(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延在する半導体メサと、発光領域の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、発光領域の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、発光領域は複数の量子井戸構造を含み、量子井戸構造は、基板の主面に交差する第１軸の方向に配列され、第２半導体領域及び発光領域は、基板の主面に沿って導波路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、
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延在する半導体メサと、
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第１導電性を有する第２半導体領域と、
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、
前記第２半導体領域及び前記発光領域は、前記基板の前記主面に沿って前記導波路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】
前記半導体メサの側面上に設けられた絶縁膜を更に備え、
前記絶縁膜は、前記発光領域、前記第１半導体領域及び前記第２半導体領域の側面を覆う、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】
前記半導体メサの側面を覆う半導体埋込領域を更に備え、
前記半導体埋込領域は半絶縁性を有する、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。発明者の知見によれば、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延在する半導体メサと、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第１導電性を有する第２半導体領域と、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、前記第２半導体領域及び前記発光領域は、前記基板の前記主面に沿って前記導波路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、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５】図５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。
【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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
引き続き、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延在する半導体メサと、（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第１導電性を有する第２半導体領域と、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、前記第２半導体領域及び前記発光領域は、前記基板の前記主面に沿って前記導波路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、前記半導体メサの側面上に設けられた絶縁膜を更に備え、前記絶縁膜は、前記発光領域、前記エミッタ領域及び前記コレクタ領域の側面を覆う。
【００２０】
半導体レーザによれば、半導体メサの側面を覆う絶縁膜は、発光領域の上面を介して発光領域に提供されたキャリアを導波路軸の方向に導くと共に、半導体メサを導波する光をガイドする。
【００２１】
具体例に係る半導体レーザは、前記半導体メサの側面を覆う半導体埋込領域を更に備え、前記半導体埋込領域は半絶縁性を有する。
【００２２】
半導体レーザによれば、半導体メサの側面上の半導体埋込領域は、発光領域の上面を介して発光領域に提供されたキャリアを導波路軸の方向に導くと共に、半導体メサを導波する光をガイドする。
【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及び図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。具体的には、図１の（ａ）部は、半導体レーザを示す平面図である。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（ａ）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（ａ）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の（ａ）部は、半導体レーザを示す平面図である。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２の（ｄ）部は、図２の（ａ）部に示されたＩＩｄ−ＩＩｄ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発光領域の構造を示す図面である。図１を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ１１ａ（１１）が示されており、図２を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ１１ｂ（１１）が示されている。半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）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。
【００２５】
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、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。発光領域１５及びコレクタ領域１９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Ｚ軸）の方向に配列される。発光領域１５は、基板１３の主面１３ａ上に設けられる。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２軸Ａｘ２の方向に配列されており、また第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Ｘ軸）の方向に延在する。発光領域１５は、第１エリア１３ｂ上において、第２軸Ａｘ２（導波路軸）の方向に延在する。発光領域１５は、第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、上面１５ｄ、下面１５ｅ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇを有する。また、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、図３に示されるように、量子井戸構造２１のための複数の単位セル１５ａを含み、単位セル１５ａは、第１軸Ａｘ１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。本実施形態に係る半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、基板１３の主面１３ａ上において導波路軸の方向に延在する半導体メサＭＳを含み、半導体メサＭＳは発光領域１５及びコレクタ領域１９を備える。半導体メサＭＳにおいて、発光領域１５はエミッタ領域１７を搭載する。
