CN117981187A - 垂直谐振器型发光元件 - Google Patents
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Abstract
具有：n型半导体层，其形成在第一反射镜上；有源层，其形成在n型半导体层上且由多量子阱构成；最终阻挡层，其形成在有源层的最终量子阱上；电子势垒层，其形成在最终阻挡层上；p型半导体层，其形成在电子势垒层上；电介质间隔层，其形成在p型半导体层上；以及第二反射镜，其形成在间隔层上。电子势垒层和p型半导体层内包含的由来自有源层的发光引起的驻波的波腹的数量为1，波节的数量为0或1，有源层和最终阻挡层满足式(3)。
Description
技术领域
本发明涉及一种垂直谐振器型发光元件，特别涉及一种具有多量子阱有源层的垂直谐振器型发光元件。
背景技术
以往，已知一种垂直腔面发射激光器(VCSEL：vertical cavity surfaceemitting laser)等垂直谐振器型发光元件，其具有使光相对于基板面垂直地谐振并使光沿与该基板面垂直的方向射出的结构。
在垂直谐振器型发光元件中，为了得到阈值电流低且高效的发光特性，通常在有源层中采用多量子阱(MQW：Multiple Quantum Well)结构。
另外，例如，专利文献1记载了一种端面发光型氮化物半导体激光元件，其具有以降低最终量子阱层与电子势垒层之间的p侧光导层的电子和空穴浓度并提高内部量子效率为目的的结构。
专利文献2记载了一种面发射型半导体激光器，其具备第一至第四半导体多层膜反射镜且调节了半导体多层膜反射镜的Al组成或杂质浓度，以促进低温下的沿横向的载流子扩散。
专利文献3记载了一种垂直腔面发射激光器，其目的在于促进对有源区的电流供给，降低阈值电流。该垂直腔面发射激光器包括具有开口部的绝缘层、覆盖开口部的透光性电极、以及经由该透光性电极设置在开口部上的由电介质材料制成的反射镜，在绝缘层与反射镜之间设置有导电性材料。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-131019号公报
专利文献2：日本特开2009-194102号公报
专利文献3：日本特开2011-29607号公报
发明内容
发明要解决的课题
在以往的垂直谐振器发光元件中，进一步降低阈值电流和提高发光效率成为课题。
本申请的发明人发现：改善多量子阱有源层内的空穴和电子的不均匀性与大幅提高元件特性有关。本申请发明是基于该见解而完成的，其目的在于提供一种低阈值电流且高发光效率的垂直谐振器型发光元件。
用于解决课题的手段
本发明的第一实施方式的垂直谐振器型发光元件，其具有：
第一反射镜；
n型半导体层，其形成在所述第一反射镜上；
有源层，其形成在所述n型半导体层上且由多量子阱构成；
最终阻挡层，其形成在所述有源层的最终量子阱上；
电子势垒层，其形成在所述最终阻挡层上；
p型半导体层，其形成在所述电子势垒层上；
电介质间隔层，其形成在所述p型半导体层上；以及
第二反射镜，其形成在所述间隔层上，
所述电子势垒层和所述p型半导体层内包含的由来自所述有源层的发光引起的驻波的波腹的数量和波节的数量分别为0或1，
在使所述最终阻挡层和所述有源层的层厚分别为Hfb、Hqw，使所述最终阻挡层的折射率为nfb，使所述有源层的等效折射率为nqw时，
[数学式1]
其中、
所述有源层和所述最终阻挡层满足下式。
本发明的其它实施方式的垂直谐振器型发光元件，其具有：
第一反射镜；
第一n型半导体层，其形成在所述第一反射镜上；
有源层，其形成在所述n型半导体层上且由多量子阱构成；
最终阻挡层，其形成在所述有源层的最终量子阱上；
电子势垒层，其形成在所述最终阻挡层上；
p型半导体层，其形成在所述电子势垒层上；
作为电流限制层的隧道结层，其形成在所述p型半导体层上；
第二n型半导体层，其埋入所述隧道结层而形成；以及
第二反射镜，其形成在所述第二n型半导体层上，
所述电子势垒层和所述p型半导体层内包含的由来自所述有源层的发光引起的驻波的波腹的数量和波节的数量分别为0或1，
在使所述最终阻挡层和所述有源层的层厚分别为Hfb、Hqw，使所述最终阻挡层的折射率为nfb，使所述有源层的等效折射率为nqw时，
[数学式2]
其中、
所述有源层和所述最终阻挡层满足下式。
附图说明
图1是示意性地示出本发明的第一实施方式的垂直腔面发射激光器10的结构的截面图。
