With this configuration, the mask holder 20 and the sample holder 40 can obtain a unique positional relationship with high accuracy.
そして、マスクホルダ２０の前記バネ２８が、マスクホルダ２０が有している固定板２４を介して、試料ホルダ４０を押すことにより、位置決め片２９と試料ホルダ４０とが接し、その高さで、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０とは上下方向（中心線Ｃ方向）について位置決めされる。この機構により、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０との上下方向の位置再現性が確保され、同時に、前記固定板２４及び位置決め片２９と、その間で挟まれる試料ホルダ４０の一部との接触面で、摩擦抵抗力を持たせ、マスクホルダ２０の逆方向への回転を防止している。 Then, when the spring 28 of the mask holder 20 pushes the sample holder 40 through the fixing plate 24 of the mask holder 20, the positioning piece 29 and the sample holder 40 come into contact with each other, The mask holder 20 and the sample holder 40 are positioned in the vertical direction (center line C direction). With this mechanism, the vertical position reproducibility between the mask holder 20 and the sample holder 40 is ensured, and at the same time, the contact surface between the fixing plate 24 and the positioning piece 29 and a part of the sample holder 40 sandwiched therebetween. In addition, a frictional resistance is provided to prevent the mask holder 20 from rotating in the reverse direction.
以上のように、マスクホルダ２０と試料ホルダ４０との組み立てにおいて、マスク１０と基板本体２の表面との中心線Ｃ方向の位置、半径方向の位置、及び、回転方向の位置関係が、一意に決定される。そして、この位置関係の再現性は良い。この結果、マスク１０に形成されている開口パターンと、基板本体２との位置関係が精度良く定まり、位置に関して精度の良く所定の選択領域に対して成長部３の成長が可能となる。 As described above, in the assembly of the mask holder 20 and the sample holder 40, the position of the mask 10 and the surface of the substrate body 2 in the direction of the center line C, the position in the radial direction, and the positional relationship in the rotation direction are uniquely determined. It is determined. And the reproducibility of this positional relationship is good. As a result, the positional relationship between the opening pattern formed in the mask 10 and the substrate body 2 is determined with high accuracy, and the growth portion 3 can be grown in a predetermined selection region with high accuracy with respect to the position.
また、位置決め片２９は９０度間隔で四箇所に設けられており、マスクホルダ２０を試料ホルダ４０に対して、９０度ずつ回転して取り付けることができる。そして、マスク１０の開口パターンを回転非対称のパターンに形成していることにより、一枚の基板本体２上に二種類以上の組成や厚み（特性）をもった成長部３を形成することが可能となる。なお、この装置を用いることにより、四種類の成長部３を形成することができる。 Further, the positioning pieces 29 are provided at four positions at intervals of 90 degrees, and the mask holder 20 can be attached to the sample holder 40 by being rotated by 90 degrees. Then, by forming the opening pattern of the mask 10 in a rotationally asymmetric pattern, it is possible to form the growth portion 3 having two or more types of compositions and thicknesses (characteristics) on one substrate body 2. It becomes. By using this apparatus, four types of growth parts 3 can be formed.
図６（ａ）はマスク１０の平面図である。マスク１０は、素材がタンタル（Ｔａ）製であり、例えば、直径３５ｍｍの円板で、厚さは０．１ｍｍである。中央に設けられた開口部１２は、結晶成長中の基板温度をモニタするために設けられたものである。
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。
FIG. 6A is a plan view of the mask 10. The material of the mask 10 is made of tantalum (Ta), and is, for example, a disc having a diameter of 35 mm and a thickness of 0.1 mm. The opening 12 provided in the center is provided for monitoring the substrate temperature during crystal growth.
The openings (openings) 10a are through holes formed in the mask 10 for growing the growth portion 3 on the substrate body 2, and a plurality of openings are formed and have a predetermined opening pattern. In FIG. 6A, the opening blocks 13, 14, 15 and 16 are provided at intervals of 90 degrees.
