JP2008147519A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 自然放出光の漏れ光の発生が抑制される半導体発光素子を提供する。
【解決手段】 基板１１と、下部ＤＢＲ層１５と、所定の発光スペクトルで発光する活性層２１と、下部ＤＢＲ層１５とともに所定の共振波長を有する垂直共振器を構成する上部ＤＢＲ層２５とを備え、活性層２１から放出されて垂直共振器で共振された光が、素子上面から外部へと出射されるように発光素子１Ａを構成する。また、上部ＤＢＲ層２５の第２反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端が、下部ＤＢＲ層１５の第１反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端よりも短波長側に位置するとともに、基板１１を含む基板部が、上部ＤＢＲ層２５で反射されて下部ＤＢＲ層１５を通過した光を吸収する光吸収部として機能する構成とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、垂直共振器型のレーザ構造を有する半導体発光素子に関するものである。

半導体レーザ素子や発光ダイオード等の半導体発光素子は、光通信システムをはじめとする様々な分野において広く利用されている。このような半導体発光素子の一例として、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が知られている。ＶＣＳＥＬは、活性層の上下に半導体ミラー層を設けることによって、半導体基板に対して垂直方向に共振器が構成される発光素子である（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２０００−２５２５８２号公報 特開２００４−１６５４３５号公報

上記した面発光レーザでは、例えばＡｌＧａＩｎＰ系の赤色発光素子などのレーザ素子において、その材料的な性質から、温度上昇に伴って活性層の発光スペクトルが長波長側にシフトすることが知られている。この場合、レーザ素子の使用開始時においては、素子は低温動作状態にあるが、時間の経過とともに温度が上昇して高温動作状態となる。このように、レーザ素子の温度状態が変化することにより、それに伴って発光スペクトルなどの動作状態が変化する。

特許文献１には、このような発光スペクトルの長波長側へのシフトに対し、低温動作時の発光のピーク波長を共振波長よりも短波長側に設定する構成が記載されている。しかしながら、このような構成では、活性層からの発光スペクトルのうちで短波長側の自然放出光が、半導体ミラー層の反射スペクトルにおける反射帯域よりも短波長となって外部へと出射されるという問題がある。このような自然放出光の漏れ光は、例えば、レーザ素子の単色性の劣化などの原因となる。

一方、特許文献２には、混晶中のＩｎ組成を増大させて発振波長を長波長化した場合に短波長側のスペクトル成分が広がってしまうという問題に対し、半導体ミラー層の反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端の近傍に発振波長を設定することで短波長成分の発振を抑制することが記載されている。しかしながら、このような構成では、上記した自然放出光の漏れ光の問題がより顕著になる可能性がある。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、温度状態の変化等にかかわらず、自然放出光の漏れ光の発生を抑制することが可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による半導体発光素子は、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に第１の導電型を有して形成され、その反射スペクトルが第１反射スペクトルとなっている下部半導体ミラー層と、（３）下部半導体ミラー層上に形成され、電流が供給されることによって所定の発光スペクトルで発光する活性層と、（４）活性層上に第２の導電型を有して形成され、下部半導体ミラー層とともに所定の共振波長を有する垂直共振器を構成し、その反射スペクトルが第２反射スペクトルとなっている上部半導体ミラー層とを備え、（５）活性層から放出され、垂直共振器で共振された光は、上部半導体ミラー層側の素子上面から外部へと出射されるように構成され、（６）上部半導体ミラー層の第２反射スペクトルは、その反射帯域の短波長側帯域端が、下部半導体ミラー層の第１反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端よりも短波長側に位置するとともに、（７）下部半導体ミラー層に対して活性層とは反対側にある、半導体基板を含む部分である基板部は、上部半導体ミラー層で反射されて下部半導体ミラー層を通過した光を吸収する光吸収部として構成されていることを特徴とする。

上記した半導体発光素子においては、光出射面となる素子上面側に位置する上部半導体ミラー層について、その反射スペクトルにおける反射帯域を、下部半導体ミラー層の反射スペクトルの反射帯域よりも短波長側にシフトさせた構成としている。このような構成では、活性層からの発光スペクトルのうちで短波長側の自然放出光が上部ミラー層で確実に反射されるように構成することができる。これにより、例えば素子の低温動作状態（素子の使用開始時のように室温の状態）においても、短波長側の自然放出光を上部ミラー層で確実に反射して、素子上面側から外部への自然放出光の漏れ光の発生を防止することが可能となる。

また、上記した下部、上部半導体ミラー層の構成においては、下部ミラー層の反射スペクトルの反射帯域が上部ミラー層の反射スペクトルの反射帯域よりも長波長側にシフトしている。このため、特に素子の使用開始時において、発光スペクトルの短波長側の自然放出光が下部ミラー層で反射されずに基板へ向かい、外部への漏れ光の原因となる可能性がある。これに対して、上記した半導体発光素子では、半導体基板を含む部分である基板部を、上部ミラー層で反射されて下部ミラー層を通過した光を吸収する光吸収部として構成している。

