(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。【解決手段】半導体レーザは、基板の主面に交差する第１軸の方向に前記基板の前記主面上において配列された複数の量子井戸構造を含み、上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前記第１軸の方向に延在する金属電極と、を備える。前記金属電極は、前記発光領域の前記側面に電気的に接続されている。【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、
基板の主面に交差する第１軸の方向に前記基板の前記主面上において配列された複数の量子井戸構造を含み、上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前記第１軸の方向に延在する金属電極と、
を備え、
前記金属電極は、前記発光領域の前記側面に電気的に接続されている、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】
前記第１半導体領域に接触を成すエミッタ電極と、
前記発光領域の前記上面上に設けられ開口を有する高比抵抗層と、
を更に備え、
前記第１半導体領域は、前記高比抵抗層の前記開口を介して前記発光領域に接触を成し、
前記第１半導体領域は、前記高比抵抗層に到達する溝を有し、
前記金属電極は、前記第１半導体領域の側面上に設けられる、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。
【請求項６】
前記基板の裏面上に設けられた裏面電極を更に備え、
前記基板は導電性を有し、
前記金属電極は、前記基板に電気的に接続される、請求項１〜請求項５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、基板の主面に交差する第１軸の方向に前記基板の前記主面上に配列された複数の量子井戸構造を含み、上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前記第１軸の方向に延在する金属電極と、を備え、前記金属電極は、前記発光領域の前記側面に電気的に接続されている。
【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。
【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。
【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）基板の主面に交差する第１軸の方向に前記基板の前記主面上において配列された複数の量子井戸構造を含み、上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前記第１軸の方向に延在する金属電極と、を備え、前記金属電極は、前記発光領域の前記側面に電気的に接続されている。
【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、発光領域の上面を介して発光領域にキャリアを提供する。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、量子井戸構造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、発光領域の側面を介して金属電極に流れ込む。
【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は、前記第１半導体領域に接触を成すエミッタ電極と、前記発光領域の前記上面上に設けられ開口を有する高比抵抗層と、を更に備え、前記第１半導体領域は、前記高比抵抗層の前記開口を介して前記発光領域に接触を成し、前記第１半導体領域は、前記高比抵抗層に到達する溝を有し、前記金属電極は、前記第１半導体領域の側面上に設けられる。
【００２０】
この半導体レーザによれば、金属電極は、発光領域の側面と第１半導体領域の側面との境界を越えて発光領域の側面から第１半導体領域の側面に延在でき、発光領域からキャリアを受けることができる。第１半導体領域の溝は、金属電極をエミッタ電極から絶縁することを可能にする。
【００２１】
具体例に係る半導体レーザは、前記基板の裏面上に設けられた裏面電極を更に備え、前記基板は導電性を有し、前記金属電極は、前記基板に電気的に接続される。
【００２２】
この半導体レーザによれば、金属電極は、導電性の基板を介して裏面電極に接続される。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、金属電極１９とを備える。基板１３は主面１３ａを有する。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、図２に示されるように、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、量子井戸構造２１のための単位セル１５ａを含む。発光領域１５における複数の単位セル１５ａ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）の方向に配列される。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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、主面１３ａ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）の方向に出射面及び反射面の一方から他方まで延在する。
【００２８】
