JP2010129750A - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】注入電流の流れが良好に行われると共に、トンネルダイオードでの電圧降下の低減によって寿命向上を図ることができる半導体レーザを提供する。
【解決手段】p+型接合層4aとn+型接合層4bとにより構成されるトンネルダイオード構造4を備えた構造とすることで、レーザ構造の多層化による光出力の増大(高出力化)を図る。そして、このようなトンネルダイオード構造4を構成するp+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面を凹凸形状とする。これにより、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面での接合面積を従来のような平坦構造と比較して増大させることが可能となり、その分キャリアを通過させ易くなる。したがって、注入電流の流れがより良好に行われるようになり、トンネルダイオード構造4での電圧降下の低減を図れ、寿命向上を図ることができるエピスタック構造の半導体レーザとすることが可能となる。
【選択図】図1
【解決手段】p+型接合層4aとn+型接合層4bとにより構成されるトンネルダイオード構造4を備えた構造とすることで、レーザ構造の多層化による光出力の増大(高出力化)を図る。そして、このようなトンネルダイオード構造4を構成するp+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面を凹凸形状とする。これにより、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面での接合面積を従来のような平坦構造と比較して増大させることが可能となり、その分キャリアを通過させ易くなる。したがって、注入電流の流れがより良好に行われるようになり、トンネルダイオード構造4での電圧降下の低減を図れ、寿命向上を図ることができるエピスタック構造の半導体レーザとすることが可能となる。
【選択図】図1
Description
本発明は、トンネルダイオード構造を有するエピスタック構造の半導体レーザ(半導体レーザダイオード)およびその製造方法に関するものである。
従来より、半導体レーザの高出力化の要求があり、その方法として、結晶成長によってレーザ構造(PIN)を積層化するエピスタック構造が提案されている。
例えば、特許文献1では、n型化合物半導体基板の一面にn型クラッド層、アンドープド活性層、p型クラッド層を順次積層した第1レーザ構造と、n型クラッド層、アンドープド活性層、p型クラッド層、p型コンタクト層を順次積層した第2レーザ構造との間に、p+型接合層とn+型接合層とによるPN接合からなるトンネルダイオード構造を備えた構造が提案されている。この構造では、各レーザ構造の順方向とトンネルダイオード構造の順方向が逆に接続されているので、各レーザ構造に順方向電流を流したとき、トンネルダイオード構造に逆バイアスが印加されるが、トンネルダイオード構造はキャリア濃度が高いため、ツェナー効果が生じる。その結果、逆バイアス時の電圧降下が小さくなり、半導体レーザ全体の電圧降下を実用的な範囲とすることができる。
具体的には、トンネルダイオード構造として、例えば、p+型接合層をp+型不純物がドープされたGaAs接合層で構成すると共にp型不純物濃度p=5×1018/cm3、層厚10nmとし、n+型接合層をn+型不純物がドープされたGaAs接合層で構成すると共にn型不純物濃度n=3×1018/cm3、層厚10nmとしている。
特開平6−90063号公報
しかしながら、更なる高出力化を実現するために、注入電流を増やした場合や、レーザ構造を5段、6段とさらに複数積層化する場合において、トンネルダイオード構造での逆バイアス時の電圧降下が無視できなくなる。具体的には、注入されたキャリアが通過し難くなるために注入電流の流れを阻害するという問題や、さらにそのトンネルダイオードでの電圧降下による発熱を生じ、半導体レーザの寿命が大幅に低下してしまうという問題が生じる。特に、半導体レーザを大電流を流すような用途に適用する場合には、トンネルダイオードの電圧降下による発熱が大きく、上記問題が顕著となる。
本発明は上記点に鑑みて、注入電流の流れが良好に行われると共に、トンネルダイオードでの電圧降下の低減によって寿命向上を図ることができる構造のエピスタック構造の半導体レーザおよびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、第1レーザ構造(3)と第2レーザ構造(4)の間に第2導電型接合層(4a)および第1導電型接合層(4b)を有するトンネルダイオード構造(4)を備え、第2導電型接合層(4a)の表面にトレンチを形成することで、該第2導電型接合層(4a)と第1導電型接合層(4b)との界面が凹凸形状となるようにすることを特徴としている。
