JP6646942B2 - 発光素子、前記発光素子を有する光源システム、及び前記光源システムを有する光干渉断層計 - Google Patents

発光素子、前記発光素子を有する光源システム、及び前記光源システムを有する光干渉断層計 Download PDF

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Description

本発明は、発光素子、前記発光素子を有する光源システム、及び前記光源システムを有する光干渉断層計に関する。
スーパールミネッセントダイオード（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）は発光ダイオードのように広帯域なスペクトル分布を有しながら、半導体レーザ同様に１ｍＷ以上の比較的高い光出力を得ることが可能な発光素子である。スーパールミネッセントダイオードを以下ではＳＬＤと略すことがある。
ＳＬＤはその特性から医療分野や計測分野で注目されており、例えば、生体組織の断層像を取得できる光干渉断層計（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ、ＯＣＴ）の光源として用いられる。ＯＣＴの光源としては、深さ分解能を高くするために、発光波長帯域が広いものを用いることが好ましい。非特許文献１では、ＳＬＤの発光波長帯域を広くするために、活性層として発光スペクトルの異なる複数のエネルギー準位を持つ単量子井戸構造を用いている。そして、そのＳＬＤの活性層に注入する電流を大きくすることで、長波長の発光に対応する基底準位、および短波長の発光に対応する高次準位（１次準位）の発光をさせ、半値幅４８ｎｍの発光スペクトルを実現している。
ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３８６０，ｐｐ．４８０−４８７
しかし非特許文献１のように、高次準位の発光をさせるためには、活性層への電流注入密度が高い必要がある。電流注入密度が高いと、活性層の発熱量が大きくなり、寿命が短くなるという問題を生じうる。そこで本発明は上記課題に鑑み、活性層への電流注入密度を高くすることなく高次準位の発光をさせることができる発光素子を提供することを目的とする。
本発明に係る発光素子は、上部電極層と、下部電極層と、それらの間に設けられた活性層とを有し、前記上部電極層、および前記下部電極層を介して前記活性層に電流を注入することで発光する発光素子であって、前記活性層が複数の量子閉じ込め構造を有し、第一の量子閉じ込め構造はエネルギー準位がＥ０の基底準位、及びエネルギー準位がＥ１の高次準位を有し、第二の量子閉じ込め構造は前記Ｅ０よりも大きいエネルギー準位Ｅ２を有し、前記Ｅ１と前記Ｅ２とが略一致していることを特徴としている。
本発明に係る発光素子によれば、活性層への電流注入密度を高くすることなく高次準位の発光をさせることができる。
本発明の実施形態１に係る発光素子の構成を説明するための図。 本発明の実施形態１に係る光源システムの構成を説明するための図。 本発明の実施形態１における量子井戸構造のバンド図を説明するための図。 本発明の実施形態２に係る発光素子の構成を説明するための図。 本発明の実施形態３に係る発光素子の構成を説明するための図。 本発明の実施形態４に係るＯＣＴの構成を説明するための図。 本発明の実施例１に係る発光素子における量子井戸構造のバンド図と発光スペクトルを示すグラフ。 本発明の比較例１に係る発光素子における量子井戸構造のバンド図。 本発明の比較例１に係る発光素子の発光スペクトルを示すグラフ。 本発明の実施例２における発光素子の量子井戸構造のバンド図と発光スペクトルの計算結果を示すグラフ。 本発明の実施例３における発光素子の量子井戸構造のバンド図と発光スペクトルの計算結果を示すグラフ。 本発明の実施例４における発光素子の発光スペクトルの実測結果を示すグラフ。 本発明の実施例５における発光素子の発光スペクトルの実測結果を示すグラフ。 本発明の実施例６における発光素子の量子井戸構造のバンド図と発光スペクトルの計算結果を示すグラフ。 本発明の比較例２における発光素子の量子井戸構造のバンド図と発光スペクトルの計算結果を示すグラフ。 本発明の比較例２における発光素子の発光スペクトルの計算結果を示すグラフ。 本発明の実施例７における、エネルギー準位差ΔＥと発光強度比の関係を示すグラフ。 （ａ）本発明の実施例８に係る発光素子の構成を説明するための図（ｂ）発光素子の発光スペクトルの実測結果を示すグラフ。 本発明の実施例９に係る発光素子の構成を説明するための図。 本発明の実施例１０に係る発光素子の構成を説明するための図。 （ａ）本発明の実施例１１に係る発光素子の構成を説明するための図。（ｂ）〜（ｄ）本発明の実施例１１に係る発光素子の別の構成を説明するための図。 （ａ）本発明の実施例１２に係る発光素子の構成を説明するための図（ｂ）本発明の実施例１２に係る発光素子の別の構成を説明するための図。 （ａ）本発明の実施例１３に係る発光素子の構成を説明するための図（ｂ）〜（ｃ）本発明の実施例１３に係る発光素子の別の構成を説明するための図。
本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらに限られるものではない。
（発光素子）
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る発光素子および光源システムについて図１、２を用いて説明する。図１（ａ）、図１（ｂ）はそれぞれ本実施形態に係る発光素子の斜視図、上面図で、図１（ｃ）は図１（ａ）（ｂ）のＡ−Ａ’断面における断面図である。
本実施形態に係る発光素子１００は、基板（ｎ型基板）１０１の上に下部クラッド層（ｎ型クラッド層）１０２、活性層１０３、上部クラッド層（ｐ型クラッド層）１０４、上部電極層１１０が順次形成されている。また、上部クラッド層１０４と上部電極層１１０とはリッジ型の導波路構造１０５を形成している。リッジ型の導波路構造１０５の上部にはコンタクト層１０６を介して、上部電極層（ｐ型電極）１１０が形成されている。また図１（ｃ）のみに示しているが、上部電極層１１０と上部クラッド層１０４との間に絶縁層１３０が設けられており、上部電極層１１０からコンタクト層１０６を介して活性層１０３に電流注入される構成となっている。すなわち、図１で上部電極層１１０は、半導体素子の上部のほぼ全体にわたって形成されているが、上部電極層１１０のうち、リッジ導波路構造１０５の上部から活性層に電流が注入される構成となっている。また、基板１０１の有する主面のうち下部クラッド層１０２が設けられていない方の面には下部電極層１２０が形成されている。
本実施形態に係る発光素子１００は上部電極層１１０と、下部電極層１２０との間に電圧を印加して活性層１０３に電流注入して発光させ、リッジ型の導波路構造１０５の長手方向（活性層内の面内方向）に導波し、図１中の白い矢印の方向に光を出射する。発光素子１００の端面のうち、光が出射される面をここでは出射端面と呼ぶ。図１（ｂ）に本実施形態に係る発光素子の出射端面をＰ１、出射端面とは逆の端面をＰ２として図示している。また、出射端面Ｐ１から出射された光は、レンズや光ファイバなどの光学部材へ結合する。また、出射端面とは逆の端面をＰ２には、光が反射して戻らないように、反射防止部材や光を吸収する材料が適宜設けられる。
また、活性層１０３への電流注入密度を適宜調整することで、出射光の波長帯域の広さや強度、すなわち発光スペクトルの形状を変えることができる。
なお、本実施形態に係る発光素子１００は、出射した光の強度を検出する出射光検出部を有していてもよい。
本実施形態に係る発光素子は、従来の端面発光型のレーザと同様な光閉じ込めを行っている。具体的には、後述の関係を有する２つ以上の量子閉じ込め構造を持った活性層、および活性層よりも屈折率の低いクラッド層で活性層を挟んだ半導体層構成である。この活性層とクラッド層の屈折率差で、活性層の面内方向に垂直な方向の光の閉じ込めを実現している。活性層の面内方向に平行な方向の光閉じ込めは、等価的に屈折率が変わる構造を導入し、その屈折率の高い部分をストライプ状にすることで光導波構造を実現している。そして、この光導波路部分に電流を注入し、活性層に反転分布を起こすことにより、誘導増幅を実現することができる。端面Ｐ１と端面Ｐ２との間を光が（基本的には）１回だけ通過して誘導増幅を起こして出射される発光素子はスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）と呼ばれる。ＳＬＤは、このような誘導増幅を起こすことで、数十ｎｍから１００ｎｍ以上もの広い波長帯域の光を、数ｍＷから数十ｍＷ以上もの高出力で出射させることができる。
（光源システム）
次に本実施形態に係る光源システムについて図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る光源システムを示すブロック図であり、図２中で発光素子１００は上面図を示している。
本実施形態に係る光源システム１６０は、上部電極層１１０、下部電極層１２０への電流注入密度を制御する制御部１５０を有する。また、本実施形態に係る光源システム１６０は、出射した光の強度を検出する出射光検出部１４０を有し、制御部１５０は出射光検出部１４０で検出される光の強度に応じて各電極への電流注入密度を制御可能に構成されていてもよい。
（量子閉じ込め構造）
本実施形態に係る発光素子は、その活性層が量子井戸構造、量子細線構造、または量子ドット構造の少なくともいずれか一種で構成されている。量子井戸構造、量子細線構造、量子ドット構造を総称して量子閉じ込め構造と呼ぶ。本実施形態に係る発光素子は、複数の量子閉じ込め構造を有する。第一の量子閉じ込め構造はエネルギー準位がＥ０の基底準位、及びエネルギー準位がＥ１の高次準位を有する。そして、第二の量子閉じ込め構造はＥ０よりも大きいエネルギー準位Ｅ２の基底準位を有する。そして、Ｅ１とＥ２とが略一致している。なお、本明細書において高次準位とは、基底準位のヘビーホール以外の、ライトホール、及び１次準位以上のエネルギー準位を指す。
以下では、主に、量子閉じ込め構造の一種である量子井戸構造を例として説明する。
本実施形態における量子井戸構造を用いることによる効果について図３に示すバンド図を用いて詳細に説明する。また、以下では、発光とは特に説明がない場合、自然放出光と誘導放出光との両方を含む。
