JP3692060B2 - 垂直共振器型半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の一主面と垂直方向に光を出射する垂直共振器型半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板面に対して垂直方向に光を出射する垂直共振器型半導体レーザは、へき開なしに作成できること、二次元アレイ化が可能なこと、出射ビームを容易に円形化できることなど、基板端面から光を出射する端面発光型半導体レーザにはない特徴があり注目をされている。
【０００３】
垂直共振器型半導体レーザの最も一般的な構造としては、半導体基板上に形成された発光層となる活性領域と、この活性層の上下に半導体分布ブラッグ反射型ミラー（以下、分布ブラッグ反射型ミラーをＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーと記載する。）を設け、この半導体ＤＢＲミラーの外側に形成した電極から、半導体ＤＢＲミラーを介して、電流を注入する構造がある。
【０００４】
図６は、従来の垂直共振器型半導体レーザの断面構造図である。
【０００５】
図６に示すように、この垂直共振器型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板４０８上に、組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に積層して形成されたｎ型ＤＢＲミラー４０７が形成されている。ｎ型ＤＢＲミラー４０７上には、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４０６、ＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層４０５、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４０４が順次形成されている。
【０００６】
ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４０４上には、組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に積層して形成されたｐ型ＤＢＲミラー４０３が形成されている。このｐ型ＤＢＲミラー４０３及びｎ型ＤＢＲミラー４０７は、組成すなわち屈折率の異なるＡｌＧａＡｓを交互に積層してなる多層膜であり、それぞれの層の厚さは、その光学的膜厚が共振波長の４分の１となるように形成されている。そしてこれらのＤＢＲミラーを反射鏡として光が共振することによってレーザ発振し、ｎ型ＧａＡｓ基板４０８の表面に対して垂直方向にレーザ光が出射される。また、ＤＢＲミラーの高屈折率層にはＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ、低屈折率層にはＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓなどを用いればよい。
【０００７】
ｐ型ＤＢＲミラー４０３上には、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４０２が形成されている。これらの半導体層は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で順次結晶成長されている。
【０００８】
ｐ型ＤＢＲミラー４０３は、一部を除き選択的にプロトンが照射されることにより、電流狭窄のための高抵抗領域４１０が形成されている。そしてｐ型コンタクト層４０２上に、レーザ光を取り出すための出射窓を開口して形成されたｐ側電極４０１及びｎ型ＧａＡｓ基板４０８裏面に形成されたｎ側電極４０９から電流を流し、活性層４０５に電流狭窄するようになっている。
【０００９】
このような垂直共振器型半導体レーザは、端面発光半導体レーザと比べると、低電流で光出力が飽和して十分な光出力が得られないのみならず、周辺温度の上昇とともに急激に光出力が低下することがよく知られている。
【００１０】
このような高温時に高出力動作が難しい理由として、比較的熱伝導度の小さい材料で構成されるＤＢＲミラーの厚さが厚いために、活性層付近で通電により発生した熱が逃げにくいという問題が上げられる。
【００１１】
活性層で通電により発生した熱を逃す方法として、ｐ側電極４０１上に金属のメッキを形成して放熱させる方法や、基板表面側をヒートシンクにマウントする方法が知られている。
【００１２】
しかしながら上述した方法によっても、十分な放熱性が得られず、依然として温度上昇と共に急激に光出力が低下する問題がある。
【００１３】
このような問題は、活性層４０５でのキャリアのオーバーフローが顕著で、十分な温度特性の得られにくい、赤色波長帯や１．３ミクロン〜１．５５ミクロンの長波長帯の垂直共振器型半導体レーザにおいて特に深刻である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の垂直共振器型半導体レーザでは、活性層付近で通電により発生した熱が逃げにくく、注入電流の増大とともに活性層の温度が上昇するため、高出力動作が困難であるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、活性層で発生した熱を効果的に逃し、高出力動作に優れた垂直共振器型半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、第 1 導電型基板と、
前記第 1 導電型基板上に形成された第 1 導電型半導体分布ブラッグ反射ミラーと、
前記第 1 導電型半導体分布ブラッグ反射ミラー上に形成された第 1 導電型クラッド層と、
前記第 1 導電型クラッド層上に形成された半導体活性層と、
前記半導体活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層上に形成され、中央が突出した第１領域とこの第１領域の周囲に一体に形成され前記第１領域より薄い第２領域からなる第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第１ミラーと、
前記第２領域上に形成され、表面が前記第１領域の表面と同一面である高抵抗領域と、
底面が前記第１領域及び前記高抵抗領域の各表面に接する如く形成された第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第２ミラーと、
前記第１導電型基板に接続された第１電極層と、
前記第 2 導電型半導体分布ブラッグ反射型第 2 ミラーの側面及び前記高抵抗領域表面に接続された第 2 電極層とを具備することを特徴とする垂直共振器型半導体発光素子を提供する。
【００１７】
このとき、前記第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第１ミラーの前記第１領域は第１の直径を有する円柱状であって、前記第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第２ミラーは、前記第１領域と同心であってかつ前記第１領域より径大の第２の直径を有する円柱状であることが好ましい。
【００２１】
また、前記半導体活性層は、Iｎ１−ｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）ｘＰ系材料が用いられ、発光波長が６２０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
