(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル接合を有する面発光レーザにおいて、当該トンネル接合が少なくとも、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層とｎ型の導電性を有する第２の半導体層から構成され、
当該第１の半導体層と第２の半導体層の吸収端波長が前記面発光レーザの発振波長より短く、かつ前記第１の半導体層と第２の半導体層により形成されるヘテロ接合界面がタイプIIのヘテロ接合界面を有し、
前記第１の半導体層の伝導帯の下端エネルギー準位が、前記第２の半導体層の伝導帯の下端エネルギー準位よりも高いことを特徴とするトンネル接合面発光レーザ。
【請求項２】
前記ヘテロ接合界面に電子または正孔を捕獲することのできる不純物がドーピングされていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル接合面発光レーザ。
【請求項３】
前記不純物が酸素、クロム、鉄からなる群から選ばれる１種又は２種以上の元素からなることを特徴とする請求項２に記載のトンネル接合面発光レーザ。
【請求項４】
前記ヘテロ接合界面を形成する前記第１の半導体層と第２の半導体層の間に、電子または正孔を捕獲することのできる不純物をドーピングした中間層または欠陥準位のある中間層が挿入されていることを特徴とする請求項１に記載のトンネル接合面発光レーザ。
【請求項５】
前記不純物をドーピングした中間層が酸素またはクロムをドーピングしたＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓからなる群から選ばれる１種又は２種以上の半導体からなることを特徴とする請求項４に記載のトンネル接合面発光レーザ。
【請求項６】
前記欠陥準位のある中間層が砒素または窒素のプレシピテートを含んだＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓからなる群から選ばれる１種又は２種以上の半導体であることを特徴とする請求項４に記載のトンネル接合面発光レーザ。
【請求項７】
前記トンネル接合がＧａＡｓ基板上に形成され且つ、前記ｎ型の導電性を有する第２の半導体層を形成する物質が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂからなる群から選ばれる半導体であり、前記ｐ型の導電性を有する第１の半導体層を形成する物質が、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＳｂからなる群から選ばれる半導体である事を特徴とする請求項１〜６に記載のトンネル接合面発光レーザ。
【請求項８】
前記トンネル接合がＩｎＰ基板上に形成され且つ、前記ｎ型の導電性を有する第２の半導体層を形成する物質が、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＰ，ＩｎＡｓＰからなる群から選ばれる少なくとも１種の半導体であり、前記ｐ型の導電性を有する第１の半導体層を形成する物質が、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＳｂからなる群から選ばれる半導体である事を特徴とする請求項１〜６に記載のトンネル接合面発光レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光レーザに関し、特にトンネル接合によるキャリア反転を用いたトンネル接合面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser:ＶＣＳＥＬ）においては、トンネル接合をＶＣＳＥＬ内の電界強度が０になるいわゆる節になる所に形成することによって、ｐ型半導体多層膜ミラー（Distributed Bragg Reflector:ＤＢＲ）を用いずにｎ型ＤＢＲのみでＶＣＳＥＬを構成することができ、また量子井戸活性層を多数の腹（電界強度が極大になる場所）に配置するいわゆるピリオディックゲイン構造を作製することができる。
これは多重活性層領域型ＶＣＳＥＬとして、キムらによりエレクトロニクス・レター、３５巻、１３号、１０８４−１０８５頁に記載されている。
一般にｎ型ＤＢＲはｐ型ＤＢＲに比べて低ロスで且つ低抵抗になるため、ｎ型ＤＢＲのみでＶＣＳＥＬを作製した場合、低閾値で高温まで発振する高性能な面発光レーザを作製することができる。