このように、第2導電型接合層(4a)と第1導電型接合層(4b)とにより構成されるトンネルダイオード構造(4)を備えた構造としているため、レーザ構造の多層化による光出力の増大(高出力化)を図ることが可能となる。そして、このようなトンネルダイオード構造(4)を構成する第2導電型接合層(4a)と第1導電型接合層(4b)との接合界面を凹凸形状となるようにしている。このため、第2導電型接合層(4a)と第1導電型接合層(4b)との接合界面での接合面積を従来のような平坦構造と比較して増大させることが可能となり、その分キャリアを通過させ易くすることができる。したがって、注入電流の流れがより良好に行われるようになり、トンネルダイオード構造(4)での電圧降下の低減を図れ、寿命向上を図ることができるエピスタック構造の半導体レーザとすることが可能となる。
例えば、請求項2に記載したように、第2導電型接合層(4a)と第1導電型接合層(4b)との界面の凹凸形状として、矩形波状、三角波形状、波形のいずれかとすることができる。
請求項3に記載の発明では、トンネルダイオード構造(4)を、第2導電型接合層(4a)を構成する第2導電型層(4aa)が複数層と第1導電型接合層(4b)を構成する第1導電型層(4ba)が複数層、交互に繰り返し積層された部分と、第2導電型層(4aa)と第1導電型層(4ba)の積層部分に対して最下層の第2導電型層(4aa)に達するように形成された第1トレンチ(10a)を通じて複数の2導電型層(4aa)を並列的に接続する第2導電型の接続部(4ab)と、第2導電型層(4aa)と第1導電型層(4ba)の積層部分に対して最下層の第1導電型層(4ba)に達するように形成された第2トレンチ(10b)を通じて複数の1導電型層(4ba)を並列的に接続する第1導電型の接続部(4bb)と、を有した構造とすることを特徴としている。
このような構造としても、第2導電型接合層(4a)と第1導電型接合層(4b)との接合界面における接合面積を稼ぐことが可能となる。具体的には、第2導電型層(4aa)と第1導電型層(4ba)の層数分、接合面積を比例的に増加させることが可能となる。このようにすることで、請求項1と同様の効果を得ることが可能となる。
例えば、請求項4に記載したように、第1、第2トレンチ(10a、10b)を、半導体基板(1)の平面方向におけるレーザ光の出力方向と垂直方向の両端にそれぞれ形成することができる。このようにすることで、レーザ光の光出力方向にはトレンチを形成しないため、トレンチによるレーザ光の光出力への悪影響を回避することができる。
請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の半導体レーザの製造方法に相当する発明であり、半導体基板(1)を用意したのち、該半導体基板(1)の上に、第1導電型のクラッド層、活性層、第2導電型のクラッド層を成膜することにより第1レーザ構造(3)を形成する工程と、第1レーザ構造(3)の上に、表面にトレンチが備えられた第2導電型接合層(4a)を形成すると共に、該第2導電型接合層(4a)の表面に第1導電型接合層(4b)を形成することにより、第2導電型接合層(4a)と第1導電型接合層(4b)との界面が凹凸形状とされたトンネルダイオード構造(4)を形成する工程と、トンネルダイオード構造(4)の上に、第1導電型のクラッド層、活性層、第2導電型のクラッド層を成膜することにより第2レーザ構造(5)を形成する工程と、を含んでいることを特徴としている。
このように、表面にトレンチが備えられた第2導電型接合層(4a)を形成すると共に、該第2導電型接合層(4a)の表面に第1導電型接合層(4b)を形成することにより、第2導電型接合層(4a)と第1導電型接合層(4b)との界面が凹凸形状とされたトンネルダイオード構造(4)を形成することができる。
例えば、第2導電型層(4a)の表面にトレンチを形成する工程としては、第2導電型層(4a)に対してトレンチ形成予定領域が開口するマスクを配置したのち、ドライエッチングもしくはウェットエッチングを施す工程、もしくは、第2導電型層(4a)の一部を形成したのち、トレンチ形成予定領域を覆うマスクを配置し、マスクが開口した領域に第2導電型層(4a)の残りを選択成長させる工程を挙げることができる。
請求項6に記載の発明は、請求項3に記載の半導体レーザの製造方法に相当する発明であり、トンネルダイオード構造(4)を形成する工程として、第2導電型層(4aa)と第1導電型層(4ba)の積層部分に対して最下層の第2導電型層(4aa)に達するように第1トレンチ(10a)を形成する工程と、第1トレンチ(10a)内を含めて第2導電型層(4aa)をさらに形成することで、第1トレンチ(10a)を通じて複数の2導電型層(4aa)を並列的に接続する第2導電型の接続部(4ab)を形成する工程と、第2導電型層(4aa)と第1導電型層(4ba)の積層部分に対して最下層の第1導電型層(4ba)に達するように第2トレンチ(10b)を形成する工程と、第2トレンチ(10b)内を含めて第1導電型層(4ba)をさらに形成することで、第2トレンチ(10b)を通じて複数の1導電型層(4ba)を並列的に接続する第1導電型の接続部(4bb)を形成する工程と、を行うことを特徴としている。
このように、第2導電型層(4aa)と第1導電型層(4ba)を交互に繰り返し形成しておき、第1、第2トレンチ(10a、10b)を通じて各第2導電型層(4aa)や各第1導電型層(4ba)がそれぞれ並列的に接続されるようにすることができる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。図1は、本実施形態にかかる半導体レーザの断面図である。以下、これらの図を参照して本実施形態の半導体レーザについて説明する。
