JP5633435B2 - 面発光レーザ素子 - Google Patents
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Description
本発明は面発光レーザ素子に関する。
これまでに半導体レーザ素子の一種として面発光レーザ素子が報告されている（例えば特許文献１）。特許文献１の図１に記載された面発光レーザ素子は、半導体部の一方の側に設けられた「第２ブラッグ反射器１８」（本願発明の「第１反射器」に相当）と、半導体部の他方の側に設けられた「第１ブラッグ反射器１２」（本願発明の「第２反射器」に相当）と、半導体部の他方の主面に設けられた「第１透明電極１３」（本願発明の「第２電極」に相当）と、「第１透明電極１３」の周囲に設けられた「絶縁層２２」（本願発明の「電流狭窄部」に相当）と、「絶縁層２２」上に設けられ「第１透明電極１３」と接続された「接続電極２３」（本願発明の「接続電極５０」に相当）と、を備える。
従来の面発光レーザ素子では、「接続電極２３」における光の損失は考慮されていなかった。
本願発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、閾値電流を低下することができる面発光レーザ素子を提供することを目的とする。
本実施形態に係る面発光レーザ素子は、第１半導体層及び第２半導体層を有する半導体部と、半導体部の第１半導体層側に設けられた第１反射器と、半導体部の第２半導体層側に設けられた第２反射器と、を有する。特に、第２半導体層と第２反射器との間に設けられ第２半導体層と接続された第２電極と、第２反射器の周囲に設けられ第２電極と接続された接続電極と、第２半導体層と前記接続電極との間に設けられ半導体部からの光を反射可能な電流狭窄部と、を備える。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、特に記載しない限り本発明を以下に限定するものではない。さらに、同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明は適宜省略する。
＜実施形態１＞
図１に、本実施形態に係る面発光レーザ素子の半導体積層方向における断面図を示す。本実施形態に係る面発光レーザ素子１００は、第１半導体層１１及び第２半導体層１２を有する半導体部１０と、半導体部１０の第１半導体層１１側に設けられた第１反射器４１と、半導体部１０の第２半導体層１２側に設けられた第２反射器４２と、を有する。特に、第２半導体層１２と第２反射器４２との間に設けられ第２半導体層１２と接続された第２電極３２と、第２反射器４２の周囲に設けられ第２電極３２と接続された接続電極５０と、第２半導体層１２と接続電極５０との間に設けられ半導体部１０からの光を反射可能な電流狭窄部２０と、を備える。
図１に、本実施形態に係る面発光レーザ素子の半導体積層方向における断面図を示す。本実施形態に係る面発光レーザ素子１００は、第１半導体層１１及び第２半導体層１２を有する半導体部１０と、半導体部１０の第１半導体層１１側に設けられた第１反射器４１と、半導体部１０の第２半導体層１２側に設けられた第２反射器４２と、を有する。特に、第２半導体層１２と第２反射器４２との間に設けられ第２半導体層１２と接続された第２電極３２と、第２反射器４２の周囲に設けられ第２電極３２と接続された接続電極５０と、第２半導体層１２と接続電極５０との間に設けられ半導体部１０からの光を反射可能な電流狭窄部２０と、を備える。
第２半導体層１２と接続電極５０との間に半導体部１０からの光を反射可能な電流狭窄部２０を設けることで、接続電極５０における光の吸収を抑制することができる。つまり、光反射が可能な電流狭窄部２０を設けることで、接続電極５０における光の損失を抑制することができる。これにより、閾値電流の低下や光出力の向上が期待できる。
以下、本実施の形態の面発光レーザ素子の主な構成要素について説明する
（半導体部１０）
