JP2020068330A - 発光素子及び発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振モードを形成する層を備える面発光型の発光素子において、経時的な光出力の低下を抑制する。【解決手段】面発光レーザ素子１Ａは、半導体基板３と、活性層１２及びフォトニック結晶層１５Ａを含む半導体積層１０とを備え、半導体基板３の裏面３ｂからレーザ光Ｌを出射する。面発光レーザ素子１Ａは、半導体積層１０の表面１０ａ上に設けられた金属電極膜１６を更に備える。金属電極膜１６は、半導体積層１０に密着してオーミック接触を成す密着層１６１と、密着層１６１上に設けられた高反射層１６２と、高反射層１６２上に設けられ、実装の際にはんだ層と接合される接合層１６４と、高反射層１６２と接合層１６４との間に設けられ、高反射層１６２及び接合層１６４よりもはんだ材料の拡散度合いが低いバリア層１６３とを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子及び発光装置に関するものである。

特許文献１には、フォトニック結晶層を備える面発光型の半導体発光装置に関する技術が記載されている。この半導体発光装置では、複数の半導体発光素子が基板上に並列に配置されている。半導体発光素子は、基板上に配置されたフォトニック結晶層および活性層と、フォトニック結晶層および活性層上に形成された電極とを有する。また、この半導体発光装置は、サブマウントを更に備えている。複数の半導体発光素子の電極とサブマウントとは、はんだを介して電気的に接続されている。

特開２０１０−９３１２７号公報

基板の主面と交差する方向にレーザ光を出射する面発光型の発光素子においては、基板の主面に沿った方向に共振モードを形成する層（例えばフォトニック結晶層）が活性層の近傍に設けられることがある。その場合、共振モードを形成する層から出射された光の一部は、発光素子の一方の面へ向けて進み、該一方の面から発光素子の外部へ出力される。一方、共振モードを形成する層から出射された光の残部は、発光素子の他方の面へ向けて進み、該他方の面上に設けられた金属電極膜において反射したのち一方の面へ向けて進み、該一方の面から発光素子の外部へ出力される。なお、発光素子がいわゆる裏面出射型である場合、上記一方の面（すなわち光出射面）は基板の裏面である。また、発光素子がいわゆる表面出射型である場合、上記一方の面は、共振モードを形成する層を含む半導体積層の表面（基板と反対側の面）である。

上記の構造を備える発光素子において、他方の面上に設けられる金属電極膜は、半導体積層若しくは基板とオーミック接触を成すように構成される。また、この金属電極膜は、はんだを介してヒートシンク等に電気的に接続されることがある。そのために、金属電極膜は、オーミック接触のための下層（接触対象がｐ型ＧａＡｓ系半導体の場合、例えばＴｉ層、Ｃｒ層、若しくはＮｉ層）と、はんだと接触する上層（例えばＡｕ層）との積層構造を有する。なお、下層がＴｉ層である場合、下層と上層との間にＰｔ層が設けられることがある。

しかしながら、本発明者は、上記の構造を備える発光素子を動作させると、経時的に光出力が低下する、或いは通電初期から光出力効率が低いことを実験により見出した。本発明は、共振モードを形成する層を備える面発光型の発光素子において、光出力の低下を抑制することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様による発光素子は、主面及び裏面を有する基板と、主面上に設けられた第１クラッド層、第１クラッド層上に設けられた活性層、活性層上に設けられた第２クラッド層、及び、第１クラッド層と活性層との間または活性層と第２クラッド層との間に設けられた共振モード形成層を含む半導体積層と、を備える。共振モード形成層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なり共振モード形成層の厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含む。当該発光素子は、半導体積層の表面及び基板の裏面のうち一方の面からレーザ光を出射する。当該発光素子は、半導体積層の表面及び基板の裏面のうち他方の面上に設けられた金属電極膜を更に備える。金属電極膜は、半導体積層若しくは基板に密着してオーミック接触を成す第１層と、第１層上に設けられ、第１層とは異なる組成を有し、共振モード形成層からの光を反射する第２層と、第２層上に設けられ実装の際にはんだと接合される第４層と、第２層と第４層との間に設けられ、第２層及び第４層とは異なる組成を有し、第２層及び第４層よりもはんだ材料の拡散度合いが低い第３層と、を含む。

この発光素子においては、活性層から出力された光が、第１クラッド層と第２クラッド層との間に閉じ込められつつ共振モード形成層に達する。共振モード形成層では、基板の主面に沿った方向に共振モードが形成され、複数の異屈折率領域の配置に応じたモードのレーザ光が生成される。レーザ光は、基板の主面と交差する方向に進む。このうち、一方の面に向けて進んだレーザ光は、そのまま一方の面から外部へ出射される。また、他方の面に向けて進んだレーザ光は、金属電極膜において反射したのち一方の面に向けて進み、一方の面から外部へ出射される。

また、本発明者は、前述した経時的な光出力の低下に関し、次のような知見を得た。すなわち、発光素子が動作するとその発熱により発光素子の温度が上昇するが、この温度上昇に伴い、はんだの構成材料は、上層の構成材料と反応しながら下層側に向けて次第に拡散する。このときはんだ材料は不均一に拡散するので、拡散部分が不均一に成長し、上層の表面に凹凸が生じる。このような上層の形状変化が、光反射率の低下および光の散乱を引き起こす。このような現象により、発光素子の光出力が低下してしまう。故に、従来構造の金属電極膜を備える発光素子においては、動作に伴う経時的な光出力の低下が避けられない。

そこで、本発明の一態様による発光素子では、金属電極膜が、第１層ないし第４層を有する。第１層は、半導体積層若しくは基板に密着してオーミック接触を成す。第２層は、第１層上に設けられ、第１層とは異なる組成を有し、共振モード形成層からの光を反射する。第４層は、第２層上に設けられ、実装の際にはんだと接合される。第３層は、第２層と第４層との間に設けられ、第２層及び第４層とは異なる組成を有する。そして、第３層のはんだ材料の拡散度合いは、第２層及び第４層のそれよりも低い。この場合、発光素子の温度上昇に伴い、はんだの構成材料は、第４層の構成材料と反応しながら第２層側に向けて次第に拡散する。しかし、第２層と第４層との間には、はんだ材料の拡散度合いが低い第３層が存在する。従って、はんだ材料はこの第３層においてブロックされ、第２層へは拡散し難い。故に、第２層ははんだ材料の拡散に影響されにくくなり、光反射率の低下を抑制すると共に、凹凸による光散乱を低減することができる。以上のことから、上記の発光素子によれば、動作に伴う経時的な光出力の低下を抑制することができる。

上記の発光素子において、第２層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、及びＣｕのうち少なくとも一つの元素を主に含んでもよい。これにより、第２層の光反射率を高めることができる。

上記の発光素子において、第３層は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、及びＣｒのうち少なくとも一つの元素を主に含んでもよく、あるいはＴｉＮを含んでもよい。これにより、はんだ材料の拡散を効果的にブロックすることができる。

上記の発光素子において、第４層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＡｌのうち少なくとも一つの元素を主に含み、第３層とは異なる材料からなってもよい。これにより、はんだ材料との接触を十分に行い、サブマウント材料との安定した電気的、物理的な接触が可能になる。

上記の発光素子において、第１層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＮｉのうち少なくとも一つの元素を含んでもよい。これにより、ｐ型の半導体層若しくは基板と第１層とのオーミック接触を好適に実現することができる。

本発明の一態様による発光素子は、主面及び裏面を有する基板と、主面上に設けられた第１クラッド層、第１クラッド層上に設けられた活性層、活性層上に設けられた第２クラッド層、及び、第１クラッド層と活性層との間または活性層と第２クラッド層との間に設けられた共振モード形成層を含む半導体積層と、を備える。共振モード形成層は、基本層と、基本層とは屈折率が異なり共振モード形成層の厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含む。当該発光素子は、半導体積層の表面及び基板の裏面のうち一方の面からレーザ光を出射する。当該発光素子は、半導体積層の表面及び基板の裏面のうち他方の面上に設けられ、共振モード形成層からの光を反射する金属電極膜を更に備える。金属電極膜は、半導体積層若しくは基板に密着してオーミック接触を成す第１層、第１層上に設けられ第１層とは異なる組成を有する第２層、第２層上に設けられ実装の際にはんだと接する第４層、及び、第２層と第４層との間に設けられた第３層を含む。第２層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、及びＣｕのうち少なくとも一つの元素を主に含む。第３層は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、及びＣｒのうち少なくとも一つの元素を主に含むか、或いはＴｉＮからなる。第４層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、及びＡｌのうち少なくとも一つの元素を主に含み第３層とは異なる材料からなる。この発光素子によれば、上述した発光素子と同様に、動作に伴う経時的な光出力の低下を抑制することができる。

