JP6613747B2

JP6613747B2 - 半導体レーザ

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Publication number: JP6613747B2
Application number: JP2015180925A
Authority: JP
Inventors: 造勝山; 隆志加藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2019-12-04
Anticipated expiration: 2035-09-14
Also published as: JP2017059584A

Description

本発明は、単極性のキャリアの光学遷移を用いる半導体レーザに関する。

特許文献１は、量子カスケードレーザを開示する。

特開平８―２７９６４７号公報

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、光学利得を高めて赤外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。

本発明の一側面は、このような背景を鑑みてなされたものであって、単極性のキャリアの光学遷移を用いると共に発光機構に縦続的な光学遷移を利用しない半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザは、第１エリア、第２エリア、及び第３エリアを含む主面を有する基板と、前記主面に交差する第１軸の方向に配列された複数の半導体層を有する量子井戸構造を含み前記基板の前記第１エリア上に設けられた発光領域と、前記第２エリア上に設けられた第１導電型の第１半導体を備え、前記発光領域に接触を成すエミッタ領域と、前記第３エリア上に設けられた第１導電型の第２半導体を備え、前記発光領域に接触を成すコレクタ領域と、を備え、前記第１エリア及び前記第２エリアは、前記第１軸に交差する第２軸の方向に配列され、前記第１エリア及び前記第３エリアは、前記第１軸に交差する第３軸の方向に配列され、前記第２エリアは前記第３エリアから離れている。

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。

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と共に発光機構に縦続的な光学遷移を利用しない半導体レーザが提供される。

図１は、本実施形態に係る半導体レーザを模式的に示す図面である。図２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。図３は、実施例１に係る量子井戸構造におけるエネルギーレベル及び層構造を模式的に示す図面である。図４は、実施例２に係る量子井戸構造におけるエネルギーレベル及び層構造を模式的に示す図面である。

引き続き、いくつかの具体例を説明する。

一形態に係る半導体レーザは、（ａ）第１エリア、第２エリア、及び第３エリアを含む主面を有する基板と、（ｂ）前記主面に交差する第１軸の方向に配列された複数の半導体層を有する量子井戸構造を含み前記基板の前記第１エリア上に設けられた発光領域と、（ｃ）前記第２エリア上に設けられた第１導電型の第１半導体を備え、前記発光領域に接触を成すエミッタ領域と、（ｄ）前記第３エリア上に設けられた第１導電型の第２半導体を備え、前記発光領域に接触を成すコレクタ領域と、を備え、前記第１エリア及び前記第２エリアは、前記第１軸に交差する第２軸の方向に配列され、前記第１エリア及び前記第３エリアは、前記第１軸に交差する第３軸の方向に配列され、前記第２エリアは前記第３エリアから離れている。

この半導体レーザによれば、エミッタ領域から発光領域にキャリアが供給され、該キャリアは、発光領域における遷移を介してコレクタ領域に流れ込む。エミッタ領域からのキャリアは、発光領域において量子井戸構造における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。第１エリア上の発光領域及び第２エリア上のエミッタ領域は、第１軸に交差する第２軸の方向に配列されると共に、第１エリア上の発光領域及び第３エリア上のコレクタ領域は、第１軸に交差する第３軸の方向に配列されて、エミッタ領域及びコレクタ領域は、発光領域を介して電気的に接続される。この半導体レーザは、発光に際して単極キャリアの光学遷移を利用すると共に、エミッタ領域、発光領域及びコレクタ領域の配列は、発光に際して、単極キャリアのカスケーディング（縦続的な光学遷移）を必要としない。

一形態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。

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。

一形態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。

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。

一形態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。

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。

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、半導体レーザ、半導体レーザを作製する方法に係る本発明の実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施形態に係る半導体レーザを模式的に示す図面である。半導体レーザ１１は、基板１３と、発光領域１５と、エミッタ領域１７と、コレクタ領域１９とを備える。基板１３は主面１３ａを有し、主面１３ａは、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄを含む。発光領域１５は、基板１３の第１エリア１３ｂ上に設けられる。発光領域１５は量子井戸構造２１を含み、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（座標系ＳのＹ軸）の方向に配列される。