試料ホルダ４０に対してマスクホルダ２０を所定角度について回転させることにより、基板本体２に対してマスク１０を所定角度について回転したときに、開口ブロック１３の開口１０ａが、他の開口ブロックの開口１０ａが存在していた位置に、近接した位置となるように開口パターンが設定されている。
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。
By rotating the mask holder 20 with respect to the sample holder 40 by a predetermined angle, when the mask 10 is rotated with respect to the substrate body 2 by a predetermined angle, the opening 10a of the opening block 13 becomes the opening 10a of another opening block. The opening pattern is set so as to be close to the position where the.
That is, the opening pattern with respect to the substrate body 2 is changed by rotating the mask 10 about a predetermined angle. For example, conceptually as shown in FIG. 6B, by making the opening pattern a rotationally asymmetric pattern, two or more types of compositions and thickness ( A growth portion 3 having characteristics) is formed. Although FIG. 6B has a pattern in which the opening pattern is rotationally asymmetric every 180 degrees, it may have a pattern in which the opening pattern is rotationally asymmetric every 90 degrees. In this way, by forming a plurality of opening blocks having a rotationally asymmetric pattern for each predetermined phase, a plurality of types (for example, three types, four types,...) Of growth portions 3 can be formed.
このようにマスク１０を回転させる場合の他、異なる開口パターンを有するマスク１０に交換することで、複数の成長部３を、近接した位置にしかも空間的に分離して、基板本体２上に形成することができる。そして、本発明では、マスク１０を回転させたり、マスク１０を交換したりことを含めてマスク１０の「開口パターンの変更」という。 In addition to the case where the mask 10 is rotated in this way, the plurality of growth portions 3 are formed on the substrate body 2 by being separated into spatial positions in close proximity by exchanging with a mask 10 having a different opening pattern. can do. In the present invention, the mask 10 is referred to as “aperture pattern change” including rotation of the mask 10 and replacement of the mask 10.
そして、図４の装置を用いて基板本体２上に成長部３を形成するために、当該装置は、結晶成長装置が有している成長室内に配置される。成長室は大気と隔離した状態にある。結晶成長装置は、基板本体２に対して原料を照射する複数の蒸発源６０（６０ａ，６０ｂ，６０ｃ）を有している。本実施形態では、蒸発源６０を三つとしているが、この数に限られない。量子ドット４、歪緩和層５及び保護層６それぞれを成長させるために、所定の原料を照射する。
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。
And in order to form the growth part 3 on the substrate main body 2 using the apparatus of FIG. 4, the said apparatus is arrange | positioned in the growth chamber which the crystal growth apparatus has. The growth chamber is isolated from the atmosphere. The crystal growth apparatus has a plurality of evaporation sources 60 (60a, 60b, 60c) that irradiate the substrate body 2 with the raw material. In the present embodiment, the number of evaporation sources 60 is three, but is not limited to this number. In order to grow each of the quantum dots 4, the strain relaxation layer 5, and the protective layer 6, a predetermined raw material is irradiated.
The crystal growth apparatus is provided with a pump, a pipe and the like for depressurizing the growth chamber, and the configuration thereof is the same as a generally known molecular beam epitaxial growth apparatus (MBE growth apparatus). Is omitted. For details, see Shunichi Gonda, “Molecular Beam Epitaxy”, Baifukan, Chapter 1, Introduction to Molecular Beam Epitaxy.
次に、以上の製造装置による光半導体基板１の製造方法について説明する。
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。
Next, a method for manufacturing the optical semiconductor substrate 1 using the above manufacturing apparatus will be described.
As described above, in this manufacturing method, in the growth chamber of the crystal growth apparatus, the mask 10 having a plurality of openings 10a is placed on the substrate body 2, and raw materials are generated from the evaporation source 60, and the substrate 10 is formed on the substrate body 2 through the openings 10a. The growth part 3 having the quantum dots 4 is grown. Thereby, the optical semiconductor substrate 1 having a plurality of growth portions 3 spatially separated is manufactured.