【００２６】
エミッタ領域１７は、第１導電性を有する第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、更に発光領域１５の第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇ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（及び第３半導体領域）が、第２エリア１３ｃ（及び第３エリア１３ｄ）上に設けられ、第２半導体領域２５、発光領域１５及び第３半導体領域は、半導体メサＭＳ内において導波路軸の方向に順に配列される。第２半導体領域２５及び第３半導体領域は、共にコレクタ領域１９のために設けられ、引き続く説明は、第２半導体領域２５を参照しながら行われる。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。
【００２７】
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（第１端面）及び第２側面１５ｃ（第２端面）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。
【００２８】
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（例えば、第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃの少なくともいずれか一方）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、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（例えば、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。
【００２９】
発光領域１５及びエミッタ領域１７は、基板１３の主面１３ａ上において発光領域１５に沿って第２軸Ａｘ２の方向に延在し、また、第２エリア１３ｃ（必要な場合には、第３エリア１３ｄ）上のコレクタ領域１９及び発光領域１５は、基板１３の主面１３ａ上において第２軸Ａｘ２の方向に配列される。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（上記キャリア）を発光領域１５から受ける。
【００３０】
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。下位のエネルギー準位の単極性キャリアは、導波路軸の方向にドリフトしてコレクタ領域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及びコレクタ領域１９の配列は、発光に際して、単極性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。
【００３１】
図１及び図２に示されるように、発光領域１５及びコレクタ領域１９は、第２軸Ａｘ２の方向に延在する半導体メサＭＳ内に設けられ、発光領域１５及びエミッタ領域１７は、第１エリア１３ｂにおいて半導体メサＭＳ内に設けられることができる。半導体メサ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、半導体メサ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は半導体メサ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。
【００３２】
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、半導体メサＭＳの発光領域１５を搭載し、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄにおいて半導体メサＭＳのコレクタ領域１９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。
【００３３】
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、光閉じ込めに寄与する。第１光学クラッド層２７は、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。
【００３４】
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、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、縦方向には、エミッタ領域１７及び第１光学クラッド層２７と第２光学クラッド層２９とによって光学的に閉じ込めされる。
【００３５】
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上に金属膜３１ｃを備えることができる。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半導体メサＭＳの上面から第１電極３１ａ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層を単位セルとした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）：５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。
半導体メサＭＳの幅：５マイクロメートル。
半導体メサＭＳの高さ：３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。
共振器の長さ：５００マイクロメートル。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。注入されたキャリアは、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。
【００４１】
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。
【００４２】
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の方向わたって、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。
【００４３】
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。
【００４４】
必要な場合には、エミッタ領域のＩｎＰとＡｌＩｎＡｓ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。コレクタ領域のＩｎＰとＧａＩｎＡｓ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成長して、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。