エミッタ領域１７は、第２エリア１３ｃ上に設けられた第１導電型の第１半導体２３を備える。コレクタ領域１９は、第３エリア１３ｄ上に設けられた第１導電型の第２半導体２５を備える。第１エリア１３ｂ及び第３エリア１３ｄは、第１軸Ａｘ１に交差する軸の方向（本実施例では、座標系ＳのＸ軸の正の方向）に配列され、第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃは、第１軸Ａｘ１に交差する軸の方向（本実施例では、座標系ＳのＸ軸の負の方向）に配列される。第２エリア１３ｃは、第３エリア１３ｄから離れており、本実施例では、図１に示された断面においては、第１エリア１３ｂが第２エリア１３ｃと第３エリア１３ｄとの間に位置して、第１エリア１３ｂが第２エリア１３ｃを第３エリア１３ｄから隔てている。これにより、エミッタ領域１７及びコレクタ領域１９は、互いに電気的に分離されて、エミッタ領域１７からのキャリアは発光領域１５を介してコレクタ領域１９に流れる。

エミッタ領域１７は、発光領域１５の側面（側面１５ｂ）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、コレクタ領域１９は、発光領域１５の側面（例えば側面１５ｃ）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から受ける。

この半導体レーザ１１によれば、第１エリア１３ｂ上の発光領域１５及び第２エリア１３ｃ上のエミッタ領域１７は、第１軸Ａｘ１に交差する軸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及び第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９は、第１軸Ａｘ１に交差する軸の方向に配列される。エミッタ領域１７から発光領域１５にキャリアが放出キャリアＣＡＥとして供給され、放出キャリアＣＡＥは、発光領域１５の量子井戸構造２１における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。エミッタ領域１７からの放出キャリアＣＡＥは、発光領域における光遷移を介してコレクタ領域に収集キャリアＣＡＣとして流れ込む。この半導体レーザ１１は、発光に際して、単極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及びコレクタ領域１９の配列は、発光に際して、単極キャリアのカスケーディング（縦続的な光学遷移）を必要としない。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。

図２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Ｙ軸を示す。図２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のキャリアに読み替えできる。

図１及び図２に示されるように、発光領域１５は、一又は複数の単位セル１５ａを含み、単位セル１５ａの各々は、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。

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、電子のための緩和エネルギー準位Ｅ１を生成できる。

この半導体レーザ１１によれば、図２に示されるように、この量子井戸構造２１は、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、この量子井戸構造２１が、緩和エネルギー準位Ｅ１を更に提供できる場合には、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。

キャリア（電子）は、発光領域１５の積層方向に交差する方向にエミッタ領域１７から発光領域１５に注入される。注入された電流は、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。

単位セル１５ａにおけ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、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。単位セル１５ａのバンド構造に関しては、Ｙ軸の方向に関するエネルギー準位が量子化されて離散的なエネルギー準位が生成されることに対して、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。

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の方向に交差する方向に、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１９に流れ込む。

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。単位セル１５ａ毎に、エネルギー準位が生成される。

図１に示されるように、発光領域１５は、Ｚ軸の方向に延在するメサ構造ＭＳ内に設けられることができる。メサ構造ＭＳは、エミッタ領域１７からコレクタ領域１９を隔置している。メサ構造ＭＳは、発光領域１５上に設けられた第１光学クラッド層２７を備えることができる。第１光学クラッド層２７は、第１エリア１３ｂ及び発光領域１５上に位置しており、発光領域１５の平均比抵抗より大きな比抵抗を有し、好ましく絶縁性又は半絶縁性を有している。また、メサ構造ＭＳは、発光領域１５と基板１３との間に設けられた第２光学クラッド層２９を備えることができる。第２光学クラッド層２９は、発光領域１５の下に位置しており、発光領域１５の平均比抵抗より大きな比抵抗を有し、好ましく絶縁性又は半絶縁性を有している。第１光学クラッド層２７及び第２光学クラッド層２９は、光閉じ込めに加えて電流の狭窄を可能にするので、キャリアが、発光領域１５内の半導体層の積層方向に延在する面から（例えば、横方向に）効率よく注入される。第１光学クラッド層２７及び第２光学クラッド層２９は、エミッタ、コレクター間を電気的に分離するために、例えば半絶縁性の半導体、又は第１導電型と逆の第２導電型の半導体で構成される。

