JP2010225658A - 半導体レーザ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】抵抗が高くなってしまうことなく、トンネルジャンクションへの光の導波を抑制することができる半導体レーザ構造を提供すること。
【解決手段】（ａ）第１の導電型クラッド層２３、（ｂ）ガイド層１７、１９に挟まれた活性層２１、及び（ｃ）第２の導電型クラッド層１５を順に積層して成るレーザ構造単位５、７、９を複数備えるとともに、前記レーザ構造単位５、７の間に設けられたトンネルジャンクション９と、前記レーザ構造単位５、７と前記トンネルジャンクション９との間に設けられ、前記第１の導電型クラッド層２３及び前記第２の導電型クラッド層１５よりも屈折率が低い低屈折率層１１、１３と、を備えることを特徴とする半導体レーザ構造１。
【選択図】図３

Description

本発明は半導体レーザ構造に関する。

従来、高出力化のため、レーザ発光部を複数配置した半導体レーザ構造が提案されている。しかし、計測や光通信に用いる場合、レーザ発光部が複数存在すると、各レーザ発光部の位置ずれが計測精度を低下させたり、光ファイバへの結合損失を生じさせたりしてしまう。

そこで、発光層を含む半導体レーザ構造単位を、基板の膜厚方向に積層することにより、複数の発光層が近接する構造を形成することが提案されている。例えば、特開平９−９７９４３号公報（特許文献１）では、半導体レーザ構造単位を、はんだ層を介して重ね合わせている。この構造では、発光層を１０μm以下程度まで近接できる。しかし、積層する半導体レーザ構造単位は２つに限られる。

これに対し、複数の半導体レーザ構造単位を、トンネルジャンクションを介して積層する構造が特開平６−９００６３号公報（特許文献２）や特開２００８−４７６２７号公報（特許文献３）で提案されている。この構造では、順バイアスを印加すると、トンネルジャンクションに逆バイアスが印加され、トンネル電流が流れるため、各発光層にキャリアが注入され、レーザ発光が得られる。また、この構造では、トンネルジャンクションを介して数μm間隔で発光層を多段化することができる。このようなトンネルジャンクションには、バンドギャップが小さいこと、及び高濃度不純物ドープが必要となる。例えば、特開平６−９００６３号公報では、バンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓ層をトンネルジャンクションに用いており、キャリア濃度を1〜５０×１０¹⁸cm^-3としている。

特開平９−９７９４３号公報 特開平６−９００６３号公報 特開２００８−４７６２７号公報

このように不純物濃度が高くバンドギャップの小さいトンネルジャンクションは、発光層からの光を吸収してしまう。さらに、屈折率が大きいため、光が導波しやすく、吸収の影響を受けやすい。

トンネルジャンクションに光が導波しないようにするためには、活性層からトンネルジャンクションを遠ざけたり、クラッド層によりガイド層を挟みこんだSCHと呼ばれる光閉じ込め構造において、光閉じ込めを大きくすることが考えられる。

しかしながら、活性層からトンネルジャンクションを遠ざけた場合には、発光層同士を２μm以上離す必要があり、その場合は、厚膜化により抵抗が増加してしまう。
また、SCHにおいて光閉じ込めを大きくするためにはガイド層を充分に厚くする必要がある。必要なガイド層の厚さはガイド層の屈折率や光の波長によるが、例えば、１．５μmのＩｎＰ系レーザの場合、約３００ｎｍ以上のガイド層の厚さが必要となる。ガイド層はノンドープ層で形成することが望ましいので、このようにガイド層を厚くした場合には、抵抗が高くなってしまう。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、抵抗が高くなってしまうことなく、トンネルジャンクションへの光の導波を抑制することができる半導体レーザ構造を提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザ構造は、（ａ）第１の導電型クラッド層、（ｂ）ガイド層に挟まれた活性層、及び（ｃ）前記第１の導電型クラッド層とは反対の導電型である第２の導電型クラッド層を順に積層して成るレーザ構造単位を複数備える。また、本発明の半導体レーザ構造は、前記レーザ構造単位の間に設けられたトンネルジャンクションと、前記レーザ構造単位と前記トンネルジャンクションとの間に設けられ、前記第１の導電型クラッド層及び前記第２の導電型クラッド層よりも屈折率が低い低屈折率層とを備える。

本発明の半導体レーザ構造は、低屈折率層を備えることにより、トンネルジャンクションでの光の導波を減らし、光吸収による損失を抑制できる。
また、本発明の半導体レーザ構造は、あるレーザ構造単位のクラッド層を、隣接するレーザ構造単位におけるクラッド層の一部として利用できるため、各レーザ構造単位のクラッド層を薄膜化できる。そのため、異なるレーザ構造単位に属する活性層間の距離が大きくなってしまったり、抵抗が大きくなってしまうようなことがない。

