JPH09219563A

JPH09219563A - 半導体光素子とそれを用いた応用システム

Info

Publication number: JPH09219563A
Application number: JP2366296A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kondo; 正彦近藤; Yuji Miyahara; 裕二宮原; Kazuhisa Uomi; 和久魚見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1996-02-09
Publication date: 1997-08-19

Abstract

(57)【要約】【課題】１．７μｍから５μｍの中赤外光を発光する半
導体レーザ及び受光する光検出器を作製し、これらの半
導体光素子を用いた応用システムを提供することを目的
とする。【解決手段】上記目的は、Ｎを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体
を、半導体レーザの活性層やフォトダイオードの光吸収
層に用いることにより達成される。【効果】ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰＡｓ等のＮを含むＩ
ＩＩ−Ｖ族半導体は、０．７３ｅＶ以下のバンドギャッ
プを有する事ができ、更に、実質的に格子整合できる基
板結晶が存在するので結晶欠陥の無い良質な結晶として
結晶成長する事ができるので、中赤外半導体光素子に適
した新半導体材料として提供できる。従って、１．７μ
ｍから５μｍの中赤外光を発光する半導体レーザ、受光
するフォトダイオードを作製でき、これらの高性能な半
導体光素子を用いた応用システムを提供することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、1.7μｍから5μｍ
の赤外光を発光する半導体レーザ並びに1.7μｍから5μ
ｍの赤外光を受光する光検出器を実現するに適した半導
体光素子の構成、その作製技術分野、及びこれらの半導
体光素子の応用技術分野に関する。

【０００２】

【従来の技術】1.7μｍから5μｍの中赤外光を発する半
導体レーザは、医療や光計測等の多くの分野での応用が
期待されている。これは主に、中赤外光が目を含めて生
物組織に対して低損傷である事と、多くの分子が1.7μ
ｍから5μｍの中赤外でそれぞれ固有の強い吸収線を持
つ事に因る。例えば、大気汚染測定項目の１つであるCO
₂は、近赤外光の1.6μｍで測定する場合に比べて中赤外
光の2.77μｍでは1000倍以上の高感度で測定できる。

【０００３】中赤外光の半導体レーザの材料としては、
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＱＵＡＮＴＵＭＥＬＥＣＴＲ
ＯＮＩＣＳ第２７巻（１９９１年）の１５５５頁〜１５
５９頁にＨ．Ｋ．Ｃｈｏｉ等により報告されている様
に、主としてＳｂ系III-V族半導体が用いられる。しか
し、Ｓｂ系III-V族半導体は、化学的に不安定な材料で
あり結晶成長が非常に難しく、さらには屈折率分散、熱
伝導性等の物性が半導体レーザとしては好ましくないの
で、未だ実用化には至ってない。また、半導体レーザ等
の半導体光素子の発光波長が発光部となる半導体層の禁
制帯（バンドギャップ）幅に反比例することに着眼して
赤外半導体レーザを構成した発明が、特開昭６４−４０
８９号公報に開示されている。これは、ｎ型のＩｎＰ層
にＩｎＧａＡｓＰ層を接合させ、ＩｎＧａＡｓＰ層を接
合面において真性半導体となり当該接合面から離れるに
従いｐ型ドーパントの濃度が徐々に増えるように形成す
ることで、接合面におけるＩｎＧａＡｓＰ層の禁制帯幅
を実効的に１／２とし、接合面近傍の真性半導体領域か
らＩｎＧａＡｓＰ本来の禁制帯波長のほぼ２倍の２．５
μｍのレーザ光を発生させるものである。しかし、この
技術も未だ実用化されていない。

【０００４】一方、現在実用化されている赤外光半導体
レーザは、材料に(Ａｌ)ＧａＩｎＰＡｓを用いている。
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ第２８巻（１
９９２年）の１４３１頁〜１４３２頁にＳ．Ｆｏｒｏｕ
ｈａｒ等により報告されている様に、材料の物性から長
波長の限界波長は２．１μｍになる。しかし、実用に供
せられる特性を確保する為には実質的に波長は１．７μ
ｍまでに制限されている。

【０００５】ところで近年、活性層に窒素を含むＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体を用いたレーザで発光波長の長波長
化の研究開発が進んでいる。特開平７−１５４０２３号
公報は、光通信用光源として１．３μｍの波長の光を発
振する半導体レーザの構成を開示する。これは、アンド
ープのＧａＩｎＡｓＮからなる活性層を活性層側からア
ンドープのＧａＡｓ層とアンドープのＧａＩｎＡｓＰ層
の２層からなるガイド層で挟み、さらにその外側にＧａ
ＩｎＰからなるｎ型又はｐ型のドーピングがなされたク
ラッド層で挟むようにして積層した構造を有するもので
ある。この他、特開平７−１６２０９７号公報には、量
子井戸層としてのＩｎＧａＡｓＮ層をＡｌＧａＡｓ層で
挟み、この量子井戸層に引張歪を与えることで量子井戸
層の禁制帯幅を狭め量子井戸から最長１．１μｍの波長
の光を発生するレーザダイオードが開示され、特開平６
−３７３５５号公報では、ＧａＡｓＮを活性層にした最
大発振波長１．２μｍの発光素子における基板と活性層
の格子整合が論じられている。しかし、これらの公開公
報は、１．７μｍ以上の長波長光を発振できるレーザの
構成を教示するものではなかった。

