(57)【要約】【課題】トンネル接合を利用して横方向への電流拡散を容易にした高出力垂直外部共振器面発光レーザー素子、及び該レーザー素子用のレーザーポンピング部を提供する。【解決手段】レーザーポンピング部４０は、基板４１と、基板４１上に形成された下部の分布ブラッグ反射層４２と、下部の分布ブラッグ反射層４２上に形成されており、所定の波長を有する光を発生させる量子井戸構造の活性層４３と、活性層４３上に形成されており、当該活性層４３の面に対して垂直方向の電気抵抗を増加させるためのトンネル接合層４４と、トンネル接合層４４上に形成された上部の分布ブラッグ反射層４５と、を備える。【選択図】図４
2006114894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光半導体レーザー素子用のレーザーポンピング部において、
基板と、
前記基板上に形成された下部の分布ブラッグ反射層と、
前記下部の分布ブラッグ反射層上に形成されており、所定の波長を有する光を発生させる量子井戸構造の活性層と、
前記活性層上に形成されており、当該活性層の面に対して垂直方向の電気抵抗を増加させるためのトンネル接合層と、
前記トンネル接合層上に形成された上部の分布ブラッグ反射層と、を備えることを特徴とするレーザーポンピング部。
【請求項２】
前記トンネル接合層は、導電型がｐ型になるようにドーピングされたｐ＋半導体層、及び導電型がｎ型になるようにドーピングされたｎ＋半導体層が順次に積層されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザーポンピング部。
【請求項３】
前記ｐ＋半導体層及びｎ＋半導体層の各ドーピング濃度は、５×１０１８／ｃｍ３ないし５×１０１９／ｃｍ３の範囲にあることを特徴とする請求項２に記載のレーザーポンピング部。
【請求項４】
前記トンネル接合層の厚さは、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザーポンピング部。
【請求項５】
前記上部の分布ブラッグ反射層及び下部の分布ブラッグ反射層は、導電型がｎ型となるようにドーピングされており第１屈折率の半導体層と、導電型がｎ型となるようにドーピングされており前記第１屈折率よりも低い第２屈折率の半導体層とが反復的に積層されて形成された複数層構造であることを特徴とする請求項１に記載のレーザーポンピング部。
【請求項６】
前記上部の分布ブラッグ反射層の第１屈折率の半導体層の厚さは、発振波長の３／４であり、前記上部の分布ブラッグ反射層の第２屈折率の半導体層の厚さは、発振波長の１／４であることを特徴とする請求項５に記載のレーザーポンピング部。
【請求項７】
前記トンネル接合層は、活性層上の一部領域に形成されており、前記トンネル接合層は、上部の分布ブラッグ反射層に埋設されていることを特徴とする請求項５に記載のレーザーポンピング部。
【請求項８】
前記上部の分布ブラッグ反射層を形成するそれぞれの第１屈折率の半導体層と第２屈折率の半導体層とにおいて前記トンネル接合層に対向する部分が、前記垂直方向に突出しており段差が形成されていることを特徴とする請求項７に記載のレーザーポンピング部。
【請求項９】
前記上部の分布ブラッグ反射層上に電流拡散層が更に形成されていることを特徴とする請求項８に記載のレーザーポンピング部。
【請求項１０】
前記電流拡散層は、導電型がｎ型のＧａＡｓからなることを特徴とする請求項９に記載のレーザーポンピング部。
【請求項１１】
前記電流拡散層上に反射防止膜が更に形成されていることを特徴とする請求項９に記載のレーザーポンピング部。
【請求項１２】
前記電流拡散層において前記トンネル接合層に対向する領域が、凸レンズの形態に突出して形成されていることを特徴とする請求項９に記載のレーザーポンピング部。
【請求項１３】
前記トンネル接合層は、活性層上の全部領域に形成されており、前記トンネル接合層の上部または下部の端部に開口のサイズを制限するための酸化物層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザーポンピング部。
【請求項１４】
前記トンネル接合層及び活性層の端部に開口のサイズを制限するためのイオン注入層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザーポンピング部。
【請求項１５】
所定波長の光を発生させるレーザーポンピング部と、前記レーザーポンピング部の外部に位置し、前記レーザーポンピング部から発生した光の一部を透過させてレーザー光として出力し、残りの一部をレーザーポンピング部で再吸収されるように反射する外部ミラー部と、を備える半導体レーザー素子において、
前記レーザーポンピング部は、
基板と、
