(57)【要約】【課題】タイプＩＩヘテロ接合を実現できる材料系において長波長の発光を可能にする構造を有する半導体レーザを提供する。【解決手段】半導体レーザは、ｐ型半導体領域と、ｎ型半導体領域と、ｐ型半導体領域とｎ型半導体領域との間に設けられ、一又は複数のセルを含む活性層と、を備え、セルは、第１導電型のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、及び第１導電型と異なる第２導電型のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含み、第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、第１導電型のドーパントを含む部分を有する。【選択図】図１
2020098891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザであって、
ｐ型半導体領域と、
ｎ型半導体領域と、
前記ｐ型半導体領域と前記ｎ型半導体領域との間に設けられ、一又は複数のセルを含む活性層と、
を備え、
前記セルは、第１導電型のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、及び前記第１導電型と異なる第２導電型のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含み、
前記第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、前記第１導電型のドーパントを含む部分を有する、半導体レーザ。
【請求項２】
前記第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、前記第２導電型のドーパントを含む部分を有する、請求項１に記載された半導体レーザ。
【請求項３】
前記第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、アンドープの部分を有する、請求項１又は請求項２に記載された半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、三元化合物又は四元化合物を含み、
前記第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、三元化合物又は四元化合物を含む、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＧａＩｎＡｓを含み、
前記第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＧａＡｓＳｂを含む、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１は、Ｗ形状のタイプＩＩレーザダイオードに関する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】C.  Berger  et.al.，“Novel  type-II  material  system  for  laser  applications  in  the  near-infrared regime”, AIP  Advances  5,  047105  (2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光通信に主要に用いられる波長帯、例えば１．５マイクロメートル帯の光より長波の光源が求められている。タイプＩＩヘテロ接合を実現できる材料系は、長波光源の一候補である。
【０００５】
本発明の一側面は、タイプＩＩヘテロ接合を実現できる材料系において長波長の発光を可能にする構造を有する半導体レーザ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】
【０００６】
本発明の一側面に係る半導体レーザは、半導体レーザであって、ｐ型半導体領域と、ｎ型半導体領域と、前記ｐ型半導体領域と前記ｎ型半導体領域との間に設けられ、一又は複数のセルを含む活性層と、を備え、前記セルは、第１導電型のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、及び前記第１導電型と異なる第２導電型のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含み、前記第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、前記第１導電型のドーパントを含む部分を有する。
【０００７】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【０００８】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、タイプＩＩヘテロ接合を実現できる材料系において長波長の発光を可能にする構造を有する半導体レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１の（ａ）部、（ｂ）部及び（ｃ）部は、本実施形態に係る半導体レーザを示す図面である。
【図２】図２は、タイプＩＩ量子井戸構造における選択的ドーパント添加のプロファイルを示す図面である。
【図３】図３は、活性層における伝導帯及び価電子帯のポテンシャルを示す図面である。
【図４】図４は、タイプＩＩ量子井戸構造におけるインジウム及びアンチモンのプロファイルを示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
引き続き、いくつかの具体例を説明する。
【００１１】