ここで、上部ミラー層で反射されて下部ミラー層を通過した光、とは、上部ミラー層の反射スペクトルの反射帯域のうちの短波長側の成分で、下部ミラー層の反射スペクトルの反射帯域から外れている成分に相当する。したがって、上記のような構成とすることにより、活性層からの発光スペクトルの短波長側の自然放出光で下部ミラー層を通過した光成分についても、基板を含む光吸収部で吸収されることとなり、外部に漏れ光として出射されることが防止される。

上記構成において、第１反射スペクトル及び第２反射スペクトルのそれぞれについて、その反射帯域の短波長側帯域端（スペクトル端）は、反射強度Ｉがピーク反射強度Ｉ_０に対してＩ＝Ｉ_０／ｅ^２となる波長によって定義されることが好ましい。

また、第２反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端は、第１反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端よりも３ｎｍ以上、短波長側に位置することが好ましい。このように、上部ミラー層の反射スペクトルの反射帯域の下部ミラー層に対する短波長側へのシフト量を３ｎｍ以上とすることにより、上記した上部ミラー層での自然放出光の漏れ光の発生の防止を確実に実現することができる。

また、活性層の発光スペクトルについては、低温動作時における活性層の発光スペクトルの短波長側スペクトル端は、第１反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端と、第２反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端との間に位置することが好ましい。このような構成によっても、上記した上部ミラー層での自然放出光の漏れ光の発生の防止を確実に実現することができる。

上記構成において、活性層の発光スペクトルの短波長側スペクトル端は、反射スペクトルの場合と同様に、発光強度Ｉがピーク発光強度Ｉ_０に対してＩ＝Ｉ_０／ｅ^２となる波長によって定義されることが好ましい。

また、垂直共振器の共振波長は、第１反射スペクトルの反射帯域の中心波長と、第２反射スペクトルの反射帯域の中心波長との間に位置することが好ましい。この場合、特に、共振波長は、第１反射スペクトルの反射帯域の中心波長と、第２反射スペクトルの反射帯域の中心波長との中心に位置することが好ましく、また、第１反射スペクトルの反射帯域及び第２反射スペクトルの反射帯域の重複部分の中心に位置することが好ましい。

また、垂直共振器の共振波長は、高温動作時における活性層の発光スペクトルのピーク波長と略一致するように設定されていることが好ましい。これにより、レーザ素子の使用開始時から一定の時間が経過した定常的な高温動作状態において、活性層から放出された光を垂直共振器によって好適かつ安定的に発振させることが可能となる。

また、光吸収部として機能する基板部の構成については、光吸収部を構成する半導体基板が、上部半導体ミラー層で反射されて下部半導体ミラー層を通過した光を吸収する半導体材料で形成されている構成を用いることができる。あるいは、光吸収部が、半導体基板と、半導体基板上に上部半導体ミラー層で反射されて下部半導体ミラー層を通過した光を吸収する半導体材料で形成された光吸収層とを有する構成を用いることができる。

本発明の半導体発光素子によれば、上部ミラー層の反射スペクトルの反射帯域を、下部ミラー層よりも短波長側にシフトさせるとともに、半導体基板を含む基板部を、上部ミラー層で反射されて下部ミラー層を通過した光を吸収する光吸収部として構成することにより、自然放出光の外部への漏れ光の発生を防止して、温度状態の変化等にかかわらず、単色性等の素子特性が向上された発光素子を実現することが可能となる。

以下、図面とともに本発明による半導体発光素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による半導体発光素子の一実施形態の構成を示す上面図である。また、図２は、図１に示した半導体発光素子の断面構成を示すＩ−Ｉ矢印側面断面図である。図１及び図２に示した半導体発光素子１Ａは、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり、ベース部１０と、ベース部１０上に設けられたメサ部２０とによって構成されている。本実施形態では、メサ部２０は、図１に示すように水平断面が円形の円柱状に形成されている。

本半導体発光素子１Ａは、図２に示すように、半導体基板１１と、下部ＤＢＲ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）層１５と、活性層２１と、電流狭窄層２２と、上部ＤＢＲ層２５とを有している。これらの各層のうち、ベース部１０は、半導体基板１１と、下部ＤＢＲ層１５の下側部分とを含んで構成されている。また、メサ部２０は、下部ＤＢＲ層１５の上側部分と、活性層２１と、電流狭窄層２２と、上部ＤＢＲ層２５とを含んでいる。ここで、図２においては、ＤＢＲ層１５、２５については、その構成を一部省略して模式的に図示している。

なお、ベース部１０とメサ部２０との区分については、図２に示した構成例に限られるものではなく、例えば、下部ＤＢＲ層１５の全体がベース部１０に含まれる構成、あるいは下部ＤＢＲ層１５の全体がメサ部２０に含まれる構成としても良い。また、以下においては、主に第１の導電型をｎ型、第２の導電型をｐ型として素子の構成を説明するが、一般には、第１の導電型をｐ型、第２の導電型をｎ型として構成することも可能である。

半導体基板１１としては、例えば、ｎ型（第１の導電型）を有するＧａＡｓ基板が用いられる。また、基板１１上に形成された下部ＤＢＲ層１５は、ｎ型を有して形成され、その反射スペクトルが第１反射スペクトルとなっている下部半導体ミラー層である。具体的には、ｎ型の下部ＤＢＲ層１５は、組成が異なる化合物半導体層を交互に積層して構成された半導体多層ミラー層であり、例えば、Ａｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造を用いることができる。

