JP2002134835A

JP2002134835A - トンネル接合面発光レーザ

Info

Publication number: JP2002134835A
Application number: JP2000321679A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Anami; 隆由阿南
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2002-05-10
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: JP4232334B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低抵抗で吸収ロスの少ないトンネル接合を形
成し、低抵抗で、かつ低閾値のトンネル接合面発光レー
ザを提供する。【解決手段】図はトンネル接合部１１２のバンド構造
図を示したものである。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１１２がｐ型の導電性
を有する第１の半導体層１１２ａとｎ型の導電性を有す
る第２の半導体層１１２ｂから構成され、第１の半導体
層１１２ａと第２の半導体層１１２ｂの吸収端波長２０
５、２０６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１１２ａと第２の半導体層１１２
ｂにより形成されるヘテロ接合界面がタイプIIのヘテロ
接合界面を形成しており、前記第１の半導体層１１２ａ
の伝導帯の下端エネルギー準位２０５が、前記第２の半
導体層の伝導帯の下端エネルギー準位２０６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。

Description

【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 Surfac
e 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ＶＣＳＥ
Ｌとして、キムらによりエレクトロニクス・レター、３
５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、ＶＣＳ
ＥＬ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ＶＣ
ＳＥＬ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１
１２、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１０
２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１
０６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１０
５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１０
２、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１１
２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ＧａＡ
ｓ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、１０４
ｂ、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、１
０４ｂ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１１
２ｂ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１１２
ａ、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１
２０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２０
７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２０
７に対する制限がなく、従来よりも遷移エネルギー２０
７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、ＧａＡｓＳ
ｂ、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、Ｇ
ａＮＡｓＳｂ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Ｇ
ａＡｓＳｂ、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、ＩｎＮＡ
ｓ、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５
ｎｍ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Ｉ
ｎ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１
０６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／ｃｍ
³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１０７
ｂ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１
０４ａ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３
００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３０
８を形成した。キャビティ層３１０は、Ｓｂ組成０．３
３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、Ｇ
ａＡｓ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３０
７ａ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１
２３０ｎｍとなるように設定した。トンネル接合部３１
２は、第１の半導体層３１２ａとして、Ｂｅを２×１０
¹⁹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２×１０
¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングして、ｎ型半導体層としたＩ
ｎ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１３４０
ｎｍ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３
００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／ｃｍ
²の低閾値で室温パルス発振した。トンネル接合部３１
２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、Ｉｎ
ＧａＡｓ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ＧａＩｎＮＡ
ｓ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１２
０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１
１２Ａ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、１０
４ｂ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１１
２Ａ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１０
６、第１の半導体層１１２ｃ、第２の半導体層１１２
ｄ、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１２
０ａ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Ｉ
ｎＧａＡｓ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１１
２ｅ、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５００
ｂ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１
１２ｅ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、Ｉｎ
ＧａＡｓ、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、ＩｎＧ
ａＡｓ、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Ｉ
ｎ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、ＩｎＮＡ
ｓ、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Ｇａ
ＡｓＳｂ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１０６ｐ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）

Claims

【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、ＩｎＧａＡ
ｓ、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、ＩｎＧａＡ
ｓ、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、Ｇ
ａＮＡｓ、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、Ｉｎ
ＮＡｓ、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、ＧａＡｓＳ
ｂ、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。