前記低屈折率層は、トンネルジャンクションの両側に配置することが好ましい。こうすることにより、トンネルジャンクションの片側のみに低屈折率層を配置した場合に比べ、トンネルジャンクションでの光導波の抑制効果が一層大きい。このことは、シミュレーションにより確認できる。低屈折率層をトンネルジャンクションの両側に配置した場合と、トンネルジャンクションの片側のみに配置した場合とのそれぞれについて、半導体レーザ構造の各層における電界強度分布をシミュレーションした結果を図１に示す。図１に示すように、低屈折率層をトンネルジャンクションの両側に配置した場合の方が、トンネルジャンクションの片側のみに低屈折率層を配置した場合に比べ、トンネルジャンクションでの光導波の抑制効果が一層高い。

また、低屈折率層をトンネルジャンクションの両側に配置することで、それぞれのレーザ構造単位において、トンネルジャンクションでの光の導波を抑制できる。
低屈折率層は、クラッド層とトンネルジャンクションとの界面に配置することが好ましい。こうすることにより、例えば、クラッド層内に低屈折率層を配置した場合に比べ、トンネルジャンクションでの光導波の抑制効果が一層高い。このことは、シミュレーションにより確認できる。低屈折率層をクラッド層とトンネルジャンクションとの界面に配置した場合と、クラッド層内に配置した場合とのそれぞれについて、半導体レーザ構造の各層における電界強度分布をシミュレーションした結果を図２に示す。図２に示すように、低屈折率層をクラッド層とトンネルジャンクションとの界面に配置した場合の方が、クラッド層内に配置した場合に比べ、トンネルジャンクションでの光導波の抑制効果が一層高い。

前記低屈折率層は、隣接する前記第１の導電型クラッド層又は前記第２の導電型クラッド層と同一の導電型であることが好ましい。こうすることにより、電気抵抗増加の抑制効果が得られる。

トンネルジャンクションを介して対向する第１の導電型クラッド層と第２の導電型クラッド層とのうち、ｐ型であるクラッド層は、ｎ型であるクラッド層よりも薄いことが好ましい。ｐ型クラッド層は光を吸収しやすい性質を有するので、ｐ型クラッド層を薄くすることで、光吸収を抑制できる。なお、上記のようにｐ型クラッド層を薄くしても、トンネルジャンクションを介して対向する位置にある、ｐ型クラッド層よりも厚いｎ型クラッド層と、低屈折率層とにより、光導波を抑制できる。

前記トンネルジャンクションを介して対向する前記第１の導電型クラッド層と前記第２の導電型クラッド層とは、屈折率が実質的に同じであることが好ましい。こうすることにより、光導波の抑制効果が一層高い。

前記第１の導電型クラッド層がｐ型クラッド層である場合、前記第２の導電型クラッド層はｎ型クラッド層である。また、前記第１の導電型クラッド層がｎ型クラッド層である場合、前記第２の導電型クラッド層はｐ型クラッド層である。

前記低屈折率層としては、例えば、ＩｎＰから成るもの、ＡｌＡｓから成るものが挙げられる。

低屈折率層をトンネルジャンクションの両側に配置した場合と、トンネルジャンクションの片側のみに配置した場合とにおける電界強度分布のシミュレーション結果を表すグラフである。 低屈折率層をクラッド層とトンネルジャンクションとの界面に配置した場合と、クラッド層内に配置した場合とにおける電界強度分布のシミュレーション結果を表すグラフである。 スタック型半導体レーザ構造１の構成を表す断面図である。 Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓの屈折率のＡｌ組成依存性を表すグラフである。 Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_yＰ_1-yの屈折率のＩｎ組成依存性を表すグラフである。 低屈折率層がある場合と、低屈折率層が無い場合とにおける電界強度分布の実験結果を表すグラフである。 スタック型半導体レーザ構造１０１の構成を表す断面図である。 スタック型半導体レーザ構造１の構成を表す断面図である。 Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_yＰ_1-yの屈折率のＩｎ組成依存性を表すグラフである。 Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x―_yＡｓの屈折率のＩｎ組成依存性を表すグラフである。 低屈折率層がある場合と、低屈折率層が無い場合とにおける電界強度分布の実験結果を表すグラフである。 スタック型半導体レーザ構造１の構成を表す断面図である。 低屈折率層がある場合と、低屈折率層が無い場合とにおける電界強度分布の実験結果を表すグラフである。 スタック型半導体レーザ構造１０１の構成を表す断面図である。 スタック型半導体レーザ構造１０１の構成を表す断面図である。