図７は、製造方法を順に説明している説明図である。なお、図７では、説明を容易とするために、二つの異なる成長部３を成長させる場合を説明しているが、実際では、基板本体２を平面的に見て縦横の二次元的に広がった配置に、最終的には、複数の成長部３を成長させる。図７（ａ）は、所定の開口パターン（開口１０ａ）を有するマスク１０を示している。
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。
FIG. 7 is an explanatory view for sequentially explaining the manufacturing method. For ease of explanation, FIG. 7 illustrates a case where two different growth portions 3 are grown. However, in actuality, the substrate main body 2 is two-dimensionally spread in the vertical and horizontal directions when viewed in plan. Finally, a plurality of growth portions 3 are grown in the arrangement. FIG. 7A shows a mask 10 having a predetermined opening pattern (opening 10a).
As shown in FIG. 7B, the mask 10 is put on the substrate body 2 by the sample holder 40 and the mask holder 20, and the first quantum dots 4-1 are placed on the substrate body 2. When grown, the first strain relaxation layer 5-1 is grown on the first quantum dots 4-1 without changing the opening pattern of the mask 10. Furthermore, without changing the opening pattern, the protective layer 6-1 is grown to form the first growth portion 3-1.
その後、マスク１０の開口パターンを変更する（図７（ｃ））。例えば、試料ホルダ４０とマスクホルダ２０とを相対回転させ、基板本体２に対してマスク１０を回転させる。そして、図７（ｄ）に示しているように、基板本体２上に第二の量子ドット４−２を成長させると、開口パターンを変更することなく、第二の量子ドット４−２上に第二の歪緩和層５−２を成長させる。なお、この第二の歪緩和層５−２の成長は、前記第一の歪緩和層５−１の成長の場合と異なる原料の供給量により、行われる。例えば、歪緩和層を形成するための原料の濃度を変えたり、成長時間を変化させたりすることにより、原料の供給量（総供給量）を異ならせることができる。そして、開口パターンを変更することなく、保護層６−２を成長させ、第二の成長部３−２を形成する。 Thereafter, the opening pattern of the mask 10 is changed (FIG. 7C). For example, the sample holder 40 and the mask holder 20 are relatively rotated, and the mask 10 is rotated with respect to the substrate body 2. Then, as shown in FIG. 7D, when the second quantum dot 4-2 is grown on the substrate body 2, the second quantum dot 4-2 is not changed without changing the opening pattern. The second strain relaxation layer 5-2 is grown. The growth of the second strain relaxation layer 5-2 is performed with a supply amount of raw material different from the growth of the first strain relaxation layer 5-1. For example, the supply amount of the raw material (total supply amount) can be varied by changing the concentration of the raw material for forming the strain relaxation layer or changing the growth time. Then, the protective layer 6-2 is grown without changing the opening pattern to form the second growth portion 3-2.
これにより、第一の成長部３−１と異なる特性（出力特性又は入力特性）を有している第二の成長部３−２を形成することができる。例えば、ＩｎＡｓ量子ドット４はすべて同じであるが、ＩｎＧａＡｓ歪緩和層５を形成する原料の供給量を異ならせ、当該層５の厚みを約２ｎｍと約３ｎｍとすることができ、この結果、各成長部の中心波長を１．２８μｍと１．３０μｍとに調整することができ、二種類の成長部３−１，３−２の相互間で、帯域を２０ｎｍシフトさせることができる。
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。
Thereby, the 2nd growth part 3-2 which has a different characteristic (output characteristic or input characteristic) from the 1st growth part 3-1. For example, the InAs quantum dots 4 are all the same, but the supply amount of the raw material for forming the InGaAs strain relaxation layer 5 can be made different so that the thickness of the layer 5 can be about 2 nm and about 3 nm. The center wavelength of the growth part can be adjusted to 1.28 μm and 1.30 μm, and the band can be shifted by 20 nm between the two kinds of growth parts 3-1 and 3-2.
In addition, by changing to a different opening pattern and changing the supply amount (total supply amount) of the raw material for each change, three types, four types,... The substrate body 2 can be formed monolithically by being spatially separated.