图2是示意性地示出垂直腔面发射激光器10的导带的能带结构的图。
图3是示意性地示出在实施例1(Ex.1)的垂直腔面发射激光器10中从有源层15到电介质DBR25的半导体层中的驻波SW的图。
图4是示意性地示出在比较例1(Cmp.1)的垂直腔面发射激光器中从有源层到电介质DBR的半导体层中的驻波SW的图。
图5是示出实施例1～3(Ex.1～Ex.3)的垂直腔面发射激光器10和比较例1、2(Cmp.1、Cmp.2)的垂直腔面发射激光器的半导体层的层厚和波节ND的数量NND、波腹AN的数量NAN的表。
图6A是示出实施例1(Ex.1)的垂直腔面发射激光器10的相对于注入电流的光输出的曲线图。
图6B是示出实施例1(Ex.1)的垂直腔面发射激光器10的相对于注入电流的电压的曲线图。
图6C是示出实施例1(Ex.1)的垂直腔面发射激光器10的相对于注入电流的微分电阻的曲线图。
图7A是示出比较例1(Cmp.1)的垂直腔面发射激光器的相对于注入电流的光输出的曲线图。
图7B是示出比较例1(Cmp.1)的垂直腔面发射激光器的相对于注入电流的电压的曲线图。
图7C是示出比较例1(Cmp.1)的垂直腔面发射激光器的相对于注入电流的微分电阻的曲线图。
图8A是示出实施例1的面发射激光器10的激光振荡时的各阱层的电子浓度分布的计算结果的图。
图8B是示出比较例1的面发射激光器的激光振荡时的各阱层的电子浓度分布的计算结果的图。
图9是示意性地示出在实施例2的垂直腔面发射激光器10中从有源层15到电介质DBR25的半导体层中的驻波SW的图。
图10A是示出实施例2的面发射激光器10的激光振荡时的各阱层的电子浓度分布的计算结果的图。
图10B是示出比较例2的面发射激光器的激光振荡时的各阱层的电子浓度分布的计算结果的图。
图11是示出实施例3的面发射激光器10的激光振荡时的各阱层的电子浓度分布的计算结果的图。
图12是示意性地示出本发明的第二实施方式的垂直腔面发射激光器50的结构的截面图。
具体实施方式
以下，对本发明的优选实施方式进行说明，但也可以将它们适当改变并进行组合。另外，在以下说明和附图中，对实质上相同或等效的部分标注相同的附图标记进行说明。
[第一实施方式]
图1是示意性地示出本发明的第一实施方式的垂直腔面发射激光器10的结构的截面图。在本实施方式中，垂直腔面发射激光器10是由GaN(氮化镓)基半导体层构成的氮化物面发射激光器。
垂直腔面发射激光器10通过在基板11上依次晶体生长半导体DBR(DistributedBragg Reflector)12、n型半导体层13、由多量子阱制成的有源层15、最终阻挡层16、电子势垒层(EBL：Electron Blocking Layer)17和p型半导体层18而形成。
基板11是GaN基板，是从C面向M面方向倾斜0.5°、向A面方向倾斜0±0.1°的C面GaN基板。
通过金属有机气相外延(MOVPE)法进行半导体层的晶体生长。在基板11上生长层厚约为1μm的基底GaN层11B，并在基底GaN层11B上形成作为分布式布拉格反射镜的半导体DBR12。
半导体DBR12(第一反射镜)通过堆叠42对n型GaN膜和AlInN膜而形成。此外，半导体DBR12的各半导体膜具有成为有源层15的发光波长λ的λ/4n(n为各半导体膜的折射率)的膜厚。
在半导体DBR12上生长作为掺杂有Si(硅)的n型GaN层的n型半导体层13(层厚：350nm)。
在n型半导体层13上交替形成势垒层(阻挡层)15B和量子阱层(阱层)15W，形成具有四个量子阱层15W的有源层15。阻挡层15B由GaInN(层厚：3nm)制成，阱层15W由GaN(层厚：4nm)制成。此外，阻挡层15B和阱层15W的组成和层厚可以根据期望的发光波长、发光特性等适当选择。
在作为有源层15的最终层的最终阱层15WL上以120nm的层厚生长未掺杂GaN作为最终阻挡层(LB)16。
接着，生长由掺杂有Mg(镁)的AlGaN(Al组成：0.30)制成且具有10nm的层厚的电子势垒层(EBL)17。随后，在电子势垒层17(p-AlGaN)上生长83nm的p-GaN层作为p型半导体层18。
以使如上所述生长的晶片到达n型半导体层13的内部的方式对外周部进行蚀刻，形成圆柱状的台面结构。
通过干法蚀刻将作为该台面结构的最上层的半导体层的p型半导体层18的外周部蚀刻至约20nm的深度而形成凹部，形成具有圆柱状台面凸部的p型半导体层18。
