JP2008235574A - 面発光半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体ＤＢＲに起因する低い放熱性を改善する面発光半導体レーザを提供する。
【解決手段】第１及び第２のIII−Ｖ化合物半導体層１５ａ、１５ｂはブラッグリフレクタ１３を構成する。活性層１７は、分布ブラッグリフレクタ１３と第２のブラッグリフレクタ１５との間に設けられる。接合領域１９はトンネル接合２３を有し、分布ブラッグリフレクタ１５と活性層１７との間に設けられる。接合領域１９は、ｎ型III−Ｖ化合物半導体層２５およびｐ型III−Ｖ化合物半導体層２７からなる。分布ブラッグリフレクタ１５は、第１の部分２９と第２の部分３１とを含む。第３及び第４のIII−Ｖ化合物半導体層２９ａ、２９ｂは、ブラッグリフレクタ１５の第１の部分２９を構成する。第１及び第２の誘電体層３１ａ、３１ｂは、ブラッグリフレクタ１５の第２の部分３１を構成する。第１の部分２９は、第２の部分３１と活性層１７との間に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、面発光半導体レーザに関する。

非特許文献１には、埋め込み型トンネル接合面発光レーザが記載されている。この面発光レーザは、ＩｎＰ基板上に設けられたＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ分布ブラッグリフレクタと、活性層と、トンネル接合を埋め込むためのｎ型ＩｎＰ層とを含み、またｎ型ＩｎＰ層上には、ａ−Ｓｉ／Ａｌ_２Ｏ_３から成る誘電体分布ブラッグリフレクタ（誘電体ＤＢＲ）が設けられている。
N. Nishiyama et al., Electronics Letters, vol.39, no.5, pp.437-439, 2003.

非特許文献１に記載された面発光レーザでは、誘電体ＤＢＲは熱伝導性が悪いので、動作中に生じた熱により素子温度が上昇する。この素子温度の上昇により、面発光レーザの出力飽和が生じる。

また、誘電体ＤＢＲに電流を流すことができないので、誘電体ＤＢＲを避けてｎ型ＩｎＰ層上に設けられたコンタクト層上に電極を設けている。電極からの電流は、ｎ型ＩｎＰ層を横方向に流れてトンネル接合を通過した後に活性層に到達するので、電流路が長くなり、電流路の全抵抗を小さくできない。一方、面発光レーザのしきい値を低減するには共振器長を短くする必要があるので、ｎ型ＩｎＰ層の膜厚を厚くするにも限界がある。また、トンネル接合を形成した後の成膜の際にトンネル接合に加えられる熱負荷によって、トンネル接合のドーパントが拡散する。この拡散のため、トンネル接合の電気的特性が劣化する。この点においても、ｎ型ＩｎＰ層の膜厚を増加することは好ましくない。いずれの場合も、素子における発熱を低減するために、ｎ型ＩｎＰ層の膜厚を増加して電極からトンネル接合への経路における抵抗を低くすることは好適な解決手段ではない。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、誘電体ＤＢＲに起因する低い放熱性を改善する面発光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面発光半導体レーザは、（ａ）交互に配置された第１のIII−Ｖ化合物半導体層および第２のIII−Ｖ化合物半導体層を含む第１の分布ブラッグリフレクタと、（ｂ）第２の分布ブラッグリフレクタと、（ｃ）前記第１の分布ブラッグリフレクタと前記第２のブラッグリフレクタとの間に設けられ、III−Ｖ化合物半導体からなる活性層と、（ｄ）トンネル接合を有しており、前記第２の分布ブラッグリフレクタと前記活性層との間に設けられた接合領域とを備え、前記第２の分布ブラッグリフレクタは、交互に配置された第３のIII−Ｖ化合物半導体層および第４のIII−Ｖ化合物半導体層を含む第１の部分と、交互に配置された第１の誘電体層および第２の誘電体層を含む第２の部分とを含み、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分は、前記第２の部分と前記活性層との間に位置する。

この面発光半導体レーザによれば、第２の分布ブラッグリフレクタの一部分が、交互に配置された第３のIII−Ｖ化合物半導体層および第４のIII−Ｖ化合物半導体層から成るので、全て誘電体から成る分布ブラッグリフレクタに比べて、熱伝導性に優れる。

本発明の面発光半導体レーザは、前記活性層と前記第２の分布ブラッグリフレクタとの間に設けられ第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなる第１のスペーサ層を更に備え、前記第１のスペーサ層は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有し、前記接合領域は、前記第１のスペーサ層の前記第１のエリアに位置し第１導電型III−Ｖ化合物半導体層および第２導電型III−Ｖ化合物半導体層からなるトンネルメサを成す。