本発明の第1実施形態について説明する。図1は、本実施形態にかかる半導体レーザの断面図である。以下、これらの図を参照して本実施形態の半導体レーザについて説明する。
図1に示されるように、n型半導体基板1の上にn型バッファ層2、第1レーザ構造3、トンネルダイオード構造4、第2レーザ構造5およびp型キャップ層6が順に積層されている。そして、p型キャップ層6の表面に電流ブロック層7が形成されていると共にp型電極8が形成され、さらにn型半導体基板1の裏面にn型電極9が備えられることで半導体レーザが構成されている。
n型半導体基板1は、一般的に半導体レーザの半導体基板として用いられる材料、例えばGaAs系、AlGaAs系、InP系、InGaAsP系、InGaAs系、AlGaInAs系の化合物半導体材料等であればどのようなもので構成されていても良いが、本実施形態では、n型のGaAsにて構成してある。例えば、GaAsにn型不純物となるSiをドーピングし、キャリア濃度が5×1017〜5×1018cm-3、例えば2×1018cm-3程度、厚さが300〜600μm、例えば400μm程度となるものを用いている。
n型バッファ層2も、n型半導体基板1と同材料で構成され、本実施形態では、n型のGaAsにて構成されている。n型バッファ層2は、必要に応じて形成されるもので、n型半導体基板1の結晶性を高めるために形成される。例えば、n型バッファ層2には、GaAsにn型不純物となるSeをドーピングし、キャリア濃度が5×1017〜5×1018cm-3、例えば2×1018cm-3程度、厚さが200〜1000μm、例えば500nm程度となるものを用いている。
第1レーザ構造3および第2レーザ構造5は、レーザ素子を構成する積層体であり、本実施形態では同じ構造とされている。図2(a)は、第1レーザ構造3(第2レーザ構造5)の拡大断面図、図2(b)は、図2(a)の部分拡大図である。
図2(a)に示されるように、第1、第2レーザ構造3、5は、n型のAlGaAsからなるクラッド層3a、5aと、n型のAlGaAsからなる光ガイド層3b、5bと、活性層3c、3d、5c、5dと、p型のAlGaAsからなる光ガイド層3e、5eと、p型のAlGaAsからなるクラッド層3f、5fとが順に積層された構造となっている。
クラッド層3a、3f、5a、5fは、活性層の接合領域の電子密度およびホール密度を高めると共に、光ガイド層3b、3e、5b、5eと共に活性層3c、3d、5c、5d内に光を閉じ込める役割を果たす。これらクラッド層3a、3f、5a、5fは、より詳しくは、Al0.5Ga0.5Asにて構成されている。クラッド層3a、5aは、n型不純物としてSeがドーピングされ、キャリア濃度が1×1017〜1×1018cm-3、例えば5×1017cm-3程度、厚さが800〜2000nm、例えば1000nm程度とされている。クラッド層3f、5fは、p型不純物としてZnがドーピングされ、キャリア濃度が5×1017〜5×1018cm-3、例えば2×1018cm-3程度、厚さが800〜2000μm、例えば1000nm程度とされている。
光ガイド層3b、3e、5b、5eは、必要に応じて形成され、活性層3c、3d、5c、5dで発せられた光を活性層3c、3d、5c、5d内に閉じ込める役割を果たす。光ガイド層3b、3e、5b、5eは、Al組成が活性層3c、3d、5c、5dからの距離に応じて変化させられることで、活性層3c、3d、5c、5d側の方がクラッド層3a、3f、5a、5f側よりも屈折率が高くなるようなグレーデッドインデックス構造とされている。光ガイド層3b、5bは、厚さ300〜1000nm、例えば600nm程度で構成され、クラッド層3a、5a側の300nmの領域は、n型不純物であるSeがドーピングされることでキャリア濃度が1×1017〜5×1018cm-3、例えば2×1017cm-3程度とされ、活性層3c、3d、5c、5d側の300nmの領域は、不純物がドーピングされていない構造とされている。また、光ガイド層3e、5eは、厚さ300〜1000nm、例えば600nm程度で構成され、クラッド層3f、5f側の300nmの領域は、p型不純物であるZnがドーピングされることでキャリア濃度が1×1017〜1×1018cm-3、例えば2×1017cm-3程度とされ、活性層3c、3d、5c、5d側の300nmの領域は、不純物がドーピングされていない構造とされている。
活性層3c、3d、5c、5dは、注入されたキャリアが再結合することで、バンドギャップに応じた波長の光を図1の紙面垂直方向に向けて発する。図2(b)に示すように、本実施形態では活性層3c、5cと活性層3d、5dが交互に複数層繰り返し形成された積層構造とされることで多重量子井戸構造(MQW:Multiple Quantum Well)とされている。これら活性層3c、3d、5c、5dの構成材料および厚みについては任意であるが、本実施形態では、各活性層3c、5cの構成材料をAlGaAs、厚みを7.5nm程度とし、各活性層3d、5dの構成材料をGaAs、厚みを15nm程度としている。
