JP4232334B2

JP4232334B2 - Tunnel junction surface emitting laser

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Publication number: JP4232334B2
Application number: JP2000321679A
Authority: JP
Inventors: 隆由阿南
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: JP2002134835A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光レーザに関し、特にトンネル接合によるキャリア反転を用いたトンネル接合面発光レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser:ＶＣＳＥＬ）においては、トンネル接合をＶＣＳＥＬ内の電界強度が０になるいわゆる節になる所に形成することによって、ｐ型半導体多層膜ミラー（Distributed Bragg Reflector:ＤＢＲ）を用いずにｎ型ＤＢＲのみでＶＣＳＥＬを構成することができ、また量子井戸活性層を多数の腹（電界強度が極大になる場所）に配置するいわゆるピリオディックゲイン構造を作製することができる。
これは多重活性層領域型ＶＣＳＥＬとして、キムらによりエレクトロニクス・レター、３５巻、１３号、１０８４−１０８５頁に記載されている。
一般にｎ型ＤＢＲはｐ型ＤＢＲに比べて低ロスで且つ低抵抗になるため、ｎ型ＤＢＲのみでＶＣＳＥＬを作製した場合、低閾値で高温まで発振する高性能な面発光レーザを作製することができる。
またトンネル接合をピリオディックゲイン構造に用いた場合では１つの電子が何度も発光に寄与できるため、高利得でかつ高い量子効率を有する半導体レーザを作製することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまでのトンネル接合は電気的特性が十分ではないために、ＶＣＳＥＬの立ち上がり電圧や抵抗値が高いという問題点があった。
この問題を解決するには、高濃度のドーピングやバンドギャップの小さい材料系を用いることが有効である。例えばラゲイらは、デルタドーピングという手法を用いて高濃度のシリコンｎ型ドーピングを実現し、トンネル特性の向上を示した。（エレクトロニクス・レター、３０巻、１号、８６−８７頁）
また、リチャードらは、ＧａＡｓの代わりにバンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓ層を用いることでトンネル特性の改善を示した。（アプライド・フィジクス・レター、６３巻、２６号、３６１３−３６１５頁）
【０００４】
しかし、トンネル接合とＶＣＳＥＬを組み合わせる場合、トンネル接合を形成する半導体のバンドギャップは、ＶＣＳＥＬの発振波長のエネルギーよりも大きくする必要がある。
なぜなら、トンネル接合を形成する半導体のバンドギャップがＶＣＳＥＬの発振波長のエネルギーよりも小さいと、そこで光が吸収されてロスとなるために、発振しにくくなるからである。このためトンネル接合を形成する半導体のバンドギャップには制限があり、これによりトンネル接合ＶＣＳＥＬのトンネル特性はまだ十分なものではなかった。
【０００５】
従って、本発明は、上記した従来の欠点を改良し、優れたトンネル特性を有するトンネル接合ＶＣＳＥＬを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するために、以下に記載されたような技術構成を採用するものである。
即ち、本発明に係る態様としては、トンネル接合がタイプIIのヘテロ接合界面から成り、更にトンネル特性を向上させるため不純物やコントロールされた欠陥準位が設けられているトンネル接合面発光レーザである。
【０００７】
請求項１に記載のように、本発明のトンネル接合面発光レーザは、トンネル接合がタイプIIのヘテロ接合界面からなっており、逆方向電圧の印加により電子は、ｎ型にドーピングされた第２の半導体層からｐ型にドーピングされた第１の半導体層へトンネルする。
その際のトンネル電流は、第１の半導体層と第２の半導体層で形成されるヘテロ接合界面における遷移エネルギーに大きく（指数関数的に）依存し、この遷移エネルギーが小さいほどトンネル電流は大きくなる。
【０００８】
従来のトンネル接合では、上記に説明したようにトンネル接合を形成する半導体のバンドギャップは、ＶＣＳＥＬの発振波長のエネルギーよりも小さくすることが出来なかったが、本発明によればトンネル接合を正確に電界強度が零となる節の部分に作ることができるため、この遷移エネルギーに対する制限がなくなる。
これにより請求項７，８に記載の材料系を選択すれば、ヘテロ接合界面の遷移エネルギーを小さくすることが可能でトンネル電流を大きくすることが出来る。
【０００９】
また請求項２、４に記載のように、このヘテロ接合界面に電子または正孔を捕獲することのできる不純物やコントロールされた欠陥準位を形成することにより電子のトンネルが更に促進される。
これにより請求項３、５、６に示したような不純物や欠陥準位を形成すれば、ヘテロ接合界面でのトンネル電流を更に大きくすることが出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。ただし本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
図１に本発明の第１の実施形態としてのトンネル接合面発光レーザの断面構造の一例を示す。本実施形態のトンネル接合面発光レーザ１００は、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体の基板１０１上に、ｎ型半導体の多層反射膜１０２、キャビティ層１１０、ｐ型の半導体層１０６、トンネル接合部１１２、ｎ型半導体の多層反射膜１０７が順次積層形成された構成である。
図１に示すように、ｎ型半導体の多層反射膜１０７の最上面と、ｎ型半導体の多層反射膜１０２の一部が露出した面には、電源と接続するための金属の電極１０９、１０８がそれぞれ設けられて電源１１１に接続されている。
尚、ｎ型半導体の多層反射膜１０２に設けられた金属の電極１０８は、多層反射膜１０７の上面側からトンネル接合部１１２、キャビティ層１１０を通って多層反射膜１０２に達するエッチングを施して多層反射膜１０２の一部を露出させ、この露出された多層反射膜１０２の面上に形成されたものである。
【００１１】
また、電源１１１の正負は、トンネル接合部１１２とキャビティ層１１０の配置関係により決定され、トンネル接合部１１２に近い側が正極、キャビティ層１１０に近い側が負極となる。図１に示すトンネル接合面発光レーザ１００の場合、トンネル接合部１１２に近い側のｎ型の導電性を有する半導体多層膜１０７上に形成された電極１０９側が正極となる。
【００１２】
また、図１に示すトンネル接合面発光レーザ１００では、電流を狭い領域に閉じ込めるための電流狭窄層１０５が、キャビティ層１１０とｐ型半導体層１０６の間に挿入されている。この電流狭窄層１０５を挿入することにより、ＶＣＳＥＬの低閾値化、高効率化を実現することができる。
この電流狭窄層１０５は例えばＡｌＧａＡｓ層の中心部に配置された通電部１０５ａと、この通電部１０５ａの外周を取り囲んで形成された電流狭窄部１０５ｂとから構成されており、Ａｌ組成の高いＡｌＧａＡｓ（通常Ａｌ組成０．８以上１未満）からなる層を形成した後、この層の中心部を残して外周側から水蒸気酸化等による酸化、もしくはイオン注入して電流狭窄部１０５ｂを形成することによって形成される。
この電流狭窄層１０５は、トンネル接合部１１２とキャビティ層１１０との間において、電界強度が節となる部分に設けることが好ましい。この理由は、電流の狭窄においては電子よりも正孔の方が効果的に狭窄されるため、トンネル接合部１１２でキャリアの電子−正孔変換により生成された正孔が、ｐ型の半導体層１０６を通して活性層（キャビティ層１１０）に注入されるまでの間に電流狭窄層１０５を挿入すると効果的にでキャリアの流れを狭窄することができることと、電流狭窄層１０５を電界強度の節の部分に形成することで光学的ロスを低減することができるからである。
【００１３】
面発光レーザ内で光を反射して増幅するために、キャビティ層１１０を含む部分の両側に設けられたｎ型半導体の多層反射膜１０２、１０７は、屈折率の異なる半導体膜を交互に積層した構成であり、多層反射膜１０２は、半導体膜１０２ａ、１０２ｂを交互に積層し、多層反射膜１０７は、半導体膜１０７ａ、１０７ｂを交互に積層した構成である。これらの多層反射膜１０２、１０７は、具体的に挙げるならば、例えばＧａＡｓからなる層とＡｌＡｓからなる層を１５〜３０周期交互に積層して構成される。尚、図１には４周期積層した場合が例示されている。