この面発光半導体レーザによれば、トンネルメサにおいて、キャリアの変換（つまり、電子から正孔、或いは正孔から電子）が行われる。変換されたキャリアは、第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなる第１のスペーサ層を流れる。

本発明の面発光半導体レーザは、前記第１のスペーサ層と前記第２の分布ブラッグリフレクタとの間に設けられ第１導電型III−Ｖ化合物半導体からなる第２のスペーサ層を更に備え、前記第２のスペーサ層は前記トンネルメサの上面および側面を覆っており、前記第１のスペーサ層の前記第２のエリアは前記第２のスペーサ層と接合する。

この面発光半導体レーザによれば、第１のスペーサ層の第２のエリアと第２のスペーサ層との接合およびトンネルメサにより、電流の閉じ込めが可能になる。

本発明の面発光半導体レーザでは、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有し、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分は、前記第１のエリア上に位置する。

この面発光半導体レーザでは、第２の分布ブラッグリフレクタの第２の部分が、第２の分布ブラッグリフレクタの第１のエリア上に位置するので、第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分がより放熱に寄与できる。

本発明の面発光半導体レーザは、前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分の前記第２のエリア上に設けられた第１の電極を更に備えることができる。

この面発光半導体レーザによれば、第２のスペーサ層に加えて、第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分にも、第１の電極から接合領域に至る電流が流れる。第２のスペーサ層を厚くすることなく、第１の電極から接合領域に至る電流経路の抵抗を低減できる。

本発明の面発光半導体レーザでは、前記第３のIII−Ｖ化合物半導体層および第４のIII−Ｖ化合物半導体層には、第１導電型ドーパントが添加されている。

この面発光半導体レーザが、トンネル接合を有する接合領域を含むので、第２の分布ブラッグリフレクタにおける第３および第４のIII−Ｖ化合物半導体層には、第２導電型では無く第１導電型ドーパントが添加される。

本発明の面発光半導体レーザでは、前記第２のスペーサ層は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有し、前記第２の分布ブラッグリフレクタは、前記第２のスペーサ層の前記第１のエリア上に設けられている。当該面発光半導体レーザは、前記第２のスペーサ層の前記第２のエリア上に設けられた第１の電極を更に備える。

この面発光半導体レーザでは、第２の分布ブラッグリフレクタが第２のスペーサ層の第１のエリア上に位置するので、第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分が放熱に寄与できる。

本発明の面発光半導体レーザでは、前記第３のIII−Ｖ化合物半導体層および第４のIII−Ｖ化合物半導体層はアンドープである。この面発光半導体レーザによれば、第２の分布ブラッグリフレクタが第２のスペーサ層の第１のエリア上に位置するので、第２の分布ブラッグリフレクタには電流が流れない。これ故に、第３および第４のIII−Ｖ化合物半導体層をアンドープにすることにより不要な光吸収を避けることができる。

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、本発明によれば、誘電体ＤＢＲに起因する低い放熱性を改善できる面発光半導体レーザが提供される。

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、本発明の面発光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、本発明の実施の形態に係る面発光半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。面発光半導体レーザ１１は、第１の分布ブラッグリフレクタ１３と、第２の分布ブラッグリフレクタ１５と、活性層１７と、接合領域１９とを備える。第１の分布ブラッグリフレクタ１３は、複数の第１のIII−Ｖ化合物半導体層１３ａおよび複数の第２のIII−Ｖ化合物半導体層１３ｂを含む。第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層１３ａ、１３ｂは、ブラッグリフレクタを構成するように交互に配置されている。活性層１７は、第１の分布ブラッグリフレクタ１３と第２のブラッグリフレクタ１５との間に設けられており、またIII−Ｖ化合物半導体からなる。接合領域１９は、トンネル接合２３を有しており、第２の分布ブラッグリフレクタ１５と活性層１７との間に設けられている。接合領域１９は、第１導電型（例えばｎ型）III−Ｖ化合物半導体層２５および第２導電型（例えばｐ型）III−Ｖ化合物半導体層２７からなる。第２の分布ブラッグリフレクタ１５は、第１の部分２９と第２の部分３１とを含む。第１の部分２９は、複数の第３のIII−Ｖ化合物半導体層２９ａおよび複数の第４のIII−Ｖ化合物半導体層２９ｂを含む。第３および第４のIII−Ｖ化合物半導体層２９ａ、２９ｂは、ブラッグリフレクタを構成するように交互に配置されている。第２の部分３１は、複数の第１の誘電体層３１ａおよび複数の第２の誘電体層３１ｂを含む。第１および第２の誘電体層３１ａ、３１ｂは、ブラッグリフレクタを構成するように交互に配置されている。第２の分布ブラッグリフレクタ１５において、第１および第２の部分２９、３１は、ブラッグリフレクタを構成するように配置されている。第１の部分２９は、第２の部分３１と活性層１７との間に位置する。

