JP2000022277A - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents

発光素子及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光ディスク等に使用できる良好なビーム特性
を備えた発光素子及びその製造方法を提供することを目
的とする。 【解決手段】 窒化物半導体からなる発光部と、前記発
光部から放出される光の波長よりも小さい開口径を有す
るピンホールを有する波面変換部とを備えることによ
り、ピンホールを介してエバネッセント波を取り出すこ
とができる。このようなピンホールは、レーザ光を放出
させて開口することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物半導体を用
いた発光素子及びその製造方法に係わり、特に、極めて
微小なスポット・サイズの光を取り出すことができる発
光素子及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、青色から紫外域の波長帯の発光ダ
イオードや半導体レーザ用の材料としてGaNなどの窒
化物半導体を用いたものが知られている。この材料系
は、直接遷移型のバンド構造を有し、高い発光効率が得
られる点で注目されている。特に窒化物半導体を用いた
半導体レーザは、発振波長が400nm程度と非常に短
いため、片面で15GB(ギガバイト)以上の容量を有
する高密度光ディスクのための書き込みあるいは読み出
し用の光源として期待され、研究・開発が進められてい
る。
【0003】なお、本明細書において「窒化物半導体」
とは、InxAlyGazN(x≦1,y≦1,z≦1,
x+y+z=1)なる化学式において組成比x,y及び
zをそれぞれの範囲内で変化させたすべての組成の半導
体を含むものとする。例えば、InGaN(x=0.
4、y=0、z=0.6)も「窒化物半導体」に含まれ
るものとする。さらに、3族元素であるIn,Al,G
aの一部をB(ボロン)に置き換えたものや、5族元素
であるNの一部をAs(砒素)やP(リン)に置き換え
たものも含まれるものとする。この際、3族元素として
は上記の3つの元素(In,Al,Ga)のいずれか1
つが含まれ、また、5族元素としては必ずN(窒素)が
含まれるものとする。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このような半導体レー
ザにおいては、発振領域すなわち発光部から放出された
光は、取り出される距離とともに急激に広がる。このた
め、光ディスク・システムの光源として用いる場合に
は、レンズによって光を絞らなければならなかった。
【0005】しかしながら、半導体レーザは一般的に発
振スポットが小さく、また発振波長が400nm程度と
短いためにレンズの径や曲率などの設計が非常に難し
く、またレーザとレンズとの間の光軸合わせも非常に難
しいという問題があった。
【0006】また、レンズで絞られる回折限界スポット
径は波長に比例するため、光源の短波長化は高密度化の
ための重要な要素技術である。しかしながら、単に波長
が短いだけでは、出射光を極小スポットに絞ることはで
きない。すなわち、良好なビーム特性を得るための横モ
ード制御構造等の開発が必要である。しかし、窒化物半
導体は、一般にその結晶成長技術や加工技術が十分に開
発されておらず、複雑な横モード制御構造を実現するこ
とは困難であるという問題もあった。すなわち、InG
aAlN系レーザでは室温連続発振は達成されているも
のの、光ディスクに使用できるビーム特性の実現にはま
だ多くの課題が残されている。
【0007】さらに、光の波長が短くなると、使用する
光学系の精度や調整に関しても、精密な制御が要求され
る。これは波長およびスポット径が小さくなるため、レ
ンズの収差等もそれに比例して、小さい値に抑えなけれ
ばならないからである。したがって短波長になる程、こ
のような高精度光学系の実現およびその調整が困難とな
るという問題もあった。
【0008】以上説明したように、窒化物半導体系レー
ザでは横モード制御構造の作製が困難であり、光ディス
クに使用できるビーム特性の実現は困難であった。ま
た、このような短波長発光素子を光ディスク等の光源に
用いる場合、波長に見合った高精度光学系の実現および
光学系の高精度な調整も困難であった。
【0009】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、光ディスク等に使用で
きる良好なビーム特性を備えた発光素子を提供すること
にある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、短波長
発光素子に波面変換部を集積させて設けることにより、
光ディスク・システム等に使用できる良好なビーム特性
の実現を可能とすることにある。すなわち、本発明の発
光素子は、窒化物半導体からなる発光部と、前記発光部
から放出される光の放射形状を、その波長よりも小さい
放射形状に変換し出力光として放出する第1の波面変換
部と、を備えたことを特徴とする。
【0011】ここで、前記第1の波面変換部は、前記発
光部から放出される光の波長よりも小さい開口径のピン
ホールを有し、前記出力光は、前記ピンホールを介して
放出されるエバネッセント波を含むことを特徴とし、極
めて微小なスポット・サイズの光を得ることができる。
【0012】また、前記発光部から放出される光を集束
して前記第1の波面変換部に供給する第2の波面変換部
をさらに備えたことを特徴とし、高い強度のエバネッセ
ント波を得ることができる。
【0013】または、本発明の発光素子は、基板と、前
記基板上に設けられた発光層と、前記基板上に設けられ
た光出射面と、を備え、前記発光層から放出された光を
前記光出射面を介して前記基板に対して略垂直な方向に
