(57)【要約】【課題】ｐｎ接合面の部分的な屈曲による抵抗の変化を低減可能な面発光半導体レーザを提供する。【解決手段】面発光半導体レーザ１１では、活性層１７は、第１のＤＢＲ１３と第２のＤＢＲ１５との間に設けられる。トンネル接合領域１９は、第２のＤＢＲ１５と活性層１７との間に設けられる。トンネル接合領域１９は、第２導電型半導体層２３および第１導電型半導体層２５を含み、第２導電型半導体層２３および第１導電型半導体層２５はトンネル接合ＴＪを成す。第２導電型半導体層２３は第１導電型半導体層２５と活性層１７との間に設けられる。電流ブロック層２１は、第１導電型半導体層２５の主面２５ａ上に部分的に設けられ、また電流閉じ込めのための開口を有する。第１のＤＢＲ１３、活性層１７、トンネル接合ＴＪおよび第２のＤＢＲ１５は、軸Ａｘに沿って配列される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体からなる第１の分布ブラッグリフレクタと、
第２の分布ブラッグリフレクタと、
前記第１の分布ブラッグリフレクタと前記第２の分布ブラッグリフレクタとの間に設けられた活性層と、
前記第２の分布ブラッグリフレクタと前記活性層との間に設けられており第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むトンネル接合領域と、
前記第１導電型半導体層の主面上に部分的に設けられており電流閉じ込めのための開口を有する電流ブロック層と、
を備え、
前記第２導電型半導体層は前記第１導電型半導体層と前記活性層との間に設けられている、ことを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項２】
前記電流ブロック層は、前記第１導電型半導体層に接合を形成する半絶縁性半導体から成る、ことを特徴とする請求項１に記載された面発光半導体レーザ。
【請求項３】
前記電流ブロック層は、前記第１導電型半導体層にｐｎ接合を形成する第２導電型半導体から成る、ことを特徴とする請求項１に記載された面発光半導体レーザ。
【請求項４】
前記電流ブロック層の前記開口を介して前記第１導電型半導体層に接合を成しており前記電流ブロック層上に設けられた第１導電型埋め込み層を更に備え、
前記第１導電型埋め込み層は、前記電流ブロック層と接合を成し、
前記電流ブロック層の屈折率は前記第１導電型埋め込み層の屈折率より小さい、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された面発光半導体レーザ。
【請求項５】
前記トンネル接合領域は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有しており、
前記電流ブロック層は、前記第１のエリア上に位置する第１の部分と、前記第２のエリアの上に部分的に位置する第２の部分とを含み、
前記第１の部分は前記第２の部分から隔置されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された面発光半導体レーザ。
【請求項６】
前記トンネル接合領域は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有しており、
前記電流ブロック層は、前記第２のエリア上に位置しており、
前記第１のエリアの平面形状の外形において、二次元直交座標系の第１の軸の方向の最大長は前記二次元直交座標系の第２の軸の方向の最大長と異なる、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された面発光半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＩｎＰ系面発光型レーザダイオードが記載されている。このＩｎＰ系面発光型レーザダイオードによれば、高歩留まりで製造することが可能であり、横方向のビームプロファイルを横方向の導波（路）によって広範囲に調整可能である。
【特許文献１】特表２００６−５１４４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１では、電流経路のための開口を有するｎ型電流ブロック層上に、トンネル接合領域が設けられているので、トンネル接合領域のｐｎ接合面の一部が屈曲している。このため、トンネル接合領域のｐｎ接合面が電界の向きに対して、垂直または平行ではない部分が存在する。故に、実効的なトンネル接合面積が小さくなる。トンネル接合面積のサイズは素子抵抗に関係しており、小さい接合面積による素子抵抗の上昇は、レーザの光出力低減だけでなく高温動作時の特性を劣化させる。
【０００４】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、ｐｎ接合面の部分的な屈曲による抵抗の変化を低減可能な面発光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】