前記基板上に形成された下部の分布ブラッグ反射層と、
前記下部の分布ブラッグ反射層上に形成されており、所定の波長を有する光を発生させる量子井戸構造の活性層と、
前記活性層上に形成されており、当該活性層の面に対して垂直方向の抵抗を増加させるためのトンネル接合層と、
前記トンネル接合層上に形成された上部の分布ブラッグ反射層と、を備えることを特徴とするレーザー素子。
【請求項１６】
前記トンネル接合層は、導電型がｐ型になるようにドーピングされたｐ＋半導体層、及び導電型がｎ型になるようにドーピングされたｎ＋半導体層が順次に積層されていることを特徴とする請求項１５に記載のレーザー素子。
【請求項１７】
前記ｐ＋半導体層とｎ＋半導体層とのドーピング濃度は、５×１０１８／ｃｍ３ないし５×１０１９／ｃｍ３の範囲にあることを特徴とする請求項１６に記載のレーザー素子。
【請求項１８】
前記トンネル接合層の厚さは、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１５に記載のレーザー素子。
【請求項１９】
前記上部の分布ブラッグ反射層及び下部の分布ブラッグ反射層は、導電型がｎ型となるようにドーピングされており第１屈折率の半導体層と、導電型がｎ型となるようにドーピングされており前記第１屈折率よりも低い第２屈折率の半導体層とが反復的に積層されて形成された複数層構造であることを特徴とする請求項１５に記載のレーザー素子。
【請求項２０】
前記上部の分布ブラッグ反射層の第１屈折率の半導体層の厚さは、発振波長の３／４であり、前記上部の分布ブラッグ反射層の第２屈折率の半導体層の厚さは、発振波長の１／４であることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー素子。
【請求項２１】
前記トンネル接合層は、活性層上の一部領域に形成されており、前記トンネル接合層は、上部の分布ブラッグ反射層に埋設されていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー素子。
【請求項２２】
前記上部の分布ブラッグ反射層を形成するそれぞれの第１屈折率の半導体層と第２屈折率の半導体層とにおいて前記トンネル接合層に対向する部分が、前記垂直方向に突出しており段差が形成されていることを特徴とする請求項２１に記載のレーザー素子。
【請求項２３】
前記上部の分布ブラッグ反射層上に電流拡散層が更に形成されていることを特徴とする請求項２２に記載のレーザー素子。
【請求項２４】
前記電流拡散層は、導電型がｎ型であるＧａＡｓからなることを特徴とする請求項２３に記載のレーザー素子。
【請求項２５】
前記電流拡散層上に反射防止膜が更に形成されていることを特徴とする請求項２３に記載のレーザー素子。
【請求項２６】
前記電流拡散層において前記トンネル接合層に対向する領域が凸レンズの形態に突出して形成されていることを特徴とする請求項２３に記載のレーザー素子。
【請求項２７】
前記外部ミラーは、平板ミラーであることを特徴とする請求項２６に記載のレーザー素子。
【請求項２８】
前記レーザーポンピング部と外部ミラーとの間に、光の周波数を２倍にする第二高調波発生結晶が含まれたことを特徴とする請求項１５に記載のレーザー素子。
【請求項２９】
前記第二高調波発生結晶の一の面に、前記外部ミラーが付着されていることを特徴とする請求項２８に記載のレーザー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル接合を備えた高出力レーザー素子、及び該レーザー素子用のレーザーポンピング部に係り、より詳細には、トンネル接合を利用して横方向への電流が容易に拡散するようにした高出力垂直外部共振器型の面発光レーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ；以下、「ＶＥＣＳＥＬ」と称する）及び前記レーザー素子用のレーザーポンピング部に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、発振されるビームが、基板と垂直方向に放出される面発光レーザー（または、垂直共振器型の面発光レーザー）（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ；以下、「ＶＣＳＥＬ」と称する）の概略的な構造を図示する断面図である。図１に示すように、一般的なＶＣＳＥＬ１０は、例えば、導電型がｎ型のＧａＡｓ（以下、「ｎ−ＧａＡｓ」と称する）のような物質からなる基板１１上に下部の分布ブラッグ反射層（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；以下、「ＤＢＲ層」と称する）１３、活性層１４、及び上部のＤＢＲ１６が連続的に積層された構造である。