取り出すようにした発光素子であって、前記光出射面
と、電極が形成された面との間に段差が設けられている
ことを特徴とし、エバネッセント波の出力面を光ディス
クなどの対象物に十分に接近して配置することが可能と
なる。
【0014】または、本発明の発光素子は、光出射面
と、前記光出射面に対して略平行な面上に設けられたp
側電極と、前記光出射面に対して略平行な面上に設けら
れたn側電極と、を備えた発光素子であって、前記光出
射面と前記p側電極とは、互いに異なる平面内に設けら
れ、前記光出射面と前記n側電極とは、互いに異なる平
面内に設けられていることを特徴とし、エバネッセント
波の出力面を光ディスクなどの対象物に十分に接近して
配置することが可能となる。
【0015】また、前記第2の波面変換部は、前記発光
部の基板に接して形成されたレンズからなることを特徴
とする。
【0016】また、前記発光部は、面発光型の構造とな
っていることを特徴とする。
【0017】また、前記ピンホールが形成された第1の
波面変換部は、前記発光部から放出される光に対する吸
収係数が高い材料からなることを特徴とする。
【0018】また、前記第1の波面変換部は、窒化物半
導体層の端面上に形成された誘電体膜を介して設けられ
ていることを特徴とする。
【0019】一方、本発明の発光素子の製造方法は、窒
化物半導体からなる発光部と、前記発光部から放出され
る光の波長よりも小さい開口径を有するピンホールとを
有し、前記発光部から放出される光を前記ピンホールを
介してエバネッセント波として取り出す発光素子の製造
方法であって、窒化物半導体からなる発光部を形成する
工程と、ピンホールが開口されるべき薄膜を形成する工
程と、前記発光部から放出された光を前記薄膜に照射す
ることにより前記ピンホールを開口する工程と、を備え
たことを特徴とし、エバネッセント波を取り出すための
ピンホールを確実且つ的確に形成することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】本発明によれば、簡略な構成の波
面変換部を利用することによりエバネッセント波を取り
出すことが可能となり、従来よりも極めて微小なスポッ
ト・サイズの光を利用することができる。その結果とし
て、従来のDVDシステムの100倍以上という超高密
度の光ディスク・システムを実現することが可能とな
る。
【0021】以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形
態を説明する。図1は、本発明の実施の形態に関わる発
光素子を表す概略図である。同図(a)は発光素子の平
面図、同図(b)はそのA−A’線断面図である。同図
の発光素子100は、窒化物半導体により構成された、
いわゆる端面放射型の半導体レーザであり、その一方の
端面に波面変換部150が設けられ、そのピンホールh
からエバネッセント(evanescent)波を取り出すことが
できる。
【0022】すなわち、同図(a)において、矢印で示
した長手方向がレーザの共振器の方向である。そして、
図中の150が本発明の主眼である波面変換部である。
本具体例においては、この波面変換部150はシリコン
(Si)により構成され、レーザ光が出射する部分に、
その波長と同程度以下のピンホールhがあけられてい
る。また、図中の151は、波面変換部とレーザ端面と
の間に介在するスペーサとなる誘電体膜である。本具体
例では、厚さがレーザ波長と同程度以下の酸化シリコン
(SiO2)膜を用いる。また、他方の端面には、光反
射率が高い高反射膜160が設けられている。
【0023】このような構成の素子により、エバネッセ
ント波を利用することが可能となる。すなわち、波面変
換部150に設けられているピンホールhの直径が、レ
ーザから放出される光の波長と同程度以下であると、ピ
ンホールhを介して外側には伝搬光としてのレーザ光は
出射されず、波面変化部150から離れるに従って急激
に減衰するエバネッセント波となる。このようなエバネ
ッセント波の場の大きさはピンホールhの直径と同程度
である。つまり、ピンホールhの直径と同程度の極めて
微小なスポットサイズの光を得ることができる。
【0024】このようなエバネッセント波を用いること
により、レンズを必要とせず、ピンホールhの直径と同
程度のサイズにまで光を絞り込むことができる。従っ
て、ピンホールhを図示しない光ディスクに近接して配
置すれば、レーザ光の波長よりも小さい微小なピット
(ディスク上に形成される凹凸)を検出しまたは形成で
き、超高密度の光ディスク・システムを実現できる。
【0025】さらに詳細に説明すると、従来のレンズに
よる光学系を用いた方法においては、集束光のビーム・
スポット径Dは、D=λ/NA と表される。ここで、
λは光の波長であり、NAはレンズの開口数(numerica
l aperture)である。ここで、従来のDVD(digital
versatile disc)システムの規格を例に挙げると、光の
波長は、650nmであり、レンズの標準的な開口数
は、約0.6である。従って、集束光のビーム・スポッ
ト径Dは、約1μmであることがわかる。
【0026】これに対して、本発明によれば、ピンホー
ルhの直径と同程度のサイズのエバネッセント波を得る
ことができる。例えば、ピンホールhの直径を100n
mとすれば、エバネッセント波のビーム・スポットは、
概ね100nm以下である。光ディスク上に形成される
ピットの最小サイズは、光のビーム・スポット径に比例
する。つまり、光ディスクの記録容量は、光のビーム・
スポット径の2乗に反比例する。従って、本発明によれ
ば、ピンホールhの開口径を100nmとした場合で
も、光ディスクの記録容量を従来のDVDシステムの1
00倍以上に高めることができる。しかも、レンズなど
の外部の光学系が必要とされないので、微妙な光軸合わ
せが不要となり、製造コストも低く、信頼性も極めて高