またトンネル接合をピリオディックゲイン構造に用いた場合では１つの電子が何度も発光に寄与できるため、高利得でかつ高い量子効率を有する半導体レーザを作製することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまでのトンネル接合は電気的特性が十分ではないために、ＶＣＳＥＬの立ち上がり電圧や抵抗値が高いという問題点があった。
この問題を解決するには、高濃度のドーピングやバンドギャップの小さい材料系を用いることが有効である。例えばラゲイらは、デルタドーピングという手法を用いて高濃度のシリコンｎ型ドーピングを実現し、トンネル特性の向上を示した。（エレクトロニクス・レター、３０巻、１号、８６−８７頁）
また、リチャードらは、ＧａＡｓの代わりにバンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓ層を用いることでトンネル特性の改善を示した。（アプライド・フィジクス・レター、６３巻、２６号、３６１３−３６１５頁）
【０００４】
しかし、トンネル接合とＶＣＳＥＬを組み合わせる場合、トンネル接合を形成する半導体のバンドギャップは、ＶＣＳＥＬの発振波長のエネルギーよりも大きくする必要がある。
なぜなら、トンネル接合を形成する半導体のバンドギャップがＶＣＳＥＬの発振波長のエネルギーよりも小さいと、そこで光が吸収されてロスとなるために、発振しにくくなるからである。このためトンネル接合を形成する半導体のバンドギャップには制限があり、これによりトンネル接合ＶＣＳＥＬのトンネル特性はまだ十分なものではなかった。
【０００５】
従って、本発明は、上記した従来の欠点を改良し、優れたトンネル特性を有するトンネル接合ＶＣＳＥＬを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。
即ち、本発明に係る態様としては、トンネル接合がタイプIIのヘテロ接合界面から成り、更にトンネル特性を向上させるため不純物やコントロールされた欠陥準位が設けられているトンネル接合面発光レーザである。
【０００７】
請求項１に記載のように、本発明のトンネル接合面発光レーザは、トンネル接合がタイプIIのヘテロ接合界面からなっており、逆方向電圧の印加により電子は、ｎ型にドーピングされた第２の半導体層からｐ型にドーピングされた第１の半導体層へトンネルする。
その際のトンネル電流は、第１の半導体層と第２の半導体層で形成されるヘテロ接合界面における遷移エネルギーに大きく（指数関数的に）依存し、この遷移エネルギーが小さいほどトンネル電流は大きくなる。
【０００８】
従来のトンネル接合では、上記に説明したようにトンネル接合を形成する半導体のバンドギャップは、ＶＣＳＥＬの発振波長のエネルギーよりも小さくすることが出来なかったが、本発明によればトンネル接合を正確に電界強度が零となる節の部分に作ることができるため、この遷移エネルギーに対する制限がなくなる。
これにより請求項７，８に記載の材料系を選択すれば、ヘテロ接合界面の遷移エネルギーを小さくすることが可能でトンネル電流を大きくすることが出来る。
【０００９】
また請求項２、４に記載のように、このヘテロ接合界面に電子または正孔を捕獲することのできる不純物やコントロールされた欠陥準位を形成することにより電子のトンネルが更に促進される。
これにより請求項３、５、６に示したような不純物や欠陥準位を形成すれば、ヘテロ接合界面でのトンネル電流を更に大きくすることが出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１に本発明の第１の実施形態としてのトンネル接合面発光レーザの断面構造の一例を示す。本実施形態のトンネル接合面発光レーザ１００は、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体の基板１０１上に、ｎ型半導体の多層反射膜１０２、キャビティ層１１０、ｐ型の半導体層１０６、トンネル接合部１１２、ｎ型半導体の多層反射膜１０７が順次積層形成された構成である。
図１に示すように、ｎ型半導体の多層反射膜１０７の最上面と、ｎ型半導体の多層反射膜１０２の一部が露出した面には、電源と接続するための金属の電極１０９、１０８がそれぞれ設けられて電源１１１に接続されている。
尚、ｎ型半導体の多層反射膜１０２に設けられた金属の電極１０８は、多層反射膜１０７の上面側からトンネル接合部１１２、キャビティ層１１０を通って多層反射膜１０２に達するエッチングを施して多層反射膜１０２の一部を露出させ、この露出された多層反射膜１０２の面上に形成されたものである。
【００１１】
また、電源１１１の正負は、トンネル接合部１１２とキャビティ層１１０の配置関係により決定され、トンネル接合部１１２に近い側が正極、キャビティ層１１０に近い側が負極となる。図１に示すトンネル接合面発光レーザ１００の場合、トンネル接合部１１２に近い側のｎ型の導電性を有する半導体多層膜１０７上に形成された電極１０９側が正極となる。