分布ブラッグリフレクタ１５の半導体積層の熱伝導は、分布ブラッグリフレクタ１５の誘電体積層の熱伝導より良好である。この面発光半導体レーザ１１では、第２の分布ブラッグリフレクタ１５の一部分がIII−Ｖ化合物半導体層２９ａ、２９ｂから成るので、全て誘電体から成る分布ブラッグリフレクタに比べて、熱伝導性に優れる。

活性層１７は、例えば量子井戸構造、バルク構造等を有することができる。活性層１７が量子井戸構造を有する場合には、量子井戸構造は井戸層１７ａおよび障壁層１７ｂを含む。障壁層１７ｂの間には井戸層１７ａが位置する。

第１および第２の分布ブラッグリフレクタ１３、１５が光共振器を構成する。活性層１７は、第１および第２の分布ブラッグリフレクタ１３、１５の間に設けられており、活性層１７からの光は第１および第２の分布ブラッグリフレクタ１３、１５によって反射され、レーザ発振が生じる。レーザ光Ｌは波長λを有する。光共振器長は、例えばレーザ発振波長λを共振器の等価屈折率で割った大きさに等しくすることが好ましい。トンネル接合２３がレーザ光Ｌの電界の節になるように、トンネル接合２３の位置を設定する。これによって、光のドーパント濃度が大きい接合領域１９による吸収を最小限にとどめる。また、活性層１７がレーザ光の電界の腹になるように、活性層１７の位置を設置する。これによって、利得を増大させる。

面発光半導体レーザ１１は第１のスペーサ層３３を更に備えることができる。第１のスペーサ層３３は、第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなる。また、第１のスペーサ層３３は、活性層１７と第２の分布ブラッグリフレクタ１５との間に設けられる。第１のスペーサ層３３は主面３３ａを有し、主面３３ａは第１のエリア３３ｂおよび第２のエリア３３ｃを含む。第２のエリア３３ｃは第１のエリア３３ｂを囲む。接合領域１９は、第１のスペーサ層３３の第１のエリア３３ｂに位置するトンネルメサ３２を成す。

この面発光半導体レーザ１１によれば、トンネルメサ３２において、キャリアの変換が（つまり、電子から正孔、或いは正孔から電子）が行われる。変換されたキャリアは、第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなる第１のスペーサ層３３を流れる。

面発光半導体レーザ１１は、第２のスペーサ層３５を更に備えることができる。第２のスペーサ層３５は、第１のスペーサ層３３と第２の分布ブラッグリフレクタ１５との間に設けられる。また、第２のスペーサ層３５は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体からなる。第２のスペーサ層３５がトンネルメサ３２の上面および側面を覆っている。第１のスペーサ層３３の第２のエリア３３ｃは第２のスペーサ層３５とｐｎ接合３７を形成する。

この面発光半導体レーザ１１によれば、第１のスペーサ層３３の第２のエリア３３ｃと第２のスペーサ層３５との接合３７およびトンネルメサ３２により、電流の閉じ込めが可能になる。

面発光半導体レーザ１１では、第２の分布ブラッグリフレクタ１５の第１の部分２９は主面２９ｃを有し、主面２９ｃは、第１のエリア２９ｄと第２のエリア２９ｅとを含む。第２のエリア２９ｅは、第１のエリア２９ｄを囲む。第２の分布ブラッグリフレクタ１５の第２の部分３１は、第１のエリア２９ｄ上に位置する。

この面発光半導体レーザ１１では、第２の分布ブラッグリフレクタ１５の第２の部分３１が、主面２９ｃの全体ではなく第１のエリア２９ｄ上に位置するので、第１の部分２９がより放熱に寄与できる。また、第１の部分２９は、第２のスペーサ層３５の上面の全体を覆っている。このため、トンネルメサ３２へ提供されるキャリアは、第２の分布ブラッグリフレクタ１５の第１の部分２９および第２のスペーサ層３５を流れる。

第１の分布ブラッグリフレクタ１３、活性層１７、並びに第２の分布ブラッグリフレクタ１５の第１及び第２の部分２９、３１は、所定の軸Ａｘ上に配列されており、第２の部分３１の底面積は接合領域１９の底面積よりも大きく、接合領域１９により電流の狭窄が行われる。第２の部分３１およびトンネルメサ３２のサイズにより、横モードの調整が行われる。