具体例に係る半導体レーザは、（ａ）ｐ型半導体領域と、（ｂ）ｎ型半導体領域と、（ｃ）前記ｐ型半導体領域と前記ｎ型半導体領域との間に設けられ、一又は複数のセルを含む活性層と、を備え、前記セルは、第１導電型のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、及び前記第１導電型と異なる第２導電型のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を含み、前記第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、前記第１導電型のドーパントを含む部分を有する。
【００１２】
この半導体レーザによれば、セルに、第１導電型のキャリアに井戸を提供すると共に第２導電型のキャリアに障壁を提供する第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層、及び第２導電型のキャリアに井戸を提供すると共に第１導電型のキャリアに障壁を提供する第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層を与える。第１導電型のキャリア及び第２導電型のキャリアは、それぞれ、第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層及び第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層において大きな確率振幅を有する。第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層への第１導電型ドーパントの添加は、第１導電型ドーパントの濃度に応じて井戸を深くすると共に、第１導電型ドーパントの濃度に応じて第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の井戸に深い障壁を可能にする。第１導電型ドーパントの添加は、セルにおける光学遷移の準位差を長波長側にシフトさせる。
【００１３】
具体例に係る半導体レーザでは、前記第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、前記第２導電型のドーパントを含む部分を有してもよい。
【００１４】
この半導体レーザによれば、第２導電型ドーパントを含む第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、第２導電型ドーパントの濃度に応じて井戸を深くできると共に、第２導電型ドーパントの濃度に応じて第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の井戸に深い障壁を提供できる。第２導電型ドーパントの添加は、セルの光学遷移の準位差を長波長側にシフトさせる。第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層及び第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層にそれぞれの導電型のドーパントを添加できる。
【００１５】
具体例に係る半導体レーザでは、前記第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、アンドープの部分を有してもよい。
【００１６】
この半導体レーザによれば、第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層及び第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層の一方に、当該半導体層に深い井戸を可能にするドーパントを添加するようにしてもよい。
【００１７】
具体例に係る半導体レーザでは、前記第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、三元化合物又は四元化合物を含み、前記第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、三元化合物又は四元化合物を含んでもよい。
【００１８】
この半導体レーザによれば、三元化合物又は四元化合物は、発光を可能にする量子準位を与えることができる。三元化合物又は四元化合物における組成のバリエーションは、第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層及び第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層にタイプＩＩの様々なヘテロ接合を提供できる。
【００１９】
具体例に係る半導体レーザでは、前記第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＧａＩｎＡｓを含み、前記第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層は、ＧａＡｓＳｂを含んでもよい。
【００２０】
この半導体レーザによれば、これらの三元化合物は、発光を可能にする量子準位を与えることができる。三元化合物は、第１ＩＩＩ−Ｖ族半導体層及び第２ＩＩＩ−Ｖ族半導体層にタイプＩＩの様々なヘテロ接合を提供できる。
【００２１】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、半導体レーザといった半導体発光デバイスに係る実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２２】