本発明の実施形態を説明する。

１．スタック型半導体レーザ構造１の構成
スタック型半導体レーザ構造１の構成を図３に基づき説明する。
スタック型半導体レーザ構造１は、ｎ−ＧａＡｓから成る基板３上に、第１のレーザ構造単位５と、第２のレーザ構造単位７とが積層された構造を有する。

第１のレーザ構造単位５と、第２のレーザ構造単位７との間には、トンネルジャンクション９が設けられている。
また、第１のレーザ構造単位５と、トンネルジャンクション９との間には、ｐ−ＡｌＡｓから成り、厚さ５０ｎｍのｐ型低屈折率層１１が設けられ、トンネルジャンクション９と第２のレーザ構造単位７との間には、ｎ−ＡｌＡｓから成り、厚さ５０ｎｍのｎ型低屈折率層１３が設けられている。

上記第１のレーザ構造単位５は、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ１μmのｎ型クラッド層１５と、ＡｌＧａＡｓから成る活性層２１と、ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ１００ｎｍの一対のガイド層１７、１９と、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｐ型クラッド層２３とから成る。なお、ガイド層１７、１９は、活性層２１を両側から挟んでいる。

上記第２のレーザ構造単位７は、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｎ型クラッド層２５と、ＡｌＧａＡｓから成る活性層３１と、ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ１００ｎｍの一対のガイド層２７、２９と、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ１μmのｐ型クラッド層３３から成る。なお、ガイド層２７、２９は、活性層３１を両側から挟んでいる。

上記トンネルジャンクション９は、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度1×10¹⁹cm^-3のｐ++ＧａＡｓから成るｐ型トンネルジャンクション層３５と、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度5×10¹⁸cm^-3のn++ＧａＡｓから成るｎ型トンネルジャンクション層３７とから構成される。

ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３の屈折率をｎとする。ｐ型クラッド層２３及びｎ型クラッド層２５の屈折率をｎ_cladとする。ガイド層１７、１９、２７、２９の屈折率をｎ_guideとする。ｐ型トンネルジャンクション層３５及びｎ型トンネルジャンクション層３７の屈折率をｎ_tunnelとする。

上記の各屈折率の関係は、ｎ＜ｎ_clad＜ｎ_guide＜ｎ_tunnelとなる。なお、各屈折率の中で、ｎが最も低いことは、図４に示すＡｌ_xＧａ_1-xＡｓの組成と、屈折率との関係から裏付けられる。

スタック型半導体レーザ構造１において、ｐ型低屈折率層１１は、隣接するｐ型クラッド層２３と同一の導電型（ｐ）である。また、ｎ型低屈折率層１３は、隣接するｎ型クラッド層２５と同一の導電型（ｎ）である。

第１のレーザ構造単位５において、ｐ型クラッド層２３は、ｎ型クラッド層１５よりも薄い。トンネルジャンクション９を介して対向する前記ｐ型クラッド層２３と、ｎ型クラッド層２５とは、屈折率が同じである。

スタック型半導体レーザ構造１は、基板３の上に、上述した各層を、公知の方法で順次エピタキシャル成長させることで製造できる。なお、エピタキシャル成長法としては、液相エピタキシ（LPE：Liquid-Phase Epitaxy）、分子線エピタキシ（MBE：Molecular-Beam Epitaxy）、有機金属気相エピタキシ（MOCVD：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）等の方法を用いることができる。

２．スタック型半導体レーザ構造１が奏する効果
スタック型半導体レーザ構造１における光の電界強度分布を図６に示す。比較のため、基本的にはスタック型半導体レーザ構造１と同様の構成を備えるが、ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３を備えないスタック型半導体レーザ構造（図６では「低屈折率層なし」と表記）における光の電界強度分布も図６に示す。

スタック型半導体レーザ構造１では、トンネルジャンクション９に導波する光が抑制され、活性層２１で発生した光は、ガイド層１７、１９の内部に閉じ込められている。また、ｐ型クラッド層２３と屈折率が同じである、第２のレーザ構造単位７のｎ型クラッド層２５がトンネルジャンクション９を介して配置され、第１のレーザ構造単位５のクラッド層として機能するため、薄いｐ型クラッド層２３であっても、光閉じ込め効果が高い。