い光ピックアップを実現することができる。ここで、本
発明による発光素子を光ディスクに接近して配置し、エ
バネッセント波でデータの読み出しや書き込みを実現す
るためには、例えば、アクチュエータとして圧電素子を
利用しても良い。
【0027】次に、同図(b)を参照しつつ、本実施形
態の半導体レーザの構成の具体例について説明する。半
導体レーザは、c面を主面とするサファイア基板101
と、その上に形成された窒化物半導体による積層構造と
を備える。その積層構造の一例を示すと、基板側から順
に、50nmのGaNバッファ層102、GaN高温バ
ッファ層103(アンドープ、厚さO.5μm、キャリ
ア濃度1×1017cm-3)、n型GaNコンタクト層1
04(Siドープ、厚さ4μm、キャリア濃度2×10
18cm-3)、n型AlGaNクラッド層105(Al組
成比8%、Siドープ、厚さ0.5μm、キャリア濃度
1×1018cm-3)、n型GaNガイド層106(Si
ドープ、厚さ0.3μm、キャリア濃度1×1017cm
-3)、InGaN/InGaN多重量子井戸(MQW)
構造の活性層107(5ペア、井戸層:In組成比18
%、厚さ4nm、障壁層:In組成比4%、厚さ2n
m)、p型GaNガイド層108(Mgドープ、厚さ
0.3μm、キャリア濃度1×1017cm-3)、p型A
lGaNクラッド層109(Al組成比8%、Mgドー
プ、厚さ0.5μm、キャリア濃度2×1017cm-3
が積層されている。
【0028】さらに、このp型AlGaNクラッド層1
09の上に、幅5μmのストライプ状の孔を有するn型
InGaN電流阻止層110(Siドープ、In組成比
15%、厚さ0.2μm、キャリア濃度1×1018cm
-3)が形成され、この上にInGaN層の孔も埋めるよ
うに全面にp型GaNコンタクト層111(Mgドー
プ、厚さ0.3μm、キャリア濃度3×1017
-3)、高濃度p型GaNコンタクト層112(Mgド
ープ、厚さ0.1μm、キャリア濃度5×1017
-3)が形成されている。
【0029】このようなレーザ構造に電流を供給するた
めの電極としては、n型コンタクト層104に対しては
チタン(Ti)と金(Au)とを積層した電極140、
p型コンタクト層112に対しては半導体層側から白金
(Pt)、チタン(Ti)、白金(Pt)、金(Au)
を順に積層した電極130を用いることができる。
【0030】次に、このようなレーザ素子の製造方法を
簡単に説明する。窒化物半導体の積層構造は、例えば、
MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Depositio
n:有機金属化学気相成長)法あるいはMBE(Molecul
ar Beam Epitaxy:分子線エピタキシー)法などにより
成長することができる。MOCVD法による場合の原料
としては、トリメチル・ガリウムやトリメチル・アルミ
ニウム、トリメチル・インジウム、アンモニアなどを用
いることができる。
【0031】n側電極140を形成するためにn型コン
タクト層104の一部を露出させる方法としては、積層
構造をすべて成長した後に部分エッチングによって形成
することも可能であるし、n型コンタクト層104の成
長後に選択成長を行なうことも可能である。
【0032】このようにして形成したレーザ素子は、劈
開などにより端面を形成した後に、後方の端面に高反射
膜160を形成し、前方の端面には、スペーサ151と
波面変化部150とをそれぞれ形成する。高反射膜16
0としては、例えば、複数の誘電体薄膜を積層させたい
わゆるブラッグ反射鏡を用いることができる。また、ス
ペーサ151としては、例えば、酸化シリコンや窒化シ
リコンなどの誘電体膜を用いることができる。スペーサ
151の役割は、第1に、レーザ端面において必要とさ
れる光反射率を確保する点にある。従って、スペーサ1
51は、誘電体膜を積層させたブラッグ反射鏡としても
良い。また、スペーサ151は、波面変換部150の付
着強度を改善する役割も有する。従って、レーザ素子の
端面と波面変換部150との付着強度が高い材料を用い
ることが望ましい。さらに、スペーサ151は、波面変
換部150とレーザ端面とを電気的に絶縁する役割も有
する。すなわち、図1(b)からも分かるように、レー
ザ端面にはn型の半導体層とp型の半導体層の側面が露
出しており、波面変換部150の材料として導電性のも
のを用いる場合には、pn接合が短絡しないように、端
面を絶縁被覆する必要がある。この観点からは、スペー
サ151は、絶縁性の材料により構成することが望まし
い。スペーサ151の材料としては、酸化シリコンや窒
化シリコンの他に、酸化チタン(TiO2)や酸化アル
ミニウム(Al23)などの誘電体膜を用いることが望
ましい。
【0033】一方、本実施形態の特徴は、波面変換部1
50の材料としてシリコンを用いる点にもある。図2
は、シリコンの光吸収係数の波長依存性を表すグラフ図
である。同図に示したように、シリコンは長波長におい
ては透明であるが、青色あるいはそれより短い波長域に
おいては光の吸収係数が極めて大きい。例えば、波長4
00nmにおいては、吸収係数は2×105cm-1とい
う大きな値を持つ。つまり、窒化物半導体のレーザ素子
の波長帯においては、極めて高い吸収係数を有する。し
たがって、膜厚が200nm程度もあれば、レーザ光を
ほとんど透過せずピンホール部のみにエバネッセント波
を発生させることが可能となる。
【0034】ここで、エバネッセント波の強度は、ピン
ホール開口部において入口側の端部から指数関数的に減
衰し、ピンホールの直径程度の範囲のみにおいて存在す
る。例えば、ピンホールhの直径が0.1μm程度の場
合には、エバネッセント波の存在範囲は、概ね0.1μ
m程度に過ぎない。従って、エバネッセント光を高い強
度で外部に取り出すためには、波面変換部150の膜厚