図１の（ａ）部は、本実施形態に係る半導体レーザの活性層の構造並びに活性層の伝導帯及び価電子帯のポテンシャルを示す図面である。図１の（ｂ）部及び（ｃ）部の各々は、図１の（ａ）部に示された活性層を含む半導体レーザを示す図面である。図２は、タイプＩＩ量子井戸構造を有する活性層における選択的ドーパント添加のプロファイルを示す図面である。図３は、活性層における伝導帯及び価電子帯のポテンシャルを示す図面である。
【００２３】
半導体レーザ１１は、活性層１３を備え、活性層１３は、発光領域１５を含み、発光領域１５は、少なくとも一つのセル２３を有する。半導体レーザ１１は、更に、ｐ型半導体領域１７及びｎ型半導体領域１９を備え、活性層１３は、ｐ型半導体領域１７とｎ型半導体領域１９との間に設けられる。
【００２４】
セル２３は、第１ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（「第１半導体層２３ａ」として参照する）及び第２ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層（「第２半導体層２３ｂ」として参照する）を含む。第１半導体層２３ａは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、また第１導電型（ｎ型及びｐ型の一方）のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする。第２半導体層２３ｂは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、また第１導電型と異なる第２導電型（ｎ型及びｐ型の他方）のキャリアに井戸ポテンシャルを可能にする。
【００２５】
図１の（ａ）部及び図２に示される例示的な活性層１３は、３つのセル２３を含む。個々のセル２３において、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂのいずれか一方、本実施例では、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂの両方は、それぞれ、第１導電型のドーパントを含む部分及び第２導電型のドーパントを含む部分を有する。これらのドーパント添加によって、第１半導体層２３ａの一部又は全部は、第１導電型のドーパントを含み、第１半導体層２３ａへのドーパントの添加は、該第１半導体層２３ａにおけるフェルミ準位をシフトさせる。また、第２半導体層２３ｂの一部又は全部は、第２導電型のドーパントを含み、第２半導体層２３ｂへのドーパントの添加は、該第２半導体層２３ｂにおけるフェルミ準位をシフトさせる。
【００２６】
詳細には、第１半導体層２３ａは、第２半導体層２３ｂへの第２導電型ドーパントの添加無しに、第１導電型ドーパントを含む。この添加は、第１導電型のキャリアに与える井戸ポテンシャルを深くする。
【００２７】
或いは、第２半導体層２３ｂは、第１半導体層２３ａへの第１導電型ドーパントの添加無しに、第２導電型ドーパントを含む。この添加は、第２導電型のキャリアに与える井戸ポテンシャルを深くする。
【００２８】
或いは、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂは、それぞれ、第１導電型ドーパント及び第２導電型ドーパントを含む。これらの添加は、それぞれ、第１導電型のキャリアに与えられる井戸ポテンシャル及び第２導電型のキャリアに与えられる井戸ポテンシャルを深くする。
【００２９】
図３を参照すると、ドーパント添加された３つのセル２３を含む活性層１３の伝導帯及び価電子帯のポテンシャルにおける電子の波動関数ＷＦＥ及び正孔の波動関数ＷＦＨを示す。
【００３０】
半導体レーザ１１によれば、セル２３に、第１導電型のキャリア（本実施例では、電子）に井戸Ｗ１Ｅを提供すると共に第２導電型のキャリア（本実施例では、正孔）に障壁Ｂ１Ｈを提供する第１半導体層２３ａ、及び第２導電型のキャリア（本実施例では、正孔）に井戸Ｗ２Ｈを提供すると共に第１導電型のキャリア（本実施例では、電子）に障壁Ｂ２Ｅを提供する第２半導体層２３ｂを与える。
【００３１】
本実施例では、第１半導体層２３ａへの第１導電型ドーパントの添加は、アンドープ層からのドーパント濃度の増加に応じて井戸Ｗ１Ｅを深くする（図２に示されたＳＦＴＮ）と共に、該ドーパント濃度の増加に応じて第２半導体層２３ｂの井戸Ｗ２Ｈに高い障壁Ｂ１Ｈを可能にする。第１導電型ドーパントの添加は、セル２３における光学遷移の準位差を長波長側にシフトさせる。この長波長の発光は、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂの組成を代えることなく可能になる。
【００３２】
また、本実施例では、第２半導体層２３ｂへの第２導電型ドーパントの添加は、アンドープ層からのドーパント濃度の増加に応じて井戸Ｗ２Ｈを深くする（図２に示されたＳＦＴＰ）と共に、該ドーパント濃度の増加に応じて第１半導体層２３ａの井戸Ｗ１Ｅに高い障壁Ｂ２Ｅを可能にする。第２導電型ドーパントの添加は、セル２３における光学遷移の準位差を長波長側にシフトさせる。この長波長の発光は、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂの組成を代えることなく可能になる。
【００３３】
第１導電型及び第２導電型の少なくともいずれか一方のドーパント添加によりシフトさせた光学遷移を示すセルでは、図３に示されるように、第１導電型キャリアの波動関数（本実施例では、電子の波動関数ＷＦＥ）及び第２導電型のキャリアの波動関数（本実施例では、正孔の波動関数ＷＦＨ）は、それぞれ、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂにおいて大きな確率振幅を有しており、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂの界面付近において再結合により光を生成する。
【００３４】