在通过蚀刻形成的p型半导体层18的凹部以20nm的厚度堆积用于横向电流和光限制的绝缘膜(SiO2)21。由此，p型半导体层18的凹部被平坦化，并且形成电流限制结构，形成圆柱状(中心轴：CX)的电流注入区域。
接着，在p型半导体层18和绝缘膜21上以20nm的厚度成膜ITO(氧化铟锡)膜作为透明导电膜22。
随后，以38nm的厚度成膜电介质(Nb2O5)作为间隔层24。间隔层24作为相位调整层发挥作用。
进而，在间隔层24上成膜电介质DBR25(第二反射镜)。电介质DBR25由10.5对SiO2(11层)和Nb2O5(10层)构成。此外，电介质DBR25优选形成为与p型半导体层18的圆柱状台面共轴。
接着，在n型半导体层13的外周部的凹部上形成n电极27，在透明导电膜22上形成p电极28。另外，研磨基板11的背面，形成由两层Nb2O5/SiO2构成的AR(无反射)涂层29。由此，完成了垂直腔面发射激光器10的形成。
此外，上述最终阻挡层(LB)16的组成和层厚只不过是例示。即，将最终阻挡层16作为GaN层进行了说明，但也可以使用其它组成的氮化物半导体层，例如InGaN、AlGaN、InAlGaN等。另外，最终阻挡层16为未掺杂层，但也可以混入从电子势垒层17或p型半导体层18扩散的掺杂剂。
另外，电子势垒层17的组成和层厚只不过是例示。电子势垒层17可以具有例如3～30nm的层厚，Al组成可以在10～70％的范围内调整。
将电子势垒层17作为p型半导体层(p-AlGaN)进行了说明，但也可以是生长为i层并混入了从p型半导体层18扩散的掺杂剂的p型半导体层。
另外，例示了有源层15具有四个量子阱层15W的情况，但只要具有多个量子阱层即可。
而且，p型半导体层18可以由包含组成和/或掺杂浓度互不相同的层和未掺杂层的多个半导体层构成。另外，n-半导体层13也可以同样地由多个半导体层构成。
例示了电介质DBR25由SiO2膜和Nb2O5膜构成的情况，但也可以由基于其他组合的折射率互不相同的电介质膜构成。另外，也可以由半导体DBR构成，该半导体DBR由折射率互不相同的半导体膜构成。
图2是示意性地示出垂直腔面发射激光器10的导带的能带结构的图。此外，示出从有源层15到p型半导体层18的能带结构。
有源层15由QW1～QW4的四个阱层15W和设置在它们之间的阻挡层15B构成。与最终阻挡层(LB)16相邻的量子阱层QW4为最终阱层15WL。
最终阻挡层16具有层厚t1，电子势垒层17具有层厚t2，p型半导体层18具有层厚t3。
[高效垂直谐振器型发光元件的条件]
本申请的发明人发现了内部损耗小且高效的垂直谐振器型发光元件应满足的条件。
即，首先将DBR(Distributed Bragg Reflector)或衍射光栅等高反射镜与谐振器内部的最初界面定义为相位0”(基准)。
使用谐振器中的各层的折射率ni和层厚ti、以及发光波长λ，谐振器中的驻波的总相位信息由以下式(1)表示。
[数学式3]
此外，关于层内部的规定位置处的驻波的合成信息，将从与谐振器侧的其他层的界面到规定位置的厚度替换为ti来考虑。
而且，第一条件是，作为p区域的p型半导体层18和电子势垒层17包含的驻波SW的波腹AN的数量NAN和波节ND的数量NND分别为0或1(NAN＝0或NAN＝1，NND＝0或NND＝1)。
此外，使透明导电膜22(ITO)、p型半导体层18和电子势垒层17的各层厚为HITO、HGaN、HEB，使各折射率为nITO、nGaN、nEB，使波长为λ时，优选满足以下式(2)。
[数学式4]
并且，第二条件是，最终阻挡层16内包含的驻波SW的波节ND和波腹AN的数量分别为1以上(NND≥1和NAN≥1)。
此外，使用上述式(1)分别计算p区域和最终阻挡层16中的总相位，驻波SW的波节ND和波腹AN的数量NND、NAN能够根据在p区域和最终阻挡层16中相位为kπ(k＝1,2……)的数量和相位为(2l-1)π/2(l＝1,2……)的数量求出。
式(1)＝k/2(k＝1,2……)表示驻波成为波腹AN的位置，式(1)＝(2l-1)/4(l＝1,2……)表示驻波成为波节ND的位置。即，p型半导体层18、电子势垒层17和最终阻挡层16内的NND、NAN通过对在各层的堆叠范围内分别包含几个成为上述的波腹AN、波节ND的位置进行计数而求出。
另外，在使最终阻挡层16和有源层15的层厚分别为Hfb、Hqw时，优选满足以下式(3)。在此，nfb是最终阻挡层16的折射率，nqw是有源层15的等效折射率。
