JP2005026465A - 酸化物半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】発光特性が高くて生産成に優れる低消費電力な酸化物半導体発光素子を提供する。
【解決手段】ＺｎＯ障壁層とＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とから成る量子井戸活性層１０３が、反射層の機能を有するｎ型オーミック電極１０７，ｐ型オーミック電極１０８で挟まれている。ｎ型オーミック電極１０７，ｐ型オーミック電極１０８は、それぞれ、量子井戸活性層１０３の表面に平行な表面を有している。量子井戸活性層１０３から出射された発光はｎ型オーミック電極１０７，ｐ型オーミック電極１０８間で共振増幅され、ｐ型オーミック電極１０８から発振光が出射される。
【選択図】 図１
【解決手段】ＺｎＯ障壁層とＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とから成る量子井戸活性層１０３が、反射層の機能を有するｎ型オーミック電極１０７，ｐ型オーミック電極１０８で挟まれている。ｎ型オーミック電極１０７，ｐ型オーミック電極１０８は、それぞれ、量子井戸活性層１０３の表面に平行な表面を有している。量子井戸活性層１０３から出射された発光はｎ型オーミック電極１０７，ｐ型オーミック電極１０８間で共振増幅され、ｐ型オーミック電極１０８から発振光が出射される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば半導体レーザなどの酸化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、紫外から緑色以長の広域をカバー出来る発光材料として、ワイドギャップ半導体であるＩＩＩ族窒化物系半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた発光素子の中でも、発振波長が４００ｎｍ近傍にある青色半導体レーザ素子は、次世代の高密度なデジタル光記録用光源への適用をはじめとして実用化が切望されており、ＩｎａＡｌｂＧａ１−ａ−ｂＮを用いた多重量子井戸活性層などの種々のデバイス構造が提案されている。
【０００３】
半導体レーザ素子においては、導波路に垂直な一対の反射鏡を有するレーザ共振器を形成する必要がある。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料などは劈開性を有するため、原子レベルで平坦な反射端面を得ることが出来るが、ＩＩＩ族窒化物系半導体は六方晶であるために立方晶のＧａＡｓ系半導体に比べて劈開が難しく、また化学的に極めて安定であるためにエッチングによる反射鏡形成も困難である。
【０００４】
一方、基板の表面に対して垂直方向に共振器が形成され、半導体の接合面に平行に一対の反射鏡を有する面発光型の半導体レーザ素子は、積層膜を反射鏡として用いることが出来る。また、面発光型の半導体レーザ素子は、短共振器であるため省電力性と単一モード安定性に優れ、光集積回路などへの適用が容易であるなどの利点を有する。
【０００５】
そこで、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いて面発光型レーザ素子を実現すべく様々な提案がなされている。例えば、特許３２１２００８号公報（特許文献１）には、窒化ガリウム系化合物半導体層を用いたダブルへテロ構造と、活性層を挟んで基板の表面に平行な一対の第１，第２の反射鏡とを有する面発光型の半導体レーザ素子が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許３２１２００８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた面発光型レーザ素子では、発光特性も十分ではなく、また、作製が非常に困難であるという問題がある。これは以下のような理由による。
【０００８】
・バンド間遷移を利用するＩＩＩ族窒化物半導体は発振閾値キャリア密度が高く、微小共振器を有する面発光型レーザ素子に適用しても低閾値化が難しい。
【０００９】
・ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた面発光型レーザ素子を実用的な動作電流と素子寿命で駆動するには、反射鏡をエッチングによって形成せずとも、電流狭窄層の形成や、基板として用いられるサファイア基板に開口の形成などをエッチングで形成する必要がある。しかし、上記電流狭窄層やサファイア基板に対するエッチング加工は極めて困難で、製造プロセスが複雑になるため、歩留りが低くなってしまう。
【００１０】
・高機能な光集積回路などへの適用を考えると、誘電体、圧電体、磁性体、超伝導体、更にはマイクロマシンなどと共にモノリシックに作製出来ることが好ましいが、窒化物材料のみではこのような特質を網羅出来ない。
【００１１】
・成長層中に導電性を有する反射鏡を形成する場合、ＩｎＧａＮ混晶とＡｌＧａＮ混晶とで積層反射鏡を形成すると、熱膨張係数差が大きいために反射鏡にクラックが生じやすく、反射鏡上に積層される半導体層の結晶性も劣化する。一方、バンドギャップエネルギ差が小さい混晶で積層反射鏡を形成すると、屈折率差が小さいので、高い反射率を得るためには積層数を大幅に増やさなければならず、生産性が低下しコストも高くなる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、発光特性が高くて生産成に優れる低消費電力な酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来のＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた面発光型半導体発光素子の課題を解決出来る半導体材料および素子構造について鋭意検討した結果、酸化物半導体を用いて面発光型の半導体発光素子を作製することで上記目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【００１４】
本発明の酸化物半導体発光素子は、
酸化物半導体から成る活性層と、
上記活性層下に形成され、上記活性層の表面に対して平行な表面を有する第１反射層と、
上記活性層上に形成され、上記活性層の表面に対して平行な表面を有する第２反射層とを備え、
上記活性層から出射された発光を上記第１反射層と上記第２発射層との間で共振増幅させ、上記第１反射層および第２反射層の一方から発振光を出射することを特徴としている。
【００１５】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記酸化物半導体は、窒化物半導体よりも優れた特質を多く有している。このような酸化物半導体を用いることによって、例えば、大きな結合エネルギを有する励起子遷移を利用して発振閾値電流を大幅に低減することが出来る。
【００１６】
また、上記酸化物半導体は、窒化物半導体に比べ加工が容易であり、電流狭窄機構や基板のエッチングを簡便に行なうことが出来る。
【００１７】
更に、上記酸化物半導体には、誘電性、圧電性、超伝導性などにおいて窒化物半導体では実現し難い性質を持った材料が多く存在する。これにより、例えばモノリシックな光集積回路などにおいては、半導体レーザ素子を含む全て要素を、親和性の高い酸化物のみで構成することが出来、製造が簡便になる。
【００１８】
したがって、上記ＺｎＯ系半導体から成る活性層から出射された発光を、第１反射層と上記第２発射層との間で共振増幅させるので、光学特性および信頼性を向上出来る。
【００１９】
また、上記活性層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、消費電力を低減出来ると共に、簡単に製造することが出来る。
【００２０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記活性層と上記第１反射層との間に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記基板または上記層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の側方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成る。
【００２１】
本明細書中において、「ＺｎＯ（酸化亜鉛）系半導体」とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めるものとする。
【００２２】
また、本明細書中において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
【００２３】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。このことにより、上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、高効率・低消費電力を実現出来ると共に、環境に悪影響が及ぶのを阻止出来る。
【００２４】
また、上記基板の裏面下に第１反射層を形成すると共に、第２導電型コンタクト層上に第２反射層を形成しているので、第１，第２反射層は成長層中に反射層を作り込むよりも簡単に形成することが出来る。したがって、歩留まりを向上出来ると共に、コストを低減出来る。
【００２５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記活性層と上記第１反射層との間に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記活性層の側部の上方または下方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成る。
【００２６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。このことにより、上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、高効率・低消費電力を実現出来ると共に、環境に悪影響が及ぶのを阻止出来る。
【００２７】
また、上記基板の裏面下に第１反射層を形成すると共に、第２導電型コンタクト層上に第２反射層を形成しているので、第１，第２反射層は成長層中に反射層を作り込むよりも簡単に形成することが出来る。したがって、歩留まりを向上出来ると共に、コストを低減出来る。
【００２８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記第１反射層下に配置された基板と、
上記第１反射層と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記基板または上記層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の側方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成る。
【００２９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。このことにより、上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、高効率・低消費電力を実現出来ると共に、環境に悪影響が及ぶのを阻止出来る。
【００３０】
また、上記基板と第１導電型クラッド層との間に第１反射層を形成しているので、基板での光損失を低減出来る。また、上記基板として導電性や安価で高品質などの特長を有する基板を用いることにより、基板の裏面下に電極を形成出来る。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、コストを低減出来る。
【００３１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記第１反射層下に配置された基板と、
上記第１反射層と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記活性層の側部の上方または下方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成る。
【００３２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。このことにより、上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、高効率・低消費電力を実現出来ると共に、環境に悪影響が及ぶのを阻止出来る。
【００３３】
また、上記基板と第１導電型クラッド層との間に第１反射層を形成しているので、基板での光損失を低減出来る。また、上記基板として導電性や安価で高品質などの特長を有する基板を用いることにより、基板の裏面下に電極を形成出来る。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、コストを低減出来る。
【００３４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は、屈折率の異なる複数の薄膜を交互に積層して成る。
【００３５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方を、屈折率の異なる複数の薄膜を交互に積層して形成することにより、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方の反射率を微細に制御することが出来る。また、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方に、半導体や誘電体、金属などの種々の薄膜を用いることが出来る。
【００３６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は金属を含む。
【００３７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方が金属を含むことにより、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方を電極をとして兼用することが出来る。したがって、製造工程を簡便化して、高歩留まりと低コストを実現できる。
【００３８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記金属は、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔのうちの少なくとも１つを含む。
【００３９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ａｇ、ＡｌおよびＰｔの金属は、電極材料として適用出来ると共に、青〜紫外光に対する反射率が極めて高い。
【００４０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は誘電体を含む。
【００４１】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記誘電体は半導体よりも小さな光屈折率を有し、その光屈折率の値も材料によって多岐にわたっている。したがって、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方が誘電体を含むので、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方のの反射率を微細に制御出来る。
【００４２】
また、上記第１反射層および第２反射層を複数層で構成する場合、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方が誘電体を含むので、複数の半導体層のみで反射層を形成する場合に比べ、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方の構成層の数を少なくすることが出来る。
【００４３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記誘電体は、Ｌｉ１ ― ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１ ― ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１ ― ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１ ― ｄＧａｄＯ２（０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）のうちの少なくとも１つを含む。
【００４４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ｌｉ１ ― ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１ ― ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１ ― ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１ ― ｄＧａｄＯ２の組成を有する酸化物は、ＺｎＯ系半導体と類似の結晶構造を有するので、ＺｎＯ系半導体上に高品質な単結晶薄膜としてエピタキシャル成長出来る。したがって、上記誘電体がその酸化物を含むので、第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は結晶性が高めて高い状態で発光素子の積層構造中に形成出来る。
【００４５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記誘電体は、αβＯ３で表されるペロブスカイトを含む、または、上記ペロブスカイトの構造に類似する構造を持つ類似構造複酸化物を含む。
【００４６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ペロブスカイト構造の（１１１）面は、ＺｎＯ系半導体などのウルツ鉱結晶構造の（０００１）面と類似の表面構造を有するため親和性に優れる。したがって、上記ペロブスカイトを含む誘電体は、ＺｎＯ系半導体上に欠陥の少ない単結晶薄膜としてエピタキシャル成長することが出来る。特に、上記ペロブスカイト構造の酸化物は、ＺｎＯ系半導体との格子不整合が極めて少ない。
【００４７】
また、上記類似構造複酸化物を含む誘電体も、ＺｎＯ系半導体上に欠陥の少ない単結晶薄膜としてエピタキシャル成長することが出来る。
【００４８】
上記α，βとしては、次の要件（１）〜（３）のいずれか１つを満たすものが好ましい。
【００４９】
（１）上記αの元素がＬｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）およびＫ（カリウム）のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＴａ（タンタル）とＮｂ（ニオブ）とのうちの少なくとも一方を含む。
【００５０】
（２）上記αの元素がＣｄ（カドミウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）およびＢｉ（ビスマス）のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素が
Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）およびＳｎ（スズ）のうちの少なくとも１つを含む。
【００５１】
（３）上記αの元素がＢｉ、希土類元素およびアルカリ土類金属元素のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＩｎ（インジウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）およびＳｃ（スカンジウム）のうちの少なくとも１つを含む。
【００５２】
ここで、希土類元素とは、周期表ＩＩＩ族に属するＳｃ（スカンジウム），Ｙ（イットリウム）およびランタノイドのＬａ（ランタン），Ｃｅ（セリウム），Ｐｒ（プラセオジム），Ｎｄ（ネオジウム），Ｐｍ（プロメチウム），Ｓｍ（サマリウム），Ｅｕ（ユウロピウム），Ｇｄ（ガドリニウム），Ｔｂ（テルビウム），Ｄｙ（ジスプロシウム），Ｈｏ（ホルミウム），Ｅｒ（エルビウム），Ｔｍ（ツリウム），Ｙｂ（イッテルビウム），Ｌｕ（ルテチウム）の１７元素を指し、アルカリ土類金属とは、周期表ＩＩ族元素のうちＣａ（カルシウム），Ｓｒ（ストロンチウム），Ｂａ（バリウム），Ｒａ（ラジウム）の４元素を指す。
【００５３】
更には、上記誘電体は、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＳｎＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＣａＨｆＯ３、ＣｄＳｎＯ３、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３およびＹＳｃＯ３のうちの少なくとも１つを含むことが特に好ましい。
【００５４】
上述したようなペロブスカイトまたは類似構造複酸化物は、ＺｎＯ系半導体との格子不整合が極めて少なく、結晶性の極めて高い反射層を発光素子の積層構造中に形成出来、信頼性に優れた面発光型の酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００５５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記誘電体は、γαβＯ４またはγαＯ３（βＯ）ｎ（γ，α，βは単数または複数の原子、ｎは１以上の自然数）なる構造を有し、上記γの元素がＳｃとＩｎとの少なくとも一方を含み、且つ、上記αの元素がＡｌ、Ｆｅ（鉄）およびＧａのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＭｇ（マグネシウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｆｅ、Ｃｏ（コバルト）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）およびＣｄのうちの少なくとも１つを含む。
【００５６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上述したような組成を有するホモロガス構造の酸化物は、ＺｎＯ系半導体と類似の結晶構造を有し、ＺｎＯ系半導体上に高品質な単結晶薄膜としてエピタキシャル成長出来る。したがって、上記誘電体がγαβＯ４またはγαＯ３（βＯ）ｎなる構造を有するので、結晶性の極めて高い誘電体反射膜を形成出来る。
