JP2018152373A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザに関する。 The present invention relates to a semiconductor laser.
特許文献1は、量子カスケードレーザを開示する。
量子カスケードレーザの発光は、多段に配列された発光層を利用した光学カスケーディング(単極性キャリアの縦続的な光学遷移)を利用する。縦続的な光学遷移を可能にするために、縦続的に配列された発光層のエネルギー準位は、外部電圧の印加を利用して隣接した発光層間において合わされる。このような縦続的な光学遷移の利用は、光学利得を高めてサブバンド遷移の波長領域におけるレーザ発振を可能にしている一方で、大きな外部印加電圧を必要とする。量子カスケード半導体レーザにおける発光層の縦続接続は、その動作電電圧を低くすることに対する障害になっている。 The light emission of the quantum cascade laser uses optical cascading (cascading optical transition of unipolar carriers) using light emitting layers arranged in multiple stages. In order to enable cascading optical transitions, the energy levels of the cascading light emitting layers are matched between adjacent light emitting layers using the application of an external voltage. The use of such cascaded optical transitions increases the optical gain to enable laser oscillation in the subband transition wavelength region, while requiring a large externally applied voltage. The cascade connection of the light emitting layers in the quantum cascade laser is an obstacle to lowering the operating voltage.
本発明の一側面は、単極性のキャリアの光学遷移を用いることを可能にする半導体レーザを提供することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to provide a semiconductor laser that makes it possible to use optical transitions of unipolar carriers.
本発明の一側面に係る半導体レーザは、基板の主面に交差する第1軸の方向に配列された複数の量子井戸構造を含むと共に上面及び側面を有する発光領域を備え、前記基板の前記主面上において導波路軸の方向に延在するメサ構造と、前記発光領域の前記上面上に設けられ第1導電性を有する上部半導体領域と、前記発光領域の前記側面上に設けられ前記第1軸の方向に延在する金属電極と、を備え、前記金属電極及び前記発光領域は、前記基板の前記主面上において前記導波路軸の方向に配列され、前記金属電極は、前記発光領域の前記側面に電気的に接続されている。 A semiconductor laser according to one aspect of the present invention includes a light emitting region including a plurality of quantum well structures arranged in a direction of a first axis intersecting a main surface of a substrate and having an upper surface and a side surface, A mesa structure extending in the direction of the waveguide axis on the surface; an upper semiconductor region having first conductivity provided on the upper surface of the light emitting region; and the first semiconductor layer provided on the side surface of the light emitting region. A metal electrode extending in a direction of an axis, wherein the metal electrode and the light emitting region are arranged in a direction of the waveguide axis on the main surface of the substrate, and the metal electrode is formed in the light emitting region. It is electrically connected to the side surface.
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention, which proceeds with reference to the accompanying drawings.
以上説明したように、本発明の一側面によれば、単極性のキャリアの光学遷移を用いることを可能にする半導体レーザを提供できる。 As described above, according to one aspect of the present invention, it is possible to provide a semiconductor laser that makes it possible to use optical transitions of unipolar carriers.
具体例を説明する。 A specific example will be described.
具体例に係る半導体レーザは、(a)基板の主面に交差する第1軸の方向に配列された複数の量子井戸構造を含むと共に上面及び側面を有する発光領域を備え、前記基板の前記主面上において導波路軸の方向に延在するメサ構造と、(b)前記発光領域の前記上面上に設けられ第1導電性を有する上部半導体領域と、(c)前記発光領域の前記側面上に設けられ前記第1軸の方向に延在する金属電極と、を備え、前記金属電極及び前記発光領域は、前記基板の前記主面上において前記導波路軸の方向に配列され、前記金属電極は、前記発光領域の前記側面に電気的に接続されている。 A semiconductor laser according to a specific example includes: (a) a light emitting region including a plurality of quantum well structures arranged in a direction of a first axis intersecting a main surface of a substrate and having an upper surface and a side surface; A mesa structure extending in the direction of the waveguide axis on the surface; (b) an upper semiconductor region having first conductivity provided on the upper surface of the light emitting region; and (c) on the side surface of the light emitting region. A metal electrode extending in the direction of the first axis, wherein the metal electrode and the light emitting region are arranged in the direction of the waveguide axis on the main surface of the substrate, and the metal electrode Is electrically connected to the side surface of the light emitting region.
半導体レーザによれば、上部半導体領域は、第1導電性を有しており、発光領域は電子・正孔の再結合による発光ではなく、電子及び正孔の一方である単極性キャリアのサブバンド遷移を利用して光を生成する。上部半導体領域は、発光領域の上面を介して発光領域にキャリアを提供する。発明者の知見によれば、発光領域の上面の利用によれば、上部半導体領域からのキャリアが第1軸の方向に配列された複数の量子井戸構造の積層にわたって広がることを可能にする。個々の量子井戸構造内のキャリアは、光学遷移により量子井戸構造内の移動中に光を生成できる。遷移したキャリアは、発光領域の側面を介して金属電極に流れ込む。 According to the semiconductor laser, the upper semiconductor region has the first conductivity, and the light emitting region is not emitted by recombination of electrons and holes, but is a subband of a unipolar carrier that is one of electrons and holes. Light is generated using transitions. The upper semiconductor region provides carriers to the light emitting region through the upper surface of the light emitting region. According to the inventor's knowledge, the use of the upper surface of the light emitting region allows carriers from the upper semiconductor region to spread over a stack of a plurality of quantum well structures arranged in the direction of the first axis. Carriers in individual quantum well structures can generate light during movement in the quantum well structure by optical transitions. The transitioned carrier flows into the metal electrode through the side surface of the light emitting region.
具体例に係る半導体レーザでは、前記量子井戸構造は、第1井戸層、第2井戸層、第1障壁層、及び第2障壁層を含み、前記第1障壁層は前記第1井戸層を前記第2井戸層から隔てており、前記第1井戸層は前記第1障壁層を前記第2障壁層から隔てている。 In the semiconductor laser according to the specific example, the quantum well structure includes a first well layer, a second well layer, a first barrier layer, and a second barrier layer, and the first barrier layer includes the first well layer. The first well layer separates from the second well layer, and the first well layer separates the first barrier layer from the second barrier layer.
この半導体レーザによれば、この量子井戸構造は、上位のエネルギー準位、及び下位のエネルギー準位を単一極性のキャリアに提供することを容易にする。また、この量子井戸構造が、緩和のためのエネルギー準位を更に提供できるときには、緩和のためのエネルギー準位は、上位のエネルギー準位から下位のエネルギー準位に遷移した単極性キャリアが上位のエネルギー準位の緩和時間より小さい時間で緩和することを促進する。 According to this semiconductor laser, this quantum well structure facilitates providing a higher energy level and a lower energy level to carriers of a single polarity. In addition, when this quantum well structure can further provide an energy level for relaxation, the energy level for relaxation is higher for unipolar carriers that have transitioned from an upper energy level to a lower energy level. It promotes relaxation in a time shorter than the energy level relaxation time.
具体例に係る半導体レーザでは、前記発光領域は、前記第1軸の方向に配列された複数の単位セルを含み、前記単位セルは、前記第1井戸層、前記第2井戸層、前記第1障壁層、及び前記第2障壁層を含み、前記第1障壁層の厚さは前記第2障壁層の厚さより小さい。 In the semiconductor laser according to the specific example, the light emitting region includes a plurality of unit cells arranged in the direction of the first axis, and the unit cells include the first well layer, the second well layer, and the first well layer. The first barrier layer includes a barrier layer and the second barrier layer, and the thickness of the first barrier layer is smaller than the thickness of the second barrier layer.
この半導体レーザによれば、第1障壁層の厚さは第2障壁層の厚さより小さいので、単位セル内の第1井戸層及び第2井戸層が、当該単位セル内の第2障壁層により隔てられる他の井戸層に比べてより密に結合する。 According to this semiconductor laser, since the thickness of the first barrier layer is smaller than the thickness of the second barrier layer, the first well layer and the second well layer in the unit cell are separated by the second barrier layer in the unit cell. It is more tightly coupled than other well layers that are separated.
具体例に係る半導体レーザでは、前記量子井戸構造は、前記第1軸の方向に交差する平面に沿って延在する障壁層を含み、前記障壁層の一部又は全部に、ドーパントが添加されている。 In the semiconductor laser according to the specific example, the quantum well structure includes a barrier layer extending along a plane intersecting the direction of the first axis, and a dopant is added to a part or all of the barrier layer. Yes.
この半導体レーザによれば、ドープされた障壁層は、井戸層への注入のために有用である。 According to this semiconductor laser, the doped barrier layer is useful for implantation into the well layer.
具体例に係る半導体レーザは、前記上部半導体領域に接触を成すエミッタ電極と、前記発光領域の前記上面上に設けられ開口を有する高比抵抗層と、を更に備え、前記上部半導体領域は、前記高比抵抗層の前記開口を介して前記発光領域に接触を成し、前記上部半導体領域は、前記高比抵抗層に到達する開口を有し、前記金属電極は、前記上部半導体領域の側面上に設けられる。 The semiconductor laser according to a specific example further includes an emitter electrode that is in contact with the upper semiconductor region, and a high resistivity layer provided on the upper surface of the light emitting region and having an opening, and the upper semiconductor region includes the The light emitting region is contacted through the opening of the high resistivity layer, the upper semiconductor region has an opening reaching the high resistivity layer, and the metal electrode is on a side surface of the upper semiconductor region. Provided.
この半導体レーザによれば、金属電極は、発光領域の側面と上部半導体領域の側面との境界を越えて発光領域の側面から上部半導体領域の側面に延在でき、発光領域からキャリアを受け入れることができる。上部半導体領域の開口は、金属電極をエミッタ電極から絶縁することを可能にする。 According to this semiconductor laser, the metal electrode can extend from the side surface of the light emitting region to the side surface of the upper semiconductor region beyond the boundary between the side surface of the light emitting region and the side surface of the upper semiconductor region, and can accept carriers from the light emitting region. it can. The opening in the upper semiconductor region allows the metal electrode to be isolated from the emitter electrode.