【００１２】
また、図１に示すトンネル接合面発光レーザ１００では、電流を狭い領域に閉じ込めるための電流狭窄層１０５が、キャビティ層１１０とｐ型半導体層１０６の間に挿入されている。この電流狭窄層１０５を挿入することにより、ＶＣＳＥＬの低閾値化、高効率化を実現することができる。
この電流狭窄層１０５は例えばＡｌＧａＡｓ層の中心部に配置された通電部１０５ａと、この通電部１０５ａの外周を取り囲んで形成された電流狭窄部１０５ｂとから構成されており、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ（通常Ａｌ組成０．８以上１未満）からなる層を形成した後、この層の中心部を残して外周側から水蒸気酸化等による酸化、もしくはイオン注入して電流狭窄部１０５ｂを形成することによって形成される。
この電流狭窄層１０５は、トンネル接合部１１２とキャビティ層１１０との間において、電界強度が節となる部分に設けることが好ましい。この理由は、電流の狭窄においては電子よりも正孔の方が効果的に狭窄されるため、トンネル接合部１１２でキャリアの電子−正孔変換により生成された正孔が、ｐ型の半導体層１０６を通して活性層（キャビティ層１１０）に注入されるまでの間に電流狭窄層１０５を挿入すると効果的にでキャリアの流れを狭窄することができることと、電流狭窄層１０５を電界強度の節の部分に形成することで光学的ロスを低減することができるからである。
【００１３】
面発光レーザ内で光を反射して増幅するために、キャビティ層１１０を含む部分の両側に設けられたｎ型半導体の多層反射膜１０２、１０７は、屈折率の異なる半導体膜を交互に積層した構成であり、多層反射膜１０２は、半導体膜１０２ａ、１０２ｂを交互に積層し、多層反射膜１０７は、半導体膜１０７ａ、１０７ｂを交互に積層した構成である。これらの多層反射膜１０２、１０７は、具体的に挙げるならば、例えばＧａＡｓからなる層とＡｌＡｓからなる層を１５〜３０周期交互に積層して構成される。尚、図１には４周期積層した場合が例示されている。
本発明においては、これらの多層反射膜１０２，１０７を低ロス、低抵抗のｎ型半導体により構成することによって、面発光レーザの低閾値化、低抵抗化を実現することができる。
【００１４】
上記多層反射膜１０２、１０７の間に形成されているキャビティ層１１０は、トンネル接合部１１２からの電流注入により発光するものである。このキャビティ層１１０は半導体層を積層した多層膜であり、活性層１０３ａ〜１０３ｃと、トンネル接合部１１２と同等のトンネル接合部１０４ａ、１０４ｂとが交互に配置され、隣り合う活性層とトンネル接合部の間にはＧａＡｓなどの半導体からなる層１１０ａが挟まれて構成されている。
本発明のトンネル接合面発光レーザ１００においては、活性層１０３ａ〜１０３ｃが電界強度の腹の部分に配置されたピリオディックゲイン構造となっており、さらにトンネル接合部１０４ａ、１０４ｂは電界強度の節の部分に配置されている。このような構造とすることで、本発明のトンネル接合面発光レーザ１００は、高利得でかつ高い量子効率を実現することができる。
【００１５】
上記のように、本発明のトンネル接合面発光レーザ１００では、発明の特徴的な部分であるトンネル接合部が、上記のトンネル接合部１０４ａ、１０４ｂ、もしくはトンネル接合部１１２として形成されている。
以下ではこのトンネル接合部１１２、１０４ａ、１０４ｂのさらに詳細な構成を図１および図２を参照して説明する。ただし、トンネル接合部１０４ａ、１０４ｂはトンネル接合部１１２と同等の構成であるので、説明の重複を避けるため、以下ではトンネル接合部１１２について説明する。
図１において、ｐ型の半導体層１０６と、ｎ型の半導体層１０７ｂとの間に挟まれたトンネル接合部１１２は、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ａ上にｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｂを形成した構造である。
図２は、図１に示すトンネル接合部１１２とその両側の層を含む部分の模式的なバンド構造を示す図であり、縦軸はエネルギーを、横軸は図１の図示上方への積層方向を示す。
図２において、符号２００ａは図１に示すトンネル接合部１１２とその両側の層の伝導帯を示しており、符号２０１〜２０４は、順に、ｐ型の半導体層１０６、第１の半導体層１１２ａ、第２の半導体層１１２ｂ、ｎ型の半導体層１０７ｂそれぞれの伝導帯に対応する。また、符号２００ｂは図１に示すトンネル接合部１１２とその両側の層の価電子帯を示している。
