(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、上面及び側面を有する発光領域を含み、基板の主面上において導波路軸の方向に配列された第１部分及び第２部分を有する半導体メサと、前記半導体メサの前記第１部分において前記発光領域の前記上面及び前記側面上に設けられ第１導電性を有する第１半導体領域と、前記半導体メサの前記第２部分において前記発光領域の前記側面上に設けられたコレクタと、を備え、前記発光領域は複数の量子井戸構造を含み、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る。【選択図】図１
2018152430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザであって、
上面及び側面を有する発光領域を含み、基板の主面上において導波路軸の方向に配列された第１部分及び第２部分を有する半導体メサと、
前記半導体メサの前記第１部分において前記発光領域の前記上面及び前記側面上に設けられ第１導電性を有する第１半導体領域と、
前記半導体メサの前記第２部分において前記発光領域の前記側面上に設けられたコレクタと、
を備え、
前記発光領域は複数の量子井戸構造を含み、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】
前記コレクタは、前記発光領域の前記側面上において前記第１軸の方向に延在する金属電極を含む、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。
【請求項６】
前記コレクタは、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。
【請求項７】
当該半導体レーザは、基本構造の周期的な配列を含み、
各基本構造は、前記第１半導体領域及び前記半導体メサの前記第１部分と前記第２半導体領域及び前記半導体メサの前記第１部分を含む、請求項６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、上面及び側面を有する発光領域を含み、基板の主面上において導波路軸の方向に配列された第１部分及び第２部分を有する半導体メサと、前記半導体メサの前記第１部分において前記発光領域の前記上面及び前記側面上に設けられ第１導電性を有する第１半導体領域と、前記半導体メサの前記第２部分において前記発光領域の前記側面上に設けられたコレクタと、を備え、前記発光領域は複数の量子井戸構造を含み、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を模式的に示す図面である。
【図３】図３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４】図４は、本実施形態に係る半導体レーザのエミッタ及び発光領域の構造を示す図面である。
【図５】図５は、本実施形態に係る半導体レーザのコレクタ及び発光領域の構造を示す図面である。
【図６】図６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７】図７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８】図８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９】図９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１０】図１０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１１】図１１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１２】図１２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１３】図１３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１４】図１４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１５】図１５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）上面及び側面を有する発光領域を含み、基板の主面上において導波路軸の方向に配列された第１部分及び第２部分を有する半導体メサと、（ｂ）前記半導体メサの前記第１部分において前記発光領域の前記上面及び前記側面上に設けられ第１導電性を有する第１半導体領域と、（ｃ）前記半導体メサの前記第２部分において前記発光領域の前記側面上に設けられたコレクタと、を備え、前記発光領域は複数の量子井戸構造を含み、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る。
【００１２】
半導体レーザによれば、第１半導体領域は、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を介して発光領域にキャリアを提供する。コレクタは、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り、また発光領域の側面の利用によれば、量子井戸構造間のバリアを避けて第１半導体領域からのキャリアが複数の量子井戸構造に直接に提供できる。個々の量子井戸構造内のキャリアは、半導体メサの第１部分、第２部分、及び第１部分から第２部分への移動中に量子井戸構造において光学遷移により光を生成できる。遷移したキャリアは、発光領域の側面を介してコレクタに流れ込む。
【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、前記コレクタは、前記発光領域の前記側面上において前記第１軸の方向に延在する金属電極を含む。
【００２０】
この半導体レーザによれば、コレクタは、第１軸の方向に延在する金属電極を含むことができる。
【００２１】
具体例に係る半導体レーザでは、前記コレクタは、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半導体領域を含む。
【００２２】
この半導体レーザによれば、コレクタは、第１導電性の半導体領域を含むことができる。
【００２３】