具体例に係る半導体レーザは、前記基板の裏面上に設けられた裏面電極を更に備え、前記基板は導電性を有し、前記金属電極は、前記基板に電気的に接続される。 The semiconductor laser according to the specific example further includes a back electrode provided on the back surface of the substrate, the substrate has conductivity, and the metal electrode is electrically connected to the substrate.
この半導体レーザによれば、金属電極は、導電性の基板を介して裏面電極に接続される。 According to this semiconductor laser, the metal electrode is connected to the back electrode through the conductive substrate.
具体例に係る半導体レーザは、前記メサ構造の側面を覆う絶縁膜を更に備え、前記絶縁膜は、前記メサ構造の側面上に設けられた開口を有し、前記金属電極は前記絶縁膜の前記開口を介して前記発光領域の前記側面に接続される。 The semiconductor laser according to a specific example further includes an insulating film covering a side surface of the mesa structure, the insulating film has an opening provided on the side surface of the mesa structure, and the metal electrode It connects to the said side surface of the said light emission area | region through opening.
この半導体レーザによれば、メサ構造の側面を覆う絶縁膜は、発光領域の上面を介して発光領域に提供されたキャリアを導波路軸の方向に導くと共に、メサ構造を導波する光をガイドする。 According to this semiconductor laser, the insulating film covering the side surface of the mesa structure guides the carrier provided to the light emitting region through the upper surface of the light emitting region in the direction of the waveguide axis and guides the light guided through the mesa structure. To do.
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体レーザに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。 The knowledge of the present invention can be easily understood by considering the following detailed description with reference to the accompanying drawings shown as examples. Subsequently, embodiments of the semiconductor laser according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Where possible, the same parts are denoted by the same reference numerals.
図1は、本実施形態に係る半導体レーザ11a(11)を模式的に示す図面である。図1の(a)部は、半導体レーザ11a(11)を示す平面図であり、図1の(b)部は、図1の(a)部に示されたIb−Ib線に沿ってとられた断面を示す図面である。図1の(c)部は、図1の(a)部に示されたIc−Ic線に沿ってとられた断面を示す図面である。図2は、本実施形態に係る半導体レーザ11b(11)を模式的に示す図面である。図2の(a)部は、半導体レーザ11b(11)を示す平面図であり、図2の(b)部は、図2の(a)部に示されたIIb−IIb線に沿ってとられた断面を示す図面である。図2の(c)部は、図2の(a)部に示されたIIc−IIc線に沿ってとられた断面を示す図面である。図1及び図2には、理解を容易にするために、座標系Sが示される。図3は、本実施形態に係る半導体レーザのための発光領域の構造を示す図面である。半導体レーザは、例えばファブリペロ−型又は分布帰還型を有することができる。
FIG. 1 is a drawing schematically showing a
図1及び図2を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ11(11a、11b)は、基板13と、発光領域15と、エミッタ領域17と、金属電極19とを備える。基板13は主面13aを有する。発光領域15は、基板13の主面13a上に設けられる。発光領域15は、図1及び図2に示されるように、複数の量子井戸構造21を含み、量子井戸構造21の各々は、基板13の主面13a上に設けられる。具体的には、量子井戸構造21は、図3に示されるように、量子井戸構造21のための単位セル15aを含む。発光領域15における複数の単位セル15aは、主面13aに交差する第1軸Ax1(本実施例では、座標系SのY軸)の方向に配列される。具体的には、量子井戸構造21は、井戸層及び障壁層といった複数の半導体層(21a、21b、21c、21d)を有する。これらの半導体層(21a〜21d)は、主面13aに交差する第1軸Ax1の方向に配列される。
Referring to FIGS. 1 and 2, the semiconductor laser 11 (11 a, 11 b) according to the present embodiment includes a
主面13aは、第1エリア13b、第2エリア13c及び一又は複数の第3エリア13dを含む。第1エリア13b及び第3エリア13dは、第1軸Ax1に交差する第2軸Ax2(座標系SのX軸)の方向に配列される。第2エリア13cは、第1エリア13b及び第3エリア13dに隣接して第2軸Ax2の方向に延在する。第1エリア13b及び第3エリア13dは、第1軸Ax1及び第2軸Ax2に交差する第3軸Ax3(座標系SのZ軸)の方向に第2エリア13cの一辺から延在する。本実施例では、主面13aの第1エリア13bは2つの第3エリア13d間に設けられ、これらの第3エリア13dは第1エリア13bに沿って延在する。
The
発光領域15は、第1側面15b、第2側面15c、上面15d、下面15e、第3側面15f及び第4側面15gを有する。具体的には、発光領域15は、主面13a上において出射面及び反射面の一方から他方まで第3軸Ax3の方向に延在する。本実施例では、発光領域15の第1側面15bは、第1エリア13bと第2エリア13cとの境界から第1軸Ax1の方向に延在する。発光領域15の第3側面15f及び第4側面15gは、第1エリア13bと第3エリア13dとの境界から第1軸Ax1の方向に延在する。
The
エミッタ領域17は、上部半導体領域23を備え、上部半導体領域23は、発光領域15の上面15d上に設けられる。本実施例では、エミッタ領域17の上部半導体領域23は第1導電性を有する。発光領域15及びエミッタ領域17は、基板13の主面13a上において第1軸Ax1の方向に配列され、具体的には、発光領域15は、エミッタ領域17と基板13との間に設けられる。
The
金属電極19は、発光領域15の第1側面15b上において第1軸Ax1の方向に延在する。金属電極19及び発光領域15は、基板13の主面13a上において導波路軸(第3軸Ax3)の方向に配列される。金属電極19は、発光領域15の第1側面15b上に設けられると共に、発光領域15の第1側面15bに電気的に接続される。本実施例では、金属電極19は、発光領域15の第1側面15bから第2エリア13c上の半導体領域上を延在すると共に、第2エリア13c上の半導体領域に接触を成すことができ、第2エリア13c上の半導体領域は導電性を有することができる。第1エリア13b上においてエミッタ領域17を発光領域15の上面15d上に設けることにより、第2エリア13c上の金属電極19をエミッタ領域17から離すことができる。
The
エミッタ領域17は、基板13の主面13a上において発光領域15の上面15d上に配置される。エミッタ領域17は、一又は複数の半導体を備えることができる。金属電極19は、第2エリア13c上において発光領域15の第1側面15b上に配置される。発光領域15によって金属電極19に提供されるキャリアの導電型は、エミッタ領域17の半導体によって発光領域15に提供されたキャリアの導電型と同じであって、半導体レーザ11(11a、11b)は、単極性キャリアを利用する。
The
半導体レーザ11(11a、11b)によれば、上部半導体領域23は、第1導電性を有しており、発光領域15は電子・正孔の再結合による発光ではなく、電子及び正孔の一方である単極性キャリアのサブバンド遷移を利用して光を生成する。上部半導体領域23は、発光領域15の上面15dを介して発光領域15にキャリアを提供する。発明者の知見によれば、発光領域15の上面15dの利用によれば、上部半導体領域23からのキャリアが、第1軸Ax1の方向に配列された複数の量子井戸構造21の積層にわたって広がることを可能にする。個々の量子井戸構造21内のキャリアは、量子井戸構造21内の移動中に、光学遷移により光を生成できる。遷移したキャリアは、第1軸Ax1の方向に延在する金属電極19に発光領域15の第1側面15bを介して流れ込む。
According to the semiconductor laser 11 (11a, 11b), the
発光領域15及びエミッタ領域17は、基板13の主面13a上において第3軸Ax3の方向に延在し、金属電極19は、第2エリア13c上において発光領域15に沿って第2軸Ax2の方向に延在して、発光領域15の第1側面15bを覆う。エミッタ領域17の半導体の平均屈折率は、発光領域15の平均屈折率より小さく、発光領域15及びエミッタ領域17の配列は、導波路構造を形成する。具体的には、エミッタ領域17は、発光領域15の上面15dに接触を成して、第1導電型のキャリア(電子又は正孔のいずれか一方)を発光領域15に提供する。また、金属電極19は、発光領域15の第1側面15bに接触を成して、第1導電型のキャリア(上記のキャリア)を発光領域15から受ける。発光領域15及び金属電極19は導波路軸の方向に延在して、金属電極19は、発光領域15に係る導波路を伝搬する光を反射できる。この導波路を伝搬した光は、発光領域15の第2側面15cから出射される。
The
半導体レーザ11(11a、11b)は、エミッタ領域17上に設けられた第1電極31aを備え、必要な場合には、基板13の裏面13e上に裏面電極31cを設けることができる。第1電極31a及び裏面電極31cは、それぞれ、エミッタ領域17及び金属電極19に電気的に接続されることができ、具体的には、第1電極31a及び裏面電極31cは、それぞれ、エミッタ領域17の第1導電型半導体、及び第1導電型半導体の基板13の裏面13eにオーミック接触を成す。本実施例では、エミッタ領域17は、メサ構造MSに含まれ、メサ構造MS内の発光領域15上を導波路軸の方向に延在する。エミッタ領域17は、コンタクト層28aを搭載すると共に、発光領域15に接触を成す。発光領域15上のエミッタ領域17は、比較的波長の長いレーザ光を伝搬させる発光領域15の上面15dからメサ構造MS上の第1電極31aを隔置できる。