この垂直共振器型半導体発光素子は、発光領域の周辺部において、分布ブラッグ半導体多層膜の厚さが薄くなっており、この部分に金属電極が形成されているので、熱伝導の良い金属電極と発熱部との距離を従来のものよりも短くでき、活性層付近で発生した熱を逃げやすくできる。したがって、高い電流注入時にも活性層の温度上昇を抑制することができ、高出力動作が可能となる。
【００２３】
また、電極上に、厚い金属メッキを施すことで、より効率よく熱を逃がすことが可能となる。
【００２４】
また、電極を下にしてヒートシンク上にマウントし、基板側から光を取り出す構成とすれば、通電により発生した熱を、より効率よく逃がすことが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。本実施形態では、発振波長が６６５ｎｍの赤色面発光レーザについて説明する。
【００２６】
図１に示すように、この垂直共振器型半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９と、このｎ型ＧａＡｓ基板１０９の表面上に形成されたＡｌＧａＡｓ系のｎ型ＤＢＲミラー１０８と、このｎ型ＤＢＲミラー１０８上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０７と、このｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０７上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層１０６と、この活性層１０６上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５と、このｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５上に形成されたＡｌＧａＡｓ系のｐ型ＤＢＲミラー１０４と、このｐ型ＤＢＲミラー１０４上に形成されたｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０３とを具備している。
【００２７】
ｎ型ＤＢＲミラー１０８及びｐ型ＤＢＲミラー１０４は、、組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に積層して形成されている。このｎ型ＤＢＲミラー１０８及びｐ型ＤＢＲミラー１０４は、組成すなわち屈折率の異なるＡｌＧａＡｓを交互に積層してなる多層膜であり、それぞれの層の厚さは、その光学的膜厚が共振波長である６６５ｎｍの４分の１となるように形成されている。そしてこれらのＤＢＲミラーを反射鏡として光が共振することによってレーザ発振し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９の表面に対して垂直方向にレーザ光が出射される。また、ＤＢＲミラーの高屈折率層にはＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ、低屈折率層にはＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓなどを用いればよい。
【００２８】
ｐ型ＤＢＲミラー１０４の周辺部は、プロトンを選択的にイオン注入して形成した電流狭窄部である高抵抗領域１１１が設けられている。そしてｐ型ＤＢＲミラー１０４の周辺部には、高抵抗領域１１１に達するまで凹部がエッチングにより形成されている。この凹部上には、ｐ側電極１０１が形成されている。そしてｎ型ＧａＡｓ基板１０９の裏面上には、ｎ側電極１１０が形成されている。
【００２９】
活性層１０６には、ＩｎＧａＡｌＰ系多重量子井戸構造を用いており、室温での発光ピーク波長が約６５５ｎｍとなるように調整されている。
【００３０】
次に、この垂直発振器型半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００３１】
先ず、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー１０８を結晶成長する。光学膜厚が共振波長(６６５ｎｍ)の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層から結晶成長を開始して、５０．５周期（１周期はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層とした。
【００３２】
次に、ｎ型ＤＢＲミラー１０８上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０７、発光ピーク波長が６５５ｎｍとなるように調整されたＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層１０６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５を順次結晶成長する。
【００３３】
次に、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー１０４を結晶成長する。光学膜厚が共振波長（６６５ｎｍ）の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層から結晶成長を開始して、３０周期（１周期はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層とした。
【００３４】
次に、ｐ型ＤＢＲミラー１０４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０３を結晶成長する。このときｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０３の厚さは、吸収によるロスを十分小さくするために約５ｎｍとした。
【００３５】
次に、発光領域となる直径１５μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域１１１を形成する。このときイオン注入の加速電圧は３５０ｋＶとし、ドーズ量は３×１０１５ｃｍ−２とした。
【００３６】
次に、発光領域と同心で、内径が２０μｍで外径が４０μｍの領域を、高抵抗領域１１１に達するように深さ２μｍ選択的にエッチングする。
【００３７】
次に、真空蒸着とリフトオフプロセスにより、先の工程で形成された同心円状の凹部を含む領域上にｐ側電極１０１を形成する。このとき発光領域となる直径１５μｍの円形領域の上部に直径１０μｍの開口部を有するようにｐ側電極１０１を形成する。この電極開口部からレーザ光を取り出すためである。
【００３８】
次に、このようにして形成されたｐ側電極１０１上に、厚さ約１０μｍの金メッキを施し、メッキ電極１０２を形成する。
【００３９】
次に、厚さが約１００μｍ程度となるように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９の裏面を研磨し、この裏面にｎ側電極１１０を形成する。
【００４０】
図２は、このようにして形成した垂直共振器型半導体発光素子のｐ側電極１０１上から見た上面図である。
【００４１】
この垂直共振器型半導体発光素子のチップサイズは、４００μｍ×４００μｍとし、レーザ光が出射するｐ側電極１０１の開口部は直径が１０μｍの円形形状であり、金メッキ電極１０２は３００μｍ×３００μｍのサイズで、発光領域として形成した中心の直径２０μｍの領域を除く領域に形成されている。