【００１６】
図２に示す第１の半導体層１１２ａと第２の半導体層１１２ｂの吸収端波長２０８、２０９は、本実施形態のトンネル接合面発光レーザ１００の発振波長より短くなるように設計されている。
これは、吸収短波長２０８、２０９がトンネル接合面発光レーザ１００の発振波長より長い場合には、第１の半導体層１１２ａ、第２の半導体層１１２ｂを光が通過する際に、この半導体層１１２ａ、１１２ｂに光が吸収されて損失が大きくなってしまうためである。
また図１に示す第１の半導体層１１２ａと第２の半導体層１１２ｂによって形成されるヘテロ接合界面１２０は、図２に示すバンド構造のようにタイプIIのヘテロ接合界面を形成しており、かつ第２の半導体層１１２ｂの伝導帯２０３の下端エネルギー準位２０６が、第１の半導体層１１２ａの伝導帯２０２の下端エネルギー準位２０５よりも低くなっている。
【００１７】
このようなバンド構造を有するトンネル接合部１１２に逆バイアスを印加すると、第１の半導体層１１２ａの価電子帯２０２ａにある電子が、第２の半導体層１１２ｂの伝導帯２０３にトンネルして、トンネル電流が流れる。このトンネル電流の大きさは、第１、第２の半導体層１１２ａ、１１２ｂのドーピング濃度とヘテロ接合界面１２０の遷移エネルギー２０７により決定され、ドーピング濃度を大きくするほど、遷移エネルギー２０７を小さくするほどトンネル電流は大きくなる。
【００１８】
一般的には、ヘテロ接合界面を形成する半導体膜へのドーピング濃度を大きくすると、拡散劣化により面発光レーザの信頼性が低下する可能性があり、ヘテロ接合界面の遷移エネルギーを小さくすると、この遷移エネルギーに対応する波長が長くなり、この波長が面発光レーザの発振波長よりも長くなるとヘテロ接合界面で光の吸収が起こり光の損失が大きくなる。
そのために、ドーピング濃度、遷移エネルギーの設計に対しては制限があるが、本発明においては、図２に示すようにヘテロ接合界面１２０をタイプIIのヘテロ接合界面とすることで、ヘテロ接合界面１２０がトンネル接合面発光レーザ１００における電界強度の節の位置になるように正確に配置することができる。
そのためヘテロ接合界面１２０における電界強度が０になるので、遷移エネルギー２０７を小さくすることによって、遷移エネルギー２０７に対応する波長を面発光レーザ１００の発振波長よりも長くなる場合であっても、ヘテロ接合界面１２０において光の吸収が起こらない。
つまり、本発明のトンネル接合面発光レーザ１００においては遷移エネルギー２０７に対する制限がなく、従来よりも遷移エネルギー２０７を小さくすることができるので、トンネル電流を大きくすることが出来る。
【００１９】
図１に示すトンネル接合部１１２を構成する具体的な材料としては、特に限定されるものではないが、トンネル接合面発光レーザ１００の基板１０１に、ＧａＡｓ基板を用いる場合には、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ａを形成する材料は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＳｂなどから選ばれる材料が好ましく、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｂを形成する材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂなどから選ばれる材料が好ましい。
また、基板１０１にＩｎＰ基板を用いる場合には、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ａを形成する材料はＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＳｂなどから選ばれる材料が好ましく、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｂを形成する材料はＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＰ，ＩｎＡｓＰなどから選ばれる材料が好ましい。
上記の材料が選ばれる理由は、基板を構成するＧａＡｓ、ＩｎＰとの格子整合度が良いことと、上記の材料を用いて、かつ組成を適切に選択することで、タイプIIのヘテロ接合界面を形成することができることによる。
【００２０】
以下に、上記に示した材料を用いたトンネル接合部１１２を含む部分の構成の一例を示す。ただし、以下の構成例は本発明を限定するものではない。
ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ａとして、ｐ型ドーピングとしてＢｅを２×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＳｂ組成０．１５のＧａＡｓＳｂ層を層厚５ｎｍにて成膜したものを用いる。また、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｂとして、ｎ型ドーピングとしてＳｉを２×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓを層厚１０ｎｍにて成膜したものを用いる。
上記のＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂを用いる場合はＧａＡｓ基板に対して圧縮性の歪みを有するため、各層の膜厚はこの歪みにより結晶性が劣化し始める臨界膜厚を越えないように設定する。
また、トンネル接合部１１２の下側に配置されるｐ型の半導体層１０６には、ＧａＡｓからなる層を７ｎｍの膜厚で成膜後、Ｂｅを２×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしたものを用いる。一方、トンネル接合部１１２の上側に配置されるｎ型半導体層１０７ｂには、ＧａＡｓからなる層を１０ｎｍの膜厚で成膜後、Ｓｉを５×１０18原子／ｃｍ3ドーピングしたものを用いる。
この構成のトンネル接合部１１２のヘテロ接合界面１２０における実効的な遷移エネルギー２０７は、約０．９２５ｅＶであり波長換算で１３４０ｎｍである。
また、タイプIIのヘテロ接合界面１２０を形成する半導体層１１２ａ、１１２ｂを、上記構成のｐ型の半導体層１０６、ｎ型半導体層１０７ｂのようにバンドギャップの大きな層で挟み込むと、量子効果により電子の波動関数が広がり、波動関数の重なりが大きくなるため、より大きなトンネル確率が得られる効果がある。
【００２１】
上記においては、トンネル接合部１１２についてのみ説明したが、先述のようにトンネル接合部１０４ａまたは１０４ｂは、トンネル接合部１１２と同等の構成を有するので、これらについても上記のトンネル接合部１１２と同様の効果が得られることはもちろんである。
【００２２】
（実施例１）
本発明の実施例１として、図３に示す構成のトンネル接合面発光レーザ３００を作製した。
図３に示すように、トンネル接合面発光レーザ３００はＧａＡｓ基板３０１上に、多層反射膜３０２と、キャビティ層３１０と、トンネル接合部３１２と、多層反射膜３０７とを順次積層した構成とした。
また、電源３１１に接続するために、多層反射膜３０７の最上面に電極３０９を形成し、多層反射膜３０７側からエッチングして露出させた多層反射膜３０２の露出面に電極３０８を形成した。
キャビティ層３１０は、Ｓｂ組成０．３３のＧａＡｓＳｂからなる７ｎｍ厚のダブル量子井戸構造の活性層３０３ａ〜３０３ｃと、ＧａＡｓ層３１０ａを交互に積層した構成とした。
多層反射膜３０２は、ＧａＡｓ層３０２ｂとＡｌＡｓ層３０２ａを交互に２５．５周期積層した構成とし、多層反射膜３０７は、グレーデッド層を有するＧａＡｓ層３０７ｂとＡｌＡｓ層３０７ａを交互に２０周期積層した構成とした。
また、上記のキャビティ層３１０と、多層反射膜３０２、３０７の層厚はトンネル接合面発光レーザ３００の発振波長が１２３０ｎｍとなるように設定した。トンネル接合部３１２は、第１の半導体層３１２ａとして、Ｂｅを２×１０19原子／ｃｍ3ドーピングして、ｐ型の半導体層としたＳｂ組成０．１５のＧａＡｓＳｂ層を５ｎｍ形成し、その上に第２の半導体層３１２ｂとして、Ｓｉを２×１０19原子／ｃｍ3ドーピングして、ｎ型半導体層としたＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓ層を１０ｎｍ形成した。このトンネル接合部３１２における実効的な遷移エネルギーは、約０．９２５ｅＶであり、波長換算で１３４０ｎｍであった。
尚、上記の各層の成長方法には、ガスソース分子線エピタキシー法を用いた。
【００２３】
上記の構成のトンネル接合面発光レーザ３００に電源３１１を接続して特性評価を行ったところ、発振波長１２３１ｎｍ、閾値電流密度１．５ｋＡ／ｃｍ2の低閾値で室温パルス発振した。
トンネル接合部３１２のヘテロ接合界面における実効的な遷移エネルギーは、先に記載のように波長換算で約１３４０ｎｍと発振波長１２３１ｎｍより長波であるにも関わらず、吸収ロスが抑えられ、低閾値化が実現されていた。
また素子抵抗は約５０オームと低抵抗であった。これは、トンネル接合部にタイプIIのヘテロ接合界面を形成せずに、ＩｎＧａＡｓのみでトンネル接合部を形成した従来のトンネル接合面発光レーザと比較して約１／３であり、大幅な低抵抗化を実現していることが確認できた。