[数学式5]
其中、
另外，(i)最终阻挡层16优选具有λ/4以上的层厚。即，优选满足以下式(4)。
[数学式6]
另外，(ii)优选最终阻挡层16内包含的波节ND的数量为2以上(NND≥2)，波腹AN的数量为1以上(NAN≥1)。在满足(i)和(ii)的情况下，优选进一步满足以下式(5)。
[数学式7]
另外，有源层15的层厚优选为λ/8以下，即满足以下式(6)。在该情况下，能够减少有源层15的光限制损耗。
[数学式8]
通过如以上那样构成，从p型半导体层18到电子势垒层17的光的电场强度增强。另外，在最终阻挡层16内存在光的电场强度较高的波腹AN且存在至少一个波节ND，由此，有源层15被激发至可得到较大的光增益的程度。
另外，在内部光强度通过作为高反射镜的半导体DBR12和电介质DBR25而增加的情况下，最终阻挡层16内的电子和空穴被内部光激发，积聚在电子势垒层17与p型半导体层18的界面处的空穴被提取到有源层15中，并且发生到有源层15的切换性空穴注入。
结果，有源层15的多个阱层15W各自的载流子(电子和空穴)的均匀性得到改善，能够实现高效面发射激光器。
[特性改善的机制的考察]
通过如以上那样构成，有源层15的阱层15W各自的载流子(电子和空穴)的均匀性得到改善，能够实现高效面发射激光器。对这样能够提高效率等特性的机制进行考察。
认为特性改善的机制与为了消除多量子阱的载流子不均匀性而切换性地注入空穴相关。在本面发射激光器中，将驻波的波腹设计为与有源层(多量子阱)的中心对齐。即，通过在光的电场较大的地方配置有源层，增大光与电子空穴再结合的相互作用。
因此，与有源层15相邻的最终阻挡层16成为光的电场强度减小的方向。但是推测：通过配置如上所述与有源层不同的驻波的波腹所处的最终阻挡层16或者甚至包含波腹附近那样的最终阻挡层16，该层的光强度在阈值附近大幅上升，生成载流子(电子和空穴)，具有一次性引入位于电子势垒层17的p型半导体层18侧的空穴的效果。该引入容易在p区域的电气性电场梯度较高的情况下发生。
认为该效果是由以下情况引起的：积聚在p型半导体层18侧的空穴浓度变大；以及电子势垒层17的电气性电场梯度变大。认为如果进行空穴的引入切换，则多量子阱的载流子分布的均匀性得到改善，内部损耗降低。因此，在一些情况下，由于激光振荡，有时能够在阈值附近得到在微分电阻和驱动电流的最小值(dR/dI＝0，d2V/dI2＝0)这样的普通面发射激光器(VCSEL)的特性中看不到的特性。因此，最终阻挡层16的波腹的位置、p层(电子势垒层17和p型半导体层18)的薄膜化、由高反射镜引起的垂直方向的强光的反馈、以及存在光增益的光强度成为重要的因素。
[实施例1]
图3是示意性地示出在本实施方式的实施例1(Ex.1)的垂直腔面发射激光器10中从有源层15到电介质DBR25的半导体层中的来自有源层15的发光的电场强度的驻波SW的图。
在实施例1(Ex.1)中，在最终阻挡层16内驻波SW的波节(node)ND和波腹(anti-node)AN分别存在一个。即，如果使波节ND的数量为NND，使波腹AN的数量为NAN，则NND＝1，NAN＝1。此外，在由电介质DBR25形成的高反射镜界面A处，如图3所示，成为驻波SW的波腹AN的位置。
另外，在作为p区域的电子势垒层(EBL)17和p型半导体层(p-GaN)18内驻波SW的波节ND和波腹AN分别存在一个(NND＝1，NAN＝1)。另外，优选在透明导电膜(ITO)22内驻波SW的波节ND存在一个(NND＝1)。
通过这样构成，从p型半导体层18到电子势垒层17的电气性电场强度增强。另外，在最终阻挡层16内存在光的电场强度较高的波腹且存在至少一个波节，由此，有源层15被激发至可得到较大的光增益的程度。
另外，在内部光强度通过作为高反射镜的半导体DBR12和电介质DBR25而增加的情况下，最终阻挡层16内的电子和空穴被内部光激发，积聚在电子势垒层17与p型半导体层18的界面处的空穴被提取到有源层15中，并且发生到有源层15的切换性空穴注入。
结果，四个阱层15W(QW1～QW4)的载流子(电子和空穴)的均匀性得到改善，能够实现高效面发射激光器。
[比较例1]
图4是示意性地示出在比较例1(Cmp.1)的垂直腔面发射激光器中从有源层15到电介质DBR25的半导体层中的光的电场强度的驻波SW的图。另外，图5是示出本实施方式的实施例1～3(Ex.1～Ex.3)的垂直腔面发射激光器10和比较例1、2(Cmp.1、Cmp.2)的垂直腔面发射激光器的半导体层的层厚和波节ND的数量NND、波腹AN的数量NAN的表。