詳細には、セル２３の各々は、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂのタイプＩＩヘテロ接合ＨＪ３を含む。タイプＩＩヘテロ接合ＨＪ３を形成する第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂは、電子のための一又は複数の電子準位と正孔のための一又は複数の正孔準位とを生成する。最も低いエネルギーの電子準位と最も低いエネルギーの正孔準位は、これらの間の遷移によりレーザ発振を可能にする光を生成できる。
【００３５】
第１軸Ａｘ１の方向（ｐ型半導体領域１７から、ｎ型半導体領域１９への方向）に配列された複数のセル２３を含む活性層１３では、セル２３は、該セル２３のうちの一つにおける半導体層（例えば、第１半導体層２３ａ）が、隣のセル２３内の半導体層（例えば、第２半導体層２３ｂ）にタイプＩＩヘテロ接合ＨＪ４を成すように配置される。或いは、セル２３は、該セル２３のうちの一つにおける半導体層（例えば、第２半導体層２３ｂ）が、隣のセル２３内の半導体層（例えば、第１半導体層２３ａ）にタイプＩＩヘテロ接合ＨＪ４を成すように配置される。
【００３６】
セル２３の配列において、第１半導体層２３ａは、セル２３内の電子Ｅへの低ポテンシャルＬＰＥと、セル２３内の正孔Ｈへの高ポテンシャルＨＰＨとを有する。第２半導体層２３ｂは、また、第１半導体層２３ａの低ポテンシャルＬＰＥより高くセル２３内の電子Ｅへ与えられる高ポテンシャルＨＰＥと第１半導体層２３ａの高ポテンシャルＨＰＨより低くセル２３内の正孔へ与えられる低ポテンシャルＬＰＨとを有する。
【００３７】
単一のセル２３において、第１半導体層２３ａは、セル２３内の電子Ｅへの低ポテンシャルＬＰＥ及びセル２３内の正孔Ｈへの高ポテンシャルＨＰＨを有する。第２半導体層２３ｂは、また、第１半導体層２３ａの低ポテンシャルＬＰＥより高くセル２３内の電子Ｅへの高ポテンシャルＨＰＥ及び第１半導体層２３ａの高ポテンシャルＨＰＨより低くセル２３内の正孔への低ポテンシャルＬＰＨを有する。
【００３８】
図２を再び参照すると、ドーパントプロファイルは、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂの両方に提供される選択的ドーパント添加を示す。しかしながら、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂの少なくともいずれか一方に、選択的ドーパント添加が提供される。第１半導体層２３ａに選択的ドーパント添加を提供でき、或いは第２半導体層２３ｂに選択的ドーパント添加を提供できる。
【００３９】
既に説明したように、第１半導体層２３ａは、第２半導体層２３ｂの高ポテンシャルＨＰＥより低く活性層１３内の電子Ｅへ与えられる低ポテンシャルＬＰＥと、第２半導体層２３ｂの低ポテンシャルＬＰＨより高く活性層１３内の正孔Ｈへ与えられる高ポテンシャルＨＰＨを有する。第１半導体層２３ａへのｎ型ドーパントの添加により、第１半導体層２３ａの一部又は全部に、ｎ型ドーパントを提供できる。ｎ型ドーパントの添加は、低ポテンシャルＬＰＥを下げて井戸を深くする。深い井戸は、セル２３の伝導帯の井戸における量子準位を低くして、セル２３における光学遷移に寄与する準位差を小さくできる。ｎ型ドーパントの添加は、セル２３における光学遷移の準位を長波長側にシフトさせて、小さい準位差は、長波長の発光を可能にする。
【００４０】
本実施例では、第１半導体層２３ａの全体にｎ型ドーパントを添加するｎ型ドーパントプロファイルＰＦＮが示される。ｎ型ドーパントは、シリコンを包含する。
ｎ型ドーパント濃度：例えばＩｎＧａＡｓに１０１７〜１０１９ｃｍ−３。
【００４１】
また、既に説明したように、第２半導体層２３ｂは、第１半導体層２３ａの低ポテンシャルＬＰＥより高く活性層１３内の電子Ｅへ与えられる高ポテンシャルＨＰＥと、第１半導体層２３ａの高ポテンシャルＨＰＨより低く活性層１３内の正孔へ与えられる低ポテンシャルＬＰＨとを有する。第２半導体層２３ｂへのｐ型ドーパントの添加により、第２半導体層２３ｂの一部又は全部に、ｐ型ドーパントを提供できる。ｐ型ドーパントの添加は、低ポテンシャルＬＰＨを下げて井戸を深くする。深い井戸は、発光領域１５の価電子帯の井戸における量子準位を低くして、発光領域１５における光学的遷移に寄与する準位差を小さくできる。ｐ型ドーパントの添加は、発光領域１５における光学遷移の準位を長波長側にシフトさせて、小さい準位差は、長波長の発光を可能にする。
【００４２】
本実施例では、第２半導体層２３ｂの全体にｐ型ドーパントを添加するｐ型ドーパントプロファイルＰＦＰが示される。ｐ型ドーパントは、亜鉛、炭素、ベリリウムを包含する。
ｐ型ドーパント濃度：例えばＧａＡｓＳｂに１０１７〜１０１９ｃｍ−３。
【００４３】
図１の（ａ）部及び図２を参照すると、活性層１３は、３つのセル２３に加えて、２つの障壁層（２５、２７）を含む。具体的には、セル２３の配列は、第１障壁層２５と第２障壁層２７との間に設けられ、本実施例では、第１障壁層２５は、最外の一方のセル２３にタイプＩヘテロ接合ＨＪ１を成し、第２障壁層２７は、最外の他方のセル２３にタイプＩヘテロ接合ＨＪ２を成す。第１障壁層２５及び第２障壁層２７は、第１軸Ａｘ１の方向に配列された複数のセル２３に電子及び正孔を閉じ込める。この配列は、単一のセル２３を含む活性層１３が含まないタイプＩＩヘテロ接合ＨＪ４を発光領域１５に与える。ｐ型半導体領域１７内のクラッド層及びｎ型半導体領域１９内のクラッド層は、活性層１３に光を閉じ込める。
【００４４】