【００５７】
特に、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＳｃＧａＭｇＯ４、ＳｃＡｌＭｎＯ４、ＳｃＧａＣｏＯ４、ＳｃＡｌＣｏＯ４、ＳｃＧａＺｎＯ４、ＳｃＡｌＺｎＯ４、ＳｃＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎおよびＳｃＡｌＯ３（ＺｎＯ）ｎのうちのいずれか１つを誘電体が含むことにより、誘電体とＺｎＯ系半導体との格子不整合を極めて少なくすることが出来る。
【００５８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方はＺｎＯ系半導体を含む。
【００５９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、例えば、反射層を誘電体酸化物とＺｎＯ系半導体との積層構造などで構成すると、少ない積層数で大きな反射率を有する反射層が得られ、この反射層は結晶性に優れる。したがって、上記第１反射層および第２反射層を複数の層で構成する場合、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方は、ＺｎＯ系半導体を含むので、少ない積層数で大きな反射率を得ることが可能である。
【００６０】
また、上記ＺｎＯ系半導体を含む反射層を基板と第１導電型クラッド層との間に設けた場合、基板での光損失を低減し、また導電性や安価で高品質などの特長を有する基板を用いることが出来る。
【００６１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＺｎＯ系半導体はＭｇｘＺｎ１ ― ｘＯまたはＣｄｙＺｎ１ ― ｙＯ（０≦ｘ，ｙ≦１）を含む。
【００６２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＭｇｘＺｎ１ ― ｘＯまたはＣｄｙＺｎ１ ― ｙＯを含むＺｎＯ系半導体は、組成比によりバンドギャップエネルギおよび屈折率の微細な制御が可能である。
【００６３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記活性層下に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記基板または上記層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の側方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１反射層は上記基板に形成された開口内に配置され、
上記開口は、上記第２導電型コンタクト層において電流が狭窄される部分の直下に位置する。
【００６４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板の開口から発振光を取り出すので、基板での光吸収や散乱による損失を受けずに発振光を取り出すことが出来る。したがって、例えば活性層より小さなバンドギャップエネルギを有する基板を用いても、発光効率が低減することがない。
【００６５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記活性層下に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記活性層の側部の上方または下方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１反射層は上記基板に形成された開口内に配置され、
上記開口は、上記第２導電型コンタクト層において電流が狭窄される部分の直下に位置する。
【００６６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板の開口から発振光を取り出すので、基板での光吸収や散乱による損失を受けずに発振光を取り出すことが出来る。したがって、例えば活性層より小さなバンドギャップエネルギを有する基板を用いても、発光効率が低減することがない。
【００６７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板と上記第１導電型クラッド層との間にエッチングストップ層が形成されている。
【００６８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板と第１導電型クラッド層との間にエッチングストップ層を形成しているので、基板の開口をエッチング加工で歩留りよく形成することができる。
【００６９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がＺｎＯ単結晶基板である。
【００７０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＺｎＯ単結晶基板はＺｎＯ系半導体発光素子の作製に最も優れた基板であり、結晶欠陥や格子歪の最も小さいＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長出来る。
【００７１】
また、上記ＺｎＯ単結晶基板は加工特性にも優れるので、歩留まりを向上出来る。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物半導体発光素子を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００７３】
（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子の模式断面図を示す。
【００７４】
上記面発光型半導体レーザ素子は、（０００１）亜鉛面を主面とするＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２、ノンドープ量子井戸活性層１０３、Ｎ（窒素）が５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．５μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４、Ｎが１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５がこの順で積層されている。
【００７５】
本実施形態１では、ＺｎＯ単結晶基板１０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層１０３が活性層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４が第２導電型クラッド層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。
【００７６】
上記量子井戸活性層１０３は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層との交互積層より成っている。上記ＺｎＯ障壁層は８層ある一方、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層は７層ある。
【００７７】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５上には、電流狭窄層の一例としての厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２絶縁層１０６を積層している。上記ＳｉＯ２絶縁層１０６はリング形状を有して、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の上部を側方から囲んでいる。
【００７８】
上記ＺｎＯ単結晶基板１０１の裏面下には、第１反射層の一例としての厚さ２００ｎｍのｎ型オーミック電極１０７が形成されている。このｎ型オーミック電極１０７はＡｌより成って、青色発光波長に対して９０％の反射率を有している。
【００７９】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５およびＳｉＯ２絶縁層１０６上には、第２反射層の一例としての厚さ５０ｎｍのｐ型オーミック電極１０８が形成されている。このｐ型オーミック電極１０８はＰｔより成って、青色発光波長に対して３０％の反射率を有している。そして、上記ｐ型オーミック電極１０８上には、リング形状のＡｕパッド電極１０９が形成されている。このＡｕパッド電極１０９の開口は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の上部の上方に位置している。そして、上記Ａｕパッド電極１０９の開口から、ｐ型オーミック電極１０８の中央部の表面が露出している。
【００８０】
上記ｎ型オーミック電極１０７およびｐ型オーミック電極１０８は、それぞれ、量子井戸活性層１０３の表面に対して平行な表面を有している。
【００８１】
上記構成の面発光型半導体レーザ素子に電流を流して駆動したところ、波長４０５ｎｍの青色発振光がオーミック電極１０８を介して得られた。つまり、上記青色発振光がｐ型オーミック電極１０８から外部に向って出射された。
【００８２】
比較例１として、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いて本実施形態１と同じ構造の面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例１の面発光型半導体レーザ素子は、ノンドープ量子井戸活性層では発振せず、ＳｉドープしたＩｎＧａＮ井戸層を用いて発振させることが出来たが、発振閾値電流が本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子に比べて５倍高かった。
【００８３】
本発明のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子がＩＩＩ族窒化物系面発光型半導体レーザ素子よりも発振閾値電流が低かった理由は、ＺｎＯ系半導体の発光機構が励起子遷移を用いているのに対し、ＩＩＩ族窒化物系半導体は発光効率の低い不純物準位を介したバンド間遷移を用いている点にある。すなわち、ＺｎＯ系半導体は、６０ｍｅＶの強い励起子結合エネルギを有し、室温で励起子遷移を利用したレーザ発振を生ぜしめることが可能であるのに対し、ＩＩＩ族窒化物半導体の励起子結合エネルギは２４ｍｅＶしかないので、室温におけるレーザ発振への寄与は小さく、反転分布が生じるまでに励起子が解離してしまい、不純物準位を介したバンド間遷移が主となるからである。
【００８４】
面発光型半導体レーザ素子は微小共振器であるため端面発光型の半導体レーザ素子に比べ発振閾値電流が大幅に小さくなるが、発振に至る注入キャリア密度自体が高ければ発振閾値電流低減の効果は小さくなってしまう。したがって、上記ＩＩＩ族窒化物半導体は発振閾値キャリア密度が高いので、ＩＩＩ族窒化物系面発光型半導体レーザ素子では低閾値が難しい。すなわち、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いて作成した面発光型半導体レーザ素子よりも、ＺｎＯ系半導体を用いて作製した面発光型半導体レーザ素子の方が遥かに省電力性に優れている。
【００８５】
本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子は、オーミック電極が反射層を兼ねており、また、反射層形成のための特別な工程を必要としないので、簡便かつ低コストで作製出来るという利点を有する。
【００８６】
本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子に用いる反射層の金属材料としては、Ａｌ、ＡｇおよびＰｔが４００ｎｍ近傍の波長に対する反射率が特に高いので好ましい。また、Ａｌで形成した反射層はｎ型オーミック電極として兼用することが出来、ＡｇまたはＰｔで形成した反射層はｐ型オーミック電極として兼用することが出来るので好ましい。したがって、本実施形態１では、ｎ型オーミック電極およびｐ型オーミック電極の少なくとも一方は、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔの少なくとも１つを含むのが好ましい。
【００８７】
また、本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子に用いる基板の材料としては、ＺｎＯ単結晶以外に、ＳｉＣやＧａＮなどを用いることが出来る。しかし、可視領域における発光効率を最大限に得るためには、次の要件（ａ）〜（ｃ）の少なくとも１つを満たす材料が好ましい。
（ａ） 基板上の成長層において非発光中心となる欠陥を低減する観点上、ＺｎＯの面内格子定数に対して（１００±３）％の面内格子定数を有する。
（ｂ） 発光波長に対応する吸収係数が低い。
（ｃ） 基板の裏面下に電極を形成する観点上、導電性を有する。
【００８８】
本実施形態１でＺｎＯ単結晶基板１０１の材料として用いたＺｎＯ単結晶は、上記の条件を全て満すので最も好ましい。
【００８９】
また、亜鉛面を用いることにより、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いｐ型層が得られやすくなるので好ましい。
【００９０】
また、本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子は、固体あるいは気体原料を用いたＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、レーザＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの結晶成長手法で作製することが出来る。
【００９１】
上記実施形態１では、ＳｉＯ２絶縁層１０６は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の上部の側方に形成していたが、図１１（ａ）に示すようなｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４の上部の側方、または、図１１（ｂ）に示すようなｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２の側方、または、図１１（ｃ）に示すようなＺｎＯ単結晶基板１０１の上部の側方、または、図１１（ｄ）に示すような量子井戸活性層１０３の側方に形成してもよい。これら基板や成長層の側方にＳｉＯ２絶縁層１０６を形成する場合、ＳｉＯ２絶縁層１０６の厚みは、基板や成長層の厚みと同じである必要はなく、基板や成長層の厚みより薄くてもよい。つまり、上記ＳｉＯ２絶縁層１０６は基板や成長層の一部の側方に形成してもよい。
【００９２】
また、上記ＳｉＯ２絶縁層１０６は、基板や成長層の側方のみならず、活性層の側部の上方または下方に形成してもよい。例えば、上記ＳｉＯ２絶縁層１０６は、図１２（ａ）に示すように、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の側部の表面（ｐ型オーミック電極１０８側の表面）に接するように形成したり、図１２（ｂ）に示すように、ＺｎＯ単結晶基板１０１の側部の裏面（ｎ型オーミック電極１０７側の表面）に接するように形成したりしてもよい。または、上記ＳｉＯ２絶縁層１０６は、図１２（ｃ）に示すように、ｐ型オーミック電極１０８の側部とＡｕパッド電極１０９との間に形成してもよい。
【００９３】
更には、図１２（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２絶縁層を電流狭窄層の一例として用いないで、イオン注入法などによって成長層側方を貫くような高抵抗層１１０６を電流狭窄層の一例として形成してもよい。
【００９４】
なお、図１、図１１（ａ）〜（ｄ）および図１２（ａ）〜（ｄ）において、同一の材料および物質を用いている部分は、同一の符号を付しており、必ずしも同様の形状を示すものではない。
【００９５】
（実施形態２）
図２に、本発明の実施形態２のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子の模式断面図を示す。
【００９６】
上記面発光型半導体レーザ素子は、上記実施形態１と比べ、ｎ型オーミック電極１０７，ｐ型オーミック電極１０８の代りに、反射層として機能しないｎ型オーミック電極２１１，ｐ型オーミック電極２１２を用いた点が異なっている。このように、上記ｎ型オーミック電極２１１，ｐ型オーミック電極２１２が反射層として機能しないので、第１反射層の一例としての第１反射層２０７をｎ型単結晶基板１０１とｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２との間に形成すると共に、第２反射層の一例としての第２反射層２０８をｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５とｐ型オーミック電極２１２との間に形成している。
【００９７】
上記第１反射層２０７は、Ｓｉドープしたｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と、Ｇａドープしたｎ型ＺｎＯ層との積層構造で構成されている。ｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層とｎ型ＺｎＯ層との積層数は、第１反射層２０７の反射率が９０％になるように調整されている。また、ｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層およびｎ型ＺｎＯ層は、それぞれ、量子井戸活性層１０３の表面に平行な表面を有している。
【００９８】
上記第２反射層２０８は、Ｍｇドープしたｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と、Ｎドープしたｐ型ＺｎＯ層との積層構造で構成されている。ｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層とｐ型ＺｎＯ層との積層数は、第２反射層２０８の反射率が３０％となるように調整されている。ｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層およびｐ型ＺｎＯ層は、それぞれ、量子井戸活性層１０３の表面に平行な表面を有している。
【００９９】
また、上記実施形態１のＳｉＯ２絶縁層１０６の代りに、電流狭窄層の一例としてのリング形状のＺｎＯ電流ブロック層２０６を形成している。このＺｎＯ電流ブロック層２０６は、円板形状のｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の全体を側方から囲んでいる。このようなＺｎＯ電流ブロック２０６は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を形成するためのｐ型ＺｎＯ層の中央部以外の部分をＧａイオン注入でｎ型に反転させて形成している。
【０１００】
また、上記ｐ型オーミック電極２１２はリング形状に形成されて開口を有している。この開口からは、第２反射層２０８の中央部の表面が露出している。
【０１０１】
尚、図２において、図１に示した部分と同一の材料および物質を用いている部分は、図１の部分と同一の参照番号を付している。また、図１，図２における同一の参照番号の部分でも形状が異なっているものがある。
【０１０２】
本実施形態２の面発光型半導体レーザ素子は、導電性を有するＺｎＯ系半導体の積層構造を用いて第１反射層２０７および第２反射層２０８を形成したので、第１，第２反射層２０７，２０８での吸収損失が低減した。
【０１０３】
また、上記ｎ型オーミック電極２１１，ｐ型オーミック電極２１２を別途設けるようにしたので、オーミック電極の接触抵抗が減少して動作電圧が低減した。
【０１０４】
更に、アニール処理による電極兼用反射層の反射率低下がなくなり、反射率再現性が向上した。
【０１０５】
上記実施形態２において、第１，第２反射層２０７，２０８の少なくとも一方の代わりに、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔの少なくとも１つを含む反射層を用いてもよい。
【０１０６】
上記実施形態２では、ＺｎＯ電流ブロック層２０６は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層の側方に形成していたが、図１３（ａ）に示すようなｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４の側方に形成してもよい。また、図１３（ｂ）に示すようなｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２の側方、または、図１３（ｃ）に示すようなＺｎＯ単結晶基板１０１の上部の側方、または、図１３（ｄ）に示すように量子井戸活性層１０３の側方に、ｐ型ＺｎＯ電流ブロック層１２０６を形成してもよい。これら基板や成長層の側方にＺｎＯ電流ブロック層を形成する場合、ＺｎＯ電流ブロック層の厚みは、基板や成長層の厚みと同じである必要はなく、基板や成長層の厚みよりも薄くてもよい。つまり、上記ＺｎＯ電流ブロック層は基板や成長層の一部の側方に形成してもよい。
【０１０７】
また、上記ＺｎＯ電流ブロック層は、基板や成長層の側方のみならず、活性層の側部の上方または下方に形成してもよい。例えば、上記ＺｎＯ電流ブロック層２０６は、図１４（ａ）に示すように、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の側部の表面（第２反射層２０８側の表面）に接するように形成してもよい。また、上記ｐ型ＺｎＯ電流ブロック層１２０６は、図１４（ｂ）に示すように、ＺｎＯ単結晶基板１０１の側部の裏面（ｎ型オーミック電極２１１側の表面）に接するように形成したりしてもよい。また、上記ＺｎＯ電流ブロック層２０６は、図１４（ｃ）に示すように、ｐ型オーミック電極２１２と第２反射層２０８の側部との間に形成してもよい。
【０１０８】
更には、ＺｎＯ電流ブロック層を電流狭窄層の一例として用いないで、図１４（ｄ）に示すように、イオン注入法などによって成長層側方を貫くように高抵抗層２２０６を電流狭窄層の一例として形成して形成してもよい。
【０１０９】
なお、図２、図１３（ａ）〜（ｄ）および図１４（ａ）〜（ｄ）において、同一の材料および物質を用いている部分は、同一の符号を付しており、必ずしも同様の形状を示すものではない。
【０１１０】
（実施形態３）