具体例に係る半導体レーザは、基本構造の周期的な配列を含み、各基本構造は、前記第１半導体領域及び前記半導体メサの前記第１部分と前記第２半導体領域及び前記半導体メサの前記第２部分を含む。
【００２４】
半導体レーザによれば、利得結合型分布帰還構造が提供される。
【００２５】
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。
【００２６】
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）部は、図１の（ａ）部に示されたＩｂ−Ｉｂ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図１の（ｃ）部は、図１の（ｂ）部に示されたＩｃ−Ｉｃ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図１の（ｄ）部は、図１の（ｂ）部に示されたＩｄ−Ｉｄ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図２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の（ａ）部は、半導体レーザを示す平面図であり、図２の（ｂ）部は、図２の（ａ）部に示されたＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図２の（ｃ）部は、図２の（ａ）部に示されたＩＩｃ−ＩＩｃ線に沿ってとられた断面を示す図面である。図３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３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。
【００２７】
図１及び図２には、理解を容易にするために、直交座標系Ｓが示される。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。図１及び図２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、エミッタ領域１７と、コレクタ１９と、半導体メサＭＳを備える。基板１３は主面１３ａを有する。半導体メサＭＳは、発光領域１５を含む。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。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、第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、上面１５ｄ、下面１５ｅ、及び第３側面１５ｆを有する。第３側面１５ｆ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。第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、上面１５ｄ及び下面１５ｅは、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。
【００２８】
基板１３の主面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３軸Ａｘ３の方向に延在する。第１エリア１３ｂは、第２エリア１３ｃと第３エリア１３ｄとの間に設けられる。半導体メサＭＳは、第１エリア１３ｂ上に設けられる。発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃを覆うエミッタ領域１７の第１半導体領域２３は、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上において導波路軸の方向に延在する。
【００２９】
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。図３に示されるように、発光領域１５の量子井戸構造２１は、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。
【００３０】
半導体メサＭＳは、基板１３の主面１３ａ上において、第３軸Ａｘ３の方向に延在する。半導体メサＭＳ内の発光領域１５は、基板１３の主面１３ａ上において、第３軸Ａｘ３の方向に延在する。半導体メサＭＳは、第１部分Ｍ１Ｓ及び第２部分Ｍ２Ｓを有し、第１部分Ｍ１Ｓ及び第２部分Ｍ２Ｓは、基板１３の主面１３ａ上において導波路軸（第３軸Ａｘ３）の方向に配列される。発光領域１５は、第１部分Ｍ１Ｓ及び第２部分Ｍ２Ｓの両方に含まれる。
【００３１】
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、半導体メサＭＳの第１部分Ｍ１Ｓにおいて発光領域１５上に設けられる。具体的には、エミッタ領域１７は、発光領域１５の上面１５ｄ上に設けられ、更に、第１側面１５ｂ及び／又は第２側面１５ｃ上に設けられることができる。
【００３２】
コレクタ１９は、エミッタ領域１７から離れており、半導体メサＭＳの発光領域１５の側面上に設けられる。具体的には、コレクタ１９は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ及び第３側面１５ｆの少なくともいずれか一つ上に設けられ、更に発光領域１５の上面１５ｄ上に設けられることができる。本実施例では、コレクタ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、或いは第１エリア１３ｂにおいて、第３側面１５ｆ上に配置される。コレクタ１９は、金属及び／又は半導体を備えることができる。
【００３３】
半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）によれば、第１半導体領域２３は、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の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ及び上面１５ｄを介して発光領域１５にキャリアを提供する。コレクタ１９は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ又は第３側面１５ｆ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、半導体メサＭＳの第１部分Ｍ１Ｓ、第２部分Ｍ２Ｓ、及び第１部分Ｍ１Ｓから第２部分Ｍ２Ｓの量子井戸構造２１内を導波路軸の方向へ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を介してコレクタ１９に流れ込む。
