半導体レーザダイオード及びその作製方法
【課題】Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＰ等の間接型半導体を材料として用いる半導体レーザダイオードにおいて発光効率を向上させる。
【解決手段】順方向バイアス電圧を印加することにより活性層１２に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の層１１、１２、１３の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、順方向バイアス電圧により活性層１２における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、反転分布を形成している伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、誘導放出により生成された光を共振面間で共振させることにより更なる誘導放出を誘発させる。
【解決手段】順方向バイアス電圧を印加することにより活性層１２に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の層１１、１２、１３の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、順方向バイアス電圧により活性層１２における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、反転分布を形成している伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、誘導放出により生成された光を共振面間で共振させることにより更なる誘導放出を誘発させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザダイオード及びその作製方法に関し、特にその赤外領域の光源として実用化する上で好適な半導体レーザダイオード及びその作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザダイオードは、半導体を光増幅媒質としたレーザであり、電流注入によってレーザ発振を得る素子である。半導体レーザダイオードは、大半がＧａＡｓ、ＧａＮをはじめとする化合物半導体として作製される。もちろん、通信帯域である１．３〜１．６μｍの波長帯域の光源して用いられる半導体レーザダイオードも、例えばＩｎＧａＡｓＰ等の化合物半導体で構成される。このような３元系、４元系の化合物半導体を半導体レーザダイオードに応用するためには、非発光損失や工学的な散乱損失を防ぐために欠陥や不純物の少ない結晶が必要とされ、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）等の成長法が用いられ、基板にはＩｎＰ、ＧａＡｓを始めとする高純度なウエハー用結晶が使われる。これは多元系材料の良質な結晶は溶融再結晶法等によって得ることができないためである。
【０００３】
加えて、このような高純度なウエハー用結晶では半導体レーザダイオードとして動作させるためにヘテロ構造やダブルへテロ構造が必要になる。これらの構造を形成させる理由としては、電子を活性層に集中させて再結合効率を向上させるためである。このようなヘテロ構造やダブルへテロ構造を形成させるためには、元素の組成比を交互に異ならせた多元系結晶が必要となる
【０００４】
但し、このような多元系結晶を作り込むためには、電気伝導のためのドーパント濃度の調整が重要となり、変調ドーピングといった手法により高効率にそれを行うことも従来より行われているが、係る変調ドーピング自体のコストが過大であるという問題点があった。一方、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＰを始めとする間接遷移型半導体は、レーザ発振させる上でヘテロ構造を必要としない。加えて、この間接遷移型半導体は、良質な結晶を高い生産性を以って得ることができ、更にはドーピングが容易である等の利点もある。しかしながら、この間接遷移型半導体は、間接遷移型であるため、発光効率が低く、従来の方法によりレーザ発振の実現には至っていない。特にこの発光効率の低さは、半導体レーザダイオードとしての応用を考える場合には致命的な問題にもなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T. Kawazoe、 K. Kobayashi、 S. Takubo、 and M. Ohtsu、 J. Chem. Phys.、 Vol.122、 No.2、January 2005、 pp.024715 1-5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述したＳｉ、Ｇｅ、ＧａＰ等は間接遷移型半導体であるため、赤外光を発光する半導体レーザダイオードの材料として望ましいものとはいえない。このため、あくまでＳｉ、Ｇｅ、ＧａＰ等を発光材料として用いる半導体レーザダイオードにおいて近赤外における発光効率を向上させることが可能な技術が従来より望まれていた。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＰ等の間接型半導体を材料として用いる半導体レーザダイオードにおいて発光効率を向上させることが可能な半導体レーザダイオード及びその作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明を適用した半導体レーザダイオードは、上述した課題を解決するために、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が順に積層され、対向する１対の出力面を共振面とした半導体層を備える半導体レーザダイオードにおいて、順方向バイアス電圧を印加することにより上記活性層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により生成された光を上記共振面間で共振させるとともに更なる上記誘導放出によりその共振光をさらに増幅させることによりレーザ発振させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明を適用した半導体レーザダイオードの作製方法は、上述した課題を解決するために、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が順に積層され、対向する１対の出力面を共振面とした半導体層を備える半導体レーザダイオードの作製方法において、順方向バイアス電圧を印加することにより上記活性層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により生成された光を上記共振面間で共振させることにより更なる上記誘導放出を誘発させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上述した構成からなる本発明によれば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＰ等の間接型半導体を材料として用いる半導体レーザダイオードにおいて発光効率を向上させることが可能となる。具体的には、活性層のバンドギャップ幅に対応した吸収端波長より長波長である光を放出させることができる。仮に、ｐ型クラッド層がシリコンであれば、そのシリコンによる発光波長としての近赤外域の光をも発光させることが可能となる。また、本発明を適用した半導体レーザダイオードの作製方法では、特に大掛かりな装置を必要とすることなく、希望の波長に対して感度の優れた受光素子を安価で作成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用した半導体レーザダイオードの構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した半導体レーザダイオードの側面図である。
