JP2014007293A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】水平方向への発振を抑制することができるＶＣＳＥＬを提供する。
【解決手段】半導体発光素子１は、基板１１、活性層２１、第１のミラー部２４、第２のミラー部２５、絶縁領域２５ａ、電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃ及び発光窓部５１ａ，５１ｂを備える。第２のミラー部２５には、凹部６０，６１，６２が形成されている。絶縁領域２５ａは、プロトン注入で形成される。凹部６０，６１，６２は、半導体積層方向からみて電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃ間であって絶縁領域２５ａと重なる位置に形成される。凹部の底面２５ｄ，２５ｅ，２５ｆと活性層２１との間には、絶縁領域２５ａが介在する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子に関するものである。

従来、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、電流が供給されることによって発光する活性層の上下に半導体の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。

このようなＶＣＳＥＬを二次元にアレイ化したＶＣＳＥＬアレイが知られている（例えば、特許文献１,２参照。）特許文献１,２記載の半導体発光素子は、いわゆるプレーナ型のＶＣＳＥＬをアレイ化したＶＣＳＥＬアレイであって、一方の導電型を有する基板及びミラー層、さらに活性層を、ＶＣＳＥＬアレイを構成している個々のＶＣＳＥＬで分離することなく共通化している。そして、光出力先となる他方の導電型を形成する層に、活性層への電流を狭窄する電流狭窄領域を形成するための絶縁領域が形成され、これにより、個々のＶＣＳＥＬの電流狭窄領域（すなわち活性層の発光領域）が分離されている。絶縁領域は、プロトン等のイオン注入によって形成される。

特開２００９−２１２３５９号公報 特開平９−２０５２４６号公報

ＶＣＳＥＬアレイのメリットの一つは、アレイ化によって発光領域の面積が増大するため、素子の高出力化を図ることができる点にある。しかしながら、特許文献１,２記載のプレーナ型ＶＣＳＥＬアレイの構造を用いて発光面積を増大させた場合には、活性層で発生した光が水平方向の素子端面から出力されるだけでなく水平方向に発振してしまい、結果として垂直方向への光出力が低下するおそれがある。本技術分野では、ＶＣＳＥＬにおいて水平方向への発振を抑制することが望まれている。

本発明の一側面に係る半導体発光素子は、基板、活性層、第１のミラー部、第２のミラー部、絶縁領域、電流狭窄領域及び発光窓部を備える。活性層は、基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域を有する。第１のミラー部は、活性層よりも基板側に配置される。第２のミラー部は、第１のミラー部との間に活性層が介在して配置され、基板側に凹んだ凹部が形成されている。絶縁領域は、プロトンを注入することにより第２のミラー部に形成される。電流狭窄領域は、半導体積層方向からみて絶縁領域に囲まれている。発光窓部は、半導体積層方向からみて電流狭窄領域と重なる位置に、電流狭窄領域に対応して形成される。電流狭窄領域及び発光窓部が、半導体積層方向に直交する方向に沿って複数形成される。凹部は、半導体積層方向からみて電流狭窄領域間であって絶縁領域と重なる位置に形成される。凹部の底面と活性層との間には、絶縁領域が介在する。

この半導体発光素子では、プロトン注入によって第２のミラー部に絶縁領域が形成されるとともに、第２のミラー部において、半導体積層方向からみて電流狭窄領域間であって絶縁領域と重なる位置に凹部が形成されている。凹部は、半導体積層方向からみて電流狭窄領域と重ならない位置に形成されているため、垂直方向の導波路構造に大きな変化はなく、活性層で発生した光の垂直方向の発振には影響を与えない。一方、凹部は、半導体積層方向からみて絶縁領域と重なる位置に形成されているため、水平方向の導波路構造が変化し水平方向への導波を阻害する。よって、水平方向への発振を抑制することができる。

一実施形態では、凹部は、各電流狭窄領域間に形成されてもよい。一実施形態では、凹部は、半導体積層方向からみて電流狭窄領域を環状に囲むように形成されてもよい。このように構成することで、水平方向への発振を確実に抑制することができる。また、発光窓部は、基板に形成されていてもよい。