面発光半導体レーザ１１は、第１の部分２９の第２のエリア２９ｅ上に設けられた第１の電極３９を更に備えることができる。

この面発光半導体レーザ１１によれば、第２のスペーサ層３５だけでなく、第２の分布ブラッグリフレクタ１５の第１の部分２９にも、第１の電極３９から接合領域１９に至る電流が流れる。第２のスペーサ層３５を厚くすることなく、第１の電極３９から接合領域１９に至る電流経路の抵抗を低減できる。

面発光半導体レーザ１１は、第１のブラッグリフレクタ１３と活性層１７との間に設けられた第３のスペーサ層４１を含むことができる。第３のスペーサ層４１は第１導電型III−Ｖ化合物半導体からなる。第３のスペーサ層４１は、活性層に一方のキャリア（例えば、電子）を供給すると共に、他方のキャリア（例えば、正孔）に対する障壁を提供する。また、第３のスペーサ層４１のキャリアを供給するために、第１および第２のIII−Ｖ化合物半導体層１３ａ、１３ｂは、第１導電型を有することが好ましい。さらに、第１のスペーサ層３３は第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなるので、第１のスペーサ層３３は、活性層に他方のキャリア（例えば、正孔）を提供すると共に、一方のキャリア（例えば、電子）に対する障壁を提供する。

面発光半導体レーザ１１は、基板４３を備える。基板４３は、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰといった半導体基板であることができる。基板４３の主面４３ａ上には、第１のブラッグリフレクタ１３等の半導体積層が搭載されている。基板４３の裏面４３ｂ上には、第２の電極４５が設けられている。一例の面発光半導体レーザ１１では、第１の電極３９はアノードであり、第２の電極４５はカソードである。

この面発光半導体レーザ１１が、トンネル接合２３を有する接合領域１９を含むので、第３のおよび第４のIII−Ｖ化合物半導体層に２９ａ、２９ｂは、第２導電型では無く第１導電型ドーパントが添加されている。

（実施例１）
引き続き実施例について説明する。まず、トンネル接合の特性の熱耐性を調べるために、以下の実験を行った。結晶成長は、例えば有機金属気相成長法で行うことができる。ｐ型ＧａＡｓ基板の主面上に炭素（Ｃ）添加ＧａＡｓ、トンネル接合を含む接合領域、シリコン（Ｓｉ）添加ＧａＡｓを順に成長した。トンネル接合は、高濃度ｐ型層として炭素添加Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓと高濃度ｎ型層としてシリコン添加Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓとから構成される。トンネル接合の正孔および電子濃度は、それぞれ、５×１０^１９ｃｍ^−３、５×１０^１８ｃｍ^−３である。接合領域上にＳｉＯ_２膜をスパッタリング法で形成する。直径５μｍの円形の開口をウエットエッチングにより形成した後に、ｎ電極を形成した。ＧａＡｓ基板の裏面にはｐ電極を全面に形成した。

トンネル接合成長後の成長によってトンネル接合の特性が変化する様子を調べるために、第１の実験を行った。摂氏５００度、摂氏５５０度、摂氏６００度、摂氏６５０度、摂氏７００度の成長温度、２時間の成長時間でＳｉ添加ＧａＡｓを成長し５種類の試料を作製した。

図２は、これら５種類の試料に対して測定された、トンネル接合の電流−抵抗（微分抵抗）特性を示す図面である。微分抵抗は印加電圧０Ｖ近傍での値である。図２の結果は、成長温度が高くなるにつれて微分抵抗が増加していることを示している。特に、摂氏６００度を超えると、微分抵抗の増加が顕著となる。なぜなら、トンネル接合への熱負荷が大きくなると、ドーパントがより拡散するからである。

上記の構造と同じデバイス構造を用いて別の実験を行った。摂氏６５０度および摂氏７００度の成長温度において、０．５時間、１時間、２時間、３時間の成長時間でＳｉ添加ＧａＡｓを成長し８種類の試料を作製した。

図３は、これら８種類の試料に対して測定された、トンネル接合の電流−抵抗（微分抵抗）特性を示す図面である。成長時間が長くなにつれて、微分抵抗が増加している。特に、１時間を超えると微分抵抗の増加が顕著となる。なぜなら、トンネル接合に対する熱負荷がかかる時間が長いほど、ドーパントがより拡散するからである。

