JP2021197437A - 垂直共振器型発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】長期通電中において駆動電圧の上昇を抑制し、長寿命な垂直共振器型発光素子を提供する。【解決手段】面発光レーザ１０は、窒化ガリウム系半導体の基板１１と、基板上の第１の多層膜反射鏡１３と、第１の多層膜反射鏡上のｎ型半導体層１７、ｎ型半導体層上の活性層１９、及び活性層上のｐ型半導体層２１を含む半導体構造層１５と、ｐ型半導体層の上面の、ｐ型半導体層の１の領域においてに電気的に接触しており且つ、第１の領域以外の第１の領域を囲繞する他の領域においてp型半導体層と絶縁されている透光電極層と、他の領域の上方の透光電極層の上面の金属導電体層と、透光電極層上に１の領域を覆うように形成され、第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡２９と、を有し、半導体構造層の上面の、他の領域には段差が形成されており、金属導体層は、段差上において透光電極層を覆うように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、垂直共振器型面発光レーザ（VCSEL:vertical cavity surface emitting laser）などの垂直共振器型発光素子に関する。
従来から、半導体レーザの１つとして、電圧の印加によって光を放出する半導体層と、当該半導体層を挟んで互いに対向する多層膜反射鏡と、を有する垂直共振器型の半導体面発光レーザ（以下、単に面発光レーザとも称する）が知られている。例えば、特許文献１には、窒化物半導体を用いた面発光レーザが開示されている。
特開2017-98328号公報
例えば、面発光レーザなどの垂直共振器型発光素子には、半導体層上面に発光領域を画定する絶縁膜が形成され、当該絶縁膜上に半導体層と電気的に接触するＩＴＯ等の透光性の電極膜が形成されている。
例えば、特許文献１には、半導体層の発光領域に対応する領域に開口が形成され、当該発光領域を囲むように形成された絶縁膜上にＩＴＯの透光性電極膜が形成されている垂直共振器型発光素子が開示されている。特許文献１の垂直共振器型発光素子においては、透光性電極膜は、絶縁膜の開口端部において段差が生じるように形成されている。
しかし、上記のように透光性電極膜に段差が生じていると、長期通電中に透光性電極の当該段差部分においてクラック等の異常が発生し、駆動電圧の上昇やショート／オープンの不具合が発生する場合がある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、長期通電中において駆動電圧の上昇を抑制し、長寿命な垂直共振器型発光素子を提供することを目的としている。
本発明による垂直共振器型発光素子は、窒化ガリウム系半導体の基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体よりなる第１の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、前記第２の半導体層の上面に形成され、前記第２の半導体層の１の領域においてに電気的に接触しており且つ、前記第１の領域以外の前記第１の領域を囲繞する他の領域において前記第２の半導体層と絶縁されている透光性電極層と、前記他の領域の上方の前記透光性電極層の上面に形成されている金属導電体層と、前記透光性電極層上に前記１の領域を覆うように形成され、前記第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、を有し、前記半導体構造層の上面の、前記他の領域には段差が形成されており、前記金属導電体層は、前記段差上において前記透光性電極層を覆うように形成されていることを特徴とする。
また、本発明による垂直共振器型発光素子は、窒化ガリウム系半導体の基板と、前記基板上に形成された窒化物半導体よりなる第１の多層膜反射鏡と、前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、前記第２の半導体層の上面に形成され、前記第２の半導体層の１の領域を囲繞する領域に形成されている透光性絶縁体層と、前記第２の半導体層の上面及び前記透光性絶縁層の上面に亘って形成され、前記１の領域において前記第２の半導体層に接触している透光性電極層と、前記他の領域の上方の前記透光性電極層の上面に形成されている金属導電体層と、前記透光性電極層上に前記１の領域を覆うように形成され、前記第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、を有し、前記金属導電体層は、透光性絶縁層の縁を前記透光性電極層を介して覆うように形成されていることを特徴としている。
実施例１の面発光レーザの斜視図である 実施例１の面発光レーザの上面図である。 実施例１の面発光レーザの断面図である。 実施例１の変形例１の面発光レーザの断面図である。 実施例１の変形例２の面発光レーザの断面図である。 実施例２の面発光レーザの上面図である。 実施例２の面発光レーザの断面図である。 実施例３の面発光レーザの斜視図である。 実施例３の面発光レーザの断面図である。 実施例１の変形例３の面発光レーザの断面図である。 実施例１の変形例４の面発光レーザの断面図である。
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。以下の説明においては、半導体面発光レーザ素子を例に説明する（半導体レーザ）が、本発明は、面発光レーザのみならず、垂直共振器型発光ダイオードなど、種々の垂直共振器型発光素子に適用することができる。
図１は、実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下、単に面発光レーザとも称する）１０の斜視図である。
基板１１は、窒化ガリウム系半導体基板、例えばＧａＮ基板である。基板１１は、例えば、上面形状が矩形の基板である。基板１１の上には、基板１１の上に成長させられた半導体層からなる第１の多層膜反射鏡１３が形成されている。
第１の多層膜反射鏡１３は、ＡｌＩｎＮの組成を有する低屈折率半導体膜と、ＧａＮ組成を有し低屈折率半導体膜よりも屈折率が高い高屈折率半導体膜とが交互に積層された半導体多層膜反射鏡である。言い換えれば、第１の多層膜反射鏡１３は、半導体材料からなる分布フラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。例えば、基板１１の上面には、ＧａＮ組成を有するバッファ層が設けられ、当該バッファ層上に上記高屈折率半導体膜と低屈折半導体膜とを交互に成膜されることで第１の多層膜反射鏡１３が形成される。
尚、基板１１の上面、すなわちＧａＮ組成を有するバッファ層が設けられている面はＣ面又はＣ面から０．５°以内にオフした面であることが好ましい。後述する半導体構造層１５の結晶性などが良好となるためである。
半導体構造層１５は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成された複数の半導体層からなる積層構造体である。半導体構造層１５は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成された第１の導電型であるｎ型半導体層（第１の半導体層）１７と、ｎ型半導体層１７上に形成された発光層（又は活性層）１９と、活性層１９上に形成された第２の導電型であるｐ型半導体層（第２の半導体層）２１と、を有する。