を十分に薄くすることが重要である。本実施形態のよう
にシリコンを用いた場合には、波面変換部150の膜厚
を200nm程度まで十分に薄くすることができ、外部
に取り出すエバネッセント波の強度を大きくできる。波
面変換部150を構成する膜の材料としては、シリコン
の他に、例えば、ゲルマニウム(Ge)や窒化インジウ
ム(InN)などの挟エネルギーギャップの半導体や、
炭素(C)などの導電体、あるいはインジウム(I
n)、金(Au)、アルミニウム(Al)、白金(P
t)、銀(Ag)等の金属などを挙げることができる。
これらの金属材料を用いれば、さらに膜厚を薄くするこ
とも可能である。
【0035】これらの材料は、蒸着法やスパッタリング
法あるいはCVD法などの種々の方法により、レーザ素
子の端面に所定の膜厚で堆積することができる。
【0036】また、波面変換部150にピンホールhを
形成する方法としては、レーザ素子において通常用いる
よりも高い出力のレーザ光を瞬間的に出射させて微小な
開口を設ける方法がある。通常、レーザ端面から出射さ
れるレーザ光は、ガウス分布に近似した空間的強度分布
を有する。従って、レーザ光の出力レベルや出射時間を
適宜制御することにより、波面変換部150に開口する
ピンホールのサイズを調節することができる。
【0037】次に、本発明の第2の実施の形態について
説明する。
【0038】図3は、本発明の第2の実施形態に関わる
発光素子の要部構成を表す概略図である。同図は要部断
面図であり、同図手前側の面は断面構造を表す。図示し
た発光素子200は、いわゆる垂直共振器型面発光レー
ザを基本とし、その光出射面に波面変換部225が設け
られている。その素子構造を説明すると、サファイア基
板210の上に、GaNバッファ層211、GaN/G
aAlN多層膜212、n型GaNコンタクト層21
3、n型GaAlNクラッド層214、n型GaN導波
層215、InGaN多重量子井戸(MQW:Multiple
Quantum Well)活性層216、p型GaN導波層21
7、p型GaAlNクラッド層218、n型GaAlN
電流狭窄層219が順次、成長形成されている。活性層
216は、例えば、InxGa1-xN井戸層とInyGa
1-yN障壁層(x≧y)とを交互に積層した多重量子井
戸(MQW)構造とすることができる。これらの結晶成
長は、MOCVD法あるいはMBE法などにより行うこ
とができる。
【0039】n型GaAlN電流狭窄層219は、円形
の開口部を有するように一部がエッチング除去され、そ
の上にp型GaNコンタクト層220、GaN/GaA
lN多層膜221が形成される。これらの結晶成長もM
OCVD法あるいはMBE法によって行われる。
【0040】この層構造は図に示されたように両側が部
分的に除去されてメサ状に加工されている。そして、メ
サの両側において、基板210とn型GaNコンタクト
層213の一部がそれぞれ露出される。そして、メサ部
の側面にSiO2膜222が形成されている。さらに、
基板210の露出部上およびSiO2膜222の上には
p側電極223が形成され、n型GaNコンタクト層2
13の露出部上にはn側電極224が形成されている。
また、GaN/GaAlN多層膜221の上にはシリコ
ン(Si)などからなる波面変換部225が形成されて
いる。この波面変換部225の中央には直径約100n
mのピンホールhが設けられている。
【0041】図示した発光素子200においては、Ga
N/GaAlN多層膜212とGaN/GaAlN多層
膜221とがそれぞれ共振器鏡の働きをしており、垂直
方向に共振器が形成される、いわゆる垂直共振器型面発
光レーザの構造を有する。
【0042】共振器端面に設けられた波面変換部225
は、共振器内の光をエバネッセント(evanescent)波に
変換する機能を持っている。すなわち、活性層216か
ら放出される光の波長は、約400〜500nm程度で
あるのに対して、ピンホールhの直径は約100nmで
あり、レーザ素子の発光波長より小さい。このために、
ピンホールhの外側には伝搬光としてのレーザ光は出射
されず、ピンホールhから離れると急激に減衰するエバ
ネッセント波となる。従って、第1実施形態に関して前
述したように、ピンホールhの直径と同程度のスポット
サイズの光を得ることができる。
【0043】また、本実施形態においても、図2に関し
て前述したように、シリコンを用いて波面変換部225
を形成することにより膜厚を十分に薄くすることが可能
で、エバネッセント波を高い強度でピンホールhの外側
に取り出すことができる。
【0044】さらに、本実施形態においては、面発光型
のレーザの発光面においてメサ状に段差を設け、p側電
極223をその段差の底面Bまで延在して形成してい
る。そして、p側電極223とn側電極224とは、そ
れぞれメサの底面においてワイアWにより配線される。
このように、ワイアボンディングの位置を素子の発光面
よりも後退させることにより、図示しない光ディスクな
どの対象物に対してワイアWが干渉することなく、波面
変換部225を十分に接近して配置することができるよ
うになる。特に、本発明においては、極めて限られた場
にのみ存在するエバネッセント波を利用するので、この
ように波面変換部225を対象物に十分に接近させるこ
とができる構成は、極めて重要である。
【0045】図4は、本実施形態にかかる発光素子の変
形例を表す要部断面斜視図である。同図の発光素子20
0’も垂直共振器型面発光レーザを基本とする。その基
本部分は、図3に示したものと同一とすることができる
ので、同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は
省略する。本変形例においては、結晶成長後にサファイ
ア基板210を除去することにより電極を発光素子の上
下の面に設けた点で、図3の発光素子200とは異な
る。
【0046】このような構成を実現するためには、多層