（実施例２）
続いて、図４に示された面発光半導体レーザを製作した。ｎ型ＧａＡｓ基板５１上に分布ブラッグリフレクタ（第１のＤＢＲ）５３を作製する。第１のＤＢＲ５３は、３２対のＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを含む。これらの半導体層にはｎ型ドーパントのシリコンが添加されている。必要な場合には、スペーサ層５５としてシリコン添加のＧａＡｓを成長する。次いで、量子井戸構造の活性層５７を作製する。活性層５７は、３つのＩｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層とを含む。活性層５７上には、炭素添加のｐ型ＧａＡｓスペーサ層５９を成長する。ｐ型ＧａＡｓスペーサ層上には、トンネル接合用の半導体膜を成長する。トンネル接合領域は、炭素添加のＩｎＧａＡｓ（６１ａ）／シリコン添加のＩｎＧａＡｓ（６１ｂ）からなる高濃度ｐｎ接合ＴＪを含む。トンネル接合領域の成長温度は、例えば摂氏６００度である。これらの工程により成長されたエピタキシャルウエハをリアクタから取り出す。フォトリソグラフィを用いて、直径５μｍのレジストマスクを作製する。ウェットエッチングによりトンネル接合領域を除去して、直径５μｍのトンネル接合メサ６１を形成する。加工されたエピタキシャルウエハを洗浄した後にリアクタにセットする。シリコン添加ＧａＡｓのスペーサ層６３を摂氏５００度で成長する。次いで、分布ブラッグリフレクタ（半導体ＤＢＲ）６５ａを作製する。半導体ＤＢＲ６５ａは、８対のＧａＡｓ／Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓを含む。これらの半導体層にはｎ型ドーパントのシリコンが添加されている。ｎ型ＧａＡｓ基板５１の裏面上の全面に、電極６７を形成する。また、半導体ＤＢＲ６５ａ上に、直径１０μｍの円形開口を有する電極６９を形成する。円形開口は、光の通過のために設けられている。この後に、誘電体ＤＢＲ６５ｂを作製する。誘電体ＤＢＲ６５ｂは互いに屈折率の異なる２種類の誘電体層が交互に配列されている。誘電体ＤＢＲ６５ｂは、例えば２対のアモルファス・シリコン／Ａｌ_２Ｏ_３からなる。電極上の誘電体層はリフトオフにより除去される。半導体ＤＢＲ６５ａと誘電体ＤＢＲ６５ｂは第２のＤＢＲ６５を構成する。図４は、このデバイス構造（Ａ）を示しており、デバイス構造（Ａ）は、図１に示された面発光半導体レーザのために作製された。

誘電体ＤＢＲに替えて１４対の半導体ＤＢＲを形成し、全体で２２対の半導体ＤＢＲにより第２のＤＢＲ７１を構成した。図５（Ａ）は、第２のＤＢＲ半導体として誘電体ＤＢＲを用いないデバイス構造（Ｂ）を示す。

半導体ＤＢＲに替えて２対の誘電体層を形成し、全体で４対のアモルファス・シリコン／Ａｌ_２Ｏ_３からなる誘電体ＤＢＲにより第２のＤＢＲ７３を構成した。図５（Ｂ）は、第２のＤＢＲ半導体として半導体ＤＢＲを用いないデバイス構造（Ｃ）を示す。

３種類のデバイス構造（Ａ、Ｂ、Ｃ）において、光吸収を最小限にするために、トンネル接合ＴＪは電界の節に設置している。また、活性層は電界の腹に設置し、利得を最大にしている。共振器長は、レーザ発振波長λを共振器の等価屈折率で割った大きさに等しい。デバイス構造（Ａ、Ｂ、Ｃ）室温において測定された微分抵抗および最大光出力は、それぞれ、５０Ω／３ｍＷ、２００Ω／２ｍＷ、２５０Ω／１．５ｍＷであった。デバイス構造（Ａ）に比べてデバイス構造（Ｂ）の抵抗が高い。この理由は、第２のＤＢＲ（上部ＤＢＲ）を成長する時に、トンネル接合においてドーパントの拡散が生じたからである。デバイス構造（Ａ）の最大光出力よりも、デバイス構造（Ｂ）の最大光出力が低い。この理由としては、半導体ＤＢＲが光を吸収したこと、および高抵抗による熱でレーザ素子の温度が上昇して出力飽和を起こしたことが考えられる。デバイス構造（Ｃ）の微分抵抗が、デバイス構造（Ａ）およびデバイス構造（Ｂ）の微分抵抗に比べて高い。この理由は、トンネル接合上に薄いシリコン添加ＧａＡｓスペーサ層が設けられ、これにより横方向電流成分が増加したからである。デバイス構造（Ｃ）の最大光出力がデバイス構造（Ａ）およびデバイス構造（Ｂ）の最大光出力に比べて低い。この理由は、誘電体ＤＢＲの放熱性が悪いためレーザ素子の温度が上昇したので、光出力が飽和したからである。