なお、特性が異なる第一の成長部３−１と第二の成長部３−２とを形成する場合に、第一の量子ドット４−１及び第二の量子ドット４−２の双方をまず成長させ、その後、第一の歪緩和層５−１を第一の量子ドット４−１上で成長させる場合、第一の歪緩和層５−１の成長の際に、第二の量子ドット４−２に対して熱等による悪影響を与えるおそれがある。しかし、前記製造方法によれば、第一の成長部３−１を完成させてから（保護層６−１を形成してから）、第二の成長部３−２を形成するので、前記のような量子ドット４−２に与える悪影響の心配がない。 In addition, when forming the 1st growth part 3-1 and the 2nd growth part 3-2 from which a characteristic differs, both the 1st quantum dot 4-1 and the 2nd quantum dot 4-2 are first. When the first strain relaxation layer 5-1 is grown on the first quantum dot 4-1, the second quantum dot 4 is grown during the growth of the first strain relaxation layer 5-1. -2 may be adversely affected by heat or the like. However, according to the manufacturing method, after the first growth part 3-1 is completed (after the protective layer 6-1 is formed), the second growth part 3-2 is formed. There is no worry of adverse effects on the quantum dots 4-2.
以上のように、本発明の製造方法は、基板本体２にマスク１０を被せ所定領域に第一の成長部３−１を形成してから、その後、この基板本体１上の異なる領域に第二の成長部３−２を形成するために、この基板本体１に被せるマスク１０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、蒸発源６０からの原料の供給量（成長時間、濃度）を変更している。
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。
As described above, in the manufacturing method of the present invention, the substrate 10 is covered with the mask 10 to form the first growth part 3-1 in a predetermined region, and then the second growth is performed in a different region on the substrate body 1. In order to form the growth portion 3-2, the opening pattern of the mask 10 that covers the substrate body 1 is changed, and after changing the opening pattern, the supply amount of raw material from the evaporation source 60 (growth time, concentration) ) Has changed.
Thus, since the supply amount of the raw material is changed after the opening pattern is changed, among the plurality of growth parts 3 formed on the substrate body 2, there are growth parts having different characteristics from the others. Will be included. Due to the difference in the characteristics, the center wavelength of light emission (or light reception) of the growth part 3 can be widely distributed (shifted), so that it has a broad spectrum as a whole, and each growth part 3 has a predetermined spectrum. By providing the characteristics, the spectrum shape can be arbitrarily controlled, and for example, the optical semiconductor substrate 1 capable of obtaining a spectrum shape such as a Gaussian shape can be manufactured.
〔３．光源用装置について〕
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。
[3. About the light source device)
FIG. 8A is a schematic configuration diagram of a light source device. The light source device includes an optical semiconductor element 8 obtained from the optical semiconductor substrate 1 that performs electro-optical conversion. The optical semiconductor element 8 is a semiconductor element (SLD) manufactured by processing the optical semiconductor substrate 1, and includes, for example, a row of growth portions 3 arranged in a row in the vertical direction of FIG. A machining allowance region 7 is formed between the adjacent rows of growth portions 3 arranged in the vertical direction, and the substrate 1 is cut at the machining allowance region 7 so that a plurality of rows (a plurality of cut out portions) are formed. The growth part 3 can be the optical semiconductor element 8. The optical semiconductor element 8 is provided with a terminal 9 connected to the growth part 3, and a terminal 9 is provided for each growth part 3.
図８（ａ）の光半導体素子８は、三種類の成長部３（３−１，３−２，３−３）を有しており、それぞれの中心波長（出力特性）は異なっており、λ１，λ２，λ３である。
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。
The optical semiconductor element 8 in FIG. 8A has three types of growth portions 3 (3-1, 3-2, 3-3), and the respective center wavelengths (output characteristics) are different. λ1, λ2, and λ3.
The light source device further includes a wiring portion 51 electrically connected in parallel to each of the plurality of growth portions 3-1, 3-2, and 3-3 included in the optical semiconductor element 8, and the wiring portion. And a control unit 52 that individually controls the current given to the growth units 3-1, 3-2, and 3-3 through the plurality of growth units 51.