【図３】ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層からなる半導体層のエネルギーバンド図である。
【図４】図３におけるＰ部のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層の微視的な形状の例を示す図である。
【図５】特有の微細形状Ｂが、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との界面において形成される例を示す図である。
【図６】非断熱過程を原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで表した図である。考えることができる。
【図７】図５中のＱ部におけるエネルギー状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した半導体レーザダイオード及びその作製方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明を適用した半導体レーザダイオード１の構成を示している。この半導体レーザダイオード１は、基板５上にｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３が順に積層されてなる半導体層１０とを備えている。このとき、半導体層１０の基板５に対する積層順は、その逆であるｐ型クラッド層１３、活性層１２、ｎ型クラッド層１１の順とされていてもよい。またこの半導体層１０の上部には、光導波方向Ａに沿ってリッジ構造２が形成されている。この半導体層１０においては、ｎ型クラッド層１１、ｐ型クラッド層１３には図示しない電源が接続され、レーザ発振時には、ｎ型クラッド層１１側が正電圧、ｐ型クラッド層１３側が負電圧となるように順方向にバイアス電圧が負荷されることになる。
【００１４】
ｎ型クラッド層１１は、いわゆるシリコン等の基板等で構成されるがこれに限定されるものではなく、他の間接型半導体であってもよい。ここで代表的な間接型無機化合物にはSi以外に、GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs、Ge、SiC、PbS、PbTe、TIO2、GaS、AlSb、C(ダイヤモンド)、BNなどがあり、本手法はそのすべてに応用可能である。
【００１５】
ｐ型クラッド層１３は、例えばＳｉに対しホウ素等をｐ型ドーパントとして高密度、高エネルギーでインプラントしたものとして構成される。このｎ型クラッド層１１は、例えば７００ＫｅＶ、表面から５００ｎｍ付近においてそのドーピング密度は１０19とされていてもよい。
【００１６】
これらｎ型クラッド層１１、並びにｐ型クラッド層１３は、活性層１２のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有してもよい、この場合キャリアをこの活性層１２内に効率的に閉じ込めることが可能となるので効率向上が期待できる。
【００１７】
さらに活性層１２は、単一量子井戸構造或いは多重量子井戸構造等のような量子井戸構造を有し、当該量子井戸構造は、ｎ型クラッド層１１及びｐ型クラッド層１３のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有してもよい。この活性層１２は、例えばインジウム含有窒化物半導体、即ちＩｎdＡｌeＧａ1-d-eＮ（０＜ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０＜ｄ＋ｅ≦１）よりなる井戸層を有する。好ましくは、この井戸層は、三元混晶のＩｎfＧａ1-fＮ（０＜ｆ＜１）で形成される。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良好な層を提供するので、発光出力の向上が期待できる。
【００１８】
リッジ構造２は、幅１〜２０μｍ程度であり、長さ１００μｍ〜１ｍｍ、高さ５００ｎｍ〜２μｍ程度で構成される、いわゆるストライプ状の光導波路領域である。このリッジ構造２は、例えば異方性エッチング等により形成させることが望ましく、順メサ型、逆メサ型、垂直型等で仕上げることにより、光導波方向Ａにおける光閉じ込めを好適に実現することが可能となる。
【００１９】
またリッジ構造２以外は、絶縁膜等で保護し、その上から上述したバイアス電圧を印加するための図示しない電極を形成させる。
【００２０】
図２は、本発明を適用した半導体レーザダイオード１の側面図を示している。図２(a)に示すように、光導波方向Ａの両端において劈開面７を形成させている。活性層１２により形成されるＡ方向の導波路を伝搬する光は、この劈開面７間を互いに反射して共振することが可能となる。この共振器としての構造は、例えば図２(b)に示すように、劈開面７を形成させる代替として、反射光学系２０を設けるようにしてもよい。この反射光学系２０は、レンズ２１とミラー２２とが活性層１２からの出射光の光路上に順次設けられている。
【００２１】
このように光導波方向Ａを光を共振させるための共振面は、反射光学系２０又は劈開面７で構成することが可能となる。
【００２２】
このような半導体レーザダイオード１を作製する際には、ｎ型クラッド層１１、ｐ型クラッド層１３に順方向バイアス電圧を印加する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期の半導体レーザダイオード１を作製することが可能となる。
【００２３】
図３は、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３からなる半導体層１０のエネルギーバンド図を示している。順方向バイアス電圧が負荷されると、ｐ型クラッド層１３中の正孔がｎ型クラッド層１１側へと移動し、ｎ型クラッド層１１中の電子がｐ型クラッド層１３側へと移動していく。その結果、活性層１２は空乏化することなく互いの電子と正孔が打ち消しあうことで拡散電流が流れる。その結果、順方向バイアス電圧が高い場合にこの電子の移動に伴うジュール熱が発生する。このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じる活性層１２やｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１の表面等である。また、この順方向バイアス電圧をより高くしていくことにより、かかる活性層１２においてアバランシェ降伏を起こし、一気に電流が流れていくことになる。その結果、ジュール熱による発熱が、かかるアバランシェ降伏により促進されることになる。
【００２４】