The semiconductor laser 11 (11a, 11b) includes a
金属電極19から第1電極31aを絶縁分離するために、半導体レーザ11(11a、11b)は分離構造25を備えることができ、分離構造25は発光領域15上に設けられる。分離構造25は、第1電極31aから金属電極19への電流経路を発光領域15に制限できる。また、分離構造25は、更に、第1エリア13b上に設けられた電流アパチャー25aを有している。分離構造25の電流アパチャー25aは、発光領域15の第1側面15bから離れた発光領域15の上面15dに、エミッタ領域17からキャリアを供給することを可能にする。
In order to insulate and isolate the
この半導体レーザ11では、第1エリア13b上の発光領域15及びエミッタ領域17は、第1軸Ax1の方向に配列されると共に、第1エリア13b上の発光領域15並びに第2エリア13c上の金属電極19は、第1軸Ax1に交差する第2軸Ax2の方向に配列される。また、分離構造25の電流アパチャー25a(26a)は、発光領域15の上面15dにおいて第3軸Ax3の方向に延在する。発光領域15の量子井戸構造21にわたってエミッタ領域17から単極性キャリアが供給され、これらの単極性キャリアは、発光領域15の量子井戸構造21におけるサブバンドの上位のエネルギー準位から下位のエネルギー準位への光学遷移により発光に寄与する。発光領域15における光遷移により下位のエネルギー準位の単極性キャリアは金属電極19に流れ込む。この半導体レーザ11は、発光に際して、単極性キャリアの光学遷移を利用すると共に、エミッタ領域17、発光領域15及び金属電極19の配置は、単極キャリアのカスケーディング(縦続的な光学遷移)を発光に必要としない。半導体レーザ11は、単極性のキャリアの光学遷移を用いて量子カスケード半導体レーザに比べて動作電電圧を低減可能である。
In this
半導体レーザ11(11a、11b)は、基板13の主面13a上に設けられた下部光学クラッド層29を備えることができる。下部光学クラッド層29は、第1エリア13b、第2エリア13c及び第3エリア13d上に設けられ、また第1エリア13bにおいて、エミッタ領域17のための半導体積層及び発光領域15を含むメサ構造MSを搭載する。下部光学クラッド層29は、発光領域15の下面15eと基板13との間に位置しており、良好な導電性を有することができる。本実施例では、金属電極19は、第2エリア13cにおいて下部光学クラッド層29に接触を成す。下部光学クラッド層29は、金属電極19を介して発光領域15からのキャリアを受ける。下部光学クラッド層29が発光領域15の下面15eに接触を成すけれども、発光領域15からのキャリアは、金属電極19を介して下部光学クラッド層29に至る経路を流れる。下部光学クラッド層29は、本実施例では、上部半導体領域23と同じ導電型を有することができる。また、発光領域15からのキャリアは、金属電極19、下部光学クラッド層29、及び導電性の基板13を介して裏面電極31cに至る。
The semiconductor laser 11 (11a, 11b) can include a lower
エミッタ領域17の屈折率(又は平均屈折率)及び下部光学クラッド層29の屈折率は、発光領域15の平均屈折率より小さい。発光領域15、エミッタ領域17、及び下部光学クラッド層29の配列は、導波路構造を形成する。発光領域15において生成された光は、縦方向には、エミッタ領域17及び下部光学クラッド層29によって光学的に閉じ込めされ、横方向には、発光領域15内に光学的に閉じ込めされる。
The refractive index (or average refractive index) of the
エミッタ領域17は、高比抵抗層(27、26)の開口を介して発光領域15の上面15d上に接続される。高比抵抗層(27、26)は、エミッタ領域17と発光領域15との間に設けられる。
The
半導体レーザ11の具体的な構造を説明する。
A specific structure of the
(第1構造)
図1を参照しながら、半導体レーザ11aを説明する。基板13の主面13aの第1エリア13bは、下部光学クラッド層29、発光領域15及び分離構造25を順に搭載する。分離構造25は、上部光学クラッド層27、エミッタ領域17、分離溝25c、第1アイランド25e及び第2アイランド25fを含む。上部光学クラッド層27は、開口27aを有する。上部光学クラッド層27の開口27aは、発光領域15の上面15dから第1軸Ax1の方向に延在する。エミッタ領域17のための半導体層が上部光学クラッド層27上及び開口27a内に設けられる。分離溝25cは、コンタクト層28aの表面から第1軸Ax1の方向に延在して、上部光学クラッド層27内において終端する。この上部光学クラッド層27の半導体は、高比抵抗又は半絶縁性を有しており、エミッタ領域17及びコンタクト層28aのための半導体層は導電性を有する。上部光学クラッド層27に到達する分離溝25cは、メサ構造MSを横切るように第2軸Ax2の方向に延在して、メサ構造MSの発光領域15上の半導体領域(分離構造25)を第1アイランド25e及び第2アイランド25fに分ける。具体的には、第1アイランド25e、分離溝25c及び第2アイランド25fが順に第3軸Ax3の方向に配列される。金属電極19は、第1アイランド25eの側面に接触を成し、第1電極31aが第2アイランド25fの上面に接触を成す。分離溝25cは、第1アイランド25e及び第2アイランド25fの一方から他方を電気的に分離でき、コレクタ領域に含まれる金属電極19をエミッタ領域17から電気的に分離するために役立つ。第1アイランド25eは、第1側面15bの上縁上において終端し、第2アイランド25fは、第2側面15cの上縁上において終端する。
(First structure)
The
メサ構造MSの側面は、第1アイランド25eの側面(エミッタ領域17、コンタクト層28a、及び上部光学クラッド層27の側面)、及び発光領域15の第1側面15bを含み、第1アイランド25eの側面、及び発光領域15の第1側面15b上に金属電極19が設けられる。本実施例では、金属電極19は、メサ構造MSの側面に接して第1軸Ax1の方向に延在しており、また発光領域15の第1側面15bに加えて、エミッタ領域17(33a、33b)及びコンタクト層28aのための半導体層の側面(第1アイランド25eの側面)に接触を成す。この延在により、金属電極19が、発光領域15の第1側面15bの全体にわたって接触を成すことを可能にする。
The side surface of the mesa structure MS includes the side surface of the
絶縁性被覆膜37が、メサ構造MSの側面及び上面、並びに分離溝25cの側面及び底面を覆う一方、第1アイランド25eの側面及び発光領域15の第1側面15b上に第1開口37aを有する。この第1開口37aを通して金属電極19が発光領域15の第1側面15bに接触を成す。メサ構造MSの側面上の絶縁性被覆膜37は、発光領域15の側面、上部半導体領域23の側面及びコンタクト層28aの側面に沿って第3軸Ax3の方向に延在する。また、絶縁性被覆膜37が、第2アイランド25fの上面(発光領域15の上面15d上に第2開口37bを有する。この第2開口37bを通して第1電極31aがコンタクト層28aに接触を成す。
The insulating
本実施例では、基板13は、導電性を有して、発光領域15からのキャリアに経路を提供する。キャリアは、導電性の基板13を介して裏面電極31cに到達する。
In the present embodiment, the
(第2構造)
図2を参照しながら、半導体レーザ11bを説明する。基板13の主面13aの第1エリア13bは、下部光学クラッド層29、発光領域15及び分離構造25を順に搭載する。分離構造25は、コンタクト層28a、エミッタ領域17、分離溝25dを含み、更に、第1構造の上部光学クラッド層27に替えて酸化物狭窄構造26を含む。酸化物狭窄構造26は、アパーチャー半導体領域26a及び絶縁性酸化物領域26bを含む。発光領域15の上面15dは、アパーチャー半導体領域26a及び絶縁性酸化物領域26bに接触を成す。本実施例では、アパーチャー半導体領域26aは、第2側面15cの上縁から発光領域15の上面15dの内側に延在し、絶縁性酸化物領域26bが第1側面15bの上縁から発光領域15の上面15dの内側に延在する。アパーチャー半導体領域26a及び絶縁性酸化物領域26bが、第2側面15cから第1側面15bへの方向(第3軸Ax3の方向)に配列される。この配列は、金属電極19を搭載する発光領域15の第1側面15bから離れた発光領域15の内側にキャリアを注入することを可能にする。第1電極31aからのキャリアは、アパーチャー半導体領域26aを介して発光領域15に到達する。アパーチャー半導体領域26aは、製造工程における酸化を可能にする高Al組成の半導体からなり、この酸化工程により高Al組成の半導体が酸化されて、絶縁性酸化物領域26bが形成される。高Al組成の半導体は、発光領域15のバンドのレベルに対して高いバンドのレベルを提供でき、エミッタの観点において、高いレベルから発光領域15にキャリアを注入すること可能にする。
(Second structure)
The
分離溝25dは、コンタクト層28aの表面から第1軸Ax1の方向に延在して、絶縁性酸化物領域26bに到達する。この絶縁性酸化物領域26bは、高い絶縁性を有する一方で、エミッタ領域17及びコンタクト層28aのための半導体層は導電性を有する。絶縁性酸化物領域26bに到達する分離溝25dは、メサ構造MSを横切るように第2軸Ax2の方向に延在して、メサ構造MSの発光領域15上の半導体領域(分離構造25)を第1アイランド25e及び第2アイランド25fに分ける。具体的には、第1アイランド25e、分離溝25d及び第2アイランド25fが順に第3軸Ax3の方向に配列される。金属電極19は、第1アイランド25eの側面に接触を成し、第1電極31aが第2アイランド25fの上面に接触を成す。分離溝25dは、第1アイランド25e及び第2アイランド25fの一方から他方を電気的に分離でき、コレクタ領域に含まれる金属電極19をエミッタ領域17から電気的に分離するために役立つ。第1アイランド25e(アパーチャー半導体領域26a)は、第1側面15bの上縁上において終端し、第2アイランド25f(絶縁性酸化物領域26b)は、第2側面15cの上縁上において終端する。
The
メサ構造MSの側面は、第1アイランド25eの側面(エミッタ領域17、コンタクト層28a、及び絶縁性酸化物領域26bの側面)、及び発光領域15の第1側面15bを含み、第1アイランド25eの側面、及び発光領域15の第1側面15b上に金属電極19が設けられる。本実施例では、金属電極19は、メサ構造MSの側面に接して第1軸Ax1の方向に延在しており、また発光領域15の第1側面15bに加えて、エミッタ領域17(26a、35b)及びコンタクト層28aのための半導体層の側面(第1アイランド25eの側面)に接触を成す。この延在により、金属電極19が、発光領域15の第1側面15bの全体にわたって接触を成すことを可能にする。
The side surface of the mesa structure MS includes the side surface of the