トンネルダイオード構造4は、第1レーザ構造3側にp型のGaAsからなるp+型接合層4aとn型のGaAsからなるn+型接合層4bとによるPN接合にて構成されている。このトンネルダイオード構造4は、順方向が第1、第2レーザ構造3、5の順方向に対して逆接続された構造とされる。このような構造のトンネルダイオード構造4が備えられているため、半導体レーザに対して順方向電流を流すとき、トンネルダイオード構造4に対して逆バイアスの電圧が印加されることになるが、p+型接合層4aとn+型接合層4bを低抵抗かつ高不純物濃度で構成しているため、ツェナー効果が生じ、これらの間に流れるトンネル電流により、導通状態となる。このようなトンネルダイオード構造4を備えることにより、レーザ構造の多層化による光出力の増大(高出力化)を図ることが可能となる。
これらp+型接合層4aとn+型接合層4bとの界面の接合面積が増大すれば、その分キャリアを通過させ易くできる。このため、本実施形態では、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの界面の接合面積を増大させるべく、これらの界面を凹凸形状としている。具体的には、p+型接合層4aに対して等間隔のトレンチを形成することで、複数のラインとトレンチによるスペースとによりストライプパターン(ライン&スペース)を構成すると共に、各トレンチ内を埋め込むようにp+型接合層4aの上にn+型接合層4bを成膜することで、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの界面が、図1の断面において矩形波状の凹凸形状となるようにしている。これにより、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの界面の実効的な接合面積を増大させている。
本実施形態では、p+型接合層4aおよびn+型接合層4bのうち最も厚みが厚い部分を50nmとし、各ラインの幅を200nm、各トレンチの幅を200nm、深さを20nmとしている。このような構造とすることで、p+型接合層4aおよびn+型接合層4bの界面が平坦面とされている場合と比較して、接合面積を10%増加させることが可能となる。なお、p+型接合層4aとn+型接合層4bの厚みやトレンチの深さに関しては任意であるが、電流を印加していないときにp+型接合層4aとn+型接合層4bとの界面に形成される空乏層によってこれら各層が完全空乏化してしまわない程度に設定してある。
p型キャップ層6は、第2レーザ構造5内に含まれるAlの酸化を防止するために設けられるもので、例えばp型のGaAsにて構成される。p型キャップ層6は、p型電極8との接触抵抗が小さくなるように高濃度にp型不純物がドーピングされている。
電流ブロック層7は、例えばシリコン酸化膜(SiO2)等の絶縁膜にて構成され、p型電極8とp型キャップ層6との接触箇所を制限して共振器を設定するために備えられる。具体的には、電流ブロック層7の中央部にコンタクトホール7aが形成されており、コンタクトホール7aを通じてのみp型電極8とp型キャップ層6とが接触させられている。コンタクトホール7aは、レーザ光の出力方向に対して垂直な方向の幅(図1の紙面左右方向の幅)が例えば100μm程度の一定定幅とされ、レーザ光の出力方向の長さが例えば800μmとされている。
p型電極8は、第1電極に相当するもので、例えばCr/Pt/Auにて構成されている。また、n型電極9は、第2電極に相当するもので、Au−Ge/Ni/Auにて構成されている。以上のような構造により、本実施形態の半導体レーザが構成されている。
このように構成される半導体レーザは、p型電極8とn型電極9との間に電圧を印加して第1、第2レーザ構造3、5に備えられたPN接合部に順方向電流を流してキャリアを注入すると、注入された電子と正孔の再結合による誘導放出により、紙面手前側および向う側の端面を反射面として構成される共振器にてレーザ発振させ、紙面手前側の端面を出射面としてレーザ光を出力する。本実施形態の場合には、レーザ構造が第1、第2レーザ構造3、5の2つあるため、第1、第2レーザ構造3、5それぞれからレーザ光が出力される。
続いて、本実施形態の半導体レーザの製造方法について説明する。ただし、本実施形態の半導体レーザの製造方法は、基本的には従来と同様であり、トンネルダイオード構造4の製造工程に関してのみ異なっているため、従来と異なっている部分について主に説明する。
まず、n型電極9が形成されたn型半導体基板1を用意し、n型半導体基板1の上にn型バッファ層2、第1レーザ構造3、トンネルダイオード構造4を順に積層する。このとき、トンネルダイオード構造4以外については、従来と同様、単にエピタキシャル成長などを行うことによって形成できるが、トンネルダイオード構造4に関しては下記のような製造工程を行う。
すなわち、第1レーザ構造3を形成したのち、第1レーザ構造3の表面にp+型接合層4aを50nmの厚みで成膜したのち、その表面に酸化膜等のマスク(図示せず)を配置し、マスクのうちトレンチ形成予定領域を開口させる。そして、p+型接合層4aの表面をマスクした状態でドライエッチングすることにより、深さ20nm程度のトレンチを形成する。その後、p+型接合層4aの表面に配置したマスクを除去したのち、p+型接合層4aの表面上にn+型接合層4bを50nmの厚みで成膜し、必要に応じて表面を平坦化することで、p+型接合層4aとn+型接合層4bとにより構成されるトンネルダイオード構造4が形成される。