このジュール熱が発生する結果、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３を構成する半導体層１０における流動性が増加し、その表面形状及び／又はドーパントの分布が変化することになる。上述した順方向バイアス電圧を負荷し続けることにより、かかる表面形状及び／又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。
【００２５】
図４は、図３におけるＰ部のｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３の微視的な形状の例である。この例では、活性層１２とｐ型クラッド層１３との接合界面には、ナノオーダーの微細な凹凸が形成されている。
【００２６】
この状態で活性層１２において、ジュール熱を発生させると、内部の流動性が増加する結果、活性層１２内や、当該活性層１２とｐ型クラッド層１３又はｎ型クラッド層１１の界面における形状やドーパントの分布がランダムに変化することになる。かかる表面形状やドーパントの分布の変化が繰り返して起こる結果、例えば、図５に示すようにある特有の微細形状Ｂが、このｐ型クラッド層１３とｎ型クラッド層１１との界面において形成される。この微細形状Ｂは、入射された光に基づいて近接場光が発生する上でより適した形状である。この微細形状Ｂ形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１等の表面形状やドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。なお、この近接場光は、ｐ型クラッド層１３とｎ型クラッド層１１との界面に発生する場合に限定されるものではなく、半導体層１０を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させるものであればよい。
【００２７】
このような微細形状Ｂが形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該微細形状Ｂの主として角部において近接場光が発生する。ここでいう近接場光は、仮想的な電磁場の意味も含まれていることから、仮想的な電磁場が形成されていることが近接場光の発生を意味するものとして解される。この近接場光の発生は、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出およびそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより以下に説明する非断熱過程が生じる。ちなみに、この近接場光の発生位置は、当該微細形状Ｂに対応したｐ型クラッド層１３とｎ型クラッド層１１の界面のみならず、他の箇所で発生することも当然起こりえる。
【００２８】
この非断熱過程とは、図６に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図６(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という（非特許文献１参照。）。
【００２９】
一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図６(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では、振動準位を介した励起過程（非断熱過程）が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という。
【００３０】
また、上述した順方向バイアス電圧を印加させ続けることにより、図７に示すように伝導帯における電子密度ｎ1が、下位準位にある正孔密度ｎ2と比較して圧倒的に高くなる。ちなみに図７は、図５中のＱ部におけるエネルギー状態を示している。その結果、伝導帯と下位準位との間で図７に示すように、かかる電子密度の差異に基づく反転分布が活性層１２に形成される。次に図７に示すように、この形成された反転分布により、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させることができる。この電子が非断熱過程に基づいて振動準位に遷移できたのは、その箇所において近接場光が発生していたため実現できたものである。この近接場光は、ジュール熱による流動によってある確率の下で生じた微細形状Ｂ（又はそのドーパントの変化）によって生じたものである。振動準位に遷移した電子は、この近接場光によって仮想的に生じた仮想場を廻り、その後振動準位から伝導帯へと戻ることになる。この伝導帯に戻った電子は、拡散電流によるジュール熱に寄与する。
【００３１】
このように近接場光が単に発生した段階では、伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることを繰り返すこととなる。伝導帯に戻った電子は、ジュール熱に寄与することとなり、ジュール熱は下がることなく表面形状及び／又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。
【００３２】
またジュール熱による表面形状及び／又はドーパントの分布変化が生じた結果、更に近接場光の発生態様が変化した場合には、ある確率の下で図７に示すように、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させることにより、光を生成させる。そして、この生成した光を劈開面７からなる共振面間で共振させるとともに更なる誘導放出によりその共振光をさらに増幅させることによりレーザ発振させる。またかかる共振により、更なる誘導放出を誘発させることも可能となる。
【００３３】
即ち、上述したプロセスに基づいて、半導体レーザダイオード１から係る電子の放出によるレーザ発振を実現することが可能となる。当該微細形状Ｂにおいては引き続き近接場光が発生するため、非断熱過程を生じさせることが可能となる。この非断熱過程による誘導放出においては、振動準位を介し電子を放出させる。このとき、バンドギャップ幅に相当する吸収端波長よりも長波長である波長の光でも伝導帯中の電子を多段階で遷移させて放出させることができ、その結果伝導体中の電子を減少させることが可能となる。
【００３４】
このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、伝導帯における電子密度ｎ1が減少する。その結果、かかる近接場光が発生する微細形状Ｂについては、ｐ型クラッド層１３へと移動する電子の量は減少することになり、拡散電流が低下し、当該微細形状Ｂについてはジュール熱が低下することになる。即ち、誘導放出は、電子や正孔のエネルギーを奪うものとなり、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３等の流動性が低下する。その結果、この微細形状Ｂについては、表面形状及び／又はドーパントの分布の変化が抑制されることになる。微細形状Ｂはそのまま変化することなく固定されることになる。
【００３５】
また、図７に示すように光が生じた場合、その発光に基づいて、表面形状及び／又はドーパントの分布による近接場光が発生しやすくなる。これに加えて、生成された光が活性層１２内を往復反射する過程で、その光に基づいて近接場光が発生しやすくなり、さらに各部における非断熱過程が生じやすくなり、微細形状Ｂの固定化並びに発光が促進されることとなる。