上記の各発光素子において、第３層は、第１層よりも厚く、第２層及び第４層よりも薄くてもよい。第３層を構成する材料は、第２層及び第４層を構成する材料と比較して成膜に時間を要することがある。また、第３層が或る程度以上に厚くなると、はんだ材料は殆どブロックされてしまい、拡散抑制効果は殆ど増加しなくなる。従って、第３層を第２層及び第４層よりも薄くすることができ、これにより金属電極膜の形成に要する時間を短縮することができる。また、第１層の厚さはオーミック接触を成せば足りるので、第３層と比較して薄くてもよい。

上記の各発光素子において、第１層の厚さは５０ｎｍ以下であり、第２層、第４層、及び第３層の厚さはそれぞれ１０００ｎｍ以下であってもよい。例えばこのような厚さとすることによって、本発明の一態様による金属電極膜の効果を好適に奏することができる。

上記の各発光素子において、共振モード形成層は、複数の異屈折率領域が周期的に配列されたフォトニック結晶層であってもよい。活性層から出力された光は、第１クラッド層と第２クラッド層との間に閉じ込められつつフォトニック結晶層に達する。フォトニック結晶層では、基板の主面に沿った方向に共振モードが形成され、複数の異屈折率領域の配列周期に応じた波長で光が発振し、レーザ光が生成される。レーザ光の一部は、基板の主面に対して垂直な方向に回折し、金属電極膜において反射したのち（若しくは直接に）一方の面に達し、該一方の面から発光素子の外部へ出射する。従って、上述した効果を得ることができる。

上記の各発光素子において、共振モード形成層の前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記複数の異屈折率領域の重心は、前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、前記格子点周りの回転角度が各異屈折率領域毎に個別に設定されてもよい。活性層から出力された光は、第１クラッド層と第２クラッド層との間に閉じ込められつつ共振モード形成層に達する。共振モード形成層では、複数の異屈折率領域の重心が、仮想的な正方格子の格子点周りに各異屈折率領域毎に設定された回転角度を有する。このような発光素子においては、基板の主面に垂直な方向にレーザ光（０次光）が出射する。０次光は、金属電極膜において反射したのち（若しくは直接に）一方の面に達し、該一方の面から発光素子の外部へ出射する。従って、上述した効果を得ることができる。

上記の各発光素子において、前記共振モード形成層の前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記複数の異屈折率領域の重心は、前記仮想的な正方格子の格子点を通り前記正方格子に対して傾斜する直線上に配置されており、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離が各異屈折率領域毎に個別に設定されてもよい。このような発光素子においても、基板の主面に垂直な方向にレーザ光（０次光）が出射する。０次光は、金属電極膜において反射したのち（若しくは直接に）一方の面に達し、該一方の面から発光素子の外部へ出射する。従って、上述した効果を得ることができる。

本発明の一態様による発光装置は、上記いずれかの発光素子と、発光素子を搭載する搭載面を有するサブマウントと、を備える。発光素子の金属電極膜と搭載面とは、はんだを介して互いに接合されている。はんだは、Ｓｎはんだ、Ｉｎはんだ、Ｓｎを含む共晶はんだ、またはＳｎを含む鉛フリーはんだである。この発光装置では、発光素子の温度上昇に伴い、はんだの構成材料が、金属電極膜の内部において次第に拡散する。しかし、この発光装置は上記いずれかの発光素子を備えているので、はんだ材料が第３層においてブロックされ、第２層へは拡散し難い。故に、動作に伴う経時的な光出力の低下を抑制することができる。

本発明の一態様によれば、共振モードを形成する層を備える面発光型の発光素子及び発光装置において、光出力の低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る発光素子として、面発光レーザ素子１Ａの構成を示す斜視図である。 面発光レーザ素子１Ａの断面構造を模式的に示す図である。 面発光レーザ素子１Ａの断面構造を模式的に示す図である。 フォトニック結晶層１５Ａの平面図である。 フォトニック結晶層の特定領域内にのみ異屈折率領域１５ｂを配置した例を示す平面図である。 異屈折率領域１５ｂの平面形状の例を示す図である。 異屈折率領域１５ｂの平面形状の例を示す図である。 ＸＹ平面内の異屈折率領域の形状の別の例を示す平面図である。 金属電極膜１６の層構造を模式的に示す図である。 面発光レーザ素子１Ａの実装の例として、発光装置２Ａの断面構造を模式的に示す図である。 バリア層の変形例を模式的に示す図である。 比較例の面発光レーザ素子に対して長時間の通電試験を行い、金属電極膜における光反射状態の経時的な変化を光出射面（基板の裏面）側から観察した結果を示す写真である。 （ａ）半導体積層１０上にＣｒからなる下層３１とＡｕからなる上層３２とを積層し、はんだ層２２を介してサブマウント２１と上層３２とを接合した様子を模式的に示す図である。（ｂ）上層３２とはんだ層２２との界面を拡大して示す図である。 一実施形態による効果を検証した結果を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）一実施形態の面発光レーザ素子１Ａに対して長時間の通電試験を行い、金属電極膜１６における光反射状態の経時的な変化を光出射面（半導体基板３の裏面３ｂ）側から観察した結果を示す写真である。 Ｓ−ｉＰＭレーザが備える位相変調層１５Ｂの平面図である。 位相変調層１５Ｂの一部を拡大して示す図である。 位相変調層の特定領域内にのみ図１６の屈折率構造を適用した例を示す平面図である。 Ｓ−ｉＰＭレーザが備える位相変調層１５Ｃの平面図である。 位相変調層１５Ｃにおける異屈折率領域１５ｂの位置関係を示す図である。 第３変形例による発光装置２Ｂの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による発光素子及び発光装置の実施の形態を詳細に説明する。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。

図１は、本発明の一実施形態に係る発光素子として、面発光レーザ素子１Ａの構成を示す斜視図である。また、図２は、面発光レーザ素子１Ａの断面構造を模式的に示す図である。なお、面発光レーザ素子１Ａの中心を通り面発光レーザ素子１Ａの厚さ方向に延びる軸をＺ軸とするＸＹＺ直交座標系を定義する。面発光レーザ素子１Ａは、ＸＹ面内方向において定在波を形成し、レーザ光Ｌを半導体基板３の主面に対して垂直な方向（Ｚ方向）に出力する。

面発光レーザ素子１Ａは、フォトニック結晶面発光レーザ（PhotonicCrystal Surface Emitting LASER：ＰＣＳＥＬ）である。面発光レーザ素子１Ａは、半導体基板３と、半導体基板３の主面３ａ上に設けられた半導体積層１０とを備えている。半導体積層１０は、主面３ａ上に設けられたクラッド層１１（第１クラッド層）と、クラッド層１１上に設けられた活性層１２と、活性層１２上に設けられたクラッド層１３（第２クラッド層）と、クラッド層１３上に設けられたコンタクト層１４とを有する。更に、半導体積層１０は、フォトニック結晶層１５Ａを有する。レーザ光Ｌは、半導体基板３の裏面３ｂから出力される。

クラッド層１１及びクラッド層１３のエネルギーバンドギャップは、活性層１２のエネルギーバンドギャップよりも広い。半導体基板３、クラッド層１１及び１３、活性層１２、コンタクト層１４、フォトニック結晶層１５Ａの厚さ方向は、Ｚ軸方向と一致する。

必要に応じて、半導体積層１０は、クラッド層１１と活性層１２との間、及び活性層１２とクラッド層１３との間のうち少なくとも一方に、光分布を調整するための光ガイド層を有してもよい。光ガイド層は、キャリアを活性層１２に効率的に閉じ込めるためのキャリア障壁層を含んでもよい。

また、図１及び図２に示された例において、フォトニック結晶層１５Ａは活性層１２とクラッド層１３との間に設けられているが、図３に示されるように、フォトニック結晶層１５Ａはクラッド層１１と活性層１２との間に設けられてもよい。さらに、光ガイド層が活性層１２とクラッド層１１との間に設けられる場合、フォトニック結晶層１５Ａは、クラッド層１１と光ガイド層との間に設けられる。

フォトニック結晶層（回折格子層）１５Ａは、本実施形態における共振モード形成層である。フォトニック結晶層１５Ａは、基本層１５ａと、複数の異屈折率領域１５ｂとを含んで構成されている。基本層１５ａは、第１屈折率媒質からなる半導体層である。複数の異屈折率領域１５ｂは、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなり、基本層１５ａ内に存在する。複数の異屈折率領域１５ｂは、フォトニック結晶層１５Ａの厚さ方向に垂直な面内（ＸＹ面内）において二次元状且つ周期的に配列されている。等価屈折率をｎとした場合、フォトニック結晶層１５Ａが選択する波長λ_０（＝ａ×ｎ、ａは格子間隔）は、活性層１２の発光波長範囲内に含まれている。フォトニック結晶層１５Ａは、活性層１２の発光波長のうちの波長λ_０を選択して、外部に出力することができる。本実施形態において、活性層１２から得られる自然発光波長は９６０ｎｍ〜９９０ｎｍの範囲内であり、フォトニック結晶の周期や形状を調整することで、自然発生波長の範囲内で任意の波長λ_０を選択することが可能であり、波長λ_０は例えば９８０ｎｍである。