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上に設けられる。本実施例では、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３は第１導電性を有する。
【００２９】
金属電極１９は、発光領域１５の少なくともいずれか一方の側面（１５ｂ、１５ｃ）上に設けられ、第１軸Ａｘ１の方向に延在する。金属電極１９は、発光領域１５の側面（１５ｂ、１５ｃ）上に設けられると共に、発光領域１５の側面（１５ｂ、１５ｃ）に電気的に接続される。本実施例では、金属電極１９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上の金属電極１９と第３エリア１３ｄ上の金属電極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上の金属電極１９をエミッタ領域１７から離すことができる。
【００３０】
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。金属電極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。発光領域１５によって金属電極１９に提供されるキャリアの導電型は、エミッタ領域１７の半導体から発光領域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つの金属電極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を介して金属電極１９に流れる。
【００３１】
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、発光領域１５の側面（１５ｂ、１５ｃ）を介して金属電極１９に流れ込む。
【００３２】
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の半導体の屈折率は、発光領域１５の屈折率より小さく、発光領域１５及びエミッタ領域１７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、金属電極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（上記のキャリア）を発光領域１５から受ける。
【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を備え、必要な場合には、基板１３の裏面１３ｅ上に裏面電極３１ｃを設けることができる。第１電極３１ａ及び裏面電極３１ｃは、それぞれ、エミッタ領域１７及び金属電極１９に電気的に接続されており、具体的には、それぞれ、エミッタ領域１７の第１導電型半導体及び第１導電型半導体の基板１３の裏面１３ｆ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、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発光領域１５の上面からメサ構造ＭＳ上の第１電極３１ａを隔置できる。大きな横幅の発光領域１５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エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上の金属電極１９を隔置できる。半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、発光領域１５の側面（１５ｂ、１５ｃ）から離れた発光領域１５の中央部分に、エミッタ領域１７からキャリアを供給するために、電流狭窄構造２５の電流アパチャー２５ａを有している。
【００３４】
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上の金属電極１９は、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列される。また、電流アパチャー２５ａは、発光領域１５の上面１５ｄにおいて第３軸Ａｘ３の方向に延在する。発光領域１５の量子井戸構造２１にわたってエミッタ領域１７から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金属電極１９に流れ込む。この半導体レーザ１１は、発光に際して、単極性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及び金属電極１９の配置は、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電圧を低減可能である。
【００３５】
半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、基板１３の主面１３ａ上に設けられた下部光学クラッド層２９を備えることができる。下部光学クラッド層２９は、第１エリア１３ｂにおいて、エミッタ領域１７のための半導体積層及び発光領域１５を含むメサ構造ＭＳを搭載する。下部光学クラッド層２９は、発光領域１５の下面と基板１３との間に位置しており、良好な導電性を有する。金属電極１９は、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上において下部光学クラッド層２９に接触を成す。下部光学クラッド層２９は、金属電極１９を介して発光領域１５からのキャリアを受ける。下部光学クラッド層２９が発光領域１５の下面１５ｅに接触を成すけれども、発光領域１５からのキャリアは、金属電極１９を介して下部光学クラッド層２９に至る経路を流れる。下部光学クラッド層２９は、本実施例では、第１半導体領域２３と同じ導電型を有することができる。また、発光領域１５からのキャリアは、金属電極１９、下部光学クラッド層２９、及び導電性の基板１３を介して裏面電極３１ｄに至る。