【００３６】
また、上述の如き順方向バイアス電圧を印加し続けることにより、上述したメカニズムが継続的に生じる。微細形状Ｂは、そのまま近接場光が発生し続けて、上述した非断熱過程による誘導放出が継続して生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。また、微細形状Ｂ以外の箇所は、近接場光が発生しないため冷却されることなく、そのままジュール熱が発生することにより、この半導体層１０の流動性が増加する結果、ｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１等の表面形状やドーパントの分布がランダムに変化する。このランダムな変化の結果、図７に示すように微細形状Ｂがある確率を以って生成される。かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には図７に示すように、微細形状Ｂと同一の形状が数多く形成されることになる。これは、順方向バイアス電圧が印加された場合に近接場光が好適に発生する微細形状Ｂと同一の形状が数多く作り出された半導体レーザダイオード１として構成することが可能となる。その結果、発光効率を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００３７】
なお、この微細形状Ｂは、あくまで表面形状に依拠したものであるが、これに限定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１等のドーパントの変化の結果、表面形状が変化していなくても、近接場光が好適に発生する条件になる場合がある。かかるｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１等のドーパントが近接場光が好適に発生可能なように変化した場合においても、上述した微細形状Ｂの形成と同様な効果が得られる。即ち、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより、ドーパント分布を固定させることを繰り返し実行することになる。
【００３８】
次に、上述した本発明を適用した受光素子の作製方法に基づいて作製された半導体レーザダイオード１による動作について説明をする。
【００３９】
上述したように半導体レーザダイオード１は、その作製の段階において、順方向バイアス電圧が負荷された場合に近接場光が好適に発生する、例えば微細形状Ｂ等を始めとした領域が広く形成されている。このような半導体レーザダイオード１に対して、順方向バイアス電圧を印加するようにしてもよい。その結果、既に好適に近接場光を発生し得る形状が作り込まれていることから、図５に示すように、近接場光が多くの領域において発生する。そして、図５に示すように、その発生した近接場光による非断熱過程により、伝導帯にある電子が多段階で誘導放出されて発光することになる。このとき、順方向バイアス電圧の強度を更に増大させるとアバランシェ降伏が生じて更に光の生成量が大きくなり、レーザ発振に至る。
【００４０】
上述したように、本発明では、順方向バイアス電圧を印加することによりｎ型クラッド層１１とｐ型クラッド層１３の接合部に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて半導体レーザダイオード１を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返し実行する。
【００４１】
そして、変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させて、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させる。
【００４２】
また変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生しない箇所では、或いは近接場光が発生しても単に仮想場ができているだけに発光させる上で好適な条件を満たさない箇所においては、拡散電流を発生させ続けて当該表面形状及び／又は当該ドーパント分布を変化させることを、近接場光による非断熱過程で発光するまで繰り返す。
【００４３】
これにより、本発明では、活性層１２のバンドギャップ幅に対応した吸収端波長より長波長である光を放出させることができる。仮に、ｐ型クラッド層１３がシリコンであれば、そのシリコンによる発光波長としての近赤外域の光をも発光させることが可能となる。
【００４４】
また、本発明を適用した半導体レーザダイオード１の作製方法では、特に大掛かりな装置を必要とすることなく、希望の波長に対して感度の優れた受光素子を安価で作成することが可能となる。
【００４５】
この波長帯は上記のSi,GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TIO2, GaS, AlSb, C(ダイヤモンド), BNなど用いる間接遷移型無機材料の種類を変更することによっても紫外から赤外光まで広く対応可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 半導体レーザダイオード
５ 基板
１０ 半導体層
１１ ｎ型クラッド層
１２ 活性層
１３ ｐ型クラッド層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザダイオード及びその作製方法に関し、特にその赤外領域の光源として実用化する上で好適な半導体レーザダイオード及びその作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザダイオードは、半導体を光増幅媒質としたレーザであり、電流注入によってレーザ発振を得る素子である。半導体レーザダイオードは、大半がＧａＡｓ、ＧａＮをはじめとする化合物半導体として作製される。もちろん、通信帯域である１．３〜１．６μｍの波長帯域の光源して用いられる半導体レーザダイオードも、例えばＩｎＧａＡｓＰ等の化合物半導体で構成される。このような３元系、４元系の化合物半導体を半導体レーザダイオードに応用するためには、非発光損失や工学的な散乱損失を防ぐために欠陥や不純物の少ない結晶が必要とされ、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)やＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）等の成長法が用いられ、基板にはＩｎＰ、ＧａＡｓを始めとする高純度なウエハー用結晶が使われる。これは多元系材料の良質な結晶は溶融再結晶法等によって得ることができないためである。
【０００３】
加えて、このような高純度なウエハー用結晶では半導体レーザダイオードとして動作させるためにヘテロ構造やダブルへテロ構造が必要になる。これらの構造を形成させる理由としては、電子を活性層に集中させて再結合効率を向上させるためである。このようなヘテロ構造やダブルへテロ構造を形成させるためには、元素の組成比を交互に異ならせた多元系結晶が必要となる
【０００４】
