JP2022187063A - 垂直共振器型発光素子及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】閾値電流が低く、素子破壊が発生しにくい垂直共振器型発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板と、基板上に形成された第１の多層膜反射鏡と、第１の多層膜反射鏡上に形成された第１の導電型を有する第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成された第１の導電型を有する第２の半導体層と、第２の半導体層の上面の外縁を含む領域を露出するように第２の半導体層上に形成された発光層と、発光層上に形成されかつ第１の導電型と反対の第２の導電型を有する第３の半導体層と、を含む窒化物半導体からなる半導体構造層と、第２の半導体層の上面に形成された電極と、第３の半導体層の上面の１の領域において第３の半導体層と電気的に接触している電極層と、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、第２の半導体層は、第１の半導体層よりも抵抗が大きいことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、垂直共振器型発光素子及びその製造方法に関する。
垂直共振器型発光素子として、例えば、特許文献１には、半導体層と当該半導体層を挟んで互いに対向する２つの多層膜反射鏡とを有する垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が開示されている。
特許第３７６３７３７
特許文献１に開示されているようなＶＣＳＥＬにおいては、当該ＶＣＳＥＬ内に流れ込む電流を活性層のレーザ光の利得に寄与する領域にできるだけ多く流し、レーザ光の発振に必要な閾値電流をなるべく低減することが課題の１つとしてあげられる。また、半導体層内における過度な電流集中による素子破壊を防止することも課題の１つとしてあげられる。
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、閾値電流が低く、素子破壊が発生しにくい垂直共振器型発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明による垂直共振器型発光素子は、基板と、前記基板上に形成された第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の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された前記第１の導電型を有する第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上面の外縁を含む領域を露出するように前記第２の半導体層上に形成された発光層と、前記発光層上に形成されかつ前記第１の導電型と反対の第２の導電型を有する第３の半導体層と、を含む窒化物半導体からなる半導体構造層と、前記第２の半導体層の上面に形成された電極と、前記第３の半導体層の上面の１の領域において前記第３の半導体層と電気的に接触している電極層と、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、前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層よりも抵抗が大きいことを特徴としている。
また、本発明による垂直共振器型発光素子の製造方法は、基板上に第１の多層膜反射鏡を形成する第１の多層膜反射鏡形成ステップと、前記第１の多層膜反射鏡上に第１の導電型を有するＧａＮ層、前記第１の導電型を有するＡｌＧａＮ層、発光層及び前記第１の導電型と反対の第２の導電型を有する窒化物半導体層をこの順で積層させる半導体層積層ステップと、前記窒化物半導体層の上面の１の領域にマスクを形成し、前記上面の前記１の領域を除く他の領域にレーザ光を照射した際の反射光の強度を測定しつつ前記他の領域をドライエッチング法によりエッチング処理して前記ＡｌＧａＮ層の上面の外縁を含む領域を露出させるエッチング処理ステップであって、前記反射光の強度の変化に基づいて前記エッチング処理を停止するエッチング処理ステップと、前記ＡｌＧａＮ層の上面に電極を形成する電極形成ステップと、前記窒化物半導体層の上面の１の領域において前記窒化物半導体層と電気的に接触する電極層を形成する電極層形成ステップと、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の多層膜反射鏡を形成する第２の多層膜反射鏡形成ステップと、を有することを特徴としている。
実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの斜視図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの上面図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの断面図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの製造方法のフローチャートである。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの製造工程の一部を示す図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの製造工程の一部を示す図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの製造工程の一部を示す図である。 実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザの製造工程の一部を示す図である。 実施例２に係る垂直共振器型面発光レーザの上面図である。