配線部５１は、成長部３と同数の配線を有しており、配線は例えば基板に形成されたものである。配線は、電源側に対して、成長部３−１，３−２，３−３を電気的に並列接続している。
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。
The wiring part 51 has the same number of wirings as the growth part 3, and the wirings are formed on a substrate, for example. The wiring electrically connects the growing portions 3-1, 3-2 and 3-3 to the power supply side in parallel.
The control unit 52 includes a power source 53 (53-1, 53-2, 53-3) and an adjustment unit 54 that adjusts a current supplied to each growth unit 3. The adjustment unit 54 has an ammeter function and a feedback control function, and can control the current introduced into the growth unit 3 to a predetermined value.
この光源用装置によれば、各成長部３に与える電流を大小制御することで、図８（ｂ）に示しているように、スペクトル形状を調整することができ、さらに、成長部３毎に個別に制御することで、複数の成長部３を有する光半導体素子８全体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、図３（ｂ）により説明したように、各成長部３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間遷移による発光が寄与し、成長部３毎においても広帯域化が可能となる。 According to this light source device, by controlling the magnitude of the current applied to each growth unit 3, the spectrum shape can be adjusted as shown in FIG. By individually controlling, the spectrum shape of the entire optical semiconductor element 8 having the plurality of growth portions 3 can be set to an arbitrary shape (for example, Gaussian shape). Further, as described with reference to FIG. 3B, by increasing the injection current to each growth part 3 and increasing excitation by the current, light emission due to the transition between excitation levels in the quantum dots contributes to growth part 3. It is possible to increase the bandwidth every time.
〔４．受光用装置について〕
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。
[4. About the light receiving device)
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of the light receiving device. The light receiving device includes an optical semiconductor element 8 obtained from the optical semiconductor substrate 1 that performs photoelectric conversion. The optical semiconductor element 8 is the same as the semiconductor element used in the light source device, and the optical semiconductor element 8 is provided with a terminal 9 connected to the growth part 3. Is provided. The manufacturing method of the optical semiconductor substrate 1 that performs photoelectric conversion and the manufacturing method of the optical semiconductor substrate 1 that performs electro-optical conversion are the same.
図９の光半導体素子８は、三種類の成長部３（３−１，３−２，３−３）を有しており、それぞれの中心波長（入力特性）は異なっており、λ１，λ２，λ３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。
The optical semiconductor element 8 of FIG. 9 has three types of growth portions 3 (3-1, 3-2, 3-3), and the center wavelengths (input characteristics) thereof are different, and λ1, λ2 , Λ3.
The light receiving device further includes a wiring unit 51 electrically connected in parallel to each of the plurality of growth units 3-1, 3-2 and 3-3 included in the optical semiconductor element 8, And a light receiving circuit unit 55 that individually controls currents obtained from the growth units 3-1, 3-2, and 3-3 through the wiring unit 51 for each growth unit.
配線部５１は、前記光源用装置と同様に、成長部３と同数の配線を有しており、配線は例えば基板に形成されたものである。配線は、電源側に対して、成長部３−１，３−２，３−３を電気的に並列接続している。
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。
Similar to the light source device, the wiring part 51 has the same number of wirings as the growth part 3, and the wirings are formed on, for example, a substrate. The wiring electrically connects the growing portions 3-1, 3-2 and 3-3 to the power supply side in parallel.
Since the light receiving circuit unit 55 is configured to individually control the current obtained from each of the growing units 3 for each growing unit, the light receiving sensitivity can be adapted to the intensity spectrum of incident light. Thereby, for example, it is possible to manufacture a high-efficiency solar cell adapted to the sunlight spectrum, a high-efficiency light-receiving element corresponding to the spectral distribution of the light collected by the lens, and the like.
In addition, since the optical semiconductor element 8 manufactured based on the optical semiconductor substrate 1 is provided, broadband light reception (light absorption) is possible.