本発明においては、これらの多層反射膜１０２，１０７を低ロス、低抵抗のｎ型半導体により構成することによって、面発光レーザの低閾値化、低抵抗化を実現することができる。
【００１４】
上記多層反射膜１０２、１０７の間に形成されているキャビティ層１１０は、トンネル接合部１１２からの電流注入により発光するものである。このキャビティ層１１０は半導体層を積層した多層膜であり、活性層１０３ａ〜１０３ｃと、トンネル接合部１１２と同等のトンネル接合部１０４ａ、１０４ｂとが交互に配置され、隣り合う活性層とトンネル接合部の間にはＧａＡｓなどの半導体からなる層１１０ａが挟まれて構成されている。
本発明のトンネル接合面発光レーザ１００においては、活性層１０３ａ〜１０３ｃが電界強度の腹の部分に配置されたピリオディックゲイン構造となっており、さらにトンネル接合部１０４ａ、１０４ｂは電界強度の節の部分に配置されている。このような構造とすることで、本発明のトンネル接合面発光レーザ１００は、高利得でかつ高い量子効率を実現することができる。
【００１５】
上記のように、本発明のトンネル接合面発光レーザ１００では、発明の特徴的な部分であるトンネル接合部が、上記のトンネル接合部１０４ａ、１０４ｂ、もしくはトンネル接合部１１２として形成されている。
以下ではこのトンネル接合部１１２、１０４ａ、１０４ｂのさらに詳細な構成を図１および図２を参照して説明する。ただし、トンネル接合部１０４ａ、１０４ｂはトンネル接合部１１２と同等の構成であるので、説明の重複を避けるため、以下ではトンネル接合部１１２について説明する。
図１において、ｐ型の半導体層１０６と、ｎ型の半導体層１０７ｂとの間に挟まれたトンネル接合部１１２は、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ａ上にｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｂを形成した構造である。
図２は、図１に示すトンネル接合部１１２とその両側の層を含む部分の模式的なバンド構造を示す図であり、縦軸はエネルギーを、横軸は図１の図示上方への積層方向を示す。
図２において、符号２００ａは図１に示すトンネル接合部１１２とその両側の層の伝導帯を示しており、符号２０１〜２０４は、順に、ｐ型の半導体層１０６、第１の半導体層１１２ａ、第２の半導体層１１２ｂ、ｎ型の半導体層１０７ｂそれぞれの伝導帯に対応する。また、符号２００ｂは図１に示すトンネル接合部１１２とその両側の層の価電子帯を示している。
【００１６】
図２に示す第１の半導体層１１２ａと第２の半導体層１１２ｂの吸収端波長２０８、２０９は、本実施形態のトンネル接合面発光レーザ１００の発振波長より短くなるように設計されている。
これは、吸収短波長２０８、２０９がトンネル接合面発光レーザ１００の発振波長より長い場合には、第１の半導体層１１２ａ、第２の半導体層１１２ｂを光が通過する際に、この半導体層１１２ａ、１１２ｂに光が吸収されて損失が大きくなってしまうためである。
また図１に示す第１の半導体層１１２ａと第２の半導体層１１２ｂによって形成されるヘテロ接合界面１２０は、図２に示すバンド構造のようにタイプIIのヘテロ接合界面を形成しており、かつ第２の半導体層１１２ｂの伝導帯２０３の下端エネルギー準位２０６が、第１の半導体層１１２ａの伝導帯２０２の下端エネルギー準位２０５よりも低くなっている。
【００１７】
このようなバンド構造を有するトンネル接合部１１２に逆バイアスを印加すると、第１の半導体層１１２ａの価電子帯２０２ａにある電子が、第２の半導体層１１２ｂの伝導帯２０３にトンネルして、トンネル電流が流れる。このトンネル電流の大きさは、第１、第２の半導体層１１２ａ、１１２ｂのドーピング濃度とヘテロ接合界面１２０の遷移エネルギー２０７により決定され、ドーピング濃度を大きくするほど、遷移エネルギー２０７を小さくするほどトンネル電流は大きくなる。
【００１８】
一般的には、ヘテロ接合界面を形成する半導体膜へのドーピング濃度を大きくすると、拡散劣化により面発光レーザの信頼性が低下する可能性があり、ヘテロ接合界面の遷移エネルギーを小さくすると、この遷移エネルギーに対応する波長が長くなり、この波長が面発光レーザの発振波長よりも長くなるとヘテロ接合界面で光の吸収が起こり光の損失が大きくなる。
そのために、ドーピング濃度、遷移エネルギーの設計に対しては制限があるが、本発明においては、図２に示すようにヘテロ接合界面１２０をタイプIIのヘテロ接合界面とすることで、ヘテロ接合界面１２０がトンネル接合面発光レーザ１００における電界強度の節の位置になるように正確に配置することができる。
そのためヘテロ接合界面１２０における電界強度が０になるので、遷移エネルギー２０７を小さくすることによって、遷移エネルギー２０７に対応する波長を面発光レーザ１００の発振波長よりも長くなる場合であっても、ヘテロ接合界面１２０において光の吸収が起こらない。
つまり、本発明のトンネル接合面発光レーザ１００においては遷移エネルギー２０７に対する制限がなく、従来よりも遷移エネルギー２０７を小さくすることができるので、トンネル電流を大きくすることが出来る。
【００１９】
図１に示すトンネル接合部１１２を構成する具体的な材料としては、特に限定されるものではないが、トンネル接合面発光レーザ１００の基板１０１に、ＧａＡｓ基板を用いる場合には、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ａを形成する材料は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＳｂなどから選ばれる材料が好ましく、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｂを形成する材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂなどから選ばれる材料が好ましい。
また、基板１０１にＩｎＰ基板を用いる場合には、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ａを形成する材料はＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＳｂなどから選ばれる材料が好ましく、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｂを形成する材料はＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＰ，ＩｎＡｓＰなどから選ばれる材料が好ましい。
上記の材料が選ばれる理由は、基板を構成するＧａＡｓ、ＩｎＰとの格子整合度が良いことと、上記の材料を用いて、かつ組成を適切に選択することで、タイプIIのヘテロ接合界面を形成することができることによる。
【００２０】
以下に、上記に示した材料を用いたトンネル接合部１１２を含む部分の構成の一例を示す。ただし、以下の構成例は本発明を限定するものではない。
ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ａとして、ｐ型ドーピングとしてＢｅを２×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＳｂ組成０．１５のＧａＡｓＳｂ層を層厚５ｎｍにて成膜したものを用いる。また、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｂとして、ｎ型ドーピングとしてＳｉを２×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓを層厚１０ｎｍにて成膜したものを用いる。
上記のＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂを用いる場合はＧａＡｓ基板に対して圧縮性の歪みを有するため、各層の膜厚はこの歪みにより結晶性が劣化し始める臨界膜厚を越えないように設定する。
また、トンネル接合部１１２の下側に配置されるｐ型の半導体層１０６には、ＧａＡｓからなる層を７ｎｍの膜厚で成膜後、Ｂｅを２×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしたものを用いる。一方、トンネル接合部１１２の上側に配置されるｎ型半導体層１０７ｂには、ＧａＡｓからなる層を１０ｎｍの膜厚で成膜後、Ｓｉを５×１０¹⁸原子／ｃｍ³ドーピングしたものを用いる。
