(57)【要約】【課題】単極性のキャリアの光学遷移を用いることを可能にする半導体レーザを提供する。【解決手段】半導体レーザは、基板の主面上に設けられた複数の量子井戸構造を含み、上面、下面及び側面を有する発光領域と、前記発光領域の前記上面及び前記下面のいずれか一方上に設けられ第１導電性を有する第１半導体領域と、前記発光領域の前記側面上に設けられ第１導電性を有する第２半導体領域と、を備え、前記量子井戸構造は、前記基板の前記主面に交差する第１軸の方向に配列されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザであって、
基板の主面上に設けられた複数の量子井戸構造を含み、上面、下面及び側面を有する発光領域と、
前記発光領域の前記上面及び前記下面のいずれか一方上に設けられ第１導電性を有する第１半導体領域と、
前記発光領域の前記側面上に設けられ第１導電性を有する第２半導体領域と、
を備え、
前記量子井戸構造は、前記基板の前記主面に交差する第１軸の方向に配列されている、半導体レーザ。
【請求項２】
前記量子井戸構造は、第１井戸層、第２井戸層、第１障壁層、及び第２障壁層を含み、
前記第１障壁層は前記第１井戸層を前記第２井戸層から隔てており、
前記第１井戸層は前記第１障壁層を前記第２障壁層から隔てている、請求項１に記載された半導体レーザ。
【請求項３】
前記発光領域は、前記第１軸の方向に配列された複数の単位セルを含み、
前記単位セルは、前記第１井戸層、前記第２井戸層、前記第１障壁層、及び前記第２障壁層を含み、
前記第１障壁層の厚さは前記第２障壁層の厚さより小さい、請求項２に記載された半導体レーザ。
【請求項４】
前記量子井戸構造は、前記第１軸の方向に交差する平面に沿って延在する障壁層を含み、前記障壁層の一部又は全部に、ドーパントが添加されている、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】
前記発光領域の前記上面及び前記下面のいずれか他方上に設けられ第１導電性を有する第３半導体領域を更に備える、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】
特許文献１は、量子カスケードレーザを開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２７９６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
量子カスケードレーザの発光は、多段に配列された発光層を利用した光学カスケーディング（単極性キャリアの縦続的な光学遷移）を利用する。縦続的な光学遷移を可能にするために、縦続的に配列された発光層のエネルギー準位は、外部電圧の印加を利用して隣接した発光層間において合わされる。このような縦続的な光学遷移の利用は、光学利得を高めてサブバンド遷移の波長領域におけるレーザ発振を可能にしている一方で、大きな外部印加電圧を必要とする。量子カスケード半導体レーザにおける発光層の縦続接続は、その動作電電圧を低くすることに対する障害になっている。
【０００５】
本発明の一側面は、単極性のキャリアの光学遷移を用いることを可能に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、基板の主面上に設けられた複数の量子井戸構造を含み、上面、下面及び側面を有する発光領域と、前記発光領域の前記上面及び前記下面のいずれか一方上に設けられ第１導電性を有する第１半導体領域と、前記発光領域の前記側面上に設けられ第１導電性を有する第２半導体領域と、を備え、前記量子井戸構造は、前記基板の前記主面に交差する第１軸の方向に配列されている。
【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、単極性のキャリアの光学遷移を用いることを可能にする半導体レーザを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本実施形態に係る半導体レーザを模式的に示す図面である。
【図２】図２は、本実施形態に係る半導体レーザのための発光領域の構造を示す図面である。
【図３】図３は、実施例１に係る量子井戸構造におけるエネルギーレベル及び層構造を模式的に示す図面である。
【図４】図４は、実施例２に係る量子井戸構造におけるエネルギーレベル及び層構造を模式的に示す図面である。
【図５】図５は、本実施形態に係る半導体レーザのエミッタ領域から発光領域へのキャリアの供給を模式的に示す図面である。
【図６】図６は、本実施形態に係る半導体レーザのエミッタ領域から発光領域へのキャリアの供給を模式的に示す図面である。
【図７】図７は、本実施形態に係る半導体レーザを製造する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図８】図８は、本実施形態に係る半導体レーザを製造する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図９】図９は、本実施形態に係る半導体レーザを製造する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【図１０】図１０は、本実施形態に係る半導体レーザを製造する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
具体例を説明する。
【００１１】
具体例に係る半導体レーザは、（ａ）基板の主面上に設けられた複数の量子井戸構造を含み、上面、下面及び側面を有する発光領域と、（ｂ）前記発光領域の前記上面及び前記下面のいずれか一方上に設けられ第１導電性を有する第１半導体領域と、（ｃ）前記発光領域の前記側面上に設けられ第１導電性を有する第２半導体領域と、を備え、前記量子井戸構造は、前記基板の前記主面に交差する第１軸の方向に配列されている。
【００１２】
半導体レーザによれば、第１半導体領域及び第２半導体領域は、共に第１導電性を有しており、発光領域は電子・正孔の再結合による発光ではなく、電子及び正孔の一方である単極性キャリアのサブバンド間の遷移を利用して光を生成する。第１半導体領域は、発光領域の上面及び下面のいずれか一方を介して発光領域にキャリアを提供する。第２半導体領域は、発光領域の側面を介して発光領域からキャリアを受ける。発明者の知見によれば、発光領域の上面又は下面の利用によれば、第１半導体領域からのキャリアが第１軸の方向に配列された複数の量子井戸構造の積層にわたって広がることを可能にする。個々の量子井戸構造内のキャリアは、光学遷移により量子井戸構造内の移動中に光を生成できる。遷移したキャリアは、発光領域の側面を介して第２半導体領域には流れ込む。
【００１３】
具体例に係る半導体レーザでは、前記量子井戸構造は、第１井戸層、第２井戸層、第１障壁層、及び第２障壁層を含み、前記第１障壁層は前記第１井戸層を前記第２井戸層から隔てており、前記第１井戸層は前記第１障壁層を前記第２障壁層から隔てている。
【００１４】
この半導体レーザによれば、この量子井戸構造は、上位のエネルギー準位、及び下位のエネルギー準位を単一極性のキャリアに提供することを容易にする。また、この量子井戸構造が、緩和のためのエネルギー準位を更に提供できるときには、緩和のためのエネルギー準位は、上位のエネルギー準位から下位のエネルギー準位に遷移した単極性キャリアが上位のエネルギー準位の緩和時間より小さい時間で緩和することを促進する。