比较例1(Cmp.1)的垂直腔面发射激光器在最终阻挡层(LB)16的层厚为10nm的点处与实施例1(Ex.1)的垂直腔面发射激光器10大不相同。即，在比较例1的垂直腔面发射激光器中，在最终阻挡层16内不存在驻波SW的波节ND和波腹AN(NND＝0，NAN＝0)。除了图5记载的膜厚的不同以外，成为与实施例1共通的结构。
图6A、6B、6C是实施例1(Ex.1)的垂直腔面发射激光器10的测量结果，是分别示出相对于注入电流的光输出、电压、微分电阻的特性的曲线图。另外，图7A、7B、7C是比较例1(Cmp.1)的垂直腔面发射激光器的测量结果，是分别示出相对于注入电流的光输出、电压、微分电阻的特性的曲线图。
如图6A所示，在实施例1(Ex.1)的垂直腔面发射激光器10中确认了低阈值电流下的激光振荡特性。另外，如下述表1(Table 1)所示，与比较例1(Cmp.1)的垂直腔面发射激光器相比，斜率效率、外微分量子效率得到了改善。
[表1]
[Table 1]
如表1所示，在比较例1中，与实施例1相比，斜率效率、外微分量子效率更低。由解析结果可知，比较例1的激光的内部损耗比实施例1更高。此外，比较例1的激光的内部损耗是与以往报告的内部损耗相等的值。另外，比较例1的I-V特性也表现出与现有技术的文献等中记载的I-V特性同样的行为，在现有技术中没有发现阈值电流附近的微分电阻的最小值、负电阻。
具体而言，如图6B、6C所示，在本实施方式的垂直腔面发射激光器10中，也存在在阈值电流附近观察到电压变动的器件。可知存在以下情况：微分电阻在阈值电流附近急剧降低，微分电阻和驱动电流具有最小值(dR/dI＝0，d2V/dI2＝0，R：电阻，I：电流)。另外，在更剧烈的情况下，存在微分电阻进入负的区域的情况。
这样的特性在以往的面发射激光器中是观察不到的。认为在本实施方式的垂直腔面发射激光器10中，在p区域(电子势垒层17和p型半导体层18)的厚度较薄且对p区域层施加较大的电气性电场的状态下，积聚在电子势垒层17与p型半导体层18(p-GaN)的界面处的空穴被最终阻挡层16中生成的电子·空穴吸引而一次性流入有源层15中。这能够促进多量子阱之间的载流子浓度的均匀性，改善内部损耗、外微分量子效率、斜率效率，降低阈值电流附近的微分电阻、得到最小值。
更详细而言，认为内部损耗的降低是因为各阱层15W的载流子密度的分布均匀化。图8A和图8B分别示出实施例1和比较例1的面发射激光器的激光振荡时的各阱层15W的载流子密度(电子浓度)分布的计算结果。
图8A和图8B使载流子密度最低的阱层(QW2)为1并将电子浓度标准化而示出。可知：在比较例1中，不均匀性为3倍以上，但在实施例1中，其被抑制至约2倍。由于该不均匀性，在载流子密度最低的阱层(QW2)中产生光学损耗，因此认为内部损耗变大。
此外，认为在以往的面发射激光器中，外微分量子效率低且激光振荡前的微分电阻高的原因是：存在有效质量较大的空穴、压电电场，因此空穴难以移动，产生多量子阱层内的空穴和电子的不均匀性。
在比较例1中，在p区域(电子势垒层17和p型半导体层18)内波节ND和波腹AN分别存在一个(NND＝1，NAN＝1)且满足第一条件，但在最终阻挡层16内不存在波节ND和波腹AN(NND＝0，NAN＝0)且不满足第二条件。满足第一条件和第二条件是重要的。
以上，通过说明的效果，在本实施方式的垂直腔面发射激光器10中，能够得到降低内部损耗的效果，并且在阈值电流附近发生微分电阻的降低。另外，在阈值电流附近，微分电阻和驱动电流有时也具有最小值(dR/dI＝0，d2V/dI2＝0)。
激光振荡前的发光光谱、增益光谱可以根据费米狄拉克分布函数也广泛地分布在高能量侧，优选在比振荡波长的能量更高(短波长)的一侧具有增益峰、发光峰。另外，为了在量子阱中形成第二能级(导带中的量子能级)，也优选设为例如4nm以上的较厚的阱层厚。
此外，关于发光峰是否位于高能量侧，可以通过确认振荡前的光谱并观测到比振荡波长更短的波长侧的光强度或能量更大来确认。另外，利用该空穴注入效果，在固定为激光振荡前的电流的状态下进行光激发，由此，能够容易地引起光开关现象，或者也能够通过面发射激光器引起自脉动动作。
在利用光开关现象的情况下，通过未图示的与垂直腔面发射激光器10连接的电源供给稍微低于阈值电流的电流，使光从外部照射到垂直腔面发射激光器10。来自外部的光能够通过使用与垂直腔面发射激光器10不同的光源来照射。