本発明の実施形態３のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子は、Ｇａドープしたｎ型Ｃｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層とＧａドープしたｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層との積層構造で第１反射層を構成し、Ｎドープしたｐ型Ｃｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層とＮドープしたｐ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層との積層構造で第２反射層を構成した他は、上記実施形態２と同様にして作製した。
【０１１１】
上記面発光型半導体レーザ素子は、第１，第２反射層をＺｎＯ系半導体で構成したので、ＺｎＯ単結晶基板上に成長させたエピタキシャル層との親和性に優れ、エピタキシャル層における結晶欠陥などが低減した。その結果、本実施形態３の面発光型半導体レーザ素子は、発振閾値電流が上記実施形態２に比べて１５％低減し、素子寿命が３０％向上した。
【０１１２】
上記実施形態３の第１，第２反射層は、Ｃｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層とＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層とで構成していたが、これ以外のＺｎＯ系半導体で構成してもよい。例えば、上記第１，第２反射層をＭｇｘＺｎ１ ― ｘＯやＣｄｙＺｎ１ ― ｙＯ（０≦ｘ，ｙ≦１）で構成してもよい。
【０１１３】
また、上記第１，第２反射層の少なくとも一方の代わりに、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔの少なくとも１つを含む反射層を用いてもよい。
【０１１４】
（実施形態４）
図３に、本発明の実施形態４のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子の模式断面図を示す。また、図３において、図２に示した構成部と同一構成部は、図２における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
【０１１５】
上記面発光型半導体レーザ素子は、ＺｎＯ単結晶基板１０１の代わりに基板の一例としてのサファイア基板３０１を用い、ｎ型オーミック電極２１１の代わりにｎ型オーミック電極３１１を用い、更に、サファイア基板３０１と第１反射層２０７との間にｎ型ＺｎＯバッファ層３１３を形成した他は、上記実施形態３と同様に作製した。
【０１１６】
上記サファイア基板３０１は（０００１）面を成長主面としている。また、上記ｎ型ＺｎＯバッファ層３１３は、Ｇａが３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされ、厚さが０．１μｍとなっている。このｎ型ＺｎＯバッファ層３１３の露出している表面上に、ｎ型オーミック電極３１１が形成されている。
【０１１７】
本実施形態４の面発光型半導体レーザ素子は、異種基板を用いたので上記実施形態３に比べて発振閾値電流が５％増大し、素子寿命が５％短くなったが、十分実用に供する特性を有し、安価なサファイア基板を用いることが出来たので、コストを大幅に低減させることが出来た。
【０１１８】
本実施形態４では、ｎ型バッファ層がｎ型コンタクト層の役目の兼ねている。コンタクト層材料にはＺｎＯが適しており、ドナー不純物のドーピング濃度は１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲が好ましく、更には５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲で調整されることが好ましい。また、バッファ層とコンタクト層を独立して形成してもよい。
【０１１９】
（実施形態５）
図４に、本発明の実施形態５のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子の模式断面図を示す。この面発光型半導体レーザ素子は基板側から発振光を取り出す構造になっており、図４に示された構造は積層順とは上下が逆になっている。つまり、図４において、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１下の複数の成長層では、図中上側の成長層が図中下側の成長層よりも先に積層されたものである。
【０１２０】
以下では、基板上に上記複数の成長層が形成されているものとして説明を行う。つまり、以下の説明の上下は図４における上下とは逆となる。
【０１２１】
上記面発光型半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１上に、厚さ２０ｎｍのＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのＺｎＯバッファ層４０３、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４、ノンドープ量子井戸活性層４０５、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層４０６、厚さ２０ｎｍのＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第２エッチングストップ層４０７、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９がこの順で積層されている。
【０１２２】
本実施形態５では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１が基板の一例に、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２がエッチングストップ層の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層４０５が活性層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。また、上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層４０６およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８が、第２導電型クラッド層の一例を構成している。
【０１２３】
上記量子井戸活性層４０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層は３層ある。
【０１２４】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８は円柱形状にエッチング加工されている。そして、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８の側面は、電流狭窄層の一例としてのｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０によって埋め込まれている。ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０は、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされている。
【０１２５】
上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１下にはｎ型オーミック電極４１１が形成されている。このｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１およびｎ型オーミック電極４１１では、円柱形状のｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８直下に対応する部分がエッチング除去されている。このエッチング除去で形成された開口４２０内には、第１反射層の一例としての第１反射層４１２がＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０７の裏面に接触するように形成されている。上記第１反射層４１２は、ＳｉＯ２とＴｉＯ２との交互積層により形成されている。また、上記第１反射層４１２の波長４００ｎｍの発光に対する反射率は２０％である。また、上記第１反射層４１２は、量子井戸活性層４０５の表面に対して平行な表面を有している。つまり、上記ＳｉＯ２から成る層と、ＴｉＯ２から成る層とは、それぞれ、量子井戸活性層４０５の表面に対して平行な表面を有している。
【０１２６】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０上には、ｐ型オーミック電極４１３と、第２反射層の一例としての第２反射層４１４とを順次積層している。上記第２反射層４１４は、Ａｇから成って、波長４００ｎｍの発光に対する反射率が９５％となっている。また、上記第２反射層４１４は、量子井戸活性層４０５の表面に対して平行な表面を有している。そして、上記第２反射層４１４上には、第２反射層４１４の形成領域よりも小さい形成領域でＡｕパッド電極４１５が形成されている。
【０１２７】
本実施形態５の面発光型半導体レーザ素子は、図５に示すレーザＭＢＥ装置１０００を用いたレーザＭＢＥ法で作製した。
【０１２８】
上記レーザＭＢＥ装置１０００は超高真空に排気可能な成長室１００１を備えている。この成長室１００１の一方の側壁には、パルスレーザ光１００８が通過するビューポート１００７を設けている。そして、上記成長室１００１の他方の側壁には、活性化された原子状ビームを基板１００３に向けて照射可能なラジカルセル１００９と、成長室１００１内に複数のガスを導入できるよう複数のガス導入管１０１０（図２では１つのみ示す）とを設けている。また、上記成長室１００１の上部には、基板１００３を保持する基板ホルダ１００２を配置している。更に、上記基板ホルダ１００２の上方にはヒータ１００４を配置し、基板ホルダ１００２の下方には所定の距離をおいてターゲットテーブル１００５を配置している。このターゲットテーブル１００５は、複数の原料ターゲット１００６を上面（基板ホルダ１００２側の表面）上に配置できる。また、図示しないが、上記ターゲットテーブル１００５は回転機構を有している。
【０１２９】
上記構成のレーザＭＢＥ装置１０００によれば、ヒータ１００４が基板ホルダー１００２の上面（原料ターゲット１００６とは反対側の表面）を加熱すると、基板ホルダー１００２の上面の熱が熱伝導により基板１００３に伝わって、基板１００３が加熱される。その後、上記ビューポート１００７を通じてパルスレーザ光１００８を原料ターゲット１００６の表面に照射し、原料ターゲット１００６の表面をアブレーションする。これにより、瞬時に蒸発した原料ターゲット１００６が基板１００３の下面に付着し、基板１００３下に薄膜が成長する。そして、上記パルスレーザ光１００８の照射シーケンスに同期してターゲットテーブル１００５の回転を制御することにより、異なる原料ターゲット１００６の表面にパルスレーザ光１００８を照射して、その異なる原料ターゲット１００６を上記薄膜に付着させることが可能となる。つまり、上記薄膜とは異なる薄膜を基板１００３下に成長させることが可能となる。また、上記ラジカルセル１００９によって活性化された原子状ビームを基板１００３に照射することも可能である。
【０１３０】
上記レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと、この原料ターゲットの表面をアブレーションすることで成長させた薄膜との間において組成ずれが小さく、またＺｎＧａ２Ｏ４などの意図しない副生成物の生成を抑えることができるので好ましい。
【０１３１】
以下、図６（ａ）〜（ｄ）および図７（ｅ）〜（ｇ）を用いて、本実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【０１３２】
まず、図６（ａ）に示すｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１を洗浄処理した後、レーザＭＢＥ装置１０００に導入し、温度６００℃で３０分間加熱し清浄化する。
【０１３３】
次に、基板温度を５５０℃に降温し、パルスレーザ光１００８を用いて複数の原料ターゲット１００６を所定の比率で交互にアブレーションして、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層１４０２、ｎ型ＺｎＯバッファ層１４０３、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１４０４、量子井戸活性層１４０５、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層１４０６、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第２エッチングストップ層１４０７、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１４０８およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１４０９を成長させる。
【０１３４】
次に、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１をレーザＭＢＥ装置１０００から取り出し、図６（ｂ）に示すように、直径１．５μｍのドット形状のレジストマスク４１６をｐ型ＺｎＯコンタクト層１４０９上に形成する。
【０１３５】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１を反応性イオンエッチング装置（図示しない）に導入し、ハロゲンガスを用いた反応性イオンエッチングによってｐ型ＺｎＯコンタクト層１４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１４０８のエッチングを行う。このとき、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１４０８のエッチングは半絶縁性のＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第２エッチングストップ層４０７で停止させる。これにより、上記Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第２エッチングストップ層４０７上に、図６（ｃ）に示すような円柱形状のｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８が得られる。
【０１３６】
反応性イオンエッチングは異方性が強いため、サイドエッチングを生じずに半導体を微細に加工することが出来る。
【０１３７】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１を反応性イオンエッチング装置から取り出し、レジストマスク４１６を洗浄除去した後、レーザＭＢＥ装置１０００に再度導入し、ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層を成長する。そうすると、上記ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層が、円柱形状のｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８の側面を埋め込む。
【０１３８】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１をレーザＭＢＥ装置１００から取り出し、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９が露出するように、ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層の上部をエッチング除去する。これにより、図６（ｄ）に示すように、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８を側方から囲むｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０が得られる。
【０１３９】
次に、露出したｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０の上面全面に、図７（ｅ）に示すように、Ｎｉから成る厚さ１５ｎｍのｐ型オーミック電極４１３を真空蒸着する。引き続き、上記ｐ型オーミック電極４１３上に、Ａｇから成る厚さ１００ｎｍの第２反射層４１４を真空蒸着する。更に、上記第２反射層４１４上に、厚さ１００ｎｍのＡｕ層を蒸着して、そのＡｕ層を直径１００μｍのドット状に加工して、Ａｕパッド電極４１５を得る。
【０１４０】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１の裏面に、Ａｌから成る厚さ１００ｎｍのｎ型オーミック電極１４１１を真空蒸着する。
【０１４１】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１の上下を逆にする。そして、上記ｎ型オーミック電極１４１１上に、図７（ｆ）に示すような直径２００μｍの開口を有する第２のレジストマスク４１７を形成し、リン酸と過酸化水素水の混合溶液と硝酸水溶液を用いたエッチングを行い、このエッチングを半絶縁性のＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２で停止させる。そうすると、ｎ型オーミック電極４１１およびｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１に開口４２０が形成されて、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２の中央部の裏面が露出する。
【０１４２】
最後に、上記開口４２０から露出したＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２上に、図７（ｇ）に示すように、ＳｉＯ２とＴｉＯ２とを交互積層して反射率２０％の第１反射層４１２を形成し、第２レジストマスク４１７を洗浄除去すると、図４に示す面発光型半導体レーザ素子が得られる。
【０１４３】
上記面発光型半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口４２０から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。
【０１４４】
比較例２として、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１をエッチングせずに、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１の裏面に第１反射層４１２を形成した他は、本実施形態５と同様に面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例２の面発光型半導体レーザ素子では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１での散乱および多重反射によって損失が増大し、本実施形態５に比べて、発振閾値電流が２０％増大した。
【０１４５】
比較例３として、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２を設けずに、ｎ型オーミック電極１４１１およびｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１をエッチングした他は、本実施形態５と同様に面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例３の面発光型半導体レーザ素子では、エッチング深さが安定せず、エッチング液がｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４を浸食することあがあった。このため、本実施形態５に比べて歩留まりが１０％に低下した。
【０１４６】
以上より、レーザ光出射面の基板を除去することによって損失が低減し、発振閾値電流を低減することが出来る。特に、発振波長が短波長である場合には、基板が発振光を吸収するため、基板除去は必ず行わなければならない。この点で、サファイア基板あるいはエピタキシャル層のエッチング加工が困難なＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた面発光型半導体レーザ素子は、製造プロセスが複雑になり、歩留りも低い。
【０１４７】
一方、本発明の酸化物半導体を用いた面発光型半導体レーザ素子は、基板やエピタキシャル層のエッチング加工が容易であり、低損失なレーザ構造を高い歩留りで作製出来る。
【０１４８】
また、基板とｎ型クラッド層との間にエッチングストップ層を設けることにより、基板のエッチング加工を歩留りよく行うことが出来る。
【０１４９】
上記第１反射層４１２を構成する材料としては、上記実施形態１のような金属や、上記実施形態２，３のような半導体積層構造を用いてもよいが、本実施形態５のように誘電体金属酸化物から屈折率差が大きいものを選んで交互積層すると、反射率を微細に制御出来ると共に、半導体のみの積層構造で反射層を形成する場合に比べ、積層数を少なくすることが出来る。
【０１５０】
上記実施形態５では、第２反射層４１４を４００ｎｍ近傍の発振波長に対する反射率が高いＡｇで構成したが、上記実施形態２，３のように、半導体積層構造による多重反射層で構成してもよく、また、第１反射層と同じ材料で構成するなどしてもよい。
【０１５１】
上記実施形態５では、ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８の側方に形成していたが、図１５（ａ）に示すようなｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９の上部（Ａｕパッド電極４１５側の部分）のみの側方に形成してもよい。または、図示ないが、上記ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０は、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８の少なくとも一部のみの側方に形成してもよい。また、図１５（ｂ）に示すようなｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４の側方、または、図１５（ｃ）に示すようなＺｎＯ単結晶基板４０１の上部（量子井戸活性層４０５側の部分）の側方、または、図１５（ｄ）に示すような量子井戸活性層４０５の側方に、ｐ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層１４１０を形成してもよい。これら基板や成長層の側方にＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０を形成する場合、Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層の厚みは、基板や成長層の厚みと同じである必要はなく、基板や成長層の厚みより薄くしてもよい。つまり、上記Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層は基板や成長層の一部の側方に形成してもよい。