これらの実験から、面発光半導体レーザの最大出力は素子の発熱による温度上昇によって制限されており、これを防ぐために低抵抗かつ放熱性の良好な（熱抵抗の低い）構造が必要であることが理解される。

図４に示されるデバイス構造（Ａ）は、半導体ＤＢＲの成長時間が短いので、トンネル接合におけるドーパントの拡散も少ない。また、トンネル接合領域を覆うシリコン添加ＧａＡｓスペーサ層と半導体ＤＢＲの両方を、電極からトンネル接合までの電流が流れる。このため、電流が流れる半導体層の膜厚が厚い。これ故に、横方向電流成分が少ない。さらに、半導体ＤＢＲにより、放熱性が改善され、この結果、出力飽和が抑制される。この結果、共振器長が短く、低抵抗と高出力動作との両立を実現できた。

（実施例３）
ＧａＡｓ基板だけでなく、ＩｎＰ基板上に面発光半導体レーザを作製した。ｎ型ＩｎＰ基板上に、４０対のＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰからなる第１のＤＢＲ、５つのＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層を含む量子井戸構造の活性層、炭素添加のＡｌＩｎＡｓスペーサ層、炭素添加のｐ型ＡｌＧａＩｎＡｓ／シリコン添加のｎ型ＡｌＧａＩｎＡｓからなる高濃度ｐｎ接合ＴＪを形成する。トンネル接合の成長温度は、摂氏５００度である。これらの工程により成長されたエピタキシャルウエハをリアクタから取り出す。フォトリソグラフィを用いて、直径５μｍのレジストマスクを作製する。ウェットエッチングによりトンネル接合領域を除去して、直径５μｍのトンネル接合メサを形成する。加工されたエピタキシャルウエハを洗浄した後にリアクタにセットする。次いで、シリコン添加ＩｎＰスペーサ層を摂氏５００度で成長する。この後に、摂氏６５０度で、８対のシリコン添加ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰからなる半導体ＤＢＲを作製する。これらの半導体層にはｎ型ドーパントのシリコンが添加されている。ｎ型ＩｎＰ基板の裏面上の全面に、電極を形成する。また、半導体ＤＢＲ上に、直径１０μｍの円形開口を有する電極を形成する。円形開口は、光の通過のために設けられている。この後に、誘電体ＤＢＲを作製する。誘電体ＤＢＲは互いに屈折率の異なる２種類の誘電体層が交互に配列されている。誘電体ＤＢＲは、例えば２対のアモルファス・シリコン／Ａｌ_２Ｏ_３からなる。電極上の誘電体層はリフトオフにより除去される。半導体ＤＢＲと誘電体ＤＢＲは第２のＤＢＲを構成する。図４は、このデバイス構造（Ａ）を示しており、デバイス構造（Ａ）は、図１に示された面発光半導体レーザのために作製された。実施例２と同様にして、半導体ＤＢＲのみを第２のＤＢＲの成長時間として含みＩｎＰ系半導体からなるデバイス構造（Ｂ）を作製すると共に、誘電体ＤＢＲのみを含みＩｎＰ系半導体からなるデバイス構造（Ｃ）を作製した。これらのデバイスにおいても、トンネル接合は電界の節に設置し、吸収を最小限にとどめている。活性層は電界の腹に設置し、利得を最大にしている。また共振器長は、レーザ発振波長λを共振器の等価屈折率で割った大きさに等しい。

これらＩｎＰ系面発光半導体レーザの特性はＧａＡｓ系面発光半導体レーザにおける結果と同様に、デバイス構造（Ａ）が最も優れた結果となった。

誘電体ＤＢＲの材料に関する実験も行った。高屈折率材料としてアモルファスシリコン、ＴｉＯ_２、 Ｔａ_２Ｏ_５、ＺｎＳと、低屈折率材料としてＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＦ_２との組み合わせを使用したデバイスにおいても、同様の結果が得られた。

面発光半導体レーザは、共振器長が短いほど光学的変調特性に優れる（つまり、高速変調が可能である）。また、微分抵抗が低いほど、電気的変調特性が優れる。デバイス構造（Ｂ）の場合、共振器長を短くできる構造を提供できるが、半導体ＤＢＲのために長時間成長が必要であり、この熱によってトンネル接合の抵抗が増加し、電気的変調特性が劣化する。また、半導体ＤＢＲにおける光吸収によって光出力が低下する。

デバイス構造（Ｃ）の場合は、トンネル接合の抵抗を増加させることなく共振器長を短くできる構造を提供可能である。しかしながら、誘電体ＤＢＲを迂回して電流を流す必要があるので、横方向電流成分によって素子の微分抵抗が増加する。これ故に、電気的変調特性が劣化する。また、微分抵抗を下げるために共振器長を長くすると、光学的変調特性が劣化する。さらに、誘電体ＤＢＲは放熱性が悪いので、光出力の飽和が生じる。