活性層２１は、下部ＤＢＲ層１５上に形成され、電流が供給されることによって所定の発光スペクトルで発光する発光層である。このような活性層２１としては、例えば、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＰの半導体積層構造で構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：ＭｕｌｔｉｐｌｅＱｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）活性層が用いられる。

また、活性層２１上に形成された上部ＤＢＲ層２５は、ｐ型（第２の導電型）を有して形成され、その反射スペクトルが第２反射スペクトルとなっている上部半導体ミラー層である。このｐ型の上部ＤＢＲ層２５としては、ｎ型の下部ＤＢＲ層１５と同様に、Ａｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が交互に積層された半導体多層構造を用いることができる。そして、これらの活性層２１の下部に設けられたＤＢＲ層１５と、上部に設けられたＤＢＲ層２５とによって、本発光素子１Ａにおける垂直共振器が構成されている。また、本実施形態の発光素子１Ａは、活性層２１から放出され、ＤＢＲ層１５、２５によって構成される垂直共振器で共振された光が、上部ＤＢＲ層２５側の素子上面から外部へと出射される上面発光型の構成となっている。

また、図２に示す構成例においては、下部ＤＢＲ層１５と、活性層２１との間に、ｎ型の下部クラッド層３１、及びノンドープ層３３が設けられている。また、活性層２１と、上部ＤＢＲ層２５との間に、ｐ型の上部クラッド層３２、及び電流狭窄層２２が設けられている。これらの電流狭窄層２２、クラッド層３１、３２、及びノンドープ層３３は、個々の発光素子の構造において、必要に応じて設けられる。

ここで、電流狭窄層２２は、活性層２１に対する電流を狭窄する半導体層であり、ＡｌＧａＡｓなどのＡｌを含む化合物半導体から形成される。電流狭窄層２２のうちで外周側の所定領域は、ＡｌＧａＡｓが酸化されることによって高抵抗化された酸化領域２２ａとなっている。そして、この酸化領域２２ａの内周で囲まれた領域は、電流狭窄領域２２ｂとなっている。

上部ＤＢＲ層２５上には、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層２３が設けられている。また、コンタクト層２３の中心部分には、垂直共振器からの光出射用の開口部２３ａが形成されている。また、このコンタクト層２３に対し、コンタクト層２３上から、メサ部２０の側面、及びベース部１０の上面にかけて絶縁層３５が形成されている。この絶縁層３５は、コンタクト層２３の開口部２３ａを含む内側部分が円形状に露出するように形成されている。そして、コンタクト層２３及び絶縁層３５の上部に、ｐ側電極として、コンタクト層２３と電気的に接続されたリング状のコンタクト電極２６と、コンタクト電極２６に電気的に接続されて絶縁層３５上に形成されたアノード電極２７とが設けられている。

また、図１に示した構成例では、このアノード電極２７に対して、さらにボンディング電極部２８が設けられている。このようなボンディング電極部２８は、例えば、メサエッチによって取り除かれたメサ部２０の周りを半導体や樹脂で埋め戻し、その上に電極部を形成する構成を用いることができる。また、このようなボンディング電極部については、不要であれば設けなくても良い。

また、ベース部１０のｎ型ＧａＡｓ基板１１の下部には、基板１１と電気的に接続されたｎ側電極であるカソード電極１６が全面に設けられている。これらの素子下面側の電極１６と、上面側の電極２６、２７との間に所定の電圧が印加されて電流が流れると、活性層２１は、その電流が供給されることによって発光する。また、この発光に含まれる光成分のうちで、ＤＢＲ層１５、２５による垂直共振器での共振波長に対応する光成分は、垂直共振器によって発振し、レーザ光としてコンタクト層２３の開口部２３ａを介して素子上面から外部へと出射される。

図３は、本実施形態の半導体発光素子１Ａの波長特性について示す図である。ここで、図３のグラフ（ａ）、（ｂ）において、横軸は波長λ（ｎｍ）を示し、縦軸は強度Ｉを示している。また、縦軸の強度Ｉについては、反射スペクトルの場合は反射強度を、共振スペクトルの場合は共振強度（発振強度）を、また、発光スペクトルの場合は発光強度を示している。また、それぞれのスペクトルにおいて、強度が最大となるピーク強度をＩ_０とする。

また、以下においては、ＤＢＲ層の反射スペクトルについて、反射強度が高くなっている反射帯域の短波長側帯域端、及び長波長側帯域端を、それぞれスペクトル（帯域）の短波長側、及び長波長側において反射強度Ｉがピーク反射強度Ｉ_０に対してＩ＝Ｉ_０／ｅ^２となる波長によって定義されるものとする。活性層の発光スペクトルについても、同様に、発光強度Ｉがピーク発光強度Ｉ_０に対してＩ＝Ｉ_０／ｅ^２となる波長によってスペクトル端が定義されるものとする。このように各スペクトルにおける帯域端（バンドエッジ）、及びスペクトル端を定義することにより、発光素子１Ａの波長特性を好適に設定、評価することができる。また、ＤＢＲ層の反射スペクトルについては、さらに、反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端（バンドエッジ）と、長波長側帯域端（バンドエッジ）との中心の波長を、その反射帯域の中心波長（バンドセンター）とする。