【０１５２】
また、上記Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層は、基板や成長層の側方のみならず、量子井戸活性層４０５の側部の上方または下方に形成してもよい。例えば、上記ｐ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層１４１０は、図１６（ａ）に示すように、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１の側部の裏面（ｎ型オーミック電極４１１側の表面）に接するように形成してもよい。また、上記ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０は、図１６（ｂ）に示すように、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９の側部の表面（Ａｕパッド電極４１５側の表面）に接するように形成してもよいし、図１６（ｃ）に示すように、ｐ型オーミック電極４１３の側部と第２反射層４１４の側部との間に形成してもよい。また、図示しないが、上記ｎＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０はｐ型オーミック電極４１３内に形成してもよい。つまり、上記ｎＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０はｐ型オーミック電極４１３で包むように形成してもよい。
【０１５３】
更には、Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層を電流狭窄層の一例として用いないで、図１６（ｄ）に示すように、イオン注入法などによって成長層側方を貫くように高抵抗層２４１０を電流狭窄層の一例として形成してもよい。
【０１５４】
なお、図４、図１５（ａ）〜（ｄ）および図１６（ａ）〜（ｄ）において、同一の材料および物質を用いている部分は、同一の符号を付しており、必ずしも同様の形状を示すものではない。
【０１５５】
（実施形態６）
本実施形態６では、図４の開口４２０内に形成する反射率２０％の第１反射層４１２の代わりに、ＬｉＧａＯ２とＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層を用いた他は、上記実施形態５と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。
【０１５６】
上記面発光型半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口４２０から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。このとき、上記実施形態５に比べ、発振閾値電流は１０％低減し、素子寿命は２０％向上した。
【０１５７】
本実施形態６において反射層に用いたＬｉＧａＯ２のように、αβＯ２なる組成を有し、αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくと１つを含み、βの元素がＡｌ、ＧａおよびＩｎのうちの少なくと一方を含む誘電体体酸化物は、ＺｎＯ系半導体と類似の結晶構造を有し、ＺｎＯ系半導体上に高品質な単結晶薄膜としてエピタキシャル成長出来、高い保護効果を得ることが出来る。
【０１５８】
特に、Ｌｉ１ ― ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１ ― ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１ ― ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１ ― ｄＧａｄＯ２（０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）などのように、αβＯ２において元素α，βの元素のいずれか一方が２種の元素から成る酸化物は、組成比の制御が簡便であるので好ましい。したがって、第１，第２反射層の少なくとも一方が上記酸化物を少なくとも１つ含むことは好ましい。
【０１５９】
図８（ａ），（ｂ）に、上記４つの酸化物に対して平均格子定数を求めた結果を示す。ここで「平均格子定数」とは、同一面内の６つの酸素原子で構成される六角形と同じ面積の正六角形を仮定し、この正六角形の一辺の長さと定義する。なお、図８（ａ）のＬｉ１−ｙＮａｙＧａＯ２，ＮａＡｌ１−ｙＧａｙＯ２がＬｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２，ＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２に対応し、図８（ｂ）のＬｉ１−ｘＮａｘＡｌＯ２，ＬｉＡｌ１−ｘＧａｘＯ２がＬｉ１−ａＮａａＡｌＯ２，ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２に対応する。
【０１６０】
図８（ａ），（ｂ）から判るように、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２は、ＺｎＯの格子定数に対して全組成範囲で９６％（３．１２Å）〜１０６％（３．４４Å）の格子定数に制御できる。つまり、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２の夫々の全組成範囲の平均格子定数と、ＺｎＯの格子定数との差を、−４％（３．１２Å）〜＋６％（３．４４Å）の範囲内に制御することができる。特に、次の（１），（２）の場合であれば、ＺｎＯに対する格子定数差を極めて小さくすることが出来る。
（１）Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２において、Ｎａ組成比ａが０．４〜０．６
（２）Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２において、Ｎａ組成比ｂが０．１５〜０．３５
更に、Ｌｉ０．５Ｎａ０．５ＡｌＯ２あるいはＬｉ０．７５Ｎａ０．２５ＧａＯ２であれば、ＺｎＯとほぼ完全に格子整合し、結晶性に優れたＺｎＯとの超格子反射層を形成出来、素子特性が飛躍的に向上する。
【０１６１】
なお、本実施形態６のように、誘電体酸化物であるＬｉＧａＯ２と、ＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層は、トンネル効果によって導電性を有するようになるため、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１とｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４との間に形成してもよい。この場合、上記第１反射層にエッチングストップ層やバッファ層の機能を持たせることも出来、素子作製プロセスが簡便になるので好ましい。
【０１６２】
また、本実施形態６において、上記第１反射層の構成を第２反射層の構成に用いてもよいのは言うまでもない。
【０１６３】
（実施形態７）
本実施形態７は、図４の開口４２０内に形成する反射率２０％の第１反射層４１２の代わりに、ＣａＨｆＯ３とＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層を用いた他は、上記実施形態５と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。
【０１６４】
上記面発光型半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口４２０から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。このとき、上記実施形態５に比べ、発振閾値電流は１５％低減し、素子寿命は１５％向上した。
【０１６５】
図９（ａ）に、上記第１反射層に用いたＣａＨｆＯ３のように、αβＯ３なる組成を有するペロブスカイト酸化物の表面構造を示す。また、図９（ｂ）に、ＺｎＯの表面構造を示す。
【０１６６】
図９（ａ），（ｂ）から判るように、ペロブスカイト構造の（１１１）面は、ＺｎＯ系半導体などのウルツ鉱結晶構造の（０００１）面と類似の表面構造を有するため親和性に優れる。したがって、上記ペロブスカイト酸化物は、ＺｎＯ系半導体上に欠陥の少ない保護膜として形成することが出来る。
【０１６７】
特に、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＳｎＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＣａＨｆＯ３、ＣｄＳｎＯ３、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３およびＹＳｃＯ３のうちの少なくとも１つを含むペロブスカイト酸化物は、六角形の格子形状がＺｎＯ（０００１）面と整合し易くなる。したがって、上記ペロブスカイト酸化物を用いて結晶欠陥や格子歪の極めて少ない高品質な超格子反射層を形成出来る。
【０１６８】
なお、本実施形態７のように、誘電体酸化物であるＣａＨｆＯ３と、ＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層は、トンネル効果によって導電性を有するようになるため、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１とｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４との間に形成してもよい。この場合、上記第１反射層にエッチングストップ層やバッファ層の機能を持たせることも出来、素子作製プロセスが簡便になるので好ましい。
【０１６９】
上記第１反射層は、αβＯ３で表されるペロブスカイトを含む、または、上記ペロブスカイトの構造に類似する構造を持つ類似構造複酸化物を含んでもよいが、α，βの元素は次の要件（Ｉ）〜（ＩＩＩ）のいずれか１つを満たすものがよい。
【０１７０】
（Ｉ）αの元素はＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含むみ、且つ、βの元素はＴａとＮｂとのうちの少なくとも一方を含む。
【０１７１】
（ＩＩ）αの元素はＣｄ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＢｉのうちの少なくとも１つを含み、且つ、βの元素がＴｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎのうちの少なくとも１つを含む。
【０１７２】
（ＩＩＩ）αの元素はＢｉ、希土類元素およびアルカリ土類金属元素のうちの少なくとも１つを含み、且つ、βの元素がＩｎ、Ａｌ、ＧａおよびＳｃのうちの少なくとも１つを含む。
【０１７３】
また、本実施形態７において、上述した第１反射層の構成を第２反射層の構成に用いてもよいのは言うまでもない。
【０１７４】
（実施形態８）
本実施形態８は、図４の開口４２０に形成する反射率２０％の第１反射層４１２の代わりに、ＳｃＡｌＭｇＯ４とＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層を用いた他は、上記実施形態５と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。
【０１７５】
上記面発光型半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口４２０から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。このとき、上記実施形態５に比べ、発振閾値電流はに比べ２０％低減し、素子寿命は２５％向上した。
【０１７６】
図１０に、本実施形態８の第１反射層に用いた誘電体酸化物ＳｃＡｌＭｇＯ４の結晶構造を示す。
【０１７７】
上記ＳｃＡｌＭｇＯ４のような、γαβＯ４またはγαＯ３（βＯ）ｎなる構造を有する酸化物は、ＺｎＯ系半導体と同じウルツ鉱構造を含み、γの元素がＳｃとＩｎとのうちの少なくと一方を含み、且つ、αの元素がＡｌ、ＦｅおよびＧａのうちの少なくとも１つを含み、且つ、βの元素がＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１つを含むと、ＺｎＯ系半導体に近い面内格子定数を有するので好ましい。
【０１７８】
特に、上記第１反射層は、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＳｃＧａＭｇＯ４、ＳｃＡｌＭｎＯ４、ＳｃＧａＣｏＯ４、ＳｃＡｌＣｏＯ４、ＳｃＧａＺｎＯ４、ＳｃＡｌＺｎＯ４、ＳｃＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎおよびＳｃＡｌＯ３（ＺｎＯ）ｎの少なくとも１つを含むと、ＺｎＯとの格子定数差が極めて小さくなり、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない高品質な反射層を形成出来るので好ましい。
【０１７９】
なお、本実施形態８のように、誘電体酸化物であるＳｃＡｌＭｇＯ４が、ＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層は、トンネル効果によって導電性を有するようになるため、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１とｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４との間に形成してもよい。この場合、上記第１反射層にエッチングストップ層やバッファ層の機能を持たせることも出来、素子作製プロセスが簡便になるので好ましい。
【０１８０】
また、本実施形態８において、上述した第１反射層の構成を第２反射層の構成に用いてもよいのは言うまでもない。
【０１８１】
上記実施形態１〜８の構成を適宜組み合せて面発光型半導体レーザ素子を形成していもよい。
【０１８２】
また、上記実施形態１〜８では、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層をこの順で形成していたが、基板上に、ｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層およびｎ型コンタクト層をこの順で形成してもよい。
【０１８３】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、ダブルへテロ構造であってもよいし、シングルへテロ構造であってもよい。
【０１８４】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体で構成していもよい。
【０１８５】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いたＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、レーザＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの結晶成長手法で作製することが出来る。
【０１８６】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の酸化物半導体発光素子は、酸化物半導体で構成された活性層を有する半導体発光素子において、上記活性層を狭んで上下に平行な一対の反射層を有し、上記活性層から放射された発光を上記反射層間で共振増幅させ、上記反射層の片側から発振光を放射するようにしたので、酸化物半導体の優れた特質を生かし、従来よりも光学特性・信頼性および省電力性に優れた面発光型の酸化物半導体発光素子を簡便に作製することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施形態１の面発光型半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図２】図２は本発明の実施形態２の面発光型半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図３】図３は本発明の実施形態４の面発光型半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図４】図４は本発明の実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図５】図５は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の製造に使用するレーザＭＢＥ装置の概略構成図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図７】図７（ｅ）〜（ｇ）は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図８】図８（ａ）はＬｉＮａＧａＯ２およびＮａＡｌＧａＯ２の酸化物に対して平均格子定数を求めた結果を示す図であり、図８（ｂ）はＬｉＮａＡｌＯ２およびＬｉＡｌＧａＯ２の酸化物に対して平均格子定数を求めた結果を示す図である。
【図９】図９（ａ）はペロブスカイト酸化物の表面構造を表す図であり、図９（ｂ）はＺｎＯの表面構造を表す図である。
【図１０】図１０は本発明の実施形態８の第１反射層に用いた誘電体酸化物ＳｃＡｌＭｇＯ４の結晶構造を表わす図である。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態１の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態１の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態２の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態２の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１６】図１６（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【符号の説明】
１０３，４０５ 量子井戸活性層
１０７ ｎ型オーミック電極
１０８ ｐ型オーミック電極
２０７，４１２ 第１反射層
２０８，４１４ 第２反射層
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば半導体レーザなどの酸化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、紫外から緑色以長の広域をカバー出来る発光材料として、ワイドギャップ半導体であるＩＩＩ族窒化物系半導体の結晶成長およびデバイス技術が急速に発展している。ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた発光素子の中でも、発振波長が４００ｎｍ近傍にある青色半導体レーザ素子は、次世代の高密度なデジタル光記録用光源への適用をはじめとして実用化が切望されており、ＩｎａＡｌｂＧａ１−ａ−ｂＮを用いた多重量子井戸活性層などの種々のデバイス構造が提案されている。
【０００３】
半導体レーザ素子においては、導波路に垂直な一対の反射鏡を有するレーザ共振器を形成する必要がある。ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料などは劈開性を有するため、原子レベルで平坦な反射端面を得ることが出来るが、ＩＩＩ族窒化物系半導体は六方晶であるために立方晶のＧａＡｓ系半導体に比べて劈開が難しく、また化学的に極めて安定であるためにエッチングによる反射鏡形成も困難である。
【０００４】
一方、基板の表面に対して垂直方向に共振器が形成され、半導体の接合面に平行に一対の反射鏡を有する面発光型の半導体レーザ素子は、積層膜を反射鏡として用いることが出来る。また、面発光型の半導体レーザ素子は、短共振器であるため省電力性と単一モード安定性に優れ、光集積回路などへの適用が容易であるなどの利点を有する。
【０００５】
そこで、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いて面発光型レーザ素子を実現すべく様々な提案がなされている。例えば、特許３２１２００８号公報（特許文献１）には、窒化ガリウム系化合物半導体層を用いたダブルへテロ構造と、活性層を挟んで基板の表面に平行な一対の第１，第２の反射鏡とを有する面発光型の半導体レーザ素子が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許３２１２００８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた面発光型レーザ素子では、発光特性も十分ではなく、また、作製が非常に困難であるという問題がある。これは以下のような理由による。
【０００８】
・バンド間遷移を利用するＩＩＩ族窒化物半導体は発振閾値キャリア密度が高く、微小共振器を有する面発光型レーザ素子に適用しても低閾値化が難しい。
【０００９】
・ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた面発光型レーザ素子を実用的な動作電流と素子寿命で駆動するには、反射鏡をエッチングによって形成せずとも、電流狭窄層の形成や、基板として用いられるサファイア基板に開口の形成などをエッチングで形成する必要がある。しかし、上記電流狭窄層やサファイア基板に対するエッチング加工は極めて困難で、製造プロセスが複雑になるため、歩留りが低くなってしまう。
【００１０】
・高機能な光集積回路などへの適用を考えると、誘電体、圧電体、磁性体、超伝導体、更にはマイクロマシンなどと共にモノリシックに作製出来ることが好ましいが、窒化物材料のみではこのような特質を網羅出来ない。
【００１１】