ｎ型半導体層１７は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成された半導体層である。ｎ型半導体層１７は、ＧａＮ組成を有し、ｎ型不純物としてＳｉがドーピングされている半導体層である。ｎ型半導体層１７は、角柱状の下部１７Ａとその上に配された円柱状の上部１７Ｂとを有する。具体的には、例えば、ｎ型半導体層１７は、角柱状の下部１７Ａの上面から突出した円柱状の上部１７Ｂを有している。言い換えれば、ｎ型半導体層１７は、上部１７Ｂを含むメサ形状の構造を有する。
活性層１９は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂ上に形成されており、ＩｎＧａＮ組成を有する井戸層及びＧａＮ組成を有する障壁層を含む量子井戸構造を有する層である。面発光レーザ１０においては、活性層１９において光が発生する。
ｐ型半導体層２１は、活性層１９上に形成されたＧａＮ組成を有する半導体層である。ｐ型半導体層２１には、ｐ型の不純物としてＭｇがドーピングされている。すなわち、半導体構造層１５においては、ｎ型半導体層１７は上面にメサ形状の構造が形成されており、当該メサ形状の構造上に活性層１９及びｐ型半導体層２１が積層されている。
電極層としてのｎ電極２３は、ｎ型半導体層１７の下部１７Ａの上面に設けられ、ｎ型半導体層１７と電気的に接続されている金属電極である。ｎ電極２３は、ｎ型半導体層１７の上部１７Ｂを囲むように環状に形成されている。言い換えれば、ｎ型半導体層１７のメサ形状の構造の周囲に存在する上面にｎ型半導体層１７と電気的に接触しているｎ電極２３が形成されている。なお、ｎ電極は２３、ｎ型半導体層１７の上面に層状に形成されている、いわゆる電極層であってもよい。
透光性絶縁体層としての絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１上に形成されている絶縁体からなる層である。絶縁層２５は、例えばＳｉＯ2等のｐ型半導体層２１を形成する材料よりも低い屈折率を有する物質によって形成されている。絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１上において環状に形成されており、中央部分にｐ型半導体層２１を露出する開口部（図示せず）を有している。
金属導電体層としてのｐ電極２７は、絶縁層２５上に形成された金属電極である。ｐ電極２７は、絶縁層２５の上記開口部から露出したｐ型半導体層２１の上面に、ＩＴＯ又はＩＺＯなどの金属酸化膜からなる透光電極層３１（図３に後述）を介して電気的に接続されている。
第２の多層膜反射鏡２９は、ＳｉＯ2からなる低屈折率誘電体膜と、Ｎｂ2Ｏ5からなり低屈折率誘電体膜よりも屈折率が高い高屈折率誘電体膜とが交互に積層された誘電体多層膜反射鏡である。言い換えれば、第２の多層膜反射鏡２９は、誘電体材料からなる分布フラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。
図２は、面発光レーザ１０の上面図である。上述したように、面発光レーザ１０は、矩形の上面形状を有する基板１１上に形成されたｎ型半導体層１７、上面形状が円形の活性層１９及びｐ型半導体層２１を含む半導体構造層１５を有している（図１参照）。ｐ型半導体層２１上には、絶縁層２５及びｐ電極２７が形成されている。ｐ電極２７上には、第２の多層膜反射鏡２９が形成されている。
絶縁層２５は、上述した絶縁層２５のｐ型半導体層２１を露出する円形の開口部である開口部２５Ｈを有している。図２に示すように、開口部２５Ｈは、面発光レーザ１０の上方からみて絶縁層２５の中央部に形成されており、面発光レーザ１０の上方からみて第２の多層膜反射鏡２９に覆われている。言い換えれば、開口部２５Ｈは、ｐ型半導体層２１の上面において第２の多層膜反射鏡２９に覆われている。さらに言い換えれば、開口部２５Ｈは、絶縁層２５の第２の多層膜反射鏡２９の下面と対向する領域に形成されている。
ｐ電極２７は、面発光レーザ１０の上方からみて絶縁層２５の中央部に形成されており、開口部２５Ｈを囲む開口部２７Ｈを有している。すなわち、開口部２７Ｈは、開口部２５Ｈよりも大きい開口である。例えば、開口部２７Ｈの形状は、開口部２５Ｈの形状と同心円の円形形状である。
図２に示すように、ｐ型半導体層２１の上面、すなわち半導体構造層１５の上面には、円環状の段差１５Ｓが形成されている。段差１５Ｓは、開口部２５Ｈ及び開口部２７Ｈの外側の領域に形成されている。すなわち、段差１５Ｓは、半導体構造層１５の面内方向に対して垂直な方向から見て環状に設けられている段差である。
本実施例においては、段差１５Ｓは、ｐ型半導体層２１の上面において第２の多層膜反射鏡２９の外側に形成されている。
図３は、面発光レーザ１０の図２の３−３線に沿った断面図である。上述のように、面発光レーザ１０は、ＧａＮ基板である基板１１を有し、基板１１上に第１の多層膜反射鏡１３が形成されている。尚、基板１１の下面には、Ｎｂ2Ｏ5とＳｉＯ2を積層させたＡＲコートが施されていてもよい。
第１の多層膜反射鏡１３上には、半導体構造層１５が形成されている。半導体構造層１５は、ｎ型半導体層１７、活性層１９及びｐ型半導体層２１がこの順に形成されてなる積層体である。
半導体構造層１５に形成されている段差１５Ｓは、ｐ型半導体層２１の上面の中央部において突出している突出部２１Ｐを囲むように形成されている。
絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１の上面を覆うように形成されている。絶縁層２５は、上述のようにｐ型半導体層２１よりも低い屈折率を有している材料からなっている。絶縁層２５は、突出部２１Ｐを露出する開口部２５Ｈを有している。例えば、図２に示すように開口部２５Ｈは円形である。例えば、開口部２５Ｈと突出部２１Ｐとは同様の形状を有しており、開口部２５Ｈの内側面と突出部２１Ｐの外側面は接している。また、段差１５Ｓの内側の領域において、絶縁層２５の上面と突出部２１Ｐの上面とが同一の高さとなるように形成されている。すなわち、段差１５Ｓの内側の領域において絶縁層２５の上面及び突出部２１Ｐの上面は平坦性を有する。なお、ここでいう同一の高さとは、完全に同一の高さではなく、活性層１９からの放出光、すなわち第１の多層膜反射鏡１３および第２の多層膜反射鏡２９の間に生成される定在波（レーザ光）にとって不感となる範囲の凹凸や段差を含んでいてもよい。
透光電極層３１は、絶縁層２５及び絶縁層２５の開口部２５Ｈから露出している突出部２１Ｐを覆うように形成された透光性を有する導電体からなる層である。すなわち、透光電極層３１は、ｐ型半導体層２１の上面の開口部２５Ｈによって露出している領域において、ｐ型半導体層２１と電気的に接触している。透光電極層３１は、例えば、ＩＴＯ又はＩＺＯ等の活性層１９からの出射光に対して透光性を有する金属酸化物によって形成されている。また、透光電極層３１は、下面側の絶縁層２５の上面及び突出部２１Ｐの上面の形状を転写するように形成されている。すなわち、透光電極層３１は、段差１５Ｓに該当する箇所に段差を有している。
ｐ電極２７は、上述したように金属電極であり、透光電極層３１を覆うように形成されている。すなわち、ｐ電極２７は、透光電極層３１と電気的に接触している。従って、ｐ電極２７は、ｐ型半導体層２１の上面の開口部２５Ｈによって露出している領域において、透光電極層３１を介してｐ型半導体層２１と電気的に接触又は接続している。ｐ電極２７は、中央部において、透光電極層３１を露出する開口部２７Ｈを有する。開口部２７Ｈは、開口部２５Ｈよりも幅（または径）が大きい開口である。また、図３に示すように、ｐ電極２７は、段差１５Ｓを覆うように形成される。
面発光レーザ１０において、第１の多層膜反射鏡１３は、第２の多層膜反射鏡２９よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡１３及び基板１１を透過し、外部に取り出される。