反射膜212とバッファ層211との間などに厚さ80
μm程度のGaN層250などを設ける必要がある。そ
して、バッファ層211をエッチングして基板210と
ともに除去する。層250は裏面からのコンタクト層と
して作用するので、キャリア濃度が1018/cm3以上
のn型であることが望ましい。また、基板210を除去
するためには、バッファ層211の材料としてInNな
どの選択エッチングしやすい材料を用いたり、部分的に
形成したSiO2膜を利用するなどの工夫が必要であ
る。また、多層反射膜212を結晶成長時に形成せず、
その代わりに、n側電極224を透明電極とし、その電
極224の外側に反射膜を形成しても良い。
【0047】次に、本発明の第3の実施の形態について
説明する。図5は、本発明の第3の実施の形態に関わる
発光素子の概略構成を示す要部断面斜視図である。同図
の発光素子300も垂直共振器型面発光レーザを基本と
する。その基本部分は、第2実施形態に関して前述した
発光素子200と概略同様とすることができるので、同
一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略す
る。本実施形態の特徴は、共振器およびピンホールを複
数形成して、いわゆるアレイ(array)構造とした点に
ある。このような発光素子300をピックアップヘッド
として用いれば、図示しない光ディスクの複数のトラッ
クを同時に記録再生することができる。
【0048】なお、本実施形態では、共振器とピンホー
ルhとが1次元状に配列したアレイを例示したが、本発
明は、もちろんこれに限定されるものではなく、2次元
状にのアレイとすることも可能である。特に、図示した
ような面発光型の構造においては、2次元アレイを容易
に実現できるという利点がある。
【0049】次に、本発明の第4の実施の形態について
説明する。図6は、本発明の第4の実施形態に関わる発
光素子400の概略構成を示す断面図である。同図の発
光素子400も垂直共振器型面発光レーザを基本とす
る。図中450はサファイア基板であり、この基板45
0の上にGaNバッファ層451、n型GaNコンタク
ト層453、n型GaAlNクラッド層454、n型G
aN導波層455、InGaN多重量子井戸(MQW)
活性層456、p型GaN導波層457、p型GaAl
Nクラッド層458、n型GaAlN電流狭窄層45
9、p型GaNコンタクト層460が成長形成されてい
る。また、461はSiO2/TiO2多層膜、462は
SiO2膜、463はSiO2/TiO2多層膜、464
はp側電極、465はn側電極、466はピンホールh
を設けたシリコン膜である。
【0050】本実施形態の特徴は、第1の波面変換部と
して作用するシリコン膜466の他に、第2の波面変換
部として作用するSiO2/TiO2多層膜463を有す
る点である。この第2の波面変換部はサファイア基板の
裏面側を球面加工してその表面に多層膜463を形成す
ることによって得られる。この球面反射鏡により光はピ
ンホール部の多層膜鏡に戻されるため、安定で高効率の
共振器が形成される。次に、本発明の第5の実施の形態
について説明する。図7は、本発明の第5の実施形態に
関わる発光素子の概略構成を示す図であり、同図(a)
はその断面図、同図(b)はその要部底面図である。同
図の発光素子500も垂直共振器型面発光レーザを基本
とする。図中570はサファイア基板であり、この基板
570の上にGaNバッファ層571、n型GaNコン
タクト層573、n型GaAlNクラッド層574、n
型GaN導波層575、In型GaN多重量子井戸(M
QW)活性層576、p型GaN導波層577、p型G
aAlNクラッド層578、n型GaAlN電流狭窄層
579、p型GaNコンタクト層580が成長形成され
ている。また、581はSiO2/TiO2多層膜、58
2はSiO2膜、584はp側電極、585はn側電
極、586はピンホールhを設けたシリコン膜であり、
第1の波面変換部として作用する。また、587は回折
格子レンズであり、第2の波面変換部として作用する。
回折格子レンズ587は、例えばSiO2膜などを用い
たフレネル・レンズであり、同図(b)に示したような
平面パターンを有する。
【0051】本実施形態では、SiO2/TiO2多層膜
581と回折格子レンズ587とが共振器鏡を構成して
いる。回折格子レンズ587により反射された光はピン
ホール部の多層膜鏡581に戻されるため、安定で高効
率の共振器が形成される。さらに、回折格子レンズ58
7を透過した出射光を基板570の下側において収束さ
せることが可能となる。つまり、シリコン膜586のピ
ンホールhを介してエバネッセント波を取り出すことが
でき、同時に、基板の裏面側においては、回折格子レン
ズにより収束された光を取り出すことができる。この裏
面側の光は、例えば、光ディスク・システムのピックア
ップの位置を検出するためのプローブとして用いたり、
レーザ出力を制御するためのモニタ光などとして利用す
ることもできる。
【0052】もし、裏面側の光のみを利用する場合に
は、表面側のピンホールhは不要であり、したがって、
シリコン膜581を形成する必要は必ずしもない。一
方、裏面側の収束光を利用しない場合には、回折格子レ
ンズ587の反射率を高くして高反射型の回折格子レン
ズとすれば良い。
【0053】次に、本発明の第6の実施の形態について
説明する。図8は、本発明の第6の実施形態に関わる発
光素子の概略構成を示す図であり、同図(a)はその断
面図、同図(b)はその要部平面パターン図である。同
図の発光素子600も垂直共振器型面発光レーザを基本
とする。図中610はサファイア基板であり、この基板
610の上に第1のGaNバッファ層611が堆積さ
れ、さらに、SiO2層612、金属膜613、SiO2
層614が積層される。これらのSiO2層と金属膜6