【００４２】
図２に示す垂直共振器型半導体発光素子では、さらに、放熱性を向上するために、素子の外部と電気接続を複数の金ワイア１１３（ここでは８本）により行うようにした。
【００４３】
このようにして作製した垂直共振器型半導体発光素子は、発光領域の周辺部において、電流狭窄部である高抵抗領域１１１に達するように凹部が形成され、この部分にｐ側電極１０１が形成されている。したがって凹部を形成しない従来の図６に示す構造と比較して、発光領域であるｐｎ接合部とｐ側電極１０１との距離が短いために、電流注入により発生した熱は、同心円状に形成された凹部から側面付近の金属電極１０１に向かって横方向に効率よく流れる。したがって、素子の熱抵抗が従来よりも大幅に低減し、通電による発熱が抑制され、高電流注入時にも活性層の温度はさほど上昇せず、高出力動作が可能となる。
【００４４】
なお、素子の放熱性は、エッチングにより形成した同心円状の凹部の深さに依存する。
【００４５】
図３に、図１及び図２に示した垂直共振器型半導体発光素子における最高連続レーザ発振温度の凹部（溝）の深さ依存性を示す。
【００４６】
図３に示すように、溝の深さが深くなるほど最高連続レーザ発振温度が高くなっている様子がわかる。しかしながら溝の深さが１．５μｍ程度以上あれば放熱性改善の効果が十分に得られることがわかる。なお、この１．５μｍの深さはｐ型ＤＢＲミラー１０４の厚さ約３μｍの約２分の１に相当する。
【００４７】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わるの垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。この実施形態も第１の実施形態と同様に、発振波長が６６５ｎｍの赤色面発光レーザである。
【００４８】
この実施形態では、第１の実施形態で説明した垂直共振器型半導体発光素子のｐ側電極２１０を下にして、ヒートシンクであるサブマウント２１３上に、はんだ材２１２によってマウントした構造となっている。
【００４９】
このときｐ側電極２１０は、発光領域に該当する領域を開口せずに、ｎ側電極２０１を開口した。
【００５０】
次に、この垂直共振器型半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００５１】
先ず、ＧａＡｓ基板（図示せず）上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０９、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー２０８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層２０７、発光ピーク波長が６５５ｎｍとなるように調整されたＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層２０６、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層２０５、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー２０４、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ接着層２０３をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長する。
【００５２】
このとき、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー２０８は、光学膜厚が共振波長(６６５ｎｍ)の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層から結晶成長を開始して、５０．５周期（１周期はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層とした。
【００５３】
また、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー２０４は、光学膜厚が共振波長（６６５ｎｍ）の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層から結晶成長を開始して、３０周期（１周期はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層とした。
【００５４】
次に、この結晶成長したｐ型ＧａＡｓ基板とｎ型ＧａＰ基板２０２とを、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ接着層２０３がｎ型ＧａＰ基板と接着するようにして接着したあと、ｐ型ＧａＡｓ基板をエッチング除去する。このとき、基板接着は５００℃で１０分間の熱処理を施した。また、ｎ型ＧａＡｓ基板のエッチングは硫酸系エッチャントを用いたウエットエッチングを用いて行った。
【００５５】
次に、発光領域となる直径１０μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域２１１を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は４００ｋＶとし、ドーズ量は５×１０１５ｃｍ−２とした。
【００５６】
次に、発光領域と同心で、内径が１５μｍで外径が３５μｍの領域を、高抵抗領域２１１に達するように深さ２．５μｍ選択的にエッチングする。
【００５７】
次に、真空蒸着により、先の工程で形成された同心円状の凹部を含む領域上にｐ側電極２１０を形成する。
【００５８】
厚さが約１００μｍ程度となるようにｎ型ＧａＰ基板２０２を研磨する。次に、発光領域を開口するように中央部に直径３０μｍの開口を設けたｎ側電極２０１を形成する。さらに、作成したウエハを個々のチップに分割した後に、エッチング溝が半田材２１２により完全に埋まるように、サブマウント２１３上にマウントすることにより、図４に示す垂直共振器型発光素子を形成する。
【００５９】
この垂直共振器型発光素子においても、第１の実施形態と同様に、電流注入により発生した熱は、同心円上の溝から側面付近の金属電極２１０に向かって横方向に効率よく流れる。さらに、この電極２１０はヒートシンク接続したサブマウント２１３にボンディングされているので、よりいっそう放熱性の優れた素子を得ることができる。
【００６０】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わるの垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。本実施形態では、発振波長が１．３μｍの面発光レーザを説明する。
【００６１】
この実施形態は、活性層３０６に室温での発光ピーク波長が１．２８μｍＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸構造を用いた。この垂直共振器型半導体発光素子の製造方法について以下に説明する。
【００６２】
先ず、ｎ型ＧａＡｓ基板３０９上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー３０８を結晶成長する。光学膜厚が共振波長(１．３μｍ)の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層から結晶成長を開始して、３０．５周期（１周期はＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とした。