・成長層中に導電性を有する反射鏡を形成する場合、ＩｎＧａＮ混晶とＡｌＧａＮ混晶とで積層反射鏡を形成すると、熱膨張係数差が大きいために反射鏡にクラックが生じやすく、反射鏡上に積層される半導体層の結晶性も劣化する。一方、バンドギャップエネルギ差が小さい混晶で積層反射鏡を形成すると、屈折率差が小さいので、高い反射率を得るためには積層数を大幅に増やさなければならず、生産性が低下しコストも高くなる。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、発光特性が高くて生産成に優れる低消費電力な酸化物半導体発光素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、従来のＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた面発光型半導体発光素子の課題を解決出来る半導体材料および素子構造について鋭意検討した結果、酸化物半導体を用いて面発光型の半導体発光素子を作製することで上記目的が達せられることを見い出し本発明に至った。
【００１４】
本発明の酸化物半導体発光素子は、
酸化物半導体から成る活性層と、
上記活性層下に形成され、上記活性層の表面に対して平行な表面を有する第１反射層と、
上記活性層上に形成され、上記活性層の表面に対して平行な表面を有する第２反射層とを備え、
上記活性層から出射された発光を上記第１反射層と上記第２発射層との間で共振増幅させ、上記第１反射層および第２反射層の一方から発振光を出射することを特徴としている。
【００１５】
上記構成の酸化物半導体発光素子によれば、上記酸化物半導体は、窒化物半導体よりも優れた特質を多く有している。このような酸化物半導体を用いることによって、例えば、大きな結合エネルギを有する励起子遷移を利用して発振閾値電流を大幅に低減することが出来る。
【００１６】
また、上記酸化物半導体は、窒化物半導体に比べ加工が容易であり、電流狭窄機構や基板のエッチングを簡便に行なうことが出来る。
【００１７】
更に、上記酸化物半導体には、誘電性、圧電性、超伝導性などにおいて窒化物半導体では実現し難い性質を持った材料が多く存在する。これにより、例えばモノリシックな光集積回路などにおいては、半導体レーザ素子を含む全て要素を、親和性の高い酸化物のみで構成することが出来、製造が簡便になる。
【００１８】
したがって、上記ＺｎＯ系半導体から成る活性層から出射された発光を、第１反射層と上記第２発射層との間で共振増幅させるので、光学特性および信頼性を向上出来る。
【００１９】
また、上記活性層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、消費電力を低減出来ると共に、簡単に製造することが出来る。
【００２０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記活性層と上記第１反射層との間に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記基板または上記層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の側方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成る。
【００２１】
本明細書中において、「ＺｎＯ（酸化亜鉛）系半導体」とは、ＺｎＯおよびこれを母体としたＭｇＺｎＯあるいはＣｄＺｎＯなどで表される混晶を含めるものとする。
【００２２】
また、本明細書中において、第１導電型とは、ｐ型またはｎ型を意味する。また、第２導電型とは、第１導電型がｐ型の場合はｎ型、ｎ型の場合はｐ型を意味する。
【００２３】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。このことにより、上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、高効率・低消費電力を実現出来ると共に、環境に悪影響が及ぶのを阻止出来る。
【００２４】
また、上記基板の裏面下に第１反射層を形成すると共に、第２導電型コンタクト層上に第２反射層を形成しているので、第１，第２反射層は成長層中に反射層を作り込むよりも簡単に形成することが出来る。したがって、歩留まりを向上出来ると共に、コストを低減出来る。
【００２５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記活性層と上記第１反射層との間に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記活性層の側部の上方または下方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成る。
【００２６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。このことにより、上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、高効率・低消費電力を実現出来ると共に、環境に悪影響が及ぶのを阻止出来る。
【００２７】
また、上記基板の裏面下に第１反射層を形成すると共に、第２導電型コンタクト層上に第２反射層を形成しているので、第１，第２反射層は成長層中に反射層を作り込むよりも簡単に形成することが出来る。したがって、歩留まりを向上出来ると共に、コストを低減出来る。
【００２８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記第１反射層下に配置された基板と、
上記第１反射層と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記基板または上記層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の側方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成る。
【００２９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。このことにより、上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、高効率・低消費電力を実現出来ると共に、環境に悪影響が及ぶのを阻止出来る。
【００３０】
また、上記基板と第１導電型クラッド層との間に第１反射層を形成しているので、基板での光損失を低減出来る。また、上記基板として導電性や安価で高品質などの特長を有する基板を用いることにより、基板の裏面下に電極を形成出来る。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、コストを低減出来る。
【００３１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記第１反射層下に配置された基板と、
上記第１反射層と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記活性層の側部の上方または下方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成る。
【００３２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ＺｎＯは、約３．４ｅＶのバンドギャップエネルギを有する直接遷移型半導体で、励起子結合エネルギが６０ｍｅＶと極めて高く、また原材料が安価、環境や人体に無害で成膜手法が簡便であるなどの特徴を有する。このことにより、上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層をＺｎＯ系半導体で構成しているので、高効率・低消費電力を実現出来ると共に、環境に悪影響が及ぶのを阻止出来る。
【００３３】
また、上記基板と第１導電型クラッド層との間に第１反射層を形成しているので、基板での光損失を低減出来る。また、上記基板として導電性や安価で高品質などの特長を有する基板を用いることにより、基板の裏面下に電極を形成出来る。その結果、発光効率を高めることが出来ると共に、コストを低減出来る。
【００３４】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は、屈折率の異なる複数の薄膜を交互に積層して成る。
【００３５】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方を、屈折率の異なる複数の薄膜を交互に積層して形成することにより、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方の反射率を微細に制御することが出来る。また、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方に、半導体や誘電体、金属などの種々の薄膜を用いることが出来る。
【００３６】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は金属を含む。
【００３７】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方が金属を含むことにより、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方を電極をとして兼用することが出来る。したがって、製造工程を簡便化して、高歩留まりと低コストを実現できる。
【００３８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記金属は、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔのうちの少なくとも１つを含む。
【００３９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ａｇ、ＡｌおよびＰｔの金属は、電極材料として適用出来ると共に、青〜紫外光に対する反射率が極めて高い。
【００４０】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は誘電体を含む。
【００４１】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記誘電体は半導体よりも小さな光屈折率を有し、その光屈折率の値も材料によって多岐にわたっている。したがって、上記第１反射層と第２反射層との少なくとも一方が誘電体を含むので、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方のの反射率を微細に制御出来る。
【００４２】
また、上記第１反射層および第２反射層を複数層で構成する場合、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方が誘電体を含むので、複数の半導体層のみで反射層を形成する場合に比べ、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方の構成層の数を少なくすることが出来る。
【００４３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記誘電体は、Ｌｉ１ ― ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１ ― ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１ ― ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１ ― ｄＧａｄＯ２（０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）のうちの少なくとも１つを含む。
【００４４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記Ｌｉ１ ― ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１ ― ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１ ― ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１ ― ｄＧａｄＯ２の組成を有する酸化物は、ＺｎＯ系半導体と類似の結晶構造を有するので、ＺｎＯ系半導体上に高品質な単結晶薄膜としてエピタキシャル成長出来る。したがって、上記誘電体がその酸化物を含むので、第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は結晶性が高めて高い状態で発光素子の積層構造中に形成出来る。
【００４５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記誘電体は、αβＯ３で表されるペロブスカイトを含む、または、上記ペロブスカイトの構造に類似する構造を持つ類似構造複酸化物を含む。
【００４６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、ペロブスカイト構造の（１１１）面は、ＺｎＯ系半導体などのウルツ鉱結晶構造の（０００１）面と類似の表面構造を有するため親和性に優れる。したがって、上記ペロブスカイトを含む誘電体は、ＺｎＯ系半導体上に欠陥の少ない単結晶薄膜としてエピタキシャル成長することが出来る。特に、上記ペロブスカイト構造の酸化物は、ＺｎＯ系半導体との格子不整合が極めて少ない。
【００４７】
また、上記類似構造複酸化物を含む誘電体も、ＺｎＯ系半導体上に欠陥の少ない単結晶薄膜としてエピタキシャル成長することが出来る。
【００４８】
上記α，βとしては、次の要件（１）〜（３）のいずれか１つを満たすものが好ましい。
【００４９】
（１）上記αの元素がＬｉ（リチウム）、Ｎａ（ナトリウム）およびＫ（カリウム）のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＴａ（タンタル）とＮｂ（ニオブ）とのうちの少なくとも一方を含む。
【００５０】
（２）上記αの元素がＣｄ（カドミウム）、Ｃａ（カルシウム）、Ｓｒ（ストロンチウム）、Ｂａ（バリウム）およびＢｉ（ビスマス）のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素が
Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）およびＳｎ（スズ）のうちの少なくとも１つを含む。
【００５１】
（３）上記αの元素がＢｉ、希土類元素およびアルカリ土類金属元素のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＩｎ（インジウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）およびＳｃ（スカンジウム）のうちの少なくとも１つを含む。
【００５２】
ここで、希土類元素とは、周期表ＩＩＩ族に属するＳｃ（スカンジウム），Ｙ（イットリウム）およびランタノイドのＬａ（ランタン），Ｃｅ（セリウム），Ｐｒ（プラセオジム），Ｎｄ（ネオジウム），Ｐｍ（プロメチウム），Ｓｍ（サマリウム），Ｅｕ（ユウロピウム），Ｇｄ（ガドリニウム），Ｔｂ（テルビウム），Ｄｙ（ジスプロシウム），Ｈｏ（ホルミウム），Ｅｒ（エルビウム），Ｔｍ（ツリウム），Ｙｂ（イッテルビウム），Ｌｕ（ルテチウム）の１７元素を指し、アルカリ土類金属とは、周期表ＩＩ族元素のうちＣａ（カルシウム），Ｓｒ（ストロンチウム），Ｂａ（バリウム），Ｒａ（ラジウム）の４元素を指す。
【００５３】
更には、上記誘電体は、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＳｎＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＣａＨｆＯ３、ＣｄＳｎＯ３、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３およびＹＳｃＯ３のうちの少なくとも１つを含むことが特に好ましい。
【００５４】
上述したようなペロブスカイトまたは類似構造複酸化物は、ＺｎＯ系半導体との格子不整合が極めて少なく、結晶性の極めて高い反射層を発光素子の積層構造中に形成出来、信頼性に優れた面発光型の酸化物半導体発光素子を作製出来る。
【００５５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記誘電体は、γαβＯ４またはγαＯ３（βＯ）ｎ（γ，α，βは単数または複数の原子、ｎは１以上の自然数）なる構造を有し、上記γの元素がＳｃとＩｎとの少なくとも一方を含み、且つ、上記αの元素がＡｌ、Ｆｅ（鉄）およびＧａのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＭｇ（マグネシウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｆｅ、Ｃｏ（コバルト）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）およびＣｄのうちの少なくとも１つを含む。
【００５６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上述したような組成を有するホモロガス構造の酸化物は、ＺｎＯ系半導体と類似の結晶構造を有し、ＺｎＯ系半導体上に高品質な単結晶薄膜としてエピタキシャル成長出来る。したがって、上記誘電体がγαβＯ４またはγαＯ３（βＯ）ｎなる構造を有するので、結晶性の極めて高い誘電体反射膜を形成出来る。
【００５７】
特に、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＳｃＧａＭｇＯ４、ＳｃＡｌＭｎＯ４、ＳｃＧａＣｏＯ４、ＳｃＡｌＣｏＯ４、ＳｃＧａＺｎＯ４、ＳｃＡｌＺｎＯ４、ＳｃＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎおよびＳｃＡｌＯ３（ＺｎＯ）ｎのうちのいずれか１つを誘電体が含むことにより、誘電体とＺｎＯ系半導体との格子不整合を極めて少なくすることが出来る。
【００５８】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方はＺｎＯ系半導体を含む。
【００５９】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、例えば、反射層を誘電体酸化物とＺｎＯ系半導体との積層構造などで構成すると、少ない積層数で大きな反射率を有する反射層が得られ、この反射層は結晶性に優れる。したがって、上記第１反射層および第２反射層を複数の層で構成する場合、第１反射層と第２反射層との少なくとも一方は、ＺｎＯ系半導体を含むので、少ない積層数で大きな反射率を得ることが可能である。
【００６０】
また、上記ＺｎＯ系半導体を含む反射層を基板と第１導電型クラッド層との間に設けた場合、基板での光損失を低減し、また導電性や安価で高品質などの特長を有する基板を用いることが出来る。
【００６１】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記ＺｎＯ系半導体はＭｇｘＺｎ１ ― ｘＯまたはＣｄｙＺｎ１ ― ｙＯ（０≦ｘ，ｙ≦１）を含む。
【００６２】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＭｇｘＺｎ１ ― ｘＯまたはＣｄｙＺｎ１ ― ｙＯを含むＺｎＯ系半導体は、組成比によりバンドギャップエネルギおよび屈折率の微細な制御が可能である。
【００６３】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記活性層下に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記基板または上記層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の側方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１反射層は上記基板に形成された開口内に配置され、
上記開口は、上記第２導電型コンタクト層において電流が狭窄される部分の直下に位置する。
【００６４】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板の開口から発振光を取り出すので、基板での光吸収や散乱による損失を受けずに発振光を取り出すことが出来る。したがって、例えば活性層より小さなバンドギャップエネルギを有する基板を用いても、発光効率が低減することがない。
【００６５】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、
上記活性層下に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記活性層の側部の上方または下方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１反射層は上記基板に形成された開口内に配置され、
上記開口は、上記第２導電型コンタクト層において電流が狭窄される部分の直下に位置する。
【００６６】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板の開口から発振光を取り出すので、基板での光吸収や散乱による損失を受けずに発振光を取り出すことが出来る。したがって、例えば活性層より小さなバンドギャップエネルギを有する基板を用いても、発光効率が低減することがない。
【００６７】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板と上記第１導電型クラッド層との間にエッチングストップ層が形成されている。
【００６８】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記基板と第１導電型クラッド層との間にエッチングストップ層を形成しているので、基板の開口をエッチング加工で歩留りよく形成することができる。
【００６９】
一実施形態の酸化物半導体発光素子は、上記基板がＺｎＯ単結晶基板である。
【００７０】
上記実施形態の酸化物半導体発光素子によれば、上記ＺｎＯ単結晶基板はＺｎＯ系半導体発光素子の作製に最も優れた基板であり、結晶欠陥や格子歪の最も小さいＺｎＯ系半導体層をエピタキシャル成長出来る。
【００７１】
また、上記ＺｎＯ単結晶基板は加工特性にも優れるので、歩留まりを向上出来る。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸化物半導体発光素子を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００７３】
（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子の模式断面図を示す。