デバイス構造（Ａ）は、第２のＤＢＲの一部（半導体ＤＢＲ）に電流を流すことによって横方向電流成分を少なくして、素子抵抗を低くする。これに加えて、共振器長を短くできる。また、第２のＤＢＲの全てを半導体ＤＢＲにする構造に比べて、半導体の成長時間が短い。このため、トンネル接合の抵抗の上昇を抑制可能である。さらに、光共振器が半導体ＤＢＲと接しているので、放熱性が向上し、光出力の増加できる。加えて、半導体ＤＢＲと誘電体ＤＢＲを組み合わせることによって、半導体ＤＢＲによる光吸収を抑制できる。

したがって、デバイス構造（Ａ）の面発光半導体レーザは、高出力動作だけでなく、優れた光学的変調特性と電気的変調特性を同時に実現できる。

本実施の形態に係る面発光半導体レーザの構造は、デバイス構造（Ａ）に限定されることはない。図６は、変形例の面発光半導体レーザの構造を示す図面である。面発光半導体レーザ１１ａでは、第２のスペーサ層３５は主面３５ａを有し、主面３５ａは第１および第２のエリア３５ｂ、３５ｃを含む。第２のエリア３５ｃは、第１のエリア３５ｂを囲む。第２の分布ブラッグリフレクタ１６は、第２のスペーサ層３５の第１のエリア３５ａ上に設けられている。当該面発光半導体レーザ１１ａでは、第１の電極３９は、第２のスペーサ層３５の第２のエリア３５ｃ上に設けられている。

この面発光半導体レーザ１１ａでは、第２の分布ブラッグリフレクタ１６が第２のスペーサ層３５の第１のエリア３５ｂ上に位置するので、第２の分布ブラッグリフレクタ１６の第１の部分（半導体ＤＢＲ）３０が放熱に寄与できる。

第１の部分３０は、第３のIII−Ｖ化合物半導体層２９ａおよび第４のIII−Ｖ化合物半導体層２９ｂを含む。この面発光半導体レーザ１１ａによれば、第２の分布ブラッグリフレクタ３０が第２のスペーサ層３５の第１のエリア３５ｂ上に位置するので、第２の分布ブラッグリフレクタ３０には電流が流れない。これ故に、第３および第４のIII−Ｖ化合物半導体層２９ａ、２９ｂをアンドープにすることにより不要な光吸収を避けることができる。

面発光半導体レーザ１１ａでは、半導体ＤＢＲ（第１の部分３０）を迂回して電流を流す。共振器長は、レーザ発振波長λを共振器の等価屈折率で割った大きさであることができる。このデバイス構造（Ｄ）では、室温での微分抵抗および最大光出力は６０Ω／３ｍＷである。デバイス構造（Ｄ）の微分抵抗および最大光出力は、デバイス構造（Ｂ）およびデバイス構造（Ｃ）の微分抵抗および最大光出力よりも優れる。デバイス構造（Ｄ）の最大光出力がデバイス構造（Ｂ）の最大光出力よりも優れる理由は、トンネル接合の抵抗を低いからである。また、デバイス構造（Ｄ）の最大光出力がデバイス構造（Ｃ）の最大光出力よりも優れる理由は、低抵抗かつ放熱性が良好だからであるからである。共振器長が発振波長λを越える面発光半導体レーザにおいても、同様の結果である。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係る面発光半導体レーザの構造を概略的に示す図面である。 図２は、これら５種類の試料に対して測定された、トンネル接合の電流−微分抵抗特性（微分抵抗）を示す図面である。 図３は、これら８種類の試料に対して測定された、トンネル接合の電流−微分抵抗特性（微分抵抗）を示す図面である。 図４は、図１に示された面発光半導体レーザのために作製されたデバイス構造（Ａ）を示す図面である。 図５（Ａ）は、第２のＤＢＲ半導体として誘電体ＤＢＲを用いないデバイス構造（Ｂ）を示す。図５（Ｂ）は、第２のＤＢＲ半導体として半導体ＤＢＲを用いないデバイス構造（Ｃ）を示す図面である。 図６は、変形例の面発光半導体レーザの構造を示す図面である。