【００４５】
再び図１及び図２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。第２光学クラッド層２９は、半導体メサＭＳを搭載する。具体的には、第２光学クラッド層２９は、基板１３の主面１３ａの第１エリア１３ｂ上において、発光領域１５及び第１光学クラッド層２７を順に搭載し、また第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上においてコレクタ領域１９を搭載する。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から隔置する。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。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。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。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３１ｃを設けることができる。
【００４６】
（第１構造）
図１を参照しながら、半導体レーザ１１ａを説明する。半導体レーザ１１ａは、半導体メサＭＳを埋め込む埋込半導体領域３７を備えることができる。半導体メサＭＳの側面は、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄにおいて埋込半導体領域３７によって覆われる。具体的には、埋込半導体領域３７は、第１エリア１３ｂにおいては、半導体メサＭＳ内の発光領域１５、第１光学クラッド層２７、エミッタ領域１７及びコンタクト層２８ａを埋め込み、また第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄにおいては、半導体メサＭＳ内のコレクタ領域１９を埋め込む。埋込半導体領域３７は、遷移金属を添加した半絶縁性ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備えることができ、例えば鉄ドープＩｎＰを含む。埋込半導体領域３７は、発光領域１５の平均屈折率より低い屈折率を有しており、横方向の光閉じ込めに寄与する。
【００４７】
（第２構造）
図２を参照しながら、半導体レーザ１１ｂを説明する。半導体レーザ１１ｂは、半導体メサＭＳの側面を覆う絶縁膜３９を備えることができる。半導体メサＭＳの側面及び上面は、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄにおいて絶縁膜３９によって覆われる。絶縁膜３９は、発光領域１５、エミッタ領域１７（第１半導体領域２３）及びコレクタ領域１９（第２半導体領域２５）の側面を覆う。具体的には、絶縁膜３９は、第１エリア１３ｂにおいては、半導体メサＭＳ内の発光領域１５、第１光学クラッド層２７、エミッタ領域１７及びコンタクト層２８ａの側面を覆い、また第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄにおいては、半導体メサＭＳ内のコレクタ領域１９の側面を覆う。絶縁膜３９は、ＳｉＮといったシリコン系無機絶縁膜を含むことができる。絶縁膜３９の厚さは、例えば０．２マイクロメートルである。絶縁膜３９は、発光領域１５の平均屈折率より低い屈折率を有しており、横方向の光閉じ込めに寄与する。
【００４８】
（第３構造）
第１構造及び第２構造においては、必要な場合には、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３に示される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。
【００４９】
コレクタ領域１９は、半導体メサＭＳの側面（１５ｂ及び／又は１５ｃ）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３に示される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）を有する半導体を含む。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。
【００５０】
（実施例１）
図４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１５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。
【００５１】
（実施例２）
図５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。
【００５２】
（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。
シミュレーションによる数値実験により、このような構造のデバイスに電子を発光領域に注入した際の電子分布を見積もる。
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。本実施形態の構造は、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を多重に積層する構造を採用する。しかし、本実施形態の構造における動作機構によれば、単位セルの積層の数と共に増大する電圧上昇が発生せず、レーザ素子の動作電圧を低減できる。
【００５５】
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り、また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。このような電極の配列により、本実施形態の半導体レーザと他のデバイスとの集積化、及び本実施形態の半導体レーザのアレー化といった応用が可能となる。さらに、実施形態の半導体レーザはキャリア注入層を含まないので、エピ成長において発光層のエピ層厚を薄くできると共にエピ成長後にフォトルミネッセンスといった非破壊の光学特性をインラインで評価でき、これらは、製造時間の短縮、及びコストの低減に寄与する。
【００５６】
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、発光領域１５及びエミッタ領域１７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、発光領域１５及びエミッタ領域１７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。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。
【００５７】
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、様々な単位セル内に落ち込む。高いエネルギー準位（Ｅ３）上のキャリアは、単位セル内をコレクタ領域にドリフトしなが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。
【００５８】