【０００６】また光検出器に関しても、現在、1.7μｍ
から5μｍの中赤外光領域では室温動作可能で高感度な
物がない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の通り、中赤外光
での半導体レーザ及び高感度光検出器が実用化に至って
ない最大の理由は、適当な半導体材料が無いからであ
る。

【０００８】本発明の目的は、1.7μｍより長波長の中
赤外光に対応する0.73 eV以下のバンドギャップを持ち
尚且つ半導体光素子に適した物性を持つ半導体材料を新
たに提供する事により、中赤外光を発受光する半導体レ
ーザ及び光検出器を作製する事である。さらなる目的
は、それを用いた医療や光計測等における応用システム
を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的の１つは、基板
結晶上に光を発生する活性層と光を閉じ込めるクラッド
層と発生した光からレーザ光を得るための共振器構造を
有する半導体光素子、所謂半導体レーザにおいて、上記
活性層の少なくとも一部にＮを含むIII-V族半導体を用
いることにより達成される。上記Ｎを含むIII-V族半導
体は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰＡｓの群の中から選ば
れることが好ましい。また、上記活性層が歪量子井戸構
造であることが好ましい。更に、上記基板結晶がＧａＡ
ｓ及びＩｎＰの群の中から選ばれる一つであることが好
ましい。

【００１０】上記目的の別の１つは、基板結晶上に光吸
収層を有する半導体光素子、所謂光検出器において、上
記光吸収層の少なくとも一部にＮを含むIII-V族半導体
を用いることにより達成される。上記Ｎを含むIII-V族
半導体は、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰＡｓの群の中から
選ばれることが好ましい。また、上記基板結晶がＧａＡ
ｓ及びＩｎＰの群の中から選ばれる一つであることが好
ましい。更に、上記光検出器はフォトダイオード型或い
はフォトコンダクティブ型であることが好ましい。

【００１１】上記半導体光素子は、ガスソースＭＢＥ
法、ＣＢＥ法、またはＭＯＣＶＤ法により作製でき、グ
ルコース濃度無侵襲生化学計測システム等の光計測や医
療用のシステムで応用される。

【００１２】以下、本発明の作用について説明する。図
２(a)及び(b)に、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰＡｓ混晶半
導体の格子定数とバンドギャップの関係を示す。この図
は、発明者達が実験および理論検討により独自に作成し
たものである。Ｎ系V族混晶半導体のバンドギャップ
は、Ｎの電気陰性度が他のV族元素(Ｐ、Ａｓ及びＳｂ)
に比べて著しく大きい為に、非常に大きなボウイングを
持つ。その為、Ｎ系V族混晶半導体は、Ｎ組成が０．５
以下の場合(従来のIII-V族半導体に近い側)、格子定数
が減少するとバンドギャップも減少するという(図２に
おいては左下がりの)特性を持つ。一方、ＧａＩｎＡｓ
等の従来のIII-V族混晶半導体は、格子定数が増加する
とバンドギャップが減少するという(図２においては右
下がりの)特性を持つ。これらの特性の結果、Ｎ系V族混
晶半導体は、混晶組成を調節する事により0.73 eV以下
のバンドギャップを有する事ができる。因みにバンドギ
ャップの値Ｅ（ｅＶ）と発振波長λ（μｍ）との間に
は、Ｅ＝１．２４／λなる関係がある。ＧａＩｎＮＡｓ
及びＩｎＮＰＡｓ混晶半導体の例が、図２に示されてい
る。更に、ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体の場合はＧａＡｓ
及びＩｎＰ基板と、ＩｎＮＰＡｓ混晶半導体の場合はＩ
ｎＰ基板と格子整合できるので結晶欠陥の無い良質な結
晶として結晶成長する事ができる。従って、半導体光素
子に適した新半導体材料として提供できる。尚、ＧａＩ
ｎＮＡｓ混晶半導体の場合にＩｎＰ基板を用いると、Ｇ
ａＡｓ基板を用いる場合に比べて同じ発光波長を有する
結晶を得るのに少ないN組成で良いので結晶成長が簡単
になる。これは図２（ａ）からも明らかなように、Ｉｎ
Ｐ基板上には、例えば発振波長が１．５μｍ（近赤外領
域の）のバンドギャップを示す組成比を有するＩｎＧａ
Ａｓ層を格子整合させて（即ち歪みのない状態で）形成
させることが可能なため、この層上に更に発振波長の長
い組成の窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層を形成するに
あたり、このＩｎＧａＡｓの組成に新たに加えるべき窒
素（Ｎ）の比率が低くても発振波長は１．７μｍ以上に
なるからである。窒素の組成比が少なくてよいというこ
とは、この窒素を含む層が接合しあう半導体層と格子整
合し易くなることは、格子定数の組成依存性から明らか
である。