【００２４】
本実施例では、ｎ型の導電性を有する第１の半導体層３１２ｂとしてＩｎＧａＡｓ層を材料系に選んだが、ＧａＮＡｓ層やＩｎ組成の小さいＧａＩｎＮＡｓ層であってもよく、これらの半導体層はＧａＡｓに対して引張性の歪みを有することから、積層構造の歪み安定化に寄与するので、これらの半導体層を用いるならば、構造的により優れたトンネル接合面発光レーザを作製することができる。
【００２５】
本発明によれば、請求項２に記載のように図１に示すトンネル接合部１１２のヘテロ接合界面１２０に電子または正孔を捕獲することのできる不純物がドーピングされた構成とすることもできる。
上記の構成を本発明の第２の実施形態とし、図４（ａ）に本実施形態のトンネル接合面発光レーザにおけるトンネル接合部１１２Ａを含む部分の部分断面図を示し、図４（ｂ）には、図４（ａ）に示す部分のバンド構造を模式的に示す。尚、図４において図１と同一の構成要素を示すものには図１と同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態のトンネル接合面発光レーザは、図１に示す第１の実施形態のトンネル接合部１１２、１０４ａ、１０４ｂを、図４（ａ）に示すｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ｃとｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｄとを順次積層し、前記第１、第２の半導体層１１２ｃ、１１２ｄのヘテロ接合界面１２０ａに酸素などからなる不純物をドーピングしたトンネル接合部１１２Ａに置き換えたものであり、その他の構成は前記第１の実施形態と同様である。
図４（ｂ）において、縦軸はエネルギーを、横軸は図１の図示上方への積層方向を示しており、積層順に図示左側からｐ型の半導体層１０６、第１の半導体層１１２ｃ、第２の半導体層１１２ｄ、ｎ型半導体層１０７の伝導帯４００ａおよび価電子帯４００ｂが示されている。
【００２６】
図４（ａ）に示すトンネル接合部１１２Ａのヘテロ接合界面１２０ａには、不純物がドーピングされているため、図４（ｂ）におけるヘテロ接合界面１２０ａに相当する位置に不純物準位４０５が形成される。
この不純物準位４０５により、電子または正孔が捕獲されるために遷移エネルギー４０７よりも小さいエネルギーでヘテロ接合界面１２０ａにトンネル電流が流れるので、より大きなトンネル電流を得ることができる。
このヘテロ接合界面１２０ａにドーピングされる不純物を具体的に挙げるならば、特に限定されるものではないが、ＧａＡｓ基板を用いてＶＣＳＥＬを構成する場合は酸素、クロムが好ましく、ＩｎＰ基板を用いる場合には鉄が好ましい。
これは、上記の材料を不純物として用いるならば、ヘテロ接合界面１２０ａに深い不純物準位を形成することができるため、効果的に電子または正孔を捕獲してトンネル電流を大きくすることができるからである。
【００２７】
（実施例２）
第１の半導体層として、Ｂｅを２×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしてｐ型の半導体層としたＳｂ組成０．１５のＧａＡｓＳｂ層を５ｎｍ形成した後、酸素を導入して前記第１の半導体層表面に５×１０13原子／ｃｍ3の酸素不純物を形成し、その後第２の半導体層として、Ｓｉを２×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしてｎ型半導体層としたＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓ層を１０ｎｍ形成して、トンネル接合部を形成した以外は、前記実施例１と同様の構成のトンネル接合面発光レーザを作製した。
前記実施例１と同様の特性評価を行ったところ閾値電流密度は１．５ｋＡ／ｃｍ2と変わらなかったが、素子抵抗は約３５オームと低抵抗化した。これにより、トンネル接合部のヘテロ接合界面に不純物をドーピングすることにより、素子抵抗を低下させてトンネル電流を増強できることが確認された。
【００２８】
前記第２の実施形態においては、トンネル接合部１１２Ａのヘテロ接合界面１２０ａに不純物をドーピングした構成としたが、図５（ａ）に示すように、トンネル接合部１１２Ｂとして、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ｅとｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｆの間に、中間層１１２ｇを設けた構成も適用可能である。この構成を本発明の第３の実施形態とし、以下に、図５を参照して詳細に説明する。