半導体部１０は、少なくとも第１半導体層１１及び第２半導体層１２を有していれば良く、その構造は特に限定されない。第１半導体層１１は第１電極３１を接続するための部材であり、第２半導体層１２と異なる極性を有している。同様に、第２半導体層１２は第２電極３２を接続するための部材であり、第１半導体層１１と異なる極性を有している。本実施形態では、第１半導体層１１をｎ型、第２半導体層１２をｐ型としており、両者の間に活性層１３を備えたものを半導体部としている。活性層１３の構造は限定されず、多重量子井戸構造や単一量子井戸構造など公知のものを採用することができる。半導体部１０を構成する各層の材料は限定されないが、本実施形態では、一般式がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される窒化物半導体を用いている。
（半導体部１０）
半導体部１０は、少なくとも第１半導体層１１及び第２半導体層１２を有していれば良く、その構造は特に限定されない。第１半導体層１１は第１電極３１を接続するための部材であり、第２半導体層１２と異なる極性を有している。同様に、第２半導体層１２は第２電極３２を接続するための部材であり、第１半導体層１１と異なる極性を有している。本実施形態では、第１半導体層１１をｎ型、第２半導体層１２をｐ型としており、両者の間に活性層１３を備えたものを半導体部としている。活性層１３の構造は限定されず、多重量子井戸構造や単一量子井戸構造など公知のものを採用することができる。半導体部１０を構成する各層の材料は限定されないが、本実施形態では、一般式がＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）で示される窒化物半導体を用いている。
（電流狭窄部２０）
電流狭窄部２０は、所望の領域（電流狭窄領域）に電流を狭窄するために設けられ、半導体部１０からの光を反射することを目的として設けられる。電流狭窄部２０の構成は限定されないが、本実施形態では、電流狭窄部２０を誘電体多層膜からなるＤＢＲから構成している。誘電体多層膜を構成する各層としては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＭｇＯ等が例示される。これらの誘電体のうち、屈折率が異なる２種以上の材料層を所定の膜厚で交互に積層することにより半導体部１０からの光を反射可能な誘電体多層膜からなる電流狭窄部２０を得ることができる。例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２、ＳｉＯ２／ＡｌＮ等の多層膜が好ましい。電流狭窄部２０の膜厚は、０．０３μｍ以上７．０μｍ未満、好ましくは０．０４μｍ以上５．０μｍ未満、より好ましくは０．０５μｍ以上３．０μｍ未満とすることができる。用いる材料によって決まる電流狭窄部全体の熱伝導率と反射率から適宜調整することが好ましい。
電流狭窄部２０は、所望の領域（電流狭窄領域）に電流を狭窄するために設けられ、半導体部１０からの光を反射することを目的として設けられる。電流狭窄部２０の構成は限定されないが、本実施形態では、電流狭窄部２０を誘電体多層膜からなるＤＢＲから構成している。誘電体多層膜を構成する各層としては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＭｇＯ等が例示される。これらの誘電体のうち、屈折率が異なる２種以上の材料層を所定の膜厚で交互に積層することにより半導体部１０からの光を反射可能な誘電体多層膜からなる電流狭窄部２０を得ることができる。例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２、ＳｉＯ２／ＡｌＮ等の多層膜が好ましい。電流狭窄部２０の膜厚は、０．０３μｍ以上７．０μｍ未満、好ましくは０．０４μｍ以上５．０μｍ未満、より好ましくは０．０５μｍ以上３．０μｍ未満とすることができる。用いる材料によって決まる電流狭窄部全体の熱伝導率と反射率から適宜調整することが好ましい。
電流狭窄部２０は、半導体部１０及び／又は第２電極３１よりも屈折率が小さい材料であることが適している。このような屈折率を有することにより、横方向の光の閉じ込めを確実に行うことができる。