【００３６】
エミッタ領域１７の屈折率（又は平均屈折率）及び下部光学クラッド層２９の屈折率は、発光領域１５の平均屈折率より小さい。また、電流アパチャー２５ａ領域の平均屈折率はその外側の領域の平均屈折率よりも大きい。発光領域１５、エミッタ領域１７、及び下部光学クラッド層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、縦方向には、エミッタ領域１７及び下部光学クラッド層２９によって光学的に閉じ込めされ、横方向には、発光領域１５内の電流アパチャー２５ａ領域内に光学的に閉じ込めされる。
【００３７】
エミッタ領域１７は、高比抵抗層（２７、２６ｂ）の開口を介して発光領域１５の上面１５ｄ上に接続される。高比抵抗層（２７、２６ｂ）は、エミッタ領域１７と発光領域１５との間に設けられる。
【００３８】
図１を参照しながら、半導体レーザ１１の具体的な構造を説明する。
【００３９】
（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、下部光学クラッド層２９、発光領域１５及び電流狭窄構造２５を順に搭載する。電流狭窄構造２５は、上部光学クラッド層２７、エミッタ領域１７、第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄを含み、上部光学クラッド層２７は、開口２７ａを有する。上部光学クラッド層２７の開口２７ａ、第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄは、第１軸Ａｘ１の方向に延在する。本実施例では、金属電極１９は、メサ構造ＭＳの側面に接して第１軸Ａｘ１の方向に延在しており、発光領域１５の側面（１５ｂ、１５ｃ）に加えて、エミッタ領域１７（３５ａ、３５ｂ）及びコンタクト層２８ａのための半導体層の側面に接触を成す。この延在により、金属電極１９が、発光領域１５の側面（１５ｂ、１５ｃ）の全体にわたって接触を成すことを可能にする。エミッタ領域１７のための半導体層が上部光学クラッド層２７上及び開口２７ａ内に設けられ、第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄ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、上部光学クラッド層２７内において終端する。エミッタ領域１７及びコンタクト層２８ａのための半導体層は導電性を有しており、上部光学クラッド層２７の半導体は、高比抵抗又は半絶縁性を有する。上部光学クラッド層２７に到達する第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄは、リッジ構造ＲＤＧを規定すると共に、リッジ構造ＲＤＧ内の導電性のエミッタ領域１７及びコンタクト層２８ａから、メサ構造ＭＳの側面に接触を成す金属電極１９を絶縁できる。リッジ構造ＲＤＧの側面、並びに第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄの側面及び底面は、絶縁性被覆膜３７によって覆われる。具体的には、電流狭窄構造２５では、第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄが、リッジ構造ＲＤＧを第１テラス２５ｅ及び第２テラス２５ｆから隔置することができる。メサ構造ＭＳの側面は、第１テラス２５ｅ及び第２テラス２５ｆの側面、及び発光領域１５の側面を含み、第１テラス２５ｅ及び第２テラス２５ｆの側面、及び発光領域１５の側面上に金属電極１９が設けられる。第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄは、コレクタ領域に含まれる金属電極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。絶縁性被覆膜３７は、リッジ構造ＲＤＧの側面、並びに第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄの側面及び底面に加えて、金属電極１９上に設けられる。第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上の金属電極１９が下部光学クラッド層２９の上面及び側面上に設けられて、金属電極１９は、これらの半導体領域に接触を成す。本実施例では、基板１３は、導電性を有して、発光領域１５からのキャリアに経路を提供する。キャリアは、導電性の基板１３を介して裏面電極３１ｃに到達する。
【００４０】
（第２構造）
半導体レーザ１１ｂを説明する。基板１３の主面１３ａの第１エリア１３ｂは、下部光学クラッド層２９、発光領域１５及び電流狭窄構造２５を順に搭載する。電流狭窄構造２５は、コンタクト層２８ａ、エミッタ領域１７、第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄを含み、更に、第１構造の上部光学クラッド層２７に替えて酸化物狭窄構造２６を含む。酸化物狭窄構造２６は、アパーチャー半導体領域２６ａ及び絶縁性酸化物領域２６ｂを含む。発光領域１５の上面１５ｄは、アパーチャー半導体領域２６ａ及び絶縁性酸化物領域２６ｂに接触を成し、発光領域１５の上面１５ｄの内側部分上にアパーチャー半導体領域２６ａが延在し、内側部分の両側に位置する外側部分上にそれぞれの絶縁性酸化物領域２６ｂが延在する。絶縁性酸化物領域２６ｂの一方、アパーチャー半導体領域２６ａ、及び絶縁性酸化物領域２６ｂの他方は、第２軸Ａｘ２の方向に配列される。この配列は、金属電極１９を搭載する発光領域１５の側面（１５ｃ、１５ｃ）から離れた発光領域１５の内側にキャリアを注入することを可能にする。第１電極３１ａからのキャリアは、アパーチャー半導体領域２６ａを介して発光領域１５に到達する。アパーチャー半導体領域２６ａは、製造工程における酸化を可能にする高Ａｌ組成の半導体からなり、この酸化工程により高Ａｌ組成の半導体が酸化されて、絶縁性酸化物領域２６ｂが形成される。高Ａｌ組成の半導体は、発光領域１５のバンドのレベルに対して高いバンドのレベルを提供でき、エミッタの観点において、高いレベルから発光領域１５にキャリアを注入すること可能にする。