ＤＢＲ層１３、１６は、レーザーの発振波長に対して非常に高い反射率を有するように形成された反射層であって、下部ＤＢＲ層１３は、導電型がｎ型となるようにドーピングされたｎ型ＤＢＲ層であり、上部ＤＢＲ層１６は、導電型がｐ型となるようにドーピングされたｐ型ＤＢＲ層である。前記上部ＤＢＲ層１６には、活性層１４に電流を印加するための金属コンタクト１７が形成されている。このような構造で活性層１４に電流が印加されれば、正孔と電子とが活性層１４内で再結合して、光が発生する。この光は、上部ＤＢＲ層１６と下部ＤＢＲ層１３との間で反射を繰り返しつつ活性層１４内で増幅された後、上部ＤＢＲ層１６を介して放出される。
【０００３】
ところが、このようなＶＣＳＥＬ１０の場合、活性層の面に対して水平方向の抵抗が活性層の面に対して垂直方向の抵抗に比べて非常に大きいため、活性層１４の全体の領域で電流密度が不均一であり、電流が開口の中心部まで十分に伝達されず、開口の端縁部に電流が密集する現象（電流密集現象）が発生する。図１で、“Ａ”で示された曲線は、活性層１４での電流密度プロファイルである。曲線Ａから分かるように、活性層１４の中心部では、水平方向の高い抵抗により電流密度が大きく低下する。このような現象は、ＶＣＳＥＬでの単一横モード発振を不可能にする。このような問題を改善するために、従来の場合、図１に示すように、活性層１４の周辺を酸化させて酸化層１５を形成することにより、電流注入領域である開口のサイズを約５μｍに制限していた。また、酸化層１５の代りにイオン注入層を使用することも可能である。したがって、従来のＶＣＳＥＬは、開口のサイズが小さいため、出力が数ｍＷに過ぎないという短所がある。
【０００４】
一方、ＶＥＣＳＥＬは、高出力動作を具現するために新たに提案されたレーザー素子である。前記ＶＥＣＳＥＬは、外部ミラーを介して利得領域を増加させることにより、最小数百ｍＷ以上の高出力を得るようにしたものである。図２は、このようなＶＥＣＳＥＬの概略的な断面図である。図２に示すように、従来のＶＥＣＳＥＬ２０は、基板２１、下部ＤＢＲ層２２、活性層２３及び上部ＤＢＲ層２４を備えるレーザーポンピング部２５と、凹状の外部ミラー２６とを有する。ここで、レーザー共振器は、下部ＤＢＲ層２２と上部ＤＢＲ層２４との間、そして、下部ＤＢＲ層２２と外部ミラー２６との間にそれぞれ形成される。このような構造で、活性層２３から発生した光は、下部ＤＢＲ層２２と上部ＤＢＲ層２４との間、そして、下部ＤＢＲ層２２と外部ミラー２６との間で反射を繰り返しつつ活性層２３を往復する。このような過程により、活性層２３内で増幅された特定波長λ２の光の一部は、外部ミラー２６を介してレーザービームとして外部に出力され、その残りは、再反射されて光ポンピングに使用される。
【０００５】
前記ＶＥＣＳＥＬ２０で活性層２３を励起させる方法には２つがある。第一の方法は、図２に示すように、ポンプレーザー２７を介してレーザービームの波長λ２より短い波長の光ビームλ１をレーザーポンピング部２５に入射させる光ポンピング方法である。第二の方法は、図１に示すように、上部ＤＢＲ層２４に形成された金属コンタクトを介して活性層２３に電流を印加させる電気ポンピング方法である。ところが、電気ポンピングによる方法を使用する場合、前記したＶＣＳＥＬの短所が依然として問題となる。さらに、ＶＥＣＳＥＬの場合、出力が高いため、開口のサイズが約２０〜１００μｍと非常に大きい。したがって、開口の端縁部に電流が密集してしまう問題は更に深刻化し、単一横モード発振が更に難しくなる。
【０００６】
図３に示すレーザーは、このような問題を改善するためのものであって、“Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｌａｓｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ（高出力レーザー装置）”という名称で、Ａｒａｍ Ｍｏｏｒａｉａｎ（アラム・ムーライアン）らにより１９９７年７月７日に出願された特許文献１に開示されたものである。図３に示すように、前記レーザー装置３０は、ｐ型ＤＢＲ層３１、活性層３２、ｎ型ＤＢＲ層３３、基板３４、及び外部ミラー３８を備える。そして、ｐ型ＤＢＲ層３１の下部には、円形コンタクト層３５が形成されており、基板３４の上部には、輪型コンタクト層３６が形成されており、それらのコンタクト層３５、３６を介して活性層３２に電流が注入される。基板３４として、発振波長に対して透明であるように選択されたｎ−ＧａＡｓを使用し、基板３４は、約５００μｍの厚さに形成される。このような構造で、レーザー共振器は、ｐ型ＤＢＲ層３１とｎ型ＤＢＲ層３３との間、そして、ｐ型ＤＢＲ層３１と外部ミラー３８との間にそれぞれ形成される。一方、光の周波数を２倍にする第二高調波発生（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；以下、「ＳＨＧ」と称する）結晶３７を外部共振器３８と基板３４との間に追加的に配置することも可能である。