図３において、グラフ（ａ）は、垂直共振器を構成する下部ＤＢＲ層１５の第１反射スペクトルＲ１、上部ＤＢＲ層２５の第２反射スペクトルＲ２、及び垂直共振器における共振スペクトルＳ０を示すグラフである。また、反射スペクトルＲ１、Ｒ２について、その反射帯域の短波長側帯域端をλ_Ｒ１ａ、λ_Ｒ２ａ、長波長側帯域端をλ_Ｒ１ｂ、λ_Ｒ２ｂ、中心波長をλ_Ｒ１ｃ、λ_Ｒ２ｃとする。また、共振スペクトルＳ０の共振波長をλ_Ｓ０とする。

図１及び図２に示した発光素子１Ａにおいては、図３のグラフ（ａ）に示すように、上部ＤＢＲ層２５の第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ２ａが、下部ＤＢＲ層１５の第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ１ａよりも短波長側に位置するように、ＤＢＲ層１５、２５のそれぞれが構成されている。また、このときの帯域端λ_Ｒ１ａからλ_Ｒ２ａまでの短波長側への波長シフト量Δλについては、好ましくは３ｎｍ以上のシフト量（Δλ≧３ｎｍ）に設定される。

また、これらの第１、第２反射スペクトルＲ１、Ｒ２に対して、垂直共振器の共振波長λ_Ｓ０は、下部、上部ＤＢＲ層１５、２５の両者で反射される波長となる反射スペクトルＲ１、Ｒ２の反射帯域の重複部分内の波長に設定される。すなわち、共振波長λ_Ｓ０は、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ１ａと、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の長波長側帯域端λ_Ｒ２ｂとの間に位置する（λ_Ｒ１ａ＜λ_Ｓ０＜λ_Ｒ２ｂ）ように設定される。

上記構成を有する半導体発光素子１Ａのさらに具体的な構成例について説明する。図３において、グラフ（ｂ）は、グラフ（ａ）に示した反射スペクトルＲ１、Ｒ２、共振スペクトルＳ０に加えて、活性層２１の低温動作時における発光スペクトルＳ１、及び高温動作時における発光スペクトルＳ２を示すグラフである。また、低温動作時における発光スペクトルＳ１について、その短波長側スペクトル端をλ_Ｓ１ａとする。

ここで、発光素子１Ａの動作状態について、低温動作状態は、レーザ素子の使用開始時の状態に相当する。また、高温動作状態は、レーザ素子の使用開始からある程度の時間が経過して温度が上昇した定常動作時の状態に相当する。このグラフ（ｂ）に示すように、活性層２１を含む発光素子１Ａの温度上昇に伴って、活性層２１の発光スペクトルは長波長側にシフトする。

図３のグラフ（ｂ）に示す構成例においては、上記した発光スペクトルの長波長側へのシフトに対し、低温動作時の発光スペクトルＳ１の短波長側スペクトル端λ_Ｓ１ａが、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ１ａと、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ２ａとの間に位置する（λ_Ｒ２ａ＜λ_Ｓ１ａ＜λ_Ｒ１ａ）ように設定されている。このような構成において、発光スペクトルＳ１のうちの短波長側の一部の光成分は、上部ＤＢＲ層２５では反射されるが、下部ＤＢＲ層１５では反射されずに通過することとなる。

また、発光素子１Ａの高温動作時については、長波長側にシフトした高温動作時の発光スペクトルＳ２のピーク波長が、垂直共振器の共振波長λ_Ｓ０と略一致するように設定されている。

このような発光素子１Ａの波長特性に対し、下部ＤＢＲ層１５に対して活性層２１とは反対側にある基板１１は、上部ＤＢＲ層２５で反射されて下部ＤＢＲ層１５を通過した光を吸収する半導体材料（本構成例ではＧａＡｓ）で形成されている。これにより、この基板１１は、上部ＤＢＲ層２５で反射されて下部ＤＢＲ層１５を通過した光を吸収する光吸収部として機能する。

本実施形態による半導体発光素子１Ａの効果について説明する。

図１〜図３に示した半導体発光素子１Ａにおいては、活性層２１に対して基板１１側に下部半導体ミラー層として下部ＤＢＲ層１５を設けるとともに、基板１１とは反対側に上部半導体ミラー層として上部ＤＢＲ層２５を設け、これらのＤＢＲ層１５、２５によって垂直共振器を構成している。そして、光出射面となる素子上面側に位置する上部ＤＢＲ層２５について、その反射スペクトルＲ２の反射帯域を、下部ＤＢＲ層１５の反射スペクトルＲ１の反射帯域よりも短波長側にシフトさせた構成としている。