第１光学クラッド層２７及び第２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。エミッタ領域１７の屈折率（又は平均屈折率）及びコレクタ領域１９の屈折率（又は平均屈折率）は、発光領域１５の平均屈折率より小さい。発光領域１５において生成された光は、横方向には、エミッタ領域１７及びコレクタ領域１９によって光学的に閉じ込めされ、また縦方向には、存在する場合には、第１光学クラッド層２７及び第２光学クラッド層２９によって光学的に閉じ込めされる。また、メサ構造ＭＳ内において発光領域１５は第１光学クラッド層２７と第２光学クラッド層２９とによって挟まれて、エミッタ領域１７からのキャリアは、発光領域１５を介してコレクタ領域１９に到達する。

再び図１を参照しながら、半導体レーザ１１の具体的ないくつかの構造を説明する。
（構造Ａ）
半導体レーザ１１ａを説明する。基板１３は、絶縁性又は半絶縁性の主面１３ａを有している。基板１３の主面１３ａにおける絶縁性又は半絶縁性は、コレクタ領域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。基板１３の主面１３ａの第１エリア上には、第２光学クラッド層２９、発光領域１５及び第１光学クラッド層２７が順に配列されている。第２エリア１３ｃ上のエミッタ領域１７の第１導電型半導体が、第２光学クラッド層２９の側面、発光領域１５の側面及び第１光学クラッド層２７の側面に接触を成している。第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９の第１導電型半導体が、第２光学クラッド層２９の側面、発光領域１５の側面及び第１光学クラッド層２７の側面に接触を成している。半導体レーザ１１ａは、エミッタ領域１７上に設けられた第１電極３１ａと、コレクタ領域１９上に設けられた第２電極３１ｂとを備え、第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂは、それぞれ、エミッタ領域１７の第１導電型半導体及びコレクタ領域１９の第１導電型半導体にオーミック接触を成す。矢印（Ｃ１）はエミッタ領域１７内におけるキャリアの流れを示し、矢印（Ｃ２）はコレクタ領域１９内におけるキャリアの流れを示す。基板１３の主面１３ａに沿ってエミッタ領域１７、発光領域１５及びコレクタ領域１９が配置されるので、第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂを、比較的波長の長いレーザ光を伝搬させるメサ構造ＭＳの上面から離すことができる。

（構造Ｂ）
半導体レーザ１１ｂを説明する。基板１３は、絶縁性又は半絶縁性の主面１３ａを有している。基板１３の主面１３ａの第１エリア上には、第２光学クラッド層２９、発光領域１５及び第１光学クラッド層２７が順に配列されている。第２エリア１３ｃ上のエミッタ領域１７は、メサ構造ＭＳの側面に接触を成す第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。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有する。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容易にする。第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９は、メサ構造ＭＳの側面に接触を成す第３半導体層３５ａと、第３半導体層３５ａ上に設けられた第４半導体層３５ｂとを備える。第３半導体層３５ａは、図２に示されるように、下位エネルギー準位Ｅ２、好ましく緩和エネルギー準位Ｅ１に等しいか又は低い伝導バンドエネルギーを有する半導体を有する。第４半導体層３５ｂ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３半導体層３５ａ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、発光領域１５のエネルギー準位からコレクタ領域１９へのキャリア引き抜きを容易にする。半導体レーザ１１ｂは、エミッタ領域１７上に設けられた第１電極３１ａと、コレクタ領域１９上に設けられた第２電極３１ｂとを備え、第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂは、それぞれ、エミッタ領域１７の第１導電型半導体及びコレクタ領域１９の第１導電型半導体にオーミック接触を成す。矢印（Ｃ３）はエミッタ領域１７内におけるキャリアの流れを示し、矢印（Ｃ４）はコレクタ領域１９内におけるキャリアの流れを示す。