【００３４】
エミッタ領域１７の第１半導体領域２３は、半導体メサＭＳの第１部分Ｍ１Ｓ上に設けられる。具体的には、エミッタ領域１７は、第１部分Ｍ１Ｓ内の発光領域１５の上面１５ｄ上に設けられ、更に、第１部分Ｍ１Ｓ内の発光領域１５の第１側面１５ｂ及び／又は第２側面１５ｃ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は、第１部分Ｍ１Ｓ内の発光領域１５の上面１５ｄ、第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃ上に設けられる。コレクタ１９は、半導体メサＭＳの第２部分Ｍ２Ｓにおいて発光領域１５の側面上に設けられる。具体的には、第２部分Ｍ２Ｓ内の発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ及び第３側面１５ｆの少なくともいずれか一つ上に設けられ、更に第２部分Ｍ２Ｓ内の発光領域１５の上面１５ｄ上に設けられることができる。本実施例では、半導体メサＭＳの第１部分Ｍ１Ｓの長さは、半導体メサＭＳの第２部分Ｍ２Ｓの長さより大きい。長い第１部分Ｍ１Ｓは、エミッタ領域１７から発光領域１５へのキャリア注入の断面積を大きくできる。第１部分Ｍ１Ｓから第２部分Ｍ２Ｓを離すことにより、発光領域１５における光遷移のための走行路をキャリアに提供できる。
【００３５】
また、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及び側面（１５ｂ、１５ｃ）上に配置される。本実施例では、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３は、第２エリア１３ｃにおける主面１３ａから第１側面１５ｂ、上面１５ｄ及び第２側面１５ｃに沿って延在して、第３エリア１３ｄにおける主面１３ａに到達する。具体的には、第１半導体領域２３は、半導体メサＭＳの第１部分Ｍ１Ｓの上面及び側面に接触を成す。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。
【００３６】
エミッタ領域１７は、コンタクト層２８ａを搭載すると共に、発光領域１５の上面に接触を成す。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１９に接続される第２電極３１ｂとを備える。半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、必要な場合には、基板１３の裏面１３ｅ上に金属膜３１ｃを設けることができる。第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂは、それぞれ、エミッタ領域１７及びコレクタ１９に電気的に接続されている。第１電極３１ａは、エミッタ領域１７の第１導電型半導体にオーミック接触を成す。
【００３７】
半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、基板１３の主面１３ａ上に設けられた光学クラッド層２９を備えることができる。光学クラッド層２９は、第１エリア１３ｂにおいて、半導体メサＭＳを搭載する。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。エミッタ領域１７は、発光領域１５の上面１５ｄ、第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃ並びに光学クラッド層２９の主面上において第３軸Ａｘ３の方向に延在して、半導体メサＭＳを覆うリッジ構造ＲＤＧを形成している。
【００３８】
光学クラッド層２９の屈折率及びエミッタ領域１７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、及び光学クラッド層２９の配列は、導波路構造を形成する。縦方向には、エミッタ領域１７及び光学クラッド層２９によって光学的に閉じ込めされる。横方向には、エミッタ領域１７によって光学的に閉じ込めされる。発光領域１５上のエミッタ領域１７の第１半導体領域２３は、比較的波長の長いレーザ光を伝搬させる半導体メサＭＳの上面から第１電極３１ａを隔置できる。
【００３９】
エミッタ領域１７から発光領域１５に提供されるキャリアの導電型は、発光領域１５からコレクタ１９に提供されるキャリアの導電型と同じであり、半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、単極性キャリアを利用する。エミッタのための第１部分Ｍ１Ｓは、導波路軸の方向にコレクタのための第２部分Ｍ２Ｓから離れており、エミッタ領域１７及び２つのコレクタ１９は、互いに電気的に分離されて、エミッタ領域１７からのキャリアは導波路軸の方向に発光領域１５を流れてコレクタ１９に到達する。
【００４０】
この半導体レーザ１１では、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。
【００４１】
半導体レーザ１１の具体的な構造を説明する。
（第１構造）
図１を参照しながら、半導体レーザ１１ａ（１１）を説明する。半導体レーザ１１ａでは、半導体メサＭＳが、導波路軸（第３軸Ａｘ３）の方向に半導体レーザ１１ａの一端から他端まで延在する。コレクタ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の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃ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。発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃを覆うコレクタ１９の第２半導体領域２５は、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上において導波路軸の方向に延在する。第２半導体領域２５の導電型は、第１半導体領域２３の導電型と同じである。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て、発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃに接触を成す。また、第２半導体領域２５は、第１エリア１３ｂの発光領域１５上に設けられて、発光領域１５の上面１５ｄに接触を成す。第２半導体領域２５は、一又は複数の半導体層を含むことができる。