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、実施例１に係る垂直共振器型面発光レーザ（以下、単に面発光レーザと称する）１０の斜視図である。
基板１１は、上面形状が矩形の平板状の基板である。本願の図面においては、一例として、基板１１の上面形状が正方形である場合を示している。基板１１は、その上面において半導体結晶を成長させることが可能な成長用基板である。本実施例において、基板１１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなる。
第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１上において低屈折率半導体膜と当該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。第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１の上面を覆うように形成されている。従って、第１の多層膜反射鏡１３は、基板１１の上面形状と同一の、すなわち矩形の上面形状を有している。本実施例において、第１の多層膜反射鏡１３は、半導体材料からなるいわゆる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）である。
本実施例において、第１の多層膜反射鏡１３は、窒化アルミニウムインジウム（ＡｌＩｎＮ）の組成を有する低屈折率半導体膜と、ＧａＮの組成を有する高屈折率半導体膜とが交互に積層されて形成される。例えば、基板１１の上面には、ＧａＮ組成を有するバッファ層（図示せず）が設けられ、当該バッファ層上に上記した高屈折率半導体膜と低屈折半導体膜とを交互に成膜することで第１の多層膜反射鏡１３が形成される。
半導体構造層ＥＭ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。本実施例において、半導体構造層ＥＭは、第１の半導体層１５と、第２の半導体層１６と、第３の半導体層１７と、活性層１８と、第４の半導体層１９とから構成される。
第１の半導体層１５は、第１の多層膜反射鏡１３上に形成され、かつ第１の導電型であるｎ型を有する窒化物半導体層である。第１の半導体層１５は、第１の多層膜反射鏡１３の上面を覆うように形成されている。従って、第１の半導体層１５は、第１の多層膜反射鏡１３の上面形状と同一の、すなわち矩形の上面形状を有している。本実施例において、第１の半導体層１５は、ＧａＮの組成を有し、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドーピングされている。
第２の半導体層１６は、第１の半導体層１５上に形成され、かつｎ型を有する窒化物半導体層である。第２の半導体層１６は、第１の半導体層１５の上面を覆うように形成されている。従って、第２の半導体層１６は、第１の半導体層１５の上面形状と同一の、すなわち矩形の上面形状を有している。
本実施例において、第２の半導体層１６は、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）の組成を有し、ｎ型不純物としてＳｉがドーピングされている。第２の半導体層１６は、その組成故に第１の半導体層１５よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。
また、本実施例において、第２の半導体層１６は、第１の半導体層１５よりも層厚が薄く形成されている。具体的には、本実施例において、第１の半導体層１５は層厚が１４００ｎｍであり、第２の半導体層１６は層厚が１０ｎｍである。
また、第２の半導体層１６は、第１の半導体層１５よりも抵抗が高く構成されている。面発光レーザ１０において、第２の半導体層１６は、第１の半導体層１５よりも材料の抵抗値が高くかつ層厚が薄く形成されている。よって、第２の半導体層１６は、シート抵抗が第１の半導体層１５よりも高くなっている。
第３の半導体層１７は、第２の半導体層１６の上面１６Ｔの略中央において形成され、かつｎ型を有する窒化物半導体層である。第３の半導体層１７は、上面形状が円形を有し、第２の半導体層１６の上面１６Ｔの外縁を含む領域を露出するように形成されている。本実施例において、第３の半導体層１７は、ＧａＮの組成を有し、ｎ型不純物としてＳｉがドーピングされている。
活性層１８は、第３の半導体層１７の上面を覆うように形成されている半導体層である。従って、活性層１８は、第３の半導体層１７の上面形状と同一の、すなわち円形の上面形状を有している。
本実施例において、活性層１８は、窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）の組成を有する井戸層及びＧａＮの組成を有する障壁層を含む量子井戸構造を有する。活性層１８は、当該活性層１８内において電子と正孔との再結合によって光を発生させる層である。言い換えれば、活性層１８は、当該活性層１８から光を放出させる発光層である。