本発明によれば、ＶＣＳＥＬにおいて水平方向への発振を抑制することができる。

第１実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。 第２実施形態に係る半導体発光素子の断面図である。 実施例及び比較例の構造を説明する概要図である。（Ａ）は実施例１、（Ｂ）は比較例２、（Ｃ）は比較例３である。 実施例１及び比較例１に係る半導体発光素子の出力特性を示すグラフである。 実施例１及び比較例２,３に係る半導体発光素子の出力特性を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、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。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る半導体発光素子は、垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であって複数の出射窓（発光窓部）からレーザを出力するＶＣＳＥＬアレイである。複数の発光窓部を備えるＶＣＳＥＬの構造は、１つの発光窓部を有するＶＣＳＥＬ構造が周期的に繰り返されるものであるため、以下では説明理解の容易性を考慮して、２つの出射窓を備えるＶＣＳＥＬアレイについて詳細を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体発光素子１の構成を示す断面図である。

図１に示すように、半導体発光素子１には、基板１１上に活性層２１を含む積層体が形成されている。半導体発光素子１は、２つの発光窓部５１ａ，５１ｂを有するＶＣＳＥＬアレイである。発光窓部５１ａ，５１ｂは、基板１１の裏面（積層体が積層された主面に対向する主面）に、積層体の半導体積層方向に直交する方向に沿って所定の間隔を空けて形成されている。

基板１１は、半導体基板であり、例えばｎ型のＧａＡｓ基板が用いられる。活性層２１は、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、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等の半導体積層構造で構成された多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）活性層を用いることができる。活性層２１は、２つの発光窓部５１ａ，５１ｂに応じて分断されることなく、発光窓部５１ａ，５１ｂで共通化されている。積層体は、この活性層２１から発せられた光を垂直に共振させる垂直共振器の全て又は一部を構成している。

積層体において、活性層２１の基板１１側には、下部ｎ型ＤＢＲ層（第１のミラー部）２４が形成されている。下部ｎ型ＤＢＲ層２４は、活性層２１から発光された光を反射する機能を備えており、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が用いられる。

また、積層体において、活性層２１の上方に上部ｐ型ＤＢＲ層（第２のミラー部）２５が形成されている。すなわち、上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４との間に活性層２１が配置されるように形成されている。この上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と同様に、活性層２１から発生された光を反射する機能を備えており、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が用いられる。

上部ｐ型ＤＢＲ層２５には、絶縁領域２５ａが形成されている。絶縁領域２５ａは、活性層２１に対する電流を絶縁する絶縁領域であり、例えばプロトン等のイオン注入によって形成される。絶縁領域２５ａは、半導体積層方向からみて発光窓部５１ａ，５１ｂと重ならないように形成されている。これにより、半導体積層方向からみて絶縁領域２５ａに囲まれた電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃが形成される。すなわち、電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃは、その個数及び位置が発光窓部５１ａ，５１ｂの個数及び位置に対応するとともに、半導体積層方向に直交する方向に沿って形成される。電流狭窄領域２５ｂは、半導体積層方向からみて発光窓部５１ａと重なる位置に形成される。同様に、電流狭窄領域２５ｃは、半導体積層方向からみて発光窓部５１ｂと重なる位置に形成される。なお、活性層２１からの発光が窓部に到達するまでの光の拡がりを考慮して、半導体積層方向からみて電流狭窄領域２５ｃ及び発光窓部５１ｂのそれぞれが部分的に重なっていてもよい。

また、上部ｐ型ＤＢＲ層２５には、基板１１側に凹んだ凹部６０，６１，６２が形成されている。凹部６０，６１，６２は、半導体積層方向からみて電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃ間であって絶縁領域２５ａと重なる位置に形成される。すなわち、凹部６０，６１，６２は、電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃの上面には形成されず、絶縁領域２５ａの上方のみに形成されている。凹部６０，６１，６２は、半導体積層方向からみて電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃを環状に囲むように形成されている。

また、凹部６０は、その底面２５ｄと活性層２１との間に絶縁領域２５ａが介在する深さで形成されている。凹部６１は、その底面２５ｅと活性層２１との間に絶縁領域２５ａが介在する深さで形成されている。凹部６２は、その底面２５ｆと活性層２１との間に絶縁領域２５ａが介在する深さで形成されている。すなわち、凹部６０，６１，６２の底面２５ｄ，２５ｅ，２５ｆが絶縁領域２５ａよりも上方に位置している。凹部６０，６１，６２は、例えばエッチングにより形成される。例えば、プレーナ型の半導体発光素子として形成した後でエッチングして凹部６０，６１，６２を形成すればよい。

上部ｐ型ＤＢＲ層２５において、電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃの上方には凹部６０，６１，６２によってメサ台地４０，４１が形成されている。メサ台地４０，４１は、水平断面が円形の円柱状に形成されている。メサ台地４０，４１の上面にはキャップ層５０がそれぞれ設けられている。キャップ層５０は例えばＧａＡｓ等の半導体で形成される。キャップ層５０には、電流を供給する電極部材（不図示）がマウントされる。

基板１１の裏面には、電極部材５１が設けられており、該電極部材５１の一部領域を円形の開口とすることによって発光窓部５１ａ，５１ｂが形成されている。発光窓部５１ａ，５１ｂには、反射防止膜層３０，３１がそれぞれ設けられている。

このように、半導体発光素子１において、下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間に活性層２１が介在するため、活性層２１で発生された光が下部ｎ型ＤＢＲ層２４と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間で共振する垂直共振器Ａ１，Ａ２が形成される。また、上部ｐ型ＤＢＲ層２５は、下部ＤＢＲ層２４に比べて反射率が高く構成され、これにより、基板１１の裏面側に形成された発光窓部５１ａ，５１ｂから共振した光の一部を出射する構成となっている。

また、活性層２１と下部ｎ型ＤＢＲ層２４との間には下部クラッド層２２が形成され、活性層２１と上部ｐ型ＤＢＲ層２５との間には、上部クラッド層２３が形成されている。クラッド層２２,２３は、例えばＡｌＧａＡｓ等を用いて形成される。尚、クラッド層２２,２３は、個々の半導体発光素子において必要に応じて形成すればよい。

次に、本実施形態に係る半導体発光素子１の作用効果を説明する。半導体発光素子１に電流が供給されると、電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃによって電流が絞り込まれて活性層２１に供給される。すなわち、垂直共振器Ａ１，Ａ２に含まれる活性層２１の領域のみに電流が供給され、これにより活性層２１の該領域が発光する。そして、発生した光が垂直共振器Ａ１，Ａ２によって共振され発光窓部５１ａ，５１ｂから光Ｌ１，Ｌ２として出力される。このとき、水平方向の光Ｌ３，Ｌ４は、その導波路が凹部６０，６１，６２によって阻害されているため、発振することはない。従って、垂直方向の発振が支配的となり光Ｌ１，Ｌ２の出力の低減を抑制することができる。

以上、本実施形態に係る半導体発光素子１によれば、プロトン注入によって上部ｐ型ＤＢＲ層２５に絶縁領域２５ａが形成されるとともに、上部ｐ型ＤＢＲ層２５において、半導体積層方向からみて電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃ間であって絶縁領域２５ａと重なる位置に凹部６０，６１，６２が形成されている。凹部６０，６１，６２は、半導体積層方向からみて電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃと重ならない位置に形成されているため、垂直方向の導波路構造、すなわち垂直共振器Ａ１，Ａ２においては構造に大きな変化がない。このため、活性層２１で発生した光の垂直方向の発振には影響を与えない。一方、凹部６０，６１，６２は、半導体積層方向からみて絶縁領域２５ａと重なる位置に形成されており、水平方向に一様な導波路構造に凹部を設けることで変調された導波路構造に変化し、水平方向への導波が阻害されるようになる。このため、水平方向への導波が阻害され、水平方向への発振を抑制することができる。よって、垂直方向への光出力及び電気光変換効率を向上させることが可能となるとともに消費電力の抑制を図ることができる。

また、凹部６０，６１，６２がエッチングで形成される場合には、凹部６０，６１，６２の底面２５ｄ，２５ｅ，２５ｆの表面粗さが上部ｐ型ＤＢＲ層２５の成膜時における表面粗さに比べて大きくなることから、水平方向の導波路構造をより大きく変化させることができる。