【００１５】
具体例に係る半導体レーザでは、前記発光領域は、前記第１軸の方向に配列された複数の単位セルを含み、前記単位セルは、前記第１井戸層、前記第２井戸層、前記第１障壁層、及び前記第２障壁層を含み、前記第１障壁層の厚さは前記第２障壁層の厚さより小さい。
【００１６】
この半導体レーザによれば、第１障壁層の厚さは第２障壁層の厚さより小さいので、単位セル内の第１井戸層及び第２井戸層が、当該単位セル内の第２障壁層により隔てられる他の井戸層に比べてより密に結合する。
【００１７】
具体例に係る半導体レーザでは、前記量子井戸構造は、前記第１軸の方向に交差する平面に沿って延在する障壁層を含み、前記障壁層の一部又は全部に、ドーパントが添加されている。
【００１８】
この半導体レーザによれば、ドープされた障壁層は、井戸層への注入のために有用である。
【００１９】
具体例に係る半導体レーザでは、前記発光領域の前記上面及び前記下面のいずれか他方上に設けられ第１導電性を有する第３半導体領域を更に備える。
【００２０】
半導体レーザによれば、第１半導体領域、第２半導体領域及び第３半導体領域は、共に第１導電性を有しており、発光領域は電子・正孔の再結合による発光ではなく、電子及び正孔の一方のサブバンド間の遷移を利用して光を生成する。第３半導体領域は、発光領域の上面及び下面のいずれか他方を介して発光領域にキャリアを提供する。第２半導体領域は、発光領域の側面を介して発光領域からキャリアを受ける。発明者の知見によれば、発光領域の上面及び下面の利用によれば、第１半導体領域及び第３半導体領域からのキャリアが第１軸の方向に配列された複数の量子井戸構造の積層にわたって広がることを可能にする。個々の量子井戸構造内のキャリアは、光学遷移により量子井戸構造の井戸内の移動中に光を生成できる。遷移したキャリアは、発光領域の側面を介して第２半導体領域に流れ込む。
【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、本発明の半導体レーザに係る実施の形態を説明する。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は、本実施形態に係る半導体レーザを模式的に示す図面である。図１の（ａ）部は、半導体レーザを示す平面図であり、図１の（ｂ）部及び（ｃ）部の各々は、図１の（ａ）部に示されたＩ−Ｉ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図１には、理解を容易にするために、直交座標系Ｓが示される。図２は、本実施形態に係る半導体レーザのための発光領域の構造を示す図面である。半導体レーザは、例えばファブリペロ−型又は分布帰還型を有することができる。
【００２３】
図１を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、基板１３と、発光領域１５と、エミッタ領域１７と、コレクタ領域１９とを備える。基板１３は主面１３ａを有する。基板１３、発光領域１５及びエミッタ領域１７は、主面１３ａに交差する第１軸Ａｘ１（本実施例では、直交座標系ＳのＹ軸）に配列される。主面１３ａは、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄを含み、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄは、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２（本実施例では、直交座標系ＳのＸ軸）の方向に延在する。発光領域１５は、基板１３の主面１３ａ上に設けられる。発光領域１５は、複数の量子井戸構造２１を含み、量子井戸構造２１の各々は、基板１３の主面１３ａ上に設けられる。発光領域１５は、第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、上面１５ｄ及び下面１５ｅを有する。具体的には、発光領域１５は、第１エリア１３ｂ上において、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２に交差する第３軸Ａｘ３（本実施例では、直交座標系ＳのＺ軸）の方向に延在する。また、発光領域１５は、図２に示されるように、量子井戸構造２１の単位セル１５ａを含む。発光領域１５は、第１軸Ａｘ１の方向に配列される複数の単位セル１５ａを有する。具体的には、量子井戸構造２１は、井戸層及び障壁層といった複数の半導体層（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）を有する。これらの半導体層（２１ａ〜２１ｄ）は、主面１３ａに交差する第１軸Ａｘ１の方向に配列される。
【００２４】
エミッタ領域１７は、第１半導体領域２３を備え、第１半導体領域２３は、発光領域１５の上面１５ｄ及び下面１５ｅの少なくともいずれか一方上に設けられることができる。本実施例では、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３は第１エリア１３ｂ上に設けられる。コレクタ領域１９は、第１導電型の第２半導体領域２５を備え、第２半導体領域２５は、発光領域１５の２つの側面の少なくともいずれか一方上に設けられることができる。本実施例では、第２半導体領域２５は、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄの各々上に設けられる。発光領域１５及びエミッタ領域１７は、基板１３の主面１３ａ上において第１軸Ａｘ１の方向に配列され、具体的には、発光領域１５は、エミッタ領域１７と基板１３との間に設けられる。第１エリア１３ｂ上の発光領域１５は、第２エリア１３ｃ上のコレクタ領域１９と第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９との間に設けられる。第１エリア１３ｂ上においてエミッタ領域１７を発光領域１５の上面１５ｄ上に設けることにより、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９をエミッタ領域１７から離すことができる。
【００２５】
エミッタ領域１７は、基板１３の主面１３ａ上の発光領域１５の上面１５ｄ上に配置される。エミッタ領域１７は、一又は複数の半導体を備えることができる。コレクタ領域１９は、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上においてそれぞれ発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃ上に配置される。コレクタ領域１９は、一又は複数の半導体を備えることができる。エミッタ領域１７の半導体の導電型は、コレクタ領域１９の半導体の導電型と同じであって、半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、単極性キャリアを利用する。第２エリア１３ｃは、第３エリア１３ｄから離れており、本実施例では、図１に示された断面においては、第１エリア１３ｂが第２エリア１３ｃと第３エリア１３ｄとの間に位置して、第１エリア１３ｂが第２エリア１３ｃを第３エリア１３ｄから隔てている。これにより、エミッタ領域１７及び２つのコレクタ領域１９は、互いに電気的に分離されて、エミッタ領域１７からのキャリアは発光領域１５を介してコレクタ領域１９に流れる。