第４の半導体層１９は、活性層１８上に形成され、第２の導電型であるｐ型を有する窒化物半導体層である。第４の半導体層１９は、活性層１８の上面を覆うように形成されている。従って、第４の半導体層１９は、活性層１８の上面形状と同一の、すなわち円形の上面形状を有している。本実施例において、第４の半導体層１９は、ＧａＮの組成を有し、ｐ型の不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）がドーピングされている。
なお、本実施例において、活性層１８と第４の半導体層１９との間には、キャリアブロック層としてのｐ型のＡｌＧａＮ層（図示せず）が形成され、第４の半導体層１９上にはコンタクト層としてのｐ型のＧａＮ層（図示せず）が形成されている。
本実施例において、半導体構造層ＥＭは、第２の半導体層１６の上面１６Ｔ上に第３の半導体層１７、活性層１８及び第４の半導体層１９がこの順で積層されることによって、当該第２の半導体層１６の上面１６Ｔから上方に伸長する円柱状の部分を形成している。言い換えれば、半導体構造層ＥＭは、第２の半導体層１６の上面１６Ｔから突出する第３の半導体層１７を含むメサ形状の構造（以下、メサ構造とも称する）を有し、当該メサ構造上に活性層１８及び第４の半導体層１９が積層されている。
ｎ電極ＮＥは、第２の半導体層１６の上面１６Ｔに形成され、当該第２の半導体層１６と電気的に接続されている環状の金属電極である。ｎ電極ＮＥは、第２の半導体層１６の上面１６Ｔにおいて、第３の半導体層１７を囲むように当該第３の半導体層１７と離隔して形成されている。本実施例において、ｎ電極ＮＥは、第２の半導体層１６の上面１６Ｔにチタン（Ｔｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）がこの順で形成されている。
絶縁層２１は、第４の半導体層１９上に形成されている絶縁体からなる透光性絶縁層である。絶縁層２１は、当該絶縁層２１の中央において第４の半導体層１９を露出させる円形の開口を有する（図１では図示せず）。本実施例において、絶縁層２１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から構成される。
透光性電極層２３は、上記した開口を覆うように絶縁層２１上に形成されている透光性を有する導電膜である。透光性電極層２３は、円形の上面形状を有している。本実施例において、透光性電極層２３は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から構成される。
ｐ電極ＰＥは、透光性電極層２３の上面２３Ｔの外縁に沿って形成され、当該透光性電極層２３と電気的に接続されている環状の金属電極である。本実施例において、ｐ電極ＰＥは、金（Ａｕ）から構成される。
第２の多層膜反射鏡２５は、透光性電極層２３の上面２３Ｔにおいて低屈折率誘電体膜と当該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。第２の多層膜反射鏡２５は、透光性電極層２３の上面よりも小さい円形の上面形状を有する。
本実施例において、第２の多層膜反射鏡２５は、誘電体材料からなるいわゆる分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）である。第２の多層膜反射鏡２５は、ｐ電極ＰＥと離隔して形成されている。
本実施例において、第２の多層膜反射鏡２５は、ＳｉＯ2からなる低屈折率誘電体膜と、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）からなる高屈折率誘電体膜とが交互に積層されて形成される。なお、第２の多層膜反射鏡２５は、低屈折率誘電体膜として五酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）を用いてもよく、また、高屈折率誘電体膜としてＡｌ2Ｏ3を用いてもよい。
本実施例において、第１の多層膜反射鏡１３及び第２の多層膜反射鏡２５は、図中上下方向において上記した半導体構造層ＥＭを挟むように配されており、当該半導体構造層ＥＭの活性層１８から放出される光を発振させるための共振器として構成される。
面発光レーザ１０において、ｎ電極ＮＥ及びｐ電極ＰＥとの間に電圧が印加されると、上記した電流狭窄層を介して活性層１８に電流が流れ、この電流値が、出力光の強度が急激に増加する一定の電流値、すなわち閾値電流に達すると当該活性層１８から誘導放出光が放出される。活性層１８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２５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）。
本実施例において、第１の多層膜反射鏡１３は、第２の多層膜反射鏡２５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２５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を透過して外部に取り出される。すなわち、第１の多層膜反射鏡１３と第２の多層膜反射鏡２５との間で共振した光は、図中下方に向けて出射される。
なお、本実施例において、基板１１の下面には、Ｎｂ2Ｏ5とＳｉＯ2とを積層させた反射防止膜（図示せず）が形成されている。反射防止膜は、基板１１から出射される光が当該基板１１の下面で反射することを抑制する、いわゆるＡＲコートである。
図２は、面発光レーザ１０の上面図である。図２において、上面視における面発光レーザ１０の中心を図中奥行き方向に通る軸を中心軸ＣＡとして示す。本実施例において、中心軸ＣＡ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。