この構成のトンネル接合部１１２のヘテロ接合界面１２０における実効的な遷移エネルギー２０７は、約０．９２５ｅＶであり波長換算で１３４０ｎｍである。
また、タイプIIのヘテロ接合界面１２０を形成する半導体層１１２ａ、１１２ｂを、上記構成のｐ型の半導体層１０６、ｎ型半導体層１０７ｂのようにバンドギャップの大きな層で挟み込むと、量子効果により電子の波動関数が広がり、波動関数の重なりが大きくなるため、より大きなトンネル確率が得られる効果がある。
【００２１】
上記においては、トンネル接合部１１２についてのみ説明したが、先述のようにトンネル接合部１０４ａまたは１０４ｂは、トンネル接合部１１２と同等の構成を有するので、これらについても上記のトンネル接合部１１２と同様の効果が得られることはもちろんである。
【００２２】
（実施例１）
本発明の実施例１として、図３に示す構成のトンネル接合面発光レーザ３００を作製した。
図３に示すように、トンネル接合面発光レーザ３００はＧａＡｓ基板３０１上に、多層反射膜３０２と、キャビティ層３１０と、トンネル接合部３１２と、多層反射膜３０７とを順次積層した構成とした。
また、電源３１１に接続するために、多層反射膜３０７の最上面に電極３０９を形成し、多層反射膜３０７側からエッチングして露出させた多層反射膜３０２の露出面に電極３０８を形成した。
キャビティ層３１０は、Ｓｂ組成０．３３のＧａＡｓＳｂからなる７ｎｍ厚のダブル量子井戸構造の活性層３０３ａ〜３０３ｃと、ＧａＡｓ層３１０ａを交互に積層した構成とした。
多層反射膜３０２は、ＧａＡｓ層３０２ｂとＡｌＡｓ層３０２ａを交互に２５．５周期積層した構成とし、多層反射膜３０７は、グレーデッド層を有するＧａＡｓ層３０７ｂとＡｌＡｓ層３０７ａを交互に２０周期積層した構成とした。
また、上記のキャビティ層３１０と、多層反射膜３０２、３０７の層厚はトンネル接合面発光レーザ３００の発振波長が１２３０ｎｍとなるように設定した。トンネル接合部３１２は、第１の半導体層３１２ａとして、Ｂｅを２×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングして、ｐ型の半導体層としたＳｂ組成０．１５のＧａＡｓＳｂ層を５ｎｍ形成し、その上に第２の半導体層３１２ｂとして、Ｓｉを２×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングして、ｎ型半導体層としたＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓ層を１０ｎｍ形成した。このトンネル接合部３１２における実効的な遷移エネルギーは、約０．９２５ｅＶであり、波長換算で１３４０ｎｍであった。
尚、上記の各層の成長方法には、ガスソース分子線エピタキシー法を用いた。
【００２３】
上記の構成のトンネル接合面発光レーザ３００に電源３１１を接続して特性評価を行ったところ、発振波長１２３１ｎｍ、閾値電流密度１．５ｋＡ／ｃｍ²の低閾値で室温パルス発振した。
トンネル接合部３１２のヘテロ接合界面における実効的な遷移エネルギーは、先に記載のように波長換算で約１３４０ｎｍと発振波長１２３１ｎｍより長波であるにも関わらず、吸収ロスが抑えられ、低閾値化が実現されていた。
また素子抵抗は約５０オームと低抵抗であった。これは、トンネル接合部にタイプIIのヘテロ接合界面を形成せずに、ＩｎＧａＡｓのみでトンネル接合部を形成した従来のトンネル接合面発光レーザと比較して約１／３であり、大幅な低抵抗化を実現していることが確認できた。
【００２４】
本実施例では、ｎ型の導電性を有する第１の半導体層３１２ｂとしてＩｎＧａＡｓ層を材料系に選んだが、ＧａＮＡｓ層やＩｎ組成の小さいＧａＩｎＮＡｓ層であってもよく、これらの半導体層はＧａＡｓに対して引張性の歪みを有することから、積層構造の歪み安定化に寄与するので、これらの半導体層を用いるならば、構造的により優れたトンネル接合面発光レーザを作製することができる。
【００２５】
本発明によれば、請求項２に記載のように図１に示すトンネル接合部１１２のヘテロ接合界面１２０に電子または正孔を捕獲することのできる不純物がドーピングされた構成とすることもできる。
上記の構成を本発明の第２の実施形態とし、図４（ａ）に本実施形態のトンネル接合面発光レーザにおけるトンネル接合部１１２Ａを含む部分の部分断面図を示し、図４（ｂ）には、図４（ａ）に示す部分のバンド構造を模式的に示す。尚、図４において図１と同一の構成要素を示すものには図１と同一の符号を付してその説明を省略する。
本実施形態のトンネル接合面発光レーザは、図１に示す第１の実施形態のトンネル接合部１１２、１０４ａ、１０４ｂを、図４（ａ）に示すｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ｃとｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｄとを順次積層し、前記第１、第２の半導体層１１２ｃ、１１２ｄのヘテロ接合界面１２０ａに酸素などからなる不純物をドーピングしたトンネル接合部１１２Ａに置き換えたものであり、その他の構成は前記第１の実施形態と同様である。
図４（ｂ）において、縦軸はエネルギーを、横軸は図１の図示上方への積層方向を示しており、積層順に図示左側からｐ型の半導体層１０６、第１の半導体層１１２ｃ、第２の半導体層１１２ｄ、ｎ型半導体層１０７の伝導帯４００ａおよび価電子帯４００ｂが示されている。
【００２６】
図４（ａ）に示すトンネル接合部１１２Ａのヘテロ接合界面１２０ａには、不純物がドーピングされているため、図４（ｂ）におけるヘテロ接合界面１２０ａに相当する位置に不純物準位４０５が形成される。
この不純物準位４０５により、電子または正孔が捕獲されるために遷移エネルギー４０７よりも小さいエネルギーでヘテロ接合界面１２０ａにトンネル電流が流れるので、より大きなトンネル電流を得ることができる。
このヘテロ接合界面１２０ａにドーピングされる不純物を具体的に挙げるならば、特に限定されるものではないが、ＧａＡｓ基板を用いてＶＣＳＥＬを構成する場合は酸素、クロムが好ましく、ＩｎＰ基板を用いる場合には鉄が好ましい。
これは、上記の材料を不純物として用いるならば、ヘテロ接合界面１２０ａに深い不純物準位を形成することができるため、効果的に電子または正孔を捕獲してトンネル電流を大きくすることができるからである。
【００２７】
（実施例２）
第１の半導体層として、Ｂｅを２×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしてｐ型の半導体層としたＳｂ組成０．１５のＧａＡｓＳｂ層を５ｎｍ形成した後、酸素を導入して前記第１の半導体層表面に５×１０¹³原子／ｃｍ³の酸素不純物を形成し、その後第２の半導体層として、Ｓｉを２×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしてｎ型半導体層としたＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓ層を１０ｎｍ形成して、トンネル接合部を形成した以外は、前記実施例１と同様の構成のトンネル接合面発光レーザを作製した。
前記実施例１と同様の特性評価を行ったところ閾値電流密度は１．５ｋＡ／ｃｍ²と変わらなかったが、素子抵抗は約３５オームと低抵抗化した。これにより、トンネル接合部のヘテロ接合界面に不純物をドーピングすることにより、素子抵抗を低下させてトンネル電流を増強できることが確認された。
【００２８】
前記第２の実施形態においては、トンネル接合部１１２Ａのヘテロ接合界面１２０ａに不純物をドーピングした構成としたが、図５（ａ）に示すように、トンネル接合部１１２Ｂとして、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層１１２ｅとｎ型の導電性を有する第２の半導体層１１２ｆの間に、中間層１１２ｇを設けた構成も適用可能である。この構成を本発明の第３の実施形態とし、以下に、図５を参照して詳細に説明する。
図５（ａ）は、本実施形態のトンネル接合面発光レーザにおけるトンネル接合部１１２Ｂを含む部分の部分断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す部分の模式的なバンド構造図である。
本実施形態のトンネル接合面発光レーザは、図１に示す第１の実施形態のトンネル接合面発光レーザにおけるトンネル接合部１１２、１０４ａ、１０４ｂを、図５（ａ）に示すトンネル接合部１１２Ｂと置き換えたものであり、その他の構成は図１に示す前記第１の実施形態と同様である。