このような構成では、活性層２１からの発光スペクトルのうちで短波長側の自然放出光が上部ＤＢＲ層２５で確実に反射されるように構成することができる。特に、上記のように温度上昇に伴う活性層２１の発光スペクトルの長波長側へのシフトが問題となる場合、低温動作状態にある発光素子１Ａの使用開始時においては、図３のグラフ（ｂ）に示したように、発光スペクトルＳ１は定常動作時よりも短波長側にある。このとき、素子の使用開始時において、発光の短波長成分がＤＢＲ層で反射されずに素子上面から出射されて、外部への漏れ光となる可能性がある。特に、例えばＡｌＧａＩｎＰ系の赤色発光素子の場合、ＤＢＲ層を構成するＡｌ_０．５０Ｇａ_０．５０ＡｓとＡｌ_０．９０Ｇａ_０．１０Ａｓとの組成差を大きくすることができない。このため、このような発光素子では、ＤＢＲ層での２層の屈折率差が小さくなって反射スペクトルにおける反射帯域が狭くなり、漏れ光の問題がより顕著になる。

これに対して、上記したように光出射面側の上部ＤＢＲ層２５の反射スペクトルＲ２の反射帯域を短波長側にシフトさせる構成とすることにより、そのような短波長側の自然放出光を上部ＤＢＲ層２５で基板１１側へと確実に反射して、素子上面側から外部への自然放出光の漏れ光の発生を防止することが可能となる。これにより、レーザ素子の単色性、発光効率などの素子特性が向上される。また、下部ＤＢＲ層１５の反射スペクトルＲ１の反射帯域が上部ＤＢＲ層２５の反射スペクトルＲ２の反射帯域よりも長波長側にシフトしていることにより、発光スペクトルの短波長成分の発振等を抑制することが可能となる。

また、上記した下部、上部ＤＢＲ層１５、２５の構成では、その反射スペクトルの設定により、特に素子の使用開始時において、発光スペクトルＳ１の短波長側の自然放出光成分が下部ＤＢＲ層１５で反射されずに基板１１へ向かい、外部への漏れ光の原因となる可能性がある。これに対して、上記した半導体発光素子１Ａでは、半導体基板１１を、上部ＤＢＲ層２５で反射されて下部ＤＢＲ層１５を通過した光を吸収する光吸収部として構成している。

ここで、上部ＤＢＲ層２５で反射されて下部ＤＢＲ層１５を通過した光とは、上部ＤＢＲ層２５の反射スペクトルＲ２の反射帯域のうちで短波長側の成分で、下部ＤＢＲ層１５の反射スペクトルＲ１の反射帯域から短波長側に外れている光成分に相当する。したがって、このような構成とすることにより、特に素子の使用開始時において、活性層２１からの発光スペクトルの短波長側の自然放出光で下部ＤＢＲ層１５を通過した光成分についても、光吸収部として機能する半導体基板１１で吸収されることとなり、外部に漏れ光として出射されることが防止される。

また、反射スペクトルの反射帯域の波長シフト量Δλについては、上記したように、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ２ａは、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ１ａよりも３ｎｍ以上短波長側に位置することが好ましい。このように、上部ＤＢＲ層２５の反射スペクトルの反射帯域の下部ＤＢＲ層１５に対する短波長側へのシフト量を３ｎｍ以上とすることにより、上記した上部ＤＢＲ層２５による自然放出光の漏れ光の発生の防止を確実に実現することができる。

また、活性層２１の発光スペクトルについては、低温動作時における活性層の発光スペクトルＳ１の短波長側スペクトル端λ_Ｓ１ａは、図３のグラフ（ｂ）に示したように、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ１ａと、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ２ａとの間に位置することが好ましい。このような構成では、発光スペクトルのスペクトル端λ_Ｓ１ａがλ_Ｒ２ａよりも長波長側にあることにより、自然放出光の短波長成分が上部ＤＢＲ層２５によって確実に反射され、素子上面側への漏れ光の発生が確実に防止される。また、発光スペクトルのスペクトル端λ_Ｓ１ａがλ_Ｒ１ａよりも短波長側にあることにより、低温動作時における発光スペクトルの短波長成分の発振等を確実に抑制することができる。

なお、特許文献２には、上記したように、半導体ミラー層の反射スペクトルに対して、反射帯域の短波長側帯域端の近傍に共振波長を設定する構成が記載されている（図４のグラフ参照）。しかしながら、このような構成では、共振波長が帯域端近傍にあるために、温度変化による共振強度などの動作条件の変動が大きくなるという問題がある。また、図４に示すように、低温動作時の発光スペクトルの短波長成分がＤＢＲ層で反射されずに、外部への漏れ光となる可能性がある。これに対して、上記構成の半導体発光素子１Ａによれば、ＤＢＲ層１５、２５の反射スペクトルＲ１、Ｒ２の反射帯域に対して適切に共振波長λ_Ｓ０を設定することにより、安定的に動作可能な発光素子１Ａを実現することが可能である。

ＤＢＲ層１５、２５による垂直共振器での共振波長λ_Ｓ０については、ＤＢＲ層１５、２５の反射スペクトルＲ１、Ｒ２に対して、共振波長λ_Ｓ０は、図３のグラフ（ａ）に関して上述したように、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ１ａと、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の長波長側帯域端λ_Ｒ２ｂとの間に位置するように設定することが好ましい。