【００７４】
上記面発光型半導体レーザ素子は、（０００１）亜鉛面を主面とするＺｎＯ単結晶基板１０１上に、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ１μｍのｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２、ノンドープ量子井戸活性層１０３、Ｎ（窒素）が５×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．５μｍのｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４、Ｎが１×１０２０ｃｍ−３の濃度でドープされた厚さ０．３μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５がこの順で積層されている。
【００７５】
本実施形態１では、ＺｎＯ単結晶基板１０１が基板の一例に、ｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層１０３が活性層の一例に、ｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４が第２導電型クラッド層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。
【００７６】
上記量子井戸活性層１０３は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ４ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層との交互積層より成っている。上記ＺｎＯ障壁層は８層ある一方、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層は７層ある。
【００７７】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５上には、電流狭窄層の一例としての厚さ１００ｎｍのＳｉＯ２絶縁層１０６を積層している。上記ＳｉＯ２絶縁層１０６はリング形状を有して、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の上部を側方から囲んでいる。
【００７８】
上記ＺｎＯ単結晶基板１０１の裏面下には、第１反射層の一例としての厚さ２００ｎｍのｎ型オーミック電極１０７が形成されている。このｎ型オーミック電極１０７はＡｌより成って、青色発光波長に対して９０％の反射率を有している。
【００７９】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５およびＳｉＯ２絶縁層１０６上には、第２反射層の一例としての厚さ５０ｎｍのｐ型オーミック電極１０８が形成されている。このｐ型オーミック電極１０８はＰｔより成って、青色発光波長に対して３０％の反射率を有している。そして、上記ｐ型オーミック電極１０８上には、リング形状のＡｕパッド電極１０９が形成されている。このＡｕパッド電極１０９の開口は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の上部の上方に位置している。そして、上記Ａｕパッド電極１０９の開口から、ｐ型オーミック電極１０８の中央部の表面が露出している。
【００８０】
上記ｎ型オーミック電極１０７およびｐ型オーミック電極１０８は、それぞれ、量子井戸活性層１０３の表面に対して平行な表面を有している。
【００８１】
上記構成の面発光型半導体レーザ素子に電流を流して駆動したところ、波長４０５ｎｍの青色発振光がオーミック電極１０８を介して得られた。つまり、上記青色発振光がｐ型オーミック電極１０８から外部に向って出射された。
【００８２】
比較例１として、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いて本実施形態１と同じ構造の面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例１の面発光型半導体レーザ素子は、ノンドープ量子井戸活性層では発振せず、ＳｉドープしたＩｎＧａＮ井戸層を用いて発振させることが出来たが、発振閾値電流が本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子に比べて５倍高かった。
【００８３】
本発明のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子がＩＩＩ族窒化物系面発光型半導体レーザ素子よりも発振閾値電流が低かった理由は、ＺｎＯ系半導体の発光機構が励起子遷移を用いているのに対し、ＩＩＩ族窒化物系半導体は発光効率の低い不純物準位を介したバンド間遷移を用いている点にある。すなわち、ＺｎＯ系半導体は、６０ｍｅＶの強い励起子結合エネルギを有し、室温で励起子遷移を利用したレーザ発振を生ぜしめることが可能であるのに対し、ＩＩＩ族窒化物半導体の励起子結合エネルギは２４ｍｅＶしかないので、室温におけるレーザ発振への寄与は小さく、反転分布が生じるまでに励起子が解離してしまい、不純物準位を介したバンド間遷移が主となるからである。
【００８４】
面発光型半導体レーザ素子は微小共振器であるため端面発光型の半導体レーザ素子に比べ発振閾値電流が大幅に小さくなるが、発振に至る注入キャリア密度自体が高ければ発振閾値電流低減の効果は小さくなってしまう。したがって、上記ＩＩＩ族窒化物半導体は発振閾値キャリア密度が高いので、ＩＩＩ族窒化物系面発光型半導体レーザ素子では低閾値が難しい。すなわち、ＩＩＩ族窒化物系半導体を用いて作成した面発光型半導体レーザ素子よりも、ＺｎＯ系半導体を用いて作製した面発光型半導体レーザ素子の方が遥かに省電力性に優れている。
【００８５】
本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子は、オーミック電極が反射層を兼ねており、また、反射層形成のための特別な工程を必要としないので、簡便かつ低コストで作製出来るという利点を有する。
【００８６】
本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子に用いる反射層の金属材料としては、Ａｌ、ＡｇおよびＰｔが４００ｎｍ近傍の波長に対する反射率が特に高いので好ましい。また、Ａｌで形成した反射層はｎ型オーミック電極として兼用することが出来、ＡｇまたはＰｔで形成した反射層はｐ型オーミック電極として兼用することが出来るので好ましい。したがって、本実施形態１では、ｎ型オーミック電極およびｐ型オーミック電極の少なくとも一方は、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔの少なくとも１つを含むのが好ましい。
【００８７】
また、本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子に用いる基板の材料としては、ＺｎＯ単結晶以外に、ＳｉＣやＧａＮなどを用いることが出来る。しかし、可視領域における発光効率を最大限に得るためには、次の要件（ａ）〜（ｃ）の少なくとも１つを満たす材料が好ましい。
（ａ） 基板上の成長層において非発光中心となる欠陥を低減する観点上、ＺｎＯの面内格子定数に対して（１００±３）％の面内格子定数を有する。
（ｂ） 発光波長に対応する吸収係数が低い。
（ｃ） 基板の裏面下に電極を形成する観点上、導電性を有する。
【００８８】
本実施形態１でＺｎＯ単結晶基板１０１の材料として用いたＺｎＯ単結晶は、上記の条件を全て満すので最も好ましい。
【００８９】
また、亜鉛面を用いることにより、ｐ型層のキャリア活性化率が向上し、抵抗の低いｐ型層が得られやすくなるので好ましい。
【００９０】
また、本実施形態１の面発光型半導体レーザ素子は、固体あるいは気体原料を用いたＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、レーザＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの結晶成長手法で作製することが出来る。
【００９１】
上記実施形態１では、ＳｉＯ２絶縁層１０６は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の上部の側方に形成していたが、図１１（ａ）に示すようなｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４の上部の側方、または、図１１（ｂ）に示すようなｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２の側方、または、図１１（ｃ）に示すようなＺｎＯ単結晶基板１０１の上部の側方、または、図１１（ｄ）に示すような量子井戸活性層１０３の側方に形成してもよい。これら基板や成長層の側方にＳｉＯ２絶縁層１０６を形成する場合、ＳｉＯ２絶縁層１０６の厚みは、基板や成長層の厚みと同じである必要はなく、基板や成長層の厚みより薄くてもよい。つまり、上記ＳｉＯ２絶縁層１０６は基板や成長層の一部の側方に形成してもよい。
【００９２】
また、上記ＳｉＯ２絶縁層１０６は、基板や成長層の側方のみならず、活性層の側部の上方または下方に形成してもよい。例えば、上記ＳｉＯ２絶縁層１０６は、図１２（ａ）に示すように、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の側部の表面（ｐ型オーミック電極１０８側の表面）に接するように形成したり、図１２（ｂ）に示すように、ＺｎＯ単結晶基板１０１の側部の裏面（ｎ型オーミック電極１０７側の表面）に接するように形成したりしてもよい。または、上記ＳｉＯ２絶縁層１０６は、図１２（ｃ）に示すように、ｐ型オーミック電極１０８の側部とＡｕパッド電極１０９との間に形成してもよい。
【００９３】
更には、図１２（ｄ）に示すように、ＳｉＯ２絶縁層を電流狭窄層の一例として用いないで、イオン注入法などによって成長層側方を貫くような高抵抗層１１０６を電流狭窄層の一例として形成してもよい。
【００９４】
なお、図１、図１１（ａ）〜（ｄ）および図１２（ａ）〜（ｄ）において、同一の材料および物質を用いている部分は、同一の符号を付しており、必ずしも同様の形状を示すものではない。
【００９５】
（実施形態２）
図２に、本発明の実施形態２のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子の模式断面図を示す。
【００９６】
上記面発光型半導体レーザ素子は、上記実施形態１と比べ、ｎ型オーミック電極１０７，ｐ型オーミック電極１０８の代りに、反射層として機能しないｎ型オーミック電極２１１，ｐ型オーミック電極２１２を用いた点が異なっている。このように、上記ｎ型オーミック電極２１１，ｐ型オーミック電極２１２が反射層として機能しないので、第１反射層の一例としての第１反射層２０７をｎ型単結晶基板１０１とｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２との間に形成すると共に、第２反射層の一例としての第２反射層２０８をｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５とｐ型オーミック電極２１２との間に形成している。
【００９７】
上記第１反射層２０７は、Ｓｉドープしたｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と、Ｇａドープしたｎ型ＺｎＯ層との積層構造で構成されている。ｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層とｎ型ＺｎＯ層との積層数は、第１反射層２０７の反射率が９０％になるように調整されている。また、ｎ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層およびｎ型ＺｎＯ層は、それぞれ、量子井戸活性層１０３の表面に平行な表面を有している。
【００９８】
上記第２反射層２０８は、Ｍｇドープしたｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層と、Ｎドープしたｐ型ＺｎＯ層との積層構造で構成されている。ｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層とｐ型ＺｎＯ層との積層数は、第２反射層２０８の反射率が３０％となるように調整されている。ｐ型Ｉｎ０．２Ｇａ０．８Ｎ層およびｐ型ＺｎＯ層は、それぞれ、量子井戸活性層１０３の表面に平行な表面を有している。
【００９９】
また、上記実施形態１のＳｉＯ２絶縁層１０６の代りに、電流狭窄層の一例としてのリング形状のＺｎＯ電流ブロック層２０６を形成している。このＺｎＯ電流ブロック層２０６は、円板形状のｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の全体を側方から囲んでいる。このようなＺｎＯ電流ブロック２０６は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５を形成するためのｐ型ＺｎＯ層の中央部以外の部分をＧａイオン注入でｎ型に反転させて形成している。
【０１００】
また、上記ｐ型オーミック電極２１２はリング形状に形成されて開口を有している。この開口からは、第２反射層２０８の中央部の表面が露出している。
【０１０１】
尚、図２において、図１に示した部分と同一の材料および物質を用いている部分は、図１の部分と同一の参照番号を付している。また、図１，図２における同一の参照番号の部分でも形状が異なっているものがある。
【０１０２】
本実施形態２の面発光型半導体レーザ素子は、導電性を有するＺｎＯ系半導体の積層構造を用いて第１反射層２０７および第２反射層２０８を形成したので、第１，第２反射層２０７，２０８での吸収損失が低減した。
【０１０３】
また、上記ｎ型オーミック電極２１１，ｐ型オーミック電極２１２を別途設けるようにしたので、オーミック電極の接触抵抗が減少して動作電圧が低減した。
【０１０４】
更に、アニール処理による電極兼用反射層の反射率低下がなくなり、反射率再現性が向上した。
【０１０５】
上記実施形態２において、第１，第２反射層２０７，２０８の少なくとも一方の代わりに、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔの少なくとも１つを含む反射層を用いてもよい。
【０１０６】
上記実施形態２では、ＺｎＯ電流ブロック層２０６は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層の側方に形成していたが、図１３（ａ）に示すようなｐ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０４の側方に形成してもよい。また、図１３（ｂ）に示すようなｎ型Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏクラッド層１０２の側方、または、図１３（ｃ）に示すようなＺｎＯ単結晶基板１０１の上部の側方、または、図１３（ｄ）に示すように量子井戸活性層１０３の側方に、ｐ型ＺｎＯ電流ブロック層１２０６を形成してもよい。これら基板や成長層の側方にＺｎＯ電流ブロック層を形成する場合、ＺｎＯ電流ブロック層の厚みは、基板や成長層の厚みと同じである必要はなく、基板や成長層の厚みよりも薄くてもよい。つまり、上記ＺｎＯ電流ブロック層は基板や成長層の一部の側方に形成してもよい。
【０１０７】
また、上記ＺｎＯ電流ブロック層は、基板や成長層の側方のみならず、活性層の側部の上方または下方に形成してもよい。例えば、上記ＺｎＯ電流ブロック層２０６は、図１４（ａ）に示すように、ｐ型ＺｎＯコンタクト層１０５の側部の表面（第２反射層２０８側の表面）に接するように形成してもよい。また、上記ｐ型ＺｎＯ電流ブロック層１２０６は、図１４（ｂ）に示すように、ＺｎＯ単結晶基板１０１の側部の裏面（ｎ型オーミック電極２１１側の表面）に接するように形成したりしてもよい。また、上記ＺｎＯ電流ブロック層２０６は、図１４（ｃ）に示すように、ｐ型オーミック電極２１２と第２反射層２０８の側部との間に形成してもよい。
【０１０８】
更には、ＺｎＯ電流ブロック層を電流狭窄層の一例として用いないで、図１４（ｄ）に示すように、イオン注入法などによって成長層側方を貫くように高抵抗層２２０６を電流狭窄層の一例として形成して形成してもよい。
【０１０９】
なお、図２、図１３（ａ）〜（ｄ）および図１４（ａ）〜（ｄ）において、同一の材料および物質を用いている部分は、同一の符号を付しており、必ずしも同様の形状を示すものではない。
【０１１０】
（実施形態３）
本発明の実施形態３のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子は、Ｇａドープしたｎ型Ｃｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層とＧａドープしたｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層との積層構造で第１反射層を構成し、Ｎドープしたｐ型Ｃｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層とＮドープしたｐ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層との積層構造で第２反射層を構成した他は、上記実施形態２と同様にして作製した。
【０１１１】
上記面発光型半導体レーザ素子は、第１，第２反射層をＺｎＯ系半導体で構成したので、ＺｎＯ単結晶基板上に成長させたエピタキシャル層との親和性に優れ、エピタキシャル層における結晶欠陥などが低減した。その結果、本実施形態３の面発光型半導体レーザ素子は、発振閾値電流が上記実施形態２に比べて１５％低減し、素子寿命が３０％向上した。
【０１１２】
上記実施形態３の第１，第２反射層は、Ｃｄ０．２Ｚｎ０．８Ｏ層とＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層とで構成していたが、これ以外のＺｎＯ系半導体で構成してもよい。例えば、上記第１，第２反射層をＭｇｘＺｎ１ ― ｘＯやＣｄｙＺｎ１ ― ｙＯ（０≦ｘ，ｙ≦１）で構成してもよい。
【０１１３】
また、上記第１，第２反射層の少なくとも一方の代わりに、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔの少なくとも１つを含む反射層を用いてもよい。
【０１１４】
（実施形態４）
図３に、本発明の実施形態４のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子の模式断面図を示す。また、図３において、図２に示した構成部と同一構成部は、図２における構成部と同一参照番号を付して説明を省略する。
【０１１５】
上記面発光型半導体レーザ素子は、ＺｎＯ単結晶基板１０１の代わりに基板の一例としてのサファイア基板３０１を用い、ｎ型オーミック電極２１１の代わりにｎ型オーミック電極３１１を用い、更に、サファイア基板３０１と第１反射層２０７との間にｎ型ＺｎＯバッファ層３１３を形成した他は、上記実施形態３と同様に作製した。
【０１１６】
上記サファイア基板３０１は（０００１）面を成長主面としている。また、上記ｎ型ＺｎＯバッファ層３１３は、Ｇａが３×１０１８ｃｍ−３の濃度でドープされ、厚さが０．１μｍとなっている。このｎ型ＺｎＯバッファ層３１３の露出している表面上に、ｎ型オーミック電極３１１が形成されている。
【０１１７】
本実施形態４の面発光型半導体レーザ素子は、異種基板を用いたので上記実施形態３に比べて発振閾値電流が５％増大し、素子寿命が５％短くなったが、十分実用に供する特性を有し、安価なサファイア基板を用いることが出来たので、コストを大幅に低減させることが出来た。
【０１１８】
本実施形態４では、ｎ型バッファ層がｎ型コンタクト層の役目の兼ねている。コンタクト層材料にはＺｎＯが適しており、ドナー不純物のドーピング濃度は１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３の範囲が好ましく、更には５×１０１９〜５×１０２０ｃｍ−３の範囲で調整されることが好ましい。また、バッファ層とコンタクト層を独立して形成してもよい。
【０１１９】
（実施形態５）
図４に、本発明の実施形態５のＺｎＯ系面発光型半導体レーザ素子の模式断面図を示す。この面発光型半導体レーザ素子は基板側から発振光を取り出す構造になっており、図４に示された構造は積層順とは上下が逆になっている。つまり、図４において、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１下の複数の成長層では、図中上側の成長層が図中下側の成長層よりも先に積層されたものである。
【０１２０】
以下では、基板上に上記複数の成長層が形成されているものとして説明を行う。つまり、以下の説明の上下は図４における上下とは逆となる。
【０１２１】
上記面発光型半導体レーザ素子は、亜鉛面を主面としたｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１上に、厚さ２０ｎｍのＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのＺｎＯバッファ層４０３、Ｇａドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３で厚さ１．０μｍのｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４、ノンドープ量子井戸活性層４０５、Ｎドーピング濃度が５×１０１８ｃｍ−３で厚さ０．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層４０６、厚さ２０ｎｍのＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第２エッチングストップ層４０７、Ｎドーピング濃度が５×１０１９ｃｍ−３で厚さ１．１μｍのｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８、Ｎドーピング濃度が１×１０２０ｃｍ−３で厚さ０．５μｍのｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９がこの順で積層されている。
【０１２２】