【００４２】
発光領域１５の上面１５ｄのコレクタ１９の第２半導体領域２５は、比較的波長の長いレーザ光を発生させる発光領域１５の上面１５ｄから第２電極３１ｂを隔置できる。
【００４３】
半導体メサＭＳは、基板１３の主面１３ａの第１エリア１３ｂ上の光学クラッド層２９において、発光領域１５及び分離構造２７を順に搭載する。本実施例では、分離構造２７は、第１分離溝２７ｃ、第１アイランド２７ｅ、及び第２アイランド２７ｆ（必要な場合に、第２分離溝２７ｄ及び第３アイランド２７ｇ）を含む。半導体メサＭＳは、第１部分Ｍ１Ｓ及び第２部分Ｍ２Ｓに加えて、第３部分Ｍ３Ｓを含み、必要な場合に、第４部分Ｍ４Ｓ及び第５部分Ｍ５Ｓを更に含む。本実施例では、第４部分Ｍ４Ｓは、第２部分Ｍ２Ｓと同じ構造を有し、第５部分Ｍ５Ｓは第３部分Ｍ３Ｓと同じ構造を有する。第２部分Ｍ２Ｓ、第３部分Ｍ３Ｓ、及び第１部分Ｍ１Ｓが順に第３軸Ａｘ３の方向に配列されており、また第２部分Ｍ２Ｓ、第３部分Ｍ３Ｓ、第１部分Ｍ１Ｓ、第５部分Ｍ５Ｓ及び第４部分Ｍ４Ｓが順に第３軸Ａｘ３の方向に配列されている。第２部分Ｍ２Ｓ、第３部分Ｍ３Ｓ、第１部分Ｍ１Ｓ、第５部分Ｍ５Ｓ及び第４部分Ｍ４Ｓは、それぞれ、第２アイランド２７ｆ、第１分離溝２７ｃ、第１アイランド２７ｅ、第２分離溝２７ｄ、及び第３アイランド２７ｇを搭載する。第１分離溝２７ｃ及び第２分離溝２７ｄは、コンタクト層２８ａの表面から第１軸Ａｘ１の方向に延在して、発光領域１５の上面１５ｄに到達する。第１アイランド２７ｅは、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３を含み、第２アイランド２７ｆ及び第３アイランド２７ｇの各々は、コレクタ１９（コレクタ領域）の第２半導体領域２５を含む。第１分離溝２７ｃは、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３を含む第１アイランド２７ｅをコレクタ１９の第２半導体領域２５を含む第２アイランド２７ｆから隔置して、エミッタ領域１７及びコレクタ１９を互いに絶縁分離する。第２分離溝２７ｄは、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３を含む第１アイランド２７ｅをコレクタ１９の第２半導体領域２５を含む第３アイランド２７ｇから隔置して、エミッタ領域１７及びコレクタ１９を互いに絶縁分離する。第１分離溝２７ｃ及び第２分離溝２７ｄは、リッジ構造ＲＤＧを横切るように第２軸Ａｘ２の方向に延在して、半導体メサＭＳの発光領域１５上の半導体領域（分離構造２７）を第２アイランド２７ｆ、第１アイランド２７ｅ及び第３アイランド２７ｇに分ける。具体的には、第１アイランド２７ｅ、第１分離溝２７ｃ、第２アイランド２７ｆ、第２分離溝２７ｄ及び第３アイランド２７ｇが順に第３軸Ａｘ３の方向に配列される。本実施例では、第１電極３１ａは、第１アイランド２７ｅの上面に接触を成し、第２電極３１ｂは、第２アイランド２７ｆ（第３アイランド２７ｇ）の上面に接触を成す。第２アイランド２７ｆは、第３側面１５ｆの上縁上において終端し、第３アイランド２７ｇは、第４側面１５ｇの上縁上において終端する。具体的には、リッジ構造ＲＤＧは。第１部分Ｍ１Ｓ及び第２部分Ｍ２Ｓ（第４部分Ｍ４Ｓ）を覆うそれぞれの部分を有する。
【００４４】
半導体メサＭＳ（第２部分Ｍ２Ｓ）及びリッジ構造ＲＤＧを含む導波路構造の一端面ＲＤＧ１Ｅは、第２アイランド２７ｆの端面（コレクタ１９及びコンタクト層２８ａの端面）及び発光領域１５の端面を含み、半導体メサＭＳ（第４部分Ｍ４Ｓ）及びリッジ構造ＲＤＧを含む導波路構造の他端面ＲＤＧ２Ｅは、第３アイランド２７ｇの端面（コレクタ１９及びコンタクト層２８ａの端面）及び発光領域１５の端面を含む。
【００４５】
絶縁性被覆膜３７が、発光領域１５、第１半導体領域２３及び第２半導体領域２５の側面及び上面、並びに第１分離溝２７ｃ及び第２分離溝２７ｄの側面及び底面を覆うと共に、第１アイランド２７ｅの上面に第１開口３７ａを有し、第２アイランド２７ｆの上面及び第３アイランド２７ｇの上面の各々に第２開口３７ｂを有する。第１電極３１ａが、第１開口３７ａを通して第１半導体領域２３に電気的に接続され、具体的には、第１半導体領域２３上のコンタクト層２８ａに接触を成す。また、第２電極３１ｂが、第２開口３７ｂを通して第２半導体領域２５に電気的に接続され、第２半導体領域２５上のコンタクト層２８ａに接触を成す。
【００４６】
（第２構造）
図２を参照しながら、半導体レーザ１１ｂ（１１）を説明する。半導体レーザ１１ｂでは、半導体メサＭＳは、半導体メサＭＳが、導波路軸（第３軸Ａｘ３）の方向に半導体レーザ１１ｂの一端から他端に向けて基板１３の主面１３ａに沿って延在すると共に、他端から内側に離れた位置で終端する。半導体メサＭＳの終端面ＭＳＥは、発光領域１５の第３側面１５ｆを含む。発光領域１５の第３側面１５ｆの位置は、半導体レーザ１１ｂの一端から内側に後退している。また、リッジ構造ＲＤＧは、導波路軸（第３軸Ａｘ３）の方向に半導体レーザ１１ａの一端から他端に向けて半導体メサＭＳに沿って延在すると共に、半導体メサＭＳの終端面ＭＳＥ及び半導体レーザ１１ｂの他端から内側に離れた位置で終端する。リッジ構造ＲＤＧの終端面ＲＤＧＥは、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ及び上面１５ｄ上に位置する。終端面ＲＤＧＥの位置は、半導体メサＭＳの終端面ＭＳＥ及び半導体レーザ１１ｂの一端から内側に後退している。
【００４７】
コレクタ１９は、金属電極３３を含み、金属電極３３は、発光領域１５の第３側面１５ｆ上において第１軸Ａｘ１の方向に延在する。金属電極３３及び発光領域１５は、基板１３の主面１３ａ上において導波路軸（第３軸Ａｘ３）の方向に配列される。金属電極３３は、発光領域１５の第３側面１５ｆ上に設けられると共に、発光領域１５の第３側面１５ｆに電気的に接続される。本実施例では、金属電極３３は、発光領域１５の第３側面１５ｆから第１エリア１３ｂ上の半導体領域上を延在すると共に、第１エリア１３ｂ上の半導体領域に接触を成すことができ、第１エリア１３ｆ上の半導体領域（光学クラッド層２９）は半絶縁性を有する。終端面ＲＤＧＥの位置を半導体メサＭＳの終端面ＭＳＥに対して後退させることにより、金属電極３３をエミッタ領域１７から離すことができる。