図４は、フォトニック結晶層１５Ａの平面図である。ここで、フォトニック結晶層１５Ａに、ＸＹ面内における仮想的な正方格子を設定する。正方格子の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行であるものとする。このとき、正方格子の格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒが、Ｘ軸に沿った複数列及びＹ軸に沿った複数行にわたって二次元状に設定され得る。複数の異屈折率領域１５ｂは、各単位構成領域Ｒ内に１つまたは２つ以上の決まった数ずつ設けられる。異屈折率領域１５ｂの平面形状は、例えば円形状である。各単位構成領域Ｒ内において、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇは、各格子点Ｏと重なって（一致して）いる。なお、複数の異屈折率領域１５ｂの周期構造はこれに限られず、例えば正方格子に代えて三角格子を設定してもよい。

図５は、フォトニック結晶層１５Ａの特定領域内にのみ異屈折率領域１５ｂを配置した例を示す平面図である。図５に示す例では、正方形の内側領域ＲＩＮの内部に、異屈折率領域１５ｂの周期構造が形成されている。一方、内側領域ＲＩＮを囲む外側領域ＲＯＵＴにも異屈折率領域１５ｂの周期構造が形成されており、金属電極膜１６は内側領域ＲＩＮの上に形成され、したがって電流は内側領域ＲＩＮを中心に流れる。この構造の場合、面内方向への光漏れを抑制することができ、閾値電流の低減が期待できる。

また、図４にはＸＹ平面内における異屈折率領域１５ｂの形状が円形である例が示されているが、異屈折率領域１５ｂは円形以外の形状を有してもよい。例えば、ＸＹ平面内における異屈折率領域１５ｂの形状は、鏡像対称性（線対称性）を有してもよい。ここで、鏡像対称性（線対称性）とは、ＸＹ平面に沿った或る直線を挟んで、該直線の一方側に位置する異屈折率領域１５ｂの平面形状と、該直線の他方側に位置する異屈折率領域１５ｂの平面形状とが、互いに鏡像対称（線対称）となり得ることをいう。鏡像対称性（線対称性）を有する形状としては、例えば図６に示すように、（ａ）真円、（ｂ）正方形、（ｃ）正六角形、（ｄ）正八角形、（ｅ）正１６角形、（ｆ）長方形、（ｇ）楕円、などが挙げられる。

また、ＸＹ平面内における異屈折率領域１５ｂの形状は、１８０°の回転対称性を有さない形状であってもよい。このような形状としては、例えば図７に示すように、（ａ）正三角形、（ｂ）直角二等辺三角形、（ｃ）２つの円又は楕円の一部分が重なる形状、（ｄ）楕円の長軸に沿った一方の端部近傍の短軸方向の寸法が他方の端部近傍の短軸方向の寸法よりも小さくなるように変形した形状（卵形）、（ｅ）楕円の長軸に沿った一方の端部を長軸方向に沿って突き出る尖った端部に変形した形状（涙形）、（ｆ）二等辺三角形、（ｇ）矩形の一辺が三角形状に凹みその対向する一辺が三角形状に尖った形状（矢印形）、（ｈ）台形、（ｉ）五角形、（ｊ）２つの矩形の一部分同士が重なる形状、（ｋ）２つの矩形の一部分同士が重なり且つ鏡像対称性を有さない形状、等が挙げられる。このように、ＸＹ平面内における異屈折率領域１５ｂの形状が１８０°の回転対称性を有さないことにより、更に高い光出力を得ることができる。

図８は、ＸＹ平面内の異屈折率領域の形状の別の例を示す平面図である。この例では、複数の異屈折率領域１５ｂとは別の複数の異屈折率領域１５ｃが更に設けられる。各異屈折率領域１５ｃは、基本層１５ａの第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる。異屈折率領域１５ｃは、異屈折率領域１５ｂと同様に、空孔であってもよく、空孔に化合物半導体が埋め込まれて構成されてもよい。異屈折率領域１５ｃは、異屈折率領域１５ｂにそれぞれ一対一で対応して設けられる。そして、異屈折率領域１５ｂおよび１５ｃを合わせた重心Ｇは、仮想的な正方格子を構成する単位構成領域Ｒの格子点Ｏ上に位置している。なお、いずれの異屈折率領域１５ｂ，１５ｃも仮想的な正方格子を構成する単位構成領域Ｒの範囲内に含まれる。単位構成領域Ｒは、仮想的な正方格子の格子点間を２等分する直線で囲まれる領域となる。

異屈折率領域１５ｃの平面形状は例えば円形であるが、異屈折率領域１５ｂと同様に、様々な形状を有し得る。図８（ａ）〜図８（ｋ）には、異屈折率領域１５ｂ，１５ｃのＸＹ平面内における形状および相対関係の例が示されている。図８（ａ）および図８（ｂ）は、異屈折率領域１５ｂ，１５ｃが同じ形状の図形を有する形態を示す。図８（ｃ）および図８（ｄ）は、異屈折率領域１５ｂ，１５ｃが同じ形状の図形を有し、互いの一部分同士が重なる形態を示す。図８（ｅ）は、異屈折率領域１５ｂ，１５ｃが同じ形状の図形を有し、異屈折率領域１５ｂ，１５ｃが互いに回転した形態を示す。図８（ｆ）は、異屈折率領域１５ｂ，１５ｃが互いに異なる形状の図形を有する形態を示す。図８（ｇ）は、異屈折率領域１５ｂ，１５ｃが互いに異なる形状の図形を有し、異屈折率領域１５ｂ，１５ｃが互いに回転した形態を示す。

また、図８（ｈ）〜図８（ｋ）に示されるように、異屈折率領域１５ｂは、互いに離間した２つの領域１５ｂ１，１５ｂ２を含んで構成されてもよい。そして、領域１５ｂ１，１５ｂ２を合わせた重心（単一の異屈折率領域１５ｂの重心に相当）と、異屈折率領域１５ｃの重心との距離が単位構成領域Ｒ内で任意に設定されてもよい。また、この場合、図８（ｈ）に示されるように、領域１５ｂ１，１５ｂ２および異屈折率領域１５ｃは、互いに同じ形状の図形を有してもよい。または、図８（ｉ）に示されたように、領域１５ｂ１，１５ｂ２および異屈折率領域１５ｃのうち２つの図形が他と異なっていてもよい。また、図８（ｊ）に示されるように、領域１５ｂ１，１５ｂ２を結ぶ直線のＸ軸に対する角度に加えて、異屈折率領域１５ｃのＸ軸に対する角度が単位構成領域Ｒ内で任意に設定されてもよい。また、図８（ｋ）に示されるように、領域１５ｂ１，１５ｂ２および異屈折率領域１５ｃが互いに同じ相対角度を維持したまま、領域１５ｂ１，１５ｂ２を結ぶ直線のＸ軸に対する角度が単位構成領域Ｒ内で任意に設定されてもよい。

なお、異屈折率領域１５ｂは、各単位構成領域Ｒ毎に複数個ずつ設けられてもよい。ここで、単位構成領域Ｒとは、ある単位構成領域Ｒの格子点Ｏに対して、周期的に配列した他の単位構成領域の格子点Ｏ’との垂直二等分線で囲まれる領域の中で、最小面積の領域を指し、固体物理学におけるウィグナーザイツセルに対応する。その場合、一つの単位構成領域Ｒに含まれる複数個の異屈折率領域１５ｂが互いに同じ形状の図形を有し、互いの重心が離間してもよい。また、異屈折率領域１５ｂのＸＹ平面内の形状は、各単位構成領域Ｒ間で同一であり、並進操作、又は並進操作及び回転操作により、各単位構成領域Ｒ間で互いに重ね合わせることが可能であってもよい。その場合、フォトニックバンド構造の揺らぎが少なくなり、線幅の狭いスペクトルを得ることができる。或いは、異屈折率領域のＸＹ平面内の形状は各単位構成領域Ｒ間で必ずしも同一でなくともよく、隣り合う単位構成領域Ｒ間で形状が互いに異なっていてもよい。