【００６３】
次に、ｎ型ＤＢＲミラー３０８上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０７、発光波長のピークが１．２８μｍとなるように調整されたＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系ＭＱＷ活性層３０６、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０５を順次結晶成長する。
【００６４】
続いて、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０５上に、第１のＡｌＧａＡｓ系ｐ型ｎ型ＤＢＲミラー３０４を形成する。第１のｐ型ＤＢＲミラー３０４は、光学膜厚が共振波長（１．３μｍ）の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層から結晶成長を開始して、１０周期（１周期はＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層とした。
【００６５】
次に、成長装置から基板を取り出し、発光領域となる直径１０μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域３１１を形成する。このときイオン注入の加速電圧は２００ｋＶとし、ドーズ量は１×１０１５ｃｍ−２とした。
【００６６】
次に、発光領域と同心で、内径が１５μｍで外径が３５μｍの高抵抗領域３１１上の領域にＳｉＯ２膜（図示せず）を設ける。
【００６７】
次に、再び成長装置に基板を導入し、ｐ型ＡＩＧａＡｓクラッド層３０５及び高抵抗領域３１１上に、ＣＢＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー３０３を結晶成長し、続いてｐ型ＧａＡｓコンタクト層３０２を結晶成長する。ｐ型ＤＢＲミラー３０３は、光学膜厚が発光波長（１．３μｍ）の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層から結晶成長を開始して、１２周期（１周期はＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層とした。
【００６８】
このときマスクとして働くＳｉＯ２膜の上には、結晶は成長しないため、発光部の上部に位置するｐ型ＤＢＲミラー３０３は円柱状の形状となり、基板表面にはリング状の溝（凹部）が形成されることになる。この溝は、高抵抗領域３１１に達する深さとなる。
【００６９】
次に、マスクとして用いたＳｉＯ２膜を除去してから、円形の電流狭窄部である高抵抗領域３１１と同心で、内径が１０μｍで外径が２００μｍのリング領域にｐ側電極３０１を形成する。このとき、リング状の溝の内壁はｐ側電極３０１で完全に覆われている。
【００７０】
次に、基板を約１００μｍの厚さまで研磨してから、ｎ側電極３１０を形成して素子が完成する。
【００７１】
このようにして作製した垂直発振器型半導体発光素子は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に、発光領域の周辺部において、電流狭窄部のｐｎ接合部とｐ側電極との距離が短いために、電流注入により発生した熱は、リングの溝から側面付近の金属電極に向かって横方向に効率よく流れる。
【００７２】
したがって、素子の熱抵抗が従来よりも大幅に低減し、通電による発熱が抑制され、高電流注入時にも活性層の温度はさほど上昇せず高出力動作が可能となる。
【００７３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、熱抵抗が小さく、高出力動作に優れた垂直共振器型半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【図２】 第１の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の上面図。
【図３】 最高連続発振温度のエッチング溝深さ依存性を示す図。
【図４】 第２の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の概略構成図。
【図５】 第３の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の概略構成図。
【図６】 従来の垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
１０１、２１０、３０１、４０１…ｐ側電極
１０２…メッキ電極
１０３、２０９、３０２、４０２…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０４、２０８、４０３…ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー
１０５、２０７、４０４…ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０６、２０６、４０５…ＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸構造活性層
１０７、２０５、４０６…ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
１０８、２０４、３０８、４０３…ＡｌＧａＡｓｎ型ＤＢＲミラー
１０９、３０９、４０８…ｎ型ＧａＡｓ基板
１１３…金ワイヤ
１１０、２０１、３１０、４０９…ｎ側電極
１１１、２１１、３１１、４１０…高抵抗領域
２０２…ｎ型ＧａＰ基板
２０３…ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ接着層
２１２…半田材
２１３…サブマウント
３０３…ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー
３０４…ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー
３０５…ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３０６…ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系量子井戸構造活性層
３０７…ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の一主面と垂直方向に光を出射する垂直共振器型半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基板面に対して垂直方向に光を出射する垂直共振器型半導体レーザは、へき開なしに作成できること、二次元アレイ化が可能なこと、出射ビームを容易に円形化できることなど、基板端面から光を出射する端面発光型半導体レーザにはない特徴があり注目をされている。
【０００３】
垂直共振器型半導体レーザの最も一般的な構造としては、半導体基板上に形成された発光層となる活性領域と、この活性層の上下に半導体分布ブラッグ反射型ミラー（以下、分布ブラッグ反射型ミラーをＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーと記載する。）を設け、この半導体ＤＢＲミラーの外側に形成した電極から、半導体ＤＢＲミラーを介して、電流を注入する構造がある。