絶縁性被覆膜37が、メサ構造MSの側面及び上面、並びに分離溝25dの側面及び底面を覆う一方、第1アイランド25eの側面及び発光領域15の第1側面15b上に第1開口37aを有する。この第1開口37aを通して金属電極19が発光領域15の第1側面15b(端面)に接触を成す。メサ構造MSの両側面上の絶縁性被覆膜37は、発光領域15の両側面、上部半導体領域23の両側面及びコンタクト層28aの両側面に沿って第3軸Ax3の方向に延在する。また、絶縁性被覆膜37が、第2アイランド25fの上面(発光領域15の上面15d上に第2開口37bを有する。この第2開口37bを通して第1電極31aがコンタクト層28aに接触を成す。
The insulating
本実施例では、基板13は、導電性を有して、発光領域15からのキャリアに経路を提供する。キャリアは、導電性の基板13を介して裏面電極31cに到達する。
In the present embodiment, the
(第3構造)
必要な場合には、第1構造は、第1エリア13b上のエミッタ領域17は、発光領域15の上面15dに接触を成す第1半導体層33aと、第1半導体層33a上に設けられた第2半導体層33bを備えることができる。第1半導体層33aは、図2に示されるように、上位エネルギー準位E3に等しい又は高い(キャリア極性に応じた電位の向きに高い)伝導バンドエネルギーを有する半導体を含む。第2半導体層33bは、発光領域15の等価的な屈折率よりも小さい屈折率を有する半導体を備える。第1半導体層33aの伝導バンドエネルギーレベルは、大きな外部印加電圧を必要とせずに、エミッタ領域17から発光領域15の上位エネルギー準位E3へのキャリア注入を可能にする。
(Third structure)
If necessary, the first structure is such that the
半導体レーザ11の構造。
発光領域15:アンドープAllnAs/アンドープInGaAs/アンドープAllnAs/アンドープInGaAsの4層を単位ユニットとした50周期の超格子構造。
エミッタ領域17:SiドープInP/アンドープAlInAs、あるいは、SiドープInP/SiドープAlGaInAs/アンドープAlInAs、あるいは、SiドープInP/アンドープAlGaPSbの積層構造。
金属電極19: Ti/Pt/Au(チタン/白金/金)。
エミッタ領域17の幅:5マイクロメートル。
エミッタ領域17の厚さ:2マイクロメートル。
メサ構造MSの幅:5マイクロメートル。
メサ構造MSの高さ:3マイクロメートル。
発光領域15のコア層の厚さ:0.8マイクロメートル。
上部光学クラッド層27(電流ブロック層):0.2マイクロメートル、FeドープInP。
第1側面15b及び第2側面15cと開口27aとの距離:20マイクロメートル。
コンタクト層28a:0.1マイクロメートル。
下部光学クラッド層29:1マイクロメートル。
共振器長(第1側面15nと第2側面15cとの間隔):500マイクロメートル。
分離溝(25d)の幅:10マイクロメートル。
アパーチャー半導体領域26a:AlGaAs(Al組成95%)、厚さ0.01マイクロメートル。
絶縁性酸化物領域26b:III族酸化物(例えば、アルミニウム酸化物)、厚さ0.01マイクロメートル、長さ20マイクロメートル。
The structure of the
Light emitting region 15: 50-period superlattice structure with four layers of undoped AllnAs / undoped InGaAs / undoped AllnAs / undoped InGaAs as unit units.
Emitter region 17: laminated structure of Si-doped InP / undoped AlInAs, or Si-doped InP / Si-doped AlGaInAs / undoped AlInAs, or Si-doped InP / undoped AlGaPSb.
Metal electrode 19: Ti / Pt / Au (titanium / platinum / gold).
Width of mesa structure MS: 5 micrometers.
Mesa structure MS height: 3 micrometers.
The thickness of the core layer of the
Upper optical cladding layer 27 (current blocking layer): 0.2 micrometer, Fe-doped InP.
Distance between
Lower optical cladding layer 29: 1 micrometer.
Resonator length (distance between first side surface 15n and
Separation groove (25d) width: 10 micrometers.
Insulating
図3は、本実施形態に係る半導体レーザのための量子井戸構造及びエネルギー準位を模式的に示す図面である。縦方向の座標軸(縦軸)は、キャリアのエネルギーレベルを示し、残り2つの座標軸(横軸)は、空間座標のためのX軸及びZ軸並びにY軸を示す。図3を参照した説明は、電子のキャリアについて行われるけれども、この説明は、半導体物理に係る知見に基づき正孔に読み替えできる。 FIG. 3 is a drawing schematically showing a quantum well structure and energy levels for the semiconductor laser according to the present embodiment. The vertical coordinate axis (vertical axis) indicates the energy level of the carrier, and the remaining two coordinate axes (horizontal axis) indicate the X, Z, and Y axes for spatial coordinates. Although the description with reference to FIG. 3 is performed with respect to electron carriers, this description can be read as holes based on knowledge of semiconductor physics.
図1〜図3に示されるように、発光領域15の量子井戸構造21は、単位セル15aを含み、単位セル15aは、例えば、第1井戸層21a、第2井戸層21b、第1障壁層21c、及び第2障壁層21dを含むことができる。第2障壁層21dは第1井戸層21aを第2井戸層21bから隔てている。第1井戸層21aは第1障壁層21cを第2障壁層21dから隔てている。単位セル15aは、複数のエネルギー準位を提供できるような井戸の深さ(障壁層と井戸層との間のバンドエッジエネルギー差)及び井戸の幅(井戸層の厚さ)を有する井戸構造を備える。
1 to 3, the
第1井戸層21a、第2井戸層21b、第1障壁層21c、及び第2障壁層21dの配列によれば、量子井戸構造21の単位セル15aが、電子のための上位エネルギー準位E3及び下位エネルギー準位E2を提供でき、また上位エネルギー準位E3及び下位エネルギー準位E2に加えて、電子の緩和を可能にする緩和エネルギー準位E1を生成できる。
According to the arrangement of the
この半導体レーザ11によれば、図3に示されるように、この量子井戸構造21が、上位エネルギー準位E3、及び下位エネルギー準位E2を単一極性のキャリアに提供することを容易にする。また、緩和エネルギー準位E1を更に提供できる量子井戸構造21では、緩和エネルギー準位E1は、上位エネルギー準位E3から下位エネルギー準位E2に遷移した単極性キャリアが、上位エネルギー準位E3の緩和時間より小さい時間で緩和することを促進する。
According to the
キャリア(電子)は、発光領域15内の単位セル15aの積層方向にエミッタ領域17から発光領域15に注入される。エミッタ領域17の伝導帯レベルE17から注入された電子は、上位エネルギー準位E3から下位エネルギー準位E2に発光遷移する。この遷移のエネルギーが、レーザ発振波長に相当する。下位エネルギー準位E2に遷移した電子は、緩和エネルギー準位E1に高速に緩和し、緩和エネルギー準位E1からコレクタ領域の金属電極19に引き抜かれる。このようなエネルギー準位を実現する量子井戸構造21は、キャリアの反転分布の発生を容易にする。
Carriers (electrons) are injected from the
単位セル15aでは、第1井戸層21a、第2井戸層21b、第1障壁層21c及び第2障壁層21dはY軸の方向に配列される。量子井戸ポテンシャル内のキャリアのエネルギーレベルについては、単位セル15aのバンド構造は、Y軸の方向に関するエネルギーレベルが量子化されて離散的なエネルギー準位を形成する。これに対して、X軸及びZ軸の方向に関するエネルギー準位は量子化されることなく、X軸及びZ軸の面内の方向に係るキャリア伝導が二次元の自由電子のモデルに近似できる伝導機構として理解される。半導体レーザ11では、量子井戸構造のための半導体積層方向(Y軸)の面内方向(X軸及びZ軸による面)にキャリアを流して、発光に寄与する量子化準位(E3、E2)に係る電気伝導を実現する。これに対して、半導体レーザ11と異なる量子カスケード半導体レーザのデバイス構造では、キャリアは、エネルギー準位が量子化された方向、つまり量子井戸構造のための半導体の積層方向に流れる。
In the
複数の単位セル15aは、第1軸Ax1の方向に縦続的に配列されて、発光領域15を構成する。エミッタ領域17は、第1軸Ax1の方向に、個々の単位セル15aに並列にキャリアを供給する。個々の単位セル15aは、上位のエネルギー準位(E3)へのキャリアの供給と下位のエネルギー準位(E2)への遷移とに応答して並列に発光する。下位のエネルギー準位(E2)のキャリアは、速やかに緩和してエネルギー準位(E1)に遷移する。エネルギー準位(E1)のキャリアは、コレクタ領域の金属電極19に流れ込む。
The plurality of
積層される単位セル15aにおいては、第2障壁層21dの厚さTB1は第1障壁層21cの厚さTB2より小さいので、単位セル15a内の第1井戸層21a及び第2井戸層21bが、第2障壁層21dにより隣の単位セル15aの井戸層から隔てられると共に、第1井戸層21a及び第2井戸層21bが、隣の単位セル15a内の井戸層に比べて、より密に互いに結合する。上位のエネルギー準位は、単位セル15a毎に生成される。
In the
必要な場合には、エミッタ領域のInPとAlInAsの間にInPの材料とAlInAsの材料の間のバンドギャップの中間的なバンドギャップを有する半導体を成長して、例えばInP/AlGaInAs/AlInAsの積層を形成することができる。この追加の半導体層は、ヘテロ障壁を低減でき、より低電圧での駆動を実現する。 If necessary, a semiconductor having an intermediate bandgap between the InP material and the AlInAs material between InP and AlInAs in the emitter region is grown, for example, an InP / AlGaInAs / AlInAs stack is formed. Can be formed. This additional semiconductor layer can reduce the hetero-barrier and realize driving at a lower voltage.
