JP6926542B2 - 半導体レーザ - Google Patents

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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。発明者の知見によれば、量子カスケード半導体レーザの発光層における縦続接続は、その動作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、発光機構に縦続的な光学遷移を利用せずにサブバンド間の遷移による発光を用いる半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る半導体レーザは、導波路軸の方向に延在する半導体メサ内に設けられた複数の量子井戸構造を含み、上面、下面、第１側面、第２側面及び第３側面を有する発光領域と、前記発光領域の前記第１側面、前記第２側面、前記上面、及び前記下面の少なくともいずれか一面上に設けられた第１導電型半導体を含むエミッタ領域と、前記発光領域の前記第１側面、前記第２側面及び前記第３側面の少なくともいずれか一面上に設けられた量子フィルタ構造を含むコレクタ領域と、を備え、前記量子井戸構造は、高エネルギー準位及び低エネルギー準位を提供するサブバンド構造を有し、前記量子井戸構造は、前記導波路軸に交差する第１軸の方向に配列され、前記コレクタ領域は、前記半導体メサ上において前記エミッタ領域から隔置されており、前記第１側面及び前記第２側面は、前記導波路軸の方向に延在し、前記第３側面は、前記導波路軸に交差する方向に延在する。
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、発光機構に縦続的な光学遷移を利用せずにサブバンド間の遷移による発光を用いる半導体レーザを提供できる。
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フィルタを示す図面である。 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。 図４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５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。 図６は、本実施形態に係る半導体レーザのエミッタ領域から発光領域の側面へのキャリアの供給を模式的に示す図面である。 図７は、本実施形態に係る半導体レーザのエミッタ領域から発光領域の上面へのキャリアの供給を模式的に示す図面である。 図８は、本実施形態に係る半導体レーザのエミッタ領域から発光領域の上面へのキャリアの供給を模式的に示す図面である。 図９は、本実施形態に係る半導体レーザに係る第１構造を模式的に示す図面である。 図１０は、本実施形態に係る半導体レーザに係る第２構造を模式的に示す図面である。 図１１は、本実施形態に係る半導体レーザに係る第３構造を模式的に示す図面である。 図１２は、本実施形態に係る半導体レーザに係る第４構造を模式的に示す図面である。 図１３は、本実施形態に係る半導体レーザを製造する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図１４は、本実施形態に係る半導体レーザを製造する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図１５は、本実施形態に係る半導体レーザを製造する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。
いくつかの具体例を説明する。
具体例に係る半導体レーザは、（ａ）導波路軸の方向に延在する半導体メサ内に設けられた複数の量子井戸構造を含み、上面、下面、第１側面、第２側面及び第３側面を有する発光領域と、（ｂ）前記発光領域の前記第１側面、前記第２側面、前記上面、及び前記下面の少なくともいずれか一面上に設けられた第１導電型半導体を含むエミッタ領域と、（ｃ）前記発光領域の前記第１側面、前記第２側面及び前記第３側面の少なくともいずれか一面上に設けられた量子フィルタ構造を含むコレクタ領域と、を備え、前記量子井戸構造は、高エネルギー準位及び低エネルギー準位を提供するサブバンド構造を有し、前記量子井戸構造は、前記導波路軸に交差する第１軸の方向に配列され、前記コレクタ領域は、前記半導体メサ上において前記エミッタ領域から隔置されており、前記第１側面及び前記第２側面は、前記導波路軸の方向に延在し、前記第３側面は、前記導波路軸に交差する方向に延在する。
この半導体レーザによれば、エミッタ領域は、発光領域の上面及び／又は側面から発光領域にキャリアを供給し、エミッタ領域からのキャリアは、量子井戸構造のサブバンド構造における上位エネルギー準位から下位エネルギー準位への光学遷移により発光に寄与する。下位エネルギー準位のキャリアは、コレクタ領域に流れ込む。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。コレクタ領域の量子フィルタ構造は、発光領域の第２側面に沿って第１軸の方向に延在すると共に発光領域の第２側面に接触を成して、複数の量子井戸構造に並列に接続される。発光層における並列接続は、縦続的な光学遷移を避けることを可能にする。個々の発光層におけるキャリアは、第１軸の方向に交差する導波路軸方向にコレクタ領域に向けてドリフトする。コレクタ領域の量子フィルタ構造は、下位エネルギー準位のキャリアを選択的に透過可能である。コレクタ領域の量子フィルタ構造は、量子井戸構造の低エネルギー準位における透過率が量子井戸構造の高エネルギー準位における透過率より大きいフィルタ特性を有する超格子構造を有する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
具体例に係る半導体レーザでは、前記量子フィルタ構造は、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含む三元以上の第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む三元以上の第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層とを含む。