【０００５】
本発明に係る一側面に係る面発光半導体レーザは、（ａ）第１導電型半導体からなる第１の分布ブラッグリフレクタと、（ｂ）第２の分布ブラッグリフレクタと、（ｃ）前記第１の分布ブラッグリフレクタと前記第２の分布ブラッグリフレクタとの間に設けられた活性層と、（ｄ）前記第１の分布ブラッグリフレクタと前記活性層との間に設けられており第１導電型半導体層および第２導電型半導体層を含むトンネル接合領域と、（ｅ）前記第１導電型半導体層の主面上に部分的に設けられており電流閉じ込めのための開口を有する電流ブロック層とを備え、前記第２導電型半導体層は前記第１導電型半導体層と前記活性層との間に設けられている。
【０００６】
この面発光半導体レーザによれば、電流ブロック層は、電流閉じ込めのための開口を有するので、開口の縁に段差が形成される。電流ブロック層をトンネル接合領域上に設けたので、トンネル接合領域が、段差のある電流ブロック層上に形成されない。このため、この段差に起因して、ｐｎ接合面の部分的な屈曲が生じにくい。電流ブロック層により電流の閉じ込めが可能であり、またトンネル接合領域によりキャリアの変換が可能である。
【０００７】
本発明に係る面発光半導体レーザでは、前記電流ブロック層は、前記第１導電型半導体層に接合を形成する半絶縁性半導体から成ることができる。この面発光半導体レーザでは、半絶縁性半導体により電流のブロックが可能になる。電流ブロック層の開口にキャリアが導かれる。
【０００８】
本発明に係る面発光半導体レーザでは、前記電流ブロック層は、前記第１導電型半導体層にｐｎ接合を成す第２導電型半導体から成ることが好ましい。この面発光半導体レーザでは、ｐｎｐ構造またはｎｐｎ構造により、電流のブロックが可能になる。
【０００９】
本発明に係る面発光半導体レーザは、前記電流ブロック層の前記開口を介して前記第１導電型半導体層に接合を成しており前記電流ブロック層上に設けられた第１導電型埋め込み層を更に備えることができる。前記第１導電型埋め込み層は、前記電流ブロック層と接合を成し、前記電流ブロック層の屈折率は前記第１導電型埋め込み層の屈折率より小さいことが好ましい。この面発光半導体レーザによれば、屈折率差により導波路構造を制御可能である。
【００１０】
本発明に係る面発光半導体レーザでは、前記トンネル接合領域は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有しており、前記電流ブロック層は、前記第１のエリア上に位置する第１の部分と、前記第２のエリアの上に部分的に位置する第２の部分とを含み、前記第１の部分は前記第２の部分から隔置されていることができる。この面発光半導体レーザによれば、電流ブロック層の第１の部分が第１のエリア上に位置するので、レーザビームの形状または偏光方向の調整が可能になる。
【００１１】
本発明に係る面発光半導体レーザでは、前記トンネル接合領域は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有しており、前記電流ブロック層は、前記第２のエリア上に位置しており、前記第１のエリアの平面形状において、二次元直交座標系の第１の軸の方向の最大長は前記二次元直交座標系の第２の軸の方向の最大長と異なることができる。この面発光半導体レーザによれば、レーザビームの偏光を調整することができる。
【００１２】
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】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、ｐｎ接合面の部分的な屈曲による抵抗の変化を低減可能な面発光半導体レーザが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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、本発明の面発光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。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザを概略的に示す図面である。面発光半導体レーザ１１は、第１の分布ブラッグリフレクタ（第１のＤＢＲ）１３と、第２の分布ブラッグリフレクタ（第２のＤＢＲ）１５と、活性層１７と、トンネル接合領域１９と、電流ブロック層２１とを備える。第１のＤＢＲ１３は、交互に配列された第１および第２の半導体層１３ａ、１３ｂを含んでおり、また第１導電型半導体からなる。活性層１７は、第１のＤＢＲ１３と第２のＤＢＲ１５との間に設けられている。トンネル接合領域１９は、第２のＤＢＲ１５と活性層１７との間に設けられている。トンネル接合領域１９は、第２導電型半導体層２３および第１導電型半導体層２５を含んでおり、第２導電型半導体層２３および第１導電型半導体層２５はトンネル接合ＴＪを成す。第２導電型半導体層２３は第１導電型半導体層２５と活性層１７との間に設けられている。電流ブロック層２１は、第１導電型半導体層２５の主面２５ａ上に部分的に設けられており、また電流閉じ込めのための開口を有する。詳述すれば、トンネル接合領域１９の主面１９ａは、第１およびと第２のエリア１９ｂ、１９ｃを含み、第１のエリア１９ｂは第２のエリア１９ｃを囲む。第１のＤＢＲ１３、活性層１７、トンネル接合ＴＪおよび第２のＤＢＲ１５は、軸Ａｘに沿って配列されている。