【００４８】
エミッタ領域１７は、基板１３の主面１３ａ上において発光領域１５の上面１５ｄ上に配置される。具体的には、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３は、半導体メサＭＳの第１部分Ｍ１Ｓ内の発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ及び上面１５ｄに接して導波路軸の方向に延在する一方で、半導体メサＭＳの第２部分Ｍ２Ｓの発光領域１５上には設けられていない。半導体メサＭＳの第２部分Ｍ２Ｓは、エミッタ領域１７をコレクタ１９から離すために設けられる。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。金属電極３３は、第１エリア１３ｂ上において発光領域１５の第３側面１５ｆ上に配置される。発光領域１５によって金属電極３３に提供されるキャリアの導電型は、エミッタ領域１７の半導体によって発光領域１５に提供されたキャリアの導電型と同じであって、半導体レーザ１１ｂは、単極性キャリアを利用する。
【００４９】
半導体レーザ１１ｂによれば、第１半導体領域２３は、第１導電性を有しており、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を介して発光領域１５にキャリアを提供する。発明者の知見によれば、発光領域１５の側面に加えて発光領域１５の上面１５ｄ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、導波路軸の方向に移動して、第１軸Ａｘ１の方向に延在する金属電極３３に発光領域１５の第３側面１５ｆを介して流れ込む。
【００５０】
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、金属電極３３は、発光領域１５の第３側面１５ｆに沿って第２軸Ａｘ２の方向に延在して、発光領域１５の第３側面１５ｆを覆う。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。金属電極３３は、発光領域１５の第３側面１５ｆに接触を成して、第１導電型のキャリア（上記のキャリア）を発光領域１５から受ける。金属電極３３は、発光領域１５に係る導波路を伝搬する光を反射できる。この導波路を伝搬した光は、発光領域１５の第４側面１５ｇから出射される。
【００５１】
第１構造及び第２構造のための半導体レーザ１１の構造。
基板１３：ＩｎＰ。
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。
半導体メサＭＳの幅：１０マイクロメートル。
半導体メサ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半導体領域２３：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。
第１半導体領域２３の幅（リッジ構造ＲＤＧの幅）：８マイクロメートル。
第１半導体領域２３の厚さ：２マイクロメートル。
第２半導体領域２５：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。
第２半導体領域２５の幅（リッジ構造ＲＤＧの幅）：８マイクロメートル。
第２半導体領域２５の厚さ：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。
光学クラッド層２９（下側の電流ブロック層）：半絶縁性ＩｎＰ、厚さ０．２マイクロメートル。
金属電極３３：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ（チタン／白金／金）。
【００５２】
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と、コレクタ１９に接続された第２電極３１ｂとを備え、第１電極３１ａ及び金属電極３３は、それぞれ、エミッタ領域１７の第１導電型半導体及び発光領域１５の第１導電型半導体にオーミック接触を成す。金属電極３３は、第２電極３１ｂに接続される。
【００５３】
（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、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３は、発光領域１５の上面１５ｄ（更には第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃ）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とを備えることができる。第１半導体層３３ａは、図４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。
【００５４】
半導体レーザ１１ａは、エミッタ領域のために設けられた第１電極３１ａと、コレクタ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９の第１導電型半導体にオーミック接触を成す。
【００５５】
必要な場合には、第１構造においては、コレクタ１９の第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（更には上面１５ｄ）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５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１９へのキャリア引き抜きを可能にする。
【００５６】
（実施例１）
図６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、引っ張りと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。
【００５７】
（実施例２）
図７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。
【００５８】
（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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