図５（ａ）は、本実施形態のトンネル接合面発光レーザにおけるトンネル接合部１１２Ｂを含む部分の部分断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す部分の模式的なバンド構造図である。
本実施形態のトンネル接合面発光レーザは、図１に示す第１の実施形態のトンネル接合面発光レーザにおけるトンネル接合部１１２、１０４ａ、１０４ｂを、図５（ａ）に示すトンネル接合部１１２Ｂと置き換えたものであり、その他の構成は図１に示す前記第１の実施形態と同様である。
図５（ａ）に示すように、本実施形態のトンネル接合部１１２Ｂは、第１の半導体層１１２ｅと、電子または正孔を捕獲することのできる不純物がドーピングされた中間層１１２ｇと、第２の半導体層１１２ｆとが順次積層形成された構成である。
図５（ｂ）において、縦軸はエネルギーを、横軸は図１の図示上方への積層方向を示しており、積層順に図示左側からｐ型の半導体層１０６、第１の半導体層１１２ｅ、中間層１１２ｇ、第２の半導体層１１２ｆ、ｎ型半導体層１０７の伝導帯５００ａおよび価電子帯５００ｂが示されている。
【００２９】
図５（ａ）に示す中間層１１２ｇは、酸素などの不純物がドーピングされた数ｎｍ〜数十ｎｍの層厚の半導体層もしくは、欠陥準位を有する半導体層から構成され、図５（ｂ）に示すように、第１の半導体層１１２ｅと、第２の半導体層１１２ｆの間の領域に、不純物準位あるいは欠陥準位５０５を形成する。
この不純物準位あるいは欠陥準位５０５により電子または正孔が捕獲されるために遷移エネルギー５０７よりも小さいエネルギーでトンネル電流が流れることは、先に記載の第２の実施形態と同様である。
本実施形態においては、電子または正孔を捕獲することのできる不純物もしくは欠陥準位５０５がヘテロ接合界面の部分だけにではなく、中間層１１２ｇとして導入されている点が前記第２の実施形態と異なる。この場合、中間層５０５は数ｎｍから数十ｎｍ程度の層厚があるため、より効果的に電子または正孔を捕獲することが可能であるので、よりトンネル電流の増強に効果がある。
また、結晶中の不完全構造を利用した欠陥準位をこの電子または正孔を捕獲する構造として用いることができるのは、この中間層１１２ｇは数ｎｍ〜数十ｎｍの膜厚を有するためである。
また、中間層４０６を構成する母体材料も設計することができるため、高性能化のための構造設計の自由度が大きくなる。
【００３０】
この中間層１１２ｇを構成する材料を具体的に挙げるならば、特に限定されるものではないが、不純物をドーピングした中間層１１２ｇを形成する場合は、酸素またはクロムをドーピングしたＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓなどが好ましく、欠陥準位を有する中間層１１２ｇを形成する場合は、砒素または窒素のプレシピテートを含んだＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓなどが好ましい。
【００３１】
（実施例３）
第１の半導体層として、Ｂｅを２×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしてｐ型の半導体層としたＳｂ組成０．１５のＧａＡｓＳｂ層を５ｎｍ形成した後、中間層として、基板温度２００℃の低温でＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓを５ｎｍ形成し、その後第２の半導体層として、Ｓｉを２×１０19原子／ｃｍ3ドーピングしてｎ型半導体層としたＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓ層を１０ｎｍ形成して、トンネル接合部を形成した以外は、前記実施例１と同様の構成のトンネル接合面発光レーザを作製した。
尚、中間層のみ低温成長としたのは、低温成長によりＡｓのプレシピテートを中間層に導入して、欠陥準位を形成するためである。
前記実施例１と同様の特性評価を行ったところ閾値電流密度は１．７ｋＡ／ｃｍ2と少し劣化したが、素子抵抗は約３０オームと低抵抗化した。これによりトンネル接合部へ、不純物がドーピングされた中間層、あるいは欠陥準位を有する中間層を挿入することにより、素子抵抗を低下させてトンネル電流を増強できることが確認された。
【００３２】