【０００７】
図３から分かるように、前記特許文献１に開示されたレーザー素子３０は、活性層３２から発生した光が基板３４を通過するように設計された。すなわち、ｐ型ＤＢＲ層３１と外部ミラー３８とにより形成されるレーザー共振器内に基板３４が配置される。これは、厚さが比較的厚い基板３４を通じて電流３９が流れる間に、水平方向に電流を十分に拡散させることで、前記した電流密集現象を緩和させるためである。したがって、前記レーザー素子３０では、単一横モード発振が可能となる。
【０００８】
しかし、図３のレーザー素子３０は、次のような短所がある。基板３４の材料として通常的に使用されるｎ−ＧａＡｓによる自由キャリアの吸収が、素子の出力及び効率を制限する。これは、特に、ビームが通過せねばならないｎ−ＧａＡｓ基板の厚さが厚いため、深刻な問題を発生させ得る。
【０００９】
また、一般的なＶＥＣＳＥＬの場合には、レーザー共振器で共振する全体の光エネルギーのうち、例えば、約３０％は、上部ＤＢＲ層と下部ＤＢＲ層との間に形成されたレーザー共振器内に分布し、約７０％は、ＤＢＲ層と外部ミラーとの間に形成されたレーザー共振器内に分布する。一方、図３のレーザー素子３０の場合には、自由キャリアの吸収による損失を低下させるために、ＤＢＲ層３１と外部ミラー３８との間に形成されたレーザー共振器内に約３０％の光エネルギーを分配する。ところが、基板３４と外部ミラー３との間のＳＨＧ結晶３７は、光エネルギーに比例して効率が高まるという特性がある。したがって、図３に示すレーザー素子３０では、一般的なＶＥＣＳＥＬに比べて、ＤＢＲ層３１と外部ミラー３８との間に形成されたレーザー共振器内に分布される光エネルギーに割合が低いため、全体的に効率の低下をもたらす。
【００１０】
さらに、図３に示すレーザー素子３０の場合、外部ミラー３８とＤＢＲ層３１との間の光路が比較的に長いため、外部ミラー３８により反射された光をＤＢＲ層３１上に正確に収斂させるためには、外部ミラー３８の凹面の製造に更に高い精度が要求される。これにより、前記ＳＨＧ結晶３７を最適の位置に配置させることも難しい。
【特許文献１】米国特許第６,２４３,４０７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、前記した従来の問題点を改善するためのものである。したがって、本発明の目的は、横方向（水平方向）への電流拡散を簡単な構成で具現することにより、自由キャリアの吸収による損失がなく、製造工程の簡単な高出力ＶＥＣＳＥＬ素子、及び前記レーザー素子用のレーザーポンピング部を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一類型に係るレーザーポンピング部は、基板と、前記基板上に形成された下部ＤＢＲ層（下部の分布ブラッグ反射層）と、前記下部ＤＢＲ層上に形成されており、所定の波長を有する光を発生させる量子井戸構造の活性層と、前記活性層上に形成されており、当該活性層の面に対して垂直方向の電気抵抗を増加させるためのトンネル接合層と、前記トンネル接合層上に形成された上部ＤＢＲ層（上部の分布ブラッグ反射層）と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
ここで、前記トンネル接合層は、導電型がｐ型になるにドーピングされたｐ＋半導体層、及び導電型がｎ型になるようにドーピングされたｎ＋半導体層が順次に積層されたものであって、前記ｐ＋半導体層とｎ＋半導体層の各ドーピング濃度は、５×１０１８／ｃｍ３ないし５×１０１９／ｃｍ３の範囲にあることを特徴とする。
【００１４】
また、前記上部ＤＢＲ層及び下部ＤＢＲ層は、導電型がｎ型となるようにドーピングされており第１屈折率の半導体層と、導電型がｎ型となるようにドーピングされており前記第１屈折率よりも低い第２屈折率の半導体層とが反復的に積層されて形成された複数層構造であり、前記上部ＤＢＲ層の第１屈折率の半導体層の厚さは、発振波長の３／４であり、前記上部ＤＢＲ層の第２屈折率の半導体層の厚さは、発振波長の１／４であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明によれば、前記上部ＤＢＲ層を形成するそれぞれの第１屈折率の半導体層と第２屈折率の半導体層とにおいて前記トンネル接合層に対向する部分が、前記垂直方向に突出しており段差が形成されている。
【００１６】