【００１３】また、ＧａＩｎＮＡｓ及びＩｎＮＰＡｓ混
晶半導体は、従来半導体と同様に、故意に格子不整合さ
せて歪層として使用することも可能である事は言うまで
もない。なぜならば、本発明ではレーザ光を発光する層
（例えば、量子井戸層）又は光を受光する光吸収層にバ
ンドギャップが０．７３ｅＶ以下となるような元素組成
を有する半導体層を用い、この半導体層及びこれに接合
される半導体層（例えば、量子井戸型活性層における障
壁層）をＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体で形成し且つこれ
らの少なくとも一の材料として窒素を含む材料を選び、
少なくとも当該発光層又は光吸収層に欠陥を生じさせな
い範囲で（発光層や光吸収層における格子歪を許容し
て）接合し合う２種類の半導体層の格子定数（換言すれ
ば、この格子定数に対応した各半導体層の元素組成）、
さらに望ましくはこれらの半導体層の層厚が選ばれるこ
とが要請されるためである。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１及び
３〜１０を用いて説明する。

【００１５】［実施例１］本実施例では、 2076nmの中
赤外光の半導体光素子を用いて携帯型無侵襲グルコース
計測システムを作製した。中赤外光の波長領域では、生
体透過性が比較的大きく、無侵襲に生体内の情報を取得
する事ができる。本実施例では、血液中のグルコース濃
度を無侵襲に測定することができ、採血に伴う苦痛や感
染の危険性から被検者を解放することができる。因み
に、血液中のグルコース濃度測定は特に糖尿病患者を対
象に１日平均５回の採血が行われているのが現状であ
り、本実施例における光計測装置の提案は糖尿病を中心
とした医療現場を大きく改善するものである。

【００１６】図３及び図４に、それぞれ本実施例の系統
構成図及び実装構成図を示す。まず初めに、系統構成図
について説明する。図３中、実線は電気信号の流れ、点
線は光路を示す。半導体レーザ１と光検出器２を両者の
光軸が一致するように設置し、半導体レーザと光検出器
の間に生体試料３を挿入して、赤外光を直接生体に照射
する。半導体レーザは駆動装置４により、パルスまたは
連続発振させ、レーザから出射した光をコリメーターレ
ンズ５を介して集光し効率良く生体に照射する。光検出
器２の出力は増幅器６を介してコンピュータ７に取り込
まれ、濃度への換算、前回値との比較、その他の演算な
どが行われる。演算した結果は、表示装置８に表示され
る。また、演算結果、検査日などの情報は記憶装置９に
記憶することができ、必要な情報を随時取り出すことが
できる。

【００１７】生体に赤外光を照射すると、一部は表面で
反射し、他は生体中を拡散して透過する。その際、赤外
光の一部は生体物質に吸収される。入射光強度I₀と透過
光強度I_tとの間には（１）式で示されるLambert-Beerの
法則が成り立つと考えられる。

【００１８】

【数１】 I_t = I₀exp(-ckd) （１）ここで、 cは吸収物質の濃度、kは吸光係数、dは吸収物
質の厚さを表す。これより目的物質の吸収波長に合わせ
たレーザを用い、試料の厚さを一定にすれば、透過光強
度の測定により目的物質の濃度を求めることができる。
グルコースは1560nm、2076nm、2272nmに特徴的な吸収を
有するので、上記いづれかの波長の半導体レーザを用い
れば、生体中、主に血液中のグルコース濃度を採血せず
に計量することができる。これらの波長の内、中赤外の
2076nm及び2272nmでは吸光係数kが大きいので、高感度
の測定が可能である。本実施例では、2076nmの波長を用
いた。なお、この波長領域で生化学試料を計測する計測
装置は、本発明者が既に特願平７−１７２３号において
出願している。