この半導体レーザによれば、量子フィルタ構造は、第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層及び第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層の組み合わせにより構成される。
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、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。
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フィルタ構造を示す図面である。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。
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。発光領域１５は、複数の量子井戸構造２１を含み、各量子井戸構造２１は、高エネルギー準位及び低エネルギー準位を提供するサブバンド構造を有する単位セル１５ａを含む。発光領域１５は、基板１３の主面１３ａに交差する第１軸Ａｘ１の方向に配列される複数の量子井戸構造２１を含む。発光領域１５は、第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、上面１５ｄ、下面１５ｅ及び第３側面１５ｆを有する。発光領域１５は、基板１３の主面１３ａ上において導波路軸の方向に延在する半導体メサＭＳ内に設けられる。エミッタ領域１７は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、上面１５ｄ及び下面１５ｅの少なくともいずれか一面上に設けられた第１導電型半導体を含む。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。コレクタ領域１９は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ及び第３側面１５ｆの少なくともいずれか一面上に設けられた量子フィルタ構造２５を含み、また一又は複数の半導体を備えることができる。コレクタ領域１９は、半導体メサＭＳ上においてエミッタ領域１７から隔置されている。発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃは、第２軸Ａｘ２の方向に延在し、第２軸Ａｘ２は第１軸Ａｘ１に交差する方向に延在する。第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃは、第３軸Ａｘ３の方向に延在し、第３軸Ａｘ３は、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２に交差する方向に延在する。導波路軸は、第３軸Ａｘ３の方向に延在する。第３側面１５ｆは、導波路軸に交差すると共に第２軸Ａｘ２の方向に延在する。
この半導体レーザ１１によれば、エミッタ領域１７は、発光領域１５の上面１５ｄ、下面１５ｅ、第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃの少なくともいずれか一つの面から発光領域１５にキャリアを供給し、エミッタ領域１７からのキャリアは、量子井戸構造２１のサブバンド構造における上位エネルギー準位から下位エネルギー準位への光学遷移により発光に寄与する。下位エネルギー準位のキャリアは、コレクタ領域１９に流れ込む。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。コレクタ領域１９の量子フィルタ構造２５は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ及び第３側面１５ｆの少なくともいずれか一つの側面に沿って第１軸Ａｘ１の方向に延在すると共に発光領域１５の該側面に接触を成して、複数の量子井戸構造２１に並列に接続される。量子井戸構造２１における並列接続は、縦続的な光学遷移を避けることを可能にする。個々の量子井戸構造２１におけるキャリアは、第１軸Ａｘ１の方向に交差する軸（第２軸Ａｘ２及び第３軸Ａｘ３）方向にコレクタ領域１９に向けてドリフトする。コレクタ領域１９の量子フィルタ構造２５は、下位エネルギー準位のキャリアを選択的に透過可能である。図２に示されるように、コレクタ領域１９の量子フィルタ構造２５は、量子井戸構造２１の低エネルギー準位（例えば、Ｅ１）における透過率が量子井戸構造２１の高エネルギー準位（例えば、Ｅ３）における透過率より大きいフィルタ特性を有する超格子構造を有する。また、量子フィルタ構造２５は、量子井戸構造２１の低エネルギー準位（例えば、Ｅ１、Ｅ２）における透過率が量子井戸構造２１の高エネルギー準位（例えば、Ｅ３）における透過率より大きいフィルタ特性を提供するように構成されることができる。更には、量子フィルタ構造２５は、量子井戸構造２１の低エネルギー準位（例えば、Ｅ２）における透過率が量子井戸構造２１の高エネルギー準位（例えば、Ｅ３）における透過率より大きいフィルタ特性を提供するように構成されることができる。
図２を参照すると、量子フィルタ構造２５の超格子構造は、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含む複数の第１半導体層２５ａと、ＩＩＩ族構成元素としてＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む複数の第２半導体層２５ｂとを含む。第１半導体層２５ａは、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含む三元以上（例えば、三元又は四元）のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体バリア、例えばＡｌＩｎＡｓを含み、第２半導体層２５ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む三元以上（例えば、三元又は四元）のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体井戸、例えばＧａＩｎＡｓを含む。量子フィルタ構造２５の超格子構造は、例えば交互に配列された３つの井戸及び４つのバリアを含む。