活性層１３は、必要な場合には、第１障壁層２５及び第２障壁層２７に加えて、２つの外側半導体層（２９ａ、２９ｂ）を含むことができる。第１障壁層２５及び第２障壁層２７並びにセル２３の配列は、２つの外側半導体層（２９ａ、２９ｂ）の間に設けられ、本実施例では、これらの外側半導体層は、上側光閉込層２９ａ及び下側光閉込層２９ｂである。ｐ型半導体領域１７内のクラッド層及びｎ型半導体領域１９内のクラッド層は、活性層１３及び外側半導体層（２９ａ、２９ｂ）に光を閉じ込める。
【００４５】
或いは、活性層１３は、第１障壁層２５及び第２障壁層２７に置き替えて、上側光閉込層２９ａ及び下側光閉込層２９ｂを含むことができる。上側光閉込層２９ａは、最外の一方のセル２３にタイプＩヘテロ接合ＨＪ２を成し、下側光閉込層２９ｂは、最外の他方のセル２３にタイプＩヘテロ接合ＨＪ１を成す。ｐ型半導体領域１７内のクラッド層及びｎ型半導体領域１９内のクラッド層は、活性層１３及び外側半導体層（２９ａ、２９ｂ）に光を閉じ込める。
【００４６】
単一のセル２３を含む活性層１３では、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂは、第１軸Ａｘ１の方向に配列される。該セル２３は、セル２３の半導体層うちの一方（例えば、第１半導体層２３ａ）が上側光閉込層２９ａにタイプＩヘテロ接合を成すと共に該セル２３半導体層うちの他方（例えば、第２半導体層２３ｂ）が下側光閉込層２９ｂにタイプＩヘテロ接合を成すように、向き付けされる。或いは、該セル２３は、該セル２３の半導体層うちの他方（例えば、第２半導体層２３ｂ）が上側光閉込層２９ａにタイプＩヘテロ接合を成すと共に該セル２３の半導体層うちの一方（例えば、第１半導体層２３ａ）が下側光閉込層２９ｂにタイプＩヘテロ接合を成すように、向き付けされる。
【００４７】
図１の（ｂ）部及び（ｃ）部を参照すると、半導体レーザ１１は、支持体２１を更に備えることができ、ｐ型半導体領域１７、活性層１３、及びｎ型半導体領域１９は、支持体２１の半導体主面（主面２１ａとして参照される）上に搭載される。
【００４８】
半導体レーザ１１は、リッジ構造ＲＧ又は埋込ヘテロ構造ＢＪを有することができる。また、半導体レーザ１１は、ファブリペロ（ＦＰ）型又は分布帰還（ＤＦＢ）型を有することができる。ＦＰ型の半導体レーザ１１は、例えば約１ミリメートル程度の共振器長ＣＶＬを有する。
【００４９】
リッジ構造ＲＧ。
半導体レーザ１１は、リッジ構造ＲＧにｐ型半導体領域１７を与える。具体的には、ｐ型半導体領域１７は、ｐ型クラッド層３１及びｐ型コンタクト層３５を含む。ｎ型半導体領域１９は、ｎ型クラッド層を含む。
【００５０】
必要な場合には、半導体レーザ１１は、（ｐ型半導体）第１中間層３３ａ、（ｐ型半導体）第２中間層３３ｂ及び／又は（ｎ型半導体）第３中間層３３ｃを含むことができる。
【００５１】
第１中間層３３ａはｐ型クラッド層３１とｐ型コンタクト層３５との間に設けられる。第１中間層３３ａは、ｐ型クラッド層３１とｐ型コンタクト層３５との間のバンドギャップの単一組成、又はｐ型クラッド層３１とｐ型コンタクト層３５との間で徐々にバンドギャップを変化させる組成傾斜のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を有して、これらの半導体層間のヘテロ障壁を小さくする。
【００５２】
第２中間層３３ｂは活性層１３（上側光閉込層２９ａ）とｐ型クラッド層３１との間に設けられる。第２中間層３３ｂは、ｐ型クラッド層３１と上側光閉込層２９ａとの間のバンドギャップの単一組成、又はｐ型クラッド層３１と上側光閉込層２９ａとの間で徐々にバンドギャップを変化させる組成傾斜のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を有して、これらの半導体層間のヘテロ障壁を小さくする。
【００５３】
第３中間層３３ｃは活性層１３（下側光閉込層２９ｂ）とｎ型クラッド層（１９）との間に設けられる。第３中間層３３ｃは、ｎ型クラッド層（１９）と下側光閉込層２９ｂとの間のバンドギャップの単一組成、又はｎ型クラッド層（１９）と下側光閉込層２９ｂとの間で徐々にバンドギャップを変化させる組成傾斜のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層を有して、これらの半導体層間のヘテロ障壁を小さくする。
【００５４】
半導体レーザ１１は、リッジ構造ＲＧを覆う無機絶縁膜３７を備える。半導体レーザ１１は、第１電極３９ａ及び第２電極３９ｂを備え、第１電極３９ａは、リッジ構造ＲＧ上に位置する無機絶縁膜３７の開口３７ａを介してｐ型半導体領域１７に接触を成し、第２電極３９ｂは、支持体２１の裏面２１ｂに接触を成す。
【００５５】
埋込ヘテロ構造ＢＪ。
半導体レーザ１１は、半導体メサ４１及び半導体埋込領域４３を含む。半導体埋込領域４３は半導体メサ４１を埋め込む。半導体メサ４１は、ｐ型半導体領域１７、活性層１３、及びｎ型半導体領域１９を含む。ｐ型半導体領域１７は、ｐ型クラッド層３１及びｐ型コンタクト層３５を含む。ｎ型半導体領域１９は、ｎ型クラッド層を含む。
【００５６】
半導体レーザ１１は、半導体メサ４１及び半導体埋込領域４３の上面を覆う無機絶縁膜３７を備える。半導体レーザ１１は、第１電極３９ａ及び第２電極３９ｂを備え、第１電極３９ａは、半導体メサ４１上に位置する無機絶縁膜３７の開口３７ａを介してｐ型半導体領域１７に接触を成し、第２電極３９ｂは、支持体２１の裏面２１ｂに接触を成す。
【００５７】
図１に示される半導体レーザ１１では、セル２３、第１障壁層２５及び第２障壁層２７は、以下のような材料を備えることができる。
【００５８】
発光領域１５では、第１半導体層２３ａは、ＩＩＩ族元素としてインジウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。この第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、例えば三元化合物又は四元化合物であることができ、五元以上の構成元素の化合物半導体を除かない。