再び図１及び図２を参照する。面発光レーザ素子１Ａは、コンタクト層１４上に設けられた金属電極膜１６と、半導体基板３の裏面３ｂ上に設けられた金属電極膜１７とを更に備えている。金属電極膜１６はコンタクト層１４とオーミック接触を成しており、金属電極膜１７は半導体基板３とオーミック接触を成している。金属電極膜１７は、レーザ光Ｌの出力領域を囲む枠状（環状）といった平面形状を呈しており、開口１７ａを有する。なお、金属電極膜１７の平面形状は、矩形枠状、円環状といった様々な形状であることができる。半導体基板３の裏面３ｂのうち金属電極膜１７以外の部分（開口１７ａ内を含む）は、反射防止膜１９によって覆われている。開口１７ａ以外の領域にある反射防止膜１９は取り除かれてもよい。金属電極膜１６は、コンタクト層１４の中央領域、すなわちＺ方向から見て開口１７ａと重なる領域に設けられている。コンタクト層１４上における金属電極膜１６以外の部分は、保護膜１８によって覆われている。なお、金属電極膜１６と接触していないコンタクト層１４は、取り除かれてもよい。

金属電極膜１６と金属電極膜１７との間に駆動電流が供給されると、活性層１２内において電子と正孔の再結合が生じ、活性層１２が発光する。この発光に寄与する電子及び正孔、並びに発生した光は、クラッド層１１及びクラッド層１３の間に効率的に分布する。活性層１２から出力された光は、クラッド層１１とクラッド層１３との間に分布するのでフォトニック結晶層１５Ａの内部に入り、フォトニック結晶層１５Ａの内部の格子構造に応じて、半導体基板３の主面３ａに沿った方向に共振モードを形成する。そして、複数の異屈折率領域１５ｂの配列周期に応じた波長で光が発振し、レーザ光が生成される。フォトニック結晶層１５Ａから出射したレーザ光の一部Ｌ１は、半導体基板３の主面３ａに対して垂直な方向に進み、直接に、裏面３ｂから開口１７ａを通って面発光レーザ素子１Ａの外部へ出力される。また、フォトニック結晶層１５Ａから出射したレーザ光の残部Ｌ２は、金属電極膜１６において反射したのち、裏面３ｂから開口１７ａを通って面発光レーザ素子１Ａの外部へ出力される。

或る例では、半導体基板３はＧａＡｓ基板であり、クラッド層１１、活性層１２、フォトニック結晶層１５Ａ、クラッド層１３、及びコンタクト層１４は、ＧａＡｓ系半導体からなる。一実施例では、クラッド層１１はＡｌＧａＡｓ層であり、活性層１２は多重量子井戸構造（障壁層：ＡｌＧａＡｓ／量子井戸層：ＩｎＧａＡｓ、井戸層の層数は例えば３つ）を有し、フォトニック結晶層１５Ａの基本層１５ａはＡｌＧａＡｓ層若しくはＧａＡｓ層であり、異屈折率領域１５ｂは空孔であり、クラッド層１３はＡｌＧａＡｓ層であり、コンタクト層１４はＧａＡｓ層である。この場合、半導体基板３の厚さは例えば１５０μｍであり、クラッド層１１の厚さは例えば２０００ｎｍであり、活性層１２の厚さは例えば１４０ｎｍであり、フォトニック結晶層１５Ａの厚さは例えば３００ｎｍであり、クラッド層１３の厚さは例えば２０００ｎｍであり、コンタクト層１４の厚さは例えば２００ｎｍである。発光波長を９８０ｎｍと想定すると、クラッド層１１の屈折率は例えば３．１１程度であり、活性層１２の屈折率は例えば３．４９程度であり、クラッド層１３の屈折率は例えば３．２７程度であり、コンタクト層１４の屈折率は例えば３．５２程度である。

クラッド層１１には半導体基板３と同じ導電型が付与され、クラッド層１３及びコンタクト層１４には半導体基板３とは逆の導電型が付与される。一例では、半導体基板３及びクラッド層１１はｎ型であり、クラッド層１３及びコンタクト層１４はｐ型である。フォトニック結晶層１５Ａは、活性層１２とクラッド層１１との間に設けられる場合には半導体基板３と同じ導電型を有し、活性層１２とクラッド層１３との間に設けられる場合には半導体基板３とは逆の導電型を有する。なお、不純物濃度は例えば１×１０¹⁶〜１×１０²¹／ｃｍ³である。いずれの不純物も意図的に添加されていない真性（ｉ型）では、その不純物濃度は１×１０¹⁶／ｃｍ³以下である。活性層１２は真性（ｉ型）に限らず、ドーピングされてもよい。なお、フォトニック結晶層１５Ａの不純物濃度については、不純物準位を介した光吸収による損失の影響を抑制する必要がある場合等には、真性（ｉ型）としてもよい。

なお、上述の構造では、異屈折率領域１５ｂが空孔となっているが、異屈折率領域１５ｂは、基本層１５ａとは屈折率が異なる半導体が空孔内に埋め込まれて形成されてもよい。その場合、例えば基本層１５ａの空孔をエッチングにより形成し、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、スパッタ法又はエピタキシャル法を用いて半導体を空孔内に埋め込んでもよい。例えば、基本層１５ａがＧａＡｓからなる場合、異屈折率領域１５ｂはＡｌＧａＡｓからなってもよい。また、基本層１５ａの空孔内に半導体を埋め込んで異屈折率領域１５ｂを形成した後、更に、その上に異屈折率領域１５ｂと同一の半導体を堆積してもよい。なお、異屈折率領域１５ｂが空孔である場合、該空孔にアルゴン、窒素といった不活性ガス、又は水素や空気等の気体が封入されてもよい。

反射防止膜１９は、例えば、シリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ₂）などの誘電体単層膜、或いは誘電体多層膜からなる。誘電体多層膜としては、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、一酸化シリコン（ＳｉＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）などの誘電体層群から選択される２種類以上の誘電体層を積層した膜を用いることができる。例えば、単層誘電体膜の場合、波長λの光に対する光学膜厚で、λ／４の厚さの膜を積層する。また、保護膜１８は、例えばシリコン窒化物（例えばＳｉＮ）、シリコン酸化物（例えばＳｉＯ₂）などの絶縁膜である。

金属電極膜１７の材料は、半導体基板３の構成材料に応じて適宜選択される。半導体基板３がｎ型ＧａＡｓ基板である場合、金属電極膜１７は、例えばＡｕとＧｅとの混合物を含んでもよい。一例では、金属電極膜１７はＡｕＧｅ単層、またはＡｕＧｅ層およびＡｕ層の積層構造を有する。但し、金属電極膜１７の材料は、オーミック接合が実現できればよく、これに限定されない。

ここで、金属電極膜１６の構造について詳細に説明する。図９は、金属電極膜１６の層構造を模式的に示す図である。図９に示されるように、金属電極膜１６は、密着層１６１（第１層）、高反射層１６２（第２層）、バリア層１６３（第３層）、及び接合層１６４（第４層）を含んで構成されている。これらの層１６１〜１６４は、半導体基板３の厚さ方向（すなわちＺ方向）に積層されている。

密着層１６１は、半導体積層１０の表面１０ａ（本実施形態ではコンタクト層１４の表面）に密着してオーミック接触を成す層である。密着層１６１は、半導体や保護膜１８との密着性が良好な材料、例えばＴｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＮｉのうち少なくとも一つの元素を含む材料からなる。これにより、ｐ型のコンタクト層１４と密着層１６１とのオーミック接触を好適に実現することができる。一例では、密着層１６１は、Ｔｉ層、Ｃｒ層、Ｍｏ層、Ｎｉ層、またはＴｉ合金層（例えばＴｉＷ層またはＴｉＭｏ層）である。密着層１６１の厚さは例えば１ｎｍ以上であり、また例えば５０ｎｍ以下である。密着層１６１の厚さが１ｎｍ以上であることにより、半導体積層１０との良好なオーミック接触を実現できる。また、密着層１６１の厚さが５０ｎｍ以下であることにより、密着層１６１による金属電極膜１６の光反射特性の劣化を抑制できる。

高反射層１６２は、フォトニック結晶層１５Ａからのレーザ光Ｌを、半導体基板３の裏面３ｂに向けて反射する層である。高反射層１６２は、密着層１６１とは異なる組成を有し、密着層１６１上に設けられ、一例では密着層１６１と接する。なお、２つの層が互いに異なる組成を有するとは、一方の層に組成として含まれる元素の一部が、他方の層に組成として含まれていないことをいう。或る元素を組成として含まない場合であっても、その元素が隣接層からの相互拡散等により含まれることがある。高反射層１６２は、フォトニック結晶層１５Ａから出力されるレーザ光の波長において高い反射率（少なくともバリア層１６３よりも高い反射率）を有する材料、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、及びＣｕのうち少なくとも一つの元素を主に含む材料からなる。これにより、高反射層１６２の光反射率を高めることができる。一例では、高反射層１６２は、Ａｕ層、Ａｇ層、Ａｌ層、またはＣｕ層である。高反射層１６２の厚さは例えば１０ｎｍ以上であり、また例えば１０００ｎｍ以下である。高反射層１６２の厚さが１０ｎｍ以上であることにより、フォトニック結晶層１５Ａからのレーザ光Ｌを好適に反射することができる。また、高反射層１６２の厚さが１０００ｎｍ以下であることにより、良好な光反射特性と堆積時間の短縮とを両立できる。