本実施形態５では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１が基板の一例に、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２がエッチングストップ層の一例に、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４が第１導電型クラッド層の一例に、量子井戸活性層４０５が活性層の一例に、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９が第２導電型コンタクト層の一例にそれぞれ相当する。また、上記ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層４０６およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８が、第２導電型クラッド層の一例を構成している。
【０１２３】
上記量子井戸活性層４０５は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ障壁層と、厚さ６ｎｍのＣｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層とが交互に積層されて成っている。上記ＺｎＯ障壁層は２層ある一方、Ｃｄ０．０５Ｚｎ０．９５Ｏ井戸層は３層ある。
【０１２４】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８は円柱形状にエッチング加工されている。そして、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８の側面は、電流狭窄層の一例としてのｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０によって埋め込まれている。ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０は、Ｇａが１×１０１８ｃｍ−３の濃度でドーピングされている。
【０１２５】
上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１下にはｎ型オーミック電極４１１が形成されている。このｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１およびｎ型オーミック電極４１１では、円柱形状のｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８直下に対応する部分がエッチング除去されている。このエッチング除去で形成された開口４２０内には、第１反射層の一例としての第１反射層４１２がＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０７の裏面に接触するように形成されている。上記第１反射層４１２は、ＳｉＯ２とＴｉＯ２との交互積層により形成されている。また、上記第１反射層４１２の波長４００ｎｍの発光に対する反射率は２０％である。また、上記第１反射層４１２は、量子井戸活性層４０５の表面に対して平行な表面を有している。つまり、上記ＳｉＯ２から成る層と、ＴｉＯ２から成る層とは、それぞれ、量子井戸活性層４０５の表面に対して平行な表面を有している。
【０１２６】
上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０上には、ｐ型オーミック電極４１３と、第２反射層の一例としての第２反射層４１４とを順次積層している。上記第２反射層４１４は、Ａｇから成って、波長４００ｎｍの発光に対する反射率が９５％となっている。また、上記第２反射層４１４は、量子井戸活性層４０５の表面に対して平行な表面を有している。そして、上記第２反射層４１４上には、第２反射層４１４の形成領域よりも小さい形成領域でＡｕパッド電極４１５が形成されている。
【０１２７】
本実施形態５の面発光型半導体レーザ素子は、図５に示すレーザＭＢＥ装置１０００を用いたレーザＭＢＥ法で作製した。
【０１２８】
上記レーザＭＢＥ装置１０００は超高真空に排気可能な成長室１００１を備えている。この成長室１００１の一方の側壁には、パルスレーザ光１００８が通過するビューポート１００７を設けている。そして、上記成長室１００１の他方の側壁には、活性化された原子状ビームを基板１００３に向けて照射可能なラジカルセル１００９と、成長室１００１内に複数のガスを導入できるよう複数のガス導入管１０１０（図２では１つのみ示す）とを設けている。また、上記成長室１００１の上部には、基板１００３を保持する基板ホルダ１００２を配置している。更に、上記基板ホルダ１００２の上方にはヒータ１００４を配置し、基板ホルダ１００２の下方には所定の距離をおいてターゲットテーブル１００５を配置している。このターゲットテーブル１００５は、複数の原料ターゲット１００６を上面（基板ホルダ１００２側の表面）上に配置できる。また、図示しないが、上記ターゲットテーブル１００５は回転機構を有している。
【０１２９】
上記構成のレーザＭＢＥ装置１０００によれば、ヒータ１００４が基板ホルダー１００２の上面（原料ターゲット１００６とは反対側の表面）を加熱すると、基板ホルダー１００２の上面の熱が熱伝導により基板１００３に伝わって、基板１００３が加熱される。その後、上記ビューポート１００７を通じてパルスレーザ光１００８を原料ターゲット１００６の表面に照射し、原料ターゲット１００６の表面をアブレーションする。これにより、瞬時に蒸発した原料ターゲット１００６が基板１００３の下面に付着し、基板１００３下に薄膜が成長する。そして、上記パルスレーザ光１００８の照射シーケンスに同期してターゲットテーブル１００５の回転を制御することにより、異なる原料ターゲット１００６の表面にパルスレーザ光１００８を照射して、その異なる原料ターゲット１００６を上記薄膜に付着させることが可能となる。つまり、上記薄膜とは異なる薄膜を基板１００３下に成長させることが可能となる。また、上記ラジカルセル１００９によって活性化された原子状ビームを基板１００３に照射することも可能である。
【０１３０】
上記レーザＭＢＥ法は、原料ターゲットと、この原料ターゲットの表面をアブレーションすることで成長させた薄膜との間において組成ずれが小さく、またＺｎＧａ２Ｏ４などの意図しない副生成物の生成を抑えることができるので好ましい。
【０１３１】
以下、図６（ａ）〜（ｄ）および図７（ｅ）〜（ｇ）を用いて、本実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【０１３２】
まず、図６（ａ）に示すｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１を洗浄処理した後、レーザＭＢＥ装置１０００に導入し、温度６００℃で３０分間加熱し清浄化する。
【０１３３】
次に、基板温度を５５０℃に降温し、パルスレーザ光１００８を用いて複数の原料ターゲット１００６を所定の比率で交互にアブレーションして、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層１４０２、ｎ型ＺｎＯバッファ層１４０３、ｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層１４０４、量子井戸活性層１４０５、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第１クラッド層１４０６、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第２エッチングストップ層１４０７、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１４０８およびｐ型ＺｎＯコンタクト層１４０９を成長させる。
【０１３４】
次に、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１をレーザＭＢＥ装置１０００から取り出し、図６（ｂ）に示すように、直径１．５μｍのドット形状のレジストマスク４１６をｐ型ＺｎＯコンタクト層１４０９上に形成する。
【０１３５】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１を反応性イオンエッチング装置（図示しない）に導入し、ハロゲンガスを用いた反応性イオンエッチングによってｐ型ＺｎＯコンタクト層１４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１４０８のエッチングを行う。このとき、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層１４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層１４０８のエッチングは半絶縁性のＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第２エッチングストップ層４０７で停止させる。これにより、上記Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第２エッチングストップ層４０７上に、図６（ｃ）に示すような円柱形状のｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８が得られる。
【０１３６】
反応性イオンエッチングは異方性が強いため、サイドエッチングを生じずに半導体を微細に加工することが出来る。
【０１３７】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１を反応性イオンエッチング装置から取り出し、レジストマスク４１６を洗浄除去した後、レーザＭＢＥ装置１０００に再度導入し、ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層を成長する。そうすると、上記ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層が、円柱形状のｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８の側面を埋め込む。
【０１３８】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１をレーザＭＢＥ装置１００から取り出し、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９が露出するように、ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ層の上部をエッチング除去する。これにより、図６（ｄ）に示すように、上記ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８を側方から囲むｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０が得られる。
【０１３９】
次に、露出したｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０の上面全面に、図７（ｅ）に示すように、Ｎｉから成る厚さ１５ｎｍのｐ型オーミック電極４１３を真空蒸着する。引き続き、上記ｐ型オーミック電極４１３上に、Ａｇから成る厚さ１００ｎｍの第２反射層４１４を真空蒸着する。更に、上記第２反射層４１４上に、厚さ１００ｎｍのＡｕ層を蒸着して、そのＡｕ層を直径１００μｍのドット状に加工して、Ａｕパッド電極４１５を得る。
【０１４０】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１の裏面に、Ａｌから成る厚さ１００ｎｍのｎ型オーミック電極１４１１を真空蒸着する。
【０１４１】
次に、上記ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１の上下を逆にする。そして、上記ｎ型オーミック電極１４１１上に、図７（ｆ）に示すような直径２００μｍの開口を有する第２のレジストマスク４１７を形成し、リン酸と過酸化水素水の混合溶液と硝酸水溶液を用いたエッチングを行い、このエッチングを半絶縁性のＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２で停止させる。そうすると、ｎ型オーミック電極４１１およびｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１に開口４２０が形成されて、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２の中央部の裏面が露出する。
【０１４２】
最後に、上記開口４２０から露出したＭｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２上に、図７（ｇ）に示すように、ＳｉＯ２とＴｉＯ２とを交互積層して反射率２０％の第１反射層４１２を形成し、第２レジストマスク４１７を洗浄除去すると、図４に示す面発光型半導体レーザ素子が得られる。
【０１４３】
上記面発光型半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口４２０から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。
【０１４４】
比較例２として、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１をエッチングせずに、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１の裏面に第１反射層４１２を形成した他は、本実施形態５と同様に面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例２の面発光型半導体レーザ素子では、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１での散乱および多重反射によって損失が増大し、本実施形態５に比べて、発振閾値電流が２０％増大した。
【０１４５】
比較例３として、Ｍｇ０．１５Ｚｎ０．８５Ｏ第１エッチングストップ層４０２を設けずに、ｎ型オーミック電極１４１１およびｎ型ＺｎＯ単結晶基板１４０１をエッチングした他は、本実施形態５と同様に面発光型半導体レーザ素子を作製した。この比較例３の面発光型半導体レーザ素子では、エッチング深さが安定せず、エッチング液がｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４を浸食することあがあった。このため、本実施形態５に比べて歩留まりが１０％に低下した。
【０１４６】
以上より、レーザ光出射面の基板を除去することによって損失が低減し、発振閾値電流を低減することが出来る。特に、発振波長が短波長である場合には、基板が発振光を吸収するため、基板除去は必ず行わなければならない。この点で、サファイア基板あるいはエピタキシャル層のエッチング加工が困難なＩＩＩ族窒化物系半導体を用いた面発光型半導体レーザ素子は、製造プロセスが複雑になり、歩留りも低い。
【０１４７】
一方、本発明の酸化物半導体を用いた面発光型半導体レーザ素子は、基板やエピタキシャル層のエッチング加工が容易であり、低損失なレーザ構造を高い歩留りで作製出来る。
【０１４８】
また、基板とｎ型クラッド層との間にエッチングストップ層を設けることにより、基板のエッチング加工を歩留りよく行うことが出来る。
【０１４９】
上記第１反射層４１２を構成する材料としては、上記実施形態１のような金属や、上記実施形態２，３のような半導体積層構造を用いてもよいが、本実施形態５のように誘電体金属酸化物から屈折率差が大きいものを選んで交互積層すると、反射率を微細に制御出来ると共に、半導体のみの積層構造で反射層を形成する場合に比べ、積層数を少なくすることが出来る。
【０１５０】
上記実施形態５では、第２反射層４１４を４００ｎｍ近傍の発振波長に対する反射率が高いＡｇで構成したが、上記実施形態２，３のように、半導体積層構造による多重反射層で構成してもよく、また、第１反射層と同じ材料で構成するなどしてもよい。
【０１５１】
上記実施形態５では、ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０は、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９およびｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８の側方に形成していたが、図１５（ａ）に示すようなｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９の上部（Ａｕパッド電極４１５側の部分）のみの側方に形成してもよい。または、図示ないが、上記ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０は、ｐ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏ第２クラッド層４０８の少なくとも一部のみの側方に形成してもよい。また、図１５（ｂ）に示すようなｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４の側方、または、図１５（ｃ）に示すようなＺｎＯ単結晶基板４０１の上部（量子井戸活性層４０５側の部分）の側方、または、図１５（ｄ）に示すような量子井戸活性層４０５の側方に、ｐ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層１４１０を形成してもよい。これら基板や成長層の側方にＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０を形成する場合、Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層の厚みは、基板や成長層の厚みと同じである必要はなく、基板や成長層の厚みより薄くしてもよい。つまり、上記Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層は基板や成長層の一部の側方に形成してもよい。
【０１５２】
また、上記Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層は、基板や成長層の側方のみならず、量子井戸活性層４０５の側部の上方または下方に形成してもよい。例えば、上記ｐ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層１４１０は、図１６（ａ）に示すように、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１の側部の裏面（ｎ型オーミック電極４１１側の表面）に接するように形成してもよい。また、上記ｎ型Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０は、図１６（ｂ）に示すように、ｐ型ＺｎＯコンタクト層４０９の側部の表面（Ａｕパッド電極４１５側の表面）に接するように形成してもよいし、図１６（ｃ）に示すように、ｐ型オーミック電極４１３の側部と第２反射層４１４の側部との間に形成してもよい。また、図示しないが、上記ｎＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０はｐ型オーミック電極４１３内に形成してもよい。つまり、上記ｎＭｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層４１０はｐ型オーミック電極４１３で包むように形成してもよい。
【０１５３】
更には、Ｍｇ０．３Ｚｎ０．７Ｏ電流ブロック層を電流狭窄層の一例として用いないで、図１６（ｄ）に示すように、イオン注入法などによって成長層側方を貫くように高抵抗層２４１０を電流狭窄層の一例として形成してもよい。
【０１５４】
なお、図４、図１５（ａ）〜（ｄ）および図１６（ａ）〜（ｄ）において、同一の材料および物質を用いている部分は、同一の符号を付しており、必ずしも同様の形状を示すものではない。
【０１５５】
（実施形態６）
本実施形態６では、図４の開口４２０内に形成する反射率２０％の第１反射層４１２の代わりに、ＬｉＧａＯ２とＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層を用いた他は、上記実施形態５と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。
【０１５６】
上記面発光型半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口４２０から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。このとき、上記実施形態５に比べ、発振閾値電流は１０％低減し、素子寿命は２０％向上した。
【０１５７】
本実施形態６において反射層に用いたＬｉＧａＯ２のように、αβＯ２なる組成を有し、αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫの少なくと１つを含み、βの元素がＡｌ、ＧａおよびＩｎのうちの少なくと一方を含む誘電体体酸化物は、ＺｎＯ系半導体と類似の結晶構造を有し、ＺｎＯ系半導体上に高品質な単結晶薄膜としてエピタキシャル成長出来、高い保護効果を得ることが出来る。
【０１５８】
特に、Ｌｉ１ ― ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１ ― ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１ ― ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１ ― ｄＧａｄＯ２（０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）などのように、αβＯ２において元素α，βの元素のいずれか一方が２種の元素から成る酸化物は、組成比の制御が簡便であるので好ましい。したがって、第１，第２反射層の少なくとも一方が上記酸化物を少なくとも１つ含むことは好ましい。
【０１５９】
図８（ａ），（ｂ）に、上記４つの酸化物に対して平均格子定数を求めた結果を示す。ここで「平均格子定数」とは、同一面内の６つの酸素原子で構成される六角形と同じ面積の正六角形を仮定し、この正六角形の一辺の長さと定義する。なお、図８（ａ）のＬｉ１−ｙＮａｙＧａＯ２，ＮａＡｌ１−ｙＧａｙＯ２がＬｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２，ＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２に対応し、図８（ｂ）のＬｉ１−ｘＮａｘＡｌＯ２，ＬｉＡｌ１−ｘＧａｘＯ２がＬｉ１−ａＮａａＡｌＯ２，ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２に対応する。