電流狭窄部２０は、電流狭窄領域における定在波の位相と合うように調整されていることが好ましい。電流狭窄部２０において、光の損失を効果的に低減させることができるからである。また、電流狭窄部２０上の第２反射器４２が形成されている領域と接続電極５０が形成されている領域で層構造が異なっていても良い。光の損失をより低減させることができる。
（第１電極３１）
本実施形態では、第１電極３１はｎ電極として形成されている。ｎ電極としての第１電極３１は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｖ、ＩＴＯ等のいずれかを含む構成とすることができる。
本実施形態では、第１電極３１はｎ電極として形成されている。ｎ電極としての第１電極３１は、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｗ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｖ、ＩＴＯ等のいずれかを含む構成とすることができる。
図２に、面発光レーザ素子１００を第１反射器４１側からみた平面図を示す。第１電極３１は第１半導体層１１が露出した開口部（図２の破線部分）を有しており、当該開口部が露出した領域で第１半導体層１１と第１反射器４１が接して設けられている。また、第１電極３１の外縁は第１半導体層１１の外縁近傍まで配置されている。
（第２電極３２）
本実施形態では、第２電極３２はｐ電極として形成されている。ｐ電極としての第２電極３２は、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＡＴＯ、ＩＴＯ、ＭｇＯ、Ｎｉ／Ａｕ、より好ましくはＩＴＯを用いることができる。その膜厚は特に限定されないが、５〜１００ｎｍ程度とすることができる。なお、本実施の形態では活性層１３からの光が第２電極３２を透過して第２反射器４２で反射されることを要するため、第２電極３２はその光に対して実質的に透明である。
本実施形態では、第２電極３２はｐ電極として形成されている。ｐ電極としての第２電極３２は、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＡＴＯ、ＩＴＯ、ＭｇＯ、Ｎｉ／Ａｕ、より好ましくはＩＴＯを用いることができる。その膜厚は特に限定されないが、５〜１００ｎｍ程度とすることができる。なお、本実施の形態では活性層１３からの光が第２電極３２を透過して第２反射器４２で反射されることを要するため、第２電極３２はその光に対して実質的に透明である。
第２電極３２は、電流狭窄部２０の開口部内において第２半導体層１２と直接接続されており、そこから更に電流狭窄部２０と接続電極５０の間において延在するように形成されている。
（接続電極５０）
接続電極５０は、第２電極３２と電気的に接続される部材であり、第２反射器４２を取り囲むようにその近傍に形成されている。換言すると、接続電極５０は開口部を有しており、当該開口部内に第２反射器４２が配されている。
接続電極５０は、第２電極３２と電気的に接続される部材であり、第２反射器４２を取り囲むようにその近傍に形成されている。換言すると、接続電極５０は開口部を有しており、当該開口部内に第２反射器４２が配されている。
接続電極５０には、高い電気伝導率及び熱伝導率が求められるので、その材料及び膜厚の関係から、第２電極３２よりも半導体部１０からの光に対して透光性が低く、半導体部１０からの光を吸収しやすい（例えば非透光性）。接続電極５０は、例えば、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｒ又はＷの少なくともいずれか一種を含む材料から構成することができる。より具体的には、Ｔｉ−Ｒｈ−Ａｕ、Ｃｒ−Ｐｔ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｕ、Ｎｉ−Ａｕ−Ｐｔ、Ｐｄ−Ｐｔ、Ｎｉ−Ｐｔ等が挙げられる。