〔５．その他〕
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。
[5. Others]
As in each of the above-described embodiments, InAs quantum dots 4 are grown in a selected region on the GaAs substrate main body 2, and several In 0.2 Ga 0.8 As strain relaxation layers 5 are formed on the grown quantum dots 4. By adjusting the thickness of the strain relaxation layer 5 for each growth part 3, the emission wavelength (light reception wavelength) can be controlled. That is, quantum dots 4 (growth part 3) having different emission wavelengths (light receiving wavelengths) can be grown in different regions.
Then, the optical semiconductor element 8 (the light source device) obtained from the multi-wavelength integrated optical semiconductor substrate 1 having the growth part 3 that performs electro-optical conversion is used as a light source such as a high-intensity emitting diode (SLD). When applied, it is possible to obtain a near-infrared light source capable of controlling the spectrum shape in a wide band.
In particular, in the OCT using the coherence of light, a broadband and Gaussian light source is required for high resolution and low noise. According to the optical semiconductor element 8, this can be realized. Can do.
なお、前記実施形態は、量子ドット４を有する成長部３が集積化された場合を説明したが、量子井戸を有する成長部が集積化された光半導体基板であってもよい。この場合、量子井戸の構成元素及びその構成比の内の一方又は双方を変えることで、異なる変換特性を有する成長部とすることができる。 In addition, although the said embodiment demonstrated the case where the growth part 3 which has the quantum dot 4 was integrated, the optical semiconductor substrate with which the growth part which has a quantum well was integrated may be sufficient. In this case, by changing one or both of the constituent elements of the quantum well and the constituent ratio thereof, it is possible to obtain a growth portion having different conversion characteristics.
また、本発明は、図示する形態に限らず本発明の範囲内において他の形態のものであっても良い。例えば、基板本体の集積面が広がる方向に直交する方向に位置がずれて形成された成長部を含む、三次元的な光半導体基板であってもよい。つまり、複数の成長部は、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が、この集積面は、例えば凹凸を有していることによりその高さ方向が変化しており、成長部が、この集積面の凹凸面部に形成されている場合（三次元的な構成）であってもよい。 Further, the present invention is not limited to the illustrated form, and other forms may be employed within the scope of the present invention. For example, it may be a three-dimensional optical semiconductor substrate including a growth part formed by shifting the position in a direction orthogonal to the direction in which the integration surface of the substrate body extends. In other words, the plurality of growth portions are arranged in a distributed manner along the integration surface of the substrate body, but the height direction of the integration surface changes due to, for example, unevenness. The growth portion may be formed on the uneven surface portion of the integration surface (three-dimensional configuration).
また、成長部は、少なくとも二次元的に広がって配置されているが、これら複数の成長部を、規則的に配置（一定の規則性をもって配置）すればよく、この場合、成長部の配置には、例えば、以下の配置がある。
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。
In addition, the growth portions are arranged to expand at least two-dimensionally. However, these growth portions may be regularly arranged (arranged with a certain regularity). In this case, the growth portions may be arranged. For example, there are the following arrangements.
In plan view, the plurality of growth portions are arranged so as to extend in the vertical direction and the horizontal direction, and the growth portions having the same conversion characteristics are arranged in one of the vertical direction and the horizontal direction. Further, in the other direction of the vertical direction and the horizontal direction, the growth parts having different conversion characteristics (all or partly) are arranged.
In a plan view, the plurality of growth parts are arranged in a concentric arrangement so as to expand in the radial direction, and the growth parts having the same conversion characteristics are arranged on the concentric circles, and the conversions are different in the radial direction. Arrangement of growth parts with characteristics.
また、本発明の光半導体基板を、色調可変白色光源としてディスプレーバックライト、色調可変白色光源として（家庭用）ＬＥＤ光源、光情報通信用受光器、さらには、光電素子としての太陽電池に適用することが可能である。 Further, the optical semiconductor substrate of the present invention is applied to a display backlight as a color tone variable white light source, an LED light source (household) as a color tone variable white light source, a light receiver for optical information communication, and a solar cell as a photoelectric element. It is possible.