図５（ａ）に示すように、本実施形態のトンネル接合部１１２Ｂは、第１の半導体層１１２ｅと、電子または正孔を捕獲することのできる不純物がドーピングされた中間層１１２ｇと、第２の半導体層１１２ｆとが順次積層形成された構成である。
図５（ｂ）において、縦軸はエネルギーを、横軸は図１の図示上方への積層方向を示しており、積層順に図示左側からｐ型の半導体層１０６、第１の半導体層１１２ｅ、中間層１１２ｇ、第２の半導体層１１２ｆ、ｎ型半導体層１０７の伝導帯５００ａおよび価電子帯５００ｂが示されている。
【００２９】
図５（ａ）に示す中間層１１２ｇは、酸素などの不純物がドーピングされた数ｎｍ〜数十ｎｍの層厚の半導体層もしくは、欠陥準位を有する半導体層から構成され、図５（ｂ）に示すように、第１の半導体層１１２ｅと、第２の半導体層１１２ｆの間の領域に、不純物準位あるいは欠陥準位５０５を形成する。
この不純物準位あるいは欠陥準位５０５により電子または正孔が捕獲されるために遷移エネルギー５０７よりも小さいエネルギーでトンネル電流が流れることは、先に記載の第２の実施形態と同様である。
本実施形態においては、電子または正孔を捕獲することのできる不純物もしくは欠陥準位５０５がヘテロ接合界面の部分だけにではなく、中間層１１２ｇとして導入されている点が前記第２の実施形態と異なる。この場合、中間層５０５は数ｎｍから数十ｎｍ程度の層厚があるため、より効果的に電子または正孔を捕獲することが可能であるので、よりトンネル電流の増強に効果がある。
また、結晶中の不完全構造を利用した欠陥準位をこの電子または正孔を捕獲する構造として用いることができるのは、この中間層１１２ｇは数ｎｍ〜数十ｎｍの膜厚を有するためである。
また、中間層４０６を構成する母体材料も設計することができるため、高性能化のための構造設計の自由度が大きくなる。
【００３０】
この中間層１１２ｇを構成する材料を具体的に挙げるならば、特に限定されるものではないが、不純物をドーピングした中間層１１２ｇを形成する場合は、酸素またはクロムをドーピングしたＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓなどが好ましく、欠陥準位を有する中間層１１２ｇを形成する場合は、砒素または窒素のプレシピテートを含んだＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＡｓなどが好ましい。
【００３１】
（実施例３）
第１の半導体層として、Ｂｅを２×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしてｐ型の半導体層としたＳｂ組成０．１５のＧａＡｓＳｂ層を５ｎｍ形成した後、中間層として、基板温度２００℃の低温でＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓを５ｎｍ形成し、その後第２の半導体層として、Ｓｉを２×１０¹⁹原子／ｃｍ³ドーピングしてｎ型半導体層としたＩｎ組成０．２０のＩｎＧａＡｓ層を１０ｎｍ形成して、トンネル接合部を形成した以外は、前記実施例１と同様の構成のトンネル接合面発光レーザを作製した。
尚、中間層のみ低温成長としたのは、低温成長によりＡｓのプレシピテートを中間層に導入して、欠陥準位を形成するためである。
前記実施例１と同様の特性評価を行ったところ閾値電流密度は１．７ｋＡ／ｃｍ²と少し劣化したが、素子抵抗は約３０オームと低抵抗化した。これによりトンネル接合部へ、不純物がドーピングされた中間層、あるいは欠陥準位を有する中間層を挿入することにより、素子抵抗を低下させてトンネル電流を増強できることが確認された。
【００３２】
上記の第３の実施形態および実施例３においては、ＧａＡｓ基板を用いたのトンネル接合面発光レーザを例に説明を行ってきたが、基板がＩｎＰの場合も材料の選択を適切に行うことで上記効果を得ることができる。具体的に例を挙げるならば、前記ｐ型半導体からなる第１の半導体層としてＧａＡｓＳｂ、ＧａＰＳｂなどから選ばれる半導体と、ｎ型半導体からなる第２の半導体層としてＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＡｓＰ，ＩｎＡｓＰなどから選ばれる半導体とを組み合わせることで実現することができる。
その中でも、ｐ型の導電性を有する第１の半導体層としてＧａＡｓＳｂが、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層としてＩｎＧａＡｓがより好ましい。これは、これらの材料が容易にＩｎＰと格子整合可能であり、かつこれらの材料を用いた場合に形成されるタイプIIのヘテロ接合界面が本発明の理想的なバンド構造を形成するからである。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、トンネル接合面発光レーザのトンネル接合部を構成するｐ型の導電性を有する第１の半導体層と、ｎ型の導電性を有する第２の半導体層の吸収端波長を面発光レーザの発振波長より短くし、前記第１、第２の半導体層により形成されるヘテロ接合界面をタイプIIヘテロ接合界面とすることにより、ヘテロ接合界面を電界強度の節の部分に配置することができるので、ヘテロ接合界面での光の吸収による損失を抑えることができる。
そのためヘテロ接合界面の遷移エネルギーを小さくすることができるので、トンネル接合部のトンネル電流を大きくすることができる。
これにより、トンネル接合面発光レーザの低抵抗化、低閾値化を実現することができる。
【００３４】
また、上記のようにヘテロ接合界面の遷移エネルギーを小さくすることにより、トンネル電流を大きくすることができるので、トンネル接合部を構成する前記第１、第２の半導体層のドーピング濃度を下げることができ、より信頼性の高い（拡散劣化の少ない）トンネル接合面発光レーザを提供することができる。
【００３５】
また、本発明によれば、トンネル接合部のヘテロ結合界面に電子または正孔を捕獲することのできる不純物をドーピングすることで、電子をトンネルしやすくすることができるため、より抵抗値の小さいトンネル接合面発光レーザを提供することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、トンネル接合部を構成する前記第１、第２の半導体層の間に、電子または正孔を捕獲することのできる不純物をドーピングした中間層を挿入する、あるいは、欠陥準位を有する中間層を挿入することにより、より大きなトンネル電流を得ることができるので、より抵抗値の小さいトンネル接合面発光レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係るトンネル接合面発光レーザの一実施の形態を示す断面構造図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態のトンネル接合部のバンド構造を模式的に示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１のトンネル接合面発光レーザの断面構造を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態のトンネル接合部の部分断面構造図であり、図４（ｂ）はそのバンド構造を模式的に示す図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第３の実施形態のトンネル接合部の部分断面構造図であり、図５（ｂ）は、そのバンド構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０１基板
１０２、１０７多層反射膜
１０３ａ〜１０３ｃ活性層
１０４ａ、１０４ｂ、１１２トンネル接合部
１０５電流狭窄層
１０６ｐ型の半導体層
１０８、１０９電極
１１０キャビティ層
１１１電源
１１２Ａ、１１２Ｂトンネル接合部
１１２ａ第１の半導体層
１１２ｂ第２の半導体層
１１２ｇ中間層
１２０、１２０ａヘテロ接合界面
２００ａ、４００ａ、５００ａ伝導帯
２００ｂ、４００ｂ、５００ｂ価電子帯
２０５、２０６下端エネルギー準位
２０７、４０７、５０７遷移エネルギー
２０８、２０９吸収端波長
４０５、５０５不純物準位（欠陥準位）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting laser, and more particularly to a tunnel junction surface emitting laser using carrier inversion by a tunnel junction.