【００４１】
酸化物狭窄構造２６のアパーチャー半導体領域２６ａ及び絶縁性酸化物領域２６ｂ、第１溝２５ｃ並びに第２溝２５ｄは、第３軸Ａｘ３の方向に延在する。具体的には、第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄは、コンタクト層２８ａ及びエミッタ領域１７のための半導体積層内を第１軸Ａｘ１の方向に延在して酸化物狭窄構造２６の絶縁性酸化物領域２６ｂに到達する。
【００４２】
本実施例では、金属電極１９は、メサ構造ＭＳの側面に接して第１軸Ａｘ１の方向に延在しており、発光領域１５の側面（１５ｂ、１５ｃ）に加えて、エミッタ領域１７及びコンタクト層２８ａのための半導体層の側面に接触を成す。この延在により、金属電極１９が、発光領域１５の側面（１５ｂ、１５ｃ）の全体にわたって接触を成すことを可能にする。第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄは、アパーチャー半導体領域２６ａ上ではなく、絶縁性酸化物領域２６ｂ上に位置する。
エミッタ領域１７及びコンタクト層２８ａのための半導体層は導電性を有しており、絶縁性酸化物領域２６ｂは、高い絶縁性を有する。第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄは絶縁性酸化物領域２６ｂに到達して、第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄの底面は絶縁性酸化物領域２６ｂからなる。第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄは、リッジ構造ＲＤＧを規定すると共に、リッジ構造ＲＤＧ内の導電性のエミッタ領域１７及びコンタクト層２８ａから、メサ構造ＭＳの側面に接触を成す金属電極１９を絶縁することができる。リッジ構造ＲＤＧの側面、並びに第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄの側面及び底面は、絶縁性被覆膜３７によって覆われる。具体的には、電流狭窄構造２５は、第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄによってリッジ構造ＲＤＧから隔置される第１テラス２５ｅ及び第２テラス２５ｆを含むことができる。メサ構造ＭＳの側面は、第１テラス２５ｅ及び第２テラス２５ｆの側面並びに発光領域１５の側面を含み、第１テラス２５ｅ及び第２テラス２５ｆの側面、及び発光領域１５の側面上に金属電極１９が設けられる。第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄは、コレクタ領域に含まれる金属電極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。絶縁性被覆膜３７は、リッジ構造ＲＤＧの側面、並びに第１溝２５ｃ及び第２溝２５ｄの側面及び底面に加えて、金属電極１９上に設けられる。第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上の金属電極１９が下部光学クラッド層２９の上面及び側面上に設けられて、金属電極１９は、これらの半導体領域に接触を成す。本実施例では、基板１３は、導電性を有して、発光領域１５からのキャリアに経路を提供する。キャリアは、導電性の基板１３を介して裏面電極３１ｃに到達する。
【００４３】
（第３構造）
必要な場合には、第１構造は、第１エリア１３ｂ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と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を有する半導体を含む。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。
【００４４】
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。
金属電極１９：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ。
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。
アパーチャー半導体領域２６ａ：ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成９５％）。
絶縁性酸化物領域２６ｂ：ＩＩＩ族酸化物（例えば、アルミニウム酸化物）。
上部光学クラッド層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。
メサ構造ＭＳの幅：１５マイクロメートル。
メサ構造ＭＳの高さ：１．０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。
上部光学クラッド層２７（電流ブロック層）：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。
下部光学クラッド層２９：１マイクロメートル。
【００４５】