本実施形態において、活性層１０３は第一の量子井戸構造１７１と第二の量子井戸構造１７２とを有する多重量子井戸構造１７０を有する。本実施形態において、第一の量子井戸構造１７１はエネルギー準位がＥ０の基底準位と、エネルギー準位Ｅ１の高次準位とを有する。第二の量子井戸１７２構造はエネルギー準位がＥ２の基底準位を有する。そして、Ｅ１とＥ２とが略一致している。なお、本明細書及び図面におけるホールの基底準位はヘビーホールである。
エネルギー準位Ｅ１とＥ２とが略一致していることで、第二の量子井戸構造１７２の基底準位Ｅ２および第一の量子井戸構造１７１の高次準位Ｅ１からの自然放出による発光が、第二の量子井戸構造１７２の基底準位Ｅ２および第一の量子井戸構造１７１の高次準位Ｅ１で誘導増幅を引き起こし、高次準位（短波長）の発光強度を大きくできる。Ｅ１は高次準位であるため、この準位から発光および誘導増幅をさせるために高い電流注入密度を必要とする。しかし、Ｅ２はＥ１と同じエネルギー準位であるが、基底準位であるため、Ｅ１を発光させるよりも低い電流注入密度で発光および誘導放出をさせることができる。そのため、第一の量子井戸構造１７１のみを含む量子井戸構造と比較すると、量子井戸１７２を加えることで、必要とするキャリア密度は２倍以下に抑えながら、準位２つ分の発光および利得が生じる。そのため、量子井戸１７１が１つのみで構成される構造と同じ大きさの発光および利得を生じさせるだけで良い場合、それを実現するのに必要なキャリア密度は小さくなり、結果として、低い電流注入密度で発光させることができる。
また、図３（ａ）のように第二の量子井戸構造１７２の深さが、第二の量子井戸構造１７１の深さよりも浅い場合、第二の量子井戸構造の基底準位の発光をさせやすいため好ましい。
なお、上記では活性層の多重量子井戸構造１７０は第一の量子井戸構造１７１、第二の量子井戸構造１７２を有する２量子井戸構造を用いた例の説明をしたが、３つ以上の量子井戸構造を有する多重量子井戸構造を用いてもよい。
例えば、図３（ｂ）のように、多重量子井戸構造１７０が第一の量子井戸構造１７１、第二の量子井戸構造１７２に加えて、第三の量子井戸構造１７３を有していてもよい。第三の量子井戸構造１７３はエネルギー準位Ｅ３の基底準位と、エネルギー準位Ｅ４の高次準位とを有する。Ｅ３とＥ０、及びＥ４とＥ１とＥ２はエネルギー準位が略一致している。そのため、第一の量子井戸構造１７１の基底準位Ｅ２からの発光が、第一量子井戸構造のＥ１の発光による誘導増幅に加えて、第三量子井戸構造Ｅ４の発光による誘導増幅も起きるため高次準位からの短波長帯域の発光強度がさらに大きくなりやすい。言い換えると、所定の発光強度を得るために必要な電流注入密度がより低くてすむ。したがって、活性層が第三の量子井戸構造を有し、第三の量子井戸構造は、第一の量子閉じ込め構造と同じであることが好ましい。
また、図３（ｃ）のように、第三の量子井戸構造１７４がエネルギー準位Ｅ５の基底準位を有し、エネルギー準位Ｅ５がＥ１及びＥ２と略一致する構成であってもよい。
本明細書において、Ｅ０とＥ２のエネルギー準位が略一致しているとは、誘導増幅が生じる程度に一致していればよく、完全一致していなくてもよい。以下に示すエネルギー準位差ΔＥ（＝Ｅ２−Ｅ１）の数値範囲は一例であり、量子井戸構造におけるバリア層の幅や、井戸層の幅、井戸層の深さやその他の条件に応じて、最適な範囲に設定することができる。例えば、エネルギー準位差ΔＥが−１１０ｍｅＶ以上、２５ｍｅＶ以下であることが好ましく、−４５ｍｅＶ以上であることがさらに好ましい。
またΔＥの絶対値が２０ｍｅＶ以下であることが好ましい。以下、その理由を説明する。状態密度がデルタ関数状の量子ドットの様な構造であっても、室温付近の温度では、利得スペクトルはある幅を持つことが知られている。そして、この幅は、室温付近では２０ｍｅＶ程度であることが知られている。つまり、ある２つの準位が存在する場合、その準位で発光するフォトンのエネルギー差が２０ｍｅＶ以下であれば、それら２つの準位から生じる利得は重なることとなる。
また、ΔＥを０ｍｅＶ以下とすることが好ましく、−２１ｍｅＶ以下とすることがさらに好ましい。ΔＥがこのような範囲である場合、発光素子の製造の過程でＥ２の値が設計値より大きくなったとしても、発光強度の大きさを保つことができる。これは、後述するように、ΔＥの値がプラスの方向に大きくなっていく場合、ΔＥの値がマイナスの方向に大きくなっていく場合に比べて、発光強度が急激に小さくなる傾向がある。もし、Ｅ２の値が発光素子の製造の過程でプラスの方向に大きくなった場合、上記のような発光強度の減少傾向があるために、発光強度が急激に小さくなる。一方、ΔＥを０ｍｅＶ以下としておけば、Ｅ２が大きくなった場合でも、発光強度を大きいまま維持することができる。
本実施形態では、第二の量子閉じ込め構造の基底準位と、第一の量子閉じ込め構造のうち、短波長帯域の発光に対応する高次準位とが略一致しているため、短波長帯域の発光に必要な電流注入密度が低い。このメカニズムを以下に詳細に説明する。
第１のポイントは、第一の量子閉じ込め構造の短波長の発光準位に略一致する基底準位を持つ第二の量子閉じ込め構造を量子閉じ込め構造に導入することにより、短波長帯域の発光のみを選択的に増強している点である。
そして、その増強の度合いは、単なる発光強度の足し合わせではない。例えば、活性層を構成する量子閉じ込め構造として、量子閉じ込め構造１つのみの場合と比較して、量子閉じ込め構造２つの場合は、短波長帯域の発光強度は、２倍ではなく、それ以上の大きな値となる。
このように発光強度が、単なる足し合わせ以上の大きな値となる理由は、上記の通り誘導増幅を利用し、かつレーザとは異なり、ワンパスで誘導増幅により光を出力しているためである。以下、より詳細にこのメカニズムを説明する。
量子閉じ込め構造の数に応じて変化するのは、発光量ではなく、光が発光素子の導波路構造を導波する際に得られる誘導増幅の大きさ、つまり利得ｇである。そして、この利得ｇ、導波する長さＬ、光閉じ込め係数Γ、導波路の始点での光強度をＰ１とすると、長さＬを導波した後の光強度Ｐ２は、下記式（１）で表わされる。
Ｐ２＝Ｐ１×Ｅｘｐ（ΓｇＬ） （１）
上記式（１）より、利得ｇが指数関数内のあるため、ｇが２倍になると、Ｐ２の大きさは、２倍ではなく、それ以上の大きさとなることが理解できる。上記式（１）の関係が成立する発光素子としてＳＬＤが挙げられる。以下、比較のために、ＳＬＤと類似のデバイスとして、半導体レーザ（ＬＤ）および発光ダイオード（ＬＥＤ）の場合に、上記と同じ活性層構造を導入した際の発光強度の変化について考察する。
ＬＤの場合、共振器の共振波長、または活性層の利得のピーク波長で発振する。発振している光は誘導増幅により発光した光である。誘導増幅を主に利用しているという点はＳＬＤと同じである。しかし、ＬＤの場合、量子閉じ込め構造の数を増やしてもそれによる発光強度は、量子閉じ込め構造の数に比例して大きくはならない。それは、ＬＤの発光効率がｇとは関係が小さく、主に内部量子効率（注入されたキャリア数のうち、内部でフォトンに変わる割合）と、取り出し効率（内部で発生したフォトンが共振器外部に取りだされる割合）の積で決まるためである。そして、利得ｇは内部量子効率に影響を与えるのだが、一般的に知られている構造であっても既に７０〜９０％といった高い値であることが知られている。そのため、量子閉じ込め構造を改善することにより内部量子効率を上げることができても、最大でも１００％となるため、２倍以上といった大きな効果が得られる可能性は低い。
ＬＥＤの場合、自然放出により光が発生している。そのため、各量子閉じ込め構造からの発光量が同じと仮定すると、量子閉じ込め構造の数を増やすと、単純にその数に比例して発光強度が増加する。つまり、発光強度の総和は各量子閉じ込め構造からの発光の足し合わせである。しかし、実際には量子閉じ込め構造の数が増えると、注入された電流は量子閉じ込め構造の数で割られるため、１つの量子閉じ込め構造からの発光強度は下がる傾向にある。その結果、量子閉じ込め構造の数が２倍になっても発光量の増加分は、２倍以下である。
第２のポイントは、第一の量子閉じ込め構造の短波長の発光準位に略一致させる準位として、第二の量子閉じ込め構造の基底準位を使用している点である。上述のように、基底準位に反転分布を実現するために必要な電流注入密度は、短波長の発光準位（高次準位）に反転分布を起こさせるために必要な電流注入密度よりも低くなる。
また、第二の量子閉じ込め構造が増えたことによる必要な電流値の増加分は、量子閉じ込め構造が２つになった場合でも２倍ではなく、それよりも低い値となる。すなわち、第一の量子閉じ込め構造を１つのみ含む量子井戸構造に、第二の量子閉じ込め構造を追加した場合、必要な電流量は２倍より小さい。一方、第二の量子閉じ込め構造を追加して利得が増加することによって発光強度は２倍より大きくなる。以上により、同じ駆動条件であれば、短波長帯域の発光強度が大きくなり、言い換えれば、短波長帯域の発光強度を同じにするために必要な電流注入密度は低くなる。一方、短波長帯域の光を発するエネルギー準位は、基底準位よりエネルギー準位の高い高次準位の発光を起こす。そのため、キャリアが存在できる矩形の状態密度の底、つまり基底準位の位置から、発光させたい短波長帯域の準位が位置する高いエネルギーの位置までキャリアを蓄積させることで発光させている。
キャリアが矩形の状態密度を埋めていく様子は、発光素子に注入する電流量を増やした時のスペクトルの変化に現れる。電流注入密度が低い時には、量子井戸構造の基底準位の付近にキャリアがたまるため、発光スペクトルを見ると、基底準位からの長波長帯域の発光が主である。その状態から電流注入密度を高くすると、基底準位よりもエネルギーが高い準位にもキャリアが存在するようになるため、発光波長帯域が徐々に短波長側へ拡大するとともに、スペクトルのピーク（極大値）として現れる。さらに電流注入密度を高くすると、より高次の準位のエネルギーの位置にもキャリアが多く存在するようになり、高次準位の発光の強さが基底準位の波長の発光の強さと同等になる。非特許文献１でスペクトル幅が広い状態（Ｆｉｇ．３）の駆動条件は、この、基底準位（非特許文献１中でｎ＝０と表記）と高次準位（ｎ＝１）の発光の強さが同じレベルの状態である。
高いエネルギー準位までキャリアが蓄積している状態では、自然放出による再結合や活性層からのオーバーフローが、基底準位のみで発光している場合と比較して大きくなる。つまり、高いエネルギー準位までキャリアを蓄積している状態では、誘導増幅以外のキャリアの消費が大きく、その分、余計に電流注入密度を高くする必要がある。
（特に効果が大きい範囲について）
本発明では、発光を大きくする準位は、浅い量子井戸の基底準位をその波長に合わせるだけで、比較的簡易に、任意の波長を選ぶことができる。
非特許文献１のように、量子井戸の基底準位かおよび高次準位からのみ発光させる場合、基底準位からあるエネルギー高さ以上にキャリアを注入することで基本的には可能である。しかし、現実的には基底準位からのエネルギー差が大きい位置にある高次準位で発光させることは難しくなる。それは、上述の通り、キャリアの畜積が大きく（＝キャリア密度が高く）なると、誘導放出以外でのキャリアの消費も大きくなるためである。
そのような、離れた位置にある準位からの発光を大きくする場合には、本発明は特に効果が大きい。それは、浅い量子井戸の側の発光は基底準位を使用するため、こちらについては、基底準位から誘導放出を起こす量のキャリアが蓄積すればよく、それ以上は必要としないためである。その準位間のエネルギー差の目安としては、１００ｍｅＶ以上の範囲である。例えば、発光波長としては、８５０ｎｍ帯では、６０ｎｍ以上に相当する。このような場合には、本発明は大きな効果を奏する。
そして、増幅させる準位は、基底準位のすぐ上の準位である必要はなく、その上（基底準位の上の高次準位の、さらに一つ上の高次準位）を選択することもできる。このような準位は、同じ量子井戸でキャリア密度を上げることで発光させようとした場合、下に２つの準位があるため、それらでキャリアが消費してしまう。結果として、下の２つの準位からの発光が強く、それによりこの準位からの発光が弱くなる。一方、本発明では選択的にこの準位の発光を増強することができるため、基底準位の２つ上の準位からの発光を選択的に増強させ、準位間の強度差を補正できる。それにより、より幅の広いスペクトル帯域での発光を実現でき、本発明は効果を大きな効果を奏する。
そして、これら２つの条件が重なった場合、具体的には、１００ｍｅＶ以上の範囲であり、かつ発光を増やす波長（＝浅い順位の基底準位の波長）と、深い井戸の基底準位との間に１つ以上の準位がある場合には、本発明の増強の効果が特に大きい。
（上部電極層）
本実施形態に係る発光素子において上部電極層は特に限定されないが、Ｔｉを有する第一のｐ型電極層の上にＡｕを有する第二のｐ型電極層が形成された電極層を用いることができる。また、電極の導波方向の長さは、実現したい発光スペクトルによって適切に設定する。
（下部電極層）
本実施形態に係る発光素子において下部電極層は特に限定されないが、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを有するｎ型電極層が形成された電極層を用いることができる。
（活性層）
本実施形態における発光素子の活性層に好適な量子井戸構造は、発光させる波長により異なる。そして量子井戸構造の発光波長は井戸層及び障壁層の材料および井戸層の厚さにより決まる。以下では、活性層の発光波長に好適な量子井戸構造の例として、量子井戸構造の基底準位の発光波長を軸に説明する。
例えば、基底準位からの発光が８００ｎｍから８５０ｎｍの範囲となるようにするためには、井戸層としてＡｌ組成ｘが０から０．１５のＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓが好適である。そして障壁層として、その井戸層よりもＡｌ組成の高いＡｌＧａＡｓが好適である。このときの量子井戸層の厚さは、５ｎｍ〜１０ｎｍであることが好適である。ただし、発光波長は井戸層の厚さと井戸層を構成する材料で決まるため、厚さを５ｎｍより短くし、その分バンドギャップの小さい波長の材料を使用することでも実現できる。
また、材料も上記に限られたものでなく、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ等の発光材料を用いてもよい。
また、基底準位の発光が８５０ｎｍから９００ｎｍの範囲となるようにするためには、Ｉｎ組成ｘが０から０．１のＩｎｘＧａ（１−ｘ）Ａｓが使用できる。障壁層の材料としては、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを使用することが好適である。井戸層の厚さは、５ｎｍ〜１０ｎｍが好適である。ただし、発光波長は井戸層の厚さと井戸層を構成する材料で決まるため、厚さを５ｎｍより短くし、その分バンドギャップの短い波長の材料を使用することでも実現できる。
また、同じ波長帯（８００ｎｍから９００ｎｍ帯）で発光する材料であれば、上記の材料に限らず、他の材料を用いることもできる。例えば、井戸層にＧａＩｎＡｓＰを用いて、上記の思想により量子井戸構造を実現しても良い。
同様に、他の波長帯においても、各波長帯で発光する井戸層とそれよりも広いバンドギャップを持つ材料を障壁層に用い、かつ井戸層の幅を調整することで好適な活性層が実現できる。例えば、９８０ｎｍ帯であれば、井戸層にはＩｎ組成が０．２付近のＩｎＧａＡｓが好適であり、１５５０ｎｍ帯であれば、ＩｎＰ基板と格子整合するＩｎ組成０．６８付近のＩｎＧａＡｓを好適に用いることができる。
また、活性層は量子井戸に限らず、量子細線や量子ドットといった量子閉じ込め構造を有していてもよい。
（リッジ型の導波路構造）
本実施形態における発光素子は、リッジ型の導波路構造１０５を形成することにより発光素子内に光を閉じ込め、活性層内を導波させ、出射端面から出射させることができる。このリッジ型の導波路構造は、一般的な半導体リソグラフィー法および半導体エッチングにより形成することができる。またリッジ型導波路構造の幅（図１（ｂ）のｗ）は光を閉じ込めることができれば特に限定されないが例えば１０μｍ以下とすることが好ましく、５μｍ以下とすることが好ましく、３μｍ以下とすることがさらに好ましい。リッジ型導波路構造の幅、すなわちリッジ幅ｗは発光素子の発光がマルチモードとならないように狭い方が好ましい。
（光の出射端面の構造）
本実施形態に係る発光素子において、リッジの導波路構造１０５は、レーザ発振しにくくするために、光の出射端面の垂線に対して活性層の面内方向に傾斜させる。傾斜させることで端面における光の反射した光が導波路へ戻ることを抑制できるため、レーザ発振しにくくなる。例えば、出射端面の垂線に対して活性層の面内方向に傾斜を約７度設けることが好適である。また、端面の反射を抑制するためにＳｉＮのような誘電膜を反射防止膜として設けてもよい。反射防止膜は、出射端面Ｐ１と、それと逆側の端面Ｐ２のいずれか一方に設けてもよいし、両方に設けてもよい。また、出射端面での劣化を抑制するために出射端面付近に電流が注入されない領域を設けてもよい。
（制御部）
本実施形態における制御部は、各電極に注入する電流注入密度を制御することができるものであれば特に限定されない。また、その電流注入密度は、上記出射光検出部で検出された光の強度の情報を、フィードバック回路を用いて制御部に送り、その情報に基づいて決めることができる。
また、本実施形態における制御部は、１つでもよいし、複数でも良い。制御部を複数有する場合、分割された電極ごとに制御部を有する構成であってもよいし、１つの制御部で複数の電極への電流注入量を制御可能に構成されていてもよい。
例えば、制御部を２つ有する場合、一方は出射端面Ｐ１側の第一電極１１１、及び調整電極１１２の制御をし、他方は端面Ｐ２側の第二電極１１３の制御を行ってもよい。
（製造方法）
本実施形態に係る発光素子の製造方法は、特に限定されないが、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて各半導体層を順次成長させることで製造することができる。
（実施形態２）
実施形態２に係る発光素子について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る発光素子の上面図である。本実施形態は、実施形態１と同様の活性層構造を有しているが、光の導波方向に電流注入密度の分布がある点が実施形態１と異なる。このように電流注入密度の分布があることで、全体に均一に電流注入する形態と比較して、より自由に発光スペクトル形状を制御することができる。以下では、実施形態１と異なる点について説明し、同一の点については説明を省略する。
本実施形態に係る発光素子２００の素子構成は、上部電極層２１０が複数の電極に分割されていること以外は実施形態１と同一である。本実施形態では、上部電極層２１０が、出射端面Ｐ１側に設けられた第一電極２１１（フロント電極）と、出射端面Ｐ１とは逆側の端面Ｐ２側に設けられた第二電極２１２（リア電極）とを有する。第一電極２１１、第二電極２１２への電流注入密度を適宜調整することで、出射光の波長帯域の広さや強度、すなわち発光スペクトルの形状を変えることができる。電流注入密度の調整は、上記制御部１５０が第一電極２１１、第二電極２１２に接続され、各々の電極への電流注入密度を個別調節できるように構成されていることが好ましい。例えば、第一電極２１１には電流注入密度を高くすることで短波長帯域の発光をさせ、第二電極２１２は電流注入密度を低くすることで長波長帯域の発光をさせる。短波長帯域の発光スペクトルと長波長帯域の発光の両者が合波されることで広い波長帯域の発光スペクトルを実現することができる。第二電極２１２からの長波長帯域の発光強度は小さいが、第一電極２１１に対応する活性層領域を通過する際に誘導増幅が生じるため、結果的に、発光素子２００から出射される波長帯域は短波長から長波長にわたって、十分な発光強度を有する発光スペクトルとなる。また、発光スペクトルはガウシアン形状であることが好ましく、それを実現するために、各電極への電流注入密度は適宜調整することが好ましい。なお、上記では、上部電極層２１０が、２つに分割された電極群をなす構成について説明したが、３つ以上に分割されていてもよい。また、上記では、上部電極層２１０が分割された構成について説明したが、下部電極層１２０が複数の電極に分割された構成でもよい。また、上部電極層２１０および下部電極層１２０の両方の電極層が分割された構成でもよい。
また第一電極２１１の導波方向の長さＬ１、及び第二電極２１２の導波方向の長さＬ２は出射させたい発光スペクトルに応じて、適宜設定する。
また、第一電極２１１と第二電極２１２との間の電極分割領域２１５の導波方向の長さＤ１は２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがさらに好ましい。
（実施形態３）
実施形態３に係る発光素子について図５を用いて説明する。本実施形態では、実施形態２と同様に光の導波方向に電流注入密度の分布を持たせるが、電流がほとんど流れていない活性層領域、つまりバンドギャップによる吸収が支配的となる活性層領域（吸収領域）が含まれる。そしてこの吸収領域の前後に発光領域が存在し、この吸収領域の後ろの発光領域から発せられた光が上記吸収が支配的となる領域を透過するときに吸収の影響を受ける。この吸収が波長依存性を持つため、透過後の光のスペクトル形状が制御できる。その結果、実施形態２よりもさらに自由にスペクトル形状を制御できる。以下では、実施形態１、２と異なる点について説明し、同一の点については説明を省略する。
本実施形態に係る発光素子３００は、上部電極層３１０が第一電極３１１、第二電極３１２、第三電極３１３、第四電極３１４の４つの電極に分割されている。すなわち、上記本発明の実施形態２に係る発光素子の第二電極２１２よりも、端面Ｐ２側にさらに２つの電極３１３、３１４を有する構成である。このように４つの電極への電流注入密度を適宜調整することで、広い波長帯域の発光スペクトルを実現できる。例えば、第一電極３１１への電流注入密度を第二電極３１２への電流注入密度よりも大きく、第四電極３１４への電流注入密度を第二電極３１２への電流注入密度よりも大きくし、第三電極３１３への電流注入密度をゼロとする。このような電流注入条件では、第一電極３１１による発光スペクトルは短波長帯域（中心波長λ１）に表れ、第二電極３１２による発光スペクトルはλ１よりも長波長のλ２の中心波長を有する発光スペクトルとなる。さらに第四電極３１４による発光スペクトルはλ２よりも長波長のλ４の中心波長を有するが、その発光スペクトルは、第三電極に対応する活性層領域（吸収領域）を通過する際に短波長帯域のみ吸収される。その結果、第一電極３１１、第二電極３１２、第四電極３１４の各々に対応する活性層領域からの発光スペクトルが合波されて、広い波長帯域の光が発光素子３００から出射される。このように、ある波長帯域を吸収する吸収領域を設けることで、実施形態２に係る発光素子よりもさらに、発光スペクトルの形状を細かく制御できる。なお、吸収領域には、発光スペクトルを所望の形状にするために、逆バイアスの電流を注入してもよい。
なお、上記の各電極に対応する活性層領域は、各電極のうち電流が注入される領域の直下の活性層領域である。図１では、例えば、電極層１１０とコンタクト層１０６とが接する面の直下に位置する活性層領域である。
（実施形態４）
（光干渉断層計）
本実施形態では、上記実施形態１乃至３に係る発光素子または、その発光素子を含む光源システムを用いた光干渉断層計（ＯＣＴ）について図６を用いて説明する。
本実施形態に係るＯＣＴ４００は、発光素子（光源システム）４０１、干渉光学系４０２、分光部４０３、干渉光検出部４０４、情報取得部４０５を少なくとも有する構成であり、光源システム４０１は上記実施形態１乃至３に係る発光素子（光源システム）である。
干渉光学系４０２では、発光素子（光源システム）４０１からの光を物体４１０へ照射する照射光と、参照光とに分波し、物体４１０に照射された光の反射光と、参照光とによる干渉光を発生させる。この干渉光は、測定対象の物体４１０の情報を有する。分光部４０３で分光された干渉光は、干渉光検出部４０４の異なる位置に異なる波長の光が照射される形で受光される。情報取得部４０５では、干渉光検出部４０４で受光された光の強度の情報から物体４１０の情報、例えば断層像の情報を取得する。次に、本実施形態に係るＯＣＴの詳細な構成について、図６を用いて説明する。
図６に示すＯＣＴは、発光素子（光源システム）４０１から出射された光は、干渉光学系４０２の分波部４２０によって、照射光と参照光とに分波される。照射光は、照射光学系４４０を経て測定対象の物体４１０に反射されて反射光となり、参照光学系４３０で反射された参照光と干渉部（分波部）４２０で干渉光を生じる。本実施形態に係るＯＣＴは、干渉部４２０で生じた干渉光を検出する光検出光学系４５０、光検出光学系４５０で検出された光に基づいて断層像に関する情報を得る情報取得部４０５、断層像を表示する表示部４６０を有する。
発光素子（光源システム）４０１は、光ファイバを介して分波部（干渉部）４２０により参照光と照射光に分波し、分波された光の一部は参照光学系４３０へ入る。ここでは、分波部４２０と干渉部４２０は同一のファイバカプラを用いている。参照光学系４３０はコリメータレンズ４３１および４３２、反射鏡４３３で構成されており、反射鏡４３３で反射した参照光は再度光ファイバへ入射する。光ファイバから分波部４２０で分波されたもう一方の光である照射光は、照射光学系４４０へ入る。照射光学系４４０はコリメータレンズ４４１および４４２、光路を９０°曲げるための反射鏡４４３で構成されている。照射光学系４４０は入射した光を測定対象の物体４１０へ入射するとともに、反射光を再び光ファイバへ結合する役割がある。
そして参照光学系４３０および照射光学系４４０から戻ってきた光は干渉部４２０を通り、光検出光学系４５０へ入る。光検出光学系４５０はコリメータレンズ４５１および４５２、分光部としての回折格子４０３を有する。また、回折格子４０３により分光された光のスペクトル情報を得るためのラインセンサ４０４を有する。
なお、上記本実施形態に係るＯＣＴにおいて、参照光学系４３０は反射鏡４３３を有し、そこで反射した光が干渉部４２０に戻る構成の例を示した。しかし、反射鏡４３３を有さず、適切な光路長の光路を経て、干渉部４２０に至る構成であってもよい。
本実施形態に係るＯＣＴは、眼科、歯科、皮膚科等の分野において、動物や人のような生体の断層像を取得する際に有用である。生体の断層像に関する情報とは、生体の断層像のみならず、断層像を得るために必要な数値データをも含む。特に測定対象を人体の眼底とし、眼底の断層像に関する情報を取得するために用いることが好適である。なお、ＯＣＴはＯＣＴ装置と呼ぶこともできる。
（他用途）
上記本発明の実施形態に係る発光素子は、上記のＯＣＴ以外にも、光通信用光源や光計測用光源として利用できる。
以下に本発明の実施例について説明する。以下の実施例で示す活性層構造や層構造はあくまで一例であり、それらに限定されるものではない。また、発光素子の製造方法は、発光素子の各構成要素の寸法、製造の各工程、装置、各種パラメータは実施例に限定されない。また、半導体材料、電極材料、誘電体材料などに関しても実施例で開示したものに限らない。さらに、各半導体層の導電型は本実施例で例示するものに限らず、ｐ型として例示したものをｎ型に、ｐ型で例示したものをｎ型に置き換えることもできる。
（実施例１）
本発明の実施例１に係る発光素子について説明する。本実施例に係る発光素子１００の構成は図１に示される。本実施例において、基板としてＧａＡｓ基板１０１、下部クラッド層としてｎ型Ａｌ０．５ＧａＡｓクラッド層１０２、活性層１０３、上部クラッド層としてｐ型Ａｌ０．５ＧａＡｓクラッド層１０４を用いる。また、コンタクト層としてｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０６、コンタクト層１０６の上部に上部電極層としてのｐ型電極１１０を用い、下部電極層としてのｎ型電極１２０を用いる。また、図１のように、リッジ型の導波路構造１０５を形成する。なお、リッジ型の導波路構造１０５の幅は出射光をシングルモードとするために３ｕｍの幅としている。また、出射端面の垂線と光導波路の角度は、リッジ型の導波路構造１０５の端面Ｐ１での反射を防止するために約７度傾斜させる。
次に本実施例における活性層１０３の量子井戸構造の詳細についてバンド図（図７（ａ））を用いて説明する。本実施例における活性層は、２つの量子井戸構造を含む量子井戸構造Ａを有する（図７（ａ））。第一の量子井戸構造１００１は、Ａｌ０．２ＧａＡｓのガイド層、厚さ８ｎｍのＩｎ０．０７ＧａＡｓ層からなる井戸層、厚さ１０ｎｍのＡｌ０．２ＧａＡｓのバリア層で挟んだ構造である。また、第二の量子井戸構造１００２は、厚さ１０ｎｍのＡｌ０．２ＧａＡｓのバリア層、厚さ６ｎｍのＡｌ０．０３ＧａＡｓ層からなる井戸層、Ａｌ０．２ＧａＡｓのガイド層を順次積層したで挟んだ構造である。なお、第一の量子井戸構造と第二の量子井戸構造とは、厚さ１０ｎｍのＡｌ０．２ＧａＡｓのバリア層を共有している。
この量子井戸構造では第一の量子井戸構造１００１（Ｉｎ０．０７ＧａＡｓ／Ａｌ０．２ＧａＡｓ）の１次準位Ｅ１と、第二の量子井戸構造１００２（Ａｌ０．０３ＧａＡｓ／Ａｌ０．２ＧａＡｓ）の基底準位Ｅ２とが略一致している。量子井戸構造Ａの各準位の発光波長は、第一の量子井戸構造１００１の基底準位Ｅ０は約８８０ｎｍ、１次準位Ｅ１は約８００ｎｍ、第一の量子井戸構造１００２の基底準位Ｅ２は約８００ｎｍである。すなわち、図１０（ａ）において点線の矢印に付記した波長（ｎｍ）は、その矢印の起点のエネルギー準位の電子と終点のエネルギー準位のホールとの再結合による発光の波長である。例えば第一の量子井戸構造の１次準位Ｅ１からの発光は８００ｎｍである。以下の実施例で示すバンド図も同様である。
図７（ｂ）に、実施例１に係る発光素子において６０ｍＡの電流を注入して発光させたときの発光スペクトルの計算結果を示す。第一の量子井戸構造１００１の基底準位Ｅ０からの発光スペクトルの中心が８８０ｎｍ付近に表れている。そして、第一の量子井戸構造１００１の１次準位Ｅ１と第二の量子井戸構造１００２の基底準位Ｅ２からの発光スペクトルの中心が８００ｎｍ付近に存在し、これら準位からの発光が強いことが分かる。
このように、第一の量子井戸構造１００１の１次準位の発光を増大させるために、第二の量子井戸構造１００２の基底準位を第一の量子井戸構造１００１の１次準位と略一致させた例を示した。短波長帯域において比較的大きな発光強度を得るためには、高い電流注入密度が必要となる。したがって、本実施例のように設計された量子井戸構造を用いることで、電流注入密度が低くても、短波長帯域において比較的大きな発光強度の光を得ることが可能となり、発光素子の長寿命化が期待できる。
（比較例１）
上記実施例１に係る発光素子の比較例について説明する。本比較例で説明する各々の形態は、量子井戸構造以外はすべて実施例１と同じ構成である。本比較例で示す２つの量子井戸構造をＢ、Ｃと呼ぶ。
量子井戸構造Ｂは図８（ａ）に示すように、量子井戸構造Ａの第一の量子井戸構造１００１と同じ量子井戸構造を１つ有する単量子井戸構造である。
量子井戸構造Ｃは図８（ｂ）に示すように、量子井戸構造Ａの第二の量子井戸構造１００２と同じ量子井戸構造を１つ有する単量子井戸構造である。
量子井戸構造Ｂ、Ｃに、上記実施例１と同じ電流注入密度で電流注入した時の発光スペクトルの計算結果を図９（ａ）（ｂ）に示す。また、図９（ａ）と図９（ｂ）の発光スペクトルを足し合わせた発光スペクトルを図９（ｃ）に示す。
図７（ｂ）と図９（ｃ）において、第一の量子井戸構造１００１の１次準位からの発光波長である波長約８００ｎｍにおけるピーク強度を比較すると、図９（ｃ）の方が約２．９倍の大きさとなっている。これより、複数の量子井戸構造が活性層に含まれていると、単量子井戸構造の活性層の発光スペクトルを単に足し合わせた以上の発光強度となることが分かる。
（実施例２）
本発明の実施例２に係る発光素子について説明する。本実施例に係る発光素子は、実施例１に係る発光素子の量子井戸構造Ａに第一の量子井戸構造１００１と等しい量子井戸構造を２つ含む活性層構造（ここでは量子井戸構造Ｄと呼ぶ）である。以下、実施例１と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例の量子井戸構造Ｄは第一の量子井戸構造１００１が２つと、第二の量子井戸構造１００２が１つの、計３つの量子井戸構造をもつ（図１０（ａ））。そして、第一の量子井戸構造１００１の１次準位と第二の量子井戸構造１００２の基底準位は略一致している。量子井戸構造Ｄをもつ活性層に実施例１および比較例と同じ電流注入密度で電流注入した際の発光スペクトルの計算結果を図１０（ｂ）に示す。また、量子井戸構造Ｄの３つの量子井戸構造１００１、１００１、１００２の各々を、単量子井戸構造として有する活性層からの発光スペクトルを合波した場合の計算結果を図１０（ｃ）に示す。
図１０（ｂ）と図１０（ｃ）の各発光スペクトルにおいて、波長約８００ｎｍにおけるピーク強度を比較すると、図１０（ｂ）の方が図１０（ｃ）に比べて約３．４倍の大きさとなっている。
（実施例３）
本発明の実施例３に係る発光素子について説明する。本実施例に係る発光素子は、実施例１の量子井戸構造Ａに、実施例１で用いている第二の量子井戸構造１００２と同じ量子井戸構造を１つ追加した活性層構造（活性層構造Ｅと呼ぶ）である。以下、実施例１と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例の量子井戸構造Ｅのバンド図を図１１（ａ）に示す。量子層構造Ｅは、第一の量子井戸構造１００１が１つと、第二の量子井戸構造１００２が２つの計３つの量子井戸構造をもつ３量子井戸構造である。本実施例の量子井戸構造をもつ活性層に実施例１、２、比較例と同じ電流注入密度で電流注入して発光させた時の発光スペクトルの計算結果を図１１（ｂ）に示す。また、量子井戸構造Ｅの３つの量子井戸構造の１００１、１００２、１００２の各々を、単量子井戸構造として有する活性層からの発光スペクトルを合波した場合の計算結果を図１１（ｃ）に示す。図１１（ｂ）と図１１（ｃ）の各発光スペクトルにおいて、第一の量子井戸構造１００１の１次準位の発光波長である波長約８００ｎｍにおけるピーク強度を比較すると、図１１（ｂ）の方が図１１（ｃ）に比べて約２．３倍の大きさとなった。
（実施例４）
本発明の実施例４に係る発光素子について図４を用いて説明する。本発明の実施例４に係る発光素子は上部電極層が２つに分割されていること、活性層の組成が異なること以外は実施例１と同一の構成である。以下、実施例１と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例に係る発光素子の上部電極層２１０は、第一電極２１１と第二電極２１２とに分割され、リッジ導波路構造１０５を形成している。第一電極２１１と第二電極２１２とは電気的に分割され、電極分割領域２１５は電気抵抗値が高くなっている。ここで、電気抵抗値が高いとは、第一電極２１１と第二電極２１２との間の電気抵抗値が、第一電極２１１と下部電極層１２０との直列抵抗と比較して１０倍以上であることを指す。また、各電極の導波方向の長さは、第一電極２１１の長さＬ１が０．２９ｍｍ、第二電極２１２の長さＬ２が０．３ｍｍである。光は電極２１１が接している端面（劈開面）Ｐ１から出射される。本実施例に係る発光素子における活性層は８ｎｍの厚さのＩｎ０．０８ＧａＡｓ層を井戸層とした第一の量子井戸構造と、６ｎｍの厚さのＧａＡｓ層を井戸層とした第二の量子井戸構造とを有する２量子井戸構造をもつ。各井戸層を挟むバリア層は共にＡｌ０．２ＧａＡｓである。この量子井戸構造では第一の量子井戸構造（Ｉｎ０．０８ＧａＡｓ／Ａｌ０．２ＧａＡｓ）の１次準位と、第二の量子井戸構造（ＧａＡｓ／Ａｌ０．２ＧａＡｓ）の基底準位とを略一致させるようにＭＯＣＶＤ法により結晶成長をし、半導体積層体を製作した。本実施例でも、第二の量子井戸構造の基底準位と第一の量子井戸構造の１次準位との発光波長、すなわちエネルギー準位が略一致しているため、実施例１で説明した効果と同じ効果を得ることができる。
図１２（ａ）および（ｂ）に本実施例にかかる発光素子に電流注入して得られた発光スペクトルの実験結果を示す。図１２（ａ）は、第一電極２１１のみに０ｍＡから１２０ｍＡまで、２０ｍＡステップで電流を注入した時の発光スペクトル変化の実験結果示すグラフである。このグラフより、電流注入量が増加するにつれて、長波長帯域から短波長帯域へピーク波長が移動していることが分かる。このピーク波長の移動は、非特許文献１でも述べているように、量子井戸構造内の基底準位から高次準位へキャリアが蓄積するに従い、利得スペクトルが変化した結果である。
図１２（ｂ）は、第一電極２１１に１２０ｍＡの電流を注入した状態で、第二電極２１２へ注入する電流量を増加させた時の発光スペクトル変化の実験結果を示す。図１２（ｂ）に示すグラフより、長波長帯域の発光強度が選択的に増加していることが分かる。そして、注入する電流値が３．８ｍＡの時に、発光スペクトルの幅が最も広くなっていることがわかる。
図１２（ａ）に示す、１つの電極のみに電流注入した場合の発光スペクトルでは、発光スペクトルの幅が最も広くなるのは、電流１２０ｍＡのときである。一方、図１２（ｂ）に示すように、２つの電極に電流注入することで、最もスペクトルが広がる条件は、第一電極２１１に注入する電流が１２０ｍＡ、第二電極２１２が３．８ｍＡのときである。以上の結果から、本実施例で示した分割した複数の電極を用いた場合に、光出力強度を大きくしつつ、発光スペクトルの幅を広げることができることが分かる。
次に、本実施例で示した、上部電極層を２つに分割した発光素子における発光スペクトル制御のための駆動条件について、より詳細に考察する。
第一電極２１１への電流注入密度は、第二電極２１２への電流注入密度よりも３２倍大きい。
このように第一電極２１１への電流注入密度を第二電極２１２への電流密度と比較して高くする必要がある理由は、以下の２つである。１つ目の理由は、第一電極２１１での発光ピークの波長が第二電極２１２での発光ピーク波長よりも短くなる電流密度で駆動する必要があるからである。それは、図１２（ｂ）に示すように、第二電極２１２に電流注入して発光強度を増加できる波長帯域は、発光波長帯域の中心波長（図１２（ｂ）では８６０ｎｍ）よりも主に長波長側である。つまり、第一電極２１１に電流注入して発光強度を増加させたい波長帯域は、上記中心波長よりも短波長側である。したがって、第一電極２１１への高電流注入による短波長帯域の発光と、第二電極２１２への電流注入による長波長帯域の発光とを合わせて、発光素子からの発光スペクトルが広い波長帯域となるのである。
２つ目の理由は、第一電極２１１に対応する活性層領域においては、誘導増幅を起こす必要があるためである。本実施例では、第二電極２１２の電流注入密度は、第二電極２１２に対応する活性層において透明キャリア密度に到達しない電流注入密度である。そのため、本実施形に係る発光素子からの短波長帯域の発光の大部分は、第一電極２１１で誘導増幅により得られる光であるため、第一電極２１１は誘導増幅を起こすために十分な電流密度で駆動する必要がある。本実施例の第二電極２１２の駆動条件は、誘導増幅が起きない低電流密度でも効果を奏する。それは、第一電極２１１で誘導増幅を起こす種光を発生させるだけで良いためである。また、長波長帯域の発光は、比較的低い電流注入密度でも起こる。
図１２（ｂ）では、第二電極２１１に３．８ｍＡの電流を注入すると、第一電極２１１からの短波長からの発光と同等レベルまで光強度が増加することがわかる。これは、第二電極２１２からの発光が第一電極２１１に対応する活性層領域に入り、その光が第一電極２１１において誘導増幅されるためと考えられる。そのため、第二電極２１２は所定の波長で発光をしている必要はあるが、発光強度は第一電極２１１ほど高い必要はない。
第二電極２１２の電流注入密度は、第一電極２１１と比べて５０％以下の電流注入密度であることが好ましい。それは、上述のように、電流注入密度が高くなると発光波長のピークが短波長側へシフトするため、短波長帯域の発光強度が長波長帯域に比べて大きくなり、発光スペクトルの半値幅が小さくなるためである。
一方、第二電極２１２からの発光強度は第一電極２１１ほど大きい必要はないため、電流注入密度の比としては、１０倍、またはそれ以上の比でも効果を奏する。
さらに、本実施例の第二電極２１２には、誘導増幅が起きない電流注入密度の電流注入をした場合でも効果を奏する。
本実施例で増幅する、第一の量子井戸構造の８９０ｎｍ付近の準位と、第二の量子井戸の基底準位の８２５ｎｍの間には、図１２からもわかるように、８５０ｎｍに準位（第１の量子井戸の基底準位のライトホールからの発光）が存在する。つまり、基底準位（寄り厳密には基底準位のヘビーホールからの発光）と発光を増強する８２５ｎｍの準位の間には、もう一つの準位が存在している。そして、８９０ｎｍと８２５ｎｍの波長差は
６５ｎｍである。そのため、本実施例の構成は、実施形態で説明した、本発明の効果が特に大きい範囲に含まれていることが分かる。そして、３つの準位の発光強度をそろえることで、強度が０に近づくような大きなディップ（発光スペクトルにおける溝）がなく、８０ｎｍをこえる広い波長帯域にわたる発光を実現することができる。
（実施例５）
本発明の実施例４に係る発光素子について図５を用いて説明する。本発明の実施例５に係る発光素子は上部電極層が４つに分割されていること以外は実施例４と同一の構成である。以下、実施例１、４と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例に係る発光素子は、図５に示すように上部電極層３１０が、第一電極３１１、第二電極３１２、第三電極３１３、第四電極３１４に分割されている。各電極の導波方向の長さは、第一電極３１１の長さＬ１が０．２９ｍｍ、第二電極３１２の長さＬ２が０．３ｍｍ、第三電極３１３の長さＬ３が１．５ｍｍ、第四電極３１４の長さＬ４が０．３ｍｍである。
図１３に第一電極３１１に注入する電流が１２０ｍＡ、第二電極３１２が３．８ｍＡの時に、第四電極３１４に注入する電流量を変化させた場合の発光スペクトルの変化を示す。この時、第三電極３１３には電流は注入されない。図１３に示す発光スペクトルによると、波長９０５ｎｍ付近に発光ピークが表れ、スペクトルの半値幅が９０ｎｍ以上となっていることが分かる。波長９０５ｎｍ付近に表われるピークは、第三電極３１３、および第四電極３１４を導入したからである。
図１３に示すグラフの波長９０５ｎｍ付近のピークの出現のメカニズムは以下のように考えることができる。
電流を注入しない第三電極３１３に対応する活性層領域は、光を吸収する。そのため、活性層の最も長波長な基底準位より短波側はバンド間吸収が生じる。一方、これより長い波長の光にはバンド間吸収が生じない。一方、電流を流した第四電極３１４では、活性層は同じであるが、発熱やキャリアの広がり等により、活性層を構成する量子井戸構造の最も長波長な準位（第一の量子井戸構造の基底準位）よりもさらに長波長な発光が、少ないながらも生じる。そのため、第四電極３１４から出た光が第三電極３１３を通過すると、第三電極３１３の第一の量子井戸構造の基底準位のバンドギャップで吸収されなかった長波長の成分の光が出てくると考えられる。
本実施例でも、実施例１で示した短波長側の準位をより低い準位で発光させることができるという効果と、実施例４で示した電極を分割する効果の両方の効果を得ることができる。さらに、本実施例では、吸収領域と、吸収領域よりも出射端とは逆の端面側に発光領域を設けることで、さらにスペクトル幅を広げるという効果を得られる。
（実施例６）
本発明の実施例６に係る発光素子について説明する。本実施例で説明する形態は、量子井戸構造以外はすべて実施例１と同じ構成である。以下、実施例１と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例に係る発光素子における活性層は、図１４（ａ）のバンド図で示される量子井戸構造（量子井戸構造Ｆ）を有する。すなわち、実施例１と同じ第一の量子井戸構造１００１と第二の量子井戸構造１００３とを有する２量子井戸構造である。第二の量子井戸構造１００３は、６ｎｍの厚さのＡｌ０．０３ＧａＡｓからなる井戸層と、この井戸層を挟持する１０ｎｍの厚さのＡｌ０．２ＧａＡｓからなるバリア層とを有する。この量子井戸構造Ｆを有する活性層へ実施例１と同じ電流注入密度で電流注入して得られる発光スペクトルの計算結果を図１４（ｂ）に示す。実施例１に比べて、第一の量子井戸構造１００１の基底準位Ｅ１と第二の量子井戸構造の基底準位Ｅ６とのエネルギー準位差が大きい（約３０ｍｅＶ）ものの、短波長帯域での発光強度が十分であることがわかる。
（比較例２）
上記実施例６に係る発光素子の比較例について説明する。本比較例で説明する形態は、量子井戸構造以外はすべて実施例６と同じ構成である。
量子井戸構造Ｂは比較例１で示した構造と同一である。
量子井戸構造Ｇは図１５（ｂ）に示すように、量子井戸構造Ｆの第二の量子井戸構造１００３と同じ量子井戸構造を１つ有する単量子井戸構造である。
量子井戸構造Ｂ、Ｇに、上記実施例１と同じ電流注入密度で電流注入した時の発光スペクトルの計算結果を図１６（ａ）（ｂ）に示す。また、図１６（ａ）と図１６（ｂ）の発光スペクトルを足し合わせた発光スペクトルを図１６（ｃ）に示す。
図１４（ｂ）と図１６（ｃ）において、第一の量子井戸構造１００１の１次準位からの発光波長である波長約８００ｎｍにおけるピーク強度を比較すると、図１６（ｃ）の方が大きくなっている。これより、複数の量子井戸構造が活性層に含まれていると、単量子井戸構造の活性層の発光スペクトルを単に足し合わせた以上の発光強度となることが分かる。
（実施例７）
本発明の実施例７に係る発光素子について説明する。本実施例では、実施例１に係る発光素子における活性層の第一の量子井戸構造の高次準位Ｅ１と第二の量子井戸構造の基底準位Ｅ２とのエネルギー差ΔＥ（＝Ｅ２−Ｅ１）を変えたときの低波長帯域（８３４ｎｍ）の発光強度の変化の計算例を示す。なお、各量子井戸構造を用いたときの低波長帯域（８３４ｎｍ）の発光強度の変化は、第一の量子井戸構造のみ有する単量子井戸構造の発光強度と第二の量子井戸構造のみを有する単量子井戸構造の発光強度との和を１としたときの発光強度比として算出した。
説明する各々の形態は、量子井戸構造以外は実施例１と同じ構成であり、以下では、実施例１と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例で用いた構成は２つのグループに分かれる。
グループ（Ｉ）はバリア層の幅が１０ｎｍであり、第一の量子井戸構造が８ｎｍの厚さのＩｎ０．１５ＧａＡｓ層からなる井戸層で、第二の量子井戸構造が６ｎｍの厚さのＡｌｘＧａＡｓ層、または６ｎｍの厚さのＩｎｙＧａＡｓ層からなる井戸層である。そして第二の量子井戸構造におけるＡｌｘＧａＡｓ層について、ｘを０、０．０１、０．０２、０．０３、ＩｎｙＧａＡｓ層はｙを０．０２３、０．０４、０．０６、０．０８、０．１０、０．１２と変えて各々計算した。すなわち、第二の量子井戸構造の組成を変えることで、第一の量子井戸構造の高次準位Ｅ１と、第二の基底準位Ｅ２とのエネルギー差ΔＥ（＝Ｅ２−Ｅ１）が変わるため、ΔＥが変わることによって、発光強度がどのように変わるかを計算した。また、発光強度の変化は以下のように発光強度比として算出した。発光強度比は、活性層が、上記第一の量子井戸構造のみ有する場合の８３４ｎｍの発光強度と、上記各第二の量子井戸構造のみ有する場合の８３４ｎｍの発光強度との和を１としたときの、上記各２量子井戸構造の８３４ｎｍにおける発光強度である。
グループ（ＩＩ）では、バリア層の幅を３０ｎｍとしたこと以外は、グループ（Ｉ）と同じ計算を行った。
８ｎｍの厚さのＩｎ０．１５ＧａＡｓの井戸層を有する単量子井戸構造における１次準位の発光波長は８３４ｎｍであり、これは６ｎｍの厚さのＩｎ０．０２３ＧａＡｓの井戸層を有する単量子井戸構造における基底準位の発光波長に等しい。つまり、この２つの量子井戸構造からなる２量子井戸構造は、８ｎｍの厚さのＩｎ０．１５ＧａＡｓの井戸の１次準位と、６ｎｍの厚さのＩｎ０．０２３ＧａＡｓの井戸層の基底準位が略一致している。
上記１つ目のグループの計算結果を図１７（ａ）に、２つ目のグループの計算結果を図１７（ｂ）に示す。また、用いた量子井戸構造と発光強度比とを表１にまとめた。図１７（ａ）によると、第二の量子井戸構造の井戸層をＩｎ０．０２３ＧａＡｓの組成とすることで発光強度比が最も大きくなるとが分かり、準位が略一致することによる効果が確かめられた。また、エネルギー準位差ΔＥが−１１０ｍｅＶから２５ｍｅＶにかけて、特にΔＥが−４５ｍｅＶから２０ｍｅＶにかけて、発光強度の増大効果が大きいことがわかった。さらに、バリア層の厚さが変わっても発光強度の増大効果があることがわかった。
Figure 0006646942
図１７（ｃ）に、２量子井戸構造の単量子井戸構造に対する発光強度比を示す。これは、２量子井戸を構成する２つの量子井戸構造を別々の単量子井戸構造として考え、それらの発光スペクトルの各波長における発光強度の和を計算し、２量子井戸構造の発光スペクトルの各波長における発光強度をその値で割ることで算出する。例として、８ｎｍ厚さのＩｎ０．１５ＧａＡｓと、６ｎｍ厚さのＩｎ０．０２３ＧａＡｓとを井戸層とする２量子井戸構造）と、８ｎｍ厚さのＩｎ０．１５ＧａＡｓと、６ｎｍ厚さのＡｌ０．０３ＧａＡｓとを井戸層とする２量子井戸構造における計算例を示す。前者を活性層構造（ｉ）、後者を活性層構造（ｉｉ）として、計算結果を図１７（ｃ）に示した。
活性層構造（ｉ）はエネルギー準位がほぼ等しい波長８３４ｎｍにおいて発光強度比が特に大きくそれ以外の波長帯域でもある程度の増強効果が見られることが分かる。一方、活性層構造（ｉｉ）は、活性層構造（ｉ）に比べるとエネルギー準位差ΔＥが大きいため、活性層構造（ｉ）に比べ発光強度の増強効果は小さい。
（実施例８）
本発明の実施例８に係る発光素子について図１８を用いて説明する。
本発明の実施例８に係る発光素子は上部電極層が６つに分割されていること以外は実施例４と同一の構成である。以下、実施例４と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例に係る発光素子は、図１８に示すように上部電極層が、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極に分割されている。各電極の導波方向の長さは、第１電極の長さＬ１が０．３ｍｍ、第２電極の長さＬ２が０．２ｍｍ、第３電極の長さＬ３が０．３ｍｍ、第４電極の長さＬ４が０．４ｍｍ、第５電極の長さＬ５が０．２ｍｍ、第６電極の長さＬ６が０．３ｍｍである。また、第１電極、第２電極、第４電極、第６電極はプラスの電流で駆動させ、第３電極、第５電極はゼロもしくはマイナスの電流で駆動させる。
上部電極側から下部電極側に電流を流す場合をプラス電流駆動、下部電極側から上部電極側に電流を流す場合をマイナス電流駆動とする。
さらに、第３電極での電流密度を第５電極での電流密度以上で駆動させる。こうすることで、第５電極と第６電極で形成された発光ピークの波長における発光が第３電極での吸収を抑制できる。
図１８（ｂ）に第１電極に注入する電流を１２６ｍＡ、第２電極を９．８ｍＡ、第３電極を０ｍＡ、第４電極を２０ｍＡ、第５電極を−２０ｍＡ、第６電極を９６ｍＡとした場合の、発光素子の出射光の発光スペクトルを示す。
図１８（ｂ）に示す発光スペクトルによると、波長９００ｎｍ付近と波長９１０ｎｍ付近に発光ピークが表れ、スペクトルの半値幅が９５ｎｍ以上となっていることが分かる。波長９００ｎｍ付近に表われる発光ピークは第３電極および第４電極、波長９１０ｎｍ付近に表われる発光ピークは第５電極および第６電極を導入し、電極長および駆動状態（電流密度）を適切に調整したからである。
ここで、実施例５に対する本実施例の利点を以下に述べる。
吸収領域、すなわち電流を注入しない、もしくはマイナスの電流が注入（マイナスバイアスの電圧が印加）される領域における吸収量を多くすることで、より長波長側にピークをシフトさせることができ、発光スペクトル帯域を広げることができる。しかし、これによりスペクトル中にディップができやすくなる。ディップを作りにくくするための方法として、（１）誘導放出による増幅効果を小さくすることで、各ピーク幅を広げること、（２）最も短波長のピークと最も長波長のピーク間を狭めること、（３）ディップ部分に新たなピークを作り、ディップを埋めること等が挙げられる。（１）は出力を小さくすることにつながり、（２）は発光スペクトル帯域を狭めることにつながる。したがって、ＯＣＴ用光源として高出力・広帯域の光が必要であれば、（３）の手法が最も優れていることになる。
電極数を増やすことで、発光スペクトルを構成するピークの数を増やすことができる。そして、上記吸収領域における吸収量の調整により、発光スペクトルのピーク波長を概ね自由に制御できるようになる。したがって、実施例５に対して本実施例のように、第５電極および第６電極を追加することで、よりスペクトル形状を精細に制御できるようになる。本実施例でも、実施例１で示した短波長側の準位をより低い電流密度で発光させることができるという効果と、電極を分割する効果の両方の効果を得ることができる。さらに、本実施例では、吸収領域と、吸収領域よりも出射端（図１８における出射光が示された端面と逆側の端面）とは逆の端面側に発光領域を設けることで、実施例５と比べてスペクトル形状をより自由に制御できるという効果を得られる。
（実施例９）
本発明の実施例９に係る発光素子について図１９を用いて説明する。
本発明の実施例９に係る発光素子は上部電極層が８つに分割されていること以外は実施例４と同一の構成である。以下、実施例４と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例に係る発光素子は、図１９に示すように上部電極層が、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極、第７電極、第８電極に分割されている。各電極の導波方向の長さは、第１電極の長さＬ１が０．３ｍｍ、第２電極の長さＬ２が０．２ｍｍ、第３電極の長さＬ３が０．３ｍｍ、第４電極の長さＬ４が０．４ｍｍ、第５電極の長さＬ５が０．２ｍｍ、第６電極の長さＬ６が０．３ｍｍ、第７電極の長さＬ７が０．２ｍｍ、第８電極の長さＬ８が０．３ｍｍである。また、第１電極、第２電極、第４電極、第６電極、第８電極はプラスの電流で駆動させ、第３電極、第５電極、第７電極はゼロもしくはマイナスの電流で駆動させる。さらに、第３電極での電流密度を第５電極での電流密度以上、第５電極での電流密度を第７電極での電流密度以上で駆動させる。
こうすることで、第５電極と第６電極で形成された発光ピークが第３電極、第７電極と第８電極で形成された発光ピークが第３電極および第５電極で吸収されてしまうことを防ぐことができる。
実施例８でも述べたように電極数を多くすることによって、出せるピーク数を増やすことができる。本実施例の場合は、それに加えて、逆バイアス（マイナス電流）で駆動させて短波長成分を吸収する領域（第７電極）と発光領域（第８電極）を第６電極の後方（図面上、出射光が示される側の端面と逆の端面側、以下同様）に追加して配置している。したがって、これらの電極により作られるピークを、実施例８のようにスペクトル帯域を広げたり、スペクトル中のディップを埋める用途として利用することもできるが、第５電極および第６電極のサポートとして利用してもよい。たとえば、第５電極と第７電極の長さと駆動状態、第６電極と第８電極の長さと駆動状態を同一とし、それにより発生するピークの大きさを大きくする、もしくはその大きさを制御しやすくする、もしくはそれらの電極領域の劣化速度を遅くするなどの目的として利用することも考えられる。
本実施例でも、実施例１で示した短波長側の準位をより低い電流密度で発光させることができるという効果と、電極を分割する効果の両方の効果を得ることができる。さらに、本実施例では、吸収領域と、吸収領域よりも出射端とは逆の端面側に発光領域を設けることで、実施例５や実施例８と比べてスペクトル形状の制御性や光学特性の安定性を向上させることができるという効果を得られる。
（実施例１０）
本発明の実施例１０に係る発光素子について図２０を用いて説明する。
本発明の実施例１０に係る発光素子は上部電極層が４つに分割されており、光導波路が第１電極領域内で２つに分岐されていることを特徴とするが、それ以外は実施例４と同一の構成である。以下、実施例４と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例に係る発光素子は、図２０に示すように上部電極層が、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極に分割されている。各電極の導波方向の長さは、第１電極の長さＬ１が０．３ｍｍ、第２電極の長さＬ２が０．３ｍｍ、第３電極の長さＬ３が０．１ｍｍ、第４電極の長さＬ４が０．３ｍｍである。分岐部分における光導波路の曲率半径１ｍｍとし、出射端近傍の光導波路は、出射端面の垂線に対して活性層の面内方向に傾斜を約７度設けることが好適である。また、第１電極、第２電極、第４電極はプラスの電流で駆動させ、第３電極はゼロもしくはマイナスの電流で駆動させる。
第１電極に注入する電流が１２０ｍＡ、第２電極が３．８ｍＡ、第３電極が０ｍＡの時に、第４電極に注入する電流量を変化させた場合の発光スペクトルは、導波損失を考えなければ、図１３のものとほぼ等しくなることが想定される。
光導波路を分岐することによって、同じ光学特性を得るにも分岐されていない導波路のサンプルに比べてサンプル長を短くできる効果がある。さらに、電極構成や駆動状態の自由度を上げる効果がある。
ここで、本発明における活性層構造と、本実施例の光導波路および電極構成を組み合わせることで得られる利点を以下に述べる。
たとえば、本実施例とほぼ同様のスペクトル制御性、光学特性が得られる分岐されていない導波路をもつ構成として実施例５が挙げられる。実施例５における第３電極および第４電極により発生する発光ピークは、本実施例における第３電極と第４電極により発生する発光ピークに相当し、これらの発光ピークは吸収領域（実施例５における第３電極、本実施例における第３電極）より前方の発光領域において十分に増幅される必要がある。実施例５の場合には、増幅させる発光領域は第１電極および第２電極であるが、実施例１０の場合には第１電極のみとなる。したがって、後方からのピークの大きさを維持するためには第１電極が劣化しにくいことが重要である。つまり、本発明における活性層構造により活性層への電流注入密度を高くすることなく高次準位の発光をさせることができるという効果により、第１電極への負荷が小さくなるため劣化が抑えられ、安定して後方からの光を増幅させることができるようになる。
本実施例における光導波路では曲線部分の曲率半径を１ｍｍとしたが、曲線部分および曲線と直線のつなぎの部分において光学特性が極端に劣化しない範囲であればこれに限られない。
分岐部分を始点として２つの直線導波路を形成する導波路構造であってもよい。
分岐の始点が第１電極領域内でなくてもよい。たとえば、第２電極領域内であっても同様の効果が期待できる。
本実施例でも、実施例１で示した短波長側の準位をより低い電流密度で発光させることができるという効果、電極を分割する効果、光導波路を分岐することによる効果を得ることができる。さらに、本実施例では、吸収領域と、吸収領域よりも出射端とは逆の端面側に発光領域を設けることで、実施例５と比べてスペクトル形状の制御性や導波路の分岐部分、電極構成の自由度を向上させることができるという効果を得られる。
（実施例１１）
本発明の実施例１１に係る発光素子について図２１（ａ）を用いて説明する。
本発明の実施例１１に係る発光素子は上部電極層が６つに分割されており、光導波路が第１電極領域内で２つに分岐されていることを特徴とするが、それ以外は実施例１０と同一の構成である。以下、実施例１０と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例に係る発光素子は、図２１（ａ）に示すように上部電極層が、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極に分割されている。各電極の導波方向の長さは、第１電極の長さＬ１が０．３ｍｍ、第２電極の長さＬ２が０．２ｍｍ、第３電極の長さＬ３が０．３ｍｍ、第４電極の長さＬ４が０．４ｍｍ、第５電極の長さＬ５が０．２ｍｍ、第６電極の長さＬ６が０．３ｍｍである。また、第１電極、第２電極、第４電極、第６電極はプラスの電流で駆動させ、第３電極、第５電極はゼロもしくはマイナスの電流で駆動させる。なお、第３電極と第５電極、第４電極と第６電極は電極構成上入れ替えてもかまわない。
光導波路を分岐することによって、同じ光学特性を得るにも分岐されていない導波路のサンプルに比べてサンプル長（サンプルの出射端面とその反対側端面の間の長さ）を短くできる効果がある。さらに、電極構成や駆動状態の自由度を上げる効果がある。たとえば、図２１（ａ）において第３電極長と長くする必要がある場合には、図２１（ｂ）ではなく、図２１（ｃ）のような構成とすることで、制御性や光学特性を悪化させることなくサンプル長を短くする構成とすることもできる。
また、図２１（ｄ）のように、第２電極を分岐された両方の導波路上にまたがっている構成としてもよい。こうすることで、第２電極で発生するピークの大きさを大きくすることができる効果や、電流密度を同じくするために電極長を短くできる効果がある。
本実施例でも、実施例１で示した短波長側の準位をより低い電流密度で発光させることができるという効果、電極を分割する効果、光導波路を分岐することによる効果を得ることができる。さらに、本実施例では、吸収領域と、吸収領域よりも出射端とは逆の端面側に発光領域を設けることで、実施例１０と比べてスペクトル形状の制御性や導波路の分岐部分、電極構成の自由度を向上させることができるという効果を得られる。
（実施例１２）
本発明の実施例１２に係る発光素子について図２２（ａ）を用いて説明する。
本発明の実施例１２に係る発光素子は上部電極層が８つに分割されており、光導波路が第１電極領域内で２つに分岐されていることを特徴とするが、それ以外は実施例１０と同一の構成である。以下、実施例１０と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。本実施例に係る発光素子は、図２２（ａ）に示すように上部電極層が、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極、第７電極、第８電極に分割されている。各電極の導波方向の長さは、第１電極の長さＬ１が０．３ｍｍ、第２電極の長さＬ２が０．２ｍｍ、第３電極の長さＬ３が０．３ｍｍ、第４電極の長さＬ４が０．４ｍｍ、第５電極の長さＬ５が０．２ｍｍ、第６電極の長さＬ６が０．３ｍｍ、第７電極の長さＬ７が０．２ｍｍ、第８電極の長さＬ８が０．３ｍｍである。また、第１電極、第２電極、第４電極、第６電極、第８電極はプラスの電流で駆動させ、第３電極、第５電極、第７電極はゼロもしくはマイナスの電流で駆動させる。第５電極での電流密度を第７電極での電流密度以上で駆動させる。こうすることで、第７電極と第８電極で形成された発光ピークが第５電極で吸収されてしまうことを防ぐことができる。
光導波路を分岐することによって、同じ光学特性を得るにも分岐されていない導波路のサンプルに比べてサンプル長を短くできる効果がある。さらに、電極構成や駆動状態の自由度を上げる効果がある。
また、図２２（ｂ）のように、第２電極を分岐された両方の導波路上にまたがっている構成としてもよい。こうすることで、第２電極で発生するピークの大きさを大きくすることができる効果や、電流密度を同じくするために電極長を短くできる効果がある。
本実施例でも、実施例１で示した短波長側の準位をより低い電流密度で発光させることができるという効果、電極を分割する効果、光導波路を分岐することによる効果を得ることができる。さらに、本実施例では、吸収領域と、吸収領域よりも出射端とは逆の端面側に発光領域を設けることで、実施例１１と比べてスペクトル形状の制御性や導波路の分岐部分、電極構成の自由度を向上させることができるという効果を得られる。
（実施例１３）
本発明の実施例１３に係る発光素子について図２３（ａ）を用いて説明する。
本発明の実施例１３に係る発光素子は上部電極層が４つに分割されており、光導波路が第１電極領域内で２つに分岐されており、分岐されたどちらの導波路も同じ電極パターンであることを特徴とするが、それ以外は実施例１０と同一の構成である。以下、実施例１０と異なる事項についてのみ説明し、共通事項は説明を省略する。
本実施例に係る発光素子は、図２３（ａ）に示すように上部電極層が、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極に分割されている。各電極の導波方向の長さは、第１電極の長さＬ１が０．２９ｍｍ、第２電極の長さＬ２が０．３ｍｍ、第３電極の長さＬ３が１．５ｍｍ、第４電極の長さＬ４が０．３ｍｍである。また、第１電極、第２電極、第４電極はプラスの電流で駆動させ、第３電極はゼロもしくはマイナスの電流で駆動させる。つまり、実施例５の導波路を第１電極内で２つに分岐させた構造である。第１電極に注入する電流が１２０ｍＡ、第２電極が３．８ｍＡ、第３電極が０ｍＡの時に、第４電極に注入する電流量を変化させた場合の発光スペクトルは、導波損失を考えなければ、図１３のものとほぼ等しくなることが想定される。
本発明における活性層構造と、本実施例の光導波路および電極構成を組み合わせることで得られる利点は、実施例１０の部分で示したとおりであるが、この場合はさらに後方から導波される長波長側の発光強度が大きくなっているので、第１電極における発光量を大きくする必要がある。したがって、本発明における活性層構造により活性層への電流注入密度を高くすることなく高次準位の発光をさせることができるという効果により、第１電極への負荷が小さくなるため劣化が抑えられ、安定して後方からの光を増幅させることができるようになるとともに、短波長側の発光量を長波長側の発光量と同程度に調整することができるようになる。
図２３（ａ）では、１つの電極が２つの光導波路にまたがっている構造であるが、サンプル上で電気的につながっている構成でなくてもよく、たとえば、分離された電極を金属ワイヤでつなげる構成であってもよい。または、ある一部の電極同士のみ電気的につなげる構成であってもよい。
また、分岐数は３つ以上であってもかまわない。
図５の光導波路を２つに分岐した図２３（ａ）の構造のほかに、図１８の光導波路を２つに分岐した図２３（ｂ）、図２０の光導波路を２つに分岐した図２３（ｃ）の構造も同様の効果が得られる。
本実施例でも、実施例１で示した短波長側の準位をより低い電流密度で発光させることができるという効果、電極を分割する効果、光導波路を分岐することによる効果を得ることができる。さらに、本実施例では、導波路を分岐させることでスペクトル形状を維持したまま発光量を増強できるという効果を得られる。
１００ 発光素子
１０３ 活性層
１１０ 上部電極層
１２０ 下部電極層
１７０ 量子井戸構造
１７１ 第一の量子井戸構造
１７２ 第二の量子井戸構造

Claims (18)

  1. 上部電極層と、下部電極層と、それらの間に設けられた活性層とを有し、
    前記上部電極層、および前記下部電極層を介して前記活性層に電流を注入することで発光するスーパールミネッセントダイオードであって、
    前記活性層が複数の量子閉じ込め構造を有し、第一の量子閉じ込め構造はエネルギー準位がＥ０の基底準位、及びエネルギー準位がＥ１の高次準位を有し、前記第一の量子閉じ込め構造とは異なる第二の量子閉じ込め構造は、エネルギー準位がＥ２の基底準位を有し、前記Ｅ１と前記Ｅ２とが略一致しており、
    前記スーパールミネッセントダイオードは、前記Ｅ２のエネルギー準位からの発光が、前記Ｅ１のエネルギー準位における誘導増幅を引き起こすことで発生した光を出力するように構成されているスーパールミネッセントダイオード。
  2. 前記量子閉じ込め構造が量子井戸構造である請求項１に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  3. 前記Ｅ２から前記Ｅ１を引いたエネルギー準位差ΔＥが−１１０ｍｅＶ以上、２５ｍｅＶ以下である請求項１または２に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  4. 前記Ｅ２から前記Ｅ１を引いたエネルギー準位差ΔＥが−４５ｍｅＶ以上である請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  5. 前記Ｅ２から前記Ｅ１を引いたエネルギー準位差ΔＥの絶対値が２０ｍｅＶ以下である請求項１乃至４のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  6. 前記Ｅ２から前記Ｅ１を引いたエネルギー準位差ΔＥが０ｍｅＶ以下である請求項１乃至５のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  7. 前記Ｅ２から前記Ｅ１を引いたエネルギー準位差ΔＥが−２１ｍｅＶ以下である請求項１乃至３のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  8. 前記第二の量子閉じ込め構造の深さは、前記第一の量子閉じ込め構造の深さよりも浅い、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  9. 前記活性層は３つ以上の量子閉じ込め構造を有する請求項１乃至８のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  10. 前記活性層はさらに第三の量子閉じ込め構造を有し、前記第三の量子閉じ込め構造は、前記第一の量子閉じ込め構造と同じである請求項１乃至９のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  11. 前記上部電極層と前記下部電極層の少なくともいずれか一方の電極層が、複数の電極に分割されている、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  12. 前記複数の電極の少なくとも１つには電流を注入しないように構成されている、請求項１１に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  13. 前記上部電極層と前記下部電極層の少なくともいずれか一方の電極層が、４つの電極に分割されている、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  14. 前記量子閉じ込め構造が前記第一の量子閉じ込め構造と同じ量子閉じ込め構造を有する第三の量子閉じ込め構造をさらに有する請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  15. 前記スーパールミネッセントダイオードがリッジ型の導波路構造を有する請求項１乃至１４のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  16. 前記導波路構造は、前記スーパールミネッセントダイオードの出射端面の垂線に対して前記活性層の面内方向に傾斜している請求項１５に記載のスーパールミネッセントダイオード。
  17. 請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のスーパールミネッセントダイオードと、前記上部電極層及び前記下部電極層への電流注入量を制御する制御部と、
    を有する光源システム。
  18. 請求項１７に記載の光源システムと、
    前記光源システムからの光を物体へ照射する照射光と参照光とに分波し、前記物体に照射された光の反射光と前記参照光による干渉光を発生させる干渉光学系と、
    前記干渉光を分光させる分光部と、
    分光された前記干渉光を受光する干渉光検出部と、
    前記干渉光の強度に基づいて、前記物体の情報を取得する情報取得部と、
    を有することを特徴とする光干渉断層計。
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