ここで、面発光レーザ１０の動作について説明する。面発光レーザ１０において、ｎ電極２３及びｐ電極２７との間に電圧が印加されると、図中太線二点鎖線に示す様に、半導体構造層１５内に電流が流れ、活性層１９から光が放出される。活性層１９から放出された光は、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間において反射を繰り返し、共振状態に至る（レーザ発振する）。
面発光レーザ１０においては、ｐ型半導体層２１には、開口部２５Ｈによって露出している部分のみから電流が注入される。また、ｐ型半導体層２１は非常に薄いため、ｐ型半導体層２１内では面内方向、すなわち半導体構造層１５の面内に沿った方向には電流は拡散しない。従って、面発光レーザ１０においては、活性層１９のうち、開口部２５Ｈの直下の領域にのみ電流が供給されて、当該領域からのみ光が放出される。すなわち、面発光レーザ１０において、開口部２５Ｈが活性層１９における電流の供給範囲を制限する電流狭窄構造となっている。
上述のように、本実施例においては、第１の多層膜反射鏡１３は、第２の多層膜反射鏡２９よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡１３及び基板１１を透過し、外部に取り出される。このようにして、面発光レーザ１０は、基板１１の下面から、基板１１の下面及び半導体構造層１５の各層の面内方向に対して垂直な方向に光を出射する。
尚、半導体構造層１５のｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐ及び絶縁層２５の開口部２５Ｈは、活性層１９における発光領域の中心である発光中心を画定し、共振器ＯＣの中心軸（発光中心軸）ＡＸを画定する。共振器ＯＣの中心軸ＡＸは、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの中心を通り、半導体構造層１５の面内方向に対して垂直な方向に沿って延びる。
尚、活性層１９の発光領域とは、例えば、活性層１９内における所定の強度以上の光が放出される所定の幅を有する領域であり、その中心が発光中心である。また、例えば、活性層１９の発光領域とは、活性層１９内において所定の密度以上の電流が注入される領域であり、その中心が発光中心である。また、当該発光中心を通る基板１１の上面又は半導体構造層１５の各層の面内方向に対して垂直な直線が中心軸ＡＸである。発光中心軸ＡＸは、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９とによって構成される共振器ＯＣの共振器長方向に沿って延びる直線である。また、中心軸ＡＸは、面発光レーザ１０から出射されるレーザ光の光軸に対応する。
ここで、面発光レーザ１０における第１の多層膜反射鏡１３、半導体構造層１５及び第２の多層膜反射鏡２９各層の例示的な構成について説明する。本実施例においては、第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１の上面に形成された１ｕｍのＧａＮ下地層、及び４２ペアのｎ−ＧａＮ層（４５ｎｍ）及びＡｌＩｎＮ層（５０ｎｍ）からなる。
ｎ型半導体層１７は、１５８０ｎｍの層厚のＳｉがドープされたｎ−ＧａＮ層である。活性層１９は、４ｎｍのＩｎＧａＮ層及び５ｎｍのＧａＮ層が４ペア積層された多重量子井戸構造の活性層からなり、活性層１９から発せられる発光のスペクトルのピークは約４４０ｎｍとなるように調整されている。活性層１９上には、ＭｇドープされたＡｌＧａＮの電子障壁層が形成され、その上に５０ｎｍのｐ−ＧａＮ層からなるｐ型半導体層２１が形成されている。第２の多層膜反射鏡２９は、４５ｎｍのＮｂ2Ｏ5及び７６ｎｍのＳｉＯ2を１０．５ペア積層したものである。この場合の共振波長は、４４０ｎｍであった。
また、ｐ型半導体層２１は、突出部２１Ｐにおいて５０ｎｍの層厚を有し、当該突出部２１Ｐの外周端から段差１５Ｓまでの領域において３０ｎｍの層厚を有する。また、ＳｉＯ2からなる絶縁層２５は２０ｎｍの層厚を有する、すなわち、絶縁層２５の突出部２１Ｐの側面と接している内周端から段差１５Ｓまでの領域において、絶縁層２５の上面は、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの上面と同一の高さ位置に配置されるように構成されている。
また、半導体構造層１５上に形成される透光電極層３１は、２０ｎｍのＩＴＯからなる層であり、透光電極層３１及びｐ電極２７の上に４０ｎｍのＮｂ2Ｏ5のスペーサ層を挟んで第２の多層膜反射鏡２９が形成されている。ｐ電極２７は、Ｔｉ（１００ｎｍ）、Ｐｔ（１００ｎｍ）、Ａｕ（５００ｎｍ）をこの順で積層したものである。
尚、段差１５Ｓの部分におけるｐ型半導体層２１、絶縁層２５、透光電極層３１及びｐ電極２７は、面発光レーザ１０の中心軸ＡＸに対して傾斜を有するような段差であることが好ましい。また、当該傾斜の傾斜角度は、中心軸ＡＸに対して４５°以上であることが好ましい。言い換えれば、当該傾斜角度は、半導体構造層１５の上面に対して４５°以下であることが好ましい。当該段差に傾斜を設けることにより、長期通電中における透光電極層３１の耐クラック性等の長期信頼性の向上を図ることが可能となる。
また、基板１１の裏面は、研磨面となっており、当該研磨面にＮｂ2Ｏ5及びＳｉＯ2の二層のＡＲコートが形成されている。
尚、上記した本実施例の面発光レーザ１０の構成は一例に過ぎない。
以下、面発光レーザ１０内部の光学的な特性について説明する。上述のように、面発光レーザ１０において、絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１よりも低い屈折率を有する。また、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間における他の層の層厚は、面内のいずれの箇所においても同じ層内であれば同一である。
従って、面発光レーザ１０の第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間で形成される共振器ＯＣ内における等価的な屈折率（第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間の光学的距離であり、共振波長に対応する）は、ｐ型半導体層２１と絶縁層２５との屈折率の差によって、上面形状が開口部２５Ｈによって画定される円柱状の１の領域としての中央領域ＣＡとその周りの筒状の他の領域としての周辺領域ＰＡとで異なる。
具体的には、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間において、周辺領域ＰＡの等価屈折率は中央領域ＣＡの等価屈折率よりも低い、すなわち、中央領域ＣＡにおける等価的な共振波長は、周辺領域ＰＡにおける等価的な共振波長よりも長い。尚、上述のように、活性層１９において光が放出されるのは、凸部２１Ｐの直下の領域である。すなわち、活性層１９において光が放出される発光領域は、活性層１９のうち中央領域ＣＡと重なる部分である。
このように、面発光レーザ１０においては、活性層１９の発光領域を含む中央領域ＣＡと、中央領域ＣＡを囲みかつ中央領域ＣＡよりも屈折率が低い周辺領域ＰＡとが形成されている。これによって、中央領域ＣＡ内の定在波が周辺領域ＰＡに発散（放射）することによる光損失が抑制される。すなわち、中央領域ＣＡに多くの光が留まり、またその状態でレーザ光が外部に取り出される。従って、多くの光が共振器ＯＣの発光中心軸ＡＸの周辺の中央領域ＣＡに集中し、高出力かつ高密度なレーザ光を生成及び出射することができる。
上述のように、実施例１の面発光レーザ１０においては、透光電極層３１に段差が生じるように形成されている。言い換えれば、段差１５Ｓによって透光電極層３１に段差が形成されている。その後、ｐ電極２７が、当該段差を覆うように形成されている。