量子フィルタ構造２５の超格子構造の第１例。
ＡｌＩｎＡｓ障壁層：２ｎｍ、４層。
ＧａＩｎＡｓ井戸層：４．２５ｎｍ、３層。
図２に示される量子フィルタ透過特性は、緩和エネルギー準位Ｅ１、（例えば０．１４エレクトロンボルト）に相当するエネルギーを有するキャリアを容易に通過させることができ、上位エネルギー準位Ｅ３、（例えば０．４５エレクトロンボルト）に相当するエネルギーを有するキャリアを通過し難くすることができる。
量子フィルタ構造２５の超格子構造の第２例。
ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ系において、第１例に比べて、井戸及び障壁の層数が少なく、及び／又は膜厚が異なるように構成してもよい。具体的には、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ系は、井戸及び障壁の総数が３つからなる半導体積層を含むことができ、或いは井戸及び障壁の総数が５つからなる半導体積層を含むことができる。
量子フィルタ構造２５の超格子構造の第３例。
障壁層がＡｌＩｎＡｓを備える。井戸層が、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む。井戸層は、井戸層のバンドギャップがＧａＩｎＡｓとほぼ同じになるような組成を備えることが好ましい。
ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ （障壁層／井戸層）
障壁層がＡｌＩｎＡｓを備える。井戸層が、ＩＩＩ族構成元素としてガリウム及びインジウムを含む。
ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
障壁層がＡｌＩｎＡｓを備える。井戸層が、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモンを含む。
ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ （障壁層／井戸層）
障壁層がＡｌＩｎＡｓを備える。井戸層が、ＩＩＩ族構成元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族構成元素としてヒ素を含む。
ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
量子フィルタ構造２５の超格子構造の第４例。
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウム及びガリウムを含む。障壁層は、障壁層のバンドギャップがＡｌＩｎＡｓより大きくなる組成を備えることが好ましい。
ＡｌＧａＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウム及びインジウムを含む。
ＡｌＩｎＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモンを含む。
ＡｌＧａＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含む。
ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモン及びリンを含む。
ＡｌＧａＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモン、ヒ素及びリンを含む。
ＡｌＰＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
量子フィルタ構造２５の超格子構造の第５例。
超格子構造は、第１例から第４例におけるいずれかの材料の井戸層と第１例から第４例におけるいずれかの材料の障壁層とを含む。第１例から第５例において、材料の組み合わせにおける井戸と障壁との格子不整合は、格子不整合に起因する結晶欠陥を引き起こさない程度の格子定数差に収める。
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（第２軸Ａｘ２）及びＺ軸（第３軸Ａｘ３）並びにＹ軸（第１軸Ａｘ１）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のキャリアに読み替えできる。
図１及び図３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の量子フィルタ構造２５を選択的に通過する。
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。
（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：４．６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、大きな伝導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。
（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低減するために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。
図６を参照しながら、エミッタ領域から発光領域の上面を介するキャリアの供給を説明する。エミッタ領域は、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（Ｅ１７）を有する半導体を有する。
半導体レーザ１１は、エミッタ領域のために設けられた第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。
図７を参照しながら、エミッタ領域から発光領域の上面を介する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１７及び発光領域１５における順方向の外部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（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７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。