【００１６】
この面発光半導体レーザ１１によれば、トンネル接合領域１９によりキャリアの変換が可能である。また、電流閉じ込めのための開口を有する電流ブロック層２１をトンネル接合領域１９上に設けたので、ｐｎ接合面ＴＪの部分的な屈曲が生じない。このため、電流ブロック層２１の開口に位置するトンネル接合のほぼ全体がキャリア経路として役立つと共に、電流ブロック層２１により電流の閉じ込めが可能である。
【００１７】
一例の面発光半導体レーザでは、電流ブロック層２１は、第１導電型半導体層２５に接合を成す半絶縁性半導体から成ることができる。半絶縁性半導体により電流のブロックが可能になる。また、この面発光半導体レーザは、電流ブロック層２１上に設けられた第１導電型埋め込み層２７を更に備えることができる。第１導電型埋め込み層２７は、電流ブロック層２１の開口を介して第１導電型半導体層２５に接合ＪＮＮを成す。第１導電型埋め込み層２７は、電流ブロック層と接合Ｊ１、Ｊ２を成す。この面発光半導体レーザによれば、キャリアは、電流ブロック層２１の開口内の第１導電型埋め込み層２７を介して第１導電型半導体層２５に到達する。例えば、第１導電型半導体層２５がｎ導電性を示すとき、半絶縁性の電流ブロック層２１は、トンネル接合領域１９の第１導電型半導体層２５と第１導電型埋め込み層２７との間に設けられ、また半絶縁性の電流ブロック層２１に正孔が流れるように電界が印加されない。具体的には、トンネル接合領域１９および活性層１７が実質的に平坦であるので、アノードとカソードとの間に印加された電圧により電界が、トンネル接合領域１９のトンネル接合ＴＪにほぼ垂直に加わる。
【００１８】
或いは、別の例の面発光半導体レーザでは、電流ブロック層２１は、第２導電型半導体から成ることが好ましい。この面発光半導体レーザでは、ｐｎｐ構造またはｎｐｎ構造により、電流のブロックが可能になる。また、この面発光半導体レーザは、第１導電型埋め込み層２７を更に備えることができる。第１導電型埋め込み層２７は、電流ブロック層２１の開口を介して第１導電型半導体層２５に接合ＪＮＮを成す。第１導電型埋め込み層２７は、電流ブロック層２１上に設けられており、第１導電型埋め込み層２７と電流ブロック層２１とはｐｎ接合Ｊ１、Ｊ２を成し、第１導電型埋め込み層２５は、第２導電型の電流ブロック層２１とｐｎ接合Ｊ３を成す。この面発光半導体レーザによれば、キャリアは、電流ブロック層２１の開口内の第１導電型埋め込み層２７を介して第１導電型半導体層２５に到達する。第２導電型の電流ブロック層２１は、トンネル接合領域１９の第１導電型半導体層２５によって第２導電型半導体層２３から隔置される。電流閉じ込めは、第１導電型の半導体層２５、第２導電型の電流ブロック層２１、第１導電型の埋め込み層２７により形成されたｐｎ接合により達成される。
【００１９】
活性層１７は、例えば量子井戸構造を有することができ、活性層１７は、井戸層１７ａおよび障壁層１７ｂを含む。しかしながら、活性層１７の構造は、この構造に限定されるものではない。第１のＤＢＲ１３と第２のＤＢＲ１５は光共振器を構成しており、活性層１７からの光はこの共振器によりレーザ発振する。このレーザ光Ｌは、第２のＤＢＲ１５を介して出射される。
【００２０】
面発光半導体レーザ１１は、第１のスペーサ層２９および第２のスペーサ層３１を含むことができる。第１のスペーサ層２９は、活性層１７とトンネル接合領域１９との間に設けられており、また、第２導電型のIII−Ｖ化合物半導体からなる。第２のスペーサ層３１は、活性層１７と第１のＤＢＲ１３との間に設けられており、また、第１導電型のIII−Ｖ化合物半導体からなる。活性層１７へは、第１および第２のスペーサ層２９、３１からキャリアが供給される。
【００２１】
面発光半導体レーザ１１では、第１導電型埋め込み層２７の主面２７ａは、第１、第２および第３のエリア２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを含み、第１および第３のエリア２７ｂ、２７ｄは第２のエリア２７ｃを囲む。第３のエリア２７ｄは第１のエリア２７ｂと第２のエリア２７ｃとの間に位置する。第１導電型埋め込み層２７の第２のエリア２７ｃ上には、第２のＤＢＲ１５が設けられている。第２のＤＢＲ１５は、例えば誘電体からなることができる。一例の第２のＤＢＲ１５では、第１の誘電体層１５ａおよび第２の誘電体層１５ｂが交互に配列されている。第１導電型埋め込み層２７の第１のエリア２７ｂ上には、第１の電極３５（例えば、アノード）が設けられている。