また、本発明に係るレーザーポンピング部は、前記上部ＤＢＲ層上に電流拡散層が更に形成されたことを特徴とする。前記電流拡散層上には反射防止膜が更に形成されてもよく、前記電流拡散層において前記トンネル接合層に対向する領域は、レンズ状に突出して形成されていてもよい。
【００１７】
一方、本発明の他の類型によれば、所定波長の光を発生させるレーザーポンピング部と、前記レーザーポンピング部の外部に位置し、前記レーザーポンピング部から発生した光の一部を透過させてレーザー光として出力し、残りの一部をレーザーポンピング部で再吸収されるように反射する外部ミラー部と、を備える半導体レーザー素子において、前記レーザーポンピング部は、基板と、前記基板上に形成された下部ＤＢＲ層と、前記下部ＤＢＲ層上に形成されており、所定の波長を有する光を発生させる量子井戸構造の活性層と、前記活性層上に形成されており、当該活性層の面に対して垂直方向の抵抗を増加させるためのトンネル接合層と、前記トンネル接合層上に形成された上部ＤＢＲ層と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、前記レーザーポンピング部と外部ミラーとの間に光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶が更に含まれてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、簡単な構成で単一横モード発振が可能な高出力面発光レーザー素子を得ることができる。また、トンネル接合層の使用により、上部ＤＢＲ層として自由キャリアの吸収が相対的に低いｎ型ＤＢＲを使用することが可能である。したがって、より高い効率を有するＶＥＣＳＥＬを提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施例に係るレーザーポンピング部及びレーザー素子の構造及び動作について詳細に説明する。
【００２１】
図４は、本発明に係るトンネル接合を備えたレーザーポンピング部を概略的に示す断面図である。図４に示すように、本発明に係るレーザーポンピング部（レーザーポンピングユニット）４０は、例えば、ｎ−ＧａＡｓからなる基板４１、前記基板４１上に順次に形成された下部ＤＢＲ層４２、活性層４３、トンネル接合層４４、及び上部ＤＢＲ層４５を備える。そして、前記上部ＤＢＲ層４５には、活性層４３に電流を印加するための金属コンタクト４６が形成されている。また、前記活性層４３の端部には、電流注入領域の開口のサイズを制限するための酸化物層４７が形成されることも可能である。また、酸化物層４７の代わりにイオン注入層を使用することも可能である。
【００２２】
本発明で、前記トンネル接合層４４は、活性層４３に対して垂直方向の抵抗を相対的に増加させることにより、水平方向（横方向）への電流分布を容易にする役割をもつ。従来の場合には、水平方向の抵抗が垂直方向の抵抗より大きいため、上部ＤＢＲ層４５の端部にある金属コンタクト４６を介して注入された電流が活性層４３の中心部に十分に伝達されず、開口の端縁部に電流が密集した。本発明は、トンネル接合層４４により垂直方向の抵抗を増加させて、活性層４３内で電流密度の分布を均一にすることで単一横モード発振を可能にする。
【００２３】
図５は、このような電流密度の分布の均一化を行うトンネル接合層４４の構造を更に詳細に示している。図５に示すように、上部ＤＢＲ層４２と下部ＤＢＲ層４５との間に複数層構造の活性層４３とトンネル接合層４４とが連続して積層されている。ここで、活性層４３は、例えば、ドーピングされていない２つの導波管層４３ａ、４３ｃの間に量子井戸４３ｂが形成され、上部導波管層４３ｃ上にｐ型半導体層４３ｄが形成されている構造である。ｐ型半導体層４３ｄは、量子井戸４３ｂに正孔を提供し、量子井戸４３ｂでは正孔と電子とが再結合して、光が発生する。
【００２４】
そして、トンネル接合層４４は、図５に示すように、比較的に高濃度でドーピングされたｐ＋半導体層４４ａとｎ＋半導体層４４ｂとが接合された構造である。一般的に、ｐ型及びｎ型の不純物量を増加させてドーピング濃度を上げれば、２つの半導体層の間の境界状態が変わって、電子がエネルギー障壁を越えずに通過するトンネル効果により、２つの半導体層の間に電流が流れるということが知られている。この時、ドーピング濃度が高いほどバンドギャップが小さくなって、電子がエネルギー障壁を通過する時に発生する抵抗が低くなる。したがって、トンネル接合層は、一般的には、ｎｐｎ接合のように、電流が流れない構造で、電流を流す必要がある時に使用し、なるべくドーピング濃度を上げることで抵抗値を下げようとする。しかし、本発明の場合には、一般的に使用するトンネル接合の場合に比べてドーピング濃度を下げることで、電子がトンネル接合を通過する時に大きい電気抵抗を発生させる。その結果、前記したように、垂直方向（積層方向）に大きい電気抵抗値を有するトンネル接合４４を通過する間、電流が横方向に相対的に更に多く進むため、活性層４３で電流密度は比較的均一になる。