また、ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３を構成するＡｌＡｓは、図４、図５に示すようにＧaＡｓ基板に格子整合するＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ系材料において、屈折率が最も低い。そのため、トンネルジャンクション９への導波を抑制する効果が一層高い。なお、図５において、ｘ、ｙは、ＧａＡｓに格子整合するように、以下の関係式を満たす。

x・y・6.059+(1-x)・ｙ・5.654+x・(1-y)・5.869+(1-x)・(1-y)5.451= 5.654
それに対し、ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３を備えないスタック型半導体レーザ構造では、トンネルジャンクション９への導波が著しい。

なお、第２のレーザ構造単位７においても、第１のレーザ構造単位５と同様に、トンネルジャンクション９での光吸収を抑制できる。

１．スタック型半導体レーザ構造１０１の構成
スタック型半導体レーザ構造１０１の構成を図７に基づき説明する。スタック型半導体レーザ構造１０１は、ｎ−ＧａＡｓから成る基板１０３上に、第１のレーザ構造単位１０５と、第２のレーザ構造単位１０７と、第３のレーザ構造単位１０９とが積層された構造を有する。

第１のレーザ構造単位１０５と、第２のレーザ構造単位１０７との間には、トンネルジャンクション１１１が設けられている。また、第２のレーザ構造単位１０７と、第３のレーザ構造単位１０９との間には、トンネルジャンクション１１３が設けられている。

また、第１のレーザ構造単位１０５と、トンネルジャンクション１１１との間には、ｐ−ＡｌＡｓから成り、厚さ５０ｎｍのｐ型低屈折率層１１５が設けられ、トンネルジャンクション１１１と第２のレーザ構造単位１０７との間には、ｎ−ＡｌＡｓから成り、厚さ５０ｎｍのｎ型低屈折率層１１７が設けられている。

また、第２のレーザ構造単位１０７と、トンネルジャンクション１１３との間には、ｐ−ＡｌＡｓから成り、厚さ５０ｎｍのｐ型低屈折率層１１９が設けられ、トンネルジャンクション１１３と第３のレーザ構造単位１０９との間には、ｎ−ＡｌＡｓから成り、厚さ５０ｎｍのｎ型低屈折率層１２１が設けられている。

上記第１のレーザ構造単位１０５は、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ１μmのｎ型クラッド層１２３と、ＡｌＧａＡｓから成る活性層１２５と、ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ１００ｎｍの一対のガイド層１２７、１２９と、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ５００ｎｍのｐ型クラッド層１３１とから成る。なお、ガイド層１２７、１２９は、活性層２１を両側から挟んでいる。

上記第２のレーザ構造単位１０７は、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｎ型クラッド層１３３と、ＡｌＧａＡｓから成る活性層１３５と、ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ１００ｎｍの一対のガイド層１３７、１３９と、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｐ型クラッド層１４１から成る。なお、ガイド層１３７、１３９は、活性層３１を両側から挟んでいる。

上記第３のレーザ構造単位１０９は、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｎ型クラッド層１４３と、ＡｌＧａＡｓから成る活性層１４５と、ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ１００ｎｍの一対のガイド層１４７、１４９と、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成り、厚さ１μｍのｐ型クラッド層１５１から成る。なお、ガイド層１４７、１４９は、活性層１４５を両側から挟んでいる。

上記トンネルジャンクション１１１は、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度1×10¹⁹cm^-3のｐ++ＧａＡｓから成るｐ型トンネルジャンクション層１５３と、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度5×10¹⁸cm^-3のn++ＧａＡｓから成るｎ型トンネルジャンクション層１５５とから構成される。

上記トンネルジャンクション１１３は、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度1×10¹⁹cm^-3のｐ++ＧａＡｓから成るｐ型トンネルジャンクション層１５７と、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度5×10¹⁸cm^-3のn++ＧａＡｓから成るｎ型トンネルジャンクション層１５９とから構成される。

ｐ型低屈折率層１１５、１１９及びｎ型低屈折率層１１７、１２１の屈折率をｎとする。ｐ型クラッド層１３１、１４１及びｎ型クラッド層１３３、１４３の屈折率をｎ_cladとする。ガイド層１２７，１２９、１３７、１３９、１４７、１４９の屈折率をｎ_guideとする。ｐ型トンネルジャンクション層１５３、１５７及びｎ型トンネルジャンクション層１５５、１５９の屈折率をｎ_tunnelとする。

上記の各屈折率の関係は、ｎ＜ｎ_clad＜ｎ_guide＜ｎ_tunnelとなる。なお、各屈折率の中で、ｎが最も低いことは、図４に示すＡｌ_xＧａ_1-xＡｓの組成と、屈折率との関係から裏付けられる。