【００１９】次いで、図４を用いて実装構成について説
明する。半導体レーザ１及び半導体光検出器２からなる
検知部１０と表示部１１、入力部１２、及びコンピュー
タなどからなる信号処理部１３を分離し、フレキシブル
な信号線１４で接続した。（ｂ）図に検知部の構造を示
す。半導体レーザ１及びコリメーターレンズ５をモジュ
ール化して第１の支柱１５の一端に固定する。同様に光
検出器２及び保護ガラス１６をモジュール化して第２の
支柱１５'の一端に固定する。第１及び第２の支柱の他
端は支点１７で接続されており、半導体レーザ及び光検
出器は支点１７を中心として円周方向に移動可能な構造
となっている。第１及び第２の支柱には例えばバネのよ
うな引っ張り力を供給する機構１８が設けられており、
常に一定の力で第１及び第２の支柱、すなわち半導体レ
ーザと光検出器を引っ張っている。一方。支点１７には
ストッパー１９が設けられており、第１及び第２の支柱
が一定距離以上近づくことができない構造となってい
る。本実施例では引っ張り力を供給する機構の力によ
り、半導体レーザと光検出器の間に生体３をはさみ、ス
トッパーにより半導体レーザと光検出器の間隔を常に一
定に保つことができるので、つまり吸収物質の厚さdを
常に一定に保てるので、高精度の測定を行うことができ
る。また、被検者は検知部１０を例えば耳たぶに設置
し、信号処理部１３を胸ポケットに入れて本計測システ
ムを装着すれば、被検者の時間を拘束することなしに血
液中のグルコース濃度を無侵襲に連続モニタリングする
ことができる。

【００２０】本携帯型無侵襲グルコース計測システムの
作製において半導体光素子以外の部品は従来技術により
容易に作製できるので、以下半導体レーザ及び光検出器
の作製について詳細に説明する。

【００２１】図１にｎ型ＩｎＰ基板上逆メサ構造屈折率
導波型ＤＦＢ半導体レーザの素子構造を示す。図１
（ａ）は、断面構造を、図１（ｂ）は活性層の拡大図を
示している。次に、素子の作製方法について述べる。ｎ
−ＩｎＰ基板100上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層101、無歪
のＧａＩｎＡｓ障壁層（層厚１００ｎｍ）102と１．５
％の圧縮歪を有するＧａＩｎＮＡｓ歪井戸層（層厚７ｎ
ｍ）103から構成される歪量子井戸活性層104を、ガスソ
ースＭＢＥ法により順次形成しする。成長炉から取り出
しＤＦＢ用回折格子を形成した後、ｐ−ＩｎＰクラッド
層105、ｐ−ＧａＩｎＡｓキャップ層106をガスソースＭ
ＢＥ法によりさらに形成する。ｎ型ドーパントとしては
Ｓｉを、ｐ型ドーパントとしてはＢｅを用いた。次に、
酸化膜をマスクにホトエッチング工程により、図３
（ａ）に示すようなリッジを形成する。このときのエッ
チングはウエット、ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、イオンミリング
等、方法を問わない。エッチングは歪量子井戸活性層10
4に達しないようにｐ−ＩｎＰクラッド層105の途中で止
まるようにする。このときのリッジ幅は１〜１５μmと
する。次に、エッチングマスクとして用いた酸化膜を選
択成長のマスクとして、図３に示すようにｎ−ＩｎＰ電
流狭窄層107をＭＯＣＶＤ法により選択成長する。成長
炉からウエファを取りだし選択成長マスクとして用いた
酸化膜を除去した後、ｐ−ＧａＩｎＡｓ平坦化層108を
ＭＯＣＶＤ法により再成長する。ｐ側電極、ｎ側電極を
形成した後、劈開法により共振器長約９００μmのレー
ザ素子を得た。この後、素子の前面にλ／４（λ：発振
波長）の厚みのＳｉＯ₂による低反射膜を、素子の後面
にＳｉＯ₂とａ−Ｓｉからなる４層膜による高反射膜を
形成した。その後、ヒートシンク上にボンディングし
た。試作した素子はリッジ幅３μmの素子で、しきい値
電流約１０ｍＡで室温連続発振し、その発振波長は2076
nmであった。

【００２２】図５にｎ型ＩｎＰ基板上pinフォトダイオ
ードの素子断面構造を示す。次に、素子の作製方法につ
いて述べる。ｎ−ＩｎＰ基板100上に、ｎ−ＩｎＰ層
（層厚１．０μｍ）109、ノンドープＧａＩｎＮＡｓ無
歪光吸収層（層厚０．５μｍ）110、ｐ−ＩｎＰ層（層
厚1.0μｍ）111、ｐ−ＧａＩｎＡｓキャップ層（層厚
０．２μｍ）112をガスソースＭＢＥ法により順次形成
する。ｎ型ドーパントとしてはＳｉを、ｐ型ドーパント
としてはＢｅを用いた。次に、酸化膜をマスクにホトエ
ッチング工程により、図５に示すような円柱を形成す
る。このときのエッチングはウエット、ＲＩＥ、ＲＩＢ
Ｅ、イオンミリング等、方法を問わない。エッチングは
ｎ−ＩｎＰ基板100に達するまで行う。このとき、フォ
トダイオードになる円柱の直径を5μｍとした。次に、
ＳｉＯ₂による保護膜を形成し、最後にｐ側電極、ｎ側
電極を形成した。ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層は0.5eVのバ
ンドギャップを持つので本光検出器は2076nmのレーザ光
を受光するができ、尚且つフォトダイオード型なので室
温においても高感度で使用できる。尚、2076nmの光はＩ
ｎＰ基板100に対して透明なので、本光検出器では光を
ＩｎＰ基板側から入射する。