なお、酸化狭窄型のＶＣＳＥＬにあっては、電流狭窄層を酸化によって形成する工程にいてメサ台地を形成する必要がある。このため、酸化狭窄型のＶＣＳＥＬアレイにあっては、通常の素子製造工程内に水平方向への導波を阻害する構造を形成することが必然的に含まれている。従って、酸化狭窄型のＶＣＳＥＬアレイにあっては、水平方向への発振は現象として確認することができないため、水平方向の発振という課題を認識すらできない。一方、プレーナ構造を有する半導体発光素子の場合には、プロトン注入によって絶縁領域を形成することから、メサ構造を積極的に形成する必要性がなく、高出力化を図るべくアレイ化した際には水平方向への発振という新たな課題に直面することとなる。本実施形態に係る半導体発光素子１では、凹部６０，６１，６２を形成することで、活性層２１で発生した光が水平方向に発振することを抑制することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る半導体発光素子は、第１実施形態に係る半導体発光素子とほぼ同様に構成されており、ＶＣＳＥＬがアレイ化されているものではなく、単一のＶＣＳＥＬからなる点が相違する。以下では第１実施形態との相違点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

図２は、本実施形態に係る半導体発光素子１の構成を示す断面図である。図２に示すように、半導体発光素子１には、基板１１上に活性層２１を含む積層体が形成されている。半導体発光素子１は、単一の発光窓部５１ａを有するＶＣＳＥＬである。発光窓部５１ａは、基板１１の裏面に形成されており、半導体積層方向からみて略円形である。発光窓部５１ａの外径は１００μｍ以上である。同様に、電流狭窄領域２５ｂ及び垂直共振器Ａ３に含まれる活性層２１の領域も、半導体積層方向からみて略円形であり、その外径は１００μｍ以上である。その他の構造は第１実施形態と同様である。

素子の高出力化を図るために、単一のＶＣＳＥＬの発光窓部５１ａ，電流狭窄領域２５ｂの面積を増大（例えば径１００μｍ以上）した場合には、アレイ化した場合と同様に水平方向へ発振し、高出力の光Ｌ５，Ｌ６が側端面から出力されるおそれがある。このため、単一のＶＣＳＥＬであって発光窓部５１ａの径が１００μｍ以上の場合には、凹部６０，６１を形成することで、活性層２１で発生した光が水平方向に発振することを抑制することができる。従って、垂直方向の発振が支配的となり光Ｌ１の出力の低減を抑制することができる。

以上、第２実施形態に係る半導体発光素子１によれば、第１実施形態に係る半導体発光素子１と同一の効果を奏する。

なお、上述した実施形態は、本発明に係る半導体発光素子の一例を示すものである。本発明に係る半導体発光素子は、実施形態に係る半導体発光素子に限られるものではなく、実施形態に係る半導体発光素子を変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上述した実施形態では、メサ台地４０，４１の形状が円柱状である半導体発光素子１について説明したが、メサ台地４０，４１の水平方向の断面は円形であるものに限られず、矩形であってもよい。

また、上述した実施形態では、ｎ型の基板１１を用いた半導体発光素子１について説明したが、ｐ型の基板を用いて、実施形態のｎ型とｐ型を入れ替えて構成される半導体発光素子に適用した場合であっても、水平方向の発振を抑制することができる。

また、上述した第１実施形態では、凹部６０，６１，６２が各電流狭窄領域２５ｂ，２５ｃ間に形成される例を説明したが、これに限られるものではない。例えば、３以上の発光窓部を有する場合において、各電流狭窄領域に必ず凹部を設ける必要はなく、少なくとも一つの凹部を有する構成とすれば、水平方向の発振の抑制に寄与する。

また、上述した実施形態では、凹部は、半導体積層方向からみて電流狭窄領域を環状に囲むように形成されている例を説明したが、凹部は必ずしも連続的に電流狭窄領域を囲んでいる必要はなく、半導体積層方向からみて凹部が破線を描くように電流狭窄領域を不連続に囲むように形成されていてもよい。