スタック型半導体レーザ構造１０１において、ｐ型低屈折率層１１５は、隣接するｐ型クラッド層１３１と同一の導電型（ｐ）である。また、ｐ型低屈折率層１１９は、隣接するｐ型クラッド層１４１と同一の導電型（ｐ）である。また、ｎ型低屈折率層１１７は、隣接するｎ型クラッド層１３３と同一の導電型（ｎ）である。また、ｎ型低屈折率層１２１は、隣接するｎ型クラッド層１４３と同一の導電型（ｎ）である。

第１のレーザ構造単位１０５において、ｐ型クラッド層１３１は、ｎ型クラッド層１２３よりも薄い。トンネルジャンクション１１１を介して対向する前記ｐ型クラッド層１３１と、ｎ型クラッド層１３３とは、屈折率が同じである。また、トンネルジャンクション１１３を介して対向する前記ｐ型クラッド層１４１と、ｎ型クラッド層１４３とは、屈折率が同じである。

スタック型半導体レーザ構造１０１は、基板１０３の上に、上述した各層を、公知の方法で順次エピタキシャル成長させることで製造できる。なお、エピタキシャル成長法としては、液相エピタキシ（LPE：Liquid-Phase Epitaxy）、分子線エピタキシ（MBE：Molecular-Beam Epitaxy）、有機金属気相エピタキシ（MOCVD：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）等の方法を用いることができる。

２．スタック型半導体レーザ構造１０１が奏する効果
本実施例のスタック型半導体レーザ構造１０１は、前記実施例１におけるスタック型半導体レーザ構造１と略同様の効果を奏することができる。

１．スタック型半導体レーザ構造１の構成
スタック型半導体レーザ構造１の構成を図８に基づき説明する。スタック型半導体レーザ構造１は、ｎ−ＩｎＰから成る基板３上に、第１のレーザ構造単位５と、第２のレーザ構造単位７とが積層された構造を有する。

第１のレーザ構造単位５と、第２のレーザ構造単位７との間には、トンネルジャンクション９が設けられている。
また、第１のレーザ構造単位５と、トンネルジャンクション９との間には、ｐ−ＩｎＰから成り、厚さ５０ｎｍのｐ型低屈折率層１１が設けられ、トンネルジャンクション９と第２のレーザ構造単位７との間には、ｎ−ＩｎＰから成り、厚さ５０ｎｍのｎ型低屈折率層１３が設けられている。

上記第１のレーザ構造単位５は、ｎ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ１μmのｎ型クラッド層１５と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成る活性層２１と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ２００ｎｍの一対のガイド層１７、１９と、ｐ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｐ型クラッド層２３とから成る。なお、ガイド層１７、１９は、活性層２１を両側から挟んでいる。

上記第２のレーザ構造単位７は、ｎ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｎ型クラッド層２５と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成る活性層３１と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ２００ｎｍの一対のガイド層２７、２９と、ｐ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ１μmのｐ型クラッド層３３から成る。なお、ガイド層２７、２９は、活性層３１を両側から挟んでいる。

上記トンネルジャンクション９は、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度1×10¹⁹cm^-3のｐ++ＩｎＧａＡｓから成るｐ型トンネルジャンクション層３５と、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度5×10¹⁸cm^-3のn++ＩｎＧａＡｓから成るｎ型トンネルジャンクション層３７とから構成される。

ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３の屈折率をｎとする。ｐ型クラッド層２３及びｎ型クラッド層２５の屈折率をｎ_cladとする。ガイド層１７、１９、２７、２９の屈折率をｎ_guideとする。ｐ型トンネルジャンクション層３５及びｎ型トンネルジャンクション層３７の屈折率をｎ_tunnelとする。

上記の各屈折率の関係は、ｎ＜ｎ_clad＜ｎ_guide＜ｎ_tunnelとなる。なお、各屈折率の中で、ｎが最も低いことは、図９に示すＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_yＰ_1-yの組成と、屈折率との関係から裏付けられる。なお、図９はＩｎＰ基板に格子整合する組成を示しており、ｘとｙは以下の関係式を満たす。

1 − x = 0.47y
スタック型半導体レーザ構造１において、ｐ型低屈折率層１１は、隣接するｐ型クラッド層２３と同一の導電型（ｐ）である。また、ｎ型低屈折率層１３は、隣接するｎ型クラッド層２５と同一の導電型（ｎ）である。

第１のレーザ構造単位５において、ｐ型クラッド層２３は、ｎ型クラッド層１５よりも薄い。トンネルジャンクション９を介して対向する前記ｐ型クラッド層２３と、ｎ型クラッド層２５とは、屈折率が同じである。