面発光レーザ１０は、上記したように、上面形状が矩形の第１の半導体層１５及び第２の半導体層１６と、第２の半導体層１６の上面１６Ｔに形成された上面形状が円形の第３の半導体層１７、活性層１８及び第４の半導体層１９とを含む半導体構造層ＥＭを有している。
また、面発光レーザ１０は、上記したように、第４の半導体層１９上に形成された絶縁層２１と、当該絶縁層２１上に形成された透光性電極層２３と、当該透光性電極層２３の上面２３Ｔに形成された第２の多層膜反射鏡２５とを有している。
絶縁層２１は、上記したように、当該絶縁層２１の中央において第４の半導体層１９を露出させる円形の開口２１Ｏを有する。言い換えれば、絶縁層２１は、第４の半導体層１９上に形成されている環状の絶縁層である。開口２１Ｏは、図２に示すように、上面視において第２の多層膜反射鏡２５に覆われている。
また、面発光レーザ１０は、上記したように、第２の半導体層１６の上面１６Ｔに形成されているｎ電極ＮＥ及び透光性電極層２３の上面２３Ｔに形成されているｐ電極ＰＥを有している。上面視において、ｎ電極ＮＥ及びｐ電極ＰＥは、中心軸ＣＡに対して互いに同心円である円環形状を有しており、ｎ電極ＮＥは、ｐ電極ＰＥよりも径が大きく構成されている。
図３は、図２における面発光レーザ１０の３－３線に沿った断面図である。面発光レーザ１０は、上記したように、基板１１上に形成された第１の多層膜反射鏡１３と、第１の多層膜反射鏡１３上に形成された半導体構造層ＥＭと、当該半導体構造層ＥＭを挟んで第１の多層膜反射鏡１３との間で共振器を構成する第２の多層膜反射鏡２５とを有する。
本実施例において、第４の半導体層１９は、当該第４の半導体層１９の中央から突出している上面形状が円形の突出部１９Ｐを有している。突出部１９Ｐは、当該突出部１９Ｐの上面１９ＰＴが透光性電極層２３の下面に接している。
絶縁層２１は、第４の半導体層１９の上面において突出部１９Ｐの上面を露出せしめる開口２１Ｏを有している。言い換えれば、絶縁層２１は、突出部１９Ｐを囲繞するように環状に形成されている。本実施例において、絶縁層２１の層厚と突出部１９Ｐの層厚とは略同一である。
透光性電極層２３は、絶縁層２１の上面及び当該絶縁層２１の開口２１Ｏから露出している突出部１９Ｐの上面を覆うように形成されている。すなわち、透光性電極層２３は、突出部１９Ｐの上面１９ＰＴを介して第４の半導体層１９と電気的に接触している。言い換えれば、透光性電極層２３は、突出部１９Ｐの上面と接触していない領域において、第４の半導体層１９と電気的に絶縁されている。
本実施例において、第４の半導体層１９の突出部１９Ｐを囲繞している絶縁層２１は、活性層１８に対する電流の供給範囲を制限する、いわゆる電流狭窄層となっている。すなわち、ｐ電極ＰＥから透光性電極層２３に流れた電流は、当該透光性電極層２３と電気的に接触している突出部１９Ｐの上面１９ＰＴを介して活性層１８へと流入していく。
［半導体構造層内を流れる電流の経路］
以下に、半導体構造層ＥＭ内を流れる電流の経路について図３を用いて詳細に説明する。
面発光レーザ１０において、第２の半導体層１６は、上記したように、第１の半導体層１５よりも材料の抵抗値が高くかつ層厚が薄く形成されている。よって、第２の半導体層１６は、シート抵抗が第１の半導体層１５より高くなっている。
本実施例によれば、面発光レーザ１０が上記構成を有していることにより、ｐ電極ＰＥから透光性電極層２３を介して第４の半導体層１９の突出部１９Ｐの上面１９ＰＴに到達した電流は、当該上面１９ＰＴから第１の半導体層１５への最短経路を通って当該第１の半導体層１５内を進行し、ｎ電極ＮＥへと流れていく。
具体的には、突出部１９Ｐの上面１９ＰＴに到達した電流は、第４の半導体層１９、活性層１８、第３の半導体層１７及び第２の半導体層１６の各々を厚み方向に進行して第１の半導体層１５へと流れていく。第１の半導体層１５に到達した電流は、当該第１の半導体層１５内で面内方向に拡散してｎ電極ＮＥへと流れていく。
言い換えれば、半導体構造層ＥＭ内を流れる電流の流れは、第４の半導体層１９、活性層１８、第３の半導体層１７及び第２の半導体層１６内において、縦方向ベクトルが支配的になっており、第１の半導体層１５内においては、横方向ベクトルが支配的になっている。従って、上面１９ＰＴから流入した電流は、上面１９ＰＴから第１の半導体層１５に至るまで直下の方向に主に流れ、第１の半導体層１５に入った後に横方向に流れる。
例えば、ｐ電極ＰＥから突出部１９Ｐの上面１９ＰＴに到達した電流は、図３中の電流経路ＣＰ１に示すように、主に、第４の半導体層１９、活性層１８、第３の半導体層１７及び第２の半導体層１６の各々の中央領域を通って第１の半導体層１５へと流れる。
本実施例によれば、電流が上面１９ＰＴから第３の半導体層１７の下端のメサ構造の立ち上がり部分近傍の領域である領域ＲＡ（図中破線の領域）に集中することを防止することができる。そのため、本実施例によれば、上記した領域ＲＡへの電流集中に起因する素子破壊等を防ぐことができる。
また、本実施例によれば、上面１９ＰＴから流れる電流は、活性層１８における第４の半導体層１９の突出部１９Ｐの直下の領域ＬＡ（図中二点鎖線の領域）を厚み方向に流れていく。当該領域ＬＡは、注入された電流（キャリア）がレーザ光の利得に寄与する領域である。
そのため、本実施例によれば、例えば、電流が上記した領域ＬＡの周囲のレーザ光の利得に寄与しない領域、すなわち光損失が発生してしまう領域に流れることを防ぐことができる。従って、本実施例によれば、光損失が発生してしまう領域に電流が不必要に流れることを防ぐことができるため、レーザ光の発振に必要な閾値電流を低下させることができる。