【００５９】
具体的には、第１半導体層２３ａは、ＧａＩｎＡｓを含むことができる。第１半導体層２３ａは、ＧａＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓの少なくともいずれか一方を含むことができる。
【００６０】
また、第２半導体層２３ｂは、ＩＩＩ族元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモンを含む第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備える。この第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、三元化合物又は四元化合物であることができ、五元以上の構成元素の化合物半導体を除かない。
【００６１】
具体的には、第２半導体層２３ｂは、ＧａＡｓＳｂを含むことができる。第２半導体層２３ｂは、ＧａＩｎＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂの少なくともいずれか一方を含むことができる。第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体に接合して、タイプＩＩヘテロ界面を形成できる。
【００６２】
半導体レーザ１１によれば、第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の三元化合物又は四元化合物及び第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の三元化合物又は四元化合物は、発光を可能にする量子準位を与えることができる。これらの三元化合物及び四元化合物は、長波長の発光を可能にする。三元化合物及び四元化合物は、第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂを含む発光領域１５にタイプＩＩのバンドアライメントを提供できる。
【００６３】
第１半導体層２３ａは、１〜１０ｎｍの厚さを有することができ、第２半導体層２３ｂは、１〜１０ｎｍの厚さを有することができる。
【００６４】
発光領域１５では、第１障壁層２５（及び下側光閉込層２９ｂ）は、ＩＩＩ族元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素又は燐の少なくとも一方を含む第３ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備えることができる。
【００６５】
また、第２障壁層２７（及び上側光閉込層２９ａ）は、ＩＩＩ族元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素又は燐の少なくとも一方を含む第４ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備えることができる。
【００６６】
半導体レーザ１１によれば、第１障壁層２５及び第２障壁層２７は、発光領域１５の第１半導体層２３ａ及び第２半導体層２３ｂ内の電子及び正孔の両方に障壁を提供できる。
第３ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体及び第４ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体：ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＧａＩｎＡｓ。
ＧａＡｓＰは、ＧａＡｓの格子定数より小さい格子定数を有し、（ＡｌＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＰはＧａＡｓの格子定数より小さい格子定数を有することができる）。
ＡｌＩｎＡｓ及びＡｌＧａＩｎＡｓは、ＩｎＰの格子定数より小さい格子定数を有することができる。
【００６７】
ｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層は、第１障壁層２５及び第２障壁層２７（上側光閉込層２９ａ及び下側光閉込層２９ｂ）のバンドギャップより大きなバンドギャップを有する。ｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層は，障壁層（２５、２７）又は光閉込層（２９ａ、２９ｂ）にタイプＩＩヘテロ接合と異なる接合、例えばタイプＩヘテロ接合を成す。ｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＰを含むことができる。
【００６８】
支持体２１は、ＧａＡｓ及びＩｎＰのいずれか一方を備える半導体支持体を含む。半導体レーザ１１によれば、長波長の発光を可能にする活性層１３が、ＧａＡｓ及びＩｎＰのいずれか一方を備える半導体支持体上に提供される。ＧａＡｓ及びＩｎＰは大口径ウエハを提供できる。
【００６９】
ＧａＡｓの半導体支持体を含む半導体レーザ１１では、第３ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体及び第４ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の少なくとも一方は、Ｖ族元素としてヒ素及び燐のいずれか一方を含む三元化合物であることがよい。この半導体レーザ１１によれば、障壁層が、ＩＩＩ族元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてヒ素及び燐の一方を含む三元化合物によって提供される。この三元化合物、例えばＧａＡｓＰ及びＧａＩｎＰは、ＧａＡｓ面上において発光領域における圧縮歪みの一部又は全部を相殺することができる。