但し、このような多元系結晶を作り込むためには、電気伝導のためのドーパント濃度の調整が重要となり、変調ドーピングといった手法により高効率にそれを行うことも従来より行われているが、係る変調ドーピング自体のコストが過大であるという問題点があった。一方、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＰを始めとする間接遷移型半導体は、レーザ発振させる上でヘテロ構造を必要としない。加えて、この間接遷移型半導体は、良質な結晶を高い生産性を以って得ることができ、更にはドーピングが容易である等の利点もある。しかしながら、この間接遷移型半導体は、間接遷移型であるため、発光効率が低く、従来の方法によりレーザ発振の実現には至っていない。特にこの発光効率の低さは、半導体レーザダイオードとしての応用を考える場合には致命的な問題にもなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】T. Kawazoe、 K. Kobayashi、 S. Takubo、 and M. Ohtsu、 J. Chem. Phys.、 Vol.122、 No.2、January 2005、 pp.024715 1-5
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述したＳｉ、Ｇｅ、ＧａＰ等は間接遷移型半導体であるため、赤外光を発光する半導体レーザダイオードの材料として望ましいものとはいえない。このため、あくまでＳｉ、Ｇｅ、ＧａＰ等を発光材料として用いる半導体レーザダイオードにおいて近赤外における発光効率を向上させることが可能な技術が従来より望まれていた。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＰ等の間接型半導体を材料として用いる半導体レーザダイオードにおいて発光効率を向上させることが可能な半導体レーザダイオード及びその作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明を適用した半導体レーザダイオードは、上述した課題を解決するために、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が順に積層され、対向する１対の出力面を共振面とした半導体層を備える半導体レーザダイオードにおいて、順方向バイアス電圧を印加することにより上記活性層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により生成された光を上記共振面間で共振させるとともに更なる上記誘導放出によりその共振光をさらに増幅させることによりレーザ発振させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明を適用した半導体レーザダイオードの作製方法は、上述した課題を解決するために、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が順に積層され、対向する１対の出力面を共振面とした半導体層を備える半導体レーザダイオードの作製方法において、順方向バイアス電圧を印加することにより上記活性層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により生成された光を上記共振面間で共振させることにより更なる上記誘導放出を誘発させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
上述した構成からなる本発明によれば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＰ等の間接型半導体を材料として用いる半導体レーザダイオードにおいて発光効率を向上させることが可能となる。具体的には、活性層のバンドギャップ幅に対応した吸収端波長より長波長である光を放出させることができる。仮に、ｐ型クラッド層がシリコンであれば、そのシリコンによる発光波長としての近赤外域の光をも発光させることが可能となる。また、本発明を適用した半導体レーザダイオードの作製方法では、特に大掛かりな装置を必要とすることなく、希望の波長に対して感度の優れた受光素子を安価で作成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用した半導体レーザダイオードの構成を示す図である。
【図２】本発明を適用した半導体レーザダイオードの側面図である。
【図３】ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層からなる半導体層のエネルギーバンド図である。
【図４】図３におけるＰ部のｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層の微視的な形状の例を示す図である。
【図５】特有の微細形状Ｂが、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との界面において形成される例を示す図である。
【図６】非断熱過程を原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで表した図である。考えることができる。
【図７】図５中のＱ部におけるエネルギー状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した半導体レーザダイオード及びその作製方法について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明を適用した半導体レーザダイオード１の構成を示している。この半導体レーザダイオード１は、基板５上にｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３が順に積層されてなる半導体層１０とを備えている。このとき、半導体層１０の基板５に対する積層順は、その逆であるｐ型クラッド層１３、活性層１２、ｎ型クラッド層１１の順とされていてもよい。またこの半導体層１０の上部には、光導波方向Ａに沿ってリッジ構造２が形成されている。この半導体層１０においては、ｎ型クラッド層１１、ｐ型クラッド層１３には図示しない電源が接続され、レーザ発振時には、ｎ型クラッド層１１側が正電圧、ｐ型クラッド層１３側が負電圧となるように順方向にバイアス電圧が負荷されることになる。
【００１４】
ｎ型クラッド層１１は、いわゆるシリコン等の基板等で構成されるがこれに限定されるものではなく、他の間接型半導体であってもよい。ここで代表的な間接型無機化合物にはSi以外に、GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs、Ge、SiC、PbS、PbTe、TIO2、GaS、AlSb、C(ダイヤモンド)、BNなどがあり、本手法はそのすべてに応用可能である。
【００１５】
ｐ型クラッド層１３は、例えばＳｉに対しホウ素等をｐ型ドーパントとして高密度、高エネルギーでインプラントしたものとして構成される。このｎ型クラッド層１１は、例えば７００ＫｅＶ、表面から５００ｎｍ付近においてそのドーピング密度は１０19とされていてもよい。
【００１６】
これらｎ型クラッド層１１、並びにｐ型クラッド層１３は、活性層１２のバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネルギーを有してもよい、この場合キャリアをこの活性層１２内に効率的に閉じ込めることが可能となるので効率向上が期待できる。