接合層１６４は、面発光レーザ素子１Ａの実装の際にはんだと接合される層である。ここで、図１０は、面発光レーザ素子１Ａの実装の例として、発光装置２Ａの断面構造を模式的に示す図である。発光装置２Ａは、面発光レーザ素子１Ａに加えて、導電性のサブマウント２１を備えている。サブマウント２１は、例えば直方体状の外観を有し、面発光レーザ素子１Ａに電流を供給すると共に面発光レーザ素子１Ａにおいて発生した熱を放出するヒートシンクとして機能する。一例では、サブマウント２１はＳｉＣからなる。サブマウント２１は、面発光レーザ素子１Ａを搭載する平坦な搭載面２１ａを有する。面発光レーザ素子１Ａは、半導体基板３の主面３ａが搭載面２１ａと対向するように搭載面２１ａ上に配置される。そして、金属電極膜１６と搭載面２１ａとが、はんだ層２２を介して互いに導電接合される。このとき、はんだ層２２は、金属電極膜１６の接合層１６４と接する。また、はんだ層２２は、保護膜１８と接していてもよい。一例では、はんだ層２２は、Ｓｎ単材料からなるＳｎはんだ、Ｉｎ単材料からなるＩｎはんだ、Ｓｎを含む共晶はんだ（例えばＡｕＳｎ系若しくはＰｂＳｎ系）、またはＳｎを含む鉛フリーはんだ（例えばＳｎＡｇＣｕ系、ＳｎＣｕ系、ＳｎＺｎＢｉ系、ＳｎＡｇＩｎＢｉ系、若しくはＳｎＺｎＡｌ系）からなる。

発光装置２Ａを作製する際には、はんだ層２２のためのはんだ材料を、蒸着法などを用いてサブマウント２１の搭載面２１ａ上若しくは面発光レーザ素子１Ａ上（金属電極膜１６上及び保護膜１８上）に堆積する。そして、搭載面２１ａ上に面発光レーザ素子１Ａを配置し、昇温することによりはんだ材料を溶融させ、その後冷却する。これにより、搭載面２１ａと金属電極膜１６及び保護膜１８とがはんだ層２２を介して互いに接合する。

接合層１６４は、高反射層１６２と同一又は異なる組成を有し、高反射層１６２上に設けられる。接合層１６４は、酸化しにくく、はんだ材料に対する濡れ性が高い材料、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＡｌのうち少なくとも一つの元素を主に含む材料からなる。これにより、はんだ材料との接触を十分に行い、サブマウント２１の構成材料との電気的、物理的接触を得ることができる。一例では、接合層１６４は、Ａｕ層、Ａｇ層、Ｐｔ層、Ｃｕ層、Ｐｄ層、Ｎｉ層、またはＡｌ層であり、バリア層１６３とは異なる材料からなる。接合層１６４の厚さは例えば１０ｎｍ以上であり、また例えば１０００ｎｍ以下である。接合層１６４の厚さが１０ｎｍ以上であることにより、はんだ層２２と十分に反応（共晶化）し、良好な接合強度を得ることができる。また、接合層１６４の厚さが１０００ｎｍ以下であることにより、良好な接合強度と堆積時間の短縮とを両立できる。

バリア層１６３は、高反射層１６２及び接合層１６４とは異なる組成を有し、高反射層１６２と接合層１６４との間に設けられる。一例では、バリア層１６３は高反射層１６２及び接合層１６４と接している。バリア層１６３は、高反射層１６２及び接合層１６４よりもはんだ材料（特に、上述したいずれかのはんだ材料）の拡散度合いが低い材料からなる。これにより、接合層１６４の構成材料と反応しながら高反射層１６２側に向けて次第に拡散するはんだ材料はバリア層１６３においてブロックされ、高反射層１６２へのはんだ材料の拡散が抑止される。バリア層１６３は、例えばＰｔ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、及びＣｒのうち少なくとも一つの元素を主に含んで構成されるか、またはＴｉＮを含んで構成される。これにより、はんだ材料の拡散を効果的にブロックすることができる。一例では、バリア層１６３は、Ｐｔ層、Ｎｉ層、Ｔａ層、Ｗ層、ＴｉＮ層またはＣｒ層である。

バリア層１６３の厚さは、密着層１６１より厚くてもよく、また高反射層１６２及び接合層１６４より薄くてもよい。バリア層１６３を構成する材料は、高反射層１６２及び接合層１６４を構成する材料と比較して成膜に時間を要することがある。また、バリア層１６３が或る程度以上に厚くなると、はんだ材料は殆どブロックされてしまい、拡散抑制効果は殆ど増加しなくなる。従って、バリア層１６３を高反射層１６２及び接合層１６４よりも薄くすることができ、これにより金属電極膜１６の形成に要する時間を短縮することができる。また、密着層１６１の厚さはオーミック接触を成せば足りるので、バリア層１６３と比較して薄くてもよい。一例では、バリア層１６３の厚さは１ｎｍ以上であり、より好ましくは１００ｎｍ以上である。また、バリア層１６３の厚さは１０００ｎｍ以下であり、より好ましくは２００ｎｍ以下である。バリア層１６３の厚さが１ｎｍ以上であることにより、はんだ材料の拡散を効果的に抑止することができる。また、バリア層１６３の厚さが１０００ｎｍ以下であることにより、十分なはんだ拡散抑止効果と堆積時間の短縮とを両立できる。

図１１は、バリア層の変形例を模式的に示す図である。この例では、バリア層１６３Ａは、複数の層１６３ａ，１６３ｂ及び１６３ｃを含む積層構造を有する。層１６３ｂは、主にはんだ材料の拡散をブロックする層である。層１６３ａは、層１６３ｂを高反射層１６２に密着させ、これらの層同士の剥離を防ぐために設けられる層である。層１６３ｃは、接合層１６４を層１６３ｂに密着させ、これらの層同士の剥離を防ぐために設けられる層である。層１６３ａ及び１６３ｃは、上述した密着層１６１の構成材料によって構成され、層１６３ｂは、上述したバリア層１６３の構成材料のうち層１６３ａ及び１６３ｃとは異なる材料によって構成され得る。なお、必要に応じ、層１６３ａ及び１６３ｃのうちいずれか一方を省いてもよい。

本発明者が実際に作製した一例では、密着層１６１はＴｉ層（厚さ２ｎｍ）であり、高反射層１６２はＡｕ層（厚さ２００ｎｍ）であり、バリア層１６３はＰｔ層（厚さ１５０ｎｍ）であり、接合層１６４はＡｕ層（厚さ２００ｎｍ）である。また、本発明者が実際に作製した別の例では、密着層１６１はＣｒ層（厚さ２ｎｍ）であり、高反射層１６２はＡｕ層（厚さ５００ｎｍ）であり、バリア層１６３Ａの層１６３ａはＴｉ層（厚さ５０ｎｍ）であり、層１６３ｂはＰｔ層（厚さ１００ｎｍ）であり、層１６３ｃは設けられず、接合層１６４はＡｕ層（厚さ２００ｎｍ）である。

金属電極膜１６を形成する際には、まず、コンタクト層１４上に密着層１６１、高反射層１６２、バリア層１６３、及び接合層１６４をこの順で堆積させる。堆積方法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法などの物理的堆積法が適用され得る。次に、コンタクト層１４とのオーミック接触を実現するため、金属電極膜１６のアニール処理を行う。このとき、コンタクト層１４の構成材料と密着層１６１の構成材料との相互拡散、及び層１６１〜１６４間での構成材料の相互拡散が生じる。従って、コンタクト層１４と密着層１６１との境界、及び層１６１〜１６４間の各境界が曖昧となる場合がある。