図８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８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８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８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８の（ｃ）部に示される。図８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。
【００６３】
図８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。
【００６４】
図９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９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９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９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９の（ｃ）部に示される。図９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）。
【００６５】
図９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。
【００６６】
図１０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１０の（ａ）部は、半導体レーザを示す平面図であり、図１０の（ｂ）部は、図１０の（ａ）部に示されたＸｂ−Ｘｂ線に沿ってとられた断面を示す図面である。半導体レーザ１１ｃ（１１）は、共振器方向に分割された電極が配列された構造を有する。この構造では、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３とコレクタ１９の第２半導体領域２５とが交互に配置される。この構造は、光出力を増大させることができる。ＲＭＤ／２（発振波長：ＲＭＤ）の交互配置の周期（Ｌ０）の半導体レーザ１１ｃは、利得結合型分布帰還構造を有して、高い単一モード性を有する。発光領域１５は、光共振器方向に周期的にエミッタ領域１７からキャリア注入を受ける。
【００６７】
半導体レーザ１１ｃ（１１）は、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３とコレクタ１９の第２半導体領域２５とを含む基本構造の周期的な配列を含む。
半導体レーザ１１ｃの構造の例示。
発振波長（ＲＭＤ）：６マイクロメートル。
Ｌ０：概略的にｎ×６／（３Ｘ２）から求められて、１０マイクロメートル（ｎ＝１０、半導体の等価屈折率＝３）。
エミッタ領域１７の長さＬＥ：４マイクロメートル。
コレクタ１９の長さＬＣ：３マイクロメートル。
分離溝の幅ＬＧ：１．５マイクロメートル。
単一モード条件：Ｌ０＝ｎ×ＲＭＤ／２である。
半導体レーザ１１ｃのために図示された構造は、長さＬ０の単位構造（第１構造）の３段接続を含む。接続段数の増加は、利得の増加（光出力の増大）及び単一モード性の向上になる。
【００６８】
図１１〜図１３を参照しながら、製造方法の概要を説明する。工程Ｓ１０１では、エピタキシャル基板を形成する。図１１の（ａ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１１の（ｂ）部は、図１１の（ａ）部に示されたＸＩｂ−ＸＩｂ線に沿って取られた断面を示す。図１１の（ａ）部は、図１１の（ｂ）部に示されたＸＩａ−ＸＩａ線に沿って取られた断面を示す。図１１の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、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。ＩｎＰ基板６１の主面６１ａ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。これらの工程により、下部半導体積層６９が形成される。
【００６９】
工程Ｓ１０２では、レーザ導波路のための半導体メサを形成する。図１１の（ｃ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１１の（ｄ）部は、図１１の（ｃ）部に示されたＸＩｄ−ＸＩｄ線に沿って取られた断面を示す。図１１の（ｃ）部は、図１１の（ｄ）部に示されたＸＩｃ−ＸＩｃ線に沿って取られた断面を示す。図１１の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、下部半導体積層６９の主面６９ａ上に半導体メサを形成するための第１ＳｉＮマスク７１を形成する。第１ＳｉＮマスク７１を用いて下部半導体積層６９をエッチングして、Ｚ軸の方向に延在するストライプメサ６７を形成する。ストライプメサ６７は、下部光学クラッド層６３ａ及び超格子構造６５ａを含む。ストライプメサ６７の形成により、超格子構造６５ａには、第１側面６５ｂ及び第２側面６５ｃが与えられる。また、超格子構造６５ａは、第１側面６５ｂ及び第２側面６５ｃに加えて、上面６５ｄ及び下面６５ｅを備える。ストライプメサ６７は、主面６１ａの第１エリア６１ｂ上に形成される。主面６１ａの第２エリア６１ｃ及び第３エリア６１ｄ上の下部半導体積層６９は、エッチングされる。第１エリア６１ｂ及び第２エリア６１ｃは、導波路軸ＷＧ１（直交座標系ＳのＺ軸）の方向に延在し、導波路軸ＷＧ１に交差する交差軸ＷＧ２（直交座標系ＳのＸ軸）の方向に配列される。第１エリア６１ｂは、第２エリア６１ｃと第３エリア６１ｄとの間に設けられる。ストライプメサ６７は、第１側面６７ｂ及び第２側面６７ｃを備え、第１側面６７ｂ及び第２側面６７ｃ（上面及び下面）は導波路軸ＷＧ１の方向に延在する。ストライプメサ６７を形成した後に、第１ＳｉＮマスク７１を除去する。
【００７０】