【００２６】
半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）によれば、第１半導体領域２３及び第２半導体領域２５は、共に第１導電型を有しており、発光領域１５は電子・正孔の再結合による発光ではなく、電子及び正孔の一方である単極性キャリアのサブバンド間の遷移を利用して光を生成する。第１半導体領域２３は、発光領域１５の上面１５ｄ及び下面１５ｅのいずれか一方を介して発光領域１５にキャリアを提供する。第２半導体領域２５は、発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃを介して発光領域１５からキャリアを受ける。発明者の知見によれば、発光領域１５の上面１５ｄ及び／又は下面１５ｅの利用によれば、第１半導体領域２３からのキャリアが、第１軸Ａｘ１の方向に配列された複数の量子井戸構造２１の積層にわたって広がることを可能にする。個々の量子井戸構造２１内のキャリアは、量子井戸構造２１内の移動中に光学遷移により光を生成できる。遷移したキャリアは、発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃを介して第２半導体領域２５に流れ込む。
【００２７】
発光領域１５及びエミッタ領域１７は、基板１３の主面１３ａ上において第３軸Ａｘ３の方向に延在し、コレクタ領域１９は、第２エリア１３ｃ（必要な場合には、第３エリア１３ｄ）上において発光領域１５に沿って第３軸Ａｘ３の方向に延在する。エミッタ領域１７の半導体の屈折率及びコレクタ領域１９の半導体の屈折率は、発光領域１５の平均屈折率より小さく、発光領域１５、エミッタ領域１７及びコレクタ領域１９の配列は、導波路構造を形成する。具体的には、エミッタ領域１７は、発光領域１５の上面１５ｄに接触を成して、第１導電型のキャリア（電子又は正孔のいずれか一方）を発光領域１５に提供する。また、コレクタ領域１９は、発光領域１５の第１側面１５ｂ（本実施例では、第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃ）に接触を成して、第１導電型のキャリア（電子又は正孔のいずれか一方）を発光領域１５から受ける。
【００２８】
この半導体レーザ１１では、第１エリア１３ｂ上の発光領域１５及びエミッタ領域１７は、第１軸Ａｘ１の方向に配列されると共に、第１エリア１３ｂ上の発光領域１５並びに第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９は、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列される。エミッタ領域１７から発光領域１５の量子井戸構造２１にわたって単極性キャリアが供給され、これらの単極性キャリアは、発光領域１５の量子井戸構造２１におけるサブバンドの上位のエネルギー準位から下位のエネルギー準位への光学遷移により発光に寄与する。発光領域１５における光遷移により下位のエネルギー準位の単極性キャリアはコレクタ領域１９に流れ込む。エミッタ領域１７からの単極性キャリアは、コレクタ領域１９に流れ込む単極性キャリアと同じ導電型を有する。この半導体レーザ１１は、発光に際して、単極キャリアの光学遷移を利用すると共に、エミッタ領域１７、発光領域１５及びコレクタ領域１９の配列は、発光に際して、単極キャリアのカスケーディング（縦続的な光学遷移）を必要としない。半導体レーザ１１は、単極性のキャリアの光学遷移を用いて量子カスケード半導体レーザに比べて動作電圧を低減可能である。
【００２９】
図１に示されるように、発光領域１５は、第３軸Ａｘ３の方向に延在するメサ構造ＭＳ内に設けられることができる。メサ構造ＭＳは、第１エリア１３ｂの発光領域１５上に設けられた第１光学クラッド層２７を備えることができる。第１光学クラッド層２７は、発光領域１５の平均比抵抗より大きな比抵抗を有し、本実施例では絶縁性又は半絶縁性を有している。第１光学クラッド層２７の高比抵抗の半導体は、メサ構造ＭＳ上のエミッタ領域１７からコレクタ領域１９を隔置できる。第１光学クラッド層２７は、第１エリア１３ｂ上において、発光領域１５の上面に到達する開口２７ａを有しており、この開口２７ａはメサ構造ＭＳ上において第３軸Ａｘ３の方向に延在する。開口２７ａを介してエミッタ領域１７が発光領域１５の上面１５ｄに接触を成す。
【００３０】
半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、基板１３の主面１３ａ上に設けられた第２光学クラッド層２９を備えることができる。第２光学クラッド層２９は、第１エリア１３ｂにおいて、メサ構造ＭＳを搭載する。第２光学クラッド層２９は、発光領域１５の下面１５ｅと基板１３との間に位置しており、発光領域１５の平均比抵抗より大きな比抵抗を有し、本実施例では絶縁性又は半絶縁性を有する。
【００３１】
第１光学クラッド層２７が、第１エリア１３ｂ及び発光領域１５上に設けられると共に、第２光学クラッド層２９が、発光領域１５と基板１３との間に設けられる。第１光学クラッド層２７及び第２光学クラッド層２９は、光閉じ込めに加えてコレクタ領域１９から離してエミッタ領域１７から発光領域１５にキャリアを注入することを可能にする。
【００３２】
第１光学クラッド層２７及び第２光学クラッド層２９の屈折率は、発光領域１５の平均屈折率より小さい。エミッタ領域１７の屈折率（又は平均屈折率）及びコレクタ領域１９の屈折率（又は平均屈折率）は、発光領域１５の平均屈折率より小さい。発光領域１５、エミッタ領域１７、コレクタ領域１９、第１光学クラッド層２７及び第２光学クラッド層２９の配列は、導波路構造を形成する。発光領域１５において生成された光は、横方向には、コレクタ領域１９によって光学的に閉じ込められ、また縦方向には、エミッタ領域１７及び第１光学クラッド層２７並びに第２光学クラッド層２９によって光学的に閉じ込められる。
【００３３】
半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、エミッタ領域１７上に設けられた第１電極３１ａと、コレクタ領域１９上に設けられた第２電極３１ｂとを備える。半導体レーザ１１ｂは、必要な場合には、基板１３の裏面１３ｅ上に第３電極３１ｃを設けることができる。第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂ（第３電極３１ｃ、金属膜３１ｄ）は、それぞれ、エミッタ領域１７及びコレクタ領域１９に電気的に接続されており、具体的には、エミッタ領域１７の第１導電型半導体及びコレクタ領域１９の第１導電型半導体（基板１３の裏面１３ｅ）にオーミック接触を成す。本実施例では、エミッタ領域１７は、発光領域１５及び第１光学クラッド層２７上においてリッジ構造ＲＤＧを形成している。エミッタ領域１７は、コンタクト層２８ａを搭載すると共に、第１光学クラッド層２７の開口２７ａを介して発光領域１５に接触を成す。発光領域１５上のエミッタ領域１７は、比較的波長の長いレーザ光を伝搬させるメサ構造ＭＳの上面から第１電極３１ａを隔置できる。第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９は、比較的波長の長いレーザ光を発生させる発光領域１５の側面から第２電極３１ｂを隔置できる。