(実施例1)
図4を参照しながら、量子井戸構造の構造を説明する。引き続く説明では、電子をキャリアとして利用するが、同様に、電子に替えて正孔をキャリアとして利用できる。上位エネルギー準位E3から下位エネルギー準位E2への遷移確率を高めるために、キャリアの引き抜きにより下位エネルギー準位E2上のキャリア密度を下げることが好適である。量子井戸構造21の一例は、複数(例えば2つ)の井戸層(21a、21b)と、これらの井戸層を隔てる一又は複数の障壁層(21d)とを備えることが良い。障壁層(21d)は、障壁層(21c)に比べて薄くして、井戸層(21a、21b)内の電子の波動関数がそれぞれ障壁層(21d)を介して井戸層(21b、21a)に浸みだして互いに結合する。この構造を「結合量子井戸」として参照する。結合量子井戸は、障壁層(21d)の中心線(厚み方向の中心)を基準にして左右に対称な井戸構造を有する。このような構造では、下位エネルギー準位E2よりLOフォノンエネルギーと同程度に低い緩和エネルギー準位E1を形成することができ、上位エネルギー準位E3から下位エネルギー準位E2に発光遷移した電子を速やかにフォノン散乱(共鳴散乱)によって緩和エネルギー準位E1に遷移させることができる。また、結合量子井戸は、上位エネルギー準位E3の波動関数と下位エネルギー準位E2の波動関数との重なりを大きくして、発光遷移確率を増加させ、これによりレーザ利得を増大できる。
結合量子井戸の具体例。
井戸層/障壁層:アンドープInGaAs/アンドープAllnAs。
井戸層(21a)厚:4nm。
内側の障壁層(21d)厚:2nm。
井戸層(21b)厚:4nm。
外側の障壁層(21c)厚:10nm。
発振に係るエネルギー差(上位エネルギー準位E3と下位エネルギー準位E2との差):270meV(発振波長:4.6マイクロメートル)。
光学利得:96cm−1/period。
Epop(下位エネルギー準位E2と緩和エネルギー準位E1との差):35.6meV。
基板13:InP基板。
また、発光領域15が、量子カスケード半導体レーザにおける注入層を必要としない。これ故に、量子井戸構造の設計の自由度が大きい。また、例えば外側の障壁層のAlInAsの厚さも含めた4層の設計において、障壁層には引っ張りの応力を導入しまた井戸層には圧縮の応力を導入する格子の不整合を利用すると共に、引っ張りと圧縮の応力を量子井戸構造の全体として実質的に相殺することによって、良好な結晶性を保ちながら、大きな伝導帯バンドギャップ差(深い量子井戸の形成)を形成できる。これによって、キャリヤの漏洩を抑制することによる温度特性の改善、及び発振波長範囲の拡大を提供できる。
Example 1
The structure of the quantum well structure will be described with reference to FIG. In the following description, electrons are used as carriers. Similarly, holes can be used as carriers instead of electrons. In order to increase the transition probability from the upper energy level E3 to the lower energy level E2, it is preferable to lower the carrier density on the lower energy level E2 by extracting carriers. An example of the
Specific examples of coupled quantum wells.
Well layer / barrier layer: undoped InGaAs / undoped AllnAs.
Well layer (21a) thickness: 4 nm.
Inner barrier layer (21d) thickness: 2 nm.
Well layer (21b) thickness: 4 nm.
Outer barrier layer (21c) thickness: 10 nm.
Energy difference related to oscillation (difference between upper energy level E3 and lower energy level E2): 270 meV (oscillation wavelength: 4.6 micrometers).
Optical gain: 96 cm −1 / period.
Epop (difference between lower energy level E2 and relaxation energy level E1): 35.6 meV.
Substrate 13: InP substrate.
Moreover, the
(実施例2)
図5に示されるように、量子井戸構造の障壁層の少なくとも一部に、キャリアの極性と同じ極性のドーパントを添加することができる。この添加により、両井戸層への注入効率を改善できる。例えば、10nm厚のAlInAs障壁層において、井戸層に接する薄層領域21ca、21ccをアンドープにすると共に、これらの間にドーパント添加の薄層領域21cbを設けることができる。ドーピング濃度は自由キャリア吸収による損失を避けるために1017cm−3程度又はそれ以下であることが良い。このドーパント添加の薄層領域は、発光領域の半導体積層における面内方向の導電性を高めることができ、エミッタ領域から面内の方向に離れた位置において井戸層にキャリアを提供できる。
(Example 2)
As shown in FIG. 5, a dopant having the same polarity as the polarity of carriers can be added to at least a part of the barrier layer of the quantum well structure. By this addition, the injection efficiency into both well layers can be improved. For example, in a 10 nm thick AlInAs barrier layer, the
(実施例3)
本実施形態に係る半導体レーザ11は、発光領域15内の複数の量子井戸構造21にエミッタ領域17から第1軸Ax1の方向にキャリアを注入して、各量子井戸構造21内にキャリアを提供する。量子井戸構造21内のキャリアが量子井戸層の面内方向と平行な方向に輸送される。
このような構造のデバイスに電子を注入した場合、発光領域内の電子分布をシミュレーションにより見積もる。
面内方向のキャリア輸送を見積もるために、シミュレーションによる数値実験を行うデバイスモデルを以下に示す。
共振器長L1:500マイクロメートル。
エミッタ領域の開口幅W:10マイクロメートル。
メサ構造内の発光領域上のエミッタ領域の開口の中心からメサ上面の上縁の一方までのメサ片幅:10マイクロメートル。
メサ構造内の発光領域上のエミッタ領域の開口の中心からメサ上面の上縁の他方までのメサ片幅が10、20、50及び100マイクロメートル。
電子は、エミッタ領域の開口から電界によりドリフトし発光領域に注入される。
発光領域:AlInAs/GaInAs多重量子井戸構造。
モデル名、 縦方向の電気伝導率、 横方向の電気伝導率、 縦/横電気伝導率比。
第1モデル、 4.3E−5、 1.7E−2、 2.53E−3。
第2モデル、 1.5E−5、 1.7E−2、 8.74E−4。
第3モデル、 1.7E−6、 1.7E−2、 9.84E−5。
記法「2.53E−3」は、2.53×10−3を示す。
縦/横電気伝導率比は、縦方向の電気伝導率を横方向の電気伝導率で割った値である。
横方向の電流密度について。
100マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、横方向の電子流密度分布は、量子井戸の縦方向と横方向の電気伝導率比が大きいほど大きくなる。また、20マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、3桁程度の電気伝導率比では、コレクタ電極での電子流密度は、深さ方向に大きな違いはない。
縦方向の電流密度について。
100マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、縦方向の電子流密度分布は、エミッタ電極直下辺りに分布している。また、20マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、量子井戸の縦方向と横方向の電気伝導率比が大きいほど下方への分布が少なくなるが、3ケタ程度の電気伝導率比でも十分に下方まで電子は分布する。
(Example 3)
The
When electrons are injected into a device having such a structure, the electron distribution in the light emitting region is estimated by simulation.
In order to estimate the carrier transport in the in-plane direction, a device model that performs numerical experiments by simulation is shown below.
Cavity length L1: 500 micrometers.
Opening width W of the emitter region: 10 micrometers.
Mesa piece width from the center of the opening of the emitter region on the light emitting region in the mesa structure to one of the upper edges of the upper surface of the mesa: 10 micrometers.
The mesa piece width from the center of the opening of the emitter region on the light emitting region in the mesa structure to the other of the upper edge of the upper surface of the mesa is 10, 20, 50 and 100 micrometers.
Electrons drift from the opening of the emitter region by an electric field and are injected into the light emitting region.
Light emitting region: AlInAs / GaInAs multiple quantum well structure.
Model name, vertical conductivity, horizontal conductivity, vertical / horizontal conductivity ratio.
1st model, 4.3E-5, 1.7E-2, 2.53E-3.
Second model, 1.5E-5, 1.7E-2, 8.74E-4.
3rd model, 1.7E-6, 1.7E-2, 9.84E-5.
The notation “2.53E-3” indicates 2.53 × 10 −3 .
The longitudinal / lateral electrical conductivity ratio is a value obtained by dividing the electrical conductivity in the vertical direction by the electrical conductivity in the horizontal direction.
About the current density in the horizontal direction.
According to the calculation result of the model having a mesa width of 100 micrometers, the electron flow density distribution in the lateral direction becomes larger as the electrical conductivity ratio in the longitudinal direction and the lateral direction of the quantum well increases. Further, according to the calculation result of the model having a mesa width of 20 micrometers, the electron current density at the collector electrode is not significantly different in the depth direction at an electrical conductivity ratio of about 3 digits.
About the current density in the vertical direction.
According to the calculation result of the model having a mesa width of 100 micrometers, the electron current density distribution in the vertical direction is distributed just below the emitter electrode. According to the calculation result of the model having a mesa width of 20 micrometers, the downward distribution decreases as the electrical conductivity ratio of the quantum well in the vertical direction and the horizontal direction increases, but the electrical conductivity of about 3 digits. Even in the ratio, electrons are distributed sufficiently downward.
本実施形態に係る半導体レーザ11は、量子井戸構造21内のキャリアが量子井戸層の面内方向と平行な方向に輸送される点で量子カスケード半導体レーザとは異なっており、量子カスケード半導体レーザに内在するヘテロ障壁を備えない。ヘテロ障壁がないことにより、本実施形態に係る半導体レーザは、低電圧で駆動可能であって、量子井戸構造21を積層することに起因して動作電圧が上昇することなく、量子井戸構造21を並列に多重化することによって大きなレーザ利得ることができる。また、本実施形態に係る半導体レーザは、量子カスケード半導体レーザにおけるトンネル輸送による損失の発生が無く、これ故に、量子カスケード半導体レーザに比して大幅な消費電力の低減が期待される。
The
本実施形態の構造は、多段の量子井戸間にカスケードのための注入層を備える量子カスケード半導体レーザと異なって、注入層を備えないので、電流注入側(エミッタ)と引き抜き側(コレクタ電極)の2つの電極間での電圧降下は、発振波長のエネルギーに係る電圧降下と当該素子の直列抵抗による電圧降下との和になる。光学利得を高めるために、発光領域内の量子井戸構造の単位セルは多重に積層する構造を採用するけれども、この積層の数と共に増大する電圧上昇は、本実施形態の構造における動作機構上発生せず、素子の動作電圧が大幅に低減される。 Unlike the quantum cascade laser including the injection layer for the cascade between the multi-stage quantum wells, the structure of the present embodiment does not include the injection layer, so the current injection side (emitter) and the extraction side (collector electrode) The voltage drop between the two electrodes is the sum of the voltage drop related to the energy of the oscillation wavelength and the voltage drop due to the series resistance of the element. In order to increase the optical gain, the unit cell of the quantum well structure in the light emitting region adopts a structure in which multiple layers are stacked. However, the voltage increase that increases with the number of stacked layers is not generated in the operating mechanism in the structure of this embodiment. Therefore, the operating voltage of the element is greatly reduced.
量子カスケード半導体レーザは、発光のための単位セルの縦続的な積層とこの積層方向への縦続的なキャリア注入とを用いるので、量子カスケード半導体レーザにおけるキャリア注入層におけるキャリア損失が生じる。一方、本実施形態に係る素子構造はキャリア注入層を必要とせずに、キャリア注入層におけるキャリア損失が生じない。本実施形態に係る素子構造では、発光層の積層構造に係る設計自由度が大きくなって、デバイスの特性の改善、具体的には閾値電流、動作電圧及び消費電力の低減が可能となると共に、大きな段差のないプレーナデバイスとしてウエハ上面から電極を構成できる。この構造は、本実施形態に係る半導体レーザを他のデバイスと集積すること、本実施形態に係る半導体レーザをアレ状に配列することといった集積素子を可能になる。さらに、本実施形態に係る半導体レーザは。キャリア注入層を含まないと、発光層のエピ層厚を低減できると共に、エピ成長後にフォトルミネッセンスといった非破壊の光学特性をインラインで評価可能になって、製造時間の短縮、コストの低減に寄与する。 Since the quantum cascade laser uses a cascade stack of unit cells for light emission and cascade carrier injection in the stack direction, carrier loss occurs in the carrier injection layer in the quantum cascade laser. On the other hand, the element structure according to the present embodiment does not require a carrier injection layer and does not cause carrier loss in the carrier injection layer. In the element structure according to the present embodiment, the degree of freedom in design related to the stacked structure of the light emitting layer is increased, and the device characteristics can be improved, specifically, the threshold current, the operating voltage, and the power consumption can be reduced. An electrode can be constructed from the upper surface of the wafer as a planar device without a large step. This structure enables an integrated element in which the semiconductor laser according to the present embodiment is integrated with other devices and the semiconductor lasers according to the present embodiment are arranged in an array. Furthermore, the semiconductor laser according to this embodiment. If the carrier injection layer is not included, the epi layer thickness of the light emitting layer can be reduced, and non-destructive optical characteristics such as photoluminescence can be evaluated in-line after epi growth, contributing to reduction in manufacturing time and cost. .
図6を参照しながら、エミッタ領域から発光領域へのキャリアの供給を説明する。図6の(a)部は、エミッタ領域17及び発光領域15における無バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図6の(b)部は、エミッタ領域17及び発光領域15における順方向の外部バイアスVb(エミッタに高電位を印加するバイアス)下のバンド構造を模式的に示す図面である。図6の(a)部及び(b)部では、発光領域15が超格子構造を有することを示すために、単位セル15aの配列が描かれている。単位セル15aは、図6の(c)部に示される。図6の(a)部及び(b)部において、「Ef1」はフェルミ準位又は偽フェルミ準位を示し、「Ec1」は伝導帯を示す。第1半導体層33aの伝導帯のレベルは、第2半導体層33bの伝導帯のレベルより高い。
エミッタ領域の構造。
第1半導体層33a:アンドープAlGaPSb、厚さ20nm。
第2半導体層33b:SiドープInP、厚さ200nm。
The supply of carriers from the emitter region to the light emitting region will be described with reference to FIG. Part (a) of FIG. 6 is a drawing schematically showing a non-biased band structure in the
Emitter region structure.
図6の(b)部に示されるように、外部バイアスを半導体レーザに印加して、第1半導体層33aと第2半導体層33bとの間のヘテロ障壁を小さくする。ヘテロ障壁の低下に応答して、高いエネルギーのキャリアC(電子)が熱キャリア放出によってヘテロ障壁を越えてエミッタ領域17から発光領域15の超格子構造に注入される。注入されたキャリアは、個々のキャリアのエネルギーに応じた伝導帯内のレベルにおいて、発光領域15をドリフト又は拡散しながらエネルギーを失って、様々な単位セル15a内に落ち込む。発光領域15の外側に向けて単位セル15a内をドリフトしながら高いエネルギー準位(E3)から低いエネルギー準位(E2)への光学遷移により光を生成する。エネルギー準位(E2)のキャリアは、更に低いエネルギー準位(E1)に速やかに緩和する。
As shown in FIG. 6B, an external bias is applied to the semiconductor laser to reduce the heterobarrier between the
図7を参照しながら、エミッタ領域から発光領域へのキャリアの供給を説明する。図7の(a)部は、エミッタ領域17及び発光領域15における無バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図7の(b)部は、エミッタ領域22及び発光領域15における順方向の外部バイアスVb下のバンド構造を模式的に示す図面である。図7では、発光領域15が単位セル15aの配列からなる超格子構造を有することを示すために、単位セル15aの配列が描かれている。図7の(c)部は、単位セル15a及び発光領域15における準位E4のレベルを示す。図7の(a)部及び(b)部において、「Ef1」はフェルミ準位又は偽フェルミ準位を示し、「Ec1」は伝導帯を示す。エミッタ領域22は、発光領域15の上面に接したトンネリング構造32を含む第1半導体層32aを備える。
エミッタ領域18の構造。
第1半導体層32a:アンドープAlGaPSb/GaInAs。
第2半導体層32b:SiドープInP、厚さ200nm。
トンネリング構造32は、例えば以下の構造を有する。
AlGaPSb(厚さ5nm)/GaInAs(厚さ2nm)/AlGaPSb(厚さ5nm)。
The supply of carriers from the emitter region to the light emitting region will be described with reference to FIG. Part (a) of FIG. 7 is a drawing schematically showing a band structure under no bias in the
Structure of the
The
AlGaPSb (thickness 5 nm) / GaInAs (
図7の(b)部に示されるように、外部バイアスVbを半導体レーザに印加して、第1半導体層32aと第2半導体層32bとの間のヘテロ障壁を小さくする。第2半導体層32bの伝導帯のレベルが、発光領域15における離散的なエネルギー準位(E4)付近になると、トンネリング構造32を通して第2半導体層32bの伝導帯から発光領域15の超格子構造のエネルギー準位(E4)にキャリアCがトンネリングTにより注入される。注入されたキャリアは、個々のキャリアのエネルギーに応じた伝導帯内のレベル(例えば、準位E4)において、発光領域15をドリフト又は拡散しながらエネルギーを失って、様々な単位セル15a内に落ち込む。単位セル15a内をコレクタ領域の金属電極19にドリフトしながら高いエネルギー準位(E3)から低いエネルギー準位(E2)への光学遷移により光を生成する。エネルギー準位(E2)のキャリアは、更に低いエネルギー準位(E1)に速やかに緩和する。
As shown in part (b) of FIG. 7, an external bias Vb is applied to the semiconductor laser to reduce the heterobarrier between the
図8から図11を参照しながら、製造方法の概要を説明する。工程S101では、エピタキシャル基板を形成する。図8の(a)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図8の(b)部は、図8の(a)部に示されたVIIIb−VIIIb線に沿って取られた断面を示す。図8の(a)部は、図8の(b)部に示されたVIIIa−VIIIa線に沿って取られた断面を示す。図8の(a)部及び(b)部に示されるように、FeドープInP基板61を準備する。結晶成長は、例えばMBE法もしくはMOCVD法によって行われることができる。InP基板61の主面61a上に、下部光学クラッド層のためにInP層63を成長する。InP層63は、例えばSiドープInPであることができる。InP層63上に、例えば上記の4層構造を備える単位セルの積層を有する発光領域のための超格子構造65を成長する。超格子構造65上に、電流ブロック及び上部光学クラッド層のためのInP層67を成長する。InP層67は、鉄ドープInP膜及び/又はZnドープInPを含む。これらの工程により、上部半導体積層69が形成される。
The outline of the manufacturing method will be described with reference to FIGS. In step S101, an epitaxial substrate is formed. 8A shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and FIG. 8B shows the section VIIIb-VIIIb shown in FIG. 8A. A cross section taken is shown. Part (a) of FIG. 8 shows a cross section taken along the line VIIIa-VIIIa shown in part (b) of FIG. As shown in FIGS. 8A and 8B, an Fe-doped
工程S102では、エミッタのための開口を形成する。図8の(c)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図8の(d)部は、図8の(c)部に示されたVIIId−VIIId線に沿って取られた断面を示す。図8の(c)部は、図8の(d)部に示されたVIIIc−VIIIc線に沿って取られた断面を示す。図8の(c)部及び(d)部に示されるように、エミッタのための開口を規定する第1SiNマスク71を上部半導体積層69の主面69a上に形成する。第1SiNマスク71を用いて、電流ブロック及び上部光学クラッド層のためのInP層67をエッチングして、電流ブロック層67aをInP層67から形成する。電流ブロック層67aは、エミッタのための開口67cを有し、開口67cには、超格子構造65の上面が現れている。エッチングの後に、第1SiNマスク71を除去する。
In step S102, an opening for the emitter is formed. Part (c) of FIG. 8 shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and part (d) of FIG. 8 follows the line VIIId-VIIId shown in part (c) of FIG. A cross section taken is shown. (C) part of FIG. 8 shows the cross section taken along the VIIIc-VIIIc line | wire shown by the (d) part of FIG. As shown in FIGS. 8C and 8D, a
工程S103では、エミッタ及びコンタクトのための再成長を行う。図9の(a)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図9の(b)部は、図9の(a)部に示されたIXb−IXb線に沿って取られた断面を示す。図9の(a)部は、図9の(b)部に示されたIXa−IXa線に沿って取られた断面を示す。図9の(a)部及び(b)部に示されるように、エッチングにより開口67cを形成した後に、エミッタ領域のために、電流ブロック層67aの上面及び側面、開口67c、及び超格子構造65の上面上にSiドープAlInAs層79a及びSiドープInP層79bを順に成長すると共に、SiドープInP層79b上にコンタクト層のためのSiドープInGaAs層81を成長して、エミッタ領域及びコンタクト層のための半導体積層を含む第2半導体積層73を形成する。SiドープAlInAs層79aの厚さは、電子がトンネル伝導しない程度の厚さ、例えば10nmより大きい厚さであることが良い。SiドープInP層79bは、電流ブロック層67aの開口67cを埋め込むように成長されて、SiドープInP層79bの上面は、実質的に平坦である。この再成長により、開口67cは埋め込まれて、実質的に平坦な表面を有する第2半導体積層73を含む半導体生産物が形成される。
In step S103, regrowth is performed for the emitter and contact. 9A shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and FIG. 9B shows the section IXb-IXb shown in FIG. 9A. A cross section taken is shown. Part (a) of FIG. 9 shows a cross section taken along the line IXa-IXa shown in part (b) of FIG. 9. As shown in FIGS. 9A and 9B, after the
工程S104では、レーザ導波路のための半導体メサを形成する。図9の(c)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図9の(d)部は、図9の(c)部に示されたIXd−IXd線に沿って取られた断面を示す。図9の(c)部は、図9の(d)部に示されたIXc−IXc線に沿って取られた断面を示す。図9の(c)部及び(d)部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、第2半導体積層73の主面73a上に半導体メサを形成するための第2SiNマスク77を形成する。第2SiNマスク77を用いて第2半導体積層73をエッチングして、Z軸の方向に延在するストライプメサ75を形成する。ストライプメサ75は、下部光学クラッド層63b、超格子構造65b、電流ブロック層67b、SiドープAlInAs層79c、SiドープInP層79d及びSiドープInGaAs層81bを含む。ストライプメサ75の形成により、超格子構造65bには、第1側面65cが与えられる。また、超格子構造65bは、第1側面65cに加えて、上面65d及び下面65eを備える。第1側面65cの反対側の第2側面は、メタライズ工程の後に行われるへき開により形成される。ストライプメサ75は、主面61aの第1エリア61b上に形成される。主面61aの第2エリア61c及び第3エリア61d上の第2半導体積層73は、エッチングされる。第1エリア61b及び第2エリア61cは、導波路軸WG1(座標系SのZ軸)の方向に配列され、第1エリア61b及び第3エリア61dは、導波路軸WG1に交差する交差軸WG2(座標系SのX軸)の方向に配列される。第1エリア61b及び第3エリア61dは、第2エリア61cの一辺から導波路軸WG1の方向に延在し、第1エリア61b及び第3エリア61dは互いに隣接する。ストライプメサ75は、上面75a、導波路軸に交差する第1側面75b、並びに導波路軸の方向に延在する第2側面75c及び第3側面75dを備える。ストライプメサ75を形成した後に、第2SiNマスク77を除去する。
In step S104, a semiconductor mesa for the laser waveguide is formed. 9C shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and FIG. 9D shows the section IXd-IXd shown in FIG. 9C. A cross section taken is shown. (C) part of FIG. 9 shows the cross section taken along the IXc-IXc line | wire shown by the (d) part of FIG. As shown in FIGS. 9C and 9D, a
工程S105では、コレクタ及びエミッタの分離構造を形成する。図10の(a)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図10の(b)部は、図10の(a)部に示されたXb−Xb線に沿って取られた断面を示す。図10の(a)部は、図10の(b)部に示されたXa−Xa線に沿って取られた断面を示す。図10の(a)部及び(b)部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、ストライプメサ75の主面上に分離溝を形成するための第3SiNマスク83を形成する。第3SiNマスク83は、分離溝を規定する開口83aを有する。第3SiNマスク83を用いてストライプメサ75をエッチングして、分離溝85a、第1アイランド85b及び第2アイランド85cを形成する。分離溝85aは、SiドープAlInAs層79c、SiドープInP層79d及びSiドープInGaAs層81cを貫通して電流ブロック層67bに到達し、電流ブロック層67b内で終端する。分離溝85aを形成した後に、第3SiNマスク83を除去する。
In step S105, a collector / emitter separation structure is formed. 10A shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and FIG. 10B shows the Xb-Xb line shown in FIG. 10A. A cross section taken is shown. Part (a) of FIG. 10 shows a cross section taken along the line Xa-Xa shown in part (b) of FIG. As shown in FIGS. 10A and 10B, a
工程S106では、パッシベーション膜を形成する。図10の(c)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図10の(d)部は、図10の(c)部に示されたXd−Xd線に沿って取られた断面を示す。図10の(c)部は、図10の(d)部に示されたXc−Xc線に沿って取られた断面を示す。図10の(c)部及び(d)部に示されるように、分離溝85aを形成した後に、シリコン酸化膜といった無機絶縁保護膜87を形成する。無機絶縁保護膜87は、例えば酸化シリコンを備える。無機絶縁保護膜87は、上面75a上に位置する第1開口87a、第1側面75b上に位置する第2開口87bを備える。第1開口87aには、SiドープInGaAs層81bが現れており、第2開口87bには、ストライプメサ75の第1側面75bの全て、及び第2エリア61cの表面が現れている。具体的には、無機絶縁保護膜87のための酸化シリコン膜を化学的気相成長法で成長する。酸化シリコン膜上に、第1開口87a及び第2開口87bを規定する開口(89a、89b)を有するレジストマスク89を形成すると共に、このレジストマスク89を用いたエッチングにより第1開口87a及び第2開口87bを酸化シリコン膜に形成する。第1開口87aには、SiドープInGaAs層81cが現れており、第2開口87bには、ストライプメサ75の第1側面75bの全て、及び第2エリア61cの表面が現れている。エッチングの後に、レジストマスク89を除去する。
In step S106, a passivation film is formed. Part (c) of FIG. 10 shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and part (d) of FIG. 10 follows the Xd-Xd line shown in part (c) of FIG. A cross section taken is shown. (C) part of FIG. 10 shows the cross section taken along the Xc-Xc line | wire shown by the (d) part of FIG. As shown in FIGS. 10C and 10D, after forming the
工程S107では、エミッタ及びコレクタのための金属膜を形成する。図11の(a)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図11の(b)部は、図11の(a)部に示されたXIb−XIb線に沿って取られた断面を示す。図11の(a)部は、図11の(b)部に示されたXIa−XIa線に沿って取られた断面を示す。図11の(a)部及び(b)部に示されるように、第1開口87a及び第2開口87bにそれぞれ第1電極91a及び金属電極91bを形成する。具体的には、リフトオフ法を用いて、第1電極91a及び金属電極91bを形成する。リフトオフマスク93は、第1開口87a及び第2開口87bに位置合わせされたそれぞれの開口(93a、93b)を有する。リフトオフマスク93を形成した後に、第1電極91a及び金属電極91bのための金属膜91を堆積すると共に、リフトオフマスク93とリフトオフマスク93上の金属堆積物91dとを除去して、第1電極91a及び金属電極91bを形成する。
In step S107, metal films for the emitter and collector are formed. Part (a) of FIG. 11 shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and part (b) of FIG. 11 follows the line XIb-XIb shown in part (a) of FIG. A cross section taken is shown. (A) part of FIG. 11 shows the cross section taken along the XIa-XIa line | wire shown by the (b) part of FIG. As shown in FIGS. 11A and 11B, a
工程S108では、InP基板61の裏面上に金属体を形成する。図11の(c)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図11の(d)部は、図11の(c)部に示されたXId−XId線に沿って取られた断面を示す。図11の(c)部は、図11の(d)部に示されたXIc−XIc線に沿って取られた断面を示す。図11の(c)部及び(d)部に示されるように、第1電極91a及び金属電極91bを形成した後に、InP基板61の裏面上に、裏面電極91cを形成する。必要な場合には、InP基板61の裏面を研磨した後に裏面電極91cを形成するようにしてもよい。このように作製された基板生産物から、劈開によりレーザバーを形成する。
In step S108, a metal body is formed on the back surface of the
図12及び図13を参照しながら、別の製造方法の概要を説明する。工程S201では、エピタキシャル基板を準備する。図12の(a)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図12の(b)部は、図12の(a)部に示されたXIIb−XIIb線に沿って取られた断面を示す。図12の(a)部は、図12の(b)部に示されたXIIa−XIIa線に沿って取られた断面を示す。図12の(a)部及び(b)部に示されるように、SiドープInP基板61を準備する。InP基板61の主面61a上に、下部光学クラッド層のためにInP層63を成長する。InP層63は、例えばSiドープInPであることができる。InP層63上に、例えば上記の4層構造を備える単位セルの積層を有する発光領域のための超格子構造65を成長する。超格子構造65上に、絶縁分離のための高Al組成の化合物半導体を成長する。この化合物半導体は、例えばAlGaAs及び/又はAlInAsを備えることができ、これらのAl組成は0,9より大きい。本実施例では、超格子構造65上に、エミッタ領域のためのSiドープAlInAs層79aを成長する。このSiドープAlInAs層79a上にSiドープInP層79bを成長すると共に、SiドープInP層79b上にコンタクト層のためのSiドープInGaAs層81を成長して、下地の半導体積層に加えてエミッタ領域及びコンタクト層を含む半導体積層82を形成する。これらの結晶成長は、例えばMBE法もしくはMOCVD法によって行われることができる。
The outline of another manufacturing method will be described with reference to FIGS. In step S201, an epitaxial substrate is prepared. 12 (a) shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and FIG. 12 (b) shows the XIIb-XIIb line shown in FIG. 12 (a). A cross section taken is shown. The (a) part of FIG. 12 shows the cross section taken along the XIIa-XIIa line | wire shown by the (b) part of FIG. As shown in FIGS. 12A and 12B, a Si-doped
工程S202では、半導体メサを形成する。図12の(c)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図12の(d)部は、図12の(c)部に示されたXIId−XIId線に沿って取られた断面を示す。図12の(c)部は、図12の(d)部に示されたXIIc−XIIc線に沿って取られた断面を示す。図12の(c)部及び(d)部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、半導体積層82の主面82a上に半導体メサを形成するための第2SiNマスク77を形成する。第2SiNマスク77を用いて半導体積層82をエッチングして、Z軸の方向に延在するストライプメサ76を形成する。ストライプメサ76は、下部光学クラッド層63b、超格子構造65b、SiドープAlInAs層79c、SiドープInP層79d及びSiドープInGaAs層81bを含む。超格子構造65bには、上面65d及び下面65eに加えて、ストライプメサ76の形成により第1側面65cが与えられる。超格子構造65bは、を備える。第1側面65cの反対側の第2側面は、メタライズ工程の後のへき開により形成される。ストライプメサ76は、主面61aの第1エリア61b上に形成される。具体的には、主面61aの第2エリア61c及び第3エリア61d上の第2半導体積層73は、エッチングされる。第1エリア61b及び第2エリア61c、並びに第3エリア61d及び第2エリア61cは、導波路軸WG1(座標系SのZ軸)の方向に配列され、第1エリア61b及び第3エリア61dは、導波路軸WG1に交差する交差軸WG2(座標系SのX軸)の方向に配列される。第1エリア61b及び第3エリア61dは、第2エリア61cの一辺から導波路軸WG1の方向に延在し、第1エリア61b及び第3エリア61dは互いに隣接する。ストライプメサ75は、上面76a、導波路軸に交差する第1側面76b、並びに導波路軸の方向に延在する第2側面76c及び第3側面76dを備える。ストライプメサ75を形成した後に、第2SiNマスク77を除去する。
In step S202, a semiconductor mesa is formed. 12C shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and FIG. 12D shows the XIId-XIId line shown in FIG. 12C. A cross section taken is shown. (C) part of FIG. 12 shows the cross section taken along the XIIc-XIIc line | wire shown by the (d) part of FIG. As shown in FIGS. 12C and 12D, a