第２反射器４２が誘電体多層膜から構成される場合、一般に誘電体は半導体よりも熱伝導率が低いので、半導体部１０からの放熱の問題が顕著となる。つまり、半導体部１０では電流が流れる領域は電流狭窄領域に制限されているので電流狭窄領域が主な発熱源となるが、熱伝導率の低い誘電体多層膜からなる第２反射器４２が電流狭窄領域と支持基板６０との間に介在する場合、放熱経路が分断されて放熱性が損なわれてしまうという問題がある。一方、放熱性を向上させるには、熱伝導率に優れた接続電極５０を電流狭窄領域に近付ければよいが、接続電極５０を電流狭窄領域に近づけすぎると、今度は接続電極５０による光の吸収が問題となってしまう。そこで、接続電極５０と第２半導体層１２との間に、電流を狭窄するだけでなく光を反射する機能を有する電流狭窄部２０を介在させることにより、放熱性を向上させつつ光損失を軽減させた面発光レーザ素子とすることができる。
電流狭窄部２０の開口部の周縁は、接続電極５０の開口部の周縁と実質的に一致しているか、好ましくは図１に示すように、接続電極５０の開口部の周縁の内側に位置する（つまり、電流狭窄部２０の開口部は接続電極５０の開口部よりも小さい）ことが好ましい。電流狭窄部２０で光が反射されることにより、接続電極５０での光の吸収がより軽減できるからである。
図１では、接続電極５０は、第２反射器４２の周囲のみに設けられており、第２反射器４２と支持基板６０との間には設けられていない。ただ、必要に応じて、第２反射器４２と支持基板６０との間にも接続電極５０を介在させてもよいことは言うまでもない。
（第１反射器４１、第２反射器４２）
第１反射器４１及び第２反射器４２は、半導体多層膜や誘電体多層膜から形成される。第１反射器４１及び第２反射器４２が誘電体多層膜からなる場合、誘電体多層膜を構成する各層としては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＭｇＯ等が例示される。これらの誘電体のうち、屈折率が異なる２種以上の材料層を所定の膜厚で交互に積層することにより誘電体多層膜からなる第１反射器４１及び第２反射器４２を得ることができる。例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２、ＳｉＯ２／ＡｌＮ等の多層膜が好ましい。第１反射器４１、第２反射器４２の膜厚としては、０．３μｍ以上７．０μｍ未満、好ましくは０．４μｍ以上６．０μｍ未満、より好ましくは０．５μｍ以上５．０μｍ未満とすることができる。用いる材料によって決まる第１反射器４１及び第２反射器４２全体の熱伝導率と反射率から適宜調整することが好ましい。
第１反射器４１及び第２反射器４２は、半導体多層膜や誘電体多層膜から形成される。第１反射器４１及び第２反射器４２が誘電体多層膜からなる場合、誘電体多層膜を構成する各層としては、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＭｇＯ等が例示される。これらの誘電体のうち、屈折率が異なる２種以上の材料層を所定の膜厚で交互に積層することにより誘電体多層膜からなる第１反射器４１及び第２反射器４２を得ることができる。例えば、ＳｉＯ２／Ｎｂ２Ｏ５、ＳｉＯ２／ＺｒＯ２、ＳｉＯ２／ＡｌＮ等の多層膜が好ましい。第１反射器４１、第２反射器４２の膜厚としては、０．３μｍ以上７．０μｍ未満、好ましくは０．４μｍ以上６．０μｍ未満、より好ましくは０．５μｍ以上５．０μｍ未満とすることができる。用いる材料によって決まる第１反射器４１及び第２反射器４２全体の熱伝導率と反射率から適宜調整することが好ましい。
（支持基板６０）
支持基板６０は、接続電極５０と接続される部材である。支持基板６０としては種々のものを採用できるが、好ましくはＳｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、より好ましくはＳｉを用いることができる。
支持基板６０は、接続電極５０と接続される部材である。支持基板６０としては種々のものを採用できるが、好ましくはＳｉ、ＧａＮ、ＡｌＮ、より好ましくはＳｉを用いることができる。
支持基板６０は単層である必要はなく、多層であっても良い。さらに、本実施の形態では導電性の支持基板を用いているが、支持基板１０は必ずしも導電性を備えている必要はなく、絶縁性であってもよい。支持基板１０を絶縁性とする場合は、例えば支持基板に導電性のスルーホールを設け、スルーホールを介してコンタクト電極と通電させることもできる。