【００１７】
さらに活性層１２は、単一量子井戸構造或いは多重量子井戸構造等のような量子井戸構造を有し、当該量子井戸構造は、ｎ型クラッド層１１及びｐ型クラッド層１３のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有してもよい。この活性層１２は、例えばインジウム含有窒化物半導体、即ちＩｎdＡｌeＧａ1-d-eＮ（０＜ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０＜ｄ＋ｅ≦１）よりなる井戸層を有する。好ましくは、この井戸層は、三元混晶のＩｎfＧａ1-fＮ（０＜ｆ＜１）で形成される。三元混晶のＩｎＧａＮは四元混晶のものに比べて結晶性が良好な層を提供するので、発光出力の向上が期待できる。
【００１８】
リッジ構造２は、幅１〜２０μｍ程度であり、長さ１００μｍ〜１ｍｍ、高さ５００ｎｍ〜２μｍ程度で構成される、いわゆるストライプ状の光導波路領域である。このリッジ構造２は、例えば異方性エッチング等により形成させることが望ましく、順メサ型、逆メサ型、垂直型等で仕上げることにより、光導波方向Ａにおける光閉じ込めを好適に実現することが可能となる。
【００１９】
またリッジ構造２以外は、絶縁膜等で保護し、その上から上述したバイアス電圧を印加するための図示しない電極を形成させる。
【００２０】
図２は、本発明を適用した半導体レーザダイオード１の側面図を示している。図２(a)に示すように、光導波方向Ａの両端において劈開面７を形成させている。活性層１２により形成されるＡ方向の導波路を伝搬する光は、この劈開面７間を互いに反射して共振することが可能となる。この共振器としての構造は、例えば図２(b)に示すように、劈開面７を形成させる代替として、反射光学系２０を設けるようにしてもよい。この反射光学系２０は、レンズ２１とミラー２２とが活性層１２からの出射光の光路上に順次設けられている。
【００２１】
このように光導波方向Ａを光を共振させるための共振面は、反射光学系２０又は劈開面７で構成することが可能となる。
【００２２】
このような半導体レーザダイオード１を作製する際には、ｎ型クラッド層１１、ｐ型クラッド層１３に順方向バイアス電圧を印加する。その結果、以下のメカニズムに基づいて、本発明所期の半導体レーザダイオード１を作製することが可能となる。
【００２３】
図３は、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３からなる半導体層１０のエネルギーバンド図を示している。順方向バイアス電圧が負荷されると、ｐ型クラッド層１３中の正孔がｎ型クラッド層１１側へと移動し、ｎ型クラッド層１１中の電子がｐ型クラッド層１３側へと移動していく。その結果、活性層１２は空乏化することなく互いの電子と正孔が打ち消しあうことで拡散電流が流れる。その結果、順方向バイアス電圧が高い場合にこの電子の移動に伴うジュール熱が発生する。このジュール熱の特に大きな発生部位は、大きな電位差を生じる活性層１２やｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１の表面等である。また、この順方向バイアス電圧をより高くしていくことにより、かかる活性層１２においてアバランシェ降伏を起こし、一気に電流が流れていくことになる。その結果、ジュール熱による発熱が、かかるアバランシェ降伏により促進されることになる。
【００２４】
このジュール熱が発生する結果、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３を構成する半導体層１０における流動性が増加し、その表面形状及び／又はドーパントの分布が変化することになる。上述した順方向バイアス電圧を負荷し続けることにより、かかる表面形状及び／又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。
【００２５】
図４は、図３におけるＰ部のｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３の微視的な形状の例である。この例では、活性層１２とｐ型クラッド層１３との接合界面には、ナノオーダーの微細な凹凸が形成されている。
【００２６】
この状態で活性層１２において、ジュール熱を発生させると、内部の流動性が増加する結果、活性層１２内や、当該活性層１２とｐ型クラッド層１３又はｎ型クラッド層１１の界面における形状やドーパントの分布がランダムに変化することになる。かかる表面形状やドーパントの分布の変化が繰り返して起こる結果、例えば、図５に示すようにある特有の微細形状Ｂが、このｐ型クラッド層１３とｎ型クラッド層１１との界面において形成される。この微細形状Ｂは、入射された光に基づいて近接場光が発生する上でより適した形状である。この微細形状Ｂ形成させるための条件は確定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１等の表面形状やドーパントのランダムな変化の結果、ある確率の下で偶然に形成されるものである。なお、この近接場光は、ｐ型クラッド層１３とｎ型クラッド層１１との界面に発生する場合に限定されるものではなく、半導体層１０を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させるものであればよい。
【００２７】
このような微細形状Ｂが形成されたときに、上述した順方向バイアス電圧を更に負荷し続けると、当該微細形状Ｂの主として角部において近接場光が発生する。ここでいう近接場光は、仮想的な電磁場の意味も含まれていることから、仮想的な電磁場が形成されていることが近接場光の発生を意味するものとして解される。この近接場光の発生は、特に誘導光が無い状態の下であっても、順方向電流注入時には注入された電荷の自然放出およびそれを元とした誘導放出によって発生することになる。この近接場光が発生することにより以下に説明する非断熱過程が生じる。ちなみに、この近接場光の発生位置は、当該微細形状Ｂに対応したｐ型クラッド層１３とｎ型クラッド層１１の界面のみならず、他の箇所で発生することも当然起こりえる。
【００２８】
この非断熱過程とは、図６に示すように、原子同士の結合をバネで置き換えたモデルで考えることができる。一般に伝搬光の波長は分子の寸法に比べると遥かに大きいため、分子レベルでは空間的には一様な電場とみなせる。その結果、図６(a)に示すように、バネで隣り合う電子は同振幅、同位相で振動させられる。原子核は重いため、この電子の振動には追従できず、伝搬光では分子振動は極めて起こりにくい。このように伝搬光では、分子振動が電子の励起過程に関わることを無視することができるため、この過程を断熱過程という（非特許文献１参照。）。
【００２９】
一方、近接場光の空間的な電場勾配は非常に急峻に低下する。このため近接場光では隣り合う電子に異なる振動を与えることになり、図６(b)に示すように、この異なる電子の振動により重い原子核も振動させられる。近接場光が分子振動を起こすことは、エネルギーが分子振動の形態を取ることに相当するため、近接場光では、振動準位を介した励起過程（非断熱過程）が可能となる。このように原子核の振動準位を介した励起過程は、通常の光学応答である断熱過程に対し、原子核が応答し動くため、非断熱過程という。
【００３０】