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に読み替えできる。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。エミッタ領域１７の伝導帯レベルＥ１７から注入された電子は、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。この遷移のエネルギーが、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からコレクタ領域の金属電極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。
【００５０】
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が生成される。これに対して、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。
【００５１】
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、コレクタ領域の金属電極１９に流れ込む。
【００５２】
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。
【００５３】
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成長して、例えばＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの積層を形成することができる。この追加の半導体層は、ヘテロ障壁を低減でき、より低電圧での駆動を実現する。
【００５４】
（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（２１ｄ）とを備えることが良い。障壁層（２１ｄ）は、障壁層（２１ｃ）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（２１ｄ）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（２１ｄ）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。
【００５５】
（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。
【００５６】
（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（図１の「Ｌ１」）：５００マイクロメートル。
エミッタ領域の開口幅（図１の「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。
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のモデルでは、コレクタ電極における電子流密度は、深さ方向に大きく違わない。
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、エミッタ電極直下あたりに分布している。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。３ケタ程度の電気伝導率比では、電子は十分に下方まで分布する。
【００５７】
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を積層することに起因して動作電圧が上昇することなく、量子井戸構造２１を並列に多重化すること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が無く、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。
【００５８】
本実施形態の構造は、多段の量子井戸間にカスケードのための注入層を備える量子カスケード半導体レーザと異なって、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（コレクタ電極）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、素子の動作電圧が大幅に低減される。
【００５９】
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縦続的な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。この構造は、本実施形態に係る半導体レーザを他のデバイスと集積すること、本実施形態に係る半導体レーザをアレ状に配列することといった集積素子を可能になる。さらに、本実施形態に係る半導体レーザは、キャリア注入層を含まないため、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をインラインで評価可能になって、製造時間の短縮、コストの低減に寄与する。
【００６０】
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Ｖｂ（エミッタに高電位を印加するバイアス）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。
【００６１】
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、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１５ａ内に落ち込む。発光領域１５の外側に向けて単位セル１５ａ内を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。
【００６２】