より具体的には、上記の共振波長λ_Ｓ０は、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の中心波長λ_Ｒ１ｃと、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の中心波長λ_Ｒ２ｃとの間に位置することが好ましい。この場合、特に、共振波長λ_Ｓ０は、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の中心波長λ_Ｒ１ｃと、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の中心波長λ_Ｒ２ｃとの中心に位置することが好ましく、また、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域と第２反射スペクトルＲ２の反射帯域との重複部分の中心に位置することが好ましい。このように、垂直共振器での反射スペクトルＲ１、Ｒ２の反射帯域に対して、中心位置またはその近傍に共振波長λ_Ｓ０を設定することにより、上記したように、安定的に動作可能な発光素子１Ａを実現することができる。

また、垂直共振器の共振波長λ_Ｓ０は、図３のグラフ（ｂ）に示したように、高温動作時における活性層２１の発光スペクトルＳ２のピーク波長と略一致するように設定されていることが好ましい。これにより、レーザ素子の使用開始時から一定の時間が経過した定常的な高温動作状態において、活性層２１から放出された光を垂直共振器によって好適かつ安定的に発振させることが可能となる。また、このとき、素子上面側から外部へと出射されるレーザ光の強度を向上することができる。

また、上記構成の半導体発光素子１Ａでは、半導体基板１１を、上部ＤＢＲ層２５で反射されて下部ＤＢＲ層１５を通過した光を吸収する光吸収部として構成している。この光吸収部については、一般には、下部ＤＢＲ層１５に対して活性層２１とは反対側にある、半導体基板１１を含む部分である基板部を、上部ＤＢＲ層２５で反射されて下部ＤＢＲ層１５を通過した光を吸収する光吸収部として構成することが可能である。

図５は、図２に示した半導体発光素子の変形例を示す側面断面図である。この変形例では、図２に示した構成に加えて、半導体基板１１と、下部ＤＢＲ層１５との間に半導体層１７を設けている。また、この半導体層１７は、基板１１上に上部ＤＢＲ層２５で反射されて下部ＤＢＲ層１５を通過した光を吸収する半導体材料で形成された光吸収層となっている。このような構成では、半導体基板１１と光吸収層１７とによって、光吸収部として機能する基板部が構成される。このように、光吸収部については、基板１１、または基板１１を含む基板部によって、上部ＤＢＲ層２５で反射されて下部ＤＢＲ層１５を通過した光が吸収されて、漏れ光の発生が防止される構成となっていれば良い。

図１及び図２に示した実施形態による半導体発光素子１Ａの具体的な構成の一例について説明する。本構成例では、基板１１としてｎ型のＧａＡｓ基板を用いる。また、活性層２１を（Ａｌ_０．３０Ｇａ_{０．２１４}Ｉｎ_{０．４８６}Ｐ／Ｇａ_０．４５Ｉｎ_０．５５Ｐ）の３周期ＭＱＷ活性層とし、下部クラッド層３１をｎ型のＡｌ_０．３５Ｇａ_{０．１６４}Ｉｎ_{０．４８６}Ｐ層、上部クラッド層３２をｐ型のＡｌ_０．３５Ｇａ_{０．１６４}Ｉｎ_{０．４８６}Ｐ層によって構成し、また、ノンドープ層３３をＡｌ_０．３０Ｇａ_{０．２１４}Ｉｎ_{０．４８６}Ｐ層によって構成する。また、酸化狭窄層２２については、Ａｌ_０．９５Ｇａ_０．０５Ａｓによって構成する。また、コンタクト層２３については、ｐ型のＧａＡｓ層によって構成する。

垂直共振器を構成しているＤＢＲ層１５、２５については、下部ＤＢＲ層１５をｎ型の（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ／グレーデッド／Ａｌ_０．９０Ｇａ_０．１０Ａｓ／グレーデッド）の５０周期半導体多層ミラー層によって構成する。また、上部ＤＢＲ層２５をｐ型の（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ／グレーデッド／Ａｌ_０．９０Ｇａ_０．１０Ａｓ／グレーデッド）の３４周期半導体多層ミラー層によって構成する。

また、発光素子１Ａのサイズについては、図１において、図中の横方向の素子幅をｗ１＝２５０μｍとし、縦方向の素子幅をｗ２＝５００μｍとする。また、図２において、ベース部１０の高さを２００μｍ程度、メサ部２０の高さを６μｍ程度、メサ部２０の径をφ３０μｍ程度、光出射用の開口部２３ａの径をφ１０μｍ程度とする。

本構成例による半導体発光素子１Ａの波長特性の一例を図６に示す。ここでは、下部ＤＢＲ層１５の反射スペクトルＲ１の反射帯域について、その短波長側帯域端をλ_Ｒ１ａ＝６５２ｎｍ、長波長側帯域端をλ_Ｒ１ｂ＝７０２ｎｍ、中心波長をλ_Ｒ１ｃ＝６７７ｎｍに設定している。また、上部ＤＢＲ層２５の反射スペクトルＲ２の反射帯域について、その短波長側帯域端をλ_Ｒ２ａ＝６４７ｎｍ、長波長側帯域端をλ_Ｒ２ｂ＝６９７ｎｍ、中心波長をλ_Ｒ２ｃ＝６７２ｎｍに設定している。

このとき、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ２ａ＝６４７ｎｍは、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ１ａ＝６５２ｎｍよりも３ｎｍ以上短波長側となる５ｎｍ短波長側に位置する。なお、このようなＤＢＲ層の反射スペクトルは、ＤＢＲ層を構成する半導体層の組成、膜厚、積層構造等によって設定される。