半導体レーザ１１の構造。
発光領域１５：アンドープＡｌｌｎＡｓ／アンドープＩｎＧａＡｓ／アンドープＡｌｌｎＡｓ／アンドープＩｎＧａＡｓの４層を単位ユニットとした５０周期の超格子構造。
エミッタ領域１７：ＳｉドープＩｎＰ／アンドープＡｌＩｎＡｓ、あるいは、ＳｉドープＩｎＰ／ＳｉドープＡｌＧａＩｎＡｓ／アンドープＡｌＩｎＡｓ、あるいは、ＳｉドープＩｎＰ／アンドープＡｌＧａＰＳｂの積層構造。
コレクタ領域１９：ＳｉドープＩｎＰ／ＳｉドープＧａＩｎＡｓ、あるいは、ＳｉドープＩｎＰ／ＳｉドープＧａＩｎＡｓＰ／ＳｉドープＧａＩｎＡｓの積層構造。
エミッタ領域１７の幅（リッジ構造ＲＤＧの幅）：８マイクロメートル。
エミッタ領域１７の厚さ：２マイクロメートル。
第１光学クラッド層２７（上側の電流ブロック層）の開口２７ａの幅：５マイクロメートル。
第２光学クラッド層２９（下側の電流ブロック層）の開口２９ａの幅：５マイクロメートル。
メサ構造ＭＳの幅：１０マイクロメートル。
メサ構造ＭＳの高さ：１マイクロメートル。
発光領域１５のコア層の厚さ：０．８マイクロメートル。
第１光学クラッド層２７（電流ブロック層）：０．２マイクロメートル。
コンタクト層２８ａ：０．１マイクロメートル。
第２光学クラッド層２９（電流ブロック層）：１マイクロメートル。
【００３４】
図２は、本実施形態に係る半導体レーザのための量子井戸構造及びエネルギー準位を模式的に示す図面である。縦方向の座標軸（縦軸）は、キャリアのエネルギーレベルを示し、残り２つの座標軸（横軸）は、空間座標のためのＸ軸及びＺ軸並びにＹ軸を示す。図２を参照した説明は、電子のキャリアについて行われるけれども、この説明は、半導体物理に係る知見に基づき正孔のキャリアに読み替えできる。
【００３５】
図１及び図２に示されるように、発光領域１５は、一又は複数の単位セル１５ａを含み、単位セル１５ａの各々は、例えば、第１井戸層２１ａ、第２井戸層２１ｂ、第１障壁層２１ｃ、及び第２障壁層２１ｄを含むことができる。第２障壁層２１ｄは第１井戸層２１ａを第２井戸層２１ｂから隔てている。第１井戸層２１ａは第１障壁層２１ｃを第２障壁層２１ｄから隔てている。単位セル１５ａは、複数のエネルギー準位を提供できるような井戸の深さ（障壁層と井戸層との間のバンドエッジエネルギー差）及び井戸の幅（井戸層の厚さ）を有する井戸構造を備える。
【００３６】
第１井戸層２１ａ、第２井戸層２１ｂ、第１障壁層２１ｃ、及び第２障壁層２１ｄの配列によれば、量子井戸構造２１の単位セル１５ａが、電子のための上位エネルギー準位Ｅ３及び下位エネルギー準位Ｅ２を提供でき、また上位エネルギー準位Ｅ３及び下位エネルギー準位Ｅ２に加えて、電子のための緩和エネルギー準位Ｅ１を生成できる。
【００３７】
この半導体レーザ１１によれば、図２に示されるように、この量子井戸構造２１は、上位エネルギー準位Ｅ３、及び下位エネルギー準位Ｅ２を単一極性のキャリアに提供することを容易にする。また、この量子井戸構造２１が、緩和エネルギー準位Ｅ１を更に提供できる場合には、緩和エネルギー準位Ｅ１は、上位エネルギー準位Ｅ３から下位エネルギー準位Ｅ２に遷移した単極性キャリアが、上位エネルギー準位Ｅ３の緩和時間より小さい時間で緩和することを促進する。
【００３８】
キャリア（電子）は、発光領域１５の積層方向に交差する方向にエミッタ領域１７から発光領域１５に注入される。注入された電流は、上位エネルギー準位Ｅ３から下位エネルギー準位Ｅ２に発光遷移する。この遷移が、レーザ発振波長に相当する。下位エネルギー準位Ｅ２に遷移した電子は、緩和エネルギー準位Ｅ１に高速に緩和し、緩和エネルギー準位Ｅ１からコレクタ領域１９に引き抜かれる。このようなエネルギー準位を実現する量子井戸構造２１は、キャリアの反転分布の発生を容易にする。
【００３９】
単位セル１５ａにおける量子井戸ポテンシャル内のキャリアのエネルギーレベルについては、第１井戸層２１ａ、第２井戸層２１ｂ、第１障壁層２１ｃ及び第２障壁層２１ｄはＹ軸の方向に配列される。単位セル１５ａのバンド構造に関しては、Ｙ軸の方向に関するエネルギー準位が量子化されて離散的なエネルギー準位を生成することに対して、Ｘ軸及びＺ軸の方向に関するエネルギー準位は量子化されることなく、Ｘ軸及びＺ軸の面内の方向に係るキャリア伝導が二次元の自由電子のモデルに近似できる伝導機構として理解される。半導体レーザ１１では、量子井戸構造のための半導体積層方向（Ｙ軸）の面内方向（Ｘ軸及びＺ軸による面）にキャリアを流して、発光に寄与する量子化準位（Ｅ３、Ｅ２）に係る電気伝導を実現する。これに対して、半導体レーザ１１と異なる量子カスケード半導体レーザのデバイス構造では、キャリアは、エネルギー準位が量子化された方向、つまり量子井戸構造のための半導体の積層方向に流れる。
【００４０】
複数の単位セル１５ａは、第１軸Ａｘ１の方向に縦続的に配列されて、発光領域１５を構成する。エミッタ領域１７は、第１軸Ａｘ１の方向に交差する方向に、個々の単位セル１５ａに並列にキャリアを供給する。個々の単位セル１５ａは、上位のエネルギー準位（Ｅ３）へのキャリアの供給と下位のエネルギー準位（Ｅ２）への遷移とに応答して並列に発光する。下位のエネルギー準位（Ｅ２）のキャリアは、速やかに緩和してエネルギー準位（Ｅ１）に遷移する。エネルギー準位（Ｅ１）のキャリアは、コレクタ領域１９に流れ込む。
【００４１】
積層される単位セル１５ａにおいては、第２障壁層２１ｄの厚さＴＢ１は第１障壁層２１ｃの厚さＴＢ２より小さいので、単位セル１５ａ内の第１井戸層２１ａ及び第２井戸層２１ｂが、第２障壁層２１ｄにより隣の単位セル１５ａの井戸層から隔てられると共に、第１井戸層２１ａ及び第２井戸層２１ｂが、隣の単位セル１５ａ内の井戸層に比べて、より密に互いに結合する。単位セル１５ａ毎に、エネルギー準位が生成される。
【００４２】
必要な場合には、エミッタ領域のＩｎＰとＡｌＩｎＡｓとの間にＩｎＰの材料とＡｌＩｎＡｓの材料の間のバンドギャップの中間的なバンドギャップを有する半導体を設けて、例えばＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの積層を形成することができる。コレクタ領域のＩｎＰとＧａＩｎＡｓとの間にＩｎＰの材料とＧａＩｎＡｓの材料との間における中間的なバンドギャップを有する半導体を設けて、例えばＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓ構造を形成することができる。これら追加の半導体層は、ヘテロ障壁を低減でき、より低電圧での駆動を実現する。
【００４３】
再び図１を参照しながら、半導体レーザ１１の具体的ないくつかの構造を説明する。
【００４４】
（第１構造）