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Ｖｂ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の配列からなる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。図５の（ｃ）部は、単位セル１５ａ及び発光領域１５における準位Ｅ４を示す。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１８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）。
【００６３】
図６の（ｂ）部に示されるように、外部バイアスＶｂ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、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１５ａ内に落ち込む。単位セル１５ａ内をコレクタ領域の金属電極１９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、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、第１半導体積層６９が形成される。
【００６５】
図７の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０２では、エミッタのための開口を規定する第１ＳｉＮマスク７１を第１半導体積層６９の主面６９ａ上に形成する。第１ＳｉＮマスク７１を用いて、電流ブロック及び上部光学クラッド層のためのＩｎＰ層６７をエッチングして、電流ブロック層６７ａをＩｎＰ層６７から形成する。電流ブロック層６７ａは、エミッタのための開口６７ｃを有し、開口６７ｃには、超格子構造６５の上面が現れている。エッチングの後に、第１ＳｉＮマスク７１を除去する。
【００６６】
図７の（ｃ）部に示されるように、工程Ｓ１０３では、エッチングにより開口６７ｃを形成した後に、エミッタ領域のために、電流ブロック層６７ａの上面及び側面、開口６７ｃ、及び超格子構造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、エミッタ領域及びコンタクト層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６７ａ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。この再成長により、開口６７ｃは埋め込まれて、実質的に平坦な表面を有する第２半導体積層７３を含む半導体生産物が形成される。
【００６７】
図８の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０４では、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、第２半導体積層７３の主面７３ａ上にストライプ及びコレクタを形成するための第２ＳｉＮマスク７７を形成する。第２ＳｉＮマスク７７を用いて第２半導体積層７３をエッチングして、Ｚ軸の方向に延在するストライプ構造７５を形成する。ストライプ構造７５は、下部光学クラッド層６３ａ、超格子構造６５ａ及び電流ブロック層６７ａを含む。
【００６８】
図８の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０５では、第２ＳｉＮマスク７７を除去することなく、金属電極のための金属膜を基板全面に堆積して、ストライプ構造７５の上面を除く領域、具体的には、第２ＳｉＮマスクの上面、第２半導体積層７３の側面及び下部光学クラッド層６３ａの上面を金属膜８５で覆う。リフトオフ法のために第２ＳｉＮマスク７７を除去して、金属膜８５が第２半導体積層７３の側面及び下部光学クラッド層６３ａの上面に残される。
【００６９】
図９の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０６では、金属膜８５を形成した後に、エミッタ領域を金属電極から電気的に分離するための第３ＳｉＮマスク８７をＩｎＰ基板６１上に形成する。第３ＳｉＮマスク８７は、ストライプ構造７５の上面に、第１溝及び第２溝のためのそれぞれのストライプ開口８７ａ、８７ｂを有する。第３ＳｉＮマスク８７を用いて、ストライプ構造７５をエッチングして、ストライプ構造７５の上面から電流ブロック層６７ａに到達する第１溝８９ａ及び第２溝８９ｂを形成する。第１溝８９ａ及び第２溝８９ｂは、Ｚ軸の方向に延在して、ストライプ構造７５の側面における導電性の半導体（ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａの側面、ＳｉドープＩｎＰ層７９ｂの側面、及びＳｉドープＩｎＧａＡｓ層８１の側面）を含む第１テラス８９ｃ及び第２テラス８９ｄからリッジ構造ＲＤＧのエミッタ領域８９ｅを分離する。金属膜８５は、ストライプ構造７５の側面における導電性の半導体（ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａの側面、ＳｉドープＩｎＰ層７９ｂの側面、及びＳｉドープＩｎＧａＡｓ層８１の側面）に接触を成す。エッチングの後に、第３ＳｉＮマスク８７を除去する。
【００７０】
図９の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０７では、エミッタ領域８９ｅを含む半導体領域を形成した後に、ＩｎＰ基板６１の全面にＳｉＮ保護膜９１を形成すると共に、エミッタ領域８９ｅの上面上のＳｉＮ保護膜９１にコンタクト開口９１ａを形成する。エミッタ領域８９ｅ上に電極金属を蒸着により形成してｎ−電極９３ａを形成する。ＩｎＰ基板６１の裏面を裏面研磨すると共に、所望の厚さを有するＩｎＰ基板６１の裏面に裏面電極９３ｂを形成する。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。