[0002]
[Prior art]
In a surface emitting laser (VCSEL), a p-type semiconductor multilayer mirror (DBR) is formed by forming a tunnel junction at a so-called node where the electric field intensity in the VCSEL becomes zero. ) Can be used to construct a VCSEL with only an n-type DBR, and a so-called periodic gain structure can be fabricated in which quantum well active layers are arranged on a number of antinodes (where the electric field strength is maximized). .
This is described as a multi-active layer region type VCSEL by Kim et al., Electronics Letter, Vol. 35, No. 13, pp. 1084-1085.
In general, an n-type DBR has lower loss and lower resistance than a p-type DBR. Therefore, when a VCSEL is manufactured using only an n-type DBR, a high-performance surface-emitting laser that oscillates to a high temperature with a low threshold can be manufactured. it can.
Further, when a tunnel junction is used in a periodic gain structure, one electron can contribute to light emission many times, so that a semiconductor laser having high gain and high quantum efficiency can be manufactured.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, since conventional tunnel junctions have insufficient electrical characteristics, there has been a problem that the rising voltage and resistance value of the VCSEL are high.
In order to solve this problem, it is effective to use a material system having a high concentration of doping and a small band gap. For example, Lagaye et al. Achieved high-concentration silicon n-type doping using a technique called delta doping, and showed an improvement in tunnel characteristics. (Electronics Letter, Vol. 30, No. 1, pp. 86-87)
Richard et al. Also improved tunnel characteristics by using an InGaAs layer with a small band gap instead of GaAs. (Applied Physics Letter, 63, 26, 3613-3615)
[0004]
However, when the tunnel junction and the VCSEL are combined, the band gap of the semiconductor forming the tunnel junction needs to be larger than the energy of the oscillation wavelength of the VCSEL.
This is because if the band gap of the semiconductor forming the tunnel junction is smaller than the energy of the oscillation wavelength of the VCSEL, light is absorbed there and lost, so that oscillation is difficult. For this reason, the band gap of the semiconductor that forms the tunnel junction is limited, and the tunnel characteristics of the tunnel junction VCSEL are not yet satisfactory.
[0005]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a tunnel junction VCSEL having improved tunneling characteristics by improving the above-described conventional drawbacks.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention employs a technical configuration as described below.
That is, an embodiment according to the present invention is a tunnel junction surface emitting laser in which the tunnel junction is formed of a type II heterojunction interface, and impurities and controlled defect levels are provided to further improve tunnel characteristics.
[0007]
According to the first aspect of the present invention, in the tunnel junction surface emitting laser of the present invention, the tunnel junction is a type II heterojunction interface, and electrons are doped n-type by applying a reverse voltage. Tunnel from the first semiconductor layer to the p-type doped first semiconductor layer.
The tunnel current at that time depends greatly (exponentially) on the transition energy at the heterojunction interface formed by the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, and the tunnel current increases as the transition energy decreases. .
[0008]
In the conventional tunnel junction, as described above, the band gap of the semiconductor forming the tunnel junction could not be made smaller than the energy of the oscillation wavelength of the VCSEL. Since it can be created at the node where the electric field strength is zero, there is no restriction on this transition energy.
Thus, if the material system according to claims 7 and 8 is selected, the transition energy at the heterojunction interface can be reduced and the tunnel current can be increased.
[0009]
In addition, as described in claims 2 and 4, electron tunneling is further promoted by forming impurities capable of trapping electrons or holes and controlled defect levels at the heterojunction interface.
As a result, if the impurities and defect levels as described in claims 3, 5 and 6 are formed, the tunnel current at the heterojunction interface can be further increased.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
FIG. 1 shows an example of a cross-sectional structure of a tunnel junction surface emitting laser as a first embodiment of the present invention. A tunnel junction surface emitting laser 100 according to the present embodiment includes an n-type semiconductor multilayer reflective film 102, a cavity layer 110, a p-type semiconductor layer 106, a tunnel junction 112, and an n-type semiconductor substrate 101 such as GaAs or InP. The multilayer reflective film 107 of type semiconductor is sequentially laminated.
As shown in FIG. 1, metal electrodes 109 and 108 for connection to a power source are formed on the uppermost surface of the n-type semiconductor multilayer reflective film 107 and the surface on which a part of the n-type semiconductor multilayer reflective film 102 is exposed. Are provided and connected to the power source 111.
The metal electrode 108 provided on the n-type semiconductor multilayer reflective film 102 is etched to reach the multilayer reflective film 102 from the upper surface side of the multilayer reflective film 107 through the tunnel junction 112 and the cavity layer 110. A part of the reflection film 102 is exposed and formed on the exposed surface of the multilayer reflection film 102.
[0011]
The positive / negative of the power source 111 is determined by the arrangement relationship between the tunnel junction 112 and the cavity layer 110, and the side close to the tunnel junction 112 is the positive electrode and the side close to the cavity layer 110 is the negative electrode. In the tunnel junction surface emitting laser 100 shown in FIG. 1, the side of the electrode 109 formed on the semiconductor multilayer film 107 having n-type conductivity near the tunnel junction 112 is the positive electrode.
[0012]
Further, in the tunnel junction surface emitting laser 100 shown in FIG. 1, a current confinement layer 105 for confining current in a narrow region is inserted between the cavity layer 110 and the p-type semiconductor layer 106. By inserting the current confinement layer 105, it is possible to realize a low threshold value and high efficiency of the VCSEL.
The current confinement layer 105 includes, for example, a current-carrying part 105a disposed at the center of the AlGaAs layer and a current-constriction part 105b formed so as to surround the outer periphery of the current-carrying part 105a. This is formed by forming a current confinement portion 105b by forming a layer having a normal Al composition of 0.8 or more and less than 1 and then leaving the central portion of this layer by oxidation by steam oxidation or the like or ion implantation from the outer peripheral side. Is done.
The current confinement layer 105 is preferably provided in a portion where the electric field strength is a node between the tunnel junction 112 and the cavity layer 110. This is because, in the current confinement, holes are more effectively confined than electrons, so that holes generated by electron-hole conversion of carriers at the tunnel junction 112 are converted into p-type semiconductor layers. It is effective to insert the current confinement layer 105 before it is injected into the active layer (cavity layer 110) through 106, so that the flow of carriers can be confined, and the current confinement layer 105 is a part of the node of electric field strength. This is because the optical loss can be reduced.
[0013]
In order to reflect and amplify light in the surface emitting laser, the n-type semiconductor multilayer reflective films 102 and 107 provided on both sides of the portion including the cavity layer 110 are alternately laminated with semiconductor films having different refractive indexes. The multilayer reflective film 102 has a configuration in which semiconductor films 102a and 102b are alternately stacked, and the multilayer reflective film 107 has a configuration in which semiconductor films 107a and 107b are alternately stacked. More specifically, the multilayer reflective films 102 and 107 are configured by alternately laminating layers made of GaAs and layers made of AlAs, for example, for 15 to 30 periods. FIG. 1 illustrates a case where four cycles are stacked.
In the present invention, by forming these multilayer reflective films 102 and 107 with low-loss, low-resistance n-type semiconductors, it is possible to reduce the threshold value and the resistance of the surface emitting laser.
[0014]
The cavity layer 110 formed between the multilayer reflective films 102 and 107 emits light by current injection from the tunnel junction 112. The cavity layer 110 is a multilayer film in which semiconductor layers are stacked, and active layers 103a to 103c and tunnel junctions 104a and 104b equivalent to the tunnel junction 112 are alternately arranged, and adjacent active layers and tunnel junctions are arranged. A layer 110a made of a semiconductor such as GaAs is sandwiched between the layers.
The tunnel junction surface emitting laser 100 of the present invention has a periodic gain structure in which the active layers 103a to 103c are arranged at the antinodes of the electric field strength, and the tunnel junctions 104a and 104b have a field strength node. Placed in the part. By adopting such a structure, the tunnel junction surface emitting laser 100 of the present invention can realize high gain and high quantum efficiency.
[0015]
As described above, in the tunnel junction surface emitting laser 100 according to the present invention, the tunnel junction that is a characteristic part of the present invention is formed as the tunnel junction 104a or 104b or the tunnel junction 112 described above.
Hereinafter, a more detailed configuration of the tunnel junctions 112, 104a, and 104b will be described with reference to FIGS. However, since the tunnel junctions 104a and 104b have the same configuration as the tunnel junction 112, the tunnel junction 112 will be described below in order to avoid redundant description.
In FIG. 1, a tunnel junction 112 sandwiched between a p-type semiconductor layer 106 and an n-type semiconductor layer 107b has n-type conductivity on the first semiconductor layer 112a having p-type conductivity. This is a structure in which a second semiconductor layer 112b having a property is formed.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic band structure of a portion including the tunnel junction 112 shown in FIG. 1 and the layers on both sides thereof. The vertical axis represents energy, and the horizontal axis represents the stacking direction upward in FIG. Indicates.
In FIG. 2, reference numeral 200a indicates the conduction band of the tunnel junction 112 shown in FIG. 1 and the layers on both sides thereof, and reference numerals 201 to 204 denote the p-type semiconductor layer 106, the first semiconductor layer 112a, This corresponds to the conduction band of each of the second semiconductor layer 112b and the n-type semiconductor layer 107b. Reference numeral 200b indicates the valence band of the tunnel junction 112 shown in FIG. 1 and the layers on both sides thereof.
[0016]
The absorption edge wavelengths 208 and 209 of the first semiconductor layer 112a and the second semiconductor layer 112b shown in FIG. 2 are designed to be shorter than the oscillation wavelength of the tunnel junction surface emitting laser 100 of this embodiment.
This is because, when the absorption short wavelengths 208 and 209 are longer than the oscillation wavelength of the tunnel junction surface emitting laser 100, when the light passes through the first semiconductor layer 112a and the second semiconductor layer 112b, the semiconductor layer 112a. , 112b absorbs light and the loss increases.
The heterojunction interface 120 formed by the first semiconductor layer 112a and the second semiconductor layer 112b shown in FIG. 1 forms a type II heterojunction interface like the band structure shown in FIG. The lower energy level 206 of the conduction band 203 of the second semiconductor layer 112b is lower than the lower energy level 205 of the conduction band 202 of the first semiconductor layer 112a.
[0017]
When a reverse bias is applied to the tunnel junction 112 having such a band structure, electrons in the valence band 202a of the first semiconductor layer 112a tunnel to the conduction band 203 of the second semiconductor layer 112b, and tunneling occurs. Current flows. The magnitude of this tunnel current is determined by the doping concentration of the first and second semiconductor layers 112a and 112b and the transition energy 207 of the heterojunction interface 120. The higher the doping concentration and the smaller the transition energy 207, the more the tunnel current is. The current increases.
[0018]
In general, if the doping concentration of the semiconductor film forming the heterojunction interface is increased, the reliability of the surface-emitting laser may decrease due to diffusion degradation. If the transition energy at the heterojunction interface is reduced, this transition is caused. When the wavelength corresponding to energy becomes longer and this wavelength becomes longer than the oscillation wavelength of the surface emitting laser, light is absorbed at the heterojunction interface, and the loss of light increases.
Therefore, although there are limitations on the design of doping concentration and transition energy, in the present invention, the heterojunction interface 120 is formed as a type II heterojunction interface as shown in FIG. Can be accurately arranged so that the position of the node of the electric field strength in the tunnel junction surface emitting laser 100 is located.
Therefore, since the electric field strength at the heterojunction interface 120 becomes 0, even if the wavelength corresponding to the transition energy 207 is made longer than the oscillation wavelength of the surface emitting laser 100 by reducing the transition energy 207, the heterojunction Light absorption does not occur at the interface 120.
That is, in the tunnel junction surface emitting laser 100 of the present invention, there is no restriction on the transition energy 207, and the transition energy 207 can be made smaller than before, so that the tunnel current can be increased.
[0019]
The specific material constituting the tunnel junction 112 shown in FIG. 1 is not particularly limited. However, when a GaAs substrate is used as the substrate 101 of the tunnel junction surface emitting laser 100, p-type conductivity is used. The material for forming the first semiconductor layer 112a having the property is preferably a material selected from GaAsSb, GaPSb, and the like, and the material for forming the second semiconductor layer 112b having the n-type conductivity is InGaAs, GaInNAs, GaNAs. A material selected from GaNAsSb and the like is preferable.
In the case where an InP substrate is used as the substrate 101, the material for forming the first semiconductor layer 112a having p-type conductivity is preferably a material selected from GaAsSb, GaPSb, and the like, and the first semiconductor layer 112a having n-type conductivity is used. The material for forming the second semiconductor layer 112b is preferably a material selected from InGaAs, GaInNAs, InNAs, InNAsP, InAsP, and the like.
The reason why the above materials are selected is that the lattice matching with GaAs and InP constituting the substrate is good, and by using the above materials and selecting the composition appropriately, the heterojunction interface of Type II is selected. By being able to form.
[0020]
Below, an example of the structure of the part containing the tunnel junction part 112 using the material shown above is shown. However, the following configuration examples do not limit the present invention.
As the first semiconductor layer 112a having p-type conductivity, Be is used as p-type doping at 2 × 10. ¹⁹ Atom / cm ^Three A doped GaAsSb layer having a Sb composition of 0.15 with a thickness of 5 nm is used. Further, as the second semiconductor layer 112b having n-type conductivity, 2 × 10 Si is used as n-type doping. ¹⁹ Atom / cm ^Three A doped InGaAs layer having a composition of 0.20 and a thickness of 10 nm is used.
When the above InGaAs and GaAsSb are used, the GaAs substrate has compressive strain. Therefore, the film thickness of each layer is set so as not to exceed the critical film thickness at which the crystallinity starts to deteriorate due to this strain.
Further, the p-type semiconductor layer 106 disposed below the tunnel junction 112 is formed by depositing a layer of GaAs with a thickness of 7 nm, and then adding Be to 2 × 10. ¹⁹ Atom / cm ^Three Use a doped material. On the other hand, for the n-type semiconductor layer 107b disposed on the upper side of the tunnel junction 112, a layer made of GaAs is formed to a thickness of 10 nm, and then Si is 5 × 10 5. ¹⁸ Atom / cm ^Three Use a doped material.
The effective transition energy 207 at the heterojunction interface 120 of the tunnel junction 112 having this configuration is about 0.925 eV and is 1340 nm in terms of wavelength.
Further, when the semiconductor layers 112a and 112b forming the heterojunction interface 120 of type II are sandwiched between layers having a large band gap such as the p-type semiconductor layer 106 and the n-type semiconductor layer 107b having the above structure, electrons are generated due to quantum effects. Since the wave function of the spread increases and the overlap of the wave functions increases, there is an effect that a larger tunnel probability can be obtained.
[0021]
In the above, only the tunnel junction 112 has been described. However, since the tunnel junction 104a or 104b has the same configuration as the tunnel junction 112 as described above, these are the same as the tunnel junction 112 described above. Of course, the effect is obtained.
[0022]
Example 1
As Example 1 of the present invention, a tunnel junction surface emitting laser 300 having the configuration shown in FIG. 3 was fabricated.
As shown in FIG. 3, the tunnel junction surface emitting laser 300 has a configuration in which a multilayer reflective film 302, a cavity layer 310, a tunnel junction 312 and a multilayer reflective film 307 are sequentially laminated on a GaAs substrate 301.
Further, in order to connect to the power supply 311, an electrode 309 was formed on the uppermost surface of the multilayer reflective film 307, and an electrode 308 was formed on the exposed surface of the multilayer reflective film 302 exposed by etching from the multilayer reflective film 307 side.
The cavity layer 310 has a configuration in which active layers 303a to 303c having a double quantum well structure made of GaAsSb having an Sb composition of 0.33 and a GaAs layer 310a are alternately stacked.
The multilayer reflective film 302 has a configuration in which GaAs layers 302b and AlAs layers 302a are alternately stacked for 25.5 periods, and the multilayer reflective film 307 is configured by alternately stacking 20 periods of graded GaAs layers 307b and AlAs layers 307a. The configuration.
The layer thicknesses of the cavity layer 310 and the multilayer reflective films 302 and 307 were set so that the oscillation wavelength of the tunnel junction surface emitting laser 300 would be 1230 nm. In the tunnel junction 312, 2 × 10 Be is used as the first semiconductor layer 312 a. ¹⁹ Atom / cm ^Three Doping is performed to form a GaAsSb layer having an Sb composition of 0.15 as a p-type semiconductor layer with a thickness of 5 nm. ¹⁹ Atom / cm ^Three Doping was performed to form an InGaAs layer having an In composition of 0.20 as an n-type semiconductor layer with a thickness of 10 nm. The effective transition energy at the tunnel junction 312 was about 0.925 eV, which was 1340 nm in terms of wavelength.
In addition, the gas source molecular beam epitaxy method was used for the growth method of said each layer.
[0023]
The characteristics were evaluated by connecting the power source 311 to the tunnel junction surface emitting laser 300 having the above configuration. As a result, the oscillation wavelength was 1231 nm and the threshold current density was 1.5 kA / cm. ² Room-temperature pulse oscillation was performed at a low threshold.
Although the effective transition energy at the heterojunction interface of the tunnel junction 312 is about 1340 nm in terms of wavelength and longer than the oscillation wavelength 1231 nm as described above, the absorption loss is suppressed and the threshold value is reduced. It was realized.
The element resistance was as low as about 50 ohms. This is about 1/3 of the conventional tunnel junction surface emitting laser in which the tunnel junction is formed only by InGaAs without forming the type II heterojunction interface at the tunnel junction, and the resistance is greatly reduced. It was confirmed that it was realized.
[0024]
In this embodiment, an InGaAs layer is selected as the material system as the first semiconductor layer 312b having n-type conductivity, but a GaNAs layer or a GaInNAs layer with a small In composition may be used. These semiconductor layers are made of GaAs. On the other hand, since it has tensile strain, it contributes to stabilizing the strain of the laminated structure. Therefore, if these semiconductor layers are used, a tunnel junction surface emitting laser that is structurally superior can be manufactured.
[0025]
According to the present invention, as described in claim 2, the heterojunction interface 120 of the tunnel junction 112 shown in FIG. 1 may be doped with an impurity capable of capturing electrons or holes.
The above configuration is a second embodiment of the present invention. FIG. 4A shows a partial cross-sectional view of a portion including the tunnel junction 112A in the tunnel junction surface emitting laser of the present embodiment, and FIG. FIG. 4 schematically shows the band structure of the portion shown in FIG. In FIG. 4, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
The tunnel junction surface emitting laser according to the present embodiment is formed by replacing the tunnel junctions 112, 104a, and 104b according to the first embodiment shown in FIG. 1 with the p-type conductivity shown in FIG. 112c and a second semiconductor layer 112d having n-type conductivity are sequentially stacked, and a tunnel junction in which a heterojunction interface 120a of the first and second semiconductor layers 112c and 112d is doped with an impurity such as oxygen. The other configuration is the same as that of the first embodiment.
4B, the vertical axis represents energy, and the horizontal axis represents the upward stacking direction of FIG. 1. The p-type semiconductor layer 106, the first semiconductor layer 112c, 2 shows a conduction band 400a and a valence band 400b of the semiconductor layer 112d and the n-type semiconductor layer 107.
[0026]
Since the heterojunction interface 120a of the tunnel junction 112A shown in FIG. 4A is doped with impurities, an impurity level 405 is formed at a position corresponding to the heterojunction interface 120a in FIG. 4B. .
Due to this impurity level 405, electrons or holes are trapped, so that a tunnel current flows to the heterojunction interface 120 a with an energy smaller than the transition energy 407, so a larger tunnel current can be obtained.
If impurities specifically doped in this heterojunction interface 120a are specifically mentioned, it is not particularly limited. However, when a VCSEL is configured using a GaAs substrate, oxygen and chromium are preferable, and when an InP substrate is used. Is preferably iron.
This is because if the above-described material is used as an impurity, a deep impurity level can be formed at the heterojunction interface 120a, so that a tunnel current can be increased effectively by capturing electrons or holes. It is.
[0027]
(Example 2)
As the first semiconductor layer, Be is 2 × 10. ¹⁹ Atom / cm ^Three After forming a 5 nm GaAsSb layer having an Sb composition of 0.15 to form a p-type semiconductor layer by doping, oxygen was introduced to the surface of the first semiconductor layer to 5 × 10 ¹³ Atom / cm ^Three Next, Si is 2 × 10 2 as the second semiconductor layer. ¹⁹ Atom / cm ^Three A tunnel-junction surface-emitting laser having the same configuration as in Example 1 was prepared except that a tunnel junction was formed by forming an InGaAs layer having an In composition of 0.20 as an n-type semiconductor layer by doping to a thickness of 10 nm.
When the same characteristic evaluation as in Example 1 was performed, the threshold current density was 1.5 kA / cm. ² However, the device resistance was reduced to about 35 ohms. As a result, it was confirmed that by doping the heterojunction interface of the tunnel junction part with an impurity, the device resistance can be reduced and the tunnel current can be increased.
[0028]
In the second embodiment, the heterojunction interface 120a of the tunnel junction 112A is doped with impurities. However, as shown in FIG. 5A, the tunnel junction 112B has p-type conductivity. A structure in which the intermediate layer 112g is provided between the first semiconductor layer 112e and the second semiconductor layer 112f having n-type conductivity is also applicable. This configuration will be described as a third embodiment of the present invention, and will be described in detail below with reference to FIG.
FIG. 5A is a partial cross-sectional view of a portion including the tunnel junction 112B in the tunnel junction surface emitting laser according to the present embodiment, and FIG. 5B is a schematic view of the portion shown in FIG. It is a band structure diagram.
In the tunnel junction surface emitting laser of this embodiment, the tunnel junctions 112, 104a and 104b in the tunnel junction surface emitting laser of the first embodiment shown in FIG. 1 are replaced with a tunnel junction 112B shown in FIG. Other configurations are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
As shown in FIG. 5A, the tunnel junction part 112B of the present embodiment includes a first semiconductor layer 112e, an intermediate layer 112g doped with an impurity capable of trapping electrons or holes, and a second semiconductor layer 112e. The semiconductor layers 112f are sequentially stacked.
In FIG. 5B, the vertical axis indicates energy, and the horizontal axis indicates the upward stacking direction of FIG. The conduction band 500a and valence band 500b of the layer 112g, the second semiconductor layer 112f, and the n-type semiconductor layer 107 are shown.
[0029]
The intermediate layer 112g shown in FIG. 5A is composed of a semiconductor layer having a thickness of several nanometers to several tens of nanometers doped with an impurity such as oxygen or a semiconductor layer having a defect level. As shown, an impurity level or a defect level 505 is formed in a region between the first semiconductor layer 112e and the second semiconductor layer 112f.
As in the second embodiment, the tunnel current flows with energy lower than the transition energy 507 because electrons or holes are captured by the impurity level or defect level 505.