（構造Ｃ）
半導体レーザ１１ｃを説明する。基板１３は、導電性を有している。この導電性に起因して、エミッタ領域１７を基板１３から絶縁する必要がある。この絶縁のために、本実施例では、半導体レーザ１１ｃは、基板１３の主面１３ａの第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃ上に設けられたアイソレーション領域３７を備える。アイソレーション領域３７は、絶縁性又は半絶縁性の半導体を備えており、エミッタ領域１７及び発光領域を基板１３から絶縁する。この構造では、アイソレーション領域３７に光学クラッドの役割を付与することができ、可能な場合には、下部クラッド（第２光学クラッド層２９）を省略してもよい。基板１３の主面１３ａの第１エリア上には、第２光学クラッド層２９、発光領域１５及び第１光学クラッド層２７が順に配列されている。アイソレーション領域３７及び第２エリア１３ｃ上のエミッタ領域１７の第１導電型半導体が、第２光学クラッド層２９の一側面、発光領域１５の一側面及び第１光学クラッド層２７の一側面に接触を成している。第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９の第１導電型半導体が、アイソレーション領域３７の他側面、第２光学クラッド層２９の他側面、発光領域１５の他側面及び第１光学クラッド層２７の他側面に接触を成している。本実施例では、第２エリア１３ｃ上のエミッタ領域１７は、メサ構造ＭＳの側面に接触を成す第１半導体層３３ａと、第１半導体層上に設けられた第２半導体層３３ｂを備える。第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９は、メサ構造ＭＳの側面に接触を成す第３半導体層３５ａと、第３半導体層上に設けられた第４半導体層３５ｂを備える。構造Ｃに、構造Ａにおけるエミッタ領域１７及びコレクタ領域１９の構造を適用することができる。半導体レーザ１１ｃでは、第１電極３１ａがエミッタ領域１７上に設けられる一方、第３電極３１ｃが基板１３の裏面１３ｅ上に設けられる。第１電極３１ａ及び第３電極３１ｃは、それぞれ、エミッタ領域１７の第１導電型半導体及び基板１３の裏面１３ｅの第１導電型半導体にオーミック接触を成す。矢印（Ｃ５）はエミッタ領域１７内におけるキャリアの流れを示し、矢印（Ｃ６）は基板１３及びコレクタ領域１９内におけるキャリアの流れを示す。

（実施例１）
図３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、電子がキャリアとして利用されるが、同様に、正孔をキャリアとして利用されることができる。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とを備えることが良い。障壁層（２１ｃ）は、障壁層（２１ｄ）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（２１ｃ）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（２１ｃ）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）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：４．６μｍ）。
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、発光領域が、量子カスケード半導体レーザにおける注入層を必須である構造を必要としない。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、大きな導電帯バンドギャップ差（深い量子井戸の形成）を形成することができる。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。

製造方法の概要を説明する。ＩｎＰ基板を準備する。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基板上に、下部光学クラッド層のために鉄ドープＩｎＰ層を成長する。鉄ドープＩｎＰ層上に、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を成長する。発光領域上に、上部光学クラッド層のために鉄ドープＩｎＰ層を成長する。これの工程により、半導体積層が形成される。半導体積層の主面上に第１ストライプ及びコレクタ領域のための第１ＳｉＮマスクを形成すると共に、第１ＳｉＮマスクを用いて半導体積層をエッチングして第１ストライプ構造を形成する。第１ＳｉＮマスクを除去することなくエミッタ領域のための選択成長を行う。エミッタ領域のために、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層を成長する。この後に、ＳｉドープＩｎＰを成長して第１ストライプ構造を平坦に埋め込む。ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層の厚さは、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。第１ＳｉＮマスクを除去した後に、第１ストライプ構造及びエミッタ領域の主面上にメサ構造のストライプ及びエミッタ領域のための第２ＳｉＮマスクを形成すると共に、第２ＳｉＮマスクを用いて第１ストライプ構造及び半導体積層を部分的にエッチングしてメサ構造を形成する。第２ＳｉＮマスクを除去することなくコレクタ領域のための選択成長を行う。コレクタ領域のために、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層を成長する。この後に、ＳｉドープＩｎＰを成長してメサ構造及びエミッタ領域を平坦に埋め込む。ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層は比較的薄く、例えば１０〜５０ｎｍの厚さで成長されることが良く、これによって、横方向の光閉じ込めが十分可能になって、横モードの安定性を提供できる。