［実施例］
以下、上記効果を説明すべく本発明者が実施した実施例及び比較例について述べる。図３は、実施例及び比較例の構造を説明する概要図である。
（実施例１）
図３の（Ａ）に示すように、第１実施形態に係る半導体発光素子１を作製した。半導体発光素子１は、第１実施形態で例示した材料で作製した。絶縁領域２５ａを上部ｐ型ＤＢＲ層２５の最上層から深さ約４．０μｍの位置に形成した。また、凹部６０，６１，６２を、上部ｐ型ＤＢＲ層２５の最上層から深さ２．５μｍとなるように形成した。
（比較例１）
凹部を形成してない完全なプレーナ型の半導体発光素子とした。その他の構成は、実施例１と同一とした。
（比較例２）
図３の（Ｂ）に示すように、凹部の深さを５．０μｍとした。すなわち、凹部６０，６１，６２の底面２５ｄ，２５ｅ，２５ｆが絶縁領域２５ａよりも下方で活性層２１よりも上方に位置するように形成した。その他の構成は、実施例１と同一とした。
（比較例３）
図３の（Ｃ）に示すように、凹部の深さを８．０μｍとした。すなわち、凹部６０，６１，６２の底面２５ｄ，２５ｅ，２５ｆが活性層２１よりも下方に位置するように形成した。その他の構成は、実施例１と同一とした。

（凹部の有無による出力特性変化）
上記実施例１及び比較例１について、注入電流に対する出力電力を連続発振駆動で測定した。出力電力は垂直方向に出力されたレーザ光を測定した。測定温度は２５℃である。結果を図４に示す。図４は、出力電力の注入電流依存性を示すグラフである。図４に示すように、凹部を有する実施例１は比較例１に比べて高い出力電力を得られることが確認された。すなわち、凹部を形成することにより、水平方向への発振が抑制され、垂直方向への出力電力の低減が抑制されることが確認された。

（凹部の深さごとの出力特性変化）
上記実施例１及び比較例２，３について、注入電流に対する出力電力を連続発振駆動で測定した。出力電力は垂直方向に出力されたレーザ光を測定した。測定温度は２５℃である。結果を図５に示す。図５は、出力電力の注入電流依存性を示すグラフである。図５に示すように、凹部を有する実施例１は比較例２、３に比べて高い出力電力を得られることが確認された。すなわち、凹部の深さ（底面の位置）を、絶縁領域２５ａよりも上方に位置させることにより、高い出力電力を得られることが確認された。

１…半導体発光素子、１１…基板、２１…活性層、２２…下部クラッド層、２３…上部クラッド層、２４…下部ｎ型ＤＢＲ層（第１のミラー部）、２５…上部ｐ型ＤＢＲ層（第２のミラー部）、２５ａ…絶縁領域、２５ｂ，２５ｃ…電流狭窄領域、２５ｄ，２５ｅ，２５ｆ…底面、５１ａ，５１ｂ…発光窓部、６０，６１，６２…凹部。

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に形成され、電流が供給されることによって発光する領域を有する活性層と、
   前記活性層よりも前記基板側に配置される第１のミラー部と、
   前記第１のミラー部との間に前記活性層が介在して配置され、前記基板側に凹んだ凹部が形成された第２のミラー部と、
   プロトンを注入することにより前記第２のミラー部に形成された絶縁領域と、
   半導体積層方向からみて前記絶縁領域に囲まれた電流狭窄領域と、
   半導体積層方向からみて前記電流狭窄領域と重なる位置に、前記電流狭窄領域に対応して形成された発光窓部と、
   を備え、
   前記電流狭窄領域及び前記発光窓部が、半導体積層方向に直交する方向に沿って複数形成され、
   前記凹部は、半導体積層方向からみて前記電流狭窄領域間であって前記絶縁領域と重なる位置に形成され、
   前記凹部の底面と前記活性層との間には、前記絶縁領域が介在する半導体発光素子。
2. 前記凹部は、各電流狭窄領域間に形成される請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記凹部は、半導体積層方向からみて前記電流狭窄領域を環状に囲むように形成される請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
4. 前記発光窓部は、前記基板に形成される請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体発光素子。

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