JP2013021127A - Surface emitting semiconductor laser - Google Patents

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裕 大西
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tunnel-junction surface emitting semiconductor laser which can inhibit variation in an output rate of each lateral mode in whole light output even when a magnitude of injection current is changed.SOLUTION: A surface emitting semiconductor laser 100 comprises a lower DBR 3, a lower spacer layer 5, an active layer 7, a first upper spacer layer 9, a tunnel junction region TJ provided on a part (first region 9S1 and second region 9S2) of a top face 9S of the first upper spacer layer 9, a second upper spacer layer 15 provided on the tunnel junction region TJ and on the first upper spacer layer 9 so as to bury the tunnel junction region TJ, and an upper distributed Bragg reflector 19. Tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ gradually decreases and/or monotonously decreases from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ when viewed from a direction orthogonal to a principal surface 1S of a semiconductor substrate 1.

Description

本発明は、面発光型半導体レーザに関する。   The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser.

面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、低消費電力で高速動作可能な直接変調型レーザとして、光通信分野への応用等を目的とした開発が続けられている。一般的に、面発光型半導体レーザは、電流効率を高め、しきい値電流を下げるため、活性層へ流れる電流を狭窄するための電流狭窄構造を有している。このような電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザの一つとして、トンネル接合領域を有するトンネル接合型の面発光型半導体レーザが知られている。   A surface emitting semiconductor laser (VCSEL) is a direct modulation laser that can operate at high speed with low power consumption, and has been developed for the purpose of application to the optical communication field. Generally, a surface emitting semiconductor laser has a current confinement structure for confining a current flowing to an active layer in order to increase current efficiency and reduce threshold current. As one of surface emitting semiconductor lasers having such a current confinement structure, a tunnel junction type surface emitting semiconductor laser having a tunnel junction region is known.

下記非特許文献１には、トンネル接合型の面発光型半導体レーザが記載されている。この面発光型半導体レーザは、電流狭窄を行うためのメサ形状のトンネル接合領域を有している。下記非特許文献１には、このトンネル接合のメサ径を５μｍ程度に小さくすることで、当該面発光型半導体レーザを基本横モードでシングルモード発振可能であることが記載されている。   Non-Patent Document 1 below describes a tunnel junction type surface emitting semiconductor laser. This surface emitting semiconductor laser has a mesa-shaped tunnel junction region for current confinement. Non-Patent Document 1 describes that the surface emitting semiconductor laser can be single-mode oscillated in the fundamental transverse mode by reducing the mesa diameter of the tunnel junction to about 5 μm.

N. Nishiyama et. al. “High efficiency long wavelength VCSELon InP grown by MOCVD”, ElectronicsLetters, Vol.39, No.5, pp.437-439 (2003)N. Nishiyama et. Al. “High efficiency long wavelength VCSELon InP grown by MOCVD”, Electronics Letters, Vol.39, No.5, pp.437-439 (2003)

上記非特許文献１に記載の面発光型半導体レーザのようなシングルモードファイバと結合させて使用されるシングルモード発振可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザについては開発が進められているのに対して、マルチモードファイバと結合させて使用されるマルチモード発振可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザについての報告例は少ない。そして、本願発明者らは、マルチモード発振可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザにおいて、以下のような問題点があることを見出した。   Although a tunnel-junction surface-emitting semiconductor laser capable of single-mode oscillation and used in combination with a single-mode fiber such as the surface-emitting semiconductor laser described in Non-Patent Document 1 has been developed. On the other hand, there are few reports on tunnel-junction surface-emitting semiconductor lasers capable of multimode oscillation that are used in combination with multimode fibers. The inventors of the present application have found that the tunnel junction type surface emitting semiconductor laser capable of multimode oscillation has the following problems.

即ち、従来のトンネル接合型の面発光型半導体レーザを低電流で発振させた場合、面発光型半導体レーザを構成する各半導体層の積層方向から見て、トンネル接合領域の中央部付近に最も多くのキャリアが流れるため、当該トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する基本横モードの利得が高くなる。そのため、基本横モードで優先的に発振し、高次横モードでは殆ど発振しない。それに対して、従来のトンネル接合型の面発光型半導体レーザを高電流で発振させた場合、基本横モードでの発振について自己利得飽和が生じる上に、上記積層方向から見て、相対的に当該トンネル接合領域の周縁部付近に流れるキャリアが増加するため、当該トンネル接合領域の周縁部付近に光強度ピークを有する高次横モードの利得が高くなる。そのため、基本横モードよりも当該高次横モードで優先的に発振するようになり、マルチモード発振する。   That is, when a conventional tunnel junction type surface emitting semiconductor laser is oscillated at a low current, it is most frequently found near the center of the tunnel junction region when viewed from the stacking direction of each semiconductor layer constituting the surface emitting semiconductor laser. Therefore, the gain of the fundamental transverse mode having a light intensity peak near the center of the tunnel junction region is increased. Therefore, it oscillates preferentially in the basic transverse mode and hardly oscillates in the higher order transverse mode. On the other hand, when a conventional tunnel junction surface emitting semiconductor laser is oscillated at a high current, self-gain saturation occurs in oscillation in the fundamental transverse mode, and the relative Since carriers flowing in the vicinity of the peripheral portion of the tunnel junction region increase, the gain of the high-order transverse mode having a light intensity peak in the vicinity of the peripheral portion of the tunnel junction region is increased. As a result, the higher-order transverse mode oscillates preferentially over the basic transverse mode, and multimode oscillation occurs.

そのため、従来のトンネル接合型の面発光型半導体レーザにおいて、強度変調信号を生成するために注入電流の大きさを変化させると、全光出力における各横モードの出力の割合が大きく変動してしまう。当該面発光型半導体レーザとマルチモードファイバとの結合効率や当該ファイバからの戻り光の強度は、横モードの種類ごとに異なるため、全光出力における各横モードの出力の割合が大きく変動すると、強度変調信号におけるノイズの原因となってしまうという問題点がある。   Therefore, in the conventional tunnel junction type surface emitting semiconductor laser, when the magnitude of the injection current is changed in order to generate the intensity modulation signal, the output ratio of each transverse mode in the total light output greatly fluctuates. . Since the coupling efficiency between the surface-emitting type semiconductor laser and the multimode fiber and the intensity of the return light from the fiber differ depending on the type of the transverse mode, if the ratio of the output of each transverse mode in the total light output varies greatly, There is a problem of causing noise in the intensity modulation signal.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and even if the magnitude of the injection current is changed, the tunnel junction type capable of suppressing the fluctuation of the output ratio of each transverse mode in the total light output. An object of the present invention is to provide a surface emitting semiconductor laser.

上述の課題を解決するため、本発明に係る面発光型半導体レーザは、半導体基板の主面上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部分布ブラッグリフレクタと、下部分布ブラッグリフレクタ上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部スペーサ層と、下部スペーサ層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２導電型の半導体からなる第１上部スペーサ層と、第１上部スペーサ層の上面の一部上に設けられたトンネル接合領域と、トンネル接合領域を埋め込むようにトンネル接合領域上及び第１上部スペーサ層上に設けられた、第２導電型の半導体からなる第２上部スペーサ層と、第２上部スペーサ層上に設けられた上部分布ブラッグリフレクタと、を備え、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a surface emitting semiconductor laser according to the present invention is provided on a lower distributed Bragg reflector made of a first conductivity type semiconductor provided on a main surface of a semiconductor substrate, and on the lower distributed Bragg reflector. A lower spacer layer made of a first conductivity type semiconductor, an active layer provided on the lower spacer layer, a first upper spacer layer made of a second conductivity type semiconductor provided on the active layer; A tunnel junction region provided on a part of the upper surface of the upper spacer layer; and a second conductivity type semiconductor provided on the tunnel junction region and the first upper spacer layer so as to embed the tunnel junction region. A second upper spacer layer; and an upper distributed Bragg reflector provided on the second upper spacer layer, wherein the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region is a semiconductor substrate. From the inside of the tunnel junction region when viewed from a direction the major surface of the perpendicular to the outer, decreases in stages, and / or, wherein the monotonically decreasing.

本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少する。そのため、本発明の面発光型半導体レーザを低電流で発振させた場合、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域の中央部付近に流れるキャリアの量は相対的に減少すると共に、単位面積当たりのトンネル抵抗が低いトンネル接合領域の周縁部付近に流れるキャリアの量は相対的に増加する。そのため、トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する基本横モードの利得を相対的に抑制しつつ、トンネル接合領域の周縁部付近に光強度ピークを有する高次横モードの利得を相対的に高くすることができる。そのため、基本横モードと当該高次横モードとで同時に発振させることができる。   In the surface emitting semiconductor laser according to the present invention, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region is stepped from the inside to the outside of the tunnel junction region when viewed from the direction orthogonal to the main surface of the semiconductor substrate. Decrease and / or decrease monotonically. Therefore, when the surface emitting semiconductor laser of the present invention is oscillated at a low current, it flows near the center of the tunnel junction region having a higher tunnel resistance per unit area than in the case of the conventional surface emitting semiconductor laser. The amount of carriers relatively decreases, and the amount of carriers flowing near the periphery of the tunnel junction region having a low tunnel resistance per unit area relatively increases. Therefore, the gain of the high-order transverse mode having the light intensity peak near the periphery of the tunnel junction region is relatively suppressed while the gain of the fundamental transverse mode having the light intensity peak near the center portion of the tunnel junction region is relatively suppressed. Can be high. Therefore, it is possible to oscillate simultaneously in the basic transverse mode and the higher order transverse mode.

また、本発明の面発光型半導体レーザを高電流で発振させた場合、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域の中央部付近に流れるキャリアの量が増加するため、トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する基本横モードの利得や、トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する高次横モードの利得が高くなる。そのため、基本横モードや当該高次横モードでも安定して発振が続く。   In addition, when the surface emitting semiconductor laser of the present invention is oscillated at a high current, the amount of carriers flowing near the center of the tunnel junction region having a high tunnel resistance per unit area increases. The gain of the fundamental transverse mode having a light intensity peak in the vicinity and the gain of a higher-order transverse mode having a light intensity peak near the center of the tunnel junction region are increased. Therefore, oscillation continues stably even in the basic transverse mode or the higher order transverse mode.

これにより、本発明に係るトンネル接合型の面発光型半導体レーザによれば、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能となる。   Thereby, according to the tunnel junction type surface emitting semiconductor laser according to the present invention, each of the total light output can be obtained even if the magnitude of the injection current is changed as compared with the case of the conventional surface emitting semiconductor laser. It is possible to suppress fluctuations in the output ratio of the transverse mode.

さらに、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、第１上部スペーサ層の上面は、第１領域と、当該第１領域を囲む第２領域と、を有し、トンネル接合領域は、第１領域上に設けられた第１トンネル接合部と、第２領域上に設けられた第２トンネル接合部と、を有し、第２トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低いことが好ましい。   Furthermore, in the surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention, the upper surface of the first upper spacer layer has a first region and a second region surrounding the first region, and the tunnel junction region is the first region. A first tunnel junction provided on the region, and a second tunnel junction provided on the second region, and the tunnel resistance per unit area of the second tunnel junction is the first tunnel junction It is preferably lower than the tunnel resistance per unit area of the part.

この場合、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部と第２トンネル接合部の境界部において段階的に変化する。そのため、上記のような第１トンネル接合部と第２トンネル接合部を形成することにより、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗が半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。   In this case, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region changes stepwise at the boundary between the first tunnel junction and the second tunnel junction. Therefore, by forming the first tunnel junction and the second tunnel junction as described above, the tunnel junction when the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region is viewed from the direction orthogonal to the main surface of the semiconductor substrate. It is possible to easily realize an aspect in which the area gradually decreases from the inside to the outside of the region.

また、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって、単調に減少することが好ましい。これにより、トンネル接合領域の内側から外側に向かって電流分布が連続的に変化するため、各横モードに対するキャリアの供給をより均一にすることができる。   In the surface emitting semiconductor laser according to the present invention, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region is from the inside to the outside of the tunnel junction region when viewed from the direction orthogonal to the main surface of the semiconductor substrate. It is preferable to decrease monotonously. As a result, the current distribution continuously changes from the inside to the outside of the tunnel junction region, so that the carrier supply to each transverse mode can be made more uniform.

また、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域は化合物半導体からなり、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、トンネル接合領域の化合物半導体の組成比は、トンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることが好ましい。   In the surface emitting semiconductor laser according to the present invention, the tunnel junction region is made of a compound semiconductor, and the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region decreases stepwise from the inside to the outside of the tunnel junction region. In addition, the composition ratio of the compound semiconductor in the tunnel junction region may change stepwise and / or monotonously from the inside to the outside of the tunnel junction region so as to monotonously decrease. preferable.

この場合、トンネル接合領域の化合物半導体の組成比を、当該トンネル接合領域の内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するという態様を容易に実現することができる。   In this case, by changing the composition ratio of the compound semiconductor in the tunnel junction region in a predetermined manner from the inner side to the outer side of the tunnel junction region, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region is changed to the inner side of the tunnel junction region. From the outside to the outside, it is possible to easily realize a mode of decreasing in steps and / or decreasing monotonously.

また、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、トンネル接合領域にドープされているキャリア濃度は、トンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることが好ましい。   In the surface emitting semiconductor laser according to the present invention, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region decreases stepwise and / or monotonously from the inside to the outside of the tunnel junction region. In addition, it is preferable that the carrier concentration doped in the tunnel junction region changes stepwise and / or monotonously from the inside to the outside of the tunnel junction region.

この場合、トンネル接合領域にドープされているキャリア濃度を、当該トンネル接合領域の内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するという態様を容易に実現することができる。   In this case, by changing the carrier concentration doped in the tunnel junction region in a predetermined manner from the inside to the outside of the tunnel junction region, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region is reduced. It is possible to easily realize a mode of decreasing in steps and / or monotonously decreasing from the inside toward the outside.

本発明によれば、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザが提供される。   According to the present invention, there is provided a tunnel junction type surface emitting semiconductor laser capable of suppressing fluctuations in the output ratio of each transverse mode in the total light output even when the magnitude of the injection current is changed. .

実施形態に係る面発光型半導体レーザの主要部の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the principal part of the surface emitting semiconductor laser which concerns on embodiment. 実施形態に係る面発光型半導体レーザの上面図である。It is a top view of the surface emitting semiconductor laser according to the embodiment. トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗の位置依存性を示す図である。It is a figure which shows the position dependence of the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction area | region TJ. 実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser of embodiment. 実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser of embodiment. 実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser of embodiment. 実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser of embodiment. 実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser of embodiment. 実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser of embodiment. 比較例の面発光型半導体レーザを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the surface emitting semiconductor laser of a comparative example. 実施例の面発光型半導体レーザ１００について、シミュレーションで求めた出力パワーの注入電流依存性を示す図である。It is a figure which shows the injection current dependence of the output power calculated | required by simulation about the surface emitting semiconductor laser 100 of an Example. 比較例の面発光型半導体レーザ面発光型半導体レーザ１００Ｐについて、シミュレーションで求めた出力パワーの電流依存性を示す図である。It is a figure which shows the electric current dependence of the output power calculated | required by simulation about the surface emitting semiconductor laser 100P of the comparative example. 変形例に係るトンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗の位置依存性を示す図である。It is a figure which shows the position dependence of the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction area | region TJ which concerns on a modification.

以下、実施の形態に係る面発光型半導体レーザについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。   Hereinafter, a surface emitting semiconductor laser according to an embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used for the same elements when possible. In addition, the dimensional ratios in the components in the drawings and between the components are arbitrary for easy viewing of the drawings.

図１は、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの主要部の断面を示す図であり、図２は、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの上面図である。図１は、図２のＩ−Ｉ線に沿った面発光型半導体レーザの断面を示している。   FIG. 1 is a view showing a cross section of the main part of the surface emitting semiconductor laser according to the present embodiment, and FIG. 2 is a top view of the surface emitting semiconductor laser according to the present embodiment. FIG. 1 shows a cross section of a surface emitting semiconductor laser taken along line II in FIG.

図１に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００は、半導体基板１と、半導体基板１の主面１Ｓ上に設けられた下部分布ブラッグリフレクタ（以下、「下部ＤＢＲ」とする）３と、下部ＤＢＲ３上に設けられた下部スペーサ層５と、下部スペーサ層５上に設けられた活性層７と、活性層７上に設けられた第１上部スペーサ層９と、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの一部上に設けられたトンネル接合領域ＴＪと、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むようにトンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に設けられた第２上部スペーサ層１５と、第２上部スペーサ層１５上に設けられたコンタクト層１７と、コンタクト層１７を介して第２上部スペーサ層１５の一部上に設けられた上部分布ブラッグリフレクタ（以下、「上部ＤＢＲ」とする）１９と、コンタクト層１７を介して第２上部スペーサ層１５の他の一部上に設けられた上部電極２１と、半導体基板１の裏面１Ｂ上に設けられた下部電極２３と、を備えている。   As shown in FIG. 1, a surface emitting semiconductor laser 100 according to this embodiment includes a semiconductor substrate 1 and a lower distributed Bragg reflector (hereinafter referred to as “lower DBR”) provided on a main surface 1S of the semiconductor substrate 1. 3, a lower spacer layer 5 provided on the lower DBR 3, an active layer 7 provided on the lower spacer layer 5, a first upper spacer layer 9 provided on the active layer 7, and a first upper spacer A tunnel junction region TJ provided on a part of the upper surface 9S of the layer 9 and a second upper spacer layer 15 provided on the tunnel junction region TJ and the first upper spacer layer 9 so as to embed the tunnel junction region TJ. A contact layer 17 provided on the second upper spacer layer 15 and an upper distributed Bragg reflector (hereinafter referred to as “upper part”) provided on a part of the second upper spacer layer 15 via the contact layer 17. BR ”) 19, an upper electrode 21 provided on another part of the second upper spacer layer 15 via the contact layer 17, a lower electrode 23 provided on the back surface 1 B of the semiconductor substrate 1, It is equipped with.

半導体基板１は、第１導電型であるｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。半導体基板１は、例えば板状の部材であり、略平坦な主面１Ｓ及び裏面１Ｂを有する。以下で詳細に説明する下部ＤＢＲ３から上部ＤＢＲ１９までの各層は、半導体基板１の主面１Ｓ上に、当該主面１Ｓと直交する方向に沿って積層されている。   The semiconductor substrate 1 is made of an n-type semiconductor material having a first conductivity type, and is made of, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP doped with silicon (Si). The semiconductor substrate 1 is a plate-like member, for example, and has a substantially flat main surface 1S and a back surface 1B. Each layer from the lower DBR 3 to the upper DBR 19 described in detail below is stacked on the main surface 1S of the semiconductor substrate 1 along a direction orthogonal to the main surface 1S.

下部ＤＢＲ３は、ｎ型の半導体からなる。具体的には、下部ＤＢＲ３は、交互に配列された複数の第１半導体層３ａ及び第２半導体層３ｂを含む。第１半導体層３ａの屈折率は第２半導体層３ｂの屈折率よりも大きい。また、各第１半導体層３ａは略同一の厚さを有し、各第２半導体層３ｂは略同一の厚さを有する。   The lower DBR 3 is made of an n-type semiconductor. Specifically, the lower DBR 3 includes a plurality of first semiconductor layers 3a and second semiconductor layers 3b arranged alternately. The refractive index of the first semiconductor layer 3a is larger than the refractive index of the second semiconductor layer 3b. The first semiconductor layers 3a have substantially the same thickness, and the second semiconductor layers 3b have substantially the same thickness.

そのため、下部ＤＢＲ３の屈折率は、主面１Ｓと直交する方向（以下、「積層方向」と言う場合がある）に沿って周期的に変化する。第１半導体層３ａは、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第２半導体層３ｂは、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。下部ＤＢＲ３が有する第１半導体層３ａと第２半導体層３ｂとの組数は、図１においては２組となっているが、特に制限されず、例えば、４０組とすることができる。下部ＤＢＲ３のキャリア密度は、例えば、８×１０１７ｃｍ−３とすることができる。 Therefore, the refractive index of the lower DBR 3 periodically changes along a direction orthogonal to the main surface 1S (hereinafter, sometimes referred to as “stacking direction”). The first semiconductor layer 3a is made of an n-type semiconductor material, for example, a III-V group compound semiconductor such as AlGaInAs doped with silicon (Si). The second semiconductor layer 3b is made of an n-type semiconductor material, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP doped with silicon (Si). The number of pairs of the first semiconductor layer 3a and the second semiconductor layer 3b included in the lower DBR 3 is two in FIG. 1, but is not particularly limited, and may be, for example, 40. The carrier density of the lower DBR 3 can be set to 8 × 10 17 cm −3 , for example.

下部スペーサ層５は、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。下部スペーサ層５の厚さは、例えば、２００ｎｍとすることができる。下部スペーサ層５のキャリア密度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３とすることができる。 The lower spacer layer 5 is made of an n-type semiconductor material, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP doped with silicon (Si). The thickness of the lower spacer layer 5 can be set to 200 nm, for example. The carrier density of the lower spacer layer 5 can be set to 5 × 10 17 cm −3 , for example.

活性層７は、例えば量子井戸構造を有しており、交互に配列された井戸層及び障壁層を含む。活性層７を構成する半導体としては、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ等のノンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を挙げることができる。   The active layer 7 has a quantum well structure, for example, and includes well layers and barrier layers arranged alternately. Examples of the semiconductor constituting the active layer 7 include non-doped III-V group compound semiconductors such as AlGaInAs.

第１上部スペーサ層９は、第２導電型であるｐ型の半導体材料からなり、例えば、亜鉛（Ｚｎ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１上部スペーサ層９の厚さは、例えば、１００ｎｍとすることができる。第１上部スペーサ層９のキャリア密度は、例えば、７×１０１７ｃｍ−３とすることができる。また、第１上部スペーサ層９は、略平坦な上面９Ｓを有する。 The first upper spacer layer 9 is made of a second conductivity type p-type semiconductor material, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP doped with zinc (Zn). The thickness of the first upper spacer layer 9 can be set to 100 nm, for example. The carrier density of the first upper spacer layer 9 can be set to 7 × 10 17 cm −3 , for example. The first upper spacer layer 9 has a substantially flat upper surface 9S.

また、図１及び図２に示すように、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓは、第１領域９Ｓ１と、第２領域９Ｓ２と、第３領域９Ｓ３と、からなる。本実施形態においては、第１領域９Ｓ１は、積層方向から見て、円形である。第２領域９Ｓ２は、積層方向から見て、第１領域９Ｓ１を囲んでおり、本実施形態においては、環状である。第３領域９Ｓ３は、積層方向から見て第２領域９Ｓ２を囲んでおり、本実施系形態においては、上面９Ｓのうち、第１領域９Ｓ１と第２領域９Ｓ２以外の領域である。   As shown in FIGS. 1 and 2, the upper surface 9S of the first upper spacer layer 9 includes a first region 9S1, a second region 9S2, and a third region 9S3. In the present embodiment, the first region 9S1 is circular when viewed from the stacking direction. The second region 9S2 surrounds the first region 9S1 when viewed from the stacking direction, and is annular in this embodiment. The third region 9S3 surrounds the second region 9S2 when viewed from the stacking direction. In the present embodiment, the third region 9S3 is a region other than the first region 9S1 and the second region 9S2 in the upper surface 9S.

トンネル接合領域ＴＪは、活性層７に流れる電流を狭窄するために、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの一部上（本実施形態では、第１領域９Ｓ１及び第２領域９Ｓ２上）に設けられている。本実施形態のトンネル接合領域ＴＪは、積層方向に突出するメサ形状を有しており、積層方向から見て円形である。   The tunnel junction region TJ is provided on a part of the upper surface 9S of the first upper spacer layer 9 (in this embodiment, on the first region 9S1 and the second region 9S2) in order to confine the current flowing in the active layer 7. It has been. The tunnel junction region TJ of the present embodiment has a mesa shape protruding in the stacking direction, and is circular when viewed from the stacking direction.

また、本実施形態のトンネル接合領域ＴＪは、第１領域９Ｓ１上に設けられた第１トンネル接合部１１と、第２領域９Ｓ２上に設けられた第２トンネル接合部１２と、からなる。第１トンネル接合部１１は、積層方向に突出するメサ形状を有しており、第１領域９Ｓ１と同様に積層方向から見て円形である。第２トンネル接合部１２は、第１トンネル接合部１１と略同じ高さだけ積層方向に突出している。また、第２トンネル接合部１２は、積層方向から見て、第１トンネル接合部１１の側面と接するように当該第１トンネル接合部１１を囲んでおり、第２領域９Ｓ２と同様に環状である。   Further, the tunnel junction region TJ of the present embodiment includes a first tunnel junction portion 11 provided on the first region 9S1 and a second tunnel junction portion 12 provided on the second region 9S2. The first tunnel junction 11 has a mesa shape protruding in the stacking direction, and is circular when viewed from the stacking direction, like the first region 9S1. The second tunnel junction 12 projects in the stacking direction by substantially the same height as the first tunnel junction 11. The second tunnel junction 12 surrounds the first tunnel junction 11 so as to be in contact with the side surface of the first tunnel junction 11 when viewed from the stacking direction, and is annular like the second region 9S2. .

また、第１トンネル接合部１１は、第１ｐ型半導体層１１Ａと、第１ｎ型半導体層１１Ｂとからなる。第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第１ｎ型半導体層１１Ｂは、この順に第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第１領域９Ｓ１上に積層されている。また、第２トンネル接合部１２は、第２ｐ型半導体層１２Ａと、第２ｎ型半導体層１２Ｂとからなる。第２ｐ型半導体層１２Ａ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは、この順に第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第２領域９Ｓ２上に積層されている。第１ｐ型半導体層１１Ａの側面は、第２ｐ型半導体層１２Ａの側面と接しており、第１ｎ型半導体層１１Ｂの側面は、第２ｎ型半導体層１２Ｂの側面と接している。   The first tunnel junction 11 is composed of a first p-type semiconductor layer 11A and a first n-type semiconductor layer 11B. The first p-type semiconductor layer 11A and the first n-type semiconductor layer 11B are stacked on the first region 9S1 of the upper surface 9S of the first upper spacer layer 9 in this order. The second tunnel junction 12 includes a second p-type semiconductor layer 12A and a second n-type semiconductor layer 12B. The second p-type semiconductor layer 12A and the second n-type semiconductor layer 12B are stacked in this order on the second region 9S2 of the upper surface 9S of the first upper spacer layer 9. The side surface of the first p-type semiconductor layer 11A is in contact with the side surface of the second p-type semiconductor layer 12A, and the side surface of the first n-type semiconductor layer 11B is in contact with the side surface of the second n-type semiconductor layer 12B.

第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第２ｐ型半導体層１２Ａは、それぞれ、第１上部スペーサ層９よりもキャリア濃度が高くなるように、高濃度（例えば、１×１０１９ｃｍ−３）にｐ型不純物（例えば、炭素（Ｃ））がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１ｎ型半導体層１１Ｂ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは、それぞれ第２上部スペーサ層１５よりもキャリア濃度が高くなるように、高濃度（例えば、７×１０１８ｃｍ−３）にｎ型不純物（例えば、シリコン（Ｓｉ））がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。 The first p-type semiconductor layer 11A and the second p-type semiconductor layer 12A each have a p-type impurity at a high concentration (for example, 1 × 10 19 cm −3 ) so that the carrier concentration is higher than that of the first upper spacer layer 9. It consists of III-V group compound semiconductors, such as AlGaInAs doped with (for example, carbon (C)). The first n-type semiconductor layer 11B and the second n-type semiconductor layer 12B each have an n-type impurity (for example, 7 × 10 18 cm −3 ) at a high concentration so that the carrier concentration is higher than that of the second upper spacer layer 15. For example, it is made of a III-V group compound semiconductor such as AlGaInAs doped with silicon (Si).

第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第１ｎ型半導体層１１Ｂは、これらの界面においてトンネル接合１１Ｔを構成し、第２ｐ型半導体層１２Ａ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは、これらの界面においてトンネル接合１２Ｔを構成する。即ち、第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第１ｎ型半導体層１１Ｂ間に電圧を印加することにより、これらの界面を通過するように積層方向にトンネル電流を流すことが可能であり、同様に、第２ｐ型半導体層１２Ａ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂ間に電圧を印加することにより、これらの界面を通過するように積層方向にトンネル電流を流すことが可能である。   The first p-type semiconductor layer 11A and the first n-type semiconductor layer 11B constitute a tunnel junction 11T at these interfaces, and the second p-type semiconductor layer 12A and the second n-type semiconductor layer 12B constitute a tunnel junction 12T at these interfaces. To do. That is, by applying a voltage between the first p-type semiconductor layer 11A and the first n-type semiconductor layer 11B, it is possible to flow a tunnel current in the stacking direction so as to pass through these interfaces. By applying a voltage between the type semiconductor layer 12A and the second n-type semiconductor layer 12B, a tunnel current can flow in the stacking direction so as to pass through these interfaces.

本実施形態では、第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第２ｐ型半導体層１２Ａは略同一の厚さを有し、これらの厚さは、例えば５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることができる。また、本実施形態では第１ｎ型半導体層１１Ｂ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは略同一の厚さを有し、これらの厚さは、例えば５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることができる。   In the present embodiment, the first p-type semiconductor layer 11A and the second p-type semiconductor layer 12A have substantially the same thickness, and these thicknesses can be, for example, 5 nm or more and 20 nm or less. In the present embodiment, the first n-type semiconductor layer 11B and the second n-type semiconductor layer 12B have substantially the same thickness, and these thicknesses can be set to, for example, 5 nm or more and 20 nm or less.

また、積層方向から見た場合の第１トンネル接合部１１の直径Ｗ１１（即ち、第２トンネル接合部１２の内径）は、例えば、３μｍ以上、７μｍ以下とすることができる。第２トンネル接合部１２の外径Ｗ１２は、例えば、４μｍ以上、１２μｍ以下とすることができる。   Further, the diameter W11 of the first tunnel junction 11 when viewed from the stacking direction (that is, the inner diameter of the second tunnel junction 12) can be, for example, 3 μm or more and 7 μm or less. The outer diameter W12 of the second tunnel junction 12 can be set to 4 μm or more and 12 μm or less, for example.

また、以下に詳細に説明するように、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少する。ここで、「トンネル接合領域ＴＪの単位面積」とは、積層方向と直交する平面におけるトンネル接合領域ＴＪの単位面積、即ち、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの単位面積を意味する。   Further, as will be described in detail below, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ decreases stepwise from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction. Here, “unit area of the tunnel junction region TJ” means a unit area of the tunnel junction region TJ in a plane orthogonal to the stacking direction, that is, a unit area of the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction.

図３は、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗の位置依存性を示す図である。横軸は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪにおける位置を示し、縦軸は当該位置に対応するトンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗を示している。図３に示すように、本実施形態においては、第１トンネル接合部１１における単位面積当たりのトンネル抵抗は略一定であり、同様に、第２トンネル接合部１２における単位面積当たりのトンネル抵抗は略一定である。また、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低い。   FIG. 3 is a diagram showing the position dependency of the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ. The horizontal axis indicates the position in the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction, and the vertical axis indicates the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ corresponding to the position. As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the tunnel resistance per unit area in the first tunnel junction 11 is substantially constant, and similarly, the tunnel resistance per unit area in the second tunnel junction 12 is substantially constant. It is constant. The tunnel resistance per unit area of the second tunnel junction 12 is lower than the tunnel resistance per unit area of the first tunnel junction 11.

これにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２の境界部において段階的に変化する。そのため、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって（本実施形態においては、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの中心ＣＴＪからトンネル接合領域ＴＪの外縁ＥＴＪに向かって）、段階的に減少する。   As a result, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ changes stepwise at the boundary between the first tunnel junction 11 and the second tunnel junction 12. Therefore, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ is from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction (in this embodiment, the tunnel junction region when viewed from the stacking direction). From the center CTJ of the TJ to the outer edge ETJ of the tunnel junction region TJ), it decreases in steps.

第１トンネル接合部１１におけるトンネル抵抗は、例えば、３０Ω以上、５０Ω以下とすることができ、第１トンネル接合部１１における単位面積当たりのトンネル抵抗は、例えば、１．３０Ω／ｕｍ２以上、４．２４Ω／ｕｍ２以下とすることができる。また、第２トンネル接合部１２におけるトンネル抵抗は、例えば、１０Ω以上、４０Ω以下とすることができ、第２トンネル接合部１２における単位面積当たりのトンネル抵抗は、例えば、０．５４Ω／ｕｍ２以上、１．８２Ω／ｕｍ２以下とすることができる。 The tunnel resistance in the first tunnel junction 11 can be, for example, 30Ω or more and 50Ω or less, and the tunnel resistance per unit area in the first tunnel junction 11 is, for example, 1.30Ω / um 2 or more, 4 .24Ω / um 2 or less. The tunnel resistance in the second tunnel junction 12 can be, for example, 10Ω or more and 40Ω or less, and the tunnel resistance per unit area in the second tunnel junction 12 is, for example, 0.54Ω / um 2 or more. 1.82 Ω / um 2 or less.

上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の例として、トンネル接合領域ＴＪを化合物半導体で構成すると共に、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に減少するように、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に変化させる方法が挙げられる。   As an example of a method for realizing the tunnel junction region TJ as described above, the tunnel junction region TJ is made of a compound semiconductor, and the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ is directed from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ. For example, the compound semiconductor composition ratio of the tunnel junction region TJ may be changed stepwise from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ.

より具体的には、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２を同種の化合物半導体で構成する。そして、第２トンネル接合部１２のバンドギャップが第１トンネル接合部１１のバンドギャップよりも小さくなるように（即ち、第２トンネル接合部１２のバンドギャップ波長が第１トンネル接合部１１のバンドギャップ波長よりも大きくなるように）、第１トンネル接合部１１を構成する化合物半導体の組成比と、第２トンネル接合部１２を構成する化合物半導体の組成比を、それぞれ調節する。（例えば、第１トンネル接合部１１のバンドギャップ波長が１２００ｎｍ、第２トンネル接合部１２のバンドギャップ波長が１３００ｎｍとなるように第１トンネル接合部１１及び第２トンネル接合部１２の組成比と調節する。）。これにより、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗を、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも小さくすることができるため、上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現することができる。   More specifically, the first tunnel junction 11 and the second tunnel junction 12 are made of the same kind of compound semiconductor. The band gap of the second tunnel junction 12 is smaller than the band gap of the first tunnel junction 11 (that is, the band gap wavelength of the second tunnel junction 12 is the band gap of the first tunnel junction 11). The composition ratio of the compound semiconductor composing the first tunnel junction 11 and the composition ratio of the compound semiconductor composing the second tunnel junction 12 are adjusted so as to be larger than the wavelength. (For example, the composition ratio and adjustment of the first tunnel junction 11 and the second tunnel junction 12 are adjusted so that the band gap wavelength of the first tunnel junction 11 is 1200 nm and the band gap wavelength of the second tunnel junction 12 is 1300 nm. To do.) As a result, the tunnel resistance per unit area of the second tunnel junction 12 can be made smaller than the tunnel resistance per unit area of the first tunnel junction 11, so that the tunnel junction region TJ as described above is realized. can do.

このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。   When such a method is employed, the composition ratio of the compound semiconductor in the tunnel junction region TJ is changed in a predetermined manner from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ, thereby obtaining the per unit area of the tunnel junction region TJ. It is possible to easily realize a mode in which the tunnel resistance decreases stepwise from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ.

また、上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の他の例として、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少するように、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に変化させる方法が挙げられる。   Further, as another example of the method for realizing the tunnel junction region TJ as described above, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ is decreased stepwise from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ. In addition, there is a method in which the carrier concentration doped in the tunnel junction region TJ is changed stepwise from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ.

より具体的には、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２を同種又は異種の半導体で構成する。そして、第２トンネル接合部１２の導電率が第１トンネル接合部１１の導電率よりも小さくなるように、第１トンネル接合部１１にドープするキャリア濃度と、第２トンネル接合部１２にドープするキャリア濃度を、それぞれ調節する。これにより、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗を、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも小さくすることができるため、上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現することができる。   More specifically, the first tunnel junction 11 and the second tunnel junction 12 are made of the same kind or different kinds of semiconductors. Then, the carrier concentration doped into the first tunnel junction portion 11 and the second tunnel junction portion 12 are doped so that the conductivity of the second tunnel junction portion 12 is smaller than the conductivity of the first tunnel junction portion 11. Adjust the carrier concentration. As a result, the tunnel resistance per unit area of the second tunnel junction 12 can be made smaller than the tunnel resistance per unit area of the first tunnel junction 11, so that the tunnel junction region TJ as described above is realized. can do.

このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。   When such a method is employed, the unit area of the tunnel junction region TJ is changed by changing the carrier concentration doped in the tunnel junction region TJ from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ in a predetermined manner. It is possible to easily realize a mode in which the hit tunnel resistance decreases stepwise from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ.

図１及び図２を再び参照し、面発光型半導体レーザ１００の他の要素について説明する。図１に示すように、第２上部スペーサ層１５は、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むようにトンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に設けられている。第２上部スペーサ層１５は、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１上部スペーサ層９の上面９Ｓを基準とした第２上部スペーサ層１５の厚さは、例えば、２６０ｎｍとすることができる。下部スペーサ層５のキャリア密度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３とすることができる。 With reference to FIGS. 1 and 2 again, other elements of the surface emitting semiconductor laser 100 will be described. As shown in FIG. 1, the second upper spacer layer 15 is provided on the tunnel junction region TJ and the first upper spacer layer 9 so as to embed the tunnel junction region TJ. The second upper spacer layer 15 is made of an n-type semiconductor material, for example, a III-V group compound semiconductor such as InP doped with silicon (Si). The thickness of the second upper spacer layer 15 with respect to the upper surface 9S of the first upper spacer layer 9 can be set to 260 nm, for example. The carrier density of the lower spacer layer 5 can be set to 5 × 10 17 cm −3 , for example.

コンタクト層１７は、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。なお、面発光型半導体レーザ１００はコンタクト層１７を備えていなくてもよい。   The contact layer 17 is made of an n-type semiconductor material, for example, a III-V group compound semiconductor such as InGaAs doped with an n-type impurity. Note that the surface emitting semiconductor laser 100 may not include the contact layer 17.

第２上部スペーサ層１５上には、上部ＤＢＲ１９及び上部電極２１が設けられている。半導体基板１の裏面１Ｂには、下部電極２３が設けられている。上部電極２１は上部電極２１とオーミック接触する。コンタクト層１７が存在しない場合、上部電極２１は第２上部スペーサ層１５上に設けられる。また、上部電極２１は、トンネル接合領域ＴＪの上方に開口２１Ｈを有する。本実施形態では、積層方向から見て開口２１Ｈは円形であり、トンネル接合領域ＴＪは開口２１Ｈ内に含まれる。   An upper DBR 19 and an upper electrode 21 are provided on the second upper spacer layer 15. A lower electrode 23 is provided on the back surface 1 </ b> B of the semiconductor substrate 1. The upper electrode 21 is in ohmic contact with the upper electrode 21. When the contact layer 17 is not present, the upper electrode 21 is provided on the second upper spacer layer 15. The upper electrode 21 has an opening 21H above the tunnel junction region TJ. In the present embodiment, the opening 21H is circular as viewed from the stacking direction, and the tunnel junction region TJ is included in the opening 21H.

上部ＤＢＲ１９は、上部電極２１の開口２１Ｈを介してコンタクト層１７と接している。コンタクト層１７が存在しない場合、上部ＤＢＲ１９は、上部電極２１の開口２１Ｈを介して第２上部スペーサ層１５と接する。   The upper DBR 19 is in contact with the contact layer 17 through the opening 21H of the upper electrode 21. When the contact layer 17 is not present, the upper DBR 19 is in contact with the second upper spacer layer 15 through the opening 21H of the upper electrode 21.

上部ＤＢＲ１９の屈折率は、積層方向に沿って周期的に変化する。上部ＤＢＲ１９は、交互に配列された複数の第１誘電体層１９ａ及び第２誘電体層１９ｂを含む。第１誘電体層１９ａの屈折率は第２誘電体層１９ｂの屈折率よりも大きい。また、各第１誘電体層１９ａは略同一の厚さを有し、各第２誘電体層１９ｂは略同一の厚さを有する。第１誘電体層１９ａは、例えば、ＳｉＯ２等の誘電材料からなり、第２誘電体層１９ｂは、例えば、ＴｉＯ２等の誘電材料からなる。 The refractive index of the upper DBR 19 changes periodically along the stacking direction. The upper DBR 19 includes a plurality of first dielectric layers 19a and second dielectric layers 19b arranged alternately. The refractive index of the first dielectric layer 19a is larger than the refractive index of the second dielectric layer 19b. The first dielectric layers 19a have substantially the same thickness, and the second dielectric layers 19b have substantially the same thickness. The first dielectric layer 19a is made of a dielectric material such as SiO 2 , and the second dielectric layer 19b is made of a dielectric material such as TiO 2 , for example.

また、図２に示すように、第２上部スペーサ層１５上には、上部電極２１と離間して設けられた金属材料からなる電極パッド３１と、上部電極２１と電極パッド３１とを電気的に接続するための金属材料からなる接続部材３３と、が設けられている。   In addition, as shown in FIG. 2, an electrode pad 31 made of a metal material provided apart from the upper electrode 21, and the upper electrode 21 and the electrode pad 31 are electrically connected to the second upper spacer layer 15. And a connection member 33 made of a metal material for connection.

面発光型半導体レーザ１００を動作させる際には、電極パッド３１を介して上部電極２１に正電圧を印加すると共に、下部電極２３に負電圧を印加する。すると、第２上部スペーサ層１５と第１上部スペーサ層９との間に逆バイアスが印加されるため、第１上部スペーサ層９と第２上部スペーサ層１５とが直接接触する界面（第１上部スペーサ層９の第３領域９Ｓ３と第２上部スペーサ層１５とが直接接触する界面）は、キャリアが通過できない。   When the surface emitting semiconductor laser 100 is operated, a positive voltage is applied to the upper electrode 21 through the electrode pad 31 and a negative voltage is applied to the lower electrode 23. Then, since a reverse bias is applied between the second upper spacer layer 15 and the first upper spacer layer 9, the interface (first upper space) between the first upper spacer layer 9 and the second upper spacer layer 15 is in direct contact. Carriers cannot pass through the third region 9S3 of the spacer layer 9 and the interface between the second upper spacer layer 15 and the third region 9S3.

それに対して、トンネル接合領域ＴＪの第１トンネル接合部１１及び第２トンネル接合部１２は、トンネル接合１１Ｔ及びトンネル接合１２Ｔを構成するため、トンネル接合領域ＴＪを介してキャリアは第１上部スペーサ層９及び第２上部スペーサ層１５間を移動することができる。これにより、トンネル接合領域ＴＪによって狭窄された電流が活性層７に注入され、再結合により光が生じる。当該光は、下部ＤＢＲ３と上部ＤＢＲ１９の機能によって積層方向に沿って共振し、上部ＤＢＲ１９を介して外部にレーザ光が出力される。   On the other hand, the first tunnel junction portion 11 and the second tunnel junction portion 12 in the tunnel junction region TJ constitute the tunnel junction 11T and the tunnel junction 12T, and therefore, carriers are transferred to the first upper spacer layer via the tunnel junction region TJ. 9 and the second upper spacer layer 15 can be moved. As a result, a current constricted by the tunnel junction region TJ is injected into the active layer 7, and light is generated by recombination. The light resonates along the stacking direction by the functions of the lower DBR 3 and the upper DBR 19, and laser light is output to the outside via the upper DBR 19.

次に、上述のような面発光型半導体レーザ１００の製造方法の一例について説明する。図４〜図９は、本実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。   Next, an example of a method for manufacturing the surface emitting semiconductor laser 100 as described above will be described. 4 to 9 are cross-sectional views for explaining the method of manufacturing the surface-emitting type semiconductor laser of this embodiment.

本実施形態の面発光型半導体レーザ１００の製造においては、面発光型半導体レーザ１００が備える各半導体層は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法あるいは有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により成長される。   In the manufacture of the surface emitting semiconductor laser 100 of this embodiment, each semiconductor layer included in the surface emitting semiconductor laser 100 is grown by, for example, a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. .

まず、図４に示すように、半導体基板１の主面１Ｓ上に、例えば、下部ＤＢＲ３、下部スペーサ層５、活性層７、第１上部スペーサ層９、及び、半導体積層１１Ｘをこの順に形成する。半導体積層１１Ｘは、第１トンネル接合部１１となるべき要素であり、第１ｐ型半導体層１１Ａとなるべき半導体層１１ＡＸと、第１ｎ型半導体層１１Ｂとなるべき半導体層１１ＢＸと、からなる（図１参照）。   First, as shown in FIG. 4, on the main surface 1S of the semiconductor substrate 1, for example, the lower DBR 3, the lower spacer layer 5, the active layer 7, the first upper spacer layer 9, and the semiconductor stacked layer 11X are formed in this order. . The semiconductor stack 11X is an element to be the first tunnel junction 11, and includes a semiconductor layer 11AX to be the first p-type semiconductor layer 11A and a semiconductor layer 11BX to be the first n-type semiconductor layer 11B (see FIG. 1).

次に、図５に示すように、半導体積層１１Ｘのうち、第１トンネル接合部１１となるべき領域（第１領域９Ｓ１上の領域）を絶縁材料からなるマスクで覆い、当該マスクを用いて半導体積層１１Ｘをエッチングすることにより、第１トンネル接合部１１を形成する。   Next, as shown in FIG. 5, in the semiconductor stack 11X, a region to be the first tunnel junction 11 (region on the first region 9S1) is covered with a mask made of an insulating material, and a semiconductor is formed using the mask. The first tunnel junction 11 is formed by etching the stacked layer 11X.

そして、図６に示すように、第１トンネル接合部１１の形成のために用いた上記マスクを選択成長マスクとして用いて、第１トンネル接合部１１を埋め込むように、第１上部スペーサ層９の第２領域９Ｓ２及び第３領域９Ｓ３上に半導体積層１２Ｘを形成する。半導体積層１２Ｘは、第２トンネル接合部１２となるべき要素であり、第２ｐ型半導体層１２Ａとなるべき半導体層１２ＡＸと、第２ｎ型半導体層１２Ｂとなるべき半導体層１２ＢＸと、からなる。   Then, as shown in FIG. 6, the first upper spacer layer 9 is embedded so as to embed the first tunnel junction 11 by using the mask used for forming the first tunnel junction 11 as a selective growth mask. A semiconductor stack 12X is formed on the second region 9S2 and the third region 9S3. The semiconductor stack 12X is an element to be the second tunnel junction 12, and includes a semiconductor layer 12AX to be the second p-type semiconductor layer 12A and a semiconductor layer 12BX to be the second n-type semiconductor layer 12B.

続いて、図７に示すように、第１トンネル接合部１１の形成のために用いた上記マスクを除去した後に、第１トンネル接合部１１及び半導体積層１２Ｘのうち、トンネル接合領域ＴＪとなるべき領域（第２領域９Ｓ２及び第３領域９Ｓ３上の領域）を絶縁材料からなるマスクで覆い、当該マスクを用いて半導体積層１２Ｘをエッチングすることにより、第２トンネル接合部１２を形成する。これにより、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２とからなるトンネル接合領域ＴＪが形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 7, after removing the mask used for forming the first tunnel junction 11, the tunnel junction region TJ of the first tunnel junction 11 and the semiconductor stack 12X should be formed. The region (the region on the second region 9S2 and the third region 9S3) is covered with a mask made of an insulating material, and the semiconductor stack 12X is etched using the mask to form the second tunnel junction 12. Thereby, a tunnel junction region TJ composed of the first tunnel junction 11 and the second tunnel junction 12 is formed.

次に、図８に示すように、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むように、トンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に第２上部スペーサ層１５を形成し、第２上部スペーサ層１５上にコンタクト層１７を形成する。   Next, as shown in FIG. 8, a second upper spacer layer 15 is formed on the tunnel junction region TJ and on the first upper spacer layer 9 so as to fill the tunnel junction region TJ, and on the second upper spacer layer 15. A contact layer 17 is formed.

そして、図９に示すように、コンタクト層１７上に上部ＤＢＲ１９及び上部電極２１を形成し、その後、電極パッド３１と接続部材３３（図２参照）を形成することにより、本実施形態のトンネル接合型の面発光型半導体レーザ１００が得られる。   Then, as shown in FIG. 9, the upper DBR 19 and the upper electrode 21 are formed on the contact layer 17, and then the electrode pad 31 and the connection member 33 (see FIG. 2) are formed, whereby the tunnel junction of this embodiment is formed. Type surface emitting semiconductor laser 100 is obtained.

上述のような本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００においては、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板１の主面１Ｓと直交する方向（積層方向）から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少する（図１及び図３参照）。そのため、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００を低電流で発振させた場合、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域ＴＪの中央部付近（上述の実施形態では、第１トンネル接合部１１付近）に流れるキャリアの量は相対的に減少すると共に、単位面積当たりのトンネル抵抗が低いトンネル接合領域ＴＪの周縁部付近（上述の実施形態では、第２トンネル接合部１２付近）に流れるキャリアの量は相対的に増加する（図１及び図３参照）。   In the surface-emitting type semiconductor laser 100 according to this embodiment as described above, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ is viewed from a direction (stacking direction) orthogonal to the main surface 1S of the semiconductor substrate 1. Decreases gradually from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ (see FIGS. 1 and 3). Therefore, when the surface-emitting type semiconductor laser 100 of this embodiment is oscillated at a low current, the central portion of the tunnel junction region TJ having a high tunnel resistance per unit area compared to the case of the conventional surface-emitting type semiconductor laser. The amount of carriers flowing in the vicinity (in the above-described embodiment, in the vicinity of the first tunnel junction 11) is relatively reduced, and the vicinity of the periphery of the tunnel junction region TJ having a low tunnel resistance per unit area (in the above-described embodiment). Then, the amount of carriers flowing in the vicinity of the second tunnel junction 12 is relatively increased (see FIGS. 1 and 3).

そのため、トンネル接合領域ＴＪの中央部付近に光強度ピークを有する基本横モード（ＬＰ０１モード）の利得を相対的に抑制しつつ、トンネル接合領域の周縁部付近に光強度ピークを有する高次横モード（ＬＰ１１モード、ＬＰ１２モード）の利得を相対的に高くすることができる。そのため、基本横モードと当該高次横モードとで同時に発振させることができる。   Therefore, a high-order transverse mode having a light intensity peak near the periphery of the tunnel junction region while relatively suppressing the gain of the fundamental transverse mode (LP01 mode) having a light intensity peak near the center of the tunnel junction region TJ. The gain of (LP11 mode, LP12 mode) can be made relatively high. Therefore, it is possible to oscillate simultaneously in the basic transverse mode and the higher order transverse mode.

また、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００を高電流で発振させた場合、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域ＴＪの中央部付近（上述の実施形態では、第１トンネル接合部１１付近）に流れるキャリアの量が増加するため、トンネル接合領域ＴＪの中央部付近に光強度ピークを有する基本横モード（ＬＰ０１モード）の利得や、トンネル接合領域ＴＪの中央部付近に光強度ピークを有する高次横モード（ＬＰ０２モード）の利得が高くなる。そのため、基本横モードや当該高次横モードでも安定して発振が続く。   Further, when the surface emitting semiconductor laser 100 of this embodiment is oscillated with a high current, the vicinity of the center of the tunnel junction region TJ having a high tunnel resistance per unit area (in the above-described embodiment, the first tunnel junction 11). As the amount of carriers flowing in the vicinity of the tunnel junction region TJ increases, the gain of the fundamental transverse mode (LP01 mode) having a light intensity peak near the center of the tunnel junction region TJ or the light intensity peak near the center of the tunnel junction region TJ. The gain of the higher-order transverse mode (LP02 mode) is increased. Therefore, oscillation continues stably even in the basic transverse mode or the higher order transverse mode.

これにより、本実施形態に係るトンネル接合型の面発光型半導体レーザ１００によれば、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モード（ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ１２モード、ＬＰ０２モード）の出力の割合の変動を抑制することが可能となる。   Thereby, according to the tunnel junction type surface emitting semiconductor laser 100 according to the present embodiment, even if the magnitude of the injection current is changed as compared with the case of the conventional surface emitting semiconductor laser, the total light output It is possible to suppress fluctuations in the output ratio of each horizontal mode (LP01 mode, LP11 mode, LP12 mode, LP02 mode).

さらに、本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００においては、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓは、第１領域９Ｓ１と、当該第１領域９Ｓ１を囲む第２領域９Ｓ２と、を有し、トンネル接合領域ＴＪは、第１領域９Ｓ１上に設けられた第１トンネル接合部１１と、第２領域９Ｓ２上に設けられた第２トンネル接合部１２と、を有し、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低い（図１及び図３参照）。   Furthermore, in the surface-emitting type semiconductor laser 100 according to the present embodiment, the upper surface 9S of the first upper spacer layer 9 has a first region 9S1 and a second region 9S2 surrounding the first region 9S1. The tunnel junction region TJ has a first tunnel junction 11 provided on the first region 9S1 and a second tunnel junction 12 provided on the second region 9S2, and the second tunnel junction 12 The tunnel resistance per unit area is lower than the tunnel resistance per unit area of the first tunnel junction 11 (see FIGS. 1 and 3).

これにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２の境界部において段階的に変化する（図３参照）。そのため、このような第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２を形成することにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗が、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。   As a result, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ changes stepwise at the boundary between the first tunnel junction 11 and the second tunnel junction 12 (see FIG. 3). Therefore, by forming the first tunnel junction portion 11 and the second tunnel junction portion 12 as described above, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ is the inner side of the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction. It is possible to easily realize the aspect of decreasing stepwise from the outside to the outside.

次に、実施例及び比較例について行ったシミュレーション結果について説明する。まず、実施例の面発光型半導体レーザとして、図１に示す面発光型半導体レーザ１００を用意した。第１トンネル接合部１１の直径Ｗ１１を５μｍ、第２トンネル接合部１２の内径を５μｍ、及び、第２トンネル接合部１２の外径を８μｍとした。第１トンネル接合部１１のトンネル抵抗を３０Ωとした。そのため、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗は、１．５３Ω／ｕｍ２となった。第２トンネル接合部１２のトンネル抵抗を１５Ωとした。そのため、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗は、０．４９Ω／ｕｍ２となった。 Next, the simulation result performed about the Example and the comparative example is demonstrated. First, as the surface emitting semiconductor laser of the example, a surface emitting semiconductor laser 100 shown in FIG. 1 was prepared. The diameter W11 of the first tunnel junction 11 was 5 μm, the inner diameter of the second tunnel junction 12 was 5 μm, and the outer diameter of the second tunnel junction 12 was 8 μm. The tunnel resistance of the first tunnel junction 11 was set to 30Ω. Therefore, the tunnel resistance per unit area of the first tunnel junction 11 was 1.53 Ω / um 2 . The tunnel resistance of the second tunnel junction 12 was set to 15Ω. Therefore, the tunnel resistance per unit area of the second tunnel junction portion 12 was 0.49 Ω / um 2 .

次に、比較例の面発光型半導体レーザを用意した。図１０は、比較例の面発光型半導体レーザを示す断面図である。図１０において、実施例の面発光型半導体レーザ１００と同一の要素には、同一の符号を付している。比較例の面発光型半導体レーザ１００Ｐは、トンネル接合領域の構成において、実施例の面発光型半導体レーザ１００と異なる。面発光型半導体レーザ１００Ｐのトンネル接合領域ＴＪＰは、積層方向から見て円形であり、ｐ型半導体層１１Ａｐと、ｎ型半導体層１１Ｂｐからなる。ｐ型半導体層１１Ａｐとｎ型半導体層１１Ｂｐは、トンネル接合１１Ｔｐを構成する。トンネル接合領域ＴＪＰの直径Ｗ１１ｐは、８μｍとした。トンネル接合領域ＴＪＰの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪＰの内側から外側に向かって略一定とし、３０Ωとした。   Next, a surface emitting semiconductor laser of a comparative example was prepared. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a surface emitting semiconductor laser of a comparative example. In FIG. 10, the same elements as those of the surface-emitting type semiconductor laser 100 of the embodiment are denoted by the same reference numerals. The surface emitting semiconductor laser 100P of the comparative example is different from the surface emitting semiconductor laser 100 of the embodiment in the configuration of the tunnel junction region. The tunnel junction region TJP of the surface emitting semiconductor laser 100P is circular when viewed from the stacking direction, and includes a p-type semiconductor layer 11Ap and an n-type semiconductor layer 11Bp. The p-type semiconductor layer 11Ap and the n-type semiconductor layer 11Bp constitute a tunnel junction 11Tp. The diameter W11p of the tunnel junction region TJP was 8 μm. The tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJP is substantially constant from the inside to the outside of the tunnel junction region TJP when viewed from the stacking direction, and is set to 30Ω.

図１１は、実施例の面発光型半導体レーザ１００について、シミュレーションで求めた出力パワーの注入電流依存性を示す図であり、図１２は、比較例の面発光型半導体レーザ面発光型半導体レーザ１００Ｐについて、シミュレーションで求めた出力パワーの電流依存性を示す図である。また、図１１及び図１２では、各横モード（基本横モードであるＬＰ０１モード、高次横モードであるＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モード）についての出力パワーと、全出力パワーＴ（各横モードでの出力パワーの合計値）を示している。   FIG. 11 is a diagram showing the injection current dependence of the output power obtained by simulation for the surface emitting semiconductor laser 100 of the example, and FIG. 12 is a surface emitting semiconductor laser surface emitting semiconductor laser 100P of the comparative example. It is a figure which shows the electric current dependence of the output power calculated | required by simulation. 11 and 12, the output power for each lateral mode (the LP01 mode as the basic lateral mode, the LP11 mode as the higher-order lateral mode, the LP21 mode, and the LP02 mode) and the total output power T (each lateral mode). The total output power at

図１１に示されるように、実施例の面発光型半導体レーザ１００においては、低電流で発振している場合でも、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの両方で発振しており、ＬＰ２１モードとＬＰ０２モードでの発振も、比較的低い注入電流で生じている。その結果、実施例の面発光型半導体レーザ１００においては、注入電流の大きさが変化しても、全光出力Ｔにおける各横モードの出力の割合の変動が小さいことがわかった。   As shown in FIG. 11, the surface emitting semiconductor laser 100 of the example oscillates in both the LP01 mode and the LP11 mode even when oscillating at a low current, and in the LP21 mode and the LP02 mode. Oscillation also occurs at a relatively low injection current. As a result, in the surface-emitting type semiconductor laser 100 of the example, it was found that even when the magnitude of the injection current was changed, the variation in the output ratio of each transverse mode in the total light output T was small.

それに対して、図１２に示されるように、比較例の面発光型半導体レーザ１００Ｐにおいては、注入電流の大きさに依存して、一つの横モードでの発振が支配的となった。具体的には、低電流で発振している場合には、ＬＰ０１モードでの発振が支配的であり、注入電流が増加すると、ＬＰ０１モードでの発振が減少して、ＬＰ１１モードでの発振が支配的となり、さらに電流が増加すると、ＬＰ２１モードでの発振が支配的となり、さらにさらに電流が増加すると、ＬＰ０２モードでの発振が支配的となった。その結果、比較例の面発光型半導体レーザ１００Ｐにおいては、注入電流の大きさが変化すると、全光出力Ｔにおける各横モードの出力の割合の変動が大きいことがわかった。   On the other hand, as shown in FIG. 12, in the surface emitting semiconductor laser 100P of the comparative example, oscillation in one transverse mode becomes dominant depending on the magnitude of the injection current. Specifically, when oscillating at a low current, the oscillation in the LP01 mode is dominant, and when the injection current increases, the oscillation in the LP01 mode decreases and the oscillation in the LP11 mode dominates. When the current further increased, the oscillation in the LP21 mode became dominant, and when the current further increased, the oscillation in the LP02 mode became dominant. As a result, in the surface emitting semiconductor laser 100P of the comparative example, it has been found that when the magnitude of the injection current is changed, the variation in the output ratio of each transverse mode in the total light output T is large.

本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made.

例えば、上述の実施形態においては、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少するが（図３参照）、図３に対応する図１３に示すように、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、単調に減少してもよい。これにより、トンネル接合領域の内側から外側に向かって電流分布が連続的に変化する。注入された電流は、レーザ発振のための利得に変換されるため、各横モードに対する利得をより均一にすることができる。   For example, in the above-described embodiment, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ gradually decreases from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction (FIG. 3). As shown in FIG. 13 corresponding to FIG. 3, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ monotonously decreases from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction. May be. As a result, the current distribution continuously changes from the inside to the outside of the tunnel junction region. Since the injected current is converted into a gain for laser oscillation, the gain for each transverse mode can be made more uniform.

このような変形例に係るトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の例として、トンネル接合領域ＴＪを化合物半導体で構成すると共に、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するように、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に変化させることが挙げられる。   As an example of a method for realizing the tunnel junction region TJ according to such a modification, the tunnel junction region TJ is made of a compound semiconductor, and the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ is increased from the inside of the tunnel junction region TJ. For example, the composition ratio of the compound semiconductor in the tunnel junction region TJ may be monotonously changed from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ so as to decrease monotonously toward the outside.

このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するという態様を容易に実現することができる。   When such a method is employed, the composition ratio of the compound semiconductor in the tunnel junction region TJ is changed in a predetermined manner from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ, thereby obtaining the per unit area of the tunnel junction region TJ. It is possible to easily realize a mode in which the tunnel resistance decreases monotonously from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ.

また、上述の変形例に係るトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の他の例として、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するように、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に変化させることが挙げられる。   As another example of the method for realizing the tunnel junction region TJ according to the above-described modification, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ decreases monotonously from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ. In addition, the carrier concentration doped in the tunnel junction region TJ may be monotonously changed from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ.

このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するという態様を容易に実現することができる。   When such a method is employed, the unit area of the tunnel junction region TJ is changed by changing the carrier concentration doped in the tunnel junction region TJ from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ in a predetermined manner. It is possible to easily realize a mode in which the hit tunnel resistance monotonously decreases from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ.

また、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少及び単調に減少してもよい。即ち、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、トンネル接合領域ＴＪの一部の領域において段階的に減少し、トンネル接合領域ＴＪの他の一部の領域において単調に減少してもよい。   Further, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ may decrease stepwise and monotonously from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction. That is, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ gradually decreases in a part of the tunnel junction region TJ from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction. It may decrease monotonously in another part of the tunnel junction region TJ.

また、上述の実施形態においては、積層方向から見て、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第１領域９Ｓ１及び第１トンネル接合部１１は円形であるが（図１及び図２参照）、これらの形状は、楕円や矩形であってもよい。その場合、積層方向から見て、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第２領域９Ｓ２及び第２トンネル接合部１２の形状も、楕円の環状や矩形の環状とすることができる。   In the above embodiment, the first region 9S1 and the first tunnel junction 11 on the upper surface 9S of the first upper spacer layer 9 are circular when viewed from the stacking direction (see FIGS. 1 and 2). These shapes may be oval or rectangular. In that case, the shape of the second region 9S2 and the second tunnel junction 12 on the upper surface 9S of the first upper spacer layer 9 can also be an elliptical ring shape or a rectangular ring shape when viewed from the stacking direction.

また、上述の実施形態においては、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に１回減少するが（図３参照）、２回以上段階的に減少してもよい。   In the above-described embodiment, the tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region TJ decreases once stepwise from the inside to the outside of the tunnel junction region TJ when viewed from the stacking direction. (Refer to FIG. 3) It may be decreased stepwise two or more times.

また、上述の実施形態においては、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としているが（図１参照）、第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型であってもよい。即ち、面発光型半導体レーザ１００の各半導体層の導電型は、上述の実施形態における場合と逆であってもよい。ただし、上述の実施形態における場合のように第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型であると、面発光型半導体レーザ１００内でｐ型半導体からなる領域が減少し、高速動作が可能となるため好ましい。   In the above-described embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type (see FIG. 1), but the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. There may be. That is, the conductivity type of each semiconductor layer of the surface emitting semiconductor laser 100 may be opposite to that in the above-described embodiment. However, when the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type as in the above-described embodiment, the area made of the p-type semiconductor in the surface-emitting type semiconductor laser 100 is reduced, and high-speed operation is performed. Is preferable.

１・・・半導体基板、３・・・下部ＤＢＲ、５・・・下部スペーサ層、７・・・活性層、９・・・第１上部スペーサ層、１１・・・第１トンネル接合部、１２・・・第２トンネル接合部、１９・・・上部ＤＢＲ、２１・・・上部電極、２３・・・下部電極、ＴＪ・・・トンネル接合領域。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 3 ... Lower DBR, 5 ... Lower spacer layer, 7 ... Active layer, 9 ... 1st upper spacer layer, 11 ... 1st tunnel junction part, 12 2nd tunnel junction, 19 ... Upper DBR, 21 ... Upper electrode, 23 ... Lower electrode, TJ ... Tunnel junction region.

Claims (5)

半導体基板の主面上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部分布ブラッグリフレクタと、
前記下部分布ブラッグリフレクタ上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部スペーサ層と、
前記下部スペーサ層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第２導電型の半導体からなる第１上部スペーサ層と、
前記第１上部スペーサ層の上面の一部上に設けられたトンネル接合領域と、
前記トンネル接合領域を埋め込むように前記トンネル接合領域上及び前記第１上部スペーサ層上に設けられた、第２導電型の半導体からなる第２上部スペーサ層と、
前記第２上部スペーサ層上に設けられた上部分布ブラッグリフレクタと、
を備え、
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、前記半導体基板の前記主面と直交する方向から見た場合の前記トンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少することを特徴とする面発光型半導体レーザ。 A lower distributed Bragg reflector made of a semiconductor of the first conductivity type provided on the main surface of the semiconductor substrate;
A lower spacer layer made of a first conductivity type semiconductor provided on the lower distributed Bragg reflector,
An active layer provided on the lower spacer layer;
A first upper spacer layer made of a second conductivity type semiconductor provided on the active layer;
A tunnel junction region provided on a portion of the upper surface of the first upper spacer layer;
A second upper spacer layer made of a semiconductor of a second conductivity type provided on the tunnel junction region and the first upper spacer layer so as to embed the tunnel junction region;
An upper distributed Bragg reflector provided on the second upper spacer layer;
With
The tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region decreases stepwise from the inside to the outside of the tunnel junction region when viewed from a direction orthogonal to the main surface of the semiconductor substrate, and / or A surface-emitting type semiconductor laser that monotonously decreases. 前記第１上部スペーサ層の前記上面は、第１領域と、当該第１領域を囲む第２領域と、を有し、
前記トンネル接合領域は、前記第１領域上に設けられた第１トンネル接合部と、前記第２領域上に設けられた第２トンネル接合部と、を有し、
前記第２トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗は、前記第１トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。 The upper surface of the first upper spacer layer has a first region and a second region surrounding the first region,
The tunnel junction region has a first tunnel junction provided on the first region, and a second tunnel junction provided on the second region,
2. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1, wherein a tunnel resistance per unit area of the second tunnel junction is lower than a tunnel resistance per unit area of the first tunnel junction. 前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、前記半導体基板の前記主面と直交する方向から見た場合の前記トンネル接合領域の内側から外側に向かって、単調に減少することを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。   The tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region decreases monotonously from the inside to the outside of the tunnel junction region when viewed from a direction orthogonal to the main surface of the semiconductor substrate. The surface emitting semiconductor laser according to claim 1. 前記トンネル接合領域は化合物半導体からなり、
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗が前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、前記トンネル接合領域の前記化合物半導体の組成比は、前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ。 The tunnel junction region is made of a compound semiconductor,
The compound semiconductor of the tunnel junction region so that a tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region decreases stepwise and / or monotonously from the inner side to the outer side of the tunnel junction region. The composition ratio of is changed stepwise and / or monotonously from the inner side to the outer side of the tunnel junction region. The surface emitting semiconductor laser described. 前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗が前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、前記トンネル接合領域にドープされているキャリア濃度は、前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ。   The tunnel junction region is doped so that tunnel resistance per unit area of the tunnel junction region gradually decreases and / or monotonously decreases from the inside to the outside of the tunnel junction region. 4. The carrier concentration that is changed stepwise and / or monotonously from the inner side to the outer side of the tunnel junction region. The surface emitting semiconductor laser described.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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