半導体レーザ１１ａを説明する。基板１３の主面１３ａの第１エリア１３ｂは、第２光学クラッド層２９、発光領域１５及び第１光学クラッド層２７を順に搭載する。第１光学クラッド層２７は、コレクタ領域１９をエミッタ領域１７から電気的に分離するために役立つ。第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９の第１導電型半導体が第２光学クラッド層２９上に設けられて、コレクタ領域１９を基板１３から隔置される。本実施例では、基板１３は、絶縁性又は半絶縁性の主面１３ａを有している。可能な場合には、下部クラッド（第２光学クラッド層２９）を省略してもよい。基板１３の主面１３ａにおける絶縁性又は半絶縁性は、コレクタ領域１９を他の導電性半導体から絶縁できる。具体的には、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９の第１導電型半導体が、第２光学クラッド層２９の上面、発光領域１５の側面及び第１光学クラッド層２７の側面に接触を成している。必要な場合には、基板１３の裏面１３ｅ上に実装のための金属膜３１ｄを設けることができる。
【００４５】
（第２構造）
半導体レーザ１１ｂを説明する。半導体レーザ１１ｂは、エミッタ領域として機能可能な第１導電性を有する第３半導体領域３７を更に備える、エミッタ領域１７は、第１半導体領域２３に加えて第３半導体領域３７を備えることができる。本実施形態の半導体レーザ１１ｂでは、エミッタ領域１７は、発光領域１５の上面１５ｄ及び下面１５ｅの少なくともいずれか上に設けられることができる。基板１３は、導電性を有している。第２光学クラッド層２９は、第１エリア１３ｂ上に位置する開口２９ａを有しており、この開口２９ａは、第３軸Ａｘ３の方向に発光領域１５の下面１５ｅ及び基板１３の主面１３ａに沿って延在する。第３半導体領域３７は、第２光学クラッド層２９の開口２９ａを介して導電性の基板１３の主面１３ａに接触を成す。第３半導体領域３７は、第２光学クラッド層２９と同様に光学クラッドとして働くような屈折率を有することが良く、この構造では、第３半導体領域３７に光学クラッドの役割を付与することができる。基板１３の主面１３ａの第１エリア１３ｂ上には、第３半導体領域３７、第２光学クラッド層２９、発光領域１５及び第１光学クラッド層２７が順に配列されている。
【００４６】
半導体レーザ１１ｂによれば、第１半導体領域２３、第２半導体領域２５及び第３半導体領域３７は、共に第１導電型を有しており、発光領域１５は電子・正孔の再結合による発光ではなく、電子及び正孔の一方のサブバンド間の遷移を利用して光を生成する。第１半導体領域２３及び第３半導体領域３７は、それぞれ、発光領域１５の上面１５ｄ及び下面１５ｅを介して発光領域１５にキャリアを提供する。第２半導体領域２５は、発光領域１５の側面を介して発光領域１５からのキャリアを受ける。発明者の知見によれば、発光領域１５の上面１５ｄ及び／又は下面１５ｅの利用によれば、第１半導体領域２３及び第３半導体領域３７からのキャリアが第１軸Ａｘ１の方向に配列された複数の量子井戸構造２１の積層にわたって広がることを可能にする。個々の量子井戸構造２１内のキャリアは、量子井戸の面内の方向に移動しながら光学遷移により光を生成できる。遷移したキャリアは、発光領域１５の側面（１５ｂ、１５ｃ）を介して第２半導体領域２５には流れ込む。半導体レーザ１１ｂは、第１半導体領域２３及び第３半導体領域３７を備えており、第１半導体領域２３を備えることなく第３半導体領域３７を備えてもよい。
【００４７】
（第３構造）
必要な場合には、第１構造及び第２構造においては、第２エリア１３ｃ上のエミッタ領域１７は、発光領域１５の上面に接触を成す第１半導体層３３ａと、第１半導体層３３ａ上に設けられた第２半導体層３３ｂを備えることができる。第１半導体層３３ａは、図２に示されるように、上位エネルギー準位Ｅ３に等しい又は高い（キャリア極性に応じた電位の向きに高い）伝導バンドエネルギー（Ｅ１７）を有する半導体を有する。第２半導体層３３ｂは、発光領域１５の等価的な屈折率よりも小さい屈折率を有する半導体を備える。第１半導体層３３ａの伝導バンドエネルギーレベルは、大きな外部印加電圧を必要とせずに、エミッタ領域１７から発光領域１５の上位エネルギー準位Ｅ３へのキャリア注入を可能にする。
【００４８】
第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９は、メサ構造ＭＳの側面に接触を成す第３半導体層３５ａと、第３半導体層３５ａ上に設けられた第４半導体層３５ｂとを備える。第３半導体層３５ａは、図２に示されるように、下位エネルギー準位Ｅ２、好ましく緩和エネルギー準位Ｅ１に等しいか又は低い伝導バンドエネルギー（Ｅ１９）を有する半導体を有する。第４半導体層３５ｂは、発光領域１５の等価的な屈折率よりも小さい屈折率を有する半導体を備える。第３半導体層３５ａの伝導バンドエネルギーレベルは、大きな外部印加電圧を必要とせずに、発光領域１５のエネルギー準位からコレクタ領域１９へのキャリア引き抜きを可能にする。半導体レーザ１１ｂは、エミッタ領域のために設けられた第１電極３１ａ及び第３電極３１ｃと、コレクタ領域１９上に設けられた第２電極３１ｂとを備え、第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂは、それぞれ、エミッタ領域１７の第１導電型半導体及びコレクタ領域１９の第１導電型半導体にオーミック接触を成す。第３電極３１ｃは、基板１３の裏面１３ｅの第１導電型半導体にオーミック接触を成す。
【００４９】
（実施例１）
図３を参照しながら、量子井戸構造の構造を説明する。引き続く説明では、電子がキャリアとして利用されるが、同様に、正孔をキャリアとして利用されることができる。上位エネルギー準位Ｅ３から下位エネルギー準位Ｅ２への遷移確率を高めるために、キャリアの引き抜きにより下位エネルギー準位Ｅ２上のキャリア密度を下げることが好適である。量子井戸構造２１の一例は、複数（例えば２つ）の井戸層（２１ａ、２１ｂ）と、これらの井戸層を隔てる一又は複数の障壁層とを備えることが良い。障壁層（２１ｃ）は、障壁層（２１ｄ）に比べて薄くして、井戸層（２１ａ、２１ｂ）内の電子の波動関数がそれぞれ障壁層（２１ｃ）を介して井戸層（２１ｂ、２１ａ）に浸みだして互いに結合する。この構造を「結合量子井戸」として参照する。結合量子井戸は、障壁層（２１ｃ）の中心線（厚み方向の中心）を基準にして左右に対称な井戸構造を有する。このような構造では、下位エネルギー準位Ｅ２よりＬＯフォノンエネルギーと同程度に低い緩和エネルギー準位Ｅ１を形成することができ、上位エネルギー準位Ｅ３から下位エネルギー準位Ｅ２に発光遷移した電子を速やかにフォノン散乱（共鳴）によって緩和エネルギー準位Ｅ１に遷移させることができる。また、結合量子井戸は、上位エネルギー準位Ｅ３の波動関数と下位エネルギー準位Ｅ２の波動関数との重なりを大きくして、発光遷移確率を増加させ、これによりレーザ利得を増大できる。
結合量子井戸の具体例。
井戸層／障壁層：アンドープＩｎＧａＡｓ／アンドープＡｌｌｎＡｓ。
井戸層（２１ａ）厚：４ｎｍ。
内側の障壁層（２１ｄ）厚：２ｎｍ。
井戸層（２１ｂ）厚：４ｎｍ。
外側の障壁層（２１ｃ）厚：１０ｎｍ。
発振に係るエネルギー差（上位エネルギー準位Ｅ３と下位エネルギー準位Ｅ２との差）：２７０ｍｅＶ（発振波長：４．６マイクロメートル）。
光学利得：９６ｃｍ−１／ｐｅｒｉｏｄ。
Ｅｐｏｐ（下位エネルギー準位Ｅ２と緩和エネルギー準位Ｅ１との差）：３５．６ｍｅＶ。
基板１３：ＩｎＰ基板。