以上の構成を備える本実施形態の面発光レーザ素子１Ａによって得られる効果について説明する。従来の金属電極膜は、オーミック接触のための下層（接触対象がｐ型ＧａＡｓ系半導体の場合、例えばＴｉ層、Ｃｒ層、若しくはＮｉ層）と、はんだと接触する上層（例えばＡｕ層）との積層構造を有する。本発明者は、このような構造を有する金属電極膜を備える面発光レーザ素子を動作させると、経時的に光出力が低下することを実験により見出した。その原因を探るため、本発明者は、面発光レーザ素子に対して長時間の通電試験を行い、金属電極膜における光反射状態の経時的な変化を光出射面（基板の裏面）側から観察した。図１２の（ａ）〜（ｃ）は、その結果を示す写真である。図１２の（ａ）は試験開始前の自然放出時の光反射状態を示し、図１２の（ｂ）は試験開始から１５０時間後の自然放出時の光反射状態を示し、図１２の（ｃ）は試験開始から１０００時間後の自然放出時の光反射状態を示す。図１２を参照すると、試験開始前では反射光強度が均一であったが、試験開始から１５０時間後には反射光強度が不均一になり、斑状の暗部が生じていることがわかる。すなわち、本発明者は、経時的な光出力の低下は、金属電極膜における光反射状態の経時的な劣化、すなわち金属電極膜のモフォロジーの経時的な劣化が主な原因であることを突き止めた。

本発明者は、このような劣化の原因について、次のように考えた。すなわち、面発光レーザ素子が動作するとその発熱により素子の温度が上昇するが、この温度上昇に伴い、はんだの構成材料は、上層の構成材料と反応しながら下層側に向けて次第に拡散する。図１３の（ａ）は、半導体積層１０上にＣｒからなる下層３１とＡｕからなる上層３２とを積層し、はんだ層２２を介してサブマウント２１と上層３２とを接合した様子を模式的に示す図である。図１３の（ｂ）は、上層３２とはんだ層２２との界面を拡大して示す図である。図１３の（ｂ）に示されるように、はんだ層２２の構成材料が上層３２の構成材料と反応しながら下層３１側に向けて拡散すると、はんだ層２２の構成材料と上層３２の構成材料とが相互に反応（共晶化）して、上層３２内に共晶領域３３が形成される。このとき、はんだ層２２の構成材料は上層３２内部において不均一に拡散するので、共晶領域３３は不均一に成長し、上層３２の表面に凹凸が生じる。このような上層３２の表面形状の変化が、光反射率の低下および光の散乱を引き起こすと考えられる。このような現象により、面発光レーザ素子の光出力が低下してしまう。故に、図１３の（ａ）に示される構造を有する金属電極膜を備える面発光レーザ素子においては、動作に伴う経時的な光出力の低下が避けられない。

これに対し、本実施形態では、金属電極膜１６が、密着層１６１、高反射層１６２、バリア層１６３、及び接合層１６４を有する。密着層１６１は、半導体積層１０（例えばコンタクト層１４）に密着してオーミック接触を成す。高反射層１６２は、密着層１６１上に設けられ、密着層１６１とは異なる組成を有し、フォトニック結晶層１５Ａからの光を反射する。接合層１６４は、高反射層１６２上に設けられ、実装の際にはんだ層２２と接合される。バリア層１６３は、高反射層１６２と接合層１６４との間に設けられ、高反射層１６２及び接合層１６４とは異なる組成を有する。そして、バリア層１６３のはんだ材料の拡散度合いは、高反射層１６２及び接合層１６４のそれよりも低い。この場合、面発光レーザ素子１Ａの温度上昇に伴い、はんだ層２２の構成材料は、接合層１６４の構成材料と反応しながら高反射層１６２側に向けて次第に拡散する。しかし、高反射層１６２と接合層１６４との間には、はんだ材料の拡散度合いが低いバリア層１６３が存在する。従って、はんだ材料はこのバリア層１６３においてブロックされ、高反射層１６２へは拡散し難い。故に、高反射層１６２ははんだ材料の拡散に影響されにくくなり、光反射率の低下を抑制すると共に、凹凸による光散乱を低減することができる。以上のことから、本実施形態の面発光レーザ素子１Ａによれば、動作に伴う経時的な光出力の低下を抑制することができる。

図１４は、本実施形態による上述した効果を検証した結果を示すグラフである。図１４において、横軸は動作時間（単位：ｈｏｕｒ）を示し、縦軸は面発光レーザ素子から出力されるレーザ光の相対ピーク強度（RelativePeak Power、単位：％）を示す。図中の実線は本実施形態による複数の面発光レーザ素子１Ａにおける結果を示し、破線は比較例として図１３の（ａ）の金属反射膜を有する複数の面発光レーザ素子における結果を示す。なお、この実験では、面発光レーザ素子の動作温度を８５℃とし、パルス幅ｔｗを５０ナノ秒とし、周波数ｆｒを２５ｋＨｚとし、ピーク電流値Ｉｏｐを２５アンペアとした。面発光レーザ素子１Ａにおける密着層１６１をＣｒ層（厚さ５ｎｍ）とし、高反射層１６２をＡｕ層（厚さ５００ｎｍ）とし、バリア層１６３をＴｉ層（厚さ５０ｎｍ）及びＰｔ層（厚さ１００ｎｍ）の積層構造とし、接合層１６４をＡｕ層（厚さ２００ｎｍ）とした。また、比較例における下層３１（Ｃｒ層）の厚さを５ｎｍとし、上層３２（Ａｕ層）の厚さを５００ｎｍとした。はんだ層２２としてはＳｎはんだを用いた。

図１４を参照すると、比較例においては、動作開始直後からおよそ１００時間を経過するまで、相対ピーク強度が時間経過と共に次第に低下していることがわかる。そして、およそ１００時間を経過した後では、１５〜２０％程度の相対ピーク強度の低下が生じており、この相対ピーク強度がその後も維持される。これに対し、本実施形態の面発光レーザ素子１Ａでは、動作開始直後から高い相対ピーク強度を維持していることがわかる。

また、図１５の（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の面発光レーザ素子１Ａに対して長時間の通電試験を行い、金属電極膜１６における光反射状態の経時的な変化を光出射面（半導体基板３の裏面３ｂ）側から観察した結果を示す写真である。図１５の（ａ）は試験開始前の自然放出時の光反射状態を示し、図１５の（ｂ）は試験開始から１５０時間後の自然放出時の光反射状態を示し、図１５の（ｃ）は試験開始から１０００時間後の自然放出時の光反射状態を示す。図１５を参照すると、試験開始前と１０００時間経過後との間で光反射状態はほとんど変化していない。すなわち、面発光レーザ素子１Ａにおいては、経時的な光反射状態の変化がほとんど生じていない。

以上に説明したとおり、本実施形態の面発光レーザ素子１Ａによれば、動作に伴う経時的な光出力の低下を抑制することができる。従って、信頼性の高い面発光レーザ素子１Ａを提供することができる。また、面発光レーザ素子１Ａの高出力化に寄与することができ、パルス駆動時の高デューティ動作といった、熱が生じやすい駆動環境においても有利となる。

なお、従来の面発光レーザ素子の金属電極膜において、Ｔｉ層とＡｕ層との間にＰｔ層を設けることがある。この場合、金属電極膜は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕといった層構造を有する。この金属電極膜を光反射膜として用いた場合、Ｐｔ層にははんだ材料がほとんど拡散しないので、Ｐｔ層の光反射状態は経時的にほとんど変化しない。しかしながら、Ｐｔ層の光反射率はＡｕ層のそれと比較して格段に低い。従って、面発光レーザ素子の光出力効率は、通電初期から低くなってしまう。これに対し、本実施形態の面発光レーザ素子１Ａによれば、通電初期から高い光出力効率を得つつ、その高い光出力効率を長時間にわたって維持することができる。

また、本実施形態のように、面発光レーザ素子１Ａは、共振モード形成層として、複数の異屈折率領域１５ｂが周期的に配列されたフォトニック結晶層１５Ａを備えてもよい。この場合、フォトニック結晶層１５Ａにおいて発生したレーザ光の一部Ｌ２は、半導体基板３の主面３ａに対して垂直な方向に回折し、金属電極膜１６において反射したのち半導体基板３の裏面３ｂに達し、裏面３ｂから面発光レーザ素子１Ａの外部へ出射する。従って、本実施形態の金属電極膜１６による上述した効果を好適に得ることができる。

（第１変形例）
上述した実施形態においては、ＰＣＳＥＬである面発光レーザ素子１Ａについて説明したが、本発明の発光素子は、ＰＣＳＥＬに限らず様々な面発光レーザ素子であることができる。例えば、二次元状に配列された複数の発光点から出射される光の位相スペクトル及び強度スペクトルを制御することにより任意の光像を出力する面発光レーザ素子が研究されている。このような面発光レーザ素子はＳ−ｉＰＭ（Static-integrablePhase Modulating）レーザと呼ばれ、半導体基板の主面に垂直な方向およびこれに対して傾斜した方向をも含む２次元的な任意形状の光像を出力する。