スタック型半導体レーザ構造１は、基板３の上に、上述した各層を、公知の方法で順次エピタキシャル成長させることで製造できる。なお、エピタキシャル成長法としては、液相エピタキシ（LPE：Liquid-Phase Epitaxy）、分子線エピタキシ（MBE：Molecular-Beam Epitaxy）、有機金属気相エピタキシ（MOCVD：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）等の方法を用いることができる。

２．スタック型半導体レーザ構造１が奏する効果
スタック型半導体レーザ構造１における光の電界強度分布を図１１に示す。比較のため、基本的にはスタック型半導体レーザ構造１と同様の構成を備えるが、ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３を備えないスタック型半導体レーザ構造（図１１では「低屈折率層なし」と表記）における光の電界強度分布も図１１に示す。

スタック型半導体レーザ構造１では、トンネルジャンクション９に導波する光が抑制され、活性層２１で発生した光は、ガイド層１７、１９の内部に閉じ込められている。また、ｐ型クラッド層２３と屈折率が同じである、第２のレーザ構造単位７のｎ型クラッド層２５がトンネルジャンクション９を介して配置され、第１のレーザ構造単位５のクラッド層として機能するため、薄いｐ型クラッド層２３であっても、光閉じ込め効果が高い。

また、ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３を構成するＩｎＰは、図９、図１０に示すようにＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ系材料において、屈折率が最も低い。そのため、トンネルジャンクション９への導波を抑制する効果が一層高い。

なお図１０は、ＩｎＰ基板に格子整合する組成を示しており、ｘとｙは以下の関係式を満たす。
0.98x + ｙ＝0.47
それに対し、ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３を備えないスタック型半導体レーザ構造では、トンネルジャンクション９への導波が著しい。

なお、第２のレーザ構造単位７においても、第１レーザ構造単位５と同様に、同様にトンネルジャンクション９での光吸収を抑制できる。

１．スタック型半導体レーザ構造１の構成
本実施例におけるスタック型半導体レーザ構造１の構成を図１２に基づき説明する。本実施例におけるスタック型半導体レーザ構造１の構成は、基本的には、前記実施例３と同様である。ただし、本実施例では、第１のレーザ構造単位５におけるｐ型クラッド層２３の厚みが２００ｎｍであり、第２のレーザ構造単位７におけるｎ型クラッド層２５の厚みが６００ｎｍである。すなわち、トンネルジャンクション９を介して対向するｐ型クラッド層２３とｎ型クラッド層２５とでは、ｐ型クラッド層２３の方が薄い。

２．スタック型半導体レーザ構造１が奏する効果
スタック型半導体レーザ構造１における光の電界強度分布を図１３に示す。比較のため、基本的にはスタック型半導体レーザ構造１と同様の構成を備えるが、ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３を備えないスタック型半導体レーザ構造（図１３では「低屈折率層なし」と表記）における光の電界強度分布も図１３に示す。

スタック型半導体レーザ構造１では、トンネルジャンクション９に導波する光が抑制され、活性層２１で発生した光は、ガイド層１７、１９の内部に閉じ込められている。また、ｐ型クラッド層２３と屈折率が同じである、第２のレーザ構造単位７のｎ型クラッド層２５がトンネルジャンクション９を介して配置され、第１のレーザ構造単位５のクラッド層として機能するため、薄いｐ型クラッド層２３であっても、光閉じ込め効果が高い。

特に本実施例では、ｐ型クラッド層２３を薄くすることにより、ｐ型クラッド層２３での吸収損失を抑制できる。それとともに、ｎ型クラッド層２５を厚くすることにより、ｐ型クラッド層２３を上記のように薄くしても、クラッド層による光の閉じこめ効果を維持することができる。ｐ型クラッド層２３での吸収損失は、長波長帯レーザにおいて生じ易いので、本実施例のスタック型半導体レーザ構造１は、長波長帯レーザとして好適である。

それに対し、ｐ型低屈折率層１１及びｎ型低屈折率層１３を備えないスタック型半導体レーザ構造では、トンネルジャンクション９への導波が著しい。
なお、第２のレーザ構造単位７においても、第１のレーザ構造単位５と同様に、同様にトンネルジャンクション９での光吸収を抑制できる。

１．スタック型半導体レーザ構造１０１の構成
スタック型半導体レーザ構造１０１の構成を図１４に基づき説明する。スタック型半導体レーザ構造１０１は、ｎ−ＩｎＰから成る基板１０３上に、第１のレーザ構造単位１０５と、第２のレーザ構造単位１０７と、第３のレーザ構造単位１０９とが積層された構造を有する。