工程S203では、ストライプメサ76内に酸化狭窄構造を形成する。図13の(a)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図13の(b)部は、図13の(a)部に示されたXIIIb−XIIIb線に沿って取られた断面を示す。図13の(a)部は、図13の(b)部に示されたXIIIa−XIIIa線に沿って取られた断面を示す。図13の(a)部及び(b)部に示されるように、ストライプメサ76内に酸化狭窄構造70を形成する。この酸化に先立って、ストライプメサ76の第2側面76c及び第3側面76dを覆う無機絶縁物の保護マスク78を形成する。保護マスク78の形成のために、窒化シリコンといった無機絶縁膜を堆積すると共に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより無機絶縁膜から保護マスク78を形成する。保護マスク78を形成した後に、ストライプメサ76の第1側面76bを酸化雰囲気(例えば、高温水蒸気)に曝して、ストライプメサ76内の高Al組成化合物半導体、例えばSiドープAlInAs層79cをストライプメサ76の第1側面76bから酸化する。この酸化により、SiドープAlInAs層79cから酸化狭窄構造70を形成する。酸化狭窄構造70は、SiドープAlInAsの半導体アパ−チャー領域70a及びIII族酸化物の酸化物領域70bを含む。III族酸化物の酸化物領域70bは、ストライプメサ76の第1側面76bから導波路軸の方向に延在しており、酸化狭窄構造70の酸化物領域70bの長さは、ストライプメサ76の第1側面76bから、例えば20マイクロメートルである。半導体アパ−チャー領域70aは、超格子構造65aのバンドレベルに比べて高いバンドレベルを有しており、このバンドレベルの差は、半導体アパ−チャー領域70aから超格子構造65aへのキャリア注入を良好にする。酸化の後に、保護マスク78を除去する。
In step S <b> 203, an oxidized constriction structure is formed in the
工程S204では、コレクタ及びエミッタの分離構造を形成する。図13の(c)部は、導波路軸WG1に沿って取られた断面を示し、図13の(d)部は、図13の(c)部に示されたXIIId−XIIId線に沿って取られた断面を示す。図13の(c)部は、図13の(d)部に示されたXIIIc−XIIIc線に沿って取られた断面を示す。図13の(c)部及び(d)部に示されるように、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、ストライプメサ76の上面76a上に分離溝を形成するための第3SiNマスク83をInP基板61の主面61a上に形成する。第3SiNマスク83は、分離溝を規定する開口83aを有する。第3SiNマスク83を用いてストライプメサ76をエッチングして、分離溝86a、第1アイランド86b及び第2アイランド86cを形成する。分離溝86aは、コンタクト層81b及びSiドープInP層79d貫通して酸化狭窄構造70の酸化物領域70bに到達し、酸化物領域70bの上面で終端する。分離溝86aを形成した後に、第3SiNマスク83を除去する。
In step S204, a collector / emitter separation structure is formed. Part (c) of FIG. 13 shows a cross section taken along the waveguide axis WG1, and part (d) of FIG. 13 follows the line XIIId-XIIId shown in part (c) of FIG. A cross section taken is shown. (C) part of FIG. 13 shows the cross section taken along the XIIIc-XIIIc line | wire shown by the (d) part of FIG. As shown in FIGS. 13C and 13D, a
第3SiNマスク83を除去した後に、工程S106から工程S108を順に行って、無機絶縁保護膜87、第1電極91a及び金属電極91bを形成すると共に、InP基板61の裏面上に、裏面電極91cを形成する。このように作製された基板生産物から、劈開によりレーザバーを形成する。
After removing the
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。 While the principles of the invention have been illustrated and described in the preferred embodiments, it will be appreciated by those skilled in the art that the invention can be modified in arrangement and detail without departing from such principles. The present invention is not limited to the specific configuration disclosed in the present embodiment. We therefore claim all modifications and changes that come within the scope and spirit of the following claims.
以上説明したように、本実施形態によれば、単極性のキャリアの光学遷移を用いることを可能にする半導体レーザを提供できる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a semiconductor laser that makes it possible to use optical transitions of unipolar carriers.
11、11a、11b…半導体レーザ、13…基板、13b…第1エリア、13c…第2エリア、13d…第3エリア、15…発光領域、15a…単位セル、17…エミッタ領域、19…金属電極、21…量子井戸構造、23…上部半導体領域、25…分離構造。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
基板の主面に交差する第1軸の方向に配列された複数の量子井戸構造を含むと共に上面及び側面を有する発光領域を備え、前記基板の前記主面上において導波路軸の方向に延在するメサ構造と、
前記発光領域の前記上面上に設けられ第1導電性を有する上部半導体領域と、
前記発光領域の前記側面上に設けられ前記第1軸の方向に延在する金属電極と、
を備え、
前記金属電極及び前記発光領域は、前記基板の前記主面上において前記導波路軸の方向に配列され、
前記金属電極は、前記発光領域の前記側面に電気的に接続されている、半導体レーザ。 A semiconductor laser,
A light emitting region including a plurality of quantum well structures arranged in a direction of a first axis intersecting a main surface of the substrate and having an upper surface and a side surface, and extending in a direction of a waveguide axis on the main surface of the substrate; A mesa structure to
An upper semiconductor region provided on the upper surface of the light emitting region and having first conductivity;
A metal electrode provided on the side surface of the light emitting region and extending in the direction of the first axis;
With
The metal electrode and the light emitting region are arranged in the direction of the waveguide axis on the main surface of the substrate,
The semiconductor laser, wherein the metal electrode is electrically connected to the side surface of the light emitting region.
前記第1障壁層は前記第1井戸層を前記第2井戸層から隔てており、
前記第1井戸層は前記第1障壁層を前記第2障壁層から隔てている、請求項1に記載された半導体レーザ。 The quantum well structure includes a first well layer, a second well layer, a first barrier layer, and a second barrier layer,
The first barrier layer separates the first well layer from the second well layer;
The semiconductor laser according to claim 1, wherein the first well layer separates the first barrier layer from the second barrier layer.
前記単位セルは、前記第1井戸層、前記第2井戸層、前記第1障壁層、及び前記第2障壁層を含み、
前記第1障壁層の厚さは前記第2障壁層の厚さより小さい、請求項2に記載された半導体レーザ。 The light emitting region includes a plurality of unit cells arranged in the direction of the first axis,
The unit cell includes the first well layer, the second well layer, the first barrier layer, and the second barrier layer,
The semiconductor laser according to claim 2, wherein a thickness of the first barrier layer is smaller than a thickness of the second barrier layer.
前記発光領域の前記上面上に設けられ開口を有する高比抵抗層と、
を更に備え、
前記上部半導体領域は、前記高比抵抗層の前記開口を介して前記発光領域に接触を成し、
前記上部半導体領域は、前記高比抵抗層に到達する開口を有し、
前記金属電極は、前記上部半導体領域の側面上に設けられる、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された半導体レーザ。 An emitter electrode in contact with the upper semiconductor region;
A high resistivity layer provided on the upper surface of the light emitting region and having an opening;
Further comprising
The upper semiconductor region is in contact with the light emitting region through the opening of the high resistivity layer,
The upper semiconductor region has an opening reaching the high resistivity layer;
The semiconductor laser according to claim 1, wherein the metal electrode is provided on a side surface of the upper semiconductor region.
前記基板は導電性を有し、
前記金属電極は、前記基板に電気的に接続される、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された半導体レーザ。 Further comprising a back electrode provided on the back surface of the substrate,
The substrate has electrical conductivity;
The semiconductor laser according to claim 1, wherein the metal electrode is electrically connected to the substrate.
前記絶縁膜は、前記メサ構造の側面上に設けられた開口を有し、
前記金属電極は前記絶縁膜の前記開口を介して前記発光領域の前記側面に接続される、請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された半導体レーザ。 Further comprising an insulating film covering a side surface of the mesa structure;
The insulating film has an opening provided on a side surface of the mesa structure;
The semiconductor laser according to claim 1, wherein the metal electrode is connected to the side surface of the light emitting region through the opening of the insulating film.
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JP2017045237A JP2018152373A (en) | 2017-03-09 | 2017-03-09 | Semiconductor laser |
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2017
- 2017-03-09 JP JP2017045237A patent/JP2018152373A/en active Pending
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