エミッタ領域、発光領域及びコレクタ領域を含む半導体領域を形成した後に、エミッタ領域及びコレクタ領域上に電極金属を蒸着により形成して一対のｎ電極を作製する。このように作製された基板生産物を所望の厚さに裏面研磨して、さらに劈開によりレーザバーを形成する。

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。コレクタ領域のＩｎＰとＧａＩｎＡｓの間にＩｎＰの材料とＧａＩｎＡｓの材料との間における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／ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓ構造を形成することができる。これら追加の半導体層は、ヘテロ障壁を低減でき、より低電圧での駆動を実現する。

導電性の半導体基板を用いる半導体レーザの製造方法では、ＩｎＰ基板上に半絶縁ＩｎＰを成長し、その後に、フォトリソグラフィ及びエッチングを用いてアイソレーション領域を形成する。この後に、メサ構造のための半導体成長を行うことにより、既に説明した手順に従って、導電性半導体基板上に半導体レーザを作製できる。

（実施例２）
図４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低減するために１０^１７ｃｍ^−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。

本実施形態に係る半導体レーザは、注入された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。これ故に、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る。また、量子井戸構造２１を多重化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を多重化することによって大きなレーザ利得を得ることができる。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無しであって、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図れる。

本実施形態の構造は、電流が流れる方向に量子カスケード半導体レーザのように多段の量子井戸間にカスケードのために設けられる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）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を加えたものになる。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。

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とから、他のデバイスとの集積化やアレー化などといった機能の拡大も可能となる。さらに、キャリア注入層がないために、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などによる非破壊の光学特性の評価が可能となるために、製造時間の短縮、コストの低減にも寄与する。

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。

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と共に発光機構に縦続的な光学遷移を利用しない半導体レーザが提供される。

Ａｘ１…第１軸、１１…半導体レーザ、１３…基板、１３ａ…主面、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…コレクタ領域、２１…量子井戸構造、２１ａ…第１井戸層、２１ｂ…第２井戸層、２１ｃ…第１障壁層、２１ｄ…第２障壁層、Ｅ３…上位エネルギー準位、Ｅ２…下位エネルギー準位、Ｅ１…緩和エネルギー準位。

Claims

半導体レーザであって、
第１エリア、第２エリア、及び第３エリアを含む主面を有する基板と、
前記主面に交差する第１軸の方向に配列された複数の単位セルを有する量子井戸構造を含み前記基板の前記第１エリア上に設けられた発光領域と、
前記第２エリア上に設けられた第１導電型の第１半導体を備え、前記発光領域に接触を成すエミッタ領域と、
前記第３エリア上に設けられた第１導電型の第２半導体を備え、前記発光領域に接触を成すコレクタ領域と、
を備え、
前記第１エリア及び前記第２エリアは、前記第１軸に交差する第２軸の方向に配列され、
前記第１エリア及び前記第３エリアは、前記第１軸に交差する第３軸の方向に配列され、
前記第２エリアは前記第３エリアから離れており、
前記単位セルの各々は、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、
前記単位セル内において、前記第２障壁層、前記第１井戸層、前記第１障壁層、及び前記第２井戸層は、前記第１軸の方向に順に配列されて、上位エネルギー準位及び下位エネルギー準位を提供する、半導体レーザ。
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１に記載された半導体レーザ。
前記第１障壁層の一部又は全部に、ドーパントが添加されている、請求項１又は請求項２に記載された半導体レーザ。
前記第２障壁層の一部又は全部に、ドーパントが添加されている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載された半導体レーザ。