さらに、トンネルダイオード構造4の表面に第2レーザ構造5およびp型キャップ層6を順に積層したのち、電流ブロック層7を成膜する。そして、電流ブロック層7をパターニングしてコンタクトホール7aを形成したのち、電流ブロック層7およびp型キャップ層6上にp型電極8をデポジションする。さらに、チップ単位に分割することにより、本実施形態にかかる半導体レーザが完成する。
以上説明した本実施形態の半導体レーザによれば、p+型接合層4aとn+型接合層4bとにより構成されるトンネルダイオード構造4を備えた構造としているため、レーザ構造の多層化による光出力の増大(高出力化)を図ることが可能となる。そして、このようなトンネルダイオード構造4を構成するp+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面を凹凸形状となるようにしている。このため、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面での接合面積を従来のような平坦構造と比較して増大させることが可能となり、その分キャリアを通過させ易くすることができる。したがって、注入電流の流れがより良好に行われるようになり、トンネルダイオード構造4での電圧降下の低減を図れ、寿命向上を図ることができるエピスタック構造の半導体レーザとすることが可能となる。
(第1実施形態の変形例)
上記第1実施形態では、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面の凹凸形状が矩形波状となる場合について説明したが、矩形波状に限るものではない。すなわち、結晶性を低下させないような形状であれば、凹凸形状がどのような形状であっても構わない。図3は、第1実施形態の変形例の一例としての半導体レーザの断面図である。この図に示されるように、例えば、凹凸形状が三角波形状であっても良い。このような三角波形状とする場合には、矩形波状とする場合と比べて接合面積増大の効果は少なくなるが、既にウェットエッチング(等方性エッチング)などを用いた三角波形状のトレンチ形成技術が確立しているため、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。この他、凹凸形状を波形としたりしても良い。
上記第1実施形態では、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面の凹凸形状が矩形波状となる場合について説明したが、矩形波状に限るものではない。すなわち、結晶性を低下させないような形状であれば、凹凸形状がどのような形状であっても構わない。図3は、第1実施形態の変形例の一例としての半導体レーザの断面図である。この図に示されるように、例えば、凹凸形状が三角波形状であっても良い。このような三角波形状とする場合には、矩形波状とする場合と比べて接合面積増大の効果は少なくなるが、既にウェットエッチング(等方性エッチング)などを用いた三角波形状のトレンチ形成技術が確立しているため、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。この他、凹凸形状を波形としたりしても良い。
また、複数のトレンチを等間隔に配置することで複数のラインとトレンチによるストライプパターンの凹凸形状としたが、ストライプパターン以外の形状、例えばトレンチを点在させたようなドットパターンやその他の形状であっても、凹凸形状に出来るパターンであればどのようなものであっても構わない。
また、上記実施形態では、トレンチの深さを20nmとしたが、これよりも深くすることにより、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面の凹凸形状を大きくすることが可能となり、よりp+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面の接合面積を増大させることも可能である。
さらに、上記第1実施形態では、p+型接合層4aを所定厚さ形成したのち、p+型接合層4aを部分的にエッチングすることでトレンチを形成するようにしたが、トレンチが形成されるような成膜手法を採用しても良い。具体的には、p+型接合層4aを例えば30nm形成したのち、シリコン酸化膜などのマスクを配置し、このマスクをパターニングすることでトレンチ形成予定領域以外を開口させる。そして、マスクの開口部にp+型接合層4aの残りの部分を選択成長させることで形成する。この後マスクを除去すれば、トレンチが形成された後の状態のp+型接合層4aを形成することができ、このp+型接合層4aの上にn+型接合層4bを成膜することにより、トンネルダイオード構造4を形成することができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態の半導体レーザは、第1実施形態に対してトンネルダイオード構造4の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態の半導体レーザは、第1実施形態に対してトンネルダイオード構造4の構成を変更したものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、異なる部分についてのみ説明する。
図4(a)は、本実施形態にかかる半導体レーザの断面図、図4(b)は、図4(a)の上面図である。