【００２５】
図６は、トンネル接合を使用しない従来の場合と、トンネル接合を使用した本発明の場合とにおける、活性層での電流密度の分布を示すグラフである。前記グラフ“Ａ”で示されたものは、従来の場合による電流密度の分布であり、“Ｂ”で示されたものは、本発明に係る電流密度の分布である。図６のグラフに示すように、従来では、活性層の端縁部に電流密度が集中したが、本発明の場合には、活性層の全体領域で電流密度が均一に分布されていることが分かる。したがって、本発明によれば、開口のサイズを約２０〜１００μｍと大きく形成しても、単一横モード発振が可能であり、開口のサイズが大きくなるほど高出力のレーザーを提供することが可能である。
【００２６】
このような構造の本発明で、トンネル接合４４を構成するｐ型半導体層４４ａとｎ型半導体層４４ｂとのドーピング濃度が低すぎれば、トンネル現象が発生せず、高すぎれば、垂直方向の抵抗が低くなって、電流密度を十分に分配し難い。したがって、適切なドーピング濃度を維持する必要がある。前記したように、一般的に使用するトンネル接合の場合、抵抗を下げるために約１０２０／ｃｍ３の濃度でドーピングするが、本発明では、垂直方向の抵抗を十分に提供するために、約５×１０１８／ｃｍ３ないし５×１０１９／ｃｍ３のドーピング濃度を維持することが好ましい。また、トンネル現象が発生するためには、トンネル接合４４の厚さが十分に薄くなければならない。本発明の場合、前記トンネル接合４４の厚さは、数十ｎｍ以内であり、好ましくは、５０ｎｍ以内であるものがよい。
【００２７】
このように、本発明に係るレーザーポンピング部では、トンネル接合４４により電流が流れ得るため、上部ＤＢＲ層４５としてｐ型ＤＢＲではないｎ型ＤＢＲを使用することが可能である。トンネル接合４４がない構造では、上部ＤＢＲ層４５及び下部ＤＢＲ層４２が何れもが導電型がｎ型となるようにドーピングされたｎ型ＤＢＲである場合、活性層４３に電流が流れない。したがって、上部ＤＢＲ層４５としては、導電型がｐ型になるようにドーピングされたｐ型ＤＢＲを使用せねばならない。ところが、一般的に導電型がｐ型になるようにドーピングされた半導体は、ｎ型になるようにドーピングされた半導体に比べて自由キャリアの吸収が高いという問題がある。本発明の場合、トンネル接合４４を使用するため、上部ＤＢＲ層４５及び下部ＤＢＲ層４２の何れもが、導電型がｎ型になるようにドーピングされたｎ型ＤＢＲから構成されていても、活性層４３に電流が流れることが可能である。したがって、上部ＤＢＲ層４５としてｐ型ＤＢＲを使用する従来のレーザーポンピング部に比べて発振効率を向上させ得る。
【００２８】
一方、前記上部ＤＢＲ層４５及び下部ＤＢＲ層４２は、発振波長領域で高い反射率を有するように、導電型がｎ型になるようにドーピングされており第１屈折率の半導体層（高屈性率の半導体層）と、導電型がｎ型になるようにドーピングされたおり前記第１屈折率よりも低い第２屈折率の半導体層（低屈折率の半導体層）とが反復的に積層されて形成された複数層構造である。一般的に、第１屈折率の半導体層（高屈折率の半導体層）としてはＧａＡｓを使用し、第２屈折率の半導体層（低屈折率の半導体層）としてはＡｌＡｓを使用する。図４では、上部ＤＢＲ層４５のみを複数層構造として表現したが、下部ＤＢＲ層４２も複数層構造から形成される。一般的には、複数層構造のＤＢＲ層を構成する各層の高さは、発振波長の１／４とする。しかし、本発明の場合、垂直方向への抵抗を更に高くするために、上部ＤＢＲ層４５の高さにおいて、第１屈折率の半導体層と第２屈折率の半導体層の高さとが互いに異なるように形成する。例えば、第２屈折率の半導体層（低屈折率の半導体層）４５ａの高さは、発振波長の約１／４であり、第１屈折率の半導体層（高屈折率の半導体層）４５ｂの高さは、発振波長の約３／４に形成することが好ましい。それにより、高屈折率の半導体層で垂直方向の経路が相対的に長くなるため、垂直方向の抵抗が更に高くなり、水平方向に電流が十分に均一に分布させることができる。
【００２９】
図７は、本発明の他の実施例に係るレーザーポンピング部の構造を概略的に示す。図７に示す他の実施例によれば、トンネル接合層４４が活性層４３上の全部領域ではなく、一部領域にだけ形成されている。そして、前記トンネル接合層４４と活性層４３との上面に上部ＤＢＲ層４５を形成する。したがって、前記トンネル接合層４５が上部ＤＢＲ層４５に埋設された構造である。この場合、図７に示すように、前記トンネル接合層４４に対向する領域において上部ＤＢＲ層４５は、他の領域の部分より高く、段差が形成される。このような構造によれば、活性層４３から発生した光は、このように段差が高く形成された部分内のみで上下（上記の垂直方向）に進み、段差が低く形成された部分に抜け出せない。したがって、段差が高く形成された上部ＤＢＲ層４５は、自然に開口としての役割を行う。