上述のように、実施例１の面発光レーザ１０は、窒化ガリウム系半導体の基板１１と、基板１１上に形成された窒化物半導体よりなる第１の多層膜反射鏡１３と、第１の多層膜反射鏡１３上に形成された第１の導電型を有する窒化物半導体よりなるｎ型半導体層１７、ｎ型半導体層１７上に形成された窒化物半導体よりなる活性層１９、及び活性層１９上に形成されかつｎ型導電型とは反対のｐ型導電型を有する窒化物半導体よりなるｐ型半導体層２１を含む半導体構造層１５と、ｐ型半導体層２１の上面に形成され、ｐ型半導体層２１の中央領域ＣＡにおいてに電気的に接触しており且つ、中央領域ＣＡ以外の領域を囲む周辺領域ＰＡにおいてｐ型半導体層２１と絶縁されている透光電極層３１と、周辺領域ＰＡの上方の透光電極層３１の上面に形成されているｐ電極２７と、透光電極層３１上に中央領域ＣＡを覆うように形成され、第１の多層膜反射鏡１３との間で共振器ＯＣを構成する第２の多層膜反射鏡２９と、を有し、半導体構造層１５の上面の、周辺領域ＰＡには段差１５Ｓが形成されており、ｐ電極２７は、段差１５Ｓ上において透光電極層３１を覆うように形成されている。
また、段差１５Ｓは、半導体構造層１５の上面に対する角度が４５°以下の傾斜面を有する。また、ｎ型半導体層１７は上面にメサ形状の構造を有し、メサ形状の構造上に活性層１９及びｐ型半導体層が積層され、面発光レーザ１０は、メサ形状の構造の周囲に存在するｎ型半導体層１７の上面にｎ型半導体層１７と電気的に接触しているｎ電極２３を有する。
図４は、本実施例１の変形例１の面発光レーザ１０Ａの断面図を示す。
図３においては、段差１５Ｓを形成するために、ｐ型半導体層２１を突出部２１Ｐを囲む環状の領域（上面から見て周辺領域ＰＡに相当）をエッチングし、当該領域と段差１５Ｓより外側であってｐ型半導体層２１上面に絶縁層２５を形成する形態としている。しかし、その代わりに、図４に示すように、ｐ型半導体層２１を突出部２１Ｐ以外の全面をエッチングし、当該領域に絶縁層２５を形成し、当該絶縁層２５に段差２５Ｓを形成するようにしてもよい。
また、図５に示すように、絶縁層２５は、段差（図中段差２５ＡＳ）を形成するための第１の絶縁層２５Ａと、ｐ型半導体層２１を突出部２１Ｐを囲む環状の領域及び当該第１の段差２５Ａの上面にさらに絶縁層２５を追加的に積層してもよい。尚、段差２５ＡＳを形成するための絶縁層２５Ａは、絶縁層２５とは他の材料からなる絶縁層としてもよい。
尚、透光性電極に段差を生じさせないように形成された場合、半導体層の電流経路の静電容量が大きくなり、変調速度が低下する可能性がある。また、静電容量が大きくなると、駆動中の半導体層の発熱量が大きくなり、当該半導体層が溶融してショート等の不具合が発生する場合がある。
すなわち、この段差を形成してｐ電極２７と半導体層２１の表面との間の距離を大きくすることによって、面発光レーザ１０の駆動時にｐ電極２７と半導体層２１の表面との間の静電容量を小さくすることができ、変調速度の低下を防止することが可能となる。また、この静電容量の低下により、駆動中の発熱量を低減することが可能となり、半導体構造層１５の溶融等の不具合の発生も防止することが可能となる。
また、段差１５Ｓ上の透光電極層３１は、金属層であるｐ電極２７で覆われている。これにより、長期通電中の透光電極層３１の当該段差部分においてクラック等の異常の発生を防止することが可能となる。また、仮に長期通電中に透光電極層３１の段差部分にクラックが発生したとしても、ｐ電極２７が段差を覆うように形成されている故、ｐ電極２７とｐ型半導体層２１との導通は保たれる。よって、透光電極層３１の段差部分にクラックが発生したでもオープン等の異常の発生を防止することが可能となる。
従って、本実施例１によれば、長期通電中の駆動電圧の上昇やショート／オープンの不具合が発生することを防止することができ、長寿命な垂直共振器型の面発光レーザ１０を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施例２である面発光レーザ２０について説明する。
図６は、実施例２の面発光レーザ２０の上面図を示す。また、図７は、面発光レーザ２０の図６の５−５線に沿った断面図である。
面発光レーザ２０は、実施例１の面発光レーザ１０と基本的に同様の構成であり、同様の外観を有する。しかし、面発光レーザ２０は、半導体構造層１５の中央領域ＣＡの外側に段差が設けられておらず、中央領域ＣＡの外側に形成された絶縁層２５によって段差が形成されている点において、面発光レーザ１０とは異なる。また、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの外側において、ｐ型不純物が不活性化された不活性化領域層２１Ａが設けられている点において、面発光レーザ１０とは異なる。
不活性化領域層２１Ａは、例えば、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの領域を残してドライエッチングを行うことで、形成することができる。ｐ型半導体層２１などの不純物を含む半導体は、ドライエッチングを行うことによって、その表面が粗面化される。これによって、エッチングされた部分におけるｐ型の不純物が不活性化され、不活性化領域層２１Ａが形成される。また、不活性化領域層２１Ａにおいては、ドライエッチングによって、ｐ型半導体層２１が部分的に除去される。言い換えれば、不活性化領域層２１Ａは、不活性化領域層２１Ａのｐ型半導体層２１を露出する円形の開口部である開口部２１Ｈを有している。尚、不活性化領域層２１Ａにおいてドライエッチングによって、部分的に除去されるエッチング量は、例えば、４ｎｍである。
また、ｐ型半導体層２１上面上の中央領域ＣＡの外側において、透光性絶縁体層としての絶縁層２５が形成されている。また、絶縁層２５は、絶縁層２５の内縁部に段差２５Ｓが形成されている。透光電極層３１及びｐ電極２７は、段差２５Ｓに該当する部分に段差が生じるように形成されている。すなわち、ｐ電極２７は、段差２５Ｓによって生ずる透光電極層３１の段差部分を覆うように形成されている。さらに言い換えれば、ｐ電極２７は、透光性絶縁層２５の内縁、すなわち段差２５Ｓの部分を透光電極層３１を介して覆うように形成されている。
上述した実施例１と同様に、段差２５Ｓを形成してｐ電極２３と半導体層２１の表面との間の距離を大きくすることで、面発光レーザ２０の駆動時にｐ電極２７と半導体層２１との間の静電容量を小さくすることができ、変調速度の低下を防止することが可能となる。また、この静電容量の低下により、駆動中の発熱量を低減することが可能となり、半導体構造層１５の溶融等の不具合の発生も防止することが可能となる。
また、段差２５Ｓの部分における透光電極層３１及びｐ電極２７は、面発光レーザ２０の中心軸ＡＸに対して傾斜を有するような段差であることが好ましい。また、段差２５Ｓの部分における絶縁層２５の傾斜角度は、中心軸ＡＸに対して４５°以上であることが好ましい。言い換えれば、当該傾斜角度は、半導体構造層１５の上面に対して４５°以下であることが好ましい。当該段差に傾斜を設けることにより、当該絶縁層２５の段差２５Ｓ上に成膜される透光性電極層の長期通電中における耐クラック性等の長期信頼性の向上を図ることが可能となる。
上述のように、実施例２の面発光レーザ２０は、窒化ガリウム系半導体の基板１１と、基板１１上に形成された窒化物半導体よりなる第１の多層膜反射鏡１３と、第１の多層膜反射鏡１３上に形成されたｎ型の導電型を有する窒化物半導体よりなるｎ型半導体層１７、ｎ型半導体層１７上に形成された窒化物半導体よりなる活性層１９、及び活性層１９上に形成されかつｎ型の導電型とは反対のｐ型の導電型を有する窒化物半導体よりなるｐ型半導体層２１を含む半導体構造層１５と、ｐ型半導体層２１の上面に形成され、ｐ型半導体層２１の中央領域ＣＡを囲繞する領域に形成されている絶縁層２５と、ｐ型半導体層２１の上面及び不活性化領域層２１Ａの上面に亘って形成され、中央領域ＣＡにおいてｐ型半導体層２１に接触している透光電極層３１と、周辺領域ＰＡの上方の透光電極層３１の上面に形成されているｐ電極２７と、透光電極層３１上に中央領域ＣＡを覆うように形成され、第１の多層膜反射鏡１３との間で共振器ＯＣを構成する第２の多層膜反射鏡２９と、を有し、ｐ電極２７は、絶縁層２５の内縁を透光電極層３１を介して覆うように形成されている。