【０００４】
図６は、従来の垂直共振器型半導体レーザの断面構造図である。
【０００５】
図６に示すように、この垂直共振器型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板４０８上に、組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に積層して形成されたｎ型ＤＢＲミラー４０７が形成されている。ｎ型ＤＢＲミラー４０７上には、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４０６、ＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層４０５、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４０４が順次形成されている。
【０００６】
ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層４０４上には、組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に積層して形成されたｐ型ＤＢＲミラー４０３が形成されている。このｐ型ＤＢＲミラー４０３及びｎ型ＤＢＲミラー４０７は、組成すなわち屈折率の異なるＡｌＧａＡｓを交互に積層してなる多層膜であり、それぞれの層の厚さは、その光学的膜厚が共振波長の４分の１となるように形成されている。そしてこれらのＤＢＲミラーを反射鏡として光が共振することによってレーザ発振し、ｎ型ＧａＡｓ基板４０８の表面に対して垂直方向にレーザ光が出射される。また、ＤＢＲミラーの高屈折率層にはＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ、低屈折率層にはＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓなどを用いればよい。
【０００７】
ｐ型ＤＢＲミラー４０３上には、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層４０２が形成されている。これらの半導体層は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で順次結晶成長されている。
【０００８】
ｐ型ＤＢＲミラー４０３は、一部を除き選択的にプロトンが照射されることにより、電流狭窄のための高抵抗領域４１０が形成されている。そしてｐ型コンタクト層４０２上に、レーザ光を取り出すための出射窓を開口して形成されたｐ側電極４０１及びｎ型ＧａＡｓ基板４０８裏面に形成されたｎ側電極４０９から電流を流し、活性層４０５に電流狭窄するようになっている。
【０００９】
このような垂直共振器型半導体レーザは、端面発光半導体レーザと比べると、低電流で光出力が飽和して十分な光出力が得られないのみならず、周辺温度の上昇とともに急激に光出力が低下することがよく知られている。
【００１０】
このような高温時に高出力動作が難しい理由として、比較的熱伝導度の小さい材料で構成されるＤＢＲミラーの厚さが厚いために、活性層付近で通電により発生した熱が逃げにくいという問題が上げられる。
【００１１】
活性層で通電により発生した熱を逃す方法として、ｐ側電極４０１上に金属のメッキを形成して放熱させる方法や、基板表面側をヒートシンクにマウントする方法が知られている。
【００１２】
しかしながら上述した方法によっても、十分な放熱性が得られず、依然として温度上昇と共に急激に光出力が低下する問題がある。
【００１３】
このような問題は、活性層４０５でのキャリアのオーバーフローが顕著で、十分な温度特性の得られにくい、赤色波長帯や１．３ミクロン〜１．５５ミクロンの長波長帯の垂直共振器型半導体レーザにおいて特に深刻である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来の垂直共振器型半導体レーザでは、活性層付近で通電により発生した熱が逃げにくく、注入電流の増大とともに活性層の温度が上昇するため、高出力動作が困難であるという問題があった。
【００１５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、活性層で発生した熱を効果的に逃し、高出力動作に優れた垂直共振器型半導体発光素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、第 1 導電型基板と、
前記第 1 導電型基板上に形成された第 1 導電型半導体分布ブラッグ反射ミラーと、
前記第 1 導電型半導体分布ブラッグ反射ミラー上に形成された第 1 導電型クラッド層と、
前記第 1 導電型クラッド層上に形成された半導体活性層と、
前記半導体活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層上に形成され、中央が突出した第１領域とこの第１領域の周囲に一体に形成され前記第１領域より薄い第２領域からなる第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第１ミラーと、
前記第２領域上に形成され、表面が前記第１領域の表面と同一面である高抵抗領域と、
底面が前記第１領域及び前記高抵抗領域の各表面に接する如く形成された第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第２ミラーと、
前記第１導電型基板に接続された第１電極層と、
前記第 2 導電型半導体分布ブラッグ反射型第 2 ミラーの側面及び前記高抵抗領域表面に接続された第 2 電極層とを具備することを特徴とする垂直共振器型半導体発光素子を提供する。
【００１７】
このとき、前記第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第１ミラーの前記第１領域は第１の直径を有する円柱状であって、前記第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第２ミラーは、前記第１領域と同心であってかつ前記第１領域より径大の第２の直径を有する円柱状であることが好ましい。
【００２１】
また、前記半導体活性層は、Iｎ１−ｘ（Ｇａ１−ｙＡｌｙ）ｘＰ系材料が用いられ、発光波長が６２０ｎｍ以上６９０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
この垂直共振器型半導体発光素子は、発光領域の周辺部において、分布ブラッグ半導体多層膜の厚さが薄くなっており、この部分に金属電極が形成されているので、熱伝導の良い金属電極と発熱部との距離を従来のものよりも短くでき、活性層付近で発生した熱を逃げやすくできる。したがって、高い電流注入時にも活性層の温度上昇を抑制することができ、高出力動作が可能となる。
【００２３】
また、電極上に、厚い金属メッキを施すことで、より効率よく熱を逃がすことが可能となる。
【００２４】
また、電極を下にしてヒートシンク上にマウントし、基板側から光を取り出す構成とすれば、通電により発生した熱を、より効率よく逃がすことが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。本実施形態では、発振波長が６６５ｎｍの赤色面発光レーザについて説明する。
【００２６】