12〜614は、エッチングにより一部除去され、同図
(b)に示したようなパターンの回折格子レンズ630
を構成する。この上に第2のGaNバッファ層615が
成長形成される。この第2のバッファ層615の成長に
際しては、回折格子レンズ630の開口を介して下層の
第1のバッファ層611からエピタキシャル成長が生
じ、さらに面内方向にラテラル成長が進行することによ
って、単結晶状の第2のバッファ層615が得られる。
【0054】その上に、n型GaNコンタクト層61
6、n型GaAlNクラッド層617、n型GaN導波
層618、InGaN多重量子井戸(MQW)活性層6
19、p型GaN導波層620、p型GaAlNクラッ
ド層621、n型GaAlN電流狭窄層622、p型G
aN層623、p型GaN/p型GaAlN多層膜62
4が順次エピタキシャル成長される。また、625はp
側電極、626はn側電極、627はSiO2/TiO2
多層膜、628はピンホールhを設けたシリコン膜であ
る。
【0055】本実施形態では、シリコン膜628が第1
の波面変換部として作用し、サファイア基板上の回折格
子レンズ630が第2の波面変換部として作用する。回
折格子レンズ630により、レーザ光をサファイア基板
裏面に収束させることが可能となる。そして、第1の波
面変換部であるシリコン膜628のピンホールhを介し
て、強度の高いエバネッセント波を取り出すことができ
る。
【0056】ここで、サファイア基板610の屈折率は
1より大きいので、回折格子レンズ630の開口数(N
A)を1より大きくすることが可能となる。この場合に
は、第1の波面変換部すなわちピンホールを設けたシリ
コン膜628がなくても、基板610より下側の光の場
はエバネッセントとなり、波長より小さいスポットを得
ることができる。もちろん、本実施形態に示したように
ピンホールと組み合わせて、極小スポットのエバネッセ
ント波を得ることも可能である。
【0057】次に、本発明の第7の実施の形態について
説明する。図9は、本発明の第7の実施形態に関わる発
光素子の概略構成を表す図であり、同図(a)はその要
部平面透視図、同図(b)はそのA−A’線断面図、同
図(c)は導波層端部のA−A’線に沿った抵抗率及び
屈折率の分布を表すグラフ図である。同図の発光素子7
00は、端面放射型レーザを基本とする。まず、同図
(b)を参照しつつその断面構造について概説すると、
図中710はサファイア基板であり、この基板710の
上にGaNバッファ層711、n型GaNコンタクト層
712、n型GaAlNクラッド層713、n型GaN
導波層714、InGaN多重量子井戸(MQW)活性
層715、p型GaN導波層716、p型GaAlNク
ラッド層717、n型GaAlN電流狭窄層718、p
型GaNコンタクト層719が形成されている。また7
20はp側電極、721はn側電極である。
【0058】本実施形態においては、レーザ素子の片方
の出射端面付近に波面変換部722が設けられている。
波面変換部722は、端面の付近の部分のp型GaN導
波層716の抵抗率を局所的に変化させた構造からな
る。すなわち、図9(c)に示したように、ストライプ
中央では抵抗率が高く、外側では抵抗率が低い構造とな
っている。これにより、ストライプ外側部分の活性層へ
のキャリア注入がストライプ中央部に比べて大きくなる
ため、プラズマ効果によって、図9(c)に示したよう
に、ストライプ外側の実効的な屈折率が低くなる。した
がって、この波面変換部は導波光に対してレンズ作用を
有する。
【0059】図10は、この波面変換部722により導
波光が屈折される様子を説明する平面図である。すなわ
ち、波面変化部722の内部での光の分布は、その屈折
率と波面変換部722の長さLとにより、いくつかの種
類に分類される。
【0060】図10(a)に表した例においては、導波
光の焦点距離よりも波面変換部の長さLの方が長い。そ
の結果として、図示したように、導波光は端面の外側に
おいて集束する。図10(b)に表した例においては、
導波光の焦点距離と波面変換部の長さLとが同一であ
る。その結果として、導波光はレーザの端面において集
束する。図10(c)に示した例においては、波面変換
部の長さLは、導波光の焦点距離の2倍である。その結
果として、図示したように、レーザ端面からは平行な光
が出射する。
【0061】このように、本実施形態によれば、波面変
換部722の屈折率分布と長さLとを適宜調節すること
により、出射光の強度分布を制御することができ、比較
的広いストライプ幅でも良好な出射波面が得られる。
【0062】波面変換部722は、例えば、電子ビーム
照射によって作製することができる。すなわち、p型G
aN導波層716を成長した後、電子ビーム照射によっ
て、ストライプ部のアクセプタを活性化させる、この
際、電子ビームの照射量に分布をもたせ、端面近傍にお
いては、ストライプ外側部分の電子線ドーズ量を多く
し、中央部の電子線ドーズ量を少なくする。これによっ
て、外側が低抵抗、中央部が高抵抗となる構造が実現さ
れる。
【0063】なお、この方法による場合は、電子線照射
でストライプ部を形成するため、n型GaAlN電流狭
窄層718は必ずしも必要ではない。すなわち、ストラ
イプの外側に電子線照射を行わなければ、高抵抗である
ため電流は流れず、電流狭窄を実現することができるか
らである。
【0064】一方、波面変換部722の形成方法として
は、イオン注入を利用する方法もある。すなわち、p型
GaN導波層716に対して、マグネシウム(Mg)な
どのp型不純物をドーズ量に分布をつけて注入し、必要
に応じてアニール処理を施すことにより、図9(c)と
同様の抵抗率の分布を有するp型GaN導波層716を
形成することができる。
【0065】あるいは、p型GaN導波層716の結晶
成長に際して均一にp型の不純物をドーピングし、成長
後に、水素(H)をドーズ量に分布をつけてイオン注入