工程Ｓ１０３では、エミッタ及びコンタクトのための再成長を行う。本実施例では、エミッタ及びコンタクトのための再成長をコレクタ及びコンタクトのための再成長に先だって行うけれども、エミッタ及びコンタクトのための再成長に先だってコレクタ及びコンタクトのための再成長を行うことができる。図１２の（ａ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１２の（ｂ）部は、図１２の（ａ）部に示されたＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線に沿って取られた断面を示す。図１２の（ａ）部は、図１２の（ｂ）部に示されたＸＩＩａ−ＸＩＩａ線に沿って取られた断面を示す。図１２の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、ストライプメサ６７を形成した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、エミッタ領域を規定する第２ＳｉＮマスク７３をＩｎＰ基板６１の主面６１ａ上に形成する。第２ＳｉＮマスク７３は、ストライプメサ６７の第１部分６７ｄの上面及び側面にエミッタ領域を形成できるような開口７３ａを有する。第２ＳｉＮマスク７３を形成した後に、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ及びＳｉドープＩｎＰ層７９ｂを順に選択成長すると共に、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、ストライプメサ６７の第１部分６７ｄの上面及び側面、並びに第２エリア６１ｃと第３エリア６１ｄ上の下部光学クラッド層６３ａ上に、エミッタ領域のための第１ＲＤＧ半導体領域７５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。エミッタ選択成長の後に、第２ＳｉＮマスク７３を除去する。
【００７１】
工程Ｓ１０４では、コレクタ及びコンタクトのための再成長を行う。図１２の（ｃ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１２の（ｄ）部は、図１２の（ｃ）部に示されたＸＩＩｄ−ＸＩＩｄ線に沿って取られた断面を示す。図１２の（ｃ）部は、図１２の（ｄ）部に示されたＸＩＩｃ−ＸＩＩｃ線に沿って取られた断面を示す。図１２の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、エミッタ領域の再成長の後に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、コレクタ領域を規定する第３ＳｉＮマスク７７をＩｎＰ基板６１の主面６１ａ上に形成する。第３ＳｉＮマスク７７は、ストライプメサ６７の第２部分６７ｅの上面及び側面にコレクタ領域を形成できるような開口７７ａを有する。第３ＳｉＮマスク７７を形成した後に、コレクタ領域のために、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層８５ａ及びＳｉドープＩｎＰ層８５ｂを順に選択成長すると共に、ＳｉドープＩｎＰ層８５ｂ上にコンタクト層のためのＳｉドープＩｎＧａＡｓ層８７を成長して、ストライプメサ６７の第２部分６７ｅの上面及び側面、並びに第２エリア６１ｃと第３エリア６１ｄ上の下部光学クラッド層６３ａ上に、コレクタ領域のための第２ＲＤＧ半導体領域８５を形成する。ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層８５ａ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。コレクタ選択成長の後に、第３ＳｉＮマスク７７を除去して、半導体生産物を形成する。半導体生産物では、ストライプメサ６７の第１部分６７ｄの上面及び側面にエミッタ領域が形成され、ストライプメサ６７の第２部分６７ｅ及び（第４部分）の上面及び側面にコレクタ領域が形成される。ストライプメサ６７の第３部分６７ｆ及び第５部分６７ｇの上面及び側面には、エミッタ領域及びコレクタ領域のいずれも成長されない。ストライプメサ６７の第３部分６７ｆ及び第５部分６７ｇは、電気的絶縁のための分離溝として形成される。
【００７２】
工程Ｓ１０５では、パッシベーション膜の成長を行う。図１３の（ａ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１３の（ｂ）部は、図１３の（ａ）部に示されたＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ線に沿って取られた断面を示す。図１３の（ａ）部は、図１３の（ｂ）部に示されたＸＩＩＩａ−ＸＩＩＩａ線に沿って取られた断面を示す。図１３の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、エミッタ領域及びコレクタ領域を再成長により形成した後に、エミッタ開口８９ａ及びコレクタ開口８９ｂを有する保護膜８９を形成する。例えば、半導体生産物の全面にＳｉＮ膜を気相成長法により成長すると共に、フォトグラフィを用いてＳｉＮ膜上にマスク９１を形成する。このマスク９１は、ストライプメサ６７の第１部分６７ｄのエミッタ領域上にエミッタ開口８９ａ、及びストライプメサ６７の第２部分６７ｅのコレクタ領域上にコレクタ開口８９ｂを有する。エッチングによりＳｉＮ膜を加工して、ＳｉＮの保護膜８９を得る。エッチングの後にマスク９１を除去する。
【００７３】
工程Ｓ１０６では、電極の形成を行う。図１３の（ｃ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１３の（ｄ）部は、図１３の（ｃ）部に示されたＸＩＩＩｄ−ＸＩＩＩｄ線に沿って取られた断面を示す。図１３の（ｃ）部は、図１３の（ｄ）部に示されたＸＩＩＩｃ−ＸＩＩＩｃ線に沿って取られた断面を示す。図１３の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、保護膜８９を形成した後に、エミッタ電極９３ａ及びコレクタ電極９３ｂを形成する。エミッタ電極９３ａ及びコレクタ電極９３ｂの形成は、例えばリフトオフマスクを形成すると共に、エミッタ電極９３ａ及びコレクタ電極９３ｂのための金属膜をリフトオフマスク上に成長する。リフトオフマスクを除去してエミッタ電極９３ａ及びコレクタ電極９３ｂを形成する。必要な場合には、ＩｎＰ基板６１の裏面を研磨した後に裏面金属膜９３ｃを形成するようにしてもよい。このように作製された基板生産物から、劈開によりレーザバーを形成する。
【００７４】
図１４及び図１５を参照しながら、別の製造方法の概要を説明する。
【００７５】