また、発光領域が、量子カスケード半導体レーザにおける注入層を必須である構造を必要としない。これ故に、量子井戸構造の設計の自由度が大きい。また、例えば外側の障壁層のＡｌＩｎＡｓの厚さも含めた４層の設計において、障壁層には引っ張りの応力を導入しまた井戸層には圧縮の応力を導入する格子の不整合を利用すると共に、引っ張り及び圧縮の応力を量子井戸構造の全体として実質的に相殺することによって、良好な結晶性を保ちながら、大きな導電帯バンドギャップ差（深い量子井戸の形成）を形成することができる。これによって、キャリヤの漏洩を抑制することによる温度特性の改善、及び発振波長範囲の拡大を提供できる。
【００５０】
（実施例２）
図４に示されるように、量子井戸構造の障壁層の少なくとも一部に、キャリアの極性と同じ極性のドーパントを添加することができる。この添加により、両井戸層への注入効率を改善できる。例えば、１０ｎｍ厚のＡｌＩｎＡｓ障壁層において、井戸層に接する薄層領域２１ｃａ、２１ｃｃをアンドープにすると共に、これらの間にドーパント添加の薄層領域２１ｃｂを設けることができる。ドーピング濃度は自由キャリア吸収による損失を低減するために１０１７ｃｍ−３程度又はそれ以下であることが良い。このドーパント添加の薄層領域は、発光領域の半導体積層における面内方向の導電性を高めることができ、エミッタ領域から面内の方向に離れた位置において井戸層にキャリアを提供できる。
【００５１】
（実施例３）
本実施形態に係る半導体レーザ１１は、発光領域１５内の複数の量子井戸構造２１にエミッタ領域１７から第１軸Ａｘ１の方向にキャリアを注入して、各量子井戸構造２１内にキャリアを提供する。量子井戸構造２１内のキャリアが量子井戸層の面内方向と平行な方向に輸送される。
このような構造のデバイスに電子を注入した場合、発光領域内の電子分布をシミュレーションにより見積もる。
面内方向のキャリア輸送を見積もるために、シミュレーションによる数値実験を行うデバイスモデルを以下に示す。
共振器長Ｌ１：５００マイクロメートル。
エミッタ領域の開口幅Ｗ：１０マイクロメートル。
メサ構造内の発光領域上のエミッタ領域の開口の中心からメサ上面の上縁の一方までのメサ片幅：１０マイクロメートル。
メサ構造内の発光領域上のエミッタ領域の開口の中心からメサ上面の上縁の他方までのメサ片幅が１０、２０、５０及び１００マイクロメートル。
電子は、エミッタ領域の開口から電界によりドリフトし発光領域に注入される。
発光領域：ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ多重量子井戸構造。
モデル名、  縦方向の電気伝導率、  横方向の電気伝導率、  縦／横電気伝導率比。
第１モデル、  ４．３Ｅ−５、      １．７Ｅ−２、        ２．５３Ｅ−３。
第２モデル、  １．５Ｅ−５、      １．７Ｅ−２、        ８．７４Ｅ−４。
第３モデル、  １．７Ｅ−６、      １．７Ｅ−２、        ９．８４Ｅ−５。
記法「２．５３Ｅ−３」は、２．５３×１０−３を示す。
縦／横電気伝導率比は、縦方向の電気伝導率を横方向の電気伝導率で割った値である。
横方向の電流密度について。
１００マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、横方向の電子流密度分布は、量子井戸の縦方向と横方向の電気伝導率比が大きいほど大きくなる。また、２０マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、３桁程度の電気伝導率比では、コレクタ電極での電子流密度は、深さ方向に大きな違いはない。
縦方向の電流密度について。
１００マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、縦方向の電子流密度分布は、エミッタ電極直下辺りに分布している。また、２０マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、量子井戸の縦方向と横方向の電気伝導率比が大きいほど下方への分布が少なくなるが、３ケタ程度の電気伝導率比でも十分に下方まで電子は分布する。
【００５２】
本実施形態に係る半導体レーザ１１は、量子井戸構造２１内のキャリアが量子井戸層の面内方向と平行な方向に輸送される点で量子カスケード半導体レーザとは異なっており、量子カスケード半導体レーザに内在するヘテロ障壁を備えない。ヘテロ障壁がないことにより、本実施形態に係る半導体レーザは、低電圧で駆動可能であって、量子井戸構造２１を多層化することに起因して動作電圧が上昇することなく、並列に接続された量子井戸構造２１によって大きなレーザ利得を得ることができる。また、本実施形態に係る半導体レーザは、量子カスケード半導体レーザにおけるトンネル輸送による損失の発生無しであって、これ故に、量子カスケード半導体レーザに比して大幅な消費電力の低減が図れる。
【００５３】
本実施形態の構造は、電流が流れる方向に量子カスケード半導体レーザのように多段の量子井戸間にカスケードのために設けられる注入層を備えないので、電流注入側（エミッタ）と引き抜き側（コレクタ）の２つの電極間での電圧降下は、発振波長のエネルギーに係る電圧降下と当該素子の直列抵抗による電圧降下ととの和になる。光学利得を高めるために、発光領域内の量子井戸構造の単位セルは多重に積層する構造を採用するけれども、この積層の数と共に増大する電圧上昇は、本実施形態の構造における動作機構上発生せず、レーザ素子の動作電圧が大幅に低減される。
【００５４】
量子カスケード半導体レーザは、発光のための単位セルの縦続的な積層とこの積層方向へのキャリア注入とを用いるので、量子カスケード半導体レーザにおけるキャリア注入層におけるキャリア損失が生じる。一方、本実施形態に係る素子構造はキャリア注入層を必要とせずに、キャリア注入層におけるキャリア損失が生じない。本実施形態に係る素子構造では、発光層の積層構造に係る設計自由度が大きくなって、デバイスの特性の改善、具体的には閾値電流、動作電圧及び消費電力の低減が可能となると共に、大きな段差のないプレーナデバイスとしてウエハ上面から電極を構成できることから、他のデバイスとの集積化やアレー化などといった機能の拡大も可能となる。さらに、キャリア注入層がないために、発光層のエピ層厚を低減できると共に、エピ成長後にフォトルミネッセンスなどによる非破壊の光学特性の評価が可能となるために、製造時間の短縮、コストの低減にも寄与する。
【００５５】
図５を参照しながら、エミッタ領域から発光領域へのキャリアの供給を説明する。図５の（ａ）部は、エミッタ領域１７及び発光領域１５における無バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図５の（ｂ）部は、エミッタ領域１７及び発光領域１５における順方向の外部バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図５の（ａ）部及び（ｂ）部では、発光領域１５が超格子構造を有することを示すために、単位セル１５ａの配列が描かれている。単位セル１５ａは、図５の（ｃ）部に示される。図５の（ａ）部及び（ｂ）部において、「Ｅｆ１」はフェルミ準位又は偽フェルミ準位を示し、「Ｅｃ１」は伝導帯を示す。第１半導体層３３ａの伝導帯のレベルは、第２半導体層３３ｂの伝導帯のレベルより高い。
エミッタ領域の構造。
第１半導体層３３ａ：アンドープＡｌＧａＰＳｂ、厚さ２０ｎｍ。
第２半導体層３３ｂ：ＳｉドープＩｎＰ、厚さ２００ｎｍ。
【００５６】