活性層２１の発光スペクトルについては、低温動作時の発光スペクトルＳ１は、その短波長側スペクトル端がλ_Ｓ１ａ＝６５０ｎｍ、ピーク波長が６６０ｎｍとなっている。このとき、発光スペクトルＳ１の短波長側スペクトル端λ_Ｓ１ａ＝６５０ｎｍは、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ１ａ＝６５２ｎｍと、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の短波長側帯域端λ_Ｒ２ａ＝６４７ｎｍとの間に位置している。また、高温動作時の発光スペクトルＳ２は、そのピーク波長が６７５ｎｍとなっている。

また、ＤＢＲ層１５、２５による垂直共振器での共振波長は、高温動作時の発光スペクトルＳ２のピーク波長と一致するように、λ_Ｓ０＝６７５ｎｍとなっている。このとき、共振波長λ_Ｓ０＝６７５ｎｍは、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の中心波長λ_Ｒ１ｃ＝６７７ｎｍと、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の中心波長λ_Ｒ２ｃ＝６７２ｎｍとの間に位置している。

このような構成において、第１、第２反射スペクトルＲ１、Ｒ２の反射帯域の短波長側帯域端の間（６４７ｎｍ〜６５２ｎｍ）にある発光成分のうち、光出射方向である素子上面の方向に向かった光は、上部ＤＢＲ層２５で反射されて基板１１の方向へと向かう。一方、基板１１の方向に向かった光は、第１反射スペクトルＲ１の反射帯域の短波長側帯域端よりも短波長であるため、下部ＤＢＲ層１５では反射されずに通過して、基板１１に向かう。

ＧａＡｓ基板１１では、ＧａＡｓのバンドギャップに対応する波長８７３ｎｍよりも短波長の光は基板に吸収されるので、上記の短波長の発光成分は光吸収部として機能する基板１１で吸収されて、低温動作時においても外部への漏れ光の発生が防止される。また、例えば、活性層２１に用いられる半導体材料が、８５０ｎｍよりも短波長側で発光する材料であるＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどの場合には、上記のＧａＡｓ基板が光吸収部として有効に機能する。

一方、例えば活性層２１の半導体材料がＩｎ_０．７６Ｇａ_０．２４Ａｓ_０．５５Ｐ_０．４５の場合には、その発光波長が１３００ｎｍ程度である。このため、ＩｎＰ基板、またはＧａＡｓ基板等を基板１１に用いた場合、バンドギャップに対応する波長がそれぞれ９２０ｎｍ、８７３ｎｍ程度であるため、発光成分を基板で吸収することはできない。この場合には、例えば図５に示した構成を用い、光吸収層１７において１５５０ｎｍ程度にバンドギャップに対応する波長を有するＩｎ_０．６５Ｇａ_０．３５Ａｓ_０．７９Ｐ_０．２１を用いることで、そのような発光成分を吸収可能な光吸収部を構成することができる。

半導体発光素子１Ａの波長特性、及びその設計例について、具体的な例を示しつつさらに説明する。なお、以下の説明では、共振波長λ_Ｓ０の温度による変動については、充分に小さいものとして考慮していない。

上記構成の半導体発光素子１Ａにおいて、活性層２１の半導体材料がＡｌＧａＩｎＰの場合には、発光波長変動の温度係数は０．１８ｎｍ／℃程度であるので、０℃〜８５℃での活性層の発光波長変動量は１５ｎｍ程度である。また、発光スペクトルのピーク波長と短波長側スペクトル端との波長差は１０ｎｍ程度である。このとき、８５℃での高温動作時に発光ピーク波長を共振波長λ_Ｓ０＝６７５ｎｍと一致させる場合には、０℃での低温動作時のピーク波長を６６０ｎｍに設定すれば良い（図６参照）。また、この場合、発光スペクトルの短波長側スペクトル端は６５０ｎｍ程度となるので、第２反射スペクトルＲ２の反射帯域の短波長側帯域端については、上記したように第１反射スペクトルよりも３ｎｍ以上短波長に設定すれば良い。

また、活性層２１の半導体材料がＧａＡｓの場合には、発光波長変動の温度係数は０．２５ｎｍ／℃程度であるので、０℃〜８５℃での活性層の発光波長変動量は２１ｎｍ程度である。また、発光のピーク波長と、短波長側スペクトル端との波長差は２０ｎｍ程度である。また、８５０ｎｍ波長帯のＤＢＲ層では、その反射スペクトルの反射帯域の中心波長を８５０ｎｍとした場合、短波長側帯域端は８１５ｎｍ程度である。このとき、８５℃での高温動作時に発光ピーク波長を共振波長と一致させる場合には、０℃での低温動作時のピーク波長を８３０ｎｍに設定すれば良い。また、この場合、発光スペクトルの短波長側スペクトル端は８１０ｎｍ程度となるので、第２反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端については、第１反射スペクトルよりも５ｎｍ以上短波長に設定することが好ましい。