エミッタ領域１７は、発光領域１５の上面及び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とを備えることができる。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。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。
必要な場合には、エミッタ領域のＩｎＰとＡｌＧａＰＳｂとの間にＩｎＰの材料とＡｌＧａＰＳｂ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／ＡｌＧａＰＳｂの積層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。
図７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、電界に引かれて発光領域１５をドリフト又は拡散しながらエネルギーを失って、様々な単位セル内に落ち込む。単位セル内をコレクタ領域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。
図８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８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８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下のバンド構造を模式的に示す図面である。図８では、発光領域１５が単位セル１５ａの配列を超格子構造を有することを示すために、周期的に井戸層及びバリア層の繰り返し配列が描かれている。単位セル１５ａ及び発光領域１５における準位Ｅ４は、図８の（ｃ）部に示される。図８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２２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。
第１半導体層３２ａの伝導帯のレベルは、第２半導体層３２ｂの伝導帯のレベルより高い。
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）。
図８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、電界に引かれて発光領域１５をドリフト又は拡散しながらエネルギーを失って、様々な単位セル内に落ち込む。単位セル１５ａ内をコレクタ領域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。
図９〜図１２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。
（第１構造）
図９を参照すると、半導体レーザ１１ａでは、半導体メサＭＳは、発光領域１５及び第１光学クラッド層２７を含み、発光領域１５及び第１光学クラッド層２７は、導波路軸の方向に延在する。第１光学クラッド層２７は、発光領域１５の上面１５ｄ上に設けられる。発光領域１５の下面１５ｅは、基板１３の主面１３ａに接触を成す。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半導体領域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半導体領域２５ｃを備える。発光領域１５は、主面１３ａの第１エリア１３ｂ上に設けられた半導体メサＭＳに含まれる。発光領域１５及びコレクタ領域１９は、導波路軸に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列される部分を有する。量子フィルタ構造２５は、発光領域１５及びコレクタ領域１９が第２軸Ａｘ２の方向に配列される構造に適用される。基板１３の主面１３ａは、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄを含み、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄは、第３軸Ａｘ３（導波路軸）の方向に延在する。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。エミッタ領域１７、発光領域１５及びコレクタ領域１９は第２軸Ａｘ２の方向に配列されると共に、エミッタ領域１７、発光領域１５及びコレクタ領域１９は第３軸Ａｘ３の方向に延在する。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。この配置において、発光領域１５の単位セル１５ａは第１軸Ａｘ１の方向に配列される。発光領域１５において配列された単位セル１５ａは、エミッタ領域１７に並列に接続されると共に、コレクタ領域１９に並列に接続される。具体的には、エミッタ領域１７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（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（例えば第２側面１５ｃ）に接触を成して、量子フィルタ構造２５を介して第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。コレクタ領域１９の量子フィルタ構造２５は、発光領域１５の第２側面１５ｃに接触を成すと共に、遷移した低いエネルギーレベルにおける透過確率が高いエネルギーレベルにおける透過確率より大きいフィルタ特性を有する。遷移した低いエネルギーレベルにおけるキャリアは、量子フィルタ構造２５を透過しやすい。エミッタ領域１７は、第１電極３１ａを搭載し、第１電極３１ａは、エミッタ領域１７上のコンタクト層２８ａに接触を成す。コレクタ領域１９は、第２電極３１ｂを搭載する。第３側面１５ｆは、第２軸Ａｘ２の方向に延在すると共に導波路軸の方向に交差する。レーザ光は、第３側面１５ｆから出射する。
（第２構造）