図５の（ｂ）部に示されるように、外部バイアスを半導体レーザに印加して、第１半導体層３３ａと第２半導体層３３ｂとの間のヘテロ障壁を小さくする。ヘテロ障壁の低下に応答して、高いエネルギーのキャリアＣ（電子）が熱キャリア放出によってヘテロ障壁を越えてエミッタ領域１７から発光領域１５の超格子構造に注入される。注入されたキャリアは、個々のキャリアのエネルギーに応じた伝導帯内のレベルにおいて、電界に引かれて発光領域１５をドリフト又は拡散しながらエネルギーを失って、様々な単位セル内に落ち込む。単位セル内をコレクタ領域にドリフトしながら高いエネルギー準位（Ｅ３）から低いエネルギー準位（Ｅ２）への光学遷移により光を生成する。エネルギー準位（Ｅ２）のキャリアは、更に低いエネルギー準位（Ｅ１）に速やかに緩和する。
【００５７】
図６を参照しながら、エミッタ領域から発光領域へのキャリアの供給を説明する。図６の（ａ）部は、エミッタ領域１７及び発光領域１５における無バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図６の（ｂ）部は、エミッタ領域２２及び発光領域１５における順方向の外部バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図６では、発光領域１５が単位セル１５ａの配列を超格子構造を有することを示すために、周期的に井戸層及びバリア層の繰り返し配列が描かれている。単位セル１５ａ及び発光領域１５における準位Ｅ４は、図６の（ｃ）部に示される。図６の（ａ）部及び（ｂ）部において、「Ｅｆ１」はフェルミ準位又は偽フェルミ準位を示し、「Ｅｃ１」は伝導帯を示す。エミッタ領域２２は、発光領域１５の上面に接したトンネリング構造３２を含む第１半導体層３２ａを備える。
エミッタ領域２２の構造。
第１半導体層３２ａ：アンドープＡｌＧａＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ。
第２半導体層３２ｂ：ＳｉドープＩｎＰ、厚さ２００ｎｍ。
トンネリング構造３２は、例えば以下の構造を有する。
ＡｌＧａＰＳｂ（厚さ５ｎｍ）／ＧａＩｎＡｓ（厚さ２ｎｍ）／ＡｌＧａＰＳｂ（厚さ５ｎｍ）。
【００５８】
図６の（ｂ）部に示されるように、外部バイアスを半導体レーザに印加して、第１半導体層３２ａと第２半導体層３２ｂとの間のヘテロ障壁を小さくする。第２半導体層３２ｂの伝導帯のレベルが、発光領域１５における離散的なエネルギー準位（Ｅ４）付近になると、トンネリング構造３２を通して第２半導体層３２ｂの伝導帯から発光領域１５の超格子構造のエネルギー準位（Ｅ４）にキャリアＣがトンネリングＴにより注入される。注入されたキャリアは、個々のキャリアのエネルギーに応じた伝導帯内のレベル（例えば、準位Ｅ４）において、電界に引かれて発光領域１５をドリフト又は拡散しながらエネルギーを失って、様々な単位セル内に落ち込む。単位セル１５ａ内をコレクタ領域にドリフトしながら高いエネルギー準位（Ｅ３）から低いエネルギー準位（Ｅ２）への光学遷移により光を生成する。エネルギー準位（Ｅ２）のキャリアは、更に低いエネルギー準位（Ｅ１）に速やかに緩和する。
【００５９】
図７及び図８を参照しながら、製造方法の概要を説明する。図７の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０１では、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板６１を準備する。結晶成長は、例えばＭＢＥ法もしくはＭＯＣＶＤ法によって行われることができる。ＩｎＰ基板６１上に、下部光学クラッド層のためにＩｎＰ層６３を成長する。ＩｎＰ層６３は、例えばＳｉドープＩｎＰ膜であることができる。ＩｎＰ層６３上に、例えば上記の４層構造を備える単位セルの積層を有する発光領域のための超格子構造６５を成長する。超格子構造６５上に、電流ブロック及び上部光学クラッド層のためのＩｎＰ層６７を成長する。ＩｎＰ層６７は、鉄ドープＩｎＰ膜及び／又はＺｎドープＩｎＰ膜を含む。これの工程により、半導体積層６９が形成される。
【００６０】
図７の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０２では、半導体積層６９の主面６９ａ上にストライプ及びコレクタ領域のための第１ＳｉＮマスク７１を形成すると共に、第１ＳｉＮマスク７１を用いて半導体積層６９をエッチングしてストライプ構造７３を形成する。ストライプ構造７３は、下部光学クラッド層６３ａ、発光領域６５ａ及びＩｎＰ層６７ａを含む。
【００６１】
図７の（ｃ）部に示されるように、工程Ｓ１０３では、第１ＳｉＮマスク７１を除去することなく、コレクタ領域のための選択成長を行う。コレクタ領域のために、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層７５ａを成長すると共に、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層７５ａ上にＳｉドープＩｎＰ層７５ｂを成長して、ストライプ構造７３を平坦に埋め込むコレクタ領域７５を形成する。ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層７５ａは比較的薄く、例えば１０〜５０ｎｍの厚さで成長されることが良く、これによって、横方向の光閉じ込めが十分可能になって、横モードの安定性を提供できる。
【００６２】
図８の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０４では、第１ＳｉＮマスク７１を除去した後に、ストライプ構造７３の主面及びコレクタ領域７５の主面上に第２ＳｉＮマスク７７を形成する。第２ＳｉＮマスク７７は、エミッタ領域のための開口７７ａを有する。第２ＳｉＮマスク７７を用いてストライプ構造７３の半導体積層を部分的に、具体的にはストライプ構造７３内のＩｎＰ層６７ａをエッチングして、発光領域６５ａに到達する開口６７ｃを有する電流ブロック層６７ｂを形成する。開口６７ｃは、発光領域６５ａの側面から離れている。
【００６３】
第２ＳｉＮマスク７７を除去した後に、図８の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０５では、エミッタ領域のために、電流ブロック層６７ｂの上面及び側面、開口６７ｃ、及び発光領域６５ａの上面上にＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ及びＳｉドープＩｎＰ層７９ｂを順に成長すると共に、ＳｉドープＩｎＰ層７９ｂ上にコンタクト層のためのＳｉドープＩｎＧａＡｓ層８１を成長して、エミッタ領域のための半導体積層８３を形成する。ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａの厚さは、電子がトンネル伝導しない程度の厚さ、例えば１０ｎｍより大きい厚さであることが良い。ＳｉドープＩｎＰ層７９ｂは、電流ブロック層６７ｂの開口６７ｃを埋め込むように成長されて、ＳｉドープＩｎＰ層７９ｂの上面は、実質的に平坦である。
【００６４】