することによっても、図9(c)と同様の抵抗率の分布
を有するp型GaN導波層716を形成することができ
る。これは、結晶成長時にドープされたマグネシウムな
どのp型不純物が、水素のイオン注入によって不活性化
される現象を利用したものである。
【0066】さらに別の方法として、p型GaN導波層
716に対して、マグネシウムなどのp型不純物とシリ
コンなどのn型不純物とを両方ドーピングし、そのいず
れか、あるいは両方の不純物の濃度分布を制御する方法
でも良い。つまり、p型不純物に対して、n型不純物の
ドーピング量を変化させることにより、アクセプタの補
償量を制御して、図8(c)と同様の抵抗率の分布を有
するp型GaN導波層716を形成することができる。
【0067】また、この例ではp型GaN導波層716
の抵抗率を変化させているが、活性層715の抵抗率を
変化させても良いことはいうまでもない。さらに、p型
GaAlNクラッド層717の抵抗率を同様に変化させ
ても良く、または、導波層716とクラッド層717の
両方で抵抗率を変化させても良い。
【0068】次に、本発明の第8の実施の形態について
説明する。図11は、本発明の第8の実施形態に関わる
発光素子の概略構成を表す概略図であり、同図(a)は
その要部平面透視図、同図(b)はそのA−A’線断面
図、同図(c)は導波層端部のA−A’線に沿った抵抗
率及び屈折率の分布を表すグラフ図である。同図の発光
素子800は、図9に表した発光素子700の光出射側
の端面にピンホールhを有する波面変換部830を設け
たものである。
【0069】ここで、発光素子800の断面構造など
は、図9に関して前述したものと同様であるので詳細な
説明は省略する。
【0070】本実施形態においては、導波光を波面変換
部722で集束し、波面変換部830のピンホールhを
介してエバネッセント波として外部に取り出すことがで
きる。導波光をピンホールhに集束させてエバネッセン
ト波の強度を上げるためには、図10(b)に示したよ
うに端面に導波光が集束されるように、波面変換部72
2の屈折率分布と長さLとを設定することが望ましい。
【0071】本実施形態によれば、端面放射型のレーザ
において、さらに導波光を集束することにより、極めて
高い強度のエバネッセント波を取り出すことができると
いう利点がある。
【0072】次に、本発明の第9の実施の形態について
説明する。図12は、本発明の第9の実施の形態にかか
る発光素子の構成を表す概略断面図である。この断面図
は、発光層の共振器方向に縦割りした図である。また、
同図においては、発光層1116の上下に適宜設けられ
るガイド層、クラッド層あるいはコンタクト層などは省
略した。本実施形態によれば、利得の大きな領域を長距
離にわたって形成することができるので、強度を稼ぐこ
とができる点で面発光型よりも有利である。発光層11
16で生成された光は、高反射膜1130と波面変換部
1128との間で共振し、高反射膜1131により反射
されて、波面変換部1128内に形成されたピンホール
hによって取り出すことができる。この時、高反射膜1
131は45度程度に傾斜して設けられた半導体面上に
積層構造を有した誘電体膜を形成することが望ましい。
【0073】図13は、本実施形態の変形例を表す概略
断面図である。同図においても、発光層の上下に適宜設
けられるガイド層、クラッド層あるいはコンタクト層な
どは省略した。図12の発光素子とは、基板1101を
加工したレンズ1229の上に、ピンホールhを有する
吸収層1228を形成した構造を有する。本発明変形例
によれば、レンズ1229を設けることにより、ピンホ
ールhを介して取り出すことができるエバネッセント波
の強度をさらに上げることができる。
【0074】以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の
形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具
体例に限定されるものではない。例えば、前述した端面
放出型レーザや面発光型レーザの素子構造は、一例に過
ぎず、これらの他にも、各種の電流注入構造、電流阻止
構造、各種の組成の材料を同様に用いることができる。
【0075】また、基板として用いることのできるもの
は、前述したサファイアに限定されず、その他にも、例
えば、スピネル、MgO、ScAlMgO4、LaSr
GaO4、(LaSr)(AlTa)O3などの絶縁性基
板や、SiC、Si、GaNなどの導電性基板も同様に
用いてそれぞれの効果を得ることができる。
【0076】また、前述した端面放出型レーザや面発光
型レーザの他にも、端面放出型LED(light emitting
diode:発光ダイオード)や面発光型LEDを用いても
同様に本発明の効果を得ることができる。さらに、ピン
ホールの開口形状やそのサイズも前述したものに限定さ
れず、発光部から放出される光の波長との関係において
適宜決定して同様の効果を得ることができる。
【0077】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
窒化物半導体からなる発光部と波面変換部とを設けるこ
とにより、良好な出射ビーム特性の実現が可能となる。
【0078】すなわち、ピンホールを介してエバネッセ
ント波を取りだすことにより、レンズなどの光学系を用
いることなく発光部からの光を絞りこむことができる。
その結果として得られるエバネッセント波のスポット・
サイズは、従来のDVDシステムの10分の1以下とす
ることができる。その結果として、従来のDVDシステ
ムの100倍以上の記録容量を有する超高密度の光ディ
スク・システムあるいは光磁気ディスク・システムなど
を実現することができる。
【0079】さらに、波長変化によるレンズそのものの
調整やピックアップの中での光軸の調整が不要となる。