【００７０】
ＧａＡｓの半導体支持体を含む半導体レーザ１１は、長波長の光（例えば、波長１．２マイクロメートル以上の光）を生成する。
【００７１】
ＩｎＰの半導体支持体を含む半導体レーザ１１では、第３ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体及び第４ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体の少なくとも一方は、ＩＩＩ族元素としてアルミニウムを更に備えることがよい。
【００７２】
この半導体レーザ１１によれば、障壁層（２５、２７）が、ＩＩＩ族元素としてガリウム又はアルミニウムの少なくとも一方を含むと共にＶ族元素としてヒ素又は燐の少なくとも一方を含む三元化合物又は四元化合物によって提供される。このＩＩＩ−Ｖ化合物半導体、例えばＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰは、ＩｎＰ面上において発光領域１５における圧縮歪みの一部又は全部を相殺することができる。
【００７３】
ＩｎＰの半導体支持体を含む半導体レーザ１１では、第１半導体層２３ａのＧａＩｎＡｓ及び第２半導体層２３ｂのＧａＡｓＳｂの一方は、ＩｎＰより大きな格子定数を有し、第１半導体層２３ａのＧａＩｎＡｓ及び第２半導体層２３ｂのＧａＡｓＳｂの他方は、ＩｎＰより小さい格子定数を有することがよい。
【００７４】
この半導体レーザ１１によれば、ＧａＩｎＡｓを含む第１半導体層２３ａ及びＧａＡｓＳｂを含む第２半導体層２３ｂは、ＩｎＰ主面上において発光領域１５の応力の一部又は全部をキャンセルできる。
【００７５】
ＩｎＰの半導体支持体を含む半導体レーザ１１は、長波長の光（例えば、波長２マイクロメートルより大きい光）を生成する。
【００７６】
半導体レーザ１１の典型的なリッジ構造。
無機絶縁膜３７：ＳｉＮといったシリコン系無機絶縁膜。
ｐ型半導体領域１７。
ｐ型コンタクト層３５：ｐ型ＧａＡｓ層。
第２中間層３３ｂ：ｐ型のＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ組成傾斜層（ｘは０以上１以下の範囲）。
ｐ型クラッド層３１：ｐ型ＡｌＧａＡｓ層、ｐ型ＧａＩｎＰ層，ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ層。
第１中間層３３ａ：Ａｌ（ｙ）Ｇａ（１−ｙ）Ａｓ組成傾斜層（ｙは０より大きく１未満の範囲）。
上側光閉込層及び下側光閉込層：ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ。
活性層１３。
障壁層：ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ。
セル２３の第１半導体層２３ａ／第２半導体層２３ｂ：ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩヘテロ構造体、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓＳｂ。
セル２３の数：１〜５。
第３中間層３３ｃ：Ａｌ（ｚ）Ｇａ（１−ｚ）Ａｓ組成傾斜層（ｚは０より大きく１未満の範囲）。
ｎ型半導体領域１９：ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ。
支持体２１：ｎ型ＧａＡｓ。
共振器長：１ミリメートル。
半導体リッジの幅：５マイクロメートル。
【００７７】
半導体レーザ１１の典型的なリッジ構造。（Ａｌを構成元素に含まない構造）
無機絶縁膜３７：ＳｉＮといったシリコン系無機絶縁膜。
ｐ型半導体領域１７。
ｐ型コンタクト層３５：ｐ型ＧａＡｓ層。
第２中間層３３ｂ：ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層。
ｐ型クラッド層３１：ｐ型ＧａＩｎＰ層。
第１中間層３３ａ：ＧａＩｎＡｓＰ層。
上側光閉込層及び下側光閉込層：ＧａＩｎＡｓＰ。
活性層１３。
障壁層：ＧａＩｎＡｓＰ。
セル２３の第１半導体層２３ａ／第２半導体層２３ｂ：ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩヘテロ構造体、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓＳｂ。
セル２３の数：１〜５。
第３中間層３３ｃ：ＧａＩｎＡｓＰ層。
ｎ型半導体領域１９：ｎ型ＧａＩｎＰクラッド層。
支持体２１：ｎ型ＧａＡｓ。
共振器長：１ミリメートル。
半導体リッジの幅：５マイクロメートル。
【００７８】
半導体レーザ１１の典型的な埋込ヘテロ構造。
無機絶縁膜３７：ＳｉＮといったシリコン系無機絶縁膜。
ｐ型半導体領域１７。
ｐ型コンタクト層３５：ｐ型ＧａＩｎＡｓ層。
第２中間層３３ｂ：ｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ層。
ｐ型クラッド層３１：ｐ型ＡｌＩｎＡｓ層。
上側光閉込層及び下側光閉込層：ＡｌＧａＩｎＡｓ。
活性層１３。
障壁層：ＡｌＧａＩｎＡｓ。
セル２３の第１半導体層２３ａ／第２半導体層２３ｂ：ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂタイプＩＩヘテロ構造体、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓＳｂ。
セル２３の数：１〜１０。
ｎ型半導体領域１９：ｎ型ＡｌＩｎＡｓクラッド層。
支持体２１：ｎ型ＩｎＰ。
半導体埋込領域４３：半絶縁性ＩｎＰ電流ブロック層。
共振器長：５００マイクロメートル。