【００７１】
図１０及び図１１を参照しながら、製造方法の概要を説明する。図１０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、酸化狭窄のための高Ａｌ組成の化合物半導体６２を成長する。化合物半導体６２は、例えばＡｌＧａＡｓ及び／又はＡｌＩｎＡｓを備えることができ、これらのＡｌ組成は０．９より大きい。化合物半導体６２上にエミッタのためのＳｉドープＩｎＰ層６４を成長する。ＳｉドープＩｎＰ層６４の上に、コンタクト層のためのＳｉドープＩｎＧａＡｓ層８１を成長する。これらの成長により、半導体積層８２が形成される。
【００７２】
図１０の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ２０２では、半導体積層８２の主面８２ａ上に、ストライプ構造のための第１ＳｉＮマスク６６を形成する。第１ＳｉＮマスク６６を用い半導体積層８２をエッチングしてストライプ構造６８を形成する。ストライプ構造６８は、下部光学クラッド層６３ａ、超格子構造６５ａ、高Ａｌ組成化合物半導体６２ａ、ＳｉドープＩｎＰ層６４ａ及びコンタクト層８１ａを含む。
【００７３】
図１０の（ｃ）部に示されるように、工程Ｓ２０３では、第１ＳｉＮマスク６６を残したまま、ストライプ構造６８を酸化雰囲気に曝して、ストライプ構造６８内の高Ａｌ組成化合物半導体６２ａから酸化狭窄構造７０を形成する。酸化狭窄構造７０は、半導体アパ−チャー領域７０ａ及び酸化物領域７０ｂを含み、半導体アパ−チャー領域７０ａは、ストライプ構造６８の側面から延在する酸化物領域７０ｂに囲まれる。ストライプ構造６８の幅は、例えば１５マイクロメートルであり、半導体アパ−チャー領域７０ａの幅は、例えば５マイクロメートルである。酸化工程の後に、第１ＳｉＮマスク６６を除去する。半導体アパ−チャー領域７０ａは、超格子構造６５ａのバンドレベルに比べて高いバンドレベルを有しており、このバンドレベルの差は、半導体アパ−チャー領域７０ａから超格子構造６５ａへのキャリア注入を良好にする。
【００７４】
図１１の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ２０４では、エミッタ電極７２ａ及びコレクタ電極７２ｂを形成する。この電極の形成は、リフトオフにより行われる。エミッタ電極７２ａ及びコレクタ電極７２ｂのための開口を有するレジストマスクを形成する。レジストマスクは、ストライプ構造６８の上面に設けられエミッタ電極のための開口を規定するパターンを有し、このパターンは、ストライプ構造６８の上面を延在する一対のレジスト領域を有する。レジストマスクは、ストライプ構造６８の上面の中央部にエミッタ電極のための第１開口と、ストライプ構造６８の上面の縁部からストライプ構造６８の側面を経由して下部光学クラッド層６３ａの表面に至る第２開口とを有する。レジストマスクを形成した後に、エミッタ電極７２ａ及びコレクタ電極７２ｂのための金属膜を堆積する。エミッタ電極７２ａは、ストライプ構造６８の上面においてＺ軸の方向に延在するストライプ形状を有する。コレクタ電極７２ｂは、ストライプ構造６８の上面、上面の縁及び側面、並びに下部光学クラッド層６３ａの表面を覆うように、エミッタ電極７２ａから離れて、Ｚ軸の方向に延在する。
【００７５】
図１１の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ２０５では、エミッタ電極７２ａ及びコレクタ電極７２ｂを形成した後に、ＩｎＰ基板６１上にパッシベーション膜７４を形成する。パッシベーション膜７４は、例えばＳｉＮ膜を含み、エミッタ電極７２ａ上に第１開口７４ａを有すると共に、ストライプ構造６８の上面においてストライプ構造６８の上面の縁及び第１開口７４ａから離れて設けられた一対の第２開口７４ｂを有する。パッシベーション膜７４を形成した後に、硫酸／過酸化水素水／水の混合エッチャントを用いてストライプ構造６８をエッチングする。第１開口７４ａに現れるエミッタ電極７２ａはエッチングされずに、第２開口７４ｂに現れる半導体が選択的にエッチングされて、酸化狭窄構造７０の酸化物領域７０ｂに到達する第１溝７６ａ及び第２溝７６ｂが形成される。第１溝７６ａ及び第２溝７６ｂの形成により、酸化狭窄構造７０の上側の半導体領域は、第１テラス７６ｃ、第２テラス７６ｄ及びエミッタ領域７６ｅに分離される。
【００７６】
図１１の（ｃ）部に示されるように、工程Ｓ２０６では、第１溝７６ａ及び第２溝７６ｂの側面及び底面並びに及びコレクタ電極７２ｂを覆う保護膜７８（例えば、ＳｉＮ膜）を形成する。保護膜７８は、エミッタ電極７２ａ上に開口７８ａを有する。保護膜７８を形成した後に、ＩｎＰ基板６１の裏面を裏面研磨する共に、所望の厚さを有するＩｎＰ基板６１の裏面に裏面電極９３ｂを形成する。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。
【００７７】
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】
【００７８】
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】
【００７９】
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…金属電極、２１…量子井戸構造、２３…第１半導体領域、２５…電流狭窄構造。
【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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