このように、本実施例によれば、上記した領域ＲＡ等への電流集中に起因する素子破壊を防ぐことができ、また、レーザ光の発振に必要な閾値電流を低下させることができる。
ここで、面発光レーザ１０において、上記したような素子破壊防止効果または閾値電流低下効果をもたらす電流の流れを生むために好ましい、半導体構造層ＥＭ内の各層の具体的な構成について説明する。
本実施例において、第１の半導体層１５は、電流が当該第１の半導体層１５内を面内方向に流れる経路とするために、第２の半導体層１６よりも１０倍以上の層厚を有していることが好ましい。具体的には、第１の半導体層１５は、５００ｎｍ以上且つ１６００ｎｍ以下の層厚であることが好ましい。
本実施例において、第２の半導体層１６は、７ｎｍ以上且つ２０ｎｍ以下の層厚であることが好ましい。これは、第２の半導体層１６の層厚が７ｎｍ未満である場合、第３の半導体層１７と第１の半導体層１５との間の距離が短くなり、上記した領域ＲＡへの電流集中を防ぎにくくなるためである。また、第２の半導体層１６の層厚が２０ｎｍを超える場合、素子に印加される電圧の上昇を招く恐れがあるためである。
本実施例において、ＧａＮからなる第１の半導体層１５には、ｎ型ドーパントとして２×１０18～５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度を有するＳｉをドーピングさせることが好ましい。これは、Ｓｉの濃度が２×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である場合、第１の半導体層１５内に電流が流れにくくなるためであり、５×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える場合、光吸収による光の内部損失が増加する恐れがあるためである。
本実施例において、ＡｌＧａＮからなる第２の半導体層１６は、Ａｌの含有率が８％以上且つ３５％以下であることが好ましい。これは、Ａｌの含有率が８％未満である場合、上記した領域ＲＡへの電流集中を防ぎにくくなるためであり、Ａｌの含有率が３５％を超える場合、第２の半導体層１６と当該第２の半導体層１６の上面１６Ｔに形成されたｎ電極ＮＥとの間のコンタクト抵抗が増加するためである。
本実施例において、ＡｌＧａＮからなる第２の半導体層１６には、ｎ型ドーパントとして３×１０18～８×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度を有するＳｉをドーピングさせることが好ましい。これは、Ｓｉの濃度が３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3未満である場合、第２の半導体層１６の上面１６Ｔに形成されたｎ電極ＮＥと当該第２の半導体層１６とのコンタクト抵抗が増加するためであり、８×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3を超える場合、ＡｌＧａＮ層としての結晶性が悪化する恐れがあるためである。
本実施例において、第２の半導体層１６の形成位置は、レーザ光の吸収による光の内部損失を低減させるために、共振器内部における光電界強度が小さくなる部分、すなわち光電界分布の節部分に形成することが好ましい。また、活性層１８は、厚み方向の中心が光電界分布の腹部分に形成することが好ましい。
具体的には、第２の半導体層１６は、活性層１８の厚み方向の中心から距離ａの位置に当該第２の半導体層１６の厚み方向の中心が位置するように形成されることが好ましい。ここで、距離ａは、ａ＝（２ｍ＋１）×０．２５λ／ｎとして表すことができ、ｍは任意の整数、λはレーザ光の発振波長、ｎは当該発振波長でのＧａＮの屈折率を示している。
なお、本実施例において、コンタクト層である第４の半導体層１９はｐ型のＧａＮ層であるとしたが、ｐ型のＩｎＧａＮ層としてもよい。
［面発光レーザの製造方法］
以下に、図４を用いて面発光レーザ１０の製造方法について説明する。図４は、面発光レーザ１０の例示的な製造工程を示したフローチャートである。本実施例において、半導体構造層ＥＭにおける各々の半導体層の形成は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いて実施される。
まず、第１の多層膜反射鏡１３を形成する工程として、ＭＯＣＶＤ装置内でＧａＮからなる基板１１上に、III族原料のトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）及びアンモニアガスを導入してＡｌＩｎＮを形成する。続いて、ＴＭＡ及びＴＭＩｎの代わりにIII族原料のトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を導入してＧａＮを形成する。この工程を４１回繰り返して４１組のＡｌＩｎＮ／ＧａＮからなる第１の多層膜反射鏡１３を形成する（ステップＳ１０１）。
なお、このとき、ＡｌＩｎＮ及びＧａＮは、基板１１の結晶面の（０００１）面上に層状に形成され、各々の層厚が所望の波長に対する光学的層厚の１／４になるように形成される。
次に、半導体層積層工程として、第１の多層膜反射鏡１３上に第１のｎ型ＧａＮ層である第１の半導体層１５、ｎ型ＡｌＧａＮ層である第２の半導体層１６、第２のｎ型ＧａＮ層、活性層及びｐ型ＧａＮ層をこの順で積層させる（ステップＳ１０２）。
具体的な積層工程として、まず、ＴＭＧａ及びＳｉを含むドーピングガスＳｉＨ4を導入して、層厚が１４００ｎｍ且つＳｉドープ量が３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の第１の半導体層１５（第１のｎ型ＧａＮ層）を形成する。
続いて、第１のｎ型ＧａＮ層上にＴＭＡの原料供給を加えて、層厚が１０ｎｍ且つＳｉドープ量が１×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の第２の半導体層１６（ｎ型ＡｌＧａＮ層）を、Ａｌ組成が２０％となるように形成する。
続いて、第２の半導体層１６上に層厚が１００ｎｍ且つＳｉドープ量が３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の第２のｎ型ＧａＮ層を形成する。第２のｎ型ＧａＮ層は、第２の半導体層１６と当該第２のｎ型ＧａＮ層上に形成するノンドープのＩｎＧａＮ層との間の格子不整合差を緩和させるために形成する。
続いて、第２のｎ型ＧａＮ層上にＴＭＧとトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を供給してＩｎ組成が５％のノンドープのＩｎＧａＮ層を形成する。ノンドープのＩｎＧａＮ層は、その上に形成する活性層の歪を緩和させるために形成する。なお、当該ＩｎＧａＮ層は、１×１０17～１×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の範囲でＳｉをドープし、活性層へのキャリア注入を促進させるための層として使用してもよい。
続いて、ノンドープのＩｎＧａＮ層上に層厚が４ｎｍのノンドープのＧａＮ障壁層及び層厚が３ｎｍのノンドープのＩｎＧａＮ井戸層の積層を５回繰り返した後に、層厚が５ｎｍのノンドープのＧａＮ障壁層を積層することで活性層を形成させる。
その後、Ｍｇがドープされた層厚が２０ｎｍのｐ型ＡｌＧａＮキャリアブロック層（Ａｌ組成比２０％）、ｐ型ＧａＮ層及びｐ型ＧａＮコンタクト層を活性層上にこの順で形成して半導体層積層工程を終了する。
次に、ステップＳ１０２にて積層した半導体層に対してドライエッチング法を用いてエッチング処理を実施する（ステップＳ１０３）。ここで、図５～図８を用いてエッチング処理工程について詳細に説明する。
図５は、ステップＳ１０２において第１の多層膜反射鏡１３上に各半導体層を積層した後の製造途中の面発光レーザ１０の断面図である。製造途中の面発光レーザ１０は、第１の多層膜反射鏡１３上に第１の半導体層１５、第２の半導体層１６、第２のｎ型ＧａＮ層１７Ｍ、活性層１８Ｍ及びｐ型ＧａＮ層１９Ｍがこの順で積層されている。
図６は、ｐ型ＧａＮ層１９Ｍにおいて突出部１９Ｐ（本実施例における電流狭窄層）を形成した後の製造途中の面発光レーザ１０の断面図である。当該突出部１９Ｐは、ステップＳ１０２の後に、公知のフォトリソグラフィ技術を用いてｐ型ＧａＮ層１９Ｍの一部を除去することによって形成される。本実施例において、当該突出部１９Ｐは、ｐ型ＧａＮ層１９Ｍの上面の略中央の領域にΦ５．５μｍのマスクを形成し、当該マスクの形成領域を除く領域に対してエッチング装置を用いてエッチング処理することで形成される。
図７は、突出部１９Ｐを形成した後に、ｐ型ＧａＮ層１９Ｍの上面に対してエッチング処理を開始する際の製造途中の面発光レーザ１０の断面図である。図７に示すように、ｐ型ＧａＮ層１９Ｍの上面にはマスクＭＳが形成されている。マスクＭＳは、ｐ型ＧａＮ層１９Ｍの上面にレジストを塗布し、突出部１９Ｐに相当する部分の径よりも大きな同心円が残るように当該レジストの一部を除去することによって形成される。
エンドポイント検出装置２６は、半導体層のエッチング処理時において所望のエッチング深さ（エンドポイント）を検出するための装置である。エンドポイント検出装置２６は、例えば、エッチング装置に組み込まれる。エンドポイント検出装置２６は、投受光部２７と制御部２８とを含んで構成される。
投受光部２７は、レーザ光を出射する投光部と当該レーザ光を対象物に照射した際の反射光を受光する受光部とを備える投受光部である。制御部２８は、投受光部２７に接続されており、例えば、投受光部２７の位置や当該投受光部２７からのレーザ光の照射強度等の制御を行う部分である。
上記したエンドポイント検出装置２６の投受光部２７を用いて、ｐ型ＧａＮ層１９Ｍの上面のマスクＭＳを形成した領域を除く領域、すなわちｐ型ＧａＮ層１９Ｍの上面が露出している領域に対してレーザ光を照射しつつ、当該領域のエッチング処理を開始する。図７において、投受光部２７からｐ型ＧａＮ層１９Ｍの上面に向けて照射した光をレーザ光Ｌ１として示し、当該レーザ光Ｌ１が反射した光を反射光Ｌ２として示す。
図８は、上記したエッチング処理によって第２の半導体層１６の上面の外縁を含む領域を露出させた後の製造途中の面発光レーザ１０の断面図である。図８に示す製造途中の面発光レーザ１０の構成は、投受光部２７から照射したレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２の強度を測定しつつ、上記したマスクを形成した領域を除くｐ型ＧａＮ層１９Ｍ、活性層１８Ｍ及び第２のｎ型ＧａＮ層１７Ｍの各々をエッチング処理によって除去することによりなされる。このとき、エッチング処理によって第２の半導体層１６が露出されたことは、反射光Ｌ２の強度に基づいて判定することができる。
具体的には、エンドポイント検出装置２６の投受光部２７を用いて、第２の半導体層１６上に形成されている第２のｎ型ＧａＮ層１７Ｍにレーザ光Ｌ１が照射されている際の反射光Ｌ２の強度と、第２の半導体層１６にレーザ光Ｌ１が照射された際の反射光Ｌ２の強度との違いを検出したことで、当該第２の半導体層１６が露出されたと判定することができる。