電流狭窄領域近傍において、第２反射器４２側における支持基板６０にＡｌ等の高反射率部材を含有させることもできる。これにより、電流狭窄領域近傍における反射率をより向上させることができる。
＜実施形態２＞
図３に、本実施形態に係る面発光レーザ素子２００の断面図を示す。面発光レーザ素子２００は、第２電極３２と接続電極５０が異なる以外は、実施形態１と実質的に同一である。
図３に、本実施形態に係る面発光レーザ素子２００の断面図を示す。面発光レーザ素子２００は、第２電極３２と接続電極５０が異なる以外は、実施形態１と実質的に同一である。
つまり、面発光レーザ素子２００では、接続電極５０は第２電極３２を介在せずに電流狭窄部２０と直接接しており、支持基板６０は接続電極５０を介在せずに第２電極３２と直接接している。このような構成であっても実施形態１と同様の作用効果が期待できる。
＜実施形態３＞
図４に、本実施形態に係る面発光レーザ素子３００の断面図を示す。面発光レーザ素子３００は、半導体部１０において電流狭窄領域の周囲が電流狭窄領域に比較して薄くなったおり、それにより凸部が形成されていること、凸部の第２反射器４２が設けられている側だけでなく側面（第１反射器４１と第２反射器４２とを結ぶ直線に平行な面）にも光反射が可能な電流狭窄部２０が設けられていること、が実施形態２の面発光レーザ素子２００と主に異なっている。
図４に、本実施形態に係る面発光レーザ素子３００の断面図を示す。面発光レーザ素子３００は、半導体部１０において電流狭窄領域の周囲が電流狭窄領域に比較して薄くなったおり、それにより凸部が形成されていること、凸部の第２反射器４２が設けられている側だけでなく側面（第１反射器４１と第２反射器４２とを結ぶ直線に平行な面）にも光反射が可能な電流狭窄部２０が設けられていること、が実施形態２の面発光レーザ素子２００と主に異なっている。
面発光レーザ素子３００では、活性層１３を含む凸部の側面に光を反射するための電流狭窄部２０が形成されている。これにより、横方向における強い光閉じ込めが期待できる。
実施形態１〜３では、第１電極３１と第２電極３２とが半導体部１０を介して互いに反対となるように構成しているが、本願発明に係る面発光レーザ素子はこれに限定されない。例えば、半導体部１０の一部を第２半導体層１２側から第１半導体層１１が露出するように除去し、当該除去部分に第１電極３１を形成してもよい。
１０…半導体部
１１…第１半導体層
１２…第２半導体層
１３…活性層
２０…電流狭窄部
３１…第１電極
３２…第２電極
４１…第１反射器
４２…第２反射器
５０…接続電極
６０…支持基板
１１…第１半導体層
１２…第２半導体層
１３…活性層
２０…電流狭窄部
３１…第１電極
３２…第２電極
４１…第１反射器
４２…第２反射器
５０…接続電極
６０…支持基板
Claims (3)
- 第１半導体層及び第２半導体層を有する半導体部と、前記半導体部の第１半導体層側に設けられた第１反射器と、前記半導体部の第２半導体層側に設けられた第２反射器と、を有する面発光レーザ素子であって、
前記第２半導体層と前記第２反射器との間に設けられ、前記第２半導体層と接続された第２電極と、
前記第２反射器の周囲に設けられ、前記第２電極と接続された接続電極と、
前記第２半導体層と前記接続電極との間に設けられ、前記半導体部からの光を反射可能な電流狭窄部と、を備え、
前記電流狭窄部は、誘電体多層膜からなるＤＢＲであることを特徴とする面発光レーザ素子。 - 前記電流狭窄部は、開口部を有し、
前記接続電極は、開口部を有し、
前記電流狭窄部の開口部は、前記接続電極の開口部の内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。 - 前記誘電体多層膜は、ＳｉＯ ２ ／Ｎｂ ２ Ｏ ５ 、ＳｉＯ ２ ／ＺｒＯ ２ 、又はＳｉＯ ２ ／ＡｌＮであることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。
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