図１６は、Ｓ−ｉＰＭレーザが備える位相変調層１５Ｂの平面図である。上記実施形態の面発光レーザ素子１Ａは、フォトニック結晶層１５Ａ（図４を参照）に代えて、図１６に示される位相変調層１５Ｂを備えてもよい。これにより、面発光レーザ素子をＳ−ｉＰＭレーザとすることができる。位相変調層１５Ｂは、本変形例における共振モード形成層である。なお、本変形例の面発光レーザ素子において、位相変調層１５Ｂを除く他の構成は上記実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

位相変調層１５Ｂは、第１屈折率媒質からなる基本層１５ａと、第１屈折率媒質とは屈折率の異なる第２屈折率媒質からなる異屈折率領域１５ｂとを含む。ここで、位相変調層１５Ｂに、ＸＹ面内における仮想的な正方格子を設定する。正方格子の一辺はＸ軸と平行であり、他辺はＹ軸と平行であるものとする。このとき、正方格子の格子点Ｏを中心とする正方形状の単位構成領域Ｒが、Ｘ軸に沿った複数列及びＹ軸に沿った複数行にわたって二次元状に設定され得る。複数の異屈折率領域１５ｂは、各単位構成領域Ｒ内に１つずつ設けられる。異屈折率領域１５ｂの平面形状は、例えば円形状である。各単位構成領域Ｒ内において、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇは、これに最も近い格子点Ｏから離れて配置される。

図１７に示されるように、格子点Ｏから重心Ｇに向かう方向とＸ軸との成す角度をφ（ｘ，ｙ）とする。ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。回転角度φが０°である場合、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの方向はＸ軸の正方向と一致する。また、格子点Ｏと重心Ｇとを結ぶベクトルの長さをｒ（ｘ，ｙ）とする。一例では、ｒ（ｘ，ｙ）はｘ、ｙによらず（位相変調層１５Ｂ全体にわたって）一定である。

図１６に示されるように、位相変調層１５Ｂにおいては、異屈折率領域１５ｂの重心Ｇの格子点Ｏ周りの回転角度φが、所望の光像に応じて各単位構成領域Ｒ毎に独立して個別に設定される。回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、ｘ，ｙの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。すなわち、回転角度分布φ（ｘ，ｙ）は、所望の光像を逆フーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。なお、所望の光像から複素振幅分布を求める際には、ホログラム生成の計算時に一般的に用いられるGerchberg-Saxton（ＧＳ）法のような繰り返しアルゴリズムを適用することによって、ビームパターンの再現性が向上する。

本変形例において、活性層１２から出力されたレーザ光は、クラッド層１１とクラッド層１３との間に閉じ込められつつ位相変調層１５Ｂの内部に入り、位相変調層１５Ｂの内部の格子構造に応じた所定のモードを形成する。位相変調層１５Ｂ内で散乱されて出射されるレーザ光は、半導体基板３の裏面３ｂから外部へ出力される。このとき、０次光は、主面３ａに垂直な方向へ出射する。これに対し、＋１次光および−１次光は、主面３ａに垂直な方向及びこれに対して傾斜した方向を含む２次元的な任意方向へ出射する。

図１８は、位相変調層の特定領域内にのみ図１６の屈折率構造を適用した例を示す平面図である。図１８に示す例では、正方形の内側領域ＲＩＮの内部に、目的となるビームパターンを出射するための屈折率構造（例：図１６の構造）が形成されている。一方、内側領域ＲＩＮを囲む外側領域ＲＯＵＴには、正方格子の格子点位置に、重心位置が一致する真円形の異屈折率領域が配置されている。内側領域ＲＩＮの内部も、外側領域ＲＯＵＴ内においても、仮想的に設定される正方格子の格子間隔は同一（＝ａ）である。この構造の場合、外側領域ＲＯＵＴ内にも光が分布することにより、内側領域ＲＩＮの周辺部において光強度が急激に変化することで生じる高周波ノイズ（いわゆる窓関数ノイズ）の発生を抑制することができる。また、面内方向への光漏れを抑制することができ、閾値電流の低減が期待できる。

本変形例のように、面発光レーザ素子は、共振モード形成層として位相変調層１５Ｂを備えてもよい。この場合、位相変調層１５Ｂにおいて発生したレーザ光の一部（＋１次光および−１次光の一部、並びに０次光）は、半導体基板３の主面３ａに対して垂直な方向に回折し、金属電極膜１６において反射したのち半導体基板３の裏面３ｂに達し、裏面３ｂから面発光レーザ素子の外部へ出射する。従って、上記実施形態の金属電極膜１６による上述した効果を好適に得ることができる。

（第２変形例）
Ｓ−ｉＰＭレーザは、前述した第１変形例の構成に限られない。例えば、本変形例の位相変調層の構成であっても、Ｓ−ｉＰＭレーザを好適に実現することができる。図１９は、Ｓ−ｉＰＭレーザが備える位相変調層１５Ｃの平面図である。また、図２０は、位相変調層１５Ｃにおける異屈折率領域１５ｂの位置関係を示す図である。位相変調層１５Ｃは、本変形例における共振モード形成層である。図１９及び図２０に示されるように、位相変調層１５Ｃにおいて、各異屈折率領域１５ｂの重心Ｇは、直線Ｄ上に配置されている。直線Ｄは、各単位構成領域Ｒの対応する格子点Ｏを通り、正方格子の各辺に対して傾斜する直線である。言い換えると、直線Ｄは、Ｘ軸及びＹ軸の双方に対して傾斜する直線である。正方格子の一辺（Ｘ軸）に対する直線Ｄの傾斜角はθである。傾斜角θは、位相変調層１５Ｃ内において一定である。傾斜角θは、０°＜θ＜９０°を満たし、一例ではθ＝４５°である。または、傾斜角θは、１８０°＜θ＜２７０°を満たし、一例ではθ＝２２５°である。傾斜角θが０°＜θ＜９０°または１８０°＜θ＜２７０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される座標平面の第１象限から第３象限にわたって延びる。或いは、傾斜角θは、９０°＜θ＜１８０°を満たし、一例ではθ＝１３５°である。或いは、傾斜角θは、２７０°＜θ＜３６０°を満たし、一例ではθ＝３１５°である。傾斜角θが９０°＜θ＜１８０°または２７０°＜θ＜３６０°を満たす場合、直線Ｄは、Ｘ軸及びＹ軸によって規定される座標平面の第２象限から第４象限にわたって延びる。このように、傾斜角θは、０°、９０°、１８０°及び２７０°を除く角度である。このような傾斜角θとすることで、光出力ビームにおいて、Ｘ軸方向に進む光波とＹ軸方向に進む光波との両方を寄与させることができる。ここで、格子点Ｏと重心Ｇとの距離をｒ（ｘ，ｙ）とする。ｘはＸ軸におけるｘ番目の格子点の位置、ｙはＹ軸におけるｙ番目の格子点の位置を示す。距離ｒ（ｘ，ｙ）が正の値である場合、重心Ｇは第１象限（または第２象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が負の値である場合、重心Ｇは第３象限（または第４象限）に位置する。距離ｒ（ｘ，ｙ）が０である場合、格子点Ｏと重心Ｇとは互いに一致する。

図１９に示される、各異屈折率領域の重心Ｇと、各単位構成領域Ｒの対応する格子点Ｏとの距離ｒ（ｘ，ｙ）は、所望の光像に応じて各異屈折率領域１５ｂ毎に個別に設定される。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、ｘ，ｙの値で決まる位置毎に特定の値を有するが、必ずしも特定の関数で表わされるとは限らない。距離ｒ（ｘ，ｙ）の分布は、所望の光像を逆フーリエ変換して得られる複素振幅分布のうち位相分布を抽出したものから決定される。すなわち、図２０に示される、或る座標（ｘ，ｙ）における位相Ｐ（ｘ，ｙ）がＰ₀である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）を０と設定し、位相Ｐ（ｘ，ｙ）がπ＋Ｐ₀である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）を最大値ｒ₀に設定し、位相Ｐ（ｘ，ｙ）が−π＋Ｐ₀である場合には距離ｒ（ｘ，ｙ）を最小値−ｒ₀に設定する。そして、その中間の位相Ｐ（ｘ，ｙ）に対しては、ｒ（ｘ，ｙ）＝｛Ｐ（ｘ，ｙ）−Ｐ₀｝×ｒ₀／πとなるように距離ｒ（ｘ，ｙ）をとる。ここで、初期位相Ｐ₀は任意に設定することができる。正方格子の格子間隔をａとすると、ｒ（ｘ，ｙ）の最大値ｒ₀は例えば