【0080】以上詳述したように、本発明によれば、極
めて微細なスポット・サイズを有する発光素子を実現す
ることにより、超高密度光ディスク・システムを安価で
且つ高信頼性で提供することが可能となり産業上のメリ
ットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に関わる発光素子を表す概
略図である。同図(a)は発光素子の平面図、同図
(b)はそのA−A’線断面図である。
【図2】シリコンの光吸収係数の波長依存性を表すグラ
フ図である。
【図3】本発明の第2の実施形態に関わる発光素子の要
部構成を表す概略図である。
【図4】第2実施形態の変形例を表す概略図である。
【図5】本発明の第3の実施の形態に関わる発光素子の
概略構成を示す要部断面斜視図である。
【図6】本発明の第4の実施形態に関わる発光素子40
0の概略構成を示す断面図である。
【図7】本発明の第5の実施形態に関わる発光素子の概
略構成を示す図であり、同図(a)はその断面図、同図
(b)はその要部底面図である。
【図8】本発明の第6の実施形態に関わる発光素子の概
略構成を示す図であり、同図(a)はその断面図、同図
(b)はその要部平面パターン図である。
【図9】本発明の第7の実施形態に関わる発光素子の概
略構成を表す図であり、同図(a)はその要部平面透視
図、同図(b)はそのA−A’線断面図、同図(c)は
導波層端部のA−A’線に沿った抵抗率及び屈折率の分
布を表すグラフ図である。
【図10】波面変換部722により導波光が屈折される
様子を説明する平面図である。
【図11】本発明の第8の実施形態に関わる発光素子の
概略構成を表す図であり、同図(a)はその要部平面透
視図、同図(b)はそのA−A’線断面図、同図(c)
は導波層端部のA−A’線に沿った抵抗率及び屈折率の
分布を表すグラフ図である。
【図12】本発明の第9の実施の形態にかかる発光素子
の構成を表す概略断面図である。
【図13】本実施形態の変形例を表す概略断面図であ
る。
【符号の説明】
100、200、300、400、500、600、7
00、800 発光素子 101、210、450、570、610、710 基
板 102、211、451、571、611、615、7
11 バッファ層 103 高温バッファ層103 104、213、453、573、616、712 n
型コンタクト層 105、214、454、574、617、713 n
型クラッド層 106、215、455、575、618、714 n
型ガイド層 107、216、456、576、619、715 活
性層 108、217、457、577、620、716 p
型ガイド層 109、218、458、578、621、717 p
型クラッド層 110、219、459、579、622、718 電
流阻止層 111、220、460、580、624、719 p
型コンタクト層 112 高濃度p型コンタクト層 130、223、464、584、625、720 p
側電極 140、224、465、585、626、721 n
側電極 150、225、466、586、628、722 波
面変換部 151 スペーサ 160、221 高反射鏡 463、587、630、830 第2の波面変換部 h ピンホール w ワイア
フロントページの続き (72)発明者 寺 内 衛 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 5F041 AA06 CA04 CA05 CA12 CA13 CA14 CA33 CA34 CA40 CA46 5F073 AA09 AA20 AA45 AA65 AA74 AA83 AA85 AB17 AB25 AB26 BA06 CA07 CB05 CB20 DA05 EA29

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化物半導体からなる発光部と、 前記発光部から放出される光の放射形状を、その波長よ
    りも小さい放射形状に変換し出力光として放出する第1
    の波面変換部と、 を備えたことを特徴とする発光素子。
  2. 【請求項2】前記第1の波面変換部は、前記発光部から
    放出される光の波長よりも小さい開口径のピンホールを
    有し、 前記出力光は、前記ピンホールを介して放出されるエバ
    ネッセント波を含むことを特徴とする請求項1記載の発
    光素子。
  3. 【請求項3】前記発光部から放出される光を集束して前
    記第1の波面変換部に供給する第2の波面変換部をさら
    に備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の発
    光素子。
  4. 【請求項4】基板上に形成された発光素子において、光
    出射面と電極形成面との間に段差が設けられていること
    を特徴とする発光素子。
  5. 【請求項5】光出射面と、p側およびn側電極とが略平
    行な複数の面上におのおの形成されている発光素子にお
    いて、 前記光出射面と、前記p側およびn側の電極面とが互い
    に異なる平面内に設けられていることを特徴とする発光
    素子。
  6. 【請求項6】窒化物半導体からなる発光部と、前記発光
    部から放出される光の波長よりも小さい開口径を有する
    ピンホールとを有し、前記発光部から放出される光を前
    記ピンホールを介してエバネッセント波として取り出す
    発光素子の製造方法であって、 窒化物半導体からなる発光部を形成する工程と、 ピンホールが開口されるべき薄膜を形成する工程と、 前記発光部から放出された光を前記薄膜に照射すること
    により前記ピンホールを開口する工程と、 を備えたことを特徴とする発光素子の製造方法。
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