符号の説明

Ｌ…レーザ光、λ…レーザ光の波長、Ａｘ…所定の軸、１１、１１ａ…面発光半導体レーザ、１３…第１の分布ブラッグリフレクタ、１３ａ、１３ｂ…第１のIII−Ｖ化合物半導体層、１５、１６…第２の分布ブラッグリフレクタ、１７…活性層、１７ａ…井戸層、１７ｂ…障壁層、１９…接合領域、２３…トンネル接合、２５…接合領域の第１導電型III−Ｖ化合物半導体層、２７…接合領域の第２導電型III−Ｖ化合物半導体層、２９、３０…第２の分布ブラッグリフレクタの第１の部分、２９ａ、２９ｂ…ブラッグリフレクタIII−Ｖ化合物半導体層、２９ｃ…第１の部分の主面、２９ｄ、２９ｅ…第１の部分のエリア、３１…第２の分布ブラッグリフレクタの第２の部分、３１ａ、３１ｂ…ブラッグリフレクタの誘電体層、３２…トンネルメサ、３３…第１のスペーサ層、３３ａ…第１のスペーサ層の主面、３３ｂ、３３ｃ…第１のスペーサ層のエリア、３５…第２のスペーサ層、３７…ｐｎ接合、３９…第１の電極、４１…第３のスペーサ層、４３…基板、４３ａ…基板の主面、４３ｂ…基板の裏面、４５…第２の電極、５１…ｎ型ＧａＡｓ基板、５３…第１のＤＢＲ、５５…スペーサ層、５７…活性層、５９…ｐ型ＧａＡｓスペーサ層、ＴＪ…高濃度ｐｎ接合、６３…シリコン添加ＧａＡｓペーサ層、６５ａ…半導体ＤＢＲ、６５ｂ…誘電体ＤＢＲ、６７…電極、
７１…半導体ＤＢＲ、７３…誘電体ＤＢＲ

Claims (8)

1. 交互に配置された第１のIII−Ｖ化合物半導体層および第２のIII−Ｖ化合物半導体層を含む第１の分布ブラッグリフレクタと、
   第２の分布ブラッグリフレクタと、
   前記第１の分布ブラッグリフレクタと前記第２のブラッグリフレクタとの間に設けられ、III−Ｖ化合物半導体からなる活性層と、
   トンネル接合を有しており、前記第２の分布ブラッグリフレクタと前記活性層との間に設けられた接合領域と
   を備え、
   前記第２の分布ブラッグリフレクタは、交互に配置された第３のIII−Ｖ化合物半導体層および第４のIII−Ｖ化合物半導体層を含む第１の部分と、交互に配置された第１の誘電体層および第２の誘電体層を含む第２の部分とを含み、
   前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分は、前記第２の部分と前記活性層との間に位置する、ことを特徴とする面発光半導体レーザ。
2. 前記活性層と前記第２の分布ブラッグリフレクタとの間に設けられ第２導電型III−Ｖ化合物半導体からなる第１のスペーサ層を更に備え、
   前記第１のスペーサ層は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有し、
   前記接合領域は、第１導電型III−Ｖ化合物半導体層および第２導電型III−Ｖ化合物半導体層からなり前記第１のスペーサ層の前記第１のエリアに位置するトンネルメサを成す、ことを特徴とする請求項１に記載された面発光半導体レーザ。
3. 前記第１のスペーサ層と前記第２の分布ブラッグリフレクタとの間に設けられ第１導電型III−Ｖ化合物半導体からなる第２のスペーサ層を更に備え、
   前記第２のスペーサ層は前記トンネルメサの上面および側面を覆っており、
   前記第１のスペーサ層の前記第２のエリアは前記第２のスペーサ層と接合する、ことを特徴とする請求項２に記載された面発光半導体レーザ。
4. 前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有し、
   前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第２の部分は、前記第１のエリア上に位置する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された面発光半導体レーザ。
5. 前記第２の分布ブラッグリフレクタの前記第１の部分の前記第２のエリア上に設けられた第１の電極を更に備える、ことを特徴とする請求項４に記載された面発光半導体レーザ。
6. 前記第２のスペーサ層は、第１のエリアと該第１のエリアを囲む第２のエリアとを含む主面を有し、
   前記第２の分布ブラッグリフレクタは、前記第２のスペーサ層の前記第１のエリア上に設けられており、
   当該面発光半導体レーザは、前記第２のスペーサ層の前記第２のエリア上に設けられた第１の電極を更に備える、ことを特徴とする請求項３に記載された面発光半導体レーザ。
7. 前記第３のIII−Ｖ化合物半導体層および第４のIII−Ｖ化合物半導体層はアンドープである、ことを特徴とする請求項６に記載された面発光半導体レーザ。
8. 前記第３のIII−Ｖ化合物半導体層および第４のIII−Ｖ化合物半導体層には、第１導電型ドーパントが添加されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された面発光半導体レーザ。

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