図１０を参照すると、半導体レーザ１１ｂでは、主面１３ａは、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄを含み、第２エリア１３ｃ、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の方向に配列される。発光領域１５は、主面１３ａの第１エリア１３ｂ上に設けられた半導体メサＭＳに含まれる。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３軸Ａｘ３の方向に延在し、コレクタ領域１９は、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上において発光領域１５に沿って第３軸Ａｘ３の方向に延在する。発光領域１５及びコレクタ領域１９は、導波路軸に交差する第２軸Ａｘ２の方向に配列される部分を有する。量子フィルタ構造２５は、発光領域１５及びコレクタ領域１９が第２軸Ａｘ２の方向に配列される構造に適用される。
エミッタ領域１７は、第１半導体領域２３を備え、第１半導体領域２３は、発光領域１５の上面１５ｄ及び下面１５ｅの少なくともいずれか一方上に設けられることができる。本実施例では、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３は第１エリア１３ｂ上に設けられる。量子フィルタ構造２５は、発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃの少なくともいずれか一方上に設けられることができる。コレクタ領域１９は、量子フィルタ構造２５に加えて、第１導電型の第２半導体領域２５ｃを備え、本実施例では、量子フィルタ構造２５及び第２半導体領域２５ｃは、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄの各々上に設けられる。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の方向に配列される。第１エリア１３ｂ上の発光領域１５は、第２エリア１３ｃ上のコレクタ領域１９の量子フィルタ構造２５と第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９の量子フィルタ構造２５との間に設けられる。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及び第３エリア１３ｄ上のコレクタ領域１９をエミッタ領域１７から離すことができる。エミッタ領域１７の半導体の導電型は、コレクタ領域１９の半導体の導電型と同じであって、半導体レーザ１１ｂは、単極性キャリアを利用する。第３側面１５ｆは、第２軸Ａｘ２の方向に延在すると共に導波路軸の方向に交差する。レーザ光は、第３側面１５ｆから出射する。
エミッタ領域１７は、基板１３の主面１３ａ上の発光領域１５の上面１５ｄ上に配置される。コレクタ領域１９は、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上においてそれぞれ発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃ上に配置される。コレクタ領域１９は、一又は複数の半導体を備えることができる。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２つのコレクタ領域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。
半導体レーザ１１ｂによれば、第１半導体領域２３及び第２半導体領域２５ｃは、共に第１導電型を有しており、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間の遷移を利用して光を生成する。第１半導体領域２３は、発光領域１５の上面１５ｄ及び下面１５ｅのいずれか一方を介して発光領域１５にキャリアを提供する。第２半導体領域２５ｃは、量子フィルタ構造２５を介して発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃからキャリアを受ける。発光領域１５の上面１５ｄ及び／又は下面１５ｅの利用によれば、第１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、発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃを介してコレクタ領域１９に流れ込む。
図１０に示されるように、発光領域１５は、第３軸Ａｘ３の方向に延在する半導体メサＭＳ内に設けられることができる。半導体メサＭＳは、第１エリア１３ｂの発光領域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、発光領域１５の平均比抵抗より大きな比抵抗を有し、本実施例では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の高比抵抗の半導体は、半導体メサＭＳ上のエミッタ領域１７からコレクタ領域１９を隔置できる。第１光学クラッド層２７は、第１エリア１３ｂ上において、発光領域１５の上面に到達する開口２７ａを有しており、この開口２７ａは半導体メサＭＳ上において第３軸Ａｘ３の方向に延在する。開口２７ａを介してエミッタ領域１７が発光領域１５の上面１５ｄに接触を成す。
半導体レーザ１１ｂは、基板１３の主面１３ａ上に設けられた第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、第１エリア１３ｂにおいて、半導体メサＭＳを搭載する。第２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、発光領域１５の平均比抵抗より大きな比抵抗を有し、本実施例では絶縁性又は半絶縁性を有する。下側のエミッタ領域１７が開口２９ａを介して発光領域１５の下面１５ｅに到達する。
第１光学クラッド層２７が、第１エリア１３ｂ及び発光領域１５上に設けられると共に、第２光学クラッド層２９が、発光領域１５と基板１３との間に設けられる。第１光学クラッド層２７及び第２光学クラッド層２９は、光閉じ込めに加えてコレクタ領域１９から離してエミッタ領域１７から発光領域１５にキャリアを注入することを可能にする。