また、上述した順方向バイアス電圧を印加させ続けることにより、図７に示すように伝導帯における電子密度ｎ1が、下位準位にある正孔密度ｎ2と比較して圧倒的に高くなる。ちなみに図７は、図５中のＱ部におけるエネルギー状態を示している。その結果、伝導帯と下位準位との間で図７に示すように、かかる電子密度の差異に基づく反転分布が活性層１２に形成される。次に図７に示すように、この形成された反転分布により、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させることができる。この電子が非断熱過程に基づいて振動準位に遷移できたのは、その箇所において近接場光が発生していたため実現できたものである。この近接場光は、ジュール熱による流動によってある確率の下で生じた微細形状Ｂ（又はそのドーパントの変化）によって生じたものである。振動準位に遷移した電子は、この近接場光によって仮想的に生じた仮想場を廻り、その後振動準位から伝導帯へと戻ることになる。この伝導帯に戻った電子は、拡散電流によるジュール熱に寄与する。
【００３１】
このように近接場光が単に発生した段階では、伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることを繰り返すこととなる。伝導帯に戻った電子は、ジュール熱に寄与することとなり、ジュール熱は下がることなく表面形状及び／又はドーパントの分布変化が継続して生じることになる。
【００３２】
またジュール熱による表面形状及び／又はドーパントの分布変化が生じた結果、更に近接場光の発生態様が変化した場合には、ある確率の下で図７に示すように、伝導帯中の電子を近接場光による非断熱過程に基づいて、伝導帯中の電子を、バンドギャップの中間に位置する振動準位に仮想的に遷移させてそこから電子を放出させることにより、光を生成させる。そして、この生成した光を劈開面７からなる共振面間で共振させるとともに更なる誘導放出によりその共振光をさらに増幅させることによりレーザ発振させる。またかかる共振により、更なる誘導放出を誘発させることも可能となる。
【００３３】
即ち、上述したプロセスに基づいて、半導体レーザダイオード１から係る電子の放出によるレーザ発振を実現することが可能となる。当該微細形状Ｂにおいては引き続き近接場光が発生するため、非断熱過程を生じさせることが可能となる。この非断熱過程による誘導放出においては、振動準位を介し電子を放出させる。このとき、バンドギャップ幅に相当する吸収端波長よりも長波長である波長の光でも伝導帯中の電子を多段階で遷移させて放出させることができ、その結果伝導体中の電子を減少させることが可能となる。
【００３４】
このような非断熱過程による多段階の誘導放出が生じることにより、伝導帯における電子密度ｎ1が減少する。その結果、かかる近接場光が発生する微細形状Ｂについては、ｐ型クラッド層１３へと移動する電子の量は減少することになり、拡散電流が低下し、当該微細形状Ｂについてはジュール熱が低下することになる。即ち、誘導放出は、電子や正孔のエネルギーを奪うものとなり、ｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３等の流動性が低下する。その結果、この微細形状Ｂについては、表面形状及び／又はドーパントの分布の変化が抑制されることになる。微細形状Ｂはそのまま変化することなく固定されることになる。
【００３５】
また、図７に示すように光が生じた場合、その発光に基づいて、表面形状及び／又はドーパントの分布による近接場光が発生しやすくなる。これに加えて、生成された光が活性層１２内を往復反射する過程で、その光に基づいて近接場光が発生しやすくなり、さらに各部における非断熱過程が生じやすくなり、微細形状Ｂの固定化並びに発光が促進されることとなる。
【００３６】
また、上述の如き順方向バイアス電圧を印加し続けることにより、上述したメカニズムが継続的に生じる。微細形状Ｂは、そのまま近接場光が発生し続けて、上述した非断熱過程による誘導放出が継続して生じる結果、温度が低下し、かかる形状の状態でそのまま固定され続ける。また、微細形状Ｂ以外の箇所は、近接場光が発生しないため冷却されることなく、そのままジュール熱が発生することにより、この半導体層１０の流動性が増加する結果、ｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１等の表面形状やドーパントの分布がランダムに変化する。このランダムな変化の結果、図７に示すように微細形状Ｂがある確率を以って生成される。かかる処理が繰り返し実行されると、理想的には図７に示すように、微細形状Ｂと同一の形状が数多く形成されることになる。これは、順方向バイアス電圧が印加された場合に近接場光が好適に発生する微細形状Ｂと同一の形状が数多く作り出された半導体レーザダイオード１として構成することが可能となる。その結果、発光効率を飛躍的に向上させることが可能となる。
【００３７】
なお、この微細形状Ｂは、あくまで表面形状に依拠したものであるが、これに限定されるものではなく、ジュール熱の発生に伴うｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１等のドーパントの変化の結果、表面形状が変化していなくても、近接場光が好適に発生する条件になる場合がある。かかるｐ型クラッド層１３やｎ型クラッド層１１等のドーパントが近接場光が好適に発生可能なように変化した場合においても、上述した微細形状Ｂの形成と同様な効果が得られる。即ち、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させることにより、ドーパント分布を固定させることを繰り返し実行することになる。
【００３８】
次に、上述した本発明を適用した受光素子の作製方法に基づいて作製された半導体レーザダイオード１による動作について説明をする。
【００３９】
上述したように半導体レーザダイオード１は、その作製の段階において、順方向バイアス電圧が負荷された場合に近接場光が好適に発生する、例えば微細形状Ｂ等を始めとした領域が広く形成されている。このような半導体レーザダイオード１に対して、順方向バイアス電圧を印加するようにしてもよい。その結果、既に好適に近接場光を発生し得る形状が作り込まれていることから、図５に示すように、近接場光が多くの領域において発生する。そして、図５に示すように、その発生した近接場光による非断熱過程により、伝導帯にある電子が多段階で誘導放出されて発光することになる。このとき、順方向バイアス電圧の強度を更に増大させるとアバランシェ降伏が生じて更に光の生成量が大きくなり、レーザ発振に至る。
【００４０】
上述したように、本発明では、順方向バイアス電圧を印加することによりｎ型クラッド層１１とｐ型クラッド層１３の接合部に拡散電流を発生させ、発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて半導体レーザダイオード１を構成する何れか１以上の層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返し実行する。
【００４１】
そして、変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、拡散電流を減少させてジュール熱を低下させて、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させる。