１：光半導体基板、 ２：基板本体、 ２ａ：集積面 ３：成長部（変換部）、 ４：量子ドット、 ５：歪緩和層、 ６：保護層、 １０：マスク、 １０ａ：開口、 ５１：配線部、 ５２：制御部、 ６０：蒸発源
1: optical semiconductor substrate, 2: substrate body, 2a: integration surface, 3: growth part (conversion part), 4: quantum dot, 5: strain relaxation layer, 6: protective layer, 10: mask, 10a: opening, 51: Wiring part 52: Control part 60: Evaporation source
Claims (3)
複数の前記変換部は、出力特性が異なる少なくとも三種類のものを含み、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おり、
前記出力特性が異なる前記変換部の発光波長が前記集積面に沿った一方向に向かって順に長くなるようにして、当該出力特性が異なる当該変換部は当該一方向に並んでおり、
複数の前記変換部は、更に、出力特性が同じものを含み、
前記出力特性が異なる前記変換部は、前記集積面に沿った前記一方向に並び、前記出力特性が同じ前記変換部は、当該集積面に沿った他方向に並んでおり、
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、
前記出力特性が異なる前記変換部では、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ことを特徴とする光半導体基板。 An optical semiconductor substrate comprising a plurality of conversion units that perform electro-optical conversion, and a substrate body in which a plurality of the conversion units are integrated and arranged,
The plurality of conversion units include at least three types having different output characteristics, and the conversion units having different output characteristics are arranged in a distributed manner along the integration surface of the substrate body,
The conversion parts having different output characteristics are arranged in the one direction so that the emission wavelengths of the conversion parts having different output characteristics become longer in order in one direction along the integration surface.
The plurality of conversion units further include the same output characteristics,
The conversion units having different output characteristics are arranged in the one direction along the integration surface, and the conversion units having the same output characteristics are arranged in another direction along the integration surface ,
The conversion unit includes a quantum dot and a strain relaxation layer formed on the quantum dot,
The optical semiconductor substrate according to claim 1, wherein one or both of the thickness and the composition ratio of the strain relaxation layer is different from the strain relaxation layer of another conversion unit in the conversion unit having different output characteristics .
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。 An optical semiconductor element obtained from the optical semiconductor substrate according to claim 1 ;
A wiring part electrically connected in parallel to each of the plurality of conversion parts of the optical semiconductor element;
A light source device, comprising: a control unit that individually controls a current applied to the conversion unit through the wiring unit for each of the plurality of conversion units.
複数の前記変換部は、入力特性が異なる少なくとも三種類のものを含み、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おり、
前記入力特性が異なる前記変換部の受光波長が前記集積面に沿った一方向に向かって順に長くなるようにして、当該入力特性が異なる当該変換部は当該一方向に並んでおり、
複数の前記変換部は、更に、入力特性が同じものを含み、
前記入力特性が異なる前記変換部は、前記集積面に沿った前記一方向に並び、前記入力特性が同じ前記変換部は、当該集積面に沿った他方向に並んでおり、
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、
前記入力特性が異なる前記変換部では、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ことを特徴とする光半導体基板。 An optical semiconductor substrate comprising a plurality of conversion units that perform photoelectric conversion, and a substrate body in which a plurality of the conversion units are arranged and arranged,
The plurality of conversion units include at least three types having different input characteristics, and the conversion units having different input characteristics are arranged in a distributed manner along the integration surface of the substrate body,
The conversion units having different input characteristics are arranged in the one direction so that the light receiving wavelengths of the conversion units having different input characteristics become longer in order toward one direction along the integration surface.
The plurality of conversion units further include the same input characteristics,
The conversion units having different input characteristics are arranged in the one direction along the integration surface, and the conversion units having the same input characteristics are arranged in the other direction along the integration surface ,
The conversion unit includes a quantum dot and a strain relaxation layer formed on the quantum dot,
The optical semiconductor substrate according to claim 1, wherein one or both of the thickness and the composition ratio of the strain relaxation layer is different from the strain relaxation layer of the other conversion unit in the conversion unit having different input characteristics .
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