発光領域１５、エミッタ領域１７、コレクタ領域１９、第１光学クラッド層２７及び第２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、横方向には、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、エミッタ領域１７及び第１光学クラッド層２７並びに第２光学クラッド層２９によって光学的に閉じ込めされる。エミッタ領域１７は、第１電極３１ａを搭載し、第１電極３１ａはコンタクト層２８ａに接触を成す。コレクタ領域１９は、第２電極３１ｂを搭載する。
（第３構造）
図１１を参照すると、半導体レーザ１１ｃでは、基板１３、発光領域１５及びエミッタ領域１７は、主面１３ａに交差する第１軸Ａｘ１に配列される。発光領域１５及びコレクタ領域１９は、導波路軸（第３軸Ａｘ３）の方向に配列される。発光領域１５及びコレクタ領域１９は、主面１３ａの第１エリア１３ｂ上に設けられる。発光領域１５は、第１エリア１３ｂ上において、第３軸Ａｘ３の方向に延在する。発光領域１５及びコレクタ領域１９は、第３軸Ａｘ３（導波路軸）の方向に配列される部分を有する。量子フィルタ構造２５は、発光領域１５及びコレクタ領域１９が第３軸Ａｘ３の方向に配列される構造に適用される。また、コレクタ領域１９は、導波路軸の方向にエミッタ領域１７から隔置される。量子フィルタ構造２５は、コレクタ領域１９が第３軸Ａｘ３の方向にエミッタ領域１７から隔置される構造に適用される。
エミッタ領域１７の第１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の第１半導体領域２３は第１エリア１３ｂ上に設けられる。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。コレクタ領域１９は、量子フィルタ構造２５に加えて、第１導電型の第２半導体領域２５ｃを備える。本実施例では、第２半導体領域２５ｃ、量子フィルタ構造２５及び発光領域１５が、半導体メサＭＳ内において導波路軸の方向に順に配列される。量子フィルタ構造２５は、発光領域１５の第３側面１５ｆ上に設けられる。量子フィルタ構造２５は、発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃの少なくともいずれか一方上に設けられることができ、更には第３側面１５ｆの反対側の側面上に設けられることができる。
コレクタ領域１９は、複数の半導体を備える。エミッタ領域１７の半導体の導電型は、コレクタ領域１９の半導体の導電型と同じであって、半導体レーザ１１ｃは、単極性キャリアを利用する。エミッタ領域１７及び２つのコレクタ領域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に至る。
発光領域１５及びコレクタ領域１９は、第３軸Ａｘ３の方向に延在する半導体メサＭＳ内に設けられ、発光領域１５及びエミッタ領域１７は、第１エリア１３ｂにおいて半導体メサＭＳ内に設けられることができる。半導体メサＭＳは、第１エリア１３ｂの発光領域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、発光領域１５の平均比抵抗より大きな比抵抗を有し、本実施例では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の高比抵抗の半導体は、半導体メサＭＳ上のエミッタ領域１７からコレクタ領域１９を隔置できる。第１光学クラッド層２７は、第１エリア１３ｂ上において、発光領域１５の上面１５ｄに到達する開口２７ａを有しており、この開口２７ａは発光領域１５上において第３軸Ａｘ３の方向に延在する。開口２７ａを介してエミッタ領域１７が発光領域１５の上面１５ｄに接触を成す。
半導体レーザ１１ｃは、半導体メサＭＳを埋め込む埋込半導体領域３７を備えることができる。半導体メサＭＳの側面は、埋込半導体領域３７によって覆われる。具体的には、埋込半導体領域３７は、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄにおいては、半導体メサＭＳ内の発光領域１５、第１光学クラッド層２７、エミッタ領域１７及びコンタクト層２８ａを埋め込み、半導体メサＭＳ内のコレクタ領域１９を埋め込む。埋込半導体領域３７は、遷移金属を添加した半絶縁性ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を備えることができ、例えば鉄ドープＩｎＰを含む。埋込半導体領域３７は、発光領域１５の平均屈折率より低い屈折率を有しており、横方向の光閉じ込めに寄与する。エミッタ領域１７は、第１電極３１ａを搭載し、第１電極３１ａはコンタクト層２８ａに接触を成す。コレクタ領域１９は、第２電極３１ｂを搭載する。下側のエミッタ領域１７が開口２９ａを介して発光領域１５の下面１５ｅに到達する。
（第４構造）
図１２を参照すると、半導体レーザ１１ｄでは、基板１３、発光領域１５及びエミッタ領域１７は、主面１３ａに交差する第１軸Ａｘ１に配列される。発光領域１５は、第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、上面１５ｄ、下面１５ｅ、及び第３側面１５ｆを有する。第３側面１５ｆは、第２軸Ａｘ２の方向に延在する。第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、上面１５ｄ及び下面１５ｅは、第３軸Ａｘ３の方向に延在する。基板１３の主面１３ａは、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄを含み、第１エリア１３ｂ、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄは、第３軸Ａｘ３の方向に延在する。第１エリア１３ｂは、第２エリア１３ｃと第３エリア１３ｄとの間に設けられる。半導体メサＭＳは、第１エリア１３ｂ上に設けられ、半導体メサＭＳは、発光領域１５を含む。コレクタ領域１９は、導波路軸の方向にエミッタ領域１７から隔置される。量子フィルタ構造２５は、コレクタ領域１９が第３軸Ａｘ３の方向にエミッタ領域１７から隔置される構造に適用される。
発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ及び上面１５ｄを覆うエミッタ領域１７の第１半導体領域２３のそれぞれの部分は、第２エリア１３ｃ、第３エリア１３ｄ及び第１エリア１３ｂ上において導波路軸の方向に延在する。