図4(a)に示されるように、本実施形態では、トンネルダイオード構造4を構成するp+型接合層4aとn+型接合層4bを複数のPN接合を繰り返し積層した構造としている。具体的には、p+型層4aaとn+型層4baを1層ずつ交互に繰り返し成膜しており、本実施形態では、p+型層4aaとn+型層4baをそれぞれ3層ずつ成膜した構造としている。そして、各p+型層4aaを基板平面方向におけるレーザ光の出力方向に対する垂直方向の一方の端部において接続部4abを介して連結することで各p+型層4aaを並列的に接続すると共に、各n+型層4baを基板平面方向におけるレーア光の出力方向に対する垂直方向の他方の端部において接続部4bbを介して連結することで各n+型層4baを並列的に接続している。
このような構造としても、p+型接合層4aとn+型接合層4bとの接合界面における接合面積を稼ぐことが可能となる。具体的には、p+型層4aaとn+型層4baの層数分、接合面積を比例的に増加させることが可能となり、本実施形態のように、p+型層4aaとn+型層4baを3層ずつ成膜した場合には、これらの界面が5つになるため、従来のように界面が1つのみの場合と比較して5倍程度に接合面積を増加させることが可能となる。このようにすることで、第1実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。
なお、各p+型層4aaおよび各n+型層4baは高濃度とされているため、これらの内部抵抗に関してはほぼ無視でき、各p+型層4aaと各n+型層4baのすべての界面を通じてキャリアを通過させることが可能である。
次に、本実施形態の半導体レーザの製造方法について説明する。図5は、本実施形態の半導体レーザの製造工程を示した断面図である。以下、この図を参照して説明する。
まず、図5(a)に示すように、n型電極9が形成されたn型半導体基板1を用意し、n型半導体基板1の上にn型バッファ層2および第1レーザ構造3を順に成膜する。そして、p+型層4aaおよびn+型層4baを交互に2層ずつ繰り返し成膜する。
続いて、図5(b)に示すように、基板平面方向におけるレーザ光の出力方向に対する垂直方向の一方の端部において、最下層のp+型層4aaが露出するまで上層のp+型層4aaおよびn+型層4baを除去することでトレンチ10aを形成する。そして、トレンチ10a内を含めた表面全面にp+型層4aaをもう一層成膜する。これにより、トレンチ10aの側面には接続部4abが構成され、トレンチ10aの側面から露出していた下層のp+型層4aaおよび表面に形成したp+型層4aaが接続部4abを介して接続される。
さらに、図5(c)に示すように、基板平面方向におけるレーザ光の出力方向に対する垂直方向の他方の端部において、最下層のn+型層4baが露出するまで上層のp+型層4aaおよびn+型層4baを除去することでトレンチ10bを形成する。そして、トレンチ10b内を含めた表面全面にn+型層4baをもう一層成膜する。これにより、トレンチ10bの側面には接続部4bbが構成され、トレンチ10bの側面から露出していた下層のn+型層4baおよび表面に形成したn+型層4baが接続部4bbを介して接続される。これにより、トンネルダイオード構造4が形成される。
その後、図5(d)に示すように、トンネルダイオード構造4の表面に第2レーザ構造5およびp型キャップ層6を順に積層したのち、電流ブロック層7を成膜する。そして、電流ブロック層7をパターニングしてコンタクトホール7aを形成したのち、電流ブロック層7およびp型キャップ層6上にp型電極8をデポジションする。さらに、p型電極8、電流ブロック層7、p型キャップ層6および第2レーザ構造5をパターニングして各層の両端部を除去したのち、チップ単位に分割することにより、本実施形態にかかる半導体レーザが完成する。
(第2実施形態の変形例)
上記第2実施形態では、p+型層4aaおよびn+型層4baの層数の一例を挙げたが、ここに挙げたのは単なる一例であり、p+型層4aaおよびn+型層4baを2層ずつ、もしくは、4層ずつ以上の層数としても構わない。
上記第2実施形態では、p+型層4aaおよびn+型層4baの層数の一例を挙げたが、ここに挙げたのは単なる一例であり、p+型層4aaおよびn+型層4baを2層ずつ、もしくは、4層ずつ以上の層数としても構わない。
1 n型半導体基板
3 第1レーザ構造
3a、5a クラッド層
3b、5b 光ガイド層
3c、3d、5c、5d 活性層
3e、5e 光ガイド層
3f、5f クラッド層
4 トンネルダイオード構造
4a p+型接合層(第2導電型接合層)
4aa p+型層(第2導電型層)
4ab 接続部
4b n+型接合層(第1導電型接合層)
4ba n+型層(第1導電型層)
4bb 接続部
5 第2レーザ構造
8 p型電極(第1電極)
9 n型電極(第2電極)
10a、10b トレンチ
3 第1レーザ構造
3a、5a クラッド層
3b、5b 光ガイド層
3c、3d、5c、5d 活性層
3e、5e 光ガイド層
3f、5f クラッド層
4 トンネルダイオード構造
4a p+型接合層(第2導電型接合層)
4aa p+型層(第2導電型層)
4ab 接続部
4b n+型接合層(第1導電型接合層)
4ba n+型層(第1導電型層)
4bb 接続部
5 第2レーザ構造
8 p型電極(第1電極)
9 n型電極(第2電極)
10a、10b トレンチ
Claims (6)
- 第1導電型の半導体基板(1)と、