図７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７の（ａ）部は、発光領域１５及びエミッタ領域１７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７の（ｂ）部は、発光領域１５及びエミッタ領域２２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７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が、図７の（ｃ）部に示される。図７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）。
【００５９】
図７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、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。
【００６０】
図８から図１２を参照しながら、製造方法の概要を説明する。図８の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０１では、結晶成長によりエピタキシャル基板を作成する。図８の（ｂ）部は、図８の（ａ）部に示されたＶＩＩＩｂ−ＶＩＩＩｂ線に沿って取られた断面を示す。図８の（ａ）部は、図８の（ｂ）部に示されたＶＩＩＩａ−ＶＩＩＩａ線に沿って取られた断面を示す。具体的には、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。
【００６１】
図８の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、工程Ｓ１０２では、選択成長のためのエリアを形成する。図８の（ｄ）部は、図８の（ｃ）部に示されたＶＩＩＩｄ−ＶＩＩＩｄ線に沿って取られた断面を示す。図８の（ｃ）部は、図８の（ｄ）部に示されたＶＩＩＩｃ−ＶＩＩＩｃ線に沿って取られた断面を示す。具体的には、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。
【００６２】
図９の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０３では、選択成長を行う。図９の（ｂ）部は、図９の（ａ）部に示されたＩＸｂ−ＩＸｂ線に沿って取られた断面を示す。図９の（ａ）部は、図９の（ｂ）部に示されたＩＸａ−ＩＸａ線に沿って取られた断面を示す。具体的には、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い。
【００６３】
図９の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、工程Ｓ１０４では、電流狭窄構造を形成する。図９の（ｄ）部は、図９の（ｃ）部に示されたＩＸｄ−ＩＸｄ線に沿って取られた断面を示す。図９の（ｃ）部は、図９の（ｄ）部に示されたＩＸｃ−ＩＸｃ線に沿って取られた断面を示す。具体的には、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（６５ｂ、６５ｃ）から離れている。
【００６４】
図１０の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０５では、再成長を行う。図１０の（ｂ）部は、図１０の（ａ）部に示されたＸｂ−Ｘｂ線に沿って取られた断面を示す。図１０の（ａ）部は、図１０の（ｂ）部に示されたＸａ−Ｘａ線に沿って取られた断面を示す。具体的には、第２ＳｉＮマスク７７を除去した後に、エミッタ領域のために、コレクタ領域７５及び電流ブロック層６７ｂの上面及び側面、開口６７ｃ、並びに発光領域６５ａの上面上にエミッタ領域７９及びコンタクト層のためのＳｉドープＩｎＧａＡｓ層８１を順に成長して、エミッタのための半導体積層８３を形成する。ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層８１はエミッタ領域７９を覆う。エミッタ領域７９は、発光領域６５ａの上面上に順に成長されたＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ及びＳｉドープＩｎＰ層７９ｂを含む。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。
【００６５】
図１０の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、工程Ｓ１０６では、半導体メサを形成する。図１０の（ｄ）部は、図１０の（ｃ）部に示されたＸｄ−Ｘｄ線に沿って取られた断面を示す。図１０の（ｃ）部は、図１０の（ｄ）部に示されたＸｃ−Ｘｃ線に沿って取られた断面を示す。具体的には、ＩｎＰ基板６１上の半導体積層８３上に、半導体メサ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、発光領域６５ａ及び電流ブロック層のためのＩｎＰ層６７ａを含む半導体積層、並びにエミッタ領域７９（ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ及びＳｉドープＩｎＰ層７９ｂ）並びにコンタクト層を含む半導体積層をエッチングして、半導体メサＭＳのためのストライプ構造８７を形成する。ストライプ構造８７は、導波路軸（Ｚ軸）の方向に配列された発光領域６５ｄ及びコレクタ領域７５ｄを含む。また、ストライプ構造８７は、電流ブロック層６７ｄ、発光領域６５ｄ及びコレクタ領域７５ｄ上に設けられたＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ、ＳｉドープＩｎＰ層７９ｂ及びコンタクト層８１ｄを含み、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ、ＳｉドープＩｎＰ層７９ｂ及びコンタクト層８１ｄは、電流ブロック層６７ｄ、発光領域６５ｄ及びコレクタ領域７５ｄ上を導波路軸（Ｚ軸）の方向に延在する。ストライプ構造８７は、エミッタ領域７９ｄ、発光領域６５ｄ及び電流ブロック層６７ｄの幅を規定する側面８７ａ、８７ｂを含む。側面８７ａ、８７ｂは、それぞれ、発光領域６５ｄの側面６５ｅ、６５ｆ及び電流ブロック層６７ｄの側面６７ｅ、６７ｆを含む。
【００６６】
図１１の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０７では、再成長を行う。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。具体的には、エッチングの後に、第３ＳｉＮマスク８５を除去することなく、埋込領域８９でストライプ構造８７を埋め込むように埋込領域８９を成長する。埋込領域８９は、例えばＦｅドープＩｎＰといった半絶縁性の半導体を備えることができ、平坦な埋込領域８９がストライプ構造８７の側面８７ａ、８７ｂ、具体的には、発光領域６５ｄの側面６５ｅ、６５ｆ及び電流ブロック層６７ｄの側面６７ｅ、６７ｆを覆う。再成長の後に、第３ＳｉＮマスク８５を除去する。
【００６７】
図１１の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、工程Ｓ１０８では、コレクタ開口を形成する。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。具体的には、第３ＳｉＮマスク８５を除去した後に、第４ＳｉＮマスク９１を形成する。第４ＳｉＮマスク９１は、エミッタ半導体の形状及びコレクタ半導体への開口を規定する。第４ＳｉＮマスク９１を用いて、エミッタ領域７９ｄ及びコンタクト層８１ｄをエッチングして、コレクタ領域７５ｄに到達する開口をエミッタ領域７９ｄに形成する。エッチングの後において、コレクタ領域７５ｄの表面及び電流ブロック層６７ｄの表面の一部がエミッタ領域７９ｄの開口に現れ、エミッタ領域７９ｄが、電流ブロック層６７ｄの開口６７ｃ内の発光領域６５ｄ、及び電流ブロック層６７ｄの表面の一部を覆う。このエッチングにより、エミッタ半導体及びコレクタ半導体が互いに分離される。エッチングの後に、第４ＳｉＮマスク９１を除去する。