また、不活性化領域層２１Ａは、ｐ型半導体層２１よりも高い電気抵抗を有する高抵抗領域として機能する。一方、エッチングが行われていない領域、すなわち不活性化領域層２１Ａが設けられていない領域であるｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐは、低抵抗領域として機能する。
ｐ型半導体層２１は、活性層１９に注入される電流経路を狭窄する電流狭窄層として機能する。ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐは、活性層１９に電流が注入される電流注入領域として機能する。一方、ｐ型半導体層２１の不活性化領域層２１Ａは、活性層１９への電流の注入が抑制される非電流注入領域として機能する。
すなわち、面発光レーザ２０においては、ｐ型半導体層２１には、開口部２１Ｈによって露出している部分のみから電流が注入される。また、ｐ型半導体層２１は非常に薄いため、ｐ型半導体層２１内では面内方向、すなわち半導体構造層１５の面内に沿った方向には電流はほとんど拡散しない。従って、面発光レーザ２０においては、活性層１９のうち、開口部２１Ｈの直下の領域にのみ電流が供給されて、当該領域からのみ光が放出される。すなわち、面発光レーザ２０において、開口部２１Ｈが活性層１９における電流の供給範囲を制限する電流狭窄構造となっている。
従って、面発光レーザ２０において、ｎ電極２３及びｐ電極２７との間に電圧が印加されると、図中太線二点鎖線に示す様に、半導体構造層１５内に電流が流れ、活性層１９から光が放出される。活性層１９から放出された光は、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間において反射を繰り返し、共振状態に至る（レーザ発振する）。
また、上述のように、ｐ型半導体層２１の中央領域ＣＡ（低抵抗領域）における層厚は、ｐ型半導体層２１の周辺領域ＰＡ（高抵抗領域）における層厚よりも大きい。
従って、面発光レーザ２０の第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間で形成される共振器ＯＣ内における等価的な屈折率（第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間の光学的距離であり、共振波長に対応する）は、ｐ型半導体層２１と絶縁層２５との屈折率の差によって、上面形状が開口部２１Ｈによって画定される円柱状の中央領域ＣＡとその周りの筒状の周辺領域ＰＡとで異なる。
具体的には、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間において、周辺領域ＰＡの等価屈折率は中央領域ＣＡの等価屈折率よりも低い、すなわち、中央領域ＣＡにおける等価的な共振波長は、周辺領域ＰＡにおける等価的な共振波長よりも長い。尚、上述のように、活性層１９において光が放出されるのは、開口部２１Ｈの直下の領域である。すなわち、活性層１９において光が放出される発光領域は、活性層１９のうち中央領域ＣＡと重なる部分である。
尚、本実施例２においては、電流狭窄構造を形成する高抵抗領域層がドライエッチングによってｐ型半導体層２１が不活性化された不活性化領域層２１Ａである場合について説明した。しかし、高抵抗領域層の構成はこれに限定されない。例えば、高抵抗領域層として、ｐ型半導体層２１にイオン注入を行い高抵抗化処理が施されたＧａＮ層の表面層であってもよい。また、例えば、高抵抗領域層は、ＳｉＯ2等の絶縁層であってもよい。
上述のように、実施例２によれば、段差２５Ｓ上の透光電極層３１は、金属層であるｐ電極２７で覆われている。これにより、長期通電中の透光電極層３１の当該段差部分においてクラック等の異常の発生を防止することが可能となる。また、仮に長期通電中に透光電極層３１の段差部分にクラックが発生したとしても、ｐ電極２７が段差を覆うように形成されている故、ｐ電極２７とｐ型半導体層２１との導通は保たれる。よって、透光電極層３１の段差部分にクラックが発生したでもオープン等の異常の発生を防止することが可能となる。
従って、本実施例２によれば、長期通電中の駆動電圧の上昇やショート／オープンの不具合が発生することを防止することができ、長寿命な垂直共振器型の面発光レーザ２０を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施例３である面発光レーザ３０について説明する。
図８は、実施例３の面発光レーザ３０の斜視図を示す。また、図９は、面発光レーザ２０を、上記実施例１に示したのと同様の断面で切断した断面図を示す。
面発光レーザ３０は、実施例１の面発光レーザ１０と基本的に同様の構成であるが、半導体構造層１５の中央領域ＣＡの外側に円環状の溝１５Ｇが形成されている点において、面発光レーザ１０とは異なる。
図９に示すように、ｐ型半導体層２１の上面、すなわち半導体構造層１５の上面には、円環状の溝１５Ｇが形成されている。溝１５Ｇは、開口部２５Ｈ及び開口部２７Ｈの外側の領域に形成されている。すなわち、溝１５Ｇは、半導体構造層１５の面内方向に対して垂直な方向から見て環状に設けられている溝である。
本実施例においては、溝１５Ｇは、ｐ型半導体層２１の上面において第２の多層膜反射鏡２９の外側に形成されている。すなわち、ｐ型半導体層２１の上面において、溝１５Ｇが第２の多層膜反射鏡２９が形成されている周辺領域ＰＡから露出している。
半導体構造層１５に形成されている溝１５Ｇは、ｐ型半導体層２１の上面の中央部において突出している突出部２１Ｐを囲むように形成されており、ｐ型半導体層２１の上面から活性層１９を貫通してｎ型半導体層１７に至っている。
このように、実施例３の面発光レーザ３０においては、溝１５Ｇが活性層１９を貫通するように形成されている。言い換えれば、溝１５Ｇによって活性層１９に隙間が形成されている。
絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１の上面及び溝１５Ｇの内面を覆うように形成されている。絶縁層２５は、上述のようにｐ型半導体層２１よりも低い屈折率を有している材料からなっている。絶縁層２５は、突出部２１Ｐを露出せしめる開口部２５Ｈを有している。例えば、図８に示すように開口部２５Ｈは円形である。例えば、開口部２５Ｈと突出部２１Ｐとは同様の形状を有しており、開口部２５Ｈの内側面と突出部２１Ｐの外側面は接している。
上述のように、実施例３の面発光レーザ３０においては、溝１５Ｇが活性層１９を貫通するように形成されている。言い換えれば、溝１５Ｇによって活性層１９に隙間が形成されている。この溝１５Ｇは、半導体構造層１５が形成された後に形成される。その後、絶縁層２５が、透光電極層３１、ｐ電極２７及び第２の多層膜反射鏡２９が形成される前に形成される。
従って、半導体構造層１５が形成された後に、活性層１９に至る溝１５Ｇが形成されることで、活性層１９の面内に沿った方向において空間又は隙間が形成される。この隙間によって、活性層１９の形成時に活性層１９の層内方向又は半導体構造層１５の層面方向において発生した歪みが緩和される。
具体的に言えば、活性層１９はその形成時に量子井戸構造を形成するＩｎＧａＮとＧａＮの格子定数の差によって結晶構造が歪んで圧電分極が生じて、ピエゾ電界が生ずる。このピエゾ電界の発生により、活性層１９に注入される電子と正孔との再結合確率が低下し、これが内部量子効率が低くなる一因となる。