第１のレーザ構造単位１０５と、第２のレーザ構造単位１０７との間には、トンネルジャンクション１１１が設けられている。また、第２のレーザ構造単位１０７と、第３のレーザ構造単位１０９との間には、トンネルジャンクション１１３が設けられている。

また、第１のレーザ構造単位１０５と、トンネルジャンクション１１１との間には、ｐ−ＩｎＰから成り、厚さ５０ｎｍのｐ型低屈折率層１１５が設けられ、トンネルジャンクション１１１と第２のレーザ構造単位１０７との間には、ｎ−ＩｎＰから成り、厚さ５０ｎｍのｎ型低屈折率層１１７が設けられている。

また、第２のレーザ構造単位１０７と、トンネルジャンクション１１３との間には、ｐ−ＩｎＰから成り、厚さ５０ｎｍのｐ型低屈折率層１１９が設けられ、トンネルジャンクション１１３と第３のレーザ構造単位１０９との間には、ｎ−ＩｎＰから成り、厚さ５０ｎｍのｎ型低屈折率層１２１が設けられている。

上記第１のレーザ構造単位１０５は、ｎ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ１μmのｎ型クラッド層１２３と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成る活性層１２５と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ２００ｎｍの一対のガイド層１２７、１２９と、ｐ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ５００ｎｍのｐ型クラッド層１３１とから成る。なお、ガイド層１２７、１２９は、活性層２１を両側から挟んでいる。

上記第２のレーザ構造単位１０７は、ｎ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｎ型クラッド層１３３と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成る活性層１３５と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ２００ｎｍの一対のガイド層１３７、１３９と、ｐ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｐ型クラッド層１４１から成る。なお、ガイド層１３７、１３９は、活性層３１を両側から挟んでいる。

上記第３のレーザ構造単位１０９は、ｎ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ４００ｎｍのｎ型クラッド層１４３と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成る活性層１４５と、ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ２００ｎｍの一対のガイド層１４７、１４９と、ｐ−ＡｌＩｎＧａＡｓから成り、厚さ１μｍのｐ型クラッド層１５１から成る。なお、ガイド層１４７、１４９は、活性層１４５を両側から挟んでいる。

上記トンネルジャンクション１１１は、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度1×10¹⁹cm^-3のｐ++ＩｎＧａＡｓから成るｐ型トンネルジャンクション層１５３と、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度5×10¹⁸cm^-3のn++ＩｎＧａＡｓから成るｎ型トンネルジャンクション層１５５とから構成される。

上記トンネルジャンクション１１３は、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度1×10¹⁹cm^-3のｐ++ＩｎＧａＡｓから成るｐ型トンネルジャンクション層１５７と、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度5×10¹⁸cm^-3のn++ＩｎＧａＡｓから成るｎ型トンネルジャンクション層１５９とから構成される。

ｐ型低屈折率層１１５、１１９及びｎ型低屈折率層１１７、１２１の屈折率をｎとする。ｐ型クラッド層１３１、１４１及びｎ型クラッド層１３３、１４３の屈折率をｎ_cladとする。ガイド層１２７，１２９、１３７、１３９、１４７、１４９の屈折率をｎ_guideとする。ｐ型トンネルジャンクション層１５３、１５７及びｎ型トンネルジャンクション層１５５、１５９の屈折率をｎ_tunnelとする。

上記の各屈折率の関係は、ｎ＜ｎ_clad＜ｎ_guide＜ｎ_tunnelとなる。なお、各屈折率の中で、ｎが最も低いことは、図９に示すＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_yＰ_1-yの組成と、屈折率との関係から裏付けられる。

スタック型半導体レーザ構造１０１において、ｐ型低屈折率層１１５は、隣接するｐ型クラッド層１３１と同一の導電型（ｐ）である。また、ｐ型低屈折率層１１９は、隣接するｐ型クラッド層１４１と同一の導電型（ｐ）である。また、ｎ型低屈折率層１１７は、隣接するｎ型クラッド層１３３と同一の導電型（ｎ）である。また、ｎ型低屈折率層１２１は、隣接するｎ型クラッド層１４３と同一の導電型（ｎ）である。

第１のレーザ構造単位１０５において、ｐ型クラッド層１３１は、ｎ型クラッド層１２３よりも薄い。トンネルジャンクション１１１を介して対向する前記ｐ型クラッド層１３１と、ｎ型クラッド層１３３とは、屈折率が同じである。また、トンネルジャンクション１１３を介して対向する前記ｐ型クラッド層１４１と、ｎ型クラッド層１４３とは、屈折率が同じである。