半導体メサ４１の幅：３マイクロメートル。
【００７９】
図４は、タイプＩＩ量子井戸構造におけるインジウム及びアンチモンのプロファイルを示す図面である。
【００８０】
第１半導体層２３ａの第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、ＩＩＩ族元素としてインジウム（インジウムプロファイルＰＦＩ）を含むと共にＶ族元素としてヒ素を含む。本実施例では、第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、コンタミネーションを除いて、Ｖ族元素としてアンチモンを含まない。具体的には、第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、ＩＩＩ族元素としてインジウム及びガリウム並びにＶ族元素としてヒ素を含む三元化合物又は四元化合物である。
【００８１】
第２半導体層２３ｂの第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、ＩＩＩ族元素としてガリウムを含むと共にＶ族元素としてアンチモン（アンチモンプロファイルＰＦＡ）を含む。第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、コンタミネーションを除いて、ＩＩＩ族元素としてインジウムを含まない。具体的には、第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、ＩＩＩ族元素としてガリウム及びＶ族元素としてアンチモン及びヒ素を含む三元化合物又は四元化合物である。
【００８２】
具体的には、ＧａＡｓにおいてｎ型ドーパント濃度を１×１０１５ｃｍ−３から１×１０１８ｃｍ−３に増加すると、ＧａＡｓの伝道帯のレベルはフェルミ準位を基準にして０．１８エレクトロンボを引き起こす。このエネルギーシフトを波長に換算すると、実効波長差で０．１７マイクロメートル（例えば１マイクロメートルから１．１７マイクロメートルへシフト）になる。
【００８３】
ガリウムのＩＩＩ族元素及びアンチモンのＶ族元素に加えて一又は二の構成元素の追加によれば、結果として得られる三元化合物又は四元化合物の格子定数を、二元ガリウムアンチモンの格子定数より小さくすると共にＧａＡｓ及びＩｎＰの格子定数に近づけることができる。インジウムのＩＩＩ族元素及びヒ素のＶ族元素に加えて一又は二の構成元素の追加によれば、結果として得られる三元化合物又は四元化合物の格子定数を、二元インジウムヒ素の格子定数より小さくすると共にＧａＡｓ及びＩｎＰの格子定数に近づけることができる。
【００８４】
主要な工程を含む以下の製法方法により、半導体レーザ１１を作製できる。タイプＩＩ量子井戸構造及びクラッド層は、例えば有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により成長されることができる。ＳｉドープＧａＩｎＡｓ／アンドープＧａＡｓＳｂ量子井戸構造を成長するために、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ヒ素（Ａｓ）及びアンチモン（Ｓｂ）の原料は、それぞれ、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ターシャルブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、及びトリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を含む。ｎ型ドーパント源、例えばＳｉドーパントは、シラン（ＳｉＨ４）を含む。キャリアガスは、例えば水素を含む。これらの原料及びドーパントガスを反応炉に供給して、反応炉内のＩｎＰ基板上で半導体薄膜をエピタキシャルに成長する。具体的には、半導体生成物がＩｎＰ基板に格子整合する気相比でＴＭＧａ、ＴＭＩｎ及びＴＢＡｓを供給する同時に、ドナー濃度１×１０１８ｃｍ−３となる気相比でＳｉＨ４ガスを反応炉に供給して、ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層を選択的ドーピングで成長する。引き続く、ＧａＡｓＳｂ層の成長では、ＴＭＧａ，ＴＭＩｎ，ＴＢＡｓ及びＳｉＨ４の供給を停止する。次いで、半導体生成物がＩｎＰ基板に格子整合する気相比でＴＭＧａ，ＴＢＡｓ及びＴＭＳｂを供給する。このシーケンスにより発光領域を成長できる。発光領域の成長を繰り返すことによってタイプＩＩ多重量子井戸構造を形成できる。半導体の構成原子に応じた原料を供給することによって、半導体レーザ１１のためのエピタキシャル基板を作製できる。
【００８５】
このように作製されたエピタキシャル基板にフォトリソグラフィ、エッチング（必要な場合には、再成長）及びメタライズを適用することにより、繰り返しの発光領域及び障壁層を含むタイプＩＩ多重量子井戸構造を有する埋込ヘテロ構造及びリッジ構造の半導体レーザ１１を作製できる。
【００８６】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
以上説明したように、本実施形態によれば、Ｖ族としてアンチモンを含むＩＩＩ−Ｖ族材料系において長波長の発光を可能にする量子井戸構造を有する半導体レーザを提供できる。
【符号の説明】
【００８８】
１１…半導体レーザ、１３…活性層、１７…ｐ型半導体領域、１９…ｎ型半導体領域、２１…支持体、２３…セル、２３ａ…第１半導体層、２３ｂ…第２半導体層、２５…第１障壁層、２７…第２障壁層。
【図１】
2020098891.tif 000003
【図２】
2020098891.tif 000004
【図３】
2020098891.tif 000005
【図４】
2020098891.tif 000006