【００２３】［実施例２］第２の実施例では、卓上型無
侵襲グルコース計測システムを作製した。発振波長の異
なる複数の半導体レーザを用いて複数波長の光を生体に
照射し、各波長の透過光強度を解析して生体物質濃度を
測定するシステムである。図６及び図７に、それぞれ本
実施例の系統構成図及び実装構成図を示す。まず初め
に、系統構成図について説明する。図６では２個の半導
体レーザを用いる場合を示してある。目的物質の吸収波
長に発振波長を調整した第１の半導体レーザ１と目的物
質の吸収波長と異なる発振波長を有する第２の半導体レ
ーザ１’を用い、それぞれ駆動装置４、４’によりパル
スまたは連続発振させて第１の波長の光及び第２の波長
の光を生体に照射し、透過光を半導体光検出器２で検出
し、増幅器６入力する。増幅器６の出力はコンピュータ
７に入力され、各波長の透過光強度の差又は比が計算さ
れ、濃度に換算される。半導体レーザ１及び１’を近接
して設置し尚且つレーザ光を時間的に交互に照射するこ
とにより、受光系を共通化できる。この事により、本シ
ステムの価格を下げれるばかりで無く、受光系の違いに
因る誤差を無くする事ができる。本実施例では、第１の
半導体レーザの波長をグルコースの吸収波長２２７２ｎ
ｍに、第２の半導体レーザの波長を参照用として２１７
２ｎｍに設定した。本方式では２波長の透過光の差又は
比が計算されるので、生体の厚さ（本システムの場合、
指の太さ）等の違いによる測定誤差を低減することがで
き、高精度測定に適している。

【００２４】次いで、図７を用いて実装構成について説
明する。被検者は検査日時、条件などの必要項目を入力
キー２０から入力し、指を測定穴２１に挿入して静止さ
せ、ｒｅａｄｙ状態のランプ２２が点灯したら測定開始
ボタン２３を押し、一定時間の後、測定終了ランプ２４
が点灯して測定が終了する。測定結果はただちに表示部
２５に表示され、必要に応じてプリンター２６で印字さ
れる。（ｂ）図は測定穴近傍の断面図である。測定穴２
１の内壁面にコリメーターレンズ５及び保護ガラス１６
を設け、半導体レーザ１と１’及び光検出器２をそれぞ
れの光軸が一致するように配置した。高精度測定を確保
するため半導体レーザ及び光検出器を、発泡スチロール
などの断熱材料を用いた恒温箱２７の中に設置した。恒
温箱の中の温度は温度センサ２８によりモニタされ、ヒ
ーター２９及びペルチエ素子３０により一定温度（３０
℃）に制御されている。本装置により、被検者は指を測
定穴に挿入するだけで、血液中のグルコース濃度を無侵
襲に測定することができる。

【００２５】本透過型無侵襲グルコース計測システムの
作製において半導体光素子以外の部品は従来技術により
容易に作製できる。光検出器は、実施例１と同一のもの
が使用できるので説明を省く。以下、半導体レーザの作
製について詳細に説明する。

【００２６】図８にｐ型ＧａＡｓ基板上埋込型半導体レ
ーザの素子構造を示す。本半導体レーザは、同一の基板
上に波長の異なる２つの半導体レーザが集積されてい
る。図８（ａ）は、断面構造を、図８（ｂ）は活性層付
近の拡大図を示している。次に、素子作製方法について
述べる。まず、ｐ−ＧａＡｓ基板１１３上に、ｐ−Ｇａ
Ａｓクラッド層（層厚１．５μｍ）１１４、ｐ−ＧａＩ
ｎＡｓ光ガイド層（層厚５０ｎｍ）１１５をＣＢＥ法に
より結晶成長する。ｐ型ドーパントにはＣを使う。活性
層周辺以外の部分にＳｉＯ₂膜を形成しした後、つまり
活性層周辺にＳｉＯ₂膜が無い窓領域を作った後、無歪
のＧａＩｎＮＡｓ障壁層（層厚約１０ｎｍ）１１６と３
％の圧縮歪を有するＧａＩｎＮＡｓ歪井戸層（層厚約５
ｎｍ）１１７から構成される歪量子井戸活性層１１８、
ｎ−ＧａＩｎＡｓ光ガイド層（層厚５０ｎｍ）１１９、
ｎ−ＧａＡｓクラッド層（層厚０．４μｍ）１２０をＣ
ＢＥ法により選択成長する。ｎ型ドーパントにはＳｉを
使う。この時、窓領域の幅を変えることにより、歪量子
井戸活性層の混晶組成と膜厚を変化させる事ができる。
この技術を使って、本実施例では歪量子井戸活性層の発
光波長を制御した。選択成長に用いたＳｉＯ₂膜を除去
した後に活性層に上部にＳｉＯ₂膜を形成し、ウェット
エッチングにより図中に示される様な変曲点の無い滑ら
かな側面を有するメサストライプを形成する。活性層幅
は１．３〜１．８μｍ、メサ深さは２．５〜３．７μｍ
である。次に、ＳｉＯ₂膜を被着したまま、ＭＯＣＶＤ
法により、メサストライプの側面をｐ−ＡｌＧａＡｓ埋
込層（層厚０．５〜１μｍ）１２１、ｎ−ＡｌＧａＡｓ
埋込層（層厚０．５〜１μｍ）１２２、ｐ−ＡｌＧａＡ
ｓ埋込層（層厚１〜３μｍ）１２３で埋め込む。次に、
ＳｉＯ２膜を除去した後、ＭＯＣＶＤ成長法によりｎ−
ＧａＡｓ平坦化層（層厚２μｍ）１２４、ｎ−ＧａＡｓ
キャップ層１２５（層厚０．３μｍ）で平坦に埋め込
む。次に、素子を分離するため図中に示される様にウエ
ットエッチングを行い、ＳｉＯ₂の電流狭窄層１２６形
成した、ｎ電極、ｐ電極を蒸着により形成し素子化を行
った。その後、共振器長１５０〜４００μｍに劈開し、
前端面に反射率１％の低反射率膜、後端面に反射率８０
％の高反射率膜を施した。その後、素子をヒートシンク
上にボンディングした。しきい値電流約１０ｍＡで室温
連続発振し、その発振波長は３０℃で２２７２及び２１
７２ｎｍであった。

【００２７】本実施例では、第１及び第２の半導体レー
ザを同一基板上に集積しているので、第１の半導体レー
ザと第２の半導体レーザの空間的な位置が非常に近く、
生体の照射部位を微小部位に限定することができ、照射
部位の違いに基づく誤差を低減することができる。

【００２８】尚、本実施例では２個の半導体レーザを用
いる場合について示したが、更に多くの半導体レーザを
用いることもできる。例えばグルコースの吸収波長の１
つである２２７２ｎｍを中心として、波長を１０ｎｍづ
つずらした発振波長を有する計１１個の半導体レーザを
用い、図６と同様の構成に設置する。測定に用いる波長
は２２２２ｎｍから２３２２ｎｍの範囲となる。各波長
の透過光強度を半導体光検出器で検出し、多変量解析に
より、グルコース濃度を定量することができる。多変量
解析として部分最小二乗法（ＰａｒｔｉａｌＬｅａｓ
ｔＳｑｕａｒｅ，ＰＬＳ）、主成分分析法などを用い
ることができる。本方式は多波長における吸光度の情報
を定量に利用することができるので、さらなる高精度化
に適している。上記１１個の半導体レーザのオンチップ
集積化は、本実施例で示した選択成長技術を用いれば容
易に実現できる。

【００２９】また、上記のグルコース計測システムでは
光源と受光器の両方に本発明の半導体レーザと光検出器
を用いるが、光源にガスレーザ等の半導体レーザ以外の
レーザを用い、受光器のみに本発明の光検出器を用いて
も良い。

【００３０】［実施例３］第３の実施例では、光音響分
光法に基づく無侵襲生化学計測システムを作製した。図
９に本実施例の構成図を示す。半導体レーザ駆動装置４
により、目的物質の吸収波長に合わせた発振波長を有す
る半導体レーザ１を発振させ、光を生体３に照射する。
生体中で光の一部が目的物質に吸収される際、音響波を
生成する。この音響波は生体中を伝搬し、生体表面に到
達するので、生体表面に設置した音響センサ３１により
検出し、この音響信号を増幅器３２を介してデジタルオ
シロスコープ３３で解析する。音響センサの信号強度は
試料中の吸収物質の濃度に比例するので、定量分析を行
うことができる。コンピュータ７では音響信号の強度か
ら目的物質濃度に換算し、演算結果を表示装置８に表示
する。また演算結果を記憶装置９に記憶し、必要に応じ
て取り出すことができる。本方式の無侵襲生化学計測装
置では光が生体を透過する必要が無く、吸収物質が存在
する部位まで到達すれば音響信号が得られるので、厚い
生体部位を試料としても測定が可能であり、音響センサ
を生体の任意の場所に設置することができる。また、生
体中の音速は光速に比べて十分遅いので、光を照射して
から一定の時間遅れの後に音響信号を測定すれば、生体
の深さ方向の特定場所からの信号を選択的に取り出すこ
とができる。したがって、血管の位置及び深さをあらか
じめ調べておき、それに対応して遅延をかけることによ
り血管中の目的生化学成分の濃度を、組織中の目的成分
と分離して高精度に測定することができる。

【００３１】本システムの作製においても半導体レーザ
以外の部品は従来技術により容易に作製できるので、以
下半導体レーザの作製について詳細に説明する。

【００３２】図１０にｎ型ＩｎＰ基板上順メサ構造屈折
率導波型半導体レーザの素子構造を示す。図１０（ａ）
は、断面構造を、図１０（ｂ）は活性層の拡大図を示し
ている。次に、素子作製方法について述べる。ｎ−Ｉｎ
Ｐ基板１００上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層１０１、Ｇａ
ＩｎＡｓ障壁層（歪−１．５％、層厚１０ｎｍ）１２７
とＩｎＮＰＡｓ井戸層（歪＋２％、層厚７ｎｍ）１２
８、及びＩｎＰ基板と格子整合するＧａＩｎＰＡｓ光ガ
イド層（層厚４０ｎｍ）１２９とから構成される応力補
償型歪多重量子井戸活性層１３０、ｐ−ＩｎＰクラッド
層１０５、ｐ−ＧａＩｎＡｓキャップ層１０６をＭＯＣ
ＶＤ法により順次形成する。この時の、ｎ型ドーパント
としてはＳｅを、ｐ型ドーパントとしてはＺｎを用い
た。次に、酸化膜をマスクにホトエッチング工程によ
り、図４（ａ）に示すようなリッジを形成する。このと
きのエッチングはウエット、ＲＩＥ、ＲＩＢＥ、イオン
ミリング等、方法を問わない。このときのリッジ幅は１
〜１５μｍとする。次に、エッチングマスクとして用い
た酸化膜を除去した後に、ＳｉＯ₂酸化膜の電流狭窄層
を形成する。その後、ｐ側電極、ｎ側電極を形成した
後、劈開法により共振器長約９００μｍのレーザ素子を
得た。この後、素子の前面にλ／４（λ：発振波長）の
厚みのＡｌ₂Ｏ₃（アルミナ）による低反射膜を、素子の
後面にＳｉＯ₂とａ−Ｓｉからなる４層膜による高反射
膜を形成した。その後、ヒートシンク上にボンディング
した。試作した素子はリッジ幅３μｍの素子で、しきい
値電流約１０ｍＡで室温連続発振し、その発振波長は約
５μｍであった。

【００３３】尚、上述した実施例の活性層を光ガイド層
の組成を連続的もしくは段階的に変化させたＧＲＩＮ−
ＳＣＨ（ＧｒａｄｅｄＩｎｄｅｘ−Ｓｅｐａｒａｔｅ
ＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔ
ｕｒｅ）活性層としてもよい。

【００３４】上記実施例１から３では、主としてグルコ
ース濃度を測定する無侵襲生化学計測システムについて
説明したが、先述のとおり多くの分子が１．７μｍから
５μｍの中赤外でそれぞれ固有の強い吸収線を持つの
で、本発明がグルコース濃度の測定だけに限定されるも
のでは無い事は言うまでもない。また、ＣＯ₂等の生体
物質以外の物質も中赤外で固有の強い吸収線を持つの
で、本発明が生化学計測システムだけに限定されるもの
では無く、大気汚染計測システム等にも適応できる事は
言うまでもない。更に、本発明が、光計測システム以外
にも、中赤外光そのものを使用するレーザレーダ等にも
適応できる事は言うまでもない。

【００３５】また、本発明の半導体レーザおよび光検出
器は、素子構造に依存するものではない。活性層または
光吸収層の少なくとも一部にＮを含むＩＩＩ−Ｖ族半導
体を用いる以外は用いる材料に特別な限定は無く、基板
結晶上に結晶成長できる材料ならば良い。例えば、Ｇａ
Ａｓ基板上にはＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、
ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等が、
ＩｎＰ基板上にはＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡ
ｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰＡｓ等
が用いられる。

【００３６】

【発明の効果】本発明により、１．７μｍから５μｍの
中赤外光を発光する半導体レーザ、受光する光検出器を
提供できる。従って、これらの高性能な半導体光素子を
用いた応用システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の半導体レーザの素子構造を示した
図。

【図２】ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰＡｓ混晶半導体の格
子定数とバンドギャップの関係を示す図。