【００６８】
図１２の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０９では、パッシベーション膜の成長を行う。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。具体的には、第４ＳｉＮマスク９１を除去した後に、ＳｉＮ膜９３を気相成長法で形成する。フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、エミッタ電極のための第１開口９３ａ及びコレクタ電極のための第２開口９３ｂをＳｉＮ膜９３に形成する。第１開口９３ａは、エミッタ領域７９ｄ上のコンタクト層８１ｄに到達する。第２開口９３ｂは、コレクタ領域７５ｄ上に位置し、コレクタ領域７５ｄに到達する。
【００６９】
図１２の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、工程Ｓ１１０では、電極を形成する。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。具体的には、パッシベーション膜に開口を形成した後に、コレクタ領域７５ｄ及びエミッタ領域７９ｄ上に電極金属を蒸着により形成してｎ−電極９５ａ、９５ｂ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９５ｃを形成することができる。
【００７０】
図１３及び図１４を参照しながら、製造方法の概要を説明する。この製造方法では、工程Ｓ１０５を行った後に、半導体メサの形成に先立って、コレクタ開口のためのマスクを形成する。図１３の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ２０１では、コレクタ開口を形成する。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。具体的には、エミッタの再成長をした後に、第４ＳｉＮマスク９１を形成する。第４ＳｉＮマスク９１は、エミッタ半導体の形状及びコレクタ半導体への開口を規定する。第４ＳｉＮマスク９１の開口は、コレクタ領域７５の表面及び電流ブロック層６７ｄの表面の一部上に位置しており、第４ＳｉＮマスク９１は、電流ブロック層６７ｄの開口６７ｃ内の発光領域６５ｄ、及び電流ブロック層６７ｄの表面の一部上のエミッタ領域７９にを覆う。
【００７１】
図１３の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、工程Ｓ２０２では、コレクタ開口のためのエッチングを行う。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。具体的には、第４ＳｉＮマスク９１を用いて、エミッタ領域７９のＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ及びＳｉドープＩｎＰ層７９ｂ、並びにコンタクト層のＳｉドープＩｎＧａＡｓ層８１をエッチングして、コレクタ領域７５に到達する開口をエミッタ領域７９に形成する。エッチングの後において、ＩｎＰの電流ブロック層６７ｂの表面の一部がエミッタ領域７９の開口に現れ、エミッタ領域７９が、電流ブロック層６７ｂの開口６７ｃ内の発光領域６５ａ、電流ブロック層６７ｂの表面の一部及びコレクタ領域７５の表面を覆う。このエッチングにより、エミッタ半導体及びコレクタ半導体が互いに分離される。エッチングの後に、第４ＳｉＮマスク９１を除去する。
【００７２】
図１４の（ａ）部及び（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ２０３では、半導体メサを形成する。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。具体的には、コレクタ開口を形成した後に、ＩｎＰ基板６１上の半導体積層上に、半導体メサ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、発光領域６５ａ及びＩｎＰ層６７ａを含む半導体積層、並びにエミッタ領域７９（ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ及びＳｉドープＩｎＰ層７９ｂ）及びコンタクト層を含む半導体積層をエッチングして、半導体メサのためのストライプ構造９７を形成する。ストライプ構造９７は、導波路軸（Ｚ軸）の方向に配列された発光領域６５ｄ及びコレクタ領域７５ｄを含む。コレクタ領域７５ｄ上には、エミッタ領域７９ｄの開口が設けられている。また、ストライプ構造９７は、電流ブロック層６７ｄ及び発光領域６５ｄ上に設けられたエミッタ領域７９ｄを含み、エミッタ領域７９ｄは、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ及びＳｉドープＩｎＰ層７９ｂを含み、コンタクト層８１ｄを搭載する。ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７９ａ、ＳｉドープＩｎＰ層７９ｂ及びコンタクト層８１ｄも、発光領域６５ｄ上を導波路軸（Ｚ軸）の方向に延在して、電流ブロック層６７ｄ上において終端する。ストライプ構造９７は、エミッタ領域７９ｄ、発光領域６５ｄ及び電流ブロック層６７ｄの幅を規定する側面９７ａ、９７ｂを含む。側面９７ａ、９７ｂは、それぞれ、発光領域６５ｄの側面６５ｅ、６５ｆ及び電流ブロック層６７ｄの側面６７ｅ、６７ｆを含む。ストライプ構造９７を有する半導体メサを形成した後に、第３ＳｉＮマスク８５を除去する。
【００７３】
図１４の（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、工程Ｓ２０４では、パッシベーション膜の成長を行う。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。具体的には、第３ＳｉＮマスク９１を除去した後に、パッシベーション膜のためのＳｉＮ膜９９といった絶縁膜を気相成長法で形成する。絶縁膜は、発光領域６５ｄ、エミッタ領域７９ｄ及びコレクタ領域７５ｄの側面を覆う。フォトリソグラフ及びエッチングを用いて、エミッタ電極のための第１開口９９ａ及びコレクタ電極のための第２開口９９ｂをＳｉＮ膜９３に形成する。第１開口９３ａは、エミッタ領域７９ｄ上に設けられ、コンタクト層８１ｄに到達する。第２開口９３ｂは、コレクタ領域７５ｄ上に設けられ、コレクタ領域７５ｄに接触を成す。電気接続のための開口をパッシベーション膜に形成した後に、コレクタ領域７５ｄ及びエミッタ領域７９ｄ上に電極金属を蒸着により形成してｎ−電極９５ａ、９５ｂを形成する。必要な場合には、ＩｎＰ基板６１の裏面に金属膜９５ｃを形成することができる。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。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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