図８の（ｃ）部に示されるように、工程Ｓ１０６では、ＩｎＰ基板６１上の半導体積層８３上に、エミッタ領域の形状を規定する第３ＳｉＮマスク８５を形成すると共に、第３ＳｉＮマスク８５を用いて半導体積層８３をエッチングしてコレクタ領域７５の上面、及び電流ブロック層６７ｂの上面に開口を形成する。この開口には、コレクタ領域７５の上面及び電流ブロック層６７ｂの上面が現れている。エミッタ領域の幅は、ストライプ構造７３の幅より小さい。エッチングにより、エミッタ領域７９が形成される。エミッタ領域７９は、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ｃ及びＳｉドープＩｎＰ層７９ｄを含み、コンタクト層８１ａを搭載する。エッチングの後に、第３ＳｉＮマスク８５を除去する。
【００６５】
発光領域を含むストライプ構造７３、コレクタ領域７５及びエミッタ領域７９を含む半導体領域を形成した後に、図８の（ｄ）部に示されるように、工程Ｓ１０７では、コレクタ領域７５及びエミッタ領域７９上に電極金属を蒸着により形成してｎ−電極８５ａ、８５ｂを形成する。本実施例では、電極金属の蒸着の前に、パッシベーション膜８７を形成する。このように作製された基板生産物を所望の厚さに裏面研磨して、さらに劈開によりレーザバーを形成する。必要な場合には、ＩｎＰ基板６１の裏面に金属膜８９を形成することができる。
【００６６】
図９及び図１０を参照しながら、製造方法の概要を説明する。図９の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ２０１では、ＳｉドープＩｎＰ基板６１を準備する。結晶成長は、例えばＭＢＥ法もしくはＭＯＣＶＤ法によって行われることができる。導電性のＩｎＰ基板６１の主面６１ａ上に、下部光学クラッド層及び下部エミッタ領域のためにＳｉドープＩｎＰ層６２ａを成長すると共に、ＳｉドープＩｎＰ層６２ａ上にＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層６２ｂを成長する。ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層６２ｂに替えて、このＡｌＩｎＡｓよりも大きなバンドギャップ及びＩｎＰに格子整合する半導体、例えばＡｌＧａＰＳｂを成長するようにしてもよい。
【００６７】
図９の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ２０２では、ＳｉドープＩｎＰ層６２ａ及びＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層６２ｂ上に第１ＳｉＮマスク６４を形成すると共に、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層６２ｂの全てを除去すると共にＳｉドープＩｎＰ層６２ａの一部を残すように、第１ＳｉＮマスク６４を用いてＳｉドープＩｎＰ層６２ａ及びＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層６２ｂをエッチングする。第１ＳｉＮマスク６４は、下部エミッタ領域６２のリッジ構造を規定する。このエッチングにより、後の工程により形成される発光領域に通じる下部エミッタ領域６２が形成される。下部エミッタ領域６２は、ＳｉドープＩｎＰ層６２ｃ及びＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層６２ｄを含む。
【００６８】
図９の（ｃ）部に示されるように、工程Ｓ２０３では、第１ＳｉＮマスク６４の除去を行うことなく、ＩｎＰ基板６１及び下部エミッタ領域６２上に下部電流ブロック層を形成する選択成長を行う。下部電流ブロック層のためのＩｎＰ層６６は、例えば鉄ドープＩｎＰ及び／又はＺｎドープＩｎＰを含むことができる。
【００６９】
図９の（ｄ）部に示されるように、工程Ｓ２０４では、下部エミッタ領域６２及びＩｎＰ下部電流ブロック層６６上に、例えば４層構造を備える単位セルの積層を有する発光領域のための超格子構造６５を成長する。超格子構造６５上に、上部電流ブロック及び上部光学クラッド層のためのＩｎＰ層６７を成長する。ＩｎＰ層６７は、鉄ドープＩｎＰ膜及び／又はＺｎドープＩｎＰ膜を含む。これの工程により、半導体積層６８が形成される。
【００７０】
図１０の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ２０５では、半導体積層６８の主面６８ａ上にストライプ及びコレクタ領域のための第２ＳｉＮマスク７０を形成すると共に、第２ＳｉＮマスク７０を用いて半導体積層６８をエッチングしてストライプ構造７２を形成する。ストライプ構造７２は、下部エミッタ領域６２の一部、下部電流ブロックＩｎＰ層６６ａの一部、発光領域６５ａ及びＩｎＰ層６７ａを含む。
【００７１】
図１０の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ２０６では、第２ＳｉＮマスク７０を除去することなく、コレクタ領域のための選択成長を行う。コレクタ領域のために、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層７５ａを成長すると共に、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層７５ａ上にＳｉドープＩｎＰ層７５ｂを成長して、ストライプ構造７２を平坦に埋め込むコレクタ領域７５を形成する。ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層７５ａは比較的薄く、例えば１０〜５０ｎｍの厚さで成長されることが良く、これによって、横方向の光閉じ込めが十分可能になって、横モードの安定性を提供できる。
【００７２】
図１０の（ｃ）部に示されるように、工程Ｓ２０７では、第２ＳｉＮマスク７０を除去した後に、ストライプ構造７２の主面及びコレクタ領域７５の主面上に第３ＳｉＮマスク７４を形成する。第３ＳｉＮマスク７４は、エミッタ領域のための開口７４ａを有する。第３ＳｉＮマスク７４を用いてストライプ構造７２の半導体積層を部分的に、具体的にはストライプ構造７２内のＩｎＰ層６７ａをエッチングして、発光領域６５ａに到達する開口６７ｃを有する電流ブロック層６７ｂ（上部電流ブロック層）を形成する。開口６７ｃは、発光領域６５ａの側面から離れている。
【００７３】
第３ＳｉＮマスク７４を除去した後に、工程Ｓ１０５、Ｓ１０６及びＳ１０７と同様に、エミッタ領域７９及びｎ−電極８５ａ、８５ｂを形成する。工程Ｓ１０７では、下部エミッタ領域６２のための電極（図１における「３１ｃ」）を形成する。
【００７４】
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】
【００７５】
以上説明したように、本実施形態によれば、単極性のキャリアの光学遷移を用いることを可能にする半導体レーザを提供できる。
【符号の説明】
【００７６】
１１、１１ａ、１１ｂ…半導体レーザ、１３…基板、１３ｂ…第１エリア、１３ｃ…第２エリア、１３ｄ…第３エリア、１５…発光領域、１５ａ…単位セル、１７…エミッタ領域、１９…コレクタ領域、２１…量子井戸構造、２３…第１半導体領域、２５…第２半導体領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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