スタック型半導体レーザ構造１０１は、基板１０３の上に、上述した各層を、公知の方法で順次エピタキシャル成長させることで製造できる。なお、エピタキシャル成長法としては、液相エピタキシ（LPE：Liquid-Phase Epitaxy）、分子線エピタキシ（MBE：Molecular-Beam Epitaxy）、有機金属気相エピタキシ（MOCVD：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）等の方法を用いることができる。

２．スタック型半導体レーザ構造１０１が奏する効果
本実施例のスタック型半導体レーザ構造１０１は、前記実施例１におけるスタック型半導体レーザ構造１と略同様の効果を奏することができる。

１．スタック型半導体レーザ構造１０１の構成
本実施例におけるスタック型半導体レーザ構造１０１の構成は、図１５に示すように、基本的には、前記実施例５と同様である。ただし、第１のレーザ構造単位１０５におけるｐ型クラッド層１３１、及び第２のレーザ構造単位１０７におけるｐ型クラッド層１４１の膜厚はそれぞれ２００ｎｍである。また、第２のレーザ構造単位１０７におけるｎ型クラッド層１３３、及び第３のレーザ構造単位１０９におけるｎ型クラッド層１４３の膜厚はそれぞれ６００ｎｍである。

２．スタック型半導体レーザ構造１０１が奏する効果
本実施例のスタック型半導体レーザ構造１０１は、前記実施例５におけるスタック型半導体レーザ構造１０１と略同様の効果を奏することができる。

特に本実施例では、ｐ型クラッド層１３１、１４１を薄くすることにより、ｐ型クラッド層１３１、１４１での吸収損失を抑制できる。それとともに、ｎ型クラッド層１３３、１４３を厚くすることにより、ｐ型クラッド層１３１、１４１を上記のように薄くしても、クラッド層による光の閉じこめ効果を維持することができる。ｐ型クラッド層１３１、１４１での吸収損失は、長波長帯レーザにおいて生じ易いので、本実施例のスタック型半導体レーザ構造１０１は、長波長帯レーザとして好適である。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記実施例２、５、６では、レーザ構造単位を４段以上積層してもよい。その場合は、最下層（基板に隣接する層）に第１のレーザ構造単位を設け、最上層に第３のレーザ構造単位を設け、それらの間に必要な段数で、第２のレーザ構造単位を積層すればよい。

１、１０１・・・スタック型半導体レーザ構造、３、１０３・・・基板、
５・・・第１のレーザ構造単位、７・・・第２のレーザ構造単位、
９、１１１、１１３・・・トンネルジャンクション、
１１、１１５、１１９・・・ｐ型低屈折率層、
１３、１１７、１２１・・・ｎ型低屈折率層、
１５、２５、１２３、１３３、１４３・・・ｎ型クラッド層、
１７、２７、１２７、１３７、１４７・・・ガイド層、
２１、３１、１２５、１３５、１４５・・・活性層、
２３、３３、１３１、１４１、１５１・・・ｐ型クラッド層、
３５、１５３、１５７・・・ｐ型トンネルジャンクション層、
３７、１５５、１５９・・・ｎ型トンネルジャンクション層、
１０５・・・第１のレーザ構造単位、１０７・・・第２のレーザ構造単位、
１０９・・・第３のレーザ構造単位

Claims (6)

1. （ａ）第１の導電型クラッド層、（ｂ）ガイド層に挟まれた活性層、及び（ｃ）前記第１の導電型クラッド層とは反対の導電型である第２の導電型クラッド層を順に積層して成るレーザ構造単位を複数備えるとともに、
   前記レーザ構造単位の間に設けられたトンネルジャンクションと、
   前記レーザ構造単位と前記トンネルジャンクションとの間に設けられ、前記第１の導電型クラッド層及び前記第２の導電型クラッド層よりも屈折率が低い低屈折率層と、
   を備えることを特徴とする半導体レーザ構造。
2. 前記低屈折率層は、隣接する前記第１の導電型クラッド層又は前記第２の導電型クラッド層と同一の導電型であることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ構造。
3. 前記トンネルジャンクションを介して対向する前記第１の導電型クラッド層と前記第２の導電型クラッド層とのうち、ｐ型であるクラッド層は、ｎ型であるクラッド層よりも薄いことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ構造。
4. 前記トンネルジャンクションを介して対向する前記第1の導電型クラッド層と、前記第２の導電型クラッド層とは、屈折率が実質的に同じであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ構造。
5. 前記低屈折率層がＩｎＰから成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ構造。
6. 前記低屈折率層がＡｌＡｓから成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ構造。