面発光レーザ３０においては、半導体構造層１５に活性層１９に至る溝１５Ｇが形成される。この溝による間隙により、活性層１９の成長時において活性層１９の層内方向に生じた歪みが緩和され、活性層１９における内部量子効率が向上すると考えられる。
ここで、面発光レーザ３０の動作について説明する。面発光レーザ３０において、ｎ電極２３及びｐ電極２７との間に電圧が印加されると、図中太線二点鎖線に示す様に、半導体構造層１５内に電流が流れ、活性層１９から光が放出される。活性層１９から放出された光は、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間において反射を繰り返し、共振状態に至る（レーザ発振する）。
面発光レーザ３０においては、ｐ型半導体層２１には、開口部２５Ｈによって露出している部分のみから電流が注入される。また、ｐ型半導体層２１は非常に薄いため、ｐ型半導体層２１内では面内方向、すなわち半導体構造層１５の面内に沿った方向には電流はほとんど拡散しない。従って、面発光レーザ３０においては、活性層１９のうち、開口部２５Ｈの直下の領域にのみ電流が供給されて、当該領域からのみ光が放出される。すなわち、面発光レーザ３０において、開口部２５Ｈが活性層１９における電流の供給範囲を制限する電流狭窄構造となっている。
上述のように、本実施例においては、第１の多層膜反射鏡１３は、第２の多層膜反射鏡２９よりもわずかに低い反射率を有する。従って、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間で共振した光は、その一部が第１の多層膜反射鏡１３及び基板１１を透過し、外部に取り出される。このようにして、面発光レーザ３０は、基板１１の下面から、基板１１の下面及び半導体構造層１５の各層の面内方向に対して垂直な方向に光を出射する。
尚、半導体構造層１５のｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐ及び絶縁層２５の開口部２５Ｈは、活性層１９における発光領域の中心である発光中心を画定し、共振器ＯＣの中心軸（発光中心軸）ＡＸを画定する。共振器ＯＣの中心軸ＡＸは、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの中心を通り、半導体構造層１５の面内方向に対して垂直な方向に沿って延びる。
尚、活性層１９の発光領域とは、例えば、活性層１９内における所定の強度以上の光が放出される所定の幅を有する領域であり、その中心が発光中心である。また、例えば、活性層１９の発光領域とは、活性層１９内において所定の密度以上の電流が注入される領域であり、その中心が発光中心である。また、当該発光中心を通る基板１１の上面又は半導体構造層１５の各層の面内方向に対して垂直な直線が中心軸ＡＸである。発光中心軸ＡＸは、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９とによって構成される共振器ＯＣの共振器長方向に沿って延びる直線である。また、中心軸ＡＸは、面発光レーザ３０から出射されるレーザ光の光軸に対応する。
ここで、面発光レーザ３０における第１の多層膜反射鏡１３、半導体構造層１５及び第２の多層膜反射鏡２９各層の例示的な構成及び溝１５Ｇの例示的な寸法について説明する。本実施例においては、第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１の上面に形成された１ｕｍのＧａＮ下地層、及び４２ペアのｎ−ＧａＮ層及びＡｌＩｎＮ層からなる。
ｎ型半導体層１７は、１５８０ｎｍの層厚のｎ−ＧａＮ層である。活性層１９は、４ｎｍのＩｎＧａＮ層及び５ｎｍのＧａＮ層が４ペア積層された多重量子井戸構造の活性層からなる。活性層１９上には、ＭｇドープされたＡｌＧａＮの電子障壁層が形成され、その上に５０ｎｍのｐ−ＧａＮ層からなるｐ型半導体層２１が形成されている。第２の多層膜反射鏡２９は、Ｎｂ2Ｏ5及びＳｉＯ2を１０．５ペア積層したものである。この場合の共振波長は、４４０ｎｍであった。
半導体構造層１５に形成される溝１５Ｇは、８ｕｍの外径を有し、深さが１２０ｎｍ、幅２ｕｍである。尚、半導体構造層１５上に形成される透光電極層３１は、２０ｎｍのＩＴＯからなる層であり、透光電極層３１及びｐ電極２７の上に４０ｎｍのＮｂ2Ｏ5のスペーサ層を挟んで第２の多層膜反射鏡２９が形成されている。
また、基板１１の裏面は、研磨面となっており、当該研磨面にＮｂ2Ｏ5及びＳｉＯ2の二層のＡＲコートが形成されている。
また、ｐ型半導体層２１は、突出部２１Ｐにおいて５０ｎｍの層厚を有し、それ以外の領域において３０ｎｍの層厚を有することとしてもよい。すなわち、ｐ型半導体層２１は、突出部２１Ｐとそれ以外の部分で層厚が異なっていてもよい。また、絶縁層２５の上面は、ｐ型半導体層２１の突出部２１Ｐの上面と同一の高さ位置に配置されるように構成されている。
尚、図９においては、溝１５Ｇはｐ型半導体層２１の上面に対して垂直方向に溝１５Ｇが形成されているように表記している。しかし、溝１５Ｇ及び溝１５Ｇの部分におけるｐ型半導体層２１、絶縁層２５、透光電極層３１並びにｐ電極２７は、面発光レーザ３０の中心軸ＡＸに対して傾斜した側面を有する段差であることが好ましい。また、当該側面の傾斜角度は、中心軸ＡＸに対して４５°以上であることが好ましい。言い換えれば、当該側面の傾斜角度は、半導体構造層１５の上面に対して４５°以下であることが好ましい。当該段差に傾斜を設けることにより、長期通電中における透光電極層３１の対クラック性等の長期信頼性の向上を図ることが可能となる。
尚、上記した本実施例の面発光レーザ３０の構成は一例に過ぎない。
以下、面発光レーザ３０内部の光学的な特性について説明する。上述のように、面発光レーザ３０において、絶縁層２５は、ｐ型半導体層２１よりも低い屈折率を有する。また、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間における他の層の層厚は、面内のいずれの箇所においても同じ層内であれば同一である。
従って、面発光レーザ３０の第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間で形成される共振器ＯＣ内における等価的な屈折率（第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間の光学的距離であり、共振波長に対応する）は、ｐ型半導体層２１と絶縁層２５との屈折率の差によって、上面形状が開口部２５Ｈによって画定される円柱状の中央領域ＣＡとその周りの筒状の周辺領域ＰＡとで異なる。
具体的には、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２９との間において、周辺領域ＰＡの等価屈折率は中央領域ＣＡの等価屈折率よりも低い、すなわち、中央領域ＣＡにおける等価的な共振波長は、周辺領域ＰＡ等価的な共振波長よりも小さい。尚、上述のように、活性層１９において光が放出されるのは、開口部２５Ｈの直下の領域である。すなわち、活性層１９において光が放出される発光領域は、活性層１９のうち中央領域ＣＡと重なる部分である。
尚、本実施例３においては、上面視において溝１５Ｇが中央領域ＣＡの外側に環状に形成されている場合について説明した。しかし、溝１５Ｇは、完全な環状ではなく断続的に形成された凹部を含む溝構造でもよい。すなわち、溝１５Ｇは、複数の凹部を含む凹構造であっても良い。言い換えれば、溝１５Ｇは、断続的に形成された環状構造であってもよい。例えば、溝１５Ｇは、ｐ型半導体層２１の上面の開口部２５Ｈによって露出している領域を囲む、断続的に形成された環状構造であってもよい。