また、活性層２１の半導体材料がＩｎ_０．７６Ｇａ_０．２４Ａｓ_０．５５Ｐ_０．４５の場合には、発光波長変動の温度係数は０．４５ｎｍ／℃程度であるので、０℃〜８５℃での活性層の発光波長変動量は３８ｎｍ程度である。また、発光のピーク波長と、短波長側スペクトル端との波長差は４０ｎｍ程度である。また、１３００ｎｍ波長帯のＤＢＲ層では、その反射スペクトルの反射帯域の中心波長を１３００ｎｍとした場合、短波長側帯域端は１２３０ｎｍ程度である。このとき、８５℃での高温動作時に発光ピーク波長を共振波長と一致させる場合には、０℃での低温動作時のピーク波長を１２６０ｎｍに設定すれば良い。また、この場合、発光スペクトルの短波長側スペクトル端は１２２０ｎｍ程度となるので、第２反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端については、第１反射スペクトルよりも１０ｎｍ以上短波長に設定することが好ましい。

本発明による半導体発光素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば発光素子の具体的な積層構成については、図２及び図５はその例を示すものであり、これ以外にも様々な構成を用いて良い。また、図１においては、メサ部の平面形状を円形状としたが、例えば矩形状など他の形状としても良い。また、発光素子の基板及び各半導体層を構成する半導体材料、及びその組合せについても、上記した構成例に限らず、様々な構成を用いて良い。また、半導体層の導電型については、基板側の第１の導電型をｎ型、光出射面側の第２の導電型をｐ型として素子の構成を説明したが、第１の導電型をｐ型、第２の導電型をｎ型として素子を構成することも可能である。

本発明は、温度状態の変化等にかかわらず、自然放出光の漏れ光の発生を抑制することが可能な半導体発光素子として利用可能である。

半導体発光素子の一実施形態の構成を示す上面図である。 図１に示した半導体発光素子の断面構成を示すＩ−Ｉ矢印断面図である。 半導体発光素子の波長特性について示す図である。 半導体発光素子の波長特性について示す図である。 図２に示した半導体発光素子の変形例を示す断面図である。 図３に示した半導体発光素子の波長特性の具体例について示す図である。

符号の説明

１Ａ…半導体発光素子（ＶＣＳＥＬ）、１０…ベース部、１１…半導体基板、１５…下部ＤＢＲ層、１６…カソード電極、１７…光吸収層、２０…メサ部、２１…活性層、２２…電流狭窄層、２３…コンタクト層、２５…上部ＤＢＲ層、２６…コンタクト電極、２７…アノード電極、２８…ボンディング電極部、３１…下部クラッド層、３２…上部クラッド層、３３…ノンドープ層、３５…絶縁層。

Claims (9)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に第１の導電型を有して形成され、その反射スペクトルが第１反射スペクトルとなっている下部半導体ミラー層と、
   前記下部半導体ミラー層上に形成され、電流が供給されることによって所定の発光スペクトルで発光する活性層と、
   前記活性層上に第２の導電型を有して形成され、前記下部半導体ミラー層とともに所定の共振波長を有する垂直共振器を構成し、その反射スペクトルが第２反射スペクトルとなっている上部半導体ミラー層とを備え、
   前記活性層から放出され、前記垂直共振器で共振された光は、前記上部半導体ミラー層側の素子上面から外部へと出射されるように構成され、
   前記上部半導体ミラー層の前記第２反射スペクトルは、その反射帯域の短波長側帯域端が、前記下部半導体ミラー層の前記第１反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端よりも短波長側に位置するとともに、
   前記下部半導体ミラー層に対して前記活性層とは反対側にある、前記半導体基板を含む部分である基板部は、前記上部半導体ミラー層で反射されて前記下部半導体ミラー層を通過した光を吸収する光吸収部として構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第１反射スペクトル及び前記第２反射スペクトルのそれぞれについて、その反射帯域の短波長側帯域端は、反射強度Ｉがピーク反射強度Ｉ_０に対してＩ＝Ｉ_０／ｅ^２となる波長によって定義されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端は、前記第１反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端よりも３ｎｍ以上短波長側に位置することを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
4. 低温動作時における前記活性層の前記発光スペクトルの短波長側スペクトル端は、前記第１反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端と、前記第２反射スペクトルの反射帯域の短波長側帯域端との間に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体発光素子。
5. 前記活性層の前記発光スペクトルの短波長側スペクトル端は、発光強度Ｉがピーク発光強度Ｉ_０に対してＩ＝Ｉ_０／ｅ^２となる波長によって定義されることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子。
6. 前記垂直共振器の前記共振波長は、前記第１反射スペクトルの反射帯域の中心波長と、前記第２反射スペクトルの反射帯域の中心波長との間に位置することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の半導体発光素子。
7. 前記垂直共振器の前記共振波長は、高温動作時における前記活性層の前記発光スペクトルのピーク波長と略一致するように設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の半導体発光素子。
8. 前記光吸収部を構成する前記半導体基板は、前記上部半導体ミラー層で反射されて前記下部半導体ミラー層を通過した光を吸収する半導体材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の半導体発光素子。
9. 前記光吸収部は、前記半導体基板と、前記半導体基板上に前記上部半導体ミラー層で反射されて前記下部半導体ミラー層を通過した光を吸収する半導体材料で形成された光吸収層とを有して構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の半導体発光素子。

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