コレクタ領域１９は、エミッタ領域１７から離れており、半導体メサＭＳの発光領域１５の側面上に設けられる。具体的には、コレクタ領域１９は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ及び第３側面１５ｆの少なくともいいずれか一つ上に設けられ、更に発光領域１５の上面１５ｄに沿って延在することができる。本実施例では、コレクタ領域１９は、第２エリア１３ｃ及び第３エリア１３ｄ上においてそれぞれ発光領域１５の第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃ上に配置され、或いは第１エリア１３ｂにおいて、第３側面１５ｆ上に配置されることができる。量子フィルタ構造２５は、第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃに接触を成す。
半導体メサＭＳは、第１部分Ｍ１Ｓ及び第２部分Ｍ２Ｓを有し、第１部分Ｍ１Ｓ及び第２部分Ｍ２Ｓ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。発光領域１５は、第１部分Ｍ１Ｓ及び第２部分Ｍ２Ｓの両方に含まれる。本実施例では、半導体メサＭＳの第１部分Ｍ１Ｓの長さは、半導体メサＭＳの第２部分Ｍ２Ｓの長さより大きい。
エミッタ領域１７は、半導体メサＭＳの第１部分Ｍ１Ｓにおいて発光領域１５上に設けられる。コレクタ領域１９は、半導体メサＭＳの第２部分Ｍ２Ｓにおいて発光領域１５上に設けられる。半導体メサＭＳは、第１部分Ｍ１Ｓ及び第２部分Ｍ２Ｓに加えて、第３部分Ｍ３Ｓを含み、第３部分Ｍ３Ｓは、第１部分Ｍ１Ｓと第２部分Ｍ２Ｓとの間に設けられる。エミッタ領域１７及びコレクタ領域１９は、第３部分Ｍ３Ｓ上に設けられていない。
エミッタ領域１７の第１半導体領域２３から発光領域１５に提供されるキャリアの導電型は、発光領域１５からコレクタ領域１９の量子フィルタ構造２５に提供されるキャリアの導電型と同じであり、半導体レーザ１１（１１ａ、１１ｂ）は、単極性キャリアを利用する。エミッタのための第１部分Ｍ１Ｓは、導波路軸の方向にコレクタのための第２部分Ｍ２Ｓから離れており、エミッタ領域１７及び２つのコレクタ領域１９は、互いに電気的に分離されて、エミッタ領域１７からのキャリアは導波路軸の方向に発光領域１５を流れてコレクタ領域１９に到達する。エミッタ領域１７は、第１電極３１ａを搭載し、第１電極３１ａはコンタクト層２８ａに接触を成す。コレクタ領域１９は、第２電極３１ｂを搭載する。
第１構造、第２構造、第３構造及び第４構造の例示的な半導体レーザ構造。
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。
エミッタ領域１７の幅（リッジ構造ＲＤＧの幅）：８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。
コレクタ領域１９の第２半導体領域２５ｃ：ＳｉドープＩｎＧａＡｓ、ＳｉドープＩｎＰ。
第１光学クラッド層２７（上側の電流ブロック層）の開口２７ａの幅：５マイクロメートル、ＦｅドープＩｎＰ。
第１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。
第２光学クラッド層２９（下側の電流ブロック層）の開口２９ａの幅：５マイクロメートル、ＦｅドープＩｎＰ。
第２光学クラッド層２９（電流ブロック層）：１マイクロメートル。
半導体メサＭＳの幅：１０マイクロメートル。
半導体メサＭＳの高さ：１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。
コンタクト層２８ａ：０．１マイクロメートル、ＳｉドープＧａＩｎＡｓ。
第１電極３１ａ：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ。
第２電極３１ｂ：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ。
共振器の長さ：５００マイクロメートル。
図１３〜図１５を参照しながら、第１構造の半導体レーザを製造する方法の概要を説明する。エピ成長膜の構造、エピ成長の回数、及びエッチングマスクの形状といった製造条件を変更して、第２構造から第４構造の半導体レーザも同様に作製できる。いずれの構造においても、発光領域のための超格子構造６５の側面に量子フィルタを成長する。この成膜は、引き続く実施例から理解される。引き続く説明において、製造方法における個々の断面は、作製されるべき半導体レーザの導波路軸ＷＧに交差する断面における進捗を示す。
工程Ｓ１０１では、図１３の（ａ）部に示されるように、Ｆｅドープ半絶縁性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膜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膜を含む。これの工程により、半導体積層６９が形成される。
図１３の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０２では、半導体積層６９の主面６９ａ上にストライプ及びコレクタ領域のための第１ＳｉＮマスク７１を形成すると共に、第１ＳｉＮマスク７１を用いて半導体積層６９をエッチングしてストライプ構造７３を形成する。ストライプ構造７３は、下部光学クラッド層６３ａ、発光領域６５ａ及びＩｎＰ層６７ａを含む。
図１４の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０３では、第１ＳｉＮマスク７１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７５ａを成長すると共に、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７５ａ上にＳｉドープＩｎＰ層７５ｂを成長して、ストライプ構造７３を平坦に埋め込むエミッタ領域７５を形成する。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。