【００３０】
さらに、段差が形成された前記上部ＤＢＲ層４５で、第２屈折率の半導体層（低屈折率の半導体層）４５ａのドーピング濃度より第１屈折率の半導体層（高屈折率の半導体層）４５ｂのドーピング濃度を高くする場合、図８の示されるようなエネルギーバンドが形成される。その結果、コンタクト層４６から印加される電流は、段差が高く形成された部分にのみ流れる。したがって、図７のように、トンネル接合層４４が埋設された構造では、酸化層やイオン注入層のような別途の電流制限構造なしにも動作が可能である。図７に示すレーザーポンピング部の残りの構成は、図４に示すレーザーポンピング部の構成と同じである。例えば、上部ＤＢＲ層４５において第２屈折率の半導体層（低屈折率の半導体層）４５ａの高さは、発振波長の１／４であり、第１屈折率の半導体層（高屈折率の半導体層）４５ｂの高さは、発振波長の３／４である。
【００３１】
図９は、本発明の一実施例に係るＶＥＣＳＥＬの構造を概略的に示す断面図である。図９に示すように、本発明に係るＶＥＣＳＥＬ５０は、所定の波長の光を発生させるレーザーポンピング部４０と、前記レーザーポンピング部４０から発生した光の一部を透過させてレーザー光として出力し、残りの一部をレーザーポンピング部４０で再吸収されるように反射する外部ミラー５５と、を備える。また、レーザーポンピング部４０から発生した光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶５２を、前記レーザーポンピング部４０と外部ミラー５５との間に追加的に配置することも可能である。前記ＳＨＧ結晶５２は、例えば、レーザーポンピング部４０から発生した赤外線領域の光を可視光線領域の光に変換する。このようなＳＨＧ結晶５２としては、ＫＴＰ（Ｐｏｔａｓｓｉｕｍ Ｔｉｔａｎｙｌ Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）、ＬｉＮｂＯ３、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３）、ＫＴＮ、ＫｎｂＯ３のような結晶を使用できる。
【００３２】
ここで、レーザーポンピング部４０は、図４に示すレーザーポンピング部とその構造が同じである。したがって、図９に示すレーザーポンピング部４０は、例えば、ｎ−ＧａＡｓからなる基板４１、前記基板４１上に順次に形成された下部ＤＢＲ層４２、活性層４３、トンネル接合層４４、上部ＤＢＲ層４５、及び前記活性層４３に電流を印加するための金属コンタクト４６を備える。また、電流注入領域の開口のサイズを制限するための酸化物層４７を更に備える。前記したように、上部ＤＢＲ層４５及び下部ＤＢＲ層４２は、複数の高屈折の半導体層と低屈折率の半導体層とが反復的に積層された複数層構造であり、上部ＤＢＲ層４５の高屈折率の半導体層の高さは、発振波長の３／４である。
【００３３】
図１０に示すＶＥＣＳＥＬは、レーザーポンピング部４０で、電流制限構造として酸化物層４７の代わりにイオン注入層４８を使用した点を除いて、図９に示すＬＥＣＳＥＬと同様の構成を有する。なお、イオン注入層４８は、イオン注入によって誘起欠陥を生じさせて電気抵抗値を高めたものである。
【００３４】
図１１は、図７に示すレーザーポンピング部を使用するＶＥＣＳＥＬを示している。図１１に示すように、本発明に係るＶＥＣＳＥＬ５０は、所定波長の光を発生させるレーザーポンピング部４０と、前記レーザーポンピング部４０から発生した光の一部を透過させてレーザー光として出力し、残りの一部をレーザーポンピング部４０で再吸収されるように反射する外部ミラー５５と、を備える。また、レーザーポンピング部４０から発生した光の周波数を２倍にするＳＨＧ結晶５２を、前記レーザーポンピング部４０と外部ミラー５５との間に追加的に配置することも可能である。
【００３５】
ここで、図１１に示すレーザーポンピング部４０は、例えば、ｎ−ＧａＡｓからなる基板４１、前記基板４１上に下部ＤＢＲ層４２、活性層４３、前記活性層上の一部領域に形成されたトンネル接合層４４、前記活性層４３とトンネル接合層４４との上面に形成され、段差のある上部ＤＢＲ層４５、及び前記活性層４３に電流を印加するための金属コンタクト４６を備える。前記したように、活性層から発生した光は、上部ＤＢＲ層４５の高く形成された段差部分内のみで進む。また、上部ＤＢＲ層４５の低屈折率層４５ａのドーピング濃度より高屈折率層４５ｂのドーピング濃度を高くすることで、段差が高く形成された部分のみに電流を流し得る。