[实施例2]
在实施例1(Ex.1)中，对在最终阻挡层16内驻波SW的波节ND和波腹AN分别存在一个(NND＝1，NAN＝1)且在p区域(电子势垒层17和p型半导体层18)内波节ND和波腹AN分别存在一个(NND＝1，NAN＝1)的情况进行了说明。
参照图9对实施例2(Ex.2)的垂直腔面发射激光器10的结构进行说明。图9是示意性地示出在实施例2的垂直腔面发射激光器10中从有源层15到电介质DBR25的半导体层中的光的电场强度的驻波SW的图。
此外，如图5所示，在实施例2中，最终阻挡层16的层厚为70nm，比实施例1的120nm更薄。另外，p区域的层厚(电子势垒层17和p型半导体层18的总层厚)为65nm(20+45nm)，比实施例1的93nm(10+83nm)更薄。
另外，电子势垒层17的Al组成为0.15。除了上述方面以外，与实施例1相同。
在实施例2的垂直腔面发射激光器10中，在最终阻挡层16内波节ND和波腹AN分别存在一个(NND＝1，NAN＝1)，在p区域(电子势垒层17和p型半导体层18)内波腹AN存在一个且不存在波节ND(NAN＝1，NND＝0)。
[比较例2]
比较例2(Cmp.2)的垂直腔面发射激光器在p区域的层厚(电子势垒层17和p型半导体层18的总层厚)厚达397nm(10+387nm)这一方面与实施例1(p区域的层厚：93nm)和实施例2(p区域的层厚：65nm)的垂直腔面发射激光器10大不相同。除了上述方面以外，与实施例1相同。
如图5所示，在比较例2的垂直腔面发射激光器中，在最终阻挡层16内驻波SW的波节ND和波腹AN分别存在一个和两个(NND＝1，NAN＝2)。另外，在p区域(电子势垒层17和p型半导体层18)内波节ND和波腹AN分别存在四个(NND＝4，NAN＝4)。
即，满足上述第二条件(最终阻挡层16内包含的波节ND和波腹AN的数量)，但不满足第一条件(电子势垒层17和p型半导体层18内包含的波节ND和波腹AN的数量)。
图10A和图10B分别示出实施例2和比较例2的面发射激光器的激光振荡时的各阱层15W的载流子密度(电子浓度)分布的计算结果。
图10A和图10B将载流子密度最低的阱层(QW2)标准化为1而示出。可知：在比较例2中，不均匀性为3.5倍以上，但在实施例2中，其被抑制至约2倍。
由于该不均匀性，在载流子密度最低的阱层(QW2)中产生光学损耗，因此认为内部损耗变大。
由以上可知，仅满足最终阻挡层的条件(第二条件)无法得到高效面发射激光器。
另外，实施例2的载流子的均质性比实施例1稍高，在电子势垒层17和p型半导体层18内，与NND＝1、NAN＝1相比，优选NND＝0、NAN＝1。
[实施例3]
如图5所示，在实施例3(Ex.3)中，最终阻挡层16的层厚为220nm，比实施例1的120nm更厚。另外，p区域的层厚(电子势垒层17和p型半导体层18的总层厚)为101nm(20+81nm)，比实施例1的93nm(10+83nm)更厚。另外，电子势垒层17的Al组成为0.15。除了上述方面以外，与实施例1相同。
在实施例3中，反映出最终阻挡层16较厚，在最终阻挡层16内波节ND和波腹AN分别存在两个(NND＝2，NAN＝2)。另外，在p区域(电子势垒层17和p型半导体层18)内波节ND和波腹AN分别分别存在一个(NND＝1，NAN＝1)。
图11示出实施例3的面发射激光器10的激光振荡时的各阱层15W的载流子密度(电子浓度)分布的计算结果。
确认了与比较例1和比较例2相比，均匀性得到大幅改善。另外可知：在实施例3中，与实施例1相比稍有改善，在增加最终阻挡层的波腹AN和波节ND的数量的结构、即NND和/或NAN为2以上的结构中也能够实现作为目的的高效面发射激光器。
因此，在最终阻挡层内的波腹AN和波节ND的数量不足的情况下(比较例1)、p区域的波腹AN和波节ND的数量过多的情况下(比较例2)没有效果，但在满足上述第一和第二条件的情况下，发生空穴注入的切换，能够消除伴随量子阱有源层的各阱层间的载流子不均匀性的面发射激光器的效率降低，提供高效面发射激光器。
[第二实施方式]
图12是示意性地示出本发明的第二实施方式的垂直腔面发射激光器50的结构的截面图。本实施方式的垂直腔面发射激光器50具有隧道结作为电流限制结构。
垂直腔面发射激光器50是具有与第一实施方式的垂直腔面发射激光器10的实施例1相同的结构的氮化物面发射激光器。