上記したエッチング処理によって第２の半導体層１６が露出された後に、マスクＭＳを除去することで、上記したメサ構造を有する半導体構造層ＥＭを形成することができる。
このように、エンドポイント検出装置２６を用いて、半導体層に照射されたレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２の強度に基づいてエッチング処理を行うことにより、上面の外縁を含む領域が露出した第２の半導体層１６及び当該第２の半導体層１６上に形成されたメサ構造を有する半導体構造層ＥＭを形成することができる。
再び図４を参照する。ステップＳ１０３の後に、当該ステップＳ１０３によって露出された第２の半導体層１６の上面に層厚が１０ｎｍのＴｉ及び層厚が５００ｎｍのＡｌをこの順で積層して環状のｎ電極ＮＥを形成する（ステップＳ１０４）。
次に、絶縁層２１の形成工程として、ステップＳ１０３によって形成された第４の半導体層１９の突出部１９Ｐ（電流狭窄層）を囲繞するように、当該第４の半導体層１９の突出部１９Ｐの周囲にＳｉＯ2からなる誘電体膜を設ける（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５により、当該絶縁層２１の開口２１Ｏから突出部１９Ｐの上面が露出される。
次に、ステップＳ１０５によって露出された突出部１９Ｐの上面及び絶縁層２１の上面を覆うように、当該突出部１９Ｐ及び絶縁層２１上にＩＴＯからなる透光性電極層２３を形成する（ステップＳ１０６）。
次に、透光性電極層２３の上面の突出部１９Ｐ上の領域を覆うように、当該透光性電極層２３にＮｂ2Ｏ5及びＳｉＯ2の積層を１０回繰り返して１０組のＮｂ2Ｏ5／ＳｉＯ2からなる第２の多層膜反射鏡２５を形成する（ステップＳ１０７）。このとき、Ｎｂ2Ｏ5及びＳｉＯ2は、各々の層厚が所望の波長に対する光学的層厚の１／４になるように形成される。
次に、透光性電極層２３の上面の外縁に沿ってＡｕを形成することで環状のｐ電極ＰＥを形成する（ステップＳ１０８）。
最後に、基板１１の裏面（第１の多層膜反射鏡１３の形成面の反対面）に反射防止膜（図示せず）を形成して、図３に示した面発光レーザ１０が製造される。なお、上記した製造工程は例示的に過ぎず、半導体にドープする元素や各々の部材の寸法等は適宜変更可能である。
次に、実施例２に係る面発光レーザ２０について図９を用いて説明する。面発光レーザ２０は、半導体構造層ＥＭの構成が実施例１と異なっており、それ以外の構成において実施例１と同様の構成を有する。
図９は、図３に示した断面図と同様に、図２の３－３線に沿った面発光レーザ２０の断面図である。第５の半導体層２９は、ＡｌＧａＮからなる第２の半導体層１６の下面に接して形成されているノンドープの窒化物半導体層である。
第５の半導体層２９は、第１の半導体層１５の上面を覆うように形成されている。従って、第５の半導体層２９は、第１の半導体層１５の上面形状と同一の、すなわち矩形の上面形状を有している。本実施例において、第５の半導体層２９は、ＧａＮの組成を有する。
本実施例において、ノンドープのＧａＮからなる第５の半導体層２９とＡｌＧａＮからなる第２の半導体層１６との界面には電子が充満しており、当該界面は、他の領域に比べて電導度が高い状態となっている。
具体的には、本実施例において、第５の半導体層２９と第２の半導体層１６との界面の第５の半導体層２９側の領域には、面内方向への移動度が高い自由電子が層状に広がっている状態、すなわち２次元電子ガス層が形成されている。
本実施例によれば、突出部１９Ｐの上面１９ＰＴに到達した電流は、第４の半導体層１９、活性層１８、第３の半導体層１７及び第２の半導体層１６の各々を厚み方向に進行して第５の半導体層２９へと流れていく。第５の半導体層２９に到達した電流は、当該第５の半導体層２９内の上記した２次元電子ガス層を面内方向に拡散し、ｎ電極ＮＥへと流れていく。
例えば、ｐ電極ＰＥから突出部１９Ｐの上面１９ＰＴに到達した電流は、図９中の電流経路ＣＰ２に示すように、第４の半導体層１９、活性層１８、第３の半導体層１７及び第２の半導体層１６の各々の中心を通って第５の半導体層２９へと流れ、再び第２の半導体層１６を厚み方向に進行してｎ電極ＮＥへと流れていく。
このように、本実施例によれば、電流が上記した経路に沿って流れることにより、当該電流が上面１９ＰＴからｎ電極への最短経路を通るような挙動、例えば、電流が上面１９ＰＴから第３の半導体層１７の下端近傍の領域ＲＡに集中するような経路を進行することがなくなる。言い換えれば、本実施例によれば、電流がメサ構造の立ち上がり部分の近傍に集中することを防ぐことができる。そのため、本実施例によれば、上記した領域ＲＡへの電流集中に起因する素子破壊等を防ぐことができる。
また、本実施例によれば、上面１９ＰＴから流れる電流は、実施例１と同様に、活性層１８における第４の半導体層１９の突出部１９Ｐの直下の領域ＬＡ（電流がレーザ光の利得に寄与する領域）を厚み方向に流れていく。
そのため、本実施例によれば、例えば、電流が上記した領域ＬＡの周囲のレーザ光の利得に寄与しない領域、すなわち光損失となる領域に流れることを防ぐことができる。従って、本実施例によれば、電流が光損失となる領域に不必要に流れることを防ぐことができ、レーザ光の発振に必要な閾値電流を低減させることができる。
このように、本実施例によれば、実施例１と同様に、面発光レーザ１０の半導体構造層ＥＭ内において、電流が半導体層内のレーザ光の利得に寄与する領域を進行しつつ、レーザ光の発振に必要な閾値電流を低減させることができる。