【０１６０】
図８（ａ），（ｂ）から判るように、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２は、ＺｎＯの格子定数に対して全組成範囲で９６％（３．１２Å）〜１０６％（３．４４Å）の格子定数に制御できる。つまり、Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１−ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１−ｄＧａｄＯ２の夫々の全組成範囲の平均格子定数と、ＺｎＯの格子定数との差を、−４％（３．１２Å）〜＋６％（３．４４Å）の範囲内に制御することができる。特に、次の（１），（２）の場合であれば、ＺｎＯに対する格子定数差を極めて小さくすることが出来る。
（１）Ｌｉ１−ａＮａａＡｌＯ２において、Ｎａ組成比ａが０．４〜０．６
（２）Ｌｉ１−ｂＮａｂＧａＯ２において、Ｎａ組成比ｂが０．１５〜０．３５
更に、Ｌｉ０．５Ｎａ０．５ＡｌＯ２あるいはＬｉ０．７５Ｎａ０．２５ＧａＯ２であれば、ＺｎＯとほぼ完全に格子整合し、結晶性に優れたＺｎＯとの超格子反射層を形成出来、素子特性が飛躍的に向上する。
【０１６１】
なお、本実施形態６のように、誘電体酸化物であるＬｉＧａＯ２と、ＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層は、トンネル効果によって導電性を有するようになるため、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１とｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４との間に形成してもよい。この場合、上記第１反射層にエッチングストップ層やバッファ層の機能を持たせることも出来、素子作製プロセスが簡便になるので好ましい。
【０１６２】
また、本実施形態６において、上記第１反射層の構成を第２反射層の構成に用いてもよいのは言うまでもない。
【０１６３】
（実施形態７）
本実施形態７は、図４の開口４２０内に形成する反射率２０％の第１反射層４１２の代わりに、ＣａＨｆＯ３とＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層を用いた他は、上記実施形態５と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。
【０１６４】
上記面発光型半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口４２０から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。このとき、上記実施形態５に比べ、発振閾値電流は１５％低減し、素子寿命は１５％向上した。
【０１６５】
図９（ａ）に、上記第１反射層に用いたＣａＨｆＯ３のように、αβＯ３なる組成を有するペロブスカイト酸化物の表面構造を示す。また、図９（ｂ）に、ＺｎＯの表面構造を示す。
【０１６６】
図９（ａ），（ｂ）から判るように、ペロブスカイト構造の（１１１）面は、ＺｎＯ系半導体などのウルツ鉱結晶構造の（０００１）面と類似の表面構造を有するため親和性に優れる。したがって、上記ペロブスカイト酸化物は、ＺｎＯ系半導体上に欠陥の少ない保護膜として形成することが出来る。
【０１６７】
特に、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＳｎＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＣａＨｆＯ３、ＣｄＳｎＯ３、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３およびＹＳｃＯ３のうちの少なくとも１つを含むペロブスカイト酸化物は、六角形の格子形状がＺｎＯ（０００１）面と整合し易くなる。したがって、上記ペロブスカイト酸化物を用いて結晶欠陥や格子歪の極めて少ない高品質な超格子反射層を形成出来る。
【０１６８】
なお、本実施形態７のように、誘電体酸化物であるＣａＨｆＯ３と、ＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層は、トンネル効果によって導電性を有するようになるため、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１とｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４との間に形成してもよい。この場合、上記第１反射層にエッチングストップ層やバッファ層の機能を持たせることも出来、素子作製プロセスが簡便になるので好ましい。
【０１６９】
上記第１反射層は、αβＯ３で表されるペロブスカイトを含む、または、上記ペロブスカイトの構造に類似する構造を持つ類似構造複酸化物を含んでもよいが、α，βの元素は次の要件（Ｉ）〜（ＩＩＩ）のいずれか１つを満たすものがよい。
【０１７０】
（Ｉ）αの元素はＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含むみ、且つ、βの元素はＴａとＮｂとのうちの少なくとも一方を含む。
【０１７１】
（ＩＩ）αの元素はＣｄ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＢｉのうちの少なくとも１つを含み、且つ、βの元素がＴｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎのうちの少なくとも１つを含む。
【０１７２】
（ＩＩＩ）αの元素はＢｉ、希土類元素およびアルカリ土類金属元素のうちの少なくとも１つを含み、且つ、βの元素がＩｎ、Ａｌ、ＧａおよびＳｃのうちの少なくとも１つを含む。
【０１７３】
また、本実施形態７において、上述した第１反射層の構成を第２反射層の構成に用いてもよいのは言うまでもない。
【０１７４】
（実施形態８）
本実施形態８は、図４の開口４２０に形成する反射率２０％の第１反射層４１２の代わりに、ＳｃＡｌＭｇＯ４とＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層を用いた他は、上記実施形態５と同様にして面発光型半導体レーザ素子を作製した。
【０１７５】
上記面発光型半導体レーザ素子に電流を流したところ、開口４２０から波長４００ｎｍの青色発振光が得られた。このとき、上記実施形態５に比べ、発振閾値電流はに比べ２０％低減し、素子寿命は２５％向上した。
【０１７６】
図１０に、本実施形態８の第１反射層に用いた誘電体酸化物ＳｃＡｌＭｇＯ４の結晶構造を示す。
【０１７７】
上記ＳｃＡｌＭｇＯ４のような、γαβＯ４またはγαＯ３（βＯ）ｎなる構造を有する酸化物は、ＺｎＯ系半導体と同じウルツ鉱構造を含み、γの元素がＳｃとＩｎとのうちの少なくと一方を含み、且つ、αの元素がＡｌ、ＦｅおよびＧａのうちの少なくとも１つを含み、且つ、βの元素がＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１つを含むと、ＺｎＯ系半導体に近い面内格子定数を有するので好ましい。
【０１７８】
特に、上記第１反射層は、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＳｃＧａＭｇＯ４、ＳｃＡｌＭｎＯ４、ＳｃＧａＣｏＯ４、ＳｃＡｌＣｏＯ４、ＳｃＧａＺｎＯ４、ＳｃＡｌＺｎＯ４、ＳｃＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎおよびＳｃＡｌＯ３（ＺｎＯ）ｎの少なくとも１つを含むと、ＺｎＯとの格子定数差が極めて小さくなり、結晶欠陥や格子歪の極めて少ない高品質な反射層を形成出来るので好ましい。
【０１７９】
なお、本実施形態８のように、誘電体酸化物であるＳｃＡｌＭｇＯ４が、ＺｎＯとの超格子構造で構成した第１反射層は、トンネル効果によって導電性を有するようになるため、ｎ型ＺｎＯ単結晶基板４０１とｎ型Ｍｇ０．１Ｚｎ０．９Ｏクラッド層４０４との間に形成してもよい。この場合、上記第１反射層にエッチングストップ層やバッファ層の機能を持たせることも出来、素子作製プロセスが簡便になるので好ましい。
【０１８０】
また、本実施形態８において、上述した第１反射層の構成を第２反射層の構成に用いてもよいのは言うまでもない。
【０１８１】
上記実施形態１〜８の構成を適宜組み合せて面発光型半導体レーザ素子を形成していもよい。
【０１８２】
また、上記実施形態１〜８では、基板上に、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型コンタクト層をこの順で形成していたが、基板上に、ｐ型クラッド層、活性層、ｎ型クラッド層およびｎ型コンタクト層をこの順で形成してもよい。
【０１８３】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、ダブルへテロ構造であってもよいし、シングルへテロ構造であってもよい。
【０１８４】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、ＺｎＯ系半導体で構成していもよい。
【０１８５】
また、本発明の酸化物半導体発光素子は、固体あるいは気体原料を用いたＭＢＥ（分子線エピタキシ）法、レーザＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法などの結晶成長手法で作製することが出来る。
【０１８６】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の酸化物半導体発光素子は、酸化物半導体で構成された活性層を有する半導体発光素子において、上記活性層を狭んで上下に平行な一対の反射層を有し、上記活性層から放射された発光を上記反射層間で共振増幅させ、上記反射層の片側から発振光を放射するようにしたので、酸化物半導体の優れた特質を生かし、従来よりも光学特性・信頼性および省電力性に優れた面発光型の酸化物半導体発光素子を簡便に作製することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施形態１の面発光型半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図２】図２は本発明の実施形態２の面発光型半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図３】図３は本発明の実施形態４の面発光型半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図４】図４は本発明の実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の模式断面図である。
【図５】図５は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の製造に使用するレーザＭＢＥ装置の概略構成図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図７】図７（ｅ）〜（ｇ）は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の製造方法を説明するための図である。
【図８】図８（ａ）はＬｉＮａＧａＯ２およびＮａＡｌＧａＯ２の酸化物に対して平均格子定数を求めた結果を示す図であり、図８（ｂ）はＬｉＮａＡｌＯ２およびＬｉＡｌＧａＯ２の酸化物に対して平均格子定数を求めた結果を示す図である。
【図９】図９（ａ）はペロブスカイト酸化物の表面構造を表す図であり、図９（ｂ）はＺｎＯの表面構造を表す図である。
【図１０】図１０は本発明の実施形態８の第１反射層に用いた誘電体酸化物ＳｃＡｌＭｇＯ４の結晶構造を表わす図である。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態１の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１２】図１２（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態１の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１３】図１３（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態２の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１４】図１４（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態２の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１５】図１５（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【図１６】図１６（ａ）〜（ｄ）は上記実施形態５の面発光型半導体レーザ素子の変形例の模式断面図である。
【符号の説明】
１０３，４０５ 量子井戸活性層
１０７ ｎ型オーミック電極
１０８ ｐ型オーミック電極
２０７，４１２ 第１反射層
２０８，４１４ 第２反射層
Claims (23)
- 酸化物半導体から成る活性層と、
上記活性層下に形成され、上記活性層の表面に対して平行な表面を有する第１反射層と、
上記活性層上に形成され、上記活性層の表面に対して平行な表面を有する第２反射層とを備え、
上記活性層から出射された発光を上記第１反射層と上記第２発射層との間で共振増幅させ、上記第１反射層および第２反射層の一方から発振光を出射することを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記活性層と上記第１反射層との間に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記基板または上記層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の側方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成ることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記活性層と上記第１反射層との間に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記活性層の側部の上方または下方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成ることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１反射層下に配置された基板と、
上記第１反射層と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記基板または上記層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の側方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成ることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１反射層下に配置された基板と、
上記第１反射層と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記活性層の側部の上方または下方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成ることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は、屈折率の異なる複数の薄膜を交互に積層して成ることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は金属を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項７に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記金属は、Ａｇ、ＡｌおよびＰｔのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方は誘電体を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項９に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記誘電体は、Ｌｉ１ ― ａＮａａＡｌＯ２、Ｌｉ１ ― ｂＮａｂＧａＯ２、ＬｉＡｌ１ ― ｃＧａｃＯ２およびＮａＡｌ１ ― ｄＧａｄＯ２（０≦ａ，ｂ，ｃ，ｄ≦１）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項９に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記誘電体は、αβＯ３（α，βは単数または複数の原子を表わす）で表されるペロブスカイトを含む、または、上記ペロブスカイトの構造に類似する構造を持つ類似構造複酸化物を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記αの元素がＬｉ、ＮａおよびＫのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＴａとＮｂとのうちの少なくとも一方を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記αの元素がＣｄ、Ｃａ、Ｓｒ、ＢａおよびＢｉのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＴｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＳｎのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記αの元素がＢｉ、希土類元素およびアルカリ土類金属元素のうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＩｎ、Ａｌ、ＧａおよびＳｃのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ペロブスカイトまたは上記類似構造複酸化物は、ＫＮｂＯ３、ＫＴａＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＣａＳｎＯ３、ＣａＺｒＯ３、ＣａＨｆＯ３、ＣｄＳｎＯ３、ＳｒＨｆＯ３、ＳｒＳｎＯ３、ＳｒＴｉＯ３およびＹＳｃＯ３のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項９に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記誘電体は、γαβＯ４またはγαＯ３（βＯ）ｎ（γ，α，βは単数または複数の原子、ｎは１以上の自然数）なる構造を有し、
上記γの元素がＳｃとＩｎとの少なくとも一方を含み、且つ、上記αの元素がＡｌ、ＦｅおよびＧａのうちの少なくとも１つを含み、且つ、上記βの元素がＭｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、ＺｎおよびＣｄのうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１６に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記誘電体は、ＳｃＡｌＭｇＯ４、ＳｃＧａＭｇＯ４、ＳｃＡｌＭｎＯ４、ＳｃＧａＣｏＯ４、ＳｃＡｌＣｏＯ４、ＳｃＧａＺｎＯ４、ＳｃＡｌＺｎＯ４、ＳｃＧａＯ３（ＺｎＯ）ｎおよびＳｃＡｌＯ３（ＺｎＯ）ｎのうちのいずれか１つを含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記第１反射層と上記第２反射層との少なくとも一方はＺｎＯ系半導体を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１８に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記ＺｎＯ系半導体はＭｇｘＺｎ１ ― ｘＯまたはＣｄｙＺｎ１ ― ｙＯ（０≦ｘ，ｙ≦１）を含むことを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記活性層下に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記基板または上記層のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の側方に形成された電流狭窄層とを備え
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成り、
上記第１反射層は上記基板に形成された開口内に配置され、
上記開口は、上記第２導電型コンタクト層において電流が狭窄される部分の直下に位置することを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記活性層下に配置された基板と、
上記基板と上記活性層との間に形成された第１導電型クラッド層と、
上記活性層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型クラッド層と、
上記第２導電型クラッド層と上記第２反射層との間に形成された第２導電型コンタクト層と、
上記活性層の側部の上方または下方に形成された電流狭窄層とを備え、
上記第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層、第２導電型コンタクト層および電流狭窄層はＺｎＯ系半導体から成り、
上記第１反射層は上記基板に形成された開口内に配置され、
上記開口は、上記第２導電型コンタクト層において電流が狭窄される部分の直下に位置することを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項２０または２１に記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板と上記第１導電型クラッド層との間にエッチングストップ層が形成されていることを特徴とする酸化物半導体発光素子。 - 請求項１乃至２２のいずれか１つに記載の酸化物半導体発光素子において、
上記基板がＺｎＯ単結晶基板であることを特徴とする酸化物半導体発光素子。
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