【図３】実施例１の系統構成を示した図。

【図４】実施例１の実装構成を示した図。

【図５】実施例１のフォトダイオードの素子構造を示し
た図。

【図６】実施例２の系統構成を示した図。

【図７】実施例２の実装構成を示した図。

【図８】実施例２の半導体レーザの素子構造を示した
図。

【図９】実施例３の実装構成を示した図。

【図１０】実施例３の半導体レーザの素子構造を示した
図。

【符号の説明】

１…半導体レーザ、２…光検出器、３…生体試料、４…
半導体レーザ駆動装置、５…コリメーターレンズ、６…
増幅器、７…コンピュータ、８…表示装置、９…記憶装
置、１００…ｎ−ＩｎＰ基板、１０１…ｎ−ＩｎＰクラ
ッド層、１０２…無歪ＧａＩｎＡｓ障壁層、１０３…歪
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層、１０４…歪量子井戸活性層、１
０５…ｐ−ＩｎＰクラッド層、１０６…ｐ−ＧａＩｎＡ
ｓキャップ層、１０７…ｎ−ＩｎＰ電流狭窄層、１０８
…ｐ−ＧａＩｎＡｓ平坦化層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｈ０１Ｌ 31/08 ＫＨ０１Ｓ 3/00 31/10 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板結晶上に光を発生する活性層と光を閉
じ込めるクラッド層と発生した光からレーザ光を得るた
めの共振器構造を有する半導体光素子において、上記基
板結晶がＧａＡｓ及びＩｎＰの群の中から選ばれる一つ
であり、レーザ光の波長が１．７μmから５μmまでの範
囲にあることを特徴とする室温連続動作可能な半導体光
素子。
【請求項２】基板結晶上に光を発生する活性層と光を閉
じ込めるクラッド層と発生した光からレーザ光を得るた
めの共振器構造を有する半導体光素子において、レーザ
光の波長が１．７μmから５μmまでの範囲にあり、上記
活性層の少なくとも一部にＮを含むIII-V族半導体が用
いられていることを特徴とする半導体光素子。
【請求項３】請求項２に記載されている半導体光素子に
おいて、上記Ｎを含むIII-V族半導体がＧａＩｎＮＡｓ
及びＩｎＮＰＡｓの群の中から選ばれる一つであること
を特徴とする半導体光素子。
【請求項４】請求項２に記載されている半導体光素子に
おいて、上記基板結晶がＧａＡｓ及びＩｎＰの群の中か
ら選ばれる一つであることを特徴とする半導体光素子。
【請求項５】請求項１から４のいずれか一に記載されて
いる半導体光素子において、上記活性層が歪量子井戸構
造であることを特徴とする半導体光素子。
【請求項６】基板結晶上に光吸収層を有する半導体光素
子において、最長検出波長が１．７μmから５μmまでの
範囲にあることを特徴とする室温動作可能な半導体光素
子。
【請求項７】基板結晶上に光吸収層を有する半導体光素
子において、最長検出波長が１．７μmから５μmまでの
範囲にあり、上記光吸収層の少なくとも一部にＮを含む
III-V族半導体が用いられていることを特徴とする半導
体光素子。
【請求項８】請求項７に記載されている半導体光素子に
おいて、上記Ｎを含むIII-V族半導体がＧａＩｎＮＡｓ
及びＩｎＮＰＡｓの群の中から選ばれる一つであること
を特徴とする半導体光素子。
【請求項９】請求項６から８のいずれか一に記載されて
いる半導体光素子において、上記基板結晶がＧａＡｓ及
びＩｎＰの群の中から選ばれる一つであることを特徴と
する半導体光素子。
【請求項１０】請求項６から９のいずれか一に記載され
ている半導体光素子が、フォトダイオード型及びフォト
コンダクティブ型の群の中から選ばれる一つであること
を特徴とする半導体光素子。
【請求項１１】請求項１から１０のいずれか一に記載さ
れている半導体光素子が、ガスソースＭＢＥ法、ＣＢＥ
法、またはＭＯＣＶＤ法により作製されることを特徴と
する半導体光素子。
【請求項１２】請求項１から１１のいずれか一に記載さ
れている半導体光素子が使用されている事を特徴とする
赤外光応用システム。
【請求項１３】請求項１２に記載されている赤外光応用
システムが、光計測システムである事を特徴とする赤外
光応用システム。
【請求項１４】請求項１２に記載されている赤外光応用
システムが、医療用システムである事を特徴とする赤外
光応用システム。
【請求項１５】請求項１２に記載されている赤外光応用
システムが、無侵襲生化学計測システムである事を特徴
とする赤外光応用システム。
【請求項１６】請求項１２に記載されている赤外光応用
システムが、グルコース濃度計測システムである事を特
徴とする赤外光応用システム。