尚、溝１５Ｇを複数個の凹部によって形成する場合、活性層１９における歪みを均等に緩和するために、上述した発光中心軸ＡＸから見て２方向以上に形成されているのが望ましい。すなわち、溝１５Ｇを複数の凹部によって形成する場合、面発光レーザ３０の上面視において、発光中心軸ＡＸを含む発光領域から見て２方向以上に凹部を形成し、発光領域を凹部によって挟む構造にするのが好ましい。活性層１９における歪みを均等に緩和するために、溝１５Ｇを形成する凹部は、発光中心軸ＡＸに対して回転対称に配置するのがさらに好ましい。言い換えれば、溝１５Ｇを形成する凹部は、半導体構造層１５の面内方向に対して垂直な方向から見て回転対称に設けられているのが好ましい。
すなわち、実施例３の面発光レーザ３０の段差は、半導体構造層１５の中央領域ＣＡを囲む領域に上面から活性層１９を貫通する１又は複数の溝１５Ｇを含む１の凹構造である。また、ｐ電極２７は、１又は複数の溝１５Ｇの内面を覆うように形成されている。
尚、上述のように、溝１５Ｇを複数の凹部で形成する等、溝１５Ｇの形状を変化させることで、上述の実施例の面発光レーザから出射される光の偏光の制御を行うことも可能である。
実施例３によれば、溝１５Ｇ上の透光電極層３１は、金属層であるｐ電極２７で覆われている。これにより、長期通電中の透光電極層３１の当該段差部分においてクラック等の異常の発生を防止することが可能となる。また、仮に長期通電中に透光電極層３１の段差部分にクラックが発生したとしても、ｐ電極２７が段差を覆うように形成されている故、ｐ電極２７とｐ型半導体層２１との導通は保たれる。よって、透光電極層３１の段差部分にクラックが発生したでもオープン等の異常の発生を防止することが可能となる。
従って、本実施例３によれば、長期通電中の駆動電圧の上昇やショート／オープンの不具合が発生することを防止することができ、長寿命な垂直共振器型の面発光レーザ３０を提供することが可能となる。
加えて、上述のように、本実施例の面発光レーザ３０では、半導体構造層１５にｐ型半導体層２１の上面から活性層１９に至る溝１５Ｇが形成されている。この溝１５Ｇによって、活性層１９において、活性層１９の層内方向に生じた歪みが緩和され、活性層１９における内部量子効率が改善し、発光効率を向上が実現可能となる。
尚、実施例１、２及び３のいずれの実施例においても、段差１５Ｓ、２５Ｓ又は溝１５Ｇが中心軸ＡＸから第２の多層膜反射鏡２９の外側に設けられ、面発光レーザの上面視において段差１５Ｓ、２５Ｓ又は溝１５Ｇが露出している場合について説明した。しかし、段差１５Ｓ、２５Ｓ又は溝１５Ｇは、第２の多層膜反射鏡２９に覆われるように設けられていてもよい。
第２の多層膜反射鏡２９が段差１５Ｓ、２５Ｓ又は溝１５Ｇを覆うように形成されるような構成においても、それぞれの実施例と同様の効果を得ることが可能となる。また、実施例３のように溝１５Ｇを有する構造である場合、第２の多層膜反射鏡２９は、溝１５Ｇによって形成される空間を埋めるように形成される。
また、実施例１、２及び３のいずれの実施例においても、基板１１の上面にｎ電極２３が形成されている面発光レーザについて説明した。しかし、ｎ電極２３は基板１１の裏面に形成されていてもよい。この場合、導電性のｎ−ＧａＮ等の材料からなる基板１１を用いて、基板１１の裏面に金属からなるｎ電極を形成すればよい。
この際、基板１１の裏面には、裏面突出部が形成されている。裏面突出部は、基板１１の法線方向から見て、突出部２１Ｐに対応する領域に形成されている。この裏面突出部は、裏面が研磨された後に、裏面突出部の周囲がドライエッチングによって除去されたために残った凸部である。よって、裏面突出部の頂面は研磨面となっており、基板１１の裏面の裏面突出部の周囲の領域は、研磨面がドライエッチングされた表面になっている。ｎ電極は、裏面突出部の周囲の領域、すなわち裏面突出部を除く領域に形成されている。基板１１の裏面突出部は、その頂面が出射する光が外部に放出される開口となり、ｎ電極によって出射光を遮らないためである。すなわち、裏面突出部は、ｎ電極の開口から突出した構造となっている。
すなわち、基板１１はｎ型の導電型を備え、面発光レーザ１０、２０及び３０は、基板１１の半導体構造層１５とは反対側の面であって、かつ、基板１１の上面に垂直な方向から見て中央領域ＣＡに対応する領域を除く箇所にｎ電極を有する。
また、実施例１、２及び３のいずれの実施例においても、絶縁層２５又は不活性化領域層２１Ａによる電流狭窄構造を有する面発光レーザについて説明した。しかし、電流狭窄構造の構成はこれらに限定されない。
例えば、面発光レーザは、ｐ型半導体層２１上の中央領域ＣＡにｐ型半導体層２１よりも高い不純物濃度を有するハイドープｐ型半導体層と、当該ハイドープｐ型半導体層上に形成され、ｎ型半導体層１７よりも高い不純物濃度を有するハイドープｎ型半導体層と、が形成されたトンネル接合層による電流狭窄構造を有するように構成されてもよい。
言い換えれば、中央領域ＣＡの外側の領域において、透光電極層３１の下方の層に設けられており、段差によって透光電極層３１が当該段差の部分に段差が形成され当該透光電極層３１の段差部分を覆うようにｐ電極２７が形成されていればよい。
また、実施例１、２及び３のいずれの実施例においても、透光電極層３１上において中央領域ＣＡ及び周辺領域ＰＡに亘って設けられ、中心軸ＡＸ上に凸部を有する第１の透光絶縁層と、周辺領域ＰＡ内の第１の透光絶縁層上に設けられ、第１の透光絶縁層よりも小さな屈折率を有する第２の透光絶縁層と、を含む光ガイド層を有していてもよい。
これにより、共振器ＯＣ内の定在波が中央領域ＣＡから外側に発散（放射）する光損失が抑制される。すなわち、中央領域ＣＡに多くの光が留まり、またその状態でレーザ光が外部に取り出される。従って、多くの光が中心軸ＡＸの近傍に集中し、安定して単峰性又は多峰性の強度分布を有するレーザ光を生成及び出射することができる。
また、実施例１、２及び３のいずれの実施例においても、ｐ電極２７が透光電極層３１の段差を覆い且つ一体的に形成されている場合について説明した。しかし、ｐ電極２７は、透光電極層３１の段差部分を覆って透光電極層３１の長寿命化を図る第１のｐ電極と、半導体構造層１５の外縁部に形成され且つ実装基板と電気的に接続される第２のｐ電極を有していてもよい。言い換えれば、ｐ電極２７は、透光電極層３１を保護する部分と実装基板に接続される部分とで分離していてもよい。
また、実施例１、２及び３のいずれの実施例においても、ｐ電極２７が透光電極層３１の段差を覆うように形成する場合について説明した。しかし、透光電極層３１の段差を覆う保護膜は、ｐ電極２７に限定されない。
図１０は、実施例１の変形例３の面発光レーザ１０Ｂの断面図を示す。
例えば、図１０に示すように、透光電極層３１の段差部分のみに透光電極層３１と同一材料の第２の透光電極層３１Ａを追加的に積層してもよい。言い換えれば、透光電極層３１の段差部分の膜厚を、例えば、透光電極層３１の膜厚の２倍にしてもよい。これにより、長期通電中の透光電極層３１の段差部分へのクラックの発生を生じにくくすることが可能となる。尚、本変形例においては、第２の透光電極層３１Ａを段差１５Ｓに相当する部分のみに追加的に積層する場合について説明したが、第２の透光電極層３１Ａを積層する範囲はこれに限定されない。例えば、第２の透光電極層３１Ａは、発光領域である中央領域ＣＡを除く範囲に形成されていてもよい。言い換えれば、少なくとも段差１５Ｓに相当する部分を覆うように形成されていればよい。当該変形例３は、実施例２及び３においても適用可能である。
また、図１１は、実施例１の変形例４の面発光レーザ１０Ｃの断面図を示す。