即，垂直腔面发射激光器50通过在基板11上依次晶体生长半导体DBR12、n型半导体层13、由多量子阱构成的有源层15、最终阻挡层16、电子势垒层(EBL：Electron BlockingLayer)17和p型半导体层18而形成。另外，各半导体层的组成、层厚、杂质浓度等也与垂直腔面发射激光器10相同。
在第二实施方式的垂直腔面发射激光器50中，在生长p型半导体层18后，生长由作为p+-GaN的高杂质浓度的p型半导体层31A和作为n+-GaN的高杂质浓度的n型半导体层31B构成的隧道结层31。
接着，以从隧道结层31的上表面到达p型半导体层18的内部的方式，将隧道结层31和p型半导体层18蚀刻为圆柱状而形成圆柱台面结构。
例如，隧道结层31的层厚为20nm，圆柱台面结构的直径为4μm(中心轴CX)。另外，台面结构的形成使用干式蚀刻，以例如25nm的深度蚀刻隧道结层31和p型半导体层18。
之后，再次通过MOVPE装置生长作为n-GaN的n型半导体层32(第二n型半导体层)，埋入隧道结层31。
随后，形成由n-AlInN和n-GaN制成的半导体DBR35(第二DBR)。半导体DBR35例如由46对n-AlInN/GaN构成。
接着，以到达n型半导体层13的内部的方式蚀刻晶片的外周部，形成为与隧道结层31的中心轴CX同轴的圆柱状台面结构的面发射激光器。
接着，在n型半导体层13的外周部的表面上形成n电极27。另外，在半导体DBR35上形成p电极36，该p电极36在从上表面观察时(从与半导体DBR35垂直的方向观察时)具有比隧道结层31更大的直径，且具有与中心轴CX同轴的圆形状的开口。
进而，研磨基板11的背面，形成由两层Nb2O5/SiO2构成的AR(无反射)涂层29。由此，完成了垂直腔面发射激光器10的形成。
此外，隧道结层31由p+-GaN层和n+-GaN层构成，但也可以使用其他组成的半导体层，例如GaInN等。p+-GaN层例如可以使用Mg作为杂质(掺杂剂)。另外，Mg的掺杂浓度优选为4×1019cm3以上。对于n+-GaN层或n+-GaInN层，优选1×1018cm3以上的高掺杂。
[与第一实施方式的对应关系]
第二实施方式的垂直腔面发射激光器50中的第一和第二条件可以认为与第一实施方式的情况相同。
具体而言，在第二实施方式的垂直腔面发射激光器50中，半导体DBR35与n型半导体层32的界面对应于相位基准(0)。驻波的波腹位于基准。
另外，n型半导体层32(第二n型半导体层)对应于第一实施方式中的间隔层24。更详细而言，隧道结层31与半导体DBR35之间的n型半导体层32的部分对应于第一实施方式中的间隔层24。
另外，优选地，隧道结层31对应于第一实施方式中的透明导电膜(ITO)22，在隧道结层31内驻波SW的波节ND存在一个(NND＝1)。
另外，作为p区域的电子势垒层17和p型半导体层18内包含的驻波SW的波节ND和波腹AN的数量的条件(第一条件)、以及最终阻挡层16内包含的波节ND和波腹AN的数量的条件(第二条件)与第一实施方式中的条件相同。
如以上详细说明的那样，根据本发明，能够提供低阈值电流和高发光效率的垂直谐振器型发光元件。
此外，在上述实施例中，对使用氮化物基半导体的垂直谐振器型发光元件进行了说明，但也能够应用于使用其他晶体系半导体的垂直谐振器型发光元件。
另外，例示了半导体DBR或电介质DBR作为构成谐振器的反射镜，但并不限定于此。例如也可以使用单层的反射镜或衍射光栅等。
另外，以本发明的垂直谐振器型发光元件是使用MOVPE法制造的情况为例进行了说明，但也可以通过分子束外延(MBE)法等其他公知的晶体生长法来制造。
符号说明
10：垂直腔面发射激光器；11：基板；12：DBR(反射镜)；13：n型半导体层；15：有源层；15B：势垒层(阻挡层)；15W：量子阱层(阱层)；16：最终阻挡层(LB)；17：电子势垒层；18：p型半导体层；21：绝缘膜；22：透明导电膜；24：间隔层；25：DBR(反射镜)；31：隧道结层；31A：高杂质浓度的p型半导体层；31B：高杂质浓度的n型半导体层；32：n型半导体层(第二n型半导体层)；35：半导体DBR。
Claims (16)
1.一种垂直谐振器型发光元件，其具有：
第一反射镜；
n型半导体层，其形成在所述第一反射镜上；
有源层，其形成在所述n型半导体层上且由多量子阱构成；
最终阻挡层，其形成在所述有源层的最终量子阱上；