の範囲内である。

なお、本変形例においても、位相変調層の特定領域内にのみ図１９の屈折率構造を適用してもよい。例えば、図１８に示された例のように、正方形の内側領域ＲＩＮの内部に、目的となるビームパターンを出射するための屈折率構造（例：図１９の構造）が形成されてもよい。この場合、内側領域ＲＩＮを囲む外側領域ＲＯＵＴには、正方格子の格子点位置に、重心位置が一致する真円形の異屈折率領域が配置される。内側領域ＲＩＮの内部も、外側領域ＲＯＵＴ内においても、仮想的に設定される正方格子の格子間隔は同一（＝ａ）である。この構造の場合、外側領域ＲＯＵＴ内にも光が分布することにより、内側領域ＲＩＮの周辺部において光強度が急激に変化することで生じる高周波ノイズ（いわゆる窓関数ノイズ）の発生を抑制することができる。また、面内方向への光漏れを抑制することができ、閾値電流の低減が期待できる。

本変形例のように、面発光レーザ素子は、共振モード形成層として位相変調層１５Ｃを備えてもよい。この場合、位相変調層１５Ｃにおいて発生したレーザ光の一部（＋１次光および−１次光の一部、並びに０次光）は、半導体基板３の主面３ａに対して垂直な方向に回折し、金属電極膜１６において反射したのち半導体基板３の裏面３ｂに達し、裏面３ｂから面発光レーザ素子の外部へ出射する。従って、上記実施形態の金属電極膜１６による上述した効果を好適に得ることができる。

（第３変形例）
図２１は、第３変形例による発光装置２Ｂの構成を示す図である。この発光装置２Ｂは、支持基板７３と、支持基板７３上に一次元又は二次元状に配列された複数の面発光レーザ素子１Ａと、複数の面発光レーザ素子１Ａを個別に駆動する駆動回路７２とを備えている。各面発光レーザ素子１Ａの構成は、上記実施形態と同様である。各面発光レーザ素子１Ａは、半導体基板３の主面３ａと支持基板７３とが互いに対向する向きに配置され、各面発光レーザ素子１Ａの金属電極膜１６と支持基板７３とははんだ層を介して導電接合されている。駆動回路７２は、支持基板７３の裏面又は内部に設けられ、各面発光レーザ素子１Ａを個別に駆動する。駆動回路７２は、制御回路７１からの指示により、個々の面発光レーザ素子１Ａに駆動電流を供給する。

なお、本変形例において、面発光レーザ素子１Ａに代えて各変形例の面発光レーザ素子を用いてもよい。その場合にも同様の効果を得ることができる。

本発明による発光素子及び発光装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例では、半導体基板３の裏面３ｂから出射する形態（裏面出射型）を例示したが、本発明は、半導体積層１０の表面１０ａ（コンタクト層１４の表面、もしくはコンタクト層１４の一部が除去されて露出したクラッド層１３の表面）から出射する面発光レーザ素子にも適用可能である。その場合、半導体基板３の裏面３ｂ上に設けられる金属電極膜が、上記実施形態の金属電極膜１６と同様の構成を有する。但し、密着層（第１層）は、半導体基板３の裏面３ｂに密着して半導体基板３とオーミック接触を成す。また、上述した実施形態では、ｐ型半導体とオーミック接触を成す金属電極膜がバリア層を有しているが、ｎ型半導体とオーミック接触を成す金属電極膜がバリア層を有してもよい。また、上記実施形態では、基板として、成長基板である半導体基板を用いているが、基板は、半導体積層を機械的に支持できればよく、成長基板である半導体基板に限られない。

１Ａ…面発光レーザ素子、２Ａ，２Ｂ…発光装置、３…半導体基板、３ａ…主面、３ｂ…裏面、１０…半導体積層、１１…クラッド層、１２…活性層、１３…クラッド層、１４…コンタクト層、１５Ａ…フォトニック結晶層、１５Ｂ，１５Ｃ…位相変調層、１５ａ…基本層、１５ｂ，１５ｃ…異屈折率領域、１６，１７…金属電極膜、１７ａ…開口、１８…保護膜、１９…反射防止膜、２１…サブマウント、２１ａ…搭載面、２２…はんだ層、３１…下層、３２…上層、３３…共晶領域、７１…制御回路、７２…駆動回路、７３…支持基板、１６１…密着層、１６２…高反射層、１６３，１６３Ａ…バリア層、１６４…接合層、Ｄ…直線、Ｇ…重心、Ｌ…レーザ光、Ｏ…格子点、Ｒ…単位構成領域、ＲＩＮ…内側領域、ＲＯＵＴ…外側領域。

Claims (12)

1. 主面及び裏面を有する基板と、
   前記主面上に設けられた第１クラッド層、前記第１クラッド層上に設けられた活性層、前記活性層上に設けられた第２クラッド層、及び、前記第１クラッド層と前記活性層との間または前記活性層と前記第２クラッド層との間に設けられた共振モード形成層を含む半導体積層と、を備え、
   前記共振モード形成層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なり前記共振モード形成層の厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含み、
   前記半導体積層の表面及び前記基板の前記裏面のうち一方の面からレーザ光を出射し、
   前記半導体積層の前記表面及び前記基板の前記裏面のうち他方の面上に設けられた金属電極膜を更に備え、
   前記金属電極膜は、
   前記半導体積層若しくは前記基板に密着してオーミック接触を成す第１層と、
   前記第１層上に設けられ、前記第１層とは異なる組成を有し、前記共振モード形成層からの光を反射する第２層と、
   前記第２層上に設けられ実装の際にはんだと接合される第４層と、
   前記第２層と前記第４層との間に設けられ、前記第２層及び前記第４層とは異なる組成を有し、前記第２層及び前記第４層よりもはんだ材料の拡散度合いが低い第３層と、を含む、発光素子。
2. 前記第２層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、及びＣｕのうち少なくとも一つの元素を主に含む、請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第３層は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、及びＣｒのうち少なくとも一つの元素を主に含むか、或いはＴｉＮを含む、請求項１または２に記載の発光素子。
4. 前記第４層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＡｌのうち少なくとも一つの元素を主に含み、前記第３層とは異なる材料からなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光素子。
5. 前記第１層は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、及びＮｉのうち少なくとも一つの元素を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光素子。
6. 主面及び裏面を有する基板と、
   前記主面上に設けられた第１クラッド層、前記第１クラッド層上に設けられた活性層、前記活性層上に設けられた第２クラッド層、及び、前記第１クラッド層と前記活性層との間または前記活性層と前記第２クラッド層との間に設けられた共振モード形成層を含む半導体積層と、を備え、
   前記共振モード形成層は、基本層と、前記基本層とは屈折率が異なり前記共振モード形成層の厚さ方向に垂直な面内において二次元状に分布する複数の異屈折率領域とを含み、
   前記半導体積層の表面及び前記基板の前記裏面のうち一方の面からレーザ光を出射し、
   前記半導体積層の前記表面及び前記基板の前記裏面のうち他方の面上に設けられ、前記共振モード形成層からの光を反射する金属電極膜を更に備え、
   前記金属電極膜は、前記半導体積層若しくは前記基板に密着してオーミック接触を成す第１層、前記第１層上に設けられ前記第１層とは異なる組成を有する第２層、前記第２層上に設けられ実装の際にはんだと接する第４層、及び、前記第２層と前記第４層との間に設けられた第３層を含み、
   前記第２層は、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、及びＣｕのうち少なくとも一つの元素を主に含み、
   前記第３層は、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、及びＣｒのうち少なくとも一つの元素を主に含むか、或いはＴｉＮを含み、
   前記第４層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、及びＡｌのうち少なくとも一つの元素を主に含み前記第３層とは異なる材料からなる、発光素子。
7. 前記第３層は、前記第１層よりも厚く、前記第２層及び前記第４層よりも薄い、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発光素子。
8. 前記第１層の厚さは５０ｎｍ以下であり、前記第２層、前記第４層、及び前記第３層の厚さはそれぞれ１０００ｎｍ以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光素子。
9. 前記共振モード形成層は、前記複数の異屈折率領域が周期的に配列されたフォトニック結晶層である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光素子。
10. 前記共振モード形成層の前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記複数の異屈折率領域の重心が、前記仮想的な正方格子の格子点から離れて配置されるとともに、前記格子点周りの回転角度が各異屈折率領域毎に個別に設定されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光素子。
11. 前記共振モード形成層の前記面内において仮想的な正方格子を設定した場合に、前記複数の異屈折率領域の重心が、前記仮想的な正方格子の格子点を通り前記正方格子に対して傾斜する直線上に配置されており、各異屈折率領域の重心と、対応する格子点との距離が各異屈折率領域毎に個別に設定されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光素子。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の発光素子と、
    前記発光素子を搭載する搭載面を有するサブマウントと、を備え、
    前記発光素子の前記金属電極膜と前記搭載面とがはんだを介して互いに接合されており、
    前記はんだは、Ｓｎはんだ、Ｉｎはんだ、Ｓｎを含む共晶はんだ、またはＳｎを含む鉛フリーはんだである、発光装置。