工程Ｓ１０１においてエピタキシャル基板を形成した後に、工程Ｓ２０１では、レーザ導波路のための半導体メサを形成する。図１４の（ａ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１４の（ｂ）部は、図１４の（ａ）部に示されたＩＸＶｂ−ＩＸＶｂ線に沿って取られた断面を示す。図１４の（ａ）部は、図１４の（ｂ）部に示されたＩＸＶａ−ＩＸＶａ線に沿って取られた断面を示す。図１４の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、下部半導体積層６９の主面６９ａ上に半導体メサを形成するための第１ＳｉＮマスク７２を形成する。第１ＳｉＮマスク７２を用いて下部半導体積層６９をエッチングして、Ｚ軸の方向に延在するストライプメサ６８を形成する。ストライプメサ６８は、下部光学クラッド層６３ａ及び超格子構造６５ａを含む。ストライプメサ６８の形成により、超格子構造６５ａには、第１側面６５ｂ及び第２側面６５ｃが与えられる。また、超格子構造６５ａは、第１側面６５ｂ及び第２側面６５ｃに加えて、上面６５ｄ、下面６５ｅ及び第３側面６５ｆを備える。半導体メサの形成では、主面６１ａの第２エリア６１ｃ及び第３エリア６１ｄ上の下部半導体積層６９がエッチングされると共に、主面６１ａの第１エリア６１ｂ上に形成される。詳細には、ストライプメサ６８は、第１エリア６１ｂ上の下部半導体積層６９も部分的に除去されて、ストライプメサ６８は、素子区画の境界から離れた位置において終端する。超格子構造６５ａには、第３側面６５ｆが与えられる。ストライプメサ６８にも側面６８ｆが与えられる。ストライプメサ６８は、上面６８ａ、導波路軸の方向に延在する第１側面６８ｂ及び第２側面６８ｃを備える。ストライプメサ６８を形成した後に、第１ＳｉＮマスク７２を除去する。
【００７６】
工程Ｓ２０２では、エミッタのための再成長を行う。図１４の（ｃ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１４の（ｄ）部は、図１４の（ｃ）部に示されたＩＸＶｄ−ＩＸＶｄ線に沿って取られた断面を示す。図１４の（ｃ）部は、図１４の（ｄ）部に示されたＩＸＶｃ−ＩＸＶｃ線に沿って取られた断面を示す。図１４の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、ストライプメサ６８を形成した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、エミッタ領域を規定する第２ＳｉＮマスク７４をＩｎＰ基板６１の主面６１ａ上に形成する。第２ＳｉＮマスク７４は、ストライプメサ６８の第１部分６８ｄの上面及び側面にエミッタ領域を形成できるような開口７４ａを有する。第２ＳｉＮマスク７４を形成した後に、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ及びＳｉドープＩｎＰ層７９ｂを順に選択成長すると共に、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、ストライプメサ６７の第１部分６７ｄの上面及び側面、並びに第２エリア６１ｃと第３エリア６１ｄ上の下部光学クラッド層６３ａ上に、エミッタ領域のための第１ＲＤＧ半導体領域７６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。エミッタ選択成長の後に、第２ＳｉＮマスク７４を除去する。
【００７７】
工程Ｓ２０３では、パッシベーション膜の成長を行う。図１５の（ａ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１５の（ｂ）部は、図１５の（ａ）部に示されたＸＶｂ−ＸＶｂ線に沿って取られた断面を示す。図１５の（ａ）部は、図１５の（ｂ）部に示されたＸＶａ−ＸＶａ線に沿って取られた断面を示す。図１５の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、エミッタ領域を再成長により形成した後に、エミッタ開口９０ａ及びコレクタ開口９０ｂを有する保護膜９０を形成する。例えば、半導体生産物の全面にＳｉＮ膜を気相成長法により成長すると共に、フォトグラフィ及びエッチングを用いてＳｉＮ膜上にマスク９２を形成する。このマスク９２は、ストライプメサ６７の第１部分６８ｄ上にエミッタ開口９０ａを有すると共に、ストライプメサ６８の第２部分６８ｅ及び第１エリア６１ｂにおける下部光学クラッド層６３ａのＩｎＰ上にコレクタ開口９０ｂを有する。エッチングによりＳｉＮ膜を加工して、ＳｉＮの保護膜９０を得る。エッチングの後にマスク９２を除去する。
【００７８】
工程Ｓ２０４では、電極の形成を行う。図１５の（ｃ）部は、導波路軸ＷＧ１に沿って取られた断面を示し、図１５の（ｄ）部は、図１５の（ｃ）部に示されたＸＶｄ−ＸＶｄ線に沿って取られた断面を示す。図１５の（ｃ）部は、図１５の（ｄ）部に示されたＸＶｃ−ＸＶｃ線に沿って取られた断面を示す。図１５の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、保護膜９０を形成した後に、エミッタ電極９４ａ及びコレクタ電極９４ｂ（金属電極）を形成する。エミッタ電極９４ａ及びコレクタ電極９４ｂの形成は、例えばリフトオフマスクを形成すると共に、エミッタ電極９４ａ及びコレクタ電極９４ｂのための金属膜をリフトオフマスク上に成長する。成長後にリフトオフマスクを除去して、エミッタ電極９４ａ及びコレクタ電極９４ｂを形成する。必要な場合には、ＩｎＰ基板６１の裏面を研磨した後に裏面金属膜９４ｃを形成するようにしてもよい。このように作製された基板生産物から、劈開によりレーザバーを形成する。
【００７９】
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】
【００８０】
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】
【００８１】
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、２１…量子井戸構造、２３…第１半導体領域、２５…第２半導体領域、ＭＳ…半導体メサ、ＲＤＧ…リッジ構造。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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