【００４２】
また変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生しない箇所では、或いは近接場光が発生しても単に仮想場ができているだけに発光させる上で好適な条件を満たさない箇所においては、拡散電流を発生させ続けて当該表面形状及び／又は当該ドーパント分布を変化させることを、近接場光による非断熱過程で発光するまで繰り返す。
【００４３】
これにより、本発明では、活性層１２のバンドギャップ幅に対応した吸収端波長より長波長である光を放出させることができる。仮に、ｐ型クラッド層１３がシリコンであれば、そのシリコンによる発光波長としての近赤外域の光をも発光させることが可能となる。
【００４４】
また、本発明を適用した半導体レーザダイオード１の作製方法では、特に大掛かりな装置を必要とすることなく、希望の波長に対して感度の優れた受光素子を安価で作成することが可能となる。
【００４５】
この波長帯は上記のSi,GaP,AlGaAs(混晶比に依存)、AlP、AlAs, Ge, SiC, PbS, PbTe, TIO2, GaS, AlSb, C(ダイヤモンド), BNなど用いる間接遷移型無機材料の種類を変更することによっても紫外から赤外光まで広く対応可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１ 半導体レーザダイオード
５ 基板
１０ 半導体層
１１ ｎ型クラッド層
１２ 活性層
１３ ｐ型クラッド層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が順に積層され、対向する１対の出力面を共振面とした半導体層を備える半導体レーザダイオードにおいて、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記活性層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により生成された光を上記共振面間で共振させるとともに更なる上記誘導放出によりその共振光をさらに増幅させることによりレーザ発振させること
を特徴とする半導体レーザダイオード。
【請求項２】
上記発生した近接場光による非断熱過程に基づいて、
上記伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることにより上記拡散電流によるジュール熱に寄与する仮想遷移パターンと、
上記伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移されてなる電子を発光させ、或いは上記伝導帯中の電子を複数段階で誘導放出させることにより発光させる発光パターンとを有すること
を特徴とする請求項１記載の半導体レーザダイオード。
【請求項３】
共振方向に向けてリッジ構造が形成されていること
を特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザダイオード。
【請求項４】
ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が順に積層され、対向する１対の出力面を共振面とした半導体層を備える半導体レーザダイオードの作製方法において、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記活性層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により生成された光を上記共振面間で共振させることにより更なる上記誘導放出を誘発させること
を特徴とする半導体レーザダイオードの作製方法。
【請求項１】
ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が順に積層され、対向する１対の出力面を共振面とした半導体層を備える半導体レーザダイオードにおいて、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記活性層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により生成された光を上記共振面間で共振させるとともに更なる上記誘導放出によりその共振光をさらに増幅させることによりレーザ発振させること
を特徴とする半導体レーザダイオード。
【請求項２】
上記発生した近接場光による非断熱過程に基づいて、
上記伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移させて再度伝導帯に戻ることにより上記拡散電流によるジュール熱に寄与する仮想遷移パターンと、
上記伝導帯中の電子を振動準位に仮想的に遷移されてなる電子を発光させ、或いは上記伝導帯中の電子を複数段階で誘導放出させることにより発光させる発光パターンとを有すること
を特徴とする請求項１記載の半導体レーザダイオード。
【請求項３】
共振方向に向けてリッジ構造が形成されていること
を特徴とする請求項１又は２記載の半導体レーザダイオード。
【請求項４】
ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が順に積層され、対向する１対の出力面を共振面とした半導体層を備える半導体レーザダイオードの作製方法において、
順方向バイアス電圧を印加することにより上記活性層に拡散電流を発生させ、上記発生された拡散電流により生じるジュール熱に基づいて何れか１以上の上記層の表面形状及び／又はドーパント分布を変化させることを繰り返すとともに、上記順方向バイアス電圧により上記活性層における伝導帯と価電子帯に反転分布を生じさせ、
上記変化後の表面形状及び／又はドーパント分布に基づいて近接場光が発生した箇所では、上記反転分布を形成している上記伝導帯中の電子を非断熱過程に基づいて複数段階で誘導放出させることにより、上記拡散電流を減少させて上記ジュール熱を低下させることにより、表面形状及び／又はドーパント分布を固定させるとともに、上記誘導放出により生成された光を上記共振面間で共振させることにより更なる上記誘導放出を誘発させること
を特徴とする半導体レーザダイオードの作製方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２４３８２４（Ｐ２０１２−２４３８２４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０９９１６（Ｐ２０１１−１０９９１６）
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、新エネルギー産業技術総合開発機構低損失オプティカル新機能部材技術開発事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１６日（２０１１．５．１６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、新エネルギー産業技術総合開発機構低損失オプティカル新機能部材技術開発事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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