电子势垒层，其形成在所述最终阻挡层上；
p型半导体层，其形成在所述电子势垒层上；
电介质间隔层，其形成在所述p型半导体层上；以及
第二反射镜，其形成在所述间隔层上，
所述电子势垒层和所述p型半导体层内包含的由来自所述有源层的发光引起的驻波的波腹的数量和波节的数量分别为0或1，
在使所述最终阻挡层和所述有源层的层厚分别为Hfb、Hqw，使所述最终阻挡层的折射率为nfb，使所述有源层的等效折射率为nqw时，所述有源层和所述最终阻挡层满足下式，
[数学式1]
2.根据权利要求1所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述最终阻挡层内包含的所述驻波的波节和波腹的数量分别为1以上。
3.根据权利要求1或2所述的垂直谐振器型发光元件，
其具有设置在所述p型半导体层与所述电介质间隔层之间的透明导电膜，
所述透明导电膜以在所述透明导电膜内存在所述驻波的波节的方式设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述最终阻挡层具有λ/4(λ：介质内波长)以上的层厚。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述最终阻挡层内包含的波节的数量为2以上，波腹的数量为1以上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述有源层的层厚为λ/8(λ：介质内波长)以下。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述垂直谐振器型发光元件在阈值电流附近具有由激光振荡引起的微分电阻的最小值。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述第一反射镜是半导体DBR(Distributed Bragg Reflector)，所述第二反射镜是电介质DBR。
9.一种垂直谐振器型发光元件，其具有：
第一反射镜；
第一n型半导体层，其形成在所述第一反射镜上；
有源层，其形成在所述n型半导体层上且由多量子阱构成；
最终阻挡层，其形成在所述有源层的最终量子阱上；
电子势垒层，其形成在所述最终阻挡层上；
p型半导体层，其形成在所述电子势垒层上；
作为电流限制层的隧道结层，其形成在所述p型半导体层上；
第二n型半导体层，其埋入所述隧道结层而形成；以及
第二反射镜，其形成在所述第二n型半导体层上，
所述电子势垒层和所述p型半导体层内包含的由来自所述有源层的发光引起的驻波的波腹的数量和波节的数量分别为0或1，
在使所述最终阻挡层和所述有源层的层厚分别为Hfb、Hqw，使所述最终阻挡层的折射率为nfb，使所述有源层的等效折射率为nqw时，所述有源层和所述最终阻挡层满足下式：
[数学式2]
10.根据权利要求9所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述最终阻挡层内包含的所述驻波的波节和波腹的数量分别为1以上。
11.根据权利要求9或10所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述隧道结层以在所述隧道结层内存在所述驻波的波节的方式设置。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述最终阻挡层具有λ/4(λ：介质内波长)以上的层厚。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述最终阻挡层内包含的波节的数量为2以上，波腹的数量为1以上。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述有源层的层厚为λ/8(λ：介质内波长)以下。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述垂直谐振器型发光元件在阈值电流附近具有由激光振荡引起的微分电阻的最小值。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的垂直谐振器型发光元件，其中，所述第一反射镜和所述第二反射镜是半导体DBR。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |