面発光型半導体レーザ
【課題】注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザを提供する。
【解決手段】面発光型半導体レーザ１００は、下部ＤＢＲ３と、下部スペーサ層５と、活性層７と、第１上部スペーサ層９と、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの一部（第１領域９Ｓ１及び第２領域９Ｓ２）上に設けられたトンネル接合領域ＴＪと、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むようにトンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に設けられた第２上部スペーサ層１５と、上部分布ブラッグリフレクタ１９と、を備える。トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板１の主面１Ｓと直交する方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少することを特徴とする。
【解決手段】面発光型半導体レーザ１００は、下部ＤＢＲ３と、下部スペーサ層５と、活性層７と、第１上部スペーサ層９と、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの一部（第１領域９Ｓ１及び第２領域９Ｓ２）上に設けられたトンネル接合領域ＴＪと、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むようにトンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に設けられた第２上部スペーサ層１５と、上部分布ブラッグリフレクタ１９と、を備える。トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板１の主面１Ｓと直交する方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、低消費電力で高速動作可能な直接変調型レーザとして、光通信分野への応用等を目的とした開発が続けられている。一般的に、面発光型半導体レーザは、電流効率を高め、しきい値電流を下げるため、活性層へ流れる電流を狭窄するための電流狭窄構造を有している。このような電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザの一つとして、トンネル接合領域を有するトンネル接合型の面発光型半導体レーザが知られている。
【０００３】
下記非特許文献１には、トンネル接合型の面発光型半導体レーザが記載されている。この面発光型半導体レーザは、電流狭窄を行うためのメサ形状のトンネル接合領域を有している。下記非特許文献１には、このトンネル接合のメサ径を５μｍ程度に小さくすることで、当該面発光型半導体レーザを基本横モードでシングルモード発振可能であることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】N. Nishiyama et. al. “High efficiency long wavelength VCSELon InP grown by MOCVD”, ElectronicsLetters, Vol.39, No.5, pp.437-439 (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記非特許文献１に記載の面発光型半導体レーザのようなシングルモードファイバと結合させて使用されるシングルモード発振可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザについては開発が進められているのに対して、マルチモードファイバと結合させて使用されるマルチモード発振可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザについての報告例は少ない。そして、本願発明者らは、マルチモード発振可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザにおいて、以下のような問題点があることを見出した。
【０００６】
即ち、従来のトンネル接合型の面発光型半導体レーザを低電流で発振させた場合、面発光型半導体レーザを構成する各半導体層の積層方向から見て、トンネル接合領域の中央部付近に最も多くのキャリアが流れるため、当該トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する基本横モードの利得が高くなる。そのため、基本横モードで優先的に発振し、高次横モードでは殆ど発振しない。それに対して、従来のトンネル接合型の面発光型半導体レーザを高電流で発振させた場合、基本横モードでの発振について自己利得飽和が生じる上に、上記積層方向から見て、相対的に当該トンネル接合領域の周縁部付近に流れるキャリアが増加するため、当該トンネル接合領域の周縁部付近に光強度ピークを有する高次横モードの利得が高くなる。そのため、基本横モードよりも当該高次横モードで優先的に発振するようになり、マルチモード発振する。
【０００７】
そのため、従来のトンネル接合型の面発光型半導体レーザにおいて、強度変調信号を生成するために注入電流の大きさを変化させると、全光出力における各横モードの出力の割合が大きく変動してしまう。当該面発光型半導体レーザとマルチモードファイバとの結合効率や当該ファイバからの戻り光の強度は、横モードの種類ごとに異なるため、全光出力における各横モードの出力の割合が大きく変動すると、強度変調信号におけるノイズの原因となってしまうという問題点がある。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するため、本発明に係る面発光型半導体レーザは、半導体基板の主面上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部分布ブラッグリフレクタと、下部分布ブラッグリフレクタ上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部スペーサ層と、下部スペーサ層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２導電型の半導体からなる第１上部スペーサ層と、第１上部スペーサ層の上面の一部上に設けられたトンネル接合領域と、トンネル接合領域を埋め込むようにトンネル接合領域上及び第１上部スペーサ層上に設けられた、第２導電型の半導体からなる第２上部スペーサ層と、第２上部スペーサ層上に設けられた上部分布ブラッグリフレクタと、を備え、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少する。そのため、本発明の面発光型半導体レーザを低電流で発振させた場合、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域の中央部付近に流れるキャリアの量は相対的に減少すると共に、単位面積当たりのトンネル抵抗が低いトンネル接合領域の周縁部付近に流れるキャリアの量は相対的に増加する。そのため、トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する基本横モードの利得を相対的に抑制しつつ、トンネル接合領域の周縁部付近に光強度ピークを有する高次横モードの利得を相対的に高くすることができる。そのため、基本横モードと当該高次横モードとで同時に発振させることができる。
【００１１】
また、本発明の面発光型半導体レーザを高電流で発振させた場合、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域の中央部付近に流れるキャリアの量が増加するため、トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する基本横モードの利得や、トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する高次横モードの利得が高くなる。そのため、基本横モードや当該高次横モードでも安定して発振が続く。
【００１２】
これにより、本発明に係るトンネル接合型の面発光型半導体レーザによれば、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能となる。
【００１３】
さらに、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、第１上部スペーサ層の上面は、第１領域と、当該第１領域を囲む第２領域と、を有し、トンネル接合領域は、第１領域上に設けられた第１トンネル接合部と、第２領域上に設けられた第２トンネル接合部と、を有し、第２トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低いことが好ましい。
【００１４】
この場合、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部と第２トンネル接合部の境界部において段階的に変化する。そのため、上記のような第１トンネル接合部と第２トンネル接合部を形成することにより、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗が半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００１５】
また、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって、単調に減少することが好ましい。これにより、トンネル接合領域の内側から外側に向かって電流分布が連続的に変化するため、各横モードに対するキャリアの供給をより均一にすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域は化合物半導体からなり、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、トンネル接合領域の化合物半導体の組成比は、トンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることが好ましい。
【００１７】
この場合、トンネル接合領域の化合物半導体の組成比を、当該トンネル接合領域の内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００１８】
また、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、トンネル接合領域にドープされているキャリア濃度は、トンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることが好ましい。
【００１９】
この場合、トンネル接合領域にドープされているキャリア濃度を、当該トンネル接合領域の内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するという態様を容易に実現することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態に係る面発光型半導体レーザの主要部の断面を示す図である。
【図２】実施形態に係る面発光型半導体レーザの上面図である。
【図３】トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗の位置依存性を示す図である。
【図４】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図８】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図９】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】比較例の面発光型半導体レーザを示す断面図である。
【図１１】実施例の面発光型半導体レーザ１００について、シミュレーションで求めた出力パワーの注入電流依存性を示す図である。
【図１２】比較例の面発光型半導体レーザ面発光型半導体レーザ１００Ｐについて、シミュレーションで求めた出力パワーの電流依存性を示す図である。
【図１３】変形例に係るトンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗の位置依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、実施の形態に係る面発光型半導体レーザについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの主要部の断面を示す図であり、図２は、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの上面図である。図１は、図２のＩ−Ｉ線に沿った面発光型半導体レーザの断面を示している。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００は、半導体基板１と、半導体基板１の主面１Ｓ上に設けられた下部分布ブラッグリフレクタ（以下、「下部ＤＢＲ」とする）３と、下部ＤＢＲ３上に設けられた下部スペーサ層５と、下部スペーサ層５上に設けられた活性層７と、活性層７上に設けられた第１上部スペーサ層９と、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの一部上に設けられたトンネル接合領域ＴＪと、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むようにトンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に設けられた第２上部スペーサ層１５と、第２上部スペーサ層１５上に設けられたコンタクト層１７と、コンタクト層１７を介して第２上部スペーサ層１５の一部上に設けられた上部分布ブラッグリフレクタ（以下、「上部ＤＢＲ」とする）１９と、コンタクト層１７を介して第２上部スペーサ層１５の他の一部上に設けられた上部電極２１と、半導体基板１の裏面１Ｂ上に設けられた下部電極２３と、を備えている。
【００２５】
半導体基板１は、第１導電型であるｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。半導体基板１は、例えば板状の部材であり、略平坦な主面１Ｓ及び裏面１Ｂを有する。以下で詳細に説明する下部ＤＢＲ３から上部ＤＢＲ１９までの各層は、半導体基板１の主面１Ｓ上に、当該主面１Ｓと直交する方向に沿って積層されている。
【００２６】
下部ＤＢＲ３は、ｎ型の半導体からなる。具体的には、下部ＤＢＲ３は、交互に配列された複数の第１半導体層３ａ及び第２半導体層３ｂを含む。第１半導体層３ａの屈折率は第２半導体層３ｂの屈折率よりも大きい。また、各第１半導体層３ａは略同一の厚さを有し、各第２半導体層３ｂは略同一の厚さを有する。
【００２７】
そのため、下部ＤＢＲ３の屈折率は、主面１Ｓと直交する方向（以下、「積層方向」と言う場合がある）に沿って周期的に変化する。第１半導体層３ａは、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第２半導体層３ｂは、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。下部ＤＢＲ３が有する第１半導体層３ａと第２半導体層３ｂとの組数は、図１においては２組となっているが、特に制限されず、例えば、４０組とすることができる。下部ＤＢＲ３のキャリア密度は、例えば、８×１０１７ｃｍ−３とすることができる。
【００２８】
下部スペーサ層５は、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。下部スペーサ層５の厚さは、例えば、２００ｎｍとすることができる。下部スペーサ層５のキャリア密度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３とすることができる。
【００２９】
活性層７は、例えば量子井戸構造を有しており、交互に配列された井戸層及び障壁層を含む。活性層７を構成する半導体としては、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ等のノンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を挙げることができる。
【００３０】
第１上部スペーサ層９は、第２導電型であるｐ型の半導体材料からなり、例えば、亜鉛（Ｚｎ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１上部スペーサ層９の厚さは、例えば、１００ｎｍとすることができる。第１上部スペーサ層９のキャリア密度は、例えば、７×１０１７ｃｍ−３とすることができる。また、第１上部スペーサ層９は、略平坦な上面９Ｓを有する。
【００３１】
また、図１及び図２に示すように、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓは、第１領域９Ｓ１と、第２領域９Ｓ２と、第３領域９Ｓ３と、からなる。本実施形態においては、第１領域９Ｓ１は、積層方向から見て、円形である。第２領域９Ｓ２は、積層方向から見て、第１領域９Ｓ１を囲んでおり、本実施形態においては、環状である。第３領域９Ｓ３は、積層方向から見て第２領域９Ｓ２を囲んでおり、本実施系形態においては、上面９Ｓのうち、第１領域９Ｓ１と第２領域９Ｓ２以外の領域である。
【００３２】
トンネル接合領域ＴＪは、活性層７に流れる電流を狭窄するために、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの一部上（本実施形態では、第１領域９Ｓ１及び第２領域９Ｓ２上）に設けられている。本実施形態のトンネル接合領域ＴＪは、積層方向に突出するメサ形状を有しており、積層方向から見て円形である。
【００３３】
また、本実施形態のトンネル接合領域ＴＪは、第１領域９Ｓ１上に設けられた第１トンネル接合部１１と、第２領域９Ｓ２上に設けられた第２トンネル接合部１２と、からなる。第１トンネル接合部１１は、積層方向に突出するメサ形状を有しており、第１領域９Ｓ１と同様に積層方向から見て円形である。第２トンネル接合部１２は、第１トンネル接合部１１と略同じ高さだけ積層方向に突出している。また、第２トンネル接合部１２は、積層方向から見て、第１トンネル接合部１１の側面と接するように当該第１トンネル接合部１１を囲んでおり、第２領域９Ｓ２と同様に環状である。
【００３４】
また、第１トンネル接合部１１は、第１ｐ型半導体層１１Ａと、第１ｎ型半導体層１１Ｂとからなる。第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第１ｎ型半導体層１１Ｂは、この順に第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第１領域９Ｓ１上に積層されている。また、第２トンネル接合部１２は、第２ｐ型半導体層１２Ａと、第２ｎ型半導体層１２Ｂとからなる。第２ｐ型半導体層１２Ａ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは、この順に第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第２領域９Ｓ２上に積層されている。第１ｐ型半導体層１１Ａの側面は、第２ｐ型半導体層１２Ａの側面と接しており、第１ｎ型半導体層１１Ｂの側面は、第２ｎ型半導体層１２Ｂの側面と接している。
【００３５】
第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第２ｐ型半導体層１２Ａは、それぞれ、第１上部スペーサ層９よりもキャリア濃度が高くなるように、高濃度（例えば、１×１０１９ｃｍ−３）にｐ型不純物（例えば、炭素（Ｃ））がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１ｎ型半導体層１１Ｂ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは、それぞれ第２上部スペーサ層１５よりもキャリア濃度が高くなるように、高濃度（例えば、７×１０１８ｃｍ−３）にｎ型不純物（例えば、シリコン（Ｓｉ））がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
【００３６】
第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第１ｎ型半導体層１１Ｂは、これらの界面においてトンネル接合１１Ｔを構成し、第２ｐ型半導体層１２Ａ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは、これらの界面においてトンネル接合１２Ｔを構成する。即ち、第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第１ｎ型半導体層１１Ｂ間に電圧を印加することにより、これらの界面を通過するように積層方向にトンネル電流を流すことが可能であり、同様に、第２ｐ型半導体層１２Ａ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂ間に電圧を印加することにより、これらの界面を通過するように積層方向にトンネル電流を流すことが可能である。
【００３７】
本実施形態では、第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第２ｐ型半導体層１２Ａは略同一の厚さを有し、これらの厚さは、例えば５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることができる。また、本実施形態では第１ｎ型半導体層１１Ｂ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは略同一の厚さを有し、これらの厚さは、例えば５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることができる。
【００３８】
また、積層方向から見た場合の第１トンネル接合部１１の直径Ｗ１１（即ち、第２トンネル接合部１２の内径）は、例えば、３μｍ以上、７μｍ以下とすることができる。第２トンネル接合部１２の外径Ｗ１２は、例えば、４μｍ以上、１２μｍ以下とすることができる。
【００３９】
また、以下に詳細に説明するように、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少する。ここで、「トンネル接合領域ＴＪの単位面積」とは、積層方向と直交する平面におけるトンネル接合領域ＴＪの単位面積、即ち、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの単位面積を意味する。
【００４０】
図３は、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗の位置依存性を示す図である。横軸は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪにおける位置を示し、縦軸は当該位置に対応するトンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗を示している。図３に示すように、本実施形態においては、第１トンネル接合部１１における単位面積当たりのトンネル抵抗は略一定であり、同様に、第２トンネル接合部１２における単位面積当たりのトンネル抵抗は略一定である。また、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低い。
【００４１】
これにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２の境界部において段階的に変化する。そのため、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって（本実施形態においては、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの中心ＣＴＪからトンネル接合領域ＴＪの外縁ＥＴＪに向かって）、段階的に減少する。
【００４２】
第１トンネル接合部１１におけるトンネル抵抗は、例えば、３０Ω以上、５０Ω以下とすることができ、第１トンネル接合部１１における単位面積当たりのトンネル抵抗は、例えば、１．３０Ω／ｕｍ２以上、４．２４Ω／ｕｍ２以下とすることができる。また、第２トンネル接合部１２におけるトンネル抵抗は、例えば、１０Ω以上、４０Ω以下とすることができ、第２トンネル接合部１２における単位面積当たりのトンネル抵抗は、例えば、０．５４Ω／ｕｍ２以上、１．８２Ω／ｕｍ２以下とすることができる。
【００４３】
上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の例として、トンネル接合領域ＴＪを化合物半導体で構成すると共に、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に減少するように、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に変化させる方法が挙げられる。
【００４４】
より具体的には、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２を同種の化合物半導体で構成する。そして、第２トンネル接合部１２のバンドギャップが第１トンネル接合部１１のバンドギャップよりも小さくなるように（即ち、第２トンネル接合部１２のバンドギャップ波長が第１トンネル接合部１１のバンドギャップ波長よりも大きくなるように）、第１トンネル接合部１１を構成する化合物半導体の組成比と、第２トンネル接合部１２を構成する化合物半導体の組成比を、それぞれ調節する。（例えば、第１トンネル接合部１１のバンドギャップ波長が１２００ｎｍ、第２トンネル接合部１２のバンドギャップ波長が１３００ｎｍとなるように第１トンネル接合部１１及び第２トンネル接合部１２の組成比と調節する。）。これにより、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗を、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも小さくすることができるため、上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現することができる。
【００４５】
このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００４６】
また、上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の他の例として、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少するように、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に変化させる方法が挙げられる。
【００４７】
より具体的には、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２を同種又は異種の半導体で構成する。そして、第２トンネル接合部１２の導電率が第１トンネル接合部１１の導電率よりも小さくなるように、第１トンネル接合部１１にドープするキャリア濃度と、第２トンネル接合部１２にドープするキャリア濃度を、それぞれ調節する。これにより、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗を、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも小さくすることができるため、上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現することができる。
【００４８】
このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００４９】
図１及び図２を再び参照し、面発光型半導体レーザ１００の他の要素について説明する。図１に示すように、第２上部スペーサ層１５は、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むようにトンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に設けられている。第２上部スペーサ層１５は、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１上部スペーサ層９の上面９Ｓを基準とした第２上部スペーサ層１５の厚さは、例えば、２６０ｎｍとすることができる。下部スペーサ層５のキャリア密度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３とすることができる。
【００５０】
コンタクト層１７は、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。なお、面発光型半導体レーザ１００はコンタクト層１７を備えていなくてもよい。
【００５１】
第２上部スペーサ層１５上には、上部ＤＢＲ１９及び上部電極２１が設けられている。半導体基板１の裏面１Ｂには、下部電極２３が設けられている。上部電極２１は上部電極２１とオーミック接触する。コンタクト層１７が存在しない場合、上部電極２１は第２上部スペーサ層１５上に設けられる。また、上部電極２１は、トンネル接合領域ＴＪの上方に開口２１Ｈを有する。本実施形態では、積層方向から見て開口２１Ｈは円形であり、トンネル接合領域ＴＪは開口２１Ｈ内に含まれる。
【００５２】
上部ＤＢＲ１９は、上部電極２１の開口２１Ｈを介してコンタクト層１７と接している。コンタクト層１７が存在しない場合、上部ＤＢＲ１９は、上部電極２１の開口２１Ｈを介して第２上部スペーサ層１５と接する。
【００５３】
上部ＤＢＲ１９の屈折率は、積層方向に沿って周期的に変化する。上部ＤＢＲ１９は、交互に配列された複数の第１誘電体層１９ａ及び第２誘電体層１９ｂを含む。第１誘電体層１９ａの屈折率は第２誘電体層１９ｂの屈折率よりも大きい。また、各第１誘電体層１９ａは略同一の厚さを有し、各第２誘電体層１９ｂは略同一の厚さを有する。第１誘電体層１９ａは、例えば、ＳｉＯ２等の誘電材料からなり、第２誘電体層１９ｂは、例えば、ＴｉＯ２等の誘電材料からなる。
【００５４】
また、図２に示すように、第２上部スペーサ層１５上には、上部電極２１と離間して設けられた金属材料からなる電極パッド３１と、上部電極２１と電極パッド３１とを電気的に接続するための金属材料からなる接続部材３３と、が設けられている。
【００５５】
面発光型半導体レーザ１００を動作させる際には、電極パッド３１を介して上部電極２１に正電圧を印加すると共に、下部電極２３に負電圧を印加する。すると、第２上部スペーサ層１５と第１上部スペーサ層９との間に逆バイアスが印加されるため、第１上部スペーサ層９と第２上部スペーサ層１５とが直接接触する界面（第１上部スペーサ層９の第３領域９Ｓ３と第２上部スペーサ層１５とが直接接触する界面）は、キャリアが通過できない。
【００５６】
それに対して、トンネル接合領域ＴＪの第１トンネル接合部１１及び第２トンネル接合部１２は、トンネル接合１１Ｔ及びトンネル接合１２Ｔを構成するため、トンネル接合領域ＴＪを介してキャリアは第１上部スペーサ層９及び第２上部スペーサ層１５間を移動することができる。これにより、トンネル接合領域ＴＪによって狭窄された電流が活性層７に注入され、再結合により光が生じる。当該光は、下部ＤＢＲ３と上部ＤＢＲ１９の機能によって積層方向に沿って共振し、上部ＤＢＲ１９を介して外部にレーザ光が出力される。
【００５７】
次に、上述のような面発光型半導体レーザ１００の製造方法の一例について説明する。図４〜図９は、本実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【００５８】
本実施形態の面発光型半導体レーザ１００の製造においては、面発光型半導体レーザ１００が備える各半導体層は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法あるいは有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により成長される。
【００５９】
まず、図４に示すように、半導体基板１の主面１Ｓ上に、例えば、下部ＤＢＲ３、下部スペーサ層５、活性層７、第１上部スペーサ層９、及び、半導体積層１１Ｘをこの順に形成する。半導体積層１１Ｘは、第１トンネル接合部１１となるべき要素であり、第１ｐ型半導体層１１Ａとなるべき半導体層１１ＡＸと、第１ｎ型半導体層１１Ｂとなるべき半導体層１１ＢＸと、からなる（図１参照）。
【００６０】
次に、図５に示すように、半導体積層１１Ｘのうち、第１トンネル接合部１１となるべき領域（第１領域９Ｓ１上の領域）を絶縁材料からなるマスクで覆い、当該マスクを用いて半導体積層１１Ｘをエッチングすることにより、第１トンネル接合部１１を形成する。
【００６１】
そして、図６に示すように、第１トンネル接合部１１の形成のために用いた上記マスクを選択成長マスクとして用いて、第１トンネル接合部１１を埋め込むように、第１上部スペーサ層９の第２領域９Ｓ２及び第３領域９Ｓ３上に半導体積層１２Ｘを形成する。半導体積層１２Ｘは、第２トンネル接合部１２となるべき要素であり、第２ｐ型半導体層１２Ａとなるべき半導体層１２ＡＸと、第２ｎ型半導体層１２Ｂとなるべき半導体層１２ＢＸと、からなる。
【００６２】
続いて、図７に示すように、第１トンネル接合部１１の形成のために用いた上記マスクを除去した後に、第１トンネル接合部１１及び半導体積層１２Ｘのうち、トンネル接合領域ＴＪとなるべき領域（第２領域９Ｓ２及び第３領域９Ｓ３上の領域）を絶縁材料からなるマスクで覆い、当該マスクを用いて半導体積層１２Ｘをエッチングすることにより、第２トンネル接合部１２を形成する。これにより、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２とからなるトンネル接合領域ＴＪが形成される。
【００６３】
次に、図８に示すように、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むように、トンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に第２上部スペーサ層１５を形成し、第２上部スペーサ層１５上にコンタクト層１７を形成する。
【００６４】
そして、図９に示すように、コンタクト層１７上に上部ＤＢＲ１９及び上部電極２１を形成し、その後、電極パッド３１と接続部材３３（図２参照）を形成することにより、本実施形態のトンネル接合型の面発光型半導体レーザ１００が得られる。
【００６５】
上述のような本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００においては、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板１の主面１Ｓと直交する方向（積層方向）から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少する（図１及び図３参照）。そのため、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００を低電流で発振させた場合、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域ＴＪの中央部付近（上述の実施形態では、第１トンネル接合部１１付近）に流れるキャリアの量は相対的に減少すると共に、単位面積当たりのトンネル抵抗が低いトンネル接合領域ＴＪの周縁部付近（上述の実施形態では、第２トンネル接合部１２付近）に流れるキャリアの量は相対的に増加する（図１及び図３参照）。
【００６６】
そのため、トンネル接合領域ＴＪの中央部付近に光強度ピークを有する基本横モード（ＬＰ０１モード）の利得を相対的に抑制しつつ、トンネル接合領域の周縁部付近に光強度ピークを有する高次横モード（ＬＰ１１モード、ＬＰ１２モード）の利得を相対的に高くすることができる。そのため、基本横モードと当該高次横モードとで同時に発振させることができる。
【００６７】
また、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００を高電流で発振させた場合、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域ＴＪの中央部付近（上述の実施形態では、第１トンネル接合部１１付近）に流れるキャリアの量が増加するため、トンネル接合領域ＴＪの中央部付近に光強度ピークを有する基本横モード（ＬＰ０１モード）の利得や、トンネル接合領域ＴＪの中央部付近に光強度ピークを有する高次横モード（ＬＰ０２モード）の利得が高くなる。そのため、基本横モードや当該高次横モードでも安定して発振が続く。
【００６８】
これにより、本実施形態に係るトンネル接合型の面発光型半導体レーザ１００によれば、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モード（ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ１２モード、ＬＰ０２モード）の出力の割合の変動を抑制することが可能となる。
【００６９】
さらに、本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００においては、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓは、第１領域９Ｓ１と、当該第１領域９Ｓ１を囲む第２領域９Ｓ２と、を有し、トンネル接合領域ＴＪは、第１領域９Ｓ１上に設けられた第１トンネル接合部１１と、第２領域９Ｓ２上に設けられた第２トンネル接合部１２と、を有し、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低い（図１及び図３参照）。
【００７０】
これにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２の境界部において段階的に変化する（図３参照）。そのため、このような第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２を形成することにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗が、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００７１】
次に、実施例及び比較例について行ったシミュレーション結果について説明する。まず、実施例の面発光型半導体レーザとして、図１に示す面発光型半導体レーザ１００を用意した。第１トンネル接合部１１の直径Ｗ１１を５μｍ、第２トンネル接合部１２の内径を５μｍ、及び、第２トンネル接合部１２の外径を８μｍとした。第１トンネル接合部１１のトンネル抵抗を３０Ωとした。そのため、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗は、１．５３Ω／ｕｍ２となった。第２トンネル接合部１２のトンネル抵抗を１５Ωとした。そのため、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗は、０．４９Ω／ｕｍ２となった。
【００７２】
次に、比較例の面発光型半導体レーザを用意した。図１０は、比較例の面発光型半導体レーザを示す断面図である。図１０において、実施例の面発光型半導体レーザ１００と同一の要素には、同一の符号を付している。比較例の面発光型半導体レーザ１００Ｐは、トンネル接合領域の構成において、実施例の面発光型半導体レーザ１００と異なる。面発光型半導体レーザ１００Ｐのトンネル接合領域ＴＪＰは、積層方向から見て円形であり、ｐ型半導体層１１Ａｐと、ｎ型半導体層１１Ｂｐからなる。ｐ型半導体層１１Ａｐとｎ型半導体層１１Ｂｐは、トンネル接合１１Ｔｐを構成する。トンネル接合領域ＴＪＰの直径Ｗ１１ｐは、８μｍとした。トンネル接合領域ＴＪＰの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪＰの内側から外側に向かって略一定とし、３０Ωとした。
【００７３】
図１１は、実施例の面発光型半導体レーザ１００について、シミュレーションで求めた出力パワーの注入電流依存性を示す図であり、図１２は、比較例の面発光型半導体レーザ面発光型半導体レーザ１００Ｐについて、シミュレーションで求めた出力パワーの電流依存性を示す図である。また、図１１及び図１２では、各横モード（基本横モードであるＬＰ０１モード、高次横モードであるＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モード）についての出力パワーと、全出力パワーＴ（各横モードでの出力パワーの合計値）を示している。
【００７４】
図１１に示されるように、実施例の面発光型半導体レーザ１００においては、低電流で発振している場合でも、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの両方で発振しており、ＬＰ２１モードとＬＰ０２モードでの発振も、比較的低い注入電流で生じている。その結果、実施例の面発光型半導体レーザ１００においては、注入電流の大きさが変化しても、全光出力Ｔにおける各横モードの出力の割合の変動が小さいことがわかった。
【００７５】
それに対して、図１２に示されるように、比較例の面発光型半導体レーザ１００Ｐにおいては、注入電流の大きさに依存して、一つの横モードでの発振が支配的となった。具体的には、低電流で発振している場合には、ＬＰ０１モードでの発振が支配的であり、注入電流が増加すると、ＬＰ０１モードでの発振が減少して、ＬＰ１１モードでの発振が支配的となり、さらに電流が増加すると、ＬＰ２１モードでの発振が支配的となり、さらにさらに電流が増加すると、ＬＰ０２モードでの発振が支配的となった。その結果、比較例の面発光型半導体レーザ１００Ｐにおいては、注入電流の大きさが変化すると、全光出力Ｔにおける各横モードの出力の割合の変動が大きいことがわかった。
【００７６】
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【００７７】
例えば、上述の実施形態においては、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少するが（図３参照）、図３に対応する図１３に示すように、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、単調に減少してもよい。これにより、トンネル接合領域の内側から外側に向かって電流分布が連続的に変化する。注入された電流は、レーザ発振のための利得に変換されるため、各横モードに対する利得をより均一にすることができる。
【００７８】
このような変形例に係るトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の例として、トンネル接合領域ＴＪを化合物半導体で構成すると共に、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するように、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に変化させることが挙げられる。
【００７９】
このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００８０】
また、上述の変形例に係るトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の他の例として、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するように、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に変化させることが挙げられる。
【００８１】
このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００８２】
また、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少及び単調に減少してもよい。即ち、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、トンネル接合領域ＴＪの一部の領域において段階的に減少し、トンネル接合領域ＴＪの他の一部の領域において単調に減少してもよい。
【００８３】
また、上述の実施形態においては、積層方向から見て、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第１領域９Ｓ１及び第１トンネル接合部１１は円形であるが（図１及び図２参照）、これらの形状は、楕円や矩形であってもよい。その場合、積層方向から見て、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第２領域９Ｓ２及び第２トンネル接合部１２の形状も、楕円の環状や矩形の環状とすることができる。
【００８４】
また、上述の実施形態においては、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に１回減少するが（図３参照）、２回以上段階的に減少してもよい。
【００８５】
また、上述の実施形態においては、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としているが（図１参照）、第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型であってもよい。即ち、面発光型半導体レーザ１００の各半導体層の導電型は、上述の実施形態における場合と逆であってもよい。ただし、上述の実施形態における場合のように第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型であると、面発光型半導体レーザ１００内でｐ型半導体からなる領域が減少し、高速動作が可能となるため好ましい。
【符号の説明】
【００８６】
１・・・半導体基板、３・・・下部ＤＢＲ、５・・・下部スペーサ層、７・・・活性層、９・・・第１上部スペーサ層、１１・・・第１トンネル接合部、１２・・・第２トンネル接合部、１９・・・上部ＤＢＲ、２１・・・上部電極、２３・・・下部電極、ＴＪ・・・トンネル接合領域。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面発光型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）は、低消費電力で高速動作可能な直接変調型レーザとして、光通信分野への応用等を目的とした開発が続けられている。一般的に、面発光型半導体レーザは、電流効率を高め、しきい値電流を下げるため、活性層へ流れる電流を狭窄するための電流狭窄構造を有している。このような電流狭窄構造を有する面発光型半導体レーザの一つとして、トンネル接合領域を有するトンネル接合型の面発光型半導体レーザが知られている。
【０００３】
下記非特許文献１には、トンネル接合型の面発光型半導体レーザが記載されている。この面発光型半導体レーザは、電流狭窄を行うためのメサ形状のトンネル接合領域を有している。下記非特許文献１には、このトンネル接合のメサ径を５μｍ程度に小さくすることで、当該面発光型半導体レーザを基本横モードでシングルモード発振可能であることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】N. Nishiyama et. al. “High efficiency long wavelength VCSELon InP grown by MOCVD”, ElectronicsLetters, Vol.39, No.5, pp.437-439 (2003)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記非特許文献１に記載の面発光型半導体レーザのようなシングルモードファイバと結合させて使用されるシングルモード発振可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザについては開発が進められているのに対して、マルチモードファイバと結合させて使用されるマルチモード発振可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザについての報告例は少ない。そして、本願発明者らは、マルチモード発振可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザにおいて、以下のような問題点があることを見出した。
【０００６】
即ち、従来のトンネル接合型の面発光型半導体レーザを低電流で発振させた場合、面発光型半導体レーザを構成する各半導体層の積層方向から見て、トンネル接合領域の中央部付近に最も多くのキャリアが流れるため、当該トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する基本横モードの利得が高くなる。そのため、基本横モードで優先的に発振し、高次横モードでは殆ど発振しない。それに対して、従来のトンネル接合型の面発光型半導体レーザを高電流で発振させた場合、基本横モードでの発振について自己利得飽和が生じる上に、上記積層方向から見て、相対的に当該トンネル接合領域の周縁部付近に流れるキャリアが増加するため、当該トンネル接合領域の周縁部付近に光強度ピークを有する高次横モードの利得が高くなる。そのため、基本横モードよりも当該高次横モードで優先的に発振するようになり、マルチモード発振する。
【０００７】
そのため、従来のトンネル接合型の面発光型半導体レーザにおいて、強度変調信号を生成するために注入電流の大きさを変化させると、全光出力における各横モードの出力の割合が大きく変動してしまう。当該面発光型半導体レーザとマルチモードファイバとの結合効率や当該ファイバからの戻り光の強度は、横モードの種類ごとに異なるため、全光出力における各横モードの出力の割合が大きく変動すると、強度変調信号におけるノイズの原因となってしまうという問題点がある。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するため、本発明に係る面発光型半導体レーザは、半導体基板の主面上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部分布ブラッグリフレクタと、下部分布ブラッグリフレクタ上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部スペーサ層と、下部スペーサ層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた第２導電型の半導体からなる第１上部スペーサ層と、第１上部スペーサ層の上面の一部上に設けられたトンネル接合領域と、トンネル接合領域を埋め込むようにトンネル接合領域上及び第１上部スペーサ層上に設けられた、第２導電型の半導体からなる第２上部スペーサ層と、第２上部スペーサ層上に設けられた上部分布ブラッグリフレクタと、を備え、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少する。そのため、本発明の面発光型半導体レーザを低電流で発振させた場合、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域の中央部付近に流れるキャリアの量は相対的に減少すると共に、単位面積当たりのトンネル抵抗が低いトンネル接合領域の周縁部付近に流れるキャリアの量は相対的に増加する。そのため、トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する基本横モードの利得を相対的に抑制しつつ、トンネル接合領域の周縁部付近に光強度ピークを有する高次横モードの利得を相対的に高くすることができる。そのため、基本横モードと当該高次横モードとで同時に発振させることができる。
【００１１】
また、本発明の面発光型半導体レーザを高電流で発振させた場合、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域の中央部付近に流れるキャリアの量が増加するため、トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する基本横モードの利得や、トンネル接合領域の中央部付近に光強度ピークを有する高次横モードの利得が高くなる。そのため、基本横モードや当該高次横モードでも安定して発振が続く。
【００１２】
これにより、本発明に係るトンネル接合型の面発光型半導体レーザによれば、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能となる。
【００１３】
さらに、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、第１上部スペーサ層の上面は、第１領域と、当該第１領域を囲む第２領域と、を有し、トンネル接合領域は、第１領域上に設けられた第１トンネル接合部と、第２領域上に設けられた第２トンネル接合部と、を有し、第２トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低いことが好ましい。
【００１４】
この場合、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部と第２トンネル接合部の境界部において段階的に変化する。そのため、上記のような第１トンネル接合部と第２トンネル接合部を形成することにより、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗が半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００１５】
また、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板の主面と直交する方向から見た場合のトンネル接合領域の内側から外側に向かって、単調に減少することが好ましい。これにより、トンネル接合領域の内側から外側に向かって電流分布が連続的に変化するため、各横モードに対するキャリアの供給をより均一にすることができる。
【００１６】
また、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域は化合物半導体からなり、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、トンネル接合領域の化合物半導体の組成比は、トンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることが好ましい。
【００１７】
この場合、トンネル接合領域の化合物半導体の組成比を、当該トンネル接合領域の内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００１８】
また、本発明に係る面発光型半導体レーザにおいては、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、トンネル接合領域にドープされているキャリア濃度は、トンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることが好ましい。
【００１９】
この場合、トンネル接合領域にドープされているキャリア濃度を、当該トンネル接合領域の内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するという態様を容易に実現することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モードの出力の割合の変動を抑制することが可能なトンネル接合型の面発光型半導体レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態に係る面発光型半導体レーザの主要部の断面を示す図である。
【図２】実施形態に係る面発光型半導体レーザの上面図である。
【図３】トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗の位置依存性を示す図である。
【図４】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図５】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図６】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図７】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図８】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図９】実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】比較例の面発光型半導体レーザを示す断面図である。
【図１１】実施例の面発光型半導体レーザ１００について、シミュレーションで求めた出力パワーの注入電流依存性を示す図である。
【図１２】比較例の面発光型半導体レーザ面発光型半導体レーザ１００Ｐについて、シミュレーションで求めた出力パワーの電流依存性を示す図である。
【図１３】変形例に係るトンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗の位置依存性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、実施の形態に係る面発光型半導体レーザについて、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００２３】
図１は、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの主要部の断面を示す図であり、図２は、本実施形態に係る面発光型半導体レーザの上面図である。図１は、図２のＩ−Ｉ線に沿った面発光型半導体レーザの断面を示している。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００は、半導体基板１と、半導体基板１の主面１Ｓ上に設けられた下部分布ブラッグリフレクタ（以下、「下部ＤＢＲ」とする）３と、下部ＤＢＲ３上に設けられた下部スペーサ層５と、下部スペーサ層５上に設けられた活性層７と、活性層７上に設けられた第１上部スペーサ層９と、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの一部上に設けられたトンネル接合領域ＴＪと、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むようにトンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に設けられた第２上部スペーサ層１５と、第２上部スペーサ層１５上に設けられたコンタクト層１７と、コンタクト層１７を介して第２上部スペーサ層１５の一部上に設けられた上部分布ブラッグリフレクタ（以下、「上部ＤＢＲ」とする）１９と、コンタクト層１７を介して第２上部スペーサ層１５の他の一部上に設けられた上部電極２１と、半導体基板１の裏面１Ｂ上に設けられた下部電極２３と、を備えている。
【００２５】
半導体基板１は、第１導電型であるｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。半導体基板１は、例えば板状の部材であり、略平坦な主面１Ｓ及び裏面１Ｂを有する。以下で詳細に説明する下部ＤＢＲ３から上部ＤＢＲ１９までの各層は、半導体基板１の主面１Ｓ上に、当該主面１Ｓと直交する方向に沿って積層されている。
【００２６】
下部ＤＢＲ３は、ｎ型の半導体からなる。具体的には、下部ＤＢＲ３は、交互に配列された複数の第１半導体層３ａ及び第２半導体層３ｂを含む。第１半導体層３ａの屈折率は第２半導体層３ｂの屈折率よりも大きい。また、各第１半導体層３ａは略同一の厚さを有し、各第２半導体層３ｂは略同一の厚さを有する。
【００２７】
そのため、下部ＤＢＲ３の屈折率は、主面１Ｓと直交する方向（以下、「積層方向」と言う場合がある）に沿って周期的に変化する。第１半導体層３ａは、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第２半導体層３ｂは、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。下部ＤＢＲ３が有する第１半導体層３ａと第２半導体層３ｂとの組数は、図１においては２組となっているが、特に制限されず、例えば、４０組とすることができる。下部ＤＢＲ３のキャリア密度は、例えば、８×１０１７ｃｍ−３とすることができる。
【００２８】
下部スペーサ層５は、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。下部スペーサ層５の厚さは、例えば、２００ｎｍとすることができる。下部スペーサ層５のキャリア密度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３とすることができる。
【００２９】
活性層７は、例えば量子井戸構造を有しており、交互に配列された井戸層及び障壁層を含む。活性層７を構成する半導体としては、例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ等のノンドープのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を挙げることができる。
【００３０】
第１上部スペーサ層９は、第２導電型であるｐ型の半導体材料からなり、例えば、亜鉛（Ｚｎ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１上部スペーサ層９の厚さは、例えば、１００ｎｍとすることができる。第１上部スペーサ層９のキャリア密度は、例えば、７×１０１７ｃｍ−３とすることができる。また、第１上部スペーサ層９は、略平坦な上面９Ｓを有する。
【００３１】
また、図１及び図２に示すように、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓは、第１領域９Ｓ１と、第２領域９Ｓ２と、第３領域９Ｓ３と、からなる。本実施形態においては、第１領域９Ｓ１は、積層方向から見て、円形である。第２領域９Ｓ２は、積層方向から見て、第１領域９Ｓ１を囲んでおり、本実施形態においては、環状である。第３領域９Ｓ３は、積層方向から見て第２領域９Ｓ２を囲んでおり、本実施系形態においては、上面９Ｓのうち、第１領域９Ｓ１と第２領域９Ｓ２以外の領域である。
【００３２】
トンネル接合領域ＴＪは、活性層７に流れる電流を狭窄するために、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの一部上（本実施形態では、第１領域９Ｓ１及び第２領域９Ｓ２上）に設けられている。本実施形態のトンネル接合領域ＴＪは、積層方向に突出するメサ形状を有しており、積層方向から見て円形である。
【００３３】
また、本実施形態のトンネル接合領域ＴＪは、第１領域９Ｓ１上に設けられた第１トンネル接合部１１と、第２領域９Ｓ２上に設けられた第２トンネル接合部１２と、からなる。第１トンネル接合部１１は、積層方向に突出するメサ形状を有しており、第１領域９Ｓ１と同様に積層方向から見て円形である。第２トンネル接合部１２は、第１トンネル接合部１１と略同じ高さだけ積層方向に突出している。また、第２トンネル接合部１２は、積層方向から見て、第１トンネル接合部１１の側面と接するように当該第１トンネル接合部１１を囲んでおり、第２領域９Ｓ２と同様に環状である。
【００３４】
また、第１トンネル接合部１１は、第１ｐ型半導体層１１Ａと、第１ｎ型半導体層１１Ｂとからなる。第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第１ｎ型半導体層１１Ｂは、この順に第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第１領域９Ｓ１上に積層されている。また、第２トンネル接合部１２は、第２ｐ型半導体層１２Ａと、第２ｎ型半導体層１２Ｂとからなる。第２ｐ型半導体層１２Ａ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは、この順に第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第２領域９Ｓ２上に積層されている。第１ｐ型半導体層１１Ａの側面は、第２ｐ型半導体層１２Ａの側面と接しており、第１ｎ型半導体層１１Ｂの側面は、第２ｎ型半導体層１２Ｂの側面と接している。
【００３５】
第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第２ｐ型半導体層１２Ａは、それぞれ、第１上部スペーサ層９よりもキャリア濃度が高くなるように、高濃度（例えば、１×１０１９ｃｍ−３）にｐ型不純物（例えば、炭素（Ｃ））がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１ｎ型半導体層１１Ｂ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは、それぞれ第２上部スペーサ層１５よりもキャリア濃度が高くなるように、高濃度（例えば、７×１０１８ｃｍ−３）にｎ型不純物（例えば、シリコン（Ｓｉ））がドープされたＡｌＧａＩｎＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。
【００３６】
第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第１ｎ型半導体層１１Ｂは、これらの界面においてトンネル接合１１Ｔを構成し、第２ｐ型半導体層１２Ａ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは、これらの界面においてトンネル接合１２Ｔを構成する。即ち、第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第１ｎ型半導体層１１Ｂ間に電圧を印加することにより、これらの界面を通過するように積層方向にトンネル電流を流すことが可能であり、同様に、第２ｐ型半導体層１２Ａ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂ間に電圧を印加することにより、これらの界面を通過するように積層方向にトンネル電流を流すことが可能である。
【００３７】
本実施形態では、第１ｐ型半導体層１１Ａ及び第２ｐ型半導体層１２Ａは略同一の厚さを有し、これらの厚さは、例えば５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることができる。また、本実施形態では第１ｎ型半導体層１１Ｂ及び第２ｎ型半導体層１２Ｂは略同一の厚さを有し、これらの厚さは、例えば５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることができる。
【００３８】
また、積層方向から見た場合の第１トンネル接合部１１の直径Ｗ１１（即ち、第２トンネル接合部１２の内径）は、例えば、３μｍ以上、７μｍ以下とすることができる。第２トンネル接合部１２の外径Ｗ１２は、例えば、４μｍ以上、１２μｍ以下とすることができる。
【００３９】
また、以下に詳細に説明するように、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少する。ここで、「トンネル接合領域ＴＪの単位面積」とは、積層方向と直交する平面におけるトンネル接合領域ＴＪの単位面積、即ち、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの単位面積を意味する。
【００４０】
図３は、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗の位置依存性を示す図である。横軸は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪにおける位置を示し、縦軸は当該位置に対応するトンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗を示している。図３に示すように、本実施形態においては、第１トンネル接合部１１における単位面積当たりのトンネル抵抗は略一定であり、同様に、第２トンネル接合部１２における単位面積当たりのトンネル抵抗は略一定である。また、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低い。
【００４１】
これにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２の境界部において段階的に変化する。そのため、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって（本実施形態においては、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの中心ＣＴＪからトンネル接合領域ＴＪの外縁ＥＴＪに向かって）、段階的に減少する。
【００４２】
第１トンネル接合部１１におけるトンネル抵抗は、例えば、３０Ω以上、５０Ω以下とすることができ、第１トンネル接合部１１における単位面積当たりのトンネル抵抗は、例えば、１．３０Ω／ｕｍ２以上、４．２４Ω／ｕｍ２以下とすることができる。また、第２トンネル接合部１２におけるトンネル抵抗は、例えば、１０Ω以上、４０Ω以下とすることができ、第２トンネル接合部１２における単位面積当たりのトンネル抵抗は、例えば、０．５４Ω／ｕｍ２以上、１．８２Ω／ｕｍ２以下とすることができる。
【００４３】
上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の例として、トンネル接合領域ＴＪを化合物半導体で構成すると共に、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に減少するように、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に変化させる方法が挙げられる。
【００４４】
より具体的には、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２を同種の化合物半導体で構成する。そして、第２トンネル接合部１２のバンドギャップが第１トンネル接合部１１のバンドギャップよりも小さくなるように（即ち、第２トンネル接合部１２のバンドギャップ波長が第１トンネル接合部１１のバンドギャップ波長よりも大きくなるように）、第１トンネル接合部１１を構成する化合物半導体の組成比と、第２トンネル接合部１２を構成する化合物半導体の組成比を、それぞれ調節する。（例えば、第１トンネル接合部１１のバンドギャップ波長が１２００ｎｍ、第２トンネル接合部１２のバンドギャップ波長が１３００ｎｍとなるように第１トンネル接合部１１及び第２トンネル接合部１２の組成比と調節する。）。これにより、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗を、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも小さくすることができるため、上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現することができる。
【００４５】
このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００４６】
また、上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の他の例として、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少するように、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に変化させる方法が挙げられる。
【００４７】
より具体的には、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２を同種又は異種の半導体で構成する。そして、第２トンネル接合部１２の導電率が第１トンネル接合部１１の導電率よりも小さくなるように、第１トンネル接合部１１にドープするキャリア濃度と、第２トンネル接合部１２にドープするキャリア濃度を、それぞれ調節する。これにより、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗を、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも小さくすることができるため、上述のようなトンネル接合領域ＴＪを実現することができる。
【００４８】
このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００４９】
図１及び図２を再び参照し、面発光型半導体レーザ１００の他の要素について説明する。図１に示すように、第２上部スペーサ層１５は、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むようにトンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に設けられている。第２上部スペーサ層１５は、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＩｎＰ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。第１上部スペーサ層９の上面９Ｓを基準とした第２上部スペーサ層１５の厚さは、例えば、２６０ｎｍとすることができる。下部スペーサ層５のキャリア密度は、例えば、５×１０１７ｃｍ−３とすることができる。
【００５０】
コンタクト層１７は、ｎ型の半導体材料からなり、例えば、ｎ型不純物がドープされたＩｎＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる。なお、面発光型半導体レーザ１００はコンタクト層１７を備えていなくてもよい。
【００５１】
第２上部スペーサ層１５上には、上部ＤＢＲ１９及び上部電極２１が設けられている。半導体基板１の裏面１Ｂには、下部電極２３が設けられている。上部電極２１は上部電極２１とオーミック接触する。コンタクト層１７が存在しない場合、上部電極２１は第２上部スペーサ層１５上に設けられる。また、上部電極２１は、トンネル接合領域ＴＪの上方に開口２１Ｈを有する。本実施形態では、積層方向から見て開口２１Ｈは円形であり、トンネル接合領域ＴＪは開口２１Ｈ内に含まれる。
【００５２】
上部ＤＢＲ１９は、上部電極２１の開口２１Ｈを介してコンタクト層１７と接している。コンタクト層１７が存在しない場合、上部ＤＢＲ１９は、上部電極２１の開口２１Ｈを介して第２上部スペーサ層１５と接する。
【００５３】
上部ＤＢＲ１９の屈折率は、積層方向に沿って周期的に変化する。上部ＤＢＲ１９は、交互に配列された複数の第１誘電体層１９ａ及び第２誘電体層１９ｂを含む。第１誘電体層１９ａの屈折率は第２誘電体層１９ｂの屈折率よりも大きい。また、各第１誘電体層１９ａは略同一の厚さを有し、各第２誘電体層１９ｂは略同一の厚さを有する。第１誘電体層１９ａは、例えば、ＳｉＯ２等の誘電材料からなり、第２誘電体層１９ｂは、例えば、ＴｉＯ２等の誘電材料からなる。
【００５４】
また、図２に示すように、第２上部スペーサ層１５上には、上部電極２１と離間して設けられた金属材料からなる電極パッド３１と、上部電極２１と電極パッド３１とを電気的に接続するための金属材料からなる接続部材３３と、が設けられている。
【００５５】
面発光型半導体レーザ１００を動作させる際には、電極パッド３１を介して上部電極２１に正電圧を印加すると共に、下部電極２３に負電圧を印加する。すると、第２上部スペーサ層１５と第１上部スペーサ層９との間に逆バイアスが印加されるため、第１上部スペーサ層９と第２上部スペーサ層１５とが直接接触する界面（第１上部スペーサ層９の第３領域９Ｓ３と第２上部スペーサ層１５とが直接接触する界面）は、キャリアが通過できない。
【００５６】
それに対して、トンネル接合領域ＴＪの第１トンネル接合部１１及び第２トンネル接合部１２は、トンネル接合１１Ｔ及びトンネル接合１２Ｔを構成するため、トンネル接合領域ＴＪを介してキャリアは第１上部スペーサ層９及び第２上部スペーサ層１５間を移動することができる。これにより、トンネル接合領域ＴＪによって狭窄された電流が活性層７に注入され、再結合により光が生じる。当該光は、下部ＤＢＲ３と上部ＤＢＲ１９の機能によって積層方向に沿って共振し、上部ＤＢＲ１９を介して外部にレーザ光が出力される。
【００５７】
次に、上述のような面発光型半導体レーザ１００の製造方法の一例について説明する。図４〜図９は、本実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法を説明するための断面図である。
【００５８】
本実施形態の面発光型半導体レーザ１００の製造においては、面発光型半導体レーザ１００が備える各半導体層は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法あるいは有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により成長される。
【００５９】
まず、図４に示すように、半導体基板１の主面１Ｓ上に、例えば、下部ＤＢＲ３、下部スペーサ層５、活性層７、第１上部スペーサ層９、及び、半導体積層１１Ｘをこの順に形成する。半導体積層１１Ｘは、第１トンネル接合部１１となるべき要素であり、第１ｐ型半導体層１１Ａとなるべき半導体層１１ＡＸと、第１ｎ型半導体層１１Ｂとなるべき半導体層１１ＢＸと、からなる（図１参照）。
【００６０】
次に、図５に示すように、半導体積層１１Ｘのうち、第１トンネル接合部１１となるべき領域（第１領域９Ｓ１上の領域）を絶縁材料からなるマスクで覆い、当該マスクを用いて半導体積層１１Ｘをエッチングすることにより、第１トンネル接合部１１を形成する。
【００６１】
そして、図６に示すように、第１トンネル接合部１１の形成のために用いた上記マスクを選択成長マスクとして用いて、第１トンネル接合部１１を埋め込むように、第１上部スペーサ層９の第２領域９Ｓ２及び第３領域９Ｓ３上に半導体積層１２Ｘを形成する。半導体積層１２Ｘは、第２トンネル接合部１２となるべき要素であり、第２ｐ型半導体層１２Ａとなるべき半導体層１２ＡＸと、第２ｎ型半導体層１２Ｂとなるべき半導体層１２ＢＸと、からなる。
【００６２】
続いて、図７に示すように、第１トンネル接合部１１の形成のために用いた上記マスクを除去した後に、第１トンネル接合部１１及び半導体積層１２Ｘのうち、トンネル接合領域ＴＪとなるべき領域（第２領域９Ｓ２及び第３領域９Ｓ３上の領域）を絶縁材料からなるマスクで覆い、当該マスクを用いて半導体積層１２Ｘをエッチングすることにより、第２トンネル接合部１２を形成する。これにより、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２とからなるトンネル接合領域ＴＪが形成される。
【００６３】
次に、図８に示すように、トンネル接合領域ＴＪを埋め込むように、トンネル接合領域ＴＪ上及び第１上部スペーサ層９上に第２上部スペーサ層１５を形成し、第２上部スペーサ層１５上にコンタクト層１７を形成する。
【００６４】
そして、図９に示すように、コンタクト層１７上に上部ＤＢＲ１９及び上部電極２１を形成し、その後、電極パッド３１と接続部材３３（図２参照）を形成することにより、本実施形態のトンネル接合型の面発光型半導体レーザ１００が得られる。
【００６５】
上述のような本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００においては、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、半導体基板１の主面１Ｓと直交する方向（積層方向）から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少する（図１及び図３参照）。そのため、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００を低電流で発振させた場合、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域ＴＪの中央部付近（上述の実施形態では、第１トンネル接合部１１付近）に流れるキャリアの量は相対的に減少すると共に、単位面積当たりのトンネル抵抗が低いトンネル接合領域ＴＪの周縁部付近（上述の実施形態では、第２トンネル接合部１２付近）に流れるキャリアの量は相対的に増加する（図１及び図３参照）。
【００６６】
そのため、トンネル接合領域ＴＪの中央部付近に光強度ピークを有する基本横モード（ＬＰ０１モード）の利得を相対的に抑制しつつ、トンネル接合領域の周縁部付近に光強度ピークを有する高次横モード（ＬＰ１１モード、ＬＰ１２モード）の利得を相対的に高くすることができる。そのため、基本横モードと当該高次横モードとで同時に発振させることができる。
【００６７】
また、本実施形態の面発光型半導体レーザ１００を高電流で発振させた場合、単位面積当たりのトンネル抵抗が高いトンネル接合領域ＴＪの中央部付近（上述の実施形態では、第１トンネル接合部１１付近）に流れるキャリアの量が増加するため、トンネル接合領域ＴＪの中央部付近に光強度ピークを有する基本横モード（ＬＰ０１モード）の利得や、トンネル接合領域ＴＪの中央部付近に光強度ピークを有する高次横モード（ＬＰ０２モード）の利得が高くなる。そのため、基本横モードや当該高次横モードでも安定して発振が続く。
【００６８】
これにより、本実施形態に係るトンネル接合型の面発光型半導体レーザ１００によれば、従来の面発光型半導体レーザにおける場合と比較して、注入電流の大きさを変化させても、全光出力における各横モード（ＬＰ０１モード、ＬＰ１１モード、ＬＰ１２モード、ＬＰ０２モード）の出力の割合の変動を抑制することが可能となる。
【００６９】
さらに、本実施形態に係る面発光型半導体レーザ１００においては、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓは、第１領域９Ｓ１と、当該第１領域９Ｓ１を囲む第２領域９Ｓ２と、を有し、トンネル接合領域ＴＪは、第１領域９Ｓ１上に設けられた第１トンネル接合部１１と、第２領域９Ｓ２上に設けられた第２トンネル接合部１２と、を有し、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低い（図１及び図３参照）。
【００７０】
これにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２の境界部において段階的に変化する（図３参照）。そのため、このような第１トンネル接合部１１と第２トンネル接合部１２を形成することにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗が、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって段階的に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００７１】
次に、実施例及び比較例について行ったシミュレーション結果について説明する。まず、実施例の面発光型半導体レーザとして、図１に示す面発光型半導体レーザ１００を用意した。第１トンネル接合部１１の直径Ｗ１１を５μｍ、第２トンネル接合部１２の内径を５μｍ、及び、第２トンネル接合部１２の外径を８μｍとした。第１トンネル接合部１１のトンネル抵抗を３０Ωとした。そのため、第１トンネル接合部１１の単位面積当たりのトンネル抵抗は、１．５３Ω／ｕｍ２となった。第２トンネル接合部１２のトンネル抵抗を１５Ωとした。そのため、第２トンネル接合部１２の単位面積当たりのトンネル抵抗は、０．４９Ω／ｕｍ２となった。
【００７２】
次に、比較例の面発光型半導体レーザを用意した。図１０は、比較例の面発光型半導体レーザを示す断面図である。図１０において、実施例の面発光型半導体レーザ１００と同一の要素には、同一の符号を付している。比較例の面発光型半導体レーザ１００Ｐは、トンネル接合領域の構成において、実施例の面発光型半導体レーザ１００と異なる。面発光型半導体レーザ１００Ｐのトンネル接合領域ＴＪＰは、積層方向から見て円形であり、ｐ型半導体層１１Ａｐと、ｎ型半導体層１１Ｂｐからなる。ｐ型半導体層１１Ａｐとｎ型半導体層１１Ｂｐは、トンネル接合１１Ｔｐを構成する。トンネル接合領域ＴＪＰの直径Ｗ１１ｐは、８μｍとした。トンネル接合領域ＴＪＰの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪＰの内側から外側に向かって略一定とし、３０Ωとした。
【００７３】
図１１は、実施例の面発光型半導体レーザ１００について、シミュレーションで求めた出力パワーの注入電流依存性を示す図であり、図１２は、比較例の面発光型半導体レーザ面発光型半導体レーザ１００Ｐについて、シミュレーションで求めた出力パワーの電流依存性を示す図である。また、図１１及び図１２では、各横モード（基本横モードであるＬＰ０１モード、高次横モードであるＬＰ１１モード、ＬＰ２１モード、ＬＰ０２モード）についての出力パワーと、全出力パワーＴ（各横モードでの出力パワーの合計値）を示している。
【００７４】
図１１に示されるように、実施例の面発光型半導体レーザ１００においては、低電流で発振している場合でも、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モードの両方で発振しており、ＬＰ２１モードとＬＰ０２モードでの発振も、比較的低い注入電流で生じている。その結果、実施例の面発光型半導体レーザ１００においては、注入電流の大きさが変化しても、全光出力Ｔにおける各横モードの出力の割合の変動が小さいことがわかった。
【００７５】
それに対して、図１２に示されるように、比較例の面発光型半導体レーザ１００Ｐにおいては、注入電流の大きさに依存して、一つの横モードでの発振が支配的となった。具体的には、低電流で発振している場合には、ＬＰ０１モードでの発振が支配的であり、注入電流が増加すると、ＬＰ０１モードでの発振が減少して、ＬＰ１１モードでの発振が支配的となり、さらに電流が増加すると、ＬＰ２１モードでの発振が支配的となり、さらにさらに電流が増加すると、ＬＰ０２モードでの発振が支配的となった。その結果、比較例の面発光型半導体レーザ１００Ｐにおいては、注入電流の大きさが変化すると、全光出力Ｔにおける各横モードの出力の割合の変動が大きいことがわかった。
【００７６】
本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
【００７７】
例えば、上述の実施形態においては、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少するが（図３参照）、図３に対応する図１３に示すように、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、単調に減少してもよい。これにより、トンネル接合領域の内側から外側に向かって電流分布が連続的に変化する。注入された電流は、レーザ発振のための利得に変換されるため、各横モードに対する利得をより均一にすることができる。
【００７８】
このような変形例に係るトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の例として、トンネル接合領域ＴＪを化合物半導体で構成すると共に、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するように、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に変化させることが挙げられる。
【００７９】
このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪの化合物半導体の組成比を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００８０】
また、上述の変形例に係るトンネル接合領域ＴＪを実現する方法の他の例として、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するように、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に変化させることが挙げられる。
【００８１】
このような方法を採用した場合、トンネル接合領域ＴＪにドープされているキャリア濃度を、当該トンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって所定の態様で変動させることにより、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗がトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって単調に減少するという態様を容易に実現することができる。
【００８２】
また、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に減少及び単調に減少してもよい。即ち、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、トンネル接合領域ＴＪの一部の領域において段階的に減少し、トンネル接合領域ＴＪの他の一部の領域において単調に減少してもよい。
【００８３】
また、上述の実施形態においては、積層方向から見て、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第１領域９Ｓ１及び第１トンネル接合部１１は円形であるが（図１及び図２参照）、これらの形状は、楕円や矩形であってもよい。その場合、積層方向から見て、第１上部スペーサ層９の上面９Ｓの第２領域９Ｓ２及び第２トンネル接合部１２の形状も、楕円の環状や矩形の環状とすることができる。
【００８４】
また、上述の実施形態においては、トンネル接合領域ＴＪの単位面積当たりのトンネル抵抗は、積層方向から見た場合のトンネル接合領域ＴＪの内側から外側に向かって、段階的に１回減少するが（図３参照）、２回以上段階的に減少してもよい。
【００８５】
また、上述の実施形態においては、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としているが（図１参照）、第１導電型がｐ型、第２導電型がｎ型であってもよい。即ち、面発光型半導体レーザ１００の各半導体層の導電型は、上述の実施形態における場合と逆であってもよい。ただし、上述の実施形態における場合のように第１導電型がｎ型、第２導電型がｐ型であると、面発光型半導体レーザ１００内でｐ型半導体からなる領域が減少し、高速動作が可能となるため好ましい。
【符号の説明】
【００８６】
１・・・半導体基板、３・・・下部ＤＢＲ、５・・・下部スペーサ層、７・・・活性層、９・・・第１上部スペーサ層、１１・・・第１トンネル接合部、１２・・・第２トンネル接合部、１９・・・上部ＤＢＲ、２１・・・上部電極、２３・・・下部電極、ＴＪ・・・トンネル接合領域。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部分布ブラッグリフレクタと、
前記下部分布ブラッグリフレクタ上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部スペーサ層と、
前記下部スペーサ層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第２導電型の半導体からなる第１上部スペーサ層と、
前記第１上部スペーサ層の上面の一部上に設けられたトンネル接合領域と、
前記トンネル接合領域を埋め込むように前記トンネル接合領域上及び前記第１上部スペーサ層上に設けられた、第２導電型の半導体からなる第２上部スペーサ層と、
前記第２上部スペーサ層上に設けられた上部分布ブラッグリフレクタと、
を備え、
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、前記半導体基板の前記主面と直交する方向から見た場合の前記トンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少することを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１上部スペーサ層の前記上面は、第１領域と、当該第１領域を囲む第２領域と、を有し、
前記トンネル接合領域は、前記第１領域上に設けられた第１トンネル接合部と、前記第２領域上に設けられた第２トンネル接合部と、を有し、
前記第２トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗は、前記第１トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、前記半導体基板の前記主面と直交する方向から見た場合の前記トンネル接合領域の内側から外側に向かって、単調に減少することを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記トンネル接合領域は化合物半導体からなり、
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗が前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、前記トンネル接合領域の前記化合物半導体の組成比は、前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗が前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、前記トンネル接合領域にドープされているキャリア濃度は、前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項１】
半導体基板の主面上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部分布ブラッグリフレクタと、
前記下部分布ブラッグリフレクタ上に設けられた第１導電型の半導体からなる下部スペーサ層と、
前記下部スペーサ層上に設けられた活性層と、
前記活性層上に設けられた第２導電型の半導体からなる第１上部スペーサ層と、
前記第１上部スペーサ層の上面の一部上に設けられたトンネル接合領域と、
前記トンネル接合領域を埋め込むように前記トンネル接合領域上及び前記第１上部スペーサ層上に設けられた、第２導電型の半導体からなる第２上部スペーサ層と、
前記第２上部スペーサ層上に設けられた上部分布ブラッグリフレクタと、
を備え、
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、前記半導体基板の前記主面と直交する方向から見た場合の前記トンネル接合領域の内側から外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少することを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１上部スペーサ層の前記上面は、第１領域と、当該第１領域を囲む第２領域と、を有し、
前記トンネル接合領域は、前記第１領域上に設けられた第１トンネル接合部と、前記第２領域上に設けられた第２トンネル接合部と、を有し、
前記第２トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗は、前記第１トンネル接合部の単位面積当たりのトンネル抵抗よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗は、前記半導体基板の前記主面と直交する方向から見た場合の前記トンネル接合領域の内側から外側に向かって、単調に減少することを特徴とする請求項１に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項４】
前記トンネル接合領域は化合物半導体からなり、
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗が前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、前記トンネル接合領域の前記化合物半導体の組成比は、前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項５】
前記トンネル接合領域の単位面積当たりのトンネル抵抗が前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に減少、及び／又は、単調に減少するように、前記トンネル接合領域にドープされているキャリア濃度は、前記トンネル接合領域の前記内側から前記外側に向かって、段階的に変化、及び／又は、単調に変化していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−２１１２７（Ｐ２０１３−２１１２７Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３１８９（Ｐ２０１１−１５３１８９）
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１１日（２０１１．７．１１）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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