【００２２】
面発光半導体レーザ１１は、導電性の基板３３を含む。基板３３としては、半導体基板を用いることができる。基板３３の主面３３ａ上には、第１のＤＢＲ１３等を搭載している。基板３３の裏面３３ｂ上には、第２の電極３７（例えば、カソード）が設けられている。
【００２３】
（実施例）
引き続いて、本実施の形態に係る一実施例の作製法を説明する。作製法における結晶成長は、例えば有機金属気相成長法で行われた。リアクタにｎ型ＧａＡｓ基板をセットした。ｎ型ＧａＡｓ基板上に第１のＤＢＲを形成した。第１のＤＢＲのために、３２対のＳｉ添加ＧａＡｓ／Ｓｉ添加Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓを成長した。次いで、ｎ型スペーサ層を第１のＤＢＲ上に形成した。ｎ型スペーサ層はＳｉ添加のＧａＡｓなる。ｎ型スペーサ層上に、活性層を成長した。活性層は、３個のＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ井戸層を含む。活性層上には、ｐ型スペーサ層を形成した。ｐ型スペーサ層は炭素添加のＧａＡｓなる。ｐ型スペーサ層上には、ｐ＋＋半導体層を成長した後にｎ＋＋半導体層を成長して、トンネル接合領域を形成した。トンネル接合領域は、ｐ＋＋／ｎ＋＋接合を含んでおり、例えば炭素添加ＩｎＧａＡｓ／Ｓｉ添加ＩｎＧａＡｓからなる。続けて、トンネル接合領域上に、ｐ型電流ブロック層のためのIII−Ｖ化合物半導体膜を成長した。
【００２４】
一旦、リアクタからエピタキシャルウエハを取り出して、フォトリソグラフィーによって直径１０μｍの円形開口をもつレジストマスクを形成した。つづいて、このマスクを用いて、ウェットエッチングによりレジストの開口部に位置するｐ型電流ブロック層を部分的に除去した。ウエハを洗浄したあとに、ウエハを再びリアクタに投入した。この後に、開口を有するｐ型電流ブロック層上に、ｎ型埋め込み層を成長した。ｎ型埋め込み層はＳｉ添加ＧａＡｓからなる。次に、ＧａＡｓ基板の裏面全面に電極を形成すると共に、ｎ型埋め込み層上に、光取り出しのための開口を有する電極を形成した。開口は、例えば、直径３０μｍの円形である。最後に、第２のＤＢＲを作製した。この第２のＤＢＲは、７対のＴｉＯ２／ＳｉＯ２を成膜した後に、電極上の誘電体積層膜をリフトオフで除去することにより形成された。
【００２５】
この面発光レーザの構造では、電流ブロック層の開口領域を通して活性層にキャリアが注入される。この構造では、直列抵抗が２０Ωであった。この値は、文献の面発光レーザの直列抵抗値５０Ωに比べて大幅に低減された。これは、トンネル接合ＴＪが平坦に形成されているのでＴＪ接合面に対して電界が垂直に印加されるからである。また、電流ブロック層の開口に位置するトンネル接合面に均一に電流が流れたからである。換言すれば、トンネル接合の実効面積が、設計的に規定されるサイズに近づき大きくなったことによって、素子抵抗を低減できた。本構造において、電流ブロック層と埋め込み層が異なる材料で形成されても特性に影響はなく、電流ブロック層が半絶縁半導体で形成されていても良い。また、電流ブロック層の膜厚に制限はない。
【００２６】
特許文献１に記載された面発光半導体レーザでは、トンネル接合の接合面が電界の向きに対して、垂直または平行ではない部分が存在する。このため、実効的なトンネル接合面積が小さくなり素子抵抗が上昇してしまう。素子抵抗の上昇はレーザの光出力低減や高温動作時の特性劣化を招く。一方、本実施の形態に係る面発光レーザの構造では、このような特性劣化が低減される。
【００２７】
図２（ａ）は、図１に示された面発光半導体レーザにおけるI−I線に沿った断面を示す図面である。面発光半導体レーザ１１では、電流ブロック層２１の開口（円形）に埋め込み層２７が形成されている。トンネル接合領域１９には、埋め込み層２７を介してキャリアが供給される。開口の断面形状（円形）の幾何学的対称性を反映するように、活性層にはキャリアが注入される。このため、開口の断面形状（円形）の幾何学的対称性を反映したビームプロファイルが得られる。
【００２８】
面発光半導体レーザにおいて、電流ブロック層２１の開口は、上記の例に限定されるものではない。例えば、トンネル接合領域１９の主面１９ａにおいて、電流ブロック層２１は、第１のエリア１９ｂ上に位置する第１の部分２１ａと、第２のエリア１９ｃ上に位置する第２の部分２１ｂとを含むことができる。第１の部分２１ａは第２の部分２１ｂから隔置されている。電流ブロック層２１の第２の部分２１ｂが第２のエリア１９ｃ上に位置するので、レーザビームの形状の調整が可能になる。図２（ｂ）は、図１に示された面発光半導体レーザの変形例におけるI−I線に沿った断面を示す図面である。例えば、変形例の面発光半導体レーザ１１ａでは、電流ブロック層２１の開口（ドーナッツ形状）に埋め込み層２７が形成されている。トンネル接合領域１９には、埋め込み層２７を介してキャリアが供給される。開口の断面形状（円形）の幾何学的対称性を反映するように、活性層にはキャリアが注入される。このため、開口の断面形状（円形）の幾何学的対称性を反映したビームプロファイルが得られる。具体的に説明すれば、電流が発光領域の中心に注入されないので、基本モードの発振が抑制されてドーナツ型の発光パターンを得ることができる。ドーナツ型の発光はガウス型の発光と直交するモードであるので、多重マルチモードファイバ伝送に有効である。
【００２９】
また、面発光半導体レーザ１１では、電流ブロック層２１（例えば、ＧａＩｎＰ）の屈折率は第１導電型埋め込み層２７（例えば、ＧａＡｓ）の屈折率より小さくすれば、屈折率差により導波路構造を制御可能である。電流ブロック層２７は、トンネル接合領域１９の第２のエリア１９ｃ上に位置している。第１のエリア１９ｂの平面形状の外周において、二次元直交座標系Ｓの第１の軸（Ｘ軸）の方向の最大間隔Ｌ１が二次元直交座標系Ｓの第２の軸（Ｙ軸）の方向の最大間隔Ｌ２と異なることができる。この面発光半導体レーザによれば、レーザビームの偏光を調整することができる。
【００３０】
ｐ型ＧａＩｎＰからなる電流ブロック層上およびその開口内にＳｉ添加ＧａＡｓ埋め込み層を成長することができる。開口の平面形状が、例えば図３（ａ）、図３（ｂ）および図３（ｃ）に示されるように、異方性をもつ形状（たとえば楕円、長方形）であるとき、偏光制御が可能である。これはＧａＩｎＰ電流ブロック層とＧａＡｓ埋め込み層の屈折率が異なることで、直交する偏光モード間の利得差に異方性が生まれることによる。
【００３１】
また、開口の平面形状が、例えば図３（ｂ）および図３（ｄ）に示されるように、周期性を有するとき、特定モードのみが存在する導波構造が形成できる。このため、例えば、基本モードの高出力化も可能である。
【００３２】
これらの機能は、電流ブロック層の屈折率と埋め込み層の屈折率が互いに異なれば実現可能であるので、上記の例示材料（ＧａＡｓおよびＧａＩｎＰの組み合わせ）に限定されるものではない。このために、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓ等も用いるもとができる。
【００３３】
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。また、本実施の形態では、ＧａＡｓ系の半導体を用いる面発光半導体レーザについて例示的に説明しているけれども、ＩｎＰ系の半導体を用いる面発光半導体レーザにも適用できる。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。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本実施の形態に係る面発光半導体レーザを概略的に示す図面である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示された面発光半導体レーザにおけるI−I線に沿った断面を示す図面である。図２（ｂ）は、図１に示された面発光半導体レーザの変形例におけるI−I線に沿った断面を示す図面である。
【図３】図３は、図１に示された面発光半導体レーザの変形例におけるI−I線に沿った断面を示す図面である。
【符号の説明】
【００３５】
１１…面発光半導体レーザ、１３…第１の分布ブラッグリフレクタ（第１のＤＢＲ）、１５…第２の分布ブラッグリフレクタ（第２のＤＢＲ）、１７…活性層、１７ａ…井戸層、１７ｂ…障壁層、１９…トンネル接合領域、１９ａ…トンネル接合領域の主面、１９ｂ、１９ｃ…第１およびと第２のエリア、２１…電流ブロック層、２３…第２導電型半導体層、２５…第１導電型半導体層、ＴＪ…トンネル接合、ＪＮＮ…接合、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３…接合、２７…第１導電型埋め込み層、２９…第１のスペーサ層、３１…第２のスペーサ層、２７ａ…埋め込み層の主面、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ…埋め込み層のエリア、３３…基板、３５…第１の電極、３７…第２の電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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