This embodiment is different from the second embodiment in that the impurity or defect level 505 capable of capturing electrons or holes is introduced not only in the heterojunction interface but also as the intermediate layer 112g. Different. In this case, since the intermediate layer 505 has a layer thickness of about several nm to several tens of nm, it can capture electrons or holes more effectively, which is more effective in enhancing the tunnel current.
The reason why the defect level utilizing the incomplete structure in the crystal can be used as a structure for capturing the electrons or holes is that the intermediate layer 112g has a film thickness of several nanometers to several tens of nanometers. is there.
In addition, since the base material constituting the intermediate layer 406 can also be designed, the degree of freedom in structural design for high performance is increased.
[0030]
If the material constituting the intermediate layer 112g is specifically mentioned, it is not particularly limited, but when forming the impurity-doped intermediate layer 112g, oxygen or chromium doped GaAs, InGaAs, AlGaAs, AlAs or the like is preferable, and when the intermediate layer 112g having a defect level is formed, GaAs, InGaAs, AlAs or the like containing a arsenic or nitrogen precipitate is preferable.
[0031]
(Example 3)
As the first semiconductor layer, Be is 2 × 10. ¹⁹ Atom / cm ^Three After forming a GaAsSb layer having an Sb composition of 0.15 to form a p-type semiconductor layer by doping to 5 nm, an InGaAs having an In composition of 0.20 is formed as an intermediate layer at a low substrate temperature of 200 ° C., and then the second layer is formed. As a semiconductor layer, Si is 2 × 10 ¹⁹ Atom / cm ^Three A tunnel-junction surface-emitting laser having the same configuration as in Example 1 was prepared except that a tunnel junction was formed by forming an InGaAs layer having an In composition of 0.20 as an n-type semiconductor layer by doping to a thickness of 10 nm.
The reason why only the intermediate layer is grown at a low temperature is that a precipitate of As is introduced into the intermediate layer by low temperature growth to form a defect level.
When the same characteristic evaluation as in Example 1 was performed, the threshold current density was 1.7 kA / cm. ² The device resistance was reduced to about 30 ohms. As a result, it was confirmed that by inserting an intermediate layer doped with impurities or an intermediate layer having a defect level into the tunnel junction, the device resistance can be reduced and the tunnel current can be increased.
[0032]
In the third embodiment and the third embodiment, the tunnel junction surface emitting laser using the GaAs substrate has been described as an example. However, even when the substrate is InP, the material can be selected appropriately. The above effects can be obtained. Specifically, a semiconductor selected from GaAsSb, GaPSb or the like as the first semiconductor layer made of the p-type semiconductor, and InGaAs, GaInNAs, InNAs, InNAsP, or the like as the second semiconductor layer made of the n-type semiconductor. This can be realized by combining with a semiconductor selected from InAsP or the like.
Among them, GaAsSb is more preferable as the first semiconductor layer having p-type conductivity, and InGaAs is more preferable as the second semiconductor layer having n-type conductivity. This is because these materials can easily lattice match with InP, and the type II heterojunction interface formed when these materials are used forms the ideal band structure of the present invention. .
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the first semiconductor layer having p-type conductivity and the second semiconductor layer having n-type conductivity, which form the tunnel junction portion of the tunnel junction surface emitting laser. Is made shorter than the oscillation wavelength of the surface emitting laser, and the heterojunction interface formed by the first and second semiconductor layers is a type II heterojunction interface. Therefore, it is possible to suppress loss due to light absorption at the heterojunction interface.
Therefore, since the transition energy at the heterojunction interface can be reduced, the tunnel current at the tunnel junction can be increased.
As a result, it is possible to reduce the resistance and the threshold value of the tunnel junction surface emitting laser.
[0034]
Further, since the tunnel current can be increased by reducing the transition energy at the heterojunction interface as described above, the doping concentration of the first and second semiconductor layers constituting the tunnel junction can be lowered. It is possible to provide a tunnel junction surface emitting laser with higher reliability (low diffusion degradation).
[0035]
In addition, according to the present invention, electrons can be easily tunneled by doping an impurity capable of capturing electrons or holes at the heterojunction interface of the tunnel junction, so that a tunnel having a smaller resistance value can be obtained. A junction surface emitting laser can be provided.
[0036]
According to the present invention, an intermediate layer doped with an impurity capable of capturing electrons or holes is inserted between the first and second semiconductor layers constituting the tunnel junction, or a defect is formed. Since a larger tunnel current can be obtained by inserting an intermediate layer having a level, a tunnel junction surface emitting laser having a smaller resistance value can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional structural view showing an embodiment of a tunnel junction surface emitting laser according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a band structure of a tunnel junction portion according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional structure of a tunnel junction surface emitting laser according to Example 1 of the present invention.
FIG. 4A is a partial cross-sectional structure diagram of a tunnel junction part according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a diagram schematically showing the band structure thereof.
FIG. 5 (a) is a partial cross-sectional structure diagram of a tunnel junction part according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 5 (b) is a diagram schematically showing its band structure.
[Explanation of symbols]
101 substrate
102, 107 Multilayer reflective film
103a to 103c active layer
104a, 104b, 112 Tunnel junction
105 Current confinement layer
106 p-type semiconductor layer
108, 109 electrodes
110 cavity layer
111 power supply
112A, 112B Tunnel junction
112a First semiconductor layer
112b Second semiconductor layer
112g Middle layer
120, 120a heterojunction interface
200a, 400a, 500a conduction band
200b, 400b, 500b Valence band
205,206 Bottom energy level
207, 407, 507 Transition energy
208, 209 Absorption edge wavelength
405, 505 Impurity level (defect level)

Claims

In the surface emitting laser having a tunnel junction, the tunnel junction is composed of at least a first semiconductor layer having p-type conductivity and a second semiconductor layer having n-type conductivity,
An absorption edge wavelength of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is shorter than an oscillation wavelength of the surface emitting laser, and a heterojunction interface formed by the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is type II. Having a heterojunction interface of
A tunnel junction surface emitting laser characterized in that a lower energy level of a conduction band of the first semiconductor layer is higher than a lower energy level of a conduction band of the second semiconductor layer.

2. The tunnel junction surface emitting laser according to claim 1, wherein the heterojunction interface is doped with an impurity capable of capturing electrons or holes.

3. The tunnel junction surface emitting laser according to claim 2, wherein the impurity is composed of one or more elements selected from the group consisting of oxygen, chromium, and iron.

An intermediate layer doped with an impurity capable of capturing electrons or holes or an intermediate layer having a defect level is inserted between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer forming the heterojunction interface. The tunnel junction surface emitting laser according to claim 1, wherein:

5. The tunnel junction according to claim 4, wherein the impurity-doped intermediate layer is made of one or more semiconductors selected from the group consisting of GaAs, InGaAs, AlGaAs, and AlAs doped with oxygen or chromium. Surface emitting laser.

5. The tunnel according to claim 4, wherein the intermediate layer having the defect level is one or more semiconductors selected from the group consisting of GaAs, InGaAs, and AlAs containing arsenic or nitrogen precipitates. Bonding surface emitting laser.

The tunnel junction is formed on a GaAs substrate, and the material forming the second semiconductor layer having n-type conductivity is a semiconductor selected from the group consisting of InGaAs, GaInNAs, GaNAs, and GaNAsSb, and the p 7. The tunnel junction surface emitting laser according to claim 1, wherein the material forming the first semiconductor layer having conductivity of the type is a semiconductor selected from the group consisting of GaAsSb and GaPSb.

The tunnel junction is formed on an InP substrate, and the material forming the second semiconductor layer having n-type conductivity is at least one selected from the group consisting of InGaAs, GaInNAs, InNAs, InNAsP, and InAsP. The tunnel junction according to claim 1, wherein the substance which is a semiconductor and forms the first semiconductor layer having p-type conductivity is a semiconductor selected from the group consisting of GaAsSb and GaPSb. Surface emitting laser.