図１に示すように、この垂直共振器型半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９と、このｎ型ＧａＡｓ基板１０９の表面上に形成されたＡｌＧａＡｓ系のｎ型ＤＢＲミラー１０８と、このｎ型ＤＢＲミラー１０８上に形成されたｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０７と、このｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０７上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層１０６と、この活性層１０６上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５と、このｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５上に形成されたＡｌＧａＡｓ系のｐ型ＤＢＲミラー１０４と、このｐ型ＤＢＲミラー１０４上に形成されたｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０３とを具備している。
【００２７】
ｎ型ＤＢＲミラー１０８及びｐ型ＤＢＲミラー１０４は、、組成の異なるＡｌＧａＡｓ層を交互に積層して形成されている。このｎ型ＤＢＲミラー１０８及びｐ型ＤＢＲミラー１０４は、組成すなわち屈折率の異なるＡｌＧａＡｓを交互に積層してなる多層膜であり、それぞれの層の厚さは、その光学的膜厚が共振波長である６６５ｎｍの４分の１となるように形成されている。そしてこれらのＤＢＲミラーを反射鏡として光が共振することによってレーザ発振し、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９の表面に対して垂直方向にレーザ光が出射される。また、ＤＢＲミラーの高屈折率層にはＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ、低屈折率層にはＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓなどを用いればよい。
【００２８】
ｐ型ＤＢＲミラー１０４の周辺部は、プロトンを選択的にイオン注入して形成した電流狭窄部である高抵抗領域１１１が設けられている。そしてｐ型ＤＢＲミラー１０４の周辺部には、高抵抗領域１１１に達するまで凹部がエッチングにより形成されている。この凹部上には、ｐ側電極１０１が形成されている。そしてｎ型ＧａＡｓ基板１０９の裏面上には、ｎ側電極１１０が形成されている。
【００２９】
活性層１０６には、ＩｎＧａＡｌＰ系多重量子井戸構造を用いており、室温での発光ピーク波長が約６５５ｎｍとなるように調整されている。
【００３０】
次に、この垂直発振器型半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００３１】
先ず、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー１０８を結晶成長する。光学膜厚が共振波長(６６５ｎｍ)の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層から結晶成長を開始して、５０．５周期（１周期はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層とした。
【００３２】
次に、ｎ型ＤＢＲミラー１０８上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０７、発光ピーク波長が６５５ｎｍとなるように調整されたＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層１０６、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５を順次結晶成長する。
【００３３】
次に、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層１０５上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー１０４を結晶成長する。光学膜厚が共振波長（６６５ｎｍ）の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層から結晶成長を開始して、３０周期（１周期はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層とした。
【００３４】
次に、ｐ型ＤＢＲミラー１０４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０３を結晶成長する。このときｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０３の厚さは、吸収によるロスを十分小さくするために約５ｎｍとした。
【００３５】
次に、発光領域となる直径１５μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域１１１を形成する。このときイオン注入の加速電圧は３５０ｋＶとし、ドーズ量は３×１０１５ｃｍ−２とした。
【００３６】
次に、発光領域と同心で、内径が２０μｍで外径が４０μｍの領域を、高抵抗領域１１１に達するように深さ２μｍ選択的にエッチングする。
【００３７】
次に、真空蒸着とリフトオフプロセスにより、先の工程で形成された同心円状の凹部を含む領域上にｐ側電極１０１を形成する。このとき発光領域となる直径１５μｍの円形領域の上部に直径１０μｍの開口部を有するようにｐ側電極１０１を形成する。この電極開口部からレーザ光を取り出すためである。
【００３８】
次に、このようにして形成されたｐ側電極１０１上に、厚さ約１０μｍの金メッキを施し、メッキ電極１０２を形成する。
【００３９】
次に、厚さが約１００μｍ程度となるように、ｎ型ＧａＡｓ基板１０９の裏面を研磨し、この裏面にｎ側電極１１０を形成する。
【００４０】
図２は、このようにして形成した垂直共振器型半導体発光素子のｐ側電極１０１上から見た上面図である。
【００４１】
この垂直共振器型半導体発光素子のチップサイズは、４００μｍ×４００μｍとし、レーザ光が出射するｐ側電極１０１の開口部は直径が１０μｍの円形形状であり、金メッキ電極１０２は３００μｍ×３００μｍのサイズで、発光領域として形成した中心の直径２０μｍの領域を除く領域に形成されている。
【００４２】
図２に示す垂直共振器型半導体発光素子では、さらに、放熱性を向上するために、素子の外部と電気接続を複数の金ワイア１１３（ここでは８本）により行うようにした。
【００４３】
このようにして作製した垂直共振器型半導体発光素子は、発光領域の周辺部において、電流狭窄部である高抵抗領域１１１に達するように凹部が形成され、この部分にｐ側電極１０１が形成されている。したがって凹部を形成しない従来の図６に示す構造と比較して、発光領域であるｐｎ接合部とｐ側電極１０１との距離が短いために、電流注入により発生した熱は、同心円状に形成された凹部から側面付近の金属電極１０１に向かって横方向に効率よく流れる。したがって、素子の熱抵抗が従来よりも大幅に低減し、通電による発熱が抑制され、高電流注入時にも活性層の温度はさほど上昇せず、高出力動作が可能となる。
【００４４】
なお、素子の放熱性は、エッチングにより形成した同心円状の凹部の深さに依存する。
【００４５】