図１４の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０４では、第１ＳｉＮマスク７１を除去した後に、ストライプ構造７３及びエミッタ領域７５上にメサストライプ及びコレクタ領域のための第２ＳｉＮマスク７７を形成すると共に、第２ＳｉＮマスク７７を用いてストライプ構造７３をエッチングしてメサストライプ７９を形成する。メサストライプ７９は、下部光学クラッド層６３ｂ、発光領域６５ｂ及びＩｎＰ層６７ｂを含む。メサストライプ７９の下端は、下部光学クラッド層６３ｂ内にある。このエッチングのエッチング条件は、ストライプ構造７３の側面の垂直性を重視して決定される。
図１５の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０５では、第２ＳｉＮマスク７７を除去することなく、量子フィルタ構造を含むコレクタ領域のための選択成長を行う。成膜条件は、メサストライプ７９の側面の面方位に合わされる。具体的には、量子フィルタ構造のための個々の薄膜の組成と成長速度との関係を得るための成長実験を行う、また、成長実験により、格子整合する成長条件が調べられる。本実施例では、量子フィルタ構造のために、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ構造８１を成長する。ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ構造８１を成長した後に、ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層８３ａを成長すると共に、ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層８３ａ上にＳｉドープＩｎＰを成長して、半導体メサを平坦に埋め込むコレクタ領域８５（８１、８３）を形成する。
図１５の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０６では、第２ＳｉＮマスク７７を除去した後に、エミッタ領域７５、メサストライプ７９及びコレクタ領域８５上にパッシベーション膜８７を形成する。パッシベーション膜８７は、メサストライプ７９を覆うと共に、エミッタ領域７５及びコレクタ領域８５上にそれぞれ第１開口８７ａ及び第２開口８７ｂを有する。パッシベーション膜８７を形成した後に、第１開口８７ａ及び第２開口８７ｂ上にそれぞれ第１電極８９ａ及び第２電極８９ｂを形成する。
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ことを可能にする半導体レーザを提供できる。
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、発光機構に縦続的な光学遷移を利用せずにサブバンド遷移による発光を用いる半導体レーザを提供できる。
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、１５ｂ…第１側面、１５ｃ…第２側面、１５ｆ…第３側面、１５ｄ…上面、１５ｅ…下面、１７…エミッタ領域、１９…コレクタ領域、２１…量子井戸構造、２３…第１半導体領域、２５…量子フィルタ構造。

Claims (5)

  1. 単極性のキャリアの光学遷移を用いる半導体レーザであって、
    導波路軸の方向に延在する半導体メサ内に設けられた複数の量子井戸構造を含み、上面、下面、第１側面、第２側面及び第３側面を有する発光領域と、
    前記発光領域の前記第１側面、前記第２側面、前記上面、及び前記下面の少なくともいずれか一面上に設けられた第１導電型半導体を含むエミッタ領域と、
    前記発光領域の前記第１側面、前記第２側面及び前記第３側面の少なくともいずれか一面上に設けられた量子フィルタ構造を含むコレクタ領域と、
    を備え、
    各前記量子井戸構造は、高エネルギー準位及び低エネルギー準位を提供するサブバンド構造を有し、
    前記複数の量子井戸構造は、前記導波路軸に交差する第１軸の方向に配列され、
    各前記量子井戸構造は、前記第１軸の方向に積層された井戸層及び障壁層を含み、
    前記コレクタ領域は、前記半導体メサ上において前記エミッタ領域から隔置されており、
    前記第１側面及び前記第２側面は、前記導波路軸の方向に延在し、
    前記第３側面は、前記導波路軸及び前記第１軸に交差する第２軸の方向に延在し、
    前記エミッタ領域は、前記発光領域にキャリアを供給し、前記エミッタ領域からのキャリアは、前記高エネルギー準位から前記低エネルギー準位への光学遷移により発光に寄与し、前記低エネルギー準位のキャリアは、前記コレクタ領域に流れ込み、
    前記量子フィルタ構造は、前記低エネルギー準位のキャリアを選択的に透過可能であり、
    前記量子フィルタ構造は、個々の前記量子井戸構造におけるキャリアが、前記第１軸に交差する方向に前記コレクタ領域に向けてドリフトするように、前記複数の量子井戸構造に並列に接続される、半導体レーザ。
  2. 各前記量子井戸構造は、前記井戸層である第１井戸層、第２井戸層、前記障壁層である第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、請求項１に記載された半導体レーザ。
  3. 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。
  4. 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、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
  5. 前記量子フィルタ構造は、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含む三元以上の第１ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層と、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む三元以上の第２ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層とを含む、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。
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