【００３６】
図１２は、本発明の他の実施例に係るＶＥＣＳＥＬを示す。図１２に示すＶＥＣＳＥＬは、レーザーポンピング部４０の上部ＤＢＲ層４５上に電流拡散層４９ａが追加されたという点を除いて、図１１に示すＶＥＣＳＥＬとその構成が同一である。電流拡散層４９ａとしては、例えば、ｎ−ＧａＡｓのような物質を利用できる。電流拡散層４９ａは、電流の垂直方向の経路を長くして、垂直方向への抵抗を上げることにより、電流を水平方向に更に拡散させる。また、電流拡散層４９ａの表面での光の反射を防ぐために、前記電流拡散層４９ａの表面に反射防止膜４９ｂをコーティングすることも可能である。
【００３７】
図１３は、図１２に示すＶＥＣＳＥＬで、電流拡散層４９ａにおいてトンネル接合層４４に対向する領域が凸レンズの形態に突出して形成されていることを特徴とする。また、この場合、外部ミラー５５は平板ミラーの形態を有する。図９ないし図１２に示すＶＥＣＳＥＬの場合、外部ミラー５５により反射された光を、活性層４３内に収斂させるために、凹状の外部ミラー５５を使用する。しかし、図１３に示すＶＥＣＳＥＬの場合、電流拡散層４９ａに形成された凸レンズが光を収斂させるため、平板ミラーを外部ミラー５５として使用できる。このように、平板ミラーを使用すれば、レーザーアレイを構成するのに有利である。すなわち、複数のレーザーを使用してレーザーアレイを構成する際に、凹状の外部ミラーを使用する場合、複数の外部ミラーを正確な位置にそれぞれ配置せねばならないが、平板ミラーを使用する場合、一つの大きいミラーを共通の外部ミラーとして使用することが可能である。したがって、加工及び組立が容易となる。また、図１２のＶＥＣＳＥＬと同様に、凸レンズが形成された電流拡散層４９ａ上に反射防止膜４９ｂをコーティングすることも可能である。なお、外部ミラーは、上記の第二高調波発生結晶の一の面に付着されていてもよい。
【００３８】
本発明によれば、垂直方向の抵抗が大きくなるため、ＶＥＣＳＥＬの動作電圧が多少上がる。しかし、最近では、出力の大きいＶＥＣＳＥＬの場合、動作電圧を上げることが要求されているため、本発明は、このような要求にも符合する。
【００３９】
また、外部ミラーを平板ミラーにする場合、レーザーアレイを構成することが更に容易になる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、高出力レーザー素子に関連した技術分野に好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の面発光レーザーの構造を示す断面図である。
【図２】従来のＶＥＣＳＥＬの構造を示す断面図である。
【図３】従来のＶＥＣＳＥＬの他の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施例に係るレーザー素子のレーザーポンピング部構造を概略的に示す断面図である。
【図５】本発明に係るレーザー素子のトンネル接合層と活性層との構造を概略的に示す図面である。
【図６】本発明のレーザー素子と従来のレーザー素子とについて、活性層での電流密度の分布を比較して示すグラフである。
【図７】本発明の他の実施例に係るレーザー素子のレーザーポンピング部構造を概略的に示す断面図である。
【図８】本発明に係るレーザーポンピング部で段差が形成された上部ＤＢＲ層のエネルギーバンドを示す図面である。
【図９】本発明に係るレーザー素子の多様な実施例を概略的に示す断面図である。
【図１０】本発明に係るレーザー素子の多様な実施例を概略的に示す断面図である。
【図１１】本発明に係るレーザー素子の多様な実施例を概略的に示す断面図である。
【図１２】本発明に係るレーザー素子の多様な実施例を概略的に示す断面図である。
【図１３】本発明に係るレーザー素子の多様な実施例を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
４０    レーザーポンピング部、
４１    基板、
４２    下部ＤＢＲ層、
４３    活性層、
４４    トンネル接合層、
４５    上部ＤＢＲ層、
４５ａ    低屈折率層、
４５ｂ    高屈折率層、
４６    金属コンタクト、
４７    酸化物層。
【図１】
2006114894.tif 000003
【図２】
2006114894.tif 000004
【図３】
2006114894.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006114894.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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