上記の第３の実施形態および実施例３においては、ＧａＡｓ基板を用いたのトンネル接合面発光レーザを例に説明を行ってきたが、基板がＩｎＰの場合も材料の選択を適切に行うことで上記効果を得ることができる。具体的に例を挙げるならば、前記ｐ型半導体からなる第１の半導体層としてＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＳｂなどから選ばれる半導体と、ｎ型半導体からなる第２の半導体層としてＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＰ，ＩｎＡｓＰなどから選ばれる半導体とを組み合わせることで実現することができる。
その中でも、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層としてＧａＡｓＳｂが、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層としてＩｎＧａＡｓがより好ましい。これは、これらの材料が容易にＩｎＰと格子整合可能であり、かつこれらの材料を用いた場合に形成されるタイプIIのヘテロ接合界面が本発明の理想的なバンド構造を形成するからである。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、トンネル接合面発光レーザのトンネル接合部を構成するｐ型の導電性を有する第１の半導体層と、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層の吸収端波長を面発光レーザの発振波長より短くし、前記第１、第２の半導体層により形成されるヘテロ接合界面をタイプIIヘテロ接合界面とすることにより、ヘテロ接合界面を電界強度の節の部分に配置することができるので、ヘテロ接合界面での光の吸収による損失を抑えることができる。
そのためヘテロ接合界面の遷移エネルギーを小さくすることができるので、トンネル接合部のトンネル電流を大きくすることができる。
これにより、トンネル接合面発光レーザの低抵抗化、低閾値化を実現することができる。
【００３４】
また、上記のようにヘテロ接合界面の遷移エネルギーを小さくすることにより、トンネル電流を大きくすることができるので、トンネル接合部を構成する前記第１、第２の半導体層のドーピング濃度を下げることができ、より信頼性の高い（拡散劣化の少ない）トンネル接合面発光レーザを提供することができる。
【００３５】
また、本発明によれば、トンネル接合部のヘテロ結合界面に電子または正孔を捕獲することのできる不純物をドーピングすることで、電子をトンネルしやすくすることができるため、より抵抗値の小さいトンネル接合面発光レーザを提供することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、トンネル接合部を構成する前記第１、第２の半導体層の間に、電子または正孔を捕獲することのできる不純物をドーピングした中間層を挿入する、あるいは、欠陥準位を有する中間層を挿入することにより、より大きなトンネル電流を得ることができるので、より抵抗値の小さいトンネル接合面発光レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明に係るトンネル接合面発光レーザの一実施の形態を示す断面構造図である。
【図２】  図２は、本発明の第１の実施形態のトンネル接合部のバンド構造を模式的に示す図である。
【図３】  図３は、本発明の実施例１のトンネル接合面発光レーザの断面構造を示す図である。
【図４】  図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態のトンネル接合部の部分断面構造図であり、図４（ｂ）はそのバンド構造を模式的に示す図である。
【図５】  図５（ａ）は、本発明の第３の実施形態のトンネル接合部の部分断面構造図であり、図５（ｂ）は、そのバンド構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０１  基板
１０２、１０７  多層反射膜
１０３ａ〜１０３ｃ  活性層
１０４ａ、１０４ｂ、１１２  トンネル接合部
１０５  電流狭窄層
１０６  ｐ型の半導体層
１０８、１０９  電極
１１０  キャビティ層
１１１  電源
１１２Ａ、１１２Ｂ  トンネル接合部
１１２ａ  第１の半導体層
１１２ｂ  第２の半導体層
１１２ｇ  中間層
１２０、１２０ａ  ヘテロ接合界面
２００ａ、４００ａ、５００ａ  伝導帯
２００ｂ、４００ｂ、５００ｂ  価電子帯
２０５、２０６  下端エネルギー準位
２０７、４０７、５０７  遷移エネルギー
２０８、２０９  吸収端波長
４０５、５０５  不純物準位（欠陥準位）
【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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