変形例２と同様に、透光電極層３１の段差部分のみに誘電体膜３３を形成してもよい。誘電体膜３３は、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮx又はＡｌ2Ｏ3等の材料からなる誘電体膜である。尚、当該誘電膜３３は、スペーサ層（図示せず）に用いられる高屈折率誘電体膜（本実施例においてはＮｂ2Ｏ5）よりも透光電極層３１に対して反応性の低い誘電体膜であることが好ましい。上記の通り、透光電極層３１の段差部分を誘電体層で保護することにより、長期通電中の透光電極層３１の段差部分へのクラックの発生を生じにくくすることが可能となる。尚、本変形例においては、誘電体膜３３を段差１５Ｓに相当する部分のみに追加的に積層する場合について説明したが、誘電体膜３３を積層する範囲はこれに限定されない。例えば、誘電体膜３３は、発光領域である中央領域ＣＡを除く範囲に形成されていてもよい。言い換えれば、少なくとも段差１５Ｓに相当する部分を覆うように形成されていればよい。ただし、この場合、誘電体膜３３は、ｐ電極２７と透光電極層３１との電気的な接触を阻害しないように形成することが好ましい。すなわち、少なくとも１の部分でｐ電極２７と透光電極層３１とが電気的に接触するように構成されることが好ましい。
当該変形例４は、実施例２及び３においても適用可能である。
また、上述した実施例及び変形例における種々の数値、寸法、材料等は、例示に過ぎず、用途及び製造される面発光レーザに応じて、適宜選択することができる。
１０、２０、３０ 面発光レーザ
１１ 基板
１３ 第１の多層膜反射鏡
１５ 半導体構造層
１７ ｎ型半導体層
１９ 活性層
２１ ｐ型半導体層
２３ ｎ電極
２５ 絶縁層
２７ ｐ電極
２９ 第２の多層膜反射鏡
３１ 透光電極層
３３ 誘電体層

Claims (10)

  1. 窒化ガリウム系半導体の基板と、
    前記基板上に形成された窒化物半導体よりなる第１の多層膜反射鏡と、
    前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、
    前記第２の半導体層の上面に形成され、前記第２の半導体層の１の領域においてに電気的に接触しており且つ、前記第１の領域以外の前記第１の領域を囲繞する他の領域において前記第２の半導体層と絶縁されている透光性電極層と、
    前記他の領域の上方の前記透光性電極層の上面に形成されている金属導電体層と、
    前記透光性電極層上に前記１の領域を覆うように形成され、前記第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、を有し、
    前記半導体構造層の上面の、前記他の領域には段差が形成されており、
    前記金属導電体層は、前記段差上において前記透光性電極層を覆うように形成されていることを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  2. 前記段差は、前記半導体構造層の上面の前記１の領域を囲繞する領域に当該上面から前記活性層を貫通する１又は複数の凹部を含む１の凹構造であることを特徴とする請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
  3. 前記金属導電体層は、前記１又は複数の凹部の内面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。
  4. 前記段差は、前記半導体構造層の上面に対する角度が４５°以下の傾斜面を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の垂直共振器型発光素子。
  5. 前記第１の半導体層は上面にメサ形状の構造を有し、前記メサ形状の構造上に前記活性層及び前記第２の半導体層が積層され、
    前記垂直共振器型発光素子は、前記メサ形状の構造の周囲に存在する前記第１の半導体層の上面に前記第１の半導体層と電気的に接触している電極層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直共振器型発光素子。
  6. 前記基板は前記第１の導電型を備え、
    前記垂直共振器型発光素子は、前記基板の前記半導体構造層とは反対側の面であって、かつ、前記基板の上面に垂直な方向から見て前記１の領域に対応する領域を除く箇所に配置されている電極層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の垂直共振器型発光素子。
  7. 窒化ガリウム系半導体の基板と、
    前記基板上に形成された窒化物半導体よりなる第１の多層膜反射鏡と、
    前記第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の導電型を有する窒化物半導体よりなる第１の半導体層、前記第１の半導体層上に形成された窒化物半導体よりなる活性層、及び前記活性層上に形成されかつ前記第１の導電型とは反対の第２の導電型を有する窒化物半導体よりなる第２の半導体層を含む半導体構造層と、
    前記第２の半導体層の上面に形成され、前記第２の半導体層の１の領域を囲繞する領域に形成されている透光性絶縁層と、
    前記第２の半導体層の上面及び前記透光性絶縁層の上面に亘って形成され、前記１の領域において前記第２の半導体層に接触している透光性電極層と、
    前記他の領域の上方の前記透光性電極層の上面に形成されている金属導電体層と、
    前記透光性電極層上に前記１の領域を覆うように形成され、前記第１の多層膜反射鏡との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡と、を有し、
    前記金属導電体層は、前記透光性絶縁層の内縁を前記透光性電極層を介して覆うように形成されていることを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  8. 前記透光性絶縁層の内縁は、前記半導体構造層の上面に対する角度が４５°以下の傾斜面を有することを特徴とする請求項７に記載の垂直共振器型発光素子。
  9. 前記第１の半導体層は上面にメサ形状の構造を有し、前記メサ形状の構造上に前記活性層及び前記第２の半導体層が積層され、
    前記垂直共振器型発光素子は、前記メサ形状の構造の周囲に存在する前記第１の半導体層の上面に前記第１の半導体層と電気的に接触している電極層を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の垂直共振器型発光素子。
  10. 前記基板は前記第１の導電型を備え、
    前記垂直共振器型発光素子は、前記基板の前記半導体構造層とは反対側の面であって、かつ、前記基板の上面に垂直な方向から見て前記１の領域に対応する領域を除く箇所に配置されている電極層を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の垂直共振器型発光素子。
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US20100327300A1 (en) * 2009-06-25 2010-12-30 Koninklijke Philips Electronics N.V. Contact for a semiconductor light emitting device
JP5707742B2 (ja) * 2009-06-30 2015-04-30 日亜化学工業株式会社 垂直共振器型面発光レーザ
CN108028512B (zh) * 2015-08-10 2020-06-05 慧与发展有限责任合伙企业 低阻抗vcsel
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JP6966843B2 (ja) * 2017-02-08 2021-11-17 スタンレー電気株式会社 垂直共振器型発光素子
JP7331859B2 (ja) * 2018-10-12 2023-08-23 ソニーグループ株式会社 発光素子
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