図３に、図１及び図２に示した垂直共振器型半導体発光素子における最高連続レーザ発振温度の凹部（溝）の深さ依存性を示す。
【００４６】
図３に示すように、溝の深さが深くなるほど最高連続レーザ発振温度が高くなっている様子がわかる。しかしながら溝の深さが１．５μｍ程度以上あれば放熱性改善の効果が十分に得られることがわかる。なお、この１．５μｍの深さはｐ型ＤＢＲミラー１０４の厚さ約３μｍの約２分の１に相当する。
【００４７】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係わるの垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。この実施形態も第１の実施形態と同様に、発振波長が６６５ｎｍの赤色面発光レーザである。
【００４８】
この実施形態では、第１の実施形態で説明した垂直共振器型半導体発光素子のｐ側電極２１０を下にして、ヒートシンクであるサブマウント２１３上に、はんだ材２１２によってマウントした構造となっている。
【００４９】
このときｐ側電極２１０は、発光領域に該当する領域を開口せずに、ｎ側電極２０１を開口した。
【００５０】
次に、この垂直共振器型半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００５１】
先ず、ＧａＡｓ基板（図示せず）上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２０９、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー２０８、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層２０７、発光ピーク波長が６５５ｎｍとなるように調整されたＩｎＧａＡｌＰ系ＭＱＷ活性層２０６、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層２０５、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー２０４、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ接着層２０３をＭＯＣＶＤ法により順次結晶成長する。
【００５２】
このとき、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー２０８は、光学膜厚が共振波長(６６５ｎｍ)の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層から結晶成長を開始して、５０．５周期（１周期はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層とした。
【００５３】
また、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー２０４は、光学膜厚が共振波長（６６５ｎｍ）の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層から結晶成長を開始して、３０周期（１周期はＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層／Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層とした。
【００５４】
次に、この結晶成長したｐ型ＧａＡｓ基板とｎ型ＧａＰ基板２０２とを、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ接着層２０３がｎ型ＧａＰ基板と接着するようにして接着したあと、ｐ型ＧａＡｓ基板をエッチング除去する。このとき、基板接着は５００℃で１０分間の熱処理を施した。また、ｎ型ＧａＡｓ基板のエッチングは硫酸系エッチャントを用いたウエットエッチングを用いて行った。
【００５５】
次に、発光領域となる直径１０μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域２１１を形成する。このとき、イオン注入の加速電圧は４００ｋＶとし、ドーズ量は５×１０１５ｃｍ−２とした。
【００５６】
次に、発光領域と同心で、内径が１５μｍで外径が３５μｍの領域を、高抵抗領域２１１に達するように深さ２．５μｍ選択的にエッチングする。
【００５７】
次に、真空蒸着により、先の工程で形成された同心円状の凹部を含む領域上にｐ側電極２１０を形成する。
【００５８】
厚さが約１００μｍ程度となるようにｎ型ＧａＰ基板２０２を研磨する。次に、発光領域を開口するように中央部に直径３０μｍの開口を設けたｎ側電極２０１を形成する。さらに、作成したウエハを個々のチップに分割した後に、エッチング溝が半田材２１２により完全に埋まるように、サブマウント２１３上にマウントすることにより、図４に示す垂直共振器型発光素子を形成する。
【００５９】
この垂直共振器型発光素子においても、第１の実施形態と同様に、電流注入により発生した熱は、同心円上の溝から側面付近の金属電極２１０に向かって横方向に効率よく流れる。さらに、この電極２１０はヒートシンク接続したサブマウント２１３にボンディングされているので、よりいっそう放熱性の優れた素子を得ることができる。
【００６０】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係わるの垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。本実施形態では、発振波長が１．３μｍの面発光レーザを説明する。
【００６１】
この実施形態は、活性層３０６に室温での発光ピーク波長が１．２８μｍＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸構造を用いた。この垂直共振器型半導体発光素子の製造方法について以下に説明する。
【００６２】
先ず、ｎ型ＧａＡｓ基板３０９上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＡｌＧａＡｓ系ｎ型ＤＢＲミラー３０８を結晶成長する。光学膜厚が共振波長(１．３μｍ)の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層から結晶成長を開始して、３０．５周期（１周期はＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とした。
【００６３】
次に、ｎ型ＤＢＲミラー３０８上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０７、発光波長のピークが１．２８μｍとなるように調整されたＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系ＭＱＷ活性層３０６、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０５を順次結晶成長する。
【００６４】
続いて、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３０５上に、第１のＡｌＧａＡｓ系ｐ型ｎ型ＤＢＲミラー３０４を形成する。第１のｐ型ＤＢＲミラー３０４は、光学膜厚が共振波長（１．３μｍ）の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層から結晶成長を開始して、１０周期（１周期はＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層とした。