前記半導体基板(1)の上に形成され、第1導電型のクラッド層、前記クラッド層上に配置された活性層、および前記活性層上に配置された第2導電型のクラッド層を有する第1レーザ構造(3)と、
前記第1レーザ構造(3)の上に形成された第2導電型接合層(4a)と該第2導電型接合層(4a)に対して接触する界面を有する第1導電型接合層(4b)とを備えたトンネルダイオード構造(4)と、
前記トンネルダイオード構造(4)の上に形成され、第1導電型のクラッド層、前記クラッド層上に配置された活性層、および前記活性層上に配置された第2導電型のクラッド層を有する第2レーザ構造(5)と、
を含む積層体を有し、
前記積層体における前記半導体基板(1)の表面側となる上面に形成された第1電極(8)と、前記積層体における前記半導体基板(1)の裏面側に配置された第2電極(9)とに対し、前記第1、第2レーザ構造(3、5)の順方向に向かう電流を流すことにより、前記第1、第2レーザ構造(3、5)からレーザ光を出力させる半導体レーザであって、
前記トンネルダイオード構造(4)は、前記第2導電型接合層(4a)の表面にトレンチが形成されることで、該第2導電型接合層(4a)と前記第1導電型接合層(4b)との界面が凹凸形状とされていることを特徴とする半導体レーザ。 - 前記第2導電型接合層(4a)と前記第1導電型接合層(4b)との界面の凹凸形状は、矩形波状、三角波形状、波形のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ。
- 第1導電型の半導体基板(1)と、
前記半導体基板(1)の上に形成され、第1導電型のクラッド層、前記クラッド層上に配置された活性層、および前記活性層上に配置された第2導電型のクラッド層を有する第1レーザ構造(3)と、
前記第1レーザ構造(3)の上に形成された第2導電型接合層(4a)と該第2導電型接合層(4a)に対して接触する界面を有する第1導電型接合層(4b)とを備えたトンネルダイオード構造(4)と、
前記トンネルダイオード構造(4)の上に形成され、第1導電型のクラッド層、前記クラッド層上に配置された活性層、および前記活性層上に配置された第2導電型のクラッド層を有する第2レーザ構造(5)と、
を含む積層体を有し、
前記積層体における前記半導体基板(1)の表面側となる上面に形成された第1電極(8)と、前記積層体における前記半導体基板(1)の裏面側に配置された第2電極(9)とに対し、前記第1、第2レーザ構造(3、5)の順方向に向かう電流を流すことにより、前記第1、第2レーザ構造(3、5)からレーザ光を出力させる半導体レーザであって、
前記トンネルダイオード構造(4)は、前記第2導電型接合層(4a)を構成する第2導電型層(4aa)が複数層と前記第1導電型接合層(4b)を構成する第1導電型層(4ba)が複数層、交互に繰り返し積層された部分と、前記第2導電型層(4aa)と前記第1導電型層(4ba)の積層部分に対して最下層の前記第2導電型層(4aa)に達するように形成された第1トレンチ(10a)を通じて複数の前記2導電型層(4aa)を並列的に接続する第2導電型の接続部(4ab)と、前記第2導電型層(4aa)と前記第1導電型層(4ba)の積層部分に対して最下層の前記第1導電型層(4ba)に達するように形成された第2トレンチ(10b)を通じて複数の前記1導電型層(4ba)を並列的に接続する第1導電型の接続部(4bb)と、を有した構造とされていることを特徴とする半導体レーザ。 - 前記第1、第2トレンチ(10a、10b)は、前記半導体基板(1)の平面方向における前記レーザ光の出力方向と垂直方向の両端にそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項3に記載の半導体レーザ。
- 第1導電型の半導体基板(1)と、
前記半導体基板(1)の上に形成され、第1導電型のクラッド層、前記クラッド層上に配置された活性層、および前記活性層上に配置された第2導電型のクラッド層を有する第1レーザ構造(3)と、
前記第1レーザ構造(3)の上に形成された第2導電型接合層(4a)と該第2導電型接合層(4a)に対して接触する界面を有する第1導電型接合層(4b)とを備えたトンネルダイオード構造(4)と、
前記トンネルダイオード構造(4)の上に形成され、第1導電型のクラッド層、前記クラッド層上に配置された活性層、および前記活性層上に配置された第2導電型のクラッド層を有する第2レーザ構造(5)と、
を含む積層体を有し、
前記積層体における前記半導体基板(1)の表面側となる上面に形成された第1電極(8)と、前記積層体における前記半導体基板(1)の裏面側に配置された第2電極(9)とに対し、前記第1、第2レーザ構造(3、5)の順方向に向かう電流を流すことにより、前記第1、第2レーザ構造(3、5)からレーザ光を出力させる半導体レーザの製造方法であって、
前記半導体基板(1)を用意したのち、該半導体基板(1)の上に、前記第1導電型のクラッド層、前記活性層、前記第2導電型のクラッド層を成膜することにより前記第1レーザ構造(3)を形成する工程と、
前記第1レーザ構造(3)の上に、表面にトレンチが備えられた第2導電型接合層(4a)を形成すると共に、該第2導電型接合層(4a)の表面に第1導電型接合層(4b)を形成することにより、前記第2導電型接合層(4a)と前記第1導電型接合層(4b)との界面が凹凸形状とされたトンネルダイオード構造(4)を形成する工程と、
