光半導体基板、光源用装置、及び、光半導体基板の製造方法

【課題】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。
【解決手段】電光変換又は光電変換を行う複数の変換部３と、複数の前記変換部３が集積して配置された基板本体２とを備えている。複数の前記変換部３は、電光変換の場合の出力特性又は光電変換の場合の入力特性が異なるものを含み、当該出力特性又は入力特性が異なる変換部３が基板本体１の集積面に沿った方向で分散して配列されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶成長技術により得られる光半導体基板、光半導体基板の製造方法、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２７０５８５号公報（図１参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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、光半導体基板の製造方法、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（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。
なお、前記変換部としては、量子ドットを有するもの、量子井戸を有するもの、量子細線を有するものがある。
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。
【０００８】
（２）また、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、前記歪緩和層の厚さと組成比との内の一方又は双方を、他の変換部の歪緩和層と異ならせることにより、他と異なる変換特性を有している変換部となる。
この場合、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。
【０００９】
（３）また、本発明の光源用装置は、前記（１）又は（２）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。
【００１０】
（４）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いることを特徴とする光半導体基板。
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。
【００１１】
（５）また、本発明は、複数の開口が形成されているマスクを基板本体に被せ、蒸発源から原料を発生させて前記開口を通じて前記基板本体上に、電光変換又は光電変換を行う変換部を成長させることにより、当該基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列された複数の前記変換部を備えた光半導体基板を製造する方法であって、前記基板本体に前記マスクを被せ所定領域に前記変換部を形成してから、その後、当該基板本体上の異なる領域にさらに変換部を形成するために、当該基板本体に被せる前記マスク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、前記蒸発源からの原料の供給量を変更することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、基板本体にマスクを被せ所定領域に変換部を成長させてから、当該基板本体に被せるマスクの開口パターンを変更し、異なる領域にさらに変換部を形成することにより、変換部を、基板本体上に空間的に分離して複数形成することができる。この結果、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。
そして、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、基板本体上に形成される複数の変換部の中には、他と異なる変換特性（出力特性又は入力特性）を有している変換部が含まれる。この特性の相異により、変換部の例えば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、各変換部に所定の変換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を製造することが可能となる。
【００１３】
（６）また、本発明は、複数の開口が形成されているマスクを基板本体に被せ、蒸発源から原料を発生させて前記開口を通じて前記基板本体上に、量子ドットを有し電光変換又は光電変換を行う変換部を成長させることにより、当該基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列された複数の前記変換部を備えた光半導体基板を製造する方法であって、所定の開口パターンを有する前記マスクを用いて、前記基板本体に第一の量子ドットを成長させると、当該開口パターンを変更することなく、前記第一の量子ドット上に第一の歪緩和層を成長させ、第一の変換部を形成し、その後、前記マスクの開口パターンを変更し、前記基板本体上に第二の量子ドットを成長させたのち、当該開口パターンを変更することなく、前記第一の歪緩和層の場合と異なる原料の供給量により、前記第二の量子ドット上に第二の歪緩和層を成長させ、第二の変換部を形成する。
【００１４】
この場合、前記製造方法と同様に、変換部を、基板本体上に空間的に分離して複数形成することができ、また、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、各変換部に所定の変換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る。そして、第一の変換部を完成させてから、第二の変換部を形成するので、第二の変換部を形成する際に、先に成長させた第一の量子ドットに与える、例えば熱による悪影響の心配がない。そして、第二の歪緩和層の成長は、第一の歪緩和層の場合と異なる原料の供給量による環境で行われるので、異なる変換特性（中心波長）を有する変換部を、複数形成することができる。
【発明の効果】
【００１５】
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。そして、本発明の製造方法によれば、このような光半導体基板を得ることができる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【図２】（ａ）は、歪緩和層の厚さと成長部のＰＬ強度ピーク波長との関係を示した図であり、（ｂ）は、各厚さの歪緩和層を有する成長部のＰＬスペクトルを示す図である。
【図３】（ａ）は、光半導体基板のＰＬ発光領域からのＰＬスペクトルを示す図であり、（ｂ）は、量子ドットにおける基底及び励起準位間遷移による広帯域発光を説明する説明図である。
【図４】光半導体基板の製造装置の説明図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は基板本体及び成長部を示す拡大図、（ｃ）はＢ−Ｂ矢視の簡略説明図である。
【図５】製造装置の分解斜視図である。
【図６】（ａ）は、マスクの説明図であり、（ｂ）は、マスクの機能を説明する概念図である。
【図７】光半導体基板の製造方法の説明図である。
【図８】（ａ）は、光源用装置の概略構成図であり、（ｂ）は、この光源用装置のスペクトル形状を説明する説明図である。
【図９】受光用装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
〔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。
【００１９】
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。
【００２０】
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Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
図２（ａ）は、Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
〔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(ＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ：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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
〔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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
〔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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
〔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Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【符号の説明】
【００５８】
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

【特許請求の範囲】
【請求項１】
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いることを特徴とする光半導体基板。
【請求項２】
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請求項１に記載の光半導体基板。
【請求項３】
請求項１又は２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光源用装置。
【請求項４】
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いることを特徴とする光半導体基板。
【請求項５】
複数の開口が形成されているマスクを基板本体に被せ、蒸発源から原料を発生させて前記開口を通じて前記基板本体上に、電光変換又は光電変換を行う変換部を成長させることにより、当該基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列された複数の前記変換部を備えた光半導体基板を製造する方法であって、
前記基板本体に前記マスクを被せ所定領域に前記変換部を形成してから、
その後、当該基板本体上の異なる領域にさらに変換部を形成するために、当該基板本体に被せる前記マスク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、前記蒸発源からの原料の供給量を変更することを特徴とする光半導体基板の製造方法。
【請求項６】
複数の開口が形成されているマスクを基板本体に被せ、蒸発源から原料を発生させて前記開口を通じて前記基板本体上に、量子ドットを有し電光変換又は光電変換を行う変換部を成長させることにより、当該基板本体の集積面に沿った方向で分散して配列された複数の前記変換部を備えた光半導体基板を製造する方法であって、
所定の開口パターンを有する前記マスクを用いて、前記基板本体に第一の量子ドットを成長させると、当該開口パターンを変更することなく、前記第一の量子ドット上に第一の歪緩和層を成長させ、第一の変換部を形成し、
その後、前記マスクの開口パターンを変更し、前記基板本体上に第二の量子ドットを成長させると、当該開口パターンを変更することなく、前記第一の歪緩和層の場合と異なる原料の供給量により、前記第二の量子ドット上に第二の歪緩和層を成長させ、第二の変換部を形成する光半導体基板の製造方法。

【図２】