【００６５】
次に、成長装置から基板を取り出し、発光領域となる直径１０μｍの円形領域を除いた領域に選択的にプロトンをイオン注入して高抵抗領域３１１を形成する。このときイオン注入の加速電圧は２００ｋＶとし、ドーズ量は１×１０１５ｃｍ−２とした。
【００６６】
次に、発光領域と同心で、内径が１５μｍで外径が３５μｍの高抵抗領域３１１上の領域にＳｉＯ２膜（図示せず）を設ける。
【００６７】
次に、再び成長装置に基板を導入し、ｐ型ＡＩＧａＡｓクラッド層３０５及び高抵抗領域３１１上に、ＣＢＥ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により、ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー３０３を結晶成長し、続いてｐ型ＧａＡｓコンタクト層３０２を結晶成長する。ｐ型ＤＢＲミラー３０３は、光学膜厚が発光波長（１．３μｍ）の１／４波長となるように低屈折率のＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層と高屈折率のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を交互に積層した。ここではＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層から結晶成長を開始して、１２周期（１周期はＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層）繰り返して最終層をＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層とした。
【００６８】
このときマスクとして働くＳｉＯ２膜の上には、結晶は成長しないため、発光部の上部に位置するｐ型ＤＢＲミラー３０３は円柱状の形状となり、基板表面にはリング状の溝（凹部）が形成されることになる。この溝は、高抵抗領域３１１に達する深さとなる。
【００６９】
次に、マスクとして用いたＳｉＯ２膜を除去してから、円形の電流狭窄部である高抵抗領域３１１と同心で、内径が１０μｍで外径が２００μｍのリング領域にｐ側電極３０１を形成する。このとき、リング状の溝の内壁はｐ側電極３０１で完全に覆われている。
【００７０】
次に、基板を約１００μｍの厚さまで研磨してから、ｎ側電極３１０を形成して素子が完成する。
【００７１】
このようにして作製した垂直発振器型半導体発光素子は、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に、発光領域の周辺部において、電流狭窄部のｐｎ接合部とｐ側電極との距離が短いために、電流注入により発生した熱は、リングの溝から側面付近の金属電極に向かって横方向に効率よく流れる。
【００７２】
したがって、素子の熱抵抗が従来よりも大幅に低減し、通電による発熱が抑制され、高電流注入時にも活性層の温度はさほど上昇せず高出力動作が可能となる。
【００７３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、熱抵抗が小さく、高出力動作に優れた垂直共振器型半導体発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【図２】 第１の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の上面図。
【図３】 最高連続発振温度のエッチング溝深さ依存性を示す図。
【図４】 第２の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の概略構成図。
【図５】 第３の実施形態に係わる垂直共振器型半導体発光素子の概略構成図。
【図６】 従来の垂直共振器型半導体発光素子の概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
１０１、２１０、３０１、４０１…ｐ側電極
１０２…メッキ電極
１０３、２０９、３０２、４０２…ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０４、２０８、４０３…ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー
１０５、２０７、４０４…ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０６、２０６、４０５…ＩｎＧａＡｌＰ系量子井戸構造活性層
１０７、２０５、４０６…ｎ型ＩｎＧａＡｌＰクラッド層
１０８、２０４、３０８、４０３…ＡｌＧａＡｓｎ型ＤＢＲミラー
１０９、３０９、４０８…ｎ型ＧａＡｓ基板
１１３…金ワイヤ
１１０、２０１、３１０、４０９…ｎ側電極
１１１、２１１、３１１、４１０…高抵抗領域
２０２…ｎ型ＧａＰ基板
２０３…ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ接着層
２１２…半田材
２１３…サブマウント
３０３…ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー
３０４…ＡｌＧａＡｓ系ｐ型ＤＢＲミラー
３０５…ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３０６…ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ系量子井戸構造活性層
３０７…ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
Claims (2)
- 第 1 導電型基板と、
前記第 1 導電型基板上に形成された第 1 導電型半導体分布ブラッグ反射ミラーと、
前記第 1 導電型半導体分布ブラッグ反射ミラー上に形成された第 1 導電型クラッド層と、
前記第 1 導電型クラッド層上に形成された半導体活性層と、
前記半導体活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層上に形成され、中央が突出した第１領域とこの第１領域の周囲に一体に形成され前記第１領域より薄い第２領域からなる第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第１ミラーと、
前記第２領域上に形成され、表面が前記第１領域の表面と同一面である高抵抗領域と、
底面が前記第１領域及び前記高抵抗領域の各表面に接する如く形成された第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第２ミラーと、
前記第１導電型基板に接続された第１電極層と、
前記第 2 導電型半導体分布ブラッグ反射型第 2 ミラーの側面及び前記高抵抗領域表面に接続された第 2 電極層とを具備することを特徴とする垂直共振器型半導体発光素子。 - 前記第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第１ミラーの前記第１領域は第１の直径を有する円柱状であって、前記第２導電型半導体分布ブラッグ反射型第２ミラーは、前記第１領域と同心であってかつ前記第１領域より径大の第２の直径を有する円柱状であることを特徴とする請求項１記載の垂直共振器型半導体発光素子。
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