前記トンネルダイオード構造(4)の上に、前記第1導電型のクラッド層、前記活性層、前記第2導電型のクラッド層を成膜することにより前記第2レーザ構造(5)を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする半導体レーザの製造方法。 - 第1導電型の半導体基板(1)と、
前記半導体基板(1)の上に形成され、第1導電型のクラッド層、前記クラッド層上に配置された活性層、および前記活性層上に配置された第2導電型のクラッド層を有する第1レーザ構造(3)と、
前記第1レーザ構造(3)の上に形成された第2導電型接合層(4a)と該第2導電型接合層(4a)に対して接触する界面を有する第1導電型接合層(4b)とを備えたトンネルダイオード構造(4)と、
前記トンネルダイオード構造(4)の上に形成され、第1導電型のクラッド層、前記クラッド層上に配置された活性層、および前記活性層上に配置された第2導電型のクラッド層を有する第2レーザ構造(5)と、
を含む積層体を有し、
前記積層体における前記半導体基板(1)の表面側となる上面に形成された第1電極(8)と、前記積層体における前記半導体基板(1)の裏面側に配置された第2電極(9)とに対し、前記第1、第2レーザ構造(3、5)の順方向に向かう電流を流すことにより、前記第1、第2レーザ構造(3、5)からレーザ光を出力させる半導体レーザの製造方法であって、
前記半導体基板(1)を用意したのち、該半導体基板(1)の上に、前記第1導電型のクラッド層、前記活性層、前記第2導電型のクラッド層を成膜することにより前記第1レーザ構造(3)を形成する工程と、
前記第1レーザ構造(3)の上に、前記第2導電型接合層(4a)を構成する第2導電型層(4aa)と前記第1導電型接合層(4b)を構成する第1導電型層(4ba)とを交互に繰り返し積層する工程と、
前記第1レーザ構造(3)の上に前記トンネルダイオード構造(4)を形成する工程と、
前記トンネルダイオード構造(4)の上に、前記第1導電型のクラッド層、前記活性層、前記第2導電型のクラッド層を成膜することにより前記第2レーザ構造(5)を形成する工程と、を含み、
前記トンネルダイオード構造(4)を形成する工程は、
前記第2導電型層(4aa)と前記第1導電型層(4ba)の積層部分に対して最下層の前記第2導電型層(4aa)に達するように第1トレンチ(10a)を形成する工程と、
前記第1トレンチ(10a)内を含めて第2導電型層(4aa)をさらに形成することで、前記第1トレンチ(10a)を通じて複数の前記2導電型層(4aa)を並列的に接続する第2導電型の接続部(4ab)を形成する工程と、
前記第2導電型層(4aa)と前記第1導電型層(4ba)の積層部分に対して最下層の前記第1導電型層(4ba)に達するように第2トレンチ(10b)を形成する工程と、
前記第2トレンチ(10b)内を含めて第1導電型層(4ba)をさらに形成することで、前記第2トレンチ(10b)を通じて複数の前記1導電型層(4ba)を並列的に接続する第1導電型の接続部(4bb)を形成する工程と、を含んでいることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008302396A JP2010129750A (ja) | 2008-11-27 | 2008-11-27 | 半導体レーザおよびその製造方法 |
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JP2008302396A JP2010129750A (ja) | 2008-11-27 | 2008-11-27 | 半導体レーザおよびその製造方法 |
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JP (1) | JP2010129750A (ja) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0690063A (ja) * | 1992-07-20 | 1994-03-29 | Toyota Motor Corp | 半導体レーザー |
JP2001237438A (ja) * | 2000-02-25 | 2001-08-31 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
JP2003535454A (ja) * | 1999-07-30 | 2003-11-25 | オスラム オプト セミコンダクターズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 狭い波長分布を有する多重半導体レーザ構造 |
JP2006066535A (ja) * | 2004-08-25 | 2006-03-09 | Fuji Photo Film Co Ltd | 光電変換素子及び撮像素子 |
-
2008
- 2008-11-27 JP JP2008302396A patent/JP2010129750A/ja active Pending
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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