なお、第５の半導体層２９は、第２の半導体層１６との間において２次元電子ガスを生成する観点から層厚が１０～５０ｎｍであることが好ましい。すなわち、第５の半導体層２９は、第１の半導体層１５よりも層厚が薄く構成されている。
なお、本実施例において、第５の半導体層２９が電流を面内方向に拡散させる経路とするために、当該第５の半導体層２９の下に形成されている第１の半導体層は、ドープされるＳｉの濃度が実施例１と異なっていてもよい。例えば、第１の半導体層にドープされるＳｉの濃度は、動作電圧が不安定にならない程度の濃度である５×１０17～３×１０18ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の範囲であってもよい。
なお、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。例えば、上記実施例においては、垂直共振器型面発光レーザについて説明したが、本発明の上記構成の適用対象は、面発光レーザに限定されず、垂直共振器型発光ダイオード等、垂直共振器型の他の発光装置にも適用することができる。
また、上述した実施例及び変形例において、「第１の」、「第２の」などとして付される序数詞は、便宜上用いているものであり、部材の積層順などを示さない場合がある。そのため、例えば、「第１の」を「第２の」と適宜置き換えて説明することができる。
１０、２０ 面発光レーザ
１１ 基板
１３ 第１の多層膜反射鏡
１５ 第１の半導体層
１６ 第２の半導体層
１７ 第３の半導体層
１８ 活性層
１９ 第４の半導体層
２１ 絶縁層
２３ 透光性電極層
２５ 第２の多層膜反射鏡
２６ エンドポイント検出装置
２７ 投受光部
２８ 制御部
２９ 第５の半導体層
ＥＭ 半導体構造層
ＮＥ ｎ電極
ＰＥ ｐ電極

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された第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の導電型を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に形成された前記第１の導電型を有する第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上面の外縁を含む領域を露出するように前記第２の半導体層上に形成された発光層と、前記発光層上に形成されかつ前記第１の導電型と反対の第２の導電型を有する第３の半導体層と、を含む窒化物半導体からなる半導体構造層と、
    前記第２の半導体層の上面に形成された電極と、
    前記第３の半導体層の上面の１の領域において前記第３の半導体層と電気的に接触している電極層と、
    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、
    前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層よりも抵抗が大きいことを特徴とする垂直共振器型発光素子。
  2. 前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層よりもバンドギャップエネルギーが大きいことを特徴とする、請求項１に記載の垂直共振器型発光素子。
  3. 前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層よりも層厚が薄いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の垂直共振器型発光素子。
  4. 前記第１の半導体層はＧａＮの組成を有し、
    前記第２の半導体層はＡｌＧａＮの組成を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１つに記載の垂直共振器型発光素子。
  5. 前記第２の半導体層の下面に接して形成されたノンドープのＧａＮの組成を有する第４の半導体層を有することを特徴とする、請求項４に記載の垂直共振器型発光素子。
  6. 垂直共振器型発光素子の製造方法であって、
    基板上に第１の多層膜反射鏡を形成する第１の多層膜反射鏡形成ステップと、
    前記第１の多層膜反射鏡上に第１の導電型を有するＧａＮ層、前記第１の導電型を有するＡｌＧａＮ層、発光層及び前記第１の導電型と反対の第２の導電型を有する窒化物半導体層をこの順で積層させる半導体層積層ステップと、
    前記窒化物半導体層の上面の１の領域にマスクを形成し、前記上面の前記１の領域を除く他の領域にレーザ光を照射した際の反射光の強度を測定しつつ前記他の領域をドライエッチング法によりエッチング処理して前記ＡｌＧａＮ層の上面の外縁を含む領域を露出させるエッチング処理ステップであって、前記反射光の強度の変化に基づいて前記エッチング処理を停止するエッチング処理ステップと、
    前記ＡｌＧａＮ層の上面に電極を形成する電極形成ステップと、
    前記窒化物半導体層の上面の１の領域において前記窒化物半導体層と電気的に接触する電極層を形成する電極層形成ステップと、
    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の多層膜反射鏡を形成する第２の多層膜反射鏡形成ステップと、を有することを特徴とする垂直共振器型発光素子の製造方法。
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